JP6654008B2 - 異種材料の接合構造を含む構造体及び構造部材 - Google Patents

異種材料の接合構造を含む構造体及び構造部材 Download PDF

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Description

本発明は、異種材料の接合構造を含む構造体及び構造部材に関する。
軽量化による燃費向上や運動性能向上のため、車両をオールアルミ化することが知られている。しかしオールアルミ化による軽量化は、製品コストの大幅上昇を伴う。コスト上昇を低減した軽量化として、所謂マルチマテリアル的な車両の設計製造方法に、近年注目が集まり、その様な車が生産され始めている。この設計製造方法では、鋼と、それ以外の軽量化材料、例えばアルミニウム、マグネシウム、またはFRP(Fiber Reinforced Plastic)やCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)のような樹脂製品を一台の車に複合的に用いる。
車体骨格の大部分に従来と同じ鋼材を用い、部分的にアルミニウムパネルを用いる構造にしようとした場合、異種金属接合が必要となる。例えば、鋼製骨格構造に、ルーフやアッパーバックなどをアルミニウム合金で製作し、接合しようとした場合、鋼製骨格にアルミパネル部材を接合する異種金属接合が必要となる。
この様な異材接合部を構成するためには、セルフピアスリベットなどのリベット、ブラインドリベット、ボルト、打ち抜きネジ、またはかしめ接合などが用いられている。しかしこれらの接合方法はいずれも点接合の範疇に属するものであり、雨水などが掛かる外板部、フロア部、及び足回り部などに用いる際には、適切なシール樹脂剤等で防水処理を追加する必要がある。また両部材間に接着剤を塗布し、腐食の防止を兼ねることも行われている。
特許文献1には、鋼製骨格にアルミパネル部材を接合する異種金属接合に関して、鋼製の骨格部材にアルミニウム合金製のルーフパネルを溶融接合法により接合した乗用車の接合構造が開示されている。特許文献1の異種金属接合は、雨水の浸入を防止でき、強度信頼性を確保するため、線状接合を行っている。
特開2014−73798号公報
ところがMIG(Metal Inert Gas)やレーザなどの熱源を用いて溶剤や母剤を溶かして接合する方法では、接合時に接合部周辺に局所的に熱が加えられる。このような接合方法を鋼製骨格へのアルミパネル部材の接合に適用すると、アルミニウムと鋼材の線膨張率の差に起因して、薄板で構成されるアルミパネル部材が熱変形を生じ、接合終了後に、残留変形や残留歪を生じる。その結果、アルミパネル部材に反りが生じたり、さざ波が生じたりするなどの現象が起こる。
本発明は、異種材料の接合構造において、耐腐食性および強度信頼性を確保しつつ、溶接熱による局部的な膨張による変形を抑制することを課題とする。
本発明の第1の態様は、端部に折曲部を有するアルミニウム合金製のパネル部材である第1部材と、前記第1部材を支持するための支持部を有する鋼製の第2部材とを備え、前記第1部材及び前記第2部材は、前記第1部材の前記折曲部の頂点付近と前記第2部材の前記支持部とを線状に連続溶接することによって接合され、前記第1部材は、前記第2部材との接合部に沿って少なくとも部分的に補強板が接合されている、異種材料の接合構造を含む構造体を提供する。
第1部材の接合部に沿って補強板を接合することで、溶接熱による局部的な膨張による第1部材の変形を抑制できる。具体的には、異材接合のアーク接合時やレーザ接合時に発生する溶接熱や接合熱により、アルミニウムパネルに生じ易い板の反りやさざ波変形を抑制できる。また、連続溶接することにより、鋼とアルミニウム合金の異材を線状に接合でき、接合部からの雨水の浸入や内部部材の腐食を防止できると共に、接合の強度信頼性を向上できる。この結果、あまり板厚を上げずに、すなわちあまり重量を増加させずに、構造体の一部をアルミニウム合金化できる。従って、構造体全体の軽量化が容易となる。ここで「溶接」は広義に解釈されるものとし、一般的な溶接以外にも蝋付けや半田付けを含む。また、折曲部の頂点付近とは、頂点を含む近傍領域を示し、頂点を溶接する際に一般に蝋付け材のような溶接材が付着する領域である。
前記連続溶接は、フラックスコアドワイヤを用いた蝋付け接合であることが好ましい。
蝋付け材としてフラックスコアドワイヤ(FCW)を用いることで、鋼とアルミニウム合金の異材接合の信頼性を向上し、線状に接合できる。また、従来と比べて低温で溶接可能であるため、溶接熱による変形の影響を軽減できる。ここでFCWとは、アルミニウム合金皮材の内部にフラックスが充填されたワイヤのことをいう。
前記補強板は、アルミニウム合金製であり、接着剤を用いて前記第1部材と接合されていてもよい。
補強板をアルミニウム合金製とすることで、鋼製の場合と比べて軽量化でき、樹脂性の場合と比べて強度を高くできる。
前記補強板は、樹脂製であり、接着剤を用いて前記第1部材と接合されていてもよい。
補強板を樹脂製とすることで、金属製の場合と比べて軽量化できる。
前記補強板は、前記第1部材と前記第2部材の接合部に対して隙間をあけて配置されていることが好ましい。
接合部と補強板との間に隙間を設けることで溶接に伴う熱で補強板が変形したり、樹脂製の補強板自体が燃焼したり、パネル材と補強板の接着剤が燃焼したり、その他熱影響を受けることを防止できる。
前記構造体は車体であってもよい。特に前記第1部材は、前記車体のルーフ又はアッパーバックであってもよい。
実用上、車体について異種材料の接合が行われることが多く、特にその面積の大きいルーフやアッパーバックは、鋼製であったものをアルミニウム合金製に置換することによる軽量化の効果も大きい。
また、前記第1部材は、6000系又は5000系のアルミニウム合金製であってもよい。また、前記第2部材は、表面処理鋼板である合金化溶融亜鉛めっき鋼板製、溶融亜鉛めっき鋼板製、又は溶融アルミニウムめっき鋼板製、もしくは非めっき鋼板製であってもよい。
異種材料の接合において、第1部材には6000系又は5000系のアルミニウム合金が使用されることが多く、第2部材には合金化溶融亜鉛めっき(GA)鋼板又は溶融亜鉛めっき(GI)鋼板が使用されることが多く、これらにより低コスト化でき、また加工も容易である。そのほかアルミニウム合金との接合性が比較的良いとされる溶融アルミニウムめっき鋼板製、またはより低コスト化するために非めっき鋼板製とすることもできる。
本発明の第2の態様は、端部に折曲部を有し、前記折曲部に沿って少なくとも部分的に補強板が接合されている、アルミニウム合金製のパネル部材である第1部材と、前記第1部材を支持するための支持部を有する鋼製の第2部材とからなり、前記第1部材の前記折曲部の頂点付近と前記第2部材の前記支持部とを線状に連続溶接することによって接合されている、異種材料の接合構造を含む構造部材を提供する。

本発明は車体のような構造体に対してのみ使用できるわけではなく、構造部材単独として使用することも可能である。
本発明によれば、異種材料の接合構造において、第1部材の接合部に沿って補強板を接合して連続溶接することで、耐腐食性および強度信頼性を確保しつつ、溶接熱による局部的な膨張による変形を抑制できる。
本発明の第1実施形態に係る車体の斜視図。 図1の車体のルーフパネルの分解図。 図1の車体のルーフパネルの拡大図。 図3のIV−IV線に沿った断面図。 ルーフパネルに対する補強板の配置を示す模式図。 ルーフパネルの熱膨張による変形を示す図。 図3のVII-VII線に沿った断面図。 補強板の配置に関する変形例を示す模式図。 補強板の配置に関する他の変形例を示す模式図。 補強板の配置に関するさらに他の変形例を示す模式図。 本発明の第2実施形態に係る車体のアッパーバック周辺の斜視図。
(第1実施形態)
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態は、アルミニウム合金製のルーフパネル(第1部材)200を鋼製の骨格ボデー(第2部材)100に接合する構造を含む自動車の車体(構造体)10について説明する。
図1及び図2に示すように、本実施形態の自動車の車体10は、車体10の骨格となる骨格ボデー100と、骨格ボデー100の上に載置され接合されるルーフパネル200とを備える。
骨格ボデー100は合金化溶融亜鉛めっき(GA)鋼板製であり車体10全体の骨組を構成している。骨格ボデー100は、フロントパート110と、リアパート120と、センターパート130とに分けられる。ただし、骨格ボデー100の材質は、GA鋼板製に限定されず、溶融亜鉛めっき(GI)鋼板製であってもよいし、溶融アルミニウムめっき鋼板製、または、非メッキ鋼板製であってもよい。
フロントパート110は、車体10の前方に構成されているパートであり、フロント骨格111とフロントバンパ112とを備える。フロント骨格111は、フロントパート110の骨格を構成し、中央には図示しないエンジン等を搭載するためのエンジン収容部113が形成され、車幅方向の両側には図示しない前輪を収容するための前輪収容部114が形成されている。フロントバンパ112は、フロント骨格111の前方に車幅方向にわたって配置及び固定されている。
リアパート120は、車体10の後方に構成されているパートであり、リア骨格121と、図示しないアッパーバックとを備える。リア骨格121は、リアパート120の骨格を構成し、後方中央には図示しないトランク部が形成され、幅方向の両側には図示しない後輪を収容するための後輪収容部122が形成されている。
センターパート130は、車体10の中央に構成されているパートであり、センター骨格131と、フロアパネル132とを備える。センター骨格131は、センターパート130の骨格を構成し、中央にユーザが乗車するためのキャビン133を形成する。センター骨格131は、フロントピラー141、センターピラー142、リアピラー143、ルーフサイドレール144、ルーフフロントレール145、ルーフリアレール146、及びルーフクロスメンバ147を有する。これらにより、フロントガラス部134、個々のドア部135a〜135d、及びリアガラス部136(図3参照)が形成されている。フロアパネル132は、センターパート130の底部に位置し、キャビン133の床部分を構成する。
フロントピラー141は、フロントガラス部134の側端部及びドア部135a,135bの前端部に沿って配置された柱状部である。センターピラー142は、ドア部135a,135bの後端部とドア部135c,135dの前端部との間に配置された柱状部である。リアピラー143は、ドア部135c,135dの後端部とリアガラス部136の前端部との間に配置された柱状部である。
ルーフサイドレール144は、個々のピラー141〜143の上端部間にわたして、車体10の前後方向に沿って配置及び固定されている。ルーフサイドレール144は、ルーフパネル200の側端部に沿って配置され、ルーフパネル200と接合される。
ルーフフロントレール145は、左右のフロントピラー141の上端部間にわたして、車幅方向に沿って配置及び固定されている。ルーフフロントレール145は、フロントガラス部134の上端及びルーフパネル200の前端部に沿って配置され、ルーフパネル200と接合される。
ルーフリアレール146は、左右のリアピラー143の上端部間にわたして、車幅方向に沿って配置及び固定されている。ルーフリアレール146は、ルーフパネル200の後端部に沿って配置され、ルーフパネル200と接合される。
図2及び図3に示すように、ルーフクロスメンバ147は、左右のルーフサイドレール144の間にわたして車幅方向に延びている。ルーフクロスメンバ147は、左右のセンターピラー142の上端部間にわたして配置及び固定されている。図4に示すように、ルーフクロスメンバ147は、ルーフパネル200とは接合時に直接接触せず、樹脂製の緩衝材137を介してルーフパネル200と接合されている。
ルーフパネル200は、車体10の上方を覆う外装パネルである。ルーフパネル200は、プレス成形された5000系のアルミニウム合金製であり、本実施形態では厚みが1.0mmから1.3mm程度である。ルーフパネル200の側端部、前端部、及び後端部は、センター骨格131のルーフサイドレール144、ルーフフロントレール145、ルーフリアレール146、及びルーフクロスメンバ147にそれぞれ溶接接合される。この溶接接合は連続して行われ、即ち連続溶接である。この連続溶接の詳細については後述する。また、アルミニウム合金の材質は、5000系に限定されず6000系であってもよく、そのサイズも特に限定されない。本実施形態では、ルーフパネル200が本発明における第1部材を構成し、センター骨格131が本発明における第2部材を構成する。
図5に示すように、ルーフパネル200の裏面には、帯状の補強板210が配置されている。補強板210はアルミニウム合金製であり、接着剤によりルーフパネル200と接合されている。本実施形態では補強板210は、重量及び強度の観点からアルミニウム合金製の補強板210を採用しているが、より軽量の樹脂製であってもよく、そのサイズも特に限定されない。また、ルーフパネル200との接着方法も接着剤による接着に限定されず、例えば溶接接合や機械的な締結等であってもよい。本実施形態の補強板210は、ルーフパネル200とルーフサイドレール144との接合部に沿って車体10の前後方向に配置されている。補強板210は、接合部の変形を抑制するために設けられている。
アルミニウム合金材と鋼材の線膨張率には差があり、アルミニウム合金材の線膨張率は鋼材の線膨張率の概略2倍である。従って、局所的なアルミニウム合金材の熱膨張量が鋼材より大きいため接合部における変形が生じ易い。この様な局所的な変形は、程度の差はあるものの、品質の高い接合施工の要求される外板などに用いる場合には、問題となり、部分的なアルミニウム合金化が進まない原因のひとつとなる。アルミニウム合金板の板厚を上げれば、上記の様な局部変形は抑制できるが、その様な対応では軽量化率が低下したり、材料コストの増加を招いたりする。
ルーフパネル200の接合部に沿って補強板210を接合することで、溶接熱による局部的な膨張によるルーフパネル200の変形を抑制できる。具体的には、異材接合のアーク接合時やレーザ接合時に発生する溶接熱や接合熱により、ルーフパネル200に生じ易い板の反りやさざ波変形を抑制できる。さらにルーフパネル200と骨格ボデー100とを図5中の矢印のように連続溶接することにより、鋼製の骨格ボデー100(センター骨格131)とアルミニウム合金製のルーフパネル200の異材を線状に接合できる。従って、接合部からの雨水の浸入や内部部材の腐食を防止できる共に、接合の強度信頼性を向上できる。この結果、あまり板厚を上げずに、すなわちあまり重量を増加させずに、車体10の一部をアルミ化できる。従って、車体10全体の軽量化が容易となる。ここで「溶接」は広義に解釈されるものとし、一般的な溶接以外にも蝋付けや半田付けを含む。
また、補強板210をアルミニウム合金製とすることで、鋼製とした場合と比べて軽量化でき、樹脂性とした場合と比べて強度を高くできる。さらに軽量化したい場合には補強板210を樹脂製としてもよい。
仮に、補強板210を設けなかった場合のルーフパネル200の接合部における変形例を図6に示す。図6の上側に示す接合前の状態と図6の下側に示す接合後の状態(変形量を拡大表示している)を比較すると、溶接熱によりルーフパネル200の端部が波打つように変形している。
図7に示すように、ルーフサイドレール144は、アウターパネル151と、インナーパネル152と、レインホースメント153とを備える。アウターパネル151は、ルーフサイドレール144の上部を構成する外装パネルであり、車体10の外表面に露出している。インナーパネル152は、ルーフサイドレール144の下部を構成するパネルである。アウターパネル151及びインナーパネル152は、車幅方向の内側に位置する支持部154及び高さ方向の下側に位置するフランジ部155のそれぞれにおいて溶接することによって接合され、閉断面を構成する。レインホースメント153は、補強のためにルーフサイドレール144の内部に配置されている。支持部154及びフランジ部155において、レインホースメント153は、その両端部がアウターパネル151とインナーパネル152とに挟み込まれ、3枚重ねの状態で溶接されている。
ルーフパネル200は、端部に曲げ加工が施された折曲部201を備える。折曲部201は、ルーフパネル200の外表面に対して内側方向に120度から150度の範囲で折り曲げられている。折曲部201は、ルーフサイドレール144の支持部154に載置され、折曲部201の頂点202付近と支持部154が蝋付け材160により溶接されることにより接合される。
支持部154は、ルーフサイドレール144の表面に対して階段状の凹部を形成しており、この凹部によりルーフパネル200の折曲部201を支持する。このように支持部154が凹部でルーフパネル200を支持することでルーフパネル200とルーフサイドレール144の表面を概略面一にでき、外観の美観を維持できる。
上述の折曲部201の頂点202付近と支持部154との溶接には、FCW(フラックスコアドワイヤ)を用いている。FCWとは、アルミニウム合金皮材の内部にフラックスが充填されたワイヤのことをいう。
接合に際してFCWを用いることで、鋼製の骨格ボデー100とアルミニウム合金製のルーフパネル200との異材接合の信頼性を向上し、線状に接合できる。また、従来と比べて低温で溶接可能であるため、図6に示すような溶接熱による変形の影響を軽減できる。さらに折曲部201と支持部154を溶接接合できることで、従来まで異材接合に対してリベット等で締結していた美的外観を損なう締結部を隠すために必要であったモール等の部材を必要としない。
また、補強板210は、接合部から距離dの隙間をあけて配置されている。距離dは、溶接接合の際に生じる熱の影響を受けて補強板210が変形したり、接着剤が熱影響を受けたり、補強板が樹脂製の場合は一部が溶けたり燃焼することを防止できる程度の距離である。さらに、距離dは、接合の際にルーフパネル200が変形することを防止できる程度の距離であり、本実施形態では、10mmから25mmである。このように接合部と補強板210との間に隙間を設けることで溶接に伴う熱で補強板210に不具合が生じることを防止できる。
また、補強板210の配置は、種々の変更が可能である。補強板210は、より変形を抑制するためにルーフパネル200の全周に配置されてもよいし(図8参照)、変形量の大きなセンターピラー142の付近にのみ配置されてもよいし(図9参照)、同様に変形量の大きな個々のピラー141〜143の付近にのみ配置されてもよい(図10参照)。このような補強板210とルーフパネル200の接合は、車体10の組み立て工程内に必ずしも組み込まれている必要はなく、別の工程として予め接合された構造部材として車体10の組み立て工程に取り入れられてもよい。
(第2実施形態)
図11は、第2実施形態の車体10のアッパーバック300の周辺部を示している。本実施形態では、アッパーバック300とリア骨格121に対して、第1実施形態のルーフパネル200とセンター骨格131と同様の溶接接合を施している。車体10の構成自体は、図1及び図2の第1実施形態と実質的に同様である。従って、図1及び図2に示した車体10の構成と同様の部分については説明を省略する。
アッパーバック300とリア骨格121は、第1実施形態のルーフパネル200とセンター骨格131と同様に連続溶接によって接合されている。従って、本実施形態では、アッパーバック300が本発明における第1部材を構成し、リア骨格121が本発明における第2部材を構成する。
アッパーバック300の裏面(図において下側の面)には、帯状の補強板310が接合部に沿って配置されている。補強板310はアルミニウム合金製であり、接着剤によりアッパーバック300と接合されている。補強板310は、溶接接合の際に生じる熱の影響を受けて補強板310が変形することがなく、かつ、接合の際にアッパーバック300が変形することを防止できる程度の距離を接合部から空けて配置されている。その距離は本実施形態では、10mmから30mmである。
本実施形態では補強板310は、重量及び強度の観点からアルミニウム合金製であるが、より軽量の樹脂製等であってもよく、そのサイズも特に限定されない。また、アッパーバック300との接着方法も接着剤による接着に限定されず、例えば溶接接合や機械的な締結等であってもよい。
アッパーバック300は、リアパート120のトランク部の上方に位置する5000系のアルミニウム合金製のパネルである。アッパーバック300は、端部に曲げ加工が施された折曲部301を備える。折曲部301は、アッパーバック300の表面(図において上側の面)に対して下方向に120度から150度の範囲で折り曲げられている。
リア骨格121は、GA鋼板製であり、アッパーバック300を載置するための車幅方向に延びる支持部123を備える。リア骨格121の支持部123は、第1実施形態のセンター骨格131の支持部154と同様に階段状の凹部を備え、接合時の表面を揃えることができ、外観の美観を維持できる。
アッパーバック300の折曲部201は、リア骨格121の支持部123に載置され、折曲部301の頂点302付近と支持部123が溶接されることにより接合される。この溶接には、FCWを用いている。
また、第1実施形態と同様に、アッパーバック300は6000系のアルミニウム合金製であってもよいし、リア骨格121はGI鋼板製や溶融アルミニウムめっき鋼板製、または、非めっき鋼板製であってもよい。
実用上、車体10について異種材料の接合が行われることが多く、特にその面積の大きい第1実施形態のルーフパネル200及び第2実施形態のアッパーバック300は、鋼製部材をアルミニウム合金製部材に置換することによる軽量化の効果も大きい。ただし、第1及び第2実施形態以外にも車体10の様々な部分で本発明は適用可能である。例えば、交換タイヤパン、ドア、又はフロアパネルなどの様々な部分に対して適用可能である。また、本発明は車両以外にも使用可能であり、船や鉄道などの輸送機器全般に使用できる。
10 車体(構造体)
100 骨格ボデー(第2部材)
110 フロントパート
111 フロント骨格
112 フロントバンパ
113 エンジン収容部
114 前輪収容部
120 リアパート
121 リア骨格(第2部材)
122 後輪収容部
123 支持部
130 センターパート
131 センター骨格(第2部材)
132 フロアパネル
133 キャビン
134 フロントガラス部
135a,135b,135c,135d ドア部
136 リアガラス部
137 緩衝材
141 フロントピラー
142 センターピラー
143 リアピラー
144 ルーフサイドレール
145 ルーフフロントレール
146 ルーフリアレール
147 ルーフクロスメンバ
151 アウターパネル
152 インナーパネル
153 レインホースメント
154 支持部
155 フランジ部
160 蝋付け材
200 ルーフパネル(第1部材)
201 折曲部
202 頂点
210 補強板
300 アッパーバック(第1部材)
301 折曲部
302 頂点
310 補強板

Claims (9)

  1. 端部に折曲部を有し、アルミニウム合金製のパネル部材である第1部材と、
    前記第1部材を支持するための支持部を有する鋼製の第2部材と
    を備え、
    前記第1部材及び前記第2部材は、前記第1部材の前記折曲部の頂点付近と前記第2部材の前記支持部とを線状に連続溶接することによって接合され、
    前記第1部材は、前記第2部材との接合部に沿って少なくとも部分的に補強板が接合されており、
    前記補強板は、前記第1部材と前記第2部材の接合部に対して隙間をあけて配置されている、異種材料の接合構造を含む構造体。
  2. 前記連続溶接は、フラックスコアドワイヤを用いた蝋付け接合である、請求項1に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  3. 前記補強板は、アルミニウム合金製であり、接着剤を用いて前記第1部材と接合されている、請求項1又は請求項2に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  4. 前記補強板は、樹脂製であり、接着剤を用いて前記第1部材と接合されている、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  5. 前記構造体は車体である、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  6. 前記第1部材は、前記車体のルーフ又はアッパーバックである、請求項に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  7. 前記第1部材は、6000系又は5000系のアルミニウム合金製である、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  8. 前記第2部材は、表面処理鋼板である合金化溶融亜鉛めっき鋼板製、溶融亜鉛めっき鋼板製、又は溶融アルミニウムめっき鋼板製、もしくは非めっき鋼板製である、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の異種材料の接合構造を含む構造体。
  9. 端部に折曲部を有し、前記折曲部に沿って少なくとも部分的に補強板が接合されている、アルミニウム合金製のパネル部材である第1部材と、前記第1部材を支持するための支持部を有する鋼製の第2部材とからなり、前記第1部材の前記折曲部の頂点付近と前記第2部材の前記支持部とを線状に連続溶接することによって接合されており、前記補強板は、前記第1部材と前記第2部材の接合部に対して隙間をあけて配置されている、異種材料の接合構造を含む構造部材。
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