JP6965230B2 - 車両構成部材 - Google Patents

Description

本発明は溶接ビードにより接合されて構成される車両構成部材に関するものである。

従来、自動車等の車両の車体には、防錆力の大きい亜鉛めっき鋼板が用いられる。亜鉛めっき鋼板の溶接には目的に応じてさまざまな溶接方法が用いられている。例えば、衝突時の衝撃エネルギーを吸収するクラッシュボックスは亜鉛めっき鋼板のプレス部品をアーク溶接することによって組み立てられることが多い。

特開２０１６−１９８７９６号公報

アーク溶接は母材のみならずフィラー材をアーク熱で溶融させることによりビードを形成して接合する。溶接される母材の少なくとも一方が亜鉛めっきなどの施されためっき鋼板であると、鋼板表面のめっき材料が溶接の熱で気化するため、溶融池に気泡が発生する。この気泡が大気に抜けないままビード中に残るとブローホール（空洞）、膨れ、ピット（穴）が溶接部に形成される。これらの欠陥は溶接部（継手）の強度を低下させるため、製品に残ると不具合が生じる可能性がある。通常、これらの欠陥を含む製品は手溶接で修復されたり、溶接不良として破棄されたりしており、コストが掛かっている。

溶接不良の対策としては、例えば、溶接時の電流を上げ、溶接温度を高めることでめっき材料の気化を早くし、気化しためっき材料による気泡を減少させる方法がある。しかし、この方法は鋼板の一部が高温で溶け落ちるのを防ぐために手作業が必要となるという問題がある。また、溶接スピードを遅くし、溶接熱でめっき材料の気化を進ませ、気化しためっき材料による気泡を減少させる方法もあるが、溶接スピードが遅くなるため生産性が低下する。さらに、溶接される鋼板部材どうしに隙間を空けた状態で溶接し、その隙間を通して気泡を逃がすという方法もある。しかし、こうするには事前の試験で二つの鋼板部材を保持する治具を調節する必要があるため、生産準備の工数が増加するという問題がある。他にも、特開２０１６−１９８７９６号公報に記載されている方法が知られているが、本発明者らの実験により、条件によってはこの方法でもブローホールが生じることが分かった。したがって、溶接ビードにおけるブローホール、膨れ、ピットの形成を新たな方法で効果的に抑制することが望まれる。

本発明のひとつの態様は、車両構成部材であって、少なくとも第一と第二の鋼板部材を含み、その一方又は両方がめっき鋼板から形成されており、第一と第二の鋼板部材に溶接方向と交わる方向に延びる複数の溝が設けられており、双方の対応する溝が組み合わさってそれぞれ外部に通ずる通路を形成するように第一と第二の鋼板部材が重ね合わされており、第一の鋼板部材の表面と第二の鋼板部材の端面とが溶接ビードにより接合されている。

実施形態によっては、第一と第二の鋼板部材の対応する溝が幅方向に一致している。

実施形態によっては、溶接ビードが形成された側において第一の鋼板部材の溝の終端が溶接ビードの中に取り込まれている。

実施形態によっては、溶接ビードが形成されていない側において第一の鋼板部材の溝が終端でその鋼板部材の端面に開口している。また実施形態によっては、溶接ビードが形成されていない側において第一と第二の少なくとも一方の鋼板部材の溝の終端が他方の鋼板部材の縁よりも先まで延びている。

実施形態によっては、第一と第二の鋼板部材の各溝の深さが０．３ｍｍ以上である。また実施形態によっては、第一と第二の鋼板部材の対応する溝によって形成される各通路の断面積が０．１８ｍｍ^２以上である。

本発明の各種実施形態によれば、このようにして第一と第二の鋼板部材の双方に設けられた溝により両者にまたがる広い通路を形成し、溶接中に溶融池からそこを通って抜けるめっき材料のガスの流動性を良くすることによって、溶接ビードにおけるブローホール、膨れ、ピットの形成を効果的に抑制できる。

一つの実施形態としてのクラッシュボックスの断面図である。 図１のクラッシュボックスの組み立てに用いることのできる重ね溶接構造の斜視図である。 図２の鋼板部材の重ね部分の断面図である。 図３の二つの鋼板部材を溶接した後の断面図である。 図２の二つの鋼板部材の対向する溝により形成される通路の断面図である。 図５とは別の実施形態として、二つの鋼板部材の溝を連通したままずらした構造を示す断面図である。 さらに別の実施形態として、二つの鋼板部材の溝の寸法を変えた構造を示す断面図である。 参考形態として二つの鋼板部材の溝を独立するように食い違わせた構造を示す断面図である。 図２とは別の実施形態として、一方の鋼板部材の端をＬ字に曲げて他方に重ねた配置を示す斜視図である。 図９の鋼板部材の重ね部分の断面図である。

以下、本発明の各種実施形態について図面を参照しながら説明する。なお以下の実施形態のうち実質的な変更がない部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図１にひとつの実施形態としての自動車のクラッシュボックス１０の断面を示す。クラッシュボックス１０は自動車等の車両の車体に対しバンパーリインフォースメントを支持するとともに、車両の衝突時にバンパーリインフォースメントを通して受ける衝撃エネルギーを潰れながら吸収する。クラッシュボックス１０は通常筒状であり、鋼板のプレス部品を複数組み合わせて溶接により筒状となるように組み立てられる。図示した断面形状はあくまで一例であり、他の形状も可能である。

図２に上記のようなクラッシュボックス１０の組み立てに適用できる重ね溶接構造を示す。なお、以下に説明する溶接構造は、クラッシュボックス１０のみならず、複数の鋼板部材の溶接により組み立てられる任意の車両構成部材に適用することができる。そのような車両構成部材は、通常、鋼板のプレスにより必要な形状に成形された複数の鋼板部材から組み立てられる。しかし、鋼板以外の素材から形成された部材を含んでいても良い。複数のうち少なくとも二枚の鋼板部材１２、１４は部分的に重ね合わせられ、重ね部で線状に溶接される。溶接される二つの鋼板部材１２、１４の一方または両方はめっき鋼板から形成されたものとする。めっき鋼板は例えば亜鉛めっき鋼板やアルミめっき鋼板である。

図２、図３、図５に示すように、二つの鋼板部材１２、１４にはそれぞれ、溶接方向と（例えば直角に）交差する方向に延びる複数の溝１６、１８が設けられる。二つの鋼板部材１２、１４を重ね合わせたとき、双方の対応する溝１６、１８が一対で組み合わさってそれぞれ外部に通ずる通路２０を形成する。溝１６、１８の断面形状は三角形（Ｖ字形）、半円形、台形など、任意の形状とすることができる。溝１６、１８はコイニングと呼ばれるプレス加工あるいは冷間鍛造により形成することができる。三角形であればコイニング時の溝１６、１８のプレス成形性を高めることができる。溝１６、１８を三角形にする場合、底の角度θ（つまりプレス型の稜線の角度）は９０度など、任意の値とすることができる。

二つの鋼板部材１２、１４の各溝１６、１８の深さｄは０．３ｍｍ以上とするのが好ましい。当然ながら、溝１６、１８の深さｄは鋼板部材１２、１４の板厚ｔ未満である。また、対向する溝１６、１８によって形成される各通路２０の断面積は０．１８ｍｍ^２以上とするのが好ましい。例えば、直角三角形の溝１６、１８を組み合わせて対角線０．６ｍｍの正方形断面を有する通路２０を形成しても良い。あるいは、対角線１．０ｍｍの正方形としてもよい。鋼板部材１２、１４の表面での溝１６、１８の開口幅ｗは０．６ｍｍ以上とするのが好ましいが、これ未満であってもよい。溝１６、１８の形状や大きさは二つの鋼板部材で同じとすればよいが、例えば図７に示すように異なっていても良い。

溝１６、１８のピッチｐは３ｍｍ以下とするのが好ましいが、これを超えてもよい。溝１６、１８の本数は例えばピッチｐと必要な溶接長さに基づいて決定することができる。二つの鋼板部材１２、１４の対応する溝１６、１８で通路２０が形成される限り、溝１６、１８のピッチｐは一定でなくても良い。

対向する各対の溝１６、１８はそれぞれ中心線が一致するようにするのが好ましい。しかし、図６に示したように一対で通路２０が形成される範囲で互いにずらすことも可能である。当然ながら、溝１６、１８の形状や寸法が同じであれば、このようにずらしても通路２０の断面積は変わらない。各対の溝１６、１８をそれぞれ幅方向に一致させることにより、同じ断面積の通路であっても溝が交互に食い違う場合と比べて流動抵抗を抑え、効果的にガスを排出できる。図８は、双方の鋼板部材１２、１４の溝１６、１８を互い違いに配置し、各溝１６、１８を独立させたものである。この場合、各溝がそれぞれ半分の断面積の通路９０を形成する。

溶接は線状の接合部を形成することのできる方法であれば任意の方法で行うことができる。しかし、溶接ワイヤーや消耗式電極を溶加材として用いて溶接ビード２２を形成することにより接合するアーク溶接やレーザーアークハイブリッド溶接が好ましい。本願ではこれらを総称してアーク溶接という。このようなアーク溶接によって形成される溶接ビード２２には溶接部の強度を低下させるブローホール（空洞）、膨れ、ピット（穴）が発生しないようにすることが望まれる。

アーク溶接を用いる場合、重ね合わされた二つの鋼板部材１２、１４は隅肉溶接で接合するとよい。つまり、端どうしで重ね合わされた一方の鋼板部材（第一の鋼板部材）１２の表面３２と他方の鋼板部材（第二の鋼板部材）１４の端面２８とを溶接ビード２２により接合する。例えば、図１に示したように、クラッシュボックス１０を製造する二つの鋼板部材のうち一方の鋼板部材１２の両端２４を他方の鋼板部材１４の対応する端２６の内側に重ね合わせ、アーク溶接により内側の鋼板部材１２の表面３２と外側の鋼板部材１４の端面２８の間に溶接ビード２２を形成して両者を接合する。図２の二点鎖線は溶接ビード２２の大まかな位置を表している。

このとき、溶接ビード２２が形成される側４２では、図４に示すように、二つの鋼板部材１２、１４の溝１６、１８はアーク熱で溶融した材料で部分的に埋まり、溶接ビード２２の一部となる。特に、第一の鋼板部材１２の溝１６は、終端３６が溶接後に溶接ビード２２の中に取り込まれるような寸法とするのが良い。こうすることで、衝突の衝撃が加わったときに溶接ビード２２近傍の表面３２に露出した溝が車両構成部材の変形の起点となって接合部の強度が低下することがないようにできる。このため、車両構成部材は衝突時の衝撃エネルギーを吸収するためのクラッシュボックスであると特に好ましい。

一方、溶接ビード２２を形成しない側４４では、図３、図４に示すように、二つの鋼板部材１２、１４の溝１６、１８は組み合わさって外部に通ずる通路２０を形成し、アーク熱で蒸発した亜鉛等のめっき材料のガスをそこから（図４の矢印が示すように）排出することができる。特に、第一の鋼板部材１２の溝１６は、終端３８でその鋼板部材１２の端面３０に開口させるとよい。また、第二の鋼板部材１４の溝１８の終端４０は、第一の鋼板部材１２との合わせ面の端よりも先、つまり相手の鋼板部材１２の端面３０よりも先まで所定の長さａだけ延ばすのがよい。こうすることで、通路の出口を広く確保し、ガスを溶融池から効果的に排出することができる。しかし、第一の鋼板部材１２の溝１６がその鋼板部材１２の端面３０に開口しているときは、第二の鋼板部材１４の溝１８を必ずしもその端面３０より先まで延ばす必要はない。

あるいは別の実施形態として、図９、図１０に示したように、第二の鋼板部材１１４の端をＬ字に曲げてその側面を第一の鋼板部材１１２の表面１３２に重ね、この状態で隅肉溶接を行っても良い。図１０に示すように、この場合も同様に、溶接ビード１２２を形成しない側１４４では第一の鋼板部材１１２の溝１１６の終端１４８を相手の鋼板部材１１４との合わせ面の端よりも所定長さｂだけ先まで延ばすのがよい。あるいは、第二の鋼板部材１１４の溝１１８の終端１５０がその鋼板部材１１４のＲ部１４６に差し掛かるようにするのが良い。

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。

〈実験例〉
上述のような構造を有するクラッシュボックスを実際に溶接で組み立て、溶接部を切断してブローホールや膨れの有無を調べる実験を行った。試作したクラッシュボックスは全て図１に示すような断面を有するものである。まず、亜鉛めっき鋼板をプレス成形して、二つの鋼板部材を作製した。鋼板部材には、コイニングにより表１に示した番号１〜８の様々なパターンで複数の平行な溝を形成した。なお、パターン０として、比較のためにいずれの鋼板部材にも溝を設けないクラッシュボックスも作製した。いずれの溝もＶ字断面であり、底の角度は９０度とした。したがって溝の開口幅は深さの２倍である。また、いずれの溝も相手の鋼板部材の端面から長さ５ｍｍだけ突出させ、溝の並びのピッチを３ｍｍとした。パターン１、３は図５に示したように双方の鋼板部材の溝を幅方向に一致させ、パターン２、４は図８に示したように溝を半ピッチだけ食い違うように形成した。「通路断面積」は通路一本当たりの断面積である。つまり、溝が一致している場合は対応する二つの溝が組み合わさってできた正方形断面の通路の断面積であり、溝が食い違っている場合はそれぞれの溝によって形成される三角形断面の通路の断面積である。パターン５、６は内側の鋼板部材のみ、パターン７、８は外側の鋼板部材のみに溝を形成した。

次に、二つの鋼板部材をアーク溶接することによりクラッシュボックスを組み立てた。具体的には、二つの鋼板部材の縁どうしを重ね合わせ、隅肉溶接により内側の鋼板部材の表面と外側の鋼板部材の端面とを溶接ビードにより接合した。このように作成した各クラッシュボックスについて、目視で溶接ビードの膨れやピットの有無を調べるとともに、ブローホールの存在が疑われる部分を図４に示すように切断してその有無を調べた。この結果も表１に示す。

表１からわかるように、双方の鋼板部材に溝が形成されており、溝が幅方向に一致しているときに良好な結果が得られた（パターン１、３）。これは、一致した溝が二つの鋼板部材にまたがる広い通路を形成したことにより、溶接中に溶融池からそこを通って抜ける亜鉛ガスの流動性が良くなったためであると考えられる（図４参照）。実際、通路の出口周辺には亜鉛酸化物と思われる白い粉が多く付着しているのを確認した。したがって、溝が完全に一致せず図６のように少しずれている場合でも同様に良好な結果が得られると考えられる。

また、結果をさらに具体的に見ると、溝の相対位置が一致し、深さ０．３ｍｍ以上、あるいは通路の断面積を０．１８ｍｍ^２以上とすると良好な結果が得られることが分かる。なお、パターン４、６、８の結果に「（省略）」とあるのは、良好な結果が得られなかったパターン２、５、７のより溝の深さがそれぞれ０．２ｍｍだけ小さいため、より良い結果が見込めないと判断し、実験を打ち切ったことを意味する。

１０ クラッシュボックス
１２ 第一の鋼板部材
１４ 第二の鋼板部材
１６、１８ 溝
２０ 通路
２２ 溶接ビード
２４、２６ 鋼板部材の端
２８、３０ 鋼板部材の端面
３２ 第一の鋼板部材の表面
３６、３８、４０ 溝の終端
４２ 溶接ビードを形成する側
４４ 溶接ビードを形成しない側
９０ 通路
１１２ 第一の鋼板部材
１１４ 第二の鋼板部材
１１６、１１８ 溝
１２２ 溶接ビード
１３２ 第一の鋼板部材の表面
１４４ 溶接ビードを形成しない側
１４６ 第二の鋼板部材のＲ部
１４８、１５０ 溝の終端
ａ、ｂ 溝の突出長さ
ｐ 溝のピッチ
ｔ 鋼板部材の板厚
ｗ 溝の開口幅
θ 溝の底の角度

Claims (8)

1. 車両構成部材であって、
   少なくとも第一と第二の鋼板部材を含み、その一方又は両方がめっき鋼板から形成されており、
   第一と第二の鋼板部材に溶接方向と交わる方向に延びる複数の溝が設けられており、
   双方の対応する溝が組み合わさってそれぞれ外部に通ずる通路を形成するように第一と第二の鋼板部材が重ね合わされており、第一の鋼板部材の表面と第二の鋼板部材の端面とが溶接ビードにより接合されており、
   第一と第二の鋼板部材の対応する溝が幅方向に一致している、車両構成部材。
2. 請求項１の車両構成部材であって、溶接ビードが形成された側において第一の鋼板部材の溝の終端が溶接ビードの中に取り込まれている、車両構成部材。
3. 請求項２の車両構成部材であって、バンパーリインフォースメントを支持し衝突時の衝撃エネルギーを吸収するためのクラッシュボックスである車両構成部材。
4. 請求項１から３の何れかの車両構成部材であって、溶接ビードが形成されていない側において第一の鋼板部材の溝が終端でその鋼板部材の端面に開口している、車両構成部材。
5. 請求項１から４のいずれかの車両構成部材であって、溶接ビードが形成されていない側において第一と第二の少なくとも一方の鋼板部材の溝の終端が他方の鋼板部材の縁よりも先まで延びている、車両構成部材。
6. 車両構成部材であって、
   少なくとも第一と第二の鋼板部材を含み、その一方又は両方がめっき鋼板から形成されており、
   第一と第二の鋼板部材に溶接方向と交わる方向に延びる複数の溝が設けられており、
   双方の対応する溝が組み合わさってそれぞれ外部に通ずる通路を形成するように第一と第二の鋼板部材が重ね合わされており、第一の鋼板部材の表面と第二の鋼板部材の端面とが溶接ビードにより接合されており、
   溶接ビードが形成されていない側において第一と第二の少なくとも一方の鋼板部材の溝の終端が他方の鋼板部材の縁よりも先まで延びている、車両構成部材。
7. 請求項１から６のいずれかの車両構成部材であって、第一と第二の鋼板部材の各溝の深さが０．３ｍｍ以上である、車両構成部材。
8. 請求項１から７のいずれかの車両構成部材であって、第一と第二の鋼板部材の対応する溝によって形成される各通路の断面積が０．１８ｍｍ²以上である、車両構成部材。
   

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