JP2005519771A - 軽量構成要素ならびにその製造方法 - Google Patents

Abstract

この発明は、押出し成形によって製造され平面状の配列において互いに接合された中空形材（１，２，３）からなる、軽金属製の骨組構造を備えた軽量構成要素に係り、この軽量構成要素は少なくとも３００ｍｍの直径を有する外接円とその値の最大０．５％からなる壁厚とを有する。

Description

発明の詳細な説明

この発明は軽金属製の内側骨組構造を有する軽量構成要素に関する。さらに、本発明はこの種の軽量構成要素を製造する方法に関する。

軽金属の使用は移動手段、特に自動車等の構造において大きな需要があり、これは重量の低減が燃料消費の削減に対して最も有効な方法であるためである。

種々の軽金属のコスト／効果対比において、この種の材料の使用による軽量化に伴って製造コストが著しく増加することが明らかである。従って、軽量構成は、それに伴ったより大きな材料コストがより合理的な製造プロセスならびに特に効率的な材料使用によって補償される場合に経済的に実現することができる。

重量と負荷耐久力あるいは剛性との間の最適な関係から軽金属製の内部骨組構造を有する軽量構成要素が好適であることが知られている。この種の軽量構成要素は押出し成形によって経済的に製造することができる。

しかしながら、押出し成形に際し、特定の加工材料の原料流に対して、成形する形材の大きさと押出し成形機あるいは受容体端部直径の大きさとの間の相対関係が決定的なものとなる。デュッセルドルフ市のアルミニウム出版社によるアルミニウム辞典１９９６年第１５巻第２版第１０３頁により、例えば純アルミニウムあるいはＡｌＭｇＳｉ合金製の均一な壁厚を有する中空形材の押出し成形に際して８０ＭＮの押出し成形機内で成形された４５０ｍｍの形材円直径を有する形材が５ｍｍの最低壁厚を許容し、一方１０ＭＮの押出し成形機内で成形された５０ｍｍの形材円直径を有する形材においては１ｍｍの最低壁厚が可能であることが知られている。このことは、大きな軽量構成要素は比較的厚い壁厚をもってのみ押出し成形によって製造し得ることを示しており、このことによってより高い製造コストが発生するとともに、この構成部品を含んだ自動車の燃料消費に悪影響がもたらされる。

従って、本発明の目的は、従来の押出し成形によって製造された軽量構成要素よりも小さな壁厚からなる、軽金属製の内部骨組構造を有する軽量構成要素を提供することである。

前記の課題は、本発明に従って、押出し成形によって製造され互いに接合された中空形材からなる、軽金属製の骨組構造を有する軽量構成要素によって解決され、この軽量構成要素は少なくとも３００ｍｍの直径を有する外接円とその値の最大０．５％からなる壁厚とを有している。本発明の特に好適な構成形態によれば、壁厚は軽量構成要素の外接円の直径の最大０．３５％となる。

本発明によれば、ここの中空形材の押出し成形および平面構成内における中空形材の接合によって所定の壁厚を有する実質的に任意の大きさの軽量構成要素が達成され、これは押出し成形の技術的制約のため特定の大きさ（例えば３００ｍｍ超の外接円の直径）からは一体的に製造することが不可能であるか、あるいは極めて高いメートル重量またはより大きな壁厚をもってのみ製造することが可能となる。

出願人が意外にも発見したように、本発明に係る押出し成形された中空形材は摩擦溶接によって接合することができる。専門家の間では従来摩擦溶接方法は少なくとも１．６ｍｍの壁厚を必要とするとされてきた（最近では２００１年１１月６〜７日にシュトゥットガルト市で開催された第２回専門会議“自動車製造の進歩”におけるアルスイス社の発表によって確認された）。この摩擦溶接はしばしば摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）とも呼ばれ、既に１０年前に開発されている（欧州特許第０６１５４８０号明細書参照）。しかしながら、自動車産業の接合方法において従来は熱溶接方法として抵抗溶接、シールドアーク溶接、およびレーザ（ハイブリッド）溶接のみが使用されており、摩擦溶接は採用されていなかった。

特に好適な方式において、摩擦溶接に際して、従来の溶接方法と異なって、溶接する加工材料の液相線温度未満において両方の加工材の溶接が実施され、従って気泡および熱亀裂が生じる著しい危険性は防止される。加えて、摩擦溶接によれば例えばアルミニウム／マグネシウム結合要素等の溶融が困難あるいは不可能な合金も溶接することができ、これは従来の溶接方法においては困難あるいは不可能である。従って、摩擦溶接方法によって全く新しい結合構成部品要素の製造方法を提供することができる。

摩擦溶接に代えるものとして、個々の中空形材を接着によって接合することができる。接着によれば、結合する中空形材にごく僅かな熱負荷しかかからないという利点があり、これによって気泡および熱亀裂の形成が防止される。

軽量構成要素を構成する中空形材は接合のためにいずれも適宜な棒、フックまたは溝形状の要素を備えることができ、互いに接合する中空形材間においてこれらの棒、フック、または溝形状の要素が互いに整合する形状を有していて中空形材を平面状に配置した際に互いに重なり合い、これによって接合する形材部分と共に摩擦溶接に際して生じる応力を受容することができる。

一方、棒、フック、溝形状要素を省略し、この場合中空形材を当接縁部のみにおいて接合することができる。摩擦溶接に際して中空形材に変形が生じないように、個々で生じる応力は適宜な装置、例えば内側スパイク等によって受容する必要がある。棒、フック、または溝形状要素の省略は、材料を節約し従ってコストおよび重量の低減に寄与することができる点から有効である。

個々の中空形材はアルミニウム、マグネシウム、チタンまたはそれらの合金から形成することができる。異なった材料からなる中空形材の接合によって有効な方式で結合加工材を製造することができる。

この特に好適な本発明の構成形態において、軽量構成要素は相互に対称な複数の中空形材から形成される。そのためより少ない工具数および簡略化された物流によって軽量構成要素の製造コストが大幅に低減される。

本発明に係る軽量構成要素を製造するために、まず製造される軽量構成要素の外接円の直径の最大で０．５％の壁厚を有する中空形材を押出し成形によって製造する。続いて、押出し成形された中空形材が平面状の配列内で軽量構成要素に接合され、この軽量構成要素は少なくとも３００ｍｍの直径からなる外接円を有する。中空形材を接合するために摩擦溶接および接着が使用される。

この方式によって製造された本発明に係る軽量構成要素は支持構造材の一部として例えば自動車に使用することができる。

次に、本発明の実施例につき添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

まず図１を参照すると、内部骨組構造を有する本発明に係る軽量構成要素の断面が示されている。この軽量構成要素は３つの中空要素１，２，３を平面状の配列において組み合わせて構成される。両方の外側形材１，３は互いに対称な形状を有しており、ここで両方の形材は縦軸に対して１８０°回転したのみの相互関係にある。両方の外側中空形材１，３は棒形状の結合要素４，５を備えており、他方中央の中空形材２はこれに整合する棒形状の結合要素６，７を備えている。中空形材の接合に際して隣接する中空形材の棒形状の結合要素が互いに当接し例えば摩擦溶接によって接合される。摩擦溶接によって生じる応力は棒形状の結合要素ならびにこれに隣接する中空形材部分８，９によって受容され、これによって不要な中空形材の変形を防止することができる。拡大図には、両方の中空形材２，３の結合要素６，７がどのようにインタロック式に着合するかが示されている。

図１に例示的に示された軽量構成要素はアルミニウム中空形材から形成されており、約１ｍｍの壁厚において約５００ｍｍの外接円直径を有している。接合される個々の中空形材は約１７０ｍｍの外接円直径を有する。

押出し成形技術上達成可能な壁厚が２ｍｍであり個々の中空形材をレーザ溶接によって溶接する、２つの同等な大きさの個別中空形材（外接円の直径２５０ｍｍ）からなる同様な軽量構成要素の製造との比較において、本発明に係る軽量構成要素によって達成される軽量化は約１５％となる。

特に好適な方式により、摩擦溶接によって接合された中空形材において製造された軽量構成要素の長期振動耐久性を大幅に高めることができる。レーザ溶接によって製造された軽量構成要素と摩擦溶接によって製造された軽量構成要素との間の長期振動耐久性を比較するために、このように製造された軽量構成要素に正弦状に上下振動する牽引荷重を異なった負荷レベルをもってかけた。その結果は図２に示されており、これは摩擦溶接（曲線ａ）およびレーザ溶接（曲線ｂ）によって製造された同等な軽量構成要素の負荷サイクル数Ｎに対する圧力振幅Ａ［ＭＰａ]の変化を示す応力サイクル図である。

図２に示されているように、７５ＭＰａの高い負荷レベルにおいてレーザ溶接による軽量構成要素は既に約３３０００回の負荷サイクルにおいて破損が見込まれ、一方摩擦溶接による軽量構成要素によれば２４００００負荷サイクルで初めて見込まれる。高負荷においては摩擦溶接による軽量構成要素はレーザ溶接によるものに比べて７．４倍高い耐久性を有する。４７ＭＰａの低い負荷レベルの場合、レーザ溶接された軽量構成要素において約２百万回の負荷サイクルで破損が生じ、一方摩擦溶接によるものにおいては約５百万回の負荷サイクルで破損が生じる。従って、低負荷において摩擦溶接による軽量構成要素はレーザ溶接による軽量構成要素に比べて２．５倍の耐久性を有している。

加えて、レーザ溶接された軽量構成要素において一般的に溶接継ぎ目に断裂が生じることが確認されており、これは溶接継ぎ目の上部と水素細孔に起因するものであり、一方摩擦溶接による軽量構成要素において断裂は基礎材料内に存在し形材の割れ目、すなわち押出し成形マークまたは表面凹凸から発している。

図３には、中空形材の多様な接合部の形状が示されている。Ｉのケースにおいて示されている中空形材はその形状に適合したフック形状の結合要素１０，１１を備えている。中空形材を接合するために、フック形状の結合要素は互いに係合し（右側の図）、続いて例えば摩擦溶接によって着合面が接合される。溶接針によって中空形材にかけられる機械的圧力はフック形状の結合要素１０，１１ならびに隣接する形材部分１８，１９によって受容され、これによって中空形材の変形が防止される。

図３のＩＩのケースにおいて１つの中空形材は棒状のテラス形結合要素１２，１３を備えており、これと接合する中空形材はテラス形結合要素１２，１３と整合するテラス形結合要素１４，１５を備えている。中空形材を接合するために、棒状の結合部材を互いに着合させ、続いて例えば着合面の摩擦溶接によって接合する。摩擦溶接に際して中空形材にかかる圧力はテラス形の結合要素ならびに隣接する形材部分２０，２１によって受容される。

図３のＩＩＩのケースにおいて、中空形材は互いに形状が整合している当接面１６，１７を備えている。接合のために当接面１６，１７を互いに着合させ着合面を溶接する。摩擦溶接に際して中空形材にかかる圧力は適宜な装置、例えば内側スパイクによって受容する必要があり、これによって中空形材の変形を防止する。

接合された３つの個々の中空形材からなる、本発明にかかる内側骨組構造を有する軽量構成要素を示す断面図である。 摩擦溶接（曲線ａ）およびレーザ溶接（曲線ｂ）によって加工される軽量構成要素の負荷サイクルＮに対する圧力振幅Ａ［ＭＰａ］の変化を示す応力サイクル図である。 隣接し合った軽量構成要素の接合部の例を示す説明図である。

Claims (13)

1. 押出し成形によって製造され平面状の配列において互いに接合された中空形材からなる、軽金属製の骨組構造を備えた軽量構成要素であり、少なくとも３００ｍｍの直径を有する外接円とその値の最大０．５％からなる壁厚とを有する軽量構成要素。
2. 壁厚は軽量構成要素の外接円の直径の最大０．３４％となることを特徴とする請求項１記載の軽量構成要素。
3. 軽量構成要素の壁厚は１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の軽量構成要素。
4. 軽量構成要素の壁厚は１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の軽量構成要素。
5. 中空形材を摩擦溶接によって接合することを特徴とする請求項１記載の構成要素。
6. 個々の中空形材を接着によって接合することを特徴とする請求項１記載の構成要素。
7. 中空形材が接合に際して発生する応力を受容するために適した棒、フック、あるいは溝形状の結合要素を備えることを特徴とする請求項１記載の軽量構成要素。
8. 中空形材がアルミニウム、マグネシウム、チタン、またはそれらの合金から形成されることを特徴とする請求項１記載の軽量構成要素。
9. 中空形材が異なった軽金属または軽合金から形成されることを特徴とする請求項８記載の軽量構成要素。
10. 互いに対称形である中空形材から構成される請求項１記載の軽量構成要素。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の軽量構成要素の製造方法であり：
    （ａ） 製造される軽量構成要素の外接円の直径の最大０．５％の壁厚を有する中空形材を押出し成形し；
    （ｂ） 複数の中空形材を平面状の配列において接合して少なくとも３００ｍｍの直径からなる外接円を有する軽量構成要素を形成する、
    ステップからなる方法。
12. 中空形材は摩擦溶接によって接合する請求項１１記載の方法。
13. 中空形材は接着によって接合する請求項１１記載の方法。

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