JP6269843B2 - 接合構造 - Google Patents
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Description
本願は、2014年08月29日に、日本に出願された特願2014−175620号と、2015年02月04日に、日本に出願された特願2015−020332号とに基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
モノコック構造を有する自動車車体は、複数の成形パネルを、それぞれの縁部を互いに重ね合わせた状態で溶接することにより組み立てられる。成形パネルの溶接には、抵抗スポット溶接及びレーザ溶接などが使用される。自動車車体において、高荷重が負荷される部分及びエンジン等の重量物が搭載される部分には、サイドシル(ロッカー)、サイドメンバー、及び各種ピラーなどの構造部材が接合される。これにより、自動車車体に要求される剛性及び強度が確保される。
サイドシルアウターパネル207は、その幅方向の両端部にそれぞれ2つのフランジ207a及び207bを有するとともに、これら2つのフランジ207a及び207bを要素とするハット型の横断面形状を有する。
第2のレインフォース209も、第1のレインフォース208と同様に、2つのフランジ206a及び206bと2つのフランジ207a及び207bとの間に配置され、且つサイドシルインナーパネル206及びサイドシルアウターパネル207に3枚合せで重ね合わされた状態で、抵抗スポット溶接によって形成された溶接ナゲット210によって接合されている。
さらに、第1のレインフォース208及び第2のレインフォース209は、サイドシルインナーパネル206およびサイドシルアウターパネル207のそれぞれの長手方向において、互いに突き当てられる(当接される)か、あるいは離間して配置される。
なお、通常、溶接ナゲット210は板厚方向中央部に形成されるため、外部から溶接ナゲット210を視認することはできないが、説明の便宜上、図23では溶接ナゲット210の位置を認識できるように図示している。
また、サイドシルの剛性の低下を抑制するために、隣接する内向きフランジ同士を重ね合わせた状態で、内向きフランジの重ね合わせ部及びその近傍を溶接することにより、サイドシルと他の構造部材とを接合する方法も考えられる。しかしながら、この方法では、隣接する内向きフランジの一部を重ね合わせることに起因して重量の増加を招き、その結果、地球温暖化ガスの削減のために現在の自動車車体に極めて強く要請される大幅な軽量化を実現することは困難となる。
上記の説明では、低コスト化、軽量化及び高剛性化が要請される構造体として自動車車体を一例として挙げたが、自動車車体に限らず、例えば鉄道車両の車体及び飛行機の機体などの他の構造体に対しても低コスト化、軽量化及び高剛性化が要請される場合が多い。
従って、近年では、自動車車体を含む構造体に対して要請される低コスト化、軽量化及び高剛性化をバランス良く実現することの可能な技術を開発することが非常に重要になっている。
(1)本発明の一態様に係る接合構造は、材軸方向に一定の断面形状を有する金属成形板の材軸方向端部に設けられた一対の内向きフランジと;を備え、一方の前記内向きフランジの端面と他方の前記内向きフランジの端面とが対向する状態で、一対の前記内向きフランジのそれぞれが前記第1金属板に重ね合わされており、互いに対向する前記端面が、単一の溶融金属塊によって前記第1金属板と一体的に接合されている。
(3)上記(1)または(2)に記載の接合構造において、互いに対向する前記端面間の距離が、0mm以上1mm未満であってもよい。
0mm2≦G×t<1mm2 …(a)
まず、本発明の第1実施形態について説明する。既に述べたように、自動車車体は、構造部材としてサイドシル及びAピラーロアーを備えている。以下の第1実施形態では、サイドシルとAピラーロアーとの接合構造に対して本発明の接合構造が適用された形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る接合構造1(サイドシル2とAピラーロアー3との接合構造)を模式的に示す斜視図である。図2は、図1に示す接合構造1をAピラーロアー3の側から見た図である。
サイドシル2は、材軸方向(図1に示す矢印方向)に一定の断面形状(本実施形態では四角形状)を有する金属成形板である。より具体的には、サイドシル2は、引張強度が通常590MPa級(好ましくは780MPa級、さらに望ましくは980MPa級)の高張力鋼板製の長尺かつ中空の筒状のプレス成形体である。プレス成形は、冷間プレスでもよいし、熱間プレスでもよい。
第1の面4は、材軸方向に延在する。第1の稜線5は、第1の面4につながるとともに材軸方向に延在する。さらに、第2の面6は、第1の稜線5につながるとともに材軸方向に延在する。
サイドシル2は、略四角形の横断面形状を有する。そのため、サイドシル2は、第2の面6につながる第2の稜線7と、第2の稜線7につながる第3の面8と、第3の面8につながる第3の稜線9と、第3の稜線9につながる第4の面10と、第4の面10および第1の面4につながる第4の稜線11と、をさらに備える。
サイドシル2の材軸方向端部12には、第1の内向きフランジ13、第2の内向きフランジ14、第3の内向きフランジ15および第4の内向きフランジ16が同一平面上に存在するように設けられている。
第2の内向きフランジ14は、第2の面6につながるとともに第1の内向きフランジ13との間に隙間を有して第1の内向きフランジ13とは重ならずに形成される。
図2に示すように、第1の内向きフランジ13の第1端面13aと第2の内向きフランジ14の第2端面14bとが同一平面上で対向している。第1の内向きフランジ13と第2の内向きフランジ14とのペアは、本発明における一対の第2金属板に対応する。
第3の内向きフランジ15は、第3の面8につながるとともに第2の内向きフランジ14との間に隙間を有して第2の内向きフランジ14とは重ならずに形成される。
図2に示すように、第2の内向きフランジ14の第1端面14aと第3の内向きフランジ15の第2端面15bとが同一平面上で対向している。第2の内向きフランジ14と第3の内向きフランジ15とのペアも、本発明における一対の第2金属板に対応する。
図2に示すように、第3の内向きフランジ15の第1端面15aと第4の内向きフランジ16の第2端面16bとが同一平面上で対向している。第3の内向きフランジ15と第4の内向きフランジ16とのペアも、本発明における一対の第2金属板に対応する。
図2に示すように、第4の内向きフランジ16の第1端面16aと第1の内向きフランジ13の第2端面13bとが同一平面上で対向している。第4の内向きフランジ16と第1の内向きフランジ13とのペアも、本発明における一対の第2金属板に対応する。
[Aピラーロアー3]
Aピラーロアー3は、サイドシル2と同様に、高張力鋼板のプレス成形品である。Aピラーロアー3の平坦な部位(以下、平坦部と称す)31に対してサイドシル2が接合される。Aピラーロアー3の一部である平坦部31は、本発明における第1金属板に対応する。Aピラーロアー3の平坦部31に対して、サイドシル2が、第1の内向きフランジ13、第2の内向きフランジ14、第3の内向きフランジ15及び第4の内向きフランジ16を介して、例えば抵抗スポット溶接により接合される。
[サイドシル2とAピラーロアー3との接合] 図2に示すように、第1の内向きフランジ13の第1端面13aと第2の内向きフランジ14の第2端面14bとが対向する状態で、第1の内向きフランジ13及び第2の内向きフランジ14のそれぞれが、Aピラーロアー3の平坦部31に重ね合わされて抵抗スポット溶接によって接合されている。
図3は、図2に示す接合構造1のA−A矢視断面図(溶接箇所の板厚方向断面図)である。図3に示すように、第1の内向きフランジ13の第1端面13a及び第2の内向きフランジ14の第2端面14b(互いに対向する端面)は、抵抗スポット溶接によって接合面(板厚方向中心部)から楕円状に広がるように形成された単一の溶融金属塊(以下、溶接ナゲットと称する)17によってAピラーロアー3の平坦部31と一体的に接合されている。
なお、溶融金属塊とは、溶接プロセスによって生じた高熱によって溶けた金属が冷えて凝固したものであり、金属部材同士の強固な接合を担う部位である。一般的には、抵抗スポット溶接によって形成された溶融金属塊は溶接ナゲット(或いは単にナゲット)と呼称されている。
第2の内向きフランジ14の第1端面14a及び第3の内向きフランジ15の第2端面15b(互いに対向する端面)は、抵抗スポット溶接によって接合面から楕円状に広がるように形成された単一の溶接ナゲット18によってAピラーロアー3の平坦部31と一体的に接合されている。なお、溶接ナゲット18の断面形状は、図3に示す溶接ナゲット17の断面形状と同様なので、溶接ナゲット18の断面形状の図示を省略する。
第3の内向きフランジ15の第1端面15a及び第4の内向きフランジ16の第2端面16b(互いに対向する端面)は、抵抗スポット溶接によって接合面から楕円状に広がるように形成された単一の溶接ナゲット19によってAピラーロアー3の平坦部31と一体的に接合されている。なお、溶接ナゲット19の断面形状は、図3に示す溶接ナゲット17の断面形状と同様なので、溶接ナゲット19の断面形状の図示を省略する。
第4の内向きフランジ16の第1端面16a及び第1の内向きフランジ13の第2端面13b(互いに対向する端面)は、抵抗スポット溶接によって接合面から楕円状に広がるように形成された単一の溶接ナゲット20によってAピラーロアー3の平坦部31と一体的に接合されている。なお、溶接ナゲット20の断面形状は、図3に示す溶接ナゲット17の断面形状と同様なので、溶接ナゲット20の断面形状の図示を省略する。
例えば、ナゲット径が2.5√t以上となるように溶接条件を設定することが好ましい。ここで、tは各内向きフランジ13〜16の板厚(つまり、サイドシル2の板厚)であり、その単位はmmである。ナゲット径が3.0√t以上となるように溶接条件を設定することがより好ましく、ナゲット径が4.0√t以上となるように溶接条件を設定することがさらに好ましい。
詳細は後述するが、端面間距離Gが1mm以上の場合、溶接ナゲット17を安定的に形成できないので、接合構造1のねじれ剛性が低下する。ねじれ剛性向上の観点から、端面間距離Gは、0mm以上0.3mm未満であることがより好ましく、0mm以上0.1mm未満であることがさらに好ましい。特に、サイドシル2が変形したときに、第1の内向きフランジ13の第1端面13aと第2の内向きフランジ14の第2端面14bとが互いに接触するように、端面間距離Gを0.1mm未満とすることが推奨される。
好ましい条件式:0mm2≦G×t<1mm2 …(a)
より好ましい条件式:0mm2≦G×t<0.3mm2 …(b)
さらに好ましい条件式:0mm2≦G×t<0.1mm2 …(c)
図1及び図2では、サイドシル2の内向きフランジ13〜16とAピラーロアー3の平坦部31とが、4つの溶接ナゲット17〜20によって接合されている形態を例示したが、内向きフランジ13〜16と平坦部31とが、溶接ナゲット17〜20が存在する箇所以外の箇所でも溶接されていてもよい。これにより、サイドシル2とAピラーロアー3との接合強度をさらに高めることが可能になる。ただし、溶接箇所の増加に伴って溶接コストが上昇するため、溶接箇所の総数は、要求される接合強度と製造コストを勘案して、適宜決定すればよい。
上記のような第1実施形態に係る接合構造1によれば、抵抗スポット溶接数(溶接ナゲット数)を増やすことなく、フランジの拡大量を最小限に抑えながら、自動車車体(特に、サイドシル2とAピラーロアー3との接合部分)の高剛性化を図ること可能になる。すなわち、接合構造1によれば、自動車車体に対する低コスト化、軽量化及び高剛性化という3つの要請をバランス良く実現することが可能となる。
以下、接合構造1によって上記の効果が得られる根拠について、下記実施例を参照しながら説明する。
〔実施例〕
そして、この解析モデル21の解析において、端板23を完全拘束した状態で、サイドシル22の中心軸回りに端板24を1度(1deg.)回転させることにより、ねじり剛性を評価した。
図7A〜図7Dは、従来例の解析モデル(従来形状1)の説明図である。図7Aは、従来例の解析モデルにおけるサイドシル22を示す斜視図である。図7Bは、図7AにおけるA矢視図である。図7Cおよび図7Dは、従来例の解析モデルの抵抗スポット溶接位置を示す説明図である。図7Cは8点溶接の場合を示し、図7Dは12点溶接の場合を示す。なお、正方形をなす抵抗スポット溶接の一辺の長さは4.7mmである。これは後述する従来形状2および開発形状でも同じである。
図8A〜図8Dは、従来例の解析モデル(従来形状2)の説明図である。図8Aは、従来例の解析モデルにおけるサイドシル25を示す斜視図である。図8Bは、図8AにおけるA矢視図である。図8Cおよび図8Dは、従来例の解析モデルの抵抗スポット溶接位置を示す説明である。図8Cは8点溶接の場合を示し、図8Dは12点溶接の場合を示す。図8Cおよび図8Dにおける四角印は抵抗スポット溶接によって形成された溶接ナゲットを模式的に示す。
図8Aに示すように、解析モデル(従来形状2)では、互いに隣接する2枚の内向きフランジの一方に段差が形成されており、その段差の部位で2枚の内向きフランジが重ね合わされた状態で接合(溶接)されている。4枚の内向きフランジのそれぞれの幅はいずれも14mmである。
図9A〜図9Dは、本発明例の解析モデル(開発形状)の説明図である。図9Aは、従来例の解析モデルにおけるサイドシルを示す斜視図である。図9Bは、図9AにおけるA矢視図である。図9Cおよび図9Dは、従来例の解析モデルの抵抗スポット溶接位置を示す説明図である。図9Cは8点溶接の場合を示し、図9Dは12点溶接の場合を示す。図9Cおよび図9Dにおける四角印は抵抗スポット溶接によって形成された溶接ナゲットを模式的に示す。
図9Aに示すように、解析モデル(開発形状)では、互いに隣接する2枚の内向きフランジの一方の端面と他方の端面とが同一平面上で対向し且つ密着している。すなわち、端面間距離は0mmである。一方の端面と他方の端面は、単一の溶接ナゲットによって不図示の端板(Aピラーロアーの平坦部に相当)に一体的に接合されている。
図10は、従来形状1、2および開発形状の解析モデルについて、8点溶接および12点溶接の場合のねじり剛性を示すグラフである。図11は、従来形状1、2および開発形状の解析モデルについて、8点溶接および12点溶接の場合のねじり剛性/溶接部数(溶接ナゲット数)を示すグラフである。図12は、従来形状1、2および開発形状の解析モデルについて、8点溶接および12点溶接の場合のねじり剛性/(内向きフランジの平面の重量)を示すグラフである。
図10及び図11に示すように、溶接部数が同数であるもの同士で比較すると、開発形状におけるねじり剛性および1溶接部数当たりのねじり剛性が最も高いことがわかる。また、図10に示すように、開発形状の8点溶接は、従来形状1の12点溶接よりも剛性が高いことがわかる。さらに、従来形状2と比べて開発形状は内向きフランジの重なりがないために軽量であることがわかる。
図13を参照しながら、従来形状1、2に対する開発形状の優位性を説明する。
[従来形状1に対する開発形状の優位性]
開発形状では、従来形状1と単純に同一溶接点数(同一の溶接ナゲット数)であっても、従来形状1では図7Bに示すように8点溶接の1枚のフランジにおける拘束点数は2点であるのに対し、開発形状では図7Bに示すように8点溶接の1枚のフランジにおける拘束点数は3点となって、フランジを拘束するポイントが増加するために、従来形状1よりも高剛性となる。
[従来形状2と比較した開発形状の優位性]
従来形状2の内向きフランジの端部には隣接する内向きフランジと重ね合わせるために板厚分の段差部を設ける必要があり、この段差部が応力集中部位となるのに対し、開発形状では隣接する内向きフランジのいずれも完全に平坦にすることができる。このため、従来形状2における内向きフランジのコーナー部分は溶接部の点で拘束されるのに対して、開発形状は点での拘束に加えて内向きフランジのエッジ同士(端面同士)が接触しているため線で拘束することができる。このため、これら2つの影響によって、開発形状では、図13のグラフに示すように、従来形状2よりも内向きフランジのせん断応力が集中することなく均一になり、これにより、せん断応力が均一になることによって剛性が向上する。
また、本発明例(接合構造1)によれば、従来形状2のようにフランジ同士を重ね合わせる必要がないので、従来形状2と比較して、サイドシルとAピラーロアーとの溶接作業工程を削減することができる。
図15は、本発明の第2実施形態に係る接合構造111(サイドシルインナーパネル106、サイドシルアウターパネル107、第1のレインフォース108及び第2のレインフォース109の接合構造)を模式的に示す斜視図である。図16は、図15のB矢視図である。なお、図面を判読し易くするため、図15及び図16においても、サイドシルインナーパネル106及びサイドシルアウターパネル107を二点鎖線により透明の状態で示す。また、以降の説明では、接合構造111そのものがサイドシルである場合を例にとるが、本発明はサイドシルには限定されず、ルーフレールやAピラー等にも適用される。
サイドシルインナーパネル106は、2つのフランジ106a及び106bを要素とするハット型の横断面形状を有する。
サイドシルアウターパネル107は、材軸方向に一定の断面形状を有する金属成形板であり、より具体的には高張力鋼板からなるプレス成形板である。サイドシルアウターパネル107は、その幅方向の両端部にそれぞれ2つのフランジ107a及び107bを有する。
サイドシルアウターパネル107は、2つのフランジ107a及び107bを要素とするハット型の横断面形状を有する。
なお、溶接ナゲット113bの板厚方向の断面形状は、図17に示す溶接ナゲット113aの断面形状と同様なので、溶接ナゲット113bの断面形状の図示を省略する。
例えば、ナゲット径が2.5√t以上となるように溶接条件を設定することが好ましい。ここで、tは各レインフォース108及び109の板厚であり、その単位はmmである。ナゲット径が3.0√t以上となるように溶接条件を設定することがより好ましく、ナゲット径が4.0√t以上となるように溶接条件を設定することがさらに好ましい。
また、第1実施形態と同様に、第2実施形態においても、端面間距離Gの好ましい範囲を板厚tの百分率で定義する場合、端面間距離Gは0mm以上板厚tの40%未満であることが好ましい。端面間距離Gが板厚tの40%以上の場合、溶接ナゲット113a及び113bを安定的に形成できないので、接合構造111のねじれ剛性が低下する。ねじれ剛性向上の観点から、端面間距離Gは0mm以上板厚tの10%未満であることがより好ましい。
以下、接合構造111によって上記の効果が得られる根拠について、下記実施例を参照しながら説明する。
〔実施例〕
・サイドシルインナーパネル106:980MPa、1.0mm
・サイドシルアウターパネル107:980MPa、1.0mm
・第1のレインフォース108 :980MPa、1.0mm
・第2のレインフォース109 :980MPa、1.0mm
2 サイドシル(金属成形板)
3 Aピラーロアー
13 第1の内向きフランジ(第2金属板)
14 第2の内向きフランジ(第2金属板)
15 第3の内向きフランジ(第2金属板)
16 第4の内向きフランジ(第2金属板)
31 Aピラーロアーの平坦部(第1金属板)
17〜20 溶接ナゲット(溶融金属塊)
111 接合構造
106 サイドシルインナーパネル(第1金属成形板)
107 サイドシルアウターパネル(第2金属成形板)
106a、106b フランジ(第1金属板)
107a、107b フランジ(第3金属板)
108 第1のレインフォース(第2金属板)
109 第2のレインフォース(第2金属板)
113a、113b 溶接ナゲット(溶融金属塊)
Claims (6)
- 第1金属板と;
材軸方向に一定の断面形状を有する金属成形板の材軸方向端部に設けられた一対の内向きフランジと;
を備え、
一方の前記内向きフランジの端面と他方の前記内向きフランジの端面とが対向する状態で、一対の前記内向きフランジのそれぞれが前記第1金属板に重ね合わされており、
互いに対向する前記端面が、単一の溶融金属塊によって前記第1金属板と一体的に接合されている
ことを特徴とする接合構造。 - 前記金属成形板の前記断面形状が、アングル形状、チャンネル形状、又は四角形状であることを特徴とする請求項1に記載の接合構造。
- 前記金属成形板が、自動車車体のサイドシルであり、
前記第1金属板が、前記自動車車体のAピラーロアーの一部であることを特徴とする請求項1または2に記載の接合構造。 - 第1金属板と;
一対の第2金属板と;
第3金属板と;
を備え、
一方の前記第2金属板の端面と他方の前記第2金属板の端面とが対向する状態で、前記一対の第2金属板のそれぞれが前記第1金属板と前記第3金属板との間に挟まれており、
互いに対向する前記端面が、単一の溶融金属塊によって前記第1金属板と前記第3金属板と一体的に接合されている
ことを特徴とする接合構造。 - 前記第1金属板が、材軸方向にハット形の断面形状を有する第1金属成形板に設けられたフランジであり、
前記第3金属板が、材軸方向にハット形の断面形状を有する第2金属成形板に設けられたフランジである
ことを特徴とする請求項4に記載の接合構造。 - 前記第1金属成形板が、自動車車体のサイドシルアウターパネルであり、
前記第2金属成形板が、前記自動車車体のサイドシルインナーパネルであり、
前記一対の第2金属板が、それぞれ前記自動車車体のレインフォースまたはセンターピラーインナーパネルである
ことを特徴とする請求項5に記載の接合構造。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014175620 | 2014-08-29 | ||
JP2014175620 | 2014-08-29 | ||
JP2015020332 | 2015-02-04 | ||
JP2015020332 | 2015-02-04 | ||
PCT/JP2015/074436 WO2016031964A1 (ja) | 2014-08-29 | 2015-08-28 | 接合構造 |
Publications (2)
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