JP7503888B2

JP7503888B2 - 重ね接合構造、及び自動車骨格部品

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Publication number: JP7503888B2
Application number: JP2019060343A
Authority: JP
Inventors: 博紀富士本; 雄二郎巽; 高志今村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2024-06-21
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020159489A

Description

本発明は、重ね接合構造、及び自動車骨格部品に関する。

衝突安全性の向上と燃費の向上とを両立するため、自動車車体を構成するモノコックボディの骨格をなす構造部材（以下、「自動車用構造部材」という）への高強度鋼板の適用が拡大している。現在、自動車用構造部材には引張強さが９８０ＭＰａ級の高張力鋼板が用いられており、さらに、最近は引張強さが１１８０ＭＰａ級以上の高張力鋼板の適用も検討されている。また、プレス成形と同時に焼入れを行うホットスタンプ法を用いることにより引張強さが１５００ＭＰａ以上の高強度の自動車用構造部材の製造も進められている。ホットスタンプ法によれば、鋼板が高温の軟質な状態でプレス成形を行うために成形後の寸法精度に関する問題の発生が少ないとともに、高温かつ高延性の状態でプレス成形を行うことができることから成形性に優れるという大きなメリットがある。

しかし、引張強さが７８０ＭＰａ以上の鋼板を含むようなスポット溶接継手では、ナゲットの靭性が低下し、剥離方向の応力ではナゲット端部に応力が集中するため、鋼板の引張強さが増加しても、十字引張強さ（ＣＴＳ）が、増加しないか、又は、減少するという問題がある。

この問題を解決する技術の一つとして、母材を溶融させることなくリベットやスクリューなどの機械的接合手段を用いて複数枚の金属板を機械的に接合する技術がある。この技術を用いることにより、従来よりも強度信頼性の高い、自動車部品が製造できる可能性がある。

また、自動車の車体などでは、軽量化等の目的で、鋼板とアルミニウム板、あるいは鋼板と炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）板のような異種材料の組合せを接合する場合がある。このように、組み合わせる材料が、融点や線膨張係数などの物性が異なる材料である場合は、例えば特許文献１、２に記載のように機械的接合手段をもって締結・接合することが行われている。また、電気抵抗の低いアルミニウム板では、抵抗スポット溶接に代えて摩擦撹拌点接合が用いられている場合もある。以下、機械的接合手段と摩擦撹拌点接合手段を総称して非溶融接合手段と記載する場合がある。

この非溶融接合手段を重ね接合構造に設けるにあたり、必然的に、板部材に穴を設ける必要がある。例えば、重ね合わせた複数の板部材の重ね部を、接合部においてブラインドリベットなどの機械的接合手段により接合する場合、板部材の接合部にはリベットが挿通する穴が形成される。また、重ね部を摩擦接合手段により点接合する場合、回転ツール側の板部材の接合部には、回転ツール先端のプローブの圧入痕による穴が残留する。

本発明者の検討では、重ね部を機械的接合手段や摩擦接合手段により接合した重ね接合構造では、その全体が引張変形を受けると、接合部に形成されている穴にひずみが集中して、穴を起点に小さい変形で板部材が破断する問題が生じた。特許文献１及び２等の先行技術においては、この問題に対して何ら検討が行われていない。

特開２０００－２７２５４１号公報特開２００５－１１９５７７号公報

本発明は、複数の板部材を重ね合せて形成された重ね部を、非溶融接合手段によって接合した場合に、非溶融接合部に形成された穴（第１の穴）を起点に板部材が破断するのを抑制することで、破断に至るまでの伸び（歪）量を大きくすることが可能な重ね接合構造、及び自動車骨格部品を提供することを目的とする。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）本発明の一態様に係る重ね接合構造は、重ね合わせられた複数の板部材と、前記複数の板部材の重ね部に設けられた、機械的接合手段又は摩擦撹拌点接合手段によって構成された複数の接合部と、を備え、前記複数の接合部は、前記機械的接合手段が挿通される第１の穴、又は摩擦撹拌点接合によって形成された第１の穴を有し、前記複数の板部材のうち１枚以上が、前記重ね部における前記複数の接合部の間に第２の穴を有し、
前記第２の穴の幅Ｗ、前記第２の穴の長さＬ、及び前記第１の穴の直径Ｋが、以下の式１及び式２を満たす。
Ｌ＞２×Ｋ（式１）
Ｗ＞Ｋ（式２）
（２）上記（１）に記載の重ね接合構造では、前記第１の穴の端部と前記第２の穴の端部との最短距離Ｄ、及び前記第１の穴の直径Ｋが、以下の式３を満たしてもよい。
Ｄ≧Ｋ（式３）
（３）上記（１）又は（２）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記第１の穴が、前記複数の板部材のうち１枚以上を貫通してもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記第２の穴が、前記第１の穴を有する前記板部材に設けられてもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記第２の穴が、板厚と引張強さとの積が最も大きい主板部材に設けられてもよい。
（６）上記（１）～（５）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記板部材が、前記接合部を囲み、且つ前記第２の穴から離隔された軟質部を有してもよい。
（７）上記（１）～（６）のいずれか一項に記載の重ね接合構造では、前記第２の穴を有する前記板部材が、引張強さ１２００ＭＰａ以上の鋼板であってもよい。
（８）本発明の別の態様に係る自動車骨格部品は、上記（１）～（７）のいずれか一項に記載の重ね接合構造を有する。
（９）上記（８）に記載の自動車骨格部品は、Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、バンパー、フロアメンバー、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー又はルーフレールであってもよい。

本発明によれば、複数の板部材を重ね合せて形成された重ね部を、非溶融接合手段によって接合した場合に、非溶融接合部に形成された穴（第１の穴）を起点に板部材が破断するのを抑制することが可能な重ね接合構造を提供することができる。

本実施形態に係る重ね接合構造の斜視図である。接合部の断面図である。レジスタンスエレメントウエルディングによって形成される機械的接合手段の概念図である。レジスタンスエレメントウエルディングによって形成される機械的接合手段の概念図である。摩擦撹拌点接合によって形成される摩擦撹拌点接合手段の概念図である。第２の穴の形状及び配置の例を概略的に説明する図である。第２の穴の長さＬ、第２の穴の幅Ｗ、及び第１の穴の直径Ｋを示す概略図である。軟質部を有する重ね接合構造の斜視図である。第２の穴の形状及び配置のバリエーションを例示する斜視図である。第２の穴の形状及び配置のバリエーションを例示する斜視図である。第２の穴の形状及び配置のバリエーションを例示する斜視図である。第２の穴の形状及び配置のバリエーションを例示する斜視図である。第２の穴の形状及び配置のバリエーションを例示する斜視図である。第２の穴の形状及び配置のバリエーションを例示する斜視図である。本実施形態に係る自動車骨格部品であるＢピラーの斜視図である。図９のＢピラーのＸ－Ｘ断面図である。本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＡピラー及びルーフレールの斜視図である。図１１のルーフレールのＸＩＩ－ＸＩＩ断面図である。本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＢピラーのヒンジリンフォースの斜視図である。従来の重ね接合構造を模擬した試験片の平面図及び側面図である。本発明の重ね接合構造を模擬した試験片の平面図及び側面図である。引張試験後の図１４の試験片の写真である。

本発明者らは、複数の板部材を重ね合せて形成された重ね部を、非溶融接合手段によって接合した場合に、非溶融接合部に形成された穴（以下「第１の穴」と称する）を起点に板部材が破断するのを抑制することが可能な重ね接合構造を提供する方法について検討を重ねた。その結果、接合部に形成されている第１の穴の端部にひずみが集中しないように、ひずみを分散する手段を設けることが良いと着想した。そして、板部材の重ね部において、隣り合う接合部の間に第２の穴を形成することにより、引張荷重によるひずみを分散させる構造となり、第１の穴を起点とする重ね接合構造の破壊が抑制され、破断に至るまでの伸び（歪）量を大きくできるとの知見を得た。

以下、図を適宜参照しながら、本実施形態に係る重ね接合構造１、及び自動車骨格部品２について説明する。なお、重ね接合構造１の例として、図にはフランジ１２を有する板部材１１を示すが、本実施形態に係る重ね接合構造１がフランジ１２を備えなくともよい。また、図において板部材１１の枚数が２枚又は３枚である構成を図示しながら本実施形態に係る重ね接合構造を説明するが、板部材１１の枚数を４枚以上にしてもよい。

上記知見により得られた本発明の一態様に係る重ね接合構造１は、図１に示されるように、重ね合わせられた複数の板部材１１と、複数の板部材１１の重ね部に設けられた、機械的接合手段１３２又は摩擦撹拌点接合手段１３３によって構成された複数の接合部１３（図１では図示省略）と、を備え、複数の接合部１３は、機械的接合手段が挿通される第１の穴１３１、又は摩擦撹拌点接合によって形成された第１の穴１３１を有し、複数の板部材１１のうち１枚以上が、重ね部における複数の接合部１３の間に第２の穴１４を有する。また、図１において重ね部はフランジ部１２とされているが、上述のようにフランジ部１２は必須ではない。

（１）板部材１１
板部材１１の材質は特に限定されない。板部材１１は、例えば、樹脂板、ＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）板、又は、アルミ板、アルミ合金板、ステンレス板、チタン板、若しくは鋼板等の金属板である。板部材１１が塗膜及びめっき等の表面処理層を備えてもよい。本実施形態に係る重ね接合構造は、複数の板部材１１を重ねて構成されるものであるが、複数の板部材１１の材質を同一にしてもよいし、異ならせてもよい。板部材１１の板厚及び機械強度（引張強さ、及び硬さ等）も特に限定されない。例えば、板部材１１が鋼板である場合、板部材１１の厚さを例えば０．５～２．６ｍｍとしてもよい。板部材１１がＣＦＲＰ板である場合、板部材１１の厚さを例えば０．３～４．０ｍｍとしてもよい。複数の板部材１１の板厚及び機械強度を同一にしてもよいし、異ならせてもよい。

なお、重ね接合構造の機械強度に最も影響するのは、これを構成する複数の板部材１１のうち、板厚と引張強さとの積が最も大きい板部材である。本実施形態に係る重ね接合構造では、板厚と引張強さとの積が最も大きい板部材１１を主板部材と称し、その他の板部材１１を副板部材と称する。重ね接合構造が、板厚と引張強さとの積が等しい板部材１１を２枚以上有し、且つこれらの板厚と引張強さとの積が、複数の板部材１１のうち最大である場合、これらの両方を主板部材とみなすことができる。

板部材１１の最も好適な一例は高強度鋼板、具体的には引張強さ１２００ＭＰａ以上の鋼板である。このような鋼板に本実施形態に係る重ね接合構造を適用することにより、顕著な効果が得られる。一方、引張強さが１２００ＭＰａ以下の鋼板を板部材１１とすることも妨げられず、例えば引張強さが１２００ＭＰａ以上の高強度鋼板と、引張強さが２７０ＭＰａ～９８０ＭＰａの鋼板とを組み合わせてもよい。

板部材１１が鋼板の場合には、鋼板を、表面にめっきがされていない非めっき鋼板としてもよく、合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡめっき）、溶融亜鉛めっき（ＧＩめっき）、電気亜鉛めっき（ＥＧ）、Ｚｎ－Ａｌめっき、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇめっき、Ｚｎ－Ｍｇめっきなどの亜鉛系めっきで被覆された鋼板としてもよく、さらに、クロメート、樹脂などが塗装された鋼板としてもよい、さらに、アルミニウムめっき鋼板としてもよい。板部材１１がホットスタンプ材である場合には、板部材１１を、非めっき鋼板、アルミニウムめっき、鉄とアルミニウムの金属間化合物、若しくは鉄亜鉛固溶層及び酸化亜鉛層から構成される複合層により被覆された鋼板、又は、鉄亜鉛ニッケルの固溶層及び酸化亜鉛層から構成される複合層により被覆された鋼板としてもよい。

後述する機械的接合手段によれば、溶接に適合しない板部材１１の接合も可能である。例えば、アルミ材を複数組み合わせた重ね接合構造１、及びアルミ材及び鋼材を組み合わせた重ね接合構造１等にも、機械的接合手段を適用可能である。さらには、金属板に代えてＣＦＲＰ材を用いた重ね接合構造１にも、機械的接合手段を適用可能である。後述する摩擦撹拌点接合手段１３３によっても、溶接に適合しない材料の接合が可能である。例えば、アルミ材を複数組み合わせた重ね接合構造１、及びアルミ材と鋼材とを組み合わせた重ね接合構造１等にも、摩擦撹拌点接合手段１３３を適用可能である。以上の理由により、板部材１１の材質は特に限定されない。

（２）接合部１３及び第１の穴１３１
複数の板部材１１は、その一部または全部が重ねられており、重ね部において互いに接合される。接合部１３は、非溶融接合手段、即ち機械的接合手段１３２、及び摩擦撹拌点接合手段１３３等とされる。

機械的接合手段１３２は、例えばブラインドリベット、セルフピアシングリベット（自己穿孔リベット、ＳＰＲ）、中空リベット、平リベット、ドリルネジ、ボルト、ＥＪＯＷＥＬＤ（登録商標）、及びＦＤＳ（登録商標）等である。これらによれば、板部材１１は冷間もしくは熱間で塑性加工により接合される。これらの機械的接合手段と、通電加熱及び加圧との組み合わせにより、板部材１１を接合させてもよい。機械的接合手段１３２には、ブラインドリベットなどのように重ね合わせた金属板部材１１を全て貫通するもの、及び、セルフピアシングリベットなどのように重ね合わせた金属板部材１１の一部を貫通しないものがあるが、いずれも本実施形態に係る重ね接合構造１において用いることができる。図２に示される接合部１３の例では、機械的接合手段１３２がリベットから構成されている。

機械的接合手段１３２として、レジスタンスエレメントウエルディング（ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＥｌｅｍｅｎｔＷｅｌｄｉｎｇ；ＲＥＷ）が用いられてもよい。このＲＥＷは、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、板厚方向に貫通する第１の穴１３１が形成された板部材１１（例えば、アルミ合金板）と、別の板部材１１（例えば、ボロン鋼等の鋼板）とを重ね合わせ、第１の穴１３１に鋼製のフランジ付きリベットである機械的接合手段１３２を挿入し、さらに、電極Ｘを用いて、２枚の板部材１１を挟持しながら（図３Ａを参照）、所定の電流値にて２枚の板部材１１に通電することにより、機械的接合手段１３２の先端部分と板部材１１との接触部分を溶融させてナゲット１３２’を形成する接合手段である（図３Ｂを参照）。このように、ＲＥＷは、部分的に溶融接合手段を利用しているものの、本質的にはフランジ付きリベットという機械的要素を利用した接合手段であるため、このような接合手段も機械的接合手段１３２として、本発明に好適に用いることができる。

機械的接合手段１３２によって板部材１１を接合する場合、機械的接合手段１３２を挿通させるための第１の穴１３１を、板部材１１に設ける必要がある。即ち、機械的接合手段１３２によって構成された接合部１３は、機械的接合手段１３２が挿通される第１の穴１３１を有する。機械的接合手段１３２が挿通される第１の穴１３１は、板部材１１を貫通するものであっても、貫通しないものであってもよい。

摩擦撹拌点接合手段１３３は、摩擦撹拌点接合によって形成された接合部１３である。ここで、摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＷ：ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＳｐｏｔＷｅｌｄｉｎｇ）とは、図４に示されるように、板部材１１より相対的に硬い回転ツールＹを回転させながら板部材１１に圧入し、板部材１１を溶融させることなく接合する固相接合の一種である。摩擦撹拌点接合では、回転ツールＹの回転によって生じた摩擦発熱により板部材１１の変形抵抗を低下させ、且つ回転ツールＹ周辺の板部材１１を回転ツールＹの動きによって塑性流動させ、撹拌し、一体化する（図４（Ｂ）を参照）。これら一連の工程において使われる回転ツールＹは、通常、先端がネジ加工されたプローブを有する。回転ツールを板部材１１に圧入し、摩擦撹拌点接合を実施し、次いで回転ツールＹを板部材１１から引き抜いた際、回転ツールＹが圧入された板部材１１にはプローブの圧入痕が必然的に生じる（図４（Ｃ）を参照）。即ち、摩擦撹拌点接合手段１３３によって構成された接合部１３は、プローブの圧入痕である第１の穴１３１を有する。本実施形態に係る重ね接合構造１は、プローブの圧入により板厚の８０％以上の深さの第１の穴が形成される場合に適用されることが好ましい。

なお、これらの非溶融接合手段と、他の接合手段（例えば樹脂等）とを組み合わせることも妨げられない。例えば、重ね合わせ面に接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤等）を介在させて、接着剤による接合を非溶融接合手段と併用してもよい。重ね合わせ面にシール用樹脂（シーラー、及び電着塗装等）を介在させて、合わせ目を防水ないし絶縁してもよい。重ね合わせ面に構造用接着剤及び耐衝撃型の接着剤等を介在させて、接着剤による接合を非溶融接合手段と併用することは、本実施形態に係る重ね接合構造１の好適な形態である。特に、アルミ材と鋼材とを組み合わせた構造部材の場合は、電気的絶縁ができるシール機能を有する樹脂及び接着剤等と、非溶融接合手段とを併用することが好ましい。

接合部１３の位置は特に限定されないが、接合部１３に形成される第１の穴１３１の位置を板部材１１の端部から離隔させることにより、第１の穴１３１を起点として破断する可能性を一層抑制することができる。例えば、第１の穴１３１の端部と板部材１１の端部との間の最短距離Ｌと、第１の穴１３１の直径Ｋとが以下の式を満たすことが好ましい。
Ｌ≧０．８Ｋ

接合部１３のピッチ（隣り合う接合部１３同士の間の間隔）も特に限定されない。重ね接合構造１が適用される構造物及び適用部位に応じて、ピッチを適宜設定すればよい。重ね接合構造１が自動車部品に適用される場合、例えば接合部１３のピッチは２０ｍｍ～１００ｍｍ程度としてもよい。

なお、本実施形態に係る重ね接合構造１において、第１の穴１３１は、板部材１１を貫通する穴（通し穴）に限定されず、板部材１１を貫通しない穴（止まり穴）、内面に段差がある穴（段付き穴）、内面が円錐状になっている穴（テーパ穴）、及び内面にねじが切ってある穴（めねじ穴）等であってもよい。また、第１の穴１３１は、主板部材及び副板部材のいずれに設けられてもよい。

（３）第２の穴１４
上述のように、重ね部を機械的接合手段１３２や摩擦撹拌点接合手段１３３により接合した重ね接合構造１では、重ね接合構造１の全体が引張変形を受けると、接合部１３に形成されている第１の穴１３１にひずみが集中することにより、第１の穴１３１を起点とした板部材１１の破断が生じる恐れがある。そこで本発明者らは、接合部１３に形成されている第１の穴１３１の端部にひずみが集中しないように、ひずみを分散する手段について検討した。その結果、板部材１１の重ね部において、隣り合う接合部１３の間に第２の穴１４を形成することにより、引張荷重によるひずみを分散させる構造となり、第１の穴１３１を起点とする重ね接合構造１の破壊が抑制されるとの知見を得た。

以上の知見に基づき、本実施形態に係る重ね接合構造１は、重ね部における複数の接合部１３の間に第２の穴１４を有する。第２の穴１４の形状は特に限定されず、例えば図５に示されるように、円（図５Ａ）、楕円（図５Ｂ）、正方形（図５Ｃ）、長方形（図５Ｄ）、角丸長方形（二つの等しい長さの平行線、及びこれら平行線の両端に設けられた二つの半円からなる形状）（図５Ｅ）等とすることができる。図５Ａ～Ｅでは、第２の穴１４の中心と、その両側の第１の穴１３１の中心とが直線上に並んでいるが、第２の穴１４の中心が、その両側の第１の穴１３１の中心を結ぶ線からずれていてもよい（図５Ｆ）。即ち、「重ね部における複数の接合部１３（第１の穴１３１）の間」との用語で示される領域は、第２の穴１４を配することによって重ね接合構造１の第１の穴１３１への歪み集中を緩和し、伸びを向上させることが可能となる領域全体を指し示すものである。

第１の穴１３１への歪み集中を回避する観点からは、第２の穴１４の形状を、曲線のみで構成された形状（例えば円、楕円、及び角丸長方形等）とすることが好ましい。また、第２の穴１４を形成する工程の効率を考慮すると、第２の穴１４の形状を円、及び角丸長方形のいずれかとすることが好ましい。円形の穴はドリルを使って容易に形成可能であり、角丸長方形の穴はエンドミルを直線的に移動させることで容易に形成可能である。また、金型による打ち抜き、あるいはレーザ切断装置でも容易に穴あけ可能である。さらに、フランジ端部に沿った引張応力が重ね接合構造１に負荷された際の、重ね接合構造１の伸びを一層向上させる観点からは、第２の穴１４の形状を、隣り合う第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿って延伸する長穴（例えば長方形、楕円、又は角丸長方形等）とすることが好ましい。ただし、第２の穴１４の延伸方向が隣り合う第１の穴１３１の中心を結ぶ線から若干ずれていても、上述の効果は得られる（図５Ｆ）。以下、本実施形態に係る重ね接合構造１を説明するにあたっては、第２の穴１４が、隣り合う第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿って延伸する角丸長方形の長穴である構成を例示するが、第２の穴１４はこの形状に限定されない。

第２の穴１４は、重ね接合構造１を構成する複数の板部材１１のうち１枚以上に設けられている必要があるが、いずれの板部材１１に配置するかは適宜選択することができる。好ましくは、第２の穴１４は主板部材に設けられる。上述のように、主板部材は重ね接合構造１の機械的特性に最も影響する部材であるので、第２の穴１４を主板部材に設けることによって、第１の穴１３１への歪み集中緩和効果を最大限に発揮させることができる。また、好ましくは、第２の穴１４は第１の穴１３１が存在する板部材１１に設けられる。以下、第２の穴１４を、第１の穴１３１を有する主板部材に設けた構成によって本実施形態に係る重ね接合構造１を説明する。ただし、第２の穴１４は副板部材に設けられてもよいし、第１の穴１３１を有しない板部材１１に設けられてもよい。

第２の穴１４の大きさは特に限定されないが、例えば、第２の穴１４の長さＬ、第２の穴１４の幅Ｗ、及び第１の穴１３１の直径Ｋが、以下の式１及び式２を満たすように、第２の穴１４の大きさ及び形状を定めることが好ましい。
Ｌ＞２×Ｋ（式１）
Ｗ＞Ｋ（式２）

なお、図６に示されるように、第２の穴１４の長さＬとは、第２の穴１４を挟んで隣り合う第１の穴１３１の中心を結ぶ線に第２の穴１４を投影したときの、第２の穴１４の正射影の長さである。第２の穴１４の幅Ｗとは、第２の穴１４を挟んで隣り合う第１の穴１３１の中心を結ぶ線と垂直な線に第２の穴１４を投影したときの、第２の穴１４の正射影の長さである。ただし、第２の穴１４が、重ね接合構造１の伸びの向上に貢献しないような領域を含む形状である場合は、Ｌ及びＷの測定の際にその領域は無視される。例えば、角丸長方形とスリットとを組み合わせたような形状を有する第２の穴１４において、スリット部の幅が、重ね接合構造１の伸びの向上に実質的に貢献しない程度に狭ければ、第２の穴１４の長さＬ及び幅Ｗを測定する際には、そのスリット部は無視される。

第１の穴１３１の直径Ｋは、第１の穴１３１が円筒状である場合は、板部材１１を平面視した場合の第１の穴１３１の径である。第１の穴１３１が例えば円錐状等の非円筒状である場合は、第１の穴１３１の実際の体積及び第１の穴１３１の実際の深さと同一の体積及び深さを有する円筒の径を、第１の穴１３１の直径Ｋとみなす。第２の穴１４の両隣の第１の穴１３１の直径が相違する場合、第２の穴１４の両隣の第１の穴１３１の径のうち大きいほうを、第１の穴１３１の直径Ｋとみなす。例えば図６に示されるように、直径Ｋの第１の穴と、直径がＫより小さいＫ’である第１の穴１３１との間にある第２の穴１４が式２を満たすか否かを評価するにあたっては、式にはＫの値を代入する。第１の穴１３１の平面視での形状が円ではない場合、その円相当径を第１の穴１３１の直径Ｋとみなす。めねじ穴の場合は、凹凸のピッチにおける広い部位を直径Ｋとみなす。

上述の定義から明らかなように、重ね接合構造１に複数設けられ得る第２の穴１４のそれぞれが式１及び式２を満たすか否かの評価は、第２の穴１４と、その両隣の第１の穴１３１との関係に基づいて行われる。なお、第２の穴１４と第１の穴１３１とが異なる板部材１１に設けられている場合は、複数の板部材１１が接合された状態で板部材１１を平面視したときの第２の穴１４と第１の穴１３１との位置関係に基づいて上述の値を特定すればよい。

式１を満たす第２の穴１４は、第１の穴１３１の直径Ｋに対して十分に長いので、重ね接合構造１に応力が付加されたときに、破断に至るまでの重ね接合構造１の伸び量を増大させることができる。この効果を得るために、第２の穴１４の長さＬは、長ければ長いほど好ましい。例えば、第２の穴１４の長さＬを、第１の穴１３１の直径Ｋの３倍以上（即ちＬ≧３×Ｋ）、４倍以上（即ちＬ≧４×Ｋ）、又は５倍以上（即ちＬ≧５×Ｋ）と規定してもよい。ただし、第２の穴１４の長さＬが大きすぎると、後述する第１の穴１３１の端部と第２の穴１４の端部との最短距離Ｄが狭まることとなる。第１の穴１３１の端部と第２の穴１４の端部との最短距離Ｄ、及び第１の穴１３１同士の間隔などを考慮しながら、第２の穴１４の長さＬを定めるとよい。

式２を満たす第２の穴１４が設けられた重ね接合構造１に引張応力（隣り合う第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿った引張応力）が付加された場合、第１の穴１３１の周囲よりも第２の穴１４の方が優先的に変形する。従って、式２を満たす第２の穴１４は第１の穴へのひずみ集中緩和効果を奏する。

第２の穴１４と第１の穴１３１との間隔は特に限定されないが、大きいほうが好ましい。例えば、第１の穴１３１の端部と第２の穴１４の端部との最短距離Ｄ、及び第１の穴１３１の直径Ｋが、以下の式３を満たすことが好ましい。
Ｄ≧Ｋ（式３）

式３が満たされる重ね接合構造１によれば、破断歪み（重ね接合構造１に破断が生じるまでの、重ね接合構造１の歪み量）を一層向上させることができる。何故なら、式３を満たすように第２の穴１４と第１の穴１３１との間隔が確保された重ね接合構造１に変形が生じた場合、第１の穴１３１から第２の穴１４に向かった亀裂の進展が効果的に防止されるからである。この効果を得るために、第２の穴１４と第１の穴１３１との間隔は長ければ長いほど好ましい。例えば、第１の穴１３１の端部と第２の穴１４の端部との最短距離Ｄを、第１の穴１３１の直径Ｋの２倍以上（即ちＤ≧２×Ｋ）、第１の穴１３１の直径Ｋの３倍以上（即ちＤ≧３×Ｋ）、又は第１の穴１３１の直径Ｋの４倍以上（即ちＤ≧４×Ｋ）としてもよい。ただし、第１の穴１３１の端部と第２の穴１４の端部との最短距離Ｄが大きすぎると、上述した第２の穴１４の長さＬが短くなる。第２の穴１４の長さＬ、及び第１の穴１３１同士の間隔などを考慮しながら、第１の穴１３１の端部と第２の穴１４の端部との最短距離Ｄを定めるとよい。

図７に示されるように、重ね接合構造１の板部材１１が、接合部１３（図７では図示を省略）を囲み、且つ第２の穴１４から離隔された軟質部１５を有してもよい。複数の板部材１１同士を接合する前に軟質部１５を板部材１１に設けることにより、接合部１３の形成が容易になる。例えば、引張強さが１５００ＭＰａを超えるホットスタンプ材料が板部材１１である場合、板部材１１が硬すぎて、セルフピアシングリベット等の機械的接合手段１３２を打ち込めない場合がある。軟質部１５を予め板部材１１に設けることで、複数の板部材１１同士の接合を容易にすることができる。ここで、第１の穴１３１から第２の穴１４に向かった亀裂の進展を効果的に防止するために、第２の穴１４と軟質部１５とは互いに離隔されている。

本実施形態に係る重ね接合構造１の製造方法、特に第２の穴１４（及び必要に応じて軟質部１５）の形成方法は特に限定されない。第２の穴１４及び軟質部１５を形成する工程は、板部材１１を接合する工程の前に行われても、後に行われてもよい。上述のように、板部材１１を接合する工程の前に軟質部１５を形成する工程を行う場合、接合部１３の形成が容易になるので好ましい。

上述された本実施形態に係る重ね接合構造１の具体例を、図８Ａ～図８Ｆを参照しながら以下に説明する。図８Ａ～図８Ｆは、板部材１１が曲げ部及びフランジ部１２を有し、フランジ部１２において板部材１１同士が重ねられ、接合部１３（図Ａ～図８Ｆにおいて図示省略）によって接合されている種々の重ね接合構造１である。いずれの例においても、接合部１３の間には第２の穴１４が設けられているが、第２の穴１４の形状は様々なものとすることができる。

図８Ａは、第２の穴１４が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿った長方形形状を有し、且つ第２の穴１４の中心が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線上にある例である。

図８Ｂ及び図８Ｆは、第２の穴１４が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿った角丸長方形形状を有し、且つ第２の穴１４の中心が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線上にある例である。

図８Ｃは、第２の穴１４が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿った角丸長方形形状を有し、且つ第２の穴１４の中心が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線よりもフランジ端部側にある例である。図８Ｄは、第２の穴１４が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線に沿った角丸長方形形状を有し、且つ第２の穴１４の中心が、これの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線よりもフランジ内側にある例である。図８Ｃ及び図８Ｄのように、第２の穴１４の中心がこれの両端に位置する第１の穴１３１の中心を結ぶ線上になくとも、第２の穴１４は第１の穴１３１への歪み集中の緩和効果および重ね接合構造１の伸びの向上効果を奏することができる。

図８Ｅは、第２の穴１４が、第１の穴１３１の間に２つ設けられている例である。このように、第２の穴１４は、第１の穴１３１の間に複数設けられてもよい。なお、第２の穴１４が第１の穴１３１の間に複数設けられ、図８Ｅに示されるように第１の穴１３１が並ぶ方向に沿って並んでいる場合、第２の穴１４の長さＬは、複数の第２の穴１４の長さＬの総和と定義され、第２の穴１４の幅Ｗは、複数の第２の穴１４の幅Ｗのうち最大の値と定義される。

なお、本実施形態に係る重ね接合構造１において、全ての第１の穴１３１の間に第２の穴１４を設ける必要はない。重ね接合構造１において、変形の生じやすさが一様であるとは限らないからである。例えば、変形が特に生じやすく、第１の穴１３１への歪み集中が危惧される箇所においてのみ第２の穴１４を設け、その他の箇所には第２の穴１４を設けないこととしてもよい。即ち、一部の第１の穴１３１の間にのみ第２の穴１４が設けられた重ね接合構造１も、本実施形態に係る重ね接合構造１に該当する。

本実施形態に係る重ね接合構造１の用途は特に限定されない。重ね接合構造１の好適な用途の一つとして、接合された複数の鋼板から構成される自動車部品、特に自動車骨格部品が挙げられる。自動車骨格部品は、マルテンサイトを含有する高強度鋼板から構成されるので、本実施形態に係る重ね接合構造１を容易に適用することができ、この場合に自動車の衝突安全性を高めるという顕著な効果が得られる。一方、機械的接合手段１３２及び／又は摩擦撹拌点接合手段１３３によって接合されるあらゆる板部材１１に、本実施形態に係る重ね接合構造１を適用することが可能である。例えば、リベット又は高力ボルトによって接合される橋梁部材、及び摩擦撹拌点接合によって接合されるアルミ製鉄道車両構体等に関しても、本実施形態に係る重ね接合構造１を適用することで、破断の抑制が可能であると考えられる。本実施形態に係る重ね接合構造１を、建築用の建具、梁、リンク部材、簡易倉庫、家具、冷蔵庫、テレビ、コピー機、クーラー室外機などの家電及び什器等に適用することも考えられる。

次に、本発明の別の態様に係る自動車骨格部品について説明する。本実施形態に係る自動車骨格部品は、本実施形態に係る重ね接合構造１を有する自動車骨格部品である。この自動車骨格部品は、例えばＡピラー、Ｂピラー、サイドシル、バンパー、フロアメンバー、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー又はルーフレールである。以下、本実施形態に係る自動車骨格部品の例を説明する。

図９は、本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＢピラー２の斜視図である。この図においてサイドパネルアウタは省略されている。図９のＢピラー２は、第１の穴１３１を有する機械的接合部１３（図示されていない）と、隣り合う機械的接合部１３の間（即ち第１の穴１３１の間）に設けられた第２の穴１４を有する。ただし、一部の機械的接合部１３の間（図９における、点線で囲まれた領域）には、第２の穴１４は設けられていない。これは、車体の側面衝突時の歪みの発生はＢピラーの部位に応じて異なり、衝突時に穴からの破断が発生しにくい、歪み量の小さい部位には必ずしも第２の穴を設ける必要がないとの理由による。

図１０は、図９のＢピラー２のＸ－Ｘ断面図である。このＢピラー２は、通常の鋼板であるＢピラーインナ２２と、高強度鋼板であるＢピラーリンフォース２１と、アルミ又は軟鋼であるサイドパネルアウタ２３とから構成される。これらが板部材１１に該当し、特にＢピラーリンフォース２１は主板部材に該当する。Ｂピラーリンフォース２１、Ｂピラーインナ２２、及びサイドパネルアウタ２３はその両端で接合され、主板部材に該当するＢピラーリンフォース２１には第２の穴１４が設けられている。

図１１は、本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＡピラー３及びルーフレール４の斜視図である。図１１に示された部品でも、一部の第１の穴の間にのみ第２の穴１４が設けられる。

図１２は、図１１に示されたルーフレール４のＸＩＩ－ＸＩＩ断面図である。この自動車骨格部品は、高強度鋼板であるルーフレールインナ４２と、高強度鋼板であるルーフレールアウタリンフォース４１と、アルミ又は軟鋼であるサイドパネルアウタ４３とから構成される。これらが板部材１１に該当し、特にルーフレールアウタリンフォース４１は主板部材に該当する。ルーフレールインナ４２、ルーフレールアウタリンフォース４１、及びサイドパネルアウタ４３はその両端で接合され、主板部材に該当するルーフレールアウタリンフォース４１には第２の穴１４が設けられている。

図１３は、本実施形態に係る自動車骨格部品の一例であるＢピラーのヒンジリンフォース５の斜視図である。この自動車骨格部品では、ハット状部材５２と、ハット状部材の内側に沿って配された高強度鋼板５１とが機械的接合手段である接合部１３（図示されていない）によって接合されており、高強度鋼板の接合部１３の間（即ち第１の穴１３１の間）には第２の穴１４が設けられている。フロアメンバーにも、図１３に示される構成を用いることができる。

本実施形態に係る重ね接合構造１の説明においては、２枚又は３枚の板部材１１を重ね合せた重ね部に接合部を形成した重ね接合構造を例示したが、４枚以上の板部材１１を重ね合せてもよい。また、本実施形態に係る重ね接合構造１の説明においては、２枚又は３枚の板部材１１のうち１枚の板部材１１又は２枚の板部材１１に第２の穴が形成される場合について説明したが、例えば、４枚以上（複数）の板部材１１を重ね合せた重ね部に接合部を形成して、重ね接合構造を構成してもよく、かかる場合、第２の穴が形成された板部材１１の枚数は、任意に設定することができる。また、板部材１１を重ね合せて形成する重ね部をフランジ部とする必要はない。部分補強等を目的として、フランジを有しない板部材１１同士を重ね合せて接合する重ね接合構造なども本実施形態に係る重ね接合構造に含まれることはいうまでもない。

図１４に示す、第２の穴を備えない板部材Ａ及び板部材Ｂを接合した試料Ｎｏ．１及びＮｏ．８、並びに図１５に示す、第２の穴を備える板部材Ａ及び第２の穴を備えない板部材Ｂを接合した試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．７及びＮｏ．９～Ｎｏ．１１を作成した。第２の穴は、レーザ切断によって加工した。ここで、図１４（Ａ）及び図１５（Ａ）は試料（リベット接合のもの）の平面図であり、図１４（Ｂ）及び図１５（Ｂ）は試料（リベット接合のもの）の側面図である。なお、図１４および図１５において板部材Ａは、幅２０ｍｍの平行部と、平行部の両端に設けられた幅３５ｍｍの保持部（肩部）を有する、長さ２００ｍｍの板（評点間隔５０ｍｍ）である。図１４および図１５において板部材Ｂは、板部材Ａの平行部に重ねられた、幅２０ｍｍ及び長さ６０ｍｍの板である。板部材Ａの種別、板厚、及び硬さは、全ての試料で同一とし、その内容は表１に示す通りとした。板部材Ｂの種別、板厚、及び硬さは、表１に示すＢ１及びＢ２の２種類とした。板部材Ａの金属組織は、ほぼすべてマルテンサイトであった。

板部材Ａ及び板部材Ｂの接合手段は、リベット、ＳＲＰ（セルフピアシングリベット）、及び摩擦撹拌点接合のいずれかとした。接合手段をＳＲＰとした試料のうちＮｏ．６においては、板部材ＡのＳＲＰ部に軟質部を形成した。軟質部の幅Ｗ３は１０ｍｍとし、軟質部の硬さはＨＶ２７０とした。板部材Ａ及びＢの第１の穴の直径Ｋ、及び第２の穴の形状は、表２に示す通りとした。

そして、表２の試料Ｎｏ．１～１１に引張試験を行い、その破断歪を測定した。測定結果を表２に示す。

表２に示されるように、第２の穴を有しない板部材から構成された重ね接合構造の試料Ｎｏ．１及びＮｏ．８と比較して、第２の穴を有する板部材Ａを含む重ね接合構造の試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．７及びＮｏ．９～Ｎｏ．１１は優れた破断歪を有した。

引張試験後の各試料を詳細に確認すると、第２の穴を備えない試験片は、図１４に破断部Ｚとして示すように、第１の穴を起点として破断していた。参考に、機械的接合部を備えるが第２の穴を備えなかったＮｏ．１の試験後の写真を図１６に示す。一方、第２の穴を備える試験片は、破断部Ｚとして図１５に示すように、第２の穴において破断していた。

本発明によれば、複数の板部材を重ね合せて形成された重ね部を、非溶融接合手段によって接合した場合に、非溶融接合部に形成された穴（第１の穴）を起点に板部材が破断するのを抑制することが可能な重ね接合構造を提供することができる。例えば、本発明を自動車に適用した場合、その衝突時の乗員保護性能を飛躍的に向上させることができる。従って、本発明は高い産業上の利用可能性を有する。

１重ね接合構造
１１板部材
１２フランジ部
１３接合部
１３１第１の穴
１３２機械的接合手段
１３２’ ナゲット
１３３摩擦撹拌点接合手段
１４第２の穴
１５軟質部
２Ｂピラー
２１Ｂピラーリンフォース
２２Ｂピラーインナ
２３サイドパネルアウタ
３Ａピラー
４ルーフレール
４１ルーフレールアウタリンフォース
４２ルーフレールインナ
４３サイドパネルアウタ
５ヒンジリンフォース
５１高強度鋼板
５２ハット状部材
Ｘ電極
Ｙ回転ツール
Ｚ破断部

Claims

重ね合わせられた複数の板部材と、
前記複数の板部材の重ね部に設けられた、機械的接合手段又は摩擦撹拌点接合手段によって構成された複数の接合部と、
を備え、
前記複数の接合部は、前記機械的接合手段が挿通される第１の穴、又は摩擦撹拌点接合によって形成された第１の穴を有し、
前記複数の板部材のうち１枚以上が、前記重ね部における前記複数の接合部の間に第２の穴を有し、
前記第２の穴の幅Ｗ、前記第２の穴の長さＬ、及び前記第１の穴の直径Ｋが、以下の式１及び式２を満たすことを特徴とする重ね接合構造。
Ｌ＞２×Ｋ（式１）
Ｗ＞Ｋ（式２）
前記第１の穴の端部と前記第２の穴の端部との最短距離Ｄ、及び前記第１の穴の直径Ｋが、以下の式３を満たすことを特徴とする請求項１に記載の重ね接合構造。
Ｄ≧Ｋ（式３）
前記第１の穴が、前記複数の板部材のうち１枚以上を貫通することを特徴とする請求項１又は２に記載の重ね接合構造。
前記第２の穴が、前記第１の穴を有する前記板部材に設けられることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の重ね接合構造。
前記第２の穴が、板厚と引張強さとの積が最も大きい主板部材に設けられることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の重ね接合構造。
前記板部材が、前記接合部を囲み、且つ前記第２の穴から離隔された軟質部を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の重ね接合構造。
前記第２の穴を有する前記板部材が、引張強さ１２００ＭＰａ以上の鋼板であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の重ね接合構造。
請求項１～７のいずれか一項に記載の重ね接合構造を有する自動車骨格部品。
Ａピラー、Ｂピラー、サイドシル、バンパー、フロアメンバー、フロントサイドメンバー、リアサイドメンバー又はルーフレールであることを特徴とする請求項８に記載の自動車骨格部品。