KR20170105062A

KR20170105062A - 프레스 성형 부품의 접합 구조, 그 접합 구조를 갖는 자동차용 구조 부품 및 접합 부품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20170105062A
Application number: KR1020177022523A
Authority: KR
Inventors: 유이치 도키타; 츠요시 시오자키; 요시키요 다마이
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-09-18
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: CN107206858A; CN107206858B; KR101967571B1; JP6168077B2; US20180009050A1; EP3257690A4; EP3257690A1; WO2016129389A1; EP3257690B1; MX2017010266A; JP2016147593A

Abstract

본 발명에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조는, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합해서 이루어지는 프레스 성형 부품의 접합 구조로서, 접합면의 일부 또는 전부에 대하여, 하측 부품 (3) 에 있어서의 세로벽부 (3a) 의 선단부에 외측으로 돌출되는 굴곡 볼록부 (5) 를 성형함으로써 단차부 (7) 를 형성하고, 단차부 (7) 보다 선단측을 상측 부품 (9) 의 개구부에 끼워맞추게 하고, 하측 부품 (3) 의 단차부 (7) 와 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 의 선단을 아크 용접에 의해 선접합하여 이루어지는 것이다.

Description

프레스 성형 부품의 접합 구조, 그 접합 구조를 갖는 자동차용 구조 부품 및 접합 부품의 제조 방법{STRUCTURE FOR BONDING PRESS-MOLDED ARTICLE, STRUCTURAL ARTICLE FOR AUTOMOBILE HAVING SAID BONDING STRUCTURE, AND METHOD FOR MANUFACTURING BONDED ARTICLE}

본 발명은, 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 개의 프레스 성형 (press forming) 부품 (part) 을 용접에 의해 접합한 프레스 성형 부품의 접합 구조 (welding structures), 그 접합 구조를 갖는 자동차용 구조 부품 (structural parts for automotive body) 및 접합 부품 (welding parts) 의 제조 방법에 관한 것이다.

2 개의 부품을 용접에 의해 선접합하여 구조 부품을 제조할 때, 내피로 특성 (fatigue resistance) 이 우수한 고강도인 (high-strength) 접합 구조로 하는 것은 중요하다. 예를 들어, 자동차의 구조 부품 중에서도 높은 강도를 필요로 하는 부품인 서스펜션 아암 (suspension arm), 서스펜션 프레임 (suspension frame), 섀시 프레임 (chassis frame) 등은, 보다 고강도인 특성을 확보하기 위해, 단면의 적어도 한 변이 개구되는 2 부품을 접합하여 폐단면으로 하고 있다 (특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 2013-82341호 일본 공개특허공보 2014-4607호 일본 공개특허공보 2012-213803호 일본 공개특허공보 평10-193164호

용접 학회지, 일반 사단법인 용접학회, 1993 년, 제 62 권, 제 8 호, p.595

용접에 의해 접합된 구조 부품의 파손은, 피로 (fatigue) 에서 기인하는 경우가 많다. 따라서, 피로에서 기인하는 파손을 미연에 방지하는 것은 부품 설계에 있어서 매우 중요하다. 통상적으로, 피로 균열 (fatigue crack) 은, 피용접 모재 (welding base material) 와 용접 금속 (weld metal) 의 경계부로부터 발생하기 쉽다. 용접 조인트 (welded joints) 의 피로 강도 (fatigue strength) 에 관한 지금까지의 지견으로부터, 용접부의 피로 강도 저하의 주요한 원인은, 잔류 응력 (residual stress) 이나 금속 조직 (metallographic structure) 적 인자가 아니라, 용접 금속의 덧살 (excess weld metal) 형상에 의한 응력 집중 (stress concentration) 이라고 지적되어 있다 (비특허문헌 1 참조).

또, 2 개의 부품을 아크 용접 (arc welding) 에 의해 필릿 용접 (fillet welding) 한 경우, 용접부의 용접 지단 (鎔接止端, weld toe) 은 내구 시험 (durability test) 에 있어서 균열 (crack) 의 발단이 되기 쉽다. 따라서, 종래부터 겹치기 필릿 용접 (lap fillet welding) 의 다층화 (특허문헌 2 참조) 나, 실드 가스 성분의 연구 (특허문헌 3 참조), 용접부 주변의 잔류 응력의 제거 (특허문헌 4 참조) 등, 여러 가지 수법으로 용접부의 피로 강도를 향상시키는 검토가 이루어지고 있다. 그러나, 이들 수법은 공수나 비용이 들기 때문에, 적절한 피로 강도 향상의 수단이 없는 것이 현 상황이다.

본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변이 개구되는 2 개의 부품을 조합하여 아크 용접에 의해 선접합 (겹치기 필릿 용접) 하는 경우에 있어서, 공수나 비용을 증가시키지 않고 피로 강도를 향상시킬 수 있는 프레스 성형 부품의 접합 구조, 그 접합 구조를 갖는 자동차용 구조 부품 및 접합 부품의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조는, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합해서 이루어지는 프레스 성형 부품의 접합 구조로서, 접합면의 일부 또는 전부에 대하여, 일방의 부품에 있어서의 세로벽부 (side wall portion) 의 선단부에, 외측으로 돌출되는 굴곡 볼록부 (projection) 를 성형함으로써 단차부를 형성하고, 이 단차부보다 선단측을 타방의 부품의 개구부에 끼워맞추게 하고, 상기 일방의 부품의 단차부와 상기 타방의 부품의 세로벽부의 선단을 아크 용접에 의해 선접합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조는, 상기 발명에 있어서, 상기 일방의 부품과 상기 타방의 부품의 선접합은, 상기 단차부의 경사면부에 용접 금속의 덧살부 (excess weld metal portion) 가 붙도록 접합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조는, 상기 발명에 있어서, 상기 단차부의 높이를 D, 상기 타방의 부품의 판두께를 t2 로 했을 때, 0.5 * t2 ≤ D ≤ 2 * t2 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 자동차용 구조 부품은, 상기 프레스 성형 부품의 접합 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 접합 부품의 제조 방법은, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합해서 이루어지는 접합 부품의 제조 방법으로서, 일방의 부품의 블랭크재에 있어서의 세로벽부의 선단부에 상당하는 부위에 굴곡 볼록부를 성형함으로써 단차부를 형성하는 굴곡 볼록부 성형 공정과, 상기 굴곡 볼록부가 성형된 블랭크재에 세로벽부를 성형하여 개구부를 갖는 일방의 부품을 제조하는 제 1 프레스 성형 공정과, 블랭크재에 세로벽부를 성형하여 개구부를 갖는 타방의 부품을 제조하는 제 2 프레스 성형 공정과, 상기 일방의 부품의 상기 단차부보다 선단측을 타방의 부품의 개구부에 끼워맞추게 하고, 상기 일방의 부품의 단차부와 상기 타방의 부품의 세로벽부의 선단을 아크 용접에 의해 선접합하는 접합 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관련된 접합 구조는, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 폐단면이 되도록 접합할 때, 일방의 부품에 있어서의 세로벽부의 선단부에 외측으로 돌출되는 굴곡 볼록부를 성형함으로써 단차부를 형성하고, 이 단차부보다 선단측을 타방의 부품의 개구부에 끼워맞추게 하고, 상기 일방의 부품의 단차부와 상기 타방의 부품의 세로벽부의 선단을 아크 용접으로 선접합하도록 하였다. 이로써, 본 발명에 관련된 접합 구조는, 용접 금속의 종단부 (terminal portion) 와 부품에 의해 형성되는 형상부의 응력 집중 계수 (stress concentration factor) 가 억제되는 형상이 되기 때문에, 용접부로부터의 파괴를 방지할 수 있어, 접합 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조의 단면도이다.
도 2 는, 본 발명에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조를 갖는 자동차용 서스펜션 부품 (suspension parts) 의 일례의 사시도이다.
도 3 은, 본 발명의 접합 구조와 종래의 접합 구조를 설명하는 단면도이다.
도 4 는, 응력 집중 계수 (K_t) 의 산출식의 기호의 의미를 설명하는 도면이다.
도 5 는, 실시형태 1 에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조를 설명하는 도면이다.
도 6 은, 실시형태 2 에 관련된 접합 부품의 제조 방법의 설명도이다 (그 1).
도 7 은, 실시형태 2 에 관련된 접합 부품의 제조 방법의 설명도이다 (그 2).
도 8 은, 실시예 1 에 있어서의 시험편의 제작 방법의 설명도이다.
도 9 는, 실시예 1 에 있어서의 평면 굽힘 (plane bending) 피로 시험 (fatigue test) 편의 형상의 설명도이다.
도 10 은, 실시예 1 에 있어서의 피로 시험의 방법의 설명도이다.
도 11 은, 실시예 2 에 관련된 서스펜션 아암의 설명도이다.
도 12 는, 실시예 2 에 관련된 접합 부품의 단면도이다.
도 13 은, 실시예 2 에 있어서의 피로 시험의 방법의 설명도이다.

[실시형태 1]

본 발명의 실시형태 1 에 관련된 프레스 성형 부품의 접합 구조 (1) (이하, 간단히 「접합 구조 (1)」라고 한다) 는, 예로서 도 1 에 나타내는 바와 같은, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합해서 이루어지는 것이다.

접합 구조 (1) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 일방의 부품 (하측 부품 (3)) 에 있어서의 세로벽부 (3a) 의 선단부에, 외측으로 돌출되는 굴곡 볼록부 (5) 가 성형됨으로써 단차부 (7) 가 형성되어 있다. 그리고, 접합 구조 (1) 는, 단차부 (7) 보다 선단측이 타방의 부품 (상측 부품 (9)) 의 개구부에 끼워맞춰지고, 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 의 선단부와 하측 부품 (3) 의 단차부 (7) 가 아크 용접에 의해 선접합되어 있다.

접합 구조 (1) 를 갖는 접합 부품으로는, 예를 들어 도 2 에 나타내는 바와 같은 서스펜션 아암 (21) 이 있다. 서스펜션 아암 (21) 은, 차체로부터 아암과 같이 신장되어, 휠 (wheel) 의 움직임을 컨트롤하는 서스펜션 부품으로, 예를 들어 브레이크로 정지할 때에 차체의 전후 방향으로 작용하는 하중이, 서스펜션 아암 (21) 에 작용하는 최대 하중이 된다.

여기에서, 도 1 에 나타내는 바와 같은 단차부 (7) 를 형성하여 아크 용접함으로써 피로 강도가 향상되는 이유를 도 3 및 도 4 에 기초하여 설명한다.

종래의 겹치기 필릿 용접의 경우, 도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 금속판이 겹치는 부분의 단면 형상은, 도 3(a) 에서 점선으로 나타내는 바와 같이, 하측 부품 (10) 의 금속판의 표면과 상측 부품 (9) 의 금속판의 판두께 에지가 직각 형상이 된다. 그리고, 용접하는 부위는 직각부의 중심 (모서리부) 이 되고, 용접 육성 (welding buildup) 은, 하측 부품 (3) 의 금속판의 표면부와의 교점, 및, 상측 부품 (9) 의 금속판의 표면부와의 교점에서 각각 용접 지단 (11) 및 용접 지단 (12) 이 된다. 이 때, 용접 지단 (11) 과 용접 지단 (12) 의 거리는, 필연적으로 적어도 상측 부품 (9) 의 판두께분 이상의 길이가 된다. 이와 같은 형상은, 판폭 방향으로 두께가 상이하여, 필릿 (fillet) 에 의해 연결되는 부재로 간주할 수 있어, 당해 필릿에 응력이 집중되는 경우의 응력 집중 계수를 고려할 필요가 있다.

한편, 단차부 (7) 를 형성하여 용접하는 본 발명의 경우, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 하측 부품 (3) 측의 용접 지단 (11) 은 필연적으로 경사진 평판에 대한 용접 육성이 된다. 이와 같은 형상은, 판폭 방향에 노치 (notch) 를 갖는 부재로 간주할 수 있어, 당해 노치에 응력이 집중되는 경우의 응력 집중 계수를 고려할 필요가 있다.

응력 집중 계수 (K_t) 의 산출식은, 종래의 겹치기 필릿 용접의 경우에는 하기 식 (1) 이 되고, 단차부 (7) 를 형성하는 용접의 경우에는 하기 식 (2) 가 된다. 또한, 각 식의 기호의 의미는, 식 뒤의 보충 설명 및 도 4 에 기재된 바와 같다.

또한, φ 는 덧살각 (excess metal angle), ρ 는 곡률 반경 (radius of curvature), T 는 중첩부의 두께, t 는 하판의 두께, h 는 비드 높이이다.

또한, φ 는 덧살각, ρ 는 곡률 반경, t₁ 은 단차부를 형성한 판의 두께, t₂ 는 평판의 두께, h 는 비드 높이이다.

식 (1) 및 식 (2) 에 나타내는 바와 같이, 이들 식 모두에 있어서, 도 4 에 나타내는 비드 (bead) 높이 (h) 가 작으면 응력 집중 계수 (K_t) 가 작아져, 응력 집중이 완화되는 것을 알 수 있다.

한편, 용접 금속의 용강의 젖음성 (wettability) 이나 육성 (cladding) 량이 동일한 경우, 용접 육성의 형상이 용접 금속의 용융 고화 후의 형상에 영향을 미친다. 그 때문에, 도 4(a) 에 나타내는 종래의 겹치기 필릿 용접과 비교하여, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같은 단차부 (7) 를 형성하여 용접하는 본 발명은, 분명히 비드 높이 (h) 가 작다. 따라서, 본 발명은, 종래의 겹치기 필릿 용접보다 응력 집중 계수 (K_t) 가 완화된다. 그리고, 피로 강도는, 종래의 겹치기 필릿에 의해 용접한 접합 구조와 비교하여, 단차부 (7) 를 형성하여 용접한 본 발명의 접합 구조 (1) 쪽이 향상된다.

또, 종래의 겹치기 필릿 용접의 경우, 아크 용접의 용접 방향으로 불균일 (welding irregularities) 이 생기기 쉽고, 용접의 용강 (molten steel) 이 부족한 부분을 기점으로 하여 피로 파괴되기 쉽다는 문제가 있어, 용접 방향으로의 균일한 용접이 가능해지는 방법이 요망되고 있었다. 또한, 아크 용접은, 용접 부품의 표면이 지면 (地面) 에 대해 거의 평행해지도록 용접 부품을 놓고 실시된다.

종래의 겹치기 필릿 용접에서는, 도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 용접하는 부위는 상측 부품 (9) 의 선단부 끝면과 하측 부품 (10) 의 세로벽부 (10a) 의 표면이 교차하는 직각부의 중심 (모서리부) 이다. 그 때문에, 용접 지단 (11) 및 용접 지단 (12) 은, 각각 용접 육성과 하측 부품 (10) 의 금속판 표면의 교점, 및 용접 육성과 상측 부품 (9) 의 금속판 표면의 교점이 된다. 따라서, 금속의 용강은, 중력이 작용함으로써 하측 부품 (10) 의 금속판 표면으로 흐르기 쉬운 상태가 되어, 용접 조건이나 금속판 표면 상태에 약간의 편차가 있으면, 용접 금속의 용강의 젖음성이 바뀌어, 용접 불균일이 발생하기 쉬워진다.

이에 대해, 본 발명의 경우, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 하측 부품 (3) 에 단차부 (7) 가 있기 때문에, 일방의 용접 지단 (11) 은 단차부 (7) 의 경사면 위가 되고, 타방의 용접 지단 (12) 은 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 의 외표면의 선단이 되어, 하측 부품 (3) 과 상측 부품 (9) 에 의해 홈 형상이 형성된다. 그리고, 아크 용접은 이 홈 형상을 따라 실시되기 때문에, 용접 조건이나 금속판의 표면 상태에 다소의 편차가 있어도, 중력이 작용하여 용접의 용강이 이 홈에 모이도록 흐른다. 그 때문에, 용접 방향으로 용강의 불균일이 생겨도, 용강의 계면 장력 (interfacial tension) 이나 중력이 작용하여 용강 자신에게 불균일을 균등화시키는 작용이 발휘된다. 따라서, 본 발명에서는, 용접 불균일이 생기기 어려워 안정적인 용접이 가능해지고, 그 결과, 용접부의 피로 강도가 향상된다.

또한, 용접부가 판의 표면과 평행한 방향으로 반복 응력을 받는 경우, 피로 파괴는 용접 지단으로부터 발생하기 쉬워, 균열은 거의 판두께 방향으로 전파 (propagation) 된다. 여기에서, 종래의 겹치기 필릿 용접 (도 4(a) 참조) 과, 단차부 (7) 를 형성하여 용접하는 본 발명 (도 4(b) 참조) 에 있어서, 일방의 용접 지단 (12) 은, 육성 용접과 상측 부품 (9) 의 금속판 표면의 교점과 동일 위치가 된다. 종래의 겹치기 필릿 용접의 경우, 타방의 용접 지단 (11) 이 하측 부품 (3) 의 표면이 된다 (도 4(a) 참조). 그 때문에, 종래의 겹치기 필릿 용접에서는, 균열의 전파 방향이 하측 부품 (3) 의 표면에 대해 거의 수직이 되어, 이 균열의 전파 방향이 피로의 반복 응력의 방향 (하측 부품 (3) 의 표면과 평행한 방향) 과 거의 수직의 관계가 되기 때문에, 균열의 전파 길이 (propagation length) 가 짧아진다.

이에 비해, 단차부 (7) 를 형성하여 용접하는 본 발명에서는, 하측 부품 (3) 의 표면이 경사져 있어 (도 4(b) 참조), 상측 부품 (9) 의 판두께 방향과 거의 평행하게 균열이 전파된다. 그 때문에, 본 발명에서는, 단차부 (7) 에 있어서는 판두께 방향과는 비스듬하게 균열이 전파되기 때문에, 전파 길이가 종래의 겹치기 필릿 용접보다 길어진다. 그 결과, 본 발명의 접합 구조 (1) 는, 종래의 겹치기 필릿 용접보다 피로 수명이 향상된다.

또, 본 발명에 관련된 접합 구조 (1) 는, 종래의 겹치기 필릿 용접에 비해 부품의 강성도 향상된다. 즉, 상측 부품 (9) 의 형상은 종래예와 동일하게 하고, 하측 부품 (3) 에 단차부 (7) 를 형성하면, 필연적으로 하측 부품 (3) 의 단면이 커진다. 동일한 모멘트 (moment) 가 부하되었을 때에 동일한 위치의 단면에 있어서의 최대 발생 응력은, 단면 계수 (section modulus) 가 큰 쪽이 작아진다. 단면 계수는 단면의 형상에 의해 정해지는 수치로, 동일한 판두께이면 단면이 큰 쪽이 단면 계수는 크다. 그러므로, 본 발명에 관련된 접합 구조 (1) 는 단면 계수가 커져, 최대 발생 응력이 작아지기 때문에 강성이 향상된다.

다음으로, 단차부 (7) 의 바람직한 형상에 대하여, 도 5 에 기초하여 설명한다. 도 5 는, 도 1 에 있어서 상측 부품 (9) 과 하측 부품 (3) 이 끼워맞춤 (fitting) 되어 있는 부위를 확대하여 나타낸 것이다. 도 5 에 있어서, 하측 부품 (3) 의 판두께를 t1, 상측 부품 (9) 의 판두께를 t2, 단차부 (7) 의 높이 (굴곡 볼록부의 높이) 를 D, 상측 부품 (9) 의 선단과 단차부 (7) 의 경사면 하단의 거리를 L1, 하측 부품 (3) 의 상측 부품 (9) 으로의 끼워맞춤 길이를 L2, 단차부 (7) 의 경사 각도를 θ 로 한다.

먼저, 단차부 (7) 의 높이 (D) 와, 상측 부품 (9) 의 판두께 (t2) 의 관계에 대해서는, 0.5 * t2 ≤ D ≤ 2 * t2 로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서는, 단차부 (7) 의 높이 (D) 가 상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 판두께 (t2) 와 동등 (D ＝ t2) 할 필요는 없고, 단차부 (7) 의 높이 (D) 가 상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 판두께 (t2) 의 절반, 혹은 2 배여도 소정의 효과를 얻을 수 있는 점에서, 0.5 * t2 ≤ D ≤ 2 * t2 로 해도 된다. 이것은, 단차부 (7) 가 어느 일정량 이상의 높이로 설정되어 있으면, 겹치기 필릿 용접의 용접 금속보다는 확실하게 형상이 완화되기 때문이다.

또한, 단차부 (7) 의 높이를 2 * t2 를 초과하도록 하면, 상측 부품 (9) 의 성형이나 상측 부품 (9) 과 하측 부품 (3) 의 조립이 어려워지기 때문에 바람직하지 않다.

상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 선단과 단차부 (7) 의 경사면 하단의 거리 (L1) 는, 상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 판두께 (t2) 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 거리 (L1) 가 판두께 (t2) 보다 크면, 단차부 (7) 측의 용접 지단 (11) 이 단차부 (7) 의 경사면이 아니라, 하측 부품 (3) 의 표면에 붙게 되기 때문에, 도 3(a) 및 도 3(b) 에서 비교한 형상의 차이에 의한 효과가 작아지기 때문이다. 또, 이와 같은 의미로, 거리 (L1) 는, 상측 부품 (9) 의 선단이 단차부 (7) 의 경사면에 붙지 않는 범위이면, 보다 짧은 편이 바람직하다. 또, 단차부 (7) 의 경사면과 상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 접합면이 이루는 경사 각도 (θ) 는, 90°≤ θ ≤ 150°로 하는 것이 바람직하다.

하측 부품 (3) 의 상측 부품 (9) 으로의 끼워맞춤 길이 (L2) 는, 클수록, 상측 부품 (9) 과 하측 부품 (3) 의 금속판이 겹치는 부분이 많아져, 당해 부분뿐만 아니라 부품 그 자체의 강성이 커지고, 또한 동일한 모멘트가 부하된 상태에서의 발생 응력이 작아진다. 따라서, 끼워맞춤 길이 (L2) 는, 클수록 피로 강도 향상에 바람직하다.

상기의 설명에서는, 하측 부품 (3) 에 있어서의 세로벽부 (3a) 의 길이 방향 (지면에 수직인 방향) 전체에 굴곡 볼록부 (5) 를 성형함으로써 단차부 (7) 를 형성하는 예를 나타냈지만, 세로벽부 (3a) 의 길이 방향의 일부에 본 발명의 단차 형상을 형성하도록 해도 된다.

또, 본 발명에 관련된 접합 구조 (1) 는, 일방의 부품 (하측 부품 (3)) 에 있어서의 좌우 양방의 세로벽부 (3a) 에 굴곡 볼록부 (5) 를 성형함으로써 단차부 (7) 를 형성하고 있지만, 세로벽부 (3a) 의 좌측 또는 우측의 어느 쪽에 굴곡 볼록부 (5) 를 성형함으로써 단차부 (7) 를 형성하고, 타방의 부품의 세로벽부와 접합해도 된다.

또한, 상기의 설명에서는, 하측 부품 (3) 에 단차부 (7) 를 형성하여 하측 부품 (3) 의 선단을 상측 부품 (9) 중에 끼워맞춰 접합한 예를 나타냈지만, 이것과는 반대로 상측 부품 (9) 에 단차부 (7) 를 형성하여 상측 부품 (9) 의 선단을 하측 부품 (3) 중에 끼워맞춰 접합해도 된다.

[실시형태 2]

본 발명의 실시형태 2 에 관련된 접합 부품의 제조 방법은, 주로 도 1 에 나타내는 접합 구조 (1) 를 갖는, 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합한 접합 부품을 대상으로 하고, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 굴곡 볼록부 성형 공정 (S1) 과, 제 1 프레스 성형 공정 (S3) 과, 제 2 프레스 성형 공정 (S5) 과, 접합 공정 (S7) 을 구비하고 있다. 이하, 도 7 에 기초하여 각 공정을 구체적으로 설명한다.

＜굴곡 볼록부 성형 공정＞

굴곡 볼록부 성형 공정 (S1) 은, 상기 접합 부품 중, 일방의 부품의 블랭크재 (13) 에 있어서의 세로벽부 (3a) 의 선단부에 상당하는 부위에 굴곡 볼록부 (5) 를 성형하는 공정이다 (도 7(a-1), 도 7(a-2) 참조).

굴곡 볼록부 (5) 의 높이 (D) 는, 상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 판두께 (t2) 와의 관계에 있어서, 0.5 * t2 ≤ D ≤ 2 * t2 로 하는 것이 바람직하다. 또, 굴곡 볼록부 (5) 에 의해 형성되는 단차부 (7) 의 경사면과, 상대측 부품 (상측 부품 (9)) 의 접합면이 이루는 경사 각도 (θ) 는, 90°≤ θ ≤ 150°로 하는 것이 바람직하다.

＜제 1 프레스 성형 공정＞

제 1 프레스 성형 공정 (S3) 은, 굴곡 볼록부 성형 공정 (S1) 에 있어서 굴곡 볼록부 (5) 가 성형된 블랭크재 (13) 를, 펀치 (15) 와 다이 (17) 에 의해 프레스 성형하여, 세로벽부 (3a) 를 갖는 하측 부품 (3) 을 얻는 공정이다 (도 7(a-3) 참조).

이 공정에서 성형된 세로벽부 (3a) 의 선단부는, 굴곡 볼록부 성형 공정 (S1) 에서 성형된 외측으로 돌출된 굴곡 볼록부 (5) 를 가지고 있다. 또, 세로벽부 (3a) 가 성형됨으로써, 이 공정으로 제작된 하측 부품 (3) 은, 하측 부품 (3) 의 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 コ 자의 단면 (U-shaped cross section) 형상이 된다. 당해 공정에서 세로벽부 (3a) 를 성형하기 전에 굴곡 볼록부 성형 공정 (S1) 에서 굴곡 볼록부 (5) 를 성형함으로써, 선단부에 굴곡 볼록부 (5) 를 갖는 세로벽부 (3a) 를 용이하게 성형할 수 있다.

＜제 2 프레스 성형 공정＞

제 2 프레스 성형 공정 (S5) 은, 블랭크재 (13) 를 펀치 (15) 와 다이 (17) 에 의해 프레스 성형하여, 세로벽부 (9a) 를 갖는 상측 부품 (9) 을 얻는 공정이다 (도 7(b-1), 도 7(b-2) 참조). 세로벽부 (9a) 가 성형됨으로써, 이 공정으로 제작된 상측 부품 (9) 은, 적어도 한 변에 개구부를 갖는 コ 자의 단면 형상이 된다.

＜접합 공정＞

접합 공정 S7 은, 제 1 프레스 성형 공정 (S3) 에서 얻어진 하측 부품 (3) 의 단차부 (7) 보다 선단측을, 제 2 프레스 성형 공정 (S5) 으로 제작된 상측 부품 (9) 의 세로벽부 (9a) 에 끼워맞추게 하고, 아크 용접에 의해 선접합하는 공정이다.

상측 부품 (9) 과 하측 부품 (3) 을 끼워맞춰 접합할 때, 상측 부품 (9) 의 판의 선단과 단차부 (7) 의 경사면 하단의 거리 (L1) 를 상측 부품 (9) 의 판두께 (t2) 이하로 하는 것이 바람직하고, 거리 (L1) 는, 상측 부품 (9) 의 선단이 단차부 (7) 의 경사면에 붙지 않는 범위이면, 보다 짧은 편이 바람직하다.

하측 부품 (3) 의 상측 부품 (9) 으로의 끼워맞춤 길이 (L2) 는, 클수록, 상측 부품 (9) 과 하측 부품 (3) 의 금속판이 겹치는 부분이 많아져, 당해 부분뿐만 아니라 부품 그 자체의 강성 (stiffness) 이 커지고, 또한 동일한 모멘트가 부하 된 상태에서의 발생 응력이 작아진다. 따라서, 끼워맞춤 길이 (L2) 는, 클수록 피로 강도 향상에 바람직하다.

본 실시형태 2 는 이하의 효과를 갖는다. 예를 들어 자동차용의 서스펜션 아암은, 본 실시형태 2 에서 대상으로 한 접합 부품과 마찬가지로, 프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합한 것이다. 그러나, 이 2 부품은 하나의 공정으로 프레스 성형되는 것이 아니라, 이 2 부품의 세로벽부를 프레스 성형하기 전공정으로서, 프레스 성형에 제공되는 블랭크재의 드로잉 공정 (drawing process) 이나 발출 공정 (without process) 을 실시한다.

본 발명에 관련된 굴곡 볼록부 성형 공정을 이들 드로잉 공정이나 발출 공정에 포함하여 굴곡 볼록부를 성형함으로써, 공정수를 늘리지 않고, 또 특별한 프레스 성형 장치를 필요로 하지 않고, 생산성을 저해하지 않고, 경제성이 우수하고, 또한 피로 강도가 높은 접합 부품을 제조할 수 있다.

실시예 1

본 발명의 작용 효과에 대하여 확인하기 위한 실험을 실시하였다. 이하에서는 이 실험 내용에 대하여 설명한다. 여기에서, 자동차 차량 (automotive body) 에 사용하는 부품의 내구 성능의 평가에는, 실제의 차량에 부품을 끼워넣어 차체 전체 (full vehicle) 로서 실시하는 평가, 부품 단위에서의 평가, 더욱 작은 단위의 재료 (시험편) 의 기초 피로 시험에서의 평가 등이 있다. 본 실시예 1 에서는, 본 발명에 관련된 단차부를 형성하는 용접 (도 8(a) 참조) 및 종래 기술의 겹치기 필릿 용접 (도 8(b) 참조) 으로 제작한 시험편에 의한 기초 피로 시험을 실시하여, 접합 구조의 성능을 평가하였다.

＜공시재＞

공시재는, 판두께 (t2) 가 2.3 ㎜ 인 980 ㎫ 급 열연강판 (hot-rolled steel sheet) 으로 하였다.

＜시험편의 제작 방법＞

상기 공시재로부터 250 ㎜ × 175 ㎜ 의 치수의 강판 (steel sheet) 을 잘라냈다. 도 8(a) 에, 본 발명예로서, 단차부 (7) 를 형성하여 용접한 시험편의 용접 단면을 나타낸다. 본 발명예에서는, 일방의 잘라낸 강판의 길이 250 ㎜ 측의 단부 근방에, 벤더 (bender) 를 사용한 굽힘 성형 (bending and forming) 에 의해 굴곡 볼록부 (5) 를 성형하였다. 이 때, 성형한 굴곡 볼록부 (5) 에 의해 형성된 단차부 (7) 의 높이 (깊이) (D) 는 공시재의 판두께 (t2) 와 동일한 2.3 ㎜ 로 하고, 굴곡 볼록부 (5) 에 의해 형성되는 단차부 (7) 의 경사 각도 (θ) 는 135°로 하고, 상측 부품 (9) 의 선단과 단차부 (7) 의 경사면 하단의 거리 (L1) 는 2 ㎜ 로 하였다.

다음으로, 굴곡 볼록부 (5) 를 성형한 강판의 단부측에, 잘라낸 상태 그대로의 강판의 단부를 중첩시키고, 잘라낸 상태 그대로의 강판측의 끝면을 MAG 아크 용접하여, 본 발명의 접합 구조를 갖는 시험편을 제작하였다. 그리고, 이 시험편으로부터 폭 30 ㎜ 의 단책 (短冊) 을 잘라내고, 이 단책으로부터 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 을 제작하였다. 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 길이는 90 ㎜, 폭은 30 ㎜ 이고, 중앙부의 폭은 22 ㎜ 로 하였다.

도 8(b) 에, 비교예로서 종래 기술의 겹치기 필릿 용접으로 제작한 시험편의 용접 단면을 나타낸다. 비교예에서는, 공시재로부터 잘라낸 상태 그대로의 강판끼리를 중첩시키고, MAG 아크 용접으로 제작하였다. 그리고, 용접한 강판으로부터 폭 30 ㎜ 의 단책을 잘라내고, 도 9 에 나타내는 형상의 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 을 제작하였다.

본 발명예 및 비교예 모두 강판끼리의 겹침 마진 (끼워맞춤 길이) (L2) 은 5 ㎜ 로 하였다. 또, 용접 비드 (weld bead) 폭 (W) 은, 본 발명예와 비교예에서 동일해지도록 5.5 ㎜ 또는 7 ㎜ 로 하였다.

본 발명예 및 비교예에 있어서, 아크 용접 조건은 모두 용접 전류를 185 A 또는 205 A 로 하고, 전압을 19 V 또는 23 V 로 하고, 용접 속도를 85 ㎝/min 으로 하고, 실드 가스를 Ar-20 ％ CO₂ 로 하고, 용접 와이어에는 직경 1.2 ㎜ 의 780 ㎫ 급 고장력 강용을 사용하였다. 아크 용접 조건을 표 1 에 나타낸다.

＜피로 시험 방법＞

피로 시험은, 편진동 평면 굽힘 (pulsating plane bending) 으로 실시하였다 (도 10 참조). 시험기에는 토쿄 코키 제조의 PBF-30 을 사용하여, 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 의 용접 비드가 하측을 향하도록 상기 시험기에 설치하였다. 이 때, 상판을 시험기의 구동 아암측에, 하판을 시험기의 계측 스윙 아암측에 고정시키고, 하판의 판두께 중앙이 굽힘 중립면이 되도록 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 을 설치하였다. 상기 구동 아암을 개재하여 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 에 목표 응력이 가해지도록 반복 하중을 주고, 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 에 균열이 발생할 때까지 시험을 실시하였다. 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 에 가해지는 응력은, 계측 아암을 개재하여 계측된 모멘트와, 평면 굽힘 피로 시험편 (19) 의 판두께 및 판폭 (상판과 하판의 평균값) 에 의해 구하였다. 피로 시험 조건은, 응력비를 0 (편진동), 시험 주파수를 20 ㎐ 로 하고, 피로 시험은 최장 1000 만회에서 중지하였다.

＜피로 시험 결과＞

피로 시험 결과를 후기하는 표 3 에 나타낸다. 본 발명예는 단차부 (7) 를 형성하는 용접이고, 비교예는 종래의 겹치기 필릿 용접이다. 표 3 에 나타내는 바와 같이, 용접 조건에 상관없이, 본 발명예는 비교예의 피로 수명을 크게 상회하는 결과가 되었다.

실시예 2

일반적으로, 자동차용의 서스펜션 아암은 강도가 요구되기 때문에, 프레스 성형에 의해 가공되고 개구부를 갖는 2 개의 부품을 서로 끼워맞추게 하여 폐단면 형상으로 하는 경우가 많다. 그래서, 실시예 2 에서는, 도 11 에 나타내는 서스펜션 아암 (21) 을 대상으로 하고, 2 부품의 접합부 (단차부 설정부 (P1, P2, P3)) 에 종래 기술의 겹치기 필릿 용접 또는 본 발명의 단차부를 형성하는 용접으로 제작한 서스펜션 아암 (21) 의 피로 시험을 실시하여, 본 발명과 종래 기술을 비교하였다.

＜공시 접합 부품＞

서스펜션 아암 (21) 을 구성하는 2 부품은, 판두께 (t2) 가 2.3 ㎜ 인 980 ㎫ 급 열연강판을 단면 コ 자 형상으로 프레스 성형한 것으로, 일방의 부품 (29) 을 발명예와 종래예에서 동일한 형상으로 한다. 아크 용접 조건은, 용접 전류를 185 A, 전압을 23 V, 용접 속도를 85 ㎝/min, 실드 가스를 Ar-20 ％ CO₂ 로 하고, 용접 와이어에는 직경 1.2 ㎜ 의 780 ㎫ 급 고장력 강용을 사용하였다.

종래예에서는, 타방의 부품 (23) 에 단차부 (27) 를 형성하지 않고, 모든 접합부 (도 11 에 있어서의 P1 ∼ P3) 에 있어서 겹치기 필릿 용접하였다. 한편, 본 발명예에서는, 타방의 부품 (23) 의 세로벽부에 굴곡 볼록부를 성형함으로써 단차부 (27) 를 형성하고, 부품 (29) 과 끼워맞추고 아크 용접에 의해 선접합하였다.

본 발명예에 있어서, 타방의 부품 (23) 에 굴곡 볼록부 (25) 를 성형하여 형성한 단차부 (27) 의 높이 (D) 를, 도 12(b) 에서는 판두께 (t2) 의 2 배 (D ＝ 2 * t2) 로 하고, 도 12(c) 에서는 판두께 (t2) 의 절반 (D ＝ 0.5 * t2) 으로 하였다. 굴곡 볼록부 (25) 를 성형하여 단차부 (27) 를 설정한 부위는, 도 11 에 나타내는 단차부 설정부 (P1, P2 및 P3) 의 전부로 한 경우와, 단차부 설정부 (P3) 만으로 한 경우의 2 가지 조건으로 하였다. 표 2 에, 본 실시예에 있어서의 단차부 높이 및 단차부 설정부의 조건을 나타낸다.

＜피로 시험 방법＞

피로 시험은, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 서스펜션 아암 (21) 의 차체 장착측을 구속 (구속점 (A1 및 A2)) 하고, 차륜 (wheel) 장착측을 하중 입력 (입력 점 (B)) 으로 하였다. 구속 조건으로서, 구속점 (A1) (횡부시 (bush)) 에 있어서는, X 축 방향 (차량 전후 방향), Y 축 방향 (차폭 방향) 및 Z 축 방향 (차량 연직 방향) 의 병진 운동 (translational motion) (변위 (displacement)) 을 구속하여 각 축 둘레의 회전 운동 (rotary motion) 만을 허용하였다. 구속점 (A2) (종부시) 에 있어서는, Y, Z 축 방향의 변위를 구속하고, X 축 방향의 변위와 각 축 둘레의 회전을 허용하였다.

하중 조건으로서, 입력점 (B) 에 있어서, X 축 방향으로 하중을 8000 N, 주파수를 2.5 ㎐ 로 하는 반복 하중을 주고, Y, Z 축 방향의 변위는 구속하고, X 축 방향의 변위 및 모든 방향의 회전은 허용하였다. 피로 시험의 평가는, 상기 반복 하중에 의해 상기 2 부품의 접합부에 균열이 발생한 반복 횟수에 의해 실시하였다.

＜피로 시험 결과＞

피로 시험의 결과를 표 3 에 나타낸다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 단차부 (27) 를 형성하여 용접한 본 발명예는, 종래예와 비교하여, 균열이 발생할 때까지의 반복 횟수가 증대되어, 단차부 (27) 를 형성하여 2 부품을 접합함으로써 피로 수명이 증가하는 결과가 얻어졌다.

이상으로부터, 2 부품을 접합하는 부위에 단차부를 형성하여 접합함으로써, 종래의 겹치기 필릿 용접에 비해 용접부의 피로 강도가 증가하여, 접합 부품의 피로 수명이 증가하는 효과가 실증되었다. 또, 단차부를 형성하기 위해 굴곡 볼록부를 성형함으로써, 접합 부품의 단면 계수 (section modulus) 가 증가하기 때문에, 강성의 증가에도 기여하고, 경량화 (weight reduction of automotive body) 효과도 기대할 수 있다.

또한, 본 실시예는 서스펜션 아암을 대상으로 하여 피로 시험을 실시한 것이지만, 본 발명은 2 부품을 접합하여 폐단면 형상을 갖는 접합 부품에 있어서, 높은 강도가 필요로 되는 서스펜션 프레임이나 섀시 프레임의 제조에도 용이하게 적용할 수 있어, 피로 강도 및 강성의 향상을 얻을 수 있다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 접합 부품의 피로 강도를 향상시킬 수 있기 때문에, 프레스 성형 부품의 접합 구조, 그 접합 구조를 갖는 자동차용 구조 부품 및 접합 부품의 제조 방법에 적용할 수 있다.

1 : 접합 구조
3 : 하측 부품
3a : 세로벽부 (하측 부품)
5 : 굴곡 볼록부
7 : 단차부
9 : 상측 부품
9a : 세로벽부 (상측 부품)
10 : 하측 부품
10a : 세로벽부 (하측 부품)
11 : 용접 지단 (하측 부품측)
12 : 용접 지단 (상측 부품측)
13 : 블랭크재
15 : 펀치
17 : 다이
19 : 평면 굽힘 피로 시험편
21 : 서스펜션 아암
23 : 부품
25 : 굴곡 볼록부
27 : 단차부
29 : 부품

Claims

프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합해서 이루어지는 프레스 성형 부품의 접합 구조로서,
접합면의 일부 또는 전부에 대하여, 일방의 부품에 있어서의 세로벽부의 선단부에, 외측으로 돌출되는 굴곡 볼록부를 성형함으로써 단차부를 형성하고, 그 단차부보다 선단측을 타방의 부품의 개구부에 끼워맞추게 하고, 상기 일방의 부품의 단차부와 상기 타방의 부품의 세로벽부의 선단을 아크 용접에 의해 선접합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레스 성형 부품의 접합 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 일방의 부품과 상기 타방의 부품의 선접합은, 상기 단차부의 경사면부에 용접 금속의 덧살부가 붙도록 접합하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형 부품의 접합 구조.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 단차부의 높이를 D, 상기 타방의 부품의 판두께를 t2 로 했을 때, 0.5 * t2 ≤ D ≤ 2 * t2 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형 부품의 접합 구조.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 프레스 성형 부품의 접합 구조를 갖는 자동차용 구조 부품.
프레스 성형에 의해 제작한 단면의 적어도 한 변에 개구부를 갖는 2 부품을, 상기 개구부를 대향시켜 조합하여 접합해서 이루어지는 접합 부품의 제조 방법으로서,
일방의 부품의 블랭크재에 있어서의 세로벽부의 선단부에 상당하는 부위에 굴곡 볼록부를 성형함으로써 단차부를 형성하는 굴곡 볼록부 성형 공정과,
상기 굴곡 볼록부가 성형된 블랭크재에 세로벽부를 성형하여 개구부를 갖는 일방의 부품을 제조하는 제 1 프레스 성형 공정과,
블랭크재에 세로벽부를 성형하여 개구부를 갖는 타방의 부품을 제조하는 제 2 프레스 성형 공정과,
상기 일방의 부품의 상기 단차부보다 선단측을 타방의 부품의 개구부에 끼워맞추게 하고, 상기 일방의 부품의 단차부와 상기 타방의 부품의 세로벽부의 선단을 아크 용접에 의해 선접합하는 접합 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 접합 부품의 제조 방법.