KR101322229B1

KR101322229B1 - 이형 단면으로의 성형 방법 및 스폿 용접성이 우수한 사변형 단면 성형품

Info

Publication number: KR101322229B1
Application number: KR1020117006739A
Authority: KR
Inventors: 토요히사 신미야; 코지 스즈키; 오사무 소노베; 유지 하시모토; 린세이 이케다; 아키오 사토
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2013-10-28
Also published as: EP2351623A1; EP2351623B1; KR20110046557A; WO2010035883A1; KR20130083492A; EP2351623A4; CN102164690A

Abstract

종래의 이형 단면 성형 기술로는, 스폿 용접성이 우수한 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품을 얻는 것이 곤란하다. 구체적으로는, 인장 강도(TS) 590MPa 이상의 관재(10)에, 내압을 부하하지 않은 상태 또는 액체에 의해 50MPa 이하의 내압을 부하한 상태에서, 적어도 하나의 면이 평탄부를 갖는 이형 단면 금형(1, 1A)으로 압쇄 가공을 행하고, 이어서 상기 액체에 의해 최고 내압이 하기 P_min[MPa] 이상이 되는 내압을 부하하여, 상기 관재를 이형 단면 형상으로 성형한다. P_min＝0.045×TS

Description

이형 단면으로의 성형 방법 및 스폿 용접성이 우수한 사변형 단면 성형품{METHOD FOR FORMING DEFORMED CROSS-SECTION AND FORMED ARTICLE OF QUADRILATERAL CROSS-SECTION EXHIBITING EXCELLENT SPOT WELDABILITY}

본 발명은, 이형 단면으로의 성형 방법(forming method of complex cross-section shape) 및 스폿 용접성(spot weldability)이 우수한 사변형 단면의 성형품(quadrate cross-section forming article)에 관한 것으로, 상세하게는, 관재(tubing material)를 소재로 하여, 이것을 하이드로포밍 가공(hydroform process)에 의해 이형 단면 형상으로 성형하는 이형 단면 성형 방법 및, 당해 성형 방법으로 관재를 성형하여 이루어지는 스폿 용접성이 우수한 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면의 성형품에 관한 것이다.

종래, 관재를 소재로 하여 이용하고, 이것을 하이드로포밍 가공에 의해, 이형 단면 형상으로 성형하는 방법이 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1의 종래 기술의 [0003]∼[0005] 및 도 1, 도 2 참조). 이것은, 특허문헌 1의 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 단면이 원형의 파이프를 소요(所要) 평면 형상, 예를 들면 특허문헌 1의 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같은 U자 형상으로 굽힘 가공(본 발명에서는, 예성형(preforming)이라고 칭함)하고, 그 굽힘 가공품의 파이프 지름보다도 좁은 폭의 제품 부분에 대해서는, 프레스 혹은 전용기에 의해 특허문헌 1의 도 1의 (b)와 같이 소재 지름보다도 폭 치수가 감축한 단면 형상으로 압쇄 가공(pre-pressing or crushing)하고, 이 압쇄 가공품을 특허문헌 1의 도 1의 (c)와 같이 상하형의 캐비티에 장전하고, 특허문헌 1의 도 1의 (d)와 같이 상하형의 형 체결(closing of dies or closing of upper die and lower die)을 행한 후, 특허문헌 1의 도 1의 (e)와 같이 압쇄 가공품 내에 액체를 주입하여, 예를 들면 22000psi(151MPa)의 내압을 부하(load)시킴으로써, 형면(型面)에 융합되도록 소성 변형시켜, 특허문헌 1의 도 1의 (f)와 같은 단면 형상으로 성형하는 제1 타입의 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1의 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 단면이 원형인 파이프를 소요 평면 형상 예를 들면 특허문헌 1의 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같은 U자 형상으로 굽힘 가공하고, 그 굽힘 가공품을 마찬가지로 프레스 혹은 전용기에 의해 특허문헌 1의 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이 폭 치수가 감축한 단면 형상으로 압쇄 가공하고, 이 압쇄 가공품을 특허문헌 1의 도 2의 (c)와 같이 상하형의 캐비티에 장착하고, 특허문헌 1의 도 2의 (d)와 같이 형 체결 전에 압쇄 가공품 내에 예를 들면 1000psi(7MPa) 정도의 저압을 부하시켜 예비 가압 성형하고, 이어서, 특허문헌 1의 도 2의 (e)와 같이 형 체결을 행하고, 예비 가압 성형품을 특허문헌 1의 도 2의 (f)와 같은 단면 형상이 되도록 6000∼7000psi(42-49MPa)의 높은 내압으로 하여, 형면에 융합되도록 소성 변형시키는 제2 타입이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 2000-246361호

그러나, 상기 종래의 성형 방법에서는, 상기 제1 타입에서는 10％ 이상의 큰 둘레 길이 증가율을 채용하는 것이 일반적으로, 연성이 낮은 관재, 예를 들면 고강도의 강관에서는 고(高)내압 부하 시에 파단이 발생하는 경향이 증가하고, 상기 제2 타입에서는, 압쇄 가공을 행함으로써 이형 단면 성형품의 평탄해야 할 부위(예를 들면 사변형 단면의 변이 되는 부위)에 상당한 함몰이 발생하는 부분이 있어, 스폿 용접, 특히 편측 스폿 용접(one-side spot welding)이 매우 곤란해진다. 또한, 코너(corner)(R)부(예를 들면 사변형 단면의 코너가 되는 부위)의 곡률 반경(curvature radius)(R)이, 금형의 대응 모퉁이부(corner)의 그것보다 상당히 커져, 샤프한 단면 형상을 얻기 어려워, 제품의 형상 정밀도가 불충분하다.

즉, 종래의 하이드로포밍 가공에 의한 이형 단면 성형 기술로는, 스폿 용접성이 우수한 고치수 정밀도(high dimensional accuracy)의 이형 단면의 성형품을 얻는 것이 곤란하다는 과제가 있었다.

여기에서, 이형 단면이란 원형(circular form) 이외의, 예를 들면, 사변형 단면과 같은 단면을 말한다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토하여, 그 결과, 스폿 용접을 용이하게 하는 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품을 하이드로포밍 가공에 의해 실현하는 수단에 생각이 미쳐, 본 발명을 이루었다. 즉 본 발명은 이하와 같다.

(1) 인장 강도 590MPa 이상의 관재에, 내압을 부하하지 않은 상태 또는 액체에 의해 50MPa 이하의 내압을 부하한 상태에서, 적어도 하나의 면이 평탄부를 갖는 이형 단면 금형으로 압쇄 가공을 행하고, 이어서 상기 액체에 의해 최고 내압이 하기 P_min[MPa] 이상이 되는 내압을 부하하여, 상기 관재를 이형 단면 형상으로 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

삭제

P_min ＝ 0.045×TS

P_min : 최고 내압의 하한[MPa], TS : 관재의 인장 강도[MPa]

(2) 상기 압쇄 가공 후의 내압 부하와 함께, 관단(tube end)에 관축 방향(tube axis direction)의 압축력(compression force)을 부하하여 관단을 관축 방향 중앙측으로 압입하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 이형 단면 성형 방법.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 관재로서 인장 강도 780MPa 이상의 강관을 이용하여, 성형 후의 둘레 길이 증가율(increasing rate of girth)이 2.0％ 이상 10.0％ 이하가 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

(4) 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 관재로서 두께/외경비(t/D)가 0.05 이하인 강관을 이용하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

(5) 관재를 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 이형 단면 성형 방법으로 성형하여 이루어지는 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품으로서, 평탄부 함몰량(hollow depth on flat surface or depth of hollow on flat surface)이 0.5㎜ 이하이고, 또한 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스폿 용접성이 우수한 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품.

(6) 상기 (1)에 있어서, 상기 관재가 인장 강도 690MPa 이상의 강재이며, 상기 이형 단면 금형으로 압쇄 가공을 행한 후, 이어서 상기 액체에 의해 내압을 부하하여, 상기 관재를 이형 단면 형상으로 성형함에 있어서, 상기 최고 내압이, P_min 이상 및, 50MPa 초과의 양쪽을 만족하는 내압을 가하고, 또한, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 하기 A％ 이상 11.0％ 이하가 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

삭제

A＝4.167×10^－3×(TS－590)

A : 둘레 길이 증가율의 하한(％), TS : 관재의 인장 강도(MPa)

(7) 상기 압쇄 가공 후의 내압 부하와 함께, 관단에 관축 방향의 압축력을 부하하여 관단을 관축 방향 중앙측으로 압입하는 것을 특징으로 하는 (6)에 기재된 이형 단면 성형 방법.

(8) (6) 또는 (7)에 있어서, 상기 관재로서 인장 강도 780MPa 이상의 강관을 이용하여, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 하기 A％ 이상 10.0％ 이하가 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

삭제

A＝4.167×10^－3×(TS－590)

A : 둘레 길이 증가율의 하한(％), TS : 관재의 인장 강도(MPa)

(9) (6)∼(8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 관재로서 두께/외경비(t/D)가 0.05 이하인 강관을 이용하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

(10) 관재를 (6)∼(9) 중 어느 하나에 기재된 이형 단면 성형 방법으로 성형하여 이루어지는 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품으로서, 평탄부 함몰량이 0.5㎜ 이하이고, 또한 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스폿 용접성이 우수한 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품.

(11) 인장 강도 690MPa 이상의 관재에, 내압을 부하하지 않은 상태 또는 액체에 의해 50MPa 이하의 내압을 부하한 상태에서, 적어도 하나의 면이 평탄부를 갖는 이형 단면 금형으로 압쇄 가공을 행하고, 이어서 상기 액체에 의해 최고 내압이, 50MPa 초과인 내압을 부하하여, 상기 관재를 이형 단면 형상으로 성형함에 있어서, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 하기 A％ 이상 11.0％ 이하가 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

삭제

A＝4.167×10^－3×(TS－590)

A : 둘레 길이 증가율의 하한(％), TS : 관재의 인장 강도(MPa)

(12) 상기 압쇄 가공 후의 내압 부하와 함께, 관단에 관축 방향의 압축력을 부하하여 관단을 관축 방향 중앙측으로 압입하는 것을 특징으로 하는 상기 (11)에 기재된 이형 단면 성형 방법.

(13) 상기 (11) 또는 (12)에 있어서, 상기 관재로서 인장 강도 780MPa 이상의 강관을 이용하여, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 하기 A％ 이상 10.0％ 이하가 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

삭제

A＝4.167×10^－3×(TS－590)

A : 둘레 길이 증가율의 하한(％), TS : 관재의 인장 강도(MPa)

(14) 상기 (11)∼(13) 중 어느 하나에 있어서, 상기 관재로서 두께/외경비(t/D)가 0.05 이하인 강관을 이용하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.

(15) 관재를 상기 (11)∼(14) 중 어느 하나에 기재된 이형 단면 성형 방법으로 성형하여 이루어지는 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품으로서, 평탄부 함몰량이 0.5㎜ 이하이고, 또한 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스폿 용접성이 우수한 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품.

본 발명에 의하면, 상하 성형 금형(upper and lower forming die)을 이용한 압쇄 가공 후, 이어서 관재에 액체에 의해 내압을 부하하고, 최고 내압이, 적정 범위, 더욱 바람직하게는, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 적정 범위에 들어가도록 성형함으로써, 관재를 평탄부 함몰량이 작고 그리고 윤곽이 샤프한(곡률 반경이 작은) 코너의 곡률 반경(R)을 갖는 이형 단면 형상으로 성형할 수 있다. 얻어진 이형 단면 성형품은, 평탄부 함몰량이 작은 점에서, 금속판과의 편측 스폿 용접성이 우수하다. 또한, 부하 제거 후의 스프링백 변형(springback deformation)이 억제되어, 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품이 된다.

도 1은 본 발명 방법의 개요를 나타내는 설명도이다.
도 2는 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품의 평탄부 함몰량 및 코너의 곡률 반경(R)의 정의를 나타내는 설명도이다.
도 3은 편측 스폿 용접이 문제가 되는 상태를 나타내는 설명도이다.
도 4는 최고 내압의 하한과 인장 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 스폿 용접 실험의 실험 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6은 둘레 길이 증가율의 하한과 인장 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

도 1은, 본 발명 방법의 개요를 나타내는 설명도이다. 관재(10)에는 인장 강도(생략하여 TS(tensile strength))가 590MPa 이상인 금속관(metallic tube) 예를 들면 강관(steel tube)을 이용한다. 우선, 도 1(a)와 같이 관재(10)를 적어도 하나의 면이 평탄부를 갖는 금형, 예를 들면 상하 한 쌍의 평탄부를 갖는 금형(1, 1A)에 장입한다. 금형(1, 1A)의 형(型) 단면 형상은 관재(10)와는 이형의 단면 형상이다. 관재(10)는 예성형된 것과 되어 있지 않은 것 중 어느 것이라도 좋다. 또한, 본 발명에서 말하는 예성형이란, 전술한 바와 같이, 관재를 특허문헌 1의 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이 길이 방향으로 U자 형상으로 굽힘 가공하는 경우나 S자 형상, 90˚ 굽힘 가공하거나, 관재의 길이 방향의 일부를 압쇄 가공하거나, 국부적으로 확관(擴管) 가공 혹은, 축경(縮徑) 가공하는 것을 말한다. 그리고, 관재로의 내압 부하가 없는 상태, 혹은 액체에 의한 저내압(50MPa 이하) 부하가 있는 상태에서, 관재를 상하 금형(1, 1A)으로 압쇄 가공한다.

또한, 본 발명 방법에서는, 관재로의 내압 부하가 없는 방법의 경우, 파이프 내에 액체가 들어 있지 않은 경우와 파이프 내에 액체가 들어 있어도 액체에 의한 내압이 발생하지 않는 경우의 두 가지 경우를 포함한다. 일반적으로는, 하이드로포밍의 사이클 타임을 단축하기 위해, 압쇄 가공을 행하면서, 액체의 주입에 의한 준비(액체로 채우면서 기포를 뺌)를 행한다.

그러면, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 금형의 평탄부에 대면(對面)하는 관벽 부분에는 함몰(평탄부 함몰이라고 함)이 형성되고, 금형의 코너부에 대면하는 관벽 부분에는 완만한 코너(R)가 형성된다.

그래서, 형 체결한 채로 이어서 관재에 상기 액체에 의해 최고 내압이 하기 P_min[MPa] 이상이 되는 내압을 부하하여, 상기 관재를 이형 단면 형상으로 성형한다(도 1(c)).

P_min ＝ 0.045×TS····(1)

P_min : 최고 내압의 하한[MPa], TS : 관재의 인장 강도 [MPa]

이에 따라, 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 평탄부 함몰은 저감하고, 코너(R)부는 재료(관재의 재료)가 튀어나와, 샤프한 R형상이 된다. 또한, 최고 내압을 높게 할수록 잔류 응력이 저감하여, 부하 제거 후의 스프링백에 의한 형상 변화가 작아진다.

또한, (1) 식에 있어서, 우변(右邊)의 계수를 0.045 대신에, 0.09, 보다 바람직하게는 0.12로 하면, 성형품의 형상이 더욱 양호해지기 때문에 바람직하다.

또한, 여기에서, 최고 내압은 하기의 이유에서, 통상 100∼200MPa 정도이다. 통상, 내압을 가하는 증압기의 성능은, 최대 200MPa이다. 또한, 성형품의 수평면 내의 투영 면적(혹은, 금형 캐비티 투영 면적)이 과대한 경우는, 증압기의 프레스 역량의 제한으로부터 200MPa 미만, 예를 들면 150MPa로 설정되는 경우도 있다. 상기와 같은 제약이 없는 경우에서, 소관(素管)이 얇고 저강도이면, 100MPa로, 충분한 교정 성형이 가능해지는 경우도 있다.

또한, 압쇄 가공 후의 내압 부하 시에는, 재료가 튀어나옴으로써, 코너(R)부 근방의 두께 감소가 과대해지는 경우를 생각할 수 있다. 그러한 경우에는, 압쇄 가공 후의 내압 부하와 함께, 관단에 관축 방향의 압축력을 부하하여 관단을 관축 방향 중앙측으로 압압함으로써(이것을 「축누름」 (axial feeding)이라고 함)에 의해, 두께 감소를 경감시키는 것이 가능하다. 실제로 축누름을 가하는 타이밍은, 내압 부하 후 조금 경과하고 나서, 축누름을 하는 것이 바람직하고, 내압 부하와 동시에 축누름하는 일은 없다. 또한, 「축누름」의 바람직한 조건은, 축누름용의 프레스기의 실린더 스트로크(cylinder stroke)를 조정함으로써, 압입량(axial feeding length)(스트로크(stroke))을 하이드로폼 가공 후의 최종 제품의 성형부 길이(L)와 소관 외경(D)의 비(L/D)에 있어서, L/D≥10 정도이면 압입량은 최종 제품의 성형부 길이(L)의 0∼2％ 정도, L/D＝7 초과∼10 미만에서는, L의 0∼3.5％ 정도, L/D≤7이면 L의 0∼5％ 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 내압이 부하되어 있으면, 축누름용의 프레스기로 반력이 가해져, 되밀리는 경향이 있기 때문에, 0％의 압입량이라도 축누름력이 존재한다.

또한, 본 발명에서는, 관재로서 인장 강도 780MPa 이상의 강관을 이용할 때에는, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 2.0％ 이상 10.0％ 이하가 되도록 성형하는 것이 바람직하다.

또한, 둘레 길이 증가율은 다음식의 (2) 식으로 부여된다.

둘레 길이 증가율＝(성형품의 외주 길이/성형 전의 관재의 외주 길이－1)×100(％)······ (2)

또한, 관재에 이용하는 강관의 두께/외경비(t/D)가 0.05를 초과하면, t/D의 증가에 따라 평탄부 함몰량이 증가하는 경향이 있기 때문에, 관재에는 t/D가 0.05 이하의 강관을 이용하는 것이 바람직하다.

전술한 본 발명 방법에 의해, 스폿 용접성이 우수한, 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품이 얻어진다. 이 성형품(제품)이, 우수한 편측 스폿 용접성을 가지려면, 제품의 평탄부 함몰량(도 2에 정의를 나타냄. 구체적인 측정 방법으로서, 레이저 거리계를 이용하여, 이형 단면 성형품의 평탄부의 함몰량을 측정하고, 그 최대 함몰량을 평탄부 함몰량으로 했음)이 0.5㎜ 이하일 필요가 있다. 제품의 평탄부 함몰량이 0.5㎜를 초과하면, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 스폿 용접용 전극(spot welding electrode;3)으로 강판(12)을 제품(11)으로 내리눌렀을 때에, 전극(3)의 바로 아래의 범위 내의 강판(12)과 제품(11)과의 사이에 비교적 큰 극간(gap;δ)이 발생하기 쉬워져, 안정된 통전 상태가 얻어지지 않아, 스폿 용접이 문제가 되기 쉽기 때문이다.

또한, 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품에 대해서 고치수 정밀도를 가지려면, 샤프한 R형상이 필요하며, 그 기준으로서 본 발명에서는, 제품의 코너의 곡률 반경(R)(도 2에 정의를 나타냄. 구체적인 측정 방법은, 이형 단면 성형품을 길이 방향으로 수직인 면에서 절단하고, 모든 코너의 단면 사진을 화상으로 받아들여, 여러 가지의 크기의 곡률 반경의 원을 각 코너에 겹침으로써, 모든 코너의 곡률 반경(R)을 구하고, 그 최대 R을 코너의 곡률 반경(R)으로 했음)이 10㎜ 이하인 것으로 했다.

여기에서, 본 발명에 있어서 압쇄 가공 후에 부하하는 내압이 최고가 될 때의 내압(최고 내압)의 하한 P_min[MPa]을 상기 (1) 식의 값으로 규정한 이유를 서술한다. 여러 가지의 TS를 갖는 관재를 금형으로 압쇄 가공 후, 액체로 내압을 부하하여 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 형상으로 성형하는 경우에, 성형품의 평탄부 함몰량이 0.5㎜ 이하가 되고, 그리고 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하가 되기 위한 성형 조건을 검토했다. 그 결과, 최고 내압의 상승에 따라 평탄부 함몰량, 코너의 곡률 반경(R) 모두 감소하고, 평탄부 함몰량이 0.5㎜가 되는 최고 내압과 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜가 되는 최고 내압 중 큰 쪽을 최고 내압의 하한으로 하면 좋은 것을 알았다. 이 하한과 관재의 TS와의 관계는 도 4와 같이 되며, 동(同) 도면으로부터, TS가 590MPa 이상에 있어서, 최고 내압의 하한(P_min)은 상기 식 (1)로 나타난다.

또한, 둘레 길이 증가율에 착안하여, 평탄부 함몰량 및 코너(R)의 둘레 길이 증가율 의존성을 구하여, 다음의 인식이 얻어졌다. 즉, 압쇄 가공 후의 최고 내압을 상기 P_min 이상으로 한 조건하에서, 관재의 TS가 780MPa 이상일 때, 제품의 둘레 길이 증가율이 2.0％ 이상이면 평탄부 함몰량이 한층 더 작아지고, 또한, 제품의 둘레 길이 증가율이 10.0％ 이하이면 코너의 곡률 반경(R)이 한층 더 작아진다는 인식이다.

따라서, 관재의 TS가 780MPa 이상의 경우는, 압쇄 가공 후의 최고 내압을 P_min[MPa] 이상으로 하는 조건하에서, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 2.0∼10.0％가 되도록 성형하는 것이 좋다.

둘레 길이 증가율을 소정의 범위(A％ 이상 B％ 이하)에 넣기 위해서는, 형 체결 시의 금형 단면의 내주 길이(L_K)와 하이드로폼 성형 전의 관재의 외주 길이(L_P)가, 다음식의 관계를 만족하는 바와 같은, 금형과 관재의 조합을 이용하여 성형을 행하면 좋다.

A≤(L_K/L_P－1)×100≤B···(3)

또한, 압쇄 가공 후의 성형에 이용하는 내압은, FEM(finite element method) 분석이나 실험에 의해, 최고 내압과 둘레 길이 증가율의 대응 관계를 구해 놓고, 이 대응 관계에 있어서 목표의 둘레 길이 증가율에 대응하는 최고 내압으로 설정하면 좋다.

또한, 본 발명에서는, 인장 강도가 690MPa 이상의 관재(10)를 이용하는 경우, 전술한 바와 같이, 형 체결 한 채로 이어서 관재에 상기 액체에 의해 최고 내압이 상기 (1) 식으로 규정된 P_min[MPa] 이상이 되는 내압 및 50MPa 초과의 양쪽을 만족하는 내압을 부하하고, 하이드로폼 성형 후의 둘레 길이 증가율이 하기 A％ 이상 11.0％ 이하가 되도록 성형한다. 또한, 둘레 길이 증가율은 다음식으로 부여된다.

둘레 길이 증가율＝(성형품의 외주 길이/성형 전의 관재의 외주 길이－1)×100(％)···(2)

A＝4.167×10^－3×(TS－590)···(4)

A : 둘레 길이 증가율의 하한(％), TS : 관재의 인장 강도(MPa)

이에 따라, 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 평탄부 함몰은 더욱 저감하고, 코너(R)부는 재료(관재의 재료)가 튀어나와, 더욱 샤프한(곡률 반경이 작은) R형상이 된다. 또한, 최고 내압을 높게 할수록, 잔류 응력이 저감하여, 부하 제거 후의 스프링백에 의한 형상 변화가 작아진다. 또한, (4) 식에 있어서, 우변의 계수를 4.167×10^－3대신에, 4.8×10^－ ³으로 하면, 성형품의 형상(평탄부 함몰이나 코너(R)부)이 더욱 양호해지기 때문에 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 관재의 인장 강도가, TS : 690－1100MPa의 범위에서는, 최고 내압은, 전술한 P_min보다도 50MPa 쪽이 높아지기 때문에, 형 체결 시의 최고 내압은, P_min 및 50MPa 초과의 양쪽을 만족하는 50MPa 초과가 바람직하다. 또한, TS : 1100MPa 초과의 경우는, 50MPa 초과보다도 P_min 쪽이 최고 내압이 높아지기 때문에, 형 체결 시의 최고 내압은, P_min 이상이 바람직하다.

또한, 압쇄 가공 후의 내압 부하 시에는, 재료가 튀어나옴으로써, 코너(R)부 근방의 두께 감소가 과대해지는 경우를 생각할 수 있다. 그러한 경우에는, 압쇄 가공 후의 내압 부하와 함께, 관단에 관축 방향의 압축력을 부하하여 관단을 관축 방향 중앙측으로 압입함으로써(이것을 「축누름」이라고 함), 두께 감소를 경감시키는 것이 가능하다. 또한, 「축누름」의 바람직한 조건은, 축누름용의 프레스기의 실린더 스트로크(cylinder stroke)를 조정함으로써, 압입량(스트로크)을 하이드로폼 가공 후의 최종 제품의 성형부 길이의 0∼10％ 정도로 하는 것이 바람직하다.

여기에서, 본 발명에 있어서 성형 후의 둘레 길이 증가율이 A％ 이상 11.0％ 이하가 되도록 성형하는 것으로 규정한 이유를 서술한다. 여러 가지의 TS를 갖는 관재를 금형으로 압쇄 가공 후, 액체로 내압을 부하하여 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 형상으로 성형하는 경우에, 성형품의 평탄부 함몰량이 0.5㎜ 이하가 되고, 그리고 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하가 되기 위한 성형 조건을 검토했다. 그 결과, 평탄부 함몰량은 둘레 길이 증가율의 증가에 따라 감소하고, 평탄부 함몰량이 0.5㎜가 될 때의 둘레 길이 증가율이 하한이 되는 것을 알았다. 이 하한과 관재의 TS와의 관계는 도 6과 같이 되며, 도 6으로부터, TS가 690MPa 이상에 있어서, 둘레 길이 증가율의 하한(A)은 상기 식 (4)로 나타난다.

한편, 코너의 곡률 반경(R)은, 둘레 길이 증가율의 증가에 따라서 감소하고, 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜가 될 때의 둘레 길이 증가율이 상한이 되는 것을 알았다. 이 상한과 관재의 TS와의 관계(도시 생략)를 구한 결과에 의하면, TS가 690MPa 이상에서는 둘레 길이 증가율은 11.0％ 이하로 하는 것이 좋다. 또한, TS가 780MPa 이상에서는 둘레 길이 증가율은 10.0％ 이하로 하는 것이 좋다.

따라서, 관재의 TS가 690MPa 이상의 경우는, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 A∼11.0％가 되도록 성형하는 것이 좋다. 또한, 관재의 TS가 780MPa 이상의 경우는, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 A∼10.0％가 되도록 성형하는 것이 좋다.

또한, 본원 성형 방법이 적용 가능한 관재는, TS가 590MPa 이상의 열연 강판이나 냉연 강판으로 제조된 전봉 강관(electric resistance welded steel pipe)으로, 담금질, 템퍼링 등의 열처리된 열연 강판이나 냉연 강판으로 제조된 전봉 강관도 포함한다. 또한, 상기의 열연 강판 및 냉연 강판의 강종은, 보통강, 저합금강, 페라이트계 스테인리스, 오스테나이트계 스테인리스 혹은, 마르텐사이트계 스테인리스라도 좋다. 이들에 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 1에 나타낸 직사각형 단면 형상의 금형(1, 1A)을 이용하여, 표 1에 나타내는 TS, 사이즈를 갖는 관재를 하기의 공정에서 이형 단면 형상으로 성형했다. 또한, 이용된 관재는, 모두 전봉 강관으로, No.1∼32의 전봉 강관의 소재의 강판의 조성과, 강판의 제조 방법을 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예에 이용한 강관의 길이는 300㎜였다.

[공정] 금형에 장입→내압이 없는 상태 또는 액체에 의해 50MPa 이하의 내압(No.10과 11은, 각각 10MPa, 13MPa)을 부하한 상태에서 형 체결에 의한 압쇄 가공→표 1에 나타내는 여러 가지의 둘레 길이 증가율이 되도록 액체에 의해 최고 내압이 표 1에 나타내는 값이 되는 내압을 부하(일부의 관재에는 축누름을 병용(No.12와 13은, 각각, 압입량 2.5％, 3.0％)).

얻어진 성형품(제품)의 평탄부 함몰량 및 코너의 곡률 반경(R)(도 2 참조)을 측정하고(평탄부 함몰량의 측정은, 이형 단면 성형품을 길이 방향의 중앙부에서, 각각 4개의 평탄부에 대해서, 길이 방향으로 수직인 방향으로 레이저 거리계를 이용하여, 각각 4개의 평탄부의 함몰량을 측정하여, 그 최대 함몰량을 평탄부 함몰량으로 했다. 또한, 코너의 곡률 반경(R)의 측정은, 이형 단면 성형품을 길이 방향의 중앙부에서, 길이 방향에 수직인 면으로 절단하고, 각각 4개의 코너의 단면 사진을 화상으로 받아들여, 여러 가지의 크기의 반경의 원을 각 코너에 겹침으로써, 4개의 코너의 곡률 반경(R)을 구하여, 그 최대 R을 코너의 곡률 반경(R)으로 했음), 또한, 이하의 방법으로 스폿 용접성을 시험했다.

[스폿 용접성의 시험 방법]

도 5에 나타내는 바와 같이, 제품(11)의 상평탄부에 강판(12)을 놓고, 그 위로부터 전극(3)을 일정한 가압력(50∼200kgf)으로 눌러대어, 각 3개씩 편측 스폿 용접을 행한다.(용접 조건 : 통전 시간 10∼20사이클(cycles)(50Hz), 용접 전류 5∼10KA) 스폿 용접성의 좋고 나쁨의 판정은, 너겟 형성(nugget formation)의 유무 및 인장 전단 시험(tensile shear test)(JIS Z 3136)에 있어서의 인장 전단 하중(tensile shear load)을 행하고, 다음의 ○, ×의 2단계 평가로 한다. 이음매의 인장 전단 하중의 기준값(TSS)은 하기식에 기초하여, 기준값을 만족하는 이음매를 충분(합격)하다고 판정한다.

TSS(N)＝1.85×t×TS×(1＋0.0059EL)×(ND＋2.09)

단, t는 강판(12)의 판두께(㎜)

TS는 강판(12)의 인장 강도(MPa)

EL은 강판(12)의 신장율(％)

ND는 제품(11)과 강판(12)의 사이의 너겟 지름(nugget diameter)(㎜)

강판(12)은, 막두께가 1.0㎜ 이하인 440MPa급 이하의 강판이다.

○ : 스폿 용접부(13)에 너겟 형성 유(有)(너겟 형성의 유무는 단면 사진으로부터 판정), 인장 전단 하중은 충분(합격)

× : 스폿 용접부(13)에 너겟 형성 무(無), 또는, 인장 전단 하중이 불충분

상기 측정 및 시험의 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1로부터, 본 발명예에서는, TS590MPa 이상의 관재로부터 스폿 용접성이 우수한 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품이 얻어진 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명예에 있어서, t/D≤0.05인 것은, t/D＞0.05인 것에 비해, 평탄부 함몰량이 작아져 있다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일하게, 도 1에 나타낸 직사각형 단면 형상의 금형(1, 1A)을 이용하여, 표 3에 나타내는 TS, 사이즈를 갖는 관재를 하기의 공정에서 이형 단면 형상으로 성형했다. 또한, 이용된 관재는, 모두 전봉 강관으로, No.1∼30의 전봉 강관의 소재의 강판의 조성과, 강판의 제조 방법을 표 4에 나타낸다. 또한, 실시예에 이용한 강관의 길이는 300㎜였다.

[공정] 금형에 장입→내압이 없는 상태 또는 액체에 의해 50MPa 이하의 내압(No.8과 9는, 각각 10MPa, 13MPa)을 부하한 상태에서 형 체결에 의한 압쇄 가공→표 3에 나타내는 여러 가지의 둘레 길이 증가율이 되도록 액체에 의해 50MPa 초과의 내압을 부하(일부의 관재에는 축누름을 병용(No.10과 11은, 각각, 압입량 4％, 5％).

얻어진 성형품(제품)의 평탄부 함몰량 및 코너의 곡률 반경(R)(도 2 참조)을 측정하고, 또한, 실시예 1과 동일한 방법으로 스폿 용접성을 시험했다.

상기 측정 및 시험의 결과를 표 3에 나타낸다. 표 3으로부터, 본 발명예에서는, TS690MPa 이상의 관재로부터 스폿 용접성이 우수한 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품이 얻어진 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명예에 있어서, t/D≤0.05인 것은, t/D＞0.05인 것에 비해, 평탄부 함몰량이 작아져 있다.

본 발명에 의하면, 상하 성형 금형을 이용한 압쇄 가공 후, 이어서 관재에 액체에 의해 내압을 부하하고, 최고 내압이, 적정 범위, 더욱 바람직하게는, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 적정 범위에 들어가도록 성형함으로써, 관재를 평탄부 함몰량이 작고 그리고 윤곽이 샤프한(곡률 반경이 작은) 코너의 곡률 반경(R)을 갖는 이형 단면 형상으로 성형할 수 있다. 얻어진 이형 단면 성형품은, 평탄부 함몰량이 작은 점에서, 금속판과의 편측 스폿 용접성이 우수하다. 또한, 제하 후의 스프링백 변형이 억제되어, 고치수 정밀도의 이형 단면 성형품이 된다.

1 : 금형(상(上)금형)
1A : 금형(하(下)금형)
3 : 전극
10 : 관재
11 : 제품(이형 단면 성형품, 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품)
12 : 강판
13 : 스폿 용접부
[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2]

[표 3-1]

[표 3-2]

[표 4]

Claims

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인장 강도 840MPa 이상의 관재에, 내압을 부하하지 않은 상태 또는 액체에 의해 50MPa 이하의 내압을 부하한 상태에서, 적어도 하나의 면이 평탄부를 갖는 이형 단면 금형으로 압쇄 가공을 행하고, 이어서 상기 액체에 의해 최고 내압이, 50MPa 초과인 내압을 부하하여, 상기 관재를, 평탄부 함몰량이 0.5mm이하이고, 코너의 곡률반경(R)이 10 mm이하인 이형 단면 형상으로 성형함에 있어서, 성형 후의 둘레 길이 증가율이 하기 A％ 이상 11.0％ 이하가 되도록 성형하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.
A＝4.167×10^－3×(TS－590)
A : 둘레 길이 증가율의 하한(％), TS : 관재의 인장 강도(MPa)
제11항에 있어서,
상기 압쇄 가공 후의 내압 부하와 함께, 관단에 관축 방향의 압축력을 부하하여 관단을 관축 방향 중앙측으로 압입하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.
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제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 관재로서 두께/외경비(t/D)가 0.05 이하인 강관을 이용하는 것을 특징으로 하는 이형 단면 성형 방법.
관재를 제11항 또는 제12항에 기재된 이형 단면 성형 방법으로 성형하여 이루어지는 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품으로서,
평탄부 함몰량이 0.5㎜ 이하이고, 또한 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스폿 용접성이 우수한 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품.
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관재를 제14항에 기재된 이형 단면 성형 방법으로 성형하여 이루어지는 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품으로서,
평탄부 함몰량이 0.5㎜ 이하이고, 또한 코너의 곡률 반경(R)이 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스폿 용접성이 우수한 1 또는 2의 평행 2변을 갖는 사변형 단면 성형품.
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