複合補強部材の製造方法および複合補強部材
【課題】アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合でも、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られる複合補強部材の製造方法および複合補強部材を提供することを目的とする。
【解決手段】矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４の背面に積層した鋼板１０、１１を、後面側フランジ４の両端部側４ｂ、４ｃと、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側４ａとの三箇所で、一体に溶接接合する際に、前記中央部側４ａの背面領域を予め凸状８に形成しておき、この凸部８を間に挟み、この凸部８が鋼板間に突出するように、２枚の前記鋼板を積層して、この状態でＦＣＷによりアーク溶接する。
【解決手段】矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４の背面に積層した鋼板１０、１１を、後面側フランジ４の両端部側４ｂ、４ｃと、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側４ａとの三箇所で、一体に溶接接合する際に、前記中央部側４ａの背面領域を予め凸状８に形成しておき、この凸部８を間に挟み、この凸部８が鋼板間に突出するように、２枚の前記鋼板を積層して、この状態でＦＣＷによりアーク溶接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板とアルミニウム合金中空形材とを組み合わせた複合補強部材の溶接による製造方法および製造された複合補強部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの輸送機車体には、軽量化のために、曲げ強度部材などの補強部材として、アルミニウム合金中空形材が多く用いられる。この曲げ強度部材としては、バンパー補強材( バンパーリインフォースメントあるいはバンパーアマチャアなどとも言う) やドアビーム、あるいはフレ−ム部材などが例示される。この曲げ強度部材には、外から加わる荷重 (外力) のエネルギーを、部材自らの曲げ変形および断面方向の変形 (横圧壊) により吸収し、車体を保護する性能が求められている。
【０００３】
これら曲げ強度部材に用いられるアルミニウム合金中空形材は、基本的に、曲げ荷重を受ける前面側フランジと、前記曲げ荷重が作用した際の引張側となる後面側フランジと、これら互いに平行な２本のフランジ間をつなぐ互いに平行な２本のウエブとからなる矩形断面（口型断面）を有している。そして、多くの場合は、この矩形断面内に、更に中リブを前記ウエブと平行に１本設けて補強した日形断面形状などを有している。このアルミニウム合金中空形材は、主として６０００系、７０００系等の高強度なアルミニウム合金を熱間押出加工および調質処理（熱処理）して製造され、長手方向に均一な前記日形断面形状を有していることが特徴である。以下、このアルミニウム合金中空形材を単に中空形材とも言う。
【０００４】
このようなアルミニウム合金中空形材に、更に比較的薄い高強度鋼板（高張力鋼板）を積層して一体化させた複合補強部材とすれば、さしたる重量増加とならずに、補強効果を上げることができる。すなわち、前記前面側フランジとは反対側の、曲げ荷重が作用する際に引張側となる後面側フランジの背面領域に薄い鋼板を積層して補強すれば、この鋼板が負荷される曲げ荷重を分担して受け持つことができる。したがって、鋼板が負荷される曲げ荷重を分担することで、アルミニウム合金中空形材の過度の変形を抑制でき、中空形材の矩形断面構造体の変形による本来のエネルギー吸収を生じさせることができる。
【０００５】
しかし、周知の通り、これら鋼板とアルミニウム合金中空形材とを溶接により接合する場合に、その接合部（界面）には、脆いＦｅ−Ａｌ金属間化合物からなる反応層が生成しやすい。鋼板はアルミニウム合金中空形材と比較して、融点、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、まず低融点のアルミニウム側が溶融する。次に鋼板の表面が溶融し、結果として界面にて、Ｆｅ−Ａｌ系の脆い金属間化合物層が形成する。このために、信頼性のある高強度を有する接合部（接合強度）を得ることは非常に困難であった。
【０００６】
これに対して、これら異種金属材（異材）同士の接合に、セルフピアスリベットに代表される機械的な接合を用いるのは、溶接接合に比して、接合継手の信頼性や、新たな設備や部品点数の必要により手間や接合コスト等が増加するなどの大きな問題がある。また、機械的な接合は点接合しかできないという不利もある。
【０００７】
因みに、従来から、この鋼板に代えて、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に、炭素繊維、ガラス繊維等の無機繊維や、ケプラーなどの有機繊維などで強化した繊維強化樹脂材（ＦＲＰ材）を設けて複合部材化して補強する技術も公知ではある。しかし、前記鋼板に比べれば、補強効果が小さかったり、補強効果が十分でもコストが上昇する、といった実用上の問題がある。
【０００８】
従来より、鋼材とアルミニウム合金材との、アーク溶接（溶融溶接）による、部材長手方向に亙る長い溶接線での異材接合方法については、多くの検討がなされてきている。例えば、より高温において接合を行うアーク溶接（溶融溶接）では、少なくともシリコンを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを溶接ワイヤとし、アルミニウム合金材と亜鉛メッキなどを表面に施した鋼材とをパルスＭＩＧ溶接によって接合する方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、溶接ワイヤの溶融と共に、シリコンも母材へと移行させ、溶融池界面に浸透して、アークの熱によって高温となり、溶融金属のぬれ性を良くして接着性を向上させている。
【０００９】
更に、アーク溶接に用いるフラックスの組成を改善して、溶接継手強度を高めようとするも提案されている。この例として、フッ化物（フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム及び酸化アルミニウム）を含むフラックスを芯材とし、アルミニウム又はアルミニウム合金で被覆して形成されるフラックス入りワイヤにより、鉄鋼（軟鋼）とアルミニウム合金材とをアーク溶接する方法が提案されている（特許文献２参照）。
【００１０】
また、フッ化カリウムとフッ化アルミニウムなど、フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム、フッ化亜鉛の一種以上を含むフッ化物系混合フラックスを塗布して用いる種々の溶接法により、鋼材とアルミニウム合金材とを異材接合する溶接する方法が提案されている（特許文献３参照）。これらの方法は、上記フラックスの化学反応によって、鉄鋼表面の清浄作用を促すと共に、アルミニウムから成る溶融金属のぬれ性及び接着性を良好にし、脆弱な厚い金属間化合物層の形成を阻止する。
【００１１】
更に、強固な酸化皮膜が形成されているアルミニウム合金材の表面から、酸化皮膜を還元、溶解除去する効果を有するフッ化物系フラックスをアルミニウム合金材表面に塗布して、軟鋼と６０００系アルミニウム合金材とをスポット溶接する方法も提案されている（特許文献４参照）。また、これらフッ化物系フラックスは、アルミニウム合金材同士の溶融溶接接合などにも用いられている（特許文献５、６参照）。
【００１２】
しかし、これらのフラックスを用いた溶接方法では、前記高張力鋼材と６０００系アルミニウム合金材など、高強度な異材同士の線溶接では、高い接合強度が得られないという問題がある。このため、フラックス組成を工夫し、フッ化アルミニウムなどを含むフッ化物組成や、塩化物を含まないフッ化物組成としたフラックスなどの、ノコロックフラックスと称せられるフラックスを活用したＭＩＧ溶接法およびレーザブレージング法も開発されている（特許文献７〜１０など）。そして、これらの溶接方法では、フラックスの供給として、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤ（以下、ＦＣＷあるいはフラックス入りワイヤとも言う）が活用され、施工性の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２２３５４８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１２７０号公報
【特許文献３】特開２００３- ４８０７７号公報
【特許文献４】特開２００４−３５１５０７号公報
【特許文献５】特開２００４−２１００１３号公報
【特許文献６】特開２００４−２１００２３号公報
【特許文献７】特開２００７−１３６５２４号公報
【特許文献８】特開２００７−１３６５２５号公報
【特許文献９】特開２００７−３０１６３４号公報
【特許文献１０】特開２００８−６８２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
確かに、前記フラックス入りワイヤを活用したＭＩＧ溶接法およびレーザブレージング法（以下、ＦＣＷ溶接法とも言う）は非常に効率的な溶接方法である。しかし、このＦＣＷ溶接法でも、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られない（保証できない）という、前記曲げ強度部材に特有の問題がある。
【００１５】
すなわち、前記日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材は、前記曲げ強度部材として、前記前面側と後面側のフランジをつなぐ左右一対のウエブとともに、この矩形断面内の中央部に設けた前記中リブで剪断力を伝える。このため、前記中空形材の後面側フランジの背面に鋼板を積層してＦＣＷ溶接する場合には、前記剪断力が伝わる、前記後面側フランジの前記ウエブが交差する両端部側の背面領域２箇所と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の背面領域１箇所の、合計３箇所で前記中空形材の長手方向に亙って溶接する必要がある。
しかし、これら３箇所とも、以下に記載する理由で、溶接施工は可能だが、接合強度が弱くなる。
【００１６】
先ず、前記中リブが交差する前記後面側フランジの中央部側の背面領域で、アルミニウム合金と鋼板同士をＦＣＷ溶接するためには、積層した鋼板側からそのまま溶接することは、下層にあるアルミニウム合金側が露出しておらず、必然的に不可能である。したがって、重ね隅肉溶接の要領である、前記ウエブが交差する前記後面側フランジの両端部側の背面領域２箇所と同様に、空間を設けてアルミニウム合金を露出させて、重ね隅肉溶接する必要がある。
【００１７】
このため、通常は、積層する鋼板を２分割し、前記中空形材の後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の背面領域に隙間（空間）を設けて、鋼板同士を積層する。すなわち、積層した互いの鋼板の前記中央部側に臨む各側面側と、前記隙間における中空形材の後面側フランジの中央部側の背面領域とを、１箇所ずつ、合計２箇所で、前記重ね隅肉溶接の要領で溶接することとなる。しかし、このような溶接接合方法では、各鋼板の前記中央部側に臨む各側面側における互いの溶接線同士が近接することとなる。前記中空形材のウエブや中リブの厚さは、数ミリ程度の厚さしかなく、互いの鋼板の中央部側の溶接線に設ける間隔には大きな限界があるためである。
【００１８】
すなわち、いずれか片側の鋼板の１回目の中央部側の溶接により、アルミニウム合金側が溶解すると、他方の鋼板の２回目の中央部側の溶接時に、溶接継手部の形状が不安定になる。また、前記１回目の溶接で形成された溶接ビード部に、前記２回目の溶接ビードが重なると、溶け込み不良が起こりやすくなる。また、前記１回目の溶接に伴う熱ひずみのために、継手形状（鋼板間のギャップや隙間）が変化し、前記２回目の溶接がより不安定になる。更には、前記後面側フランジの中央部に、近接した２回の溶接を行うことで、溶接後の熱ひずみが大きくなり、補強部材の形状に悪影響を及ぼす。また、前記したように、鋼板を２枚に分割すると、単純に、溶接線の長さが２倍になるため、溶接コストも２倍になるという問題もある。
【００１９】
また、前記後面側フランジの中央部側の背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分と、前記後面側フランジの鋼板間の隙間部分とを合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、一体に溶接することも考えられる。しかし、この場合には、２枚の鋼板とアルミニウム合金とを一度に溶接する必要が生じ、入熱量の増大に伴って、アルミニウム合金側の溶損が生じやすくなり、重ね隅肉溶接施工自体が困難である。
【００２０】
また、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジにおける、前記ウエブが交差する両端部側の背面領域２箇所の長手方向の溶接も、施工自体は可能ではあるが、鋼板の両側面側（前記アルミニウム合金中空形材の両側面側）が開放されているために、高い接合強度は期待できない。言い換えると、前記中リブが交差する前記後面側フランジの中央部側の背面領域での溶接が無い、これら両端部側の背面領域２箇所の溶接だけでは、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られない。
【００２１】
以上の理由により、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に鋼板を溶接して複合補強部材を製造することはなかなか難しく、例え溶接したとしても、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られないし、保証もできない。
【００２２】
本発明は、このような問題に鑑み、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合でも、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られる複合補強部材の製造方法および複合補強部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するための、本発明の複合補強部材の製造方法の要旨は、矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の、曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板を積層し、これら積層した鋼板とアルミニウム合金中空形材とを、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合するに際し、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域を、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め凸状に形成しておき、この凸状に形成した背面領域を間に挟むように２枚の前記鋼板を積層して、この凸状に形成した背面領域が、下記条件を満たして、これら鋼板間に突出するようにし、この状態で、前記後面側フランジの凸状に形成した背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とを合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、一体に溶接することである。
ここで、前記凸状に形成した背面領域が満たす前記条件とは、前記アルミニウム合金中空形材の最大の厚みを８ｍｍ以下とし、前記鋼板の板厚を０．３〜４．０ｍｍの範囲とした際に、図３に示す記号で、前記凸状に形成した背面領域の、縦断面の面積Ｓが１０ｍｍ２以下で、後端部の幅Ｌ１が８ｍｍ以下、このＬ１と前記中リブの幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが０．６以上、１．２以下の範囲（但し、前記中リブの幅ｔｗは８ｍｍ以下）を満たすものとする。
【００２４】
ここで、前記溶接が、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤを用いた、ＭＩＧ溶接あるいはレーザ溶接であることが好ましい。
【００２５】
また、上記目的を達成するための、本発明の複合補強部材の要旨は、上記各製造方法で製造された複合補強部材であって、矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板が積層されているとともに、これら積層された鋼板とアルミニウム合金中空形材とが、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合されており、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域に、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め形成された凸状の背面領域が、この凸状の背面領域を間に挟むように積層された２枚の前記鋼板間に突出するように設けられ、この状態で、前記凸状の背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とが合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、アルミニウム合金ビードで前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って被覆されて、一体に接合されていることである。
【発明の効果】
【００２６】
前記アルミニウム合金中空形材と鋼板とを、前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られない理由は、前記した溶接施工の難しさだけでなく、前記曲げ強度部材という特有の用途と、前記中空形材の日形断面形状という特有の断面形状との関係にもよる。
【００２７】
日形断面では、前面側のフランジで受けたせん断力（衝突荷重）を、フランジ両端部の各ウェブとフランジ中央部の中リブとで、後面側フランジに伝える。このため、複合補強材としては、両端部の各ウェブ付近ととともに、中央部の中リブ付近の三箇所で、中空形材の長手方向に溶接線を設けるのが有効である。
【００２８】
ただ、この場合に、前記後面側フランジの両端部側の前記ウエブが交差する背面領域（前記両端部の各ウェブ付近）よりも、特に、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の背面領域（前記中央部の中リブ付近）に負荷される荷重が大きくなる。このため、自動車の車体衝突による、曲げ荷重が作用した場合に、前記後面側フランジの中央部側の背面領域の溶接部が特に破壊しやすくなる。
【００２９】
したがって、前記後面側フランジの中央部側の背面領域の溶接部には、特に接合強度が要求されるが、この溶接部は、前記した通り、前記後面側フランジの両端部側の前記ウエブが交差する背面領域の溶接部よりも、著しく重ね隅肉溶接施工しにくい箇所である。
【００３０】
これに対して、本発明では、前記要旨の通り、接合される前記中空形材の前記後面側フランジの中央部側の背面領域を予め凸状に形成するとともに、この凸状に形成した背面領域（突起）を間に挟み、この凸部が積層された２枚の前記鋼板間に突出するように前記鋼板を積層して、この凸状に形成した背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とを合わせて、一体に溶接する。
【００３１】
本発明では、このように、凸部が積層された２枚の前記鋼板間に突出するような、前記中空形材の前記凸部と鋼板中央部側端部との凹凸がかみ合った状態で、このかみ合い領域を一体として、アルミニウム合金溶加材を用いて、前記中空形材の長手方向に亙って重ね隅肉アーク溶接施工して、アルミニウム合金ビードで被覆する。
【００３２】
このため、後述する通り、前記中空形材の前記凸状を前記鋼板よりも上側に突出させた効果によって、アルミニウム溶湯の広がりが適正化され、鋼板接合部表面へのフラックスの供給も十分となり、アルミニウム溶湯と鋼との濡れ性改善効果が大きくなる。
【００３３】
この結果、前記鋼板と中空形材との両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料によるビードを形成できる。これによって、本発明では、前記中空形材と鋼板とを前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、負荷される荷重が大きな溶接箇所でも、高い接合強度を安定的に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一態様を示し、アルミニウム合金中空形材と鋼板とを積層する前の状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の一態様を示し、アルミニウム合金中空形材と鋼板とを溶接する前の積層した状態を示す斜視図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】本発明の一態様を示し、アルミニウム合金中空形材と鋼板とを溶接した後の複合補強部材を示す側面図である。
【図５】本発明の一態様を示し、溶接後の複合補強部材を示す斜視図である。
【図６】図４の複合補強部材の使用態様を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の意義とを図を用いて具体的に説明する。
【００３６】
複合補強部材の製造方法を図１〜図４を用いて順に説明する。図１に、アルミニウム合金中空形材２と鋼板１０、１１とを積層する前の状態を斜視図で示す。また、図２に、アルミニウム合金中空形材２と鋼板１０、１１とを積層した後の状態を斜視図で示す。なお、これら図１、２および後述する図４では、各図の下側から上側の前面側フランジ３に向かう、Ｆで示す自動車車体衝突時の曲げ荷重を矢印で記載している。
【００３７】
図１、２、４の態様では、中空形材２に積層、接合する鋼板１０、１１の長さを同じとしているが、鋼板１０、１１の長さは、必要に応じて選択され、必ずしも中空形材２の長さと同じ長さとする必要はなく、短くしても良い。鋼板１０、１１の長さを中空形材２の長さよりも短くすれば、異材接合となる溶接線を短くできる利点もある。
【００３８】
中空形材２は、曲げ荷重Ｆが作用した際に圧縮側となる前面側フランジ（前壁）３と、引張側となる後面側フランジ（後壁）４と、これら互いに平行な２本のフランジ３、４間をつなぐ、互いに平行な２本のウエブ（横壁）５、６とから矩形断面を形成している。そして、更に、この矩形断面内に、ウエブ５、６に平行な中リブ７を、フランジ３、４の中央部（ウエブ５、６間の中間部）に設けて補強した日形断面形状を有する。
【００３９】
中空形材２の断面形状としては、他に口型、目型、田型などが公知である。しかし、本発明では、本発明の製造方法（溶接方法）が適用でき、重量が増加せずに口型断面形状よりも高強度化（補強）できる、軽量化と補強効果との兼ね合いから、日形断面形状を選択する。
【００４０】
（凸状領域の形成）
この中空形材２は、特徴的には、中リブ７が交差する前記後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａを、中空形材２の長手方向に亙って予め凸状（突起状）に形成している。
【００４１】
図２に示す通り、この凸状に形成した背面領域（突起）８を間に挟むように、中空形材２の後面側フランジ４の背面９に、２枚の鋼板１０、１１を上側から積層した際に、この凸状に形成された領域８（凸状に形成した背面領域８、以下簡便に凸部８とも言う）が、これら鋼板１０、１１間から、その先端８ａが、好ましくは鋼板１０、１１の上側表面よりも上方に突出するようにする。
【００４２】
図２において、鋼板１０、１１の下側となる中空形材２において、凸部（突起）８の先端８ａの上下方向の位置（レベル）は、溶接施工方向である、中空形材２の長手方向に亙って、鋼板１０、１１の表面（上面）である鋼板溶接面の上下方向の位置（点線で示すレベル）よりも上側にＸｍｍの長さだけ、突出した状態としている。言い換えると、図３に示すように、凸部８の先端８ａが、鋼板１０、１１の表面よりも、上側にＸｍｍだけ突出するように、凸部８の大きさや高さの形状条件が決定されている。ここで、後述する効果を得るための、この凸部８の鋼板１０、１１表面レベルよりも上側への突出量Ｘの最適範囲は、後述する通り、諸条件によって異なるが、前記自動車車体などの補強部材の分野では０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。
【００４３】
このように、中空形材２の溶接面となる凸部８の先端８ａを、鋼板１０、１１の表面（上面）の溶接面の位置よりも、上側に突出させると、前記中空形材２の長手方向に亙る前記溶接施工方向に対して、少なくとも中空形材2 の溶接面は鋼板１０、１１の溶接面よりも上側となる。
【００４４】
本発明では、このような中空形材２側の凸状領域（凸部）８の先端部８ａが、積層された２枚の前記鋼板１０、１１表面よりも、上側に突出するような、凹凸がかみ合った状態で、このかみ合い領域を一体として、アルミニウム合金溶加材を用いて、中空形材２の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接施工して、アルミニウム合金ビードで被覆する。
【００４５】
この結果、図４に示す通り、重ね隅肉溶接施工によって、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側の溶接箇所においても、鋼板中央部側端部１０ａ、１１ａと、中空形材２の中央部側の背面領域４ａとの、両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料による良好なビード１２を形成できる。これによって、中空形材２と鋼板１０、１１とを前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、中空形材２の中央部側の背面領域４ａの溶接箇所でも、高い接合強度を安定的に確保することができる。
【００４６】
より具体的には、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側の背面領域４ａの溶接箇所における、アルミニウム溶湯の広がりが適正化され、鋼板接合部表面へのフラックスの供給も十分となるため、アルミニウム溶湯と鋼との濡れ性改善効果が大きくなる。すなわち、図４に示す通り、上側である中空形材２の溶接面（凸部８の先端８ａ）からのアルミニウム溶湯６（ビードとなる）が、下側の鋼板１０、１１の表面（溶接面）に広がりやすい。これは、溶接面に供給されるフラックスにおいても言える。したがって、フラックスを活用した場合も（前記ＦＣＷ溶接法による場合も）、フラックスが下側の鋼板１０、１１の表面（溶接面）に広がりやすい。このため、鋼板１０、１１の溶接面とアルミニウム溶湯との濡れ性を改善し、また鋼板１０、１１の表面（溶接面）の酸化膜除去を促進できる。この結果、鋼板溶接面とアルミニウム合金中空形材溶接面との両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料によるビード１２を形成でき、良好な異材接合が実現できる。
【００４７】
他方、前記フラックスによる清浄作用及びぬれ性、接着性良好化作用によって、鋼板１０、１１の溶接面には、アルミニウム溶湯が広く覆い被さり、密着状態にある。したがって、鋼板１０、１１へは、アークから直接的に入熱されることはなく、覆い被さったアルミニウム溶湯を介して間接的に入熱される。このために、鋼板１０、１１はアークによって過剰に加熱されて溶融することはなく、密着したアルミニウム溶湯との接合界面に数μｍ程度と薄い金属間化合物層を形成することになる。この金属間化合物層が数十μｍ程度以上と厚くなると、脆弱になり、溶接割れが発生して強度が劣化するが、数μｍ程度と薄い金属間化合物層は、脆弱ではなく、強固な接合状態となる。
【００４８】
（複合補強部材の基本構造）
図４の複合補強部材の使用態様を図５に示す。図５はバンパー補強材として、溶接時の向きを示す図４の複合補強部材を、その前面側フランジ３と後面側フランジ４とを自動車車体の前後方向に配置するとともに、その長手方向を自動車車体の幅方向に延在させたものである。
【００４９】
図５の通り、本発明において最終的に製造された複合補強部材１は、日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４の背面９に、鋼板１０、１１を並べて積層、溶接して補強している。これらの鋼板１０、１１と中空形材２とは、ウエブ５、６が交差する後面側フランジ４の両端部側の背面領域４ｂ、４ｃと、中リブ７が交差する後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａとの３箇所を溶接箇所として、３本のアルミニウム合金ビード１２（中央部側）、１３（端部側）、１４（端部側）で、中空形材２の長手方向に亙って被覆されて、一体に接合されている。
【００５０】
前記した通り、日形断面では、前面側フランジ３で受けた、左方向からの矢印で示すせん断力（衝突荷重）Ｆを、フランジ両端部の各ウェブからｆ１、ｆ３として、フランジ中央部の中リブからｆ２として、分担して後面側フランジ４に伝える。この場合、後面側フランジ４の両端部側の前記ウエブが交差する背面領域（両端部の各ウェブ付近）４ｂ、４ｃへの荷重ｆ１、ｆ３よりも、特に、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側の背面領域（前記中央部の中リブ付近）４ａに負荷される荷重ｆ２が大きくなる。このため、自動車の車体衝突による、曲げ荷重が作用した場合に、この後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接部である、アルミニウム合金ビード１２（中央部側）が特に破壊しやすくなる。
【００５１】
これに対して、本発明では、特に、この後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接部である、アルミニウム合金ビード１２（中央部側）の接合強度が優れている。このため、ウエブ５、６が交差する後面側フランジ４の両端部側の背面領域４ｂ、４ｃでの２箇所の溶接部、すなわち、アルミニウム合金ビード１３（端部側）、１４（端部側）による接合強度が、前記段落００２０で記載した通り、比較的低くても、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られる。
【００５２】
このように、本発明では、中空形材２と鋼板１０、１１とを前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所でも、前記溶接施工の難しさが大きく改善される。この結果、日形断面形状特有の、負荷される荷重が特に大きくなるような、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所でも、高い接合強度を安定的に確保することができる。この結果、ウエブ５、６が交差する後面側フランジ４の両端部側の背面領域４ｂ、４ｃでの他の２箇所の溶接部の接合強度が比較的低くても、前記曲げ強度部材全体としては、要求される高い接合強度が得られる。
【００５３】
図５の態様を、図６(a) に平面視（平面図）で示す通り、曲げ荷重が作用した当初、この曲げ荷重を支えるのは、曲げ強度部材１（中空形材２）の曲げ荷重が負荷された部位 (中央部１５) を曲げ中心 (曲げ部) とする曲げ変形となる。この点、本発明において製造された複合補強部材１は、鋼板１０、１１の接合強度が優れているために、鋼板１０、１１によるアルミニウム合金中空形材２の補強効果が十分に発揮される。
【００５４】
この結果、車体衝突による曲げ荷重が負荷された際に、曲げ強度部材１（中空形材２）断面のつぶれ変形を防止して、加わる曲げ荷重に対して、部材自らの曲げ変形および断面方向の変形 (横圧壊) により、エネルギー吸収する。言い換えると、曲げ強度部材１の全断面が効率的に応力を負担する、矩形断面構造体本来の変形による本来のエネルギー吸収を生じる。したがって、曲げ強度部材の強度およびエネルギー吸収量を高めることができる。
【００５５】
これに対し、中空形材２の後面側フランジ４の背面への鋼板の従来の接合方法では、特に、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接部のアルミニウム合金ビード１２（中央部側）の接合強度が劣る。このため、車体衝突による曲げ荷重が負荷された際に、この溶接部の破壊が生じて、鋼板による中空形材２の補強効果が十分に発揮されない。
【００５６】
このため、図６(b) に示すように、曲げ荷重が負荷された曲げ強度部材１（中空形材２）中央部１５などで、早期に圧縮側の前面側フランジ３およびウエブ５（６）に局部的な座屈が生じ、更に変形が進んだ場合、前面側フランジ３やウエブ５（６）が顕著に湾曲する変形を生じつつ、これらで形成する断面のつぶれ変形が進行する。この断面のつぶれ変形が進行した場合、前面側フランジ３やウエブ５（６）が湾曲するため、十分に荷重を負担できない。また、断面の深みが減少するため、曲げ変形に対する抵抗モーメントが減少し、耐曲げ荷重が減少する。この結果、曲げ強度部材の強度およびエネルギー吸収量はより大幅に低下してしまう。
【００５７】
（凸状領域の設計方法）
矩形断面内に中リブ７を設けて補強した日形断面形状を有する中空形材２からなる曲げ強度部材には、前記した通り、引張側となる後面側フランジ４の背面領域への荷重伝達が不均一となり、両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃよりも、特に、中リブ７が交差する中央部側の背面領域４ａに負荷される荷重が大きくなる。このため、自動車の車体衝突による、曲げ荷重が作用した場合に、後面側フランジの中央部側の背面領域４ａの溶接部が特に圧壊しやすくなる。
【００５８】
このため、凸状領域（凸部）８を設ける位置は、前記した通り、負荷される荷重が特に大きくなる、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所とする。すなわち、中空形材２の後面側フランジ４の、荷重を伝達する中リブ７の端部が交差する中央部側の背面領域４ａとする。
【００５９】
凸状領域形成方法：
凸状領域（凸部）８は、中空形材２の後面側フランジ４の、中リブ７の端部が交差する中央部側の背面領域４ａを予め部分的に厚肉とすることによって実現できる。このような中央部側の背面領域４ａの部分的な厚肉化は、アルミニウム合金中空形材を熱間押出加工により製造すれば、その厚肉化（凸部８）形状も含めて予め一体に形成することが、簡単に可能である。
【００６０】
凸状領域の形状：
この凸状領域（凸部）８の形状は、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所で前記した凸凹のかみ合い効果を発揮させて高い接合強度を得るために、この中央部側のこの凸部の作用である鋼板１０、１１側の設計条件と、中空形材２側の設計条件と、複合補強部材１として要求される接合強度などから、その条件が決定される。
【００６１】
ここで、図３では、この凸部８の形状を台形として例示しているが、この場合の形状因子は、凸部８の縦断面面積Ｓ（ｍｍ２ ）、凸部８の後端部（根元部）の中空形材幅方向の幅（長さ）Ｌ１（ｍｍ）、凸部８の先端部の中空形材幅方向の幅（長さ）Ｌ２（ｍｍ）、鋼板表面レベルよりも上側への突出量Ｘ（ｍｍ）である。
【００６２】
この図３の記号を用いて表すと、上記した条件とは具体的には以下のような条件となる。すなわち、前記凸状に形成した背面領域が満たす前記条件とは、前記アルミニウム合金中空形材２の最大の厚みを８ｍｍ以下とし、前記鋼板１０、１１の板厚を０．３〜４．０ｍｍの範囲とした際に、図３に示す記号で、前記凸状に形成した背面領域（突起）の、縦断面の面積Ｓが１０ｍｍ２以下で、後端部の幅Ｌ１が８ｍｍ以下、このＬ１と前記中リブの幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが０．６以上、１．２以下の範囲（但し、前記中リブの幅ｔｗは８ｍｍ以下）を満たすものとする。この条件は、図３に例示した凸部（突起）８の形状が台形の場合だけでなく、これに近似した矩形、半円形などの他の形状の場合でも共通する。
【００６３】
前記凸部８の縦断面面積Ｓとは、図３に網掛け（ハッチィング）で示す通り、前記凸部８の上部側の領域のみの縦断面面積、すなわち、点線で示す鋼板１０、１１の上面レベルよりも上部側の領域であって、前記点線（鋼板１０、１１の上面レベル）よりも下部側を除く領域の縦断面の面積である。この凸部８の縦断面面積Ｓは、後述する鋼板１０、１１側の形状条件範囲と、中空形材２側の形状条件範囲で、１回の溶接により、凸部に形成した背面領域８（凸部８の領域、突き出し部）への、アルミニウム合金材料の十分な溶け込みと、鋼板への溶接ビードの広がりを確保するためには、前記Ｓを１０ｍｍ２ 以下とする。
【００６４】
また、前記凸部８の後端部、すなわち、後面側フランジ４の背面（上面）と面一な根元部の、中空形材２の幅方向の長さ（幅）Ｌ１は、前記突出量Ｘの好ましい範囲と、中央部側の背面領域４ａ負荷される荷重の大きさを決める中リブ７の幅（厚み）ｔｗとの関係によって定める。その上で、鋼板１０、１１側の厚みｔ１、ｔ２、中空形材２側の後面側フランジ４の厚みｔ３、ｔ４、そして溶接方法、溶接装置や溶接条件なども考慮して、前記凸部８の縦断面面積Ｓや、凸部８の先端部の中空形材幅方向の幅（長さ）Ｌ２をともに定める。
【００６５】
前記Ｌ１につき、中央部側の背面領域４ａへの、溶接時のアルミニウム合金材料の十分な溶け込みと、鋼板１０、１１側（中央部側側面１０ａ、１１ａ）への溶接ビードの広がりを確保するためには、中空形材２側の中リブ７の幅（厚み）ｔｗに対して、凸部８（突き出し部）の幅が十分であることが好ましい。
【００６６】
この点、前記中リブ７の幅ｔｗを８ｍｍ以下とすると、凸部８の前記後端部（根元部）の幅Ｌ１は、中リブ７の幅（厚み）ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗで、０．６以上、より好ましくは０．７以上とする。Ｌ１が２ｍｍ未満、あるいは前記Ｌ１／ｔｗで０．６未満と小さ過ぎると、中リブ７の強度（負荷荷重）に対して、接合部の強度が不足する。一方、前記Ｌ１／ｔｗが１．２を超えて大きすぎると、中リブ７から鋼板が離れすぎるため、最も補強が必要な中リブ７の部分の、鋼板による補強効果が小さくなる。したがって前記Ｌ１／ｔｗの範囲は０．６以上、１．２以下とする。
【００６７】
その一方で、このＬ１が大きくなっても、ウィービングによりある程度の範囲で対応可能であるが、このＬ１が８ｍｍを超えると、ウィービング幅が大きくなりすぎ、溶接入熱が大きくなりすぎて、金属間化合物が成長しやすくなる。このため、接合部の強度が不足する。また、Ｌ１の幅が大きくなり過ぎると、端部側の溶接線と十分離して配置できなくなり、溶接時の熱ひずみの問題も発生しやすくなる。したがって、中リブ７の幅（厚み）ｔｗが８ｍｍ以下の範囲とすると、Ｌ１の幅は８ｍｍ以下、好ましくは２〜８ｍｍの範囲、より好ましくは３〜７ｍｍの範囲とする。
【００６８】
前記凸部（突起）８の突出量Ｘは、好ましくは、前記した通り０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下とする。この凸部８の突出量Ｘは、当然ながら、複合補強部材の設計条件や、溶接方法、溶接条件などに応じて適宜選択される。即ち、アルミニウム溶湯の凸部８の下側となる鋼板１０、１１側表面（溶接面）への広がりやすさや、フラックスの凸部８の下側となる鋼板１０、１１側表面（溶接面）への広がりやすさ（濡れ性改善、鋼板溶接面の酸化膜除去促進）の程度などから、適宜選択される。
【００６９】
この突出量Ｘが少ないと、鋼板側溶接面にアルミニウム溶湯が十分に広がらない。一方、この突出量Ｘが大きすぎると、中空形材２側への溶け込み確保が難しい。また、溶け込み確保のために、溶接入熱を上げすぎると、接合界面の金属間化合物が厚く成長してしまい、極端な場合は、鋼板側を溶融させてしまうため、接合強度の確保が難しい。なお、この突出量：Ｘｍｍは、当然ながら、中空形材２に上側から積層される鋼板１０、１１とのクリアランスを加味して（クリアランスに応じて、考慮して）適宜設計される。
【００７０】
また、中空形材２の後面側フランジ４ａの表面と、上側から積層される鋼板１０、１１下面とのクリアランス（隙間）Ｃはできるだけ少なくする。その一方で、凸部８の後端部（根元部）と各鋼板の中央部側側面１０ａ、１１ａとのクリアランス（隙間）Ｇは、接合強度を高めるために、このクリアランスＧへのある程度のアルミニウム合金材料（溶湯）の溶け込み流入量を確保する意味から、片側当たり０．１〜２．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００７１】
なお、本実施態様では、凸部８の断面形状（縦断面形状）を台形としているが、これが矩形や半楕円形、波型、あるいはこれらの形状の組み合わせとなっても良い。いずれの形状でも、中空形材２を押出中空形材とすれば、余程複雑な形状としない限り、熱間押出加工によって、簡単に、凸部８を設けた日型断面形状を長手方向に亙って均一に得ることができる。
【００７２】
（鋼板、アルミニウム合金中空形材の厚み）
本発明で異材接合される鋼板の板厚は０．３〜４．０ｍｍの範囲とする。鋼板１０、１１側の厚みｔ１、ｔ２は同じでも、必ずしも同じで無くてもいいが、軽量化（重量増加の限界）からは最大の厚みでも４．０ｍｍ以下とする。一方、鋼板の補強効果からすると０．３ｍｍ以上とする。鋼板の板厚が０．３ｍｍ未満の場合、前記したアルミニウム合金中空形材２の補強効果（複合化効果）が達成できない。
【００７３】
また、中空形材２側のフランジ３、４の厚み（ｔ３、ｔ４）や中リブ７の幅（厚み、ｔｗ）なども、同じでも、必ずしも同じで無くてもいい。ただ、中空形材２自体の、曲げ補強部材として断面剛性や強度が十分高く、溶接による熱ひずみの問題が発生しにくいことと、軽量化（重量増加の限界）との兼ね合いからは、前記各部の厚みは最大でも８ｍｍ以下とする。一方、補強部材に要求される強度（剛性）、すなわち車体衝突時のエネルギ吸収性などからすると０．５ｍｍ以上が好ましい。
【００７４】
なお、図４に示すように、複合補強部材１としては、これらの鋼板１０、１１とアルミニウム合金中空形材２とが、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃと、後面側フランジの中リブ７が交差する中央部側の背面領域４ａとの３箇所で、中空形材２の長手方向に亙って溶接して、一体に接合する。
【００７５】
（溶接施工法）
前記図４に示した溶接は、中空形材２（鋼板１０、１１）の長手方向に亙って、鋼板１０、１１の長さ分だけ（鋼板１０、１１の長さを溶接線長さとして）、前記ＦＣＷなどの重ね隅肉アーク溶接法により施工する。このための、鋼板１０、１１と中空形材２との位置関係は、鋼板１０、１１を上側とし、中空形材２を下側として、前記３箇所において、互いに重ね合わせて、中空形材２の長手方向に亙って隅肉溶接する。
【００７６】
なお、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃの溶接施工は従来通りで良い。すなわち、鋼板１０、１１側の幅を後面側フランジ４の幅よりも狭くして（短くして）、前記背面領域４ｂ、４ｃでアルミニウム合金表面が露出するようにして、両鋼板の各端部側側面１０ｂ、１１ｂとで、重ね隅肉溶接となる形状とする。
【００７７】
この結果、一体に接合された複合補強部材としては、前記した通り、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接箇所には１本の溶接ビード１２が、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃの溶接箇所には２本の溶接ビード１３、１４が、各々中空形材２の長手方向に亙って形成される。
【００７８】
重ね隅肉アーク溶接は、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるＦＣＷ（フラックス入りワイヤ、フラックスコアードワイヤ）を用いた、ＭＩＧ溶接あるいはレーザ溶接であることが、溶接効率上や汎用性の点で好ましい。より具体的には、アーク溶接方法として、直流のＭＩＧ溶接、直流のパルスＭＩＧ溶接、交流ＭＩＧ溶接、交流パルスＭＩＧ溶接、直流／交流ＴＩＧ溶接、プラズマアーク溶接、アーク溶接とレーザ照射とを同時に使用する複合方式のレーザ照射アーク溶接等を使用することができる。
【００７９】
本発明に使用する異材接合用フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）は、溶融溶接の効率化のために、フッ化物系混合フラックスをアルミニウム合金外皮で被覆した、ＦＣＷを用いることが好ましい。内部にフラックスを充填する、管状のアルミニウム合金外皮（フープ）は、シーム（合わせ目：隙間、開口部）を有するシーム有りタイプと、このシームを溶接等で接合したシームが無いシームレスタイプとがあるが、いずれでも良い。
【００８０】
前記ＦＣＷの外皮に用いるアルミニウム合金としては、特に制限はないが、Ａ４０４３、Ａ４０４７等の４０００系アルミニウム合金やＡ５３５６、Ａ５１８３等の５０００系アルミニウム合金を用いることができる。この他、３０００系や６０００系などのアルミニウム合金を用いても良い。この中でも、ＪＩＳで規定される、Ａ４０４３−ＷＹ、Ａ４０４７−ＷＹ、Ａ５３５６−ＷＹ、Ａ５１８３−ＷＹなどが、好適に例示される。
【００８１】
前記ＦＣＷの線径は、高効率の全自動溶接若しくは半自動溶接として用いられている溶接施工用として、ワイヤ送給機の特性なども含めた溶接作業性に応じて最適な径を選定すれば良い。例えば、ＭＩＧ溶接、一般的な炭酸ガスシールドアーク溶接等であれば、汎用されている０．８〜１．６ｍｍφ程度の細径であれば良い。
【００８２】
前記線径の範囲で、より小さい線径のワイヤを用いるほど、溶接を行なうに際しての入熱量を低くし、低電流条件とすることができる。この結果、フッ化物系混合フラックス自体の飛散を防止し、溶接作業性が改善でき、また、脆弱な金属間化合物生成抑制できる。ワイヤ径が１．６φｍｍを超えると、安定したアークを得るための電流が過大となって、フッ化物系混合フラックス自体の飛散が大きくなる、母材の溶融が過剰気味となり、脆弱な金属間化合物の生成につながる可能性がある。
【００８３】
前記ＦＣＷへのフラックスの充填率は、フラックス組成にも勿論よるが、前記ＦＣＷの全体質量に対して、０．１質量％以上、２４質量％未満程度と比較的少なくすることが好ましい。この充填率が低い方が、フラックス自体の飛散を防止して、溶接作業性を改善できる。なお、フラックスの充填率が少な過ぎると、フラックスの効果が発揮できず、健全で信頼性の高い溶接継手が得られない。
【００８４】
前記ＦＣＷに使用する（充填する）フラックス組成を、フッ化物系混合フラックスの中でも、特にフッ化アルミニウムとフッ化カリウムなど、フッ化物同士を混合した、特定組成の混合フラックス（ノコロックフラックス）とすることが好ましい。また、塩化物量を１ｍｏｌ％以下と規制するか、塩化物を含まないフッ化物組成とすることが好ましい。塩化物は、溶接部に残留すると、溶接部乃至異材接合体の腐食促進因子として作用するからである。
【００８５】
また、このフラックスに、アルミニウム合金粉末を混合添加すると、溶接時のスパッタが減少する他、溶融金属の過大な濡れが抑制される等の効果が得られる場合がある。外皮へのフラックス充填量が少ないと、フラックス量が安定せず、ＦＣＷの部位によってフラックス充填量（充填率、含有率）がばらつく問題が生じる。これに対して、特に、フラックス充填量が少ない場合に、フラックスとアルミニウム合金粉末を外皮に混合して充填すると、この問題が解消乃至緩和されるし、同時に、ＦＣＷの製造自体も容易になる利点も得られて好ましい。
【００８６】
このような特定組成の混合フラックスとすることで、比較的厚い溶融亜鉛めっき（合金化を含む）を被覆した鋼板でも、前記中空形材との異材接合が可能となる。即ち、亜鉛めっき鋼板や前記中空形材との材料表面を清浄化でき、溶接金属の濡れ性が向上する。この結果、ビードの形成が良好となる。また、異材接合部に生成する、脆いAl-Fe 系金属間化合物層や、亜鉛めっきに由来する脆いZn-Fe 系化合物層の生成が抑制される。これらの結果、接合強度が向上する。勿論、この効果は、亜鉛めっきの無い裸の鋼板と前記中空形材との異材接合でも発揮される。
【００８７】
ＦＣＷ溶接条件：
ＦＣＷは、巻き取られているスプールから、巻き戻され、送給ロールなどによって、溶接トーチを通って、予め定めた送給速度で、前記溶接箇所に各々送給される。この際、シールドガスが溶接トーチ内に供給される。
【００８８】
ここで、中空形材と鋼板との界面に生成する金属間化合物の生成を抑制するためには、前記した通り、母材である鋼板を過剰量溶融させることなく、必要最小限の母材溶融（希釈）量で健全な接合状態が得られるような、以下の溶接条件を選択することが好ましい。
【００８９】
溶接電流は、７０Ａ以上、好ましくは８０Ａ以上で、１２０Ａ以下、より好ましくは１１０Ａ以下である。大電流となるほど、少なからず生成する接合界面の金属間化合物が、接合強度に悪影響をおよぼす可能性があるので、こうした金属間化合物を抑制する上で、比較的低い電流条件で接合することが推奨される。
【００９０】
溶接電圧は、１０Ｖ以上、好ましくは１５Ｖ以上で、３０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下である。
【００９１】
溶接速度は、上記溶接電流および溶接電圧に応じて、母材のFeおよびAlを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。ただ、溶接能率なども考慮して好ましいのは２０ＣＰＭ以上、好ましくは３０ＣＰＭ以上で、１００ＣＰＭ以下、より好ましくは９０ＣＰＭ以下である。
【００９２】
シールドガスは、Ａｒなど汎用されるガスが適宜使用でき、ガス流量も、汎用流量が選択でき、特に制限は無い。
【００９３】
鋼板：
本発明で異材接合される鋼板は、自動車部材などの軽量な高強度構造部材（異材接合体）を得るためには、鋼板の引張強度が４００ＭＰａ以上、望ましくは５００ＭＰａ以上の高張力鋼（ハイテン）とする。引張強度が４００ＭＰａ未満の低強度鋼や軟鋼では、一般に低合金鋼が多く、酸化皮膜が鉄酸化物からなるため、FeとAlの拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。また、必要強度を得るための板厚が厚くなり、軽量化が犠牲となる。この鋼板表面は、絶縁皮膜による被覆を除き、亜鉛めっきなどの表面処理が施されている、いないを問わない。
【００９４】
アルミニウム合金中空形材：
中空形材２は、長手方向に亙って、前記凸部８を設けた均一な日形断面形状を有する中空形材が簡便で安価に得られるように、前記した６０００系、７０００系等の高強度アルミニウム合金を、ビレット鋳造、ビレット均熱後に熱間押出加工し、オンラインあるいはオフラインで調質処理（熱処理）して製造される。中空形材の強度は、補強部材であるがゆえに、上記鋼板の場合と同様に高い方が望ましい。異材接合される中空形材表面も、絶縁皮膜による被覆を除き、表面処理が施されているか、いないかを問わない。
【００９５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００９６】
前記図１〜図４に示したように、アルミニウム合金中空形材２の長手方向の溶接施工方向に対して、鋼板１０、１１を上側とし、中空形材２を下側として、互いに重ね合わせた形状を用いて、ＦＣＷ溶接（ＭＩＧ溶接）による重ね隅肉溶接を実施した。
【００９７】
溶接箇所は、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの一箇所のみとし、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃの溶接は行わなかった。例え、溶接が比較的容易なこれら背面領域４ｂ、４ｃの溶接性が良好であっても、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接性が不良であれば意味がないからである。
【００９８】
この際、アルミニウム合金中空形材側の断面が台形状の凸部８の鋼板溶接面（上側表面）からの突出量（Ｘｍｍ）や他の設計条件を種々変えて行い、この突出量の異材接合の際の溶接性への影響を調査した。この結果を表１に示す。
【００９９】
凸部８の台形形状として、表１には、凸部８の後端部の中空形材幅方向の幅Ｌ１（ｍｍ）、凸部８の先端部の中空形材幅方向の幅Ｌ２（ｍｍ）、凸部８の縦断面面積Ｓ（ｍｍ2 ）、鋼板表面レベルよりも上側への突出量Ｘ（ｍｍ）、Ｌ１と中リブ７の幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗを記載している。なお、アルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４表面と、上側から積層される鋼板１０、１１下面とのクリアランスＣは０とし、凸部８の根元と各鋼板の中央部側側面１０ａ、１１ａとのクリアランスＧは０．５ｍｍとした。
【０１００】
上側の鋼板１０、１１は引張強度が９８０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡ）を施した冷延鋼板（ハイテン、板厚１．４ｍｍ）を用いた。下側の日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材２は０．２％耐力が５００ＭＰａ級の７０００系アルミニウム合金の調質押出形材（各部の厚みは共通して４．０ｍｍ）を用いた。前面側フランジ３と後面側フランジ４との長さはともに１５０ｍｍ、各フランジ中央部と交差する中リブ７と、各フランジ端部と交差する２本のウエブ５、６との長さは、ともに６５ｍｍとした矩形断面とした。アルミニウム合金中空形材２（溶接線）の長さは２５０ｍｍとした。
【０１０１】
フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）は、アルミニウム合金粉末を混合した前記ノコロックフラックスを、ＦＣＷの全体質量に対して１２質量％充填し、Ａ４０４７アルミニウム合金アルミニウム合金外皮で被覆した、シーム有りタイプの１．２ｍｍφの細径を用いた。ＭＩＧ溶接条件は、溶接電流８０〜９０Ａ、溶接電圧１６〜１８Ｖ、溶接速度４０〜７０ｃｐｍ（ｃｍ／ｍｉｎ）、溶接線の長さは２５０ｍｍの条件とした。シールドガスはＡｒとした。
【０１０２】
継手溶接性評価：継手の溶接性は、ビードの概観目視と、たがねによるはく離試験とでおこなった。ビードの概観目視は、合格（◎）は、ビード１２が鋼板１０、１１の溶接面と、アルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４の中央部の背面領域４ａの溶接面との両方に亙って、連続して良好に形成されている状態とした。そして、これとの比較で、特に、鋼板の溶接面側のビードの大きさによって、○、△、×の順で評価した。因みに「×」はビード１２が鋼板１０、１１の溶接面側に殆ど無いか、あっても極小の場合とした。
【０１０３】
たがねによるはく離試験は、先端を溶接部（ビード１２）中央付近につけた、たがね（切断用鍛造工具）頭部を上からハンマーで１回大きな力でたたいて、ビード１２の長手方向に亙る剥離状態（破壊状態）を調査した。そして、ビード１２の長手方向全般に亙って、剥離（破壊）が全く無いものを合格（◎）と評価し、これとの比較で、ビード１２の一部に生じた剥離（破壊）の大きさによって、○、△、×の順で評価した。因みに「×」はビード１２が大きく剥離して、継手が破壊されたと見なせる場合とした。このたがねによるはく離試験は、◎であれば、継手の破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上あるという目安になり、×であれば、継手の破断強度が１００Ｎ／ｍｍ未満程度しか無いという目安になる。
【０１０４】
表１から、アルミニウム合金中空形材２側の凸部８の鋼板溶接面（上側表面）からの突出量Ｘ（ｍｍ）や、凸部８の後端部の幅Ｌ１（ｍｍ）と中リブ７の幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが適切な発明例は、ビードの概観目視やはく離試験の評価に優れている。しかし、これらが不適切な比較例は、ウイービングを施しても、ビードの概観目視やはく離試験の評価が劣っている。
【０１０５】
比較例４、５は、前記Ｌ１／ｔｗが小さ過ぎる。すなわち、中リブ７の幅ｔｗに対して、凸部８の後端部の幅Ｌ１が小さ過ぎる。この結果から、従来通り、後面側フランジの中央部４ａの背面に、凸部８を設けずに、平坦な背面として溶接する場合には、これら比較例４、５よりも、更にビードの概観目視や、はく離試験の評価が劣ることが裏付けられる。
【０１０６】
比較例７は、発明例６とともに、凸部８の鋼板溶接面（上側表面）からの突出量Ｘが比較的大きい。このため、突出量Ｘが適切な他の発明例に比して、溶接性が比較的劣る。また、比較例７や１１は、前記断面積Ｓが大きすぎることが、溶接性が劣る主因である。このうち比較例１１は、Ｌ１が８ｍｍと大きいのでウィービングを施しているが、同じくＬ１が大きく、ウィービングを施して対応している発明例９、１０に比して、前記断面積Ｓが大きすぎ、溶接性が劣っている。
【０１０７】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明によれば、アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合でも、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られる複合補強部材の製造方法および複合補強部材を提供できる。また、施工方法も容易で、線溶接が効率的に可能なアーク溶接を活用した接合方法を提供できる。したがって、自動車車体の補強部材の製造など鋼板とアルミニウム合金中空形材との異材接合の分野に有用である。
【符号の説明】
【０１０９】
１：複合補強部材、２：アルミニウム合金中空形材（アルミニウム合金押出形材）、３：前面側フランジ（前壁）、４：後面側フランジ（後壁）、５、６：ウエブ、７：中リブ、８：凸部（凸状領域）、９：後面側フランジ背面、１０、１１：鋼板、１２、１３、１４：溶接ビード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板とアルミニウム合金中空形材とを組み合わせた複合補強部材の溶接による製造方法および製造された複合補強部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの輸送機車体には、軽量化のために、曲げ強度部材などの補強部材として、アルミニウム合金中空形材が多く用いられる。この曲げ強度部材としては、バンパー補強材( バンパーリインフォースメントあるいはバンパーアマチャアなどとも言う) やドアビーム、あるいはフレ−ム部材などが例示される。この曲げ強度部材には、外から加わる荷重 (外力) のエネルギーを、部材自らの曲げ変形および断面方向の変形 (横圧壊) により吸収し、車体を保護する性能が求められている。
【０００３】
これら曲げ強度部材に用いられるアルミニウム合金中空形材は、基本的に、曲げ荷重を受ける前面側フランジと、前記曲げ荷重が作用した際の引張側となる後面側フランジと、これら互いに平行な２本のフランジ間をつなぐ互いに平行な２本のウエブとからなる矩形断面（口型断面）を有している。そして、多くの場合は、この矩形断面内に、更に中リブを前記ウエブと平行に１本設けて補強した日形断面形状などを有している。このアルミニウム合金中空形材は、主として６０００系、７０００系等の高強度なアルミニウム合金を熱間押出加工および調質処理（熱処理）して製造され、長手方向に均一な前記日形断面形状を有していることが特徴である。以下、このアルミニウム合金中空形材を単に中空形材とも言う。
【０００４】
このようなアルミニウム合金中空形材に、更に比較的薄い高強度鋼板（高張力鋼板）を積層して一体化させた複合補強部材とすれば、さしたる重量増加とならずに、補強効果を上げることができる。すなわち、前記前面側フランジとは反対側の、曲げ荷重が作用する際に引張側となる後面側フランジの背面領域に薄い鋼板を積層して補強すれば、この鋼板が負荷される曲げ荷重を分担して受け持つことができる。したがって、鋼板が負荷される曲げ荷重を分担することで、アルミニウム合金中空形材の過度の変形を抑制でき、中空形材の矩形断面構造体の変形による本来のエネルギー吸収を生じさせることができる。
【０００５】
しかし、周知の通り、これら鋼板とアルミニウム合金中空形材とを溶接により接合する場合に、その接合部（界面）には、脆いＦｅ−Ａｌ金属間化合物からなる反応層が生成しやすい。鋼板はアルミニウム合金中空形材と比較して、融点、電気抵抗が高く、熱伝導率が小さいため、まず低融点のアルミニウム側が溶融する。次に鋼板の表面が溶融し、結果として界面にて、Ｆｅ−Ａｌ系の脆い金属間化合物層が形成する。このために、信頼性のある高強度を有する接合部（接合強度）を得ることは非常に困難であった。
【０００６】
これに対して、これら異種金属材（異材）同士の接合に、セルフピアスリベットに代表される機械的な接合を用いるのは、溶接接合に比して、接合継手の信頼性や、新たな設備や部品点数の必要により手間や接合コスト等が増加するなどの大きな問題がある。また、機械的な接合は点接合しかできないという不利もある。
【０００７】
因みに、従来から、この鋼板に代えて、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に、炭素繊維、ガラス繊維等の無機繊維や、ケプラーなどの有機繊維などで強化した繊維強化樹脂材（ＦＲＰ材）を設けて複合部材化して補強する技術も公知ではある。しかし、前記鋼板に比べれば、補強効果が小さかったり、補強効果が十分でもコストが上昇する、といった実用上の問題がある。
【０００８】
従来より、鋼材とアルミニウム合金材との、アーク溶接（溶融溶接）による、部材長手方向に亙る長い溶接線での異材接合方法については、多くの検討がなされてきている。例えば、より高温において接合を行うアーク溶接（溶融溶接）では、少なくともシリコンを３〜１５ｗｔ％添加したアルミニウム合金製のソリッドワイヤを溶接ワイヤとし、アルミニウム合金材と亜鉛メッキなどを表面に施した鋼材とをパルスＭＩＧ溶接によって接合する方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、溶接ワイヤの溶融と共に、シリコンも母材へと移行させ、溶融池界面に浸透して、アークの熱によって高温となり、溶融金属のぬれ性を良くして接着性を向上させている。
【０００９】
更に、アーク溶接に用いるフラックスの組成を改善して、溶接継手強度を高めようとするも提案されている。この例として、フッ化物（フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム及び酸化アルミニウム）を含むフラックスを芯材とし、アルミニウム又はアルミニウム合金で被覆して形成されるフラックス入りワイヤにより、鉄鋼（軟鋼）とアルミニウム合金材とをアーク溶接する方法が提案されている（特許文献２参照）。
【００１０】
また、フッ化カリウムとフッ化アルミニウムなど、フッ化セシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カリウム、フッ化亜鉛の一種以上を含むフッ化物系混合フラックスを塗布して用いる種々の溶接法により、鋼材とアルミニウム合金材とを異材接合する溶接する方法が提案されている（特許文献３参照）。これらの方法は、上記フラックスの化学反応によって、鉄鋼表面の清浄作用を促すと共に、アルミニウムから成る溶融金属のぬれ性及び接着性を良好にし、脆弱な厚い金属間化合物層の形成を阻止する。
【００１１】
更に、強固な酸化皮膜が形成されているアルミニウム合金材の表面から、酸化皮膜を還元、溶解除去する効果を有するフッ化物系フラックスをアルミニウム合金材表面に塗布して、軟鋼と６０００系アルミニウム合金材とをスポット溶接する方法も提案されている（特許文献４参照）。また、これらフッ化物系フラックスは、アルミニウム合金材同士の溶融溶接接合などにも用いられている（特許文献５、６参照）。
【００１２】
しかし、これらのフラックスを用いた溶接方法では、前記高張力鋼材と６０００系アルミニウム合金材など、高強度な異材同士の線溶接では、高い接合強度が得られないという問題がある。このため、フラックス組成を工夫し、フッ化アルミニウムなどを含むフッ化物組成や、塩化物を含まないフッ化物組成としたフラックスなどの、ノコロックフラックスと称せられるフラックスを活用したＭＩＧ溶接法およびレーザブレージング法も開発されている（特許文献７〜１０など）。そして、これらの溶接方法では、フラックスの供給として、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤ（以下、ＦＣＷあるいはフラックス入りワイヤとも言う）が活用され、施工性の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２２３５４８号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１２７０号公報
【特許文献３】特開２００３- ４８０７７号公報
【特許文献４】特開２００４−３５１５０７号公報
【特許文献５】特開２００４−２１００１３号公報
【特許文献６】特開２００４−２１００２３号公報
【特許文献７】特開２００７−１３６５２４号公報
【特許文献８】特開２００７−１３６５２５号公報
【特許文献９】特開２００７−３０１６３４号公報
【特許文献１０】特開２００８−６８２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
確かに、前記フラックス入りワイヤを活用したＭＩＧ溶接法およびレーザブレージング法（以下、ＦＣＷ溶接法とも言う）は非常に効率的な溶接方法である。しかし、このＦＣＷ溶接法でも、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られない（保証できない）という、前記曲げ強度部材に特有の問題がある。
【００１５】
すなわち、前記日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材は、前記曲げ強度部材として、前記前面側と後面側のフランジをつなぐ左右一対のウエブとともに、この矩形断面内の中央部に設けた前記中リブで剪断力を伝える。このため、前記中空形材の後面側フランジの背面に鋼板を積層してＦＣＷ溶接する場合には、前記剪断力が伝わる、前記後面側フランジの前記ウエブが交差する両端部側の背面領域２箇所と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の背面領域１箇所の、合計３箇所で前記中空形材の長手方向に亙って溶接する必要がある。
しかし、これら３箇所とも、以下に記載する理由で、溶接施工は可能だが、接合強度が弱くなる。
【００１６】
先ず、前記中リブが交差する前記後面側フランジの中央部側の背面領域で、アルミニウム合金と鋼板同士をＦＣＷ溶接するためには、積層した鋼板側からそのまま溶接することは、下層にあるアルミニウム合金側が露出しておらず、必然的に不可能である。したがって、重ね隅肉溶接の要領である、前記ウエブが交差する前記後面側フランジの両端部側の背面領域２箇所と同様に、空間を設けてアルミニウム合金を露出させて、重ね隅肉溶接する必要がある。
【００１７】
このため、通常は、積層する鋼板を２分割し、前記中空形材の後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の背面領域に隙間（空間）を設けて、鋼板同士を積層する。すなわち、積層した互いの鋼板の前記中央部側に臨む各側面側と、前記隙間における中空形材の後面側フランジの中央部側の背面領域とを、１箇所ずつ、合計２箇所で、前記重ね隅肉溶接の要領で溶接することとなる。しかし、このような溶接接合方法では、各鋼板の前記中央部側に臨む各側面側における互いの溶接線同士が近接することとなる。前記中空形材のウエブや中リブの厚さは、数ミリ程度の厚さしかなく、互いの鋼板の中央部側の溶接線に設ける間隔には大きな限界があるためである。
【００１８】
すなわち、いずれか片側の鋼板の１回目の中央部側の溶接により、アルミニウム合金側が溶解すると、他方の鋼板の２回目の中央部側の溶接時に、溶接継手部の形状が不安定になる。また、前記１回目の溶接で形成された溶接ビード部に、前記２回目の溶接ビードが重なると、溶け込み不良が起こりやすくなる。また、前記１回目の溶接に伴う熱ひずみのために、継手形状（鋼板間のギャップや隙間）が変化し、前記２回目の溶接がより不安定になる。更には、前記後面側フランジの中央部に、近接した２回の溶接を行うことで、溶接後の熱ひずみが大きくなり、補強部材の形状に悪影響を及ぼす。また、前記したように、鋼板を２枚に分割すると、単純に、溶接線の長さが２倍になるため、溶接コストも２倍になるという問題もある。
【００１９】
また、前記後面側フランジの中央部側の背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分と、前記後面側フランジの鋼板間の隙間部分とを合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、一体に溶接することも考えられる。しかし、この場合には、２枚の鋼板とアルミニウム合金とを一度に溶接する必要が生じ、入熱量の増大に伴って、アルミニウム合金側の溶損が生じやすくなり、重ね隅肉溶接施工自体が困難である。
【００２０】
また、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジにおける、前記ウエブが交差する両端部側の背面領域２箇所の長手方向の溶接も、施工自体は可能ではあるが、鋼板の両側面側（前記アルミニウム合金中空形材の両側面側）が開放されているために、高い接合強度は期待できない。言い換えると、前記中リブが交差する前記後面側フランジの中央部側の背面領域での溶接が無い、これら両端部側の背面領域２箇所の溶接だけでは、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られない。
【００２１】
以上の理由により、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に鋼板を溶接して複合補強部材を製造することはなかなか難しく、例え溶接したとしても、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られないし、保証もできない。
【００２２】
本発明は、このような問題に鑑み、前記アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合でも、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られる複合補強部材の製造方法および複合補強部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するための、本発明の複合補強部材の製造方法の要旨は、矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の、曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板を積層し、これら積層した鋼板とアルミニウム合金中空形材とを、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合するに際し、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域を、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め凸状に形成しておき、この凸状に形成した背面領域を間に挟むように２枚の前記鋼板を積層して、この凸状に形成した背面領域が、下記条件を満たして、これら鋼板間に突出するようにし、この状態で、前記後面側フランジの凸状に形成した背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とを合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、一体に溶接することである。
ここで、前記凸状に形成した背面領域が満たす前記条件とは、前記アルミニウム合金中空形材の最大の厚みを８ｍｍ以下とし、前記鋼板の板厚を０．３〜４．０ｍｍの範囲とした際に、図３に示す記号で、前記凸状に形成した背面領域の、縦断面の面積Ｓが１０ｍｍ２以下で、後端部の幅Ｌ１が８ｍｍ以下、このＬ１と前記中リブの幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが０．６以上、１．２以下の範囲（但し、前記中リブの幅ｔｗは８ｍｍ以下）を満たすものとする。
【００２４】
ここで、前記溶接が、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤを用いた、ＭＩＧ溶接あるいはレーザ溶接であることが好ましい。
【００２５】
また、上記目的を達成するための、本発明の複合補強部材の要旨は、上記各製造方法で製造された複合補強部材であって、矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板が積層されているとともに、これら積層された鋼板とアルミニウム合金中空形材とが、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合されており、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域に、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め形成された凸状の背面領域が、この凸状の背面領域を間に挟むように積層された２枚の前記鋼板間に突出するように設けられ、この状態で、前記凸状の背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とが合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、アルミニウム合金ビードで前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って被覆されて、一体に接合されていることである。
【発明の効果】
【００２６】
前記アルミニウム合金中空形材と鋼板とを、前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られない理由は、前記した溶接施工の難しさだけでなく、前記曲げ強度部材という特有の用途と、前記中空形材の日形断面形状という特有の断面形状との関係にもよる。
【００２７】
日形断面では、前面側のフランジで受けたせん断力（衝突荷重）を、フランジ両端部の各ウェブとフランジ中央部の中リブとで、後面側フランジに伝える。このため、複合補強材としては、両端部の各ウェブ付近ととともに、中央部の中リブ付近の三箇所で、中空形材の長手方向に溶接線を設けるのが有効である。
【００２８】
ただ、この場合に、前記後面側フランジの両端部側の前記ウエブが交差する背面領域（前記両端部の各ウェブ付近）よりも、特に、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の背面領域（前記中央部の中リブ付近）に負荷される荷重が大きくなる。このため、自動車の車体衝突による、曲げ荷重が作用した場合に、前記後面側フランジの中央部側の背面領域の溶接部が特に破壊しやすくなる。
【００２９】
したがって、前記後面側フランジの中央部側の背面領域の溶接部には、特に接合強度が要求されるが、この溶接部は、前記した通り、前記後面側フランジの両端部側の前記ウエブが交差する背面領域の溶接部よりも、著しく重ね隅肉溶接施工しにくい箇所である。
【００３０】
これに対して、本発明では、前記要旨の通り、接合される前記中空形材の前記後面側フランジの中央部側の背面領域を予め凸状に形成するとともに、この凸状に形成した背面領域（突起）を間に挟み、この凸部が積層された２枚の前記鋼板間に突出するように前記鋼板を積層して、この凸状に形成した背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とを合わせて、一体に溶接する。
【００３１】
本発明では、このように、凸部が積層された２枚の前記鋼板間に突出するような、前記中空形材の前記凸部と鋼板中央部側端部との凹凸がかみ合った状態で、このかみ合い領域を一体として、アルミニウム合金溶加材を用いて、前記中空形材の長手方向に亙って重ね隅肉アーク溶接施工して、アルミニウム合金ビードで被覆する。
【００３２】
このため、後述する通り、前記中空形材の前記凸状を前記鋼板よりも上側に突出させた効果によって、アルミニウム溶湯の広がりが適正化され、鋼板接合部表面へのフラックスの供給も十分となり、アルミニウム溶湯と鋼との濡れ性改善効果が大きくなる。
【００３３】
この結果、前記鋼板と中空形材との両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料によるビードを形成できる。これによって、本発明では、前記中空形材と鋼板とを前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、負荷される荷重が大きな溶接箇所でも、高い接合強度を安定的に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一態様を示し、アルミニウム合金中空形材と鋼板とを積層する前の状態を示す斜視図である。
【図２】本発明の一態様を示し、アルミニウム合金中空形材と鋼板とを溶接する前の積層した状態を示す斜視図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】本発明の一態様を示し、アルミニウム合金中空形材と鋼板とを溶接した後の複合補強部材を示す側面図である。
【図５】本発明の一態様を示し、溶接後の複合補強部材を示す斜視図である。
【図６】図４の複合補強部材の使用態様を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本発明の実施態様と、本発明の各要件の意義とを図を用いて具体的に説明する。
【００３６】
複合補強部材の製造方法を図１〜図４を用いて順に説明する。図１に、アルミニウム合金中空形材２と鋼板１０、１１とを積層する前の状態を斜視図で示す。また、図２に、アルミニウム合金中空形材２と鋼板１０、１１とを積層した後の状態を斜視図で示す。なお、これら図１、２および後述する図４では、各図の下側から上側の前面側フランジ３に向かう、Ｆで示す自動車車体衝突時の曲げ荷重を矢印で記載している。
【００３７】
図１、２、４の態様では、中空形材２に積層、接合する鋼板１０、１１の長さを同じとしているが、鋼板１０、１１の長さは、必要に応じて選択され、必ずしも中空形材２の長さと同じ長さとする必要はなく、短くしても良い。鋼板１０、１１の長さを中空形材２の長さよりも短くすれば、異材接合となる溶接線を短くできる利点もある。
【００３８】
中空形材２は、曲げ荷重Ｆが作用した際に圧縮側となる前面側フランジ（前壁）３と、引張側となる後面側フランジ（後壁）４と、これら互いに平行な２本のフランジ３、４間をつなぐ、互いに平行な２本のウエブ（横壁）５、６とから矩形断面を形成している。そして、更に、この矩形断面内に、ウエブ５、６に平行な中リブ７を、フランジ３、４の中央部（ウエブ５、６間の中間部）に設けて補強した日形断面形状を有する。
【００３９】
中空形材２の断面形状としては、他に口型、目型、田型などが公知である。しかし、本発明では、本発明の製造方法（溶接方法）が適用でき、重量が増加せずに口型断面形状よりも高強度化（補強）できる、軽量化と補強効果との兼ね合いから、日形断面形状を選択する。
【００４０】
（凸状領域の形成）
この中空形材２は、特徴的には、中リブ７が交差する前記後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａを、中空形材２の長手方向に亙って予め凸状（突起状）に形成している。
【００４１】
図２に示す通り、この凸状に形成した背面領域（突起）８を間に挟むように、中空形材２の後面側フランジ４の背面９に、２枚の鋼板１０、１１を上側から積層した際に、この凸状に形成された領域８（凸状に形成した背面領域８、以下簡便に凸部８とも言う）が、これら鋼板１０、１１間から、その先端８ａが、好ましくは鋼板１０、１１の上側表面よりも上方に突出するようにする。
【００４２】
図２において、鋼板１０、１１の下側となる中空形材２において、凸部（突起）８の先端８ａの上下方向の位置（レベル）は、溶接施工方向である、中空形材２の長手方向に亙って、鋼板１０、１１の表面（上面）である鋼板溶接面の上下方向の位置（点線で示すレベル）よりも上側にＸｍｍの長さだけ、突出した状態としている。言い換えると、図３に示すように、凸部８の先端８ａが、鋼板１０、１１の表面よりも、上側にＸｍｍだけ突出するように、凸部８の大きさや高さの形状条件が決定されている。ここで、後述する効果を得るための、この凸部８の鋼板１０、１１表面レベルよりも上側への突出量Ｘの最適範囲は、後述する通り、諸条件によって異なるが、前記自動車車体などの補強部材の分野では０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。
【００４３】
このように、中空形材２の溶接面となる凸部８の先端８ａを、鋼板１０、１１の表面（上面）の溶接面の位置よりも、上側に突出させると、前記中空形材２の長手方向に亙る前記溶接施工方向に対して、少なくとも中空形材2 の溶接面は鋼板１０、１１の溶接面よりも上側となる。
【００４４】
本発明では、このような中空形材２側の凸状領域（凸部）８の先端部８ａが、積層された２枚の前記鋼板１０、１１表面よりも、上側に突出するような、凹凸がかみ合った状態で、このかみ合い領域を一体として、アルミニウム合金溶加材を用いて、中空形材２の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接施工して、アルミニウム合金ビードで被覆する。
【００４５】
この結果、図４に示す通り、重ね隅肉溶接施工によって、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側の溶接箇所においても、鋼板中央部側端部１０ａ、１１ａと、中空形材２の中央部側の背面領域４ａとの、両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料による良好なビード１２を形成できる。これによって、中空形材２と鋼板１０、１１とを前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、中空形材２の中央部側の背面領域４ａの溶接箇所でも、高い接合強度を安定的に確保することができる。
【００４６】
より具体的には、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側の背面領域４ａの溶接箇所における、アルミニウム溶湯の広がりが適正化され、鋼板接合部表面へのフラックスの供給も十分となるため、アルミニウム溶湯と鋼との濡れ性改善効果が大きくなる。すなわち、図４に示す通り、上側である中空形材２の溶接面（凸部８の先端８ａ）からのアルミニウム溶湯６（ビードとなる）が、下側の鋼板１０、１１の表面（溶接面）に広がりやすい。これは、溶接面に供給されるフラックスにおいても言える。したがって、フラックスを活用した場合も（前記ＦＣＷ溶接法による場合も）、フラックスが下側の鋼板１０、１１の表面（溶接面）に広がりやすい。このため、鋼板１０、１１の溶接面とアルミニウム溶湯との濡れ性を改善し、また鋼板１０、１１の表面（溶接面）の酸化膜除去を促進できる。この結果、鋼板溶接面とアルミニウム合金中空形材溶接面との両方の溶接面に亙るアルミニウム溶接材料によるビード１２を形成でき、良好な異材接合が実現できる。
【００４７】
他方、前記フラックスによる清浄作用及びぬれ性、接着性良好化作用によって、鋼板１０、１１の溶接面には、アルミニウム溶湯が広く覆い被さり、密着状態にある。したがって、鋼板１０、１１へは、アークから直接的に入熱されることはなく、覆い被さったアルミニウム溶湯を介して間接的に入熱される。このために、鋼板１０、１１はアークによって過剰に加熱されて溶融することはなく、密着したアルミニウム溶湯との接合界面に数μｍ程度と薄い金属間化合物層を形成することになる。この金属間化合物層が数十μｍ程度以上と厚くなると、脆弱になり、溶接割れが発生して強度が劣化するが、数μｍ程度と薄い金属間化合物層は、脆弱ではなく、強固な接合状態となる。
【００４８】
（複合補強部材の基本構造）
図４の複合補強部材の使用態様を図５に示す。図５はバンパー補強材として、溶接時の向きを示す図４の複合補強部材を、その前面側フランジ３と後面側フランジ４とを自動車車体の前後方向に配置するとともに、その長手方向を自動車車体の幅方向に延在させたものである。
【００４９】
図５の通り、本発明において最終的に製造された複合補強部材１は、日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４の背面９に、鋼板１０、１１を並べて積層、溶接して補強している。これらの鋼板１０、１１と中空形材２とは、ウエブ５、６が交差する後面側フランジ４の両端部側の背面領域４ｂ、４ｃと、中リブ７が交差する後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａとの３箇所を溶接箇所として、３本のアルミニウム合金ビード１２（中央部側）、１３（端部側）、１４（端部側）で、中空形材２の長手方向に亙って被覆されて、一体に接合されている。
【００５０】
前記した通り、日形断面では、前面側フランジ３で受けた、左方向からの矢印で示すせん断力（衝突荷重）Ｆを、フランジ両端部の各ウェブからｆ１、ｆ３として、フランジ中央部の中リブからｆ２として、分担して後面側フランジ４に伝える。この場合、後面側フランジ４の両端部側の前記ウエブが交差する背面領域（両端部の各ウェブ付近）４ｂ、４ｃへの荷重ｆ１、ｆ３よりも、特に、後面側フランジ４の中リブ７が交差する中央部側の背面領域（前記中央部の中リブ付近）４ａに負荷される荷重ｆ２が大きくなる。このため、自動車の車体衝突による、曲げ荷重が作用した場合に、この後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接部である、アルミニウム合金ビード１２（中央部側）が特に破壊しやすくなる。
【００５１】
これに対して、本発明では、特に、この後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接部である、アルミニウム合金ビード１２（中央部側）の接合強度が優れている。このため、ウエブ５、６が交差する後面側フランジ４の両端部側の背面領域４ｂ、４ｃでの２箇所の溶接部、すなわち、アルミニウム合金ビード１３（端部側）、１４（端部側）による接合強度が、前記段落００２０で記載した通り、比較的低くても、前記曲げ強度部材として要求される、高い接合強度が得られる。
【００５２】
このように、本発明では、中空形材２と鋼板１０、１１とを前記ＦＣＷ溶接法を用いて溶接する際に、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所でも、前記溶接施工の難しさが大きく改善される。この結果、日形断面形状特有の、負荷される荷重が特に大きくなるような、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所でも、高い接合強度を安定的に確保することができる。この結果、ウエブ５、６が交差する後面側フランジ４の両端部側の背面領域４ｂ、４ｃでの他の２箇所の溶接部の接合強度が比較的低くても、前記曲げ強度部材全体としては、要求される高い接合強度が得られる。
【００５３】
図５の態様を、図６(a) に平面視（平面図）で示す通り、曲げ荷重が作用した当初、この曲げ荷重を支えるのは、曲げ強度部材１（中空形材２）の曲げ荷重が負荷された部位 (中央部１５) を曲げ中心 (曲げ部) とする曲げ変形となる。この点、本発明において製造された複合補強部材１は、鋼板１０、１１の接合強度が優れているために、鋼板１０、１１によるアルミニウム合金中空形材２の補強効果が十分に発揮される。
【００５４】
この結果、車体衝突による曲げ荷重が負荷された際に、曲げ強度部材１（中空形材２）断面のつぶれ変形を防止して、加わる曲げ荷重に対して、部材自らの曲げ変形および断面方向の変形 (横圧壊) により、エネルギー吸収する。言い換えると、曲げ強度部材１の全断面が効率的に応力を負担する、矩形断面構造体本来の変形による本来のエネルギー吸収を生じる。したがって、曲げ強度部材の強度およびエネルギー吸収量を高めることができる。
【００５５】
これに対し、中空形材２の後面側フランジ４の背面への鋼板の従来の接合方法では、特に、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接部のアルミニウム合金ビード１２（中央部側）の接合強度が劣る。このため、車体衝突による曲げ荷重が負荷された際に、この溶接部の破壊が生じて、鋼板による中空形材２の補強効果が十分に発揮されない。
【００５６】
このため、図６(b) に示すように、曲げ荷重が負荷された曲げ強度部材１（中空形材２）中央部１５などで、早期に圧縮側の前面側フランジ３およびウエブ５（６）に局部的な座屈が生じ、更に変形が進んだ場合、前面側フランジ３やウエブ５（６）が顕著に湾曲する変形を生じつつ、これらで形成する断面のつぶれ変形が進行する。この断面のつぶれ変形が進行した場合、前面側フランジ３やウエブ５（６）が湾曲するため、十分に荷重を負担できない。また、断面の深みが減少するため、曲げ変形に対する抵抗モーメントが減少し、耐曲げ荷重が減少する。この結果、曲げ強度部材の強度およびエネルギー吸収量はより大幅に低下してしまう。
【００５７】
（凸状領域の設計方法）
矩形断面内に中リブ７を設けて補強した日形断面形状を有する中空形材２からなる曲げ強度部材には、前記した通り、引張側となる後面側フランジ４の背面領域への荷重伝達が不均一となり、両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃよりも、特に、中リブ７が交差する中央部側の背面領域４ａに負荷される荷重が大きくなる。このため、自動車の車体衝突による、曲げ荷重が作用した場合に、後面側フランジの中央部側の背面領域４ａの溶接部が特に圧壊しやすくなる。
【００５８】
このため、凸状領域（凸部）８を設ける位置は、前記した通り、負荷される荷重が特に大きくなる、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所とする。すなわち、中空形材２の後面側フランジ４の、荷重を伝達する中リブ７の端部が交差する中央部側の背面領域４ａとする。
【００５９】
凸状領域形成方法：
凸状領域（凸部）８は、中空形材２の後面側フランジ４の、中リブ７の端部が交差する中央部側の背面領域４ａを予め部分的に厚肉とすることによって実現できる。このような中央部側の背面領域４ａの部分的な厚肉化は、アルミニウム合金中空形材を熱間押出加工により製造すれば、その厚肉化（凸部８）形状も含めて予め一体に形成することが、簡単に可能である。
【００６０】
凸状領域の形状：
この凸状領域（凸部）８の形状は、中央部側の背面領域４ａの溶接箇所で前記した凸凹のかみ合い効果を発揮させて高い接合強度を得るために、この中央部側のこの凸部の作用である鋼板１０、１１側の設計条件と、中空形材２側の設計条件と、複合補強部材１として要求される接合強度などから、その条件が決定される。
【００６１】
ここで、図３では、この凸部８の形状を台形として例示しているが、この場合の形状因子は、凸部８の縦断面面積Ｓ（ｍｍ２ ）、凸部８の後端部（根元部）の中空形材幅方向の幅（長さ）Ｌ１（ｍｍ）、凸部８の先端部の中空形材幅方向の幅（長さ）Ｌ２（ｍｍ）、鋼板表面レベルよりも上側への突出量Ｘ（ｍｍ）である。
【００６２】
この図３の記号を用いて表すと、上記した条件とは具体的には以下のような条件となる。すなわち、前記凸状に形成した背面領域が満たす前記条件とは、前記アルミニウム合金中空形材２の最大の厚みを８ｍｍ以下とし、前記鋼板１０、１１の板厚を０．３〜４．０ｍｍの範囲とした際に、図３に示す記号で、前記凸状に形成した背面領域（突起）の、縦断面の面積Ｓが１０ｍｍ２以下で、後端部の幅Ｌ１が８ｍｍ以下、このＬ１と前記中リブの幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが０．６以上、１．２以下の範囲（但し、前記中リブの幅ｔｗは８ｍｍ以下）を満たすものとする。この条件は、図３に例示した凸部（突起）８の形状が台形の場合だけでなく、これに近似した矩形、半円形などの他の形状の場合でも共通する。
【００６３】
前記凸部８の縦断面面積Ｓとは、図３に網掛け（ハッチィング）で示す通り、前記凸部８の上部側の領域のみの縦断面面積、すなわち、点線で示す鋼板１０、１１の上面レベルよりも上部側の領域であって、前記点線（鋼板１０、１１の上面レベル）よりも下部側を除く領域の縦断面の面積である。この凸部８の縦断面面積Ｓは、後述する鋼板１０、１１側の形状条件範囲と、中空形材２側の形状条件範囲で、１回の溶接により、凸部に形成した背面領域８（凸部８の領域、突き出し部）への、アルミニウム合金材料の十分な溶け込みと、鋼板への溶接ビードの広がりを確保するためには、前記Ｓを１０ｍｍ２ 以下とする。
【００６４】
また、前記凸部８の後端部、すなわち、後面側フランジ４の背面（上面）と面一な根元部の、中空形材２の幅方向の長さ（幅）Ｌ１は、前記突出量Ｘの好ましい範囲と、中央部側の背面領域４ａ負荷される荷重の大きさを決める中リブ７の幅（厚み）ｔｗとの関係によって定める。その上で、鋼板１０、１１側の厚みｔ１、ｔ２、中空形材２側の後面側フランジ４の厚みｔ３、ｔ４、そして溶接方法、溶接装置や溶接条件なども考慮して、前記凸部８の縦断面面積Ｓや、凸部８の先端部の中空形材幅方向の幅（長さ）Ｌ２をともに定める。
【００６５】
前記Ｌ１につき、中央部側の背面領域４ａへの、溶接時のアルミニウム合金材料の十分な溶け込みと、鋼板１０、１１側（中央部側側面１０ａ、１１ａ）への溶接ビードの広がりを確保するためには、中空形材２側の中リブ７の幅（厚み）ｔｗに対して、凸部８（突き出し部）の幅が十分であることが好ましい。
【００６６】
この点、前記中リブ７の幅ｔｗを８ｍｍ以下とすると、凸部８の前記後端部（根元部）の幅Ｌ１は、中リブ７の幅（厚み）ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗで、０．６以上、より好ましくは０．７以上とする。Ｌ１が２ｍｍ未満、あるいは前記Ｌ１／ｔｗで０．６未満と小さ過ぎると、中リブ７の強度（負荷荷重）に対して、接合部の強度が不足する。一方、前記Ｌ１／ｔｗが１．２を超えて大きすぎると、中リブ７から鋼板が離れすぎるため、最も補強が必要な中リブ７の部分の、鋼板による補強効果が小さくなる。したがって前記Ｌ１／ｔｗの範囲は０．６以上、１．２以下とする。
【００６７】
その一方で、このＬ１が大きくなっても、ウィービングによりある程度の範囲で対応可能であるが、このＬ１が８ｍｍを超えると、ウィービング幅が大きくなりすぎ、溶接入熱が大きくなりすぎて、金属間化合物が成長しやすくなる。このため、接合部の強度が不足する。また、Ｌ１の幅が大きくなり過ぎると、端部側の溶接線と十分離して配置できなくなり、溶接時の熱ひずみの問題も発生しやすくなる。したがって、中リブ７の幅（厚み）ｔｗが８ｍｍ以下の範囲とすると、Ｌ１の幅は８ｍｍ以下、好ましくは２〜８ｍｍの範囲、より好ましくは３〜７ｍｍの範囲とする。
【００６８】
前記凸部（突起）８の突出量Ｘは、好ましくは、前記した通り０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下とする。この凸部８の突出量Ｘは、当然ながら、複合補強部材の設計条件や、溶接方法、溶接条件などに応じて適宜選択される。即ち、アルミニウム溶湯の凸部８の下側となる鋼板１０、１１側表面（溶接面）への広がりやすさや、フラックスの凸部８の下側となる鋼板１０、１１側表面（溶接面）への広がりやすさ（濡れ性改善、鋼板溶接面の酸化膜除去促進）の程度などから、適宜選択される。
【００６９】
この突出量Ｘが少ないと、鋼板側溶接面にアルミニウム溶湯が十分に広がらない。一方、この突出量Ｘが大きすぎると、中空形材２側への溶け込み確保が難しい。また、溶け込み確保のために、溶接入熱を上げすぎると、接合界面の金属間化合物が厚く成長してしまい、極端な場合は、鋼板側を溶融させてしまうため、接合強度の確保が難しい。なお、この突出量：Ｘｍｍは、当然ながら、中空形材２に上側から積層される鋼板１０、１１とのクリアランスを加味して（クリアランスに応じて、考慮して）適宜設計される。
【００７０】
また、中空形材２の後面側フランジ４ａの表面と、上側から積層される鋼板１０、１１下面とのクリアランス（隙間）Ｃはできるだけ少なくする。その一方で、凸部８の後端部（根元部）と各鋼板の中央部側側面１０ａ、１１ａとのクリアランス（隙間）Ｇは、接合強度を高めるために、このクリアランスＧへのある程度のアルミニウム合金材料（溶湯）の溶け込み流入量を確保する意味から、片側当たり０．１〜２．０ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００７１】
なお、本実施態様では、凸部８の断面形状（縦断面形状）を台形としているが、これが矩形や半楕円形、波型、あるいはこれらの形状の組み合わせとなっても良い。いずれの形状でも、中空形材２を押出中空形材とすれば、余程複雑な形状としない限り、熱間押出加工によって、簡単に、凸部８を設けた日型断面形状を長手方向に亙って均一に得ることができる。
【００７２】
（鋼板、アルミニウム合金中空形材の厚み）
本発明で異材接合される鋼板の板厚は０．３〜４．０ｍｍの範囲とする。鋼板１０、１１側の厚みｔ１、ｔ２は同じでも、必ずしも同じで無くてもいいが、軽量化（重量増加の限界）からは最大の厚みでも４．０ｍｍ以下とする。一方、鋼板の補強効果からすると０．３ｍｍ以上とする。鋼板の板厚が０．３ｍｍ未満の場合、前記したアルミニウム合金中空形材２の補強効果（複合化効果）が達成できない。
【００７３】
また、中空形材２側のフランジ３、４の厚み（ｔ３、ｔ４）や中リブ７の幅（厚み、ｔｗ）なども、同じでも、必ずしも同じで無くてもいい。ただ、中空形材２自体の、曲げ補強部材として断面剛性や強度が十分高く、溶接による熱ひずみの問題が発生しにくいことと、軽量化（重量増加の限界）との兼ね合いからは、前記各部の厚みは最大でも８ｍｍ以下とする。一方、補強部材に要求される強度（剛性）、すなわち車体衝突時のエネルギ吸収性などからすると０．５ｍｍ以上が好ましい。
【００７４】
なお、図４に示すように、複合補強部材１としては、これらの鋼板１０、１１とアルミニウム合金中空形材２とが、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃと、後面側フランジの中リブ７が交差する中央部側の背面領域４ａとの３箇所で、中空形材２の長手方向に亙って溶接して、一体に接合する。
【００７５】
（溶接施工法）
前記図４に示した溶接は、中空形材２（鋼板１０、１１）の長手方向に亙って、鋼板１０、１１の長さ分だけ（鋼板１０、１１の長さを溶接線長さとして）、前記ＦＣＷなどの重ね隅肉アーク溶接法により施工する。このための、鋼板１０、１１と中空形材２との位置関係は、鋼板１０、１１を上側とし、中空形材２を下側として、前記３箇所において、互いに重ね合わせて、中空形材２の長手方向に亙って隅肉溶接する。
【００７６】
なお、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃの溶接施工は従来通りで良い。すなわち、鋼板１０、１１側の幅を後面側フランジ４の幅よりも狭くして（短くして）、前記背面領域４ｂ、４ｃでアルミニウム合金表面が露出するようにして、両鋼板の各端部側側面１０ｂ、１１ｂとで、重ね隅肉溶接となる形状とする。
【００７７】
この結果、一体に接合された複合補強部材としては、前記した通り、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接箇所には１本の溶接ビード１２が、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃの溶接箇所には２本の溶接ビード１３、１４が、各々中空形材２の長手方向に亙って形成される。
【００７８】
重ね隅肉アーク溶接は、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるＦＣＷ（フラックス入りワイヤ、フラックスコアードワイヤ）を用いた、ＭＩＧ溶接あるいはレーザ溶接であることが、溶接効率上や汎用性の点で好ましい。より具体的には、アーク溶接方法として、直流のＭＩＧ溶接、直流のパルスＭＩＧ溶接、交流ＭＩＧ溶接、交流パルスＭＩＧ溶接、直流／交流ＴＩＧ溶接、プラズマアーク溶接、アーク溶接とレーザ照射とを同時に使用する複合方式のレーザ照射アーク溶接等を使用することができる。
【００７９】
本発明に使用する異材接合用フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）は、溶融溶接の効率化のために、フッ化物系混合フラックスをアルミニウム合金外皮で被覆した、ＦＣＷを用いることが好ましい。内部にフラックスを充填する、管状のアルミニウム合金外皮（フープ）は、シーム（合わせ目：隙間、開口部）を有するシーム有りタイプと、このシームを溶接等で接合したシームが無いシームレスタイプとがあるが、いずれでも良い。
【００８０】
前記ＦＣＷの外皮に用いるアルミニウム合金としては、特に制限はないが、Ａ４０４３、Ａ４０４７等の４０００系アルミニウム合金やＡ５３５６、Ａ５１８３等の５０００系アルミニウム合金を用いることができる。この他、３０００系や６０００系などのアルミニウム合金を用いても良い。この中でも、ＪＩＳで規定される、Ａ４０４３−ＷＹ、Ａ４０４７−ＷＹ、Ａ５３５６−ＷＹ、Ａ５１８３−ＷＹなどが、好適に例示される。
【００８１】
前記ＦＣＷの線径は、高効率の全自動溶接若しくは半自動溶接として用いられている溶接施工用として、ワイヤ送給機の特性なども含めた溶接作業性に応じて最適な径を選定すれば良い。例えば、ＭＩＧ溶接、一般的な炭酸ガスシールドアーク溶接等であれば、汎用されている０．８〜１．６ｍｍφ程度の細径であれば良い。
【００８２】
前記線径の範囲で、より小さい線径のワイヤを用いるほど、溶接を行なうに際しての入熱量を低くし、低電流条件とすることができる。この結果、フッ化物系混合フラックス自体の飛散を防止し、溶接作業性が改善でき、また、脆弱な金属間化合物生成抑制できる。ワイヤ径が１．６φｍｍを超えると、安定したアークを得るための電流が過大となって、フッ化物系混合フラックス自体の飛散が大きくなる、母材の溶融が過剰気味となり、脆弱な金属間化合物の生成につながる可能性がある。
【００８３】
前記ＦＣＷへのフラックスの充填率は、フラックス組成にも勿論よるが、前記ＦＣＷの全体質量に対して、０．１質量％以上、２４質量％未満程度と比較的少なくすることが好ましい。この充填率が低い方が、フラックス自体の飛散を防止して、溶接作業性を改善できる。なお、フラックスの充填率が少な過ぎると、フラックスの効果が発揮できず、健全で信頼性の高い溶接継手が得られない。
【００８４】
前記ＦＣＷに使用する（充填する）フラックス組成を、フッ化物系混合フラックスの中でも、特にフッ化アルミニウムとフッ化カリウムなど、フッ化物同士を混合した、特定組成の混合フラックス（ノコロックフラックス）とすることが好ましい。また、塩化物量を１ｍｏｌ％以下と規制するか、塩化物を含まないフッ化物組成とすることが好ましい。塩化物は、溶接部に残留すると、溶接部乃至異材接合体の腐食促進因子として作用するからである。
【００８５】
また、このフラックスに、アルミニウム合金粉末を混合添加すると、溶接時のスパッタが減少する他、溶融金属の過大な濡れが抑制される等の効果が得られる場合がある。外皮へのフラックス充填量が少ないと、フラックス量が安定せず、ＦＣＷの部位によってフラックス充填量（充填率、含有率）がばらつく問題が生じる。これに対して、特に、フラックス充填量が少ない場合に、フラックスとアルミニウム合金粉末を外皮に混合して充填すると、この問題が解消乃至緩和されるし、同時に、ＦＣＷの製造自体も容易になる利点も得られて好ましい。
【００８６】
このような特定組成の混合フラックスとすることで、比較的厚い溶融亜鉛めっき（合金化を含む）を被覆した鋼板でも、前記中空形材との異材接合が可能となる。即ち、亜鉛めっき鋼板や前記中空形材との材料表面を清浄化でき、溶接金属の濡れ性が向上する。この結果、ビードの形成が良好となる。また、異材接合部に生成する、脆いAl-Fe 系金属間化合物層や、亜鉛めっきに由来する脆いZn-Fe 系化合物層の生成が抑制される。これらの結果、接合強度が向上する。勿論、この効果は、亜鉛めっきの無い裸の鋼板と前記中空形材との異材接合でも発揮される。
【００８７】
ＦＣＷ溶接条件：
ＦＣＷは、巻き取られているスプールから、巻き戻され、送給ロールなどによって、溶接トーチを通って、予め定めた送給速度で、前記溶接箇所に各々送給される。この際、シールドガスが溶接トーチ内に供給される。
【００８８】
ここで、中空形材と鋼板との界面に生成する金属間化合物の生成を抑制するためには、前記した通り、母材である鋼板を過剰量溶融させることなく、必要最小限の母材溶融（希釈）量で健全な接合状態が得られるような、以下の溶接条件を選択することが好ましい。
【００８９】
溶接電流は、７０Ａ以上、好ましくは８０Ａ以上で、１２０Ａ以下、より好ましくは１１０Ａ以下である。大電流となるほど、少なからず生成する接合界面の金属間化合物が、接合強度に悪影響をおよぼす可能性があるので、こうした金属間化合物を抑制する上で、比較的低い電流条件で接合することが推奨される。
【００９０】
溶接電圧は、１０Ｖ以上、好ましくは１５Ｖ以上で、３０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下である。
【００９１】
溶接速度は、上記溶接電流および溶接電圧に応じて、母材のFeおよびAlを過剰溶融させない範囲で適当に決めればよい。ただ、溶接能率なども考慮して好ましいのは２０ＣＰＭ以上、好ましくは３０ＣＰＭ以上で、１００ＣＰＭ以下、より好ましくは９０ＣＰＭ以下である。
【００９２】
シールドガスは、Ａｒなど汎用されるガスが適宜使用でき、ガス流量も、汎用流量が選択でき、特に制限は無い。
【００９３】
鋼板：
本発明で異材接合される鋼板は、自動車部材などの軽量な高強度構造部材（異材接合体）を得るためには、鋼板の引張強度が４００ＭＰａ以上、望ましくは５００ＭＰａ以上の高張力鋼（ハイテン）とする。引張強度が４００ＭＰａ未満の低強度鋼や軟鋼では、一般に低合金鋼が多く、酸化皮膜が鉄酸化物からなるため、FeとAlの拡散が容易となり、脆い金属間化合物が形成しやすい。また、必要強度を得るための板厚が厚くなり、軽量化が犠牲となる。この鋼板表面は、絶縁皮膜による被覆を除き、亜鉛めっきなどの表面処理が施されている、いないを問わない。
【００９４】
アルミニウム合金中空形材：
中空形材２は、長手方向に亙って、前記凸部８を設けた均一な日形断面形状を有する中空形材が簡便で安価に得られるように、前記した６０００系、７０００系等の高強度アルミニウム合金を、ビレット鋳造、ビレット均熱後に熱間押出加工し、オンラインあるいはオフラインで調質処理（熱処理）して製造される。中空形材の強度は、補強部材であるがゆえに、上記鋼板の場合と同様に高い方が望ましい。異材接合される中空形材表面も、絶縁皮膜による被覆を除き、表面処理が施されているか、いないかを問わない。
【００９５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００９６】
前記図１〜図４に示したように、アルミニウム合金中空形材２の長手方向の溶接施工方向に対して、鋼板１０、１１を上側とし、中空形材２を下側として、互いに重ね合わせた形状を用いて、ＦＣＷ溶接（ＭＩＧ溶接）による重ね隅肉溶接を実施した。
【００９７】
溶接箇所は、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの一箇所のみとし、後面側フランジ４の両端部側のウエブ５、６が交差する背面領域４ｂ、４ｃの溶接は行わなかった。例え、溶接が比較的容易なこれら背面領域４ｂ、４ｃの溶接性が良好であっても、後面側フランジ４の中央部側の背面領域４ａの溶接性が不良であれば意味がないからである。
【００９８】
この際、アルミニウム合金中空形材側の断面が台形状の凸部８の鋼板溶接面（上側表面）からの突出量（Ｘｍｍ）や他の設計条件を種々変えて行い、この突出量の異材接合の際の溶接性への影響を調査した。この結果を表１に示す。
【００９９】
凸部８の台形形状として、表１には、凸部８の後端部の中空形材幅方向の幅Ｌ１（ｍｍ）、凸部８の先端部の中空形材幅方向の幅Ｌ２（ｍｍ）、凸部８の縦断面面積Ｓ（ｍｍ2 ）、鋼板表面レベルよりも上側への突出量Ｘ（ｍｍ）、Ｌ１と中リブ７の幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗを記載している。なお、アルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４表面と、上側から積層される鋼板１０、１１下面とのクリアランスＣは０とし、凸部８の根元と各鋼板の中央部側側面１０ａ、１１ａとのクリアランスＧは０．５ｍｍとした。
【０１００】
上側の鋼板１０、１１は引張強度が９８０ＭＰａ級の合金化溶融亜鉛めっき（ＧＡ）を施した冷延鋼板（ハイテン、板厚１．４ｍｍ）を用いた。下側の日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材２は０．２％耐力が５００ＭＰａ級の７０００系アルミニウム合金の調質押出形材（各部の厚みは共通して４．０ｍｍ）を用いた。前面側フランジ３と後面側フランジ４との長さはともに１５０ｍｍ、各フランジ中央部と交差する中リブ７と、各フランジ端部と交差する２本のウエブ５、６との長さは、ともに６５ｍｍとした矩形断面とした。アルミニウム合金中空形材２（溶接線）の長さは２５０ｍｍとした。
【０１０１】
フラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）は、アルミニウム合金粉末を混合した前記ノコロックフラックスを、ＦＣＷの全体質量に対して１２質量％充填し、Ａ４０４７アルミニウム合金アルミニウム合金外皮で被覆した、シーム有りタイプの１．２ｍｍφの細径を用いた。ＭＩＧ溶接条件は、溶接電流８０〜９０Ａ、溶接電圧１６〜１８Ｖ、溶接速度４０〜７０ｃｐｍ（ｃｍ／ｍｉｎ）、溶接線の長さは２５０ｍｍの条件とした。シールドガスはＡｒとした。
【０１０２】
継手溶接性評価：継手の溶接性は、ビードの概観目視と、たがねによるはく離試験とでおこなった。ビードの概観目視は、合格（◎）は、ビード１２が鋼板１０、１１の溶接面と、アルミニウム合金中空形材２の後面側フランジ４の中央部の背面領域４ａの溶接面との両方に亙って、連続して良好に形成されている状態とした。そして、これとの比較で、特に、鋼板の溶接面側のビードの大きさによって、○、△、×の順で評価した。因みに「×」はビード１２が鋼板１０、１１の溶接面側に殆ど無いか、あっても極小の場合とした。
【０１０３】
たがねによるはく離試験は、先端を溶接部（ビード１２）中央付近につけた、たがね（切断用鍛造工具）頭部を上からハンマーで１回大きな力でたたいて、ビード１２の長手方向に亙る剥離状態（破壊状態）を調査した。そして、ビード１２の長手方向全般に亙って、剥離（破壊）が全く無いものを合格（◎）と評価し、これとの比較で、ビード１２の一部に生じた剥離（破壊）の大きさによって、○、△、×の順で評価した。因みに「×」はビード１２が大きく剥離して、継手が破壊されたと見なせる場合とした。このたがねによるはく離試験は、◎であれば、継手の破断強度が２５０Ｎ／ｍｍ以上あるという目安になり、×であれば、継手の破断強度が１００Ｎ／ｍｍ未満程度しか無いという目安になる。
【０１０４】
表１から、アルミニウム合金中空形材２側の凸部８の鋼板溶接面（上側表面）からの突出量Ｘ（ｍｍ）や、凸部８の後端部の幅Ｌ１（ｍｍ）と中リブ７の幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが適切な発明例は、ビードの概観目視やはく離試験の評価に優れている。しかし、これらが不適切な比較例は、ウイービングを施しても、ビードの概観目視やはく離試験の評価が劣っている。
【０１０５】
比較例４、５は、前記Ｌ１／ｔｗが小さ過ぎる。すなわち、中リブ７の幅ｔｗに対して、凸部８の後端部の幅Ｌ１が小さ過ぎる。この結果から、従来通り、後面側フランジの中央部４ａの背面に、凸部８を設けずに、平坦な背面として溶接する場合には、これら比較例４、５よりも、更にビードの概観目視や、はく離試験の評価が劣ることが裏付けられる。
【０１０６】
比較例７は、発明例６とともに、凸部８の鋼板溶接面（上側表面）からの突出量Ｘが比較的大きい。このため、突出量Ｘが適切な他の発明例に比して、溶接性が比較的劣る。また、比較例７や１１は、前記断面積Ｓが大きすぎることが、溶接性が劣る主因である。このうち比較例１１は、Ｌ１が８ｍｍと大きいのでウィービングを施しているが、同じくＬ１が大きく、ウィービングを施して対応している発明例９、１０に比して、前記断面積Ｓが大きすぎ、溶接性が劣っている。
【０１０７】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明によれば、アルミニウム合金中空形材の後面側フランジ背面に対して鋼板を溶接する場合でも、前記曲げ強度部材として要求される高い接合強度が得られる複合補強部材の製造方法および複合補強部材を提供できる。また、施工方法も容易で、線溶接が効率的に可能なアーク溶接を活用した接合方法を提供できる。したがって、自動車車体の補強部材の製造など鋼板とアルミニウム合金中空形材との異材接合の分野に有用である。
【符号の説明】
【０１０９】
１：複合補強部材、２：アルミニウム合金中空形材（アルミニウム合金押出形材）、３：前面側フランジ（前壁）、４：後面側フランジ（後壁）、５、６：ウエブ、７：中リブ、８：凸部（凸状領域）、９：後面側フランジ背面、１０、１１：鋼板、１２、１３、１４：溶接ビード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の、曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板を積層し、これら積層した鋼板とアルミニウム合金中空形材とを、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合するに際し、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域を、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め凸状に形成しておき、この凸状に形成した背面領域を間に挟むように２枚の前記鋼板を積層して、この凸状に形成した背面領域が、下記条件を満たして、これら鋼板間に突出するようにし、この状態で、前記後面側フランジの凸状に形成した背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とを合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、一体に溶接することを特徴とする複合補強部材の製造方法。
ここで、前記凸状に形成した背面領域が満たす前記条件とは、前記アルミニウム合金中空形材の最大の厚みを８ｍｍ以下とし、前記鋼板の板厚を０．３〜４．０ｍｍの範囲とした際に、後述する図３に示す記号で、前記凸状に形成した背面領域の、縦断面の面積Ｓが１０ｍｍ２以下で、後端部の幅Ｌ１が８ｍｍ以下、このＬ１と前記中リブの幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが０．６以上、１．２以下の範囲（但し、前記中リブの幅ｔｗは８ｍｍ以下）を満たすものとする。
【請求項２】
前記アーク溶接が、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤを用いた、ＭＩＧ溶接あるいはレーザ溶接である請求項１に記載の複合補強部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法で製造された複合補強部材であって、矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板が積層されているとともに、これら積層された鋼板とアルミニウム合金中空形材とが、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合されており、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域に、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め形成された凸状の背面領域が、この凸状の背面領域を間に挟むように積層された２枚の前記鋼板間に突出するように設けられ、この状態で、前記凸状の背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とが合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、アルミニウム合金ビードで前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って被覆されて、一体に接合されていることを特徴とする複合補強部材。
【請求項１】
矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の、曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板を積層し、これら積層した鋼板とアルミニウム合金中空形材とを、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合するに際し、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域を、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め凸状に形成しておき、この凸状に形成した背面領域を間に挟むように２枚の前記鋼板を積層して、この凸状に形成した背面領域が、下記条件を満たして、これら鋼板間に突出するようにし、この状態で、前記後面側フランジの凸状に形成した背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とを合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、一体に溶接することを特徴とする複合補強部材の製造方法。
ここで、前記凸状に形成した背面領域が満たす前記条件とは、前記アルミニウム合金中空形材の最大の厚みを８ｍｍ以下とし、前記鋼板の板厚を０．３〜４．０ｍｍの範囲とした際に、後述する図３に示す記号で、前記凸状に形成した背面領域の、縦断面の面積Ｓが１０ｍｍ２以下で、後端部の幅Ｌ１が８ｍｍ以下、このＬ１と前記中リブの幅ｔｗとの比Ｌ１／ｔｗが０．６以上、１．２以下の範囲（但し、前記中リブの幅ｔｗは８ｍｍ以下）を満たすものとする。
【請求項２】
前記アーク溶接が、アルミニウム材外皮内部にフラックスを充填してなるフラックスコアードワイヤを用いた、ＭＩＧ溶接あるいはレーザ溶接である請求項１に記載の複合補強部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法で製造された複合補強部材であって、矩形断面内に中リブを設けた日形断面形状を有するアルミニウム合金中空形材の曲げ荷重が作用した際に引張側となる後面側フランジの背面に鋼板が積層されているとともに、これら積層された鋼板とアルミニウム合金中空形材とが、前記後面側フランジの両端部側と、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側との三箇所で、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って、重ね隅肉アーク溶接によりアルミニウム合金溶加材を用いて一体に接合されており、前記アルミニウム合金中空形材の前記後面側フランジの前記中リブが交差する前記中央部側の背面領域に、前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って予め形成された凸状の背面領域が、この凸状の背面領域を間に挟むように積層された２枚の前記鋼板間に突出するように設けられ、この状態で、前記凸状の背面領域と、この背面領域に臨む前記２枚の鋼板の各々の中央部側の側面部分とが合わせて、前記後面側フランジの前記中リブが交差する中央部側の溶接箇所として、アルミニウム合金ビードで前記アルミニウム合金中空形材の長手方向に亙って被覆されて、一体に接合されていることを特徴とする複合補強部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１６１４６６（Ｐ２０１１−１６１４６６Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４９７７（Ｐ２０１０−２４９７７）
【出願日】平成２２年２月８日（２０１０．２．８）
【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８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月８日（２０１０．２．８）
【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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