JP2020159488A - 重ね接合構造、及び自動車骨格部品 - Google Patents

Abstract

【課題】板部材の非溶融接合部に形成される穴を起点とした板部材の破断を抑制し、これにより板部材が破断するまでの伸び（歪量）を大きくすることが可能な重ね接合構造を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係る重ね接合構造は、重ね合わせられた複数の板部材と、前記複数の板部材の重ね部に設けられた、機械的接合手段又は摩擦撹拌点接合手段によって構成された複数の接合部と、を備え、前記複数の接合部は、前記機械的接合手段が挿通される穴、又は摩擦撹拌点接合によって形成された穴を有し、前記複数の板部材のうち１枚以上において、前記穴の周囲に硬質部が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、重ね接合構造、及び自動車骨格部品に関する。

衝突安全性の向上と燃費の向上とを両立するため、自動車車体を構成するモノコックボディの骨格をなす構造部材（以下、「自動車用構造部材」という）への高強度鋼板の適用が拡大している。現在、自動車用構造部材には引張強度が９８０ＭＰａ級の高張力鋼板が用いられている。また、プレス成形と同時に焼入れを行うホットスタンプ法を用いることにより引張強度が１５００ＭＰａ以上の高強度の自動車用構造部材の製造も進められている。ホットスタンプ法によれば、鋼板が高温の軟質な状態でプレス成形を行うために成形後の寸法精度に関する問題の発生が少ないとともに、高温かつ高延性の状態でプレス成形を行うことができることから成形性に優れるという大きなメリットがある。

しかし、引張強さが７８０ＭＰａ以上の鋼板を含むようなスポット溶接継手では、ナゲットの靭性が低下し、剥離方向の応力ではナゲット端部に応力が集中するため、鋼板の引張強さが増加しても、十字引張強さ（ＣＴＳ）が、増加しないか、又は、減少するという問題がある。

この問題を解決する技術の一つとして、母材を溶融させることなくリベットやスクリューなどの機械的接合手段を用いて複数枚の金属板を機械的に接合する技術がある。この技術を用いることにより、従来よりも強度信頼性の高い、自動車部品が製造できる可能性がある。

また、自動車の車体などでは、軽量化等の目的で、鋼板とアルミニウム板、あるいは鋼板と炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）板のような異種材料の組合せを接合する場合がある。このように、組み合わせる材料が、融点や線膨張係数などの物性が異なる材料である場合は、例えば特許文献１、２に記載のように機械的接合手段をもって締結・接合することが行われている。また、電気抵抗の低いアルミニウム板では、抵抗スポット溶接に代えて摩擦撹拌点接合が用いられている場合もある。以下、機械的接合手段と摩擦撹拌点接合手段を総称して非溶融接合手段と記載する場合がある。

この非溶融接合手段を重ね接合構造に設けるにあたり、必然的に、板部材に穴を設ける必要がある。例えば、重ね合わせた複数の板部材の重ね部を、接合部においてブラインドリベットなどの機械的接合手段により接合する場合、板部材の接合部にはリベットが挿通する穴が形成される。また、重ね部を摩擦接合手段により点接合する場合、回転ツール側の板部材の接合部には、回転ツール先端のプローブの圧入痕による穴が残留する。

本発明者の検討では、重ね部を機械的接合手段や摩擦接合手段により接合した重ね接合部材では、重ね接合部材全体が引張変形を受けると、接合部に形成されている穴にひずみが集中して、穴を起点に小さい変形で板部材が破断する問題が生じた。特許文献１及び２等の先行技術においては、この問題に対して何ら検討が行われていない。

特開２０００−２７２５４１号公報 特開２００５−１１９５７７号公報

複数の板部材を重ね合わせて形成された重ね部を非溶融接合手段によって接合することによる重ね接合構造において、非溶融接合部に形成される穴を起点に板部材が破断する場合がある。本発明は、板部材の非溶融接合部に形成される穴を起点とした板部材の破断を抑制し、これにより板部材が破断するまでの伸び（歪量）を大きくすることが可能な重ね接合構造を提供することを目的とする。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の一態様に係る重ね接合構造は、重ね合わせられた複数の板部材と、前記複数の板部材の重ね部に設けられた、機械的接合手段又は摩擦撹拌点接合手段によって構成された複数の接合部と、を備え、前記複数の接合部は、前記機械的接合手段が挿通される穴、又は摩擦撹拌点接合によって形成された穴を有し、前記複数の板部材のうち１枚以上において、前記穴の周囲に硬質部が設けられている。
（２）上記（１）に記載の重ね接合構造では、前記穴の縁と、前記穴の周囲の前記硬質部の縁との間の最短距離Ｄ、前記穴の径Ｋ、前記硬質部のビッカース硬さＨ１、及び前記硬質部が設けられた前記板部材のビッカース硬さＨ２が、式１を満たしてもよい。
Ｄ≧Ｋ×Ｈ２／｛２×（Ｈ１−Ｈ２）｝（式１）
（３）上記（１）又は（２）に記載の重ね接合構造では、複数の前記硬質部の間の距離ｄ、及び前記穴の径Ｋが式２を満たしてもよい。
ｄ≧２×Ｋ（式２）
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記穴が、前記複数の板部材のうち１枚以上を貫通してもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の重ね溶接構造では、前記硬質部が設けられた板部材が、引張強さが１１８０ＭＰａ以下の鋼板であってもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記硬質部が、板厚と引張強さとの積が最も大きい主板部材に設けられることを特徴とする。
（７）本発明の別の態様に係る自動車骨格部品は、上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の重ね接合構造を有する。
（８）上記（７）に記載の自動車骨格部品は、Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、フロアメンバー、バンパー、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー、バッテリーフレーム、又はルーフレールであってもよい。

本発明によれば、板部材の非溶融接合部に形成される穴を起点とした板部材の破断を抑制し、これにより板部材が破断するまでの伸び（歪量）を大きくすることが可能な重ね接合構造を提供することができる。

本実施形態に係る重ね接合構造の斜視図である。 接合部の断面図である。 レジスタンスエレメントウエルディングによって形成される機械的接合手段の概念図である。 レジスタンスエレメントウエルディングによって形成される機械的接合手段の概念図である。 摩擦撹拌点接合によって形成される摩擦撹拌点接合手段の概念図である。 硬質部の特定方法を概略的に説明する図である。 穴の縁と穴の周囲の硬質部の縁との間の最短距離Ｄ、穴の径Ｋ、及び硬質部の間の距離ｄを示す概略図である。 硬質部の形状のバリエーションを例示する斜視図である。 硬質部の形状のバリエーションを例示する斜視図である。 硬質部の形状のバリエーションを例示する斜視図である。 硬質部の形状のバリエーションを例示する斜視図である。 本実施形態に係る自動車骨格部品であるＢピラーの斜視図である。 図８のＢピラーのＩＸ−ＩＸ断面図である。 本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＡピラー及びルーフレールの斜視図である。 図１０のルーフレールのＸＩ−ＸＩ断面図である。 本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＢピラーのヒンジリンフォースの斜視図である。 従来の重ね接合構造を模擬した試験片の平面図及び側面図である。 本発明の重ね接合構造を模擬した試験片の平面図及び側面図である。 引張試験後の図１３の試験片の写真である。

本発明者らは、複数の板部材を重ね合せて形成された重ね部を、非溶融接合手段によって接合した場合に、接合部に形成された穴を起点に板部材が破断するのを抑制することが可能な重ね接合部材の重ね接合構造を提供する方法について検討を重ねた。その結果、接合部に形成されている穴の端部にひずみが集中しないように、ひずみを分散する手段を設けることが良いと本発明者らは着想した。そして、板部材の穴の周囲に硬質部を形成することにより、引張荷重によるひずみが穴に集中することを防止可能であることを知見した。この知見による重ね接合構造では、穴を起点とする破壊が抑制され、その伸びが向上する。

以下、図を適宜参照しながら、本実施形態に係る重ね接合構造１について説明する。なお、重ね接合構造１の例として、図にはフランジ１２を有する板部材１１を示すが、本実施形態に係る重ね接合構造１がフランジ１２を備えなくともよい。また、図において板部材１１の枚数が２枚又は３枚である構成を図示しながら本実施形態に係る重ね接合構造を説明するが、板部材１１の枚数を４枚以上にしてもよい。

上記知見により得られた本発明の一態様に係る重ね接合構造１は、図１に示されるように、重ね合わせられた複数の板部材１１と、複数の板部材１１の重ね部に設けられた、機械的接合手段又は摩擦撹拌点接合手段によって構成された複数の接合部１３（図１では図示省略）と、を備え、複数の接合部１３は、機械的接合手段が挿通される穴１３１、又は摩擦撹拌点接合によって形成された穴１３１を有し、複数の板部材１１のうち１枚以上において、穴１３１の周囲に硬質部１４が設けられている。また、図１において重ね部はフランジ部１２とされているが、上述のようにフランジ部１２は必須ではない。

（１）板部材１１
板部材１１の材質は特に限定されない。板部材１１は、例えば、樹脂板、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）板、アルミ板、アルミ合金板、ステンレス板、チタン板、又は鋼板等の金属板である。板部材１１が塗膜及びめっき等の表面処理層を備えてもよい。本実施形態に係る重ね接合構造は、複数の板部材１１を重ねて構成されるものであるが、複数の板部材１１の材質を同一にしてもよいし、異ならせてもよい。板部材１１の板厚及び機械強度（引張強さ、及び硬さ等）も特に限定されない。例えば、板部材１１が鋼板である場合、板部材１１の厚さを例えば０．５〜２．６ｍｍとしてもよい。板部材１１がＣＦＲＰ板である場合、板部材１１の厚さを例えば０．３〜４．０ｍｍとしてもよい。複数の板部材１１の板厚及び機械強度を同一にしてもよいし、異ならせてもよい。

なお、重ね接合構造の機械強度に最も影響するのは、これを構成する複数の板部材１１のうち、板厚と引張強さとの積が最も大きい板部材である。本実施形態に係る重ね接合構造では、板厚と引張強さとの積が最も大きい板部材１１を主板部材と称し、その他の板部材１１を副板部材と称する。重ね接合構造が、板厚と引張強さとの積が等しい板部材１１を２枚以上有し、且つこれらの板厚と引張強さとの積が、複数の板部材１１のうち最大である場合、これらの両方を主板部材とみなすことができる。

板部材１１の最も好適な一例は、引張強さ１１８０ＭＰａ以下の鋼板である。このような鋼板は、レーザ照射等の局所的な焼入れ処理を施すことによって、後述する硬質部１４を容易に形成することができる。一方、引張強さが１１８０ＭＰａ超の鋼板を板部材１１とすることも妨げられない。

板部材１１が鋼板の場合には、鋼板を、表面にめっきがされていない非めっき鋼板としてもよく、合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡめっき）、溶融亜鉛めっき（ＧＩめっき）、電気亜鉛めっき（ＥＧ）、Ｚｎ−Ａｌめっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき、及びＺｎ−Ｍｇめっきなどの亜鉛系めっきで被覆された鋼板としてもよく、さらに、アルミニウムめっき鋼板としてもよい。板部材１１を、クロメート、及び樹脂などが塗装された鋼板としてもよい。板部材１１がホットスタンプ材である場合には、板部材１１を、非めっき鋼板、アルミニウムめっき、鉄とアルミニウムの金属間化合物、若しくは鉄亜鉛固溶層及び酸化亜鉛層から構成される複合層により被覆された鋼板、又は、鉄亜鉛ニッケルの固溶層及び酸化亜鉛層から構成される複合層により被覆された鋼板としてもよい。

後述する機械的接合手段によれば、溶接に適合しない板部材１１の接合も可能である。例えば、アルミ材を複数組み合わせた重ね接合構造１、及びアルミ材及び鋼材を組み合わせた重ね接合構造１等にも、機械的接合手段を適用可能である。さらには、金属板に代えてＣＦＲＰ材を用いた重ね接合構造１にも、機械的接合手段を適用可能である。後述する摩擦撹拌点接合手段によっても、溶接に適合しない材料の接合が可能である。例えば、アルミ材を複数組み合わせた重ね接合構造１、及びアルミ材と鋼材とを組み合わせた重ね接合構造１等にも、摩擦撹拌点接合手段を適用可能である。以上の理由により、板部材１１の材質は特に限定されない。

（２）接合部１３及び穴１３１
複数の板部材１１は、その一部または全部が重ねられており、重ね部において互いに接合される。接合部１３は、非溶融接合手段、即ち機械的接合手段１３２、及び摩擦撹拌点接合手段１３３等とされる。

機械的接合手段１３２は、例えばブラインドリベット、セルフピアシングリベット（自己穿孔リベット、ＳＰＲ）、中空リベット、平リベット、ドリルネジ、ボルト、ＥＪＯＷＥＬＤ（登録商標）、及びＦＤＳ（登録商標）等である。これらによれば、板部材１１は、冷間又は熱間で塑性加工により接合される。これらの機械的接合手段と、通電加熱及び加熱との組み合わせにより、板部材１１を接合させてもよい。機械的接合手段１３２には、ブラインドリベットなどのように重ね合わせた金属板部材１１を全て貫通するもの、及び、セルフピアシングリベットなどのように重ね合わせた金属板部材１１の一部を貫通しないものがあるが、いずれも本実施形態に係る重ね接合構造１において用いることができる。図２に示される接合部１３の例では、機械的接合手段１３２がリベットから構成されている。

機械的接合手段１３２として、レジスタンスエレメントウエルディング（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ；ＲＥＷ）が用いられてもよい。このＲＥＷは、図３Ａに示すように、板厚方向に貫通する穴１３１が形成された板部材１１（例えば、アルミ合金板）と、別の板部材１１（例えば、ボロン鋼等の鋼板）とを重ね合わせ、穴１３１に鋼製のフランジ付きリベットである機械的接合手段１３２を挿入し、さらに、電極Ｘを用いて、２枚の板部材１１を挟持しながら（図３Ａを参照）、所定の電流値にて２枚の板部材１１に通電することにより、機械的接合手段１３２の先端部分と板部材１１との接触部分を溶融させてナゲット１３２’を形成する接合手段である（図３Ｂを参照）。このように、ＲＥＷは、部分的に溶融接合手段を利用しているものの、本質的にはフランジ付きリベットという機械的要素を利用した接合手段であるため、このような接合手段も機械的接合手段１３２として、本発明に好適に用いることができる。

機械的接合手段１３２によって板部材１１を接合する場合、機械的接合手段１３２を挿通させるための穴１３１を、板部材１１に設ける必要がある。即ち、機械的接合手段１３２によって構成された接合部１３は、機械的接合手段１３２が挿通される穴１３１を有する。機械的接合手段１３２が挿通される穴１３１は、板部材１１を貫通するものであっても、貫通しないものであってもよい。

摩擦撹拌点接合手段について説明する。摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ）とは、図４に示されるように、母材より相対的に硬い回転ツールＹを回転させながら母材に圧入し、母材を溶融させることなく接合する固相接合の一種である。摩擦撹拌点接合では、回転ツールＹの回転によって生じた摩擦発熱により板部材１１の変形抵抗を低下させ、且つ回転ツールＹ周辺の板部材１１を回転ツールＹの動きによって塑性流動させ、撹拌し、一体化する（図４（Ｂ）を参照）。これら一連の工程において使われる回転ツールＹは、通常、先端がネジ加工されたプローブを有する。回転ツールを板部材１１に圧入し、摩擦撹拌点接合を実施し、次いで回転ツールＹを母材から引き抜いた際、回転ツールＹが圧入された板部材１１にはプローブの圧入痕が必然的に生じる（図４（Ｃ）を参照）。即ち、摩擦撹拌点接合手段によって構成された接合部は、プローブの圧入痕である穴１３１を有する。本実施形態に係る重ね接合構造１は、プローブの圧入により板厚の８０％以上の深さの穴が形成される場合に適用されることが好ましい。

なお、これらの非溶融接合手段と、他の接合手段（例えば樹脂等）とを組み合わせることも妨げられない。例えば、重ね合わせ面に接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤等）を介在させて、接着剤による接合を非溶融接合手段と併用してもよい。重ね合わせ面にシール用樹脂（シーラー、電着塗装）を介在させて、合わせ目を防水ないし絶縁してもよい。重ね合わせ面に構造用接着剤及び耐衝撃型の接着剤等を介在させて、接着剤による接合を非溶融接合手段と併用することは、本実施形態に係る重ね接合構造１の好適な形態である。特に、アルミ材と鋼材とを組み合わせた構造部材の場合は、電気的絶縁ができるシール機能を有する樹脂及び接着剤等と、非溶融接合手段とを併用することが好ましい。

接合部１３の位置は特に限定されないが、接合部１３に形成される穴１３１の位置を板部材１１の端部から離隔させることにより、穴１３１を起点として破断する可能性を一層抑制することができる。例えば、穴１３１の端部と板部材１１の端部との間の最短距離Ｌと、穴１３１の直径Ｋとが以下の式を満たすことが好ましい。
Ｌ≧０．８Ｋ

接合部１３のピッチ（隣り合う接合部１３同士の間の間隔）も特に限定されない。重ね接合構造１が適用される構造物及び適用部位に応じて、ピッチを適宜設定すればよい。重ね接合構造１が自動車部品に適用される場合、例えば接合部１３のピッチは２０ｍｍ〜１００ｍｍ程度としてもよい。

なお、本実施形態に係る重ね接合構造１において、穴１３１は、板部材１１を貫通する穴（通し穴）に限定されず、板部材１１を貫通しない穴（止まり穴）、内面に段差がある穴（段付き穴）、内面が円錐状になっている穴（テーパ穴）、及び内面にねじが切ってある穴（めねじ穴）等であってもよい。また、穴１３１は、主板部材及び副板部材のいずれに設けられてもよい。

（３）硬質部１４
上述のように、重ね部を機械的接合手段１３２や摩擦撹拌点接合手段により接合した重ね接合部材１では、重ね接合部材１の全体が引張変形を受けると、接合部１３に形成されている穴１３１にひずみが集中することにより、穴１３１を起点とした板部材１１の破断が生じる恐れがある。そこで本発明者らは、接合部１３に形成されている穴１３１の端部にひずみが集中しないように、ひずみを分散する手段について検討した。その結果、板部材１１の穴１３１の周囲に硬質部１４を形成することにより、引張荷重によるひずみが穴１３１に集中することを防止可能であることを本発明者らは知見した。

上記知見に基づき、本実施形態に係る重ね接合構造１では、複数の板部材１１のうち１枚以上において、穴１３１の周囲に硬質部１４が設けられている。硬質部１４とは、硬質部１４が設けられた板部材１１のビッカース硬さＨ２より２０％以上高いビッカース硬さを有する領域である。硬質部１５を特定する手段の例を図５に示す。図５は、接合部１３の穴１３１を平面視した図である。接合部１３（穴１３１）の周囲において、例えば格子状にビッカース硬さ測定を実施することにより、硬質部１４が設けられた板部材１１のビッカース硬さＨ２より２０％以上高いビッカース硬さが検出される測定点αと、それ以外の測定点βを得ることができる。測定点αの集合と、測定点βの集合との境界が、硬質部１４の外縁である。

硬質部１４を特定するにあたり、板部材１１のビッカース硬さを測定することが必要となる。ビッカース硬さの測定は、ビッカース硬さ計で測定することが推奨される。ビッカース硬さ測定時の測定荷重は、板部材１１の材質に応じて適宜選択すればよい。板部材１１における任意の領域が硬質部１５に該当するか否かの判断は、上述の定義から明らかなように、板部材１１のビッカース硬さと、該領域のビッカース硬さとの相対値に基づいて行われる。従って、同一の測定荷重で板部材１１及び該領域のビッカース硬さが測定されていれば、測定荷重の影響を受けることなく、該領域が硬質部１５に該当するか否かを判定することができる。重ね接合構造１が後述の式１及び式２を満たすか否かを判定する場合においても、同じ理由により、ビッカース硬さ測定時の測定荷重は、板部材１１の材質に応じて適宜選択すればよい。

硬質部１４は、重ね接合構造１を構成する複数の板部材１１のうち１枚以上に設けられている必要があるが、いずれの板部材１１に配置するかは適宜選択することができる。好ましくは、硬質部１４は主板部材に設けられる。上述のように、主板部材は重ね接合構造１の機械的特性に最も影響する部材であるので、硬質部１４を主板部材に設けることによって、その応力緩和効果を最大限に発揮させることができる。また、好ましくは、硬質部１４は穴１３１が存在する板部材１１に設けられる。以下、硬質部１４を、穴１３１を有する主板部材に設けた構成によって本実施形態に係る重ね接合構造１を説明する。ただし、硬質部１４は副板部材に設けられてもよいし、穴１３１を有しない板部材１１に設けられてもよい。

硬質部１４の大きさ及び形状は特に限定されないが、例えば、穴１３１の縁と穴１３１の周囲の硬質部１４の縁との間の最短距離Ｄ、穴１３１の径Ｋ、硬質部１４のビッカース硬さＨ１、及び硬質部１４が設けられた板部材１１のビッカース硬さＨ２が、以下の式１を満たすように、硬質部１４の大きさ及び形状を定めることが好ましい。
Ｄ≧Ｋ×Ｈ２／｛２×（Ｈ１−Ｈ２）｝ （式１）
穴が並んだ方向に、応力が付加された場合、穴を含んだ硬質部で変形が起きにくい条件は、おおよそ、以下の式で表すことができる。
２×Ｄ×Ｈ１≧（２×Ｄ＋Ｋ）×Ｈ２
この式を、Ｄに関して整理することにより、（式１）が得られる。

図６に、「穴１３１の縁と穴１３１の周囲の硬質部１４の縁との間の最短距離Ｄ」を示す。Ｄの値が大きいほど、硬質化による穴１３１の補強効果が高まる。穴１３１の縁を特定する手段は上述のとおりである。なお、図７Ｂに示されるように硬質部１４が折れ曲がっている場合、穴１３１の縁と硬質部の縁との距離とは、硬質部の折り曲げ部に沿って測定された値である。

穴１３１の直径Ｋは、穴１３１が円筒状である場合は、板部材１１を平面視した場合の穴１３１の径である。穴１３１が例えば円錐状等の非円筒状である場合は、穴１３１の実際の体積及び穴１３１の実際の深さと同一の体積及び深さを有する円筒の径を、穴１３１の直径Ｋとみなす。穴１３１の平面視での形状が円ではない場合、その円相当径を穴１３１の直径Ｋとみなす。穴１３１がめねじ穴である場合は、凹凸ピッチのうち広いほうの直径を、穴１３１の直径Ｋとみなす。

硬質部１４のビッカース硬さＨ１とは、図５に示されるように、硬質部１４のビッカース硬さを測定して得られる複数のビッカース硬さ値のうち、硬質部１４において最も大きい値〜３番目に大きい値の平均値である。ただし、摩擦撹拌点接合手段１３３にあたる領域は、硬質部１４のビッカース硬さＨ１を測定する際に無視される。上述のように、硬質部１４は硬質部１４が設けられた板部材１１のビッカース硬さＨ２より２０％以上高いビッカース硬さを有する領域と定義されるが、この硬質部１４の内部においてビッカース硬さが一定とは限らない。このため、硬質部１４の中でも特に硬い部分のビッカース硬さを、硬質部１４のビッカース硬さＨ１とする。

板部材１１のビッカース硬さＨ２とは、硬質部１４が設けられた板部材１１のうち、接合部１３、及び硬質部１４以外の領域のビッカース硬さである。穴１３１から十分離れた領域内の少なくとも３点で測定したビッカース硬さの平均値を、板部材１１のビッカース硬さＨ２とみなす。

なお、Ｈ１及びＨ２の測定にあたり、ビッカース硬さ測定時の測定荷重は、板部材１１の材質に応じて適宜選択すればよい。式１は、Ｈ１及びＨ２の相対比率に基づいてＤの下限値を定めるものである。したがって、同一の測定荷重でＨ１及びＨ２を測定すれば、測定荷重の影響を受けることなく、硬質部１４が式１を満たすか否かの評価をすることができる。これは、後述の式１’、及び式１’’についても同じである。

式１を満たす硬質部１４は、穴１３１の直径Ｋに対して十分に大きいので、重ね接合構造１に応力が付加されたときに、歪の集中を緩和し、破断に至るまでの重ね接合構造１の伸び量を増大させることができる。この効果を得るために、穴１３１の縁と穴１３１の周囲の硬質部１４の縁との間の最短距離Ｄは、大きければ大きいほど好ましい。例えば硬質部１４の形状を、Ｄ、Ｋ、Ｈ１、及びＨ２が以下の式１’、又は式１’’を満たすように、画定してもよい。
Ｄ≧１．２×Ｋ×Ｈ２／｛２×（Ｈ１−Ｈ２）｝ （式１’）
Ｄ≧１．４×Ｋ×Ｈ２／｛２×（Ｈ１−Ｈ２）｝ （式１’’）
ただし、Ｄが大きすぎると、後述する硬質部１４同士の距離が狭まることとなる。これらの要素を考慮しながら、硬質部１４の長さＬ１を定めるとよい。

本実施形態に係る重ね接合構造１は、複数の接合部１３を有する。これら複数の接合部１３の穴１３１のうち１つだけの周囲に硬質部１４を設けてよいし、２つ以上の穴１３１の周囲に硬質部１４を設けてもよい。複数の硬質部１４が重ね溶接構造１に設けられる場合において、複数の硬質部１４同士の位置関係は特に限定されない。しかしながら、例えば、複数の硬質部１４の間の距離ｄ、及び穴１３１の径Ｋが式２を満たしてもよい。
ｄ≧２×Ｋ （式２）

なお、図６に示されるように、複数の硬質部１４の間の距離ｄとは、これら硬質部１４の内部の穴１３１の中心同士を結ぶ線と、これら硬質部１４の縁との２つの交点の間の距離である。硬質部１４同士の間に、式２を満たすように間隔を設けることにより、穴１３１の周囲に生じる歪を、硬質部１４同士の間に効率的に分配することができる。従って、式２を満たすように複数の硬質部１４を配することにより、重ね接合部材１のひずみ集中を一層抑制し、伸びを一層改善することができる。

本実施形態に係る重ね接合構造１の製造方法、特に硬質部１４の形成方法は特に限定されず、板部材１１の材質に応じて適宜選択することができる。板部材１１が、例えば引張強さ１１８０ＭＰａ以下の鋼板等の、焼入れによって強度向上が可能なものである場合、レーザ照射、高周波加熱、通電加熱等の局所的な焼入れ処理を施すことによって、硬質部１４を容易に形成することができる。板部材１１が、アルミ板及びアルミ合金板等の、加工硬化によって強度向上が可能なものである場合、局所的な鍛造加工やショットブラスト処理等を局所的に施すことによって、硬質部１４を容易に形成することができる。

硬質部１４の形成は、板部材１１の接合の前に行われても、後に行われてもよい。例えば、板部材１１が引張強さ１１８０ＭＰａ以下の鋼板である場合、板部材１１の接合後に硬質部１４を形成することが好ましい。これにより、機械的接合手段を挿通させるための穴を容易に形成することができる。一方、接合された複数の板部材１１に対して適用することが難しい硬化方法の利用が必要である場合、板部材１１の接合前に硬質部１４を形成すればよい。このように、板部材１１の材質及び板部材１１の硬貨方法に応じて、硬質部１４を形成するタイミングを柔軟に選択することができる。

上述された本実施形態に係る重ね接合構造１の具体例を、図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら以下に説明する。図７Ａ〜図７Ｄは、板部材１１が曲げ部及びフランジ部１２を有し、フランジ部１２において板部材１１同士が重ねられ、接合部１３（図７Ａ〜図７Ｄでは図示を省略）によって接合されている種々の重ね接合構造１である。いずれの例においても、接合部１３の穴１３１の周囲には硬質部１４が設けられているが、硬質部１４の形状は様々なものとすることができる。

図７Ａは、硬質部１４がフランジ部１２の端部に沿った長方形形状を有し、且つフランジ部１２の内部にのみ設けられた例である。

図７Ｂは、硬質部１４がフランジ部１２の端部に沿った長方形形状を有し、且つ板部材１１の曲げ部を超えて延在する例である。具体的には、図７Ｂに例示された重ね接合構造１においては、硬質部１４は、フランジ部１２の内部のみならず、曲げ部を超えてフランジ部１２の外部に延伸している。また、硬質部１４は、フランジ部１２の端部にも及んでいる。

図７Ｃは、硬質部１４が曲げ部からフランジ部１２の端部に向けて広がる形状を有する例である。図７Ｄは、硬質部１４が角丸長方形形状を有する例である。この場合、硬質部１４の間の距離ｄを求めるためには、硬質部１４の内部の穴１３１の中心同士を結ぶ線と、これら硬質部１４の縁との２つの交点の間の距離を測定すればよい。

なお、本実施形態に係る重ね接合構造１において、全ての穴１３１の周囲に硬質部１４を設ける必要はない。重ね接合構造１において、変形の生じやすさが一様であるとは限らないからである。例えば、変形が特に生じやすく、穴１３１へのひずみ集中が危惧される箇所においてのみ硬質部１４を設け、その他の箇所には硬質部１４を設けないこととしてもよい。即ち、一部の穴１３１の間にのみ硬質部１４が設けられた重ね接合構造１も、本実施形態に係る重ね接合構造１に該当する。

本実施形態に係る重ね接合構造１の用途は特に限定されない。重ね接合構造１の好適な用途の一つとして、接合された複数の鋼板から構成される自動車部品、特に自動車骨格部品が挙げられる。自動車骨格部品は、マルテンサイトを含有する高強度鋼板から構成されるので、本実施形態に係る重ね接合構造１を容易に適用することができ、この場合に自動車の衝突安全性を高めるという顕著な効果が得られる。一方、機械的接合手段１３２及び／又は摩擦撹拌点接合手段によって接合されるあらゆる板部材１１に、本実施形態に係る重ね接合構造１を適用することが可能である。例えば、リベット又は高力ボルトによって接合される橋梁部材、及び摩擦撹拌点接合によって接合されるアルミ製鉄道車両構体等に関しても、本実施形態に係る重ね接合構造１を適用することで、破断の抑制が可能であると考えられる。本実施形態に係る重ね接合構造１を、建築用の建具、梁、リンク部材、簡易倉庫、家具、冷蔵庫、テレビ、コピー機、クーラー室外機などの家電及び什器等に適用することも考えられる。

次に、本発明の別の態様に係る自動車骨格部品について説明する。本実施形態に係る自動車骨格部品は、本実施形態に係る重ね接合構造１を有する自動車骨格部品である。この自動車骨格部品は、例えばＡピラー、Ｂピラー、サイドシル、バンパー、フロアメンバー、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー又はルーフレールである。以下、本実施形態に係る自動車骨格部品の例を説明する。

図８は、本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＢピラー２の斜視図である。この図においてサイドパネルアウタは省略されている。図８のＢピラー２は、穴１３１を有する機械的接合部１３（図示されていない）と、穴１３１の周囲に設けられた硬質部１４とを有する。ただし、一部の穴１３１の周囲（図８における、点線で囲まれた領域）には、硬質部は設けられていない。これは、車体の側面衝突時の歪みの量はＢピラーの部位に応じて異なり、衝突時に穴からの破断が発生しにくい、歪み量の小さい部位には必ずしも硬質部を設ける必要がないとの理由による。

図９は、図８のＢピラー２のＩＸ−ＩＸ断面図である。このＢピラー２は、通常の鋼板であるＢピラーインナ２２と、高強度鋼板であるＢピラーリンフォース２１と、アルミ又は軟鋼であるサイドパネルアウタ２３とから構成される。これらが板部材１１に該当し、特にＢピラーリンフォース２１は主板部材に該当する。Ｂピラーリンフォース２１、Ｂピラーインナ２２、及びサイドパネルアウタ２３はその両端で接合され、主板部材に該当するＢピラーリンフォース２１には硬質部１４が設けられている。

図１０は、本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＡピラー３及びルーフレール４の斜視図である。図１０に示された部品でも、一部の穴１３１の周囲にのみ硬質部１４が設けられる。

図１１は、図１０に示されたルーフレール４のＸＩ−ＸＩ断面図である。この自動車骨格部品は、高強度鋼板であるルーフレールインナ４２と、高強度鋼板であるルーフレールアウタリンフォース４１と、アルミ又は軟鋼であるサイドパネルアウタ４３とから構成される。これらが板部材１１に該当し、特にルーフレールアウタリンフォース４１は主板部材に該当する。ルーフレールインナ４２、ルーフレールアウタリンフォース４１、及びサイドパネルアウタ４３はその両端で接合され、主板部材に該当するルーフレールアウタリンフォース４１には硬質部１４が設けられている。

図１２は、本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＢピラーのヒンジリンフォース５の斜視図である。この自動車骨格部品では、ハット状部材５２と、ハット状部材の内側に沿って配された高強度鋼板５１とが機械的接合手段である接合部１３によって接合されており、高強度鋼板の接合部１３の穴１３１の周囲には硬質部１４が設けられている。フロアメンバーにも、図１２に示される構成を用いることができる。

本実施形態に係る重ね接合構造１の説明においては、２枚又は３枚の板部材１１を重ね合せた重ね部に接合部を形成した重ね接合構造を例示したが、４枚以上の板部材１１を重ね合せてもよい。また、本実施形態に係る重ね接合構造１の説明においては、２枚又は３枚の板部材１１のうち１枚の板部材１１又は２枚の板部材１１に硬質部が形成される場合について説明したが、例えば、４枚以上（複数）の板部材１１を重ね合せた重ね部に接合部を形成して、重ね接合構造を構成してもよく、かかる場合、硬質部が形成された板部材１１の枚数は、任意に設定することができる。また、板部材１１を重ね合せて形成する重ね部をフランジ部とする必要はない。部分補強等を目的として、フランジを有しない板部材１１同士を重ね合せて接合する重ね接合構造なども本実施形態に係る重ね接合構造に含まれることはいうまでもない。

図１３に示す、板部材Ａ及びＢのいずれも硬質部を備えない試料、及び図１４に示す、板部材Ａのみ硬質部を備える試料を作成した。ここで、図１３及び図１４の（Ａ）は試料（リベット接合のもの）の平面図であり、図１３及び図１４の（Ａ）は試料（リベット接合のもの）の側面図である。なお、図１４および図１５において板部材Ａは、幅２０ｍｍの平行部と、平行部の両端に設けられた幅３５ｍｍの保持部（肩部）とを有する、長さ２００ｍｍの板（評点間隔７０ｍｍ）である。図１４および図１５において板部材Ｂは、板部材Ａの平行部に重ねられた、幅２０ｍｍ及び長さ８０ｍｍの板である。穴の縁と評点との間の距離は８ｍｍとした。板部材Ａ及び板部材Ｂの種別は下表の通りとした。

図１４の試料において、硬質部はレーザ照射によって形成した。レーザ照射条件は以下の通りとした。
・発振機 ：半導体レーザ
・レーザ出力：１．０〜２．５ｋＷ
・速度 ：０．３〜１．０ｍ／ｍｉｎ
・ビーム形状：矩形（幅：１０〜２０ｍｍに調整）

そして、表２の試料Ｎｏ．１〜１１に引張試験を行い、その破断歪を測定した。測定結果を表２に示す。なお、表２において硬質部「なし」と記載された試料の形状は図１３に示されるものとし、その他の試料の形状は図１４に示されるものとした。

表２に示されるように、硬質部を有しない板部材から構成された重ね接合構造の試料Ｎｏ．１及び８では、図１３に破断部Ｚとして示すように、穴を起点として破断が生じた。一方、硬質部を有する板部材Ａを含む重ね接合構造の試料Ｎｏ．２〜７、及びＮｏ．９〜１１では、図１４に破断部Ｚとして示すように、母材から破断が生じた。この結果から、硬質部を設けることによって穴へのひずみ集中が緩和されていることがわかる。参考に、穴から破断が生じたＮｏ．１の引張試験後の写真を図１５に示す。

また、表２に示されるように、硬質部を有しない板部材から構成された重ね接合構造の試料Ｎｏ．１及び８と比較して、硬質部を有する板部材Ａを含む重ね接合構造の試料Ｎｏ．２〜７、及びＮｏ．９〜１１の方が優れた破断歪を有した。この結果から、硬質部を設けて穴へのひずみ集中を緩和することにより、重ね接合構造の伸びが改善することがわかる。

本発明によれば、複数の板部材を重ね合せて形成された重ね部を、非溶融接合手段によって接合した場合に、接合部に形成された穴を起点に板部材が破断するのを抑制し、破断するまでの伸びを大きくすることが可能な重ね接合部材の重ね接合構造を提供することができる。例えば、本発明を自動車に適用した場合、その衝突時の乗員保護性能を飛躍的に向上させることができる。従って、本発明は高い産業上の利用可能性を有する。

１ 重ね接合構造
１１ 板部材
１２ フランジ部
１３ 接合部
１３１ 穴
１３２ 機械的接合手段
１３２’ ナゲット
１３３ 摩擦撹拌点接合手段
１４ 硬質部
２ Ｂピラー
２１ Ｂピラーリンフォース
２２ Ｂピラーインナ
２３ サイドパネルアウタ
３ Ａピラー
４ ルーフレール
４１ ルーフレールアウタリンフォース
４２ ルーフレールインナ
４３ サイドパネルアウタ
５ ヒンジリンフォース
５１ 高強度鋼板
５２ ハット状部材
Ｘ 電極
Ｙ 回転ツール

Claims (8)

1. 重ね合わせられた複数の板部材と、
   前記複数の板部材の重ね部に設けられた、機械的接合手段又は摩擦撹拌点接合手段によって構成された複数の接合部と、
   を備え、
   前記複数の接合部は、前記機械的接合手段が挿通される穴、又は摩擦撹拌点接合によって形成された穴を有し、
   前記複数の板部材のうち１枚以上において、前記穴の周囲に硬質部が設けられている
   ことを特徴とする重ね接合構造。
2. 前記穴の縁と、前記穴の周囲の前記硬質部の縁との間の最短距離Ｄ、
   前記穴の径Ｋ、
   前記硬質部のビッカース硬さＨ１、及び
   前記硬質部が設けられた前記板部材のビッカース硬さＨ２
   が、式１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の重ね接合構造。
   Ｄ≧Ｋ×Ｈ２／｛２×（Ｈ１−Ｈ２）｝ （式１）
3. 複数の前記硬質部の間の距離ｄ、及び前記穴の径Ｋが式２を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の重ね接合構造。
   ｄ≧２×Ｋ （式２）
4. 前記穴が、前記複数の板部材のうち１枚以上を貫通することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の重ね接合構造。
5. 前記硬質部が設けられた板部材が、引張強さが１１８０ＭＰａ以下の鋼板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の重ね溶接構造。
6. 前記硬質部が、板厚と引張強さとの積が最も大きい主板部材に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の重ね接合構造。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の重ね接合構造を有する自動車骨格部品。
8. Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、フロアメンバー、バンパー、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー、バッテリーフレーム、又はルーフレールであることを特徴とする請求項７に記載の自動車骨格部品。