(57)【要約】【課題】微小中空金属から成る集合材を他の金属材に高強度かつ、ばらつきなく接合することができる中空金属集合材の接合方法と共に、このような接合方法を適用して、外郭を構成する閉断面部材に上記中空金属集合材を溶接することによって、エネルギ吸収性能及び性能の安定性に優れた衝撃吸収部材を得る。【解決手段】微小中空金属から成る集合材を圧縮し、少なくとも集合材の最外面に位置する微小中空金属を塑性変形させて平坦化した上で、当該集合材を閉断面部材の空洞部内に収納したのち、閉断面部材の外側からレーザビームのような高エネルギ密度熱源を照射して、当該閉断面部材と上記集合体の平坦化した塑性変形面とを溶接する。【選択図】      図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小中空金属から成る集合材を金属材に接合するに際して、上記集合材を圧縮し、少なくとも最外面に位置する微小中空金属を塑性変形させて平坦化した面を上記金属材に重ね、金属材の側から高エネルギ密度熱源を照射して当該金属材と上記集合材を溶接することを特徴とする中空金属集合材の接合方法。
【請求項２】
上記集合材を５〜１５％圧縮して塑性変形させることを特徴とする請求項１に記載の中空金属集合材の接合方法。
【請求項３】
空洞部を備えた閉断面部材の上記空洞部内に、微小中空金属から成る集合材が収納され、当該集合材が閉断面部材に溶接されていることを特徴とする衝撃吸収部材。
【請求項４】
上記集合材の少なくとも閉断面部材との接合面に位置する微小中空金属が塑性変形していることを特徴とする請求項３に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５】
上記閉断面部材が複数の部材から成り、複数の部材の組合わせによって空洞部が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６】
上記閉断面部材が鉄系材料から成ることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項７】
上記微小中空金属が鉄系材料から成ることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項８】
上記集合材の見かけ密度が０．３〜１．０ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項９】
上記閉断面部材が四角形断面を有すると共に、上記集合材が空洞を備え、該空洞が上記閉断面部材の少なくとも３面から離れた位置に存在していることを特徴とする請求項３〜８のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１０】
軸圧壊衝撃吸収部材であって、上記集合材と閉断面部材とが当該閉断面部材の長手方向に連続溶接されていることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１１】
曲げ衝撃吸収部材であって、上記集合材と閉断面部材とが連続溶接されており、衝撃荷重が作用する面における溶接方向が閉断面部材の長手方向であることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１２】
請求項３〜１１のいずれか１つの項に記載の衝撃吸収部材を製造するに際し、微小中空金属から成る集合材を圧縮し、少なくとも最外面に位置する微小中空金属を塑性変形させて平坦化した状態の集合体を閉断面部材の空洞部内に収納したのち、閉断面部材の外側から高エネルギ密度熱源を照射して、当該閉断面部材と上記集合体の塑性変形面とを溶接することを特徴とする衝撃吸収部材の製造方法。
【請求項１３】
上記集合材の形成に際して、微小中空金属を上記閉断面部材の空洞部と略同一形状に集積し、焼結して一体化することを特徴とする請求項１２に記載の衝撃吸収部材の製造方法。
【請求項１４】
上記集合材を５〜１５％圧縮して塑性変形させることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の衝撃吸収部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小中空金属を用いて成形した集合材（軽量多孔質材）の利用技術に係わり、このような中空金属集合材を他の金属材に接合するための方法と、当該集合材を用いた衝撃吸収部材、さらにはこのような衝撃吸収部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような微小中空金属を焼結やろう付け、あるいは接着などの方法によって所定の形状に成形した中空金属集合材が知られている（非特許文献１および２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｈｏｌｌｏｗ  ｓｐｈｅｒｅｓ−ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｆｕｔｕｒｅ：Ｍｅｔａｌ  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｒｅｐｏｒｔ，  Ｎｏ．１，            Ｖｏｌ．５５  （２０００），ｐｐ．２９−３３
【非特許文献２】
ＪＲＣＭ  ＮＷＥＳ，Ｎｏ．１９２，２００２年１０月
【０００４】
上記のような微小中空金属から成る中空金属集合材は、多孔質金属の１種とみなすことができ、例えば発泡アルミニウムのような他の多孔質金属と同様に、圧縮荷重を受けるとほぼ一定の荷重下で変形が進行する、いわゆるプラトー現象を示し、パイプ材やチャネル形材などの閉断面部材の空洞部内に充填することによって、衝撃吸収部材への応用が考えられる。しかも、素材である中空金属球の寸法を揃えることによって、多孔質金属材としてのセルサイズのバラツキを抑えることができ、発泡アルミニウムのような一般の多孔質金属材と比べて、機械的性能を安定させることができ、より安定なエネルギ吸収性能を備えた部材とすることができるものと期待される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記中空金属集合材を閉断面部材内に充填し、集合材を外郭を構成する閉断面部材に固定するに際して、種々の接合方法のうち、溶接によって固定できれば、簡便で接合強度も安定し、しかも重量増を招くことがないので、極めて好都合と考えられる。
【０００６】
しかしながら、上記した中空金属集合材の表面は、中空金属球の表面がそのまま現れた凹凸状を呈しており、閉断面部材との接合面は不連続な点接触となることから、外部から熱源によって溶接したとしても実質的な接合面積が安定せず、従って接合強度のばらつきが顕著なものとなって、集合材自体は安定したエネルギ吸収性能を備えているにも拘わらず、これを用いた衝撃吸収部材の性能を安定させることができないという問題があり、中空金属集合材とその外郭部材としての閉断面部材の溶接における接合強度を高め、かつ安定させることが上記のような中空金属集合材を用いた衝撃吸収部材を実用化するための課題となっていた。
【０００７】
本発明は、中空金属集合材を用いた衝撃吸収部材における上記課題に着目してなされたものであって、中空金属集合材を板材のような金属材に高強度に、ばらつきなく接合することができる中空金属集合材の接合方法と共に、中空金属集合材を外郭を構成する閉断面部材に溶接したものであって、エネルギ吸収性能及びその安定性に優れた衝撃吸収部材、さらにはこのような衝撃吸収部材の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の中空金属集合体の接合方法においては、微小中空金属から成る集合材を圧縮することによって、少なくとも集合材の最外面に位置する微小中空金属を塑性変形させて平坦化し、当該平坦化面を上記金属材に重ね、金属材の側から、例えば電子ビームやレーザビームのような高エネルギ密度熱源を照射して当該金属材と上記集合材を溶接するようにしている。
【０００９】
また、本発明の衝撃吸収部材は、例えば上記接合方法を適用することによって得られ、外郭材としての閉断面部材の空洞部内に、微小中空金属から成る集合材が収納され、この集合材が閉断面部材に溶接されている構成としたことを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明の衝撃吸収部材製造方法においては、上記衝撃吸収部材を製造するに際し、微小中空金属から成る集合材を同様に圧縮することによって、少なくとも集合材の最外面に位置する微小中空金属を塑性変形させて平坦化した状態の集合体を閉断面部材の空洞部内に収納したのち、閉断面部材の外側から上記のような高エネルギ密度熱源を照射して、当該閉断面部材と上記集合体の平坦化した塑性変形面とを溶接するようにしている。
【００１１】
なお、本発明において、微小中空金属とは、略球状をなし、直径が数ｍｍで殻の厚さが１ｍｍ以下の金属の中空体を意味し、集合材とはこれらの微小中空金属を所定の形状に集積し、例えば焼結などの手段によって相互に固着し、全体として一体の形状をなすようにしたもののことを言う。
また、衝撃吸収部材とは、例えば自動車のサイドメンバーやピラーなどの部材に適用され、衝撃荷重を受けた際に優先的に変形して衝撃エネルギを吸収し、車体の要保護部分、例えば客室や燃料タンクなどに変形が及ばないようにする部材のことを意味する。さらに、閉断面部材とは、パイプ材やチャネル形材などのように、中空金属集合材を収納する中空部や空洞部を備え、衝撃吸収部材の外表面を形成する部材のことを言う。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の衝撃吸収部材に用いる中空金属集合材は、上記のように内部が中空で薄い金属殻で覆われた微小中空金属球を集合し、相互に接合したものであって、当然のことながら、このような成形体は、軽量で他の発泡金属と同じようにエネルギ吸収性能を有している。
【００１３】
このような微小中空金属、あるいはこれらの集合材を製造する方法としては、例えば、上記非特許文献２に記載されているように、スチロール球表面に流動床プロセスによりバインダと金属粉をコーティングした後、焼成することによって球体中空金属の単体や、同時にこれら中空金属から成る集合体を得る方法が知られている。スチロール球とバインダは焼結時に消滅する。
これ以外にも幾つかの方法により中空金属球を得ることができ、例えば当該中空金属球を所望の形状に集積して加熱することにより、金属球を相互に焼結して集合材を作製することができる。
【００１４】
このようにして得られた中空金属集合材は、軽量でエネルギ吸収性能が優れることから、このような集合材を閉断面部材によって覆い、当該集合材と閉断面部材の間を互いに接合することによって、衝撃吸収部材への応用が可能になる。
【００１５】
本発明の中空金属集合材の接合方法においては、中空金属集合材に予め圧縮加工を施し、少なくとも表面に位置する中空金属を塑性変形させて平坦化した面を相手の金属材に重ね、金属材の側から高エネルギ密度熱源を照射して、金属材及び集合材を共に溶融せしめ、両者を溶接するようにしていることから、集合材の接合面が点接触から面接触になり、接触面積が増すことによって、安定な溶接が可能になり、高い接合強度が安定して得られることになる。
【００１６】
このときの溶接熱源としては、高密度エネルギのものが入熱が小さく、従って変形や熱影響が少なくて済むことになる。具体的には、電子ビームやプラズマアークなどを適用することができるが、生産性や作業性の面から、レーザビームを用いることが望ましい。このような高密度エネルギ熱源で溶接することによって、相手金属材の材質が鉄鋼材料の場合には、その溶接部も急冷凝固組織となって高強度化するという利点もある。
溶接部の断面形状としては、溶融金属が相手金属材をわずかに貫通して、集合材の中空金属の殻と融合するような入熱条件を選び、ジグを使って集合材を金属材に密着させ、接合面に隙間がないように設定して溶接することにより、極めて安定した接合が可能になる。
【００１７】
中空金属集合材の作成方法としては、上記したように、焼結によって中空金属球同士を接合させることが好ましいが、このような焼結による方法の他に、接着剤による成形固着も可能であり、焼結のように高温に加熱する必要もなく、簡便名利点がある反面、中空金属球相互の接合部が延性に欠け、圧縮による中空金属の塑性変形の際に接着層が破断することがないとは言えない。
また、接着剤に代えて、中空金属球同士をろう付けするようになすことも可能である。この場合、焼結よりは低温での成形が可能であるが、ろう材の材質の制約や供給方法に問題があり、ろう材の分だけ重量増にもなる難点がある。
【００１８】
微小中空金属の集合材を圧縮して最表面の中空金属層を塑性変形させるときの圧縮の程度としては、５〜１５％の圧縮率とすることが望ましい。
すなわち、５％以下では、中空金属球の塑性変形の程度が小さく、接合面が十分に平坦化せず、相手金属材との接触面積が十分に得られないことがあり、一方、圧縮率が１５％を超えても、変形がより内部の中空金属に進行するだけであって、最表面の中空金属層の塑性変形の程度はほとんど変わらないことによる。
【００１９】
本発明の衝撃吸収部材は、空洞部を備え、外表面を形成する閉断面部材の上記空洞部内に、微小中空金属から成る集合材が収納されており、この集合材を閉断面部材に溶接したものであって、上記接合方法を適用することによって得ることができ、したがって、上記集合材の閉断面部材との接合面に位置する微小中空金属が塑性変形していることになる。
【００２０】
閉断面部材としては、パイプ材のように中空部を備えた一体型のものや、ハット形や溝形断面を有する複数の部材を組合わせることによって空洞部が形成されるものを使用することができるが、中空金属集合材の収納が容易であることから、一体型のものより、複数部材からなるものの使用が好ましい。
【００２１】
すなわち、閉断面部材は、断面がハット形状の部材と板状の部材とからなり、両部材をハット形断面部材のフランジ部で接合したものが一般に用いられる。
したがって、製造手順としては、ハット形状部材の内面（空洞部）形状を考慮して中空金属球の集合材を作成し、それを上記部材の空洞部内に収納したのち、レーザビーム等を照射して両者を溶接し、次に板状部材を被せてフランジ部においてこれらハット形状部材と板状部材を溶接する。さらに、必要に応じて、板状部材と内側の集合材とをレーザビーム等によって溶接するようになす。
【００２２】
上記閉断面部材の材質については、強度、成形性、溶接性、コストの面から鉄系材料、すなわち、炭素鋼や合金鋼、ステンレス鋼などが好適に用いられる。なお、軽量化の要求が厳しい場合には、アルミニウム系材料を使用することが考えられるが、その場合には、溶接性の観点から中空金属球の材質もアルミニウム系材料を用いることが望ましい。
【００２３】
また、微小中空金属球の材質についても、強度、コスト、溶接性の面から上記のような鉄系材料とすることが望ましい。上記のようなアルミニウム系材料の場合は軽量であるが、強度が低く、しかも焼結が難しいことから、高強度の成形体を得るには不適当である。
【００２４】
中空金属集合材の見掛け密度については、０．３〜１．０ｇ／ｃｍ３の範囲することが望ましい。見掛け密度が０．３ｇ／ｃｍ３より小さいと、中空球の殻の厚さが球径に比べかなり小さくなり、圧縮したときに均等に塑性変形しなくなり、１．０ｇ／ｃｍ３を超えると、殻も相対的に厚くなり、圧縮したときの塑性変形が表面層だけでなく内部にも進行してしまう傾向がある。また、閉断面部材の内部に中空金属の集合材を充填した衝撃吸収部材において、少ない重量増で効率的にその強度、反力を向上させるには、中空金属集合材の強度と重量のバランスからも集合材の密度を上記範囲ないのものとすることが望ましい。すなわち、見掛け密度が０．３ｇ／ｃｍ３より小さい場合は、集合体の強度も小さく強度向上効果も望めない。一方、１．０ｇ／ｃｍ３を超えると重量増が無視できなくなると共に、衝撃荷重を受けた時のピーク反力も大きくなり好ましくない。
【００２５】
また、中空金属の集合材の断面形状については、必ずしも全断面が中空金属で満たされている必要はない。すなわち、閉断面部材中に充填された集合材は、特に部材の軸方向に外力が作用したときの反力を向上させるのに有効なのは成形体の外周部であることから、より少ない重量増で全体としての強度、反力を効率的に向上させるためには、いわゆる中抜きの状態、すなわち中心部が空洞の集合材を用いる方が好ましいことになる。
ここで、通常の四角形断面の場合、中心部が空洞の集合材（「ロ」の字形断面）を成形するのは困難であるのに対し、４辺のうちの１辺を開放させた「コ」の字状断面に成形するのは比較的容易であると共に、このような「コ」の字形断面の集合体によっても強度向上の効果が得られることから、集合体の空洞が閉断面部材の４辺のうちの少なくとも３辺から離れた位置に存在するようになすことが望ましいことになる。
【００２６】
そして、当該衝撃吸収部材が長手方向に衝撃荷重を受ける軸圧壊衝撃吸収部材である場合には、閉断面部材と内部の中空金属集合材との溶接を荷重の作用方向と同方向、すなわち閉断面部材の長手方向に連続溶接することが望ましく、これによって、溶接部の剥離に対する抵抗及び閉断面部材の溶接部の抵抗が大きくなり、反力、強度が効果的に向上することになる。
【００２７】
また、当該衝撃吸収部材が側面方向から衝撃荷重を受ける曲げ衝撃吸収部材である場合にも、荷重を受ける面における溶接線方向が閉断面部材の長手方向である方が望ましく、直角方向にある場合に較べて内部の集合体の変形抵抗及び閉断面部材の溶接部の強度向上による変形抵抗が大きなものとなって、曲げ衝撃に対する衝撃吸収性能が向上することになる。
【００２８】
本発明の衝撃吸収部材の製造方法においては、微小中空金属から成る集合材を圧縮、望ましくは５〜１５％圧縮することによって、当該集合材の最外面に位置する微小中空金属を塑性変形させて平坦化し、閉断面部材の空洞部内に収納したのち、閉断面部材の外側から上記のような高エネルギ密度熱源を照射して、当該閉断面部材と上記集合体の塑性変形面とを溶接するようにしていることから、集合材と閉断面部材との接触面積が増し、高い接合強度の溶接部が安定して得られるようになり、高い衝撃吸収性能を備えた衝撃吸収部材が安定して得られることになる。
【００２９】
以下に、本発明の衝撃吸収部材の製造手順を図面に基づいて順次説明する。
【００３０】
まず、図１に示すように、所定形状の型の中に中空金属球を入れ、図２に示すように、非酸化性雰囲気中において、型の外部から加熱し所定温度に昇温することにより上記中空金属同士を焼結し、これによって、図３に示すような中空金属の焼結集合材を得る。
このとき、上記型の形状・寸法としては、焼結による収縮しろと共に、焼結後の圧縮を考慮したものとし、圧縮加工を施して塑性変形させた状態で、後述する閉断面部材の空洞部寸法に一致させることが必要となる。
【００３１】
次に、図４に示すように、上記によって得られた中空金属の集合材を、望ましくは５〜１５％の圧縮率で圧縮加工し、図５に示すように、集合材の最上層部と最下層部に位置する中空金属を塑性変形させ、集合材の上下両面を平坦化する。そして、図６に示すように、圧縮加工を施した上記集合材を閉断面部材としてのハット形部材の空洞部内に収納すると共に、クロージングプレートとして板材を被せて、当該集合材を覆ったのち、図７に示すように、閉断面部材の下方側から、例えばレーザビームを照射し、閉断面部材を通して集合材の塑性変形部分を溶融させ、当該閉断面部材と集合材とを溶接する。さらに、ハット形部材のフランジ部において、例えばスポット溶接によって、当該ハット形部材と板材とを接合し、必要に応じて板材の側からレーザビームを照射することによって板材と集合材とを溶接する。
【００３２】
以上の手順によって、図８に示すような断面形状を備えた衝撃吸収部材が完成する。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３４】
（実施例１）
外径２．５ｍｍ、殻厚さ５０μｍのステンレス鋼製中空金属球を５０ｍｍ角に成形し、これを非酸化性雰囲気中において１２５０℃に加熱して焼結し、見かけ密度が約０．４５ｇ／ｃｍ３の中空金属集合材を作製した。
【００３５】
次に、この集合材を種々の圧縮率でプレス成形することによって、塑性変形させ、厚さの異なる２次成形体とし、これらの塑性変形面に、図９に示すように板厚１．６ｍｍの軟鋼板に重ね、鋼板側から、出力３ｋＷのＹＡＧレーザを照射し、４ｍ／分の速度で溶接した。この溶接材を溶接方向と直角をなす方向に引張り、引張り剪断強さを測定した。
この結果として、集合材の圧縮率と溶接強度との関係を表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
この結果から明らかなように、圧縮率を５％以上とすることによって溶接強度が向上する一方、圧縮率が１５％を超えても、強度はそれ以上ほとんど変わらないことが確認された。
【００３８】
（実施例２）
厚さ１．４ｍｍの鋼板をハット形状にプレス成形して成る２枚の部材をフランジ部でスポット溶接して、８０ｍｍ角、長さ２４０ｍｍの中空の角筒を作製して、閉断面部材となし、この閉断面部材の空洞部内に、実施例１と同仕様の中空金属集合材を約１０％圧縮成形することにより塑性変形させた状態で挿入し、図１０に示すように、塑性変形面の外部から出力３ｋＷのレーザビームを、４ｍ／分の速度で照射することによって、長手方向全長に亘って、一方の面ごとに２回、合計４回溶接を行い、都合４本の溶接ビードを形成した。
【００３９】
そして、この部材に衝突時の速度が約７．６ｍ／秒となるように、５００ｋｇの鋼製ブロックを長手方向に衝突させて衝撃力を与え、変位が１００ｍｍまでの吸収エネルギを調査し、中空金属集合材を挿入することなく角筒のみの場合、中空金属集合材を挿入したのものの溶接を行なわなかった場合、さらに角筒の長手方向と垂直方向に一方の面について６本、合計１２本のレーザ溶接ビードを形成した場合と比較した。この結果を表２及び図１１に示す。
【００４０】
【表２】
2004255394.tif 000004
【００４１】
この結果から明らかなように、中空金属集合材を閉断面部材内に充填し、これらをレーザ溶接して互いに接合することによって、衝撃吸収特性が大幅に向上することが確認された。
【００４２】
【発明の効果】
以上、説明してきたように、本発明の中空金属集合材の接合方法によれば、微小中空金属から成る集合材を圧縮して、少なくとも最表面に位置する中空金属を塑性変形させて平坦化した状態で重ね合わせて溶接するようにしており、重ね合わせた被接合金属材との接触面積が増し、接合面積が増加することから、簡便に高強度で安定して集合材を金属材に接合することができる。また、閉断面部材の空洞部に収納した中空金属集合材と上記閉断面部材との間の溶接に上記接合方法を適用することによって、エネルギ吸収能の優れた衝撃吸収部材の作製が可能となるというきわめて優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の衝撃吸収部材の製造方法における中空金属球のセット工程を示す概略図である。
【図２】上記製造方法における焼結工程を示す概略図である。
【図３】上記製造方法において焼結集合材の完成状態を示す概略図である。
【図４】上記製造方法における圧縮工程を示す概略図である。
【図５】上記製造方法において焼結集合材の表面層が塑性変形された状態を示す概略図である。
【図６】上記製造方法において塑性変形された集合材を閉断面部材内に収納された状態を示す概略図である。
【図７】上記製造方法における溶接工程を示す概略図である。
【図８】上記製造方法における衝撃吸収部材の完成状態を示す概略図である。
【図９】実施例１における中空金属集合材と板材との溶接要領及び引張り試験要領を示す概略図である。
【図１０】実施例２において試作した衝撃吸収部材の形状を示す斜視図である。
【図１１】実施例２における衝撃試験結果を示すグラフである。
【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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【図１０】
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【図１１】
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