JP2020033014A - 強化ビーム部品およびその構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品設計のフレキシビリティ（最適に配置された壁材料、様々な壁の厚さおよび形状の使用を含む）を提供する。【解決手段】マルチシートビームは、一緒に溶接された高強度材料（アルミニウムまたは鋼シート）から作られる。ビーム１００は、その前壁１０１、後壁１０２、上部水平せん断壁１０３、中間水平せん断壁１０４、および底部水平せん断壁１０５を形成するシートを含む、５つのアルミニウムのシートから作られる。せん断壁１０３〜１０５は略平面である。前壁および後壁１０１および１０２は、連続的な溶接、例えば直角に関連するシートが当接すると形成される６つの丸みの付いてないコーナ１０６に位置する溶接により、縁に嵌合係合し、固定される。ビーム１００は、例えば、前壁１０１および後壁１０２を形成するより厚いシート、ならびにせん断壁１０３〜１０５を形成するより薄いシートを有し得る。【選択図】図２

Description

本発明は、ビーム成形装置および方法、ならびにそれを使用して製造された長尺状ビームに関し、より詳細には、マルチストリップビーム、ならびに複数のストリップから自動車バンパー強化ビームを成形するための関連する装置および方法に関する。しかしながら、本発明の範囲はバンパー強化ビームにも自動車用途にも限定されない。

現代の車両は、厳格な性能要件（例えば、ねじれおよび曲げ衝突強度、様々なバリア衝突、車両対車両および歩行者との衝突を測定する試験規格）を満たさなければならないだけでなく、重量（例えばｍｐｇ規格）の最小化を重視する業界の規格にも適合しなければならない強化ビームを備えたバンパーシステムを含む。
また、産業での競争力には、高い寸法上の一貫性、製造の信頼性、ならびに設計および製造のフレキシビリティを提供しながら製造コストを最小化することが求められる。

バンパー強化ビームは、クロスカー構造をバンパーシステムに提供するのに使用され、ロール成形および／または押出加工プロセスにより作られることが多い。
ロール成形は、大量生産において使用される場合、部品品質が良く、競争力のある加工コストを提供し得る。
しかしながら、多くの大量生産型の商業的ロール成形加工は一定断面形状に限られ、材料の単一のシートの成形に限られ、成形ロールを展開するためにかなりのリードタイムを必要とし、頑丈なロール成形装置にかなりの投資を必要とする。
ロール成形されたビームの一部を再成形するのに二次加工が使用されてきたが、二次加工は費用がかかり、速度が遅く、しばしば寸法的に一貫性がなく、製造過程中の部品の複数回の処理を必要とし、手作業集約的であり得る。

押出成形されたアルミニウムビームは、それらの軽量さ、高い強度対重量比、および押出成形されたアルミニウムビームが、最適性能のために位置付けられた異なる厚さを有する壁を有する能力から、相手先商標製品の製造会社（ＯＥＭと呼ばれる）により指定される場合がある。
しかしながら、アルミニウムは高価な材料であり、さらに、押出可能グレードのアルミニウムは引張強度が限られており、一般的にコストが高い。
また、アルミニウムビームは、押出プロセスのために、それらの全長に沿って一定断面を有している。
また、押出加工プロセスを使用して作られたビームには、ビーム曲げ（すなわち、「スイープ加工」）、（例えばブラケット取付のため、または穴もしくは切りくず穴の取付のための）穴あけ、ならびに（強度および安定性のための）材料のエージング／熱処理などの二次作業が必要である。

部品設計のフレキシビリティ（最適に配置された壁材料、様々な壁の厚さおよび形状の使用を含む）を提供するだけでなく、低コスト、比較的低い資本投資、高い製造効率性、十分な信頼性、高い寸法上の一貫性、および製造過程の在庫の少なさという点でプロセスの削減／改良を提供する改良形態が望ましい。公知かつ特殊でない成形および接合プロセスを使用することが望ましい。

本発明の一態様において、車両への衝突のために構築される強化ビーム部品は、少なくとも３つの別個の長尺状金属シートであって、そのうちの少なくとも１つがその上に予備成形された構造を含み、少なくとも３つの別個の長尺状金属シートが、前壁および後壁と、前壁および後壁を連結する少なくとも２つのせん断壁とを画定する、非線形長さと横断面とを有する長尺状管状ビームを画定するために位置付けられかつ相互連結され、シートの少なくとも２つが、シートのうちの隣接する他のものの側面に当接して丸みの付いてない直角の溶接コーナを形成する縁を有する、少なくとも３つの別個の長尺状金属シートと、車両への取付を円滑にするように構成された管状ビームの端部とを含む。

本発明の別の態様において、ビーム部品であって、それぞれ長尺状本体と対向する縁とを有する長尺状金属シートであって、本体が、長さを有する長尺状閉鎖管状ビームであって、長さに沿って一定ではない横断面を有する長尺状閉鎖管状ビームを形成するように配置されかつ一緒に固定され、縁の幾つかが本体のうちの隣接するものと当接して丸みの付いてないコーナを形成し、シートの少なくとも１つの本体が平面である、長尺状金属シートを含む、ビーム部品。

本発明の別の態様において、強化ビーム部品は、複数の少なくとも３つの別個の予備成形されたシートであって、一緒に位置付けられ、かつ次いで溶接されて、前方垂直壁および後方垂直壁と、上部および下部の管を画定する複数の水平壁とを備える管状の箱形ビームを形成し、シートの幾つかの縁が、シートのうちの隣接するものの側面に当接して、ビームの長さを横断して断面を取るときに前方および後方の丸みの付いてないコーナを画定する、複数の少なくとも３つの別個の予備成形されたシートを含む。

本発明の別の態様において、ビーム部品は、少なくとも２つのシートであって、非線形長さと、前壁および後壁と、前壁に隣接する少なくとも１つの丸みの付いてないコーナとを有する管状ビームを形成するように配置され、かつ熱影響ゾーン領域であって、その領域を通る横断面において、少なくとも１つの丸みの付いてないコーナから３ｍｍ未満のところで横断方向に延在する熱影響ゾーン領域を有するために、低熱影響ゾーン溶接プロセスを使用して溶接される、少なくとも２つのシートを含む。

本発明の別の態様において、車両において使用するための強化ビーム部品を構築する方法は、少なくとも３つの別個の長尺状金属シートを提供するステップと、少なくとも３つの別個の長尺状金属シートの少なくとも１つを予備成形するステップと、非線形長を有する長尺状管状ビームと横断面とを画定するためにシートを位置付けかつ相互連結するステップであって、シートの少なくとも２つが、シートのうちの隣接する他のものの側面に当接して丸みの付いてない直角の溶接コーナを形成する縁を有する、ステップと、取付構造を、車両フレームへの取付を円滑にするように構成された管状ビームの端部上に形成するステップとを含む。

本発明の別の態様において、ビーム部品を形成する方法は、それぞれ長尺状本体と対向する縁とを有する長尺状金属シートを一緒に位置付けるステップであって、本体が、長さを有する長尺状閉鎖管状ビームであって、長さに沿って一定ではない横断面を有する長尺状閉鎖管状ビームを形成するように配置され、縁の幾つかが本体のうちの隣接するものと当接して丸みの付いてないコーナを形成し、シートの少なくとも１つが平面である、ステップと、丸みの付いてないコーナで溶接することを含む、シートを一緒に溶接するステップとを含む。

本発明の別の態様において、強化ビーム部品を構築する方法は、複数の少なくとも３つの別個のシートを予備成形するステップと、少なくとも３つのシートを一緒に位置付け、かつ次いで前方垂直壁および後方垂直壁と、上部および下部の管を画定する複数の水平壁とを備える管状の箱形ビームを形成するようにシートを溶接するステップであって、シートの幾つかの縁がシートのうちの隣接するものの側面に当接して、ビームの長さを横断して断面を取るときに丸みの付いてないコーナを画定するステップと、丸みの付いてないコーナを溶接することを含む、溶接ステップとを含む。

本発明の別の態様において、ビーム部品を構築する方法は、少なくとも２つのシートを、非線形長さと少なくとも１つの丸みの付いてないコーナとを有する管状ビームを形成するように配置するステップと、少なくとも１つの丸みの付いてないコーナを、熱影響ゾーン領域であって、その領域を通る横断面において、少なくとも１つの丸みの付いてないコーナから３ｍｍ未満のところで横断方向に延在する熱影響ゾーン領域を有するために、低熱影響ゾーン溶接プロセスを使用して溶接するステップとを含む。

本発明のこれらのおよび他の態様、目的、および特徴は、以下の本明細書、特許請求の範囲、および添付図面を検討すると当業者によって理解され、かつ認識されるであろう。

５つのアルミニウムシートでできているビームの分解斜視図であり、２つが前壁および後壁を形成し、３つが水平せん断壁を形成し、前壁および後壁がフレーム取付穴を有し、せん断壁の上方および下方に延在するアップフランジおよびダウンフランジを有し、ビームの全てのコーナは丸みの付いてない直角コーナである。 ５つのアルミニウムシートでできているビームの組立斜視図であり、２つが前壁および後壁を形成し、３つが水平せん断壁を形成し、前壁および後壁がフレーム取付穴を有し、せん断壁の上方および下方に延在するアップフランジおよびダウンフランジを有し、ビームの全てのコーナは丸みの付いてない直角コーナである。 ５つのアルミニウムシートでできているビームの断面図であり、２つが前壁および後壁を形成し、３つが水平せん断壁を形成し、前壁および後壁がフレーム取付穴を有し、せん断壁の上方および下方に延在するアップフランジおよびダウンフランジを有し、ビームの全てのコーナは丸みの付いてない直角コーナである。 図２と同様のビームの斜視図であるが、その前壁にチャネルリブを備える。 図２と同様のビームの断面図であるが、その前壁にチャネルリブを備える。 図４と同様のビームの斜視図であるが、チャネルリブと、その長さに沿って様々な断面とを備える。 図４と同様のビームの断面図であるが、チャネルリブと、その長さに沿って様々な断面とを備える。 図４と同様のビームの断面図であるが、チャネルリブと、その長さに沿って様々な断面とを備える。 図２と同様の５つの予備成形されたシートから作られたマルチシートビームの分解斜視図であるが、ビームは、中央領域により厚い／異なる材料と端部領域により薄い／異なる材料とを備える後壁を有する。 図９と同様のマルチシートビームの分解斜視図であるが、ビームの後壁を形成する短い中央シートと２つのより短い端部シートとを含む（中央シートと２つのより短い端部シートとの間に間隙がある）、７つの予備成形されたシートからできており、中間水平せん断壁が、長さが中央シートの長さと同様であるが、外向きに角度付けられた端面を有する。 図２と同様のマルチシートビームの分解斜視図であり、５つのシートから作られ、中央領域の外側縁にある目立つ屈曲部から始まる後方に変形した端部セクションを有する（および任意選択的にチャネルリブを含む）予備成形された前壁と、短縮化され、凹状に成形された端部を有する中間水平せん断壁とを含む。 中間水平せん断壁がビームの前面および後面へ延在する縁を有し、上部および下部の前方シートが中間水平せん断壁の前面側先端部と組み合わさってビームの前壁を形成し、上部および下部の後方シートが中間水平せん断壁の後面側先端部と組み合わさってビームの後壁を形成し、上部および底部水平せん断壁が組合せ前壁および組合せ後壁の内部面と当接する、マルチシートビームの断面図である。 図１２における円で囲まれた領域（Ｔコーナ）の拡大図である。 図１３と同様の拡大図であるが、Ｔコーナを形成する様々なシートが３つの異なる厚さを有する。 奥行きが可変のマルチシートアルミニウムビームの分解図であり、ビームがその中央領域にわたる一定断面と後方に狭くなる端部断面とを有し、全ての断面が図１〜８におけるビームより浅い奥行きを有し、その前壁により浅いチャネルリブを有する。 奥行きが可変のマルチシートアルミニウムビームの斜視図であり、ビームがその中央領域にわたる一定断面と後方に狭くなる端部断面とを有し、全ての断面が図１〜８におけるビームより浅い奥行きを有し、その前壁により浅いチャネルリブを有する。 奥行きが可変のマルチシートアルミニウムビームの中央断面図であり、ビームがその中央領域にわたる一定断面と後方に狭くなる端部断面とを有し、全ての断面が図１〜８におけるビームより浅い奥行きを有し、その前壁により浅いチャネルリブを有する。 前壁が一定の高さを有し、上部および底部水平せん断壁が前壁の上部および下部の縁から後方へ平面を有して延在するが、中間水平せん断壁が波打つ非平面形状（破線内に示される）を有するマルチシートビームの正面図である。 一方の管がビームの長さに沿って様々な形状を有する、２管ビームの正面図である。 一方の管がビームの長さに沿って様々な形状を有する、２管ビームの断面図である。 一方の管がビームの長さに沿って様々な形状を有する、２管ビームの断面図である。 マルチシートビームの正面図であり、前壁がビームの端部の上部のかなり上方に垂直に延在するアーチ形の上部の縁を有する。 前壁および後壁が固定穴と壁位置決めスロットとを有し、３つのせん断壁の１つまたは複数が壁位置決めスロット内に位置するスロット係合タブを有し、固定具が固定穴と係合するピンを有する、マルチシートビームの分解図である。 中間および底部水平せん断壁が前壁および後壁と丸みの付いてない直角コーナを形成するが、図示の上部水平せん断壁は、直角から５〜１０度外れたまたはより好ましくは直角から２〜５度外れた丸みの付いてないコーナを形成する、マルチシートビームの断面図である。 ２管設計および前方アップフランジを備えた、先行技術の押出成形されたアルミニウムビームの斜視図である。 ２管設計および前方アップフランジを備えた、先行技術の押出成形されたアルミニウムビームの断面図である。 ２管設計および丸み付きコーナを備えた、先行技術のロール成形された鋼ビームの斜視図である。 ２管設計および丸み付きコーナを備えた、先行技術のロール成形された鋼ビームの断面図である。 図２８と同様の図であるが、丸み付きコーナが崩壊し始める最初の衝突後の図である。 （単一の鋼シートからロール成形された）図２８におけるビームと合致する断面プロファイルを備える先行技術の強化ビームの斜視図であり、ビームは、前壁の外側端部を画定するために斜断ちされた端部に溶接された端部キャップを有する。 図３０と寸法が同様であるが、（二次切断および溶接作業を使用する代わりに）外側端部が前壁およびせん断壁の外側端部の予備成形により形成されるビームの斜視図である。 先行技術のビーム試験であり、３点曲げ試験を示す。 先行技術のビーム試験であり、ゼロオフセット中心線バンパー衝突試験（zero offset centerline bumper impact test）（「ＩＩＨＳ１００％オーバーラップ衝突試験」とも呼ばれる）を示す。 先行技術のビーム試験であり、７３．２ｍｍオフセット中心線オーバーラップ衝突試験（offset centerline overlap impact test）を示す。 マルチシートアルミニウムビーム（図４および６を参照）の質量削減を押出成形されたアルミニウムビーム（図２５を参照）に対して比較するグラフであり、同じパッケージスペースおよび均等なＩＩＨＳバンパー衝突試験性能に当てはまるビームについての質量を比較している。 マルチシートアルミニウムビーム（図４および６を参照）の質量削減を押出成形されたアルミニウムビーム（図２５を参照）に対して比較するグラフであり、同じパッケージスペースに適合し、同様の曲げ試験結果を有するビームについてのビーム質量を比較している。 一定断面のマルチシート鋼ビームの質量削減（図４を参照）と様々な断面のマルチシート鋼ビーム（図６を参照）とを、ロール成形された鋼ビーム（図２７を参照）に対して比較するグラフであり、同じパッケージスペースに適合し均等な曲げモーメントを有するビームについての質量削減を比較している。 一定断面のマルチシート鋼ビームの質量削減（図４を参照）と様々な断面のマルチシート鋼ビーム（図６を参照）とを、ロール成形された鋼ビーム（図２７を参照）に対して比較するグラフであり、図３８は、同じパッケージスペースに適合し均等なＩＩＨＳ１００％オーバーラップ衝突試験性能を有するビームについての質量削減を比較している。 一定断面のマルチシート鋼ビームの質量削減（図４を参照）と様々な断面のマルチシート鋼ビーム（図６を参照）とを、ロール成形された鋼ビーム（図２７を参照）に対して比較するグラフであり、同じパッケージスペースに適合し均等なＩＩＨＳ７３．２ｍｍオフセットオーバーラップ衝突試験性能を有するビームについての質量削減を比較している。 先行技術における従来のＭＩＧ溶接の平面図であり、図は溶接ビードと、縁から５〜１５ｍｍ（またはそれを超えて）延在する熱影響ゾーン（「ＨＡＺ領域」とも呼ばれる）とを示し、ＨＡＺ領域は、溶接プロセス中に生じた熱により著しく低下した材料特性を有し、衝突性能特性が著しく低下する原因となる。 先行技術における従来のＭＩＧ溶接の側面図であり、図は溶接ビードと、縁から５〜１５ｍｍ（またはそれを超えて）延在する熱影響ゾーン（「ＨＡＺ領域」とも呼ばれる）とを示し、ＨＡＺ領域は、溶接プロセス中に生じた熱により著しく低下した材料特性を有し、衝突性能特性が著しく低下する原因となる。 ＨＡＺ領域が相対的に小さい、典型的な先行技術のレーザー溶接の斜視図である。 溶接領域に供給されたコールドワイヤを溶接するためにレーザービームを使用するコールドメタルトランスファー（ＣＭＴ）溶接プロセスの第１側面図であり、ＣＭＴ溶接プロセスは、溶接部の周りの熱影響ゾーンを、約３ｍｍ未満、および潜在的に約１．５ｍｍ未満に最小化する。 溶接領域に供給されたコールドワイヤを溶接するためにレーザービームを使用するコールドメタルトランスファー（ＣＭＴ）溶接プロセスの第２側面図であり、ＣＭＴ溶接プロセスは、溶接部の周りの熱影響ゾーンを、約３ｍｍ未満、および潜在的に約１．５ｍｍ未満に最小化する。 溶接領域に供給されたコールドワイヤを溶接するためにレーザービームを使用するコールドメタルトランスファー（ＣＭＴ）溶接プロセスの斜視図であり、ＣＭＴ溶接プロセスは、溶接部の周りの熱影響ゾーンを、約３ｍｍ未満、および潜在的に約１．５ｍｍ未満に最小化する。 固体溶接を引き起こすスピニング／移動工具を使用した摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）プロセスの側面図であり、ＦＳＷプロセスは溶接部の周りの熱影響ゾーンを除去または略除去する。 固体溶接を引き起こすスピニング／移動工具を使用した摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）プロセスの側面図であり、ＦＳＷプロセスは溶接部の周りの熱影響ゾーンを除去または略除去する。 ビームを形成するための複数のシートの固定および溶接を示し、第１せん断壁の前壁および後壁への溶接を示している。 ビームを形成するための複数のシートの固定および溶接を示し、追加的なせん断壁の溶接を示す。 ビームを形成するための複数のシートの固定および溶接を示し、追加的なせん断壁の溶接を示す。

革新的な本概念の多くが相互に関連しており、幅広い種類の異なるビーム設計を作り出すために異なる方法で組み合わせられ得ることを理解されたい。同時に、これらの原理を使用して構築され得る可能なビームの全てを説明することが可能ではないことを、当業者であれば理解するであろう。したがって、幅広い種類のビームが、様々な図示の実施形態の任意のものから選択された特性を使用して構築され得ることを、当業者であれば理解するであろう。したがって、本説明は徹底的であることも限定的であることも意図していない。

以下の図において、マルチシートビーム（「マルチストリップビーム」または「バンパー強化ビーム」または「ビームセグメント」とも呼ばれる）は、一緒に溶接された高強度材料（アルミニウムまたは鋼シート）から作られるとして説明される。
ビームは、典型的には、特定の車両用途のために求められる通り、重量を最小化する一方で優れた衝突強度をビームに与えるように、戦略的位置に最適に配置された壁の厚さおよび特性を有する。
新規な溶接プロセスがまた、ビームの溶接領域の周りに、特に、隣接するシートを当接させることにより形成された丸みの付いてない直角コーナの周りに低熱影響ゾーンを形成するために検討され、溶接中シートを一緒に保持するための関連する新規な固定システムが説明される。
本明細書で使用するにあたり、用語「丸みの付いてないコーナ」（または「丸みの全くないコーナ」）は、第２シートの非縁部（本体）に当接する第１シートの縁により形成されたコーナを意味するために使用される。
ここで、コーナでの当接構造は約９０度の角度（例えば垂直から５〜１０度以内）を画定する。
コーナでの当接構造は、コーナでのビームへの側面衝突中に「転がる」または不安定になり得る、シート材料により形成された丸みを含まない。

ビーム１００（図１〜３）は、その前壁１０１、後壁１０２、上部水平せん断壁１０３、中間水平せん断壁１０４、および底部水平せん断壁１０５を形成するシートを含む、５つのアルミニウムのシートから作られる。
せん断壁１０３〜１０５は略平面である（しかし非線形の前縁および後縁を有するように予備成形される）。
前壁および後壁１０１および１０２は、連続的な溶接、例えば直角に関連するシートが当接すると形成される６つの丸みの付いてないコーナ１０６（図３）に位置する溶接により、縁に嵌合係合し、固定される。
前壁および後壁１０１および１０２は、後壁１０２に取付穴１０７（本明細書において「取付構造」とも呼ばれ、穴を備える溶接されたブラケットを含むことを意図している）、前壁１０１にアクセス穴１０８、および付属品取付穴１０９など、他の任意の望ましい特徴を含むように予備成形される。
前壁および後壁１０１および１０２（または他の壁）は、予備成形され得る（すなわち、ロール成形されるか、穿孔されるか、パンチで穴をあけられるか、または型打ちされる）こと、ならびに（例えば応力がかかっていないときに）非平面または平面であり得るが、溶接固定により係合するように付勢されると縁の形状をとるのに十分にフレキシブルであることが想定される。（例えば図５０〜５２における固定を参照。）
前壁および後壁１０１および１０２上のアップフランジ１１０およびダウンフランジ１１１は、上部および底部せん断壁１０３および１０５の上方および下方にそれぞれ延在する。

図示のビーム１００（図３）は、例えば、前壁１０１および後壁１０２を形成するより厚いシート、ならびにせん断壁１０３〜１０５を形成するより薄いシートを有し得る。
例えば、アルミニウムが使用される場合、
前壁および後壁１０１〜１０２は、
２ｍｍ〜５ｍｍの厚さの材料であり得、またはより好ましくは２ｍｍ〜３ｍｍの厚さであり得、
８０ｋｓｉの引張強度材料であり得、またはより好ましくは１２０ｋｓｉの引張強度（もしくはそれを超える、特に前壁）であり得、
一方でせん断壁１０３〜１０５は、
１．５ｍｍ〜３ｍｍの厚さの材料であり得、またはより好ましくは１．５ｍｍ〜２．２ｍｍの厚さであり得、
６０ｋｓｉの引張強度の材料であり得、またはより好ましくは７２ｋｓｉ〜８７ｋｓｉの降伏強度であり得る。
アルミニウムは、押出可能グレードのアルミニウムよりも遙かに高い強度のアルミニウムを含む、非常に高強度のアルミニウムから選択され得ることに留意されたい。
アルミニウムの代わりに鋼が使用される場合、
前壁および後壁１０１〜１０２は、
１．０ｍｍ〜４ｍｍの厚さの材料であり得、またはより好ましくは１．２〜２．０ｍｍの厚さであり得、
１９０ｋｓｉの引張強度の材料であり得、またはより好ましくは２２０〜２５０ｋｓｉの引張強度もしくはそれを超える引張強度であり得（例えばマルテンサイト材料および超高強度材料）、
せん断壁１０３〜１０５は、
０．８〜３ｍｍの厚さの材料であり得、またはより好ましくは１〜１．５ｍｍの厚さであり得、
１９０ｋｓｉの引張強度の材料であり得、またはより好ましくは２２０〜２５０ｋｓｉのもしくはそれを超える材料であり得る。
前壁および後壁１０１〜１０２の厚さのせん断壁１０３〜１０５の厚さに対する比は、総コストおよび／またはビーム機能にとって重要であり得る。
例えば、前壁および後壁１０１〜１０２のせん断壁１０３〜１０５に対するストリップ厚さ比は、好ましくは比２：１〜約１：１の比までの範囲である。
ビームセグメント１００の外法寸法は９０ｍｍ〜１５０ｍｍの高さおよび３０ｍｍ〜８０ｍｍの前後（奥行）であり得るが、ビームは、その意図された機能または意図された環境向けに任意の寸法または形状となるように作られ得ることに留意されたい。
図示のビームセグメント１００の長さは、それが用いられる車両のクロスカー寸法に合致する。

特定のクラスのアルミニウム材料のみが押出可能であることに留意されたい。最も高い引張強度を有するアルミニウム材料は押出可能ではなく、一般的に溶接可能ではないと考えられる。溶接技術を含む革新的な本概念を使用することにより、ビームは「押出可能」クラスのアルミニウムより強いアルミニウムから作られ得る。
これにより、より強いアルミニウム材料および／またはより薄い／より厚い／複数の厚さのアルミニウムシート材料を使用することを含む、遥かにより広い範囲の、押出プロセスにより加工され得るアルミニウム材料を使用してビームを作ることが可能になる。
特に、より高強度のアルミニウムは、強度特性を維持しつつより低い重量のビームをもたらす。

本発明の装置（および関連する方法）は、装置のための比較的低い資本コスト、装置のためのリードタイムの短縮、自動化することが容易であること（肉体労働コストの低下をもたらす）、製造過程の在庫の減少および二次加工の減少がもたらされ得ることを含む多くの利点を有する。
同時に、本発明の装置はフレキシブルであり、最適な衝突強度に十分適した丸みの付いてない直角コーナ（「丸みの全くないコーナ」とも呼ばれる）を有するビーム、不連続な壁を有するビーム、最良の機能特性を提供するためにビームに沿った位置に戦略的に位置付けられたより厚いおよびより薄いシートを有する（または戦略的に位置付けられたより高い強度およびより低い強度のシートを有する）ビームを含む広い範囲のビーム形状を製造することが可能である。
ビームの上方（または下方）に延在するアップ（およびダウン）フランジの形成も可能になり、これは車両製造者により望まれることもある。このようなフランジは製造者の車両通過衝突試験（vehicle pass impact testing）を支援し得、フェイシアを支持し得、様々なコンポーネント、センサおよび付属品のための取付部位として機能し得る。

図示のビームセグメント１００（図３）は前壁１０１の上方に延在するアップフランジ１１０を有する。
これは、例えば前端部フェイシアのための支持または取付クリップもしくはワイヤクリップを支持するための支持など、隣接するコンポーネントへの支持を提供するために車両製造者により指定されることもある。
アップフランジ１１０は一貫した高さであり得、または車両の中央部付近で大きくし得、またはその長さに沿った選択された位置で大きくし得ることに留意されたい。

また、図示のビーム１００は、あるシートの縁が別のシートの側部と直角をなす９０度の角度で当接する、丸みの付いてないコーナ（「直角のコーナ」または「Ｔ字形コーナ」と呼ばれることもある）を有する。（表現「丸みの付いてないコーナ」は、本明細書では平面シートを当接させることにより形成される９０度のコーナに言及するために使用されるが、８５度またはさらには８０もしくは７５度など、９０度からわずかに変更されたコーナを含むことが意図されている（図２４を参照）。
これは、丸み付きコーナを有する必要のある従来のロール成形されたビームとは対照的である（丸み付きコーナが衝突時の早期の崩壊を招く、図２７〜２８および図２９を参照）。
丸み付きコーナを有するロール成形されたビームにおいて、ビームがコーナの形状に曲げられるときに、コーナでの材料のせん断または破砕を回避するために、内半径は典型的には材料の厚さより少なくとも約４倍大きくなければならない。
丸み付きコーナは転がる傾向があり、「より柔らかい」またはより低い初期衝突抵抗をもたらし、したがって、丸みが存在することにより壊滅的に崩壊する傾向がより大きくなる可能性がある（図２９を参照）。
対照的に、丸みの付いてないコーナを有する図示のビーム１００は、コーナの丸みを全く有しない。これは、衝突されたときに利点を提供し、その理由は、直角のコーナがその衝突抵抗の即時的かつ急な増大をもたらすためである（より効率の低い衝突抵抗を有する衝突ビームシステムにおけるよりも概してより多くの量のエネルギーが吸収されるため、一般に「きわめて効率的な衝突抵抗」と呼ばれる）。
したがって、壊滅的崩壊に対するビームの抵抗は、丸みの付いてないコーナの存在により向上する。たとえ丸みの付いてないコーナが革新的な本ビームにおいて好ましいとしても、幾つかのビームが幾つかの丸み付きコーナを備えて開発され得ることが想定される。
例えば、ビームは前壁、上部壁、および底部壁を形成するのに単一のシートを使用して（すなわち、それらを結合する丸み付きコーナを備えて）形成し得、追加的なシートが後壁および中間せん断壁を形成する（および丸みの付いてないコーナを有する）。

同様のコンポーネント、特徴、特性、および属性は同じであるが、「Ａ」、「Ｂ」などの文字が追加された数字を使用して識別される追加的なビームが以下に説明される。これは冗長な議論を減らすために行われるものであり、別の目的のために行われるのではない。

図４〜５はビーム１００と同様のビーム１００Ａを示すが、チャネルリブ１１４Ａがその前壁１０１Ａにあり、１つのチャネルリブ１１４Ａがビーム１００Ａの各管状セクションにわたって中央に置かれる。
試験により、チャネルリブ１１４Ａは衝突中に前壁を安定させるのを補助し、チャネルリブ１１４Ａなしの同一のビーム（１００）より向上した衝突抵抗および／または向上した曲げ強度をもたらすことが示される。
チャネルリブ１１４Ａは機能目的上ビームにおいて望まれる通りに深くも浅くもし得る。（図５および１７におけるリブを比較されたい。）
図示の好ましいチャネルリブ１１４Ａは、下にある管状セクションの幅の約２５％にわたって延在し、チャネルリブ１１４Ａは、その幅と概ね同じ深さである。
しかしながら、チャネルリブ１１４Ａを、チャネルリブ１１４Ａの底部がビーム１００Ａの後壁１０２Ａを形成するシート上に載るほど深く作ることを含む、
異なるチャネル深さが想定される。
図示のせん断壁１０３Ａ〜１０５Ａは、そのスイープと呼ばれることもあるビームの長手方向形状を画定する縁を有する。
前壁１０１Ａは、せん断壁１０３Ａ〜１０５Ａの縁の形状に合致するように形成される。
後壁１０２Ａは、（応力がかかっていないときに）比較的平面的であり得、せん断壁１０３Ａ〜１０５Ａの後縁の形状への固定時に変形され得る（または形作るために予備成形され得る）。
壁１０３Ａ〜１０５Ａの図示の縁（図４）は非線形であるが、ビームの長さが一定断面寸法を画定するように略平行である。

修正ビーム１００Ｂ（図６〜８）はビーム１００Ａ（図４〜５）と同様であるが、ビーム１００Ｂ（図６〜８）は、その断面形状がビーム１００Ｂの長さに沿って変化するように、非平行な縁を備えるせん断壁１０３Ｂ〜１０５Ｂを有する。
したがって、ビーム１００Ｂはその中央領域において奥行き方向により大きい（より深い）断面寸法を有し（図８）、その外側端部（図７）で奥行き方向により狭い（より浅い）断面寸法を有する。
このビーム１００Ｂは、車両の前方端部に、より空気力学的な外見を提供する。バンパー強化は、ビームが車両フレームまたは車両クラッシュチューブにボルトで固定されるビームの端部の構造上の取付部での曲げ強度ほどの高さを必要としないことに留意されたい。
対照的に、ビーム１００Ｂの中央付近では、ＩＩＨＳオフセットオーバーラップ衝突試験に合格するために、より大きい曲げモーメント（すなわち、より大きい断面形状）を有することが望ましい。（図３４を参照。）
ビーム１００Ｂは、あまりスイープ加工されていない中央セクション（すなわち、上方から見たときにより大きい丸み）と、より鋭くスイープ加工された端部セクション（すなわち、上方から見たときにより小さい丸み）とを有し得る。

ビームにおけるシートは、最適性能のために望まれる通りに異なる厚さおよび強度を有し得る。また、特定のシートが、端部と端部とが一緒に溶接された異なるシートセグメントを有し得る。
例えば、ビーム１００Ｃ（図９）は、２ｍｍの厚さを有し、約１６〜２０インチの長さである鋼でできている中央部分１０２Ｃ’を備える後方シート１０２Ｃを有する。
外側シート１０２Ｃ’’は、例えば、同様の鋼材料であり得るが、より薄い厚さ、例えば１．０〜１．５ｍｍの厚さを有する。
シート１０２Ｃ’および１０２Ｃ’’は、例えばレーザー溶接線に沿って一緒に溶接され、ビーム１００Ｃの長さに延在する連続的な「ハイブリッド」シートを形成する。
結果としてのハイブリッド後壁１０２Ｃは、多量の材料の質量削減をもたらし得る。同じ配置構成が前壁１０１Ｃ上またはせん断壁１０３Ｃ〜１０５Ｃ上で行われ得る。

ビーム１００Ｄ（図１０）はビーム１００Ｃと同様であるが、ビーム１００Ｄにおいて、後方中央部分１０２Ｄ’は後方外側部分１０２Ｄ’’に連結されない。代わりに、部分１０２Ｄ’と１０２Ｄ’’との間に、概ね約４〜１０インチの長さの間隙などの間隙がある。
また、中間水平せん断壁１０４Ｄは中央後方シート１０２Ｄ’と長さにおいて同様であるが、とりわけこれは、中央後方シート１０２Ｄ’の端部がせん断壁１０４Ｄの端部と整列しないように、中央後方シート１０２Ｄ’よりも長さが幾分長くてもよい。これは、そのポイントでのビームの曲げ強度に悪影響を与えるのを回避するために行われる。
中間水平せん断壁１０４Ｄの外端部は、それらが後壁１０２Ｄから前壁１０１Ｄに向かって延在するときに、外側角度で延在する。とりわけ、中間せん断壁１０４Ｄの端部は、線形、または湾曲、またはそうでなければ、ビーム重量を最小化する一方でビーム強度および衝突特性を最適化するのに望ましい任意の形状であり得ることが想定される。

ビーム１００Ｅ（図１１）は、垂直折り線１０１Ｅ’’を画定する後方に変形した端部セクション１０１Ｅ’を有する予備成形された前壁１０１Ｅを含む。
折り線１０１Ｅ’’は鋭い屈曲ではないが、代わりに、応力の集中を回避し、中央部からビームの端部への良好な移行部を提供するために形成される緩やかな曲線である。
前壁１０１Ｅは、チャネルリブ（１１４Ａ）を含んでも含まなくてもよく、チャネルリブ（１１４Ａ）はビームの長さに延在してもしなくてもよい。
示される中間水平せん断壁１０４Ｅは、短縮化され、凹状に成形された端部を有する。
上部および底部水平せん断壁１０３Ｅおよび１０５Ｅは比較的平面的であるが、前壁１０１Ｅの形状と合致する前縁を有する。
せん断壁１０３Ｅ〜１０５Ｅの後縁は非線形であり、非平行であり、望ましい形状を画定するために概して湾曲している。
後壁１０２Ｅのためのシートは、応力がかかっていないときに平面であるが、せん断壁１０３Ｅ〜１０５Ｅの後縁に対して固定およびプレス加工されるとせん断壁１０３Ｅ〜１０５Ｅの後縁の形状に合致するように曲がるように、比較的平面的かつフレキブルである（図１、４、６、および４８〜５０を参照。）

ビーム１００Ｆ（図１２〜１３）は、７つのアルミニウムのシートでできている。
中間水平せん断壁１０４Ｆは、ビーム１００Ｆの前面および後面の一部へ延在し、それを形成する。
２つの上部および下部の前方シート１０１Ｆ’および１０１Ｆ’’は中間水平せん断壁１０４Ｆの前面側先端部と組み合わさって、前壁１０１Ｆを形成する。
２つの上部および下部の後方シート１０２Ｆ’および１０２Ｆ’’は、中間水平せん断壁１０４Ｆの後面側先端部と組み合わさってビーム１００Ｆの後壁１０２Ｆを形成する。
上部および底部水平せん断壁１０３Ｆおよび１０５Ｆは、組合せ前壁１０１Ｆおよび組合せ後壁１０２Ｆの内向面に当接する。
以下で説明される摩擦攪拌溶接（図４６〜４７を参照）は、滑らかな「平坦な」前面を維持する方法でビーム１００Ｆ上の溶接された中央部を接合するように特に良好に適合されることに留意されたい。
図１３は、図１２におけるビーム１００Ｆの中央部で円で囲まれた領域ＩＶＩＸ（Ｔコーナ）の拡大図である。
とりわけ、溶接されたコーナから離れるように延在する溶接材料がないように、好ましくは溶接プロセスが使用される。換言すると、本質的に溶接ビードはない。
代わりに、溶接材料の全てが図示の通り、コーナ内に捕捉され、したがって、前面（および／または後面も同様の溶接が使用される場合は後面）は「平坦」である。

ビーム１００Ｆ（図１３）において、全ての当接するシートは同様の厚さを有する。
しかしながら、修正ビーム１００Ｇ（図１４）において、コーナを形成する様々なシートは各々異なる厚さを有する。
したがって、ビーム１００Ｇは、所与のシートの上部から底部へ、異なる材料または異なる厚さの材料を有する。
このビーム１００Ｇは、ビーム１００Ｇの下部の管状セクションに沿ってより低い（またはより高い）曲げ強度を提供するため、新規な特性を呈する。

ビーム１００Ｈ（図１５）はビーム１００Ｂ（図６）と同様であるが、ビーム１００Ｈはその長さに沿って概してより薄い前後寸法を有し、ビーム１００Ｈが前壁の中央部に沿った第１スイープ（第１曲線）から前壁１０１Ｈの外側端部に沿ったより鋭い第２スイープ（第２曲線）に移行するとき、前壁１０１Ｈ上により鋭い屈曲を有する。
また、チャネルリブ１１４Ｈはビーム１００Ｂにおけるリブ１１４Ｂより浅い。（図１７と図８とを比較。）

ビーム１００Ｊ（図１８）はビーム１００（図１）と同様の形状を有するが、ビーム１００Ｊは非平面の中間水平せん断壁１０４Ｊを有する。
具体的には、せん断壁１０４Ｊは、中央部の各側に１つの波を備える、波打つまたは波状の形を有する。
せん断壁１０４Ｊにより形成され得る波はこれより多いことも少ないことも可能であり、急でジグザグの屈曲が作られることも可能である。
また、波は起伏の幅または高さが一貫していることも一貫していないことも可能である。

ビーム１００Ｋ（図１９〜２１）はビーム１００（図１）と同様であるが、ビーム１００Ｋは弓形の上部せん断壁１０３Ｋを有し、前壁および後壁１０１Ｋおよび１０２Ｋはその形状に合致する。
したがって、ビーム１００Ｋにより形成された２つの管は中央領域において異なっているが（図２１参照）、ビームの端部では同様である（図２０）。
特に、図示の底部管セクションは一定の形状を維持するが、上部管は中央部における最大形状（図２０）から端部でのより狭い管（図２１）に変化する。

ビーム１００Ｌ（図２２）はビーム１００Ｋと同様であるが、上部せん断壁１０３Ｌがさらに大きい弓形形状を有する。上部せん断壁１０３Ｌは前壁１０１Ｌの上部縁に従い得るか、またはそれは水平な平面に延在し得ることに留意されたい。

ビーム１００Ｍ（図２３）は、固定穴１３０Ｍおよび壁位置決めスロット１３１Ｍを備える前壁および後壁１０１Ｍおよび１０２Ｍを含む。
前（および後）壁１０１Ｍおよび１０２Ｍにおける固定穴１３０Ｍは、固定具１３３Ｍに位置付けられると、シート１０１Ｍ〜１０５Ｍを正確に位置付けるために、固定具１３３Ｍにおけるピン１３２Ｍと係合する。
３つのせん断壁１０３Ｍ〜１０５Ｍの１つ（または２つ以上）は、壁位置決めスロット１３１ＭＵ内に嵌合して位置付けられるタブ１３５Ｍ（タブ１３５Ｍは中間せん断壁１０４Ｍにのみ図示されることに留意されたい）を有し、それにより、溶接中、水平せん断壁１０３Ｍ〜１０５Ｍを前（および後）壁１０１Ｍおよび１０２Ｍ上に正確に位置決めする。
固定穴１３０Ｍおよびスロット−タブ構造１３１Ｍ／１３５Ｍは組立てのために必要な固定を単純化する。
固定具はまた、他の固定デバイス、例えば（シートを保持するためにシートの２つの側に係合する）クランプおよび機械的保持具、もしくは（シートを保持するためにシートの一方側に係合する）真空カップおよび磁石を含み得、ならびに／または隣接する部品を溶接組立てのために正確に位置決めするための当該技術分野において公知の他の手段を含み得ることに留意されたい。
以下説明される図５０〜５２を参照されたい。

ビーム１００Ｎ（図２４）は、前壁および後壁１０１Ｎおよび１０２Ｎと丸みの付いてないコーナ１０６Ｎを形成する上部水平せん断壁、底部水平せん断壁および中間水平せん断壁１０３Ｎ〜１０５Ｎを有する。
中間および底部水平せん断壁１０４Ｎおよび１０５Ｎは丸みの付いてない直角コーナを形成する。
しかしながら、（バンパー強化ビームとして使用されるときに）上部水平せん断壁１０３Ｎが直角から約１〜１０度外れた、またはより好ましくは直角から２〜５度外れた丸みの付いてないコーナを形成するように、上部水平せん断壁１０３Ｎは水平に対してある角度をなして延在する。
角度付けられた壁が、車両に取付けられた位置にあるときにビームの底部にあるように、ビーム１００Ｎは「逆さま」にされ得ることが想定される。

図２５〜２６は、上述の様々な概念を組み込むマルチシートビームとの比較のための基準として使用される、先行技術における押出成形されたアルミニウムビーム５００を示す。ビーム５００は、前壁、後壁、上部壁、中間壁、および底部壁５０１〜５０５ならびに前方アップフランジ５０６を含む。

図２７〜２８は、上述の様々な概念を組み込むマルチシートビームとの比較のための基準として使用される、先行技術における高強度鋼でできているロール成形された鋼ビーム６００を説明する。
ロール成形された鋼ビーム６００は、丸み付きコーナ６０８を画定する前壁、後壁、上部壁、中間壁、および底部壁６０１〜６０５を含み、ビーム６００における管にわたるチャネルリブ６０６を含む。

図２９は、ビーム６００に対する衝突を示し、ビームの断面形状は、衝突中にビームが崩壊し始めると変化する。変形は、丸み付きコーナで始まる傾向にあり、これは、ロール成形されたビームの全ての壁における不安定さをもたらし、したがってビームの「早期の」壊滅的崩壊をもたらすことに留意されたい。

ビーム６００Ａ（図３０）はビーム６００と同様であるが、その端部は二次作業において斜断ちされ、キャップ６０９Ａが各端部に溶接される。
キャップ６０９Ａは、鋭く後方に切断され、前壁６０１Ａに後方に延在する端部を形成し、側面衝突強度および望ましい特性を追加する。
しかしながら、キャップ６０９Ａはまた、二次加工に由来するバンパーの総重量およびコストを追加する。

マルチシートビーム１００Ｐ（図３１）はビーム１００Ａ（図４）と同様であるが、ビーム１００Ｐは、後方に鋭く屈曲する外側端部セクションを備えた前壁１０１Ｐを含み、前壁１０１Ｐと当接して係合するために合致する前縁を備えるせん断壁１０３Ｐ〜１０５Ｐを含む。
したがって、ビーム１００Ｐの斜断ちされた形状は、既存のコンポーネントと一体化され、二次作業をなくし、追加的な重量を回避し、それでもなお上述のロール成形されたビーム６００Ａと同様の外見および機能を提供する。

図３２〜３４は、バンパー強化ビームの性能を測定するために一般に使用される試験を示す。
図３２は、バンパーを試験するのに使用される３点曲げ試験を示す。本発明者らは、８８０ｍｍのスパンの支持体と、試験の際の７．６ｋＮ−ｍの曲げ強度のターゲットを使用した。
図３３は、ＩＩＨＳ１００％オーバーラップ衝突試験を示す。
図３４は、ＩＩＨＳ７３．２ｍｍオフセットオーバーラップ衝突試験を示す。とりわけ、オフセットは、衝突中、特に、（ビームの端部で）車両取付具から間隔を空けて配されたビームの中央部付近にビームへのかなりのねじれ負荷をもたらす。
ＩＩＨＳは、米国道路安全保険協会の略語であり、自動車産業において広く使用される公知のバンパー試験規格を有する。

関連する製造方法をまとめるために、バンパービームの製造方法は、
ビームの前壁、後壁、上部壁、中央壁および底部壁を形成するための選択された（異なる可能性のある）材料特性および厚さの複数のストリップを提供するステップと、
全てのシートの縁をせん断し、必要な任意のシートに穴を形成する（例えば、上部壁、中央壁、および底部壁の縁をせん断してそれらの長さに沿って様々な幅を形成する）ステップと、
（例えば、チャネルリブまたは他の特徴部を前壁に形成するために）必要に応じて壁を成形するステップと、前壁および後壁を、上部壁、中央壁、および底部壁の１つまたは複数と当接して接触させて固定するステップと、
これらを一緒に溶接するステップと、
上部壁、中央壁および底部壁の残りと固定するステップおよび溶接するステップを繰り返すステップと
を含む。

図３５は、ターゲットの押出成形されたアルミニウムビーム５００（図２５）に対して比較される、奥行きが一定のマルチシートビーム１００Ａ（図４）と奥行きが様々なマルチシートビーム１００Ｂ（図６）のビーム質量とを比較するグラフである。
ビーム１００Ａ、１００Ｂ、および５００は同じ車両パッケージスペースに適合し、均等なＩＩＨＳバンパー衝突試験性能を有する。
ビーム１００Ａおよび１００Ｂは、強度および特性について最適に配置され、重量を最小化するために高強度（押出可能でない）アルミニウムを使用した。
この研究は、同じＩＩＨＳ衝突試験性能を維持する一方で、ビーム１００Ａが大きい質量削減をもたらし、ビーム１００Ｂがさらにより大きい潜在的質量削減（約２０％の質量削減）をもたらしたことから、質量削減のための大きい機会があることを示唆している。
ビームの長さおよびビームの断面に沿って材料特性を最適化することにより、公知の先行技術のアルミニウム押出成形ビームよりも、さらにより大きい質量削減が達成され得、質量削減は図３６に示され通り３４％にもなる。

図３７は、鋼材料でできている先行技術のロール成形された（２管）基準モノレグ（monoleg）ビーム６００（図２７）、一定断面およびチャネル−リブ付き面を備えるマルチシートビーム１００Ａ（図４）、ならびに様々な断面およびチャネル−リブ付き面を備えるマルチシートビーム１００Ｂ（図６）を含む、３つの異なるビームについて、単位質量当たりの最大曲げモーメントを比較するグラフである。
試験は１キログラム当たりの最大曲げモーメントを測定するためのものであった。
試験は、等しいビーム性能にも等しいビーム質量にも基づいていなかった。
図示の通り、様々な断面を備えるマルチシートビーム１００Ｂは、先行技術の基準モノレグビーム６００よりも２７．４％だけ大きい、単位質量当たりの曲げモーメントをもたらした。
一定断面を備えるマルチシートビーム１００Ａさえも、先行技術のビーム６００より２３％だけ向上した単位質量当たりの曲げモーメントをもたらした。

図３８は、各々ＩＩＨＳ１００％オーバーラップ衝突試験において同様の性能を有する図３７におけるビームについて質量を比較するグラフである。具体的には、ビームは、先行技術のロール成形された（２管）ビーム６００（図２７）、一定断面を備えるマルチシートビーム１００Ａ（図４）、および様々な断面を備えるマルチシートビーム１００Ｂ（図６）を含む。先行技術の基準ビーム６００よりも、ビーム１００Ａが３．３％の質量減少をもたらした一方で、ビーム１００Ｂは１５．６％の質量減少をもたらした。性能を最適化するために異なるシート厚さの組合せが使用されたことに留意されたい。

図３９は、図３７において比較されたのと同じ３つの異なるビームについて質量を比較するグラフであり、各々ＩＩＨＳ７３．２ｍｍオーバーラップ衝突試験において同様の性能を有するが、ビームは、オフセット衝突性能を達成するための質量が異なる。
グラフは、ビーム１００Ｂが、均等なＩＩＨＳ７３．２ｍｍオーバーラップ衝突試験結果をもたらす一方で、先行技術のロール成形されたビーム６００よりも２２．４％の質量削減があったことを示す。
ここでも同様に、性能を最適化するために異なるシート厚さの組合せが使用されたことに留意されたい。

新規な溶接方法が、溶接部の周りの熱影響ゾーンを最小化する（略除去する）のに使用され得ることが想定される。
これは、車両バンパーシステムにおいて使用されるバンパー強化ビームにおいて特に重要となり得、その理由はバンパーシステムにはＩＩＨＳ（米国道路安全保険協会）およびＦＭＶＳＳ（連邦自動車安全基準）局により定められた数多くの試験規格があるからである。
とりわけ、高熱を生じる溶接プロセスおよび溶接部はまた、溶接部の周りおよびそれに隣接する材料の物理特性を低下させる。
バンパー強化ビームの衝突および曲げ強度ならびに試験規格は非常に精緻であり、ポール試験、振り子試験、オーバーラップ（車両対車両シミュレーション）衝突試験、歩行者衝突／傷害試験、乗員安全試験、および数多くの他の試験に関連することに留意されたい。

低下した材料特性（すなわち、高強度鋼またはアルミニウムにおける強度の低下した領域）は概して、衝突中のより低い衝突強度およびより低い特性の一貫性およびより予測し難いエネルギー吸収を有する。
図４０は、隣接するコンポーネント同士を接合する溶融金属を作り出すために熱が使用される従来の溶接プロセスにおける溶接部の周りの熱影響ゾーンの効果を概略的に示す。
図示のＭＩＧ溶接（またはＴＩＧ溶接であり得る）は、溶接材料７００（「溶接ビード」とも呼ばれる）を、隣接するシート７０１および７０２を接合するために加える。
溶接ビード７００は、溶接されるコーナ（または平面）を形成する壁の金属材料から約３〜１０ｍｍ外へ延在する。溶接ビード７００は、コーナにまたはそれに沿って溶接材料のたまりまたはプールを作り出すが、溶接ビードよりさらに遠くに、例えば溶接されるコーナから外に１５〜２０ｍｍのところに延在する高熱領域７０４をさらにもたらす。
なおさらに、材料の感度に依存して、悪影響を受ける領域７０５（「熱影響ゾーン」または「ＨＡＺ」と呼ばれる）がなお遠くに、例えば、コーナから１５〜２５ｍｍのところに延在する。
レーザー溶接（図４２）もまた公知の溶接プロセスであり、溶接部位の材料７１０がレーザーエネルギー７１１により溶融されて、冷却されると隣接する材料に接合する材料のプールを作り出す。

本発明者らは、本発明者らの見解によると、熱影響ゾーンを特に良好に制御する３つの溶接プロセスを発見した。
これらには、コールドメタルトランスファー溶接（ＣＭＴ）（図４３〜４５）、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）（図４６〜４７）、および均一レーザー溶接（図示せず）が含まれる。
これらのプロセスの各々は公知であり、商業的に利用可能であるが、それらの使用は本発明者らが知っている限り、広く普及していないことに留意されたい。
特に、本発明者らはこれらのプロセスのいずれかを使用して作られたバンパー強化ビームも、これらのプロセスのいずれかを使用して作られた衝突衝撃用に設計されたビームも知らない。

コールドメタルトランスファー（ＣＭＴ）溶接は、宣伝され、例えばFraunhoferという名称の会社を含む幾つかの企業から商業的に入手可能なプロセスである。
図４３〜４５はコールドメタルトランスファー溶接プロセス（の幾つかのうち）の１つを説明している。これは溶接部の周りの熱影響ゾーンを約３ｍｍ未満、潜在的に約１．５ｍｍ未満に最小化する能力を含む。
プロセスは、溶接を開始する必要があると、溶接材料（図１２からシート１０４Ｆおよび１０２Ｆ’として示される）のためにコールド（帯電していないことを意味する）ワイヤストック４０１を溶接部位に供給しながら、良好に命中し、良好に調整されたレーザー４００からの溶接のための限られた、集中されたエネルギーを提供することを含む。
とりわけ、コールドワイヤ４０１により溶接部に加えられる溶接材料の量は最小限であり（小さい寸法のワイヤと、潜在的に、ワイヤの遅いまたは揺動可能な移動／供給とを含む）、さらに、レーザー４００は熱の蓄積を最小化するために厳密に制御される。
したがって、溶接部位の周りの熱影響ゾーンは最小限であり、例えば、上記の通り、コーナから３ｍｍ未満またはさらには１ｍｍ程度の小ささである。溶接されたコーナの外側に延在する溶接ビードは本質的にゼロである。

図４６〜４７は、ESOB Companyにより宣伝され販売される商業的に利用可能なプロセスである摩擦攪拌溶接プロセスの側面図である。
摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）は、固体溶接プロセスであるため、溶接からの入熱に由来する特性の損失を略なくす。
摩擦攪拌溶接において、工具４２０は、溶接部位４２１と密接に関連する位置の周りを摩擦を引き起こすような方法で周期的にまたは揺動可能に移動し、シート１０４Ｆおよび１０２Ｆ’および１０２Ｆ’’からの材料を追加的な溶接材料なしに接合させ、それにより溶接中に溶接部位に加えられる過剰な熱を最小化する。
溶接部位に外部の材料が加えられることはない。代わりに、直接隣接する領域からの材料が、隣接するシート１０４Ｆおよび１０２Ｆ’および１０２Ｆ’’を接合するのに十分に可動にされる。

均一レーザー溶接（図示せず）は、当業者による理解のために本明細書において詳細な説明を必要としない商業的に公知のプロセスである。溶接中に蓄積する熱を最小化するのにも使用され得る。

上記の溶接プロセス（コールドメタルトランスファー溶接、摩擦攪拌溶接、均一レーザー溶接）の各々において、最小限の材料が溶接部位に加えられるか、または溶接部位に材料が加えられない。
これらは溶接部位から３〜５ｍｍ延在する溶接ビードを残さない。同時に、これらは溶接部位の熱を最小化し、したがって熱影響ゾーンを溶接されるコーナから非常に短い距離（例えば２、３ミリメートル）だけ最小化する。

シート１０１〜１０５は、シートの形状および使用される溶接のタイプに依存して異なる方法で固定され得る。
固定具８００（図４８）は、シート１０１、１０２、および１０４を一緒に保持するための、直立ブロック８０２と、側部クランプ８０３と、上部クランプ８０４とを備えるベース８０１を使用する。
図示の溶接プロセスは、レーザー４００およびコールドワイヤ（図示せず）を備えるＣＭＴ溶接プロセスである。
プロセスは、シート１０５を保持するための追加的な中央ブロック８０５を使用して図４９において繰り返される。
その後、図５０において、部分的ビームが逆さにされ、最後のシート１０３がブロック８０６により固定され、溶接される。
多くの異なる固定方法および手順が使用され得ることが想定される。
例えば、ビームは、逆さにされる代わりに、底部から溶接され得る（図示せず、図５０を参照）か、またはビームは９０度回転されて側面から溶接されてもよい（図示せず）。

したがって、本発明の概念から逸脱せずに上記の構造に対する変形形態および修正形態がなされ得ることを理解されたい。
また、さらに、このような概念は、それらの言語による以下の特許請求の範囲が明確にそうではないと述べない限り、これらの特許請求の範囲により包含されることを意図されることを理解されたい。

本発明は、強化ビーム部品およびその構築方法に関し、より詳細には、マルチストリップビーム、ならびに複数のストリップから自動車バンパー強化ビームを成形するための関連する装置および方法に関する。しかしながら、本発明の範囲はバンパー強化ビームにも自動車用途にも限定されない。

本発明の一態様において、車両への衝突のために構築される強化ビーム部品は、少なくとも４つの別個の長尺状金属シートであって、そのうちの少なくとも１つがその上に予備成形された構造を含み、少なくとも４つの別個の長尺状金属シートが、前壁および後壁と、前壁および後壁を連結する少なくとも２つのせん断壁とを画定する、非直線的長さと横断面とを有する長尺状管状ビームを画定するために位置付けられかつ相互連結され、シートの少なくとも２つが、シートのうちの隣接する他のものの側面に当接して丸みの付いてない直角の溶接コーナを形成する縁を有する、少なくとも４つの別個の長尺状金属シートと、車両への取付を円滑にするように構成された管状ビームの端部とを含む。

本発明の別の態様において、強化ビーム部品は、複数の少なくとも４つの別個の予備成形されたシートであって、一緒に位置付けられ、かつ次いで溶接されて、前方垂直壁および後方垂直壁と、上部および下部の管を画定する複数の水平壁とを備える管状の箱形ビームを形成し、シートの幾つかの縁が、シートのうちの隣接するものの側面に当接して、ビームの長さを横断して断面を取るときに前方および後方の丸みの付いてないコーナを画定する、複数の少なくとも４つの別個の予備成形されたシートを含む。

本発明の別の態様において、ビーム部品は、少なくとも３つのシートであって、非直線的長さと、前壁および後壁と、前壁に隣接する少なくとも１つの丸みの付いてないコーナとを有する管状ビームを形成するように配置され、かつ熱影響ゾーン領域であって、その領域を通る横断面において、少なくとも１つの丸みの付いてないコーナから３ｍｍ未満のところで横断方向に延在する熱影響ゾーン領域を有するために、低熱影響ゾーン溶接プロセスを使用して溶接される、少なくとも３つのシートを含む。

本発明の別の態様において、車両において使用するための強化ビーム部品を構築する方法は、少なくとも４つの別個の長尺状金属シートを提供するステップと、少なくとも４つの別個の長尺状金属シートの少なくとも１つを予備成形するステップと、非直線的である長尺状管状ビームと横断面とを画定するためにシートを位置付けかつ相互連結するステップであって、シートの少なくとも２つが、シートのうちの隣接する他のものの側面に当接して丸みの付いてない直角の溶接コーナを形成する縁を有する、ステップと、取付構造を、車両フレームへの取付を円滑にするように構成された管状ビームの端部上に形成するステップとを含む。

本発明の別の態様において、強化ビーム部品を構築する方法は、複数の少なくとも４つの別個のシートを予備成形するステップと、少なくとも４つのシートを一緒に位置付け、かつ次いで前方垂直壁および後方垂直壁と、上部および下部の管を画定する複数の水平壁とを備える管状の箱形ビームを形成するようにシートを溶接するステップであって、シートの幾つかの縁がシートのうちの隣接するものの側面に当接して、ビームの長さを横断して断面を取るときに丸みの付いてないコーナを画定するステップと、丸みの付いてないコーナを溶接することを含む、溶接ステップとを含む。

本発明の別の態様において、ビーム部品を構築する方法は、少なくとも３つのシートを、非直線的長さと少なくとも１つの丸みの付いてないコーナとを有する管状ビームを形成するように配置するステップと、少なくとも１つの丸みの付いてないコーナを、熱影響ゾーン領域であって、その領域を通る横断面において、少なくとも１つの丸みの付いてないコーナから３ｍｍ未満のところで横断方向に延在する熱影響ゾーン領域を有するために、低熱影響ゾーン溶接プロセスを使用して溶接するステップとを含む。

ビーム１００（図１〜３）は、その前壁１０１、後壁１０２、上部水平せん断壁１０３、中間水平せん断壁１０４、および底部水平せん断壁１０５を形成するシートを含む、５つのアルミニウムのシートから作られる。
せん断壁１０３〜１０５は略平面である（しかし非直線的な前縁および後縁を有するように予備成形される）。
前壁および後壁１０１および１０２は、連続的な溶接、例えば直角に関連するシートが当接すると形成される６つの丸みの付いてないコーナ１０６（図３）に位置する溶接により、縁に嵌合係合し、固定される。
前壁および後壁１０１および１０２は、後壁１０２に取付穴１０７（本明細書において「取付構造」とも呼ばれ、穴を備える溶接されたブラケットを含むことを意図している）、前壁１０１にアクセス穴１０８、および付属品取付穴１０９など、他の任意の望ましい特徴を含むように予備成形される。
前壁および後壁１０１および１０２（または他の壁）は、予備成形され得る（すなわち、ロール成形されるか、穿孔されるか、パンチで穴をあけられるか、または型打ちされる）こと、ならびに（例えば応力がかかっていないときに）非平面または平面であり得るが、溶接固定により係合するように付勢されると縁の形状をとるのに十分にフレキシブルであることが想定される。（例えば図５０〜５２における固定を参照。）
前壁および後壁１０１および１０２上のアップフランジ１１０およびダウンフランジ１１１は、上部および底部せん断壁１０３および１０５の上方および下方にそれぞれ延在する。

図４〜５はビーム１００と同様のビーム１００Ａを示すが、チャネルリブ１１４Ａがその前壁１０１Ａにあり、１つのチャネルリブ１１４Ａがビーム１００Ａの各管状セクションにわたって中央に置かれる。
試験により、チャネルリブ１１４Ａは衝突中に前壁を安定させるのを補助し、チャネルリブ１１４Ａなしの同一のビーム（１００）より向上した衝突抵抗および／または向上した曲げ強度をもたらすことが示される。
チャネルリブ１１４Ａは機能目的上ビームにおいて望まれる通りに深くも浅くもし得る。（図５および１７におけるリブを比較されたい。）
図示の好ましいチャネルリブ１１４Ａは、下にある管状セクションの幅の約２５％にわたって延在し、チャネルリブ１１４Ａは、その幅と概ね同じ深さである。
しかしながら、チャネルリブ１１４Ａを、チャネルリブ１１４Ａの底部がビーム１００Ａの後壁１０２Ａを形成するシート上に載るほど深く作ることを含む、
異なるチャネル深さが想定される。
図示のせん断壁１０３Ａ〜１０５Ａは、そのスイープと呼ばれることもあるビームの長手方向形状を画定する縁を有する。
前壁１０１Ａは、せん断壁１０３Ａ〜１０５Ａの縁の形状に合致するように形成される。
後壁１０２Ａは、（応力がかかっていないときに）比較的平面的であり得、せん断壁１０３Ａ〜１０５Ａの後縁の形状への固定時に変形され得る（または形作るために予備成形され得る）。
壁１０３Ａ〜１０５Ａの図示の縁（図４）は非直線的であるが、ビームの長さが一定断面寸法を画定するように略平行である。

ビーム１００Ｄ（図１０）はビーム１００Ｃと同様であるが、ビーム１００Ｄにおいて、後方中央部分１０２Ｄ’は後方外側部分１０２Ｄ’’に連結されない。代わりに、部分１０２Ｄ’と１０２Ｄ’’との間に、概ね約４〜１０インチの長さの間隙などの間隙がある。
また、中間水平せん断壁１０４Ｄは中央後方シート１０２Ｄ’と長さにおいて同様であるが、とりわけこれは、中央後方シート１０２Ｄ’の端部がせん断壁１０４Ｄの端部と整列しないように、中央後方シート１０２Ｄ’よりも長さが幾分長くてもよい。これは、そのポイントでのビームの曲げ強度に悪影響を与えるのを回避するために行われる。
中間水平せん断壁１０４Ｄの外端部は、それらが後壁１０２Ｄから前壁１０１Ｄに向かって延在するときに、外側角度で延在する。とりわけ、中間せん断壁１０４Ｄの端部は、直線的、または湾曲、またはそうでなければ、ビーム重量を最小化する一方でビーム強度および衝突特性を最適化するのに望ましい任意の形状であり得ることが想定される。

ビーム１００Ｅ（図１１）は、垂直折り線１０１Ｅ’’を画定する後方に変形した端部セクション１０１Ｅ’を有する予備成形された前壁１０１Ｅを含む。
折り線１０１Ｅ’’は鋭い屈曲ではないが、代わりに、応力の集中を回避し、中央部からビームの端部への良好な移行部を提供するために形成される緩やかな曲線である。
前壁１０１Ｅは、チャネルリブ（１１４Ａ）を含んでも含まなくてもよく、チャネルリブ（１１４Ａ）はビームの長さに延在してもしなくてもよい。
示される中間水平せん断壁１０４Ｅは、短縮化され、凹状に成形された端部を有する。
上部および底部水平せん断壁１０３Ｅおよび１０５Ｅは比較的平面的であるが、前壁１０１Ｅの形状と合致する前縁を有する。
せん断壁１０３Ｅ〜１０５Ｅの後縁は非直線的であり、非平行であり、望ましい形状を画定するために概して湾曲している。
後壁１０２Ｅのためのシートは、応力がかかっていないときに平面であるが、せん断壁１０３Ｅ〜１０５Ｅの後縁に対して固定およびプレス加工されるとせん断壁１０３Ｅ〜１０５Ｅの後縁の形状に合致するように曲がるように、比較的平面的かつフレキブルである（図１、４、６、および４８〜５０を参照。）

Claims (21)

1. 車両への衝突のために構築される強化ビーム部品であって、
   少なくとも３つの別個の長尺状金属シートであって、そのうちの少なくとも１つがその上に予備成形された構造を含み、前記少なくとも３つの別個の長尺状金属シートが、前壁および後壁と、前記前壁および後壁を連結する少なくとも２つのせん断壁とを画定する、非線形長さと横断面とを有する長尺状管状ビームを画定するために位置付けられかつ相互連結され、前記シートの少なくとも２つが、前記シートのうちの隣接する他のものの側面に当接して丸みの付いてない直角の溶接コーナを形成する縁を有する、少なくとも３つの別個の長尺状金属シートと、
   車両への取付を円滑にするように構成された前記管状ビームの端部と
   を含む、強化ビーム部品。
2. 前記端部が、車両バンパー取付構造に取付けるための取付構造を前記端部上に含む、
   請求項１に記載の強化ビーム部品。
3. 前記金属シートの少なくとも１つが押出可能でないグレードのアルミニウムである、
   請求項１または２に記載の強化ビーム部品。
4. 前記少なくとも１つの金属シートが少なくとも１２０ｋｓｉの引張強度を有する、
   請求項３に記載の強化ビーム部品。
5. 前記金属シートの少なくとも１つが少なくとも１９０ｋｓｉの高い引張強度を有するグレードの鋼である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
6. 前記前壁が非平面である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
7. 前記前壁が、前記前壁に沿って長手方向に延在する少なくとも１つのチャネルリブを含む、
   請求項６に記載の強化ビーム部品。
8. 前記せん断壁の少なくとも２つが平面である、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
9. 前記前壁が、第１曲率を画定する中央領域と、前記第１曲率と異なる第２曲率を画定する端部領域とを含む、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
10. 前記前壁、後壁、およびせん断壁の少なくとも１つが、前記前壁、後壁、およびせん断壁の他のものと厚さ、材料、引張強度、または長さにおいて異なる、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
11. 前記前壁が前記ビームの長さに延在し、かつ前記後壁およびせん断壁の少なくとも１つが前記前壁より短い、
    請求項１０に記載の強化ビーム部品。
12. 前記横断面が前記ビームの端部でより小さい管状サイズを画定し、かつ前記ビームの中央部でより大きい管状サイズを画定する、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
13. 前記少なくとも２つのせん断壁が、３つのせん断壁を含む、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
14. 前記前壁が、前記せん断壁のうちの上部のものの少なくとも約１．５ｍｍ上方に延在するアップフランジを含む、
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
15. 前記丸みの付いてない直角の溶接コーナの少なくとも１つが、前記少なくとも１つのコーナから３ｍｍ未満のところに延在する熱影響ゾーンを含む、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
16. ビーム部品であって、
    それぞれ長尺状本体と対向する縁とを有する長尺状金属シートであって、前記本体が、長さを有する長尺状閉鎖管状ビームであって、前記長さに沿って一定ではない横断面を有する長尺状閉鎖管状ビームを形成するように配置されかつ一緒に固定され、前記縁の幾つかが前記本体のうちの隣接するものと当接して丸みの付いてないコーナを形成し、前記シートの少なくとも１つの前記本体が平面である、長尺状金属シート
    を含む、ビーム部品。
17. 前記金属シートの少なくとも１つが押出可能でないグレードのアルミニウムである、
    請求項１６に記載の強化ビーム部品。
18. 前記少なくとも１つの金属シートが少なくとも１２０ｋｓｉの引張強度を有する、
    請求項１７に記載の強化ビーム部品。
19. 前記金属シートの少なくとも１つが少なくとも１９０ｋｓｉの高い引張強度を有するグレードの鋼である、
    請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の強化ビーム部品。
20. 強化ビーム部品であって、
    複数の少なくとも３つの別個の予備成形されたシートであって、一緒に位置付けられ、かつ次いで溶接されて、前方垂直壁および後方垂直壁と、上部および下部の管を画定する複数の水平壁とを備える管状の箱形ビームを形成し、前記シートの幾つかの縁が、前記シートのうちの隣接するものの側面に当接して、前記ビームの長さを横断して断面を取るときに前方および後方の丸みの付いてないコーナを画定する、複数の少なくとも３つの別個の予備成形されたシート
    を含む、強化ビーム部品。
21. ビーム部品であって、
    少なくとも２つのシートであって、非線形長さと、前壁および後壁と、前記前壁に隣接する少なくとも１つの丸みの付いてないコーナとを有する管状ビームを形成するように配置され、かつ熱影響ゾーン領域であって、前記領域を通る横断面において、前記少なくとも１つの丸みの付いてないコーナから３ｍｍ未満のところで横断方向に延在する熱影響ゾーン領域を有するために、低熱影響ゾーン溶接プロセスを使用して溶接される、少なくとも２つのシート
    を含む、ビーム部品。

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