構造部材
【課題】中空断面の一部に溶着部を必然的に有する、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材からなる、断面が円管状の構造部材において、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度やエネルギ吸収量を有効に向上させることを目的とする。
【解決手段】ポートホール押出による溶着部３を有する、円管状アルミニウム合金押出管材１からなり、この円管の円環断面の一部を一辺の長さが特定範囲の直線状の辺２となし、溶着部３を直線状の辺２の中に設けて重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度やエネルギ吸収量を有効に向上させる。
【解決手段】ポートホール押出による溶着部３を有する、円管状アルミニウム合金押出管材１からなり、この円管の円環断面の一部を一辺の長さが特定範囲の直線状の辺２となし、溶着部３を直線状の辺２の中に設けて重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度やエネルギ吸収量を有効に向上させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポートホール押出加工により製造される、円環状の断面形状をその長手方向に亙って有する円管状のアルミニウム合金製押出管材からなる、構造部材に関するものである。以下、アルミニウムを単にＡｌとも言う。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、自動車などの輸送機材では、車体の軽量化の観点から、種々のアルミニウム合金製の構造部材が用いられている。
【０００３】
自動車などの構造部材では、軽量だけではなく、高剛性あるいは高強度であることが望まれる。特に、耐衝突用の補強材用途に用いる構造部材の場合には、高い変形強度が要求されることになる。これに対応するために、このような構造部材には、平板状や開断面形状ではなく、その長手方向に亙って中空閉断面形状の部品が用いられることが多い。
【０００４】
この点、熱間押出加工によって製造されるアルミニウム合金押出管材（押出形材）は、その長手方向に亙る均一な閉断面化した中空断面形状が予め得られるため、圧延板素材を成形、接合して閉断面化させる場合に比べて、接合費が不要になる。そして、前記圧延板では製造しにくい７０００系アルミニウム合金などの、比較的強度の高いアルミニウム合金材料でも比較的容易に製造できるという利点がある。
【０００５】
このため、このような閉断面構造を有する押出管材は、比較的高強度が要求される車体構造部材として、例えば、自動車のクロスメンバー（特許文献１参照）、自動車のサイドドア用のインパクトビーム（特許文献２参照）、自動車のルーフ補強材（特許文献３参照）などとして、これまでも多数検討あるいは実用化されている。
【０００６】
これらの押出管材製の車体の構造部材は、断面が矩形の中空閉断面構造を有するとともに、共通して、前記変形強度を大きくするために、閉断面構造から側方に張出した平板状の突出フランジ部を有している。このような閉断面構造と突出フランジ部との組み合わせは、押出形材製の自動車のバンパ補強材など、他の車体の構造部材としても知られている。
【０００７】
一方で、車両用の座席フレームを構成する構造部材など、その用途によっては、形状の制約などにより、長手方向に一様な断面の直線部材では対応できず、曲げ加工等により、長手方向形状を変化させる場合がある。特に、このような形状制約が厳しく、かつ小Ｒでの曲げ加工が必要な場合には、座屈や破断防止の観点から、前記矩形や突出フランジ部を有する中空閉断面構造（管構造）は適用できず、断面形状が円環である円管部材が良く用いられている。
【０００８】
このような円管状のアルミニウム合金押出管材としては、小Ｒ曲げ加工が要求される場合の加工不良抑制のために、少なくとも曲げ内側方向を曲率のあるアーチ形状にすることで座屈を防止するというような構造案も、特許文献４などで提案されている．
【０００９】
また、このような円管状のアルミニウム合金押出管材（以下、単に円管部材とも言う）は、自動車車体衝突時に、断面方向（長手方向とは直角の方向）から衝突荷重が付加されても、圧縮面での座屈が生じにくく、かつ、断面が均一に変形しやすい。このため、車体衝突時の変形荷重が高く、かつ、その断面潰れ（断面変形）によっても破断が生じにくいこととなる。したがって、このような特性を利用して、前記曲げ加工されて最終形状とされた上で、耐衝突用あるいは衝突エネルギ吸収用の構造部材として使用されることも多い。
【００１０】
ところで、このような構造部材としてのアルミニウム合金押出管材は、５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）アルミニウム合金を除いて、製造コストの面からは、マンドレルを用いた間接押出などに比して、比較的安価な、ポートホール押出により通常製造される。
【００１１】
このポートホール押出は、周知の通り、複数のポート孔をそなえたマンドレルボディとダイスを組合わせたポートホールダイスを使用して行われ、アルミニウムビレットは、前記ポート孔で分断された後、前記マンドレルを取り囲んで再び溶着して一体化し、内面を前記マンドレルで、外面を前記ダイスで成形されて中空材（管材）となる。このため、ポートホール押出で製造されたアルミニウム合金押出管材（中空押出形材）には必然的に溶着部が存在し、溶着部と溶着部以外とで互いの組織が異なるために、素材の機械的性質にも差異があることが知られている。具体的には、前記溶着部の破断限界は、通常部に比べて低くなり、前記曲げ加工条件や使用条件によっては、この溶着部の破断によって、構造部材としての曲げ強度が低下してしまうという問題が生じる。
【００１２】
したがって、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材では、この溶着部の破断限界向上のために、例えば特許文献５〜１０など、従来からさまざまな材料塑性や製造条件での改良検討が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２４０５４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２８５０１９号公報
【特許文献３】特開２００９−３５２４４号公報
【特許文献４】特開２００４−５１０６６号公報
【特許文献５】特許２９２８４４５号公報
【特許文献６】特許３８５３０２１号公報
【特許文献７】特許４１０１６１４号公報
【特許文献８】特開２００３−１５４４０７号公報
【特許文献９】特開２００７−２３１４０８号公報
【特許文献１０】特開２００９−４５６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、これら材料塑性や製造条件側からの従来技術でも、前記溶着部の性質を通常部と完全に同等にすることは難しい。したがって、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材を用いた構造部材の曲げ強度を向上させるためには、素材が有する機械的性質の差異による前記問題点を、構造面や形状面での工夫により対策する（補う）ことが必要となる。しかし、従来から、このような構造面や形状面で工夫した事例はあまり見られず、特に、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度を有効に向上させた例は、これまであまり無い。
【００１５】
このような事情に鑑み、本発明の目的は、ポートホール押出による１箇所か２箇所の溶着部を必然的に有する円管状のアルミニウム合金押出管材からなる構造部材において、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度を有効に向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的を達成するための本発明構造部材の要旨は、ポートホール押出による１箇所か２箇所の溶着部をその長手方向に亙って有する円管状のアルミニウム合金押出管材からなり、この押出管材断面の円環の一部を一辺の長さが前記円環の外径の５％以上２５％以下の長さを持つ直線状の辺となし、この直線状の辺を前記各溶着部の位置に対応させて前記中空押出管材の長手方向に亙って設けて、前記溶着部を前記直線状の辺内に設けたことである。
【００１７】
ここで、前記構造部材が前記アルミニウム合金押出管材を予め曲げ加工を施されたものであることが好ましい。また、前記構造部材が、自動車用の耐衝突用補強部材に用いられ、この補強部材として想定される荷重負荷方向に対して、前記押出管材の断面方向が平行になるように配置されるとともに、前記直線状の辺も、前記想定される荷重負荷方向に対して平行になるように、かつ前記押出管材の中立軸と交わるように配置されていることが好ましい。なお、前記構造部材が曲げ加工したアルミニウム合金押出管材からなる場合、曲率を有する部分あるいは曲げられた部分では、前記押出管材の断面方向や前記直線状の辺は、想定される荷重負荷方向に対して、厳密なあるいは正確な意味での平行とはならない。したがって、この「平行」とは厳密な意味での平行関係だけでなく、いわば「略平行」の意味であり、厳密な意味での平行な関係からの、構造部材の曲がり度合い（曲げ加工度合い）や部位（位置）による、多少の角度の差やズレを含みうる。
【発明の効果】
【００１８】
ポートホール押出による溶着部が存在する円管部材（断面が円管のアルミニウム中空押出形材）の場合、後述する図３、４、５の通り、曲げ変形に対する溶着部の位置によって、曲げ強度が大きく異なる。
【００１９】
例えば、円管部材に対する自動車車体衝突時や曲げ加工を想定すると、円管部材の断面方向（長手方向とは直角の方向）に、図３〜５において矢印で示す曲げ荷重が負荷される。後述する通り、管軸方向に最大引張応力が生じる曲げ最外側部に溶着部３、３が配置された図４の場合には、通常部に比べて溶着部３、３の破断限界が低いため、管としての破断限界が低下し、曲げ強度が著しく低くなる。
【００２０】
また、図５に示すような、円管部材（押出管材）１の中立軸近傍に溶着部３、３がある場合、中立軸近傍であるために、管軸方向の応力はほとんど発生しないが、断面の潰れ変形に応じて、溶着部３、３が集中的に曲げ変形することになり、矢印で示す断面周方向への曲げ応力により、やはり破断が生じやすくなる。
【００２１】
しからば、円管部材における溶着部の向きを、前記荷重方向に対して、最も曲げ強度が高くなる方向に向ければ良いこととなるが、このような溶着部溶着部３、３自体、通常の薄肉な円環の円管部材では微小となって、その外観形状からは分かりにくく、特に、円管部材の場合には、実際の曲げ加工や構造部材としての施工現場で、これら溶着部３、３がどこにあるかを判断（識別）することは困難である。このため、結果的に、前記図４、５など、曲げ強度上、最も不利な位置に溶着部が配置されることも起こりえるため、構造部材としての強度性能にバラツキが生じることとなる。
【００２２】
これに対して、本発明では、図１に示す通り、円管部材（アルミニウム合金押出管材）の断面の円環の一部を特定の長さを有する直線状の辺２となし、前記溶着部を、この前記直線状の辺内に設けるため、円管部材の外寸も若干減少し、同時に重量も軽減されることになる。これにより、溶着部が存在しても、前記曲げ荷重の負荷時において、溶着部へのひずみ集中が抑制され、前記構造部材としての曲げ強度が向上させるとともに、重量も軽減できることを知見した。
【００２３】
したがって、本発明によれば、円管部材の、構造部材への曲げ加工性や、構造部材としての耐衝突性に必要な、曲げ強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明構造部材を示す断面図である。
【図２】本発明構造部材の最良の使用態様を示す説明図である。
【図３】図３の本発明構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図４】従来の構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図５】従来の構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図６】本発明構造部材の別の使用態様を示す説明図である。
【図７】図６の本発明構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図８】本発明実施例における構造部材の機械的性質のＦＥＭ解析の前提条件を示す説明図である。
【図９】本発明実施例における構造部材の機械的性質のＦＥＭ解析の前提条件を示す説明図である。
【図１０】本発明実施例における構造部材の機械的性質のＦＥＭ解析結果を示す説明図である。
【図１１】本発明構造部材における直線状の辺の長さの最大荷重との関係を示す説明図である。
【図１２】本発明構造部材における直線状の辺の長さのエネルギ吸収量との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明構造部材の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２６】
（溶着部による曲げ強度低下の理由）
まず、ポートホール押出による溶着部の存在する円管部材１の、曲げ変形時における変形形態を用いて、現状の円管部材の曲げ強度が低くなる理由を説明する。なお、ここで言う円管部材１とは、断面（形状）が円環である円管の構造部材の呼称であり、断面（形状）が円環である円管の素材アルミニウム合金押出管材のことも意味する。
【００２７】
図４、５に、従来例である円管部材１（アルミニウム合金押出管材）に対する断面方向（長手方向とは直角の方向）から、矢印で示す曲げ荷重を負荷した時の変形形態を、左側の長手方向（中央部を境に左半分のみ）の図と、右側の中央部のＡ−Ａ線断面図とで示す。これら図４、５は、自動車車体衝突時を模擬した変形形態を示しているが、この円管部材１をアルミニウム合金押出管材の曲げ加工時する場合も同様の問題が生じる。
【００２８】
図４は、曲げ荷重方向に対して、円管部材１の円環（リング）の対称位置に各々ある２箇所の溶着部３、３が、衝突面およびその背面に設けられている場合を示している。また、図５は、曲げ荷重方向に対して、前記溶着部３、３が円管部材（押出管材）１の中立軸近傍に設けられている場合を示している。なお、図４、５の円管部材１は、便宜的に、曲げ加工されていない、長手方向に直線的な部材として示している。
【００２９】
図４に示すような位置に溶着部３、３がある場合、管軸方向に最大引張応力が生じる、曲げ最外側部に溶着部３、３が配置されることになる。前記した通り、これらの溶着部３、３は、通常部に比べて破断限界が低いため、このような条件では、管としての破断限界が低下し、曲げ強度が著しく低くなる。
【００３０】
逆に、図５に示すように、管の中立軸近傍に溶着部３、３がある場合、中立軸近傍であるために、図４のような管軸方向の応力はほとんど発生しない。しかし、円管（円環）断面の潰れ変形に応じて、溶着部３、３が集中的に曲げ変形することになり、矢印で示す断面周方向への曲げ応力により、やはり破断が生じやすくなる。
【００３１】
そして、これらの溶着部３、３自体、通常の肉厚１０ｍｍ以下程度の薄肉な円環（リング）の円管部材１では微小であり、拡大鏡や顕微鏡による組織観察にて始めて判別可能であり、目視やその外観形状だけからでは判別できない。このため、特に円管部材の場合には、実際の曲げ加工や構造部材としての施工現場で、これら溶着部３、３がどこにあるかを判断（識別）することは困難である。したがって、結果的に、前記図４、５などのように、曲げ強度上、最も不利な位置に溶着部が配置されることも、大いに起こり得るため、構造部材としての強度性能にバラツキが生じることとなる。なお、この図４、５および後述する図１、２、３などを含めて、図示している溶着部３は、分かりやすいように、目視では判別できない実際とは異なり、敢えて実線で表現している。
【００３２】
（本発明の実施形態）
これに対して、図１に、本発明の一実施形態を円管部材１の断面図で示す。図１（ａ）は、ポートホール押出による溶着部３、３が、円管部材１の断面の円環の対称位置に、各々２箇所ある場合を示す。図１（ｂ）はポートホール押出による溶着部３が円管部材１の円環の１箇所にしかない場合を示す。
【００３３】
円管部材１はアルミニウム合金押出管材からなり、この押出管材の断面形状が円管であるとともに、この円管の断面の円環の一部を、直線状の辺２となしている。この直線状の辺２は、前記円管部材１の円環の前記各溶着部３の位置に対応させて、前記押出管材（円管部材１）の長手方向に亙って設けている。
【００３４】
この直線状の辺２は、その両端側に設けられた折れ点４により、元々の円環状（円管状）の形状部分と接続されている。この直線状の辺２は、前記溶着部３の数が１箇所であれば１箇所、２箇所であれば２箇所など、溶着部３の数に応じて設ける。したがって、前記折れ点４も、直線状の辺２の数が１箇所であれば合計２箇所、直線状の辺２の数が２箇所であれば合計４箇所となる。
【００３５】
すなわち、図１（ａ）では、２箇所の溶着部３、３の位置に対応させて、円管部材１の円環の対称位置に、直線状の辺２を各々設ける。また、図１（ｂ）では、１箇所の溶着部３の位置に対応させて、円管部材１の円環に、直線状の辺２を設ける。そして、前記各溶着部３を、各々前記直線状の辺２の内（中）に設ける。
【００３６】
（本発明の使用形態）
図２は、本発明の円管部材１としての最良の使用形態を示し、図２（ａ）は、円管部材１（アルミニウム合金押出管材）が、その長手方向の両端側にて、治具などの固定端５、５によって、各々自動車車体側や座席フレームなどの自動車構造部材に、支持、固定された状態を示している。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、この図２は、通常は曲げ加工して使用される円管部材１につき、その荷重に対する変形状態を分かりやすくするために、敢えて直線状の態様の場合で示している。
【００３７】
この図２では、前記図１（ａ）の溶着部３、３を２箇所有する円管部材１が、矢印で示す想定される荷重負荷方向に対して、前記円管部材１の断面方向が平行になるように配置されている。そして、前記直線状の辺２も、前記想定される荷重負荷方向に対して平行になるように配置されている。このような使用形態は、自動車用の耐衝突用補強部材などの構造部材として最適である。
【００３８】
この図２は、円管部材１の断面方向（長手方向とは直角の方向）から、矢印で示す曲げ荷重を負荷した時の変形形態を示している。したがって、図２は、円管部材１への自動車車体衝突時や、あるいは、この円管部材１への直線状のアルミニウム合金押出管材を曲げ加工する時の荷重負荷を想定している。
【００３９】
（本発明における変形形態）
この図２の円管部材１に対して、曲げ荷重を負荷した時の変形形態を図３に示す。図３では、前記図４、５と同様に、円管部材１（アルミニウム合金押出管材）に対する断面方向（長手方向とは直角の方向）から、矢印で示す曲げ荷重を負荷した時の変形形態を、左側の長手方向（中央部を境に左半分のみ）の図と、右側の中央部のＡ−Ａ線断面図とで示す。
【００４０】
図３において、本発明では、真円の円管の円環の一部を直線状の辺２とすることによって、破断が生じやすい溶着部３、３の両側に、円管の円環と直線状の辺２との境界である、合計４箇所の折れ点（変曲点）４、４を各々配置していることとなる。この図３の場合は、直線状の辺２の数が２箇所なので合計４箇所となる。
【００４１】
この折れ点（変曲点）４、４の存在によって、曲げ荷重負荷時の円管部材１の断面潰れ変形の際には、これら合計４箇所の折れ点４、４にひずみが集中して、折れ点４、４を基準（起点）とする曲げ変形が生じる。これによって、直線状の辺２内にある、溶着部３、３へのひずみ集中を防止して、円管部材１の断面潰れ変形の際の、低強度部である溶着部３、３での破断を抑制することができる。この結果、円管部材１の破断限界の向上効果や曲げ強度の向上効果が得られる。
【００４２】
そして、図３において、溶着部３、３は、前記従来例の図５と同様に、中立軸近傍に配置されることになるため、言い換えると、直線状の辺２が円管部材（押出管材）１の中立軸と交わる（図３では直交する）ようにしているため、管軸方向への引張応力はほとんど加わらないという利点もある。また、本発明では、外径Ｄの真円の円環の一部を、直辺に置き換えることで，補強材断面の最大外寸も若干減少し、同時に重量も軽減されることになる。更に、直線状の辺２の円環において設ける位置を、図２のように中立軸近傍に設定している（直線状の辺２が円管部材（押出管材）１の中立軸と交わるようにしている）ことで、この部位の断面積が減少しても、曲げ強度への影響が小さくなる。
【００４３】
（直線状の辺の長さ）
ここで、前記直線状の辺２の一辺の長さｄは、前記円管部材１の円環の（円管の）外径Ｄの５％以上２５％以下の長さ、好ましくは前記円管部材１の円環の（円管の）外径Ｄの１０％以上２０％以下の長さを持つようにする。なお、直線状の辺２の一辺の長さｄとは、径方向（円環の厚み方向）ではなく、謂わば円環の周方向である。
【００４４】
直線状の辺２の長さｄを、円管部材の円環の（円管の）外径Ｄの２５％以下に設定すれば、曲げ強度の低下に比べて、溶着部３へのひずみ集中抑制効果が大きく、部品として曲げ強度が向上できる。直線状の辺２の長さｄが長すぎると、中立軸から遠い部分の断面積や断面高さも減少し、曲げ強度が急激に低下することになる。
【００４５】
一方、直線状の辺２（折れ点４）による、溶着部３への前記ひずみ集中の抑制効果を十分に得るためには、一定以上の直線状の辺２の長さｄが必要であり、このための長さｄは、円管部材１の円環の（円管の）外径Ｄの５％以上とする。
【００４６】
（その他の使用形態）
図６、７には、円管部材１の望ましくない使用形態を示す。図６は前記図１と同じ断面図、図７は前記図３と同じ形式の図である。これら図６、７では、共通して、押出形材の直線状の辺２を、矢印で示す曲げ荷重に対する、衝突面に垂直に設けている。
【００４７】
このうち、図６（ａ）は、円管部材１の円環の一部を直線状の辺２に置き換えた構造であるが、曲げ強度に最も影響する、円管部材１の（円環の）断面の高さＨが、従来例である円管部材の真円の断面の高さＤ（円環の外径Ｄ）に比べて小さくなる（Ｈ＜Ｄ）。このため、図６（ａ）の条件では、通常、従来例である円管部材よりも曲げ強度が低下してしまう。
【００４８】
これを補うために、図６（ｂ）のように断面高さを、従来例である円管部材の真円の断面の高さに一致させるべく大きくした場合（Ｈ＝Ｄ）、円管部材１の（円環の）断面が、高さ方向に拡大することになり、円管部材１の曲げ強度は増加する。しかし、同時に、円管部材１の重量自体も若干増加してしまう。
【００４９】
また、図６（ａ）、（ｂ）の場合に共通して言えるのは、図７に示すように、曲げ外側の管軸方向最大引張応力発生位置に、溶着部３が配置されることになるため、管軸方向引張応力に起因する破断に対する抑制効果は得られない点である。
【００５０】
以上述べたように、本発明は、溶着部３への変形が集中するのを抑制でき、従来から用いられている円管部材に比べて、重量および断面スペースを増加させずに、却って減少させることもできた上で、曲げ強度を向上することが可能である。
【００５１】
更に、本発明では、曲げ加工性、曲げ変形時の変形強度に優れる円管（円形断面）形状を基本形状としていることで、曲げ加工あるいは曲げ変形時の座屈が生じにくく、断面の潰れ変形により、破断も生じにくい。また、加えて、直線状の辺２に溶着部３を設定し（収容し）、前記使用態様のように、その方向を規定することにより、溶着部３位置のバラツキによる、円管部材１としての特性（機械的性質）や性能のバラツキを抑制することも出来る。
また、直線状の辺２の円環において設ける位置を、曲げ加工時における中立軸近傍に設定している（直線状の辺２が円管部材（押出管材）１の中立軸と交わるようにしている）場合、曲げ加工における破断も生じにくくなり、より小Rでの曲げ加工が出来るため、さらに好ましい。
【００５２】
（構造部材の製法）
そして、この押出形材の直線状の辺２は、通常の汎用されている条件範囲内での（常法による）ポートホール押出時に、円管材の円環（断面）に一体的に設けることができるため、加工（製造）上のコストアップも生じない。すなわち、本発明の素材アルミニウム合金押出管材は、複数のポート孔をそなえたマンドレルボディとダイスを組合わせたポートホールダイスを使用した周知のポートホール押出にて、常法により製造できる。そして、この素材アルミニウム合金押出管材を曲げ加工して構造部材形状（構造）とし、前記固定端５への取り付け穴の設置などの必要な機械加工がされて、前記図２のような使用状態（取り付け方）で使用する。
【００５３】
（構造部材の厚み）
本発明における、構造部材（円管部材あるいは素材アルミニウム合金押出形材）の円環（壁）の厚みは、直線状の辺２の部分を含めて、均一であってもよく、部分的に異ならせても良い。ただ、構造部材としての軽量化を阻害せずに（あまり重くならずに）、前記必要な曲げ強度などの特性を満たすためには、円環（壁）の厚みは１．５ｍｍ〜７ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００５４】
（使用アルミニウム合金）
このような厚み条件のもとで、必要な曲げ強度を得るために、本発明に適用するアルミニウム合金は、構造部材としての使用時の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上の高強度であることが好ましい。また、このような高強度アルミニウム合金押出管材とは、ポートホール押出後にＴ５以上の調質処理を施した（溶体化および焼入れ処理や人工時効処理などの熱処理を施した）、高強度なＡ６０００系かＡ７０００系のアルミニウム合金を用いることが好ましい。
【実施例】
【００５５】
本発明の実施例として、前記図２の円管部材１につき、外寸や肉厚を一定として、円環の直線状の辺２の一辺の長さｄを、円環（円管）の外径Ｄとの比で種々変えた場合の、曲げ強度を調査するため、最大荷重との関係をＦＥＭ解析した。また、耐衝突用あるいは衝突エネルギ吸収用の構造部材（補強部材）としてのエネルギ吸収量との関係も合わせてＦＥＭ解析した。これらの結果を図１１、１２に示す。
【００５６】
ＦＥＭ解析の前提条件としての計算モデルを図８、９に示す。図８は、前記図２と同じく、曲げ加工されていない直線状の円管部材１（アルミニウム合金押出管材）が、その長手方向の両端側にて、支持、固定された状態を示している（但し、部材中央部から右半分のみを開示）。また、図９は、図８のＡ−Ａ線断面図であり、図９（ａ）は直線状の辺２の無い従来例（通常の円管）で、ｄ＝０ｍｍである。図９（ｂ）は直線状の辺２を２箇所、各々中立軸近傍で、荷重方向に対して平行な方向に各々設けた前記図２の発明例である。
【００５７】
ＦＥＭ解析には、汎用の動的陽解法ソフトＬＳ−ＤＹＮＡ ｒ．９６０を用いて動的圧壊試験解析を行なった。荷重データ採取は、円管部材１の両端部を、支点間距離を３５０×２＝７００ｍｍとして支持（完全拘束）した上で、中央部へ準静的に剛体を載荷（荷重）する３点曲げ試験の要領とした。
【００５８】
また、直線状の辺２の一辺の長さｄが長くなるほど、円管部材１の断面は小さくなっていくので、ＦＥＭ解析に際しての素材押出管材の機械的性質の仮定条件を図１０に示す。図７は引張強度とεとの関係を示し、上側の線が円管の円環の通常部、下側の線が溶着部３である。実際にポートホール押出後にＴ５調質処理されて製造された、７００３系アルミニウム合金押出管材の実績データでは、円管の円環の通常部の０．２％耐力が３５２ＭＰａ、溶着部３の０．２％耐力が３０４ＭＰａである。このため、この実績を基に、解析では、溶着部３の０．２％耐力を通常部の８５％耐力、溶着部３の周方向の長さ（幅）を１ｍｍに設定した。
【００５９】
図１１に最大荷重Ｐｍａｘ（縦軸）と無次元直線部長さｄ／Ｄ（横軸）との関係、図１２に最大荷重点までのエネルギ吸収量（縦軸）と無次元直線部長さｄ／Ｄ（横軸）との関係を各々示す。
【００６０】
図１１から分かる通り、直線状の辺２の一辺の長さｄが、円管部材１の円環の外径Ｄの５％以上２５％以下の長さである、ｄ／Ｄ＝０．０５〜０．２５の間で、図９（ｂ）の発明例における最大荷重Ｐｍａｘは、ｄ＝０ｍｍである図９（ａ）の従来例（通常の円管）に比べて高くなっている。具体的には、曲げ強度が約６％向上しており、最も高い曲げ強度が得られる条件はｄ／Ｄ＝０．１５程度であることが分かる。
【００６１】
また、図１２から分かる通り、直線状の辺２の一辺の長さｄが、外径Ｄの５％以上２５％以下の長さである、ｄ／Ｄ＝０．０５〜０．２５の間で、図９（ｂ）の発明例におけるエネルギ吸収量も、ｄ＝０ｍｍである図９（ａ）の従来例（通常の円管）に比べて高くなっている。
【００６２】
この一方で、図１１、１２において、ｄ／Ｄ≧０．３である、直線状の辺２の一辺の長さｄが外径Ｄの２５％を超えるような長さでは、通常の円管よりも、最大荷重およびエネルギ吸収量が低下している。
【００６３】
因みに、このＦＥＭ解析による、曲げ試験における荷重−変位関係では、変形荷重は、変形の進行に応じて増加し、最大荷重点に到達後、急激に減少したが、前記図９（ｂ）の発明例のように、中立軸近傍に直線状の辺２を２箇所設けても、初期の荷重−変位関係に大きな差異はなく、曲げ剛性は、図９（ａ）の従来例と等価であった。
【００６４】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明の要件の臨界的な意義が裏付けられる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明によれば、中空断面の一部に溶着部を必然的に有する、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材からなる、円管状の構造部材において、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度やエネルギ吸収量を有効に向上させることができる。このため、小Rでの曲げ加工が要求されることが多い座席用フレームなどの構造部材や、自動車用の耐衝突用補強部材などの構造部材として最適である。
【符号の説明】
【００６６】
１：円管部材（構造部材、アルミニウム合金押出管材）、２：直線状の辺、３：溶着部、４：折れ点、５：固定端、１０：剛体、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポートホール押出加工により製造される、円環状の断面形状をその長手方向に亙って有する円管状のアルミニウム合金製押出管材からなる、構造部材に関するものである。以下、アルミニウムを単にＡｌとも言う。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、自動車などの輸送機材では、車体の軽量化の観点から、種々のアルミニウム合金製の構造部材が用いられている。
【０００３】
自動車などの構造部材では、軽量だけではなく、高剛性あるいは高強度であることが望まれる。特に、耐衝突用の補強材用途に用いる構造部材の場合には、高い変形強度が要求されることになる。これに対応するために、このような構造部材には、平板状や開断面形状ではなく、その長手方向に亙って中空閉断面形状の部品が用いられることが多い。
【０００４】
この点、熱間押出加工によって製造されるアルミニウム合金押出管材（押出形材）は、その長手方向に亙る均一な閉断面化した中空断面形状が予め得られるため、圧延板素材を成形、接合して閉断面化させる場合に比べて、接合費が不要になる。そして、前記圧延板では製造しにくい７０００系アルミニウム合金などの、比較的強度の高いアルミニウム合金材料でも比較的容易に製造できるという利点がある。
【０００５】
このため、このような閉断面構造を有する押出管材は、比較的高強度が要求される車体構造部材として、例えば、自動車のクロスメンバー（特許文献１参照）、自動車のサイドドア用のインパクトビーム（特許文献２参照）、自動車のルーフ補強材（特許文献３参照）などとして、これまでも多数検討あるいは実用化されている。
【０００６】
これらの押出管材製の車体の構造部材は、断面が矩形の中空閉断面構造を有するとともに、共通して、前記変形強度を大きくするために、閉断面構造から側方に張出した平板状の突出フランジ部を有している。このような閉断面構造と突出フランジ部との組み合わせは、押出形材製の自動車のバンパ補強材など、他の車体の構造部材としても知られている。
【０００７】
一方で、車両用の座席フレームを構成する構造部材など、その用途によっては、形状の制約などにより、長手方向に一様な断面の直線部材では対応できず、曲げ加工等により、長手方向形状を変化させる場合がある。特に、このような形状制約が厳しく、かつ小Ｒでの曲げ加工が必要な場合には、座屈や破断防止の観点から、前記矩形や突出フランジ部を有する中空閉断面構造（管構造）は適用できず、断面形状が円環である円管部材が良く用いられている。
【０００８】
このような円管状のアルミニウム合金押出管材としては、小Ｒ曲げ加工が要求される場合の加工不良抑制のために、少なくとも曲げ内側方向を曲率のあるアーチ形状にすることで座屈を防止するというような構造案も、特許文献４などで提案されている．
【０００９】
また、このような円管状のアルミニウム合金押出管材（以下、単に円管部材とも言う）は、自動車車体衝突時に、断面方向（長手方向とは直角の方向）から衝突荷重が付加されても、圧縮面での座屈が生じにくく、かつ、断面が均一に変形しやすい。このため、車体衝突時の変形荷重が高く、かつ、その断面潰れ（断面変形）によっても破断が生じにくいこととなる。したがって、このような特性を利用して、前記曲げ加工されて最終形状とされた上で、耐衝突用あるいは衝突エネルギ吸収用の構造部材として使用されることも多い。
【００１０】
ところで、このような構造部材としてのアルミニウム合金押出管材は、５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）アルミニウム合金を除いて、製造コストの面からは、マンドレルを用いた間接押出などに比して、比較的安価な、ポートホール押出により通常製造される。
【００１１】
このポートホール押出は、周知の通り、複数のポート孔をそなえたマンドレルボディとダイスを組合わせたポートホールダイスを使用して行われ、アルミニウムビレットは、前記ポート孔で分断された後、前記マンドレルを取り囲んで再び溶着して一体化し、内面を前記マンドレルで、外面を前記ダイスで成形されて中空材（管材）となる。このため、ポートホール押出で製造されたアルミニウム合金押出管材（中空押出形材）には必然的に溶着部が存在し、溶着部と溶着部以外とで互いの組織が異なるために、素材の機械的性質にも差異があることが知られている。具体的には、前記溶着部の破断限界は、通常部に比べて低くなり、前記曲げ加工条件や使用条件によっては、この溶着部の破断によって、構造部材としての曲げ強度が低下してしまうという問題が生じる。
【００１２】
したがって、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材では、この溶着部の破断限界向上のために、例えば特許文献５〜１０など、従来からさまざまな材料塑性や製造条件での改良検討が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２４０５４３号公報
【特許文献２】特開２００８−２８５０１９号公報
【特許文献３】特開２００９−３５２４４号公報
【特許文献４】特開２００４−５１０６６号公報
【特許文献５】特許２９２８４４５号公報
【特許文献６】特許３８５３０２１号公報
【特許文献７】特許４１０１６１４号公報
【特許文献８】特開２００３−１５４４０７号公報
【特許文献９】特開２００７−２３１４０８号公報
【特許文献１０】特開２００９−４５６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、これら材料塑性や製造条件側からの従来技術でも、前記溶着部の性質を通常部と完全に同等にすることは難しい。したがって、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材を用いた構造部材の曲げ強度を向上させるためには、素材が有する機械的性質の差異による前記問題点を、構造面や形状面での工夫により対策する（補う）ことが必要となる。しかし、従来から、このような構造面や形状面で工夫した事例はあまり見られず、特に、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度を有効に向上させた例は、これまであまり無い。
【００１５】
このような事情に鑑み、本発明の目的は、ポートホール押出による１箇所か２箇所の溶着部を必然的に有する円管状のアルミニウム合金押出管材からなる構造部材において、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度を有効に向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的を達成するための本発明構造部材の要旨は、ポートホール押出による１箇所か２箇所の溶着部をその長手方向に亙って有する円管状のアルミニウム合金押出管材からなり、この押出管材断面の円環の一部を一辺の長さが前記円環の外径の５％以上２５％以下の長さを持つ直線状の辺となし、この直線状の辺を前記各溶着部の位置に対応させて前記中空押出管材の長手方向に亙って設けて、前記溶着部を前記直線状の辺内に設けたことである。
【００１７】
ここで、前記構造部材が前記アルミニウム合金押出管材を予め曲げ加工を施されたものであることが好ましい。また、前記構造部材が、自動車用の耐衝突用補強部材に用いられ、この補強部材として想定される荷重負荷方向に対して、前記押出管材の断面方向が平行になるように配置されるとともに、前記直線状の辺も、前記想定される荷重負荷方向に対して平行になるように、かつ前記押出管材の中立軸と交わるように配置されていることが好ましい。なお、前記構造部材が曲げ加工したアルミニウム合金押出管材からなる場合、曲率を有する部分あるいは曲げられた部分では、前記押出管材の断面方向や前記直線状の辺は、想定される荷重負荷方向に対して、厳密なあるいは正確な意味での平行とはならない。したがって、この「平行」とは厳密な意味での平行関係だけでなく、いわば「略平行」の意味であり、厳密な意味での平行な関係からの、構造部材の曲がり度合い（曲げ加工度合い）や部位（位置）による、多少の角度の差やズレを含みうる。
【発明の効果】
【００１８】
ポートホール押出による溶着部が存在する円管部材（断面が円管のアルミニウム中空押出形材）の場合、後述する図３、４、５の通り、曲げ変形に対する溶着部の位置によって、曲げ強度が大きく異なる。
【００１９】
例えば、円管部材に対する自動車車体衝突時や曲げ加工を想定すると、円管部材の断面方向（長手方向とは直角の方向）に、図３〜５において矢印で示す曲げ荷重が負荷される。後述する通り、管軸方向に最大引張応力が生じる曲げ最外側部に溶着部３、３が配置された図４の場合には、通常部に比べて溶着部３、３の破断限界が低いため、管としての破断限界が低下し、曲げ強度が著しく低くなる。
【００２０】
また、図５に示すような、円管部材（押出管材）１の中立軸近傍に溶着部３、３がある場合、中立軸近傍であるために、管軸方向の応力はほとんど発生しないが、断面の潰れ変形に応じて、溶着部３、３が集中的に曲げ変形することになり、矢印で示す断面周方向への曲げ応力により、やはり破断が生じやすくなる。
【００２１】
しからば、円管部材における溶着部の向きを、前記荷重方向に対して、最も曲げ強度が高くなる方向に向ければ良いこととなるが、このような溶着部溶着部３、３自体、通常の薄肉な円環の円管部材では微小となって、その外観形状からは分かりにくく、特に、円管部材の場合には、実際の曲げ加工や構造部材としての施工現場で、これら溶着部３、３がどこにあるかを判断（識別）することは困難である。このため、結果的に、前記図４、５など、曲げ強度上、最も不利な位置に溶着部が配置されることも起こりえるため、構造部材としての強度性能にバラツキが生じることとなる。
【００２２】
これに対して、本発明では、図１に示す通り、円管部材（アルミニウム合金押出管材）の断面の円環の一部を特定の長さを有する直線状の辺２となし、前記溶着部を、この前記直線状の辺内に設けるため、円管部材の外寸も若干減少し、同時に重量も軽減されることになる。これにより、溶着部が存在しても、前記曲げ荷重の負荷時において、溶着部へのひずみ集中が抑制され、前記構造部材としての曲げ強度が向上させるとともに、重量も軽減できることを知見した。
【００２３】
したがって、本発明によれば、円管部材の、構造部材への曲げ加工性や、構造部材としての耐衝突性に必要な、曲げ強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明構造部材を示す断面図である。
【図２】本発明構造部材の最良の使用態様を示す説明図である。
【図３】図３の本発明構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図４】従来の構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図５】従来の構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図６】本発明構造部材の別の使用態様を示す説明図である。
【図７】図６の本発明構造部材の変形形態を示す説明図である。
【図８】本発明実施例における構造部材の機械的性質のＦＥＭ解析の前提条件を示す説明図である。
【図９】本発明実施例における構造部材の機械的性質のＦＥＭ解析の前提条件を示す説明図である。
【図１０】本発明実施例における構造部材の機械的性質のＦＥＭ解析結果を示す説明図である。
【図１１】本発明構造部材における直線状の辺の長さの最大荷重との関係を示す説明図である。
【図１２】本発明構造部材における直線状の辺の長さのエネルギ吸収量との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明構造部材の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２６】
（溶着部による曲げ強度低下の理由）
まず、ポートホール押出による溶着部の存在する円管部材１の、曲げ変形時における変形形態を用いて、現状の円管部材の曲げ強度が低くなる理由を説明する。なお、ここで言う円管部材１とは、断面（形状）が円環である円管の構造部材の呼称であり、断面（形状）が円環である円管の素材アルミニウム合金押出管材のことも意味する。
【００２７】
図４、５に、従来例である円管部材１（アルミニウム合金押出管材）に対する断面方向（長手方向とは直角の方向）から、矢印で示す曲げ荷重を負荷した時の変形形態を、左側の長手方向（中央部を境に左半分のみ）の図と、右側の中央部のＡ−Ａ線断面図とで示す。これら図４、５は、自動車車体衝突時を模擬した変形形態を示しているが、この円管部材１をアルミニウム合金押出管材の曲げ加工時する場合も同様の問題が生じる。
【００２８】
図４は、曲げ荷重方向に対して、円管部材１の円環（リング）の対称位置に各々ある２箇所の溶着部３、３が、衝突面およびその背面に設けられている場合を示している。また、図５は、曲げ荷重方向に対して、前記溶着部３、３が円管部材（押出管材）１の中立軸近傍に設けられている場合を示している。なお、図４、５の円管部材１は、便宜的に、曲げ加工されていない、長手方向に直線的な部材として示している。
【００２９】
図４に示すような位置に溶着部３、３がある場合、管軸方向に最大引張応力が生じる、曲げ最外側部に溶着部３、３が配置されることになる。前記した通り、これらの溶着部３、３は、通常部に比べて破断限界が低いため、このような条件では、管としての破断限界が低下し、曲げ強度が著しく低くなる。
【００３０】
逆に、図５に示すように、管の中立軸近傍に溶着部３、３がある場合、中立軸近傍であるために、図４のような管軸方向の応力はほとんど発生しない。しかし、円管（円環）断面の潰れ変形に応じて、溶着部３、３が集中的に曲げ変形することになり、矢印で示す断面周方向への曲げ応力により、やはり破断が生じやすくなる。
【００３１】
そして、これらの溶着部３、３自体、通常の肉厚１０ｍｍ以下程度の薄肉な円環（リング）の円管部材１では微小であり、拡大鏡や顕微鏡による組織観察にて始めて判別可能であり、目視やその外観形状だけからでは判別できない。このため、特に円管部材の場合には、実際の曲げ加工や構造部材としての施工現場で、これら溶着部３、３がどこにあるかを判断（識別）することは困難である。したがって、結果的に、前記図４、５などのように、曲げ強度上、最も不利な位置に溶着部が配置されることも、大いに起こり得るため、構造部材としての強度性能にバラツキが生じることとなる。なお、この図４、５および後述する図１、２、３などを含めて、図示している溶着部３は、分かりやすいように、目視では判別できない実際とは異なり、敢えて実線で表現している。
【００３２】
（本発明の実施形態）
これに対して、図１に、本発明の一実施形態を円管部材１の断面図で示す。図１（ａ）は、ポートホール押出による溶着部３、３が、円管部材１の断面の円環の対称位置に、各々２箇所ある場合を示す。図１（ｂ）はポートホール押出による溶着部３が円管部材１の円環の１箇所にしかない場合を示す。
【００３３】
円管部材１はアルミニウム合金押出管材からなり、この押出管材の断面形状が円管であるとともに、この円管の断面の円環の一部を、直線状の辺２となしている。この直線状の辺２は、前記円管部材１の円環の前記各溶着部３の位置に対応させて、前記押出管材（円管部材１）の長手方向に亙って設けている。
【００３４】
この直線状の辺２は、その両端側に設けられた折れ点４により、元々の円環状（円管状）の形状部分と接続されている。この直線状の辺２は、前記溶着部３の数が１箇所であれば１箇所、２箇所であれば２箇所など、溶着部３の数に応じて設ける。したがって、前記折れ点４も、直線状の辺２の数が１箇所であれば合計２箇所、直線状の辺２の数が２箇所であれば合計４箇所となる。
【００３５】
すなわち、図１（ａ）では、２箇所の溶着部３、３の位置に対応させて、円管部材１の円環の対称位置に、直線状の辺２を各々設ける。また、図１（ｂ）では、１箇所の溶着部３の位置に対応させて、円管部材１の円環に、直線状の辺２を設ける。そして、前記各溶着部３を、各々前記直線状の辺２の内（中）に設ける。
【００３６】
（本発明の使用形態）
図２は、本発明の円管部材１としての最良の使用形態を示し、図２（ａ）は、円管部材１（アルミニウム合金押出管材）が、その長手方向の両端側にて、治具などの固定端５、５によって、各々自動車車体側や座席フレームなどの自動車構造部材に、支持、固定された状態を示している。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、この図２は、通常は曲げ加工して使用される円管部材１につき、その荷重に対する変形状態を分かりやすくするために、敢えて直線状の態様の場合で示している。
【００３７】
この図２では、前記図１（ａ）の溶着部３、３を２箇所有する円管部材１が、矢印で示す想定される荷重負荷方向に対して、前記円管部材１の断面方向が平行になるように配置されている。そして、前記直線状の辺２も、前記想定される荷重負荷方向に対して平行になるように配置されている。このような使用形態は、自動車用の耐衝突用補強部材などの構造部材として最適である。
【００３８】
この図２は、円管部材１の断面方向（長手方向とは直角の方向）から、矢印で示す曲げ荷重を負荷した時の変形形態を示している。したがって、図２は、円管部材１への自動車車体衝突時や、あるいは、この円管部材１への直線状のアルミニウム合金押出管材を曲げ加工する時の荷重負荷を想定している。
【００３９】
（本発明における変形形態）
この図２の円管部材１に対して、曲げ荷重を負荷した時の変形形態を図３に示す。図３では、前記図４、５と同様に、円管部材１（アルミニウム合金押出管材）に対する断面方向（長手方向とは直角の方向）から、矢印で示す曲げ荷重を負荷した時の変形形態を、左側の長手方向（中央部を境に左半分のみ）の図と、右側の中央部のＡ−Ａ線断面図とで示す。
【００４０】
図３において、本発明では、真円の円管の円環の一部を直線状の辺２とすることによって、破断が生じやすい溶着部３、３の両側に、円管の円環と直線状の辺２との境界である、合計４箇所の折れ点（変曲点）４、４を各々配置していることとなる。この図３の場合は、直線状の辺２の数が２箇所なので合計４箇所となる。
【００４１】
この折れ点（変曲点）４、４の存在によって、曲げ荷重負荷時の円管部材１の断面潰れ変形の際には、これら合計４箇所の折れ点４、４にひずみが集中して、折れ点４、４を基準（起点）とする曲げ変形が生じる。これによって、直線状の辺２内にある、溶着部３、３へのひずみ集中を防止して、円管部材１の断面潰れ変形の際の、低強度部である溶着部３、３での破断を抑制することができる。この結果、円管部材１の破断限界の向上効果や曲げ強度の向上効果が得られる。
【００４２】
そして、図３において、溶着部３、３は、前記従来例の図５と同様に、中立軸近傍に配置されることになるため、言い換えると、直線状の辺２が円管部材（押出管材）１の中立軸と交わる（図３では直交する）ようにしているため、管軸方向への引張応力はほとんど加わらないという利点もある。また、本発明では、外径Ｄの真円の円環の一部を、直辺に置き換えることで，補強材断面の最大外寸も若干減少し、同時に重量も軽減されることになる。更に、直線状の辺２の円環において設ける位置を、図２のように中立軸近傍に設定している（直線状の辺２が円管部材（押出管材）１の中立軸と交わるようにしている）ことで、この部位の断面積が減少しても、曲げ強度への影響が小さくなる。
【００４３】
（直線状の辺の長さ）
ここで、前記直線状の辺２の一辺の長さｄは、前記円管部材１の円環の（円管の）外径Ｄの５％以上２５％以下の長さ、好ましくは前記円管部材１の円環の（円管の）外径Ｄの１０％以上２０％以下の長さを持つようにする。なお、直線状の辺２の一辺の長さｄとは、径方向（円環の厚み方向）ではなく、謂わば円環の周方向である。
【００４４】
直線状の辺２の長さｄを、円管部材の円環の（円管の）外径Ｄの２５％以下に設定すれば、曲げ強度の低下に比べて、溶着部３へのひずみ集中抑制効果が大きく、部品として曲げ強度が向上できる。直線状の辺２の長さｄが長すぎると、中立軸から遠い部分の断面積や断面高さも減少し、曲げ強度が急激に低下することになる。
【００４５】
一方、直線状の辺２（折れ点４）による、溶着部３への前記ひずみ集中の抑制効果を十分に得るためには、一定以上の直線状の辺２の長さｄが必要であり、このための長さｄは、円管部材１の円環の（円管の）外径Ｄの５％以上とする。
【００４６】
（その他の使用形態）
図６、７には、円管部材１の望ましくない使用形態を示す。図６は前記図１と同じ断面図、図７は前記図３と同じ形式の図である。これら図６、７では、共通して、押出形材の直線状の辺２を、矢印で示す曲げ荷重に対する、衝突面に垂直に設けている。
【００４７】
このうち、図６（ａ）は、円管部材１の円環の一部を直線状の辺２に置き換えた構造であるが、曲げ強度に最も影響する、円管部材１の（円環の）断面の高さＨが、従来例である円管部材の真円の断面の高さＤ（円環の外径Ｄ）に比べて小さくなる（Ｈ＜Ｄ）。このため、図６（ａ）の条件では、通常、従来例である円管部材よりも曲げ強度が低下してしまう。
【００４８】
これを補うために、図６（ｂ）のように断面高さを、従来例である円管部材の真円の断面の高さに一致させるべく大きくした場合（Ｈ＝Ｄ）、円管部材１の（円環の）断面が、高さ方向に拡大することになり、円管部材１の曲げ強度は増加する。しかし、同時に、円管部材１の重量自体も若干増加してしまう。
【００４９】
また、図６（ａ）、（ｂ）の場合に共通して言えるのは、図７に示すように、曲げ外側の管軸方向最大引張応力発生位置に、溶着部３が配置されることになるため、管軸方向引張応力に起因する破断に対する抑制効果は得られない点である。
【００５０】
以上述べたように、本発明は、溶着部３への変形が集中するのを抑制でき、従来から用いられている円管部材に比べて、重量および断面スペースを増加させずに、却って減少させることもできた上で、曲げ強度を向上することが可能である。
【００５１】
更に、本発明では、曲げ加工性、曲げ変形時の変形強度に優れる円管（円形断面）形状を基本形状としていることで、曲げ加工あるいは曲げ変形時の座屈が生じにくく、断面の潰れ変形により、破断も生じにくい。また、加えて、直線状の辺２に溶着部３を設定し（収容し）、前記使用態様のように、その方向を規定することにより、溶着部３位置のバラツキによる、円管部材１としての特性（機械的性質）や性能のバラツキを抑制することも出来る。
また、直線状の辺２の円環において設ける位置を、曲げ加工時における中立軸近傍に設定している（直線状の辺２が円管部材（押出管材）１の中立軸と交わるようにしている）場合、曲げ加工における破断も生じにくくなり、より小Rでの曲げ加工が出来るため、さらに好ましい。
【００５２】
（構造部材の製法）
そして、この押出形材の直線状の辺２は、通常の汎用されている条件範囲内での（常法による）ポートホール押出時に、円管材の円環（断面）に一体的に設けることができるため、加工（製造）上のコストアップも生じない。すなわち、本発明の素材アルミニウム合金押出管材は、複数のポート孔をそなえたマンドレルボディとダイスを組合わせたポートホールダイスを使用した周知のポートホール押出にて、常法により製造できる。そして、この素材アルミニウム合金押出管材を曲げ加工して構造部材形状（構造）とし、前記固定端５への取り付け穴の設置などの必要な機械加工がされて、前記図２のような使用状態（取り付け方）で使用する。
【００５３】
（構造部材の厚み）
本発明における、構造部材（円管部材あるいは素材アルミニウム合金押出形材）の円環（壁）の厚みは、直線状の辺２の部分を含めて、均一であってもよく、部分的に異ならせても良い。ただ、構造部材としての軽量化を阻害せずに（あまり重くならずに）、前記必要な曲げ強度などの特性を満たすためには、円環（壁）の厚みは１．５ｍｍ〜７ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００５４】
（使用アルミニウム合金）
このような厚み条件のもとで、必要な曲げ強度を得るために、本発明に適用するアルミニウム合金は、構造部材としての使用時の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上の高強度であることが好ましい。また、このような高強度アルミニウム合金押出管材とは、ポートホール押出後にＴ５以上の調質処理を施した（溶体化および焼入れ処理や人工時効処理などの熱処理を施した）、高強度なＡ６０００系かＡ７０００系のアルミニウム合金を用いることが好ましい。
【実施例】
【００５５】
本発明の実施例として、前記図２の円管部材１につき、外寸や肉厚を一定として、円環の直線状の辺２の一辺の長さｄを、円環（円管）の外径Ｄとの比で種々変えた場合の、曲げ強度を調査するため、最大荷重との関係をＦＥＭ解析した。また、耐衝突用あるいは衝突エネルギ吸収用の構造部材（補強部材）としてのエネルギ吸収量との関係も合わせてＦＥＭ解析した。これらの結果を図１１、１２に示す。
【００５６】
ＦＥＭ解析の前提条件としての計算モデルを図８、９に示す。図８は、前記図２と同じく、曲げ加工されていない直線状の円管部材１（アルミニウム合金押出管材）が、その長手方向の両端側にて、支持、固定された状態を示している（但し、部材中央部から右半分のみを開示）。また、図９は、図８のＡ−Ａ線断面図であり、図９（ａ）は直線状の辺２の無い従来例（通常の円管）で、ｄ＝０ｍｍである。図９（ｂ）は直線状の辺２を２箇所、各々中立軸近傍で、荷重方向に対して平行な方向に各々設けた前記図２の発明例である。
【００５７】
ＦＥＭ解析には、汎用の動的陽解法ソフトＬＳ−ＤＹＮＡ ｒ．９６０を用いて動的圧壊試験解析を行なった。荷重データ採取は、円管部材１の両端部を、支点間距離を３５０×２＝７００ｍｍとして支持（完全拘束）した上で、中央部へ準静的に剛体を載荷（荷重）する３点曲げ試験の要領とした。
【００５８】
また、直線状の辺２の一辺の長さｄが長くなるほど、円管部材１の断面は小さくなっていくので、ＦＥＭ解析に際しての素材押出管材の機械的性質の仮定条件を図１０に示す。図７は引張強度とεとの関係を示し、上側の線が円管の円環の通常部、下側の線が溶着部３である。実際にポートホール押出後にＴ５調質処理されて製造された、７００３系アルミニウム合金押出管材の実績データでは、円管の円環の通常部の０．２％耐力が３５２ＭＰａ、溶着部３の０．２％耐力が３０４ＭＰａである。このため、この実績を基に、解析では、溶着部３の０．２％耐力を通常部の８５％耐力、溶着部３の周方向の長さ（幅）を１ｍｍに設定した。
【００５９】
図１１に最大荷重Ｐｍａｘ（縦軸）と無次元直線部長さｄ／Ｄ（横軸）との関係、図１２に最大荷重点までのエネルギ吸収量（縦軸）と無次元直線部長さｄ／Ｄ（横軸）との関係を各々示す。
【００６０】
図１１から分かる通り、直線状の辺２の一辺の長さｄが、円管部材１の円環の外径Ｄの５％以上２５％以下の長さである、ｄ／Ｄ＝０．０５〜０．２５の間で、図９（ｂ）の発明例における最大荷重Ｐｍａｘは、ｄ＝０ｍｍである図９（ａ）の従来例（通常の円管）に比べて高くなっている。具体的には、曲げ強度が約６％向上しており、最も高い曲げ強度が得られる条件はｄ／Ｄ＝０．１５程度であることが分かる。
【００６１】
また、図１２から分かる通り、直線状の辺２の一辺の長さｄが、外径Ｄの５％以上２５％以下の長さである、ｄ／Ｄ＝０．０５〜０．２５の間で、図９（ｂ）の発明例におけるエネルギ吸収量も、ｄ＝０ｍｍである図９（ａ）の従来例（通常の円管）に比べて高くなっている。
【００６２】
この一方で、図１１、１２において、ｄ／Ｄ≧０．３である、直線状の辺２の一辺の長さｄが外径Ｄの２５％を超えるような長さでは、通常の円管よりも、最大荷重およびエネルギ吸収量が低下している。
【００６３】
因みに、このＦＥＭ解析による、曲げ試験における荷重−変位関係では、変形荷重は、変形の進行に応じて増加し、最大荷重点に到達後、急激に減少したが、前記図９（ｂ）の発明例のように、中立軸近傍に直線状の辺２を２箇所設けても、初期の荷重−変位関係に大きな差異はなく、曲げ剛性は、図９（ａ）の従来例と等価であった。
【００６４】
したがって、これらの実施例の結果から、本発明の要件の臨界的な意義が裏付けられる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明によれば、中空断面の一部に溶着部を必然的に有する、ポートホール押出によるアルミニウム合金押出管材からなる、円管状の構造部材において、重量増加を最小限に抑えた上で、曲げ強度やエネルギ吸収量を有効に向上させることができる。このため、小Rでの曲げ加工が要求されることが多い座席用フレームなどの構造部材や、自動車用の耐衝突用補強部材などの構造部材として最適である。
【符号の説明】
【００６６】
１：円管部材（構造部材、アルミニウム合金押出管材）、２：直線状の辺、３：溶着部、４：折れ点、５：固定端、１０：剛体、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポートホール押出による１箇所か２箇所の溶着部をその長手方向に亙って有する円管状のアルミニウム合金押出管材からなり、この押出管材断面の円環の一部を一辺の長さが前記円環の外径の５％以上２５％以下の長さを持つ直線状の辺となし、この直線状の辺を前記各溶着部の位置に対応させて前記中空押出管材の長手方向に亙って設けて、前記溶着部を前記直線状の辺内に設けたことを特徴とする曲げ強度に優れる構造部材。
【請求項２】
前記構造部材が前記アルミニウム合金押出管材を曲げ加工したものである請求項１に記載の曲げ強度に優れる構造部材。
【請求項３】
前記構造部材が、自動車用の耐衝突用補強部材に用いられ、この補強部材として想定される荷重負荷方向に対して、前記押出管材の断面方向が平行になるように配置されるとともに、前記直線状の辺も、前記想定される荷重負荷方向に対して平行になるように、かつ前記押出管材の中立軸と交わるように配置されている請求項１または２に記載の曲げ強度に優れる構造部材。
【請求項１】
ポートホール押出による１箇所か２箇所の溶着部をその長手方向に亙って有する円管状のアルミニウム合金押出管材からなり、この押出管材断面の円環の一部を一辺の長さが前記円環の外径の５％以上２５％以下の長さを持つ直線状の辺となし、この直線状の辺を前記各溶着部の位置に対応させて前記中空押出管材の長手方向に亙って設けて、前記溶着部を前記直線状の辺内に設けたことを特徴とする曲げ強度に優れる構造部材。
【請求項２】
前記構造部材が前記アルミニウム合金押出管材を曲げ加工したものである請求項１に記載の曲げ強度に優れる構造部材。
【請求項３】
前記構造部材が、自動車用の耐衝突用補強部材に用いられ、この補強部材として想定される荷重負荷方向に対して、前記押出管材の断面方向が平行になるように配置されるとともに、前記直線状の辺も、前記想定される荷重負荷方向に対して平行になるように、かつ前記押出管材の中立軸と交わるように配置されている請求項１または２に記載の曲げ強度に優れる構造部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１７７７６５（Ｐ２０１１−１７７７６５Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５５３７（Ｐ２０１０−４５５３７）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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