(57)【要約】【課題】溶接部を構成する、破断限界線が未導出である金属材料について、破断限界線導出プロセスを行わずに破断限界線を精度良く予測することが可能な、溶接部の破断限界線の予測方法を提供する。【解決手段】破断限界線導出プロセスで予め特定された、定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式で表される係数を含む破断限界線構成式を準備する工程と、金属材料の化学成分から、破断限界線構成式の係数を算出する工程と、これらそれぞれの工程で準備又は算出される破断限界線構成式の係数の差が所定の範囲内に収まるように、上記多項式の定数を決定する工程と、該工程で決定された定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式へ、溶接部を構成する金属材料の化学成分を入力することにより、該溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の係数を算出する工程と、を有する、溶接部の破断限界線の予測方法とする。【選択図】図１
2015017817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、溶接部の破断限界線を予測する方法であって、
前記破断限界線は、定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式で表される係数を含む、破断限界線構成式で近似され、
破断限界線導出プロセスにより予め特定された、複数の金属材料の破断限界線構成式を準備する、準備工程と、
前記複数の金属材料の化学成分から、それぞれの前記破断限界線構成式の前記係数を算出する、第１係数算出工程と、
前記準備工程で準備された前記破断限界線構成式の前記係数と、前記第１係数算出工程で算出した前記破断限界線構成式の前記係数との差が所定の範囲内に収まるように、前記多項式の定数を決定する、定数決定工程と、
前記定数決定工程で決定された前記定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式へ、溶接部を構成する金属材料の化学成分を入力することにより、該溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の前記係数を算出する、第２係数算出工程と、
を有する、溶接部の破断限界線の予測方法。
【請求項２】
前記溶接部で、第１金属材料及び該第１金属材料とは異なる第２金属材料が接合される場合、
前記溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の前記係数は、前記溶接部における前記第１金属材料の体積分率を前記第１金属材料の破断限界線構成式の前記係数へと乗じた値、及び、前記溶接部における前記第２金属材料の体積分率を前記第２金属材料の破断限界線構成式の前記係数へと乗じた値の和で表される、請求項１に記載の溶接部の破断限界線の予測方法。
【請求項３】
前記溶接部で、第１金属材料及び該第１金属材料とは異なる第２金属材料が接合される場合、
前記溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の前記係数は、該係数を表す前記多項式における化学成分に、
前記溶接部における前記第１金属材料の体積分率を前記第１金属材料の前記化学成分へと乗じた値、及び、前記溶接部における前記第２金属材料の体積分率を前記第２金属材料の前記化学成分へと乗じた値の和、を入力する過程を経て算出される、請求項１に記載の溶接部の破断限界線の予測方法。
【請求項４】
有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、溶接部の破断限界線を予測するシステムであって、
前記破断限界線は、定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式で表される係数を含む、破断限界線構成式で近似され、
入出力部と、
複数の金属材料の破断限界線構成式を蓄積したデータベースと、
前記データベースに破断限界線構成式が蓄積されている前記複数の金属材料の化学成分から、それぞれの前記破断限界線構成式の前記係数を算出する、第１係数算出部と、
前記データベースに蓄積された前記破断限界線構成式の前記係数と、前記第１係数算出部で算出した前記破断限界線構成式の前記係数との差が所定の範囲内に収まるように、前記多項式の定数を決定する、定数決定部と、
前記定数決定部で決定された前記定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式へ、前記入出力部から入力された溶接部を構成する金属材料の化学成分を代入することにより、該溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の前記係数を算出する、第２係数算出部と、
を有する、溶接部の破断限界線の予測システム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接部の破断限界線の予測方法により予測された破断限界線を用いて有限要素法解析を行い、その解析結果に基づいて部材の板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置を決定し、該決定された板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置にしたがって部材を溶接する工程を有する、溶接部を備えた部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有限要素法解析（Finite Element Method解析。以下において「ＦＥＭ解析」ということがある。）を用いた溶接部の破断限界性の予測方法、該予測方法を実施可能な予測システム、及び、溶接部を備えた部材を、上記予測方法を用いて製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接、特にスポット溶接は、自動車組立工程における鋼板の接合方法として広く用いられている。スポット溶接で組み立てた部材においては、溶接ナゲット径や打点位置が適切でない場合、衝突変形中に溶接部が破断してエネルギー吸収性能の低下を招くことがある。部材の衝突エネルギー吸収性能の評価に多用されているＦＥＭ解析の解析精度の向上には、スポット溶接部の破断を考慮することが重要であり、破断の発生を防ぐためのナゲット径や打点間隔の検討を可能にする方法が求められている。また、これらの検討は機械的特性が異なる多種の鋼板を対象に実施できることが望ましい。
【０００３】
非特許文献１には、平行部が平滑形状の超小型試験片を用いた引張試験によりスポット溶接部の溶接金属部分、溶接熱影響部（Heat Affected Zone。以下において「ＨＡＺ部分」ということがある。）、及び、母材部分それぞれの、応力−歪み、引張強さ、破断伸び、破断絞りを個別かつ定量的に測定する方法や、その応力−歪み関係と破断絞りとから超小型試験片の引張試験を模擬したＦＥＭ解析によって各部位の局所的な破断ひずみ（以下において、「平滑破断ひずみ」ということがある。）を導出する方法が開示されている。かかる技術によれば、局所的な破断ひずみをスポット溶接部の各部位の破断基準としてＦＥＭ解析を行い、スポット溶接部の継手強度と破断部位とを高精度に予測することができる、とされている。
【０００４】
また、非特許文献２には、非特許文献１記載の平滑形状に加え、新たに切欠付き形状の超小型試験片を用いた引張試験によりスポット溶接部の溶接金属部分、ＨＡＺ部分、及び、母材部分それぞれの、応力−歪み、引張強さ、破断伸び、破断絞りを個別かつ定量的に測定する方法や、その応力−歪み関係と破断絞りとから超小型試験片の引張試験を模擬したＦＥＭ解析によって応力三軸度がそれぞれ異なる各部位の局所的な破断ひずみ（以下において、「切欠破断ひずみ」ということがある。）を導出し、平滑破断ひずみ及び切欠破断ひずみを累乗関数で近似し、破断限界線（応力三軸度をパラメータにした破断ひずみ）を構築する方法が開示されている。かかる技術によれば、破断限界線をスポット溶接部の各部位の破断基準としてＦＥＭ解析を行い、溶接部にかかる負荷モードがそれぞれ異なる複数のスポット溶接継手の継手強度と破断部位とを高精度に予測することができる、とされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】中山英介、外５名、「スポット溶接部の力学特性の測定と継手引張強度の予測」、自動車技術会論文集、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．１、（２００５）、ｐ．２０５−２１０
【非特許文献２】上田秀樹、外３名、「破断ひずみと応力三軸度によるスポット溶接部破断予測技術の研究」、自動車技術会学術講演会前刷集、Ｎｏ．３１−１２、（２０１２）、ｐ．１１−１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に記載の技術では、スポット溶接継手の引張試験条件を対象にした破断予測、及び、詳細な破断因子の検討が可能である。また、この技術では、鋼種により破断ひずみが異なる場合があり、鋼種毎に平滑形状の超小型試験片の引張試験結果とＦＥＭ解析結果とから局所的な破断ひずみを求めている（以下において、この処理を「局所的平滑破断ひずみ導出プロセス」ということがある。）。
【０００７】
また、非特許文献２に記載の技術では、溶接部にかかる負荷モードがそれぞれ異なる、引張せん断継手、十字継手、及び、Ｌ字継手の破断形態と継手強度の予測と破断因子の検討が可能である。この技術では、非特許文献１に記載の平滑形状に加え、鋼種毎に切欠付き形状の超小型試験片の引張試験結果とＦＥＭ解析結果とから局所的な破断ひずみを求めている（以下において、この処理を「局所的切欠破断ひずみ導出プロセス」ということがある。）。また、この技術では、鋼種により破断限界線が異なる場合があり、鋼種毎に局所的平滑破断ひずみ導出プロセス及び局所的切欠破断ひずみ導出プロセスを行い、平滑破断ひずみ及び切欠破断ひずみを累乗関数で近似し、破断限界線を求めている（以下において、この処理を「破断限界線導出プロセス」ということがある。）。
【０００８】
しかしながら、例えば破断限界線が未導出である鋼種からなる継手を対象に破断予測ＦＥＭ解析を行う場合、従来は、当該鋼種について、事前に破断限界線導出プロセスを行う必要があるため、作業時間と人的労力を要し問題であった。
【０００９】
そこで本発明は、溶接部を構成する、破断限界線が未導出である金属材料について、破断限界線導出プロセスを行わずに破断限界線を精度良く予測することが可能な、溶接部の破断限界線の予測方法、当該予測方法を実施可能な予測システム、及び、当該予測方法を用いる、溶接部を備えた部材の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
代表的な母材強度クラスの鋼種を対象に、あらかじめ、破断限界線を複数導出して破断限界線基準データとする。図１に、例として引張強さ５９０ＭＰａ級鋼板及び９８０ＭＰａ級鋼板の溶接部の破断限界線を示す。一般に、破断ひずみは応力三軸度が大きいほど低下し、図１に示すように破断ひずみと応力三軸度は負の相関を示す。それゆえ、破断限界線は、式（１）に示す累乗関数で近似することができる。
εＣＲ = ａ・σｔｒｉａｘ＾ｂ                                         …（１）
式（１）において、εＣＲは破断ひずみ、σｔｒｉａｘは応力三軸度である。また、式（１）のａ及びｂは、それぞれ、例えば、鋼種の化学成分（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ）から算出する式（２）及び式（３）で表すことができる。
ａ ＝ ａ０ ＋ ａ１・Ｃ ＋ ａ２・Ｓｉ ＋ ａ３・Ｍｎ ＋ ａ４・Ｐ ＋ ａ５・Ｓ ＋ ａ６・Ｍｏ ＋ ａ７・Ｃｒ + ａ８・Ｂ + ａ９・Ｔｉ + ａ１０・Ｎｂ         …（２）
ｂ ＝ ｂ０ ＋ ｂ１・Ｃ ＋ ｂ２・Ｓｉ ＋ ｂ３・Ｍｎ ＋ ｂ４・Ｐ ＋ ｂ５・Ｓ ＋ ｂ６・Ｍｏ ＋ ｂ７・Ｃｒ ＋ ｂ８・Ｂ ＋ ｂ９・Ｔｉ ＋ ｂ１０・Ｎｂ      …（３）
【００１１】
本発明者らは、鋭意研究の結果、式（１）の係数ａ及びｂを式（２）及び（３）で表すと、これらの式の各定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）は、破断限界線基準データの破断限界線構成式における係数ａ及びｂとの差が小さくなるように、最小２乗法で求めることが可能であることを知見した。このように、鋼種の化学成分を用いて式（１）の係数ａ及びｂを導出することができれば、破断限界線が未導出である鋼種であっても、その化学成分を用いて容易に破断限界線を予測することができる。
本発明は、このような知見に基づいて完成させた。以下、本発明について説明する。
【００１２】
本発明の第１の態様は、有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、溶接部の破断限界線の予測方法であって、上記破断限界線は、定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式で表される係数を含む、破断限界線構成式で近似され、破断限界線導出プロセスにより予め特定された、複数の金属材料の破断限界線構成式を準備する準備工程と、上記複数の金属材料の化学成分から、それぞれの破断限界線構成式の係数を算出する第１係数算出工程と、準備工程で準備された破断限界線構成式の係数と、第１係数算出工程で算出した破断限界線構成式の係数との差が所定の範囲内に収まるように、多項式の定数を決定する定数決定工程と、該定数決定工程で決定された定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式へ、溶接部を構成する金属材料の化学成分を入力することにより、該溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の係数を算出する第２係数算出工程と、を有する、溶接部の破断限界線の予測方法である。
【００１３】
ここに、本発明の第１の態様及び以下に示す本発明の他の態様（以下において、これらをまとめて「本発明」ということがある。）において、「溶接部」とは、特に鋼材の溶接部分とすることが好ましく、溶接金属部分（或いはナゲット部分）、ＨＡＺ部分、母材部分に大別することができる。また、「破断限界線」の具体例としては、溶接部における母材部分の破断限界線、ＨＡＺ部分の破断限界線、溶接金属部分の破断限界線等を挙げることができる。本発明における「破断限界線」は、レーザ溶接等のその他溶接手段における溶接部にも適用可能な破断判定の基準値である。また、本発明において、「化学成分」とは、金属材料に含まれる成分の質量％濃度やモル濃度、体積％濃度や組成比等を挙げることができる。
【００１４】
また、上記本発明の第１の態様において、上記溶接部で、第１金属材料及び該第１金属材料とは異なる第２金属材料が接合される場合、溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の係数は、溶接部における第１金属材料の体積分率を第１金属材料の破断限界線構成式の係数へと乗じた値、及び、溶接部における第２金属材料の体積分率を第２金属材料の破断限界線構成式の係数へと乗じた値の和で表されることが好ましい。
【００１５】
また、上記本発明の第１の態様において、上記溶接部で、第１金属材料及び該第１金属材料とは異なる第２金属材料が接合される場合、溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の係数は、該係数を表す前記多項式における化学成分に、溶接部における第１金属材料の体積分率を該第１金属材料の上記化学成分へと乗じた値、及び、溶接部における第２金属材料の体積分率を該第２金属材料の上記化学成分へと乗じた値の和、を入力する過程を経て算出することができる。
【００１６】
「該係数を表す前記多項式における化学成分に、溶接部における第１金属材料の体積分率を該第１金属材料の上記化学成分へと乗じた値、及び、溶接部における第２金属材料の体積分率を該第２金属材料の上記化学成分へと乗じた値の和、を入力する」の意味については後述するが、化学成分がＣである場合を例示してその内容をここで概説する。例えば、溶接部で第１金属材料及び第２金属材料が接合される場合、係数ａを表す式（２）の化学成分Ｃに入力する値として、第１金属材料における化学成分Ｃの質量％へ溶接部における第１金属材料の体積分率（溶接金属部分における第１金属材料の体積／溶接金属部分の全体の体積）を乗じることにより得られる値Ｃ１と、第２金属材料における化学成分Ｃの質量％へ溶接部における第２金属材料の体積分率（溶接金属部分における第２金属材料の体積／溶接金属部分の全体の体積）を乗じることにより得られる値Ｃ２との和（Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２）を用いることができる。同様に、係数ｂを表す式（３）の化学成分Ｃにも、Ｃ１＋Ｃ２を用いることができ、他の化学成分（ＳｉやＭｎ等）についても以下同様に行うことができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、溶接部の破断限界線を予測するシステムであって、上記破断限界線は、定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式で表される係数を含む、破断限界線構成式で近似され、入出力部と、複数の金属材料の破断限界線構成式を蓄積したデータベースと、該データベースに破断限界線構成式が蓄積されている複数の金属材料の化学成分から、それぞれの破断限界線構成式の係数を算出する第１係数算出部と、データベースに蓄積された破断限界線構成式の係数と、第１係数算出部で算出した破断限界線構成式の係数との差が所定の範囲内に収まるように、多項式の定数を決定する定数決定部と、該定数決定部で決定された定数と金属材料の化学成分とを用いた多項式へ、入出力部から入力された溶接部を構成する金属材料の化学成分を代入することにより、該溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の係数を算出する第２係数算出部と、を有する、溶接部の破断限界線の予測システムである。
【００１８】
本発明の第３の態様は、上記本発明の第１の態様に係る溶接部の破断限界線の予測方法により予測された破断限界線を用いて有限要素法解析を行い、その解析結果に基づいて部材の板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置を決定し、該決定された板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置にしたがって部材を溶接する工程を有する、溶接部を備えた部材の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、対象金属材料の化学成分を用いて、未知の破断限界線構成式の係数と既知の破断限界線構成式の係数との誤差が所定の範囲内に収まるように、未知の破断限界線構成式の係数を算出する。これにより、破断限界線が未導出である金属材料の破断限界線を特定したい場合には、金属材料の化学成分を特定すれば破断限界線構成式の係数を算出することができ、算出された係数を用いて破断限界線構成式を特定することができる。すなわち、本発明によれば、破断限界線が未導出である金属材料について、従来のような破断限界線導出プロセスを行わずに破断限界線を精度良く予測することが可能な、溶接部の破断限界線の予測方法を提供することができる。また、本発明によれば、この予測方法を実施可能な予測システム、及び、当該予測方法を用いる、溶接部を備えた部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】溶接金属の破断ひずみと応力三軸度との関係を示す図である。
【図２】本発明に係る溶接部の破断限界線の予測方法の一例を示す図である。
【図３】スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断限界線の予測方法を適用した例を説明するための図である。
【図４】スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断限界線の予測方法を適用した解析結果の例を説明するための図である。
【図５】本発明に係る溶接部の破断限界線の予測システムの一例を示す図である。
【図６】実施例における、評価対象鋼種の溶接金属部及びＨＡＺ部分の破断限界線を示す図である。
【図７】実施例における、評価対象鋼種の変形抵抗曲線を示す図である。
【図８】実施例における、スポット溶接継手引張試験モデルの継手形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１．本発明完成までの経緯
上記非特許文献１及び２によれば、平滑形状及び切欠付き形状の超小型試験片の引張試験を模擬したＦＥＭ解析結果の試験部断面積が破断試験片での実測値に達したときの最大相当塑性ひずみを、その試験片の局所的な平滑破断ひずみ及び切欠破断ひずみと定義できる。同様に、破断限界の応力三軸度も定義できる。また、このプロセスを溶接金属部分、ＨＡＺ部分、及び、母材部分毎に行うことで、各部位（溶接金属部分、ＨＡＺ部分、及び、母材部分。以下において同じ。）での平滑破断ひずみ及び切欠破断ひずみと破断限界の応力三軸度を導出することができる。そして、破断ひずみと応力三軸度との関係を累乗関数で近似することにより、各部位の破断限界線を構築することができる。
【００２２】
図１は、溶接金属の破断ひずみと応力三軸度との関係を示す図である。図１に示したように、破断限界線の破断ひずみは高強度材ほど応力三軸度の影響が大きく、低下傾向を示すため、上記式（１）における係数ａ及びｂは高強度材ほど小さくなると考えられる。また、鉄鋼材料では、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量という指標があり、鉄鋼材料の引張強さに対応したもの、溶接部硬さに対応したもの等がある。このように、鉄鋼材料では、化学成分と機械的特性との間に相関性があると考えられている。一方、引張試験において、破断試験片の断面積は破断絞りに換算される。破断絞りは機械的特性の一つであるため、本発明者らは、破断絞り及びそれから導出される破断ひずみと化学成分との間にも相関性があると考えた。本発明者らは、鋭意研究の結果、上記式（２）及び式（３）を用いることで、破断限界線構成式（上記式（１））の係数ａ及びｂを算出できることを知見した。
【００２３】
本発明は上記知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明においては、溶接部の破断部位（例えば、溶接金属部分、ＨＡＺ部分、母材部分）に係る破断限界線について、上記式（２）及び（３）を用いることで、破断限界線構成式（上記式（１））の係数ａ及びｂを算出し、当該金属材料の溶接部の破断部位に係る破断限界線を適切に導出、予測することができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、金属材料が母材強度クラス２７０ＭＰａ級〜１５００ＭＰａ級の鋼板であり、その溶接金属部分の破断限界線を予測する場合を主に例示するが、本発明は以下に説明する形態に限定されない。
【００２５】
２．溶接部の破断限界線の予測方法
本発明の第１実施形態に係る溶接部の破断限界線の予測方法Ｓ１０（以下において、「予測方法Ｓ１０」という。）を図２に示す。図２に示すように、予測方法Ｓ１０は、準備工程Ｓ１と、第１係数算出工程Ｓ２と、定数決定工程Ｓ３と、第２係数算出工程Ｓ４と、を有している。
【００２６】
２．１．準備工程Ｓ１
準備工程Ｓ１は、破断限界線導出プロセスにより予め特定された、複数の金属材料（例えば、母材強度クラス２７０ＭＰａ級〜１５００ＭＰａ級の複数の鋼板。）の破断限界線構成式を準備する工程である。準備工程Ｓ１で準備する破断限界線構成式の数は、複数であれば特に限定されないが、予測精度を高めやすい形態にする観点からは、４以上とすることが好ましく、強化機構と引張強さが異なる４〜７種類程度の鋼種、例えば５鋼種とすることができる。以下の説明では、破断限界線導出プロセスによって破断限界線が既知である複数の鋼種として母材強度クラス２７０ＭＰａ級〜１５００ＭＰａ級の鋼板（５鋼種）を用い、溶接金属部分の破断限界線構成式の係数を決定した例を示す。
【００２７】
２．２．第１係数算出工程Ｓ２
第１係数算出工程Ｓ２は、破断限界線導出プロセスにより破断限界線構成式が予め特定されている５鋼種の化学成分から、該５鋼種それぞれの溶接金属部分の破断限界線構成式の係数（上記式（１）の係数ａ及びｂ。以下において同じ。）を算出する工程である。鋼種の溶接金属部分の破断限界線は、まず、式（１）の構成式で表す。次に、式（１）の係数ａ及びｂを化学成分（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ）から算出する式（２）及び（３）で表す。これを複数の鋼種（５鋼種すべて）について行う。
【００２８】
２．３．定数決定工程Ｓ３
定数決定工程Ｓ３は、準備工程Ｓ１で準備された破断限界線構成式の係数と、第１係数算出工程Ｓ２で算出した破断限界線構成式の係数との差が所定の範囲内に収まるように、定数（上記式（２）の定数ａ０〜ａ１０及び上記式（３）の定数ｂ０〜ｂ１０）を決定する工程である。定数決定工程Ｓ３では、例えば最小二乗法を用いて、係数ａ及びｂの誤差が所定の範囲内に収まるように、適正化した定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）を決定する。定数決定工程Ｓ３において、「所定の範囲」は特に限定されないが、例えば、係数ａ、係数ｂの誤差の平均がそれぞれ５％未満となるように、定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）を決定することができる。定数決定工程で適正化した定数を決定することにより、破断限界線の予測精度を高めることが可能になる。ここで、定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）は、具体的には、ａ０≧１．０、ａ１〜ａ１０≦０．０、ｂ０≧−０．５、ｂ１〜ｂ１０≦０．０である。
【００２９】
２．４．第２係数算出工程Ｓ４
第２係数算出工程Ｓ４は、定数決定工程Ｓ３で決定された定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）と金属材料の化学成分とを用いた多項式（上記式（２）及び式（３）））へ、溶接部を構成する金属材料（ここでは破断限界線が未導出である鋼種）の化学成分（質量％）を入力することにより、破断限界線が未導出である鋼種の破断限界線構成式の係数（上記式（１）の係数ａ及びｂ）を算出する工程である。破断限界線構成式の係数ａ及びｂを算出することにより、破断限界線構成式を特定することができるので、破断限界線が未導出であった鋼種の破断限界線を予測することができる。
【００３０】
同種の金属材料を接合する場合には、上記の方法で破断限界線を予測できる。ただし、本発明は当該形態に限定されず、異なる材質の金属材料を接合した溶接金属にも適用することができる。この場合、複数の異なる金属材料を接合した溶接継手における溶接金属部分の破断限界線構成式の係数ａ及びｂ（ａｍｉｘ及びｂｍｉｘ）は、下記式（４）及び（５）に示すように、溶接金属部分におけるそれぞれの金属材料の体積比を係数ａ及びｂに乗じて算出することが好ましい。なお、溶接部を構成する金属材料の化学成分（質量％）については、当該金属材料の文献データ、又は、金属材料の材質情報を記載したミルシートのデータ等から特定することができる。
ａｍｉｘ ＝ ａｗｍｓ×（Ｖｓ／Ｖｍｉｘ） ＋ ａｗｍｔ×（Ｖｔ／Ｖｍｉｘ）      …（４）
ｂｍｉｘ ＝ ｂｗｍｓ×（Ｖｓ／Ｖｍｉｘ） ＋ ｂｗｍｔ×（Ｖｔ／Ｖｍｉｘ）      …（５）
式（４）及び（５）において、ａｗｍｓは溶接部を構成する第１金属材料の溶接金属部分の破断限界線構成式の係数ａ、ａｗｍｔは溶接部を構成する第２金属材料の溶接金属部分の破断限界線構成式の係数ａ、ｂｗｍｓは溶接部を構成する第１金属材料の溶接金属部分の破断限界線構成式の係数ｂ、ｂｗｍｔは溶接部を構成する第２金属材料の溶接金属部分の破断限界線構成式の係数ｂ、Ｖｓは溶接金属部分における第１金属材料の体積、Ｖｔは溶接金属部分における第２金属材料の体積、Ｖｍｉｘは溶接金属部分の全体の体積、である。
【００３１】
異なる材質の金属材料を接合した溶接金属に適用する別の方法として、入力する化学成分（質量％）を、下記式（６）に示すように、各々の金属材料の化学成分に溶接金属部分におけるそれぞれの金属材料の体積比を乗じて算出することもできる。なお、式（６）では一例として、複数の異なる金属材料を接合した溶接継手における溶接金属部分のＣの化学成分（質量％）であるＣｍｉｘの算出方法を示す。
Ｃｍｉｘ ＝ Ｃｓ×（Ｖｓ／Ｖｍｉｘ） ＋ Ｃｔ×（Ｖｔ／Ｖｍｉｘ）      …（６）
式（６）において、Ｃｓは溶接部を構成する第１金属材料のＣの化学成分（質量％）、Ｃｔは溶接部を構成する第２金属材料のＣの化学成分（質量％）である。Ｓｉ、Ｍｎ等に関しても同様の式で算出し、算出した化学成分（質量％）を上記式（２）及び式（３）へ入力することにより、複数の異なる金属材料を接合した溶接継手における溶接金属部分の破断限界線構成式の係数（上記式（１）の係数ａ及びｂ）を算出する。
【００３２】
このように、予測方法Ｓ１０では、準備工程Ｓ１乃至第２係数算出工程Ｓ４を経ることにより、破断限界線が未導出である金属材料の溶接部について、破断限界線を高精度に予測することが可能となる。
【００３３】
図３に、スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析における、本発明の第１実施形態に係る溶接部の破断限界線の予測方法（以下において、「本発明の予測方法」ということがある。）の適用例を示す。ここでは、比較のため従来例も併せて示した。図３（ａ）は評価対象のスポット溶接継手である。図３（ｂ）に示す従来技術では、評価対象の継手と同条件で溶接したスポット溶接部から採取した超小型試験片の引張試験とそれを模擬したＦＥＭ解析により破断ひずみを算出し、破断ひずみと応力三軸度との関係を累乗関数で近似して破断限界線を導出する。引張試験では、スポット溶接作業と超小型試験片の加工作業が必要となり、ＦＥＭ解析では、解析メッシュと材料特性データの作成、境界条件の設定等の一連の解析作業が必要となる。また、破断限界線を導出するには、切欠形状が異なる複数の切欠付き試験片の引張試験とＦＥＭ解析を実施するため、作業時間と人的労力を要することとなる。
【００３４】
一方、図３（ｃ）に示すように本発明の予測方法では、例えば上記準備工程Ｓ１乃至第２係数算出工程Ｓ４によって破断限界線構成式の係数を算出するのみで、破断限界線を高精度に予測することができる。また、本発明の予測方法は溶接部を構成する材料の化学成分に基づいて破断限界線を予測する方法であるため、材料の強化機構や化学成分のマイナーチェンジにも臨機応変に対応することができ、高精度に破断限界線を予測できる。図３（ｄ）はスポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析のメッシュデータであり、ｚ軸方向に対して１／２対称形でモデル化をしている。図３（ｅ）はスポット溶接部分周辺の拡大図である。材料特性データと破断限界線は、溶接金属部分１１、ＨＡＺ部分１２、及び、母材部分１３にそれぞれ設定する。
【００３５】
図４に、スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析へ、本発明の予測方法を適用した解析結果の例を示す。図４（ｆ）は図３（ｄ）のメッシュデータを用いたＦＥＭ解析の結果である。図４（ｇ）〜（ｊ）は破断過程を示した解析結果で、溶接部近傍要素の相当塑性ひずみが破断限界線に到達して、その要素を削除した状態である。本例では市販汎用ソルバＡｂａｑｕｓのＤａｍａｇｅ機能を適用して破断した要素を削除して剛性低下を模擬しているが、同等の機能を持つ他のソルバを用いても良い。図４（ｇ）は変位５ｍｍ、図４（ｈ）は変位６ｍｍ、図４（ｉ）は変位９ｍｍ、図４（ｊ）は変位１１ｍｍにおける解析結果で、破断起点と最大荷重時の変形形態を確認することができる。図４（ｋ）は試験結果とＦＥＭ解析結果で、荷重の履歴を比較している。ＦＥＭ解析結果は、破断限界線が未導出である金属材料については破断しないと仮定して解析する従来手法（ＦＥＭ（破断なし））と本発明による破断考慮手法（ＦＥＭ（破断考慮））でも比較している。この結果から明らかなように、従来手法は最大荷重を試験結果より大きく見積ってしまうが、本発明の予測方法を適用したＦＥＭ解析結果は最大荷重が試験結果と一致している。この結果から、本発明の予測方法によれば、破断限界線が未導出である鋼種の破断限界線を高精度に予測できることが分かる。このように、本発明の予測方法を用いることにより、破断の起点となる部位と破断経路を適切に検討することができる。したがって、本発明の予測方法は、破断による荷重低下を低減するための板組み、溶接部分の大きさ、溶接位置等の検討に活用することができる。
【００３６】
３．溶接部の破断限界線の予測システム
本発明の第２実施形態に係る溶接部の破断限界線の予測システム１０（以下において、「予測システム１０」という。）の形態例を図５に示す。図５に示すように、予測システム１０は、データベース１と、破断限界線構成式の係数を算出する第１係数算出部２と、破断限界線構成式の係数を多項式で表した時の定数を決定する定数決定部３と、破断限界線が未導出である金属材料の破断限界線構成式の係数を算出する第２係数算出部４と、入出力部５と、を有している。
【００３７】
データベース１には、複数の金属材料の破断限界線構成式が蓄積されている。予測システム１０において、データベース１の形態は特に限定されない。データベース１には、金属材料の化学成分と破断限界線構成式とを関連付けて記録されていることが好ましい。
【００３８】
第１係数算出部２は、データベース１に破断限界線構成式が蓄積されている複数の金属材料の化学成分から、それぞれの破断限界線構成式の係数（係数ａ及びｂ）を算出する部位である。このような機能を実現可能であれば、第１係数算出部２の形態は特に限定されず、表計算ソフトウェア等がインストールされた公知の演算装置等を用いることができる。第１係数算出部２には、データベース１に記録された破断限界線構成式の係数のうちの複数が、対応する化学成分とともに入力され、破断限界線構成式の係数が算出される。
【００３９】
定数決定部３は、データベース１に蓄積されている破断限界線構成式の係数と、第１係数算出部２で算出した破断限界線構成式の係数との差が所定の範囲内に収まるように、破断限界線構成式の係数を表す多項式に用いられる定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）を決定する部位である。このような機能を実現可能であれば、定数決定部３の形態は特に限定されず、表計算ソフトウェア等がインストールされた公知の演算装置等を用いることができる。定数決定部３には、データベース１に蓄積されている破断限界線構成式の係数、及び、第１係数算出部２で算出した破断限界線構成式の係数が、対応する化学成分とともに入力され、これらの誤差が所定の範囲内に収まるように、表計算ソフトウェアによって定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）が決定される。具体的な計算方法については上述の通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００４０】
第２係数算出部４は、定数決定部３で決定された定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）と金属材料の化学成分とを用いた多項式（上記式（２）及び（３））へ、入出力部５から入力された溶接部を構成する金属材料の化学成分を代入することにより、溶接部を構成する金属材料の破断限界線構成式の係数（係数ａ及びｂ）を算出する部位である。このような機能を実現可能であれば、第２係数算出部４の形態は特に限定されず、表計算ソフトウェア等がインストールされた公知の演算装置等を用いることができる。第２係数算出部４では、定数決定部３で決定された定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）を用いた式（２）及び（３）に、入出力部５から送られてきた溶接部を構成する金属材料の化学成分をパラメータ値として代入することにより、破断限界線構成式の係数ａ及びｂが算出される。具体的な計算内容については上述の通りであるため、ここでは説明を省略する。
【００４１】
このように、予測システム１０は、予測方法Ｓ１０における準備工程Ｓ１で用いるデータを蓄積したデータベース１と、第１係数算出工程Ｓ２を実施可能な第１係数算出部２と、定数決定工程Ｓ３を実施可能な定数決定部３と、第２係数算出工程Ｓ４を実施可能な第２係数算出部４を有しているので、予測方法Ｓ１０を実施することができる。したがって、かかる形態とすることにより、本発明によれば、破断限界線が未導出である金属材料の溶接部について、破断限界線を高精度に予測することが可能な、予測システム１０を提供することができる。
【００４２】
予測システム１０に関する上記説明では、それぞれ別々の、第１係数算出部２、定数決定部３、及び、第２係数算出部４を有している形態を例示したが、本発明の第２実施形態に係る溶接部の破断限界線の予測システムは当該形態に限定されない。一の演算装置を第１係数算出部２、定数決定部３、及び、第２係数算出部４として機能させても良い。
【００４３】
４．溶接部を備えた部材の製造方法
本発明の第３実施形態に係る溶接部を備えた部材の製造方法（以下において、「本発明の製造方法」ということがある。）は、本発明の第１実施形態に係る溶接部の破断限界線の予測方法により予測された破断限界線を用いて有限要素法解析を行い、その解析結果に基づいて部材の板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置を決定し、このようにして決定された板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置にしたがって部材を溶接する工程を有している。
【００４４】
本発明の製造方法では、例えば、予測方法Ｓ１０により予測された破断限界線を用いて有限要素法解析を行い、その解析結果に基づいて継手の板組み、溶接ナゲット径の大きさ、及び／又は、打点間隔を決定する。そして、決定された板組み、溶接ナゲット径の大きさ、及び／又は、打点間隔にしたがって部材をスポット溶接することにより、スポット溶接部を備えた継手を製造する形態、とすることができる。本発明の製造方法によれば、破断による荷重低下を低減するうえで板組み、溶接部の大きさ、及び／又は、溶接位置が適切に調整された溶接部材を製造することができる。これを、例えば自動車部材等の設計に反映させることにより、自動車の衝突変形中における溶接部破断を抑制し、適切にエネルギーを吸収することが可能な自動車構造部材を製造することが可能になる。
【００４５】
本発明に関する上記説明では、主に、本発明がスポット溶接部の解析に適用される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。レーザ溶接等のその他溶接手段により溶接された部材を解析する場合にも、本発明を適用することが可能である。また、上記説明では、本発明が溶接材料として鉄鋼材料を用いた場合に適用される形態について主に言及したが、本発明は当該形態に限定されない。チタンやアルミニウム等、他の金属材料で構成される溶接部材を解析する場合であっても、本発明を適用することができる。
【実施例】
【００４６】
実施例を参照しつつ、本発明の予測方法についてさらに説明を続ける。
【００４７】
破断限界線導出プロセスにより特定された、強化機構及び引張強さが異なる５鋼種の破断限界線構成式を準備し、これら５鋼種の化学成分から破断限界線構成式の係数（係数ａ及びｂ）を算出した。その後、算出した係数（係数ａ及びｂ）と破断限界線導出プロセスにより特定された破断限界線構成式の係数（係数ａ及びｂ）との差が所定の範囲内に収まるように、適正化した定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）を決定した。
【００４８】
このようにして決定した定数（ａ０〜ａ１０及びｂ０〜ｂ１０）と、破断限界線構成式が特定されていない金属材料の化学成分（質量％）とから、当該破断限界線構成式が特定されていない金属材料の破断限界線構成式の係数（係数ａ及びｂ）を算出した。なお、破断限界線構成式が特定されていない金属材料の化学成分は、以下の通りであった。
Ｃ：０．０９質量％
Ｓｉ：０．７２質量％
Ｍｎ：１．５質量％
Ｐ：０．０１８質量％
Ｓ：０．００４質量％
Ｃｒ：０．０２質量％
これらの化学成分を代入して算出した破断限界線構成式の係数は、ａ＝０．４３、ｂ＝−１．５９であった。
【００４９】
係数ａ及びｂを上記式（１）へ代入することにより、金属材料の溶接金属部分の破断限界線構成式を特定した。次に、溶接金属部分をＨＡＺ部分にするほかは同様にして、金属材料のＨＡＺ部分の破断限界線構成式を特定した。特定した溶接金属部分の破断限界線構成式で表される溶接金属部分の破断限界線、及び、特定したＨＡＺ部分の破断限界線構成式で表されるＨＡＺ部分の破断限界線を、図６に示す。図６に示したように、今回の金属材料では、溶接金属部分の破断限界線及びＨＡＺ部分の破断限界線は、ほぼ重なっていた。
【００５０】
本発明の予測方法により破断限界線を予測した金属材料は引張強さ５９０ＭＰａ級、ヤング率２０６ＧＰａ、ポアソン比０．３の鋼種である。この鋼種の変形抵抗曲線を図７に示す。図７に示した材料特性データと図６に示した破断限界線データを図８に示すスポット溶接継手の引張試験モデルに適用し、ＦＥＭ解析を行った。図８において、（ｌ）は引張せん断継手、（ｍ）はＬ字継手引張、（ｎ）は十字継手引張を示している。実験結果とＦＥＭ解析結果の比較を表１に示す。
【００５１】
【表１】
2015017817.tif 000003
【００５２】
表１に示したように、本発明の予測方法により予測した破断限界線を用いたＦＥＭ解析結果は、何れの継手においても最大荷重及び破断形態が実験結果と良好に対応した。すなわち、本発明によれば、破断限界線未導出の金属材料について、従来のような破断限界線導出プロセス（破断限界線を導出するための引張試験や有限要素法解析）を省略しても、破断限界線を高精度に予測できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、溶接部を備えた各種部材のＦＥＭ解析時に用いられる溶接部の破断限界線を、精度良く予測することができる。これにより、ＦＥＭ解析の際、個別に破断限界線導出プロセスを行う必要がなくなり、労力を低減することができる。本発明により予測された破断限界線は、例えば、スポット溶接継手の板組みや溶接ナゲット径を検討するためのＦＥＭ解析の際に用いることができ、さらにその結果を自動車の部材設計に反映させることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１…データベース
２…第１係数算出部
３…定数決定部
４…第２係数算出部
５…入出力部
１０…溶接部の破断限界線の予測システム
１１…溶接金属部分
１２…ＨＡＺ部分
１３…母材部分
【図１】
2015017817.tif 000004
【図２】
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【図５】
2015017817.tif 000006
【図７】
2015017817.tif 000007
【図３】
2015017817.tif 000008
【図４】
2015017817.tif 000009
【図６】
2015017817.tif 000010
【図８】
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