JP2020175397A - 鋼板部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧接部及びそれ以外における望まない変形を抑制しつつ複数の鋼板を圧接可能な鋼板部材の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る鋼板部材の製造方法は、第１及び第２の鋼板を加熱する工程と、加熱された第１及び第２の鋼板を、上型と下型とによって挟んで冷却しつつプレス成形する工程と、を備えるものである。プレス成形する工程において、第１及び第２の鋼板の端部同士を重ね合わせ、重ね合わせた端部同士をプレス成形によって圧接する。【選択図】図２

Description

本発明は鋼板部材の製造方法に関する。

特許文献１には、鋼棒同士を突き合わせて圧接する際に、筒状の外形規制金具を設ける手法が開示されている。

特開２０１３−０６６９２７号公報

発明者らは、鋼板部材の製造方法に関し、以下の問題点を見出した。
特許文献１に開示された圧接方法を鋼板に適用した場合、突き合わせて圧接すること自体が困難である上、圧接部に外形規制金具を設けても圧接部以外に座屈等の望まない変形が発生する虞があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、圧接部及びそれ以外における望まない変形を抑制しつつ複数の鋼板を圧接可能な鋼板部材の製造方法を提供するものである。

本発明の一態様に係る鋼板部材の製造方法は、
第１及び第２の鋼板を加熱する工程と、
加熱された前記第１及び第２の鋼板を、上型と下型とによって挟んで冷却しつつプレス成形する工程と、を備え、
プレス成形する工程において、
前記第１及び第２の鋼板の端部同士を重ね合わせ、重ね合わせた前記端部同士をプレス成形によって圧接するものである。

本発明の一態様に係る鋼板部材の製造方法では、プレス成形する工程において、第１及び第２の鋼板の端部同士を重ね合わせ、重ね合わせた端部同士をプレス成形によって圧接する。プレス成形しつつ圧接するため、突き合わせ圧接に比べ、圧接部における望まない変形を抑制できると共に、圧接部以外における座屈等の望まない変形も抑制できる。

プレス成形する工程において、重ね合わせた前記端部同士の圧縮率が３０％以上であってもよい。このような構成により、より確実に圧接できる。

前記上型及び前記下型の少なくとも一方には、重ね合わせた前記第１及び第２の鋼板の端部と接触する位置に、凹凸が設けられていてもよい。あるいは、重ね合わせた前記第１及び第２の鋼板の端部の少なくとも一方に、凹凸が設けられていてもよい。このような構成により、圧接部における端部同士の接触界面の面積を増大させ、端部同士をより強固に接合できる。

前記第１及び第２の鋼板は、プレス成形する工程後の強度が異なる異種鋼板であってもよい。あるいは、前記第１及び第２の鋼板は、プレス成形する工程前の板厚が異なってもよい。このような構成により、高強度と優れた衝撃吸収特性とを両立できる。

本発明により、圧接部及びそれ以外における望まない変形を抑制しつつ複数の鋼板を圧接可能な鋼板部材の製造方法を提供できる。

第１の実施形態に係る鋼板部材の製造方法を示す温度チャートである。 プレス成形工程の一例を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る鋼板部材の具体例の一例の斜視図である。 第２の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる金型の一例を示す模式斜視図である。 第２の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる金型の他の一例を示す模式斜視図である。 第３の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる鋼板の一例を示す模式斜視図である。 第３の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる鋼板の他の一例を示す模式斜視図である。 第４の実施形態に係る鋼板部材の具体例の斜視図である。 プレス成形前の鋼板５１及び鋼板５２の模式平面図である。 実験例に係るプレス成形工程を示す斜視図である。 実験例９に係る鋼板部材の圧接部の縦断面図写真である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜鋼板部材の製造方法＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る鋼板部材の製造方法について説明する。第１の実施形態に係る鋼板部材の製造方法は、例えば高強度と優れた衝撃吸収特性との両立が求められる自動車用の鋼板部材の製造方法として好適である。鋼板部材の一例として、サイドメンバ（例えば、フロントサイドメンバ、リヤフロアサイドメンバ）やピラーなどの長手方向に垂直な断面がハット型形状を有する鋼板部材を挙げることができる。

図１は、第１の実施形態に係る鋼板部材の製造方法を示す温度チャートである。図１の横軸は時間（ｓ）、縦軸は温度（℃）である。図１に示すように、第１の実施形態に係る鋼板部材の製造方法は、加熱工程、及びプレス成形工程を備えている。

まず、図１に示した加熱工程について説明する。
図１に示すように、加熱工程では、例えば汎用の加熱炉等を用いて、鋼板（第１の鋼板）１１及び鋼板（第２の鋼板）１２を加熱する。加熱温度は特に限定されないが、鋼板１１、１２全体を例えばオーステナイト変態完了温度Ａ３よりも高温に加熱する。その場合、加熱工程において、鋼板１１、１２全体のミクロ組織は、フェライト及びパーライトからオーステナイト単相に変化する。
なお、図１には、オーステナイト変態開始温度Ａ１も記載されている。

鋼板１１、１２は、特に限定されないが、例えば厚さ１〜４ｍｍ程度のマンガン・ボロン鋼からなるホットスタンプ用鋼板である。加熱工程前の平板状の鋼板１１、１２は、例えば、フェライト及びパーライトからなるミクロ組織を有した軟質材である。さらに、鋼板１１、１２として、プレス成形工程後の引張強度が異なる異種鋼板を用いることによって、高強度と優れた衝撃吸収特性とを両立できる。例えば、鋼板１１、１２の引張強度の差を５００ＭＰａ以上とする。

次に、図１に示したプレス成形工程について説明する。ここで、図２は、プレス成形工程の一例を示す斜視図である。図２に示すように、プレス成形工程では、加熱された鋼板１１、１２を、上型３１と下型３２とによって挟んでプレス成形しつつ冷却する。熱間プレス成形であるため、冷間プレス成形において発生するスプリングバックを回避しつつ、金型（上型３１及び下型３２）によって鋼板１１、１２を焼き入れ、高強度な鋼板部材を得ることができる。このような熱間プレス成形は、一般的にホットスタンプと呼ばれる。

なお、当然のことながら、図２及び他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

図２の例では、図２上段に示すように、加熱された鋼板１１、１２を上型３１に載置する際、鋼板１１のｙ軸負方向側の端部１１ａと鋼板１２のｙ軸正方向側の端部１２ａとを重ね合わせる。重ね合わせ量（重ね代）が大き過ぎると、プレス成形において圧接に必要な圧縮率が得られなくなり、圧接できなくなる。他方、重ね代が小さ過ぎると、圧接部の強度が不充分になる。重ね代は、例えば２〜１０ｍｍ程度である。

図２中段に示すように、鋼板１１、１２の厚さが同一であれば、プレス成形の際、鋼板１１の端部１１ａと鋼板１２の端部１２ａとが、それぞれ略半分の厚さに圧縮される。そのため、端部１１ａと鋼板１２の端部１２ａとの接触界面の面積が略２倍に広がり、鋼板１１、１２が端部１１ａ、１２ａにおいて圧接される。その結果、図２下段に示すように、第１の実施形態に係る鋼板部材１０が製造される。

重ね合わせた端部１１ａ、１２ａを圧接するための圧縮率は、例えば３０％以上であることが好ましい。ここで、「圧縮率（％）＝（プレス成形前の圧接部の板厚−プレス成形後の圧接部の板厚）／プレス成形前の圧接部の板厚×１００」で表現される。なお、鋼板１１、１２の厚さが同一であれば、圧縮率の理想値は５０％である。

ここで、図１に示した温度チャートにおけるプレス成形工程には、ＣＣＴ（Continuous Cooling Transformation）図におけるマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ、フェライト／パーライトのノーズが模式的に示されている。図１に示すように、鋼板１１、１２が上型３１及び下型３２に接触することによって、上部臨界冷却速度よりも速い冷却速度で冷却される。そのため、マルテンサイト変態し、鋼板１１、１２すなわち鋼板部材１０のミクロ組織は全体がマルテンサイトに変化する。

このように、鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａを重ね合わせてプレス成形することによって、成形しつつ圧接できる。換言すると、プレス成形工程において同時に圧接できる。そのため、圧接工程及び圧接装置を別途設ける必要がない。
また、プレス成形しつつ圧接するため、突き合わせ圧接に比べ、圧接部における望まない変形を抑制できると共に、圧接部以外における座屈等の望まない変形も抑制できる。

図２下段に示した鋼板部材１０は、ｙ軸方向に延設された天板１０ａ、側壁１０ｂ、及びフランジ部１０ｃを備えた断面ハット型形状を有している。より詳細には、ｙ軸方向に延設された天板１０ａの幅方向（ｘ軸方向）の端部から一対の側壁１０ｂが下向きに形成されている。さらに、それぞれの側壁１０ｂの下側（ｚ軸負方向側）の端部からフランジ部１０ｃが外側に張り出している。

そのため、図２に示すように、上型３１の下面には、断面矩形状に窪んだ凹部３１ａが軸方向（ｙ軸方向）に延設されている。同様に、下型３２の上面には、断面矩形状に突出した凸部３２ａが軸方向（ｙ軸方向）に延設されている。

以上に説明した通り、本実施形態に係る鋼板部材の製造方法では、鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａを重ね合わせてプレス成形することによって、成形しつつ圧接できる。そのため、圧接工程及び圧接装置を別途設ける必要がない。また、プレス成形しつつ圧接するため、突き合わせ圧接に比べ、圧接部における望まない変形を抑制できると共に、圧接部以外における座屈等の望まない変形も抑制できる。

＜鋼板部材の具体例＞
次に、図３を参照して、第１の実施形態に係る鋼板部材の具体例の構成について説明する。図３は、第１の実施形態に係る鋼板部材の具体例の斜視図である。具体例に係る鋼板部材は、第１の実施形態に係る鋼板部材の製造方法を用いて製造された鋼板部材である。図３に示した鋼板部材４０は、車両用部材であるフロントサイドメンバインナの一例である。図３に示した矢印は、車両における各方向を示している。
なお、図３に示した鋼板部材４０の用途や形状はあくまでも一例であって、本実施形態に係る鋼板部材の用途や形状は何ら限定されることはない。

図３に示した鋼板部材４０は、前後方向に延設された天板４０ａ、側壁４０ｂ、及びフランジ部４０ｃを備えた断面ハット型形状を有している。より詳細には、前後方向に延設された天板４０ａの幅方向の端部から一対の側壁４０ｂが外向きに形成されている。さらに、それぞれの側壁４０ｂの端部からフランジ部４０ｃが外側（すなわち図３における上側もしくは下側）に張り出している。

図３に示した鋼板部材４０では、図２に示した鋼板部材１０と同様に、プレス成形によって鋼板４１の後方側端部と鋼板４２の前方側端部とが前後方向中央部において圧接されている。例えば前方の鋼板４１は低強度で衝撃吸収性に優れており、後方の鋼板４２は高強度である。このような構成によって、高強度と優れた衝撃吸収特性とを両立できる。

（第２の実施形態）
次に、図４、図５を参照して、第２の実施形態に係る鋼板部材の製造方法について説明する。図４は、第２の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる金型の一例を示す模式斜視図である。図５は、第２の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる金型の他の一例を示す模式斜視図である。図４、図５に示すように、本実施形態では、上型３１及び下型３２の少なくとも一方には、重ね合わせた鋼板１１の端部１１ａ及び鋼板１２の端部１２ａと接触する位置に、凹凸が設けられている。

図４に示した例では、下型３２の長手方向（ｙ軸方向）中央部に長手方向に延びた直方体状の凸部３２ｂが、幅方向（ｘ軸方向）に並べて複数設けられている。そのため、重ね合わせた鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａ同士をプレス成形によって圧接する際、圧接部に凸部３２ｂに対応した凹部が形成される。その結果、圧接部における端部１１ａ、１２ａ同士の接触界面の面積を増大させ、端部１１ａ、１２ａ同士をより強固に接合できる。

図５に示した例では、上型３１の中央部に幅方向（ｘ軸方向）全体に延びた断面矩形状の凸部３１ｂが設けられている。また、下型３２の中央部に幅方向（ｘ軸方向）全体に延びた断面矩形状の溝３２ｃが設けられている。凸部３１ｂと溝３２ｃとは、対向配置されている。そのため、重ね合わせた鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａ同士をプレス成形によって圧接する際、凸部３１ｂと溝３２ｃとによって、圧接部がｙｚ断面においてＵ字状にかしめられる。そのため、圧接部における端部１１ａ、１２ａ同士の接触界面の面積を増大させ、端部１１ａ、１２ａ同士をより強固に接合できる。

（第３の実施形態）
次に、図６、図７を参照して、第３の実施形態に係る鋼板部材の製造方法について説明する。図６は、第３の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる鋼板の一例を示す模式斜視図である。図７は、第３の実施形態に係る鋼板部材の製造方法に用いる鋼板の他の一例を示す模式斜視図である。図６、図７に示すように、本実施形態では、重ね合わせた鋼板１１の端部１１ａ及び鋼板１２の端部１２ａの少なくとも一方に、凹凸が設けられている。

図６に示した例では、鋼板１２の端部１２ａに長手方向（ｙ軸方向）に延びた切り欠き部１２ｂが、幅方向（ｘ軸方向）に並べて複数設けられている。換言すると、鋼板１２の端部１２ａが櫛歯状に形成されている。そのため、重ね合わせた鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａ同士をプレス成形によって圧接する際、鋼板１１の端部１１ａが鋼板１２の端部１２ａに設けられた切り欠き部１２ｂに入り込む。その結果、圧接部における端部１１ａ、１２ａ同士の接触界面の面積を増大させ、端部１１ａ、１２ａ同士をより強固に接合できる。

図７に示した例では、鋼板１２の端部１２ａに貫通孔１２ｃが幅方向（ｘ軸方向）に並べて複数設けられている。そのため、重ね合わせた鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａ同士をプレス成形によって圧接する際、鋼板１１の端部１１ａが鋼板１２の端部１２ａに設けられた貫通孔１２ｃに入り込む。その結果、圧接部における端部１１ａ、１２ａ同士の接触界面の面積を増大させ、端部１１ａ、１２ａ同士をより強固に接合できる。

（第４の実施形態）
次に、図８を参照して、第４の実施形態に係る鋼板部材の具体例の構成について説明する。図８は、第４の実施形態に係る鋼板部材の具体例の斜視図である。第４の実施形態に係る鋼板部材は、第４の実施形態に係る鋼板部材の製造方法を用いて製造された鋼板部材である。図８に示した鋼板部材５０は、車両用部材であるピラー用鋼板部材であって、より詳細にはセンターピラーリインフォースメントである。図８に示した矢印は、車両における各方向を示している。
なお、図８に示した鋼板部材５０の用途や形状はあくまでも一例であって、本実施形態に係る鋼板部材の用途や形状は何ら限定されることはない。

図８に示すように、第４の実施形態に係る鋼板部材５０は、本体部５１１、上部フランジ部５１２、下部フランジ部５１３を備えている。
図８に示すように、本体部５１１は、上下方向に延設された天板５１１ａ、側壁５１１ｂ、及びフランジ部５１１ｃを備えた断面ハット型形状の部位である。より詳細には、上下方向に延設された天板５１１ａの幅方向の端部から一対の側壁５１１ｂが内向きに形成されている。さらに、それぞれの側壁５１１ｂの端部からフランジ部５１１ｃが外側に張り出している。

また、本体部５１１は、全体的に外側に張り出すようにやや湾曲している。さらに、本体部５１１の上端部及び下端部は、幅方向（前後方向）に拡がって平面視Ｔ字状に形成されている。ここで、上端部よりも下端部の方が幅方向（前後方向）に拡がっている。

上部フランジ部５１２は、本体部５１１の上端部から外側に立ち上がった板面と、その面の外側の端部から上側（本体部５１１の長手方向外側）に張り出した板面とを備えている。すなわち、上部フランジ部５１２は、幅方向（前後方向）に延設された断面Ｌ字状の部位である。
下部フランジ部５１３は、天板５１１ａの下端部から下側（長手方向外側）に延長して張り出すと共に、幅方向（前後方向）に延設された平板状の部位である。

図８に示した鋼板部材５０では、プレス成形によって鋼板５１と鋼板５２とが圧接されている。ここで、図９は、プレス成形前の鋼板５１及び鋼板５２の模式平面図である。図９に示すように、鋼板５１の幅方向中央部に形成された開口部５１ｂの周縁（鋼板５１の内周端部）と鋼板５２の外周端部とを重ね合わせる。そして、プレス成形時に、開口部５１ｂの周縁と鋼板５２の外周端部とを圧接する。

図８に示すように、鋼板５２は天板５１１ａの上部に設けられている。鋼板５２は鋼板５１よりも高強度材もしくは板厚が厚い。このような構成によって、鋼板部材５０において高い耐力が必要な部位の強度を高めることができる。また、図８に示した鋼板部材５０では、鋼板５１の開口部５１ｂに高強度の鋼板５２を圧接することによって鋼板５１を補強するため、鋼板を２枚重ねて補強する手法に比べ、断面効率が向上するため鋼板部材５０を軽量化できる。

＜実験例＞
以下に、実施形態に係る鋼板部材の製造方法の実験例について説明する。ここで、図１０は、実験例に係るプレス成形工程を示す斜視図である。表１には、実験例１〜１１の実験条件をまとめて示した。

まず、厚さ２．０ｍｍ、幅４０ｍｍの鋼板１１、１２を９００℃において６分間保持して鋼板全体をオーステナイト化した。その後、図１０に示すように、鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａを重ねて、下型３２上に載置し、上型３１と挟んで焼き入れしつつ、プレス成形した。このように製造した平板形状の鋼板部材１０について、鋼板１１、１２の接合可否について判定した。

表１に示すように、実験例１〜１１について、鋼板１１、１２の鋼種及びめっき有無、重ね代、プレス荷重を変化させ、接合可否について判定した。また、各実験例について、圧縮率を測定した。鋼種としては低強度材には焼き入れ前の引張強度が２７０ＭＰａ程度のＳＰＨ鋼又はＳＡ１Ｄ鋼、高強度材には焼き入れ後の引張強度が１．５ＧＰａ程度のマンガン・ボロン鋼（２２ＭｎＢ５）を用いた。めっき有無については、Ａｌ−Ｓｉ系めっき鋼板又はめっき無し鋼板を用いた。

表１に示すように、実験例１〜１０に係る鋼板１１については、いずれも低強度材を用いて、めっきの有無を変化させた。実験例１１に係る鋼板１１については、Ａｌ−Ｓｉ系めっき鋼板の高強度材を用いた。鋼板１２については、全実験例１〜１１において、Ａｌ−Ｓｉ系めっき鋼板の高強度材を用いた。

重ね代については、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍの３段階で変化させた。プレス荷重は、１００ｔ又は２００ｔとした。圧縮率については、「圧縮率（％）＝（プレス成形前の圧接部の板厚−プレス成形後の圧接部の板厚）／プレス成形前の圧接部の板厚×１００」で表現される等式から求めた。「プレス成形前の圧接部の板厚」及び「プレス成形後の圧接部の板厚」は、マイクロメータを用いて測定した。

表１における実験例１〜１０の結果から、めっきの有無によらず、重ね代が小さい程、プレス荷重が大きい程、圧縮率が大きくなった。また、実験例１１と実験例９、１０との比較から、鋼板の引張強度が小さい程、圧縮率が大きくなった。表１に示すように、圧縮率が３０％以上となった実験例３〜１０において接合できた。なお、実験例３〜１０について、引張試験を行ったところ、実験例３〜９では接合界面ではなく母材において破断し、実施例１０では接合界面において破断した。
一方、圧縮率が３０％未満となった実験例１、２、１１では接合できなかった。

ここで、図１１は、圧縮率が４８％で最大であった実験例９に係る鋼板部材の圧接部の縦断面図写真である。図１１に示すように、圧接部の板厚が鋼板１１、１２の板厚と同等まで圧縮され、鋼板１１、１２の端部１１ａ、１２ａがそれぞれ充分に引き延ばされている。すなわち、プレス成形によって、端部１１ａ、１２ａ同士の接触界面が充分に拡大している。

以上に示した実験例１〜１１の結果から、重ね代、プレス荷重などを調整し、圧接部の圧縮率をある程度大きくすれば、鋼板の端部同士を重ね合わせてプレス成形することによって圧接できることが分かった。プレス成形しつつ圧接するため、圧接工程及び圧接装置を別途設ける必要がない。また、突き合わせ圧接に比べ、圧接部における望まない変形を抑制できると共に、圧接部以外における座屈等の望まない変形も抑制できる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０、４０、５０ 鋼板部材
１０ａ 天板
１０ｂ 側壁
１０ｃ フランジ部
１１、１２、４１、４２、５１、５２ 鋼板
１１ａ、１２ａ 端部
１２ｂ 切り欠き部
１２ｃ 貫通孔
３１ 上型
３１ａ 凹部
３１ｂ 凸部
３２ 下型
３２ａ、３２ｂ 凸部
３２ｃ 溝
４０ａ 天板
４０ｂ 側壁
４０ｃ フランジ部
５１ｂ 開口部
５１１ 本体部
５１１ａ 天板
５１１ｂ 側壁
５１１ｃ フランジ部
５１２ 上部フランジ部
５１３ 下部フランジ部

Claims (6)

1. 第１及び第２の鋼板を加熱する工程と、
   加熱された前記第１及び第２の鋼板を、上型と下型とによって挟んで冷却しつつプレス成形する工程と、を備え、
   プレス成形する工程において、
   前記第１及び第２の鋼板の端部同士を重ね合わせ、重ね合わせた前記端部同士をプレス成形によって圧接する、
   鋼板部材の製造方法。
2. プレス成形する工程において、
   重ね合わせた前記端部同士の圧縮率が３０％以上である、
   請求項１に記載の鋼板部材の製造方法。
3. 前記上型及び前記下型の少なくとも一方には、重ね合わせた前記第１及び第２の鋼板の端部と接触する位置に、凹凸が設けられている、
   請求項１又は２に記載の鋼板部材の製造方法。
4. 重ね合わせた前記第１及び第２の鋼板の端部の少なくとも一方に、凹凸が設けられている、
   請求項１又は２に記載の鋼板部材の製造方法。
5. 前記第１及び第２の鋼板は、プレス成形する工程後の強度が異なる異種鋼板である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼板部材の製造方法。
6. 前記第１及び第２の鋼板は、プレス成形する工程前の板厚が異なる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼板部材の製造方法。