(57)【要約】【課題】小さな衝撃エネルギは言うまでもなく、大きな衝撃エネルギをも効率よく吸収できる衝撃エネルギ吸収部材を提供する。【解決手段】断面形状が略円形状あるいは多角形状をなす鋼製の管体２と、この管体２の中空部２ａに充填されて圧縮荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ変形する発泡アルミニウム３を備えた衝撃エネルギ吸収部材１であって、管体２の外周面２ａには、圧縮荷重の負荷方向に沿う線状をなすレーザ熱処理部４を複数設けてある。【選択図】　図１
2004108541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が略円形状あるいは多角形状をなす鋼製の管体と、この管体の中空部に充填されて圧縮荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ変形する多孔質金属体を備えた衝撃エネルギ吸収部材において、管体の外周面には、圧縮荷重の負荷方向に沿う線状をなすレーザ熱処理部を複数設けたことを特徴とする衝撃エネルギ吸収部材。
【請求項２】
管体の外周面上におけるレーザ熱処理部が占める面積の割合を２０〜７０％とした請求項１に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
【請求項３】
レーザ熱処理部のレーザ照射による熱処理は、管体の外周面から内周面にかけて貫通した状態でなされている請求項１又は２に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
【請求項４】
レーザ熱処理部は、管体の圧縮荷重入力側端部から少なくとも全長の５０％にわたって設けてある請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
【請求項５】
多孔質金属体は、見かけ密度が０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３　の発泡アルミニウムである請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
【請求項６】
レーザ熱処理部を形成する段階のレーザ照射による熱で管体と多孔質金属体とを固定してある請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の衝撃エネルギ吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車の構造部材として用いられて、衝突時に軸方向に圧縮の衝撃荷重を受けた際に変形して衝撃エネルギを吸収するのに利用される衝撃エネルギ吸収部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記したような軸方向の衝撃エネルギを吸収する衝撃エネルギ吸収部材は、通常、閉断面を有する鋼製の部材であり、圧縮の衝撃入力を受けると潰れ変形して、その衝撃エネルギを吸収する。限られた変形量でより大きなエネルギを吸収可能とするには、部材の寸法や肉厚を大きくすることが有効であるが、体積や重量の増加を招いてしまい、燃費が悪化したり車両同士の衝突時における相手車両に与えるダメージが大きくなったりして好ましくない。また、高強度鋼板を使用することも考えられるが、高強度鋼板は成形性が劣るため、部材形状が制約を受けることや工程が増加することといった不都合がある。
【０００３】
従来、軽量でかつ衝撃エネルギの吸収能の向上を図った衝撃エネルギ吸収部材としては、例えば、車体のサイドメンバに発泡アルミニウムを充填した衝撃吸収サイドメンバがある（特開平８−１６４８６９号，特開平１１−５９２９８号）。
【０００４】
これは、一定の反力を示しつつ圧縮変形する発泡アルミニウムの特性を利用したものであって、管体の場合も、この衝撃吸収サイドメンバと同じようにして、その中空部に発泡アルミニウムを充填して管体の圧縮変形を制御することによって、衝撃エネルギの吸収能を高めることが可能になる。
【０００５】
また、このような衝撃エネルギ吸収部材とは別に、成形後の鋼板にレーザを照射・走査して局部的に焼き入れを施したり急冷凝固組織としたりすることにより、重量を増加させずに高強度化を図った衝撃エネルギ吸収部材がある（特開平４−７２０１０号，特開平６−７３４３９号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したような管体の中空部に発泡アルミニウムを充填したタイプの衝撃エネルギ吸収部材は、小さい潰れ量でのエネルギの吸収能を高めるのに適しており、比較的小さい衝撃には有効であるものの、大きな衝撃エネルギを吸収するには不適である。
【０００７】
一方、鋼板にレーザを照射・走査して強度を高めた衝撃エネルギ吸収部材の場合、静的引張り強度の向上は保証しているが、衝撃エネルギの吸収能については明らかにされておらず、結局、いずれの衝撃エネルギ吸収部材においても、効率よく大きな衝撃エネルギを吸収することは不可能であり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、大きな衝撃エネルギを極めて効率よく吸収することが可能である衝撃エネルギ吸収部材を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、中空部に多孔質金属体を充填した鋼製の管体に、レーザ熱処理部を複数設けることで、大きな衝撃エネルギを効率よく吸収し得ることを見出すに至った。
【００１０】
すなわち、本発明では、断面形状が略円形状あるいは多角形状をなす鋼製の管体と、この管体の中空部に充填されて圧縮荷重が負荷された段階で略一定の反力（一定の反力ないしその近傍の反力）を維持しつつ変形する、いわゆるプラトー現象のある材質からなる多孔質金属体を備えた衝撃エネルギ吸収部材において、管体の外周面には、圧縮荷重の負荷方向に沿う線状をなすレーザ熱処理部を複数設けた構成としたことを特徴としており、この衝撃エネルギ吸収部材の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
ここで、レーザ熱処理部を設ける際のレーザ熱処理とは、レーザを照射・走査して鋼板を局部的に変態温度又は融点以上に急速加熱し、その後の自己冷却により焼き入れ又は急冷凝固組織として機械的性質を改善することである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の衝撃エネルギ吸収部材では、上記した構成としたから、小さな衝撃エネルギを吸収することができるのは言うまでもなく、大きな衝撃エネルギをも効率よく吸収することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の衝撃エネルギ吸収部材について、詳細に説明する。
【００１４】
断面形状が略円形状あるいは多角形状をなす鋼製の管体の中空部に、いわゆるプラトー現象を持つ多孔質金属体を充填すれば、エネルギ吸収能は向上する。また、管体の外周面にレーザ熱処理を施して、局部的に高強度化することによっても当然エネルギ吸収能は向上する。
【００１５】
そして、多孔質金属体の充填及びレーザ熱処理による局部的高強度化の両方を適当な条件下で同時に適用することにより、それぞれを単独で行った際の向上分を単純に足した効果ものよりも大きな効果が得られ、したがって、効率的にエネルギ吸収能を高めることができる。
【００１６】
本発明の衝撃エネルギ吸収部材を製造するに際して、鋼板から管体を形成してその中空部に多孔質金属体を充填させた後、管体の外周面にレーザ熱処理を施してレーザ熱処理部を設けるようにしているが、そのレーザ熱処理を施す方向は、衝撃荷重の入力方向と同じ方向に向けて行う。このように、衝撃荷重の入力に対して同じ方向に複数のレーザ熱処理部を並べることが変形に対する抵抗として有効であるばかりでなく、潰れモードを規則的なものとするのにも有効であり、これによってもエネルギ吸収能が向上する。
【００１７】
当然、これらのレーザ熱処理部が管体の外周面を占める面積割合が性能を大きく左右し、この面積割合が２０％未満では性能向上効果はほとんどなく、一方、面積割合が７０％を超えるとほぼ性能向上代は飽和し、面積割合がさらに大きくなると、隣接するレーザ熱処理部を形成する際のレーザ熱処理時の熱によって、既存の熱処理部が戻されて軟化してしまい、効果が減少し始めるのに加えて、処理時間も増す。したがって、レーザ熱処理部が管体の外周面を占める面積割合は２０〜７０％とすることが望ましく、より好ましくは２５〜５０％とする。
【００１８】
レーザ熱処理部を形成する際のレーザ熱処理において、焼入れのような非溶融の処理としても機械的性質を向上させることはできるが、この場合、レーザ熱処理部の断面形状はほぼ半月状になって、管体の内周面側は硬化し難いか又はしたとしても硬化域の寸法は外周面側が内周面側に比べて大きくなり、レーザ熱処理部の歪や変形も制御が困難になるので好ましくない。
【００１９】
そこで、溶融凝固処理のように、板厚方向に貫通するレーザ熱処理を行うと、外周面側と内周面側との各処理部の寸法がほとんど同じになって、処理部の面積割合の制御も容易なものとなることから、レーザ熱処理部のレーザ照射による熱処理は、管体の外周面から内周面にかけて貫通した状態でなすことが好ましい。
【００２０】
また、衝撃荷重が作用した時の変形は、管体の入力側端部から起きる。したがって、効率的に衝撃エネルギの吸収を行うためには、上記レーザ熱処理によるレーザ熱処理部が少なくとも管体の圧縮荷重入力側に設けてあることが必要であり、この際、レーザ熱処理部の長さが全長の５０％未満であると効果が不十分であることから、レーザ熱処理部は全長の少なくとも５０％にわたって設けなくてはならない。
【００２１】
上述したように、レーザ熱処理部を形成する際のレーザ熱処理時の熱は周囲に伝導する。本来、レーザ熱処理の特徴は単位面積あたりの入熱が小さいため、熱影響も無視できるという点にあるが、レーザ熱処理して複数のレーザ熱処理部を連続して形成したり、複数のレーザ熱処理部を同時に形成したりすると、上記熱の影響は無視できなくなる。レーザ熱処理部の効果を確実にするには、ある程度間隔を空けて設けることが必要であり、この際、レーザ熱処理部同士の間隔が板厚の５倍未満であると熱影響により処理部の機械的性質にバラツキが生じたりひずみが無視できなくなったりするので、レーザ熱処理部同士の間隔は板厚の５倍以上とすることが望ましい。
【００２２】
一方、管体の中空部に充填する多孔質金属体は、プラトー域での応力が高いものがエネルギ吸収能も当然大きい。しかし、このプラトー応力は多孔質金属体の密度と相関関係があり、プラトー域での応力があまりにも高いものは、重量も大きくなって部材の重量増を招く。また、材質も鉄鋼ベースのものは高強度ではあるが当然重量も大きい。したがって、材質的には軽金属がよく、いわゆる発泡アルミニウムが適している。
【００２３】
さらに、その密度は上記の理由により、０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３　がよい。密度が０．２ｇ／ｃｍ３　以下ではプラトー域での応力が小さすぎてほとんどエネルギ吸収能の向上に寄与しないうえ、バラツキも大きい。密度が０．５ｇ／ｃｍ３　を超えると重量が大きくなり単位重量あたりのエネルギ吸収能も効果的でなくなる。加えて、プラトー現象が崩れ、バルク材に近い挙動を示すため、多孔質金属体としての特徴も失われる。したがって、管体の中空部に充填する多孔質金属体としては、密度が０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３　の発泡アルミニウムを用いることが望ましい。
【００２４】
管体の中空部に充填した多孔質金属体を何らかの方法で鋼製の管体に固定しておく必要がある。固定の方法として、例えば、発泡アルミニウムの場合には、アルミニウム合金分と発泡剤との混合物を予め管体の中空部内に入れておき、その後の加熱により溶融・発泡させれば、管体に十分固定される。また、アルミニウム合金の溶湯に発泡剤を添加して、発泡しかけた状態のものを管体の中空部に注湯した場合も十分固定される。しかし、これらの方法は設備及び工程のいずれもが大掛かりなものとなり、さらに、安全面においても現実的でない。したがって、通常はニアネットシェイプ状に発泡した塊、又は定型の発泡材から切り出した塊を管体の中空部に挿入して固定するのが一般的である。
【００２５】
この際の固定方法としては、仕切られた空間に挿入して固定するのが一般的であるが、この方法の場合は仕切りのための部材が必要であり、その分だけ重量が増えてしまう。この方法の他にも、多孔質金属体と管体とをろう付けにより接合する方法や、接着剤を間に介在させて熱硬化接合する方法があるが、ろう付けや接着剤硬化のために加熱するので、いずれの場合も工程増や変形を招く。
【００２６】
そこで、レーザ熱処理部を形成する際のレーザ熱処理を板厚方向に貫通した状態で行えば、中空部に充填した発泡アルミニウムに対しても熱が伝わって加熱され、溶融または高温に加熱された鋼と反応して接触部にミクロ的に合金層が形成されて固定される。この際、脆弱なＦｅ−Ａｌ合金層が多量に形成されないようにするために、レーザ熱処理の入熱を制御する。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２８】
［実施例１］
図１は、本発明に係わる衝撃エネルギ吸収部材の一実施例を示している。
【００２９】
図１に示すように、この衝撃エネルギ吸収部材１は、直径φ６０．５ｍｍ、長さ３００ｍｍの管体（ＳＴＫＭ１１Ａ鋼管）２と、この管体２の中空部２ａに充填されて圧縮荷重が負荷された段階で略一定の反力を維持しつつ変形する発泡アルミニウム（多孔質金属体）３を備えており、管体２の外周面２ｂには、圧縮荷重の負荷方向（図示白抜き矢印）に沿う線状をなすレーザ熱処理部４が複数設けてある。
【００３０】
この場合、レーザ熱処理部４の各レーザ照射による熱処理は、管体２の外周面２ａから内周面２ｃにかけて貫通した状態でなされている。また、複数のレーザ熱処理部４は、いずれも管体２のほぼ全長にわたって設けてあり、管体２の外周面２ａ上における複数のレーザ熱処理部４が占める面積の割合を約３０％としている。
【００３１】
一方、発泡アルミニウム３の見かけ密度を０．２８ｇ／ｃｍ３　としており、この発泡アルミニウム３は、レーザ熱処理部４を形成する段階のレーザ照射による熱で管体２に対して固定してある
【００３２】
［実施例２］
複数のレーザ熱処理部４を管体２の圧縮荷重入力側端部２ｄ（図１上端部）から全長のほぼ６０％にわたって設けた以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有する衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３３】
［比較例１］
実施例１における管体２の単体、すなわち、管体２の中空部２ａに発泡アルミニウム３を充填せず、管体２の外周面２ｂにレーザ熱処理部４を設けていない管体２のみを比較例１の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３４】
［比較例２］
実施例１における管体２の中空部２ａに見かけ密度０．２８ｇ／ｃｍ３　の発泡アルミニウム３を充填し、管体２の外周面２ｂにレーザ熱処理部４を設けていないものを比較例２の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３５】
［比較例３］
実施例１における管体２の中空部２ａに発泡アルミニウム３を充填せず、管体２のほぼ全長にわたって複数のレーザ熱処理部４を設けると共に、管体２の外周面２ａ上における複数のレーザ熱処理部４が占める面積の割合を約３０％としたものを比較例３の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３６】
［比較例４］
レーザ熱処理部４のレーザ照射による熱処理を管体２の外周面２ａから０．６ｍｍの深さまで施し、管体２の外周面２ａ上における複数のレーザ熱処理部４が占める面積の割合を約４５％とした以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有するものを比較例４の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３７】
［比較例５］
管体２の外周面２ａ上における複数のレーザ熱処理部４が占める面積の割合を約１０％とした以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有するものを比較例５の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３８】
［比較例６］
管体２の外周面２ａ上における複数のレーザ熱処理部４が占める面積の割合を約８０％とした以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有するものを比較例６の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００３９】
［比較例７］
複数のレーザ熱処理部４を管体２の圧縮荷重入力側端部２ｄ（図１上端部）から全長のほぼ４０％にわたって設けた以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有するものを比較例７の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００４０】
［比較例８］
実施例１における管体２の中空部２ａに見かけ密度０．１５ｇ／ｃｍ３　の発泡アルミニウム３を充填した以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有するものを比較例８の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００４１】
［比較例９］
実施例１における管体２の中空部２ａに見かけ密度０．６ｇ／ｃｍ３　の発泡アルミニウム３を充填した以外は、上記した実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１と同じ構成を有するものを比較例９の衝撃エネルギ吸収部材とした。
【００４２】
そこで、実施例１，２の衝撃エネルギ吸収部材１及び比較例１〜９の衝撃エネルギ吸収部材に対して、部材長手方向に５００ｋｇの鋼製ブロックを速度７．６ｍ／ｓｅｃで衝突させて衝撃力を与え、このときの変位が１５０ｍｍまでの吸収エネルギを調べたところ、表１に示す結果を得た。また、実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１及び比較例１〜３の衝撃エネルギ吸収部材の各測定結果を抽出して図２のグラフに表した。
【００４３】
【表１】
2004108541.tif 000003
【００４４】
表１及び図２から判るように、実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１では、鋼管単体である比較例１に対する比較例２の性能向上分（発泡アルミニウムを管体に充填したことによる性能向上分）と、比較例１に対する比較例３の性能向上分（レーザ熱処理部を設けたことによる性能向上分）とを足した場合よりも、より大きなエネルギ吸収能を有していることが実証できた。
【００４５】
次に、実施例１の衝撃エネルギ吸収部材１及び比較例８，９の衝撃エネルギ吸収部材の単位重量あたりの吸収エネルギを抽出して図３のグラフに表した。
【００４６】
図３の結果から、発泡アルミニウム３の密度は、０．２〜０．５ｇ／ｃｍ３　の範囲において単位重量あたりの吸収エネルギが安定して大きいことが判った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の衝撃エネルギ吸収部材を示す斜視説明図である。
【図２】実施例１の衝撃エネルギ吸収部材及び比較例１〜３の衝撃エネルギ吸収部材の各吸収エネルギの測定結果を抽出して示すグラフである。
【図３】実施例１の衝撃エネルギ吸収部材及び比較例８，９の衝撃エネルギ吸収部材の単位重量あたりの吸収エネルギを抽出して示すグラフである。
【符号の説明】
１　衝撃エネルギ吸収部材
２　管体
２ａ　中空部
２ｂ　外周面
２ｃ　内周面
２ｄ　圧縮荷重入力側端部
３　発泡アルミニウム（多孔質金属体）
４　レーザ熱処理部
【図１】
2004108541.tif 000004
【図２】
2004108541.tif 000005
【図３】
2004108541.tif 000006