KR20130055016A - 성형 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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마사노리 야스야마
요시아키 나카자와
마사히토 다사카
도시야 스즈키
마사히로 나카타
히로키 후지모토
히토미 니시바타
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신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
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Abstract

저비용으로 제조할 수 있으며, 뛰어난 치수 정밀도를 갖고, 또한 뛰어난 축 압궤 특성이나 3점 굽힘 특성, 또는 뛰어난 굽힘 강성이나 비틀림 강성을 갖고, 자동차 구성 부재에 이용하는데 적절한 성형 부재를 제공한다. 성형 부재(20)는, 능선부(28)에 설치한 용접부(40)에 의해 접합되는 보강 부재(35)를 구비하고 있고, 평판형의 블랭크와 평판형의 보강 부재(35)를 용접부(40)에 의해 접합하고, 이 용접부(40)가 능선부(28)가 되도록 굽힘 성형하여 제조된다.

Description

성형 부재 및 그 제조 방법{MOLDED MEMBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은, 성형 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은, 저비용으로 제조할 수 있음과 더불어 뛰어난 치수 정밀도를 갖고, 또한 뛰어난 축 압궤 특성 및 3점 굽힘 특성, 또는 뛰어난 굽힘 강성 및 비틀림 강성을 갖는, 자동차 구성 부재에 이용하는데 적절한 성형 부재와, 그 제조 방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 대부분 모든 자동차 차체는, 경량 및 고강성을 양립시키기 위해서 모노코크 보디(유닛 컨스트럭션 보디)에 의해 구성된다.
도 20은, 자동차 차체(1)를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
모노코크 보디는, 통상, 판 두께 2.0mm 이하의 강판으로 프레스 성형된 다수의 구성 부재를, 예를 들면 스폿 용접에 의해, 소정의 형상으로 조합하여 접합함으로써 구성된다. 이러한 많은 구성 부재(이하, 자동차 구성 부재라 함)에는, 예를 들면, 프론트 사이드 멤버(2), 범퍼 리인포스먼트(3), 프론트 크래시 박스(4), 프론트 어퍼 레일(5), 사이드시일(6), 플로어 크로스 멤버(7), 플로어 패널(8), 센터 필러(9), 루프 레일 사이드(10), 리어 사이드 멤버(11), 또한 리어 크래시 박스(12)가 있고, 그들은, 요구되는 차체 강성을 확보하기 위해서, 단일 또는 몇 가지의 성형 부재 본체, 예를 들면 프레스 성형 부재 본체 또는 롤 성형 부재 본체로 구성된다.
여기서, 「성형 부재 본체」는, 판형상의 소재를 프레스 성형, 롤 성형 등의 적절한 굽힘 성형 수단으로 성형한, 능선부를 갖는 부재 본체를 말한다. 본 명세서에서는, 편의상, 단순히 성형체라고도 한다.
도 21은, 판형상 블랭크를 단면 해트형으로 프레스 성형한 성형 부재(13)의 예를 나타낸다. 특히, 도 21은, 성형 부재(13)와 평면형상의 클로징 플레이트(14)가 조합되어 구성된 자동차 구성 부재(15)의 일례인 프론트 사이드 멤버의 구조를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 성형 부재(13)는, 하나의 면(13a)과 다른 하나의 면(13b)을 연결하는 능선부(13c)를 갖고 있으며, 이에 의해, 자동차 구성 부재(15)의 강성을 높일 수 있다.
특허 문헌 1에는, 성형 부재의 능선부를 강판이 포개어진 포갬 형상부로 하는 발명이 개시되고, 특허 문헌 2에는, 성형 부재의 능선부에 육성 용접부를 설치하는 발명이 개시되고, 특허 문헌 3~5에는, 성형 부재의 강도가 필요해지는 부분에 담금질을 행하여 담금질 경화부로 하는 발명이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 6, 7에는, 소재인 2장의 강판 사이에 납재를 통해, 소위 열간 프레스 공정으로 납땜과 성형을 행함으로써 성형 부재를 제조하는 발명이 개시되어 있다.
일본국 특허 공개 2008-155749호 공보 일본국 특허 공개 2004-276031호 공보 일본국 특허 공개 평 4-72010호 공보 일본국 특허 공개 평 11-152541호 공보 일본국 특허 공개 평 10-17933호 공보 일본국 특허 공개 2001-310223호 공보 일본국 특허 공개 2011-88484호 공보
특허 문헌 1에 의해 개시된 발명에서는, 포갬 형상부를 형성하기 위한 특수한 금형이 필요해져 설비비가 증가한다. 특허 문헌 2에 의해 개시된 발명에서는, 육성 용접부를 형성하기 위한 비용이 증가한다. 또한, 특허 문헌 3~5에 의해 개시된 발명에서는, 담금질 경화부를 형성하기 위한 비용이 증가할 뿐만 아니라, 담금질에 의해 성형 부재의 변형에 따른 치수 정밀도의 저하가 염려된다.
또, 강판 및 납재(예를 들면, Pb, Cu, Ag 등) 각각의 물성치(융점, 강도, 신장)는 크게 상이하다. 그래서, 특허 문헌 6, 7에 개시된 발명에는 이하에 열기한 과제가 존재한다.
(a) 납재는 저융점 금속의 용융을 이용하는 것이므로, 열간 프레스 공정에서는, 2장의 강판은 용융 상태에 있는 납재를 사이에 끼운 상태로 성형된다. 이 때, 용융한 납재가 강의 입계에 침입하여 소위 액상 입계 취화를 일으킨다. 이 취화된 입계에 있어서 성형시의 변형에 의해 납재가 박리되어 원하는 성형 부재를 제조할 수 없을 가능성이 높다.
(b) 가령 성형 부재를 제조할 수 있었다고 해도, 2장의 강판 사이에는 강도나 신장과 같은 물성치가 강과는 크게 상이한 납재가 불가피적으로 개재한다. 이 때문에, 차량에 장착된 성형 부재가 충격 하중을 받아 축 압궤 변형이나 굽힘 변형될 때에, 파괴가 납재 자체나 납재와 강판의 계면에서 발생하기 쉬워져, 성형 부재의 충격 에너지의 흡수 특성을 높일 수 없다.
본 발명자들은, 구성이 간단하고 또한 복잡한 형상이어도 간편한 수단으로 제조할 수 있는 복합재, 즉, 능선부에 보강재를 용접으로 접합하고, 이 때의 용접부가 능선부의 중심에 가까운 영역에 설치되어 있는 복합재가, 그러한 충격 하중을 받았을 때에 에너지 흡수 특성이 특히 우수하다는 것을 알았다.
본 발명은, 하나의 면과 다른 하나의 면을 연결하는 능선부를 적어도 하나 갖는 성형 부재로서, 적어도 능선부에 접합되는 보강 부재를 구비하고, 능선부에 보강 부재와의 용접부가 설치되는 것을 특징으로 하는 성형 부재, 예를 들면 프레스 성형 부재, 롤 성형 부재이다.
본 발명에서 「능선부」란, 하나의 면과 다른 하나의 면을 연결하는 곡면 부분을 의미한다. 하나의 면 및 다른 하나의 면이 모두 평면인 경우에는, 하나의 면의 곡선종료 위치와 다른 하나의 면의 곡선종료 위치 사이의 부분을 의미한다. 하나의 면 및 다른 하나의 면의 일방 또는 쌍방이 곡률 반경을 갖는 곡면인 경우에는, 하나의 면과 다른 하나의 면을 연결함과 더불어 이들의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경인 부분을 의미한다. 따라서, 「능선부」는, 구체적으로는, 예를 들면 프레스 성형에 의한 굽힘 변형부, 즉 굽힘 변형을 받은 부위를 말하며, 그 능선의 방향을 능선부의 연장 방향이라 한다.
다른 관점에서는, 본 발명은, 성형 부재의 소재인 평판형의 블랭크에 있어서의 능선부가 되는 위치에 평판형의 보강 부재를 용접하고, 이 보강 부재가 용접된 블랭크에 프레스 성형 또는 롤 성형을 행함으로써, 능선부를 적어도 하나 갖는 굽힘 성형 부재를 제조하는 것을 특징으로 하는 성형 부재의 제조 방법이다. 이 경우에, 보강재가 용접된 블랭크를 Ac3점 이상의 온도로 가열한 후에 프레스 성형을 행하는 것, 즉 프레스 성형이 소위 열간 프레스 성형이어도 된다.
일반적으로, 탄소강의 용접부에 있어서의 용접 금속의 경도는 상승한다. 이 때문에, 용접 후에 프레스 가공을 행하는 경우, 능선부의 용접부의 변형이 매우 어려울 때, 능선부의 용접부가 프레스 성형시에 파단할 가능성이 높아진다. 이에 반해, 예를 들면 950℃ 이상과 같은 고온에서 열간 프레스 성형을 행하면, 능선부의 용접부는 소성 변형능이 커지므로, 보다 어려운 형상으로 프레스 성형 가능하게 된다.
한편, 열간 프레스 성형을 행한 후의 고장력 강판에 용접을 행하는 것을 고려하면, 그 때의 고장력 강판이 마르텐사이트 조직으로 이루어지고, 예를 들어 1500MPa 정도의 강도를 갖는 경우, 그러한 마루텐사이트 조직에 의해 경화한 모재는, 필연적으로, 용접시의 열에 의해 연화역(軟化域)을 일으켜(소위 HAZ연화), 약 30% 정도 경도가 저하해 버린다. 이 때문에, 이 연화역에서 조인트 파단이 염려된다.
이에 대해 상술한 바와 같이, 본 발명은, 용접 후에 열간 성형을 행하는 양태의 경우, 평판형의 블랭크에 평판형의 보강 부재를 용접하고, 그 때 프레스 성형시에 있어서 굽힘 중심이 되는 영역, 즉 능선부가 되는 위치에 용접부를 형성한다. 이와 같이 하여 보강 부재가 용접된 블랭크를 Ac3점 이상의 온도로 가열한 후에 프레스 성형을 행한다. 이 때의 가열로 인해, 지금까지의 용접의 이력은 소실되고, 프레스 가공 후의 냉각시에 있어서는, 모재 및 용접시에 HAZ연화한 용접부의 전부가 경화한다. 경화의 정도는, 주로 강중의 탄소량의 영향을 받기 때문에, 강 성분이 동일한 모재 및 HAZ 각각의 경도가 균일화된다.
즉, 본 발명에 의하면, 모재가 경화한 강도에 알맞는 접합 면적(예를 들면 너겟 직경)을 확보하면, 경화한 모재의 강도에 알맞는 조인트 강도를 갖는 성형 부재를 얻을 수 있다.
본 발명에서는, 용접부가, (a) 능선부의 연장 방향으로 연속적 또는 단속적으로 설치되는 것, (b) 능선부의 연장 방향으로 직선형 또는 곡선형으로 설치되는 것, (c) 능선부의 단면 둘레 방향의 중앙 위치부터 능선부의 단면 둘레의 50%의 거리에 있는 위치까지의 사이에 설치되는 것, (d) 스폿 용접부, 심 용접부, 레이저 용접부 또는 플라즈마 용접부인 것이 각각 바람직하다. 또, 용접부는 능선부의 전체면에 형성되어 있어도 된다. 또한, 용접 수단은, 스폿 용접, 심 용접, 레이저 용접 또는 플라즈마 용접 등 각종 용접 방법의 1종을 이용해도 되고, 혹은, 이들 2종 이상을 병용해도 된다.
능선부를 형성하는 방법은, 프레스 성형, 롤 성형 중 어느 것이어도 되고, 또, 평판 블랭크를 용접하여 겹친 것을 프레스 성형, 롤 성형해도 된다. 물론, 성형 부재 본체 및 보강재를 각각 미리 성형하여, 성형 부재 본체의 능선부에 설치한 용접부에 의해 보강재를 성형 부재 본체에 접합해도 된다.
또, 본 발명에서는, 보강 부재가, (e) 능선부의 연장 방향의 일부 또는 전부에 연장되어 설치되는 것, (f) 능선부의 연장 방향으로 1개 또는 2 이상으로 분할되어 설치되는 것, (g) 능선부의 단면에서 적어도 그 전역을 덮을 수 있는 치수를 갖는 것, (h) 능선부의 외주면 또는 내주면에 설치되는 것이 각각 가능하다.
본 발명에 의하면, 저비용으로 제조할 수 있음과 더불어 뛰어난 치수 정밀도를 갖고, 또한 뛰어난 축 압궤 특성 및 3점 굽힘 특성, 혹은 뛰어난 굽힘 강성 및 비틀림 강성을 갖는다는 점에서, 자동차 구성 부재에 이용하는데 적절한 성형 부재와 그 제조 방법이 제공된다.
도 1(a)~도 1(f)는, 보강 부재를 생략한 성형 부재의 각종 횡단면 형상을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2(a)는, 도 1(a)에 나타낸 성형 부재의 제1의 능선부에 각각 보강 부재를 용접한 상황을 나타내는 설명도이며, 도 2(b)는, 도 1(d)에 나타낸 굽힘 성형 부재의 제1의 능선부에 각각 보강 부재를 용접한 상황을 나타내는 설명도이고, 도 2(c)는, 도 1(e)에 나타낸 굽힘 성형 부재의 제1의 능선부에서 제2의 능선부에 걸쳐 제1의 보강 부재를 용접함과 더불어 제3의 능선부에 제2의 보강 부재를 용접한 상황을 나타내는 설명도이다.
도 3(a)~도 3(d)는, 용접부가 점형의 스폿 용접부인 경우의, 능선부의 연장 방향으로의 용접부의 배치 위치를 부분적으로 나타내는 사시도이다.
도 4(a)~도 4(h)는, 용접부가 선형상의 용접부인 경우의, 능선부의 연장 방향으로의 용접부의 배치 위치를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 5(a)~도 5(d)는, 용접부가, 선형상의 용접부와 점형장의 용접부의 조합인 경우를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 6(a)~도 6(c)는, 외관상의 의장성(미려함)이 요구되는 부위에 용접부를 형성하는 경우의 용접 방법의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 7(a)~도 7(d)는, 성형 부재에 있어서의 용접부의 적절한 형성 위치를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 8은, 본 발명을 센터 필러(B필러)에 적용하는 상황을 나타내는 설명도이며, 도 8(a)는 전체도이고, 도 8(b)는 도 8(a)의 VIII-VIII 단면도이며, 종래예이다. 도 8(c)는 마찬가지로 도 8(a)의 VIII-VIII 단면도이며, 본 발명예이다.
도 9는, 본 발명을 프론트 필러(A필러)에 적용하는 상황을 나타내는 설명도이며, 도 9(a)는 전체도이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 XI-XI단면도이며, 종래예이다. 도 9(c)는 마찬가지로 도 9(a)의 XI-XI단면도이며, 본 발명예이다.
도 10(a)는 실시예에서 이용하는 보강 부재의 개략 단면 형상을 나타내는 설명도이며, 도 10(b)는 능선부로의 보강 부재의 형상 및 배치를 나타내는 설명도이다.
도 11(a)는 보강 부재를 스폿 용접한 후의 성형 부재의 사시도이며, 도 11(b) 및 도 11(c)는 능선부로의 보강 부재의 스폿 용접 위치를 나타내는 설명도이다.
도 12는, 시험 조건을 정리하여 나타낸 설명도이다.
도 13은, 시험 방법을 나타낸 설명도이다.
도 14(a)는 비교예 1 및 본 발명예 1의 성형 부재의 변위 및 하중의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 14(b)는 비교예 1 및 본 발명예 1의 성형 부재의 변위 및 흡수 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15(a)는 비교예 2 및 본 발명예 2의 성형 부재의 변위 및 하중의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 15(b)는 비교예 2 및 본 발명예 2의 성형 부재의 변위 및 흡수 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16(a) 및 (b)는, 각각 본 발명예 2, 비교예 2의 경우, 성형 부재의 변형량이 8mm일 때의 부재 축방향 응력의 분포 상태를 나타내는 설명도이다.
도 17(a)는 3점 굽힘 시험의 상황을 나타내는 설명도이며, 도 17(b)는 해트 부재의 단면 형상을 나타내는 설명도이다.
도 18은, No.1~3의 굽힘 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는, No.1~6의 시험 조건과 시험 결과(최대 하중)를 정리하여 나타낸 설명도이다.
도 20은, 자동차 차체를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 21은, 성형 부재 본체와 평면형의 클로징 플레이트가 조합되어 구성된 자동차 구성 부재의 일례인 프론트 사이드 멤버의 구조를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
본 발명을, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이후의 설명에서는, 본 발명에 따른 성형 부재가 자동차 구성 부재의 한 요소인 경우를 예로 든다. 또, 성형 부재의 단면을 갖고, 또, 성형 방법으로서 프레스 성형을 예로 들어 본 발명을 설명한다.
본 발명에 따른 성형 부재는, 하나의 면과 다른 하나의 면을 연결하는 능선부를 적어도 하나 갖는 성형 부재 본체와, 이 성형 부재 본체의 적어도 능선부에 접합되는 보강 부재를 구비한다. 즉, 성형 부재의 능선부에 보강 부재와의 용접부가 설치된다. 여기서, 본 명세서에서는, 설명을 간단하게 하기 위해서 이 성형 부재 본체도 편의상 「성형 부재」라고도 한다.
성형 부재 본체는, 후술하는 바와 같이, 예를 들면 프레스 성형이 행해져 제조되는 프레스 성형 부재인, 또는 롤 성형에 의해 제조되는 롤 성형 부재이다. 또한, 성형 부재는, 단체(單體)로, 혹은 다른 부재와 함께, 자동차 구성 부재를 구성한다.
도 1(a)~도 1(f)는, 성형 부재(20~25)의 각종 횡단면 형상을 모식적으로 나타낸 설명도이다. 도 1(a)~도 1(f)에서의 능선부에 보강 부재(도시하지 않음)가 용접에 의해 접합된다. 동일 부호는 동일 부위를 나타낸다.
도 1(a)에 나타낸 성형 부재(20)는, 하나의 면(26)과 다른 하나의 면(27, 27)을 연결하는 제1, 제2의 능선부(28, 28)와, 하나의 면(29, 29)과 다른 하나의 면(27, 27)을 연결하는 제3, 제4의 능선부(30, 30)를 갖는다. 성형 부재(20)는, 이들 4개의 능선부(28, 28, 30, 30) 중 적어도 하나의 능선부에 접합되는 보강 부재를 구비한다. 성형 부재(20)는, 단체로 자동차 구성 부재를 구성해도 된다.
도 1(b)에 나타낸 성형 부재(21)는, 제1, 제2의 능선부(28, 28) 중 적어도 하나의 능선부에 접합되는 보강 부재를 구비하는 예를 나타낸다. 성형 부재(21)는, 하나의 면(플랜지)(29, 29)을 통해 스폿 용접되는 평판형의 클로징 플레이트(31)와 함께 자동차 구성 부재를 구성해도 된다.
도 1(c)에 나타낸 성형 부재(22)는, 제1의 능선부(28)에 접합되는 보강 부재를 구비한다. 성형 부재(22)는, 하나의 면(플랜지)(29, 29)을 통해 스폿 용접되는 평판형의 클로징 플레이트(31)와 함께 자동차 구성 부재를 구성해도 된다.
도 1(d)에 나타낸 성형 부재(23)는, 상술한 성형 부재(21)를 두 개, 각각의 하나의 면(플랜지)(29, 29)을 통해 스폿 용접되고 조합되어, 자동차 구성 부재를 구성해도 된다.
도 1(e)에 나타낸 성형 부재(24)는, 하나의 면(26)과 다른 하나의 면(27, 27)을 연결하는 제1, 제2의 능선부(28, 28)와, 하나의 면(29, 29)과 다른 하나의 면(27, 27)을 연결하는 제3, 제4의 능선부(30, 30)와, 하나의 면(29, 29)과 다른 하나의 면(32, 32)을 연결하는 제4, 제5의 능선부(33, 33)를 갖는다. 성형 부재(24)는, 이들 능선부(28, 28, 30, 30, 33, 33) 중 적어도 하나의 능선부에 접합되는 보강 부재를 구비한다. 성형 부재(24)는, 단체로, 자동차 구성 부재를 구성해도 된다.
또한, 도 1(f)에 나타낸 성형 부재(25)는, 상술한 성형 부재(24)의 하나의 면(플랜지)(29, 29)을 통해 스폿 용접되는 평판형의 클로징 플레이트(31)와 함께 자동차 구성 부재를 구성해도 된다.
능선부(28, 30, 33)의 내각(도 1(a)에서 예시하는 각도 θ)는, 90도일 필요는 없고, 각 성형 부재(20~25)에 요구되는 소정의 각도이면 된다.
또, 도시예에서 능선부는 전체가 대칭이 되도록 설치되어 있는데, 비대칭이어도 된다.
도 2(a)는 도 1(a)에 나타낸 성형 부재(20)의 능선부(28, 28)에 각각 보강 부재(35, 35)를 용접한 상황을 나타내는 설명도이며, 도 2(b)는 도 1(d)에 나타낸 성형 부재(23)의 능선부(28, 28, 28, 28)에 각각 보강 부재(35, 35, 35, 35)를 용접한 상황을 나타내는 설명도이고, 도 2(c)는 도 1(e)에 나타낸 성형 부재(24)의 능선부(28, 28)부터 능선부(30, 30)에 걸쳐 제1의 보강 부재(35-1, 35-1)를 용접함과 더불어 능선부(33, 33)에 제2의 보강 부재(35-2, 35-2)를 용접한 상황을 나타내는 설명도이다. 또한, 도면 중, 능선부(28, 30, 33)에 설치하는 용접부는 도면을 명료하게 하기 위해서 생략되어 있다.
여기서, 보강 부재를 능선부의 단면에서 그 영역에만 덮는 예를 나타내고 있다. 그것은, 부재 특성을 개선시키는데 있어서, 능선부의 용접 고정이 유효하지만, 한편, 보강 부재는 부재 전체의 중량 증가 요인이기 때문이다. 또한, 「능선부의 단면」은 성형 부재의 길이 방향에 직교하는 방향의 단면을 말한다.
또한, 본 발명에서는, 용접에 의해 보강재를 용접시키고 나서 프레스 성형 혹은 롤 성형을 행하는 것이 바람직하다. 즉, 능선부 즉 굽힘 가공부 전체(모재부＋보강부)가 간극없이 일체적으로 성형되는 것이 바람직하기 때문이다.
도 2(a)~도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 보강 부재(35, 35-1, 35-2)는, 각 능선부(28, 30, 33)의 전역을 그 단면 둘레 방향으로 덮을 수 있는 폭 치수를 갖고 있으면 된다. 도 2(a) 중의 확대도에 나타낸 바와 같이, 능선부(28, 30, 33)의 내각을 θ(rad), 곡률 반경을 R(mm)로 하면, 능선부(28, 30, 33)의 단면 둘레 방향의 길이는 Rθ(mm)가 되므로, 보강 부재(35)의 폭은 Rθ(mm) 이상인 것이 바람직하다. 또한, 실제 성형 부재의 형상을 고려하면, 예를 들면, 내각(θ)은 60도 이상 120도 이하이다.
도 2(a) 및 도 2(c)는 보강 부재(35)를 능선부(28)의 외주면에 설치한 예를 나타내고, 도 2(c)는 보강 부재(35-1, 35-2)를 능선부(28, 30)의 외주부 및 내주면의 쌍방에 설치한 예를 나타낸다. 1개의 능선부의 외주면 및 내주면의 쌍방에 보강재를 설치하는 양태도 생각된다. 여기서 「외주면」, 「내주면」은, 능선부의 볼록면, 오목면을 각각 말한다.
보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 각 능선부(28, 30, 33)에 용접하기 위한 용접부의 폭(단면 둘레 방향의 길이)은, 후술하는 프레스 성형시에 부하되는 하중에 의해서 보강 부재(35, 35-1, 35-2)가 각 능선부(28, 30, 33)로부터 크게 박리되지 않는 한 특별히 규정할 필요는 없다. 그러나, 말할 필요도 없이 큰 하중 변형을 받더라도 박리되지 않는 것이 바람직하며, 예를 들면 용접부가 스폿 용접부인 경우에는, 용접부의 너겟 직경이 보강 부재(35)의 판 두께를 t(mm)로 한 경우에 3
Figure pct00001
(mm) 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이, 용접부의 폭은, 성형 부재(20~25)가 원하는 특성을 유지하기 위해서, 능선부(28, 30, 33)의 단면 둘레 방향의 길이(Rθ)에서 차지하는 비율이 큰 것이 바람직하고, 또 하나의 능선부에 용접부가 복수 존재하고 있어도 된다.
용접부는, 각 능선부(28, 30, 33)의 단면 둘레 방향의 중앙 위치부터 각 능선부(28, 30, 33)의 단면 둘레의 적어도 50%의 거리에 있는 위치까지의 사이에 설치되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 본 발명의 효과를 확실히 얻는 것이 가능하다.
또, 용접부의 폭 전역이 능선부(28, 30, 33)의 단면 둘레 방향의 길이(Rθ)의 범위에 모두 포함되지 않아도 된다. 용접부의 적어도 일부가 능선부에 포함되어 있으면 된다.
기본적으로는, 보강 부재(35, 35-1, 35-2)의 폭이 커질수록 보강 부재(35, 35-1, 35-2)에 의한 굽힘 성형 부재(20~25)의 보강 효과는 증가하는데, 자동차 구성 부재로서의 중량이나 비용의 증가는 피할 수 없다. 이 때문에, 보강 부재(35, 35-1, 35-2)의 폭은, 능선부(28, 30, 33)의 단면 둘레 방향의 길이(Rθ)를 조금 웃도는 정도, 구체적으로는, Rθ×5 이하인 것이 바람직하고, Rθ×4 이하인 것이 더욱 바람직하고, Rθ×3 이하인 것이 가장 바람직하다.
보강 부재(35, 35-1, 35-2)는, 각 능선부(28, 30, 33)의 연장 방향으로의 성형 부재(20~25)의 단면 형상이 일정하게 변화하지 않는 경우에는, 당연히, 각 능선부(28, 30, 33)의 연장 방향의 전체 길이에 걸쳐 설치함으로써 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 실제 존재하는 많은 성형 부재는, 각 능선부(28, 30, 33)의 연장 방향에서 단면 형상이 그 위치에 따라 일정하지 않고 변화한다. 이 경우에는, 성형 부재(20~25)가, 예를 들면 축 압궤 방향으로의 하중을 받았을 때에 가장 변형되기 쉬운, 단면적이 작은 영역이 있다. 그래서, 적어도 이 영역에 보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 설치하는 것이 유효하다. 성형 부재(20~25)의 축방향의 전체 길이에 보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 설치하지 않더라도 이 단면적이 작은 영역에 보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 설치함으로써, 보다 확실하게 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 물론, 성형 부재(20~25)의 축방향의 전체 길이에 보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 설치함으로써 더욱 큰 효과를 얻는 것이 가능하다.
능선부(28, 30, 33)의 연장 방향으로의 용접부의 배치는, 성형시의 성형성이나 성형 부재에 요구되는 특성에 따라, 적절히 설정하면 된다. 점형, 직선형, 곡선형과 같은 용접부의 형상이나 그 배치수, 또 용접부의 치수(길이)도 적절히 설정하면 된다. 또, 점형의 용접부와 선형상의 용접부를 병용하거나 직선형의 용접부와 곡선형의 용접부를 병용해도 된다.
여기서, 능선부의 「연장 방향」은, 능선부가 성형 부재의 길이 방향을 따라 설치되어 있다는 점에서, 그 길이 방향, 즉 축방향을 말한다. 또, 「능선부의 단면 형상」은, 그 길이 방향에 직교하는 단면에서의 형상이다.
도 3(a)~도 3(d)는, 용접부(40)가 점형의 스폿 용접부인 경우의, 능선부(28)의 연장 방향으로의 용접부(40)의 배치 위치를 부분적으로 나타내는 사시도이다. 도 3(a)~도 3(d)에서의 동그라미 표시는 용접부(40)를 나타낸다. 도시예는, 도 2에 나타낸 성형 부재(20)에 설치한 능선부(28)의 외주면에 보강 부재(35)를 용접에 의해 접합하는 경우를 예로 들어 설명한다. 편의상, 능선부(28)를 보강 부재(35)의 능선부로서 도시하고 있다. 또한, 후술하는 도 4~도 7의 경우도 같다.
도 3(a)는, 용접부(40)를 능선부(28)의 연장 방향의 동일 단면에 배치한 경우이며, 한 방향으로의 성형성이나 변형을 제어하기 쉬운 효과가 있다.
도 3(b)는, 용접부(40)를 능선부(28)의 연장 방향으로 지그재그 배치한 경우이며, 단위면적당 용접부(40)의 위치수를 보다 증가시킬 수 있으므로 성형 부재의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 3(c)는, 용접부(40)의 형성 위치를 능선부(28)의 연장 방향의 위치에 따라 변경한 경우이며, 예를 들면, 능선부(28) 중에서 축 압괴 성능이 요구되는 부분(28-1)과, 굽힘 변형 성능이 요구되는 부분(28-2)에서, 용접부(40)의 형성 위치를 다르게 함으로써, 성형 부재의 축 압괴 성능 및 굽힘 변형 성능을 모두 높일 수 있다. 이와 같이, 용접부(40)의 형성 위치를 능선부(28)의 연장 방향의 위치에 따라 변경함으로써, 성형 부재에 요구되는 다양한 요구에 유연하게 대응할 수 있다.
도 3(d)는, 용접부(40)를 능선부(28)의 연장 방향으로의 타점 피치를 변경하여 형성한 경우이며, 도 3(c)에 나타낸 경우와 마찬가지로, 성형 부재에 요구되는 다양한 요구에 유연하게 대응할 수 있다.
도 4(a)~도 4(h)는, 용접부가 선형의 용접부(41)인 경우의, 능선부(28)의 연장 방향으로의 용접부(41)의 배치 위치를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 4(a)는, 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 연속해서 직선형으로 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(b)는, 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 단속하여 직선형으로 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(c)는, 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 연속해서, 또한 도중에 위치를 변경하여 직선형으로 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(d)는, 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 연속해서 곡선형으로 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(e)는, 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 C자형상으로 연속해서 이격하여 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(f)는, 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 C자형상으로 연속해서 일부를 교차시켜 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(g)는, 단면 방향으로의 스티치형상의 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 연속해서 이격하여 형성한 경우를 나타낸다.
도 4(h)는, 단면 방향으로의 연속 용접부(41)를 능선부(28)의 연장 방향으로 연속해서 이격하여 형성한 경우를 나타낸다.
도 5(a)~도 5(d)는, 용접부가, 선형의 용접부와 점형의 용접부의 조합인 경우를 모식적으로 나타낸 설명도이다. 또한, 점형의 용접부는 스폿 용접에 의해 형성해도 되고, 혹은 레이저 용접에 의해 형성해도 된다. 또, 선형의 용접부는 레이저 용접에 의해 형성해도 되고, 혹은 심 용접에 의해 형성해도 된다.
도 5(a)는 점형의 용접부(40)와 선형상의 용접부(41)를 병용한 경우를 나타내고, 도 5(b)는 선형의 용접부(41)와는 방향이 상이한 선형의 용접부(42)를 병용한 경우를 나타내며, 도 5(c)는 C자형상의 용접부(41)와 점형의 용접부(40)를 병용한 경우를 나타내고, 도 5(d)는 능선부의 연장 방향과 직교하는 방향으로의 선형의 용접부(41)와 점형의 용접부(40)를 병용한 경우를 나타낸다.
이와 같이, 보강 부재(35)는 능선부(28)의 연장 방향의 일부 또는 전부로 연장 설치되어 있어도 되고, 또, 능선부(28)의 연장 방향으로 1개 또는 2개 이상으로 분할되어 설치되어 있어도 된다.
능선부(28)에 보강 부재(35)를 용접하기 위한 용접부(40~42)는, 성형 부재(20)가 외력을 받을 때에, 보강 부재(35)와 성형 부재(20) 사이에 간극이 발생하는 것을 방지하고, 축 압궤 특성 및 굽힘 변형 특성을 향상시키는 효과, 혹은 굽힘 강성 및 비틀림 강성을 높이는 효과를 갖는다. 그래서, 용접부(40~42)는, 능선부(28)의 연장 방향으로 연속해서 형성되는 것이 가장 바람직한데, 예를 들면 스폿 용접과 같이, 능선부(28)의 연장 방향으로 단속적으로 형성되어 있어도 된다. 용접부(40~42)가 능선부(28)의 연장 방향으로 단속적으로 형성되는 경우에는, 변형시에 능선부(28)로부터 보강 부재(35)가 박리되지 않도록, 인접하는 각 용접부의 간격을 적절히 설정하면 된다.
또, 성형 부재로 구성되는 자동차용 구성 부재가 예를 들면 플로어 패널인 경우에는, 능선부의 단면 둘레 방향의 길이(Rθ)가 길어지는 경향이 있다. 이 경우에는, 용접부는, 능선부의 연장 방향으로 직선형으로 존재할 필요는 없고, 예를 들면 S자형상으로 굴곡진 곡선형, 또는 지그재그 형상의 단선형, 혹은 점형으로 존재하고 있어도 된다. 요컨데, 성형 부재가 외력을 받을 때에, 능선부로부터 보강 부재가 박리되지 않도록 용접부를 형성하면 된다.
보강 부재(35)가, 능선부(28)뿐만 아니라 능선부(28)에 연속하는 면부(예를 들면 해트 단면부의 종벽부)도 덮는 경우에는, 능선부(28)에서 용접하는 것에 추가하여 이 면부에서도 용접해도 되는 것은 말할 필요도 없다.
성형 부재(20)가 축 압궤 변형을 일으키는 경우,단면 형상이 능선부(28)의 연장 방향에 대해서 변화하지 않을 때에는, 축 압궤시의 변형은, 성형 부재(20)의 단부에 집중된다. 이 때문에, 프레스 성형시에 능선부에서 성형 부재(28)와 보강 부재(35) 사이에서 재료가 미끄러지거나 각각의 재료가 상이한 변형을 하거나 하는 것을 방지하기 위해서, 단부, 특히 단면 형상 변화부에서는 보다 조밀하게 용접부를 설치한다. 이와 같이, 성형 부재(20)의 양단부의 능선부(28)와 보강 부재(35)의 간극을 용접에 의해 적게 하는 것, 또, 단면 형상이 변화될 때에는 형상 변화 영역 근방의 능선부(28)와 보강 부재(35)의 간극을 용접에 의해 적게 하는 것이 각각 중요하다. 또한, 용접부가 스폿 용접부처럼 단속적으로 형성되는 경우에는, 이들 부분에서, 인접하는 각 용접부(40~42)의 간격을 작게 설정하는 것이 바람직하다.
용접법은, 특별히 한정을 요하는 것이 아니라, 예를 들면, 스폿 용접, 심 용접, 레이저 용접 또는 플라즈마 용접을 이용할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 평판형의 블랭크재의 일부에 마찬가지로 평판형의 보강 부재를 겹친 상태로 양자를 용접하는 것이 가능한 용접법이면, 똑같이 적용하는 것이 가능하다.
도 6(a)~도 6(c)는, 용접부(40~42)를, 외관상의 의장성(미려함)이 요구되는 부위에 형성하는 경우의 용접 방법의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
조립 후의 성형 부품의 일면 혹은 일부에 대해 외관상의 의장성, 즉 용접 비드나 저항 용접에 의한 전극 흔적 등의 요철이 잔존하지 않는 외관상의 미려함이 요구되는 경우에는, 도 6(a)~도 6(c)에 예시되는 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
도 6(a)에 있어서의 부호 70은 레이저 용접기를 나타낸다. 도 6(a)는, 능선부(28)와 보강 부재(35)를 레이저 용접할 때에, 능선부의 외면인 면(a)까지 용접 비드(41)를 관통시키지 않고 레이저 용접을 행함으로써, 면(a)을 미려하게 유지할 수 있다.
도 6(b)에 있어서의 부호 71, 72는 심 용접용 전극을 나타낸다. 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 심 용접에서는 면(a)측에 접촉 면적이 큰 원반 형상의 심 용접용 전극(72)을 채용해 회전시키면서 용접을 행함으로써, 면(a)을 미려하게 유지할 수 있다.
도 6(c)에서의 부호 73은 편측 심 용접용 전극을 나타낸다. 부호 74는 플랫한 백 전극을 나타낸다. 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 편측 심 용접에서는, 면(a)측에 플랫한 백 전극(74)을 채용하고, 면(b)측의 전극(73)을 회전시키면서 용접(소위, 편측 심 용접)함으로써, 면(a)을 미려하게 유지할 수 있다.
또, 스폿 용접에서는 플랫한 백 전극이나 선단의 곡률 반경이 큰 전극을 이용함으로써 a면에 전극 흔적을 잔존시키지 않고 미려하게 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 성형 부재는, 예를 들면, 프론트 사이드 멤버, 범퍼 리인포스먼트, 프론트 크래시 박스, 프론트 어퍼 레일, 사이드시일, 플로어 크로스 멤버, 플로어 패널, 센터 필러, 루프 레일 사이드, 리어 사이드 멤버, 또한 리어 크래시 박스와 같은 자동차 구성 부재에, 단독으로 혹은 다른 부재와 조합하여 적절하게 이용할 수 있다. 혹은, 이러한 자동차 구성 부재의 일부를 본 발명에 따른 성형 부재로 구성하도록 해도 된다. 즉, 상기 자동차 구성 부재의 일부 개소에 본 발명에 따른 보강재를 그 능선부에 설치한 용접부에 의해 고착시키도록 해도 된다.
또한, 본 명세서에서는, 설명을 간단하게 하기 위해서, 상술과 같은 자동차 구성 부재 그 자체를 본 발명에 따른 성형 부재라 칭하기도 한다.
예를 들면, 터널부를 구비한 플로어 패널(프론트 플로어 패널)에 본 발명을 적용하는 경우에는, 터널부의 능선부 중, 전방 충돌시에 최초로 충격 하중이 입력되는 부분인, 데쉬 로어 패널에 가까운 쪽(앞쪽)의 능선부에, 보강 부재를 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 프론트 플로어 패널의 굽힘 강성이나 비틀림 강성을 높이는 것이 가능하게 될 뿐만 아니라, 프론트 플로어 패널의 충격 흡수 특성을 향상시키는 것도 가능하게 된다.
본 발명에 따른 성형 부재는, 능선부에 있어서 용접된 보강 부재를 구비하므로, 예를 들면, 축 압궤시에 있어서는, (i) 굽힘 성형 부재의 외벽부가 단면 외부측으로 열리려고 하는 변형(이하, 「면외 변형」이라 함)이 보강 부재에 의해 확실하게 억제되어, 성형 부재의 좌굴 하중이 증가함과 더불어, (ii) 가장 특성 기여도가 큰 능선부에 용접된 보강 부재를 가지므로, 단(單)좌굴 하중이 향상됨과 더불어 좌굴 파장을 작게 할 수 있다. 이로써, 본 발명에 의하면, 성형 부재의 충격 에너지의 흡수 특성이 향상한다.
또, 본 발명에 따른 성형 부재는, 능선부에 있어서 용접된 보강 부재를 구비하기 때문에, 예를 들면, 3점 굽힘시에 있어서는, 능선부가 접합되어 있지 않은 종래의 경우에 비해 이 보강된 능선부가 높은 강성과 함께 높은 강도를 가지므로, 변형 초기부터 높은 굽힘 강도를 나타냄과 더불어, 이 능선부에서의 변형량이 종래의 경우에 비해 작아진다. 이로써, 측벽부가 굽힘 응력에 대해 부하를 유효하게 부담할 수 있어, 그 결과, 높은 굽힘 좌굴 하중을 얻을 수 있다. 그래서, 본 발명에 의하면, 성형 부재의 충격 에너지의 흡수 특성이 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 성형 부재는, 능선부에 있어서 용접된 보강 부재를 구비하기 때문에, 예를 들면 플로어 패널에 적용하면, 이 플로어 패널에 굽힘 변형이나 비틀림 변형이 발생할 때의 저항성이 높아져, 성형 부재의 굽힘 강성이나 비틀림 강성을 높일 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 성형 부재를 이용하여 자동차 구성 부재를 구성하면,
(A) 통형상의 자동차 구성 부재로서 그 축방향으로 부하되는 충격 하중을 부담하는 부재(예를 들면, 프론트 사이드 멤버, 프론트 크래시 박스, 프론트 어퍼 레일, 플로어 크로스 멤버, 리어 사이드 멤버, 또 리어 크래시 박스 등)의 경우에는, 그 축 압궤시의 충격 에너지의 흡수 특성을 높이는 것,
(B) 통형상의 자동차 구성 부재로서 그 축방향과 대략 직교하는 방향으로 부하되는 충격 하중을 부담하는 부재(예를 들면, 범퍼 리인포스먼트, 사이드시일, 센터 필러, 루프 레일 사이드 등)의 경우에는, 그 3점 굽힘시의 충격 에너지의 흡수 특성을 높이는 것, 또한
(C) 판형상의 자동차 구성 부재(플로어 패널 등)의 경우에는, 그 굽힘 강성이나 비틀림 강성을 높이는 것이 모두 가능해진다.
도 7(a)~도 7(d)는, 성형 부재(44~47)에 있어서의 용접부(40~42)의 적절한 형성 위치를, 단면에서 부분적으로 또한 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 7(a)는, 그 축방향으로 부하되는 충격 하중을 부담하는 성형 부재(44)를 나타내고, 용접부(40~42)가 능선부 Rθ의 단면 둘레의 50%에 포함되는 범위(도면 중, 1/2Rθ로 나타냄)에 적어도 존재하는 것이 바람직하다.
도 7(b)는, 그 축방향과 직교하는 방향으로 부하되는 충격 하중(σ, 도면 중, 흰색 화살표로 나타냄)을 부담하는 성형 부재(45)를 나타내고, 용접부(40~42)의 일부가, 측벽측의 곡선 종단부에 걸리는 위치에 존재하는 것이 바람직하다.
도 7(c)는, 그 축방향 및 축방향과 직교하는 방향의 두 방향으로 부하되는 충격 하중을 하나의 용접부에서 부담하는 성형 부재(46)를 나타낸다.
또한, 도 7(d)는, 동일 단면 상에 각각의 부하 방향에 따른 용접부를 각각에 설치하여 부담하는 성형 부재(47)를 각각 나타낸다.
도 8은, 본 발명을 센터 필러(B필러)(48)에 적용하는 양태의 일례를 나타내는 설명도이며, 도 8(a)는 전체도이고, 도 8(b)는 도 8(a)의 VIII-VIII 단면도이며, 비교를 위해 나타낸 종래의 센터 필러의 단면도이다. 도 8(c)는 마찬가지로 도 8(a)의 VIII-VIII 단면도이며, 본 발명예의 센터 필러를 나타내는 단면도이다. 도면 중, 용접부의 위치를 동그라미 표시로 나타낸다. 도 9에서도 동일하다.
본 발명을 B필러(48)에 적용하는 경우에는, B필러 아우터(49)와 B필러 이너(51) 사이에 설치되는 B필러 리인포스(50)를 본 발명에 따른 성형 부재로 구성한다. 이와 같이 보강 부재를 구비한 성형 부재인 B필러 리인포스(50)는, 통상, B필러(48)의 상부에 배치된다. 그리고, 본 발명을 B필러 리인포스(50)에 적용하고, 그 능선부에 보강재(도시하지 않음) 및 용접부(40~42)를 배치함으로써, B필러 아우터(49)의 내충격 특성은 큰 폭으로 개선된다. 또한, 도 8(c)에서의 성형 부재인 B필러 리인포스(50)의 구체적인 구성은, 그 구체적인 형상에 의해 예를 들면 도 2에 나타낸 어떠한 구성이어도 된다.
이 때, B필러 리인포스(50) 및 보강 부재(50) 각각의 재료는, 특별히 한정을 요하는 것이 아니라 고장력 강판 혹은 열간 프레스재여도 된다.
도 8(b)에 나타낸 용접부는 스폿 용접부(40)인데, 스폿 용접부(40)가 아니라 레이저 용접부(41)나 심 용접부(42)여도 된다.
더욱 바람직하게는, B필러 아우터(49), B필러 이너(51)에, 추가로 복수의 능선부를 형성해 두고, 각각의 능선부에 보강 부재와 용접부(40~42)를 적절히 배치함으로써, B필러(48)의 굽힘 하중을 더욱 높이는 것이 가능해진다.
도 9는, 본 발명을 프론트 필러(A필러)에 적용하는 양태의 일례를 나타내는 설명도이며, 도 9(a)는 전체도이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 XI-XI단면도이며, 비교를 위해 나타낸 종래의 프론트 필러의 단면도이다. 도 9(c)는 마찬가지로 도 9(a)의 XI-XI단면도이며, 본 발명예의 프론트 필러의 단면도이다.
A필러(52)의 아우터(57)와 A필러 이너(56) 사이에는, A필러 이너 리인포스(54)와 아우터 리인포스(53)가 설치되어 있다. 본 발명을 A필러(52)에 적용하는 경우에는, 아우터 리인포스(53)의 능선부에 보강 부재를 배치하고, 그것을 마찬가지로 능선부에 설치된 용접부(40~42)에 의해 고정하는 것이 바람직하다. 즉, 아우터 리인포스(53)를 본 발명에 따른 성형 부재로 구성한다.
혹은, A필러의 이너 리인포스(54)의 능선부에 보강 부재와 용접부(40~42)를 배치해도 된다.
이에 의해, 전방 충돌시의 A필러(52)의 굽힘 압궤 하중을 큰 폭으로 높이는 것이 가능하게 된다.
도 8, 도 9에서, 설명을 간단하게 하기 위해서 보강 부재에 대해서는 나타내 지 않았으나, 그 구체적인 형태는 예를 들면, 이너 리인포스(54)와 아우터 리인포스(53)의 형상, 즉 성형 부재의 형상에 따라, 예를 들면 도 2에 나타낸 각종 형태를 취할 수 있다.
이 때의 A필러의 아우터 리인포스(53) 및 이너 리인포스(54), 또한 이들 능선부에 설치하는 보강 부재의 각각의 재료는, 특별히 한정을 요하는 것이 아니라 고장력 강판 혹은 열간 프레스재여도 된다.
본 발명에 따른 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 성형 부재를 제조할 때에는, 그 한 양태에 의하면, 프레스 성형 혹은 롤 성형에 의해 각각 굽힘 성형을 행함으로써, 능선부를 구비한 성형 부재 본체 및 보강 부재를 미리 준비한다. 이 때, 미리 행하는 프레스 성형, 롤 성형은 열간으로 행해도 되고 냉간으로 행해도 된다. 이와 같이 하여 미리 성형된 성형 부재 본체의 능선부에, 이것도 동일한 형상으로 굽힘 성형된 보강 부재를 배치하고, 능선부에 있어서 용접을 행하고, 양자를 그 위치에서 고착시킨다. 능선부에 보강 부재를 배치할 때에는, 양자간에 간극은 가능한 한 생기지 않도록 한다. 이 때의 용접부의 배치는 이미 상세하게 기술한 대로이며, 용접 수단도 이미 기술한 각종 수단을 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 성형 부재는 간편한 수단으로 제조할 수 있고, 보강재를 설치하는 영역은, 능선부이면, 임의의 개소에 부분적으로 설치하는 것만으로 국소적으로 그 부위의 내충격성을 크게 개선시킬 수 있으므로, 그러한 성형 부재를 자동차 구성 부재로서 이용하면 차체 경량화와 내충격성 개선이라는 본래 상반되는 특성을 동시에 만족시킬 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 본 발명에 따른 성형 부재를 제조할 때에는, 처음에, 소재인 평판형의 블랭크와 평판형의 보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 겹쳐 배치한다. 겹치는 위치는, 블랭크에 있어서의 능선부가 되는 위치이다.
이 위치에서, 블랭크와 보강 부재(35, 35-1, 35-2)를 상술한 각종 용접법 중 어느 하나에 의해 용접하고, 평판형의 용접 부재를 제조한다. 이 때의 용접부의 배치, 용접부의 형성 방법 등은 이미 기술한 바와 같다.
이 평판형의 용접 부재에 대해, 보강 부재(35, 35-1, 35-2)가 존재하는 범위가 능선부(28, 30, 33)가 되도록 하고, 프레스 성형 또는 롤 성형을 행한다. 이에 의해, 프레스 성형부 혹은 롤 성형부, 즉 능선부에 보강 부재를 구비한 본 발명에 따른 성형 부재가 제조된다. 이 때의 성형은 냉간이어도 되고, 열간이어도 되고 어느 것이어도 된다. 재료의 종류, 용접 수단에 따라 적절하게 결정할 수 있다.
본 발명자들은, 440~980MPa급의 2장의 고강도 강판(판 두께 0.7~2.0mm)을 겹쳐 스폿 용접하고, 이와 같이 하여 형성된 스폿 용접부의 중심이, 곡률 반경 3mm인 능선부의 정점에 위치하도록 90°굽힘 가공을 행하는 프레스 성형 시험을 여러 번 행하고, 굽힘 가공에 의해 스폿 용접부가 파단하는지 아닌지를 확인했는데, 어느 시험에서도 용접부 분열은 발생하지 않았음을 확인했다.
또, 본 발명에서는, 평판형의 용접 부재를, Ac3점 이상의 온도로 가열한 후에 프레스 성형(롤 성형)을 행하는 것, 즉 프레스 성형이 소위 열간 프레스 성형이어도 충분한 효과를 얻을 수 있다. 이에 의해, 프레스 성형성을 높이면서, 보다 고강도를 갖는 열간 프레스 성형 부재를 제조할 수 있다.
열간 프레스 성형 부재가 고강도재로 이루어지는 경우, 용접부에는 소위 HAZ연화를 일으키는 경우가 있는데, 평판형의 용접 부재를 열간 프레스 성형 공정에 의해 제조하면, 용접시에 생긴 연화부에도 담금질 경화를 얻을 수 있어, HAZ연화부가 존재하지 않고, 모재 및 용접부가 함께 동등한 강도(경도)를 갖는 성형 부재를 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용하는 강판에 대해서는, Ac3점 이상으로 가열하고 하는 것 열간 프레스 성형 및 열간 로스 성형이 가능해지는 강종, 판재이면 특별히 제한은 없지만, 용접부의 HAZ연화는 강의 마르텐사이트 강화에 의한 것이기 때문에, 그 강화 기구의 기여가 크므로, HAZ연화를 일으키는 590MPa급 이상의 강(특히, 듀얼 페이즈(DP) 강)이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1500MPa급 이상의 강이다.
이와 같이 하여, 본 발명에 의하면, 저비용으로 제조할 수 있음과 더불어 뛰어난 치수 정밀도를 갖고, 또한 뛰어난 축 압궤 특성이나 3점 굽힘 특성, 또는 뛰어난 굽힘 강성이나 비틀림 강성을 갖는, 자동차 구성 부재에 이용하는데 적절한 성형 부재 또는 자동차 구성 부재 그 자체를 제공할 수 있다.
실시예 1
도 10(a)는 본 실시예에서 이용하는 보강 부재(35)의 개략 단면 형상을 나타내는 설명도이며, 도 10(b)는 성형 부재(21)의 능선부(28)로의 보강 부재(35)의 형상·배치를 나타내는 설명도이다.
도 11(a)는 보강 부재를 스폿 용접한 후의 성형 부재(21)의 사시도이며, 도 11(b) 및 도 11(c)는 각각, 본 발명예 및 비교예 2의 능선부(28)로의 보강 부재의 스폿 용접 위치를 나타내는 설명도이다. 단, 비교예 2에서는 능선부(28)에는 스폿 용접부는 볼 수 없다.
또한, 본 실시예에서 이용하는 성형 부재(21)는, 도 1(a)에 나타낸 단면 형상을 갖는 성형 부재(21)와 거의 같은 형상이며, 동일 부위는 동일 부호로 나타냈다. 또 도 11(b), (c)에서는 스폿 용접부는 검은 동그라미로 나타냈다. 또, 성형 부재(21), 보강 부재(35)의 판 두께는 모두 0.7mm로 했다.
도 12는 성형 부재의 제원 및 시험 조건을 정리하여 나타낸 설명도이며, 도 13은 시험 방법을 나타내는 설명도이다. 또한, 도 12 중의 「성형 부재 단면도」의 란에서 흰색 화살표로 나타낸 위치는 스폿 용접 위치이다.
도 12에 나타낸 비교예 1, 2 및 본 발명예 1, 2에서 얻어진 성형 부재에, 도 13에 나타낸 시험을 행했다. 즉, 도 13에 나타낸 바와 같이 하여 시속 64km/hr로 낙추체(落錘體)(36)를, 하단부를 완전하게 고정 및 구속되어 늘어뜨려 설치된 성형 부재 시료의 상단부로부터 충돌시켜, 축방향으로의 변형량이 20mm가 될 때까지의 하중을 측정했다. 또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 비교예 1, 2는 능선부(28)에는 스폿 용접부가 존재하지 않지만, 본 발명예 1, 2는 능선부(28)에도 스폿 용접부가 존재한다.
도 14(a)는 인장 강도 270MPa의 강판으로 구성한 성형 부재(비교예 1, 본 발명예 1)의 변위 및 하중의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 14(b)는 인장 강도 270MPa의 강판으로 구성한 성형 부재(비교예 1, 본 발명예 1)의 변위 및 흡수 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
또, 도 15(a)는 마찬가지로 인장 강도 980MPa인 경우의 성형 부재(비교예 2, 본 발명예 2)의 변위 및 하중의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 15(b)는 인장 강도 980MPa인 경우의 시료(비교예 2, 본 발명예 2)의 변위 및 흡수 에너지의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14(a), 도 14(b), 도 15(a) 및 도 15(b)의 각각의 그래프로부터 알 수 있듯이, 본 발명예 1, 2는 비교예 1, 2에 비해 높은 하중 특성을 얻을 수 있어, 충격 에너지의 흡수 특성이 높은 것을 알 수 있다.
또, 도 16(a), (b)는, 인장 강도 980MPa인 경우(비교예 2, 본 발명예 2)의 각각의 변형량 8mm에 있어서의 부재 축방향 응력의 분포 상태를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 16에서는, 보강 부재(35)는 생략되어 있다.
도 16(a)에 나타낸 바와 같이, 비교예 2의 경우에는, 축방향의 A부 및 B부에서 응력 집중이 발생하고 있는데 반해, 도 16(b)에 나타낸 본 발명예 2의 경우에는, 비교예 2보다도 능선부의 면외 변형이 억제되게 되어, 그 결과, 축방향 응력이 높아지고, 또한 그 응력 분포가 축방향의 전역(C)부에 균일하게 펼쳐짐을 알 수 있다.
실시예 2
열간 프레스 공법을 이용하여 해트형의 단면을 갖는 해트 본체, 즉 해트형 성형 부재를 제조하여 3점 굽힘 시험을 행했다. 본 예는 해트형 성형 부재의 능선부의 내측에 보강재(60)를 설치한 예를 나타낸다.
도 17(a)는 3점 굽힘 시험의 상황을 나타내는 설명도이며, 도 17(b)는 해트 부재(58)의 단면 형상을 나타내는 설명도이다.
도 17(b)에 나타낸 바와 같이, 해트 부재(58)는 해트 본체(59), 보강재(60) 및 해트 바닥판(61)으로 이루어진다. 이들 구성 부재(59~61)의 스펙을 이하에 나열 기재한다.
해트 본체(59)：열간 프레스용 합금화 용융 아연 도금 강판, 판 두께 1.2mm, 폭 240mm, 길이 600mm
보강재(60)：열간 프레스용 합금화 용융 아연 도금 강판, 판 두께 1.4mm, 폭 180mm, 길이 600mm
해트 바닥판(61)：780MPa급 합금화 용융 아연 도금 강판, 판 두께 1.8mm, 폭 150mm, 길이 600mm
해트 본체(59) 및 보강재(60) 각각의 평판(블랭크)을, 후술하는 도 19에 나타낸 각종 용접법에 의해 용접하여 열간 프레스용의 용접 블랭크재로 하고, 이 용접 블랭크재에 열간 프레스 성형(900℃에서 4분간 가열)을 행하여 해트 본체재로 하고, 그 후에, 이 해트 본체재에 해트 바닥판(61)을 스폿 용접함으로써, 굽힘 시험용의 해트 성형 부재(58)를 제조했다.
도 17(a)에 나타낸 바와 같이, 이와 같이 하여 얻어진 해트 성형 부재(58)를 지지점 간격 500mm로 2점(62, 63)에서 지지하고, 해트 성형 부재(58)의 길이 방향의 중앙 위치에 반경 150mm의 임팩터(64)를 2mm/sec의 속도로 강하시키고 충돌시켜서, 굽힘 변형을 주었다.
도 18은 No.1~3의 굽힘 시험의 결과를 나타내는 그래프이며, 도 19는 No.1~6의 시험 조건과 시험 결과(최대 하중)를 정리하여 나타낸 설명도이다.
도 19에서의 「HP성형」이란 열간 프레스 성형을 의미하고, 「TWB」는 테일러 웰드 블랭크를 의미하고, 「패치 TWB시의 형상」의 란 및 「형상(단면)」의 란에서의 동그라미 표시는 스폿 용접 위치를 나타내고, 「패치 TWB시의 형상」의 란에서의 직선은 연속 용접(심 용접 또는 레이저 용접)을 나타낸다.
도 18, 19에 있어서의 No.1, 2는 능선부에 용접부를 갖지 않는 비교예이며, No.3~6은 능선부에 용접부를 갖는 본 발명예이다.
또한, 스폿 용접은 능선의 연장 방향으로 40mm피치로 행했다. 또, No.5의 심 용접(능선 수직 방향)은 길이 40mm, 40mm피치로 행했다. 또한, No.6의 레이저 곡선 용접은 진폭 20mm, 주기 40mm의 정현파 곡선으로 행했다.
도 18, 19에 나타낸 결과를 보면, 본 발명예에 따르면, 비교예보다도 최대 하중이 큰 폭으로 증가한 것, 특히, 비교예보다도 변위의 전역에서 하중이 높아져 있어, 충격 에너지의 흡수량이 큰 폭으로 증가한 것을 알 수 있다.
15:자동차 구성 부재
20~25:굽힘 성형 부재
26:하나의 면
27:다른 하나의 면
28:제1의 능선부
28-1:축 압괴 성능이 요구되는 부분
28-2:굽힘 변형 성능이 요구되는 부분
29:하나의 면
30:제2의 능선부
31:클로징 플레이트
32:다른 하나의 면
33:제3의 능선부
34:플랜지
35:보강 부재
35-1:제1의 보강 부재
35-2:제2의 보강 부재

Claims (11)

  1. 하나의 면과 다른 하나의 면을 연결하는 능선부를 적어도 하나 갖는 성형 부재로서, 적어도 상기 능선부에 접합되는 보강 부재를 구비하고, 상기 능선부에 상기 보강 부재와의 용접부가 설치되는 것을 특징으로 하는 성형 부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보강 부재는, 상기 능선부의 연장 방향에 직교하는 방향의 단면에서, 적어도 능선부의 전역을 덮을 수 있는 폭 치수를 갖는, 성형 부재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 용접부는, 상기 능선부의 연장 방향으로 연속적 또는 단속적으로 설치되는, 성형 부재.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접부는, 상기 능선부의 연장 방향으로 직선형 또는 곡선형으로 설치되는, 성형 부재.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접부는, 상기 능선부의 단면 둘레 방향의 중앙 위치부터 상기 능선부의 단면 둘레의 50%의 거리에 있는 위치까지의 사이에 설치되는, 성형 부재.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접부는, 스폿 용접부, 심 용접부, 레이저 용접부 또는 플라즈마 용접부인, 성형 부재.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 부재는, 상기 능선부의 연장 방향의 일부 또는 전부로 연장 설치 되는, 성형 부재.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 부재는, 상기 능선부의 연장 방향으로 1개 또는 2개 이상 설치되는, 성형 부재.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 부재는, 상기 능선부의 외주면 또는 내주면에 설치되는, 성형 부재.
  10. 평판형 블랭크에 있어서의 당해 능선부가 되는 위치에 용접부를 형성하여 평판형의 보강 부재를 용접하고, 상기 보강 부재가 용접된 상기 블랭크에 프레스 성형 또는 롤 성형을 행함으로써, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 성형 부재를 제조하는 것을 특징으로 하는 성형 부재의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 보강재가 용접된 상기 블랭크를, Ac3점 이상의 온도로 가열한 후에 상기 프레스 성형을 행하는, 성형 부재의 제조 방법.
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