JP2023501962A - 冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品 - Google Patents

Abstract

一実施形態による冷間成形用強化部材は、ブランク部材及び上記ブランク部材の少なくとも一部を覆うように備えられ、複数の溶接部によって上記ブランク部材と結合する補強パッチ部材を含み、上記ブランク部材において上記溶接部周辺に形成された熱影響部は、全領域が上記補強パッチ部材に対応する領域内に位置し、上記溶接部のうち第１溶接部周辺に形成された熱影響部は、上記第１溶接部に隣り合う第２溶接部の中心点に接するか、上記第２溶接部の中心点から離隔して形成されてもよい。

Description

本発明は、冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品に関するものである。

最近、温室ガス排出規制だけでなく、環境にやさしい車両の重量減少のための軽量化研究が進められている。一例として、プラスチック、アルミニウム、マルチマテリアルなどの適用が拡大しているが、軽量化コストが相対的に高く、リサイクルが難しいという問題がある。そこで、ギガ級鋼材の適用が検討されているが、成形性、加工コスト等の解決すべき問題がある。

本発明は、常温で行われる冷間成形においても溶接部の破損を防止することができる冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品を提供することを目的とする。

一実施形態による冷間成形用強化部材は、ブランク部材及び上記ブランク部材の少なくとも一部を覆うように備えられ、複数の溶接部によって上記ブランク部材と結合する補強パッチ部材を含み、上記ブランク部材において上記溶接部周辺に形成された熱影響部は、全領域が上記補強パッチ部材に対応する領域内に位置し、上記溶接部のうち第１溶接部周辺に形成された熱影響部は、上記第１溶接部に隣り合う第２溶接部の中心点に接するか、上記第２溶接部の中心点から離隔して形成されてもよい。

具体的に、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記溶接部は、上記補強パッチ部材の端から１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲で離隔した位置に中心点が形成されてもよい。

また、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記第１溶接部と上記第２溶接部との間の間隔は１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲で形成されてもよい。ここで、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記溶接部は、溶接ヘッドによるスポット溶接で形成されてもよい。

そして、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記溶接部は、上記補強パッチ部材の端に沿って複数個が配置されて外側列を形成することができる。さらに、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記溶接部は、上記外側列の内側に複数個が線状に配置されて内側列を形成することができる。

また、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記ブランク部材又は上記補強パッチ部材は、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム板、チタン板のうち一つとして提供されてもよい。そして、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記ブランク部材及び上記補強パッチ部材は、引張強度が５００ＭＰａ～２５００ＭＰａの素材として提供されてもよい。

一実施形態による部品は、上記冷間成形用強化部材を常温で成形して製造されてもよい。また、一実施形態による部品は、上記冷間成形用強化部材に少なくとも一つのベンディング部を成形して製造されてもよい。

ここで、一実施形態による部品の上記ベンディング部は、上記ブランク部材の厚さと上記補強パッチ部材の厚さの和より２倍～１０倍大きい曲率半径で形成されてもよい。

本発明の冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品は、常温で行われる冷間成形においても溶接部の破損を防止することができる効果がある。

但し、本発明の多様かつ有益な利点及び効果は上述した内容に限定されず、本発明の具体的な実施形態を説明する過程でより容易に理解することができる。

一実施形態による冷間成形用強化部材を示す平面図である。 図１において「Ａ」部分を拡大して示す平面図である。 一実施形態による冷間成形用強化部材において、オフセット距離と荷重支持能力との関係又は溶接部間の間隔と荷重支持能力との関係を示すグラフである。 一実施形態による冷間成形用強化部材を用いて製造された部品を示す斜視図である。 一実施形態による冷間成形用強化部材を用いて製造された部品において、ベンディング部の部分を示す側断面図である。

低コスト、軽量化のために、グローバル大量生産自動車メーカーでは、熱間成形用鋼材及び冷間ギガ級鋼材の適用を増加させている。熱間成形技術は、加熱設備が広い空間を占め、初期設備投資コストが高いという欠点にもかかわらず、相対的に延性の高い高温条件で成形を行うため、冷間成形技術に比べて成形性及び形状凍結性に優れ、新車プラットフォームに主に適用されている。しかし、コスト削減のために熱間成形技術を冷間成形技術に置き換えることができる研究が必要とされる。

一例として、自動車車体のサイドメンバ又はセンターピラーなどのような衝突部材は、衝突性能を極大化するために、単一部品内で強度、厚さ、又はその両方を互いに異なるように組み合わせるテーラリング技術を適用している。このようなテーラリング技術のうち、ブランク部材の一部領域に補強パッチ部材をスポット溶接により取り付けた後、単一金型に成形するＰａｔｃｈ Ｗｏｒｋｅｄ Ｂｌａｎｋ（ＰＷＢ）技術は冷間又は熱間プレス成形品に適用されている。ところで、自動車の衝突支持部材等のように曲げ変形が必要な部品の場合、ブランク部材と補強パッチ部材との間の変形量の差のため、両者を連結するスポット溶接による溶接部に大きなせん断力がかかって溶接部が破損するという問題がある。

特に、常温で行われる冷間成形では、高い延性を付与することができないため、溶接部の破断の危険性がさらに高い。そこで、本出願人は、冷間成形においても溶接部の破断の危険性が小さい冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品を提案する。

以下では、添付の図面を参照して実施形態を説明する。しかし、実施形態は様々な異なる形態に変更することができ、実施形態の範囲は以下で説明する実施形態に限定されるものではない。図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることができる。

また、単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。明細書全体にわたって同じ参照番号又は類似の方式で付与された参照番号は、同じ構成要素又は対応する構成要素を指すものとする。

図１は、実施形態の冷間成形用強化部材を示す平面図であり、図２は、図１において「Ａ」部分を拡大して示す平面図である。これを参照すると、一実施形態による冷間成形用強化部材は、ブランク部材１、補強パッチ部材２を含むことができる。上記補強パッチ部材２は、上記ブランク部材１の少なくとも一部を覆うように備えられ、複数の溶接部３によって上記ブランク部材１と結合することができる。

上記溶接部３は、溶接機の溶接ヘッドによって上記ブランク部材１及び上記補強パッチ部材２のうち少なくとも一つが溶融し凝固してブランク部材１及び補強パッチ部材２を結合させる際に形成される。そして、上記溶接部３の形成時に発生する熱によって上記溶接部３の周辺には熱影響部４（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）が形成される。上記熱影響部４は、溶接時の熱により金属組織や機械的性質が変化するが、溶融していない部分である。

上記溶接部３の周辺に形成された熱影響部４は、全領域が上記補強パッチ部材２に対応する領域内に位置する。さらに、上記溶接部３のうち、第１溶接部３ａの周辺に形成された熱影響部４は、上記第１溶接部３ａに隣り合う第２溶接部３ｂの中心点Ｃｂに接するか、上記第２溶接部の中心点Ｃｂから離隔して形成される。ここで、上記溶接部３の中心点Ｃは、上記溶接部３から最も遠い２地点を直径とする円の中心である。

このために、上記溶接部３の位置は、上記補強パッチ部材２の端Ｅから上記溶接部３の中心点Ｃまでの距離であるオフセット距離Ｓに限定される。上記オフセット距離Ｓの最小値は、上記熱影響部４の最外側領域が上記補強パッチ部材２の端Ｅに接するときの値に限定される。これにより、上記溶接部３の形成時に安定して溶融ナゲットが形成されることができる。また、上記溶融ナゲットが凝固して形成される上記溶接部３の結合力は、必要とする基準値より上回るように形成されることができる。

このように、一実施形態による冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品は、冷間成形によって製造されても溶接部３の破断を防止し、必要とする荷重支持能力を確保することができる。

図３は、実施形態の冷間成形用強化部材において、上記オフセット距離Ｓと荷重支持能力との関係又は上記溶接部３間の間隔Ｇと荷重支持能力との関係を示すグラフである。

具体的に、図３の（ａ）のグラフは、上記補強パッチ部材２の端Ｅから上記溶接部３の中心点Ｃまでのオフセット距離Ｓと荷重支持能力との関係を示すグラフである。上記グラフを参照すると、一実施形態による上記溶接部３は、上記補強パッチ部材２の端Ｅから１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲で離隔した位置に中心点Ｃが形成されることができる。

このようなグラフから確認できるように、上記補強パッチ部材２の端Ｅから上記溶接部３の中心点Ｃまでのオフセット距離Ｓは、１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲である場合に必要とされる荷重支持能力を確保することができる。ここで、上記オフセット距離Ｓの最小値である１２ｍｍは、溶融ナゲットが形成され得る条件によって導出された値である。一例として、溶接ヘッドの直径が８ｍｍの場合を適用すると、このとき形成される上記溶接部３の直径ＷＤは８ｍｍとなる。そして、上記熱影響部４は、上記溶接部３の中心点Ｃと同じ中心点Ｃを有し、直径ＺＤが２４ｍｍであるドーナツ状の領域を形成するようになる。このような関係において、上記熱影響部４は、少なくとも補強パッチ部材２の端Ｅから１２ｍｍ離隔した位置に中心点Ｃを形成した場合にのみ完全に形成されることができる。また、溶融ナゲットもこのような場合に完全に成形されることができる。

上記オフセット距離Ｓの最大値である３０ｍｍは、荷重支持能力の基準値を満たすための最大値である。一例として、上記ブランク部材１の引張強度が１２００ＭＰａであり、厚さｔ１が１．５ｍｍであり、上記補強パッチ部材２の引張強度が９００ＭＰａであり、厚さｔ２が１．２ｍｍである場合を考慮してみると、次の通りである。上記ブランク部材１と上記補強パッチ部材２とを上記溶接部３で結合して形成した冷間成形用強化部材の厚さは２．７ｍｍとなり、耐え得る引張強度は１０７０ＭＰａ（［１２００×１．５＋９００×１．２］／２．７＝１０７０）となる。すなわち、図３の（ａ）のグラフにおいて、荷重支持能力の基準「１」は、上記条件において「１０７０ＭＰａ」となる。したがって、荷重支持能力「１０７０ＭＰａ」以上を満たすために、上記オフセット距離Ｓは３０ｍｍ以下でなければならない。

また、上記冷間成形用強化部材は、互いに隣り合う上記溶接部３間の間隔Ｇによって限定することもできる。一例として、上記第１溶接部３ａの位置を隣り合う上記第２溶接部３ｂとの間隔Ｇによって限定することもできる。

具体的に、上記第１溶接部３ａの中心点Ｃａは、上記第２溶接部３ｂの中心点Ｃｂとの間隔Ｇが１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲で離隔して形成されなければならない。これは、上記第１溶接部３ａの中心点Ｃａが隣り合う上記第２溶接部３ｂの熱影響部４に接する場合の位置、又は少なくともこの場合の位置よりも上記第２溶接部３ｂからさらに遠く離隔した位置に形成されるためのものである。

これにより、上記第１溶接部３ａを形成するための溶融ナゲットの凝固が上記第２溶接部３ｂの熱影響部４によって遅延される問題を改善するようになる。これによって、上記冷間成形用強化部材の接合力が低下するという問題を改善し、上記冷間成形用強化部材の荷重支持能力が基準値を満たすようになる。これは、図３の（ｂ）に提示されたグラフから確認することができる。

ここで、上記溶接部３間の間隔Ｇの最小値である１２ｍｍは、上記第２溶接部３ｂの熱影響部４の影響による冷却環境においても、上記第１溶接部３ａの破断が防止可能な値である。すなわち、上記溶接部３間の間隔Ｇが１２ｍｍより小さいと、さらに多くの溶接部３が形成されることができるため、破断が発生する確率が減少すると推測してみることができる。しかし、実際には、これとは逆に、上記第１溶接部３ａは、上記第２溶接部３ｂの熱影響部４によって冷却が遅延される効果が大きくなるにつれて、接合力低下の問題も大きくなる。これにより、上記冷間成形用強化部材は、基準値に該当する荷重支持能力が確保できなくなる。

一例として、溶接ヘッドの直径が８ｍｍである場合を適用すると、このとき形成される上記溶接部３の直径ＷＤは８ｍｍとなる。そして、上記熱影響部４は、上記溶接部３の中心点Ｃと同じ中心点Ｃを有し、直径ＺＤが２４ｍｍであるドーナツ状の領域を形成するようになる。このとき、上記溶接部３の中心点Ｃ間の間隔Ｇが１２ｍｍである場合が基準値を満たす最小間隔Ｇとなる。

また、上記溶接部３間の間隔Ｇの最大値である３０ｍｍは、荷重支持能力の基準値を満たすための最大値である。一例として、上記ブランク部材１の引張強度が１２００ＭＰａであり、厚さｔ１が１．５ｍｍであり、上記補強パッチ部材２の引張強度が９００ＭＰａであり、厚さｔ２が１．２ｍｍである場合を考慮してみると、次の通りである。上記ブランク部材１と上記補強パッチ部材２とを上記溶接部３で結合して形成した冷間成形用強化部材の厚さは２．７ｍｍとなり、耐え得る引張強度は１０７０ＭＰａ（［１２００×１．５＋９００×１．２］／２．７＝１０７０）となる。すなわち、図３の（ｂ）のグラフにおいて、荷重支持能力の基準「１」は、上記条件において「１０７０ＭＰａ」となる。したがって、荷重支持能力「１０７０ＭＰａ」以上を満たすために、上記溶接部３間の間隔Ｇは３０ｍｍ以下でなければならない。

なお、このような条件は、上記冷間成形用強化部材を形成する溶接部３全体を満たすこともでき、製造される部品の形状に応じては、上記溶接部３の一部のみを満たすこともできる。一例として、上記冷間成形用強化部材を形成する溶接部３の全個数の６０％以上が上記条件を満たすように調整することもできる。

上記ブランク部材１、補強パッチ部材２は、上記冷間成形用強化部材を用いて製造される部品において必要とされる基準値である必要引張強度が異なるため、これを確保させるようにその素材及び引張強度を限定することもできる。すなわち、上記ブランク部材１又は上記補強パッチ部材２は、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム板、チタン板のうち一つとして提供されてもよい。そして、上記ブランク部材１及び上記補強パッチ部材２は、引張強度が５００ＭＰａ～２５００ＭＰａの素材として提供されてもよい。

ここで、上記溶接部３は、溶接ヘッドによるスポット溶接で形成されてもよい。すなわち、実施形態の冷間成形用強化部材は、従来のＰＷＢ強化部材の製造時に適用されるスポット溶接によって製造される点を示したものである。

そして、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記溶接部３は、上記補強パッチ部材２の端Ｅの形態に沿って複数個が配置されて外側列ＯＬを形成することができる。このように、上記溶接部３の配置位置を上記補強パッチ部材２の端Ｅの形態に限定したことは、上記補強パッチ部材２に適用される衝撃力等の外力をそれぞれの溶接部３が均一に分担するためのものである。

さらに、一実施形態による冷間成形用強化部材の上記溶接部３は、上記外側列ＯＬの内側に複数個が線状に配置されて内側列ＩＬを形成することができる。このように内側列ＩＬに溶接部３を形成することにより、上記冷間成形用強化部材は、上記外側列ＯＬに溶接部３を形成して確保された引張強度に加えて荷重伝達能力を補完できるようになる。上記内側列ＩＬは複数であってもよく、これによる荷重伝達能力の補完効果をさらに高めることができる。

図４は、実施形態の冷間成形用強化部材を用いて製造された部品を示す斜視図である。ここで、図４の（ａ）は、部品の上面部にのみ補強パッチ部材２が配置された実施形態を示したものである。そして、図４の（ｂ）は、部品の側面部まで補強パッチ部材２が配置された実施形態を示したものであり、図５は、実施形態の冷却成形用強化部材を用いて製造された部品においてベンディング部５の部分を示した側断面図である。

上記図面を参照すると、一実施形態による部品は、上記冷間成形用強化部材を常温で成形して製造することができる。すなわち、上記冷間成形用強化部材を利用すると、常温で成形する冷間成形工程によって部品を生産しても、溶接部３の破損を防止し、必要とされる荷重支持能力が確保できるようになる。

ここで、冷間成形工程は、被成形物を加熱して成形する熱間成形工程とは異なり、被成形物に対する加熱なしに常温で圧延により薄くするか（ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ）、曲げ加工（ｃｏｌｄ ｂｅｎｄｉｎｇ）、鍛造（ｃｏｌｄ ｆｏｒｇｉｎｇ、ｃｏｌｄ ｈｅａｄｉｎｇ、ｃｏｌｄ ｐｒｅｓｓ）、押出（ｃｏｌｄ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）などで成形する作業を総称する。一般的に、冷間成形工程とは、常温で圧下して製品形態に成形する冷間プレス加工を意味する。

また、一実施形態による部品は、上記冷間成形用強化部材に少なくとも一つのベンディング部５を成形して製造されてもよい。すなわち、上記部品は、冷間成形の中でも上記ベンディング部５を形成する曲げ加工、プレス加工等により成形されるものである。

従来のＰＷＢ強化部材は、冷間加工によりベンディング部を加工すると、ほとんど溶接部の破損が発生するという問題があった。これに対し、一実施形態による部品はベンディング部５を含むように成形され、且つ上記冷間成形用強化部材を用いて成形されるため、溶接部３の破損が発生することを防止することができる。

そして、一実施形態による部品の上記ベンディング部５は、上記ブランク部材１の厚さｔ１と上記補強パッチ部材２の厚さｔ２の和より２倍～１０倍大きい曲率半径Ｒで形成されてもよい。ここで、上記ベンディング部５の曲率半径Ｒが上記下限値より小さいと、上記ベンディング部５に隣接して配置された溶接部３の破損が発生するようになる。また、上記ベンディング部５の曲率半径Ｒが上記上限値より大きいと、部品成形の自由度が極めて制限される。

ここで、上記冷間成形用強化部材を用いて製造された部品は、具体的な例として、自動車車体のサイドメンバ又はセンターピラーなどのような衝突部材、車体アンダーボディにあるフロアランジメンバ、フロアトンネルなどであってもよい。

実施形態は、冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品に関するものであって、テーラリング技術のうちＰａｔｃｈ Ｗｏｒｋｅｄ Ｂｌａｎｋ（ＰＷＢ）技術を改善して、溶接部３の破損を防止しながらも常温で行われる冷間工程によって部品を成形することが可能となる。

一実施形態による冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品は、熱間成形工程のような加熱設備のための広い空間の所要及び高い初期設備投資コスト、高い運用コストの所要なしに冷間成形が可能であり、設備コスト及び運用コストを削減することができる。

一実施形態による冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品は、冷間成形時のベンディング部５における曲率半径の限定範囲及びブランク素材、補強パッチ部材２における厚さｔ２の限定範囲の制約を減少させることができ、部品設計の自由度を高めることができる。一例として、実施形態の冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品は、自動車構造用部品において、曲げ衝突部材に必要とされる性能を満たしながらも曲げ衝突部材を冷間成形工程で製造できるようになる。

すなわち、自動車構造用部品は、高強度形状部材、高剛性部材、圧縮衝突部材、曲げ衝突部材など、様々な目的に応じて開発される。ここで、曲げ衝突部材は、乗客保護のために内部浸透を最小化する必要があり、破断が発生してはならない。これに関連し、実施形態の冷間成形用強化部材及びこれを用いて製造された部品は、常温で成形される冷間工程によっても成形が可能でありながらも、曲げ衝突部材において必要とされる性能も満たすことができる。

センターピラーを例にすると、センターピラーの上部部分は乗客の上半身を保護するために変形が抑制されなければならない。このために、センターピラーの上部部分は相対的に周辺部品に比べて高い引張強度を必要とする。これに関連し、実施形態の冷間成形用強化部材は、このような引張強度を確保しながらも、センターピラーの製造を常温である冷間で行うことができ、熱間工程より低コストで生産することができる。

すなわち、熱間成形工程は、全体的に延性が高くなり、溶接部３にかかる荷重も低くなり、相変態時にせん断変形量が除去されて溶接部３における破断の危険性が少ないため、従来の強化部材の成形時に適用される。しかし、冷間成形工程は、前述した熱間成形工程における効果がないため、従来の強化部材の成形には適用することができなかった。これに対し、実施形態の冷間成形用強化部材は、冷間成形工程によっても必要とされる性能を満たすことができるようになったものである。

Claims (11)

1. ブランク部材と、
   前記ブランク部材の少なくとも一部を覆うように備えられ、複数の溶接部によって前記ブランク部材と結合する補強パッチ部材と、を含み、
   前記ブランク部材において、前記溶接部周辺に形成された熱影響部は、全領域が前記補強パッチ部材に対応する領域内に位置し、
   前記溶接部のうち、第１溶接部周辺に形成された熱影響部は、前記第１溶接部に隣り合う第２溶接部の中心点に接するか、前記第２溶接部の中心点から離隔して形成される、冷間成形用強化部材。
2. 前記溶接部は、前記補強パッチ部材の端から１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲で離隔した位置に中心点が形成される、請求項１に記載の冷間成形用強化部材。
3. 前記第１溶接部と前記第２溶接部との間の間隔は１２ｍｍ～３０ｍｍの範囲で形成される、請求項１に記載の冷間成形用強化部材。
4. 前記溶接部は、溶接ヘッドによるスポット溶接で形成される、請求項１に記載の冷間成形用強化部材。
5. 前記溶接部は、前記補強パッチ部材の端に沿って複数個が配置されて外側列を形成する、請求項１に記載の冷間成形用強化部材。
6. 前記溶接部は、前記外側列の内側に複数個が線状に配置されて内側列を形成する、請求項５に記載の冷間成形用強化部材。
7. 前記ブランク部材又は前記補強パッチ部材は、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム板、チタン板のうち一つとして提供される、請求項１に記載の冷間成形用強化部材。
8. 前記ブランク部材及び前記補強パッチ部材は、引張強度が５００ＭＰａ～２５００ＭＰａの素材として提供される、請求項１に記載の冷間成形用強化部材。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の冷間成形用強化部材を常温で成形して製造された、部品。
10. 前記冷間成形用強化部材に少なくとも一つのベンディング部を成形して製造された、請求項９に記載の部品。
11. 前記ベンディング部は、前記ブランク部材の厚さと前記補強パッチ部材の厚さの和より２倍～１０倍大きい曲率半径で形成された、請求項１０に記載の部品。

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