KR101923291B1 - 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조 - Google Patents

자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조 Download PDF

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Abstract

1470㎫ 이상의 인장 강도의 켄칭부를 갖는 자동차 차체의 구조 부재의 내하중 성능의 저하뿐만 아니라, 용접에 의한 HAZ 연화에 수반되는 충격 흡수 성능의 저하도 억제한다. 외향 플랜지를 갖지 않는 폐쇄된 중공의 횡단면을 갖는 강제의 그 길이 방향으로, 인장 강도가 1470㎫ 이상인 켄칭부와, 인장 강도가 700㎫ 미만인 모재부와, 켄칭부(16)와 모재부(18) 사이에 천이부(17)를 구비하는 제1 부재(11)와, 제1 부재(11)에 겹쳐진 강제의 제2 부재(12)가, 겹침부에서 용접된 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조(10)이며, 겹침부는, 제1 부재(11)의 켄칭부(16)로부터 천이부(17)를 거쳐 모재부(18)에 걸쳐 존재함과 함께, 용접에 의해 형성되는 용접부(13)는, 제1 부재(11)에 있어서 천이부(17) 또는 모재부(18)에 존재한다.

Description

자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조 {JOINING STRUCTURE FOR MEMBER IN MOTOR VEHICLE BODY}
본 발명은, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조에 관한 것이다.
도 6은, 본 출원인이 특허문헌 1, 2 등에 의해 개시한 3차원 열간 굽힘 켄칭(3DQ: 3 Dimensional Hot Bending and Quench)을 나타내는 설명도이다.
3차원 열간 굽힘 켄칭에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 긴 강재(1)가, 지지 롤(2)에 의해 지지됨과 함께 이송 장치(3)에 의해 그 축방향으로 이송되면서, 고주파 가열 코일(4)에 의해 Ac3점 이상으로 급속하게 가열되어, 부분적으로 고온부(1a)를 형성하고, 직후에 수랭 장치(도시 생략)에 의해 급속하게 냉각된다.
이에 의해, 강재(1)에는, 길이 방향으로 이동하면서 켄칭되어 초고강도인 부위가 형성된다. 또한, 강재(1)를 이송하면서 지지하는 가동 롤러 다이스(5)가 직교 좌표계에서 2차원 또는 3차원으로 변위됨으로써, 굽힘 모멘트 또는 전단력이 상술한 강재(1)의 고온부(1a)에 부여되여, 굴곡부가 형성된다. 이 굴곡된 고온부(1a)를 급속하게 냉각함으로써, 켄칭된 굴곡부를 갖는 굽힘 부재(6)가 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조된다.
본 출원인은, 자동차 차체의 강도 부재나 A 필러가 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조되는 것을 특허문헌 3에 의해 개시하였다.
자동차 차체의 강제의 구조 부재는, 주로 스폿 용접이나 아크 용접 혹은 레이저 용접과 같은 용접에 의해, 다른 부재(다른 구조 부재나 성형 패널)와 접합된다. 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조된 구조 부재의 켄칭부의 인장 강도는 1470㎫ 이상에 달한다. 이로 인해, 이 구조 부재를 그 켄칭부에 의해 다른 부재와 용접하면, 마르텐사이트가 템퍼링되어 경도가 저하되는 현상(이른바 HAZ 연화)이 발생한다. 충격 하중이 HAZ 연화를 발생한 구조 부재에 부하되면, HAZ 연화된 부분을 기점으로 하여 구조 부재의 파단이 발생한다. 이로 인해, 이 구조 부재가 본래 갖는 우수한 충격 흡수 성능이 충분히 발휘되지 않는다.
3차원 열간 굽힘 켄칭에 있어서 고온부(1a)의 냉각 속도를 부분적으로 적절하게 조정함으로써, 또는 가열하지 않음으로써, 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조되는 구조 부재의 일부에 부분적으로 켄칭이 행해지지 않고 모재의 인장 강도와 거의 동일한 상태의 인장 강도를 갖는 부분(본 명세서에서는 「모재부」라고 함)을 형성하는 것이, 이 대책으로서 고려된다. HAZ 연화는, 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조된 구조 부재를 이 모재부에 의해 다른 부재와 용접함으로써 방지된다.
이 대책에서는, 켄칭부와 함께 모재부가 구조 부재의 일부에 설치되므로, 구조 부재의 내하중 성능이 저하될 우려가 있다.
일본 특허 제4825019호 명세서 일본 특허 공개 제2012-25335호 공보 PCT/JP/2008/056371
지금까지, 1470㎫ 이상의 인장 강도의 켄칭부를 갖는 자동차 차체의 구조 부재의 내하중 성능을 저하시키지 않고, 용접에 의한 HAZ 연화에 수반되는 충격 흡수 성능의 저하를 억제할 수 있는, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조는 알려져 있지 않다.
본 발명은 이하에 열기하는 바와 같다.
(1) 외향 플랜지를 갖지 않는 폐쇄된 중공의 횡단면을 갖고, 일 방향으로 연장됨과 함께, 당해 일 방향으로, 인장 강도가 1470㎫ 이상인 켄칭부, 인장 강도가 700㎫ 미만인 모재부, 및 상기 켄칭부와 상기 모재부 사이에 인장 강도가 상기 켄칭부의 인장 강도로부터 상기 모재부의 인장 강도로 점차 변화되는 천이부를 구비하는 강제의 제1 부재와, 상기 제1 부재의 외면의 일부에 겹침부에 의해 겹쳐지는 강제의 제2 부재를 구비하고, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재가 상기 겹침부에 있어서 용접되는, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조에 있어서,
상기 겹침부는, 상기 제1 부재의 상기 켄칭부로부터 상기 천이부를 거쳐 상기 모재부에 걸쳐 존재하는 것, 및
상기 용접에 의해 형성되는 용접부는, 상기 제1 부재에 있어서 상기 천이부 또는 상기 모재부에 존재하는 것을 특징으로 하는 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
(2) 상기 일 방향에 대해, 상기 제1 부재의 상기 켄칭부를 면하는 측의 상기 제2 부재의 단부로부터 당해 제1 부재의 상기 켄칭부의 단부까지의 길이 X(㎜)와, 상기 제1 부재의 상기 켄칭부를 면하는 측의 상기 용접부의 단부로부터 상기 제1 부재의 상기 켄칭부를 면하는 측의 상기 제2 부재의 단부까지의 길이 L(㎜)의 비(X/L)는 0.25 이상인 1항에 기재된 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
단, 길이 X는, 제1 부재의 켄칭부를 면하는 측의 제2 부재의 단부 위치를 원점으로 하는 상기 일 방향으로의 좌표에 의해 나타낸다.
(3) 상기 용접부는, 아크 용접부, 레이저 용접부 또는 저항 스폿 용접부인 1항 또는 2항에 기재된 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
(4) 상기 제1 부재는, 직사각형의 횡단면 형상을 가짐과 함께, 상기 제2 부재는, 상기 제1 부재의 3변과 겹치는 햇형의 횡단면을 갖는 제3 부재와, 당해 제3 부재의 2개의 플랜지와 겹쳐 접합됨과 함께, 상기 제1 부재의 나머지 1변과 겹치는 제4 부재에 의해 구성되는 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
(5) 상기 제2 부재는, 상기 용접부를 형성할 때의 작업 구멍인 접합 구멍을 갖는 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 기재된 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
(6) 상기 제1 부재는, 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조된 것인 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 기재된 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
본 발명에 관한 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조를, 예를 들어 A 필러와 사이드실의 접합부나, A 필러와 루프 레일의 접합부, 혹은 도어 빔과 그 설치부 등에 적용함으로써, 1470㎫ 이상의 인장 강도의 켄칭부를 갖는 자동차 차체의 구조 부재의 내하중 성능을 저하시키는 일 없이, 용접에 의한 HAZ 연화에 수반되는 충격 흡수 성능의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 관한 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조를 나타내는 설명도이며, 도 1의 (a)는 사시도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 있어서의 A-A' 단면도이고, 도 1의 (c)는 제1 부재의 켄칭부, 천이부 및 모재부의 인장 강도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명자들이, 도 1의 (a), 도 1의 (b)에 나타내는 구조를 갖는 자동차 차체용 용접 조인트에 대해 행한 FEM 해석의 조건을 나타내는 설명도이다.
도 3은 해석한 케이스(베이스, 케이스 A∼F)를 통합하여 나타내는 설명도이다.
도 4는 해석한 케이스(베이스, 케이스 A∼F)의 해석 결과를 통합하여 나타내는 그래프이다.
도 5는 켄칭부, 천이부 및 모재부의 인장 강도의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 3차원 열간 굽힘 켄칭을 나타내는 설명도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명에 관한 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조를 설명한다.
도 1은, 본 발명에 관한 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조(10)를 나타내는 설명도이며, 도 1의 (a)는 사시도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 있어서의 A-A' 단면도이고, 도 1의 (c)는 제1 부재(11)의 켄칭부, 천이부 및 모재부의 인장 강도를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 1의 (b)는, 각 구성 부재의 판 두께 중심 위치를 나타낸다.
도 1의 (a), 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 접합 구조(10)는, 제1 부재(11)와, 제2 부재(12)를 갖는다.
제1 부재(11)는, 도 6을 참조하면서 설명한 열간 3차원 굽힘 가공 방법에 의해 제조된 것이다. 또한, 도면을 보기 쉽게 하기 위해, 제1 부재(11)에 있어서의 굴곡부는 생략하고 나타낸다.
제1 부재(11)는, 외향 플랜지를 갖지 않는 폐쇄된 중공의 횡단면 형상을 갖는다. 도 1의 예에서는, 제1 부재(11)는, 이른바 각형 강관을 가공한 것이며, 사각형(직사각형)의 횡단면 형상을 갖는다.
제1 부재(11)는, 사각형의 횡단면 형상에 한정되는 것은 아니다. 제1 부재(11)는, 삼각형이나 오각형 등의 사각형 이외의 다각형의 횡단면 형상을 가져도 되고, 혹은 원형이나 타원형 등의 횡단면 형상이나, 이들을 부분적으로 조합하여 얻어지는 횡단면 형상을 갖고 있어도 된다.
제1 부재(11)는, 일 방향(도 1의 (a)에 있어서의 백색 화살표 방향)으로 연장되는 강제의 부재이다. 제1 부재(11)는, 도 1의 (c)에 나타내는 바와 같이, 켄칭부와, 천이부와, 모재부를, 일 방향을 향해 이 순서로 배열하여 구비한다. 또한, 켄칭부, 천이부, 모재부는, 후술하는 도 3을 참조하면서 다시 설명한다.
켄칭부는, 마르텐사이트로 이루어지는 금속 조직을 갖고, 1470㎫ 이상의 인장 강도를 갖는다. 모재부는, 700㎫ 미만의 인장 강도를 갖는다. 또한, 천이부는, 켄칭부와 모재부 사이에서, 인장 강도가 켄칭부의 인장 강도로부터 모재부의 인장 강도로 점차 변화되는 천이 영역이다.
박강판(steel sheet)으로부터 용접 강관을 제작하고, 이 용접 강관을 소관으로 하여 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제1 부재(11)를 제작한다. 박강판은, 켄칭에 의해 원하는 경도가 얻어지도록 강 성분 등의 설계 조정이 이루어진다. 박강판의 강도는, 용접관에의 가공 등을 고려하여, 통상은 700㎫ 정도 또는 그 이하로 된다.
제2 부재(12)는 강제이며, 일 방향에 있어서의 제1 부재(11)의 외면(11a)의 일부에 겹쳐진다. 이 겹침부는, 제1 부재의 켄칭부로부터 천이부를 거쳐 모재부에 걸쳐 존재한다.
제2 부재(12)는, 제1 부재(11)와의 겹침부에, 제1 부재(11)와 접합하는 용접부(13)를 갖는다. 용접부(13)는, 아크 용접부이지만, 아크 용접부에 한정되는 것은 아니며, 레이저 용접부나 저항 스폿 용접부여도 된다.
제2 부재(12)는, 제3 부재(14)와 제4 부재(15)에 의해 구성된다. 제3 부재(14)는, 제1 부재(11)의 3변(11-1, 11-2, 11-3)과 겹침과 함께 2개의 외향 플랜지(14a)를 갖는 햇형의 횡단면 형상을 갖는다. 한편, 제4 부재(15)는, 이른바 클로징 플레이트이며, 제3 부재(14)의 2개의 플랜지(14a)와 겹쳐 접합됨과 함께 제1 부재(11)의 나머지 1변(11-4)과 겹친 상태에서 용접에 의해 접합된다.
제2 부재(12)는, 상하 좌우면에 제1 부재(11)와 용접하기 위한 작업 구멍인 접합 구멍(12a)을 갖고 있고, 접합 구멍(12a)의 테두리에서 제1 부재(11)에 아크 용접된다.
이와 같이, 본 발명에 관한 접합 구조(10)는, 제1 부재(11)를 제2 부재(12)에 의해 끼워 넣은 구조를 갖고 있고, 제2 부재(12)의 상하 좌우면에 형성된 접합 구멍(12a)의 테두리를 아크 용접함으로써, 제2 부재(12)는 제1 부재(11)에 접합되어 있다.
접합 구조(10)에 있어서의 용접부(13)는, 제1 부재(11)에 있어서의 천이부 또는 모재부에만 존재한다. 이에 의해, 접합 구조(10)는, 1470㎫ 이상의 인장 강도의 켄칭부를 갖는 자동차 차체의 구조 부재의 내하중 성능을 저하시키지 않고, 용접에 의한 HAZ 연화에 수반되는 충격 흡수 성능의 저하를 억제할 수 있다. 그 이유를 설명한다.
도 2는, 본 발명자들이, 도 1의 (a), 도 1의 (b)에 나타내는 구조를 갖는 접합 구조(10)에 대해 행한 FEM 해석의 조건을 나타내는 설명도이다.
상술한 바와 같이, 제2 부재(12)의 접합 구멍(12a)에 상당하는 제1 부재(11)의 위치를 모재부로 하여 제1 부재(11)에 제2 부재(12)를 접합하면, HAZ 연화에 의한 강도 차를 피할 수 있어, 충격 하중 부하 시의 응력 집중에 의한 제1 부재(11)의 파단의 우려를 억제할 수 있다.
그러나, 제1 부재(11)에 설치하는 모재를 축방향으로 길게 취하면, 내하중 성능(load resistant performance)이 저하될 가능성이 있다. 따라서, 도 1의 (a), 도 1의 (b)에 나타내는 구조를 갖는 접합 구조(10)에 있어서의 제1 부재(11)와 제2 부재(12)가 겹치는 부분에 대해, 도 2에 나타내는 해석 조건으로, 켄칭 길이와 내하중 성능을 FEM 해석에 의해 조사하였다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 부재(11)는, 전체 길이 280㎜, 단면 형상이 35×45㎜인 직사각형, 판 두께가 1.4㎜이다. 제2 부재(12)는, 제3, 제4 부재(14, 15)로 이루어지고, 전체 길이 70㎜, 판 두께가 1.8㎜이고, 제1 부재(11)의 켄칭부를 면하는 측의 용접부(접합 구멍(12a))의 단부로부터 제1 부재(11)의 켄칭부를 면하는 측의 제2 부재(12)의 단부까지의 길이 L이 24㎜이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 제2 부재(12)의 한쪽 단부를 완전 구속하고, 부재에 굽힘 변형을 가하기 위해, 제1 부재(11)의 다른 쪽 단부에 1000㎜/s의 속도를 부여하여, 강제 변위시켰다.
도 3 및 표 1에 해석한 케이스(베이스, 케이스 A∼F)를 통합하여 나타낸다. 도 3에 있어서의 부호 16은 제1 부재(11)에 있어서의 켄칭부이고, 부호 17은 제1 부재(11)에 있어서의 천이부이고, 부호 18은 제1 부재(11)에 있어서의 모재부이다.
제1 부재(11)에 있어서의 일 방향으로의 천이부(17)의 길이는 12㎜로 설정하였다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 길이 X는, 제1 부재(11)의 켄칭부를 면하는 측의 제2 부재(12)의 단부의 위치를 원점으로 하는 일 방향으로의 좌표에 의해 나타낸다.
도 3에 있어서의 베이스는, 켄칭부(16) 및 천이부(17)가 모두 제2 부재(12)와 겹치지 않는 경우이고, 케이스 A, B는 천이부(17)의 일부가 제2 부재(12)와 겹치는 경우이다. 또한, 케이스 C∼F에서는, 천이부(17)가 제2 부재(12)에 겹침과 함께, 켄칭부(16)의 제2 부재와의 겹침 영역이 케이스 C로부터 케이스 F로 됨에 따라 증가하는 경우이다.
도 4 및 표 1에, 해석한 케이스(베이스, 케이스 A∼F)의 해석 결과를 통합하여 나타낸다. 성능 평가는, 변위를 가한 방향의 하중에서 행하고, 완전 구속한 부위에 가해지는 하중의 최대값으로 하였다. 도 4의 그래프에 있어서의 종축의 하중 베이스비는, 베이스를 1로 하는 비이다.
또한, 도 5는, 켄칭부(16), 천이부(17) 및 모재부(18)의 인장 강도의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 표 1에 나타내는 바와 같이, 길이 L, X에 의해, 제1 부재(11)의 켄칭부의 길이를, 제2 부재(12)와 제1 부재(11)의 켄칭부의 겹침 영역(오버랩)으로서 정리하였다.
도 4 및 표 1에 나타내는 바와 같이, 비(X/L)가 0.25 이상이면, 하중 성능이 비약적으로 향상되어, 켄칭부(16)를 오버랩시킨 조인트 구조가 필요한 것을 알 수 있다. 또한, 케이스 E, F와 같이 천이부(17)에 용접부(13)를 형성하면 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.
이상의 이유에 의해, 용접부(13)는, 천이부(17) 또는 모재부(18)에만 존재한다. 특히, 제1 부재(11)의 켄칭부(16)를 면하는 측의 제2 부재(12)의 단부로부터 제1 부재(11)의 켄칭부(16)까지의 길이 X(㎜)와, 제1 부재(11)의 켄칭부(16)를 면하는 측의 용접부(12a)의 단부로부터 제1 부재(11)의 켄칭부(16)를 면하는 측의 제2 부재(12)의 단부까지의 길이 L(㎜)의 비(X/L)는 0.25 이상인 것이 바람직하다.
Figure 112016113196732-pct00001
10 : 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조
11 : 제1 부재
11a : 외면
11-1∼11-4 : 변
12 : 제2 부재
12a : 접합 구멍
13 : 용접부
14 : 제3 부재
14a : 외향 플랜지
15 : 제4 부재
16 : 켄칭부
17 : 천이부
18 : 모재부

Claims (6)

  1. 외향 플랜지를 갖지 않는 폐쇄된 중공의 횡단면을 갖고, 일 방향으로 연장됨과 함께, 당해 일 방향으로, 인장 강도가 1470㎫ 이상인 켄칭부, 인장 강도가 700㎫ 미만인 모재부, 및 상기 켄칭부와 상기 모재부 사이에 인장 강도가 상기 켄칭부의 인장 강도로부터 상기 모재부의 인장 강도로 점차 변화되는 천이부를 구비하는 강제의 제1 부재와, 상기 제1 부재의 외면의 일부에 겹침부에 의해 겹쳐지는 강제의 제2 부재를 구비하고, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재가 상기 겹침부에 있어서 용접되는, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조에 있어서,
    상기 겹침부는, 상기 제1 부재의 상기 켄칭부로부터 상기 천이부를 거쳐 상기 모재부에 걸쳐 존재하는 것,
    상기 용접에 의해 형성되는 용접부는, 상기 제1 부재에 있어서 상기 천이부 또는 상기 모재부에 존재하는 것, 및
    제2 부재의 단부가 상기 켄칭부 상에 있는 것을 특징으로 하는, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일 방향에 대해, 상기 제1 부재의 상기 켄칭부를 면하는 측의 상기 제2 부재의 단부로부터 당해 제1 부재의 상기 켄칭부의 단부까지의 길이 X(㎜)와, 상기 제1 부재의 상기 켄칭부를 면하는 측의 상기 용접부의 단부로부터 상기 제1 부재의 상기 켄칭부를 면하는 측의 상기 제2 부재의 단부까지의 길이 L(㎜)의 비(X/L)는 0.25 이상인, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
    단, 길이 X는, 제1 부재의 켄칭부를 면하는 측의 제2 부재의 단부의 위치를 원점으로 하는 상기 일 방향으로의 좌표에 의해 나타냄.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용접부는, 아크 용접부, 레이저 용접부 또는 저항 스폿 용접부인, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 부재는, 직사각형의 횡단면 형상을 가짐과 함께, 상기 제2 부재는, 상기 제1 부재의 3변과 겹치는 햇형의 횡단면을 갖는 제3 부재와, 당해 제3 부재의 2개의 플랜지와 겹쳐 접합됨과 함께, 상기 제1 부재의 나머지 1변과 겹치는 제4 부재에 의해 구성되는, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 부재는, 상기 용접부를 형성할 때의 작업 구멍인 접합 구멍을 갖는, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 부재는, 3차원 열간 굽힘 켄칭에 의해 제조된 것인, 자동차 차체에 있어서의 부재의 접합 구조.
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