(57)【要約】      （修正有）【課題】バンパーステイに時効処理した６０００系や７０００系アルミニウム合金押出形材を適用した場合に、車体衝突時の割れの発生を防止し、それによる荷重低下を防止して、エネルギー吸収性に優れたバンパーステイを提供する。【解決手段】バンパービーム側に位置する前フランジ８と、サイドメンバ側に位置する後フランジ９と、前後方向に延在して前記前フランジ及び後フランジをつなぐ２個以上のリブ１１，１２から構成されるバンパーステイ。内リブ１１の板厚を外リブ１２より薄肉とし、その幅方向中央部に、押出方向に沿って摩擦攪拌処理を施す。摩擦攪拌後、人工時効処理（Ｔ５，Ｔ７）を施す。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車車体のバンパービームとサイドメンバとの間に配置され、車体上下方向を押出方向とする中空断面を有するアルミニウム合金押出形材からなり、バンパービーム側に位置する前フランジと、サイドメンバ側に位置する後フランジと、前後方向に延在して前記前フランジ及び後フランジをつなぐ２個以上のリブから構成され、前記リブのうち車体幅方向の最も外側にある外リブ又は最も内側にある内リブのいずれか一方又は双方に、押出方向に沿って摩擦攪拌処理が施されていることを特徴とするバンパーステイ。
【請求項２】
人工時効処理した６０００系又は７０００系アルミニウム合金押出形材からなることを特徴とする請求項１に記載されたバンパーステイ。
【請求項３】
人工時効処理が摩擦攪拌処理後に施されていることを特徴とする請求項２に記載されたバンパーステイ。
【請求項４】
押出方向の全長にわたって摩擦攪拌処理が施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたバンパーステイ。
【請求項５】
外リブの板厚より内リブの板厚が薄肉とされ、内リブに摩擦攪拌処理が施されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたバンパーステイ。
【請求項６】
摩擦攪拌処理の処理深さが処理部板厚の３０％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載されたバンパーステイ。
【請求項７】
６０００系又は７０００系アルミニウム合金押出形材を押出成形し、摩擦攪拌処理を施した後、人工時効処理を施すことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載されたバンパーステイの製造方法。
【請求項８】
６０００系又は７０００系アルミニウム合金押出形材を押出成形し、摩擦攪拌処理を施した後、６０００系又は７０００系アルミニウム合金押出形材からなるバンパービームに固定し、前記バンパービームと共に人工時効処理を施すことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載されたバンパーステイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金中空押出形材からなる軽量かつ衝突安全性に優れたバンパーステイに関し、具体的には、改質処理を局部的に施すことで、材料強度を維持しつつ、車体衝突時に発生する割れによる荷重低下を防止した、エネルギー吸収性に優れるバンパーステイに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や車両には、衝突時の衝撃を吸収すること等を目的として、その車体のフロントやリアにバンパーが配設されている。このバンパーは棒状の金属製中空材から製作されたバンパービーム（バンパー補強材）を有し、バンパービームはバンパーステイを介して、車体の前端部や後端部に設けられたサイドメンバ等の車体フレームに固定状態に取り付けられている。これらのバンパーステイには、軽量化のためアルミニウム合金中空形材が使用されている。アルミニウム押出材は軽量なことに加えて、鉄では困難な任意の肉厚配分をもつ複雑な断面形状を得ることができるため、軽量化の有効な手段として多用されている。特に高強度の６０００系合金や７０００系合金が適用されることが多い。
【０００３】
また、従来、バンパーに求められる性能は軽衝突時の車体保護であったため強度を向上させることが大きな課題であったが、近年、車体衝突時にバンパーが圧壊変形することでエネルギー吸収する性能が求められている。そこで、衝突時のエネルギーを吸収する上でバンパービームとバンパーステイを使用したバンパーシステムの役割が重要になってきている。
車体上下方向を押出方向とする中空断面を有するバンパーステイ（横圧壊形ステイ）において、バンパーステイの衝突時におけるエネルギー吸収性能向上を目的として、例えば特許文献１のようにバンパーステイを偏肉にした構造や、特許文献２のようにリブを傾斜させたり、特許文献３のようにリブを湾曲させて中空部の変形形態を制御するものがある。
しかしながら、衝突時にバンパーステイをつぶれ変形させる場合、時効処理した６０００系合金や７０００系合金のような高強度材料を適用すると、割れが発生しやすい。
【０００４】
一方、アルミニウム合金の表面改質技術としては、特許文献４，５が知られている。いずれもプローブを備えた回転ツールを用いて、アルミニウム合金の表面を摩擦攪拌処理し、アルミニウム合金の機械的特性を改善するものであり、特許文献４には、金属製構造材の金属組織を局部的に微細化して、その箇所を衝撃エネルギー吸収部分とし、金属製構造材に衝撃吸収機能をもたせること、特許文献５には、結晶粒径を制御して局部的に強度及び硬度を高めることが記載されている。
また、特許文献６，７には、摩擦攪拌接合の接合部が曲げ加工可能であることを利用し、アルミニウム構造体を製造することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１２１０３号公報
【特許文献２】特開２００３−３１２３９９号公報
【特許文献３】特開２００６−３３５２４１号公報
【特許文献４】特許第３２０７３７６号公報
【特許文献５】特許第４００６５１５号公報
【特許文献６】特開２００６−３０５６２号公報
【特許文献７】特開２００７−７５８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、バンパーステイに時効処理した６０００系合金や７０００系合金のような高強度材料を適用した場合の上記問題点に鑑みてなされたものであって、高強度のアルミニウム合金中空形材を用いて軽量化を達成しつつ、車体衝突時の割れの発生を防止し、それによる荷重低下を防止して、エネルギー吸収性に優れたバンパーステイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、アルミニウム合金中空形材製のバンパーステイに関し、車体衝突時に座屈しやすい部位に摩擦攪拌処理を施す点に特徴がある。
本発明において摩擦攪拌処理とは、プローブを備えた回転ツールを用いるそれ自体周知の摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）の原理を利用したもので、バンパーステイの材料を所定の処理幅で摩擦攪拌し、その材質を改質することである。バンパーステイに摩擦攪拌による改質処理を施すことで、その改質部分が軟化して曲げ性が改善される。そのため、衝突時に割れが生じやすい部位を改質処理すれば、当該部位の曲げ加工性が向上して車体衝突時に割れにくくなり、割れに伴う急激な荷重低下を防止して、エネルギー吸収性能を向上させることができる。
【０００８】
バンパーステイにおいて車体衝突時に座屈しやすい部位（衝突時に座屈が想定される部位）として、そのバンパーステイの断面形状の特徴から一定の部位が特定される。
自動車車体のバンパービームとサイドメンバとの間に配置され、車体上下方向を押出方向とするアルミニウム合金押出形材からなり、バンパービーム側に位置する前フランジと、サイドメンバ側に位置する後フランジと、前後方向に延在して前記前フランジ及び後フランジをつなぐ２個以上のリブから構成された、典型的な横圧壊型バンパーステイの場合、車体衝突時に座屈しやすい部位はリブであり、特にリブの幅方向（前後方向）中央部である。この場合、前記リブのうち摩擦攪拌処理が可能な車体幅方向の最も外側にある外リブ又は最も内側にある内リブのいずれか一方又は双方に、押出方向に沿って（望ましくは押出方向の全長にわたり）所定の処理幅で摩擦攪拌処理が施される。
【０００９】
また、前記のような横圧壊型バンパーステイにおいて、例えばバリヤー衝突を想定し、外リブの板厚より内リブの板厚を薄肉として、バンパーステイの圧壊時に優先的に内リブがくの字状に曲げ変形するように断面設計することがある。これは狙った部位を座屈させてエネルギー吸収性を安定させるためである。この場合、内リブが特に座屈変形しやすい部位であり、さらにその幅方向中央部が最も座屈しやすい。このような断面設計により車体衝突時の座屈部位を限定することができ、かつ当該部位に摩擦攪拌処理を施すことにより、バンパーステイに局部的な割れが生じるのを防止し、急激な荷重低下を防止してバンパーステイのエネルギー吸収性能を安定させることができる。
なお、本発明において、車体衝突時に座屈が想定される部位の全部に摩擦攪拌処理が施されている必要はなく、少なくとも車体衝突時に優先的に座屈しやすい部位（例えば前記の例では内リブ）に、摩擦攪拌処理が施されていればよい。
【００１０】
摩擦攪拌処理は平らな面に行われるので、摩擦攪拌を施す部位（リブ）は平らであるか、少なくとも摩擦攪拌処理が行える幅の平らなスペースを有する必要がある。摩擦攪拌処理の処理深さが処理部板厚の３０％以上であることが望ましい。
衝突時の割れは、車体上下方向を押出方向としたバンパーステイでは上下方向に沿って線状に進展しやすく、また摩擦攪拌処理は回転ツールとバンパーステイを相対移動させる必要があるから、摩擦攪拌処理はバンパーステイの車体上下方向（押出方向）に略沿って直線的に行われることが望ましい。リブの幅中央部付近は割れやすいため、摩擦攪拌処理はリブの幅中央部付近を通るように行うことが望ましい。
【００１１】
上記バンパーステイは、高強度の６０００系又は７０００系アルミニウム合金形材、特に押出形材からなることが望ましい。なかでも、７０００系アルミニウム合金押出形材は、６０００系の高強度材料よりも更に高強度で、衝突時に割れが発生しやすいので、これに摩擦攪拌処理を施すことで、７０００系の欠点を補完しつつ、より軽量化できる利点がある。アルミニウム合金は、高強度化のため人工時効処理（Ｔ５，Ｔ７）される。アルミニウム合金形材の断面は、例えば略口型、略日型等の輪郭が略矩形のものが好適に利用できる。
なお、６０００系、７０００系とはＪＩＳに定められた熱処理型のアルミニウム合金系であり、それぞれＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−（Ｃｕ）系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）系アルミニウム合金を意味する。また、Ｔ５，Ｔ７はＪＩＳＨ０００１に規定された質別である。
【００１２】
本発明において、前記人工時効処理は摩擦攪拌処理後に施されていることが望ましい。
人工時効処理後のバンパーステイをバンパービームに固定することで、バンパーシステムを製造することができる。
あるいは、バンパーシステム全体の軽量化のため、バンパービームについても前記６０００系又は７０００系アルミニウム合金押出形材製とし、その車幅方向両端部を水平面内で車体側に曲げ加工し、傾斜した車幅方向両端部に前記バンパーステイを固定する場合が多いが、この場合、摩擦攪拌処理を施した人工時効処理前（質別Ｔ１状態）のバンパーステイを、同じく人工時効処理前（質別Ｔ１状態）のバンパービームに固定し、一緒に人工時効処理を施すこともできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バンパーステイにアルミニウム合金中空形材を使用した場合に、特に高強度な６０００系又は７０００系アルミニウム合金中空形材を使用した場合でも、衝突時の割れを防止し、急激な荷重低下を防止してエネルギー吸収性を向上させることができ、より厳しい衝突安全基準を満足する性能を維持しつつ同時に軽量化を達成できる。特に摩擦攪拌処理後に人工時効処理を施したものは、割れ発生の防止及びエネルギー吸収性の向上において効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】摩擦攪拌処理について説明する斜視図である。
【図２】摩擦攪拌処理による硬さの変化と人工時効処理の作用を示す図である。
【図３】本発明に係るバンパーシステムの平面図である。
【図４】本発明に係るバンパーステイの平面図（ａ）、側面図（ｂ）及び衝突時の変形を示す平面図（ｃ）である。
【図５】本発明に係る他のバンパーステイの平面図（ａ）及び衝突時の変形を示す平面図（ｂ）である。
【図６】本発明に係る他のバンパーステイの平面図である。
【図７】実施例に用いたバンパーステイの斜視図である。
【図８】実施例における荷重落ち込み（ａ）及びエネルギー吸収量（ｂ）の評価基準を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜図８を参照して、本発明に係るバンパーステイについて説明する。
まず、図１は、本発明に係る摩擦攪拌処理を説明する図である。摩擦攪拌処理は、先端にプローブ１を備えた回転ツール２を高速回転させ、プローブ１をアルミニウム合金板３（バンパーステイのリブを想定）内に挿入し、回転ツール１のプローブ側端面（ショルダー）で板表面を押圧しながら移動させて、プローブ挿入部分及びその近傍を一定幅で摩擦攪拌するものである。プローブ１の直径は、余り小さいと折損し、大きいと先端を押し込むだけで攪拌できないため、２〜５ｍｍが望ましい。ショルダー径は５〜１５ｍｍ程度でよい。
【００１６】
摩擦攪拌による改質処理部４（ドットを付している）の処理深さＨはプローブ１の高さで決まり、処理幅Ｗは回転ツール２のショルダー径で決まる。処理部の板厚をｔとしたとき、（Ｈ／ｔ）×１００≧３０（％）が望ましく、さらにこの数値は５０〜１００％であることが望ましい。摩擦攪拌処理は１回だけでなく、処理幅が重なるように（この場合、処理幅が大きくなる）又は離して２回以上行うこともできる。
【００１７】
アルミニウム合金板に摩擦攪拌による改質処理を施すと、改質処理部は軟化して曲げ性が改善される。これにより、当該部位の曲げ加工性が向上して車体衝突時に割れにくくなり、割れに伴う急激な荷重低下を防止して、エネルギー吸収性能を向上させることができる。
一方、摩擦攪拌処理後に人工時効処理を施した場合、軟化した改質処理部が再び非処理部と同程度の強度まで回復する。しかし、これにより曲げ性が再び劣化することはなく、かえって曲げ性の改善が認められる。その理由は必ずしも明らかではないが、改質処理部と非処理部の強度差が解消したことが影響していると推測される。
【００１８】
図２は、ＪＩＳ７Ｎ０１アルミニウム合金押出材（板材）の表面に、プローブ径３ｍｍ、処理深さ１．７ｍｍ、ショルダー径１０ｍｍの回転ツールを用いて、押出方向に平行に摩擦攪拌処理を施し、改質処理部と非処理部のＨｖ硬さを押出方向に垂直に２ｍｍ間隔で測定して得られたグラフである。このうち図２（ａ）は、Ｔ１，Ｔ５，Ｔ７材に対して摩擦攪拌処理を施した板材についての測定結果を示し、図２（ｂ）は、Ｔ１材に対し摩擦攪拌処理を施し、続いてＴ５，Ｔ７処理を施した板材の測定結果（Ｔ５，Ｔ７処理を施さなかった板材の結果も合わせて表示）を示す。図２（ａ），（ｂ）に示すように、人工時効処理後に摩擦攪拌処理を施した場合、改質処理部の硬さが非処理部に比べてＨｖ２０〜３０ポイント低いが、摩擦攪拌処理後に人工時効処理を施した場合、改質処理部の硬さが非処理部と同程度に回復している。
【００１９】
図３に、アルミニウム合金中空押出形材製のバンパービーム５と、バンパービーム５の車幅方向両端部の背面側に取り付けられたバンパーステイ６からなるバンパーシステム７を示す。バンパーステイ６は、バンパービーム５側に位置する前フランジ８と、サイドメンバ側に位置する後フランジ９と、前後方向に延在して前記前フランジ８及び後フランジ９をつなぐ２個のリブ（内リブ１１，外リブ１２）からなる。バンパービーム５の両端の傾斜に対応して内リブ１１が外リブ１２よりも長く、かつ内リブ１１の板厚は外リブ１２の板厚よりも薄肉とされている。このため、例えばバリヤ衝突を想定すると、内リブ１１がその幅方向中央部において最も座屈しやすい。
【００２０】
図４（ａ），（ｂ）は、バンパーステイ６の内リブ１１の幅方向中央部に、押出方向に沿って摩擦攪拌処理を行った状態（改質処理部１１ａ）を模式的に示す図である。バンパーステイ６は人工時効処理が施されて強化されているが、内リブ１１は改質処理部１１ａにおいて曲げ性に優れ、図４（ｃ）に示すように、衝突時に座屈するとき割れを生じることなく幅方向中央部において曲げ変形を起こし、これにより急激な荷重の低下が防止される。なお、必要に応じて、外リブ１２にも摩擦攪拌処理を施すことができる。
【００２１】
図５（ａ）は、摩擦攪拌で改質処理を行ったバンパーステイの他の例を模式的に示す図である。このバンパーステイ６Ａの断面形状自体は、図４（ａ）に示すバンパーステイ６と同じであるが、内リブ１１の幅方向中央部を挟んで２箇所に、押出方向に沿って摩擦攪拌処理（改質処理部１１ａ，１１ｂ）が施されている。この場合も内リブ１１は改質処理部１１ａ，１１ｂにおいて曲げ性に優れ、図５（ｂ）に示すように、衝突時に座屈するとき割れを生じることなく改質処理部１１ａ，１１ｂにおいて曲げ変形を起こし、これにより急激な荷重の低下が防止される。
【００２２】
図６は、摩擦攪拌で改質処理を行ったバンパーステイのさらに他の例を模式的に示す図である。バンパーステイ６Ｂは内リブ１１、外リブ１２及び中リブ１３を有し、板厚は外リブ１２、中リブ１３、内リブ１１の順に薄肉となり、このため、例えばバリヤ衝突を想定すると、内リブ１１がその幅方向中央部において最も座屈しやすい。内リブ１１は、その幅方向中央部に押出方向に沿って摩擦攪拌処理（改質処理部１１ａ）が施されている。なお、バンパーステイ６Ｂの場合も、必要に応じて、外リブ１２にも摩擦攪拌処理を施すことができる。
【実施例】
【００２３】
バンパービームとして、車体前後方向幅７０ｍｍ、車体上下方向高さ１００ｍｍの日型断面を有するアルミニウム合金押出形材（ＪＩＳ６Ｎ０１−Ｔ１）を用い、図３に示すように端部曲げ加工を行って車体側に傾斜させ、人工時効処理（Ｔ５）を施した。
一方、バンパーステイとして、前後のフランジ及び内外のリブからなる断面（図３参照）を有するアルミニウム合金押出形材（ＪＩＳ７Ｎ０１−Ｔ１）を用い、前フランジ、後フランジ、内リブ及び外リブからなるバンパーステイを製造した。前フランジ８はバンパービームの端部に対応して傾斜している。このバンパーステイは、図７に示すように、車幅方向幅が７０ｍｍ、最も車体内側の上下方向高さが８０ｍｍ、最も車体外側の上下方向高さが１００ｍｍ、外リブの高さが５０ｍｍとされ、車体衝突時に内リブ１１の座屈を外リブの座屈に優先させるため、内リブ１１の板厚（２ｍｍ）は外リブの板厚（３ｍｍ）よりも薄肉とされている。
【００２４】
このバンパーステイに対し、それぞれ次の処理を加えた。なお、バンパーステイＡ，Ｂは本発明例、バンパーステイＣは従来例である。
バンパーステイＡ：
図７に示すように、内リブ１１の幅方向中央付近に押出方向全幅にわたって摩擦攪拌処理（改質処理部１１ａ）を施した後、人工時効処理（Ｔ５）を施した。摩擦攪拌処理の条件は、回転ツールのショルダー径：１０ｍｍ、プローブ径：３ｍｍ、プローブ高さ：１．７ｍｍ、回転数：１６５０ｒｐｍ、送り速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ、傾斜角度：３°とした。なお、摩擦攪拌処理の処理深さＨは処理部肉厚の約８０％であった。
バンパーステイＢ：
試験体Ｎｏ．１と同様の人工時効処理（Ｔ５）を施した後、試験体Ｎｏ．１と同様の摩擦攪拌処理を施した。
バンパーステイＣ：
摩擦攪拌処理を施さず、試験体Ｎｏ．１と同様の人工時効処理（Ｔ５）を施した。
【００２５】
続いて、バンパービームの両端部の背面に、それぞれのバンパーステイを取り付け、試験Ｎｏ．１〜３のバンパーシステムを製造した。試験Ｎｏ．１はバンパーステイＡを取り付けたもの、試験Ｎｏ．２はバンパーステイＢを取り付けたもの、試験Ｎｏ．３はバンパーステイＣを取り付けたものである。
Ｎｏ．１〜３のバンパーシステムを車体フレームに接合し、同じ条件で前方からバリヤ衝突させ、内リブ１１の割れ発生、荷重落ち込みの程度及びエネルギー吸収量（ＥＡ量）の大きさについて調査した。その結果を表１に示す。
【００２６】
なお、表１において、割れの欄については、内リブ１１に割れの発生がなかったものに○、微少割れが発生したものに△、分断割れが発生したものに×を付与し、荷重落ち込みの欄については、割れによる荷重落ち込みがなかったものに○、微少な荷重落ち込みがあったものに△、割れによる急激な荷重落ち込みがあったものに×を付与している（評価基準は図８（ａ）の荷重−変位曲線参照）。また、エネルギー吸収量（ＥＡ量）の欄については、従来例であるＮｏ．３を×とし、これを基準として相当程度改善したものに△、さらに改善の程度が大きかったものに○を付与している（評価基準は図８（ｂ）のＥＡ量−変位曲線参照）。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、従来例である試験Ｎｏ．３は、内リブ１１に分断割れが発生し、それに伴い急激な荷重落ち込みが生じて、エネルギー吸収量も低かった。これに対し、試験Ｎｏ．１は、内リブ１１に割れの発生がなく、そのため割れによる荷重落ち込みがなく、その結果、エネルギー吸収量が増大した。また、試験Ｎｏ．２は、内リブ１１に微少割れが生じたが、これによる荷重落ち込みは特にみられず、エネルギー吸収量も試験Ｎｏ．１には及ばなかったものの試験Ｎｏ．３に比べて増大した。
【符号の説明】
【００２９】
１  プローブ
２  回転ツール
３  アルミニウム合金板
４  改質処理部
５  バンパービーム
６，６Ａ，６Ｂ  バンパーステイ
７  バンパーシステム
８  前フランジ
９  後フランジ
１１  内リブ
１１ａ  改質処理部
１２  外リブ
１３  中リブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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