スポット溶接部の破断判定値の予測方法、予測システム、及びスポット溶接部を備えた部材の製造方法
【課題】破断判定値算出プロセスを別途行うことなく、破断判定値を精度良く予測することが可能な、スポット溶接部の破断判定値の予測方法を提供する。
【解決手段】あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程と、マスターカーブ決定工程により決定された近似マスターカーブと材質パラメータ算出工程により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程とを備える、破断判定値の予測方法とする。
【解決手段】あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程と、マスターカーブ決定工程により決定された近似マスターカーブと材質パラメータ算出工程により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程とを備える、破断判定値の予測方法とする。
【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「ＦＥＭ解析」という場合がある。）を用いたスポット溶接部の破断判定値の予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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はＦＥＭ解析が多用されているが、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、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】
特許文献１、非特許文献１には、ＦＥＭ解析により、スポット溶接部の母材及び／又は熱影響部（Heat Affected Zone、以下、「ＨＡＺ」という場合がある。）の破断判定値である破断ひずみを計算し、要素サイズを定めた要素サイズパラメータと破断ひずみとの関係を求め、この関係により所定の要素サイズパラメータの値から母材及び／又はＨＡＺの破断ひずみを求める方法が開示されている。かかる技術によれば、解析モデルの形状及び／又はスポット溶接部のナゲット径、解析モデルの要素サイズに関係なく、要素のひずみに関する破断の判定基準を得ることができ、部材のスポット溶接部破断予測を精度良く行うことができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０７３２２号公報
【０００５】
【非特許文献１】上田ら、自動車技術会論文集、Vol. 41、No. 2、(2010)、817-822
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、非特許文献１に記載の技術では、鋼種により破断ひずみが異なる場合があり、鋼種毎にスポット溶接継手の引張試験結果とＦＥＭ解析結果から破断ひずみを求めている（以下、この処理を「破断判定値算出プロセス」という場合がある。）。したがって、破断ひずみが未算出である鋼種からなる部材を対象に破断予測ＦＥＭ解析を行う場合、当該鋼種について、事前に破断判定値算出プロセスが必要となる。破断判定値算出プロセスの増加は、作業時間と人的労力を要し問題であった。
【０００７】
そこで本発明は、破断ひずみ等の破断判定値が未算出である鋼種からなる部材について、破断判定値算出プロセスを行わずに破断判定値を精度良く予測することが可能な、スポット溶接部の破断判定値の予測方法、予測システム、及び当該破断判定値の予測方法や予測システムを用いてＦＥＭ解析を行い、解析結果に基づいてスポット溶接部を備えた部材を製造する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】
【０００８】
本発明者が鋭意研究したところ、代表的な母材強度クラスの鋼種を対象に、あらかじめ、破断判定値を複数算出して破断判定値基準データとし、且つ、これらを各鋼種の機械的特性及び／又は化学成分から算出したパラメータで整理することにより、破断判定値基準データと各鋼種の機械的特性及び／又は化学成分との関係が、対数曲線や直線等のマスターカーブで近似できることを知見した。これにより、破断判定値が未算出である鋼種であっても、当該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分が分かっていれば、マスターカーブを用いて容易に破断判定値を予測することができる。
【０００９】
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、
本発明の第１の態様は、有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測方法であって、あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、当該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程と、マスターカーブ決定工程により決定された近似マスターカーブと、材質パラメータ算出工程により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程とを備える、破断判定値の予測方法である。
【００１０】
本発明において、「破断判定値」とは、従来においてはスポット溶接継手の引張試験やＦＥＭ解析により算出されていた値をいい、例えば、スポット溶接部における母材部分の相当塑性ひずみ、ＨＡＺ部分の相当塑性ひずみ、ＨＡＺ部分の最大主応力等を挙げることができる。「あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種」とは、例えば、スポット溶接継手の引張試験やＦＥＭ解析によって破断判定値が既知である複数の鋼種を意味する。「近似マスターカーブ」とは、破断判定値と材質パラメータとの関係を示す近似曲線を意味する。尚、本発明において「近似マスターカーブ」は直線（一次関数）で示されるものであってもよい。「材質パラメータ」とは、破断判定値と相関関係のある、鋼種の機械的特性や鋼種に含まれる化学成分により設定されたパラメータをいい、詳しくは後述する。尚、本発明において、「機械的特性」とは、外力に対してどの程度の耐久性を持つか等といった諸性質を数値化したもので、例えば、引張強さＴＳ、破断伸びＥｌ、硬度等を挙げることができる。また、「化学成分」とは、鋼種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。
【００１１】
本発明の第１の態様において、母材部分の破断判定値の予測に用いられる材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、ＨＡＺ部分の破断判定値の予測に用いられる材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、ナゲット部分の破断判定値の予測に用いられる材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定・算出されるものであることが好ましい。これにより、より高精度にスポット溶接部の破断判定値を予測することが可能となる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測システムであって、複数の鋼種の破断判定値を蓄積したデータベースと、データベースから選択された複数の破断判定値を、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定手段と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出手段と、マスターカーブ決定手段により決定された近似マスターカーブと、材質パラメータ算出手段により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、当該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出手段とを備える、破断判定値の予測システムである。
【００１３】
本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様に係る破断判定値の予測方法により予測された破断判定値を用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて部材のスポット溶接部の大きさ及び／又は打点間隔を決定し、該決定された大きさ及び／又は打点間隔にしたがって部材をスポット溶接する工程を備える、スポット溶接部を備えた部材の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、破断判定値と鋼種の材質パラメータとの関係を、近似マスターカーブとして数式化する。これにより、破断判定値が未算出である鋼種の破断判定値を算出・予測する場合であっても、鋼種の材質パラメータを特定すれば近似マスターカーブを用いて破断判定値を容易に算出・予測することができる。すなわち、本発明によれば、破断ひずみが未算出である鋼種からなる部材に対しても、破断判定値算出プロセスを行わずに破断判定値を精度良く予測することが可能な、スポット溶接部の破断判定値の予測方法、予測システム、及び当該破断判定値の予測方法や予測システムを用いて、スポット溶接部を備えた部材を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る破断判定値の予測方法の一例を示す図である。
【図２】母材の破断ひずみと破断伸びＥｌとの関係を示す図である。
【図３】ＨＡＺの破断ひずみと破断伸びＥｌとの関係を示す図である。
【図４】ＨＡＺの破断応力と引張強さＴＳとの関係を示す図である。
【図５】母材の破断ひずみと材質パラメータParamEbとの関係を示す図である。
【図６】ＨＡＺの破断ひずみと材質パラメータParamEhとの関係を示す図である。
【図７】ＨＡＺの破断応力と材質パラメータParamShとの関係を示す図である。
【図８】自動車部材の衝突性能評価のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断判定値の予測方法を適用した例を説明するための図である。
【図９】ハット型部材３点曲げＦＥＭ解析のスポット溶接部破断の過程を示す図である。
【図１０】ハット型部材３点曲げの実験結果とＦＥＭ解析結果との比較を示す図である。
【図１１】本発明に係る破断判定値の予測システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．本発明完成までの経緯
上記非特許文献１によれば、スポット溶接部の破断形態が、母材部分とＨＡＺでの延性破壊とナゲット内での延性に乏しい破壊とに分類でき、母材破断とＨＡＺ破断とでは相当塑性ひずみ、ナゲット内破断では最大主応力を破断判定値に用いることが適しているといえる。以下、相当塑性ひずみの破断判定値を破断ひずみ、最大主応力の破断判定値を破断応力という。
【００１７】
鉄鋼材料の機械的特性の一つである破断伸びＥｌは、引張試験後の永久伸びを原標点距離に対して百分率で表した値である。これは材料が一様に変形した場合の限界ひずみである。本発明者は、当該破断伸びＥｌと、母材破断及びＨＡＺ破断の判定値として用いられる破断ひずみとの間に少なからず相関性があるのではと考え、鋼種の破断伸びＥｌと破断ひずみとの関係をまとめた。しかしながら、鋼種の破断伸びＥｌのみでは、破断ひずみとの関係において、十分な相関性が確認できない場合があり、破断ひずみとの相関性を持たせるためには、鋼種の破断伸びＥｌ以外の因子が必要と考えた。本発明者は鋭意研究の結果、鋼種の破断伸びＥｌだけでなく、そこに鋼種の化学成分を付加した材質パラメータを設定することで、当該材質パラメータと破断ひずみとの関係が対数曲線などのマスターカーブで近似することができることを知見した。
【００１８】
また、鉄鋼材料の機械的特性の一つである引張強さＴＳは、引張試験において材料が耐え得る最大の引張応力である。上記非特許文献１では、ナゲット内破断の判定値にＨＡＺの最大主応力を用いており、鋼種の引張強さＴＳとナゲット内破断応力との間に直接的な相関関係があると考えられた。本発明者は、ＨＡＺの引張強さＴＳに相当する材質パラメータを設定したところ、当該材質パラメータとナゲット内破断応力との関係が対数曲線などのマスターカーブで近似することができることを知見した。
【００１９】
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、母材破断及びＨＡＺ破断に係る破断判定値については、材質パラメータとして鋼種の機械的特性及び化学成分を用いることで、当該材質パラメータと破断判定値との関係を近似マスターカーブで表すことができ、当該近似マスターカーブを用いることにより、破断判定値が未算出の鋼種に対しても、当該鋼種の機械的特性及び化学成分を特定するだけで、当該鋼種の母材破断及びＨＡＺ破断に係る破断判定値を適切に算出・予測することができる。また、ナゲット内破断に係る破断判定値については、材質パラメータとして鋼種の機械的特性及び／又は化学成分を用いることで、当該材質パラメータと破断判定値との関係を近似マスターカーブで表すことができ、当該近似マスターカーブを用いることにより、破断判定値が未算出の鋼種に対しても、当該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分を特定するだけで、当該鋼種のナゲット内破断に係る破断判定値を適切に算出・予測することができる。
【００２０】
以下、実施形態に係る本発明について詳述する。
【００２１】
２．スポット溶接部の破断判定値の予測方法
第１実施形態に係る本発明の破断判定値の予測方法Ｓ１０（以下、単に「予測方法Ｓ１０」という。）を図１に示す。図１に示すように、予測方法Ｓ１０は、あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程Ｓ１と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程Ｓ２と、マスターカーブ決定工程Ｓ１により決定された近似マスターカーブ、及び、材質パラメータ算出工程Ｓ２により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータを用いて、当該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程Ｓ３とを備えている。
【００２２】
２．１．マスターカーブ決定工程Ｓ１（工程Ｓ１）
工程Ｓ１は、あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する工程である。以下、工程Ｓ１の具体例として、スポット溶接継手の引張試験とＦＥＭ解析とによって破断判定値が既知である複数の鋼種として母材強度クラス４４０ＭＰａ級〜９８０ＭＰａ級の鋼板６種類を用い、近似マスターカーブを決定した例を示す。
【００２３】
図２は、母材の破断ひずみに係る破断判定値と破断伸びＥｌとの関係、図３は、ＨＡＺの破断ひずみに係る破断判定値と破断伸びＥｌとの関係、図４は、ＨＡＺの破断応力に係る破断判定値と引張強さＴＳとの関係を示す図である。図２〜４のいずれの場合でも、破断判定値がばらついて分布しており、近似マスターカーブを決定することは困難と言える。
【００２４】
そこで、母材の破断ひずみに係る破断判定値の分布については、新たに設定した材質パラメータParamEbで、ＨＡＺの破断ひずみに係る破断判定値の分布については、新たに設定した材質パラメータParamEhで、ＨＡＺの破断応力に係る破断判定値の分布については、新たに設定した材質パラメータParamShで各々整理する。
【００２５】
ParamEb、ParamEh、ParamShは、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータであり、それぞれ、下記式（１）〜（３）（又は（３’））を用いて算出することができる。
【００２６】
ParamEb ＝ Ｅｌ＋ａｌ×Ｃａ２ … （１）
ParamEh ＝ Ｅｌ＋ｂ１×Ｃｂ２＋ｂ３×Ｍｎｂ４ … （２）
ParamSh ＝ ｃ１×ＴＳＢＭ＋ｃ２×ＴＳＷＭ … （３）
ParamSh ＝ ｃ１×ＴＳＢＭ＋ｃ２×３．２×（マルテンサイトの硬度） … （３’）
【００２７】
上記式（１）〜（３）において、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｃ１、ｃ２は定数であり、具体的には、ａ１＝０．１〜２００、ａ２＝−２〜−０．１、ｂ１＝０．１〜２００、ｂ２＝−２〜−０．１、ｂ３＝０．１〜２００、ｂ４＝−２〜−０．１、ｃ１＝０〜１、ｃ２＝１−ｃ１である。また、Ｃ及びＭｎは、鋼種中に含まれる炭素成分量（質量％）及びマンガン成分量（質量％）である。ＴＳＢＭは母材の引張強さ、ＴＳＷＭはナゲット部の引張強さである。ＴＳＷＭは、例えば、「M. VICTOR Liら、METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACYIONS B、Vol. 29B、(1998)、661-672」に記載されている予測式を用いて求めたマルテンサイトの硬度Ｈｖに３．２を乗じて求めることができる（式（３’））。また、測定により求めた溶接金属(マルテンサイト)の硬度Ｈｖに３．２を乗じて求めてもよい（式（３’））。ここで、ParamEbとＣとは負の相関、ParamEhとＣ、Ｍｎとは負の相関となるよう、定数ａ２、ｂ２、ｂ４は負の値とする。また、各鋼種のParamEbの分布及びParamEhの分布が直線や対数曲線等になるよう、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４を設定する。ｃ１、ｃ２はＨＡＺに及ぼす母材とナゲット部の影響度合いを表したもので、例えば、母材からＨＡＺ、ナゲット部へと亘る硬度分布から決定することができる。
【００２８】
定数ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４の導出方法としては、破断判定値の分布が対数近似等の近似曲線に沿うよう、例えば表計算ソフトウェアを用いて適宜決定することができる。一例として、式（１）において、Ｅｌ＝１０〜３０％、Ｃ＝０．１質量％前後とした場合、破断判定値の分布が線形近似曲線に沿うようａ１は１程度、ａ２は−１．５程度と決定することができる。
【００２９】
定数ｃ１、ｃ２は、式（３）、（３’）の各項の総和がＨＡＺの引張強さＴＳと同程度になるよう適宜決定することができる。この理由は、上記非特許文献１では、ナゲット内破断の判定値にＨＡＺの最大主応力を用いており、ＨＡＺの引張強さＴＳとナゲット内破断応力に直接的な相関関係があると考えたためである。一例として、式（３）において、ＨＡＺの引張強さＴＳがＴＳＢＭとＴＳＷＭの平均程度とした場合、ｃ１は０．５、ｃ２は０．５と決定することができる。また、材質によりＨＡＺの硬さが母材またはナゲットの何れかに寄り、ＨＡＺの引張強さＴＳをＴＳＢＭとＴＳＷＭの平均程度とできない場合は、母材からＨＡＺ、ナゲット部へと亘る硬度分布から線形近似で決定することができる。
【００３０】
このように、新たに材質パラメータを設定した場合、図５〜７に示すように、母材の破断ひずみに係る破断判定値（CrEb）と材質パラメータParamEbとの関係についてはマスターカーブｍ１により近似することができ、ＨＡＺの破断ひずみに係る破断判定値（CrEh）と材質パラメータParamEhとの関係についてはマスターカーブｍ２により近似することができ、ＨＡＺの破断応力に係る破断判定値（CrSh）と材質パラメータParamShとの関係についてはマスターカーブｍ３により近似することができる。近似マスターカーブは公知の表計算ソフトウェア等を用いて決定することができる。マスターカーブｍ１〜ｍ３を数式化すると、具体的には下記式（４）〜（６）となる。
ｍ１：CrEb ＝ ０．００３×ParamEb−０．００７ … （４）
ｍ２：CrEh ＝ ０．１０５２×Ｌｎ（ParamEh）−０．４１０８ … （５）
ｍ３：CrSh ＝ ７５７．６３１×Ｌｎ（ParamSh）−４３４４．９ … （６）
式（４）〜（６）から分かるように、直線や対数曲線として近似マスターカーブを決定することができる。また、マスターカーブと材質パラメータの分布との差異が大きい場合は、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｃ１、ｃ２を設定しなおし、マスターカーブｍ１〜ｍ３を再度決定することが好ましい。
【００３１】
２．２．材質パラメータ算出工程Ｓ２（工程Ｓ２）
工程Ｓ２は、評価対象となる鋼種（すなわち、破断判定値が未算出である鋼種）について、その機械的特性及び／又は化学成分により材質パラメータを算出する工程である。具体的には、評価対象種の破断伸びＥｌ、引張強さＴＳ、化学成分の含有量（質量％）を特定したうえで、例えば、上記式（１）〜（３）を用いて評価対象鋼種に係る材質パラメータParamEb、ParamEh、ParamShをそれぞれ算出する。評価対象種の破断伸びＥｌ、引張強さＴＳ、化学成分の含有量（質量％）については、公知の手法により簡易に特定することができる。具体的には、公知の試験装置、分析装置等を用いて特定することができる。或いは、評価対象種に係る文献データを用いてもよい。また、鋼材の材質情報を記載したミルシートがある場合は、そのデータを用いてもよい。
【００３２】
２．３．破断判定値算出工程Ｓ３（工程Ｓ３）
工程Ｓ３は、工程Ｓ１により決定された近似マスターカーブと、工程Ｓ２により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、当該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する工程である。具体的には、例えば、工程Ｓ２により算出された材質パラメータParamEb、ParamEh、ParamShの値を、上記式（４）〜（６）にそれぞれ代入することにより、破断判定値CrEb、CrEh、CrShを算出することができる。算出された破断判定値は、それぞれ、母材部分における破断判定値の予測値、ＨＡＺ部分における破断判定値の予測値、ナゲット部分における破断判定値の予測値とすることができる。
【００３３】
以上のように、予測方法Ｓ１０においては、工程Ｓ１〜工程Ｓ３を経ることにより、破断判定値が未算出である鋼種におけるスポット溶接部について、破断判定値を精度良く予測することが可能となる。
【００３４】
図８に、自動車部材の衝突性能評価のＦＥＭ解析における、本発明の予測方法の適用例を示す。ここでは、比較のため従来例も併せて示した。（ａ）は評価対象のハット型部材である。（ｂ）に示す従来技術は、評価対象の鋼種から作成したスポット溶接継手の引張試験とＦＥＭ解析により破断判定値を算出する。引張試験では、試験片の加工作業と溶接作業が必要となり、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、１つの鋼種に対して、通常、負荷モードに係る解析作業を２水準で、溶接ナゲット径に係る解析作業を３水準で実施するため、作業時間と人的労力を要することとなる。一方、（ｃ）に示すように本発明の予測方法を用いれば、材料パラメータの算出と近似マスターカーブによる破断判定値の算出という机上作業のみで、精度よく破断判定値を予測することができる。また、本発明に係る予測方法は、単に母材の強度クラスからの予測ではなく、機械的特性及び／又は化学成分の影響をも考慮した予測方法であるため、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、高精度に破断判定値を予測できる。（ｄ）はハット型部材の３点曲げＦＥＭ解析に係るメッシュデータであり、（ｅ）はスポット溶接部分周辺の拡大図である。図８では、上側ハット１１と下側ハット１２とをスポット溶接で接合している。材料特性データと破断判定値は、母材１３、ＨＡＺ１４、ナゲット１５にそれぞれ設定する。（ｆ）は３点曲げＦＥＭ解析の結果である。（ｆ）に示すように、ＦＥＭ解析において、スポット溶接部の破断を考慮した部材評価が可能である。これにより、所望の性能を発揮させるためのスポット溶接部のナゲット径や打点間隔を適切に決定することができる。
【００３５】
図９に、図８（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）で示したハット型部材３点曲げＦＥＭ解析のスポット溶接部破断の過程を示す。（ｇ）は初期状態で、符号２１はスポット溶接部である。（ｈ）はインパクタが圧下し部材に荷重がかかりスポット溶接部近傍が変形している状態である。（ｉ）は溶接部近傍要素の相当塑性ひずみ及び／又は最大主応力が破断判定値に到達して、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。
【００３６】
図１０はハット型部材３点曲げの実験結果とＦＥＭ解析結果で、荷重の履歴を比較している。ＦＥＭ解析結果は、破断なしの従来手法と本発明による破断考慮手法でも比較している。破断なしの従来手法は最大荷重を実験結果より大きく見積ってしまうが、本発明による破断考慮手法は最大荷重が実験結果と概ね一致している。
【００３７】
３．スポット溶接部の破断判定値の予測システム
第２実施形態に係る本発明の破断判定値の予測システム１０（以下、単に「予測システム１０」という。）を図１１に示す。図１１に示すように、予測システム１０は、複数の鋼種の破断判定値を蓄積したデータベース１と、データベース１から選択された複数の破断判定値を、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定手段２と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、該評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出手段３と、マスターカーブ決定手段２により決定された近似マスターカーブと、材質パラメータ算出手段３により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出手段４とを備えている。
【００３８】
データベース１は、複数の鋼種について過去の破断判定値の算出データが記録されているものであれば、その形態は特に限定されるものではない。ここで、破断判定値は鋼種の機械的特性及び／又は化学成分毎に整理して記録しておくとよい。
【００３９】
マスターカーブ決定手段２は、上記マスターカーブ決定工程Ｓ１を実行可能な手段であればよく、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を用いることができる。マスターカーブ決定手段２においては、データベース１に記録された破断判定値のうちの複数が、対応する材質パラメータとともに入力され、表計算ソフトウェアによって破断判定値と材質パラメータとの関係が近似マスターカーブとして決定される。具体的な計算内容については上記した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００４０】
材質パラメータ算出手段３は、上記材質パラメータ算出工程Ｓ２を実行可能な手段であればよく、マスターカーブ決定手段２と同様、公知の演算装置を用いることができる。材質パラメータ算出手段３においては、評価対象の鋼種の機械的特性及び／又は化学成分が入力されることで、当該評価対象の鋼種に係る材質パラメータの値が算出される。具体的な計算内容については上記した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００４１】
破断判定値算出手段４は、上記破断判定値算出工程Ｓ３を実行可能な手段であればよく、マスターカーブ決定手段２や材質パラメータ算出手段３と同様、公知の演算装置を用いることができる。破断判定値算出手段４においては、算出された材質パラメータ値が、近似マスターカーブに係る関数の材質パラメータ値として代入されることにより、破断判定値が算出される。具体的な計算内容については上記した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００４２】
尚、本発明では、マスターカーブ決定手段２、材質パラメータ算出手段３、及び破断判定値算出手段４を別個とする必要はなく、すなわち、一の演算装置を当該手段２、３及び４として機能させてもよい。
【００４３】
以上のように、予測システム１０においては、データベース１、マスターカーブ決定手段２、材質パラメータ算出手段３、及び破断判定値算出手段４を機能させて上記工程Ｓ１〜Ｓ３を実行することにより、破断判定値が未算出である鋼種におけるスポット溶接部について、破断判定値を精度良く予測することができる。
【００４４】
４．スポット溶接部を備えた部材の製造方法
第３実施形態に係る本発明は、上記第１実施形態に係る本発明の破断判定値の予測方法により予測された破断判定値を用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて部材のスポット溶接部の大きさ及び／又は打点間隔を決定し、該決定された大きさ及び／又は打点間隔にしたがって部材をスポット溶接する工程を備える、スポット溶接部を備えた部材の製造方法である。当該製造方法によれば、溶接ナゲット径や打点位置を適切なものとすることができる。本発明に係る製造方法により製造された部材は、例えば、自動車の構造部材として用いることができ、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可能である。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例により、本発明に係る破断判定値の予測方法について、より詳しく説明する。
【００４６】
マスターカーブ決定工程Ｓ１は、上記に説明した通りのものとし、近似マスターカーブとしてｍ１〜ｍ３を得た。
【００４７】
評価対象となる鋼種の材質パラメータの算出にあたり、当該鋼種の機械的特性及び化学成分を特定した。具体的には下記の通りである。
破断伸びＥｌ：３０％
引張強さＴＳ：６２７ＭＰａ
溶接金属部の硬さＨｖ：３８０
炭素成分量Ｃ：０．０７質量％
マンガン成分量Ｍｎ：２．４４質量％
【００４８】
材質パラメータ算出工程Ｓ２は、上記特定した評価対象種の機械的特性及び化学成分を、上記式（１）〜（３）に代入することにより行った。算出された材質パラメータは、ParamEb＝８６．４、ParamEh＝１４２．５、ParamSh＝９２２であった。
【００４９】
破断判定値算出工程Ｓ３は、算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータを、上記式（４）〜（６）に代入することにより行った。算出された破断判定値は、CrEb＝０．２５、CrEh＝０．１１、CrSh＝８２７となった。
また、従来の方法により算出された破断判定値は、CrEb＝０．２６、CrEh＝０．１０、CrSh＝８００となった。
【００５０】
実施例により算出された破断判定値と、従来の方法（スポット溶接継手の引張試験やＦＥＭ解析を用いた破断判定値算出プロセス）により算出された破断判定値とを比較したところ、実施例により算出された破断判定値と従来の方法により算出された破断判定値とがほぼ一致した。すなわち、本発明によれば、破断判定値が未算出の鋼種についても、破断判定値算出プロセスを省略して、破断判定値を精度よく予測できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、スポット溶接部を備えた各種部材のＦＥＭ解析時に用いられるスポット溶接部の破断判定値を、精度良く予測することができる。これにより、ＦＥＭ解析の際、個別に破断判定値算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判定値は、例えば、自動車衝突性能試験におけるＦＥＭ解析の際に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有限要素法解析（Finite Element Method解析、以下「ＦＥＭ解析」という場合がある。）を用いたスポット溶接部の破断判定値の予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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はＦＥＭ解析が多用されているが、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、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】
特許文献１、非特許文献１には、ＦＥＭ解析により、スポット溶接部の母材及び／又は熱影響部（Heat Affected Zone、以下、「ＨＡＺ」という場合がある。）の破断判定値である破断ひずみを計算し、要素サイズを定めた要素サイズパラメータと破断ひずみとの関係を求め、この関係により所定の要素サイズパラメータの値から母材及び／又はＨＡＺの破断ひずみを求める方法が開示されている。かかる技術によれば、解析モデルの形状及び／又はスポット溶接部のナゲット径、解析モデルの要素サイズに関係なく、要素のひずみに関する破断の判定基準を得ることができ、部材のスポット溶接部破断予測を精度良く行うことができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０７３２２号公報
【０００５】
【非特許文献１】上田ら、自動車技術会論文集、Vol. 41、No. 2、(2010)、817-822
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、非特許文献１に記載の技術では、鋼種により破断ひずみが異なる場合があり、鋼種毎にスポット溶接継手の引張試験結果とＦＥＭ解析結果から破断ひずみを求めている（以下、この処理を「破断判定値算出プロセス」という場合がある。）。したがって、破断ひずみが未算出である鋼種からなる部材を対象に破断予測ＦＥＭ解析を行う場合、当該鋼種について、事前に破断判定値算出プロセスが必要となる。破断判定値算出プロセスの増加は、作業時間と人的労力を要し問題であった。
【０００７】
そこで本発明は、破断ひずみ等の破断判定値が未算出である鋼種からなる部材について、破断判定値算出プロセスを行わずに破断判定値を精度良く予測することが可能な、スポット溶接部の破断判定値の予測方法、予測システム、及び当該破断判定値の予測方法や予測システムを用いてＦＥＭ解析を行い、解析結果に基づいてスポット溶接部を備えた部材を製造する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】
【０００８】
本発明者が鋭意研究したところ、代表的な母材強度クラスの鋼種を対象に、あらかじめ、破断判定値を複数算出して破断判定値基準データとし、且つ、これらを各鋼種の機械的特性及び／又は化学成分から算出したパラメータで整理することにより、破断判定値基準データと各鋼種の機械的特性及び／又は化学成分との関係が、対数曲線や直線等のマスターカーブで近似できることを知見した。これにより、破断判定値が未算出である鋼種であっても、当該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分が分かっていれば、マスターカーブを用いて容易に破断判定値を予測することができる。
【０００９】
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、
本発明の第１の態様は、有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測方法であって、あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、当該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程と、マスターカーブ決定工程により決定された近似マスターカーブと、材質パラメータ算出工程により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程とを備える、破断判定値の予測方法である。
【００１０】
本発明において、「破断判定値」とは、従来においてはスポット溶接継手の引張試験やＦＥＭ解析により算出されていた値をいい、例えば、スポット溶接部における母材部分の相当塑性ひずみ、ＨＡＺ部分の相当塑性ひずみ、ＨＡＺ部分の最大主応力等を挙げることができる。「あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種」とは、例えば、スポット溶接継手の引張試験やＦＥＭ解析によって破断判定値が既知である複数の鋼種を意味する。「近似マスターカーブ」とは、破断判定値と材質パラメータとの関係を示す近似曲線を意味する。尚、本発明において「近似マスターカーブ」は直線（一次関数）で示されるものであってもよい。「材質パラメータ」とは、破断判定値と相関関係のある、鋼種の機械的特性や鋼種に含まれる化学成分により設定されたパラメータをいい、詳しくは後述する。尚、本発明において、「機械的特性」とは、外力に対してどの程度の耐久性を持つか等といった諸性質を数値化したもので、例えば、引張強さＴＳ、破断伸びＥｌ、硬度等を挙げることができる。また、「化学成分」とは、鋼種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。
【００１１】
本発明の第１の態様において、母材部分の破断判定値の予測に用いられる材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、ＨＡＺ部分の破断判定値の予測に用いられる材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、ナゲット部分の破断判定値の予測に用いられる材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定・算出されるものであることが好ましい。これにより、より高精度にスポット溶接部の破断判定値を予測することが可能となる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測システムであって、複数の鋼種の破断判定値を蓄積したデータベースと、データベースから選択された複数の破断判定値を、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定手段と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出手段と、マスターカーブ決定手段により決定された近似マスターカーブと、材質パラメータ算出手段により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、当該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出手段とを備える、破断判定値の予測システムである。
【００１３】
本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様に係る破断判定値の予測方法により予測された破断判定値を用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて部材のスポット溶接部の大きさ及び／又は打点間隔を決定し、該決定された大きさ及び／又は打点間隔にしたがって部材をスポット溶接する工程を備える、スポット溶接部を備えた部材の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、破断判定値と鋼種の材質パラメータとの関係を、近似マスターカーブとして数式化する。これにより、破断判定値が未算出である鋼種の破断判定値を算出・予測する場合であっても、鋼種の材質パラメータを特定すれば近似マスターカーブを用いて破断判定値を容易に算出・予測することができる。すなわち、本発明によれば、破断ひずみが未算出である鋼種からなる部材に対しても、破断判定値算出プロセスを行わずに破断判定値を精度良く予測することが可能な、スポット溶接部の破断判定値の予測方法、予測システム、及び当該破断判定値の予測方法や予測システムを用いて、スポット溶接部を備えた部材を製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る破断判定値の予測方法の一例を示す図である。
【図２】母材の破断ひずみと破断伸びＥｌとの関係を示す図である。
【図３】ＨＡＺの破断ひずみと破断伸びＥｌとの関係を示す図である。
【図４】ＨＡＺの破断応力と引張強さＴＳとの関係を示す図である。
【図５】母材の破断ひずみと材質パラメータParamEbとの関係を示す図である。
【図６】ＨＡＺの破断ひずみと材質パラメータParamEhとの関係を示す図である。
【図７】ＨＡＺの破断応力と材質パラメータParamShとの関係を示す図である。
【図８】自動車部材の衝突性能評価のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断判定値の予測方法を適用した例を説明するための図である。
【図９】ハット型部材３点曲げＦＥＭ解析のスポット溶接部破断の過程を示す図である。
【図１０】ハット型部材３点曲げの実験結果とＦＥＭ解析結果との比較を示す図である。
【図１１】本発明に係る破断判定値の予測システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．本発明完成までの経緯
上記非特許文献１によれば、スポット溶接部の破断形態が、母材部分とＨＡＺでの延性破壊とナゲット内での延性に乏しい破壊とに分類でき、母材破断とＨＡＺ破断とでは相当塑性ひずみ、ナゲット内破断では最大主応力を破断判定値に用いることが適しているといえる。以下、相当塑性ひずみの破断判定値を破断ひずみ、最大主応力の破断判定値を破断応力という。
【００１７】
鉄鋼材料の機械的特性の一つである破断伸びＥｌは、引張試験後の永久伸びを原標点距離に対して百分率で表した値である。これは材料が一様に変形した場合の限界ひずみである。本発明者は、当該破断伸びＥｌと、母材破断及びＨＡＺ破断の判定値として用いられる破断ひずみとの間に少なからず相関性があるのではと考え、鋼種の破断伸びＥｌと破断ひずみとの関係をまとめた。しかしながら、鋼種の破断伸びＥｌのみでは、破断ひずみとの関係において、十分な相関性が確認できない場合があり、破断ひずみとの相関性を持たせるためには、鋼種の破断伸びＥｌ以外の因子が必要と考えた。本発明者は鋭意研究の結果、鋼種の破断伸びＥｌだけでなく、そこに鋼種の化学成分を付加した材質パラメータを設定することで、当該材質パラメータと破断ひずみとの関係が対数曲線などのマスターカーブで近似することができることを知見した。
【００１８】
また、鉄鋼材料の機械的特性の一つである引張強さＴＳは、引張試験において材料が耐え得る最大の引張応力である。上記非特許文献１では、ナゲット内破断の判定値にＨＡＺの最大主応力を用いており、鋼種の引張強さＴＳとナゲット内破断応力との間に直接的な相関関係があると考えられた。本発明者は、ＨＡＺの引張強さＴＳに相当する材質パラメータを設定したところ、当該材質パラメータとナゲット内破断応力との関係が対数曲線などのマスターカーブで近似することができることを知見した。
【００１９】
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、母材破断及びＨＡＺ破断に係る破断判定値については、材質パラメータとして鋼種の機械的特性及び化学成分を用いることで、当該材質パラメータと破断判定値との関係を近似マスターカーブで表すことができ、当該近似マスターカーブを用いることにより、破断判定値が未算出の鋼種に対しても、当該鋼種の機械的特性及び化学成分を特定するだけで、当該鋼種の母材破断及びＨＡＺ破断に係る破断判定値を適切に算出・予測することができる。また、ナゲット内破断に係る破断判定値については、材質パラメータとして鋼種の機械的特性及び／又は化学成分を用いることで、当該材質パラメータと破断判定値との関係を近似マスターカーブで表すことができ、当該近似マスターカーブを用いることにより、破断判定値が未算出の鋼種に対しても、当該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分を特定するだけで、当該鋼種のナゲット内破断に係る破断判定値を適切に算出・予測することができる。
【００２０】
以下、実施形態に係る本発明について詳述する。
【００２１】
２．スポット溶接部の破断判定値の予測方法
第１実施形態に係る本発明の破断判定値の予測方法Ｓ１０（以下、単に「予測方法Ｓ１０」という。）を図１に示す。図１に示すように、予測方法Ｓ１０は、あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程Ｓ１と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程Ｓ２と、マスターカーブ決定工程Ｓ１により決定された近似マスターカーブ、及び、材質パラメータ算出工程Ｓ２により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータを用いて、当該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程Ｓ３とを備えている。
【００２２】
２．１．マスターカーブ決定工程Ｓ１（工程Ｓ１）
工程Ｓ１は、あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、当該破断判定値を、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する工程である。以下、工程Ｓ１の具体例として、スポット溶接継手の引張試験とＦＥＭ解析とによって破断判定値が既知である複数の鋼種として母材強度クラス４４０ＭＰａ級〜９８０ＭＰａ級の鋼板６種類を用い、近似マスターカーブを決定した例を示す。
【００２３】
図２は、母材の破断ひずみに係る破断判定値と破断伸びＥｌとの関係、図３は、ＨＡＺの破断ひずみに係る破断判定値と破断伸びＥｌとの関係、図４は、ＨＡＺの破断応力に係る破断判定値と引張強さＴＳとの関係を示す図である。図２〜４のいずれの場合でも、破断判定値がばらついて分布しており、近似マスターカーブを決定することは困難と言える。
【００２４】
そこで、母材の破断ひずみに係る破断判定値の分布については、新たに設定した材質パラメータParamEbで、ＨＡＺの破断ひずみに係る破断判定値の分布については、新たに設定した材質パラメータParamEhで、ＨＡＺの破断応力に係る破断判定値の分布については、新たに設定した材質パラメータParamShで各々整理する。
【００２５】
ParamEb、ParamEh、ParamShは、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータであり、それぞれ、下記式（１）〜（３）（又は（３’））を用いて算出することができる。
【００２６】
ParamEb ＝ Ｅｌ＋ａｌ×Ｃａ２ … （１）
ParamEh ＝ Ｅｌ＋ｂ１×Ｃｂ２＋ｂ３×Ｍｎｂ４ … （２）
ParamSh ＝ ｃ１×ＴＳＢＭ＋ｃ２×ＴＳＷＭ … （３）
ParamSh ＝ ｃ１×ＴＳＢＭ＋ｃ２×３．２×（マルテンサイトの硬度） … （３’）
【００２７】
上記式（１）〜（３）において、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｃ１、ｃ２は定数であり、具体的には、ａ１＝０．１〜２００、ａ２＝−２〜−０．１、ｂ１＝０．１〜２００、ｂ２＝−２〜−０．１、ｂ３＝０．１〜２００、ｂ４＝−２〜−０．１、ｃ１＝０〜１、ｃ２＝１−ｃ１である。また、Ｃ及びＭｎは、鋼種中に含まれる炭素成分量（質量％）及びマンガン成分量（質量％）である。ＴＳＢＭは母材の引張強さ、ＴＳＷＭはナゲット部の引張強さである。ＴＳＷＭは、例えば、「M. VICTOR Liら、METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACYIONS B、Vol. 29B、(1998)、661-672」に記載されている予測式を用いて求めたマルテンサイトの硬度Ｈｖに３．２を乗じて求めることができる（式（３’））。また、測定により求めた溶接金属(マルテンサイト)の硬度Ｈｖに３．２を乗じて求めてもよい（式（３’））。ここで、ParamEbとＣとは負の相関、ParamEhとＣ、Ｍｎとは負の相関となるよう、定数ａ２、ｂ２、ｂ４は負の値とする。また、各鋼種のParamEbの分布及びParamEhの分布が直線や対数曲線等になるよう、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４を設定する。ｃ１、ｃ２はＨＡＺに及ぼす母材とナゲット部の影響度合いを表したもので、例えば、母材からＨＡＺ、ナゲット部へと亘る硬度分布から決定することができる。
【００２８】
定数ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４の導出方法としては、破断判定値の分布が対数近似等の近似曲線に沿うよう、例えば表計算ソフトウェアを用いて適宜決定することができる。一例として、式（１）において、Ｅｌ＝１０〜３０％、Ｃ＝０．１質量％前後とした場合、破断判定値の分布が線形近似曲線に沿うようａ１は１程度、ａ２は−１．５程度と決定することができる。
【００２９】
定数ｃ１、ｃ２は、式（３）、（３’）の各項の総和がＨＡＺの引張強さＴＳと同程度になるよう適宜決定することができる。この理由は、上記非特許文献１では、ナゲット内破断の判定値にＨＡＺの最大主応力を用いており、ＨＡＺの引張強さＴＳとナゲット内破断応力に直接的な相関関係があると考えたためである。一例として、式（３）において、ＨＡＺの引張強さＴＳがＴＳＢＭとＴＳＷＭの平均程度とした場合、ｃ１は０．５、ｃ２は０．５と決定することができる。また、材質によりＨＡＺの硬さが母材またはナゲットの何れかに寄り、ＨＡＺの引張強さＴＳをＴＳＢＭとＴＳＷＭの平均程度とできない場合は、母材からＨＡＺ、ナゲット部へと亘る硬度分布から線形近似で決定することができる。
【００３０】
このように、新たに材質パラメータを設定した場合、図５〜７に示すように、母材の破断ひずみに係る破断判定値（CrEb）と材質パラメータParamEbとの関係についてはマスターカーブｍ１により近似することができ、ＨＡＺの破断ひずみに係る破断判定値（CrEh）と材質パラメータParamEhとの関係についてはマスターカーブｍ２により近似することができ、ＨＡＺの破断応力に係る破断判定値（CrSh）と材質パラメータParamShとの関係についてはマスターカーブｍ３により近似することができる。近似マスターカーブは公知の表計算ソフトウェア等を用いて決定することができる。マスターカーブｍ１〜ｍ３を数式化すると、具体的には下記式（４）〜（６）となる。
ｍ１：CrEb ＝ ０．００３×ParamEb−０．００７ … （４）
ｍ２：CrEh ＝ ０．１０５２×Ｌｎ（ParamEh）−０．４１０８ … （５）
ｍ３：CrSh ＝ ７５７．６３１×Ｌｎ（ParamSh）−４３４４．９ … （６）
式（４）〜（６）から分かるように、直線や対数曲線として近似マスターカーブを決定することができる。また、マスターカーブと材質パラメータの分布との差異が大きい場合は、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４、ｃ１、ｃ２を設定しなおし、マスターカーブｍ１〜ｍ３を再度決定することが好ましい。
【００３１】
２．２．材質パラメータ算出工程Ｓ２（工程Ｓ２）
工程Ｓ２は、評価対象となる鋼種（すなわち、破断判定値が未算出である鋼種）について、その機械的特性及び／又は化学成分により材質パラメータを算出する工程である。具体的には、評価対象種の破断伸びＥｌ、引張強さＴＳ、化学成分の含有量（質量％）を特定したうえで、例えば、上記式（１）〜（３）を用いて評価対象鋼種に係る材質パラメータParamEb、ParamEh、ParamShをそれぞれ算出する。評価対象種の破断伸びＥｌ、引張強さＴＳ、化学成分の含有量（質量％）については、公知の手法により簡易に特定することができる。具体的には、公知の試験装置、分析装置等を用いて特定することができる。或いは、評価対象種に係る文献データを用いてもよい。また、鋼材の材質情報を記載したミルシートがある場合は、そのデータを用いてもよい。
【００３２】
２．３．破断判定値算出工程Ｓ３（工程Ｓ３）
工程Ｓ３は、工程Ｓ１により決定された近似マスターカーブと、工程Ｓ２により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、当該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する工程である。具体的には、例えば、工程Ｓ２により算出された材質パラメータParamEb、ParamEh、ParamShの値を、上記式（４）〜（６）にそれぞれ代入することにより、破断判定値CrEb、CrEh、CrShを算出することができる。算出された破断判定値は、それぞれ、母材部分における破断判定値の予測値、ＨＡＺ部分における破断判定値の予測値、ナゲット部分における破断判定値の予測値とすることができる。
【００３３】
以上のように、予測方法Ｓ１０においては、工程Ｓ１〜工程Ｓ３を経ることにより、破断判定値が未算出である鋼種におけるスポット溶接部について、破断判定値を精度良く予測することが可能となる。
【００３４】
図８に、自動車部材の衝突性能評価のＦＥＭ解析における、本発明の予測方法の適用例を示す。ここでは、比較のため従来例も併せて示した。（ａ）は評価対象のハット型部材である。（ｂ）に示す従来技術は、評価対象の鋼種から作成したスポット溶接継手の引張試験とＦＥＭ解析により破断判定値を算出する。引張試験では、試験片の加工作業と溶接作業が必要となり、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、１つの鋼種に対して、通常、負荷モードに係る解析作業を２水準で、溶接ナゲット径に係る解析作業を３水準で実施するため、作業時間と人的労力を要することとなる。一方、（ｃ）に示すように本発明の予測方法を用いれば、材料パラメータの算出と近似マスターカーブによる破断判定値の算出という机上作業のみで、精度よく破断判定値を予測することができる。また、本発明に係る予測方法は、単に母材の強度クラスからの予測ではなく、機械的特性及び／又は化学成分の影響をも考慮した予測方法であるため、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、高精度に破断判定値を予測できる。（ｄ）はハット型部材の３点曲げＦＥＭ解析に係るメッシュデータであり、（ｅ）はスポット溶接部分周辺の拡大図である。図８では、上側ハット１１と下側ハット１２とをスポット溶接で接合している。材料特性データと破断判定値は、母材１３、ＨＡＺ１４、ナゲット１５にそれぞれ設定する。（ｆ）は３点曲げＦＥＭ解析の結果である。（ｆ）に示すように、ＦＥＭ解析において、スポット溶接部の破断を考慮した部材評価が可能である。これにより、所望の性能を発揮させるためのスポット溶接部のナゲット径や打点間隔を適切に決定することができる。
【００３５】
図９に、図８（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）で示したハット型部材３点曲げＦＥＭ解析のスポット溶接部破断の過程を示す。（ｇ）は初期状態で、符号２１はスポット溶接部である。（ｈ）はインパクタが圧下し部材に荷重がかかりスポット溶接部近傍が変形している状態である。（ｉ）は溶接部近傍要素の相当塑性ひずみ及び／又は最大主応力が破断判定値に到達して、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。
【００３６】
図１０はハット型部材３点曲げの実験結果とＦＥＭ解析結果で、荷重の履歴を比較している。ＦＥＭ解析結果は、破断なしの従来手法と本発明による破断考慮手法でも比較している。破断なしの従来手法は最大荷重を実験結果より大きく見積ってしまうが、本発明による破断考慮手法は最大荷重が実験結果と概ね一致している。
【００３７】
３．スポット溶接部の破断判定値の予測システム
第２実施形態に係る本発明の破断判定値の予測システム１０（以下、単に「予測システム１０」という。）を図１１に示す。図１１に示すように、予測システム１０は、複数の鋼種の破断判定値を蓄積したデータベース１と、データベース１から選択された複数の破断判定値を、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定手段２と、評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、該評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出手段３と、マスターカーブ決定手段２により決定された近似マスターカーブと、材質パラメータ算出手段３により算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出手段４とを備えている。
【００３８】
データベース１は、複数の鋼種について過去の破断判定値の算出データが記録されているものであれば、その形態は特に限定されるものではない。ここで、破断判定値は鋼種の機械的特性及び／又は化学成分毎に整理して記録しておくとよい。
【００３９】
マスターカーブ決定手段２は、上記マスターカーブ決定工程Ｓ１を実行可能な手段であればよく、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を用いることができる。マスターカーブ決定手段２においては、データベース１に記録された破断判定値のうちの複数が、対応する材質パラメータとともに入力され、表計算ソフトウェアによって破断判定値と材質パラメータとの関係が近似マスターカーブとして決定される。具体的な計算内容については上記した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００４０】
材質パラメータ算出手段３は、上記材質パラメータ算出工程Ｓ２を実行可能な手段であればよく、マスターカーブ決定手段２と同様、公知の演算装置を用いることができる。材質パラメータ算出手段３においては、評価対象の鋼種の機械的特性及び／又は化学成分が入力されることで、当該評価対象の鋼種に係る材質パラメータの値が算出される。具体的な計算内容については上記した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００４１】
破断判定値算出手段４は、上記破断判定値算出工程Ｓ３を実行可能な手段であればよく、マスターカーブ決定手段２や材質パラメータ算出手段３と同様、公知の演算装置を用いることができる。破断判定値算出手段４においては、算出された材質パラメータ値が、近似マスターカーブに係る関数の材質パラメータ値として代入されることにより、破断判定値が算出される。具体的な計算内容については上記した通りであり、ここでは説明を省略する。
【００４２】
尚、本発明では、マスターカーブ決定手段２、材質パラメータ算出手段３、及び破断判定値算出手段４を別個とする必要はなく、すなわち、一の演算装置を当該手段２、３及び４として機能させてもよい。
【００４３】
以上のように、予測システム１０においては、データベース１、マスターカーブ決定手段２、材質パラメータ算出手段３、及び破断判定値算出手段４を機能させて上記工程Ｓ１〜Ｓ３を実行することにより、破断判定値が未算出である鋼種におけるスポット溶接部について、破断判定値を精度良く予測することができる。
【００４４】
４．スポット溶接部を備えた部材の製造方法
第３実施形態に係る本発明は、上記第１実施形態に係る本発明の破断判定値の予測方法により予測された破断判定値を用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて部材のスポット溶接部の大きさ及び／又は打点間隔を決定し、該決定された大きさ及び／又は打点間隔にしたがって部材をスポット溶接する工程を備える、スポット溶接部を備えた部材の製造方法である。当該製造方法によれば、溶接ナゲット径や打点位置を適切なものとすることができる。本発明に係る製造方法により製造された部材は、例えば、自動車の構造部材として用いることができ、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可能である。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例により、本発明に係る破断判定値の予測方法について、より詳しく説明する。
【００４６】
マスターカーブ決定工程Ｓ１は、上記に説明した通りのものとし、近似マスターカーブとしてｍ１〜ｍ３を得た。
【００４７】
評価対象となる鋼種の材質パラメータの算出にあたり、当該鋼種の機械的特性及び化学成分を特定した。具体的には下記の通りである。
破断伸びＥｌ：３０％
引張強さＴＳ：６２７ＭＰａ
溶接金属部の硬さＨｖ：３８０
炭素成分量Ｃ：０．０７質量％
マンガン成分量Ｍｎ：２．４４質量％
【００４８】
材質パラメータ算出工程Ｓ２は、上記特定した評価対象種の機械的特性及び化学成分を、上記式（１）〜（３）に代入することにより行った。算出された材質パラメータは、ParamEb＝８６．４、ParamEh＝１４２．５、ParamSh＝９２２であった。
【００４９】
破断判定値算出工程Ｓ３は、算出された評価対象となる鋼種の材質パラメータを、上記式（４）〜（６）に代入することにより行った。算出された破断判定値は、CrEb＝０．２５、CrEh＝０．１１、CrSh＝８２７となった。
また、従来の方法により算出された破断判定値は、CrEb＝０．２６、CrEh＝０．１０、CrSh＝８００となった。
【００５０】
実施例により算出された破断判定値と、従来の方法（スポット溶接継手の引張試験やＦＥＭ解析を用いた破断判定値算出プロセス）により算出された破断判定値とを比較したところ、実施例により算出された破断判定値と従来の方法により算出された破断判定値とがほぼ一致した。すなわち、本発明によれば、破断判定値が未算出の鋼種についても、破断判定値算出プロセスを省略して、破断判定値を精度よく予測できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、スポット溶接部を備えた各種部材のＦＥＭ解析時に用いられるスポット溶接部の破断判定値を、精度良く予測することができる。これにより、ＦＥＭ解析の際、個別に破断判定値算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判定値は、例えば、自動車衝突性能試験におけるＦＥＭ解析の際に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測方法であって、
あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、該破断判定値を、該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程と、
評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、該評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程と、
前記マスターカーブ決定工程により決定された前記近似マスターカーブと前記材質パラメータ算出工程により算出された前記評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程と、
を備える、破断判定値の予測方法。
【請求項２】
母材部分の破断判定値の予測に用いられる前記材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、
ＨＡＺ部分の破断判定値の予測に用いられる前記材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、
ナゲット部分の破断判定値の予測に用いられる前記材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定・算出されるものである、
請求項１に記載の破断判定値の予測方法。
【請求項３】
有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測システムであって、
複数の鋼種の破断判定値を蓄積したデータベースと、
前記データベースから選択された複数の前記破断判定値を、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定手段と、
評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、該評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出手段と、
前記マスターカーブ決定手段により決定された前記近似マスターカーブと前記材質パラメータ算出手段により算出された前記評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出手段と、
を備える、破断判定値の予測システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の破断判定値の予測方法により予測された破断判定値を用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて部材のスポット溶接部の大きさ及び／又は打点間隔を決定し、該決定された大きさ及び／又は打点間隔にしたがって部材をスポット溶接する工程を備える、スポット溶接部を備えた部材の製造方法。
【請求項１】
有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測方法であって、
あらかじめ破断判定値が算出された複数の鋼種について、該破断判定値を、該鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定工程と、
評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、該評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出工程と、
前記マスターカーブ決定工程により決定された前記近似マスターカーブと前記材質パラメータ算出工程により算出された前記評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出工程と、
を備える、破断判定値の予測方法。
【請求項２】
母材部分の破断判定値の予測に用いられる前記材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、
ＨＡＺ部分の破断判定値の予測に用いられる前記材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び化学成分により特定・算出されるものであり、
ナゲット部分の破断判定値の予測に用いられる前記材質パラメータが、鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により特定・算出されるものである、
請求項１に記載の破断判定値の予測方法。
【請求項３】
有限要素法解析によりスポット溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断判定値の予測システムであって、
複数の鋼種の破断判定値を蓄積したデータベースと、
前記データベースから選択された複数の前記破断判定値を、機械的特性及び／又は化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断判定値の分布から破断判定値の近似マスターカーブを決定する、マスターカーブ決定手段と、
評価対象となる鋼種の機械的特性及び／又は化学成分により、該評価対象となる鋼種の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出手段と、
前記マスターカーブ決定手段により決定された前記近似マスターカーブと前記材質パラメータ算出手段により算出された前記評価対象となる鋼種の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる鋼種の破断判定値を算出する、破断判定値算出手段と、
を備える、破断判定値の予測システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の破断判定値の予測方法により予測された破断判定値を用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて部材のスポット溶接部の大きさ及び／又は打点間隔を決定し、該決定された大きさ及び／又は打点間隔にしたがって部材をスポット溶接する工程を備える、スポット溶接部を備えた部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１３２９０２（Ｐ２０１２−１３２９０２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５９０６０（Ｐ２０１１−２５９０６０）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]