(57)【要約】【課題】異なる材質の材料を接合対象としたスポット溶接シミュレーションを行う場合でも適正な解析結果を得ることができる材料特性データ計算方法を提供する。【解決手段】加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算する方法であって、加熱及び溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出する液相率算出処理と、最大液相率から材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求める溶融混合率算出処理と、溶融混合率と材料ごとの材料特性データから冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する溶融ナゲット材料特性データ算出処理と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる材質の材料を接合するスポット溶接において加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算する方法であって、
前記加熱及び前記溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出する液相率算出処理と、
前記最大液相率から前記材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求める溶融混合率算出処理と、
前記溶融混合率と前記材料ごとの材料特性データから前記冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する溶融ナゲット材料特性データ算出処理と、を含む、材料特性データ計算方法。
【請求項２】
異なる材質の材料を接合するスポット溶接において加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算するプログラムであって、
前記加熱及び前記溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出する液相率算出ステップと、
前記最大液相率から前記材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求める溶融混合率算出ステップと、
前記溶融混合率と前記材料ごとの材料特性データから前記冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する溶融ナゲット材料特性データ算出ステップと、を含む、材料特性データ計算プログラム。
【請求項３】
異なる材質の材料を接合するスポット溶接において加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算する装置であって、
プログラムが記憶された記憶手段と、
前記プログラムに基づいて演算を行う演算手段と、
前記演算手段により演算された結果を表示する表示手段と、を備え、
前記演算手段では、
前記加熱及び前記溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出し、
前記最大液相率から前記材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求め、
前記溶融混合率と前記材料ごとの材料特性データから前記冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する、材料特性データ計算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接のシミュレーションにおける材料特性データの計算に関し、より詳しくは異種の材料を組み合わせたスポット溶接で適切な解析シミュレーションを可能とする材料特性データの計算に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体等、各種工業部材における金属材料同志の接合ではスポット溶接が広く利用されている。近年、例えば自動車車体に使用される鋼板には軟鋼板、高張力鋼板、ホットスタンプ鋼板等があり、このような種類の異なる様々な強度の鋼板の組み合わせで溶接することが多くなっている。
【０００３】
このようなスポット溶接において、実際に溶接することにより溶接条件や継手強度を確かめつつ最適値を決めることもできるが、そうすると時間がかかり手間も大きい。そこで近年では溶接条件及び継手強度の検討のためにＦＥＭ解析シミュレーションが有効に用いられている。
【０００４】
例えば非特許文献１には、電場−温度場−応力場の増分連成解析手法に基づくスポット溶接解析システムに関して開示されている。これによれば、めっき鋼板を対象に溶接ナゲット形成を精度良く推定し、更に、溶融金属が鋼板外へ飛散するスパッタ発生の予測も可能である。
【０００５】
非特許文献２には、スポット溶接シミュレーションで計算した溶融部混合率を使い、スポット溶接継手の常温引張強度解析に設定する材料特性データを導出する方法が開示されている。これによれば、スポット溶接継手の破断を精度良く予測できる。
【０００６】
特許文献１には、鋼板への加圧力と鋼板界面である圧接部の接触圧からスパッタ発生を予測する技術が開示されている。これによればスパッタ発生を予測することができるとともに、溶接部の強度が最大となりつつも溶接に要するエネルギー効率が良好になるような溶接条件を求めることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】福本、岡村、福井、「自動車用鋼板を対象とした高精度スポット溶接ＣＡＥ技術の開発」、自動車技術会２００６年度春季学術講演会前刷集、Ｎｏ．７４−０６、（２００６）
【非特許文献２】上田、福本、中山、「溶接シミュレーションを用いた異種異厚板組の破断予測技術の開発」、自動車技術会論文集、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．３、（２０１５）
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２８３３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１及び特許文献１では、異種鋼材を組み合わせて溶接する場合を対象とした溶融ナゲットの材料特性データの共有化について考慮していない。
【００１０】
非特許文献２には上記のように、スポット溶接シミュレーションで計算した溶融部混合率を使い、スポット溶接継手の常温引張強度解析に設定する材料特性データを導出する方法が開示されている。
ここで、スポット溶接シミュレーションとは電場−温度場−応力場連成解析によるスポット溶接の通電加熱プロセスと冷却プロセスを模擬した温度依存のＦＥＭ解析である。一方、スポット溶接継手の常温引張強度解析とは、溶接後のスポット溶接継手の引張試験を模擬した常温条件下でのＦＥＭ解析である。
従って、非特許文献２では溶融部混合率をスポット溶接シミュレーション内で利用する方法に関しては述べられていない。
【００１１】
溶融ナゲット内で材料はほぼ均質に溶融しているため、本来は溶融ナゲットとして１つの共有化した材料特性データを用いることが望ましい。ところが従来の技術では、このような共有化が図られていないため、溶接部を構成するそれぞれの異種の鋼板の材料特性データで溶融ナゲット内を解析することになり、実態と差が生じるおそれがある。
【００１２】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、異なる材質の材料を接合対象としたスポット溶接シミュレーションを行う場合でも適正な解析結果を得ることができる材料特性データ計算方法を提供することを課題とする。また、そのための材料特性データ計算プログラム、及び、材料特性データ計算装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
溶接部を構成する鋼板の溶融ナゲット内での比率（溶融部混合率）は組み合わせた材質の種類、溶接条件により変化し、単純に鋼板の板厚比で決まるものではない。例えば、非特許文献２に記載のように、軟鋼材と比較して高強度材は電気抵抗率が高く溶融ナゲットの成長が速くなり溶融部混合率が高くなることが知られている。
そこで、発明者は鋭意検討の結果、スポット溶接の通電加熱プロセスの解析で計算した溶融体積比から溶融ナゲットの材料特性データを導出し、スポット溶接の冷却プロセスにおける温度依存の応力解析に活用することに着想し、これを具体化して本発明を完成させた。以下本発明について説明する。
【００１４】
本発明の１つの態様は、異なる材質の材料を接合するスポット溶接において加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算する方法であって、加熱及び溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出する液相率算出処理と、最大液相率から材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求める溶融混合率算出処理と、溶融混合率と材料ごとの材料特性データから冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する溶融ナゲット材料特性データ算出処理と、を含む、材料特性データ計算方法である。
【００１５】
本発明の他の形態は、異なる材質の材料を接合するスポット溶接において加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算するプログラムであって、加熱及び溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出する液相率算出ステップと、最大液相率から材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求める溶融混合率算出ステップと、溶融混合率と材料ごとの材料特性データから冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する溶融ナゲット材料特性データ算出ステップと、を含む、材料特性データ計算プログラムである。
【００１６】
本発明の他の形態は、異なる材質の材料を接合するスポット溶接において加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬した数値解析シミュレーションをする際の材料特性データを計算する装置であって、プログラムが記憶された記憶手段と、プログラムに基づいて演算を行う演算手段と、演算手段により演算された結果を表示する表示手段と、を備え、演算手段では、加熱及び溶融のプロセス内で材料の温度、固相線、液相線から最大液相率を算出し、最大液相率から材料ごとの溶融ナゲット体積を計算し溶融混合率を求め、溶融混合率と材料ごとの材料特性データから冷却のプロセス内で用いる溶融ナゲットの材料特性データを算出する、材料特性データ計算装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、異なる材質の材料を接合するスポット溶接シミュレーションを行う場合でも、溶融ナゲット内の材料特性を１つの共有化した材料特性データを得られることができるので、より適正な解析結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】スポット溶接の場面、及び、このときに形成される溶融ナゲットについて説明する模式図である。
【図２】材料特性データ計算方法を含むスポット溶接シミュレーション方法の流れを示した図である。
【図３】材料特性データ計算装置の構成を説明する図である。
【図４】実施例の結果を表す図である。
【図５】比較例の結果を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、スポット溶接の場面、及び、スポット溶接中における溶接部分を概略的に示した断面図である。ここでは種類が異なる２つの鋼板１０、１１が重ねられ、その一方面側と他方面側から２つの電極１により挟んでスポット溶接する場面を示している。ここで図１にＡで示し部分が溶融部（溶融ナゲット）である。
このようなスポット溶接自体は公知の通りであり、溶接される複数の材料が重ねられ、これを２つの電極の間に挟んで押圧しつつ通電する。そして以下に示す形態は当該スポット溶接のシミュレーションに関する。
【００２０】
図２にはスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１の流れを示した。このスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１に、材料特性データ計算方法Ｓ１０が含まれている。
【００２１】
スポット溶接シミュレーション方法Ｓ１では、通電加熱プロセスＳ２と、温度依存の応力解析を行う冷却プロセスＳ３とを含んでいる。従って、スポット溶接シミュレーション方法Ｓ１では鋼材を押圧して加熱、溶融、冷却までの一貫プロセスを模擬したシミュレーションである。シミュレーションはいわゆるＦＥＭ（有限要素）解析で行われることが好ましく、従って、適切な大きさの微小な要素（メッシュ）に分割された解析モデルにより行われる。
そして本形態ではスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１は全体として、電場−温度場−応力場の連成解析により行われる。このような連成解析は公知の通りであり、例えば非特許文献１に記載のような手法をとることができる。
【００２２】
本形態では、スポット溶接シミュレーション方法Ｓ１に、材料特性データ計算方法Ｓ１０が含まれている。この計算により溶融ナゲット内における材料特性データの適正化が図られる。
材料特性データ計算方法Ｓ１０は、図２からわかるように、液相率算出処理Ｓ１１、溶融混合率算出処理Ｓ１２、及び溶融ナゲット材料特性データ算出処理Ｓ１３を有している。
以下各プロセスについて説明する。
【００２３】
通電加熱プロセスＳ２では、重ねあわされた異なる種類の複数の鋼材に対して、スポット溶接を再現するように加熱条件を付与して溶融ナゲットの形成に関するシミュレーションを行う。
【００２４】
液相率算出処理Ｓ１１は、通電加熱プロセスＳ２に含まれ、最大液相率を算出する処理である。最大液相率は各鋼板１０、１１の材料の温度、固相線、液相線から算出され、固相を０、液相を１、固相と液相間は近似により０〜１の値とし、通電加熱プロセスＳ２中において、要素（メッシュ要素）毎にその最大値を保存する。
【００２５】
溶融混合率算出処理Ｓ１２は、通電加熱プロセス２の解析が終了した後に、液相率算出処理Ｓ１１で算出した最大液相率から各鋼板１０、１１の溶融ナゲットの体積を計算し、溶融混合率を求める処理である。
各鋼板１０、１１について要素（メッシュ要素）毎に体積に最大液相率を乗じ、溶融ナゲット部における要素（メッシュ要素）の総和を溶融ナゲットの体積とする。
また、溶融混合率Ｒについては、鋼板１０側の溶融ナゲット体積をＶ１、鋼板１１側の溶融ナゲット体積をＶ２としたとき、鋼板１０側の溶融混合率Ｒ１はＶ１／（Ｖ１＋Ｖ２）、鋼板１１側の溶融混合率Ｒ２はＶ２／（Ｖ１＋Ｖ２）により得られる。
【００２６】
溶融ナゲット材料特性データ算出処理Ｓ１３は、冷却プロセスＳ３における応力解析の前に、溶融ナゲットの材料特性データを算出する処理である。ここで算出される材料データが次の冷却プロセスＳ３における応力解析に用いられる。
溶融ナゲットの材料特性データとして、温度依存の応力−ひずみ関係、熱伝導率、密度、比熱、線膨張係数がある。これに対して溶融ナゲット材料特性データ算出処理Ｓ１３では、それぞれの材料特性データを、溶融混合率算出処理Ｓ１２で得た溶融混合率を用いて各鋼板の材料特性データから線形混合近似により求める。
例えば、溶融ナゲットの熱伝導率λはλ１×Ｒ１＋λ２×Ｒ２となる。ここで、λ１は鋼板１０の熱伝導率、λ２は鋼板１１の熱伝導率である。同様にして、他の材料特性データである温度依存の応力−ひずみ関係、密度、比熱、線膨張係数も溶融混合率に基づいて算出する。
【００２７】
冷却プロセスＳ３では、通電加熱プロセスＳ２で得られた溶融ナゲットに対して、温度依存の応力解析を行う。このとき、計算対象の要素（メッシュ要素）の最大液相率から溶融ナゲットか否かを判定し、必要に応じて溶融ナゲット材料特性データ算出処理Ｓ１３で得た材料特性データを適用する。例えば、最大液相率が０．８以上であれば溶融ナゲットと判定し、その要素（メッシュ要素）では溶融ナゲット材料特性データ算出処理Ｓ１３で得た材料特性データを用いて計算する。
【００２８】
以上のようなスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１によれば、ここに含まれる材料特性データ計算方法Ｓ１０により、異なる材質の材料を接合するスポット溶接シミュレーションを行う場合でも、溶融ナゲット内の材料特性を１つの共有化した材料特性データを得られることができるので、より適正な解析結果を得ることができる。
異なる材質の材料を接合するスポット溶接シミュレーションを行う場合、溶融ナゲット内はほぼ均質に溶融しているため、本来、溶融ナゲットとして共有化した材料特性データを用いることが望ましい。共有化を図らなければ、溶接ナゲットを構成するそれぞれの鋼板の材料特性データで溶接ナゲット内を解析することとなり、実態と差が生じるおそれがある。具体的には、ナゲット内でそれぞれの鋼板に対応する要素で応力分布が異なり応力コンター図の連続性が損なわれる。これに対して上記の材料特性データ計算方法Ｓ１０により、溶融ナゲット内は共有化した１つの材料特性データを用いることができ、ナゲット内の応力コンター図は連続し適正な解析結果を得ることができる。
【００２９】
図３は、上記したスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１に沿って具体的に演算を行う１つの形態にかかる材料特性データ計算装置２０の構成を概念的に表した図である。材料特性データ計算装置２０は、入力手段２１、演算装置２２、及び表示手段２８を有している。そして演算装置２２は、演算手段２３、ＲＡＭ２４、記憶手段２５、受信手段２６、及び出力手段２７を備えている。また、入力手段２１にはキーボード２１ａ、マウス２１ｂ、及び記憶媒体の１つとして機能する外部記憶装置２１ｃが含まれている。
【００３０】
演算手段２３は、いわゆるＣＰＵ（中央演算子）により構成されており、上記した各構成部材に接続され、これらを制御することができる手段である。また、記憶媒体として機能する記憶手段２５等に記憶された各種プログラム２５ａを実行し、これに基づいて上記したスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１の各処理のためのデータ生成や鋼材データベース２５ｂからのデータの選択をする手段として演算をおこなうのも演算手段２３である。
【００３１】
ＲＡＭ２４は、演算手段２３の作業領域や一時的なデータの記憶手段として機能する構成部材である。ＲＡＭ２４は、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、フラッシュメモリ等で構成することができ、公知のＲＡＭと同様である。
【００３２】
記憶手段２５は、各種演算の根拠となるプログラムやデータが保存される記憶媒体として機能する部材である。また記憶手段２５には、プログラムの実行により得られた中間、最終の各種結果を保存することができてもよい。より具体的には記憶手段２５には、プログラム２５ａ、鋼材データベース２５ｂが記憶（保存）されている。またその他情報も併せて保存されていてもよい。
【００３３】
ここで、保存されているプログラムには、上記したスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１の各処理を演算する根拠となる溶接シミュレーションプログラムが含まれる。すなわち、溶接シミュレーションプログラムは、図２のフローに対応するように、通電加熱プロセス演算ステップと、温度依存の応力解析を行う冷却プロセス演算ステップとを含んでいる。このプログラムの具体的な演算内容は上記したスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１で説明した通りである。
【００３４】
そして溶接シミュレーションプログラムにはさらに、上記材料特性データ計算方法Ｓ１０を具体的に演算するための根拠となる材料特性データ計算プログラムが含まれる。従って、材料特性データ計算プログラムは、液相率算出処理Ｓ１１、溶融混合率算出処理Ｓ１２、及び溶融ナゲット材料特性データ算出処理Ｓ１３に対応した、液相率算出ステップ、溶融混合率算出ステップ、及び溶融ナゲット材料特性データ算出ステップを有している。このプログラムの具体的な演算内容は上記したスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１で説明した通りである。
【００３５】
鋼材データベース２５ｂは、鋼材に関する物性値等の各特性が収納されたデータベースである。このデータベースからプログラムの求めに応じて必要なデータがプログラムに提供される。
【００３６】
受信手段２６は、外部からの情報を演算装置２２に適切に取り入れるための機能を有する構成部材であり、入力手段２１が接続される。いわゆる入力ポート、入力コネクタ等もこれに含まれる。
【００３７】
出力手段２７は、得られた結果のうち外部に出力すべき情報を適切に外部に出力する機能を有する構成部材であり、モニター等の表示手段２８や各種装置がここに接続される。いわゆる出力ポート、出力コネクタ等もこれに含まれる。
【００３８】
入力装置２１には、例えばキーボード２１ａ、マウス２１ｂ、外部記憶装置２１ｃ等が含まれる。キーボード２１ａ、マウス２１ｂは公知のものを用いることができ、説明は省略する。
外部記憶装置２１ｃは、公知の外部接続可能な記憶手段であり、記憶媒体としても機能する。ここには特に限定されることなく、必要とされる各種プログラム、データを記憶させておくことができる。例えば上記した記憶手段２５と同様のプログラム、データがここに記憶されていても良い。
外部記憶装置２１ｃとしては、公知の装置を用いることができる。これには例えばＣＤ−ＲＯＭ及びＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤ及びＤＶＤドライブ、ハードディスク、各種メモリ等を挙げることができる。
【００３９】
また、その他、ネットワークや通信により受信手段２６を介して演算装置に情報が提供されてもよい。同様にネットワークや通信により出力手段２７を介して外部の機器に情報を送信することができてもよい。
【００４０】
このような材料特性データ計算装置２０によれば、上記説明したスポット溶接シミュレーション方法Ｓ１を効率的に精度よく行なうことが可能となる。材料特性データ計算装置２０としては例えばコンピュータを用いることができる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例により、本発明に係る材料特性データ計算方法についてより詳しく説明する。
【００４２】
評価対象とする鋼板の組み合わせは、第一材料が板厚２．０ｍｍの９８０ＭＰａ級鋼板（以下「９８０材」と表記することがある。）、第二材料が板厚１．０ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板（以下「５９０材」と表記することがある。）である。
溶接条件は、電極による加圧力が４．９ｋＮ、加熱のための通電の電流が７ｋＡ、その通電時間は１６サイクル（周波数６０Ｈｚ）、保持時間を４０サイクルとした。シミュレーションは、電場−温度場−応力場の連成解析によりスポット溶接の通電加熱から冷却プロセスまでの一貫プロセスについてＦＥＭ解析シミュレーションを行った。結果を図４、図５に示す。
【００４３】
図４は実施例の結果であり、材料特性データ計算方法Ｓ１０を用いて解析をした結果の冷却プロセス終了後の応力分布である。通電加熱プロセスの解析結果から溶融混合率は９８０材のＲ１：５９０材のＲ２＝０．７４９：０．２５１となった。この溶融混合率を用いて温度依存の応力−ひずみ関係、熱伝導率、密度、比熱、線膨張係数の各材料特性データを計算し、これらを溶融ナゲット内の材料特性データとして冷却プロセスの応力解析をして図４のコンターを得た。このコンターでは濃くなるに従って応力が高くなることを示している。
その結果、図４からわかるように溶融ナゲット内の応力コンターは連続しており、適正な解析結果を得ることができた。
【００４４】
一方、図５は比較例の結果であり、材料特性データ計算方法Ｓ１０を用いることなく解析した結果の冷却プロセス終了後の応力分布のコンターである。
その結果、図５からわかるように溶融ナゲット内はほぼ均質に溶融しているにも関わらず、溶融ナゲット内に表れる応力コンターが不連続となり、実態とは異なる解析結果になった。
【符号の説明】
【００４５】
１  電極
１０  鋼材
１１  鋼材
２０  材料特性データ計算装置
２１  入力手段
２２  演算装置
２３  演算手段
２５  記憶手段
２８  表示手段
Ａ  溶融ナゲット
Ｓ１  スポット溶接シミュレーション方法
Ｓ２  通電加熱プロセス
Ｓ３  冷却プロセス
Ｓ１０  材料特性データ計算方法
Ｓ１１  液相率算出処理
Ｓ１２  溶融混合率算出処理
Ｓ１３  溶融ナゲット材料特性データ算出処理
【図１】
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【図２】
2019136713.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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