KR101561928B1 - 자동차용 골격 부품 - Google Patents

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KR101561928B1
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타케시 후지타
야스시 기타니
히로유키 다케베
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

강성이 우수한 자동차용 골격 부품을 얻는 것을 목적으로 하며, 자동차용 골격 부품(1)은, 단면(cross-section) 형상이 대략 모자(hat) 형상인 프레임 부품(3)의 플랜지부(3a)와, 플랜지부(3a)에 대향하여 배치된 패널 부품(5)을 용접하여 폐단면(closed section)을 구성하는 자동차용 골격 부품(1)으로서, 용접 위치 좌표를, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 위치의 단부(end)를 0으로 하고, 플랜지부(3a)의 플랜지 외단측을 (－), 대략 모자 형상에 있어서의 종벽측(vertical wall portion)을 (＋)로 한 좌표계로 나타내고, 대략 모자 형상의 종벽부(3b)와 플랜지부(3a)를 연결하는 원호 형상부(3c)의 반경을 R(㎜), 용접 가능한 간극량을 a(㎜)로 했을 때에, 하기식으로 나타나는 용접 위치 X를 편측 용접 방법으로 연속 용접하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
Figure 112013085555107-pct00014
단, R≥2

Description

자동차용 골격 부품{AUTOMOBILE FRAME}
본 발명은, 박강판(thin steel sheet)에 의해 제조된 자동차용 골격 부품에 관한 것으로, 특히 차체의 강성(stiffness)에 큰 영향을 미치는 자동차용 골격 부품에 관한 것이다.
도 8a는, 종래의 자동차용 골격 부품의 상면도(top view)이다. 도 8b는, 동(同) 자동차용 골격 부품의 단면도(cross-sectional view)이다. 도 9는, 도 8b에 나타내는 부분 A의 확대도이다. 일반적으로, 자동차용 골격 부품은, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 플랜지부(3a)를 갖고, 단면 형상이 대략 모자(hat) 단면 형상인 프레임 부품(3)과, 다른 프레임 부품 또는 패널 부품(5)을 용접함으로써, 폐단면(closed section)을 구성하도록 제조된다. 종래, 이러한 자동차용 골격 부품(11)은, 저항 스폿 용접에 의해 프레임 부품(3)의 플랜지부(3a)를 다른 프레임 부품 또는 패널 부품(5)에 접합함으로써 제조되고 있었다.
저항 스폿 용접(이하, 스폿 용접)에서는, 스폿 용접용 전극 지름이 크고, 플랜지부(3a)에 대하여 수직으로 전극을 대어 가압할 필요가 있다. 이 때문에, 제품에 25㎜ 폭 정도의 플랜지부(3a)를 형성하여, 폭의 중앙부를 용접함으로써, 플랜지부(3a)와 다른 프레임 부품 또는 패널 부품(5)을 접합한다.
이에 대하여, 레이저 용접이나 레이저 용접과 소모 전극식의 아크 용접을 조합한 레이저·아크 하이브리드 용접 등의 연속 용접에 의하면, 평탄한 플랜지부(3a)와 종벽부(vertical wall portion;3b)로 이어지는 원호 형상부(3c)와의 경계 위치(플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부(contact end))를 용접하는 것이 가능하다.
특허문헌 1에는, 레이저·아크 하이브리드 용접을 이용하여, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부로부터 종벽부(3b)의 방향으로(원호 형상부(3c)측으로) 1.5㎜ 미만의 범위를 연속 용접하는 기술이 기재되어 있다.
일본공개특허공보 2010-253545호(도 10a∼도 11 참조)
플랜지부(3a)의 중앙부가 스폿 용접된 자동차용 골격 부품에서는, 도 8a에 나타내는 바와 같이, 인접하는 스폿 용접부(13)의 사이는 비(非)용접부가 된다. 또한, 용접 위치가, 플랜지부(3a)의 폭의 중앙부로서, 종벽부(3b)로 이어지는 원호 형상부(3c)과의 경계 위치(플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부)보다 외측에 위치한다. 그 때문에, 스폿 용접부(13)와, 프레임 부품(3)의 원호 형상부(3c)와 이것에 대향하여 용접 접합되는 패널 부품(5)과의 사이에 형성되는 간극부 s(간극의 수평 길이)는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 평면 형상의 간극부 s'를 포함하고, 큰 간극(large gap)으로 되어 있다. 이 때문에, 자동차용 골격 부품(11)이 비틀림 등의 변형을 받으면, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부가 개구하여 부품 강성이 현저하게 저하된다.
도 10a는, 특허문헌 1에 개시된 바와 같은, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부 근방을 연속 용접한 자동차용 골격 부품의 상면도이다. 도 10b는, 동 자동차용 골격 부품의 단면도이다. 도 11은, 도 10b에 나타내는 부분 A의 확대도이다. 연속 용접에 의해 제조된 자동차용 골격 부품의 경우, 스폿 용접의 경우와 같이 다점(多点) 용접 방향의 용접 위치와 용접 위치와의 사이에 비용접부가 존재하지 않는다.
그러나, 특허문헌 1에 개시된 자동차용 골격 부품(21)에 있어서는, 플랜지부(3a)의 패널 부품(5)과의 접촉 단부로부터 종벽부(3b)의 방향으로(원호 형상부(3c)측으로) 1.5㎜ 미만의 범위를 연속 용접한다. 이 때문에, 전술한 스폿 용접만큼은 아니지만, 용접부(23)와 종벽부(3b)와의 간극부 s의 거리가 길어진다. 이 결과, 자동차용 골격 부품(21)이 비틀림 등의 변형을 받으면, 그 간극부 s의 부위가 변형되어 부품의 강성이 저하된다. 특히 대략 모자 단면 형상의 프레임 부품(3)의 원호 형상부(3c)의 반경이 큰 경우에는, 전술의 간극부 s가 길어지기 때문에, 부재의 강성이 현저하게 저하된다.
본 발명은 이러한 전술의 기재를 감안하여 이루어진 것으로서, 강성이 우수한 자동차용 골격 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특허문헌 1에 있어서, 플랜지부(3a)의 패널 부품(5)과의 접촉 단부로부터 종벽부(3b)의 방향으로(원호 형상부(3c)의 내측으로) 1.5㎜ 미만의 범위를 연속 용접하는 목적은, 합금화 용융 아연 도금 강판의 용접시에 있어서의 블로우 홀(blow hole)의 형성을 방지하는 것 및, 용접에 있어서의 열 수축에 수반하는 왜곡 변형(strain deformation) 방지이다. 즉, 특허문헌 1에 있어서는, 용접시에 주목하여 전술의 연속 용접하는 위치를 결정하고 있으며, 용접 후의 자동차용 골격 부품의 강성에 대해서는 검토되어 있지 않다. 본 발명의 발명자는, 용접 후의 자동차용 골격 부품의 강성에 주목하여, 어떠한 위치를 용접하는 것이 자동차용 골격 부품의 강성을 높이는 데에 바람직한가를 예의 검토하여 본 발명에 도달했다.
전술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 자동차용 골격 부품은, 단면 형상이 대략 모자 형상인 프레임 부품의 플랜지부와, 당해 플랜지부에 대향하여 배치된 다른 프레임 부품 또는 패널 부품을 용접하여 폐단면을 구성하는 자동차용 골격 부품으로서, 용접 위치 좌표를, 상기 플랜지부와 상기 다른 프레임 부품 또는 패널 부품과의 접촉 위치의 단부를 0으로 하고, 상기 플랜지부의 플랜지 외단측을 (－), 상기 대략 모자 형상에 있어서의 종벽측을 (＋)로 한 좌표계로 나타내고, 상기 대략 모자 형상의 종벽부와 플랜지부를 연결하는 원호 형상부의 반경을 R(㎜), 용접 가능한 간극량을 a(㎜)로 했을 때에, 하기식으로 나타나는 용접 위치 X를 편측 용접 방법으로 연속 용접하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112014105496150-pct00001
단, R≥2, 0<a<R, 2Ra-a2>2.25이고, 단위는 ㎜임
본 발명에 따른 자동차용 골격 부품은, 상기 발명에 있어서, 상기 편측 용접 방법이, 레이저·아크 하이브리드 용접 방법이며, 하기식으로 나타나는 용접 위치 X를 편측 용접 방법으로 연속 용접하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013085555107-pct00002
단, R≥2
본 발명에 의하면, 자동차용 골격 부품의 강성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자동차용 골격 부품의 개략 구성을 나타내는 상면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자동차용 골격 부품의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1b의 부분 A의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 용접 위치의 좌표를 설명하는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 용접 위치를 구하는 방법의 설명도이다.
도 5는 본 발명의 효과를 확인하기 위한 시험에 이용한 시험편의 설명도이다.
도 6은 본 발명의 효과를 확인하기 위한 시험 방법의 설명도이다.
도 7은 본 발명의 효과를 확인하기 위한 시험 결과의 그래프이다.
도 8a는 스폿 용접에 의해 제조된 자동차용 골격 부품의 상면도이다.
도 8b는 스폿 용접에 의해 제조된 자동차용 골격 부품의 단면도이다.
도 9는 도 8b의 부분 A의 확대도이다.
도 10a는 연속 용접에 의해 제조된 자동차용 골격 부품의 상면도이다.
도 10b는 연속 용접에 의해 제조된 자동차용 골격 부품의 단면도이다.
도 11은 도 10b의 부분 A의 확대도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면의 기재에 있어서, 동일 부분에는 동일한 부호를 붙여 나타내고 있다.
도 1a는, 본 실시 형태의 자동차용 골격 부품의 상면도이다. 도 1b는, 동 자동차용 골격 부품의 단면도이다. 도 2는, 도 1b에 나타내는 부분 A의 확대도이다. 본 실시 형태에 따른 자동차용 골격 부품(1)은, 도 1a, 1b에 나타내는 바와 같이, 단면 형상이 대략 모자 형상인 프레임 부품(3)의 플랜지부(3a)와, 당해 플랜지부(3a)에 대향하여 배치하는 패널 부품(5)을 용접부(7)로 연속 용접함으로써, 폐단면을 구성하도록 제조된다.
본 실시 형태에 있어서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 대략 모자 단면 형상의 프레임 부품(3)에 있어서의 종벽부(3b)와 플랜지부(3a)와의 사이의 원호 형상부(3c)에 있어서, 플랜지부(3a)의 패널 부품(5)과의 접촉 단부보다 원호 형상부(3c)에 가까운 위치에서 용접을 행한다. 용접 위치의 상세에 대해서는 후술한다.
연속 용접의 방법으로서는, 레이저 용접, 레이저 용접과 소모식 전극을 이용한 아크 용접을 병용한 레이저·아크 하이브리드 용접 등, 편측으로부터 용접이 가능한 수법을 이용하면 좋다. 단, 용접 방법에 의해, 용접 가능한 판간의 간극량 a에 각각 상이한 한계값이 있기 때문에, 본 발명을 적용함에 있어서는 용접 위치에 있어서의 판간의 간극량 a에 따라서, 용접 방법을 선정하면 좋다.
레이저 용접과 아크 용접을 조합한 레이저·아크 하이브리드 용접에서는, 용융한 와이어가 접합부에 공급되기 때문에, 레이저 용접 단독의 용접 방법에 비하여, 판간의 간극량 a가 커도 용접이 가능하다. 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 용접 가능한 간극량 a는 실험적으로 1㎜ 정도인 것을 알 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 용접 위치의 좌표를 설명하기 위한 도면이다. 용접 위치 좌표를, 도 3에 나타내는 바와 같이, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 위치의 단부(접촉 단부)를 0으로 하고, 플랜지부(3a)의 플랜지 외단측을 (－), 전술의 대략 모자 형상에 있어서의 종벽측을 (＋)로 한 좌표계로 나타내는 것으로 한다. 대략 모자 형상의 종벽부(3b)와 플랜지부(3a)를 연결하는 원호 형상부(3c)의 반경을 R(㎜), 용접 가능한 간극량을 a(㎜)로 한다. 이때, 본 실시 형태의 자동차용 골격 부품(1)은, 하기식으로 나타나는 용접 위치 X를 편측 용접 방법으로 연속 용접하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112014105496150-pct00003
단, R≥2, 0<a<R, 2Ra-a2>2.25이고, 단위는 ㎜임
용접 위치 X를 1.5㎜보다 크게 하는 이유는, 후술하는 실시예로 나타내는 바와 같이, 용접 위치 X가 1.5㎜를 초과함으로써 자동차용 골격 부품(1)의 강성이 급격하게 향상되기 때문이다.
또한, 용접 위치 X를
Figure 112013085555107-pct00004
이하로 설정한 이유는 이하와 같다. 즉, 용접 위치 X는 가능한 한 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부보다 종벽부(3b)에 가까운 위치를 용접한 편이, 후술의 실시예에 의해 검증되는 바와 같이 강성 향상의 관점에서는 유리하다. 그러나, 용접 수법에 따라 용접 가능한 판 간의 간극량 a가 정해져 있기 때문에, 용접 가능한 간극량 a에 대응하는 위치를 상한값으로 한 것이다. 자동차용 골격 부품(1)의 강성 향상의 관점에서는, 상한값에 가까운 위치에서 용접하는 것이 중요하다.
용접 위치 X의 상한값인
Figure 112013085555107-pct00005
를 구하는 방법을 도 4에 기초하여 설명한다. 도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 용접 위치를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 파선으로 나타낸 원 B가, 단면 형상이 대략 모자 형상인 프레임 부품(3)의 종벽부(3b)와 플랜지부(3a)를 연결하는 원호 형상부(3c)를 포함하는 원 B(도 3 참조)이다. 용접 가능한 판간의 간극량을 a로 하면, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, (R-a)2＋X2＝R2의 관계가 있으며, 이 식을 X에 대해서 풀면, X＝
Figure 112013085555107-pct00006
된다. 이 간극량 a에 대응하는 X를 용접 위치의 상한값으로 한다.
레이저·아크 하이브리드 용접에 의한 용접 가능한 간극량 a는 실험적으로 1㎜ 정도인 것을 알 수 있다. 따라서, 대략 모자 단면 형상의 프레임 부품(3)의 원호 형상부(3c)의 반경을 R(㎜)로 하면,
Figure 112013085555107-pct00007
에 있어서 a＝1을 대입함으로써, 프레임 부품(3)의 플랜지부(3a)와 대향하여 용접되는 부품의 평탄부와의 판간의 간극량 a가 1㎜ 이내가 되는 범위는,
Figure 112013085555107-pct00008
㎜인 것을 알 수 있다. 역으로 말하면, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부로부터
Figure 112013085555107-pct00009
㎜ 이하의 범위에서는, 프레임 부품(3)의 플랜지부(3a)에 대향하여 용접되는 패널 부품(5)의 평탄부와의 판간의 간극량 a가 1㎜ 이내가 되기 때문에, 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 용접이 가능하다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 자동차용 골격 부품은, 플랜지부(3a)와 패널 부품(5)과의 접촉 단부보다 원호 형상부에 가까운 위치에서 용접되기 때문에, 프레임 부품(3)과 대향하여 용접되는 패널 부품(5)과의 사이에 발생하는 간극부 s가 적다. 그 때문에, 자동차용 골격 부품(1)에 하중이 작용하여 변형이 발생할 때에, 간극부 s의 개구가 억제되어, 자동차용 골격 부품(1)의 강성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 자동차용 골격 부품(1)을 적용한 자동차 차체는, 강성이 높고 조종 안정성이 우수함과 함께, 경량화를 위해 박육화(thin-walled)한 자동차용 골격 부품의 강성 저하를 보상할 수 있기 때문에 차체의 경량화에도 기여할 수 있다.
전술의 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예에 지나지 않고, 본 발명은 이들로 한정되는 것이 아니며, 사양 등에 따라서 여러 가지 변형하는 것은 본 발명의 범위 내이고, 또한 본 발명의 범위 내에 있어서, 다른 다양한 실시 형태가 가능함은 전술의 기재로부터 자명하다.
또한, 본 발명의 효과는, 열연 강판, 냉연 강판, 도금 강판 등의 강종에 좌우되지 않는다.
전술의 예에서는 단면 형상이 대략 모자 형상의 프레임 부품(3)에 용접하는 부품으로서 패널 부품(5)을 예시했지만, 패널 부품(5)을 대신하여 다른 프레임 부품을 용접하도록 해도 좋다.
(실시예)
대략 모자 단면 형상의 자동차용 골격 부품의 시험편을 이용하여, 비틀림 시험을 실시하여 본 발명에 의한 효과를 검증했다. 도 5는, 본 시험에 이용한 시험편을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 시험에 이용한 시험편은, 길이 방향 800㎜의 스트레이트 부품이고, 모자 단면의 플랜지부(3a) 및 종벽부(3b) 사이에 끼워진 원호 형상부(3c)의 반경은 10㎜, 플랜지폭은 25㎜로 했다.
시험편에 이용한 소재는, 1.6㎜ 두께의 인장 강도 270㎫급의 냉연 강판이다. 도 6은, 본 시험 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 시험편의 한쪽의 단부를 완전하게 고정하고, 반대측의 단부에 0.2kNm의 토크를 부가하여, 그때에 발생한 회전각을 계측하여 강성값을 산출했다.
연속 용접에는, 레이저·아크 하이브리드 용접을 이용하여, 용접 위치를 「플랜지부(3a)의 폭 방향의 중앙부」로부터 「플랜지부(3a)와 겹쳐진 판과의 접촉 단부로부터 6㎜의 위치」까지의 범위로 변경하고, 비틀림 강도 시험에 의해 강성값을 측정했다.
용접 위치와, 판간의 간극 및, 용접 품질과의 관계를 표 1에 나타낸다. 또한, 표 1에 있어서의 「용접 위치」란, 플랜지부(3a)와 겹쳐진 판과의 접촉 단부로부터 종벽부(3b) 방향으로의 거리를 나타내고 있다.
Figure 112013085555107-pct00010
또한, 강성 시험의 시험 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7은, 시험 결과의 그래프이다. 횡축은 용접 위치를 나타내고, 종축은 비틀림 강성비를 나타낸다. 비틀림 강성비는, 비교예로서 플랜지부(3a)의 폭의 중앙부를 스폿 용접한 시험편의 비틀림 강도값을 1로 하여, 각 시험편의 강성비를 나타내고 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 강성비는, 플랜지부(3a)의 폭의 중앙부를 연속 용접함으로써 5％ 정도 상승했다. 또한, 강성비는, 용접 위치를 플랜지부(3a)의 폭의 중앙부로부터 플랜지부(3a)와 보강판과의 접촉 단부까지 가까이 함으로써 완만하게 향상되었다. 또한, 강성비는, 플랜지부(3a)와 보강판과의 접촉 단부(0㎜)로부터 종벽부(3b)측으로 1.5㎜ 정도의 위치까지는 포화되었다.
또한, 1.5㎜∼4㎜의 범위에서는, 급격하게 강성비가 증가했다. 이에 따라,
Figure 112013085555107-pct00011
＝4.35인 것을 고려하여, 본 발명에 의한 강성 향상 효과가 검증되었다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 플랜지부(3a)와 보강판과의 접촉 단부로부터 5㎜, 6㎜의 용접 위치에서의 연속 용접을 시도했지만, 표 1에 나타내는 바와 같이 판간의 간극량이 크고, 언더필이나 용락 등의 용접 불량이 발생했다. 이것은, 용접 위치를 판간 거리가 용접 가능한 간극량 a(＝1㎜) 이내로 하지 않으면 안되는 것을 나타내고 있다.
본 발명은, 박강판에 의해 제조되어, 차체의 강성에 큰 영향을 미치는 자동차용 골격 부품에 적용할 수 있다.
s : 간극부
1 : 자동차용 골격 부품
3 : 프레임 부품
3a : 플랜지부
3b : 종벽부
3c : 원호 형상부
5 : 패널 부품
7 : 용접부
11 : 자동차용 골격 부품(종래예)
13 : 스폿 용접부
21 : 자동차용 골격 부품(종래예)
23 : 용접부

Claims (2)

  1. 단면(cross-section) 형상이 모자(hat) 형상인 프레임 부품의 플랜지부와, 당해 플랜지부에 대향하여 배치된 다른 프레임 부품 또는 패널 부품을 용접하여 폐단면(closed section)을 구성하는 자동차용 골격 부품으로서,
    용접 위치 좌표를, 상기 플랜지부와 상기 다른 프레임 부품 또는 패널 부품과의 접촉 위치의 단부(end)를 0으로 하고, 상기 플랜지부의 플랜지 외단측을 (－), 상기 모자 형상에 있어서의 종벽측(vertical wall portion)을 (＋)로 한 좌표계로 나타내고, 상기 모자 형상의 종벽부와 플랜지부를 연결하는 원호 형상부의 반경을 R(㎜), 용접 가능한 간극량을 a(㎜)로 했을 때에, 하기식으로 나타나는 용접 위치 X를 편측 용접 방법으로 연속 용접하여 이루어지고, 자동차용 골격 부품의 강성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 자동차용 골격 부품.
    Figure 112015047708534-pct00012
    단, R≥2, 0.46≤a<1, 2Ra-a2>2.25이고, 단위는 ㎜임
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편측 용접 방법이, 레이저·아크 하이브리드 용접 방법이며, 하기식으로 나타나는 용접 위치 X를 편측 용접 방법으로 연속 용접하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 골격 부품.
    Figure 112014105496150-pct00013
    단, R≥2이고, 단위는 mm임
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