(57)【要約】【課題】薄鋼板を素材とした構造部材であっても、その断面形状や部分焼入れ方法に工夫を凝らすことにより、軸圧潰強度を高めて衝撃吸収特性を向上させた構造部材を低コストで提供する。【解決手段】ハット型に曲げ加工されたハット型断面形状鋼板と平面状の鋼板を重ね合わせ、フランジの重ね合わせ部分を溶融接合したハット型閉断面構造を有する構造部材において、前記ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部にＶ字状の窪みを形成するとともに、曲げ部位の丸みを帯びたコーナーＲ部の稜線領域に、当該構造部材の長手方向にわたってレーザー照射による部分焼入れ硬化部を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハット型に曲げ加工されたハット型断面形状鋼板と平面状の鋼板を重ね合わせ、フランジの重ね合わせ部分を溶融接合したハット型閉断面構造を有する構造部材であって、前記ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部にＶ字状の窪みが形成されていることを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造部材。
【請求項２】
前記ハット型断面形状鋼板の、曲げ部位の丸みを帯びたコーナーＲ部の稜線領域に、当該構造部材の長手方向にわたってレーザー照射による部分焼入れ硬化部が形成されている請求項１に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クラッシュボックスやフロントサイドフレーム等の衝撃吸収特性に優れた自動車構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
衝突安全性の面から、車体構造としては、自動車衝突時の衝撃エネルギーを客室部（以下、キャビンと記す）以外の構造部材の塑性変形で吸収させ、キャビンの変形を最小限に抑えて生存空間を確保する車体構造が、広く一般的に採用されている。この場合、クラッシュボックスやフロントサイドフレーム等の構造部材で衝撃エネルギーをいかに有効に吸収させるかが重要になる。
一般に、自動車構造部材はハット型の閉断面で構成したもので、長手方向（軸方向）に衝撃荷重を受けたとき、蛇腹状に座屈変形することで衝撃エネルギーを吸収するように設計される。この際、衝撃吸収特性を向上させるには、規則正しく蛇腹状の座屈変形を生じさせ、かつ、座屈後に周期性をもって現れる荷重変動の平均値レベルを全体的に上方へシフトさせて衝撃吸収エネルギーを高めることが重要である。
【０００３】
すなわち、衝撃吸収特性の安定性や再現性を高めるために蛇腹状の座屈変形を規則正しく生じさせるべく、構造部材の適宜箇所に潰れビードを設けたりする技術も提案されているが、構造部材全体としての軸圧潰強度を高めることで構造部材単位重量当たりの衝撃吸収エネルギー（すなわち、衝撃吸収能）を増大させて、同構造部材の軽量化を図るよう設計することも非常に重要である。
そこで、構造部材全体としての軸圧潰強度を高めるために、例えば特許文献１では、２個のフランジ付きコの字型部材（以下、ハット型断面形状鋼板と記す）を接合して構成した閉断面の内部に仕切り板を配置した薄鋼板製の構造部材が提案されている。
また、特許文献２では、特定の極低炭素鋼板をプレス成形したハット型断面形状鋼板にレーザー等の高密度エネルギーを照射して焼入れ硬化部を形成して鋼板強度を部分的に高めて、構造部材の軸圧潰強度を向上させた薄鋼板製構造部材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５３０２３号公報
【特許文献２】特開平７−２６３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１で提案された構造部材は、最大曲げ荷重を向上させるほか、長手方向の軸圧潰変形時における衝撃吸収特性にも優れるという利点を有する反面、三枚重ね接合のため、接合条件の設定には十分配慮する必要があるとともに、部材点数増による構造部材重量の増加は避けられないといった欠点もある。
また、特許文献２で構造部材は、溶融凝固・収縮や変態強化組織の体積変化が小さな極低炭素鋼板を用いることで、高密度エネルギー照射に伴う熱ひずみを小さく抑えることができ、軽量で、かつ衝撃吸収特性にも優れた構造部材を得ることができるという利点を有する反面、レーザー照射による焼入れ硬化部の本数を増加させることによって軸圧潰強度は上昇するものの、強度の必要な部位が特定されていないため、むやみにレーザー照射本数を増加させた場合には生産性を大きく低下させる恐れがあるといった欠点もある。
【０００６】
本発明は、これらの現状に鑑みて発明されたものであり、薄鋼板を素材とした構造部材であっても、その断面形状や部分焼入れ方法に工夫を凝らすことにより、軸圧潰強度を高めて衝撃吸収特性を向上させた構造部材を低コストで提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の衝撃吸収特性に優れた構造部材は、その目的を達成するため、ハット型に曲げ加工されたハット型断面形状鋼板と平面状の鋼板を重ね合わせ、フランジの重ね合わせ部分を溶融接合したハット型閉断面構造を有する構造部材であって、前記ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部にＶ字状の窪みが形成されていることを特徴とする。
前記ハット型断面形状鋼板の、曲げ部位の丸みを帯びたコーナーＲ部の稜線領域に、当該構造部材の長手方向にわたってレーザー照射による部分焼入れ硬化部が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ハット型閉断面構造を有する構造部材において、その構造体の断面形状や部分焼入れ方法に工夫を凝らすのみで、衝撃吸収特性を大幅に向上させることができる。したがって、本発明により性能に優れた構造部材を低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ハット型閉断面構造部材の構造を説明する断面図
【図２】各種の断面形状を有するハット型閉断面構造部材の構造を説明する断面図
【図３】四角形断面形状とＶ字状の窪みを付与した凹断面形状の構造部材の座屈形態を説明する図
【図４】コの字状の窪みを付与した凹断面形状の構造部材において不安定な座屈形態を呈した場合を説明する図
【図５】Ｖ字状の窪みを付与した凹断面形状のハット型断面形状鋼板を二つ重ね合わせて接合した構造部材において不安定な座屈形態を呈した場合を説明する図
【図６】落重試験に供したハット型閉断面構造部材を示す図
【図７】落重試験の方法を説明する概念図
【図８】落重試験で得られた荷重−変位曲線を概念的に示す図
【図９】落重試験で得られた試験体の性能評価結果を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者等は、高い衝撃吸収特性等が要求される構造部材の高性能化について種々検討を重ねてきた。その結果、ハット型閉断面形状の構造部材において、その断面形状や部分焼入れ方法に工夫を凝らすことにより、軸圧潰強度を高めて衝撃吸収特性を向上させた構造部材が低コストで得られることがわかった。
以下、その詳細を説明する。
【００１１】
ハット型閉断面形状の構造部材は、図１に見られるように、ハット形状に曲げ加工されたハット型断面形状鋼板１と平面状の鋼板２が重ね合わされたフランジ部３をスポット溶接やレーザー溶接によって溶融接合し、かつ、長手方向に垂直な断面に対して閉断面構造を有する部材である。
このようなハット型閉断面形状の構造部材において、図２の（ａ），（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）に示すように形状を変化させた四種類の試作品を作製し、衝撃評価試験を行ってみた。
【００１２】
（ａ）何の工夫も凝らしていない通常の形状品、（ｂ）平坦な面に対して部分的に焼入れ硬化部を帯状に１２本形成したもの、（ｃ）ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部にＶ字状の窪みを形成したもの、（ｄ）さらにコーナーＲ部の丸みを帯びた稜線領域に焼入れ硬化部を帯状に６本形成したものである。
なお、部分的な焼入れ硬化部の形成は、必要箇所にレーザー照射することにより容易に形成される。すなわち、連続的にレーザー照射することにより急速加熱され、レーザー照射後に急速冷却されて当該部位が焼入れ状態となって硬化される。
【００１３】
詳細は実施例の記載に譲るが、ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部にＶ字状の窪みを形成すると、衝撃吸収能が飛躍的に向上し、さらに、曲げ部位の丸みを帯びたコーナーＲ部の稜線領域に、部分熱処理を連続的に行って焼入れ硬化部を形成すると、衝撃吸収能がさらに向上することがわかった。
【００１４】
図３（ｂ）に示すように、ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部にＶ字状の窪みを形成する凹断面形状を有するものとすると、単なる四角形断面（図３（ａ））に比べて湾曲面が多く、稜線領域が４箇所から７箇所へと大幅に増加する。また、衝撃エネルギーを主に吸収する部位、すなわち大きな塑性ひずみを発生する部位は、図３（ａ）の一点破線の楕円中に示した平坦部の二次元的な曲げ変形部位よりも、同図中に矢印で示したように、三次元的な複雑な曲げ変形を誘発する、いわゆるコーナーＲ部等、二つの平坦部が交差する湾曲面に位置する。さらに付帯効果として、塑性ひずみが高い部位は、単位時間当りの塑性ひずみの増加割合も大きいことから、塑性ひずみ速度も当然大きくなる。これら効果が複合的に作用して軸圧潰強度を大幅に増大させ、高い衝撃吸収エネルギーが得られたものと考えられる。
【００１５】
ハット型断面形状鋼板の頂辺中央部に形成させた窪みは、図４に示すように、三つの平面から成るコの字状の窪みを有する凹断面形状とした場合、図中に斜線で示した平坦な底部と交差する２つの側壁部における曲げ変形が窮屈な状況下で生じるため、凹断面の一部が手前に飛び出し易くなる傾向がみられる。特に、構造部材の長さＬ／断面の一辺平均長Ｄが４.０以上の長尺の構造部材の場合（図４のＬ／Ｄは４５０÷（（１００＋８０）÷２）＝５.０）、その傾向はより顕著となり、安定した蛇腹状の座屈変形を損なう結果となる。したがって、凹断面形状は、図３（ｂ）に示すように、二つの平面で構成されるＶ字状もしくは奥行きに狭くなる台形状の窪みを形成することが好ましい。
【００１６】
稜線領域の数をさらに増やす手段として、図５に示すような、２つのハット型断面形状鋼板を重ね合わせて接合した場合、両者の曲げ剛性はほぼ同一のため、表裏の二箇所で生じる座屈発生の高さレベルに食い違いを生じて不安定な座屈になる恐れがある。表裏間で接合する鋼板形状としては、図３（ｂ）のように、剛性の高いハット型断面形状鋼板と、剛性の低い平面状の鋼板を重ね合わせて接合した閉断面構造の構造部材が望ましい。これは、高剛性鋼板側で生じた座屈に対して、低剛性鋼板側の座屈がよく追従し、連動した座屈変形を生じるためである。
【００１７】
衝撃吸収特性をさらに向上させる手段としては、上記の稜線領域の増加といった手段ではなく、丸みを帯びたコーナーＲ部の稜線領域に部分焼入れ硬化部を形成させることが有効である。この理由としては、塑性ひずみと塑性ひずみ速度といった物理的作用に対して優れた働きを生じる部位に、焼入れ処理による材質硬化を図るため、その相互作用によって材料の変形抵抗がより大きくなり、高い軸圧潰強度と衝撃吸収エネルギーが得られるが、座屈変形の安定性に対してはさほど悪影響を与えないためである。
【実施例】
【００１８】
素材として９８０ＭＰａ級の引張強さを有する自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板であって、板厚：１.２ｍｍ、１.４ｍｍ、１.８ｍｍの冷間圧延鋼板を準備した。
所定の板厚の鋼板を用いて、図２に示す形状及びサイズを有する四種類のハット型閉断面構造部材を作製した。構造部材の長さは図６に示す通り４５０ｍｍとした。なお、プレス成形したハット型断面形状鋼板のフランジ部と平面状の鋼板とは、３５ｍｍの間隔でスポット溶接により接合した。
稜線領域に沿って長手方向に部分的な焼入れ状態を作り出す手段としての、レーザー照射処理は、ファイバーレーザー加工装置を用い、出力２ｋＷ、走行速度２ｍ／分とした。
【００１９】
構造部材に要求される衝撃吸収特性等に関する評価試験は、ハット型閉断面構造部材の一端を固定し、他端面に自動車衝突時に匹敵する速度で落錘を落下させる試験（この試験方法を本明細書中では、以下「落重試験」と記す）を実施し、構造部材の座屈形態の外観観察、並びに構造部材の衝撃吸収エネルギーの測定を行って評価した。
なお、落重試験は、その概念図を図７に示すように、ハット型閉断面構造部材の軸方向に衝撃荷重を作用させて軸圧潰させた場合のハット型閉断面構造部材に作用する荷重と変位の関係を調査するための試験方法である。
【００２０】
実際の落重試験では、ハット型閉断面構造部材６１の長手方向を鉛直にしてロードセル６２を組み込んだ台座６３の上に載せ、４００ｋｇの落錘６４を５１ｋｍ／ｈの速度で衝突させてハット型閉断面構造部材を軸方向に圧潰させた。なお、ハット型閉断面構造部材を３００ｍｍ押し潰した後は、落錘が停止するよう、ストッパー６５の高さを調整した。そして、落錘が構造部材に衝突した以降の移動量（以下、変位と記す）は、非接触式変位計（図示せず）を用いて連続測定し、荷重−変位曲線を得た。
【００２１】
図８は、上記落重試験で測定した、落錘による衝撃荷重が構造部材の軸方向に作用する際の推移を概念的に示した荷重−変位曲線のグラフである。この場合、構造部材は、長手方向の複数箇所で座屈を生じて蛇腹状に圧潰する。また、この座屈の発生と対応して、荷重−変位曲線上では、複数の荷重ピーク値が周期的に現れる。ここで、任意の変位毎に荷重値を積算して得られる、すなわち図中の荷重−変位曲線内に囲まれた面積が、３００ｍｍまで圧潰した際に、落重試験に供した構造部材が吸収した衝撃エネルギー量である。
上記の落重試験で得られた評価結果を表１に示す。
【００２２】
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【００２３】
落重試験後の試験体の外観は、全ての条件で比較的綺麗な蛇腹状の座屈を呈していた。
衝撃吸収能に関しては、表１から明らかなように、本発明例である試験Ｎｏ．１，２の構造部材において衝撃吸収エネルギーが大幅に向上した。
部材重量の観点からみても、図９に見られるように、本発明の採用により構造部材の軽量化、低コスト化が可能である。
すなわち、本発明例である試験No.１、２の構造部材の重量を、これらと同等の衝撃吸収エネルギーを有する四角形閉断面の構造部材（図２(ａ)）の重量と比較した場合、それぞれ１８％、１６％の軽量化が図れる。尚、試験No.１、２の構造部材と同等の衝撃吸収エネルギーを有する四角形閉断面の構造部材の重量は、図９の試験No.３、４、５の関係から得られる（１式）に基づき求めた。
衝撃吸収エネルギー(kJ)＝0.463×(構造部材の重量(対ベース％))−19.6 ・・・(１式)
【００２４】
また、コーナーＲ部の丸みを帯びた稜線領域に部分焼入れを施した試験No.１(図２(ｄ)）の場合、試験No.２(図２(ｃ))と比較して部分焼入れに伴う衝撃吸収エネルギーの向上率が４.５％(＝(３７．０−３５．４)×１００÷３５．４)であるのに対し、平坦部に部分焼入れを施した試験No.６(図２(ｂ))の場合、試験No.４(図２(ａ)）と比較して部分焼入れに伴う衝撃吸収エネルギーに向上率が１.０％弱(＝(３０.７−３０.４)×１００÷３０.４）となっていることから、本発明例ある試験No.１は効率的な部位に部分焼入れが行えていることがわかる。
【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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【図９】
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