JP6098630B2

JP6098630B2 - 溶接構造体の製造方法

Info

Publication number: JP6098630B2
Application number: JP2014265683A
Authority: JP
Inventors: 正顕田中
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP2016123995A

Description

本発明は、閉断面部を有する溶接構造体を製造する方法に関する。

自動車のサスペンションアームを支持するサブフレームの前後方向メンバのように車体に組み付けられる部材や、フロント・リアのサイドフレームのように車体を構成する部材には、車体の強度を確保して安全性を高める観点から高強度化が求められる一方、エンジンの燃費向上のために軽量化が求められる。そこで、これらの部材には、金属製の閉断面構造体が用いられるのが一般的である。

従来、こうした閉断面構造体は、断面略コ字状部材の側壁端部から外方に向けて折曲されたフランジ部を両端に有する形状（以下、断面ハット状と称す）の２つの金属素材を用い、両金属素材の対向するフランジ部どうしを溶接することにより製造されてきた。具体的には、図８（ａ）に示すようにフランジ部の幅が異なる２つの金属素材１０１，１０２を準備し、これらのフランジ部１１１，１１２を重ね合わせた状態で、幅が狭い方のフランジ部１１２の側端面に沿ってアーク溶接等による重ね隅肉溶接が行われる。

２つの金属素材を溶接して成る上記構造体（溶接構造体）では、下側の金属素材１０１が上側の金属素材１０２の上下方向の位置決め部材となるので、上記フランジ部１１１，１１２の合わせ面に直交する方向の位置合わせが容易である一方、両金属素材１０１，１０２の両側壁端部にフランジ部を設ける必要があるので、金属素材の使用量が増大すると共に構造体が重量化して燃費が悪化するという問題が生じる。

この問題に対処するため、例えば図８（ｂ）に示す構造体では、上記フランジ部を有しない断面略コ字状の２つの金属素材２０１，２０２を準備し、一方の素材２０１の内側に他方の素材２０２を嵌め合わせ、この状態で、外側の素材２０１の側壁端部２１１に沿って重ね隅肉溶接が行われる。この方法によれば、金属素材にフランジ部が設けられないことから、図８（ａ）に示す構造体に比べて金属素材の使用量を減少させ、軽量化することが可能である。

ところで、上記溶接構造体では、軽量化のために板厚の小さい金属素材が用いられることがあるが、板厚が小さいほど、溶接の施工性が悪化しやすく、また、さびが生じて孔が空きやすくなる。これらの問題に対処するため、上記金属素材としてめっき鋼板が用いられることがある。しかし、めっき鋼板を用いた場合、図８（ａ）に示すようなフランジ合わせ型構造体や図８（ｂ）に示すような嵌合わせ型構造体を製造するためにアーク溶接やレーザ溶接等による重ね隅肉溶接を行うと、溶接に伴ってめっき金属が蒸発して金属ガスが発生する。そして、発生した金属ガスはフランジ部の合わせ面または嵌合わせ面での溶融部に混入し、外部へ排出されないまま溶融部が凝固して、金属素材内にいわゆるブローホールが発生することがある。ブローホールは構造体の強度不足の原因となることから、その発生を抑制することが求められている。

この問題に対して、特許文献１には、上記嵌合わせ型構造体の製造方法において、一方の金属素材として、断面コ字状部材の側壁に、溶接方向に沿って凹溝が断続的に形成されたものが用いられている。この方法によれば、凹溝により生じる隙間によってブローホールの発生が抑制されるとのことである。

特開２００３−１３６２４３号公報

特許文献１に記載の方法の場合、金属素材に凹溝が存在することにより溶接位置が制限されるという問題、さらに、２つの金属素材が重なり合う部分ではやはりブローホールの発生を抑制できないという問題がある。

また、特許文献１に記載の嵌合わせ型構造体では、２つの金属素材についてそれぞれ位置決めを行うための治具を設ける必要があり、従って、治具装置が複雑化してコストアップの原因となるという問題がある。

本発明は、閉断面部を有する溶接構造体の製造において、ブローホールの発生を抑制して溶接構造体につき所要強度を確保することを課題とする。

上記目的を達成するために、本願の請求項１に記載の発明は、
閉断面部を有する溶接構造体を製造する方法であって、
側壁端部から外方に向けて折曲されたフランジ部を両端に有する断面ハット状の第１金属素材を準備する工程と、
前記フランジ部の内側端部とそれぞれ対接可能に形成された開放側端部を両端に有する断面略コ字状の第２金属素材を準備する工程と、
前記第１金属素材に対して前記第２金属素材を位置決めする工程と、
前記第１金属素材と前記第２金属素材とを接合して前記閉断面部を形成する工程とを含み、
前記位置決めする工程では、前記第１金属素材のフランジ部の内側端部と前記第２金属素材の開放側端部とを対接させて略Ｌ字状の対接部を設け、
前記閉断面部を形成する工程では、前記対接部に沿って外方から溶接して前記フランジ部の少なくとも一部を溶け込ませながら、前記第１金属素材と前記第２金属素材とを接合することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記第１金属素材を準備する工程は、板状の金属素材を断面ハット状にプレスする工程を含み、
前記第２金属素材を準備する工程は、前記第１金属素材を準備する工程に加えて、断面ハット状のフランジ部を曲げ戻して断面略コ字状とする工程を含むことを特徴とする、

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記位置決めする工程では、前記第１金属素材と前記第２金属素材の一方を下に他方を上にして重ね合わせ、上側から押圧することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、
前記第１金属素材と前記第２金属素材の少なくとも一方はめっき層を有することを特徴とする。

本願の請求項１に記載の発明によれば、第１金属素材と第２金属素材の少なくとも一方がめっき層を有する場合には、溶接に伴うめっき金属の蒸発により発生した金属ガスが溶融部に混入するところ、第１金属素材と第２金属素材を対接させて設けられる略Ｌ字状の対接部に沿ってフランジ部を溶融部に溶け込ませながら溶接が行われることにより、溶融部から対接部の内方に向けて金属ガスが排出されやすくなる。このようにして、溶接に伴う金属素材内でのブローホールの発生が抑制され、所要強度を有する溶接構造体を製造することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、断面ハット状の第１金属素材を断面略コ字状の第２金属素材に比べて少ない工程数で準備できるので、２つの断面略コ字状金属素材を用いる嵌合わせ型構造体を製造する場合と比べて製造コストを低減することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、第１金属素材と第２金属素材の一方を下に他方を上にして重ね合わせて上側から押圧することにより、下側の金属素材が上側の金属素材の位置決め部材としての機能を発揮するので、治具装置を単純化して溶接構造体の製造コストを低減することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、第１金属素材と第２金属素材の少なくとも一方がめっき層を有することにより、溶接に伴ってブローホールの原因となる金属ガスが発生することから、請求項１の効果が具体的に達成される。

本発明の実施の形態による溶接構造体の斜視図であり、図１（ａ）は溶接の程度が小さい場合を、図１（ｂ）は溶接の程度が大きい場合を示す。本発明の実施の形態による溶接構造体の正面図であり、図２（ａ）は溶接の程度が小さい場合を、図２（ｂ）は溶接の程度が大きい場合を示す。（ａ）第１金属素材をプレスする工程、（ｂ）第２金属素材をプレスする工程を示す図である。金属素材を位置決めする工程を示す図である。金属素材を溶接する工程を示す図である。車両のサブフレームを概略的に示す上面図である。車両のサブフレームの一部である前後方向メンバを示す斜視図である。（ａ）従来の溶接構造体（フランジ合わせ型構造体）、（ｂ）従来の溶接構造体（嵌合わせ型構造体）を示す、図２に対応する正面図である。従来の溶接構造体（嵌合わせ型構造体）の製造において金属素材を位置決めする工程を示す図である。従来の溶接構造体の製造において金属素材を溶接する工程を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明では、「上」、「下」など特定の方向を示す用語を用いるが、これらの用語は図面との関係で発明の理解を容易にするために用いており、他の方向での実施を除外するものではない。

図１は、本発明の実施の形態による溶接構造体の斜視図であり、図２はその正面図である。溶接構造体１０は断面略コ字状の第１部分１と第２部分２から成る。第１部分１と第２部分２との間には閉断面部３が形成されている。なお、上記「断面略コ字状」には、断面Ｕ字状、断面半円状、断面半楕円状なども含まれるものとする。

図１（ａ）、図２（ａ）に示すように溶接の程度が小さい場合、溶接構造体１０は、第１部分１側から外方へ突出するフランジ状の突出部４を両端に有する。突出部４と第２部分２との間は、正面図（図２）で略Ｌ字状に形成されている。突出部４の内側端部には、第１部分１と第２部分２とを接合している溶接部５が形成されている。

図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように溶接の程度が大きい場合、突出部４ではフランジの長さが短くなって、溶接部５と一体となって膨出部６が形成される。また、図２（ｂ）に示すように、膨出部６は、溶接の程度に応じて閉断面部３にまで膨出していてもよい。

なお、溶接の程度が大きいとは、溶接時間が長いなど、供給するエネルギが大きいことをいい、溶接の程度が小さいとは、供給するエネルギが小さいことをいう。

図１に示すように、第１部分１と第２部分２には、後述する位置決めピン３２を挿通させるための孔７が形成されている。

次に、この溶接構造体１０の製造方法について、図３から図５を用いて説明する。

溶接構造体１０は、プレス成形された第１金属素材１１と第２金属素材２１とを溶接して成る。金属素材１１，２１は亜鉛めっき鋼板である。必要な強度を確保するために、金属素材１１，２１としてハイテン（高張力鋼板）を用いてもよい。溶接構造体１０の製造方法は、以下の工程Ｓ１〜Ｓ３を含む。
（Ｓ１）断面ハット状の第１金属素材１１を準備する。
（Ｓ２）断面略コ字状の第２金属素材２１を準備する。
（Ｓ３）金属素材１１，２１の位置決めを行う。
（Ｓ４）第１金属素材１１と第２金属素材２１とを接合する。

工程Ｓ１では、図３（ａ）に概略的に示すように以下の工程Ｓ１１，Ｓ１２が実施される。なお、図３では、パンチ、ダイなどプレス金型の図示を省略している。
（Ｓ１１）板状の金属素材１１をドロー成形によりプレスして断面ハット状とする。
（Ｓ１２）金属素材１１のうち、押さえ部Ｈより外方の部分をトリミングする。

このようにして形成された断面ハット状の第１金属素材１１は、側壁１２の上端から外方に向けて折曲された所望の長さのフランジ部１３を両端に有する。このフランジ部１３は上記突出部４に相当する。また、図示していないが、金属素材１１（および下記金属素材１２）には、図１の孔７に相当する孔が形成される。

工程Ｓ２では、図３（ｂ）に概略的に示すように以下の工程Ｓ２１〜Ｓ２３が実施される。
（Ｓ２１）板状の金属素材２１をドロー成形によりプレスして断面ハット状とする。
（Ｓ２２）形成されるフランジ２２ａを曲げ戻して断面略コ字状とする。
（Ｓ２３）側壁２２を部分的にトリミングして、所望の高さとする。

なお、上記工程Ｓ２２とＳ２３では、工程Ｓ１２で説明したように押さえ部Ｈより外方の部分をトリミングしてから、フランジ２２ａを曲げ戻してもよい。

工程Ｓ２で、断面略コ字状の第２金属素材２１は、各側壁２２の端部（開放側端部）２３が、第１金属素材１１のフランジ部１３の内側端部（折曲部）と対接できるように形成される。ここで、図５に詳しく図示されているように、プレス成形の性質上、第１金属素材１１のフランジ部１３は側壁１２から滑らかに折曲されている。従って、側壁２２の開放側端部２３は、正確にはフランジ部１３の内側端部より若干外側の平坦面部分と対接する。

このように、断面ハット状素材は断面略コ字状素材よりも少ない工程数で準備できるので、本実施形態による溶接構造体１０は、従来の嵌合わせ型構造体よりも単純に低コストで製造できる。

図４は、金属素材１１，２１を位置決めする工程Ｓ３を示す図である。工程Ｓ３では、第１金属素材１１のフランジ部１３の各内側端部と第２金属素材２１の開放側端部２３とを対接させる。具体的には、まず、第１金属素材１１と第２金属素材２１が第１金属素材１１を下にして支持台３１の上に載置される。支持台３１には位置決めピン３２が取り付けられており、金属素材１１，２１に形成された孔に位置決めピン３２が挿通される。これにより、第１金属素材１１と第２金属素材２１は水平方向に位置決めされる。第１金属素材１１は、支持台３１と第２金属素材２１により上下方向に位置決めされる。一方、第２金属素材２１はクランプ３３により上側から押圧されている。これにより、第２金属素材２１は、第１金属素材１１とクランプ３３により上下方向に位置決めされる。

ここで、図９は、従来の溶接構造体（嵌合わせ型構造体）の製造において金属素材を位置決めする工程を示す図である。図９は図４に対応し、同一または類似の機能を有する治具については同一の符号を付している。図９では、本実施形態による上記工程Ｓ３で用いられた治具に加えて、下側の金属素材２０１の側壁端部２１１を上側から押圧するクランプ１３３が設けられている。また、位置決めピンとして段付ピン１３２が用いられている。これにより、下側の金属素材２０１は支持台３１とクランプ１３３により上下方向に位置決めされ、上側の金属素材２０２は段付ピンの段差部１３２ａとクランプ３３により上下方向に位置決めされる。このように、嵌合わせ型構造体を製造する場合、２つの金属素材２０１，２０２が対接しないことから、上下方向の位置決め用治具を追加し、さらに位置決めピンを段差のないものから段付ピンに変更する必要が生じる。

本実施形態では、この嵌合わせ型構造体を製造する場合に比べて、上下方向の位置決め用治具を減らすことができるので、治具装置を単純化して製造を低コスト化することができる。また、段付ピン１３２を用いた場合には、構造体の形状（高さ）に応じて治具装置を変更する必要があるところ、段差のないピン３２を用いることによりその必要がなくなり、すなわち製造のフレキシビリティが向上する。

図５は、金属素材１１，２１を溶接する工程Ｓ４を示す図である。工程Ｓ４では、アーク溶接機の一例であるＭＡＧ（マグ）溶接機を用いて溶接が行われる。図５中、符号４４は溶接ワイヤを、符号４５は溶接トーチの銅管を、符号Ｄは溶滴を、符号Ｍは溶融部を示す。銅管４５は、溶接ワイヤ３４の下部を露出させた状態で溶接ワイヤ３４の外周を覆っている。銅管４５の外周部にはセラミック製の絶縁層（図示せず）が設けられ、この絶縁層と銅管４５との間から、不活性ガスと炭酸ガスの混合ガス（シールドガス）が供給される。そして、第１金属素材１１のフランジ部１３と第２金属素材２１の開放側端部２３との対接部Ｆに沿って、フランジ部１３と側壁２２との成すＬ字の外方から連続的にアーク溶接が行われる。

このとき、対接部Ｆに供給するアークのエネルギに応じてフランジ部１３が溶融部Ｍに溶け込みながら溶接が進む。供給するエネルギが大きい場合には、フランジ部１３の全体が溶け込んで図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すような膨出部６が形成され、供給するエネルギが小さい場合には、フランジ部１３の一部が溶け込む。供給されるエネルギの大小は、ＭＡＧ溶接機に印加する電力、溶接時間等により制御可能である。

ここで、図１０は、従来の溶接構造体（フランジ合わせ型構造体、嵌め合わせ型構造体）の製造において金属素材を溶接する工程を示す図である。アーク溶接等を行うと、溶接に伴ってめっき層の亜鉛が蒸発して亜鉛ガスが生じるところ、従来の溶接構造体の製造では、フランジ部の合わせ面または嵌合わせ面での金属素材の重なり部Ｆの距離が長いことに起因して、亜鉛ガスが溶融部Ｍから反溶接側（閉断面部）に向けて排出されにくく、従って金属素材中にブローホールが発生しやすい。

一方、本実施形態では、略Ｌ字状の対接部Ｆに沿って溶接が行われるところ、金属素材１１，２１の重なりが金属素材２１の板厚のみであるので、亜鉛ガスが溶融部Ｍから対接部Ｆの内方（閉断面部）に向けて排出されやすくなり、従って金属素材１１，２１におけるブローホールの発生が抑制されることになる。

特に、対接部Ｆに供給するアークのエネルギを大きくしてフランジ部１３の全体を溶け込ませながら溶接を進める場合には、溶融部Ｍから閉断面部に向けて直接に亜鉛ガスが排出されるので、金属素材１１，２１におけるブローホールの発生がさらに抑制されることになる。

次に、上記溶接構造体１０の適用例について説明する。

図６は、車両のサブフレームを概略的に示す上面図である。サブフレーム５０は、ＦＦ車（フロントエンジン・フロントドライブ車）の車体後部に設けられており、車軸の位置決めを行うためのサスペンションアームを複数個有するマルチリンク型サスペンションを支持している。

サブフレーム５０は、車体前後方向に間隔をおいて設けられたフロント車幅方向メンバ５１およびリア車幅方向メンバ５２と、これらの左右両端に連結される一対の前後方向メンバ５３および一対の連結メンバ５４とを備えている。

マルチリンク型サスペンションは、サブフレーム５０の左右両端にそれぞれ一対ずつ、アッパサスペンションアーム６１と、ロアサスペンションアーム６２と、リアロアアーム６３とを備えている。サスペンションアーム６１，６２は、フロント車幅方向メンバ５１により上下に揺動自在に支持されており、リアロアアーム６３は、リア車幅方向メンバ５２により上下に揺動自在に支持されている。リアロアアーム６３には、符号６３ａで示すスプリング受部で、一端が車体に取り付けられるスプリングの他端が取り付けられている。

前後方向メンバ５３の前後端部には、マウント部５３ａ，５３ｂが設けられている。これらのマウント部を介して、サブフレーム５０が車体に取り付けられている。

図７は前後方向メンバ５３の斜視図である。前後方向メンバ５３は、略円弧状に湾曲して延びる閉断面部材である。従って、この前後方向メンバ５３を上記溶接構造体１０として製造できる。前後方向メンバ５３は、２つの金属素材５３１，５３２を溶接して成る。前後方向メンバ５３に形成されている孔５３ｃは、上記位置決めピン３２が挿通される部分であって溶接構造体１０の孔７に対応する。

以上、上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。また、上記実施形態には種々の変形、改良が加えられてよく、従って上記実施形態には種々の変形例が存在する。幾つかの変形例について以下で説明する。

例えば、上記実施形態では、溶接構造体１０の一例としてサスペンションアームを支持するサブフレームの前後方向メンバ５３について説明したが、フロント・リアのサイドフレーム、さらに車両以外では貯留タンク類や建築資材など、閉断面部を有するいずれの溶接構造体にも本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、溶接構造体１０が閉断面部材である場合について説明したが、全長にわたって閉断面が形成されている必要はなく、閉断面部を有していれば部分的に開断面が形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、第１金属素材や第２金属素材をドロー成形によりプレスしているが、フォーム成形等他の成形方法を用いてもよい。

また、上記実施形態では、第１金属素材１１の上に第２金属素材２１を鉛直方向に重ねて溶接を行ったが、例えば第１金属素材１１と第２金属素材２１を水平方向に重ねて溶接を行ってもよい。

また、上記実施形態では、金属素材１１，２１として鉄を主成分とする素材（鋼板）を用いたが、他の金属（例えばアルミニウム）を主成分とする素材を用いてもよい。また、同種の金属どうしを溶接して成る溶接構造体だけでなく、異種の金属どうしを溶接して成る溶接構造体にも本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、アーク溶接を行って溶接構造体を製造したが、レーザ溶接等を行ってもよい。

以上のように、本発明によれば、溶接に伴うブローホールの発生を抑制して、溶接構造体について所要強度を確保することが可能となるから、この種の溶接構造体を備えた車両等の製造産業分野において本発明が好適に利用される可能性がある。

１第１部分
２第２部分
３閉断面部
６膨出部
１０溶接構造体
１１第１金属素材
１２側壁
１３フランジ部
２１第２金属素材
２２側壁
２３開放側端部
５０サブフレーム
５３（サブフレームの）前後方向メンバ
Ｆ対接部
Ｍ溶融部

Claims

閉断面部を有する溶接構造体を製造する方法であって、
側壁端部から外方に向けて折曲されたフランジ部を両端に有する断面ハット状の第１金属素材を準備する工程と、
前記フランジ部の内側端部とそれぞれ対接可能に形成された開放側端部を両端に有する断面略コ字状の第２金属素材を準備する工程と、
前記第１金属素材に対して前記第２金属素材を位置決めする工程と、
前記第１金属素材と前記第２金属素材とを接合して前記閉断面部を形成する工程とを含み、
前記位置決めする工程では、前記第１金属素材のフランジ部の内側端部と前記第２金属素材の開放側端部とを対接させて略Ｌ字状の対接部を設け、
前記閉断面部を形成する工程では、前記対接部に沿って外方から溶接して前記フランジ部の少なくとも一部を溶け込ませながら、前記第１金属素材と前記第２金属素材とを接合することを特徴とする
方法。
前記第１金属素材を準備する工程は、板状の金属素材を断面ハット状にプレスする工程を含み、
前記第２金属素材を準備する工程は、前記第１金属素材を準備する工程に加えて、断面ハット状のフランジ部を曲げ戻して断面略コ字状とする工程を含むことを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
前記位置決めする工程では、前記第１金属素材と前記第２金属素材の一方を下に他方を上にして重ね合わせ、上側から押圧することを特徴とする、
請求項１または２に記載の方法。
前記第１金属素材と前記第２金属素材の少なくとも一方はめっき層を有することを特徴とする、
請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。