JP6761354B2 - 補強された構造部品 - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年７月３日出願のヨーロッパ特許出願ＥＰ１４３８２２５６．７の利益を主張する。

本開示は、補強された構造部品を製造するための方法、及びこれらの方法を介して得られる構造部品に関する。

例えば、自動車産業などでの重量削減要求が、軽量材料、製造プロセス及びツールの開発と実施をもたらした。高まりつつある乗員の安全性への関心が、衝突中の車両の整合性を改良しつつ、エネルギー吸収も改善する材料の採用にもつながった。その意味で、高強度鋼及び超高強度鋼（ＵＨＳＳ）で作られた車両部品が、軽量構成用の基準を満たすために用いられることが多い。

重量目標及び安全要件を満たす必要のある典型的な車両部品は、ドアビーム、バンパービーム、横材／縦材、Ａ／Ｂピラー補強材、及びウエストレール補強材などの構造要素及び／又は安全要素を含む。

例えば、熱間成形型焼き入れ（ＨＦＤＱ）として知られているプロセスは、１５００ＭＰａまでの引張強度で、超高強度鋼（ＵＨＳＳ）特性を有するスタンピングされた部品を成形するために、ボロン鋼シートを使用する。強度の増加により、より薄い規格材料が使用できるようになり、結果的に従来の冷間スタンピングされた軟鋼部品よりも軽量化がもたらされる。

典型的車両部品の設計段階中に実行されるシミュレーションは、強度及び／又は剛性を増加させるために、補強材を必要とする形成された部品の地点又はゾーンを特定することができる（より軽量かつより薄型の金属シート及びブランクが使用されるからである）。代替的には、変形を誘導するために、再設計が行われることがある。

その意味で、部品の厚さを減らすことによって応力を再分散させ軽量化するために、予め形成された部品のいくつかのエリアを補強又は軟化させることができる幾つかの手順がある。部品を補強するこれらの既知の手順は、例えば、任意の形成プロセス前に溶接した補強材を加える手順である。そのような補強材は、幾つかのブランクの部分的又は完全な重なりが使用される「パッチワーク」、又は「縁から縁まで」溶接される厚さの異なるブランク又はプレート、即ちテーラー溶接ブランク（ＴＷＢ）であり得る。したがって、構造的な機械要件は、理論上は最小限の材料及び厚さ（重量）で実現することができる。

しかしながら、これらの問題のうちの幾つかには、更なる製造プロセスが含まれる。例えば、超高強度鋼が熱間成形されているとき、幾つかの溶接性問題が、腐食及び酸化損傷からの保護によく使用されるアルミニウムケイ素（ＡｌＳｉ）コーティングに起因して生じることがある。これらの問題を克服するために、レーザアブレーションにより溶接間隙に接近したエリアではコーティングの一部を除去することが知られている。しかしながら、これは、車両部品の製造プロセスでの追加的ステップを意味する。

更に、溶接補強材（パッチワーク）がブランクに加えられるときに、ブランクの部分的又は完全な重なりが生じる。これらのエリアは、重なった領域が下部のままであり、例えば、腐食コーティングを受けないので、潜在的腐食開始点である。

加えて、形成される部品次第では、例えば、角や高さの変化を伴うエリアなどの、溶接補強材を使用することが不可能である又は少なくとも厄介である領域が存在することもある。パッチワークは、スポットを分散させるのに最小限の空間だけしか必要としないスポット溶接を使用して、通常は溶接される。加えて、パッチワークは、容易に溶接するために最小のサイズを必要とする。必要なエリアを補強するのに必要な適切なサイズ（最小値）を有するというよりはむしろ溶接するために、補強材は最小のサイズを有していなければならないので、余分な重力が含まれることがある。

前述の問題及び／又は挑戦は、自動車産業又はその業界で使用される材料及びプロセスに特有のものではない。その代わりに、重力削減が目的である何れの産業でも、これらの挑戦に遭遇する可能性がある。重量削減が目的であるときには、部品はもっと薄くなり、ゆえに補強材の必要性が増すことになろう。

補強された構造部品の改良された製造方法を提供することが、本開示の目的である。

第１の態様では、補強された構造部品の製造方法が提供される。方法は、０．７ｍｍから５ｍｍの厚さを有する予め形成された鋼構造部品を提供することを含む。方法は、構造部品の補強ゾーンにおいて、０．２ｍｍの最小限の厚さを有する局部的補強材を成形するために、材料を構造部品に局部的に堆積させることであって、金属粉末を補強ゾーンに供給することと、金属粉末及びレーザ熱で特定の幾何学形状を構造部品に描写することにより、金属粉末を溶融解させ補強材を成形するために、レーザ熱を実質的に同時に印加することとを含む局部的に堆積させることとを更に含む。

本態様によれば、例えば、リブ又は補強材を部品に成形するために、一種の溶接クラッディングプロセスが予め形成された鋼部品で実行される。リブ又は補強材は、部品の特定のエリア（補強材を要する点又はゾーン）に剛性を提供することができる。鋼部品は、実質的には薄型で、即ち０．７ｍｍから５ｍｍの厚さを有しており、局部的補強材は、０．２ｍｍの最小限の厚さを有している。このように、０．７ｍｍの部品が使用されるとき、補強材は、部品の局部的厚さのおよそ３０％を示す。場合によっては、薄型ブランクは、例えば、プレスでの熱間スタンピング又は熱間成形、圧延成形での成形など、比較的簡単な変形プロセス内にあり得る。本明細書に記載のプロセスを使用して、即ち、実質的に同時にレーザ熱を印加しつつ金属粉末を供給して、構造部品の厚さを薄く維持することができるが、特定のエリアでのその部品の強度又は構造特性は増大する。したがって、最終部品の重量は、最小化することができる。ゆえに、補強材を必要とするゾーンを強化することができ、及び／又は歪みの方向を変えることができる。局部的溶接クラッディングを使用することにより、最終的な鋼部品の体積及び厚さが最適化され、よって、その重量が低減される。広範囲に変化する補強材を、既に形成されたブランクに「記載」又は「描写」することができる。

例えば腐食防止に使用される以前から知られている溶接クラッディングプロセスとは対照的に、局部的にだけ、かつ部品の剛性及び／又は強度が実質的に影響を受ける程度に、材料が堆積される。

加えて、粉末供給を伴うレーザ熱の使用により、非常に特殊で精巧な幾何学形状の形成が可能になり、要するに、補強材は、穴周囲の円、グリッドを形成するために互いに交差する直線、間欠線又は破線、及びとりわけ大きな又は小さな形状など、多様な形状又は設計を有する注文仕立てとすることができる。したがって、成形された補強材の機械的特性は、粉末及びレーザ加熱プロセス（溶接クラッディング）で描写された幾何学形状次第であり得る。

ゆえに、方法はかなり多方面にわたるものであり、実質的に任意の所望の幾何学形状を実現することができる。角又は高さの変化を伴うエリアなどの複雑な幾何学形状もまた、補強することができる。したがって、局部的強度の向上、即ち、最終的な補強された部品の重量を最適化する（低減する）特定かつ正確な幾何学形状を有する補強材が実現される。発明者は、形成された部品の局部的補強材を成形する溶接クラッディングの使用が、およそ０．７ｍｍからおよそ５ｍｍの厚さを有する形成された部品に特によい結果をもたらすことを発見した。

幾つかの例では、局部的補強材は、０．２ｍｍ−１０ｍｍの厚さを有し得る。局部的補強材の厚さは、補強ゾーンの部品の増大した機械的強度を確実に提供する。更なる例では、補強材の厚さ（即ち、部品に対する厚さの増加）は、０．２ｍｍから６ｍｍ、特に０．２ｍｍから２ｍｍであり得る。これらの例では、局部的補強材と形成された部品との間の厚さ比（局部的補強材の厚さ／鋼構造部品の厚さ）は、少なくともおよそ４％からおよそ１４００％の範囲であり得る。発明者は、補強材と最終部品との間のおよそ２０％からおよそ３００％の厚さ比の使用が、増量しすぎることなく、特に改善された構造性能をもたらすことを発見した。特に、およそ５０％からおよそ３００％の厚さ比は、増量が実質的に少ない状態で、特に高い強度及び剛性の部品をもたらす。

幾つかの例では、部品の補強ゾーン及び／又は特定の幾何学形状が、部品の衝突シミュレーションから予め画定され得る。このように、特定の幾何学形状は、衝突に含まれる歪みエネルギーの機能として成形される。幾つかの例では、補強ゾーン又は特定の幾何学形状の厚さは、更に、部品を形成するために使用されるブランクの厚さ次第であり得る。更なる例では、補強ゾーンは、例えば、ねじなどに必要な穴によって引き起こされる強度損失を補償するために画定され得る。これらの場合、補強ゾーンは、部品に提供された穴を包囲し得る。更なる例では、補強ゾーンは、ヒンジ又はフック（例えば、バンパーのトウフック）が提供されるこれらのエリアで画定され得る。

幾つかの例では、構造部品全体は、実質的に同一の厚さを有し得る。更なる例では、構造部品は、テーラーブランク又はパッチブランクから作られ得、即ち、構造部品の長手方向に沿って異なる厚さを有し得る。

幾つかの例では、金属粉末は、例えば、ステンレス鋼ＡｌＳｉ ３１６Ｌなどのステンレス鋼系粉末、又は例えば、Ｕｓｉｂｏｒ（登録商標）などの超高強度鋼に相当する組成物であり得る。幾つかの例では、補強材が提供されるブランク又は部品の材料と類似の組成を有する粉末が使用されてもよい。このように、使用される粉末は、鋼構造部品の特性と実質的に類似の特性を有しており、即ち、いったん溶融解されると、実質的に均質の最終的な補強製品がもたらされる。

更なる態様では、本開示は、実質的に先ほど記載されたような方法のうちの何れかによって取得された又は取得可能である補強された部品を提供する。

本開示の例は、例えば、熱間スタンピング、圧延成形及び液圧成形などを含む、多様な方法で形成された部品において使用され得る。本開示の例は、異なる材料、特に異なる鋼の部品において使用され得る。

本開示の非限定的例が、添付図面を参照しつつ以下で説明されることになる。

ａとｂは、粉末及びレーザ溶接を適用する例を概略的に示している。 ａからｄは、実質的に先ほど記載された方法によって取得され得る特定の補強幾何学形状の様々な例を示している。 ａとｂは、補強された構造部品を製造するための代替的方法を示している。 ａとｂは、実質的に先ほど記載された任意の方法によって製造された補強された部品の各例を示す。

図１ａは、例えば、熱間成形された部品などの形成された部品７の表面に補強材６を適用する例を示している。代替的例では、冷間成形、液圧成形又は圧延成形など、部品を形成する他の方法もまた予測することができる。

この例では、レーザ溶接機１が概略的に示されている。レーザ溶接機１は、レーザビームが出るレーザヘッド３を有し得る。矢印を伴う破線で示されたガス粉体流２もまた、概略的に示されている。ガス粉体流２は、補強材６が形成されるゾーンに向かって、レーザビームに対して同軸上に供給され得る。したがって、ガス粉体流２は、レーザビームが印加されている間に補強材６が形成されるゾーンに供給され得る。

これらの例では、ガス粉ヘッドがレーザヘッド３に対して同軸上に配置され、ガス粉体流及びレーザビームが、補強材６が形成される部品の表面に実質的に垂直になるように、両ヘッドが配置され得る。

代替的例では、ガス粉体流は、部品に対して斜めに供給され得る。これらの例の幾つかにおいては、ガス粉体流はまた、レーザビームに対して斜めに供給されてもよく、先ほどの例でのように、レーザビームに対して同軸上に配置されてもよい。

更なる図において、一致する要素を指定するために、同一の参照番号を使用した。

図１ｂは、ノズル２１を有する粉末供給部２０がレーザヘッド３に対して斜めに提供され得る例を示している。これらの場合、粉体流２は、レーザ溶接機１のヘッド３から出るレーザビームに対して斜めに供給され得る。

幾つかの例では、特定の実施態様次第で、アルゴンが輸送ガスとして使用されることがある。窒素又はヘリウムなど、他の輸送ガスの例もまた予測され得る。

幾つかの例では（図１ａ及び図１ｂを参照）、シールドガス流路４もまた提供され得る。これらの場合、シールドガス流路４は、補強材６が形成されるゾーン周囲でシールドガス流５を供給するために、レーザビームに対して同軸上に提供され得る。幾つかの例では、ヘリウム又はヘリウム系ガスが、シールドガスとして使用されてもよい。代替的には、アルゴン系ガスが使用されてもよい。シールドガスの流速は、例えば、１リットル／分から１５リットル／分まで変更され得る。更なる例では、シールドガスを必要としないこともある。

レーザは、部品の少なくとも外面（又は外面のみ）を溶融解させるのに十分な出力を有し、補強材６が形成される領域全体にわたって粉末を完全に混合／結合し得る。

幾つかの例では、溶接は、２ｋＷから１６ｋＷの出力、任意選択的には２ｋＷから１０ｋＷの出力を有するレーザを使用する溶接を含み得る。レーザの出力は、典型的厚さ、即ち０．７〜５ｍｍの範囲の厚さを有する形成された部品の少なくとも外面を溶融解させるのに十分であるべきである。溶接機の出力を増加させることにより、溶接速度も増加し得る。

任意選択的に、Ｎｄ−ＹＡＧ（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット）レーザが使用されてもよい。これらのレーザは、市販されており、実証済みの技術を構成する。この種のレーザはまた、形成された部品の外面を溶融解させるのに十分な出力を有し得、レーザの焦点の幅、ひいては補強ゾーンの幅を変更可能にする。「スポット」のサイズ縮小により、エネルギー密度が増し、その一方で、スポットのサイズ増加により、溶接プロセスを高速化することができる。溶接スポットは、非常に有効に制御され得、様々な種類の溶接が、この種のレーザにより可能になる。

代替的例では、十分な出力のＣＯ_２レーザが使用され得る。更なる例では、ツインスポット溶接もまた使用され得る。

補強ゾーンに供給される粉末は、例えば、Ｈｏｇａｎaｓから市販されている、ステンレス鋼Ａｌｓｉ ３１６Ｌであり得る。粉末は、重量％で以下の組成物を有し得る：０％−０．０３％の炭素、２．０-３．０％のモリブデン、１０％−１４％のニッケル、１．０-２．０％のマンガン、１６-１８％のクロム、０．０-１．０％のケイ素、並びに残りは鉄及び不可避的不純物。本組成物のニッケルの存在により、良好な耐食性がもたらされることが分かった。クロム及びケイ素の追加は、耐食性を助け、モリブデンは、硬度増加を助ける。代替的例では、他のステンレス鋼もまた、ＵＨＳＳとして使用され得る。幾つかの例では、粉末は、環境次第でより高い又はより低い機械特性を提供する任意の部品を組み込み得る。

図２ａから図２ｄは、実質的に先ほど記載された方法によって取得され得る特定の補強幾何学形状の様々な例を示している。上述のように、電力供給を伴うレーザ溶接は、例えば、異なる曲率、異なるサイズ（長さ、幅及び高さ）又はグリッドを画定する交線さえも有する、ほとんどの任意の所望の幾何学形状を形成可能にし得る。これらの方法は、かなり汎用性がある。補強材を必要としないゾーンに余分な材料は提供されず、ゆえに部品の最終的重量は最適化され得る。

例えば、図２ａ及び図２ｃは、他の可能性における長方形、正方形、環状リング、半円リング及び十字などの異なる個別の既知の形状を示している。図２ｂは、各々が実質的に正弦曲線の形状を画定する湾曲した線を示し、図２ｄは、グリッドを画定するために互いに交差する直線を示している。

発明者は、０．２ｍｍの最小限の厚さを有する局部的補強材が、最終的な補強鋼部品の重量を最適化する間に良好な結果をもたらすことを発見した。最小限の厚さは、１つの粉末堆積のみで取得され得る。更に、各レーザ露光及び粉末堆積は、およそ１ｍｍの最大限の厚さを含み得る。いくつかの例では、局部的補強材は、およそ０．２ｍｍからおよそ６ｍｍの厚さを有し得る。これは、粉末の反復的堆積により実現され得る。

更なる例では、局部的補強材は、およそ０．２ｍｍからおよそ２ｍｍの厚さを有し得る。これらの例では、各粉末堆積及びレーザ露光を含む局部的補強材の幅は、概して、およそ１ｍｍからおよそ１０ｍｍであり得る。

図３ａ及び図３ｂは、幾つかの例において、方法が、構造部品の補強ゾーンへの材料の局部的堆積を繰り返すことを更に含み得る。これを行うことにより、補強材の厚さ及び／又は幅が増加し得る。これらの例では、堆積毎に使用される粉末は、同一であってもよく、又は環境次第で異なっていてもよい。図３ａの例は、金属粉末適用（ｍｅｔａｌ ｐｏｗｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）６１及び６２を有する２つの異なるレーザ露光が実行された例の側面図を示す。図３ｂの例は、金属粉末堆積６１’、６２’及び６３’を有する３つの異なるレーザ露光が実行された例の上面図を示す。

図４ａ及び図４ｂは、実質的に先ほど記載された任意の方法によって取得された異なる補強された部品を示す。図４ａの例では、Ｂピラー８が概略的に示されている。図４ｂの例では、例えば、横材／縦材などのバー９が概略的に示されている。両部品８及び９は、例えば、ＨＦＤＱプロセスによって形成され得る。代替的例では、冷間成形、液圧成形又は圧延成形など、部品を形成する他の方法もまた予測することができる。補強材６４及び６５は、溶接クラッディングによって、即ち、レーザ溶接適用中に金属粉末を供給することによって、加えられ得る。補強材６４及び６５は、例えば、張力を方向付け、部品の剛性（硬度）を増加させるために設計される。例えば、補強材６４は、角などのエリアの衝突の際には強度を高めるように適用され得、端部及び補強材６５は、部品の強度全体が穴の存在により影響されないように、例えば、製造中に作られた穴に起因して部品に強度を加えるように適用され得る。概して部品において、補強材は、例えば、Ｂピラーでこれらのエリアが角であるなど、ほとんどの負荷に耐えなければならないこれらのエリアで必要とされ得る。

多くの例が本明細書で開示されたが、他の代替例、修正例、用途及び／又はそれらの同等物が可能である。更に、記載された例の可能な全ての組み合わせもまた包含される。したがって、本開示の範囲は、特定の例によって限定されるべきではなく、続く特許請求の範囲を公平に読むことによってのみ決定されるべきである。

Claims (13)

1. 補強された構造部品を製造するための方法であって、
   予め熱間成形型焼き入れにより形成された、０．７ｍｍから５ｍｍの厚さを有するボロン鋼構造部品（７）を提供することと、
   前記構造部品の補強ゾーンにおいて、０．２ｍｍの最小限の厚さを有する局部的補強材（６）を成形するために、材料を前記構造部品（７）に局部的に堆積させることとを含み、前記局部的に堆積させることが、
   金属粉末を前記補強ゾーンに供給することであって、ステンレス鋼系粉末及びブランクの材料と類似の組成を有する粉末のうちの１つである金属粉末を供給することと、
   前記金属粉末を溶融解させ、前記金属粉末及びレーザ熱で特定の幾何学形状を前記構造部品（７）に描写することにより、前記補強材（６）を成形するために、前記レーザ熱を実質的に同時に印加することと
   を含む方法。
2. 前記局部的補強材（６）が０．２ｍｍから１０ｍｍの厚さを有している、請求項１に記載の方法。
3. 前記局部的補強材（６）と前記構造部品（７）との間の厚さ比が５０％から３００％である、請求項２に記載の方法。
4. 前記構造部品の前記補強ゾーン及び／又は前記特定の幾何学形状が、前記構造部品の衝突シミュレーションから予め画定されている、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記構造部品の全体が実質的に同一の厚さを有している、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
6. 金属粉末を前記補強ゾーンに供給することが、ガス−粉体流を前記補強ゾーンに供給することを含む、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
7. ガス−粉体流を前記補強ゾーンに供給することが、レーザヘッド（３）に対して同軸上に配置されたヘッドを使用してガス流を同軸上に供給することを含む、請求項６に記載の方法。
8. ガス−粉体流を前記補強ゾーンに供給することが、前記構造部品（７）に対して１５度から６０度の角度で、任意選択的には３０度から４５度の角度で、ガス流を供給することを含む、請求項６又は７に記載の方法。
9. レーザ熱を印加することが、レーザビームを前記構造部品に投射することと、前記金属粉末で前記特定の幾何学形状を描写するために、前記レーザビームと前記構造部品との間の相対運動を提供することとを含む、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
10. レーザ熱を印加することが、３ｋＷから１６ｋＷの出力、任意選択的には４ｋＷから１０ｋＷの出力でレーザを使用することを含む、請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記構造部品が、テーラーブランク又はパッチワークブランクから作られている、請求項１から１０の何れか一項に記載の方法。
12. 金属粉末を前記補強ゾーンに局部的に供給することと、レーザ熱を前記補強ゾーンに実質的に同時に印加することと、を繰り返すことを更に含む、請求項１から１１の何れか一項に記載の方法。
13. 請求項１から１２の何れか一項に記載の方法により取得可能な補強された部品。

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