JPWO2015182549A1 - 自動車車体における部材の接合構造 - Google Patents

Abstract

１４７０ＭＰａ以上の引張強度の焼入れ部を有する自動車車体の構造部材の耐荷重性能の低下のみならず、溶接によるＨＡＺ軟化に伴う衝撃吸収性能の低下をも抑制する。外向きフランジを有さない閉じた中空の横断面を有する鋼製のその長手方向に、引張強度が１４７０ＭＰａ以上の焼入れ部と、引張強度が７００ＭＰａ未満の母材部と，焼入れ部（１６）と母材部（１８）との間に遷移部（１７）とを備える第１の部材（１１）と、第１の部材（１１）に重ね合わされた鋼製の第２の部材（１２）とが、重ね合わせ部で溶接された自動車車体における部材の接合構造（１０）であって、重ね合わせ部は、第１の部材（１１）の焼入れ部（１６）から遷移部（１７）を経て母材部（１８）にまたがって存在するとともに、溶接により形成される溶接部（１３）は、第１の部材（１１）において遷移部（１７）または母材部（１８）に存在する。

Description

本発明は、自動車車体における部材の接合構造に関する。

図６は、本出願人が特許文献１，２等により開示した三次元熱間曲げ焼入れ（3DQ:3 Dimensional Hot Bending and Quench）を示す説明図である。

三次元熱間曲げ焼入れでは、図６に示すように、長尺の鋼材１が、支持ロール２により支持されるとともに送り装置３によりその軸方向へ送られながら、高周波加熱コイル４によりＡｃ_３点以上に急速に加熱され、部分的に高温部１ａを形成し、直後に水冷装置（図示しない）により急速に冷却される。

これにより、鋼材１には、長手方向へ移動しながら焼入れされ超高強度な部位が形成される。また，鋼材１を送りながら支持する可動ローラダイス５が直交座標系で二次元または三次元に変位することにより、曲げモーメントまたはせん断力が上述の鋼材１の高温部１ａに与えられ、屈曲部が形成される。この屈曲された高温部１ａを急速に冷却することによって、焼入れされた屈曲部を有する曲げ部材６が三次元熱間曲げ焼入れにより製造される。

本出願人は、自動車車体の強度部材やＡピラーが三次元熱間曲げ焼入れにより製造されることを特許文献３により開示した。

自動車車体の鋼製の構造部材は、主にスポット溶接やアーク溶接あるいはレーザ溶接といった溶接により、他の部材（他の構造部材や成形パネル）と接合される。三次元熱間曲げ焼入れにより製造された構造部材の焼入れ部の引張強度は１４７０ＭＰａ以上に達する。このため、この構造部材をその焼入れ部により他の部材と溶接すると、マルテンサイトが焼き戻されて硬さが低下する現象（いわゆるＨＡＺ軟化）が発生する。衝撃荷重がＨＡＺ軟化を発生した構造部材に負荷されると、ＨＡＺ軟化した部分を起点として構造部材の破断が発生する。このため、この構造部材が本来有する優れた衝撃吸収性能が十分に発揮されない。

三次元熱間曲げ焼入れにおいて高温部１ａの冷却速度を部分的に適宜調整すること、または加熱しないことにより、三次元熱間曲げ焼入れにより製造される構造部材の一部に部分的に焼入れが行われずに母材の引張強度とほぼ同じままの引張強度を有する部分（本明細書では「母材部」という）を形成することが、この対策として考えられる。ＨＡＺ軟化は、三次元熱間曲げ焼入れにより製造された構造部材をこの母材部により他の部材と溶接することにより、防止される。

この対策では、焼入れ部とともに母材部が構造部材の一部に設けられるため、構造部材の耐荷重性能が低下するおそれがある。

特許第４８２５０１９号明細書 特開２０１２−２５３３５号公報 ＰＣＴ／ＪＰ／２００８／０５６３７１

これまで、１４７０ＭＰａ以上の引張強度の焼入れ部を有する自動車車体の構造部材の耐荷重性能を低下せずに、溶接によるＨＡＺ軟化に伴う衝撃吸収性能の低下を抑制できる、自動車車体における部材の接合構造は、知られていない。

本発明は以下に列記の通りである。
（１）外向きフランジを有さない閉じた中空の横断面を有し、一の方向へ延びるとともに、該一の方向へ、引張強度が１４７０ＭＰａ以上の焼入れ部、引張強度が７００ＭＰａ未満の母材部、および、前記焼入れ部と前記母材部との間に引張強度が前記焼入れ部の引張強度から前記母材部の引張強度へ次第に変化する遷移部を備える鋼製の第１の部材と、前記第１の部材の外面の一部に重ね合わせ部により重ね合わされる鋼製の第２の部材とを備え、前記第１の部材および前記第２の部材が前記重ね合わせ部において溶接される、自動車車体における部材の接合構造において、
前記重ね合わせ部は、前記第１の部材の前記焼入れ部から前記遷移部を経て前記母材部に跨って存在すること、および
前記溶接により形成される溶接部は、前記第１の部材において前記遷移部または前記母材部に存在すること
を特徴とする自動車車体における部材の接合構造。
（２）前記一の方向について、前記第１の部材の前記焼入れ部を臨む側の前記第２の部材の端部から当該第１の部材の前記焼入れ部の端部までの長さＸ（ｍｍ）と、前記第１の部材の前記焼入れ部を臨む側の前記溶接部の端部から前記第１の部材の前記焼入れ部を臨む側の前記第２の部材の端部までの長さＬ（ｍｍ）との比（Ｘ／Ｌ）は０．２５以上である１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。

ただし、長さＸは、第１の部材の焼入れ部を臨む側の第２の部材の端部の位置を原点とする前記一の方向への座標により示す。
（３）前記溶接部は、アーク溶接部、レーザ溶接部または抵抗スポット溶接部である１項または２項に記載された自動車車体における部材の接合構造。
（４）前記第１の部材は、矩形の横断面形状を有するとともに、前記第２の部材は、前記第１の部材の三辺と重なり合うハット型の横断面を有する第３の部材と、該第３の部材の二つのフランジと重なり合って接合されるとともに、前記第１の部材の残りの一辺と重なり合う第４の部材とにより構成される１項から３項までのいずれか１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。
（５）前記第２の部材は、前記溶接部を形成する際の作業穴である接合穴を有する１項から４項までのいずれ１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。
（６）前記第１の部材は、三次元熱間曲げ焼入れにより製造されたものである１項から５項までのいずれか１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。

本発明に係る自動車車体における部材の接合構造を、例えば、Ａピラーとサイドシルとの接合部や、Ａピラーとルーフレールとの接合部、あるいはドアビームとその取付部等に適用することにより、１４７０ＭＰａ以上の引張強度の焼入れ部を有する自動車車体の構造部材の耐荷重性能を低下することなく、溶接によるＨＡＺ軟化に伴う衝撃吸収性能の低下を抑制することが可能になる。

図１は、本発明に係る自動車車体における部材の接合構造を示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図であり、図１（ｃ）は、第１の部材の焼入れ部、遷移部および母材部の引張強度を示すグラフである。 図２は、本発明者らが、図１（ａ），図１（ｂ）に示す構造を有する自動車車体用溶接継手について行ったＦＥＭ解析の条件を示す説明図である。 図３は、解析したケース（ベース，ケースＡ〜Ｆ）をまとめて示す説明図である。 図４は、解析したケース（ベース，ケースＡ〜Ｆ）の解析結果をまとめて示すグラフである。 図５は、焼入れ部、遷移部および母材部の引張強度の分布を示すグラフである。 図６は、三次元熱間曲げ焼入れを示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る自動車車体における部材の接合構造を説明する。

図１は、本発明に係る自動車車体における部材の接合構造１０を示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図であり、図１（ｃ）は、第１の部材１１の焼入れ部、遷移部および母材部の引張強度を示すグラフである。なお、図１（ｂ）は、各構成部材の板厚中心位置を示す。

図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、本発明に係る接合構造１０は、第１の部材１１と、第２の部材１２とを有する。

第１の部材１１は、図６を参照しながら説明した熱間三次元曲げ加工方法により製造されたものである。なお、図面を見易くするため、第１の部材１１における屈曲部は省略して示す。

第１の部材１１は、外向きフランジを有さない閉じた中空の横断面形状を有する。図１の例では、第１の部材１１は、いわゆる角型鋼管を加工したものであって、四角形（矩形）の横断面形状を有する。

第１の部材１１は、四角形の横断面形状に限定されるものではない。第１の部材１１は、三角形や五角形等の四角形以外の多角形の横断面形状を有してもよく、あるいは、円形や楕円形等の横断面形状や、これらを部分的に組み合わせて得られる横断面形状を有していてもよい。

第１の部材１１は、一の方向（図１（ａ）における白抜き矢印方向）へ延びる鋼製の部材である。第１の部材１１は、図１（ｃ）に示すように、焼入れ部と、遷移部と、母材部とを、一の方向へ向けてこの順に並んで備える。なお、焼入れ部、遷移部、母材部は、後述する図３を参照しながらさらに説明する。

焼入れ部は、マルテンサイトからなる金属組織を有し、１４７０ＭＰａ以上の引張強度を有する。母材部は、７００ＭＰａ未満の引張強度を有する。さらに、遷移部は、焼入れ部と母材部との間で、引張強度が焼入れ部の引張強度から母材部の引張強度へ次第に変化する遷移領域である。

薄鋼板（steel sheet）から溶接鋼管を製作し、この溶接鋼管を素管として三次元熱間曲げ焼入れにより第１の部材１１を製作する。薄鋼板は、焼入れによって所望の硬度が得られるように鋼成分等の設計調整がなされる。薄鋼板の強度は、溶接管への加工等を考慮して、通常は７００ＭＰａ程度またはそれ以下とされる。

第２の部材１２は、鋼製であって、一の方向における第１の部材１１の外面１１ａの一部に重ね合わされる。この重ね合わせ部は、第１の部材の焼入れ部から遷移部を経て母材部に跨って存在する。

第２の部材１２は、第１の部材１１との重ね合わせ部に、第１の部材１１と接合する溶接部１３を有する。溶接部１３はアーク溶接部であるが、アーク溶接部に限定されるものではなく、レーザ溶接部や抵抗スポット溶接部であってもよい。

第２の部材１２は、第３の部材１４と第４の部材１５とにより構成される。第３の部材１４は、第１の部材１１の三辺１１−１，１１−２，１１−３と重なり合うとともに二つの外向きフランジ１４ａを有するハット型の横断面形状を有する。一方、第４の部材１５は、いわゆるクロージングプレートであって、第３の部材１４の二つのフランジ１４ａと重なり合って接合されるとともに第１の部材１１の残りの一辺１１−４と重なり合った状態で溶接により接合される。

第２の部材１２は、上下左右面に第１の部材１１と溶接するための作業穴である接合穴１２ａを有しており、接合穴１２ａの縁で第１の部材１１にアーク溶接される。

このように、本発明に係る接合構造１０は、第１の部材１１を第２の部材１２により挟み込んだ構造を有しており、第２の部材１２の上下左右面に設けられた接合穴１２ａの縁をアーク溶接することにより、第２の部材１２は第１の部材１１に接合されている。

接合構造１０における溶接部１３は、第１の部材１１における遷移部または母材部にのみ存在する。これにより、接合構造１０は、１４７０ＭＰａ以上の引張強度の焼入れ部を有する自動車車体の構造部材の耐荷重性能を低下させずに、溶接によるＨＡＺ軟化に伴う衝撃吸収性能の低下を抑制できる。この理由を説明する。

図２は、本発明者らが、図１（ａ），図１（ｂ）に示す構造を有する接合構造１０について行ったＦＥＭ解析の条件を示す説明図である。

上述のように、第２の部材１２の接合穴１２ａに相当する第１の部材１１の位置を母材部として第１の部材１１に第２の部材１２を接合すれば、ＨＡＺ軟化による強度差を回避でき、衝撃荷重負荷時の応力集中による第１の部材１１の破断の懸念を抑制できる。

しかし、第１の部材１１に設ける母材を軸方向へ長くとると、耐荷重性能(load resistant performance)が低下する可能性がある。そこで、図１（ａ），図１（ｂ）に示す構造を有する接合構造１０における第１の部材１１と第２の部材１２が重なる部分について、図２に示す解析条件で、焼入長さと耐荷重性能をＦＥＭ解析により調査した。

図２に示すように、第１の部材１１は、全長２８０ｍｍ、断面形状が３５×４５ｍｍの矩形、板厚が１．４ｍｍである。第２の部材１２は、第３，４の部材１４，１５からなり、全長７０ｍｍ、板厚が１．８ｍｍであり、第１の部材１１の焼入れ部を臨む側の溶接部（接合穴１２ａ）の端部から第１の部材１１の焼入れ部を臨む側の第２の部材１２の端部までの長さＬが２４ｍｍである。同図に示すように、第２の部材１２の一方の端部を完全拘束し、部材に曲げ変形を加えるため、第１の部材１１の他方の端部に１０００ｍｍ／ｓの速度を付与し、強制変位させた。

図３および表１に解析したケース（ベース，ケースＡ〜Ｆ）をまとめて示す。図３における符号１６は第１の部材１１における焼入れ部であり、符号１７は第１の部材１１における遷移部であり、符号１８は第１の部材１１における母材部である。

第１の部材１１における一の方向への遷移部１７の長さは１２ｍｍに設定した。なお、図３に示すように、長さＸは、第１の部材１１の焼入れ部を臨む側の第２の部材１２の端部の位置を原点とする一の方向への座標により示す。

図３におけるベースは、焼入れ部１６および遷移部１７がいずれも第２の部材１２と重ならない場合であり、ケースＡ，Ｂは遷移部１７の一部が第２の部材１２と重なる場合である。また、ケースＣ〜Ｆでは、遷移部１７が第２の部材１２に重なるとともに、焼入れ部１６の第２の部材との重なり代がケースＣからケースＦになるにつれて増加する場合である。

図４および表１に、解析したケース（ベース，ケースＡ〜Ｆ）の解析結果をまとめて示す。性能評価は、変位を加えた方向の荷重で行い、完全拘束した部位に加わる荷重の最大値とした。図４のグラフにおける縦軸の荷重ベース比は、ベースを１とする比である。

また、図５は、焼入れ部１６、遷移部１７および母材部１８の引張強度の分布を示すグラフである。

図４および表１に示すように、長さＬ，Ｘにより、第１の部材１１の焼入部の長さを、第２の部材１２と第１の部材１１の焼入部の重ね代（オーバーラップ）として整理した。

図４および表１に示すように、比（Ｘ／Ｌ）が０．２５以上であると、荷重性能が飛躍的に向上し、焼入部１６をオーバーラップさせた継手構造が必要であることがわかる。また、ケースＥ，Ｆのように遷移部１７に溶接部１３を形成するとさらに効果的であることが分かる。

以上の理由により、溶接部１３は、遷移部１７または母材部１８にのみ存在する。特に、第１の部材１１の焼入れ部１６を臨む側の第２の部材１２の端部から第１の部材１１の焼入れ部１６までの長さＸ（ｍｍ）と、第１の部材１１の焼入れ部１６を臨む側の溶接部１２ａの端部から第１の部材１１の焼入れ部１６を臨む側の第２の部材１２の端部までの長さＬ（ｍｍ）との比（Ｘ／Ｌ）は０．２５以上であることが望ましい。

１０ 自動車車体における部材の接合構造
１１ 第１の部材
１１ａ 外面
１１−１〜１１−４ 辺
１２ 第２の部材
１２ａ 接合穴
１３ 溶接部
１４ 第３の部材
１４ａ 外向きフランジ
１５ 第４の部材
１６ 焼入れ部
１７ 遷移部
１８ 母材部

Claims (6)

1. 外向きフランジを有さない閉じた中空の横断面を有し、一の方向へ延びるとともに、該一の方向へ、引張強度が１４７０ＭＰａ以上の焼入れ部、引張強度が７００ＭＰａ未満の母材部、および、前記焼入れ部と前記母材部との間に引張強度が前記焼入れ部の引張強度から前記母材部の引張強度へ次第に変化する遷移部を備える鋼製の第１の部材と、前記第１の部材の外面の一部に重ね合わせ部により重ね合わされる鋼製の第２の部材とを備え、前記第１の部材および前記第２の部材が前記重ね合わせ部において溶接される、自動車車体における部材の接合構造において、
   前記重ね合わせ部は、前記第１の部材の前記焼入れ部から前記遷移部を経て前記母材部に跨って存在すること、および
   前記溶接により形成される溶接部は、前記第１の部材において前記遷移部または前記母材部に存在すること
   を特徴とする自動車車体における部材の接合構造。
2. 前記一の方向について、前記第１の部材の前記焼入れ部を臨む側の前記第２の部材の端部から当該第１の部材の前記焼入れ部の端部までの長さＸ（ｍｍ）と、前記第１の部材の前記焼入れ部を臨む側の前記溶接部の端部から前記第１の部材の前記焼入れ部を臨む側の前記第２の部材の端部までの長さＬ（ｍｍ）との比（Ｘ／Ｌ）は０．２５以上である請求項１に記載された自動車車体における部材の接合構造。
   ただし、長さＸは、第１の部材の焼入れ部を臨む側の第２の部材の端部の位置を原点とする前記一の方向への座標により示す。
3. 前記溶接部は、アーク溶接部、レーザ溶接部または抵抗スポット溶接部である請求項１または請求項２に記載された自動車車体における部材の接合構造。
4. 前記第１の部材は、矩形の横断面形状を有するとともに、前記第２の部材は、前記第１の部材の三辺と重なり合うハット型の横断面を有する第３の部材と、該第３の部材の二つのフランジと重なり合って接合されるとともに、前記第１の部材の残りの一辺と重なり合う第４の部材とにより構成される請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。
5. 前記第２の部材は、前記溶接部を形成する際の作業穴である接合穴を有する請求項１から請求項４までのいずれ１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。
6. 前記第１の部材は、三次元熱間曲げ焼入れにより製造されたものである請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された自動車車体における部材の接合構造。

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