(57)【要約】【課題】高強度かつ良加工性を有するハイドロフォーム用に供するコニカル鋼管及びその製造方法並びにその装置を提供すること。【課題を解決する手段】素材である扇形の切板を円筒状に丸める板巻き成形し、当該切板端部の突き合せ部をレーザー溶接し、溶接した後の熱影響部が幅２ｍｍ以下としたことを特徴とするコニカル鋼管。コニカル鋼管の製造方法は、円錐状の凹部を有した下金型と円錐状の凸部を有した上金型により前記切板をプレス成形してコニカル用オープン管とし、これを外形はストレートの円柱状で、内側は前記コニカル用オープン管を装入できる円錐型の孔を有するアダプターに挿入し、アダプターの開口部から切板端部の突き合わせ部をレーザー溶接することを特徴としている。【選択図】      図１
2004237289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材である切板を円筒状に丸める板巻き成形し、当該切板端部の突き合わせ部をレーザー溶接したことを特徴とするコニカル鋼管。
【請求項２】
素材である切板を円筒状に丸める板巻き成形し、当該切板端部の突き合わせ部を溶接した後の熱影響部が幅２ｍｍ以下であることを特徴とするコニカル鋼管。
【請求項３】
前記素材である切板の圧延方向が当該切板から製造されたコニカル鋼管の管軸方向と異なることを特徴とする請求項１または２記載のコニカル鋼管。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のコニカル鋼管の製造方法であって、前記素材である切板を予め扇形とし、当該切板を板巻き成形し、当該切板の端部の突き合わせ部をレーザー溶接することを特徴とするコニカル鋼管の製造方法。
【請求項５】
前記扇形の扇形切板の小径側円弧長さ（Ｌ１）、扇形切板の大径側円弧長さ（Ｌ２）、コニカル鋼管の稜線長さ（ｈ２）、及び扇形切板の扇角（α）の寸法が下記の式（１）〜（４）を満たす寸法としたことを特徴とする請求項４記載のコニカル鋼管の製造方法。
Ｌ１＝π×（Ｄ１−ｔ）                                  ・  ・  ・（１）
Ｌ２＝π×（Ｄ２−ｔ）                                  ・  ・  ・（２）
ｈ２＝Ｄ１×Ｈ／（Ｄ２−Ｄ１）                          ・  ・  ・（３）
α＝２×ｔａｎ−１｛（Ｄ２−Ｄ１）×Ｈ／２（ｒａｄ）｝    ・  ・  ・（４）
ただし、上記式中において
Ｄ１：コニカル鋼管の小径側直径（板厚の外側の径）
Ｄ２：コニカル鋼管の大径側直径（板厚の外側の径）
Ｈ：コニカル鋼管の高さ
ｔ：コニカル鋼管の肉厚
Ｌ１：扇形切板の小径側円弧長さ
Ｌ２：扇形切板の大径側円弧長さ
ｈ２：コニカル鋼管の稜線長さ
α：扇形切板の扇角
を意味する。
【請求項６】
素材である切板を板巻き成形し、当該切板端部の突合せ部をレーザー溶接することによりコニカル鋼管を製造する方法であって、前記切板を成形する際に、円錐状の凹部を有した下金型と円錐状の凸部を有した上金型により前記切板をプレス成形することを特徴とするコニカル鋼管の製造方法。
【請求項７】
前記上金型の曲率（ρＸＵ）及び下金型の曲率（ρＸＬ）が、下記の式（５）、（６）を満たすことを特徴とする請求項６記載のコニカル鋼管の製造方法。
１／ρｘＵ＝ｋＵ・｛Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１）×（ｘ／Ｈ）−２×ｔ｝／２・  ・  ・（５）
１／ρｘＬ＝ｋＬ・｛Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１）×（ｘ／Ｈ）｝／２・  ・  ・（６）
ただし、上記式中において、
ρｘＵ：上金型の小径側からｘの位置の曲率
ｋＵ：スプリングバックなどを考慮した補正係数（≧１．０）
ρｘＬ：下金型の小径側からｘの位置の曲率（≧１．０）
ｋＬ：スプリングバックなどを考慮した補正係数
Ｄ１：コニカル鋼管の小径側直径（板厚の外側の径）
Ｄ２：コニカル鋼管の大径側直径（板厚の外側の径）
Ｈ：コニカル鋼管の高さ
ｔ：コニカル鋼管の肉厚
を意味する。
【請求項８】
前記成形した扇型の切板を１ヶ所あるいは複数箇所においてプレス成形する際に、各プレスのプレス軸の延長線が扇型の曲率中心を通るようにプレスすることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のコニカル鋼管の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載のコニカル鋼管の製造方法に使用するコニカル鋼管の製造装置であって、前記プレス成形時に、各プレス軸の延長線が扇型の曲率中心を通るように切板素材の位置決めを行う手段を有したことを特徴とするコニカル鋼管の製造装置。
【請求項１０】
前記成形した切板の端部を突き合わせ、レーザー溶接する際にレーザーと突き合わせ部とが終始一定の間隔となるように成形後の切板をセットし、レーザー溶接することを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載のコニカル鋼管の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０のコニカル鋼管の製造方法に使用する製造装置であって、成形した切板の突き合わせ部のギャップを閉じる際に、ストレート管用オープン管のギャップを閉じる装置と兼用可能なように、外形はストレートの円柱状で、内側は前記コニカル用オープン管を装入できる円錐型の孔を有し、且つ、前記円錐型の孔の１方向の稜線が前記円柱状外形面の一稜線と平行であり、当該円柱状外形面の１稜線にスリット状の開口部を設けたアダプターを有することを特徴とするコニカル鋼管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に薄肉・高強度かつ良加工性を必要とするハイドロフォーム用に供するコニカル鋼管及びその製造方法並びに製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の軽量化による燃費削減及びこれによるＣＯ２排出削減、あるいは乗員保護のための衝突安全性向上を目的として、車体構造部材の薄肉化及び高強度化が望まれている。このニーズのソリューションの一つして、金属管のハイドロフォームによる加工方法が採用され始めている。ハイドロフォーム加工法は、内部形状が最終製品形状である割型の内部に素管を入れ、素管の端部から素管内に液を導入して内圧をかけ、両管端から押込み用シリンダーで管軸方向に圧縮荷重を付加して押込み、素管を最終形状に成形する方法である。
【０００３】
ハイドロフォーム法を適用することで、部品点数削減、溶接フランジ箇所削減による部品軽量化、複雑形状部品の一体成形と高精度化が可能となり、その結果、自動車の軽量化及びコストダウンが可能となる。
【０００４】
ハイドロフォーム用に供する素管としては、従来、電縫鋼管が多く採用されており、鋼管の形状は円筒状に限られていた。したがって、連続した部品においても、ハイドロフォーム成形度合い毎に最適な外径の素管を選択し、各々の素管を異なる金型で成形し、組合せる必要があった。現在、さらなる軽量化と工程省略によるコスト削減が要求されており、連続部品の一体成形化が検討されている。一体成形化ニーズのために素管をニアネットシェイプで提供する必要性があるが、これには長手方向で外径が異なる素管を製造する技術が必須である。
【０００５】
長手方向で外径が異なる鋼管に全体が円錐台形形状を成したコニカル鋼管がある。コニカル鋼管の製造方法としては、従来、電縫鋼管を素材として、鋼管を１００℃以上Ａｃ１変態点以下に加熱し、連続的に３ロールでスピニング加工して製造する方法があった。
【０００６】
しかし、前述の電縫鋼管を素材とした温間スピンニング加工では、テーパー鋼管製造中に導入されたひずみや疲労との問題があった。
【０００７】
また、切板素材をＵＯプレス方式で管状に成形し、端面をアーク溶接して製造する方法もあるが、この場合、ＨＡＺ巾（溶接熱影響部）によって高強度や良加工性といった素板の特性が劣化しており、ハイドロフォーム加工に耐えられない。という問題があった。
【０００８】
あるいは、素管として製品テーパ金属管の太径部と同径の直管を用い、製品テーパ金属管の各部断面の外周長と同一の外周面周長になるように、素管の曲率と同一曲率の円弧断面を残して素管の一部を切り取りつて切り欠き管とし、この切り欠き管を前記テーパ金属管の外郭形状と同一の内郭形状を有するダイス孔に押込み、切り欠きエッジ部同士を当接せしめ、次いで当接部を溶接してテーパ金属管とする方法及びその方法で製造したテーパ金属管が提案されている。この方法では、テーパ加工時に肉厚変動がなく、加工途中での焼鈍が不要で、また挫屈やバルジングを発生させないで製造可能であり、肉厚が素管のままで均一なテーパ管が得られる（例えば、特許文献１）。
【０００９】
しかし、この方法でも部位によって鋼管素材の稜線長さが異なるので、やはり歪みが発生していた。
【００１０】
また、鋼板からテーパ角管の展開形状の一枚板素材を切り出し、この一枚板素材の４箇所の折り線位置を、プレス機に設置した上金型と下金型とで順次折り曲げ加工して、閉じていないテーパ角管形状の成形品に成形し、上金型は門形の上金型ホルダの両脚部の下端部近傍の長穴に長手方向にスライド可能に支持されており、前記閉じていないテーパ角管形状に成形後、上金型を長手方向に引き抜く。成形品の内部に上金型が存在しなくなり、成形品を上金型長手方向と直角方向に取り出すことができるもので、これにより素材の挿入方向と成形品の取り出し方向とを同方向にできるので、作業性が良い。そして、この取り出したテーパ角管形状の成形品の突き合わされたエッジ同士を溶接するとテーパ角管が得られる、溶接箇所は１箇所で済むので、作業が簡略化されるという方法が提案されている。
【００１１】
しかし、この方法は、角管用の切板素材の加工方法であり、本発明のように断面が円形のコニカル鋼管の成形方法については何ら記載されていない。断面形状が円の場合、どのように成形し、どのように突き合わせ部の位置決めをするのかが不明である。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−１２１２１０号公報
【特許文献２】
特開平１１−７７１５２号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高強度かつ良加工性に優れたハイドロフォーム用に供するコニカル鋼管及びその成形から溶接までの一貫した製造方法及びその製造装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは以下の通りである。
【００１５】
（１）  素材である切板を円筒状に丸める板巻き成形し、当該切板端部の突き合わせ部をレーザー溶接したことを特徴とするコニカル鋼管。
【００１６】
（２）  素材である切板を円筒状に丸める板巻き成形し、当該切板端部の突き合わせ部を溶接した後の熱影響部が幅２ｍｍ以下であることを特徴とするコニカル鋼管。
【００１７】
（３）  前記素材である切板の圧延方向が当該切板から製造されたコニカル鋼管の管軸方向と異なることを特徴とする上記（１）または（２）項記載のコニカル鋼管。
【００１８】
（４）  上記（１）乃至（３）項のいずれか記載のコニカル鋼管の製造方法であって、前記素材である切板を予め扇形とし、当該切板を板巻き成形し、当該切板の端部の突き合わせ部をレーザー溶接することを特徴とするコニカル鋼管の製造方法。
【００１９】
（５）  前記扇形の扇形切板の小径側円弧長さ（Ｌ１）、扇形切板の大径側円弧長さ（Ｌ２）、コニカル鋼管の稜線長さ（ｈ２）、及び扇形切板の扇角（α）の寸法が下記の式（１）〜（４）を満たす寸法としたことを特徴とする上記（４）項記載のコニカル鋼管の製造方法。
Ｌ１＝π×（Ｄ１−ｔ）                                  ・  ・  ・（１）
Ｌ２＝π×（Ｄ２−ｔ）                                  ・  ・  ・（２）
ｈ２＝Ｄ１×Ｈ／（Ｄ２−Ｄ１）                          ・  ・  ・（３）
α＝２×ｔａｎ−１｛（Ｄ２−Ｄ１）×Ｈ／２（ｒａｄ）｝    ・  ・  ・（４）
ただし、上記式中において
Ｄ１：コニカル鋼管の小径側直径（板厚の外側の径）
Ｄ２：コニカル鋼管の大径側直径（板厚の外側の径）
Ｈ：コニカル鋼管の高さ
ｔ：コニカル鋼管の肉厚
Ｌ１：扇形切板の小径側円弧長さ
Ｌ２：扇形切板の大径側円弧長さ
ｈ２：コニカル鋼管の稜線長さ
α：扇形切板の扇角
を意味する。
【００２０】
（６）  素材である切板を板巻き成形し、当該切板端部の突合せ部をレーザー溶接することによりコニカル鋼管を製造する方法であって、前記切板を成形する際に、円錐状の凹部を有した下金型と円錐状の凸部を有した上金型により前記切板をプレス成形することを特徴とするコニカル鋼管の製造方法。
【００２１】
（７）  前記上金型の曲率（ρＸＵ）及び下金型の曲率（ρＸＬ）が、下記の式（５）、（６）を満たすことを特徴とする上記（６）項記載のコニカル鋼管の製造方法。
１／ρｘＵ＝ｋＵ・｛Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１）×（ｘ／Ｈ）−２×ｔ｝／２・  ・  ・（５）
１／ρｘＬ＝ｋＬ・｛Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１）×（ｘ／Ｈ）｝／２・  ・  ・（６）
ただし、上記式中において、
ρｘＵ：上金型の小径側からｘの位置の曲率
ｋＵ：スプリングバックなどを考慮した補正係数（≧１．０）
ρｘＬ：下金型の小径側からｘの位置の曲率（≧１．０）
ｋＬ：スプリングバックなどを考慮した補正係数
Ｄ１：コニカル鋼管の小径側直径（板厚の外側の径）
Ｄ２：コニカル鋼管の大径側直径（板厚の外側の径）
Ｈ：コニカル鋼管の高さ
ｔ：コニカル鋼管の肉厚
を意味する。
【００２２】
（８）  前記成形した扇型の切板を１ヶ所あるいは複数箇所においてプレス成形する際に、各プレスのプレス軸の延長線が扇型の曲率中心を通るようにプレスすることを特徴とする上記（４）乃至（７）項のいずれかに記載のコニカル鋼管の製造方法。
【００２３】
（９）  上記（８）項記載のコニカル鋼管の製造方法に使用するコニカル鋼管の製造装置であって、前記プレス成形時に、各プレス軸の延長線が扇型の曲率中心を通るように切板素材の位置決めを行う手段を有したことを特徴とするコニカル鋼管の製造装置。
【００２４】
（１０）  前記成形した切板の端部を突き合わせ、レーザー溶接する際にレーザーと突き合わせ部とが終始一定の間隔となるように成形後の切板をセットし、レーザー溶接することを特徴とする上記（４）乃至（８）項のいずれかに記載のコニカル鋼管の製造方法。
【００２５】
（１１）  上記（１０）項のコニカル鋼管の製造方法に使用する製造装置であって、成形した切板の突き合わせ部のギャップを閉じる際に、ストレート管用オープン管のギャップを閉じる装置と兼用可能なように、外形はストレートの円柱状で、内側は前記コニカル用オープン管を装入できる円錐型の孔を有し、且つ、前記円錐型の孔の１方向の稜線が前記円柱状外形面の一稜線と平行であり、当該円柱状外形面の１稜線にスリット状の開口部を設けたアダプターを有することを特徴とするコニカル鋼管の製造装置。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明について詳細に説明する。
【００２７】
本発明のコニカル鋼管の特徴は、素材である切板をプレスなどにより円筒状に丸め成形する所謂板巻き成形を行い、成形した切板の端部突合せ部をレーザー溶接により接合することを基本としている。このことにより切板の成形時に発生する歪みが小さく、且つ、溶接部の熱影響部の小さいコニカル鋼管の製造が可能となる。
【００２８】
また、切板を成形するので、切板を鋼帯から切り出す際に鋼帯の圧延方向と無関係に任意の方向で採板できるので、例えば、鋼帯においてｒ値の最も大きな方向を製造する鋼管の周方向になるように切り出し、成形することによりハイドロフォーム加工時に加工性の良い鋼管の製造が可能とすることができる。
【００２９】
上記のように本発明においては、板巻きタイプの成形なので、コニカル鋼管を製造する素材となる切板の形状は、円錐台形を展開した扇状となる。
【００３０】
図１は、コニカル鋼管の形状であり、図２は、それを得るための素材となる切板の形状を示す。
【００３１】
即ち、それぞれコニカル鋼管の小径側直径Ｄ１、大径側直径Ｄ２、高さＨ、肉厚ｔとすると、それぞれ扇形切板の小径側円弧長さＬ１、大径側円弧長さＬ２、仮定の稜線長さｈ１、稜線長さｈ２、扇角αは下記によって決定される。
Ｌ１＝π×（Ｄ１−ｔ）                                ・  ・  ・（１）
Ｌ２＝π×（Ｄ２−ｔ）                                ・  ・  ・（２）
ｈ１＝Ｄ１×π／α（ｒａｄ．）                        ・  ・  ・（３）
ｈ２＝Ｄ１×Ｈ／（Ｄ２−Ｄ１）                        ・  ・  ・（３）’
α＝２×ｔａｎ−１｛（Ｄ２−Ｄ１）×Ｈ／２（ｒａｄ）｝  ・  ・  ・（４）
【００３２】
また、当該切板を成形する際には、プレス成形が適しているが、プレス成形に用いる金型も製造するコニカル鋼管の形状に併せた形状とすることが望ましい。即ち、下金型は、コニカル鋼管の外径曲率に合わせた形状とし、連続的にその曲率を変化させたものとする。図３に示す下金型（ρＸＬ）の曲率は下記によって決定される。
１／ρｘＬ＝ｋＬ・｛Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１）×（ｘ／Ｈ）｝／２・  ・  ・（６）
ρｘＬ：下金型の小径側からｘの位置の曲率（≧１．０）
ｋＬ：スプリングバックなどを考慮した補正係数
ｘ：下金型の小径側からの距離
【００３３】
また、上金型は、コニカル鋼管の内径曲率に合わせた形状とし、連続的にその曲率を変化させたものとする。図４に示す上金型の曲率（ρＸＵ）は下記によって決定される。
１／ρｘＵ＝ｋＵ・｛Ｄ２＋（Ｄ２−Ｄ１）×（ｘ／Ｈ）−２×ｔ｝／２・  ・  ・（５）
ρｘＵ：上金型の小径側からｘの位置の曲率
ｋＵ：スプリングバックなどを考慮した補正係数（≧１．０）
ｘ：上金型の小径側からの距離
【００３４】
これらの金型を利用して扇形形状に採寸した切板をプレス成形する。プレス位置はプレス回数を、例えば７回でオープン管に仕上げるとすると、図５に示す様に小径側円弧と大径側円弧を７等分した位置を結ぶ稜線で行う。即ち、扇型の中心点をその延長戦が通る方向にてプレスする。曲率が不足するような場合、特に板探部などは、間隔を狭くしても良い。この稜線をプレスするために切板の位置を正確に決める必要がある。そのために、図６に示す様なフロントゲージ４及びバックゲージ５などのような装置にて裏板３（切板）の位置の固定を行うのが好ましい。それぞれのゲージは単独で数値制御が可能で、常に稜線がダイ１及びパンチ２のプレス中心となるように裏板３（切板）の位置決めを可能としている。
【００３５】
このように成形した切板をその端部を突き合わせてレーザー溶接する。レーザー溶接する際には、レーザー溶接機と前記切板端部突合せ部とが常に一定の間隔となるようにレーザー溶接機が例えば水平に移動するのであれば、成形された切板の中心軸を水平にするのではなく、突合せ部が水平になるように設置し、常にレーザー溶接条件を一定とし、安定した溶接状態を得る。
【００３６】
そのためには、コニカル鋼管用の溶接機への固定器具が必要である。
【００３７】
従来、コニカルでない通常のストレート管の場合にも、プレス成形したオープン管をレーザー溶接を行う。オープン管には８ｍｍ〜２０ｍｍのギャップがあり、ストレート管の場合、例えば図７で示す連続したロール群６で当該ギャップを閉じてレーザ７により溶接進行方向８にレーザー溶接を行っている。しかし、コニカル管は連続的に外径が変化するためこの装置ではギャップを閉じることができないだけでなく、シーム部の高さ位置も連続的に変化するためレーザー照射の高さ方向位置を制御しなければならない。そこで、本発明では通常のストレート管用のギャップ閉じ用ロール群を使用し、且つ、レーザー照射高さ位置の制御なしでレーザー溶接を行うために、図８で示すような殻状のアダプター９を利用する。
【００３８】
アダプター９は、外形はストレートの円柱状であるが、アダプター内部はコニカル鋼管用オープン管外形と同様の形状とした円錐型の孔を有す。即ち、小径側直径Ｄ１、大径側直径Ｄ２、長さＨである。殻外部は直径Ｄ３の円柱形状である。さらに、レーザー溶接用の開口部１０を設け、この開口部にオープン管のシームを合わせる。この開口部では、オープン管の突合せ部とこの殻の外周稜線が平行となるように前期孔を設ける。即ち、円錐型の穴の１方向の稜線が円柱状外形面の１稜線と平行となる。そのことにより、オープン管を装入し、ギャップを閉じ、溶接位置に保持して溶接でき、溶接する際に溶接機と突合せ部が終始一定間隔となり、安定した溶接条件が得られる。
【００３９】
また、この殻を使用することにより通常のストレート管の溶接時のギャップを閉じるロール群とコニカル用とが兼用できる。このことによりレーザー照射の高さ方向も制御することなく、安定した溶接が可能となる。
【００４０】
このアダプターの材質は、ある程度の強度と弾力性があれば良く、プラスチック製などでも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によるプレス形成及びプレス成形後の両エッジを溶接することにより、薄肉・高強度、且つ、良加工性を必要とするハイドロフォーム用のコニカル鋼管を効率良く製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コニカル鋼管の概要図である。
【図２】コニカル鋼管用素材となる切板を示す図である。
【図３】本発明によるプレス成形用の下金型を示す図である。
【図４】本発明によるプレス成形用の上金型を示す図である。
【図５】本発明による切板のプレス線を示す図である。
【図６】本発明によるプレス装置を示す概要図である。
【図７】従来の溶接時の状況を示す図である。
【図８】本発明によるアダプターを示す図である。
【符号の説明】
１  ダイ
２  パンチ
３  素板
４  フロントゲージ
５  バックゲージ
６  ロール群
７  レーザー
８  溶接進行方向
９  アダプター
１０  レーザ溶接用開口部
【図１】
2004237289.tif 000003
【図２】
2004237289.tif 000004
【図３】
2004237289.tif 000005
【図４】
2004237289.tif 000006
【図５】
2004237289.tif 000007
【図６】
2004237289.tif 000008
【図７】
2004237289.tif 000009
【図８】
2004237289.tif 000010