JP7421135B2 - 継手構造、自動車部品及び継手構造の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明の第一態様に係る継手構造は、第1の板状部材と、前記第1の板状部材と板厚方向に重ねられた第2の板状部材と、前記第2の板状部材における前記第1の板状部材が重ねられた側と反対側に、前記板厚方向に重ねられた第3の板状部材と、前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材が重ねられた部分に形成されて前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合する複数の接合部と、を備え、前記複数の接合部が、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の端部に沿って間隔を空けて形成されており、前記第3の板状部材が、少なくとも前記複数の接合部の間において、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の前記端部で折り返されて、前記第1の板状部材における前記第2の板状部材が重ねられた側と反対側に配されている折り返し部を有することを特徴とする。
(2)本発明の第二態様に係る継手構造の製造方法は、第1の板状部材と板厚方向に第2の板状部材を重ねると共に、前記第2の板状部材における前記第1の板状部材が重ねられた側と反対側に、前記板厚方向に第3の板状部材を重ね、前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材が重ねられた部分に、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の端部に沿って間隔を空けて複数の接合部を形成して前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合すると共に、前記第3の板状部材に、少なくとも前記複数の接合部の間において、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の前記端部で折り返されて、前記第1の板状部材における前記第2の板状部材が重ねられた側と反対側に配されている折り返し部を形成することを特徴とする。
本発明者らは、複数の板状部材の接合部が破断する際における、複数の板状部材の形状変形に着目した。複数の板状部材の継手構造から構成される構造部材に応力が加えられた場合、接合部の破断に先立って、複数の板状部材の変形が生じる。この際、継手構造を構成する複数の板状部材同士の間に開口が生じる場合がある。この開口の近傍において、接合部の破断が優先的に生じることに本発明者らは着目した。これは、開口の近傍において接合部に剥離方向の力が働くからであると考えられた。
ここで本発明者らは、継手構造に開口の発生を防止する構造を導入することで、接合部に剥離方向の力が働くことを防ぎ、接合部の破断を抑制し、構造部材の最大荷重などの性能を向上できると考えた。
図2は、ハット形断面材31と平板32、33とをスポット溶接して製造した箱形断面部材5に、3点曲げ応力を加えた際の破断形態を示す図である。図2に示されるように、箱形断面部材5のハット形断面材31及び平板32、33には、曲げ応力が加えられた際に異なる形状変形が生じる。そのため、箱形断面部材5に曲げ応力が加えられると、断続的に形成されたスポット溶接部である複数の接合部35の間の非接合部において開口36が生じる。この開口36の両端において、接合部35を剥離させる方向の応力が生じ、接合部35に破断が生じる。
具体的には、例えば、図3Aに示されるように、本発明者らは、継手構造1を構成する第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部を、折り返した第3の板状部材13の折り返し構造130の間に収納することで、非接合部における開口36(図2参照)の発生を抑制し、接合部15に剥離方向の力が働くことを抑制し、これにより継手構造1の破断を軽減することができると考えた。
第3の板状部材13の折り返し構造130は、折り返し部131とその対向部133とこれらを連結する連結部135とで構成される。折り返し部131は、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部で折り返されて、第1の板状部材11における第2の板状部材12が重ねられた側と反対側に配されている部分である。対向部133は、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部を介して折り返し部131と矢印Z方向に対向する部分である。連結部135は、矢印Z方向に折り返し部131と対向部133とを連結する部分である。
しかしながら、折り返し構造130と、第1の板状部材11及び第2の板状部材12を接合する例えばスポット溶接のような接合部15とを組み合わせることによって、継手構造1の変形の初期段階において接合部15に剥離方向の力が働くことを抑制し、接合部15の抵抗力を最大限に発揮させることができる。
即ち、本実施形態に係る継手構造1は、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の接合部15と第3の板状部材13の折り返し構造130との相乗効果によって接合部15の破断を軽減するものである。
図3A、図3Bに示される、本発明の一実施形態に係る継手構造1は、第1の板状部材11と、第2の板状部材12と、第3の板状部材13と、複数の接合部15とを備える。第2の板状部材12は、第2の板状部材12の板厚方向に第1の板状部材11と重ねられている。第3の板状部材13は、第2の板状部材12における第1の板状部材11が重ねられた側と反対側に、第2の板状部材12の板厚方向に重ねられている。
矢印X方向、矢印Y方向及び矢印Z方向は互いに直交する方向である。矢印Z方向は、第2の板状部材12の板厚方向に相当する。
複数の接合部15は、第1の板状部材11、第2の板状部材12、及び第3の板状部材13が重ねられた部分に形成されて第1の板状部材11、第2の板状部材12、及び第3の板状部材13を互いに接合している。複数の接合部15は、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿って間隔を空けて形成されている。矢印X方向は、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿う方向、すなわち、複数の接合部15が間隔を空けて並ぶ方向に相当する。
第3の板状部材13は、折り返し部131を有する。折り返し部131は、少なくとも複数の接合部15の間において、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部で折り返されて、第1の板状部材11における第2の板状部材12が重ねられた側と反対側に配されている。折り返し部131は、少なくとも複数の接合部15の間において、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部で折り返されることにより、矢印X方向における複数の接合部15の間の範囲L内に位置する部分を少なくとも有する。以下に説明する折り返し部131は、矢印X方向における複数の接合部15の間の範囲L内に位置する部分を少なくとも有するものである。複数の接合部15の間隔(Lの長さ)の下限は10mmであり上限は150mmであることが望ましい。下限より小さいと、接合部15の増加によるコスト増となり、上限より大きいと部材の衝突特性の低下が大きくなる。より好適には下限を15mmあるいは20mm、上限を120mmあるいは100mmとして良い。
しかしながら、本実施形態に係る継手構造1が備える複数の板状部材のうちいずれか1つ以上の板状部材が、接合構造に関係しない端部(非接合端部)を有することは妨げられない。
また、上記以外の形態を有する接合部をさらに継手構造1が有することも妨げられない。即ち、本実施形態に係る継手構造1の構成をその一部又は全部で有する継手構造は、本実施形態に係る継手構造1に該当すると判断される。
第1の板状部材11及び第2の板状部材12は、継手構造1の強度を確保するものである。そのため、第1の板状部材11、第2の板状部材12、及び第3の板状部材13のうち1つ以上が鋼板であることが好ましく、さらに、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の一方又は両方は、高強度鋼板であることが好ましい。一般に、スポット溶接部には、高強度鋼板の引張強さが780MPa以上である場合に脆化の問題が生じる場合がある。
しかしながら、本実施形態に係る継手構造1では、後述するように第3の板状部材13の折り返し部131によって複数の接合部15に対する剥離方向の力が抑制されるため、スポット溶接部の破断の問題を解消し得る。従って、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の一方又は両方を引張強さ780MPa以上とすることにより、従来の継手構造に対する一層の優位性が発揮される。
折り返し構造130の内部、即ち、折り返し部131と対向部133との間には、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部が収納される。第1の板状部材11及び第2の板状部材12が、折り返し部131と対向部133とによって圧着されていてもよい。折り返し部131によって、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の間に開口が生じることを防止し、接合部15の剥離破断を妨げることができる。
引張強さが270MPaの鋼板は、「普通鋼板」と称されるものではなく、日本国で出版された「第5版 鉄鋼便覧 第3巻 材料の組織と特性」(The 3rd Volume “Microstructure and Properties of Materials”, Handbook of Iron and Steel 5th edition)、第102頁、図9・3によれば、IF(Interstitial Free)鋼板のことであり、「軟質鋼板」に分類される鋼板である。
なお、第3の板状部材13は、アルミニウム板でもよい。
上述のように、第3の板状部材13の折り返し部131は、継手構造1の接合強度を直接的に高めるものではなく、継手構造1の変形において開口の発生を防止するためのものである。そのため、第3の板状部材13の強度は、開口の発生を防止可能な程度であれば足りる。また、折り返し部131の幅は短すぎると、開口の発生を抑制する効果が小さく、大きすぎると重量の増加となる。
折り返し部131の幅とは、矢印Z方向から見て第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿う方向(矢印X方向)と直交する方向(矢印Y方向)に沿った幅のことである。折り返し部131の幅は3mm以上25mm以下であることが望ましい。より好適には、折り返し部131の幅は5mm以上20mm以下である。
なお、折り返し部131は、金型を使ったプレス方式もしくはロボットを用いたローラーヘム方式により形成する。ローラーヘム方式では、図3Aに示されるように、ロボット先端に取り付けたローラー140を第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿って(矢印X方向に沿って)移動させ、このローラー140で加圧しながら折り返し部131を形成する。ローラーヘム方式では、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部の形状に合わせて折り返し部131を逐次加工が可能であり、加工自由度が高い。したがって、プレス方式よりもローラーヘム方式の方が望ましい。
折り返し加工では、鋼板の引張強さが大きいとスプリングバック量が大きくなり、鋼板を折り返して近接させるのが難しくなる。また、板厚が厚いと折り返しが難しくなる。このため、折り返しに用いる、第3の板状部材13は引張強さが270MPa以上390MPa未満の鋼板であることが望ましい。また、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の引張強さは440MPa以上、2700MPa未満が望ましい。440MPa未満であると、構造物としての強度が得られにくく、2700MPa以上であると板材の母材が脆性的に破断する。下限は好ましくは590MPa以上であり、より好ましくは780MPa以上である。上限は好ましくは2200MPa未満である。
特に最近の、自動車の車体の軽量化と衝突安全向上の要求により、構造部品の高強度化が求められており、年々、自動車に使用する鋼板の強度は高まっている。例えば、箱形断面(閉断面構造)を有するサイドシルに関しても、リンフォースには、通常、少なくとも590MPa級以上の鋼板が用いられ、一方を超高強度化することで、リンフォースの内側と外側で使用する鋼板に強度差をつける場合であっても、側突性能の観点から最低でも440MPa級(400MPaから520MPa)以上の鋼板が用いられている。
また、第1の板状部材11および第2の板状部材12の板厚は1.0mm以上、3.6mm以下あることが望ましい。1.0mm未満であると、継手構造1が適用された構造物の強度が得られにくく、3.6mm以上であると、継手構造1が適用された構造物が重くなる。第1の板状部材11および第2の板状部材12の板厚の好適な下限は1.2mmであり、好適な上限は2.9mmである。
第3の板状部材13の板厚は0.5mm以上1.4mm以下であることが望ましい。第3の板状部材13の板厚が0.5mmより薄いと接合部15の破断を防止する効果が小さくなり、1.4mmより厚いと折り返し加工が難しくなる。第3の板状部材13の板厚は、好適には0.55mm以上でありさらに好適には0.60mm以上である。第3の板状部材13の板厚は好適には1.3mm以下であり、さらに好適には1.2mm以下である。
さらに第3の板状部材13の板厚は、第1の板状部材11の板厚および第2の板状部材12の板厚よりも薄いことが望ましい。第3の板状部材13の板厚を、第1の板状部材11の板厚および第2の板状部材12の板厚よりも薄くすると、第3の板状部材13の板厚が、第1の板状部材11の板厚および第2の板状部材12の板厚以上である場合に比して、折り返し131を容易に形成できる。好ましくは、第3の板状部材13は第1の板状部材11の板厚および第2の板状部材12のいずれの板厚より0.2mm以上薄いことが折り返し部131を容易に成形する観点から望ましい。より望ましくは0.4mm以上である。
また、これらの溶接法からなる群から選択された一種以上の溶接手段の併用でもよい。また、接合部15は非溶融接合手段(例えば機械的接合手段、又は摩擦撹拌点接合手段)等の任意の手段とすることができる。機械的接合手段の例として、ブラインドリベット、セルフピアシングリベット(自己穿孔リベット、SPR)、中空リベット、平リベット、ドリルネジ、ボルト、抵抗エレメント溶接、エレメントアーク溶接、EJOWELD(登録商標)、及びFDS(登録商標)等を挙げることができる。
摩擦撹拌点接合手段(FSSW:Friction Stir Spot Welding)とは、母材より相対的に硬い回転ツールを回転させながら母材に圧入し、母材を溶融させることなく接合する固相接合の一種である。
継手構造1に複数の接合部15を設け、溶接部から構成される接合部15及び非溶融接合手段から構成される接合部15の二種以上を一つの継手構造1において組み合わせることも妨げられない。
また、複数の接合部15は、機械的接合手段、摩擦撹拌点接合手段、スポット溶接部、シーム溶接部、及びレーザ溶接部からなる群から選択される一種以上でもよい。
このように、第1の板状部材11、第2の板状部材12、及び第3の板状部材13を互いに接合する複数の接合部15を、機械的接合手段、摩擦撹拌点接合手段、スポット溶接部、シーム溶接部、及びレーザ溶接部からなる群から選択される一種以上とした場合には、第1の板状部材11と第2の板状部材12とを接合する接合部と、第1の板状部材11及び第2の板状部材12と第3の板状部材13とを接着する接着部とによって構成される接着部は、接合部15に該当しない。
従来の継手構造においては、複数の接合部15が断続的に設けられている場合、継手構造に曲げ応力が加えられた際に、複数の接合部15の間の非接合部において第1の板状部材11と第2の板状部材12との間に開口が生じやすくなり、接合部15の剥離破断が促進される。
しかしながら、本実施形態に係る継手構造1においては、開口の発生を抑制する折り返し部131が設けられているので、接合部15の剥離破断を抑制できる。従って、複数の接合部15を断続的に設けることにより、従来の継手構造に対する一層の優位性が発揮される。
なお、後述する図27A、図28Aに例示されるように、第1の板状部材11又は第2の板状部材12の端部が直線状ではないことがあるが、この場合、折り返し部131の折り目部分に沿って複数の接合部15が設けられていればよい。折り返し部131の折り目部分は、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部と実質的に同一視することができる。
ただし、全ての複数の接合部15の間に折り返し部131を設ける必要はない。後述する図12に例示される継手構造1のように、複数の接合部15のうち一部の接合部15の間において折り返し部131が設けられなくともよい。継手構造1のうち、変形が生じやすく、重点的に破断を防止したい個所において折り返し部131を形成し、変形が生じにくい箇所においては折り返し部131を省略することができる。
また、折り返し部131を、矢印Z方向から継手構造1を見た場合に接合部15と重なる部分に設けることも、当然妨げられない。これにより、後述する溶接時の溶融金属の散り飛散防止効果が得られる。
図3A、図3B、及び図4に示される例では、矢印Z方向から見て複数の接合部15が折り返し部131に対して矢印Y方向にずれた位置に配置されている。即ち、複数の接合部15が折り返し部131の幅の範囲Wの外側に配置されてもよい。
一方、図3C、図5A、図5B、及び図6に示される例のように、複数の接合部15は矢印Z方向から見て折り返し部131と重なっていてもよい。即ち、複数の接合部15の各々が折り返し部131の幅の範囲Wの内側に配置されてもよい。
このように複数の接合部15の各々が折り返し部131の幅の範囲Wの内側に収まるように、折り返し部131の幅が設定されていると、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の間に開口が生じることを折り返し部131によって防止し、複数の接合部15の剥離破断を妨げる効果を高めることができる。
一方、図3Cにおいて、複数の接合部15は矢印Z方向から見て折り返し部131と重なっているが、折り返し部131と第1の板状部材11とを接合しないものとなっている。いずれの場合であっても、折り返し部131は第1の板状部材11及び第2の板状部材12の間に開口が生じることを防止し、複数の接合部15の剥離破断を妨げることができる。
複数の接合部15が矢印Z方向から見て折り返し部131と重なっており、さらに折り返し部131と第1の板状部材11とを接合するものとなっていると、複数の接合部15の接合強度が一層優れる。
一方、複数の接合部15が矢印Z方向から見て折り返し部131に対して矢印Y方向にずれた位置に配置されるように折り返し部131の幅が設定されていると、折り返し部131の幅を小さくすることができるので、軽量化及び材料コストの削減の観点で有利である。
上述の継手構造1の製造方法は特に限定されない。好ましい継手構造1の製造方法の一例は、図7に示されるように
(1)第1の板状部材11、第2の板状部材12、及び第3の板状部材13を重ねる工程(重ね工程)と、
(2)第3の板状部材13を折り返して折り返し部131を形成する工程(折り返し工程)と、
(3)第1の板状部材11、第2の板状部材12、及び第3の板状部材13を接合する工程(接合工程)を備える。
折り返し工程において、図3Aについて説明した通り、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿ってローラー140を移動させ、ローラー140で加圧しながら折り返し部131を形成してもよい。
また、図7に示される接合工程において、スポット溶接用の電極3が矢印Z方向から見て折り返し部131と重なる位置に配置されているが、電極3が矢印Z方向から見て折り返し部131に対して矢印Y方向にずれた位置に配置されてもよい。
電極3が矢印Z方向から見て折り返し部131と重なる位置に配置された場合、接合工程では、折り返し部131が第1の板状部材11、第2の板状部材12及び対向部133と接合され、図5A、図5B、及び図6に示される接合部15が得られる。
一方、電極3が矢印Z方向から見て折り返し部131に対して矢印Y方向にずれた位置に配置された場合、折り返し部131が第1の板状部材11、第2の板状部材12及び対向部133と接合されず、図3A、図3B、及び図4に示される接合部15が得られる。
接合部15の構成は、上に例示された形態のいずれであってもよい。さらに、複数の種類の接合工程を適宜組み合わせることにより、1つの継手構造1に複数種類の形態の接合部15を形成してもよい。即ち、継手構造1に複数含まれる接合部15の一部又は全部を、上述の形態とすることができる。第1の板状部材11、第2の板状部材12、折り返し部131、及び対向部133を接合することは、継手構造1の破断防止の観点からは最も有利である。しかしながら、製造設備に応じて図8に示されるように、第1の板状部材11と折り返し部131とを接合しないことは許容される。
通常の高強度鋼板のスポット溶接においては、溶融金属の散りが発生しやすいという問題がある。溶融金属の散りが構造物の外面に付着すると、塗装不良や外観不良などが生じる。また、溶融金属の散りを除去する工程を構造物の製造方法に設けると、構造物の製造工数の増大が生じる。
しかし、本実施形態に係る継手構造1では、第1の板状部材11および第2の板状部材12の端部を覆う折り返し部131が、溶接時の溶融金属の散りの飛散を防止する。
さらに、第1の板状部材11がホットスタンプ鋼板など硬質な鋼板の場合、折り返し部131を介さない状態で、直流スポット溶接すると、硬質な第1の板状部材11とスポット溶接の電極が直接触れる。このとき接触面の電流密度が高くなり、接触面の表面から溶接時の溶融金属の散りが発生することがある。
しかしながら、軟質な鋼板である第3の板状部材13に形成した折り返し部131が電極と接触するように配置すると、軟質な鋼板である折り返し部131に電極が食い込んで折り返し部131と電極との接触面積が広がり、接触面の電流密度が低下することで接触面の表面から溶融金属の散りが発生することを抑制できる。
爆飛とは、重ね抵抗溶接において、過大な溶接条件によって、溶接部が過熱され、爆発的に飛散し、溶接部に穴が開く現象であると通常は理解される。
しかしながら、溶接個所に接着剤が配されている場合、溶接中に接着剤が瞬間的に蒸発することにより、溶接条件が過大でなくとも溶接部が爆発的に飛散し、溶接部に穴が開くことがある。また、第1の板状部材11と第2の板状部材12との界面は、溶接金属の中央部又はその近傍に位置するため、この界面に配された接着剤は爆飛が生じさせる可能性が高い。
従って、接着剤は、第1の板状部材11と第2の板状部材12との間において、少なくとも溶接部から離隔して塗布することが望ましく、さらに、第1の板状部材11と第2の板状部材12との間を接着剤で接着しないことが一層望ましい。これにより、溶接品質を一層安定化させることができる。
従って、図24に例示されている継手構造1においては、接合部15をスポット溶接部としても通常は問題が生じないと考えられる。
ただし、電流密度が高い溶接条件で継手構造1を製造する必要がある場合は、第2の板状部材12と第3の板状部材13の対向部133との界面、及び第1の板状部材11と折り返し部131との界面においても、スポット溶接部と接着剤とを離隔させる方がよい場合があると考えられる。
また、接合部15が機械的接合手段、又は摩擦撹拌点接合手段等の非溶融接合手段である場合、爆飛の問題を考慮する必要がないので、接着剤の使用を制限する必要はない。図25に例示される継手構造1においては、接合部15を非溶融接合手段とすることが好ましい。
換言すると、折り返し部131が、各接合部15の位置において各接合部15と矢印Z方向に重なるように矢印Y方向に幅広く延在し、複数の接合部15の間においては矢印Y方向に狭く延在するものであってもよい。
これにより、複数の接合部15の剥離強度を一層高めながら、継手構造1の軽量化及び材料コストの削減を達成することができる。
図9に示される例において、折り返し部131には、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿って間隔を空けて複数の切欠き部132が形成されているが、折り返し部131には、一つの切欠き部132が形成されてもよい。
換言すると、折り返し部131が、複数の接合部15の間において矢印Y方向に幅広く延在し、複数の接合部15の位置においては各接合部15と矢印Z方向に重ならないように(矢印Y方向にずれるように)狭く延在するものであってもよい。このような構成においては、矢印Z方向から見て切欠き部132の内側に配された接合部15は第1の板状部材11と折り返し部131とを接合しない。
これにより、複数の接合部15の間の非接合部における開口発生を抑止しながら、継手構造1の軽量化を達成することができる。
図10に示される例において、折り返し部131には、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿って間隔を空けて複数の切欠き部132が形成されているが、折り返し部131には、一つの切欠き部132が形成されてもよい。
さらに、上述の構成は、折り返し部131が延びる方向(矢印Y方向)に曲率がある継手構造1を製造する際に容易に適用することができる。図11に示される例において、折り返し部131には、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部に沿って間隔を空けて複数の切欠き部132が形成されているが、折り返し部131には、一つの切欠き部132が形成されてもよい。
即ち、第1の板状部材11の端部及び第2の板状部材12の端部の一部が、複数の折り返し片131Aの間に位置しており、そのため、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部の一部が複数の折り返し片131Aの間から開放されていてもよい。
これにより、継手構造1のうち曲げ変形に対する強度を高める必要が無い箇所において第3の板状部材13の使用量を削減し、継手構造1の軽量化を達成することができる。また、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部が延びる方向(矢印Y方向)に曲率がある場合、図12の構造により、その曲率にあわせて折り返し部131を形成することができる。
線状とは、例えば図14に示されるような断続的な直線状、図15に示されるような連続的な直線状、及び図16に示されるようなジグザグの曲線状、又は波状を含むが、これに限定されない。図17に示されるように、接合部15としてのレーザ溶接部を第1の板状部材11及び第2の板状部材12の端部から若干離隔した箇所であって、折り返し部131の端部の側にあたる箇所に、平面視での形状が線状となるように形成してもよい。
1つの継手構造1において、これらの形状のうち一種のみを用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、1つの継手構造1において、レーザ溶接とスポット溶接を組み合わせてもよい。ただし、図23に示されるように、レーザ溶接と接着剤とを組み合わせることは、上述した爆飛を招く恐れがあるので好ましくない。
板状部材の枚数を5枚以上にすることも妨げられない。本実施形態に係る継手構造1が有する折り返し部131の効果は、板状部材の枚数とは関係しない。
曲げ部134が矢印Z方向へ膨らみを有することによって、曲げ部134が矢印X方向に延びるビードとして機能するため、折り返し部131の剛性を高め、接合部15の剥離破断を一層強固に防止することができる。
さらに、折り返し部131の曲げ部134に膨らみがあることで、第3の板状部材13が、アルミニウム板、高強度鋼板など局部延性が劣る材質でも曲げ部134での割れを抑制することが可能である。
曲げ部134の膨らみの大きさは特に限定されないが、例えば、矢印Z方向に沿った曲げ部134の内部の大きさが、第1の板状部材11及び第2の板状部材12の合計板厚の1.2倍以上、1.5倍以上、又は2.0倍以上であることが、剛性強化の観点からは一層有利である。
また、曲げ部134の膨らみの形状も特に限定されないが、矢印X方向から見た断面において曲げ部134が略円弧形状であることが、局所的な応力の集中を抑制できるので、剛性強化の観点からは一層有利である。
図28A、及びこれのXXVIIIB-XXVIIIB断面図である図28Bに示される追加接合部16は、対向部133と、第1の板状部材11と、折り返し部131とを接合し、第1の板状部材11と第2の板状部材12とを接合していない。図28AのXXVIIIC-XXVIIIC断面図である図28Cに示されるように、継手構造1で通常の接合部15と追加接合部16とが混在してもよい。第1の板状部材11及び第2の板状部材12のうち追加接合部16によって接合されていないものは、追加接合部16の位置において切欠き部18を有していてもよい。
ここで、折り返し部131のみならず、対向部133と第2の板状部材12又は第1の板状部材11とを追加接合部16によって接合することにより、曲げ変形発生時の非接合部での開口発生を、一層強固に防止することができる。また、このような切欠き部18を有する継手構造1によれば、切欠き部18を有する分、第1の板状部材11又は第2の板状部材12の使用量を削減し、継手構造1の軽量化及び材料コストの削減を達成することができる。
ここで、第1の骨格部材及び第2の骨格部材用の高強度鋼板を本実施形態に係る継手構造1の第1の板状部材11及び第2の板状部材12とし、アウタパネルを第3の板状部材13とすることができる。
即ち、図30Aに示される車体4の各箇所には、図30B~図30Gに示されるような自動車部品2が適用される。このような自動車部品2は、第1の骨格部材21と、第2の骨格部材22と、アウタパネル23と、複数の接合部25とを備える。第1の骨格部材21、第2の骨格部材22、アウタパネル23、及び複数の接合部25は、上述の継手構造1における、第1の板状部材11、第2の板状部材12、第3の板状部材13、及び複数の接合部15に相当する。
第2の骨格部材22は、第2の骨格部材22の板厚方向に第1の骨格部材21と重ねられている。アウタパネル23は、第2の骨格部材22における第1の骨格部材21が重ねられた側と反対側に、第2の骨格部材22の板厚方向に重ねられている。矢印X方向、矢印Y方向及び矢印Z方向は互いに直交する方向である。矢印Z方向は、第2の骨格部材22の板厚方向に相当する。
複数の接合部25は、第1の骨格部材21、第2の骨格部材22、及びアウタパネル23が重ねられた部分に形成されて第1の骨格部材21、第2の骨格部材22、及びアウタパネル23を互いに接合している。複数の接合部25は、第1の骨格部材21及び第2の骨格部材22の端部に沿って間隔を空けて形成されている。矢印X方向は、第1の骨格部材21及び第2の骨格部材22の端部に沿う方向、すなわち、複数の接合部25が間隔を空けて並ぶ方向に相当する。
アウタパネル23は、折り返し部231を有する。折り返し部231は、少なくとも複数の接合部25の間において、第1の骨格部材21及び第2の骨格部材22の端部で折り返されて、第1の骨格部材21における第2の骨格部材22が重ねられた側と反対側に配されている。
これにより、自動車の部品点数を増大させることなく、ピラー及びルーフレール等の自動車部品2の曲げ強度を向上させ、自動車の衝突安全性を向上させることができる。具体的には、本実施形態に係る自動車部品2を、Bピラー(図30C)に適用することにより側面衝突時の接合部25の破断を軽減することができ、ルーフレール(図30D)に適用することによりポール側面衝突時の接合部25の破断を軽減することができ、サイドシル(図30B)やAピラーの下部(図30E)に適用することによりスモールオーバーラップ衝突試験での接合部25の破断を軽減することができる。
また、本実施形態に係る自動車部品2を、バンパー(図30F)やフロントサイドメンバー(図30G)に適用することにより、前面衝突や後面衝突時の接合部25の破断を軽減することができる。
なお、自動車部品を本実施形態に係る継手構造1とすることで、副次的に部材の剛性も向上するため、車体の剛性及びNVH(ノイズ、振動、ハーシュネス)の向上にも寄与する。当然のことながら、自動車部品2が、上述した継手構造1の諸特徴を有してもよい。
例えば接合部25は、溶接部(スポット溶接部、シーム溶接部、及びレーザ溶接部等)であってもよいし、上述の接合部15について例示された種々の機械的接合手段、及び摩擦撹拌点接合手段等の非溶融接合手段であってもよい。接合部25の位置、接合部25が接合対象とする部材、切欠き部の有無及び位置、接着剤の有無、曲げ部における膨らみの有無、並びに追加接合部の有無等に関しても、上述した継手構造1のように適宜変形することができる。
また、継手構造1を備える自動車部品2において、アウタパネル23は、自動車の外装を構成する外装パネル(アウターサーフェスパネル)でもよい。
第一実施例では、本発明の効果を確認するために、FEMシミュレーションにより、本発明例による継手構造と従来技術による継手構造との曲げ変形に対する抵抗力を解析した。
第一実施例では、図31に示す、従来技術による継手構造41を備えた箱形構造部材42と、図32に示す、本発明例(本実施形態)による継手構造1を備えた箱形構造部材52の解析モデルを作成した。
これらの箱形構造部材42、52は、平板61、第1のハット形断面材62及び第2のハット形断面材63を、その端部にてスポット溶接部である複数の接合部15によって断続的に接合したものとした。平板61は、第1の板状部材に相当し、第1のハット形断面材62は、第2の板状部材に相当し、第2のハット形断面材63は、第3の板状部材に相当する。
第1のハット形断面材62の引張強さは270MPa(板厚:0.75mm)と設定し、第2のハット形断面材63及び平板61の引張強さは1800MPa(板厚:1.6mm)と設定した。複数の接合部15は50mmピッチで形成されたものと設定した。スポット溶接部である接合部15のナゲット径を第1のハット形断面材62と平板61との間及び第1のハット形断面材62と第2のハット形断面材63との間は4.3mm、第1のハット形断面材62と第2のハット形断面材63との間は6.3mmとした。
図32に示す、本発明例による箱形構造部材52においては、第2のハット形断面材63の端部が折り返し部131(幅15mm)を有するものと設定し、図31に示す、従来技術による箱形構造部材42においては、第2のハット形断面材63の端部が折り返し部131を有しないものと設定した。
なお、図32のFEMシミュレーションでは、折り返し部131が接合部15によって平板61と接合された解析モデルと、折り返し部131が接合部15によって平板61に接合されていない解析モデルの両方を想定した。
本発明例1は、折り返し部131が接合部15と重なっているが、折り返し部131が接合部15によって平板61に接合されていない解析モデル、すなわち、接合部15によって、平板61、第1のハット形断面材62及び第2のハット形断面材63が接合された解析モデル(3枚重ね溶接)である。
本発明例2は、折り返し部131が接合部15と重なっており、且つ、折り返し部131が接合部15によって平板61と接合された解析モデル、すなわち、接合部15によって、折り返し部131、平板61、第1のハット形断面材62及び第2のハット形断面材63が接合された解析モデル(4枚重ね溶接)である。
本発明例3は、接合部15によって、折り返し部131、平板61、第1のハット形断面材62及び第2のハット形断面材63が接合された解析モデル(4枚重ね溶接)であって、さらに折り返し部131に、複数の接合部15の間に位置する切欠き部132(図9参照)を設けた解析モデルである。
図38~図41は、インパクター変位と、インパクターに生じる荷重との関係を計算したグラフ(変位-荷重グラフ)である。図38は比較例(従来技術)、図39~図41は本発明例1~3をそれぞれ示す。
なお、本発明例1~3及び比較例(従来技術)の構成、及び計算結果をまとめると以下の表1の通りである。
具体的には、インパクター変位が約7mm、約20mm、及び約40mmの箇所などである。これらの箇所は、スポット溶接部である接合部の破断の発生を示す。従来技術による箱形構造部材では、インパクター変位が約7mmに達した段階で接合部の最初の破断が生じると計算された。また、比較例(従来技術)では、箱形構造部材の最大荷重は72kN程度であると計算された。
一方、図39に示されるように、本発明例1では、インパクター変位9mm程度で接合部が一旦破断するものの、その後の接合部の破断が軽減された結果、箱形構造部材の最大荷重は78kN程度まで改善されると計算された。
図40に示されるように、本発明例2では、接合部の破断は、インパクター変位が30mmに達するまで発生しないと計算された。箱形構造部材の最大荷重は88kN程度であると予想された。
図41に示されるように、本発明例3では、接合部の破断は、インパクター変位が35mmに達するまで発生しないと予想された。箱形構造部材の最大荷重は90kN程度であると計算された。
従って、本発明(本発明例1~3)では接合部の破断が抑制され、箱形構造部材の最大荷重が向上すると計算された。
上述の第一実施例では、第1のハット形断面材、第2のハット形断面材、及び平板の端部を重ね合わせて複数のスポット溶接部によって断続的に接合した箱形構造部材の解析モデルを作成し、この解析モデルをFEMシミュレーションにより解析したが、第二実施例では、図42に示されるように、第1のハット形断面材81及び第2のハット形断面材82の端部並びに第3の部材83を重ね合わせて複数の接合部15によって断続的に接合した箱形構造部材の実物モデルを作成した。箱形構造部材42は、比較例(従来技術)によるものであり、箱形構造部材52は、本発明例によるものである。
図42に示されるように、比較例(従来技術)による箱形構造部材42では第3の部材83を平板状とした。つまり、比較例(従来技術)による箱形構造部材42では第3の部材83が折り返し部を有していない。一方、本発明例による箱形構造部材52では、第3の部材83を、折り返し構造130を有する構成とした。折り返し構造130は、折り返し部131とその対向部133とこれらを連結する連結部135とで構成される。なお、第3の部材83は、本来はアウタパネルを想定したものであり、図30Bのアウタパネル23のように自動車部品2の片側(アウタ側)を覆う構造を想定したものであるが、本実験では、構造の簡略化のため図42に示すように第1のハット形断面材81及び第2のハット形断面材82の端部(フランジ部)だけに設定した。
第1のハット形断面材81及び第2のハット形断面材82の引張強さは2GPa級ホットスタンプ鋼板(板厚:1.6mm)とした。第3の部材83の引張強さは270MPa級GAめっき(板厚:0.7mm)とした。複数の接合部15はスポット溶接部であり、50mmピッチで形成した。
第3の部材83と第1のハット形断面材81との間及び第3の部材83と第2のハット形断面材82との間のナゲット径は4√t(t:0.7mm)=3.3mm以上となる条件で接合部15をスポット溶接により形成した。このとき、第1のハット形断面材81及び第2のハット形断面材82の間のナゲット径は4.5√t(t:1.6mm)=5.7mm以上となった。
本発明例による箱形構造部材52は、第1のハット形断面材81の端部、第2のハット形断面材82の端部、折り返し部131、及び対向部133がスポット溶接された4枚重ね溶接であり、比較例による箱形構造部材42は、第1のハット形断面材81の端部、第2のハット形断面材82の端部、及び平板状の第3の部材83がスポット溶接された3枚重ね溶接である。
図46は、インパクター変位と、インパクターに生じる荷重との関係を測定したグラフ(変位-荷重グラフ)である。グラフG1は比較例(従来技術)、グラフG2は本発明例をそれぞれ示す。
一方、グラフG2に示されるように、本発明例では、インパクターの変位が約50mm~約80mmの段階では、高い荷重を維持できている。また、本発明例では、比較例(従来技術)に比して最大荷重を高めることができている。これは、インパクターの変位が約50mm~約80mmの段階では、第1のハット形断面材81と第2のハット形断面材82との間で開口が抑制され、接合部15(図42参照)の破断が抑制されたからであると推測される。このように、本発明例では、接合部15の破断が抑制されるので、荷重が高い状態を維持できる共に、最大荷重を向上することができる。
2 自動車部品
3 電極
4 車体
11 第1の板状部材
12 第2の板状部材
13 第3の板状部材
14 第4の板状部材
15 接合部
16 追加接合部
17 接着剤
18 切欠き部
21 第1の骨格部材(第1の板状部材の一例)
22 第2の骨格部材(第2の板状部材の一例)
23 アウタパネル(第3の板状部材の一例)
25 接合部
52 箱形構造部材
61 平板(第1の板状部材の一例)
62 第1のハット形断面材(第2の板状部材の一例)
63 第2のハット形断面材(第3の板状部材の一例)
81 第1のハット形断面材
82 第2のハット形断面材
83 第3の部材
131 折り返し部
131A 折り返し片
132 切欠き部
133 対向部
135 連結部
140 ローラー
231 折り返し部
Claims (17)
- 第1の板状部材と、
前記第1の板状部材と板厚方向に重ねられた第2の板状部材と、
前記第2の板状部材における前記第1の板状部材が重ねられた側と反対側に、前記板厚方向に重ねられ、板厚が、前記第1の板状部材の板厚及び前記第2の板状部材の板厚よりも薄い第3の板状部材と、
前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材が重ねられた部分に形成されて前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合する複数の接合部
と、を備え、
前記複数の接合部が、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の端部に沿って間隔を空けて形成されており、
前記第3の板状部材が、少なくとも前記複数の接合部の間において、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の前記端部で折り返されて、前記第1の板状部材における前記第2の板状部材が重ねられた側と反対側に配されている折り返し部を有し、
複数の前記接合部は、前記板厚方向視して、前記折り返し部と重なっており、
1つの前記折り返し部の中で前記折り返し部と重なるすべての前記接合部が、前記第3の板状部材の前記折り返し部と、前記第1の板状部材とを溶接することなく、前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合する
ことを特徴とする継手構造。 - 前記複数の接合部が、前記第3の板状部材の前記折り返し部と、前記第1の板状部材とを接合する接合部を、前記1つの前記折り返し部の中で前記折り返し部と重なるすべての前記接合部とは別に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の継手構造。 - 前記複数の接合部が、前記板厚方向視して、前記折り返し部と重なる領域から外れた位置に配置される接合部を、前記1つの前記折り返し部の中で前記折り返し部と重なるすべての前記接合部とは別に有する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の継手構造。 - 前記折り返し部が、前記板厚方向視して、切欠き部を、前記複数の接合部の間において有する
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材が重ねられた部分に形成されて前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合する、前記複数の接合部とは別の接合部を有し、
前記折り返し部が、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の前記端部に沿って間隔を空けて形成された複数の切欠き部を有し、
前記板厚方向視して、前記複数の切欠き部に、前記別の接合部がそれぞれ位置する
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記折り返し部が、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の前記端部に沿って間隔を空けて形成された複数の折り返し片を有し、
前記第1の板状部材の前記端部及び前記第2の板状部材の前記端部それぞれの一部が、前記複数の折り返し片の間に位置する
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記複数の接合部が、機械的接合手段、摩擦撹拌点接合手段、スポット溶接部、シーム溶接部、及びレーザ溶接部からなる群から選択される一種以上であることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の継手構造。
- 前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材のうち1つ以上が鋼板である
ことを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の一方又は両方が、引張強さが780MPa以上の鋼板である
ことを特徴とする請求項1~8のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記第3の板状部材が、引張強さが270MPa以上390MPa未満の鋼板又はアルミニウム板である
ことを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記継手構造が、追加接合部をさらに備え、
前記第3の板状部材が、前記第1の板状部材及び第2の板状部材を介して前記折り返し部と対向する対向部を有し、
前記追加接合部は、前記対向部と、前記第2の板状部材と、前記折り返し部とを接合し、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材とを接合していないか、又は、前記対向部と、前記第1の板状部材と、前記折り返し部とを接合し、前記第1の板状部材と前記第2の板状部材とを接合していないことを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の継手構造。 - 前記継手構造が、前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材のいずれかと前記板厚方向に重ねられた第4の板状部材をさらに備え、
前記複数の接合部は、前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、前記第3の板状部材、及び前記第4の板状部材が重ねられた部分に形成されて前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、前記第3の板状部材、及び前記第4の板状部材を互いに接合する
ことを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載の継手構造。 - 請求項1~12のいずれか一項に記載の継手構造を備え、
前記第1の板状部材は、第1の骨格部材であり、
前記第2の板状部材は、前記第1の骨格部材と前記板厚方向に重ねられた第2の骨格部材であり、
前記第3の板状部材は、前記第2の骨格部材における前記第1の骨格部材が重ねられた側と反対側に、前記板厚方向に重ねられたアウタパネルである
ことを特徴とする自動車部品。 - 前記アウタパネルは、自動車の外装を構成する外装パネルである、
請求項13に記載の自動車部品。 - Aピラー、Bピラー、サイドシル、バンパー、フロントサイドメンバー、又はルーフレールであることを特徴とする請求項13に記載の自動車部品。
- 第1の板状部材と板厚方向に第2の板状部材を重ねると共に、前記第2の板状部材における前記第1の板状部材が重ねられた側と反対側に、前記板厚方向に第3の板状部材を重ね、
前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材が重ねられた部分に、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の端部に沿って間隔を空けて複数の接合部を形成して前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合すると共に、前記第3の板状部材に、少なくとも前記複数の接合部の間において、前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の前記端部で折り返されて、前記第1の板状部材における前記第2の板状部材が重ねられた側と反対側に配されている折り返し部を形成する継手構造の製造方法であって、
複数の前記接合部は、前記板厚方向視して、前記折り返し部と重なっており、
1つの前記折り返し部の中で前記折り返し部と重なるすべての前記接合部が、前記第3の板状部材の前記折り返し部と、前記第1の板状部材とを溶接することなく、前記第1の板状部材、前記第2の板状部材、及び前記第3の板状部材を互いに接合する
ことを特徴とする継手構造の製造方法。 - 前記第1の板状部材及び前記第2の板状部材の端部に沿ってローラーを移動させ、前記ローラーで加圧しながら前記折り返し部を形成する
ことを特徴とする請求項16に記載の継手構造の製造方法。
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