KR20150121709A - 자동차용 구조 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

자동차용 구조 부재 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13)에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖는 자동차용 구조 부재(2)이다. 제1 구성 부재(12)는, 종벽부(12c), 곡부(12b) 및 내향 플랜지(12a)를 가짐과 함께, 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13) 사이이며 종벽부(12c)를 제2 구성 부재(13)를 향해 연장한 영역의 적어도 일부의 영역에 형성되어, 곡부(12b) 및 제2 구성 부재(13)를 접합하는 하중 전달부(20)를 갖는다. 이에 의해, 굽힘 압궤 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

자동차용 구조 부재 및 그 제조 방법 {STRUCTURAL MEMBER FOR AUTOMOBILE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 자동차 차체를 구성하는 자동차용 구조 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 예를 들어 박강판과 같은 금속판이나 금속판의 성형체 등을 조합하여 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖는 자동차용 구조 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
모노코크 구조를 갖는 자동차 차체(보디 쉘)의 골격 부재로서 사용되는 자동차용 구조 부재 중, 충돌 사고 시에 3점 굽힘 하중이 작용하는 것이 상정되는 부재로서, 사이드 실, 범퍼 레인포스먼트, 센터 필러 등이 있다.
이들 자동차용 구조 부재(이하, 단순히 「자동차용 구조 부재」라 함)에는, 충돌 시에 차내 공간을 확보하기 위해서나, 충돌 시의 충격 하중을 다른 자동차용 구조 부재에 효율적으로 전달하기 위해, 높은 3점 굽힘 하중이 요구된다. 또한, 자동차용 구조 부재 자신에도 3점 굽힘에 대한 우수한 충격 흡수 성능이 요구된다. 본 명세서에서는, 자동차용 구조 부재가 갖는 3점 굽힘 하중과 3점 굽힘에 대한 충격 흡수 성능을 합쳐서 굽힘 압궤 성능이라고 총칭한다. 또한, 자동차용 구조 부재에는, 굽힘 압궤 성능뿐만 아니라, 자동차의 연비 향상을 위한 경량화, 소단면화도 강하게 요구되고 있다.
자동차용 구조 부재는, 일반적으로, 외향 플랜지를 갖는 단면 햇형으로 성형된 강판으로 이루어지는 제1 구성 부재와, 강판으로 이루어지는 제2 구성 부재인 클로징 플레이트를, 외향 플랜지를 용접 여유로서 스폿 용접함으로써 조립된다. 본 명세서에서는, 외향 플랜지를 갖는 단면 햇형의 부재를 햇 부재라 한다. 즉, 햇 부재는, 2개의 외향 플랜지와, 2개의 외향 플랜지에 각각 연결되는 2개의 곡부와, 2개의 곡부에 각각 연결되는 2개의 종벽부와, 2개의 종벽부에 각각 연결되는 2개의 능선부와, 2개의 능선부가 연결되는 1개의 홈 저부로 이루어지는 햇형의 횡단면 형상을 갖는다.
지금까지도, 햇 부재인 제1 구성 부재의 중량의 증가를 억제함과 함께 우수한 굽힘 압궤 성능을 얻기 위해, 다양한 발명이 제안되어 있다.
특허문헌 1에는, C:0.05∼0.3％(본 명세서에서는 특별히 언급이 없는 한 화학 조성에 관한 「％」는 「질량％」를 의미함), Mn:0.5∼3.0％를 함유하는 강판이 프레스 굽힘 성형된 햇 부재인 제1 구성 부재의 횡단면에 있어서 곡부의 중심으로부터 곡부를 형성하는 2면 중 적어도 1면 상에 곡부의 반경을 R로 하였을 때 (R＋7)㎜의 기준 범위를 설정하고, 이 기준 범위 내에 곡부를 따라 레이저 조사나 고주파 가열에 의해 켄칭 강화부를 1개 또는 복수 형성하고, 제1 구성 부재의 모든 곡부를 구성하는 모든 면에 대해, 기준 범위 내에 있어서의 켄칭 강화부의 폭 합계의 기준 범위 합계 길이에 대한 점유율을 20％ 이상 확보하는 자동차용 구조 부재가 개시되어 있다. 이 자동차용 구조 부재에 따르면, 양호한 프레스 성형성을 확보하면서, 적은 켄칭 강화부의 형성에 의해, 내충격 압괴 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있는 것이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 햇 부재인 제1 구성 부재와 제2 구성 부재에 의해 형성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 가짐과 함께 제1 구성 부재 및 제2 구성 부재가 외향 플랜지에 의해 스폿 용접된 통체를 구비하고, 외향 플랜지에 인접하는 곡부와 제2 구성 부재에 의해 사이에 끼인 영역에 수지층을 충전하여 개재 장착하는 자동차용 구조 부재가 개시되어 있다. 이 자동차용 구조 부재에 따르면, 경량이며 우수한 굽힘 압궤 성능을 갖는 것이 개시되어 있다.
한편, 특허문헌 3에는, 2개의 단면 오목 형상의 구성 부재를 저면 내벽이 서로 대향하도록 하여, 각 구성 부재의 내향 플랜지끼리를 레이저 용접에 의해 접합하는 자동차용 구조 부재가 개시되어 있다. 이러한 자동차용 구조 부재에 따르면, 굽힘 하중 특성을 변화시켜 에너지 흡수량을 증가시킬 수 있는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 평11-152541호 공보 일본 특허 출원 공개 제2011-168082호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-54445호 공보
특허문헌 1, 2에 개시된 햇 부재인 제1 구성 부재가 높은 3점 굽힘 하중을 갖기 위해서는, 충격 하중 부하 시에 있어서의 햇 부재의 횡단면 형상의 변형을 가능한 한 억제하고, 제2 구성 부재로부터 제1 구성 부재의 종벽부에 효율적으로 충격 하중을 전달하는 것이 중요하다.
여기서, 제2 구성 부재인 클로징 플레이트로부터 제1 구성 부재인 햇 부재에 충격 하중이 전달되는 경우, 클로징 플레이트측으로부터 입력된 충격 하중은, 제1 구성 부재의 외향 플랜지와 종벽부 사이에 불가피적으로 존재하는 곡부를 통해 종벽부에 전달된다. 따라서, 종벽부가 조기에 좌굴 변형되기 쉽고, 제1 구성 부재의 종벽부에 효율적으로 충격 하중을 전달할 수 없다. 즉, 자동차용 구조 부재의 굽힘 압궤 성능을 향상시키기 위해서는, 충격 하중 부하 시에 있어서의 종벽부의 좌굴 변형의 발생을 억제하는 것이 유효하다.
그러나, 특허문헌 1에 개시된 발명은, 제1 구성 부재인 햇 부재의 곡부를 켄칭 강화함으로써 햇 부재의 횡단면 형상의 변형을 억제하지만, 종벽부에 효율적으로 충격 하중을 전달하기 위해서는 충분하지 않다. 또한, 특허문헌 1에 개시된 발명은, 햇 부재와 클로징 플레이트를 외향 플랜지를 통해 용접하여 조립한 후에, 햇 부재의 곡부에 레이저 조사나 고주파 유도 가열을 행할 필요가 있고, 제조에 필요로 하는 공정수나 비용의 증가는 피할 수 없다.
또한, 특허문헌 2에 개시된 발명은, 햇 부재의 외향 플랜지에 인접하는 곡부와 제2 구성 부재에 의해 사이에 끼인 영역(간극)에 수지를 충전함으로써 종벽부의 변형을 억제하므로, 어느 정도 굽힘 압궤 성능을 높일 수 있다. 그러나, 제1 구성 부재와 제2 구성 부재를 외향 플랜지를 용접 여유로서 스폿 용접하는 것에 더하여, 상기한 영역에 수지를 충전할 필요가 있고, 제조에 필요로 하는 공정수나 비용의 증가는 부정할 수 없다.
또한, 특허문헌 1, 2에 개시된 어느 발명에 있어서도, 제1 구성 부재와 제2 구성 부재의 용접에 스폿 용접을 이용하기 위해서는, 폭이 통상 20∼30㎜ 정도인 외향 플랜지를 용접 여유로서 제1 구성 부재에 설치할 필요가 있다. 이 외향 플랜지의 굽힘 압궤 성능에의 기여는 작으므로, 외향 플랜지의 폭의 삭감에 의한 경량화 및 소단면화가 요망되지만, 특허문헌 1, 2에 개시된 어느 발명에서도 외향 플랜지의 폭의 삭감에 의한 경량화 및 소단면화를 도모할 수는 없다.
한편, 특허문헌 3에 개시된 발명은, 내향 플랜지끼리를 접합함으로써, 외향 플랜지에 비해 자동차용 구조 부재의 경량화 및 소단면화를 도모할 수 있다. 그러나, 내향 플랜지끼리는 계면을 녹임으로써 용접되는 레이저 용접에 의해 접합되므로, 내향 플랜지에 인접하는 곡부끼리에 의해 사이에 끼인 영역은, 간극이 형성된 상태이다. 따라서, 다른 쪽의 구성 부재로부터 한쪽의 구성 부재에 충격 하중이 전달되는 경우, 다른 쪽의 구성 부재측으로부터 입력된 충격 하중은, 한쪽의 구성 부재의 내향 플랜지와 종벽부 사이의 곡부를 통해 종벽부에 전달된다. 따라서, 특허문헌 1에 개시된 햇 부재로 구성되는 자동차용 구조 부재와 마찬가지로, 종벽부가 조기에 좌굴 변형되기 쉽고, 한쪽의 구성 부재의 종벽부에 효율적으로 충격 하중을 전달할 수 없다고 하는 문제가 있다.
스폿 용접은, 0.1∼0.5초간 정도의 극히 짧은 용접 시간으로 겹친 복수매의 박강판을 효율적이고 또한 간편하게 용접할 수 있으므로, 지금까지, 특히 자동차용 구조 부재나 자동차 차체의 용접에 널리 사용되어 왔다. 이로 인해, 제1 구성 부재와 제2 구성 부재를 용접하여 자동차용 구조 부재를 조립하는 데 있어서, 제1 구성 부재에 용접 여유로 되는 외향 플랜지를 형성하여, 이 외향 플랜지로 제2 구성 부재와 스폿 용접하는 것이, 당업자의 기술 상식이었다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 제1 구성 부재에 외향 플랜지가 아니라 내향 플랜지를 형성하고, 이 내향 플랜지를 통해 제1 구성 부재와 제2 구성 부재를 겹치고, 내향 플랜지에 연속되는 곡부와, 제2 구성 부재 사이의 영역이며 종벽부를 제2 구성 부재를 향해 연장한 영역의 적어도 일부의 영역에, 곡부와 제2 구성 부재를 접합하는 하중 전달부를 형성하도록 구성하였다. 따라서, 제조에 필요로 하는 공정수나 비용을 종래의 자동차용 구조 부재와 동등 정도로 억제할 수 있음과 함께, 자동차용 구조 부재의 굽힘 압궤 성능을 종래의 자동차용 구조 부재의 굽힘 압궤 성능보다도 대폭으로 향상시킬 수 있는 것을 발견하고, 더욱 검토를 거듭하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 본 발명에 관한 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도 1b∼도 1d와, 본 발명에 관한 자동차용 구조 부재에 있어서의 하중 전달부의 주변을 추출하여 도시하는 도면인 도 2를 참조하면서 설명하면, 이하에 열기하는 바와 같다.
(1) 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 적어도, 금속판의 성형체로 이루어지는 제1 구성 부재(12), 및 금속판 또는 금속판의 성형체로 이루어짐과 함께 제1 구성 부재(12)와 접합되는 제2 구성 부재(13∼15)에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖는 자동차용 구조 부재(2∼4)이며, 제1 구성 부재(12)는, 종벽부(12c), 상기 종벽부(12c)에 연결됨과 함께 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡되는 곡부(12b), 및 상기 곡부(12b)에 연결되는 내향 플랜지(12a)를 가짐과 함께, 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13∼15) 사이이며 종벽부(12c)를 제2 구성 부재(13∼15)를 향해 연장한 영역의 적어도 일부의 영역에 형성되어, 곡부(12b) 및 제2 구성 부재(13∼15)를 접합하는 하중 전달부(20)를 갖는 것을 특징으로 한다.
(2) 종벽부(12c)의 판 두께 방향으로의 하중 전달부(20)의 폭을 WT라 함과 함께, 종벽부(12c)의 판 두께를 t로 한 경우에 0.3t≤WT≤1.0t인 것을 특징으로 한다.
(3) 하중 전달부(20)는, 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13∼15) 사이에 형성되는 간극(22)의 일부 또는 모두를 매립하는 접합부(21)의 일부이며, 접합부(21)는, 제2 구성 부재(13∼15)와 접하는 범위인 접합 폭 L이, 하중 전달부(20)의 폭 WT보다도 긴 것을 특징으로 한다.
(4) 곡부(12b) 중, 적어도 하중 전달부(20)가 접하는 범위의 경도가 제1 구성 부재(12)의 모재의 경도보다도 단단한 것을 특징으로 한다.
(5) 하중 전달부(20)는, 상기 자동차용 구조 부재(2∼4)의 길이 방향에 걸쳐 단속적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
(6) 적어도, 금속판의 성형체로 이루어지는 제1 구성 부재(12), 및 금속판 또는 금속판의 성형체로 이루어짐과 함께 제1 구성 부재와 접합되는 제2 구성 부재(13∼15)에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖고, 제1 구성 부재(12)는, 종벽부(12c), 상기 종벽부(12c)에 연결됨과 함께 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡되는 곡부(12b), 및 상기 곡부(12b)에 연결되는 내향 플랜지(12a)를 갖는 자동차용 구조 부재(2∼4)의 제조 방법이며, 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13∼15) 사이이며 종벽부(12c)를 제2 구성 부재(13∼15)를 향해 연장한 영역의 적어도 일부의 영역에, 용가재를 사용한 용접에 의해, 곡부(12b) 및 제2 구성 부재(13∼15)를 접합하는 하중 전달부(20)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
(7) 하중 전달부(20)를, 상기 용가재를 사용한 복수회의 용접에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.
(8) 복수회의 용접 중 적어도 2회의 용접에서는 각각 용접 길이가 다른 것을 특징으로 한다.
(9) 하중 전달부(20)는, 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13∼15) 사이에 형성되는 간극의 일부 또는 모두를 매립하는 접합부(21)의 일부이며, 하중 전달부(20)를, 상기 용가재를 사용한 복수회의 용접에 의해 형성하고, 1회째의 용접에서는, 하중 전달부(20)의 폭 WT가 WT＜0.6t, 또한 접합부(21)가 제2 구성 부재(13∼15)와 접하는 범위인 접합 폭 L이 0＜L로 되도록 용접하고, 2회째 이후의 용접에 있어서, 하중 전달부(20)의 폭 WT가 0.6t≤WT≤1.0t로 되도록 용접하는 것을 특징으로 한다.
(10) 하중 전달부(20)를, 상기 자동차용 구조 부재(2∼4)의 길이 방향에 걸쳐 단속적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
(11) 하중 전달부(20)를, 아크 용접 또는 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 상기 용가재를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
이들 본 발명에서는, 제1 구성 부재(12)는, 예를 들어 한 방향(도 1b∼도 1d의 지면에 직교하는 방향)으로 연장되어 존재하는 홈 저부(12e)와, 이 한 방향과 교차하는 폭 방향의 양 테두리부에서 홈 저부(12e)에 연결되는 2개의 능선부(12d, 12d)와, 이들 2개의 능선부(12d, 12d) 각각에 연결되는 2개의 종벽부(12c, 12c)와, 이들 2개의 종벽부(12c, 12c) 각각에 연결됨과 함께 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡되는 2개의 곡부(12b, 12b)와, 이들 2개의 곡부(12b, 12b) 각각에 연결되는 2개의 내향 플랜지(12a, 12a)에 의해 구성되는 횡단면 형상을 갖는다.
이들 본 발명에서는, 제2 구성 부재(13)는, 도 1b에 도시하는 바와 같이 클로징 플레이트와 같은 평판 형상의 금속재여도 된다. 또한, 제2 구성 부재(14, 15)는, 금속판의 성형체, 예를 들어 도 1c 및 도 1d에 도시하는 바와 같이 제1 구성 부재(12)와 마찬가지의 횡단면 형상을 갖는 형상을 갖는 성형체여도 된다. 이 경우에는, 제1 구성 부재(12)에 형성된 내향 플랜지(12a, 12a)와, 제2 구성 부재(14, 15)에 형성된 내향 플랜지(16a, 16a)를 겹치면 된다.
이들 본 발명에서는, 곡부(12b)의 곡률 반경은, 지나치게 크면 예를 들어 아크 용접 또는 레이저·아크 하이브리드 용접과 같은 간편한 수단에 의해 하중 전달부(20)를 형성하는 것이 용이하지 않게 되므로, 8㎜ 이하인 것이 바람직하다. 반대로, 곡률 반경을 지나치게 작게 하려고 하면 제1 구성 부재(12)의 성형이 어려워지므로, 2㎜ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 관한 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 모노코크 구조를 갖는 자동차 차체(보디 쉘)의 골격 부재로서 사용된다. 구체적으로는, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 사이드 실, 범퍼 레인포스먼트, 센터 필러에 사용된다.
본 발명의 자동차용 구조 부재에 따르면, 굽힘 압궤 성능을 종래의 자동차용 구조 부재의 굽힘 압궤 성능보다도 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1b는 제1 실시 형태의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1c는 제2 실시 형태의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1d는 제3 실시 형태의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시 형태의 자동차용 구조 부재에 있어서의 하중 전달부의 주변을 도시하는 도면이다.
도 3a는 제1 비교예의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
도 3b는 제2 비교예의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
도 3c는 본 발명예의 자동차용 구조 부재의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
도 4는 판 두께 2.0㎜이며 곡부의 곡률 반경이 6㎜일 때 하중-변위 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 판 두께 1.2㎜일 때의 최대 굽힘 하중-곡부의 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 판 두께 2.0㎜일 때의 최대 굽힘 하중-곡부의 곡률 반경을 나타내는 그래프이다.
도 6은 자동차용 구조 부재의 내향 플랜지 주변의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
도 7a는 판 두께 1.2㎜일 때의 최대 굽힘 하중-제1 구성 부재의 높이를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 판 두께 2.0㎜일 때의 최대 굽힘 하중-제1 구성 부재의 높이를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 단속적으로 용접한 자동차용 구조 부재의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 8b는 용접의 횟수에 따라 용접 길이를 변경한 자동차용 구조 부재의 일례를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명한다. 또한, 이후의 설명에서는, 본 발명에 관한 자동차용 구조 부재가 사이드 실인 경우를 예로 한다. 단, 본 발명은 사이드 실에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 범퍼 레인포스먼트나 센터 필러와 같은, 상술한 제1 구성 부재 및 제2 구성 부재에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 가짐과 함께 자동차의 충돌 시에 3점 굽힘 하중이 부하되는 것이 상정되는 자동차용 구조 부재에 적용할 수 있다.
도 1a는 종래의 자동차용 구조 부재(1)의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1b∼도 1d는 본 실시 형태에 관한 자동차용 구조 부재(2∼4)의 횡단면 형상의 일례를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는 본 발명에 관한 자동차용 구조 부재(2)에 있어서의 하중 전달부(20)의 주변을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1b에 있어서의 A부를 확대한 도면이지만, 도 1c, 도 1d에 대해서도 마찬가지의 설명이 적용된다.
우선, 도 1a를 참조하면서 종래의 자동차용 구조 부재(1)를 간단하게 설명한다.
자동차용 구조 부재(1)는, 제1 구성 부재(10)와 제2 구성 부재(11)를 갖는다.
제1 구성 부재(10)는, 2개의 외향 플랜지(10a, 10a)와, 2개의 외향 플랜지(10a, 10a)에 각각 연결되는 2개의 곡부(10b, 10b)와, 2개의 곡부(10b, 10b)에 각각 연결되는 2개의 종벽부(10c, 10c)와, 2개의 종벽부(10c, 10c)에 각각 연결되는 2개의 능선부(10d, 10d)와, 2개의 능선부(10d, 10d)가 각각 연결되는 1개의 홈 저부(10e)를 갖는다.
제1 구성 부재(10)는, 2개의 외향 플랜지(10a, 10a), 2개의 곡부(10b, 10b), 2개의 종벽부(10c, 10c), 2개의 능선부(10d, 10d) 및 1개의 홈 저부(10e)에 의해 구성되는 햇형의 횡단면 형상을 갖는다. 이와 같이, 제1 구성 부재(10)는, 외향 플랜지(10a)를 갖는 단면 햇형의 성형체(햇 부재)이다.
한편, 제2 구성 부재(11)는, 클로징 플레이트이며, 평판 형상으로 형성된다.
제1 구성 부재(10)와 제2 구성 부재(11)는, 외향 플랜지(10a, 10a)를 용접 여유로서 스폿 용접되어 조립된다.
도 1a에 도시하는 자동차용 구조 부재(1)와는 달리, 제2 구성 부재(11)가, 제1 구성 부재(10)와 마찬가지로, 외향 플랜지를 갖는 단면 햇형의 성형체(햇 부재)인 경우도 있다. 이 경우, 제1 구성 부재(10)와 제2 구성 부재(11)는, 각각의 외향 플랜지를 겹친 상태에서, 각각의 외향 플랜지를 스폿 용접 여유로서 스폿 용접되어 조립된다.
자동차용 구조 부재(1)는, 길이 방향(도 1a의 지면에 직교하는 방향)의 양단측에 2개소를 고정 지지되어, 자동차 차체(보디 쉘)를 구성하는 사이드 실을 이룬다.
자동차용 구조 부재(1)는, 길이 방향(도 1a의 지면에 직교하는 방향)의 양단측 2개소의 고정 지지 위치의 사이에, 제2 구성 부재(11)로부터 제1 구성 부재(10)를 향하는 충격 하중 F가 부하되는 것을 상정하는 부재이다.
제2 구성 부재(11)로부터 제1 구성 부재(10)를 향해 충격 하중이 부하되면, 제2 구성 부재(11)로부터 입력된 충격 하중은, 제1 구성 부재(10)에 있어서의 외향 플랜지(10a, 10a), 곡부(10b, 10b), 종벽부(10c, 10c)의 순으로 전달된다. 즉, 입력된 충격 하중은, 곡부(10b, 10b)를 불가피적으로 개재하여 종벽부(10c, 10c)에 전달되게 되므로, 종벽부(10c, 10c)가 조기에 좌굴 변형되기 쉽고, 종벽부(10c, 10c)에 효율적으로 충격 하중을 전달하는 것이 어렵다.
다음으로, 도 1b∼도 1d를 참조하면서 본 실시 형태에 관한 자동차용 구조 부재(2∼4)를 설명한다.
본 실시 형태에 관한 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 적어도, 제1 구성 부재(12)와, 제2 구성 부재(13, 14, 15)와, 하중 전달부(20)를 가지므로, 이들을 순차적으로 설명한다.
여기서, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13, 14, 15)는, 모두, 예를 들어 냉연 강판, 열연 강판, 나아가서는 도금 강판에 의해 구성되는 성형체이며, 강판의 강종, 강도, 판 두께 등은 제한되지 않는다. 예를 들어, 자동차용 구조 부재(2∼4)가 사이드 실인 경우, 일반적으로, 판 두께 1.2㎜∼2.0㎜ 정도의 440∼980㎫급 하이텐을 사용하지만, 1180∼1470㎫급 하이텐을 사용하여 판 두께 1.0㎜ 정도까지 박육으로 해도 된다. 후술하는 바와 같이 접합부(21)(하중 전달부)가 아크 용접이나 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 형성되는 경우에는, 열 변형에 의한 변형을 작게 하기 위해 1.0㎜ 이상의 강판을 사용하는 것이 바람직하다.
[제1 구성 부재]
제1 구성 부재(12)는, 판재의 성형체로 이루어지고, 홈 저부(12e)와, 2개의 능선부(12d, 12d)와, 2개의 종벽부(12c, 12c)와, 2개의 곡부(12b, 12b)와, 2개의 내향 플랜지(12a, 12a)를 갖는다.
홈 저부(12e)는, 한 방향(도 1b∼도 1d의 지면에 직교하는 방향)으로 연장된다. 2개의 능선부(12d, 12d)는, 이 한 방향과 교차하는 폭 방향의 양 테두리부에서 홈 저부(12e)에 연결되어 있다. 2개의 종벽부(12c, 12c)는, 2개의 능선부(12d, 12d) 각각에 연결되어 있다. 2개의 곡부(12b, 12b)는, 2개의 종벽부(12c, 12c) 각각에 연결되어 있음과 함께 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡된다. 또한, 2개의 내향 플랜지(12a, 12a)는, 2개의 곡부(12b, 12b) 각각에 연결되어 있다.
또한, 도 1b에는, 종벽부(12c, 12c)와 곡부(12b, 12b)의 경계, 곡부(12b, 12b)와 내향 플랜지(12a, 12a)의 경계를 이점 쇄선으로 나타내고 있다.
제1 구성 부재(12)는, 홈 저부(12e)와, 2개의 능선부(12d, 12d)와, 2개의 종벽부(12c, 12c)와, 2개의 곡부(12b, 12b)와, 2개의 내향 플랜지(12a, 12a)에 의해 구성되는 횡단면 형상을 갖는다.
이와 같이, 제1 구성 부재(12)는, 종벽부(12c, 12c), 곡부(12b, 12b) 및 곡부(12b, 12b)에 연결되는 내향 플랜지(12a, 12a)를 갖는다.
여기서, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경이 8㎜를 초과하면, 곡부(12b, 12b)와 제2 구성 부재(13) 사이에 형성되는 간극의 양이 커진다. 그로 인해, 후술하는 아크 용접이나 레이저·아크 하이브리드 용접 등의 용가재를 사용한 용접에 의해 하중 전달부(20)를 형성하는 경우, 접합 비용이 증가할 뿐만 아니라, 용가재의 양을 늘릴 필요가 있다. 따라서 용접 입열이 커져 제1 구성 부재(12)나 제2 구성 부재(13∼15)의 열 변형에 의한 변형이나 녹아 떨어짐을 발생시키기 쉬워진다. 또한, 브레이징이나 접착에 의해 하중 전달부(20)를 형성하는 경우, 접합 비용이 증가한다. 그로 인해, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경은 8㎜ 이하인 것이 바람직하고, 6㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
이러한 관점에서는, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경의 하한을 정할 필요는 없지만, 공업적인 양산 공정에서 곡률 반경이 2㎜ 미만인 곡부(12b, 12b)를 성형하는 것은 곤란하다. 따라서, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경은 2㎜ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 곡부의 곡률 반경이라 함은, 곡부(12b)의 만곡면 중 곡률 반경이 큰 외측의 만곡면의 곡률 반경을 말하는 것으로 한다.
제1 구성 부재(12)는, 어떠한 성형법에 의해 성형해도 되고 특정한 성형법에는 제한되지 않는다. 단, 내향 플랜지(12a)를 형성하기 위해 프레스 성형에서는 제조 비용이 증가하는 경우에는, 롤 포밍이나 프레스 브레이크를 사용하여 성형할 수 있다.
[제2 구성 부재]
제2 구성 부재(13∼15)는, 내향 플랜지(12a, 12a)를 통해 제1 구성 부재(12)와 접합된다. 이에 의해, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13∼15)에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖는다.
도 1b에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 제2 구성 부재(13)는, 예를 들어 클로징 플레이트와 같은 판재이다. 제1 실시 형태의 자동차용 구조 부재(2)에서는, 제1 구성 부재(12)의 폭을 W1로 하고, 제2 구성 부재(13)의 폭을 W2로 하면, W2＞W1로 되도록 형성된다.
한편, 도 1c 및 도 1d에 도시하는 바와 같이, 제2 및 제3 실시 형태에 관한 제2 구성 부재(14, 15)는, 예를 들어 제1 구성 부재(12)와 마찬가지의 횡단면 형상을 갖는 성형체이다. 구체적으로는, 제2 구성 부재(14, 15)는, 한 방향(도 1c, 도 1d의 지면에 직교하는 방향)으로 연장되는 홈 저부(16e)와, 이 한 방향과 교차하는 폭 방향의 양 테두리부에서 홈 저부(16e)에 연결되는 2개의 능선부(16d, 16d)와, 이들 2개의 능선부(16d, 16d) 각각에 연결되는 2개의 종벽부(16c, 16c)와, 이들 2개의 종벽부(16c, 16c) 각각에 연결됨과 함께 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡되는 2개의 곡부(16b, 16b)와, 이들 2개의 곡부(16b, 16b) 각각에 연결되는 2개의 내향 플랜지(16a, 16a)를 갖는다.
자동차용 구조 부재(3, 4)는, 제1 구성 부재(12)에 형성된 내향 플랜지(12a, 12a)와, 제2 구성 부재(14, 15)에 형성된 내향 플랜지(16a, 16a)가 겹쳐 구성된다.
제2 실시 형태의 제2 구성 부재(14)는, 제1 구성 부재(12)와 동일한 횡단면 형상을 갖는다.
한편, 제3 실시 형태의 제2 구성 부재(15)는, 제1 구성 부재(12)보다도 홈 저부(16e) 및 내향 플랜지(16a, 16a)가 폭 방향으로 긴 횡단면 형상을 갖는다. 따라서, 제1 구성 부재(12)의 폭을 W1로 하고, 제2 구성 부재(15)의 폭을 W2로 하면, W2＞W1로 되도록 형성된다.
내향 플랜지(16a, 16a)를 갖는 제2 구성 부재(14, 15)는, 어떠한 성형법에 의해 성형해도 되고 특정한 성형법에는 제한되지 않는다. 단, 내향 플랜지(16a)를 형성하기 위해 프레스 성형에서는 제조 비용이 증가하는 경우에는, 롤 포밍이나 프레스 브레이크를 사용하여 성형할 수 있다.
또한, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13, 14, 15) 이외의 다른 구성 부재를 더 갖고 있어도 된다. 예를 들어, 제1 구성 부재(12)와 제2 구성 부재 사이에 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재와 3매 겹쳐 용접되어 레인포스로서 기능하는 제3 구성 부재를 가져도 된다.
[하중 전달부]
여기에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이 제1 실시 형태의 자동차용 구조 부재(2)가 갖는 하중 전달부(20)에 대해 설명하지만, 제2 및 제3 실시 형태의 자동차용 구조 부재(3, 4)도 마찬가지이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 하중 전달부(20)는, 제1 구성 부재(12)의 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13) 사이이며, 또한 종벽부(12c)를 제2 구성 부재(13)를 향해 연장한 영역의 일부 또는 전부의 영역에 형성된다.
하중 전달부(20)는, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13)를 접합하는 접합부(21)의 일부를 이룬다. 따라서, 하중 전달부(20)는, 상기 영역에 있어서, 곡부(12b) 및 제2 구성 부재(13)를 접합한다.
접합부(21)는, 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13) 사이에 존재하는 간극(22)의 일부 또는 전부를 매립하여 형성된다. 간극(22)은 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13)에 의해 구성되는 폐단면의 외측에 형성된다. 따라서, 접합부(21)는, 아크 용접, 레이저·아크 하이브리드 용접, 나아가서는, 브레이징, 접착 등의 수단에 의해, 조립 공정을 증가시키는 일 없이 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 아크 용접, 레이저·아크 하이브리드 용접, 나아가서는, 브레이징에서는, 용가재로서의 용접 와이어의 종류에 의해 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)의 강도를 조정할 수 있다. 예를 들어 고강도 와이어를 사용함으로써, 제1 구성 부재(12)의 강판 강도 및 제2 구성 부재(13)의 강판 강도보다도, 접합부(21)를 고강도화하는 것도 가능하다.
특히, 접합부(21)를 아크 용접 또는 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 형성하면, 용접 시의 입열에 의해 제1 구성 부재(12)의 곡부(12b)의 근방이 켄칭 강화된다. 따라서, 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)는, 아크 용접 또는 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 용가재를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 접합부(21)는 주로, 용가재가 곡부(12b)와 제2 구성 부재(13)의 간극(22)으로 이행함으로써 형성되는 용착 금속이다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 접합부(21)가 제2 구성 부재(13)에 형성되는 범위인 접합 폭을 L(㎜)로 하고, 종벽부(12c)의 판 두께 방향으로의 하중 전달부(20)의 폭(이하, 하중 전달부 폭이라 함)을 WT(㎜)로 하면, 접합 폭 L은 하중 전달부 폭 WT보다도 긴 것이 바람직하다.
접합 폭 L을 하중 전달부 폭 WT보다도 길게 하기 위해서는, 도 1b에 도시하는 자동차용 구조 부재(2) 및 도 1d에 도시하는 자동차용 구조 부재(4)와 같이, 제2 구성 부재(13, 15)의 폭 W2가 제1 구성 부재(12)의 폭 W1보다도 길게 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 제2 구성 부재(13, 15)의 폭 방향의 양단부가, 제1 구성 부재(12)의 폭 방향의 양단부보다도 외측에 위치하는 것이 바람직하다.
이와 같이 접합부(21)의 접합 폭 L을 길게 함으로써, 결과적으로 접합부(21)가 제2 구성 부재(13)를 향해 점차 확대되는 형상으로 형성되고, 제2 구성 부재(13, 15)로부터 제1 구성 부재(12)에 전달되는 충격 하중을 효과적으로 종벽부(12c)에 전달할 수 있다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 곡부(12b)의 폭(이하, 곡부 폭)을 Wb로 하면, 접합 폭 L을 곡부 폭 Wb보다도 길게 함으로써도, 접합부(21)가 제2 구성 부재(13)를 향해 점차 확대되는 형상으로 형성할 수 있다.
자동차용 구조 부재(2∼4)에 따르면, 상술한 바와 같이, 접합부(21)는, 아크 용접, 레이저·아크 하이브리드 용접, 브레이징, 접착 등의 적절한 시공 수단에 의해 조립 공정을 증가시키는 일 없이 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 접합부(21)를 형성하는 것이 용이하며, 하중 전달부(20)를 효율적으로 형성할 수 있다.
또한, 자동차용 구조 부재(2∼4)에 따르면, 제2 구성 부재(13, 14, 15)로부터 제1 구성 부재(12)에 전달되는 충격 하중을, 곡부(12b)를 개재하지 않고 하중 전달부(20)에 보다 효과적으로 종벽부(12c)에 전달할 수 있다. 따라서, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 굽힘 압궤 성능을 종래의 자동차용 구조 부재의 굽힘 압궤 성능보다도 대폭으로 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13, 14, 15)를 접합하는 접합부(21)가 형성되므로, 내향 플랜지(12a, 12a)와 제2 구성 부재(13)의 겹침부에는, 접합부는 형성되지 않아도 된다. 따라서, 내향 플랜지(12a, 12a)의 폭은, 종래의 자동차용 구조 부재를 구성하는 제1 구성 부재의 외향 플랜지의 폭과 같이 스폿 용접 여유로서 20∼30㎜ 정도를 확보할 필요가 없어진다. 즉, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13, 14, 15)의 맞댐 정밀도를 확보할 수 있는 폭(예를 들어 5∼10㎜ 정도)을 가지면 되므로, 종래의 자동차용 구조 부재에 대해, 대폭으로 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 접합부(21)는, 아크 용접, 레이저·아크 하이브리드 용접, 나아가서는, 브레이징, 접착 등의 적절한 수단에 의해 조립 공정을 증가시키는 일 없이 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 제조에 필요로 하는 공정수나 비용을 종래의 자동차용 구조 부재와 동등 정도로 억제할 수 있다.
또한, 자동차용 구조 부재(2∼4)는, 종래의 자동차용 구조 부재가 갖는 외향 플랜지를 갖지 않으므로, 종래의 자동차용 구조 부재에 대해 소단면화를 도모할 수 있다.
또한, 적어도 하중 전달부(20)가 접하는 범위의 경도는, 상기 제1 구성 부재의 모재의 경도보다도 단단해져 있는 것이 바람직하다. 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 용접에 의해 형성함으로써, 용접 시의 입열에 의해 제1 구성 부재(12)의 곡부(12b)의 근방이 켄칭 강화된다. 이와 같이, 용접 시의 입열에 의해 제1 구성 부재(12)의 곡부(12b) 및 그 근방이 강화됨으로써, 자동차용 구조 부재(2∼4)의 횡단면 형상의 변형이 억제되어 최대 굽힘 하중이 향상된다. 특히, 용접 시의 입열에 의해 제1 구성 부재(12)의 경도가 단단해지는 범위는, 곡부(12b)로부터 종벽부(12c)까지 걸쳐 광범위할수록 바람직하다. 종벽부(12c)까지 걸쳐 광범위하게 경화시키기 위해서는, 곡부(12b)의 곡률 반경을 작게 한다. 또한, 용접 조건의 관점에서는, 용접성을 손상시키지 않는 범위에서, 아크 용접 전압을 높게 하는 것이나, 레이저 초점을 디포커스하는 것 등이 생각된다.
또한, 하중 전달부(20)의 하중 전달부 폭 WT는, 길수록 최대 굽힘 하중이 커진다. 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 용접에 의해 형성하는 경우, 하중 전달부 폭 WT를 길게 하기 위해서는, 용가재의 양을 늘림으로써 실현할 수 있다. 한편, 용가재의 양을 늘리는 경우에는 용접 전류를 높게 할 필요가 있으므로, 제1 구성 부재(12) 또는 제2 구성 부재가 녹아 떨어져 버릴 우려가 있다. 그로 인해, 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 형성하는 경우에는 동일 개소를 복수회로 나누어 용접하는 것이 바람직하다. 동일 개소를 복수회로 나누어 용접함으로써, 1회마다의 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재에의 용접 입열량을 저하시킬 수 있고, 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13)의 녹아 떨어짐을 방지할 수 있다.
또한, 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 용접에 의해 형성하는 경우, 자동차용 구조 부재에는 열 변형을 발생시킨다. 열 변형이 큰 경우, 원하는 자동차용 구조 부재의 치수에 대해 치수 오차가 발생할 우려가 있다. 그로 인해, 열 변형이 커지는 경우, 자동차용 구조 부재의 전체 길이에 걸쳐 단속적으로 용접하는 것이 바람직하다. 자동차용 구조 부재(2∼4)의 전체 길이에 걸쳐 단속적으로 용접함으로써, 열 변형의 영향을 저감시킬 수 있고, 치수 오차의 발생을 억제할 수 있다.
(실시예)
[최대 굽힘 하중의 비교]
다음으로, 비교예의 자동차용 구조 부재와 본 발명예의 자동차용 구조 부재 사이의 성능에 대해 비교하였다.
도 3a는 제1 비교예의 자동차용 구조 부재(31)의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
제1 비교예의 자동차용 구조 부재(31)는, 제1 구성 부재인 햇 부재(10)의 외향 플랜지(10a)와 제2 구성 부재인 클로징 플레이트(11)를 스폿 용접함으로써 제작하였다. 여기에서는, 도 3a에 도시하는 곡부(10b)의 곡률 반경 R을 6㎜로 하였다.
스폿 용접은, 길이 방향의 전체 길이 600㎜에 대해 타점 피치 30㎜로 행하였다. 용접 조건은, 가압력 3920N, 통전 시간은 판 두께에 따라 변화시키고, 후술하는 판 두께 1.2㎜에 대해서는 0.27초, 판 두께 2.0㎜에 대해서는 0.4초로 하고, 용접 전류는 각각의 판 두께 t에 대해 너깃 직경 5√t가 얻어지도록 조정하였다(또한, t는 √ 내에 포함됨).
도 3b는 제2 비교예의 자동차용 구조 부재(32)의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
제2 비교예의 자동차용 구조 부재(32)는, 제1 구성 부재(12)의 내향 플랜지(12a)와 종벽부(12c) 사이에 형성되는 곡부(12b)와, 제2 구성 부재인 클로징 플레이트(13)를 화살표 B 방향으로부터 레이저 용접함으로써 제작하였다. 도 3b에 나타내는 R은, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경을 나타내고 있다. 또한, 제1 구성 부재(12)의 높이 H를 60㎜로 하였다.
레이저 용접은 곡부(12b, 12b)와 클로징 플레이트(13)를 단순히 녹여 접합한다. 따라서, 제2 비교예의 자동차용 구조 부재(32)에서는, 곡부(12b, 12b)와 클로징 플레이트(13) 사이에는 하중 전달부가 형성되지 않는다.
레이저 용접은, 길이 방향의 전체 길이 600㎜에 걸치는 연속 용접으로 하고, 용접 속도는 2m/min 일정이며, 판 두께에 따라 출력을 변화시키고, 후술하는 판 두께 1.2㎜에 대해서는 2.5㎾, 판 두께 2.0㎜에 대해서는 4.0㎾로 행하였다. 또한, 레이저 초점은 저스트 포커스로 하였다.
도 3c는 본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다.
본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)는, 제1 구성 부재(12)의 내향 플랜지(12a)와 종벽부(12c) 사이에 형성되는 곡부(12b)와, 제2 구성 부재인 클로징 플레이트(13)를 아크 용접함으로써 제작하였다. 도 3c에 나타내는 R은, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경을 나타내고 있다. 또한, 제1 구성 부재(12)의 높이 H를 60㎜로 하였다.
아크 용접은 곡부(12b, 12b)와 클로징 플레이트(13)를 용가재로서의 용접 와이어를 사용하여 접합하였다. 따라서, 본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)는, 곡부(12b, 12b)와 클로징 플레이트(13)의 간극에 하중 전달부(20)가 형성된다.
아크 용접은, 길이 방향의 전체 길이 600㎜에 걸치는 연속 용접으로 하고, 용접 속도는 60㎜/min 일정이며, 용접 전류 및 용접 전압을 판 두께에 따라, 110A∼170A, 15V∼20V의 사이에서 변화시켰다. 또한, 실드 가스에는 Ar＋20％ CO2, 용접 와이어에는 φ1.2㎜의 60kgf급을 사용하였다.
여기에서는, 440㎫급 비도금 강판의 판 두께 1.2㎜와 판 두께 2.0㎜를 사용하여 각각 도 3a∼도 3c에 도시하는 횡단면 형상을 갖는 자동차용 구조 부재(31, 32, 33)를 제작하였다. 이때, 제2 비교예 및 본 발명예의 자동차용 구조 부재(32, 33)는, 강판의 판 두께마다, 곡부(12b, 12b)의 곡률 반경 R을 2㎜ 간격으로 2㎜로부터 10㎜까지 바꾸어 제작하였다.
제작한 각 자동차용 구조 부재(31, 32, 33)의 굽힘 성능을 정적 3점 굽힘 시험에 의해 평가하였다. 시험 조건은, 지지점 간격 500㎜, 지지점 곡률 반경 30㎜, 임팩터 곡률 반경 150㎜, 압궤 속도 50㎜/min으로 하였다.
표 1에, 최대 굽힘 하중의 시험 결과를 나타낸다.
도 4에 판 두께 2.0㎜, 곡부의 곡률 반경 R이 6㎜인 경우를 대표하여 임팩터를 변위시켰을 때의 하중-변위 곡선의 그래프를 나타낸다.
도 5a에 판 두께 1.2㎜일 때의 최대 굽힘 하중-곡부의 곡률 반경의 그래프를 나타내고, 도 5b에 판 두께 2.0㎜일 때의 최대 굽힘 하중-곡부의 곡률 반경의 그래프를 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 제1 비교예 및 제2 비교예에서는, 모두 하중 전달부가 형성되지 않으므로, 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L은 공란이다. 한편, 본 발명예에서는, 하중 전달부(20)가 형성되므로, 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L을 측정한 값이 기재되어 있다. 이때, 곡부(12b)의 곡률 반경 R이 커지는 것에 따라 곡부(12b, 12b)와 클로징 플레이트(13) 사이의 간극이 증가하므로, 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L이 작아진다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경 R이 6㎜인 경우로 비교하면, 본 발명예는 어느 변위에서도 제1 비교예, 제2 비교예보다도 하중이 컸다.
또한, 도 5a 및 도 5b에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경 R이 6㎜인 경우로 비교하면, 본 발명예, 제1 비교예, 제2 비교예의 순으로 최대 굽힘 하중이 컸다. 이와 같이, 본 발명예에서는 굽힘 압궤 성능이 대폭으로 향상되는 것을 검증할 수 있었다. 또한, 제2 비교예보다도 제1 비교예의 최대 굽힘 하중이 큰 것은, 각 플랜지의 길이 및 제2 구성 부재의 길이의 상이에 의한 것이다.
또한, 제2 비교예와 본 발명예를 비교하면, 어느 곡부(12b)의 곡률 반경 R에서도, 제2 비교예보다도 본 발명예의 최대 굽힘 하중이 컸다. 따라서, 본 발명예와 같이 하중 전달부(20)를 형성함으로써, 하중 전달부(20)가 형성되어 있지 않은 제2 비교예보다도 최대 굽힘 하중이 향상되는 것을 검증할 수 있었다.
또한, 제2 비교예와 본 발명예를 비교하면, 곡부(12b)의 곡률 반경 R이 2㎜ 이상 8㎜ 이하인 경우, 나아가서는 곡률 반경 R이 2㎜ 이상 6㎜ 이하인 경우에 본 발명예가 제2 비교예보다도 최대 굽힘 하중이 대폭으로 컸다. 본 발명예 및 제2 비교예는, 각각 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재(13)의 형상이 동일하므로, 최대 굽힘 하중의 상대적인 상이는 하중 전달부 폭 WT의 상이에 의한 것으로 생각된다.
따라서, 표 1의 판 두께 1.2㎜의 시험 결과로부터, 하중 전달부 폭 WT가 0.2t≤WT≤1.0t인 경우, 바람직하게는 0.55t≤WT≤1.0t인 경우에, 제2 비교예보다도 최대 굽힘 하중을 특히 크게 할 수 있다.
또한, 표 1의 판 두께 2.0㎜의 시험 결과로부터, 하중 전달부 폭 WT가 0.3t≤WT≤1.0t인 경우, 바람직하게는 0.6t≤WT≤1.0t인 경우에, 제2 비교예보다도 최대 굽힘 하중을 특히 크게 할 수 있다.
즉, 판 두께 1.2㎜와 판 두께 2.0㎜의 공통되는 범위를 뽑아내면, 하중 전달부 폭 WT가 0.3t≤WT≤1.0t, 바람직하게는 0.6t≤WT≤1.0t의 관계를 만족시키도록, 하중 전달부(20)를 형성하는 것이 바람직하다.
[곡부의 경도]
다음으로, 용접 후에 있어서의 본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)의 경도에 대해 검증하였다.
도 6은 본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)의 내향 플랜지(12a) 주변의 횡단면 형상을 도시하는 도면이다. 본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)는, 표 1에 나타내는 440㎫급 비도금 강판의 판 두께 1.2㎜를 사용하고, 곡부(12b)의 곡률 반경 R을 6㎜로 하여 제작한 것이다. 아크 용접의 조건은, 표 1의 아크 용접에 있어서의 용접 조건과 동일하다.
여기에서는, 제1 구성 부재(12)에 대해 도 6에 나타내는 P1∼P16의 위치에, 도 6의 지면에 직교하는 방향으로 압자를 압입함으로써, 비커스 경도를 측정하였다. 또한, 용접하기 전의 제1 구성 부재(12)의 모재의 비커스 경도는 약 140Hv였다.
그 결과, 도 6에 나타내는 P1∼P5가 약 140Hv이며, 곡부(12b)를 향함에 따라 서서히 단단해지고, P8∼P14가 약 250HV이며, 종벽부(12c)를 향함에 따라 서서히 낮아지고, P15가 약 220Hv이며, P16이 약 170Hv였다.
따라서, 발명예의 자동차용 구조 부재(33)에서는 곡부(12b) 중, 적어도 하중 전달부(20)가 접하는 범위의 경도가, 제1 구성 부재(35)의 모재의 경도보다도 단단해져 있는 것을 검증할 수 있었다.
[화학 성분]
또한, 탄소 당량 Ceq를 0.15 이상으로 함으로써, 용접 시의 입열에 의해 제1 구성 부재(12)의 곡부(12b) 및 곡부(12b)의 근방을 경화시킬 수 있다.
여기서, 탄소 당량 Ceq는, 이하의 식으로 나타내어진다.
Ceq＝
C＋Si/24＋Mn/6＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/4
반대로, 탄소 당량 Ceq를 지나치게 높게 하면 취성 파단이나 수소 취화가 우려되므로, 탄소 당량 Ceq는 0.6 이하인 것이 바람직하다.
[제1 구성 부재의 높이와 판 두께]
다음으로, 제1 구성 부재(12)의 높이 H와 판 두께 t가 최대 굽힘 하중에 미치는 영향에 대해 검증하였다. 여기에서는, 440㎫급 비도금 강판의 판 두께 1.2㎜와 판 두께 2.0㎜를 사용하여 각각 도 3b에 도시하는 제2 비교예의 자동차용 구조 부재(32), 도 3c에 도시하는 본 발명예의 자동차용 구조 부재(33)를 제작하였다. 이때, 판 두께 1.2㎜의 강판에서는 제1 구성 부재(12)의 높이 H를 30㎜, 60㎜로 하고, 판 두께 2.0㎜의 강판에서는 제1 구성 부재(12)의 높이 H를 30㎜, 60㎜, 90㎜로 한 것을 제작하였다. 또한, 곡부(12b)의 곡률 반경 R은 모두 6.0㎜로 하였다.
제작한 각 자동차용 구조 부재(32, 33)의 굽힘 성능을 정적 3점 굽힘 시험에 의해 평가하였다. 시험 조건은, 표 1의 시험 조건과 마찬가지이다.
표 2에 최대 굽힘 시험의 시험 결과를 나타낸다.
도 7a에 판 두께 1.2㎜일 때의 최대 굽힘 하중-높이의 그래프를 나타내고, 도 7b에 판 두께 2.0㎜일 때의 최대 굽힘 하중-높이의 그래프를 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에 나타내는 바와 같이, 제2 비교예에서는, 모두 하중 전달부가 형성되지 않으므로, 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L은 공란이다. 한편, 본 발명예에서는, 하중 전달부(20)가 형성되므로, 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L을 측정한 값이 기재되어 있다.
도 7a 및 도 7b에 나타내는 바와 같이, 제1 구성 부재(12)의 높이 H가 30㎜인 경우로 비교하면, 본 발명예는 제2 비교예보다도 최대 굽힘 하중이 컸다.
또한, 제1 구성 부재(12)의 높이 H가 60㎜, 90㎜인 경우를 비교하면, 본 발명예는 제2 비교예보다도 최대 굽힘 하중이 대폭으로 컸다. 제1 구성 부재(12)의 높이 H가 60㎜, 90㎜와 같이 높은 경우에는, 높이 H가 30㎜와 같이 낮은 경우에 비해 종벽부(12c)가 좌굴 변형되기 쉬운 형상이다. 따라서, 하중 전달부(20)를 형성함으로써, 보다 종벽부(12c)의 변형을 억제시키고 있다고 상정된다. 따라서, 본 발명예와 같이, 종벽부(12c)가 좌굴 변형되기 쉬운 제1 구성 부재(12)에 있어서, 하중 전달부(20)를 형성함으로써, 보다 횡단면 형상의 변형 억제의 효과를 발휘할 수 있다.
여기서, 제1 구성 부재(12)의 판 두께를 t로 하고, 높이를 H로 하고, H/t를 사용함으로써 좌굴 변형의 용이함을 나타내는 지표로 할 수 있다. 판 두께 1.2㎜의 결과로부터 H/t≥50으로 되는 제1 구성 부재(12)에 하중 전달부(20)를 형성하는 것이 바람직하다. 판 두께 2.0㎜의 시험 결과로부터 H/t≥30으로 되는 제1 구성 부재(12)에 하중 전달부(20)를 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 공통되는 범위를 뽑아내면, H/t≥50의 관계를 만족시키는 제1 구성 부재(12)에 하중 전달부(20)를 형성하는 것이 보다 바람직하다.
반대로, H/t가 지나치게 크면 자동차용 구조 부재가 대형화되어 버리므로 H/t는 90 이하인 것이 바람직하다.
[용접의 횟수]
다음으로, 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 용접에 의해 형성하는 경우에, 제1 구성 부재(12) 또는 제2 구성 부재가 녹아 떨어짐을 방지하기 위해 동일 개소를 복수회로 나누어 용접하는 경우에 대해 설명한다.
예를 들어, 1회째에서는 하중 전달부 폭 WT가 0＜WT＜0.3t(바람직하게는 0＜WT＜0.6t)로 되도록, 혹은 WT＜0.3t(바람직하게는 WT＜0.6t) 또한 접합 폭 L이 0＜L로 되도록 자동차용 구조 부재의 전체 길이에 걸쳐 용접하고, 2회째(혹은 2회째 이후)에서 하중 전달부 폭 WT가 0.3t≤WT≤1.0t(바람직하게는 0.6t≤WT≤1.0t)로 되도록 전체 길이에 걸쳐 용접한다.
또한, 예를 들어 1회째에서는 하중 전달부 폭 WT가 0.3t≤WT≤1.0t(바람직하게는 0.6t≤WT≤1.0t)로 되도록 자동차용 구조 부재의 전체 길이에 걸쳐 용접하고, 2회째(혹은 2회째 이후)에서 접합 폭 L이 하중 전달부 폭 WT보다도 커지도록 전체 길이에 걸쳐 형상을 정돈하도록 용접한다.
이와 같이 동일 개소를 복수회로 나누어 용접함으로써, 1회로 하중 전달부(20) 및 접합부(21)를 원하는 하중 전달부 폭 WT로 하는 경우 등에 비해, 1회마다의 용접에 있어서 제1 구성 부재(12) 및 제2 구성 부재에의 용접 입열량을 저하시킬 수 있고, 제1 구성 부재(12) 또는 제2 구성 부재(13)의 녹아 떨어짐을 방지할 수 있다. 특히, 곡부(12)의 곡률 반경 R이 8㎜보다도 큰 경우에는, 복수회 용접함으로써 용이하게 하중 전달부 폭 WT를 0.6t≤WT≤1.0t로 할 수 있고, 또한 녹아 떨어짐도 방지할 수 있다.
[용접의 길이]
다음으로, 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 용접에 의해 형성하는 경우에 열 변형의 영향을 저감시키기 위해, 용접의 길이를 단속적으로 형성하는 경우에 대해 검증하였다.
도 8a는 단속적으로 용접한 자동차용 구조 부재(41)의 일례를 나타내는 사시도이다. 도 8a에 도시하는 자동차용 구조 부재(41)에서는, 제1 구성 부재(12)의 전체 길이를 LA로 하고, 접합부(21)의 길이, 즉, 용접의 길이(이하, 용접 길이라 함)를 LB로 하고, 용접 피치를 P로 하고 있다. 이와 같이, 단속적으로 용접함으로써, 열 변형의 영향을 저감시킬 수 있고, 치수 오차의 발생을 억제할 수 있다.
여기서, 용접 길이 LB 및 용접 피치 P를 바꾼 자동차용 구성 부재를 제작하고, 최대 굽힘 하중을 비교하였다. 여기에서는, 440㎫급 비도금 강판의 판 두께 2.0㎜를 사용하고, 제1 구성 부재(12)의 전체 길이를 600㎜, 높이 H를 60㎜, 곡부(12b)의 곡률 반경 R을 6㎜로 한 후에, 용접 길이 LB 및 용접 피치 P를 바꾸어 도 3c에 도시하는 자동차용 구조 부재(33)를 제작하였다. 또한, 용접 조건은, 용접 길이 LB 및 용접 피치 P를 제외하고, 표 1의 아크 용접에 있어서의 용접 조건과 동일하다.
제작한 각 자동차용 구조 부재(33)의 굽힘 성능을 정적 3점 굽힘 시험에 의해 평가하였다. 시험 조건은, 표 1의 시험 조건과 마찬가지이다.
표 3에 최대 굽힘 시험의 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00003
표 3에 나타내는 제1 발명예 내지 제3 발명예는, 모두 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L은 동일하다. 또한, 제1 발명예는, 용접 길이 LB가 제1 구성 부재(12)의 전체 길이와 동일하게 하였으므로, 용접 피치 P는 공란이다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 단속적으로 아크 용접하는 제2 발명예 및 제3 발명예는, 전체 길이에 아크 용접하는 제1 발명예에 비해 최대 굽힘 하중이 작았다. 한편, 제3 발명예는, 제2 발명예에 비해 용접 길이 LB 및 용접 피치 P가 짧지만, 최대 굽힘 하중이 컸다. 따라서, 하중 전달부(20)를 포함하는 접합부(21)를 용접에 의해 단속적으로 형성하는 경우에는, 용접 길이 LB 및 용접 피치 P를 짧게 함으로써, 열 변형의 영향을 저감시킬 수 있고, 최대 굽힘 하중의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 복수회의 용접 중 적어도 2회의 용접에서는, 각각 용접 길이를 변경할 수 있다. 여기에서는, 2회 용접하는 경우를 예로 하여 설명한다.
도 8b는 용접의 횟수에 따라 용접 길이를 변경한 자동차용 구조 부재(42)의 일례를 나타내는 사시도이다. 도 8b에 도시하는 자동차용 구조 부재(42)에서는, 1회째에서 용접 길이를 제1 구성 부재(12)의 전체 길이인 LA로 하고, 2회째에서 용접 길이를 LB, 용접 피치를 P로 하고 있다.
여기서, 용접의 횟수에 따라 용접 길이를 바꾼 자동차용 구성 부재를 제작하고, 최대 굽힘 하중을 비교하였다. 여기에서는, 440㎫급 비도금 강판의 판 두께 2.0㎜를 사용하고, 제1 구성 부재(12)의 전체 길이를 600㎜, 높이 H를 60㎜, 곡부(12b)의 곡률 반경 R을 10㎜로 한 후에, 1회째의 용접 길이와 2회째와 용접 길이를 바꾸어 도 3c에 도시하는 자동차용 구조 부재(33)를 제작하였다. 또한, 용접 조건은, 용접 길이 LB 및 용접 피치 P를 제외하고, 1회째의 용접도 2회째의 용접도 표 1의 아크 용접에 있어서의 용접 조건과 동일하다.
제작한 각 자동차용 구조 부재(33)의 굽힘 성능을 정적 3점 굽힘 시험에 의해 평가하였다. 시험 조건은, 표 1의 시험 조건과 마찬가지이다.
표 4에 최대 굽힘 시험의 시험 결과를 나타낸다.
Figure pct00004
표 4에 나타내는 제4 발명예 및 제5 발명예는, 2회째의 용접이 실시되고 있는 위치를 비교하면, 모두 하중 전달부 폭 WT 및 접합 폭 L은 동일하다. 또한, 제4 발명예는, 1회째 및 2회째 모두, 용접 길이 LB가 제1 구성 부재(12)의 전체 길이와 동일하므로, 용접 피치 P는 공란이다.
표 4에 나타내는 바와 같이, 2회째를 단속적으로 아크 용접하는 제5 발명예는, 모든 회에서 전체 길이에 아크 용접하는 제4 발명예보다도 최대 굽힘 하중이 5％만큼 작았다. 따라서, 복수회 용접하는 경우에, 2회째 이후를 단속적으로 용접함으로써, 녹아 떨어짐을 열 변형의 영향을 저감시킬 수 있고, 최대 굽힘 하중의 저하를 억제할 수 있다.
예를 들어, 1회째에서 하중 전달부 폭 WT가 0＜WT＜0.3t(바람직하게는 0＜WT＜0.6t)로 되도록, 혹은 WT＜0.3t(바람직하게는 WT＜0.63t) 또한 접합 폭 L이 0＜L로 되도록 전체 길이에 걸쳐 용접하고, 2회째(혹은 2회째 이후)에서 0.3t≤WT≤1.0t(바람직하게는 0.6t≤WT≤1.0t)로 되도록 전체 길이보다도 짧은 용접 길이로 용접함으로써, 최대 굽힘 하중의 저하를 억제한 후에, 용가재의 양을 삭감할 수 있다.
이상, 본 발명을 상술한 실시 형태와 함께 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시 형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위 내에서 변경이 가능하다.
본 발명은 자동차 차체의 골격 부재로서 사용되는 자동차용 구조 부재 중, 충돌 사고 시에 3점 굽힘 하중이 작용하는 것이 상정되는 부재에 이용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 적어도, 금속판의 성형체로 이루어지는 제1 구성 부재, 및 금속판 또는 금속판의 성형체로 이루어짐과 함께 상기 제1 구성 부재와 접합되는 제2 구성 부재에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖는 자동차용 구조 부재이며,
    상기 제1 구성 부재는, 종벽부, 상기 종벽부에 연결됨과 함께 상기 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡되는 곡부, 및 상기 곡부에 연결되는 내향 플랜지를 가짐과 함께,
    상기 곡부와 상기 제2 구성 부재 사이이며 상기 종벽부를 상기 제2 구성 부재를 향해 연장한 영역의 적어도 일부의 영역에 형성되어, 상기 곡부 및 상기 제2 구성 부재를 접합하는 하중 전달부를 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 종벽부의 판 두께 방향으로의 상기 하중 전달부의 폭을 WT로 함과 함께, 상기 종벽부의 판 두께를 t로 한 경우에
    0.3t≤WT≤1.0t
    인 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하중 전달부는, 상기 곡부와 상기 제2 구성 부재 사이에 형성되는 간극의 일부 또는 모두를 매립하는 접합부의 일부이며,
    상기 접합부는, 상기 제2 구성 부재와 접하는 범위인 접합 폭이, 상기 하중 전달부의 폭보다도 긴 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 곡부 중, 적어도 상기 하중 전달부가 접하는 범위의 경도가 상기 제1 구성 부재의 모재의 경도보다도 단단한 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하중 전달부는, 상기 자동차용 구조 부재의 길이 방향에 걸쳐 단속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재.
  6. 적어도, 금속판의 성형체로 이루어지는 제1 구성 부재, 및 금속판 또는 금속판의 성형체로 이루어짐과 함께 상기 제1 구성 부재와 접합되는 제2 구성 부재에 의해 구성되는 폐쇄된 횡단면 형상을 갖고,
    상기 제1 구성 부재는, 종벽부, 상기 종벽부에 연결됨과 함께 상기 폐쇄된 횡단면 형상의 내측을 향해 굴곡되는 곡부, 및 상기 곡부에 연결되는 내향 플랜지를 갖는 자동차용 구조 부재의 제조 방법이며,
    상기 곡부와 상기 제2 구성 부재 사이이며 상기 종벽부를 상기 제2 구성 부재를 향해 연장한 영역의 적어도 일부의 영역에, 용가재를 사용한 용접에 의해, 상기 곡부 및 상기 제2 구성 부재를 접합하는 하중 전달부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하중 전달부를, 상기 용가재를 사용한 복수회의 용접에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 복수회의 용접 중 적어도 2회의 용접에서는 각각 용접 길이가 다른 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재의 제조 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하중 전달부는, 상기 곡부와 상기 제2 구성 부재 사이에 형성되는 간극의 일부 또는 모두를 매립하는 접합부의 일부이며,
    상기 하중 전달부를, 상기 용가재를 사용한 복수회의 용접에 의해 형성하고,
    1회째의 용접에서는, 상기 하중 전달부의 폭 WT가 WT＜0.6t, 또한 상기 접합부가 상기 제2 구성 부재와 접하는 범위인 접합 폭 L이 0＜L로 되도록 용접하고,
    2회째 이후의 용접에 있어서, 상기 하중 전달부의 폭 WT가 0.6t≤WT≤1.0t로 되도록 용접하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재의 제조 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하중 전달부를, 상기 자동차용 구조 부재의 길이 방향에 걸쳐 단속적으로 형성하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재의 제조 방법.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하중 전달부를, 아크 용접 또는 레이저·아크 하이브리드 용접에 의해 상기 용가재를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 구조 부재의 제조 방법.
KR1020157025977A 2013-04-04 2014-04-04 자동차용 구조 부재 및 그 제조 방법 KR101780882B1 (ko)

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