３次元連成スポット溶接シミュレーションを用いた
ナゲット形成における適正施工条件に関する研究
大阪府立大学大学院 柴原研究室 重政拓海 夏目糧平
背景

研究目的

スポット溶接の特徴

スポット溶接の問題点

安価（1打点１円以下）
工程時間が短い
ひずみが少ない
軽量化につながる

短ピッチスポット溶接● 分流の発生

打角ずれスポット溶接● 通電路の変化

ピッチ長さ
Lp
既溶接点
（ナゲット）

ナゲットt

実験による溶接施工条件の選定が困難
実験
多大なコスト
溶接条件の選定困難（多大な工数）分流

数値シミュレーション
低コスト
効率的な溶接条件の選定可能
（短時間）

通電路

スポット溶接の３次元影響の把握が重要(分流, 温度, 変形…)

３次元連成シミュレーション手法を用いて、適正施工条件目的の選定を行う

本研究では、 高速・大規模解析が可能な理想化陽解法FEMによる3次元スポット溶接解析手法の提案を行う

解析手法

短ピッチスポット溶接
解析モデルと分流影響

理想化陽解法FEMを用いたスポット溶接の３次元連成解析
解析手法
解析手法の精度検証
理想化陽解法FEMによる解析の流れ
解析モデル Load, Current
電極:銅

Lp=10mm,15mm,20mm,50mm
Lp

Set up analysis model

0.7ｍｍ
z1.4ｍｍt += Δt

1.5 mm
1.5 mm30ｍｍ

590Y

Constraint(Displacement, Electric potential)• Elements: 67,528• Nodes: 77,356

節点数：67,528
要素数：77,356

ナゲット形状（解析）熱弾塑性解析(変形, 応力)

8.0

熱伝導解析

Nugget size (mm)No
加熱過程
t += Δtt > tfinish?

d:Analysis
d:Experimenth:Analysis
h:Experiment

熱弾塑性解析

1228.01077.0

926.0
775.0
624.0

6.0

473.0
322.0

171.0(°C)
1530.04.0

1379.01228.01077.02.0

926.0775.0No
冷却過程

1379.00.0

624.0

3473.04 322.0
171.0
20.0

20.0

Nugget diameter: d67Current(kA)• d = 4.96 (mm)• h = 2.45 (mm)89
• d = 5.74 (mm)• h = 2.90 (mm)

計算時間: 約12時間

Nugget diameter: dd=4.69mm(5.0kA)• d = 4.96 (mm)• h = 2.45 (mm)• d = 5.74 (mm)• h = 2.90 (mm)• d = 6.40 (mm)d=6.40mm(7.0kA)• h = 3.21 (mm)

ナゲット： 大

α＝0°
非対称な
ナゲット

x方向とy方向のナゲット径の比較
Nugget diameter(mm)

対称な
ナゲット

8765432103020

spot pitch:50mm
spot pitch:20mm
spot pitch:15mm
spot pitch:10mm

100012Larger
Pitch

3 4 5 6 7
Current (kA)8910

分流影響：小スポットピッチ長さが短いほど２打点目ナゲットは小さくなる
4 𝑡(強度)＜ナゲット径＜接触径[ 適正ナゲット]

dx≠dy
dx
dy
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516
Weld time(cycles)

打角ずれが存在する場合のスポット溶接ではナゲット形状が通常のスポット溶接と異なる

303025

Lp=50mm201510(t: 板厚)

打角ずれスポット溶接

Generation ofexpulision(1st welding)2

Generation ofexpulsion(2nd welding)4√t(2nd welding)

15 4√t (1st welding)00 1 2 3 4 5 6 7 8Current (kA)

Welding time (cycles)

x電流

電流α＝5°y

Welding time (cycles)dyz

270C(1.5mm)
270C(1.5mm)

40

スポットピッチ長さLP：長短ピッチスポット溶接

dx50

ナゲット： 小適正施工条件の定義

α=5°α

60

適正施工条件に関する検討

ナゲット形状電極：銅同形状
ナゲット

ピッチ長さと分流の関係

Lp(50mm)

実験結果と解析結果が良好に一致したことから本手法の妥当性が示された
解析モデル

ピッチ長さLP: 短
分流の発生• d = 6.40 (mm)• h = 3.21 (mm)

3次元モデルにおいて短時間解析が可能

打角ずれスポット溶接解析

電極（1打点目）

Lp(20mm)

電流値:5kA
加圧力:2.45kN
5分流

ナゲット形状
1打点目
2打点目

(°C)
1530.010

α=5°Current90ｍｍ

電極（2打点目）

実験値と解析値の比較

熱伝導解析(温度)

Tmax = Troom ?
YesFinish270C
590Y

yx1.8ｍｍ

静電場解析(電流)Yes

電極（1打点目）

Ratio of shunt current (%)

No
負荷過程

270C
270C

Nugget thickness：hYes

F > Ftotal ?

電極（2打点目）

F += ΔF

Nugget thickness：h

弾塑性解析

打角ずれ
角度 α2520①： 1打点目における適正施工条件②： 2打点目における適正施工条件① ∩ ②：1,2打点目同条件における適正施工条件

4√t (α=5°)1510

Generation ofspatter (α=0°)50

9 10 11 12Generation ofexplusion (α=5°)A :α =0°
B :α =5°

4√t (α=0°)012

34 5 6 7 8Current (kA)Long weldingtimeBA
9 10 11 12Ⓐ： 適正施工条件（α=0°）Ⓑ： 適正施工条件（α=5°）

α=5°における適正施工条件はα=0°より小さい

数値シミュレーションを用いた適正施工条件の選定が可能

結論
本研究では，理想化陽解法FEMによる３次元スポット溶接解析手法の提案を行った．本手法を用いて、分流及び打角ずれがナゲット形状に及ぼす影響について検討を行った．また、得られた結果から、適正施工条件の選定を行った．その結果、以下の結論を得た．
1)スポット溶接における3次元連成シミュレーション手法を構築した結果、解析結果と実験結果のナゲット径が精度よく一致することを示した
2)短ピッチスポット溶接において、スポットピッチが短いほど、２打点目のナゲット形状が小さくなることを示した
3)打角ずれスポット溶接において、打角ずれが存在する場合、通常のスポット溶接と異なる電流路であることを示した．また、打角ずれスポット溶接
では、非対称なナゲットが形成されることを示した．
4)本手法を用いて、適正施工範囲の予測することが可能であることを示した.