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| タイトル： | 特許公報(B2)_スポット溶接部の破断強度増大のための最適化方法 |
| 出願番号： | 2004118200 |
| 年次： | 2010 |
| IPC分類： | B23K 11/24,G01N 3/00 |
特許情報キャッシュ
吉田 博司 野村 成彦 上西 朗弘 JP 4418287 特許公報(B2) 20091204 2004118200 20040413 スポット溶接部の破断強度増大のための最適化方法 新日本製鐵株式会社 000006655 國分 孝悦 100090273 吉田 博司 野村 成彦 上西 朗弘 20100217 B23K 11/24 20060101AFI20100128BHJP G01N 3/00 20060101ALN20100128BHJP JPB23K11/24 394G01N3/00 Q Ｂ２３Ｋ １１／２４ Ｂ２３Ｋ １１／１１ Ｇ０１Ｎ ３／００ 特開２００２−３１６２６７（ＪＰ，Ａ） 特開平０８−１５５６５３（ＪＰ，Ａ） 特開平０７−０２４５８１（ＪＰ，Ａ） 特開平０６−１８２５６１（ＪＰ，Ａ） 特開２００５−１４８０５３（ＪＰ，Ａ） 1 2005297023 20051027 9 20060907 栗田 雅弘 本発明は、自動車用の構造部材のスポット溶接に利用して好適な、より詳しくは衝突変形時に部材のスポット溶接部が破断する強度を大きくする部材形状、板厚、材料強度、及びスポット溶接のナゲット径を求めるためのスポット溶接部の破断強度増大のための最適化方法に関する。 近年、自動車業界では、衝突時の乗員への傷害を低減しうる車体構造の開発が急務の課題となっている。そのような衝突安全性に優れた車体構造は、衝突時の衝撃エネルギーを客室部以外の構造部材で吸収させ、客室部の変形を最小限とし生存空間を確保することにより実現できる。つまり、構造部材により衝撃エネルギーを吸収させることが重要である。 自動車のフルラップ衝突やオフセット衝突での衝撃エネルギーを吸収させる主要な構造部材はフロントサイドメンバーである。フロントサイドメンバーは、プレス成形等で部材成形後、スポット溶接により部材を閉断面化している。通常このフロントサイドメンバーを座屈させることで、衝撃エネルギーを吸収させる。衝撃エネルギーの吸収を向上させるためには、座屈形態を安定化させ、途中で折れ曲りや破断をさせないことが重要である。 前記の部材のスポット溶接に関して、座屈を安定化させるためにはスポット溶接間隔やナゲット径や溶接条件を最適化しないと、座屈時に溶接点からの破断が起きてしまい、安定した座屈形態にならず衝撃エネルギーの吸収が低下するという問題がある。解説論文No．9705JSAE SYMPOSIUM「新しい車体構造成形技術」ＪＩＳ Ｚ３１３６ＪＩＳ Ｚ３１３７特開平６−１８２５６１号公報特開２００２−３１６２７号公報 従来からこの問題の解決のため、例えば非特許文献１にあるように、スポット溶接間隔をいろいろと変えて部材を試作し、座屈試験をして溶接点で破断せず安定に座屈する条件を調べていた。しかしながら、この方法では自動車ごと、また部材ごとに試作をつくり試験を行うという試行錯誤が必要となり、製作コストがかかり、設計にも時間を要するという問題を抱えていた。 また、特許文献１には、フロアパネルでの荷重のかかるところの溶接部の剥離防止構造が提案されているがフロアパネルについてのみの構造であり、すべての衝撃吸収部材で溶接点の剥離を防ぎ安定座屈により衝撃エネルギーを吸収するスポット溶接法には試作による試行錯誤になっていた。 さらに、特許文献２では、スポット溶接間隔の最適化が提案されているが、個々のスポット溶接強度については、単純な指標でしかなく、破断そのものの正確な予測になっていないため、精度の良いスポット溶接部破断の予測にもとづく設計ができない問題があった。 スポット溶接部の強度の指標は、非特許文献２、３に規定される、せん断引張試験及び十字形引張試験が代表的である。この他にも多様な荷重状態を想定した多様な試験形態での報告例はあるが、一般には、ＪＩＳで規定された２種の試験により、せん断引張試験値を溶接部のせん断強度として、また、十字形引張試験値を溶接部の剥離強度として扱っている。 しかし、試験により得られたスポット溶接のせん断強度及び剥離強度が、幅等の構造影響を受けることから、実部材では、試験値を様様な観点から補正して推定せざるを得ない。近年飛躍的に進歩してきた計算機上で自動車の衝突のシミュレーションによる最適設計を行うシステムにおいては、この推定精度が十分とは言えず、衝突安全の最適な設計の信頼性を低下させていた。 本発明は、部材の試作・衝突試験によらず、形状、幅、板厚、材料強度、荷重負荷方法、及びスポット溶接のナゲット径を変化させた試験片レベルのスポット溶接強度のデータ表、又は、そのデータ表を基に作成されるスポット溶接強度の予測式に基づいて、衝撃変形時に任意の部材のスポット溶接部における破断強度を大きくする幅、板厚、材料強度、スポット溶接部のナゲット径のうち１種以上を算出し、部材の衝撃時の溶接部破断を防ぎ、変形座屈モードの適正化を図り、衝撃エネルギーの吸収を向上させることを目的とするものである。 本発明のスポット溶接部の最適化方法は、十字型引張試験における様々な試験片の材料強度ＴＳ（ＭＰａ）、板厚ｔ（ｍｍ）、スポット溶接のナゲット径ｄ（ｍｍ）、継ぎ手の板幅Ｗ（ｍｍ）、破断時の最大荷重Ｆｃｔｓ（Ｎ）、及び十字型引張試験の継ぎ手の回転角θ、並びに／又はせん断型引張試験における様々な試験片の材料強度ＴＳ（ＭＰａ）、板厚ｔ（ｍｍ）、スポット溶接のナゲット径ｄ（ｍｍ）、継ぎ手の板幅Ｗ（ｍｍ）、及び破断時の最大荷重Ｆｔｓｓ（Ｎ）を測定し、（１）式若しくは（４）式に基づいて、又は（１）式若しくは（４）式により定義した応力集中係数αと、ナゲット径ｄと幅Ｗの比ｄ／Ｗの関係式に基づいて、前記応力集中係数αを算出してデータベースを作成し、前記データベースに基づいて、任意の部材のスポット溶接部における破断限界荷重を最大にするように、スポット溶接部の幅、板厚、材料強度、ナゲット径のうち１種以上を決定する点に特徴を有する。 α＝ＴＳ・Ｗ・ｔ／Ｆｔｓｓ・・・（１） α＝２・ＴＳ・Ｗ・ｔ・ｓｉｎθ／Ｆｃｔｓ・・・（４） ただし、α：十字型引張及び／又はせん断型引張でのスポット溶接部のナゲットの端部と母材における応力集中係数 本発明によれば、任意の部材でのスポット溶接部の破断強度を正確に予測することができるので、例えば実際の自動車の部材での衝突試験時のスポット溶接部破断の検証を省略したり、検証試験の回数を大幅に削減したりすることができる。また、自動車の部材のスポット溶接条件を変えた試作・衝突試験の大規模な実験によるスポット溶接破断を防ぐ部材設計を省略し、部材の負荷方法が決まったときの破断強度が最大となるように、形状、幅、板厚、材料強度、及びスポット溶接のナゲット径を簡単に決定することができるので、大幅なコスト削減・設計開発期間の短縮に寄与することができる。 以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、せん断型引張試験の概要を示す図である。試験片は、図のように母材２である２枚の鋼板を重ねてスポット溶接し、ナゲット１を形成する。この試験片を矢印３で示す方向に試験片が破断するまで引張試験を行う。このとき、引張方向３における試験片の変位と荷重を測定する。ナゲット１の周りで破断が発生し、このときに、最大荷重となり、これを破断限界荷重Ｆtss（Ｎ）とする。この限界荷重Ｆtssとなったとき、母材２の幅Ｗ（ｍｍ）、板厚ｔ（ｍｍ）から、母材内の平均応力σo（ＭＰａ）は、Ｆtss／Ｗ・ｔである。 破断の起点となるナゲット１の周りにおいては、最大応力が引張強さＴＳ（ＭＰａ）に達したと仮定すれば、ナゲット１の端部と母材２における応力集中係数αを、母材の引張強さＴＳと母材の平均引張応力σｏの比として（１）式のように定義できる。 α＝ＴＳ／σｏ＝ＴＳ・Ｗ・ｔ／Ｆtss・・・（１） 様々な引張り強さＴＳの材料で、様々な試験片幅Ｗ、板厚ｔ、ナゲットの直径ｄ（ｍｍ）で、破断限界荷重Ｆtssを測定することで、この応力集中係数αを、（１）式から算出してデータベースとして表を作成しておく。これから、任意の引張り強さＴＳ、板厚ｔ、幅Ｗ、ナゲット径ｄでの破断限界荷重Ｆtssは、表の応力集中係数αを用いて、（２）式で予測できる。 Ｆtss＝ＴＳ・Ｗ・t／α・・・（２） また、応力集中係数αは、ナゲット径ｄと幅Ｗの比ｄ／Ｗで整理すると一つの曲線になることから、（３）式から算出したαを用いて、（２）式からもＦtssを予測しても良い。 α＝ｋ／（ｐ・d／Ｗ−ｑ）n＋ｒ・・・（３） ここで、ｋ、ｐ、ｑ、ｎ、及びｒは、αとｄ／Ｗの曲線の関係を（３）式でフィッティングするためのパラメータである。曲線をフィッティングする式は、必ずしも（３）式の形でなくても良く、曲線関係をフィッティングできる式であれば良い。また、（３）式を用いなくても、曲線のグラフから直接αを読み取っても良い。 （２）式、（３）式から任意のナゲット径ｄ、幅Ｗ、板厚ｔ、材料強度ＴＳでの破断限界荷重Ｆtssを求めることができる。これは、逆に、例えば部材に使用する材料の板厚ｔと材料強度ＴＳが決まれば、破断限界荷重を最大にするナゲット径ｄと幅Ｗの組合せを求めることができることを示す。すなわち、（２）式、（３）式から生成される曲面の破断限界荷重Ｆtssが極大となるナゲット径、幅、板厚、材料強度の組合せが得られ、目的に応じて、その中から最適な組合せを選べばよい。 また、曲面の極大値でなくとも、その極大値を含む、Ｆtssの変化率が最大及び最小となるナゲット径、幅、板厚、材料強度の変化率の組合せを求め、その範囲をＦtssが安定して強度を保つ範囲として使用しても良い。ここで、幅Ｗは、試験片幅Ｗの他に、例えば、図２に示すように部材では、ハット型断面のフランジ幅４、断面長５、座屈ビードの間隔６、スポット溶接ピッチ７の何れかに相当する。このように、実際の部材は様々な形状になるため、それの都度、スポット溶接周りの寸法や、座屈形態を決める寸法を幅Ｗに対応する寸法として、評価すればよい。 図３は、十字型引張試験方法の概要を示す図である。試験片は、図のように母材２である２枚の鋼板を重ねてスポット溶接し、ナゲット１を形成する。この試験片を矢印３で示す方向に試験片が破断するまで引張試験を行う。このとき、引張方向３の試験片の変位と荷重を測定する。ナゲット１の周りで破断が発生し、このときに、最大荷重となり、これを破断限界荷重Ｆcts（Ｎ）とする。この限界荷重Ｆctsとなったとき、母材２の幅Ｗ（ｍｍ）、板厚ｔ（ｍｍ）から、母材の板面内の平均応力σoは、図４に示す角度θを用いて、Ｆcts／（２Ｗ・ｔ・sinθ）である。 破断の起点となるナゲット１の周りにおいては、最大応力が引張強さＴＳ（ＭＰａ）に達したと仮定すれば、ナゲット１の端部と母材２における応力集中係数αを、母材の引張強さＴＳ（ＭＰａ）と母材の平均引張応力σｏ（ＭＰａ）の比として（４）式のように定義できる。 α＝ＴＳ／σｏ＝２・ＴＳ・Ｗ・ｔ・ｓｉｎθ／Ｆｃｔｓ・・・（４） これは、せん断型引張試験で求めた（１）式と全く同形式であり、引張方向が違うため、角度補正θが入る。従って、せん断型引張りと同じ方法で、任意の幅、板厚、材料強度、ナゲット径に基づいて、破断限界荷重Ｆctsは、（５）式から算出できる。 Ｆcts＝２・ＴＳ・Ｗ・t・sinθ／α・・・（５） （４）式、（５）式から、せん断型引張試験と同様の考え方で、破断限界荷重Ｆctsを求めることができる。破断限界荷重ＦtssとＦctsは、どちらか小さい方を設計上の破断限界荷重としても良いし、部材形状と負荷条件から、スポット溶接部の変形様式がどちらに対応するか分っている場合は、対応する方の破断限界荷重を使用しても良い。 この方法は、鉄鋼材料だけでなく、あらゆる材料に適用することができる。また、スポット溶接だけなく、レーザー溶接、アーク溶接、シーム溶接、マッシュシーム溶接等のあらゆる溶接、さらには、ＴＯＸ接合、リベット接合等のあらゆる機械接合、摩擦接合や拡散接合、摩擦拡散接合、接着剤による接合すべてに応用することができる。 実験による応力集中係数αの算出方法も、上記のせん断型引張試験、十字型引張試験に限らず、あらゆる試験片形状、荷重負荷方法で、算出することができる。 上記の破断判定の予測は、自動車全体、部材の衝突解析だけでなく、自動車以外の部品にも適用でき、衝突以外の準静的な変形での解析にも適用できることは言うまでもない。 図７は、本発明の最適化方法を実行可能なコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。同図において、１２００はコンピュータＰＣである。ＰＣ１２００は、ＣＰＵ１２０１を備え、ＲＯＭ１２０２又はハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶された、或いはフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）１２１２より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行し、システムバス１２０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。 前記ＰＣ１２００のＣＰＵ１２０１、ＲＯＭ１２０２又はハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶されたプログラムにより、本実施形態の各機能手段が構成される。 １２０３はＲＡＭで、ＣＰＵ１２０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。１２０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）１２０９から入力される信号をシステム本体内に入力する制御を行う。１２０６は表示コントローラ（ＣＲＴＣ）であり、表示装置（ＣＲＴ）１２１０上の表示制御を行う。１２０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）で、ブートプログラム（起動プログラム：パソコンのハードやソフトの実行（動作）を開始するプログラム）、複数のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイルそしてネットワーク管理プログラム等を記憶するハードディスク（ＨＤ）１２１１、及びフレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２とのアクセスを制御する。 １２０８はネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）で、ＬＡＮ１２２０を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、或いは他のＰＣと双方向のデータのやり取りを行う。 上述した実施形態の機能は、コンピュータがコンピュータプログラムを実行することによっても実現される。また、コンピュータプログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体又はかかるプログラムを伝送するインターネット等の伝送媒体も本発明の実施形態として適用することができる。また、前記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。前記のコンピュータプログラム、記録媒体、伝送媒体及びコンピュータプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリ、ＲＯＭ等を用いることができる。（実施例） 上記の破断予測モデルを使い、せん断型引張試験における破断限界荷重Ｆtssの極大となる領域を調べた。９８０ＭＰａ級の厚さｔ＝１．４ｍｍの鋼板で、せん断型引張試験片での極大となる破断限界荷重Ｆtssを求めるために、スポット溶接のナゲット径ｄ、幅Ｗを変化させた。（２）式、（３）式で使用する他のパラメータは、この９８０ＭＰａ級の特定の鋼板に限定することにより、簡易的に求めたパラメータで、ＴＳ＝１０５０（ＭＰａ），ｔ＝１．４（ｍｍ），ｐ＝０．８０１３，ｑ=０．０６７１２，ｒ＝１．０６１４，ｋ＝０．０２６９５，ｎ＝２．３７５９とした。これらは、材料が変われば変化するが、その都度求めるか、材料とパラメータの関係式を別途使用しても良い。 図５は、この予測モデルの検証例であり、ナゲット径ｄを７．１ｍｍに固定すると、幅４０ｍｍ付近で、破断限界荷重が極大となっており、ナゲット径まで決めれば、最大の破断限界荷重とそのときの幅を求めることができることがわかる。 また、極大値を含み、破断限界荷重が、その変化率が最大となる点と最小となる点の間の範囲とは、２０ｍｍ以上で６０ｍｍ以下であるので、この範囲を破断限界荷重が安定して高い領域として、使用することが出来る。 図６は、図５の幅だけでなく、ナゲット径も変化させたときの破断限界荷重の変化を示す曲面である。破断限界荷重が極大値を示す幅Ｗが、ナゲット径を変化させると、より大きい側にシフトすることが分り、目的に応じて、幅とナゲット径の最適な組合せを選ぶことができる。すなわち、破断限界荷重をより大きくしたいのであれば、幅は約７０ｍｍ、ナゲット径は約１３ｍｍとすることができるし、部材の別の設計要件から幅が５０ｍｍに決まるのであれば、極大となる破断限界荷重のときのナゲット径は約１１ｍｍと決めることができる。 このように、基本的な試験でスポット溶接での、極大となる破断限界荷重を予測し、材料、板厚、ナゲット径、幅の最適条件を決定することができた。また、部品レベルでの衝突変形時のスポット溶接破断の予測について実験・予測モデルから検証しており、予測モデルでの破断が実験と一致することを確かめている。以上から、スポット溶接部の破断の極大値を求めることにより、部材の変形モード、吸収エネルギーの制御・設計が可能なことが確かめられた。せん断型引張試験の概要を示す図である。実部材でのフランジ幅、断面長、座屈ビードの間隔、スポット溶接ピッチを示す図である。十字型引張試験方法の概要を示す図である。十字型引張試験の試験時における側面図である。せん断型引張試験の破断限界荷重の幅Ｗに対する変化を示す図である。せん断型引張試験での破断限界荷重の幅Ｗ及びナゲット径ｄに対する変化を示す図である。最適化方法を実行可能なコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。符号の説明 １ ナゲット ２ 母材 ３ 試験片両端部の引張方向 ４ ハット型断面のフランジ幅 ５ 断面長 ６ 座屈ビードの間隔 ７ スポット溶接ピッチ 十字型引張試験における様々な試験片の材料強度ＴＳ（ＭＰａ）、板厚ｔ（ｍｍ）、スポット溶接のナゲット径ｄ（ｍｍ）、継ぎ手の板幅Ｗ（ｍｍ）、破断時の最大荷重Ｆｃｔｓ（Ｎ）、及び十字型引張試験の継ぎ手の回転角θ、並びに／又はせん断型引張試験における様々な試験片の材料強度ＴＳ（ＭＰａ）、板厚ｔ（ｍｍ）、スポット溶接のナゲット径ｄ（ｍｍ）、継ぎ手の板幅Ｗ（ｍｍ）、及び破断時の最大荷重Ｆｔｓｓ（Ｎ）を測定し、（１）式若しくは（４）式に基づいて、又は（１）式若しくは（４）式により定義した応力集中係数αと、ナゲット径ｄと幅Ｗの比ｄ／Ｗの関係式に基づいて、前記応力集中係数αを算出してデータベースを作成し、前記データベースに基づいて、任意の部材のスポット溶接部における破断限界荷重を最大にするように、スポット溶接部の幅、板厚、材料強度、ナゲット径のうち１種以上を決定することを特徴とするスポット溶接部の破断強度増大のための最適化方法。 α＝ＴＳ・Ｗ・ｔ／Ｆｔｓｓ・・・（１） α＝２・ＴＳ・Ｗ・ｔ・ｓｉｎθ／Ｆｃｔｓ・・・（４） ただし、α：十字型引張及び／又はせん断型引張でのスポット溶接部のナゲットの端部と母材における応力集中係数