JP6819479B2

JP6819479B2 - 金属部材及びその製造方法

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Publication number: JP6819479B2
Application number: JP2017121457A
Authority: JP
Inventors: 哲司江川; 映太新里; 隼北川; 将大小野田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: EP3417983B1; RU2692137C1; BR102018012789B1; US11364569B2; EP3417983A1; CN109093272B; BR102018012789A2; CN109093272A; US20180369958A1; JP2019005771A; US20220314368A1; US11833612B2

Description

本発明は、金属部材及びその製造方法に関する。

金属製の部材同士を互いに突合わせて溶接する突合わせ溶接が知られている。特許文献１には、２つの板状の金属部材を、平面である端面において突き合わせてレーザ溶接により接合する技術が開示されている。また、特許文献１に記載の技術では、２つの板状の金属部材が突合わされた突き合わせ部における溶接境界線は直線である。

特開２０１４−２０５１６６号公報

発明者は、板材の突き合わせ溶接に関し、以下の問題点を見出した。
図１３および図１４は、本発明が解決しようとする課題に係る金属部材５０１の斜視図である。なお、図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。

図１３に示すように、金属部材５０１は、第１板材５０２と第２板材５０３とが一の突き合わせ部ＳＳ１において突き合わされて溶接されたものである。第１板材５０２と第２板材５０３が突合わされた突き合わせ部ＳＳ１における、第１板材５０２と第２板材５０３との溶接境界線ＬＬ１は、溶接境界線ＬＬ１の一端ＰＰ１と他端ＰＰ２とを結ぶ直線である。金属部材５０１において、突き合わせ部ＳＳ１、すなわち接合部分の面積が、必要とされる第１板材５０２と第２板材５０３との接合強度に対して十分な大きさでない場合、接合部分が破断するおそれがある。

第１板材５０２と第２板材５０３との接合強度を高めるためには、図１４に示すように、突き合わせ部の数を増やすことも考えられる。図１４に示す例では、突き合わせ部の数を３箇所（突き合わせ部ＳＳ２、ＳＳ３、ＳＳ４）にしている。しかしながら、設計上の制約により、突き合わせ部の数を増やすことができない場合もある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、突き合わせ溶接される板材の突き合わせ部の数を増やすことなく板材同士の接合強度を高めた金属部材およびその製造方法を提供するものである。

本発明の一態様に係る金属部材は、第１板材と第２板材が、少なくとも一の突き合わせ部で互いに突き合わされて溶接された金属部材であって、前記突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接境界線の一端から他端までの長さは、前記溶接境界線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長いものである。

本発明の一態様に係る金属部材では、互いに突合わされた板材の突合わせ溶接において、溶接境界線の長さを、溶接曲線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長くしている。これにより、溶接境界線が直線である場合よりも接合部分の面積が増えるので、接合強度を向上させることができる。

前記金属部材は、前記第１板材と前記第２板材とは板厚が異なっていてもよい。このようにすると、金属部材において、要求される強度が相対的に高い箇所に用いられる板材の厚さを厚くでき、要求される強度が相対的に低い箇所に用いられる板材の厚さを薄くできるため、金属部材の軽量化を実現することができる。

前記金属部材は、前記第１板材と前記第２板材とが、第１突き合わせ部および第２突き合わせ部において互いに突き合わされて溶接され、前記第１突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第１溶接境界線と、前記第２突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第２溶接境界線と、はＲ部分を挟んで隣接し、前記第１溶接境界線の一端から他端までの長さは、前記第１溶接境界線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長く、前記第２溶接境界線は、前記第２溶接境界線の一端と他端とを前記第２板材の表面に沿って最短で結ぶ線であり、折り曲げ線が前記第２溶接境界線と直交する曲げ部をさらに有し、前記第１溶接境界線と前記Ｒ部分とは、前記折り曲げ線に対して同じ側にあるのが好ましい。第１溶接境界線とＲ部分とが、折り曲げ線に対して同じ側にあると、金属部材には、Ｒ部分が曲げ部にある場合のような曲げ部における突出部分が形成されない。このため、曲げ加工を行った後の金属部材を曲げ加工用型から抜き出しする際に、金属部材が、曲げ部において曲げ加工用型と干渉することはない。
前記金属部材は、前記第１溶接境界線における、前記Ｒ部分とは反対側の端は前記第１板材および前記第２板材の縁にあり、前記第２溶接境界線における、前記Ｒ部分とは反対側の端は前記第１板材および前記第２板材の縁にある構成であってもよい。すなわち、第１板材と第２板材とが、２箇所の突き合わせ部で溶接されている構成であってもよい。

本発明の一態様に係る金属部材の製造方法は、第１突き合わせ部および第２突き合わせ部を有し、互いに板厚が異なる第１板材と第２板材とを、前記第１突き合わせ部および前記第２突き合わせ部において互いに突き合わせて溶接するステップと、前記溶接するステップにより生成された中間生成部材を曲げ加工するステップと、を備え、前記中間生成部材は、前記第１突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第１溶接境界線と、前記第２突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第２溶接境界線と、がＲ部分を挟んで隣接し、前記第１溶接境界線の一端から他端までの長さが、前記第１溶接境界線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長く、前記第２溶接境界線が、前記第２溶接境界線の一端と他端とを前記第２板材の表面に沿って最短で結ぶ線であり、前記曲げ加工するステップにおいて、前記中間生成部材は、前記第２溶接境界線が、折り曲げ線が前記第２溶接境界線と直交するとともに曲げ加工後の最終生成部材を曲げ加工用型から抜き出しする方向に平行になり、かつ、前記第１溶接境界線と前記Ｒ部分とが、前記折り曲げ線に対して同じ側にあるように、前記曲げ加工用型に対して配置されるものである。

本発明の一態様に係る金属部材の製造方法によって製造された金属部材は、第１溶接境界線とＲ部分とが、折り曲げ線に対して同じ側にあるので、金属部材には、Ｒ部分が曲げ部にある場合のような曲げ部における突出部分が形成されない。このため、最終生成部材である金属部材を曲げ加工用型から抜き出しする際に、金属部材が、曲げ部において曲げ加工用型と干渉することはない。よって、曲げ加工を実施した後、曲げ部と曲げ加工用型が干渉することなく金属部材を曲げ加工用型から抜き出しすることができる。

本発明により、突き合わせ溶接される板材の突き合わせ部の数を増やすことなく板材同士の接合強度を高めた金属部材およびその製造方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる金属部材の構成を示す斜視図である。実施の形態１にかかる金属部材の変形例を示す斜視図である。実施の形態２にかかる金属部材の構成を示す斜視図である。実施の形態２に係る金属部材の製造方法を示すフローチャートである。実施の形態２に係る金属部材の製造方法を示す模式図である。実施の形態２に係る金属部材１１の製造方法を示す模式図である。実施の形態２に係る金属部材１１の製造方法を示す模式図である。実施の形態２に係る金属部材１１の製造方法を示す模式図である。比較例にかかる金属部材を、曲げ加工用型から抜き出しする前の状態を模式的に示す斜視図である。図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。実施の形態２にかかる金属部材を、曲げ加工用型から抜き出しする前の状態を模式的に示す斜視図である。図１１のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。本発明が解決しようとする課題に係る金属部材の斜視図である。本発明が解決しようとする課題に係る金属部材の斜視図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態１
まず、図１を参照して実施の形態１にかかる金属部材の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる金属部材１の構成を示す斜視図である。なお、図１に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。

図１に示すように、金属部材１は、第１板材２と第２板材３が、少なくとも一の突き合わせ部Ｓ１で互いに突き合わされて溶接されたものである。ここで、第１板材２、第２板材３は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、チタン、マグネシウムなどの卑金属にて形成されている。

突き合わせ部Ｓ１における、第１板材２と第２板材３との溶接境界線Ｌ１の一端Ｐ１から他端Ｐ２までの長さは、溶接境界線Ｌ１の一端Ｐ１と他端Ｐ２とを結ぶ直線Ｌ２の長さよりも長い。具体的には、溶接境界線Ｌ１は、例えば、直線Ｌ２を基準として一方の側と他方の側を振幅する波状の曲線である。

このように、互いに突合わされた板材の突合わせ溶接において、溶接境界線の長さを、溶接曲線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長くすると、溶接境界線が直線である場合よりも接合部分の面積が増える。これにより、接合強度を向上させることができる。

また、突合わせ溶接において溶接境界線の一端から他端まで溶接していく際、溶接された部分の母材は熱膨張する。しかし、周囲は冷えたままであるため、溶接により熱膨張した部分は周囲より圧縮されて縮む方向に塑性変形する。さらに、溶接により熱膨張した部分は、冷却されると周囲を強烈な力で引っ張る。溶接境界線が直線である場合、上記引っ張る力により、突き合わせ部における未だ溶接されていない部分が変位し、当該部分において、互いに突合わされた板材の突き合わせ端面の間隔が広がる。突き合わせ端面の間隔が広がると、溶接がし難くなるので、溶接不良が発生する可能性も高まる。

これに対し、本実施の形態にかかる金属部材１では、溶接境界線Ｌ１が一端と他端を結ぶ直線よりも長くしたことで、溶接境界線Ｌ１の接線の方向は、一方向ではなく、複数の方向（図中矢印ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５で示す方向）になる。このため、溶接された箇所の母材が熱膨張しても、上記引っ張る力により、突き合わせ部における未だ溶接されていない部分において、互いに突合わされた板材の突き合わせ端面の間隔が広がるように変位しようとするのが妨げられる。これにより、溶接不良の発生を効果的に抑制することができる。

[変形例１]
図２は、実施の形態１にかかる金属部材１の変形例を示す斜視図である。なお、図２に示した右手系ｘｙｚ座標は、図１と一致している。図１に示す例では、第１板材２と第２板材３とは板厚が同じであるが、これに限るものではなく、第１板材２と第２板材３とは互いに板厚が異なっていてもよい。図２に示すように、例えば、第２板材３の板厚ｔ２を第１板材２の板厚ｔ１よりも大きくしてもよい（ｔ２＞ｔ１）。金属部材１において、要求される強度が相対的に高い箇所に用いられる板材の厚さを厚くでき、要求される強度が相対的に低い箇所に用いられる板材の厚さを薄くできるため、金属部材の軽量化を実現することができる。

また、上述したように、溶接境界線が直線である場合、溶接された部分の熱膨張に起因して、突き合わせ部における未だ溶接されていない部分において、互いに突合わされた板材の突き合わせ端面の間隔が広がる。板厚の異なる板同士の突合わせ溶接では、未だ溶接されていない部分における、溶接された部分の熱膨張に起因する変形がより顕著になる傾向にある。このため、板厚の異なる板同士の突合わせ溶接において溶接境界線が直線である場合には溶接不良がより発生しやすい。板厚の異なる板同士の突合わせ溶接においても、本実施の形態にかかる金属部材１のように、溶接境界線Ｌ１が一端と他端を結ぶ直線よりも長くすることで、溶接不良の発生を効果的に抑制することができる。

[実施の形態２]
＜曲げ加工部材の構成＞
まず、図３を参照して、実施の形態２にかかる金属部材１１について説明する。
図３は、実施の形態２にかかる金属部材１１の構成を示す斜視図である。金属部材１１は、例えば車両用フレームに好適である。なお、図３の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図３に示すように、第１板材１２と第２板材１３とが、第１突き合わせ部Ｓ２および第２突き合わせ部Ｓ３において互いに突き合わされて溶接されている。すなわち、第１板材１２と第２板材１３とは２箇所の突き合わせ部において溶接されている。ここで、第１板材１２、第２板材１３は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、チタン、マグネシウムなどの卑金属にて形成されている。

第１突き合わせ部Ｓ２における、第１板材１２と第２板材１３との溶接の境目を第１溶接境界線Ｌ１１とする。また、第２突き合わせ部Ｓ３における、第１板材１２と第２板材１３との溶接の境目を第２溶接境界線Ｌ１３とする。第１溶接境界線Ｌ１１と第２溶接境界線Ｌ１３とはＲ部分Ｌ１２を挟んで隣接している。

第１溶接境界線Ｌ１１の一端Ｐ１１から他端Ｐ１２までの長さは、一端Ｐ１１と他端Ｐ１２とを結ぶ直線Ｌ１４の長さよりも長い。また、第２溶接境界線Ｌ１３は、第２溶接境界線Ｌ１３の一端Ｐ１３と他端Ｐ１４とを第２板材１３の表面に沿って最短で結ぶ線である。第１溶接境界線Ｌ１１における、Ｒ部分Ｌ１２とは反対側の端（第１溶接境界線Ｌ１１の他端Ｐ１２）は第１板材１２および第２板材１３の縁にある。また、第２溶接境界線Ｌ１３における、Ｒ部分Ｌ１２とは反対側の端（第２溶接境界線Ｌ１３の他端Ｐ１４）は第１板材１２および第２板材１３の縁にある。

このように、第１板材１２と第２板材１３との突合わせ溶接において、第１溶接境界線Ｌ１１の長さを、直線Ｌ１４の長さよりも長くすると、溶接境界線が直線である場合よりも接合部分の面積が増える。これにより、接合強度を向上させることができる。また、実施の形態１において説明したように、溶接された部分の母材が熱膨張することに起因する溶接不良の発生についても効果的に抑制することができる。

金属部材１１は、折り曲げ線Ｌ１５が第２溶接境界線Ｌ１３と直交する曲げ部１６を有している。第１溶接境界線Ｌ１１とＲ部分Ｌ１２とは、折り曲げ線Ｌ１５に対して同じ側にある。金属部材１１をこのように構成すると、後述するように、曲げ加工を実施した後、曲げ部１６と曲げ加工用型が干渉することなく最終生成部材である金属部材１１を曲げ加工用型から抜き出しすることができる。

第１板材１２と第２板材１３とは、互いに板厚が異なっていてもよい。例えば、第２板材１３の板厚ｔ２を第１板材１２の板厚ｔ１よりも大きくしてもよい（ｔ２＞ｔ１）。金属部材１１において、要求される強度が相対的に高い箇所に用いられる板材の厚さを厚くでき、要求される強度が相対的に低い箇所に用いられる板材の厚さを薄くできるため軽量化が図れる。すなわち、十分な接合強度を持ち、かつ、軽量化された金属部材を提供することができる。

＜曲げ加工部材の製造方法＞
次に、図４から図８を参照して、実施の形態２に係る金属部材１１の製造方法について説明する。図４は、実施の形態２に係る金属部材１１の製造方法を示すフローチャートである。図５から図８は、実施の形態２に係る金属部材１１の製造方法を示す模式図である。なお、図５から図８に示した右手系ｘｙｚ座標は、図３と一致している。

図４および図５に示すように、まず、金属部材１１を構成する素材である、第１板材１２と第２板材１３の切り出しを行う（ステップＳ１０１）。次に、図４および図６に示すように、第１板材１２と第２板材１３とを、第１突き合わせ部Ｓ２および第２突き合わせ部Ｓ３において互いに突き合わせて配置する（ステップＳ１０２）。

続いて、図４および図７に示すように、第１板材１２と第２板材１３とを、各突き合わせ部にて溶接する（ステップＳ１０３）。ここで、溶接方法は特に限定されないが、熱歪みを抑制する観点から、レーザ溶接を用いることが好ましい。そして、図４および図８に示すように、ステップＳ１０３で生成された中間生成部材１０に対してプレスにより曲げ加工を実施する（ステップＳ１０４）。すなわち、図８に示すように、中間生成部材１０を曲げ加工用型２０に配置し、所定の折り曲げ線Ｌ１５にて曲げ加工を実施する。

図７に示すように、中間生成部材１０において、第１突き合わせ部Ｓ２における、第１板材１２と第２板材１３との溶接の境目は第１溶接境界線Ｌ１１であり、第２突き合わせ部Ｓ３における、第１板材１２と第２板材１３との溶接の境目は第２溶接境界線Ｌ１３である。第１溶接境界線Ｌ１１と第２溶接境界線Ｌ１３とはＲ部分１２を挟んで隣接している。第１溶接境界線Ｌ１１の一端Ｐ１１から他端Ｐ１２までの長さは、一端Ｐ１１と他端Ｐ１２とを結ぶ直線Ｌ１４の長さよりも長い。また、第２溶接境界線Ｌ１３は、第２溶接境界線Ｌ１３の一端Ｐ１３と他端Ｐ１４とを第２板材１３の表面に沿って最短で結ぶ線である。さらに、折り曲げ線Ｌ１５は、第２溶接境界線Ｌ１３と直交する。

図４に示す、曲げ加工を実施するステップＳ１０４において、中間生成部材１０（図８参照）は、第２溶接境界線Ｌ１３が、曲げ加工後の最終生成部材を曲げ加工用型２０から抜き出しする方向に平行になり、かつ、第１溶接境界線Ｌ１１とＲ部分Ｌ１２とが、折り曲げ線Ｌ１５に対して同じ側にあるように、曲げ加工用型２０に対して配置される。
以上により、実施の形態２にかかる金属部材を製造することができる。

次に、第１溶接境界線Ｌ１１とＲ部分Ｌ１２とを、折り曲げ線Ｌ１５に対して同じ側にあるように、中間生成部材１０を曲げ加工用型２０に対して配置することの効果について詳しく説明する。

図９は、比較例にかかる金属部材１１１を、曲げ加工用型１２０から抜き出しする前の状態を模式的に示す斜視図である。なお、図９に示した右手系ｘｙｚ座標は、図３と一致している。図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。図９に示すように、折り曲げ線Ｌ１５がＲ部分Ｌ１２と交差している。このようにすると、図１０に示すように、金属部材１１１には、曲げ部１６において突出部分Ｄ１が形成される。このため、最終生成部材である金属部材１１１を曲げ加工用型１２０から抜き出しする際に、金属部材１１１は、曲げ部１６の突出部分Ｄ１において曲げ加工用型１２０と干渉してしまう。

図１１は、実施の形態２にかかる金属部材１１を、曲げ加工用型２０から抜き出しする前の状態を模式的に示す斜視図である。なお、図１１に示した右手系ｘｙｚ座標は、図３と一致している。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う断面図である。図１１に示すように、金属部材１１では、第１溶接境界線Ｌ１１とＲ部分Ｌ１２とは、折り曲げ線Ｌ１５に対して同じ側にある。このため、図１２に示すように、金属部材１１には、曲げ部１６において、比較例にかかる金属部材１１１のような突出部分は形成されない。このため、最終生成部材である金属部材１１を曲げ加工用型２０から抜き出しする際に、金属部材１１が、曲げ部１６において曲げ加工用型１２０と干渉することはない。すなわち、曲げ加工を実施した後、曲げ部１６と曲げ加工用型が干渉することなく最終生成部材である金属部材１１を曲げ加工用型から抜き出しすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１、１１金属部材
２、１２第１板材
３、１３第２板材
１０中間生成部材
１６曲げ部
２０曲げ加工用型

Claims

第１板材と第２板材が、少なくとも一の突き合わせ部で互いに突き合わされて溶接された金属部材であって、
前記突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接境界線の一端から他端までの長さは、前記溶接境界線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長い、金属部材であって、
前記第１板材と前記第２板材とが、第１突き合わせ部および第２突き合わせ部において互いに突き合わされて溶接され、
前記第１突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第１溶接境界線と、前記第２突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第２溶接境界線と、はＲ部分を挟んで隣接し、
前記第１溶接境界線の一端から他端までの長さは、前記第１溶接境界線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長く、
前記第２溶接境界線は、前記第２溶接境界線の一端と他端とを前記第２板材の表面に沿って最短で結ぶ線であり、
折り曲げ線が前記第２溶接境界線と直交する曲げ部をさらに有し、
前記第１溶接境界線と前記Ｒ部分とは、前記折り曲げ線に対して同じ側にある、金属部材。
前記第１板材と前記第２板材とは板厚が異なる、請求項１に記載の金属部材。
前記第１溶接境界線における、前記Ｒ部分とは反対側の端は前記第１板材および前記第２板材の縁にあり、前記第２溶接境界線における、前記Ｒ部分とは反対側の端は前記第１板材および前記第２板材の縁にある請求項１に記載の金属部材。
第１突き合わせ部および第２突き合わせ部を有し、互いに板厚が異なる第１板材と第２板材とを、前記第１突き合わせ部および前記第２突き合わせ部において互いに突き合わせて溶接するステップと、
前記溶接するステップにより生成された中間生成部材を曲げ加工するステップと、を備え、
前記中間生成部材は、
前記第１突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第１溶接境界線と、前記第２突き合わせ部における、前記第１板材と前記第２板材との溶接の境目である第２溶接境界線と、がＲ部分を挟んで隣接し、
前記第１溶接境界線の一端から他端までの長さが、前記第１溶接境界線の一端と他端とを結ぶ直線の長さよりも長く、
前記第２溶接境界線が、前記第２溶接境界線の一端と他端とを前記第２板材の表面に沿って最短で結ぶ線であり、
前記曲げ加工するステップにおいて、前記中間生成部材は、前記第２溶接境界線が、折り曲げ線が前記第２溶接境界線と直交するとともに曲げ加工後の最終生成部材を曲げ加工用型から抜き出しする方向に平行になり、かつ、前記第１溶接境界線と前記Ｒ部分とが、前記折り曲げ線に対して同じ側にあるように、前記曲げ加工用型に対して配置される、金属部材の製造方法。