JP2022163620A - 車両用構造部材及び車両用構造部材に対する補強材溶着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用構造部材を構成する板材に対するレーザークラッディングによる補強材の溶着を、板材の表裏両面に施すことにより、板材の熱歪みの影響で、車両用構造部材の形状精度が悪化するのを抑制する。【解決手段】板材１０Ａにより構成され、板材１０Ａの板面上にレーザークラッディングにより補強材１４が線状に延びて溶着して形成された車両用構造部材１０であって、補強材１４は、断面ハット形状の車両用構造部材１０の縦壁部１２の表裏両面１２Ａ、１２Ｂに形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用構造部材及び車両用構造部材に対する補強材溶着方法に関する。

車両用構造部材を構成する板材の板面上にレーザークラッディングにより補強材を溶着したものがある（特許文献１参照）。

特許第６７６１３５４号公報

板材の板面上にレーザークラッディングにより補強材を溶着すると、板材がレーザーの熱を受け、板材に熱歪みを生ずることがある。その板材により車両用構造部材が構成されると、車両用構造部材の形状精度が悪化する恐れがある。

本発明の課題は、車両用構造部材を構成する板材に対するレーザークラッディングによる補強材の溶着を、板材の表裏両面に施すことにより、板材の熱歪みの影響で、車両用構造部材の形状精度が悪化するのを抑制することにある。

本発明の第１発明は、板材により構成され、該板材の板面上にレーザークラッディングにより補強材が線状に延びて溶着して形成された車両用構造部材であって、前記補強材は、前記板材の表裏両面に形成されている。

本発明の第２発明は、上記第１発明において、線状に延びる前記補強材の本数が、前記板材の表裏両面で互いに異なる。

本発明の第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記板材の表裏両面で線状に延びる前記各補強材が、前記板材の表裏両面で互いに対向する位置から前記補強材の延長方向の交差方向にずれて配置されている。

本発明の第４発明は、上記第１～第３発明のいずれかにおいて、前記板材を折り曲げて断面ハット形状に成形されており、前記補強材は、断面ハット形状の縦壁部の表裏両面に形成されている。

本発明の第５発明は、上記第４発明において、前記補強材は、断面ハット形状の天板部側を頂点とし、フランジ部側を下端とするアーチ形状に形成されている。

本発明の第６発明は、上記第１～第３発明のいずれかにおいて、前記板材を折り曲げ、且つ筒状に接合して多角筒体とされており、前記補強材は、前記多角筒体の稜線部の内外両面に形成されている。

本発明の第７発明は、上記第１～第６発明のいずれかに記載の車両構造部材に対する補強材溶着方法であって、複数本の前記補強材の１本は、前記補強材の延長方向の一側から他側に向かう方向でレーザークラッディングにより溶着され、前記補強材の１本に隣接する他の１本は、前記方向とは反対方向である前記補強材の延長方向の他側から一側に向かう方向でレーザークラッディングにより溶着される。

本発明によれば、熱歪みによる車両用構造部材の形状精度の悪化を抑制しながら補強材により車両用構造部材の強度を高めることができる。

本発明の第１実施形態である断面ハット形状の車両用構造部材を示す斜視図である。 図１の車両用構造部材の側面図である。 図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線断面矢視図である。 本発明の第２実施形態である断面ハット形状の車両用構造部材を示す図３と同様の断面図である。 本発明の第３実施形態である断面コ字形状の車両用構造部材を示す図３と同様の断面図である。 本発明の第４実施形態である断面六角形状の車両用構造部材を示す斜視図である。 図６の車両用構造部材の側面図である。 図７のＶＩＩＩ―ＶＩＩＩ線断面矢視図である。 テストピースによる第１の検証結果を示す表である。 テストピースによる第１の検証の検証方法を説明する説明図である。 テストピースによる第２の検証結果を示す表である。 テストピースによる第２の検証の検証方法を説明する説明図である。

＜第１実施形態の構成＞
図１～３は、本発明の第１実施形態を示す。第１実施形態は、車両のセンタピラー等として使用可能な断面ハット形状の車両用構造部材１０である。各図には、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２の各符合の方向を矢印により示している。この矢印の図示により各図間での各方向の対応関係を明瞭にしている。以下の説明において、方向に関する説明は、この符号に基づいて行う。図４以降の各図においても同様である。

図１～３のように、車両用構造部材１０は、一枚の板材１０Ａをプレス成形により折り曲げて断面ハット形状に形成されている。車両用構造部材１０は、折り曲げによりＺ１方向に突出した形状とされている。突出した平面が天板部１１であり、その両側でＺ２方向に延びて形成された各平面が一対の縦壁部１２である。縦壁部１２の両外側でＸ１方向及びＸ２方向に延びる各平面が一対のフランジ部１３である。各縦壁部１２は、天板部１１側に比べてフランジ部１３側の相対間隔が広くなる傾斜面とされている。また、天板部１１とフランジ部１３は、互いにＸ１、Ｘ２方向にずれて平行な平面とされている。

このように形成された車両用構造部材１０の各縦壁部１２の表面１２Ａ及び裏面１２Ｂ上には、それぞれ線状に延びる補強材１４が２本ずつ表裏で対向して形成されている。各補強材１４は、周知のレーザークラッディングによりパウダー状の金属が表面１２Ａ及び裏面１２Ｂ上に溶着されて形成される。各２本の補強材１４は、互いに平行とされており、共にアーチ形状を成すように形成されている。アーチ形状は、縦壁部１２のＹ１、Ｙ２方向の中央部で、天板部１１側が凸形状の頂点とし、縦壁部１２のＹ１、Ｙ２方向の両端部で、フランジ部１３側を下端として形成されている。この車両用構造部材１０が車両のセンタピラーを構成する部材として使用された場合、アーチ形状の頂点とされた部位に車両の側面衝突の荷重が加えられると、その荷重は、各補強材１４を介してアーチ形状の下端に伝達される。そのため、アーチ形状の下端に対応するフランジ部１３で衝突荷重を効果的に受け止めることができる。

＜第１実施形態の作用、効果＞
図９は、車両用構造部材１０と同様の金属板をテストピース５０とし、そのテストピース５０上にレーザークラッディングにより溶着された補強材５１を、４つの違うパターンで形成した場合の評価結果を示す。

Ａは、テストピース５０の長手方向に沿って直線状に延びる補強材５１を表面のみに２本平行に形成したものである。但し、Ａの場合、２本の補強材５１は、それぞれレーザークラッディングが２回重ねて行われ、２層構造とされている。Ｂは、テストピース５０の長手方向に沿って直線状に延びる補強材５１を表裏両面に互いに対向して２本ずつ形成したものである。Ｂの場合、各補強材５１は、レーザークラッディングがＡの場合のように２回重ねて行われず、１層構造とされている。従って、ＡとＢでは、補強材５１全体の体積が略等しくされている。Ｃは、テストピース５０の長手方向に沿って直線状に延びる補強材５１の本数を増加し、表面のみに４本平行に形成したものである。Ｃの場合、各補強材５１は、Ｂの場合と同様、１層構造とされている。従って、Ａ～Ｃでは、補強材５１全体の体積が略等しくされている。Ｄは、Ｃのテストピースに対し、裏面にも補強材５１を１本追加したものである。Ｄの場合、裏面側の補強材５１は、表側の各補強材５１と同様、１層構造とされている。また、Ｄにおいて、裏面側の１本の補強材５１は、表面側の４本の各補強材５１のいずれに対しても対向する位置にはなく、対向する位置から、補強材５１の延長方向に対して交差する方向に僅かにずれて配置されている。

図１０は、各テストピース５０の評価方法を示す。各テストピース５０の評価は、図１０のように、評価台６０上に置いたテストピース５０の長手方向の一端をクランプして固定し、長手方向の他端の評価台６０上からの垂直距離を計測している。この垂直距離をテストピース５０の長手方向の反り量として評価している。

この評価結果が、図９の表の「反り量」の欄に記載されている。図９の評価結果によれば、Ａ及びＣのように、補強材５１をテストピース５０の表面のみに形成した場合は、反り量が７ｍｍ、及び４ｍｍとなっている。それに対し、Ｂ及びＤのように、補強材５１をテストピース５０の表裏両面に形成した場合は、反り量が共に１ｍｍ以下となっている。この結果は、レーザークラッディングによる熱がテストピース５０に熱歪みを生じさせるが、補強材５１をテストピース５０の表裏両面に形成した場合は、表裏両面間で熱歪みが互いに打ち消し合い、テストピース５０の反り量を小さくしていると評価することができる。

このような評価結果を受けて、図１～３の車両用構造部材１０では、レーザークラッディングによる補強材１４を板材１０Ａの表裏両面に形成している。即ち、補強材１４は、縦壁部１２の表面１２Ａ及び裏面１２Ｂに形成している。そのため、熱歪みによる車両用構造部材１０の形状精度の悪化を抑制しながら補強材１４により車両用構造部材１０の強度を高めることができる。また、縦壁部１２の表面１２Ａ及び裏面１２Ｂに補強材１４を形成することにより、縦壁部１２の断面係数を大きくして剛性を高めることができる。その結果、車両用構造部材１０の板厚を低減させ、軽量化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態は、第１実施形態に対して、補強材２１の形状と縦壁部１２に対する配置の仕方を変更している。その他の構成は、第２実施形態も第１実施形態と同様である。

図４において、車両用構造部材２０は、断面ハット形状であり図１と同様である。車両用構造部材２０の縦壁部１２の表面１２Ａ及び裏面１２Ｂには、複数の補強材２１がそれぞれ形成されている。各補強材２１は、上述の第１実施形態の補強材１４と同様、レーザークラッディングにより形成されている。Ｘ１側の縦壁部１２では、補強材２１が表面１２Ａ側に１本、裏面１２Ｂ側に２本形成されている。表面１２Ａ側の１本の補強材２１は、裏面１２Ｂ側の２本の補強材２１のうちのＺ１側の１本と互いに対向する位置関係で配置されている。また、Ｘ２側の縦壁部１２では、補強材２１が表面１２Ａ側に２本、裏面１２Ｂ側に１本形成されている。表面１２Ａ側の補強材２１と裏面１２Ｂ側の補強材２１は、互いに対向する位置関係から補強材２１の延長方向に対して交差する方向にずれた位置に配置されている。各補強材２１は、縦壁部１２の表裏両側で、天板部１１の平面及びフランジ部１３の平面と平行になるように、Ｙ１、Ｙ２方向（図１、２参照）に沿って直線状に延びて形成されている。

以上のように第２実施形態でも、第１実施形態と同様、補強材２１は、縦壁部１２の表面１２Ａ及び裏面１２Ｂの両面に形成されている。そのため、熱歪みによる車両用構造部材２０の形状精度の悪化を抑制しながら補強材２１により車両用構造部材２０の強度を高めることができる。第１実施形態の補強材１４がアーチ形状に形成されたのに対し、第２実施形態の補強材２１は、Ｙ１、Ｙ２方向に沿って直線状に形成されている。しかし、縦壁部１２の表面１２Ａ及び裏面１２Ｂにそれぞれ補強材２１を形成することにより、縦壁部１２の断面係数を大きくして剛性を高めることができる。その結果、車両用構造部材２０の板厚を低減させ、軽量化を図ることができる。

＜第３実施形態＞
図５は、本発明の第３実施形態を示す。第３実施形態は、第２実施形態（図４参照）に対して、車両用構造部材３０の断面形状、並びに補強材３３の縦壁部１２に対する配置の仕方を変更している。その他の構成は、第３実施形態も第２実施形態と同様である。

図５において、車両用構造部材３０は、断面コ字形状であり、第２実施形態（図４）の断面ハット形状の車両用構造部材２０におけるフランジ部１３がない形状である。車両用構造部材３０は、第２実施形態（図４）の断面ハット形状の車両用構造部材２０に対して、フランジ部１３を備えないが、天板部３１及び天板部３１の両側の縦壁部３２の形状は、車両用構造部材２０の天板部１１及び縦壁部１２と同じとされている。車両用構造部材３０は、例えば、車両のセンタピラーに補強用として接合されるヒンジリインフォースメントとして使用することができる。

車両用構造部材３０でも、車両用構造部材２０と同様、縦壁部３２に複数の補強材３３が形成されている。各補強材３３は、上述の第１実施形態の補強材１４と同様、レーザークラッディングにより形成されている。また、各補強材３３は、縦壁部３２の表裏両側で、天板部３１の平面と平行になるように、Ｙ１、Ｙ２方向（図１、２参照）に沿って直線状に延びて形成されている。Ｘ１側の縦壁部３２では、補強材３３が表面３２Ａ側に２本、裏面３２Ｂ側に１本形成されている。また、Ｘ２側の縦壁部３２では、補強材３３が表面３２Ａ側に２本、裏面３２Ｂ側に１本形成されている。Ｘ１側、Ｘ２側共に、縦壁部３２の表面３２Ａ側の補強材３３と裏面３２Ｂ側の補強材３３は、互いに対向する位置関係から補強材３３の延長方向に対して交差する方向にずれた位置に配置されている。

以上のように第３実施形態の車両用構造部材３０でも、第２実施形態と同様、補強材３３は、縦壁部３２の表面３２Ａ及び裏面３２Ｂの両面に形成されている。そのため、熱歪みによる車両用構造部材３０の形状精度の悪化を抑制しながら補強材３３により車両用構造部材３０の強度を高めることができる。また、縦壁部３２の表面３２Ａ及び裏面３２Ｂにそれぞれ補強材３３を形成することにより、縦壁部３２の断面係数を大きくして剛性を高めることができる。その結果、車両用構造部材３０の板厚を低減させ、軽量化を図ることができる。

＜第４実施形態＞
図６～８は、本発明の第４実施形態を示す。第４実施形態は、車両のフロントサイドメンバ等として使用可能な断面六角形状の車両用構造部材４０である。車両用構造部材４０は、第１実施形態のような断面ハット形状の断面ハット形状部材４１を２つ組み合わせて構成されている。即ち、車両用構造部材４０は、各断面ハット形状部材４１の開放側面同士を対向させて、各フランジ部４２同士を面合せで溶接接合して形成されている。図６、７のフランジ部４２における複数の〇印は、スポット溶接による溶接痕を示す。なお、この場合の溶接は、スポット溶接以外にレーザー溶接等でもよい。

車両用構造部材４０は、４つの稜線部４３、並びに接合されたフランジ部４２の両側の隅部４４に上記各実施形態と同様の補強材４５がＹ１、Ｙ２方向の全長に渡って形成されている。稜線部４３では、断面六角形状の内側と外側の両方に形成されている。そのため、車両用構造部材４０は、各フランジ部４２同士を溶接接合する前の断面ハット形状部材４１の段階で、稜線部４３の内側と外側の補強材４５が形成され、その後、各フランジ部４２同士を溶接接合して断面六角形状の車両用構造部材４０とされる。各隅部４４の補強材４５は、断面ハット形状部材４１の段階で行ってもよいが、断面六角形状の車両用構造部材４０とされた段階で、稜線部４３の補強材４５と同時期に形成するのが作業性がよい。なお、隅部４４も、六角形状の角部を成しており、稜線部４３と同様、車両用構造部材４０の稜線部と見做すことができる。

以上のように第４実施形態の車両用構造部材４０でも、上記各実施形態と同様、補強材４５は、断面六角形状の車両用構造部材４０の内側と外側の両方に形成されている。そのため、熱歪みによる車両用構造部材４０の形状精度の悪化を抑制しながら補強材４５により車両用構造部材４０の強度を高めることができる。車両用構造部材４０を車両のフロントサイドメンバとして使用した場合、フロントバンパ（図示略）に前方から衝突荷重がかかると、その荷重は、フロントサイドメンバを成す車両用構造部材４０に図６、７のＹ１、Ｙ２方向に加えられる。車両用構造部材４０の補強材４５は、衝突荷重の方向に沿って延びているため、効果的に車両用構造部材４０の強度を高めることができる。その結果、車両用構造部材４０の板厚を低減させ、軽量化を図ることができる。

＜第５実施形態＞
上記第１～第４実施形態では、レーザークラッディングにより形成される補強材１４、２１、３３、４５は、各補強材１４、２１、３３、４５の延長方向に沿って全て同方向に溶着作業を行っている。第５実施形態では、隣接する補強材１４、２１、３３、４５間で互い違いに溶着作業を行う点を特徴としている。

図１１は、車両用構造部材１０、２０、３０、４０と同様の金属板をテストピース５０として、そのテストピース５０上にレーザークラッディングにより補強材５１を溶着し、その溶着作業の方向を変えて行った７つのパターンの評価結果を示す。

Ａ～Ｄは、図１２（１）に矢印で示すように、全ての補強材５１の溶着作業を、同一方向に行ったものである。Ａは、補強材５１が１本で、Ｂ～Ｄは、補強材５１の本数がＡに対して１本ずつ増加されている。また、Ｅ～Ｇは、図１２（２）に矢印で示すように、各補強材５１の溶着作業を互い違いに行ったものである。Ｅは、補強材５１が２本で、図１２（２）の「１」、「２」で示すように溶着作業の方向が互い違いとされている。Ｆは、補強材５１が３本で、図１２（２）の「１」、「２」、「３」で示すように溶着作業の方向が互い違いとされている。Ｇは、補強材５１が４本で、図１２（２）の「１」、「２」、「３」、「４」で示すように溶着作業の方向が互い違いとされている。

図１１のように、評価は、テストピース５０の短手方向と長手方向に分けて行っている。短手方向、長手方向は、図１２（１）、（２）に「短手方向」、「長手方向」と図示したとおりである。図１１の「短手方向の反り量」、「長手方向の反り量」は、図１０と同様に計測される。但し、短手方向の反り量は、図１０のように、評価台６０上に置いたテストピース５０の短手方向の一端をクランプして固定し、短手方向の他端の評価台６０上からの垂直距離を計測して、短手方向の反り量としている。

図１１において、比較可能なＢ～Ｇの「短手方向の反り量」及び「長手方向の反り量」を、溶着作業の方向が互いに同一のＢ～Ｄと、溶着作業の方向が互い違いのＥ～Ｇとで比較すると、全体として後者の方が反り量が少なくなっている。具体的には、Ｂ対Ｅでは、短手方向と長手方向の両方でＢに比べＥの反り量が少なくなっている。Ｃ対Ｆでは、短手方向でＣに比べＦの反り量が少なくなっている。Ｄ対Ｇでは、長手方向でＤに比べＧの反り量が少なくなっている。

このように補強材５１の溶着作業の方向を隣接する補強材５１同士で互い違いとすることによりテストピース５０の反り量が、溶着作業の方向を隣接する補強材５１同士で同一方向とした場合に比べて少なくなることが確認できた。従って、第１～第４実施形態において隣接する補強材１４、２１、３３、４５間で互い違いに溶着作業を行う第５実施形態では、第１～第４実施形態に比べて、更に熱歪みによる車両用構造部材１０、２０、３０、４０の形状精度の悪化を抑制することができる。また、隣接する補強材５１同士の溶着時の作業方向を互い違いにすることにより、溶着作業時のロボット等の空送作業が抑制され、溶着作業の生産性を高めることができる。

＜その他の実施形態＞
以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの外観、構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、上記実施形態では、車両用構造部材をセンタピラー及びフロントサイドメンバに使用する例を示したが、これらの用途に限定されない。また、上記実施形態では、車両用構造部材として特定の形状のものを例示しがが、これらの形状に限定されない。更に、上記実施形態では、多角形筒体の車両用構造部材として、六角筒体のものを例示したが、他の多角筒体を用いることもできる。

＜各発明に対応する上記実施形態の作用効果＞
最後に上述の「課題を解決するための手段」における第１発明以降の各発明に対応する上記実施形態の作用効果を付記しておく。

第１発明によれば、レーザークラッディングにより溶着された補強材が車両用構造部材を構成する板材の表裏両面に形成されている。そのため、板材の表裏両面の補強材形成時の熱歪みが表裏両面で互いに打ち消し合い、熱歪みによる車両用構造部材の形状精度の悪化を抑制しながら補強材により車両用構造部材の強度を高めることができる。板材の表裏両面に補強材を形成することにより、板材の断面係数を大きくして剛性を高めることができる。その結果、車両用構造部材の板厚を低減させ、軽量化を図ることができる。

第２発明によれば、車両用構造部材の強度を維持しながら、表裏両面のうちの一方は、補強材の本数が少なくて済むため、生産性を高めることができる。

第３発明によれば、表裏両面にレーザークラッディングによる補強材の溶着を行うに際し、表裏両面で位置ずれがないように位置合わせすることが不要であり、生産性を高めることができる。

第４発明によれば、例えば、断面ハット形状の車両用構造部材をセンタピラーに使用した場合、断面ハット形状の縦壁部の強度が高められるため、側面衝突時のセンタピラーの曲げ変形強度を高めることができる。

第５発明によれば、例えば、断面ハット形状の車両用構造部材をセンタピラーに使用した場合、断面ハット形状の天板部で受けた衝突荷重を、アーチ形状に沿って形成された補強材によりフランジ部の支持点に効率的に伝達することができる。そのため、側面衝突時のセンタピラーの曲げ変形強度を効率的に高めることができる。

第６発明によれば、例えば、多角筒体による車両用構造部材をフロントサイドメンバに使用した場合、稜線部の補強材により前方衝突荷重に対する変形強度を高めることができる。その結果、フロントサイドメンバの板厚を低減させ、軽量化を図ることができる。

第７発明によれば、隣接する補強材同士の溶着時の作業方向を互い違いにすることにより補強材形成時の板材の熱歪みが抑制される。そのため、更に車両用構造部材の形状精度の悪化を抑制することができる。また、隣接する補強材同士の溶着時の作業方向を互い違いにすることにより、溶着作業時のロボット等の空送作業が抑制され、溶着作業の生産性を高めることができる。

１０、２０、３０、４０ 車両用構造部材
１０Ａ 板材
１１、３１ 天板部
１２、３２ 縦壁部
１３ フランジ部
１４、２１、３３、４５、５１ 補強材
４１ 断面ハット形状部材
４２ フランジ部
４３ 稜線部
４４ 隅部
５０ テストピース
６０ 評価台

Claims (7)

1. 板材により構成され、該板材の板面上にレーザークラッディングにより補強材が線状に延びて溶着して形成された車両用構造部材であって、
   前記補強材は、前記板材の表裏両面に形成されている
   車両用構造部材。
2. 請求項１において、
   線状に延びる前記補強材の本数が、前記板材の表裏両面で互いに異なる
   車両用構造部材。
3. 請求項１又は２において、
   前記板材の表裏両面で線状に延びる前記各補強材が、前記板材の表裏両面で互いに対向する位置から前記補強材の延長方向の交差方向にずれて配置されている
   車両用構造部材。
4. 請求項１～３のいずれかにおいて、
   前記板材を折り曲げて断面ハット形状に成形されており、
   前記補強材は、断面ハット形状の縦壁部の表裏両面に形成されている
   車両用構造部材。
5. 請求項４において、
   前記補強材は、断面ハット形状の天板部側を頂点とし、フランジ部側を下端とするアーチ形状に形成されている
   車両用構造部材。
6. 請求項１～３のいずれかにおいて、
   前記板材を折り曲げ、且つ筒状に接合して多角筒体とされており、
   前記補強材は、前記多角筒体の稜線部の内外両面に形成されている
   車両用構造部材。
7. 請求項１～６のいずれかに記載の車両用構造部材に対する補強材溶着方法であって、
   複数本の前記補強材の１本は、前記補強材の延長方向の一側から他側に向かう方向でレーザークラッディングにより溶着され、
   前記補強材の１本に隣接する他の１本は、前記方向とは反対方向である前記補強材の延長方向の他側から一側に向かう方向でレーザークラッディングにより溶着される
   車両用構造部材に対する補強材溶着方法。

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