JP2002316267A - 衝突安全性に優れたスポット溶接方法 - Google Patents
衝突安全性に優れたスポット溶接方法Info
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Abstract
接間隔を、部材の試作によらず、溶接部自体にかかる荷
重と溶接部強度から求めることにより、部材の衝撃時の
溶接部破断を防ぎ衝撃エネルギーの吸収を向上させる。 【解決手段】 まず、金属板の板厚、母材引張り強さ、
及びスポット溶接間隔を変数にして、部材の有限要素法
解析を行い、衝撃時のスポット溶接部にかかる外部荷重
の算定式を決め、金属板の板厚、母材強度をパラメータ
にして、onebar方式高速引張試験と呼ばれる特殊な動的
試験により、溶接部の剥離強度を求める算定式が決ま
る。この2つの算定式からスポット溶接部にかかる外部
荷重が溶接部の剥離強度を下回るように、2枚の金属板
を重ねて溶接するスポット溶接間隔を求める。
Description
材に用いられるスポット溶接方法に関し、詳しくは衝突
時に部材のスポット溶接部が破断するのを防止するのに
最適な溶接方法に関する。
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。
を安定化させるためにはスポット溶接間隔を最適化しな
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。従来からこの問題の解決のため、解
説論文No.9705JSAE SYMPOSIUM「新しい車体構造成形技
術」などにあるように、スポット溶接間隔をいろいろと
変えた部材を試作し、座屈試験をして溶接点で破断せず
安定して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し試験を行
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、
特開平6−182561号公報には、フロアパネルで荷
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方法を見つけるた
めには試作による試行錯誤が行われていた。
ギー吸収部材の最適なスポット溶接間隔を、部材の試作
によらず、部材の衝撃時の溶接部破断を防ぎ衝撃エネル
ギーの吸収を向上させる溶接方法を提供することを目的
とする。
め、本発明にかかる2枚の金属板を重ねて溶接するスポ
ット溶接方法は、以下の通りである。 (1)まず、金属板の板厚t[mm]、板厚と部材断面の
周長の比t/D[−]、母材引張り強さTS[MPa]、
及びスポット溶接間隔P[mm]をパラメータ(変数)に
して、スポット溶接後の部材をメッシュモデル化するこ
とにより、有限要素法解析を行い、実験では求まらない
衝撃時のスポット溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]を
求める。重回帰分析によって式(1)のようにスポット
溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]を求めることが好ま
しい。 f1 =0.00669t0.0242(t/D)0.00103 TS0.593 P0.469 (1) (2)次に、溶接部自体の強度も静的な試験では求まら
ず動的な試験により決まるため、金属板の板厚t[m
m]、母材引張り強さTS[MPa]及び溶接ナゲット径r
[mm]をパラメータにして、onebar方式高速引張試験と
呼ばれる特殊な動的試験により、溶接部の剥離強度f2
[kN]が求まる。重回帰分析により式(2)のようにス
ポット溶接部自体の衝撃時の剥離強度f2 [kN]を求め
ることが好ましい。 f2 =0.0748t1.15TS0.195 r1.12 (2) (3)この式(1)、式(2)からf1 <f2 となるよ
うにして、スポット溶接部にかかる外部荷重f1 が溶接
部の剥離強度f2 を下回るように、スポット溶接間隔を
求めることにより溶接条件を決める。また、溶接ナゲッ
ト径r[mm]が、板厚t[mm]としてJISZ3140
のA級に相当するr=5√tとし、r=3〜7mmである
ことを特徴とする衝突安全性に優れたスポット溶接法で
ある。
上記(1)、(2)により、衝撃エネルギーの吸収部材
のスポット溶接方法の設計時に、母材引張り強さTS、
板厚t等を決めれば、式(1)と式(2)から、衝撃時
に溶接部の破断を防ぐための部材の金属板をつなぐ必要
最低限のスポット溶接の間隔Pを簡単に求めることがで
きる。式(1)と式(2)から溶接条件を求める時の各
パラメータ(変数)の影響は、板厚t=1.1mm、ナゲ
ット径r=5.2mm、板厚/周長比t/D=0.02と
してスポット溶接間隔Pと母材引張り強さTSで見ると
図1にようになり、分かりやすい。縦軸(溶接部外部荷
重f1 )−(溶接部剥離強度f2 )が0以下になる領域
が最適溶接条件であり、母材強度300MPaならば35m
m間隔で良いが、950MPaになると15mm間隔以下にな
る。実際には、上記の変数でも変わるので溶接条件を経
験的に予測することは困難だが、この算定式を用いるこ
とで簡単に溶接条件を求めることができる。
明する。図2は、自動車のメンバー部材を模したハット
型断面の部材である。断面形状は図2で均一で長手方向
(紙面に直角方向)に300mmとし、ハット型部材1と
側板2で構成される。部材の鋼板の厚さtは0.8mm、
引張り強さTSは300MPa、ナゲット径r=4.5m
m、また板厚/周長比(t/D)は図2からt/D=
0.018となる。これらの変数の決定から(1)式に
よりスポット溶接部にかかる外部荷重f1 が次式のよう
に溶接間隔で求まる。 f1 =0.195P0.469 また、(2)式に従って、溶接部剥離強度f2 =0.9
4[kN]と決まる。
外部荷重f1 はスポット溶接間隔のみで決まることにな
り、図3のように整理することができる。すなわち、f
1 <f2 となるスポット溶接条件から、スポット溶接間
隔は30mm未満と決定することができる。図4は、上記
の本発明例によるスポット溶接方法に基づき、最適な溶
接条件となる25mm間隔溶接と溶接部破断となる75mm
間隔溶接での、部材の座屈形態の有限要素法シミュレー
ション結果の比較である。側面図から分かるように、確
かに25mm間隔溶接の部材は溶接部破断を起こさず、周
期的にきれいに座屈しているのに対し、75mm間隔溶接
の部材は溶接部破断を起こし、側板が剥がれて座屈変形
に寄与しておらず、座屈形態も不規則になってしまって
いる。部材の衝突安全性は、座屈変形による吸収エネル
ギーで評価され、上記の図4の25mmと75mm間隔溶接
に加えて50mm間隔溶接の吸収エネルギーの比較を行う
と図5のようになる。座屈変形量である軸圧潰長が5
0、100、150mmのどの段階でも、本発明例による
スポット溶接条件25mm間隔の部材の吸収エネルギー特
性が優れており、75mm間隔溶接の部材と比較しておよ
そ8%の特性向上となる。
だけでなく、あらゆる多角形断面、フランジ付きの部材
で本発明によるスポット溶接間隔の決定方法が適用でき
ることは言うまでもない。
件を求めることにより、従来行われていた部材設計時に
衝突安全性を確保するため溶接条件を変えた試作部材に
よる試行錯誤を省略することができ、試作のためのコス
トを大幅に軽減するだけでなく、設計にかかる時間も短
縮することができる。また、実部材のスポット溶接を衝
突安全性を満たす最低限の間隔にできるので、製造時の
溶接コスト削減を行うことができる。
ト溶接間隔判定を説明する図である。
る。
mm軸圧潰変形時)を示す図である。
す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 2枚の金属板を重ねて溶接するスポット
溶接方法において、(1)金属板の板厚t[mm]、板厚
と部材断面の周長の比t/D[−]、母材引張り強さT
S[MPa]、及びスポット溶接間隔P[mm]をパラメー
タにして、 スポット溶接後の部材をメッシュモデル化することによ
り、有限要素法解析を行い、スポット溶接部にかかる外
部荷重f1 [kN]を求め、(2)金属板の板厚t[m
m]、母材引張り強さTS[MPa]及び溶接ナゲット径r
[mm]をパラメータにして、動的試験により、溶接部の
剥離強度f2 [kN]を求め、(3)スポット溶接部にか
かる外部荷重f1 [kN]が溶接部の剥離強度f2 [kN]
を下回るように、スポット溶接間隔を求める、ことを特
徴とする衝突安全性に優れたスポット溶接方法。 - 【請求項2】 溶接ナゲット径r[mm]が、板厚t[m
m]としてJISZ3140のA級に相当するr=5√
tとし、r=3〜7mmであることを特徴とする請求項1
記載の衝突安全性に優れたスポット溶接法。 - 【請求項3】 下記(1)式によりスポット溶接部にか
かる外部荷重f1 [kN]を求め、 f1 =0.00669t0.0242(t/D)0.00103 TS0.593 P0.469 (1) 下記(2)式により溶接部の剥離強度f2 [kN]を求め
ることを特徴とする請求項1または2記載の衝突安全性
に優れたスポット溶接方法。 f2 =0.0748t1.15TS0.195 r1.12 (2)
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