JP2021009453A - Method, program, and device for predicting breakage in welded joint by spot welding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スポット溶接による溶接継手の破断予測に関し、詳しくは、有限要素法（以下、「ＦＥＭ」と記載することがある。）解析で行うスポット溶接による溶接継手の破断予測に関する。 The present invention relates to a fracture prediction of a welded joint by spot welding, and more particularly to a fracture prediction of a welded joint by spot welding performed by a finite element method (hereinafter, may be referred to as “FEM”) analysis.
抵抗スポット溶接（以下、「スポット溶接」と記載することがある。）は、例えば自動車組立工程に代表される鋼板の接合方法として広く用いられている。
スポット溶接で接合して組み立てた部材では、例えば衝突エネルギ吸収部材では、溶接ナゲット径や溶接位置（打点位置）が適切でない場合、当該組み立てた部材の衝突変形中に溶接部が破断し、本来吸収すべきエネルギを吸収しきれなくなることがあり、性能評価が重要である。
Resistance spot welding (hereinafter, may be referred to as “spot welding”) is widely used as a method for joining steel sheets represented by, for example, an automobile assembly process.
In a member assembled by joining by spot welding, for example, in a collision energy absorbing member, if the welding nugget diameter and the welding position (striking point position) are not appropriate, the welded portion breaks during the collision deformation of the assembled member and is originally absorbed. Performance evaluation is important because it may not be able to absorb the energy that should be absorbed.
従来、部材の衝突エネルギ吸収性能の評価にはＦＥＭ解析が多用されているが、より精度の高い評価が求められている。解析精度の向上のためには溶接部の破断の態様を予測することが重要であり、これに基づいて破断の発生を防ぐための溶接条件を得ることが求められている。 Conventionally, FEM analysis is often used to evaluate the collision energy absorption performance of a member, but more accurate evaluation is required. In order to improve the analysis accuracy, it is important to predict the mode of fracture of the welded portion, and based on this, it is required to obtain welding conditions for preventing the occurrence of fracture.
非特許文献１には、自動車用鋼板を対象にしたスポット溶接部の破断予測方法に関する技術が開示されている。これによれば、溶接部への負荷モードが異なる任意の板組に対して精度良く継手強度と破断形態を予測することが可能と考えられる。
しかしながら、この技術では実験による溶接部の断面から溶接ナゲット（溶接部）及び熱影響部（以下、「ＨＡＺ」と記載することがある。）の形状をモデル化し、破断基準も実験で求めたデータを設定するため、多くの手介入作業を必要とする。また、溶接ナゲットやＨＡＺの領域内は均一の破断基準としており、遷移層を考慮していないため、組織境界で破断基準が急激に変化することになり、これは実態とは異なる。
Non-Patent Document 1 discloses a technique relating to a method for predicting fracture of a spot welded portion for a steel sheet for automobiles. According to this, it is considered possible to accurately predict the joint strength and the fracture morphology for any plate assembly having a different load mode on the welded portion.
However, in this technique, the shapes of the weld nugget (welded zone) and heat-affected zone (hereinafter, may be referred to as "HAZ") are modeled from the cross section of the welded portion by the experiment, and the breaking standard is also the data obtained by the experiment. Requires a lot of manual intervention work to set up. In addition, since the weld nugget and the HAZ region have a uniform fracture standard and the transition layer is not taken into consideration, the fracture standard changes abruptly at the microstructure boundary, which is different from the actual situation.
特許文献１には、事前に導出した複数の破断基準から材料の化学成分をパラメータにした近似式により、評価対象材の破断基準を推定する方法が開示されている。
しかしながらここでは溶接部の形状の推定方法については述べられていない。また、溶接ナゲットやＨＡＺの領域内は均一の破断基準としているため、遷移層を考慮していない。
Patent Document 1 discloses a method of estimating a fracture standard of a material to be evaluated by an approximate expression using a chemical component of a material as a parameter from a plurality of fracture criteria derived in advance.
However, the method of estimating the shape of the welded portion is not described here. Further, since the inside of the weld nugget and the HAZ region is set as a uniform fracture standard, the transition layer is not considered.
非特許文献２には、スポット溶接熱伝導解析による温度分布から応力ひずみ曲線を割り当てる方法が述べられている。
しかしながらこの方法では、冷却速度の影響により生成されるマルテンサイト組織の分布については考慮されておらず、破断基準も述べられていない。
Non-Patent Document 2 describes a method of assigning a stress-strain curve from a temperature distribution by spot welding heat conduction analysis.
However, this method does not consider the distribution of the martensite structure produced by the influence of the cooling rate, and does not state the fracture criteria.
特許文献２には、有限要素法を用いてスポット溶接部の破断判定をする方法が述べられている。
しかしながらこの方法では、溶接部形状の推定方法については述べられていない。また、破断基準は溶接後マルテンサイト分布のような組織分布に対応していない。
Patent Document 2 describes a method for determining breakage of a spot welded portion by using a finite element method.
However, this method does not describe a method for estimating the shape of the welded portion. In addition, the fracture criteria do not correspond to the microstructure distribution such as the post-weld martensite distribution.
特許文献３には、有限要素法を用いて抵抗スポット溶接をシミュレーションして溶接後の硬さを予測する方法が述べられている。
しなしながらこの方法では、溶接継手に引張負荷を付与した場合の継手強度と破断形態は予測できない。
Patent Document 3 describes a method of predicting the hardness after welding by simulating resistance spot welding using the finite element method.
However, with this method, the joint strength and fracture morphology when a tensile load is applied to the welded joint cannot be predicted.
本発明は、スポット溶接における破断予測の精度を高めることができるスポット溶接による溶接継手の破断予測方法を提供する。また、そのためのスポット溶接による溶接継手の破断予測プログラム、及び、スポット溶接による溶接継手の破断予測装置を提供する。 The present invention provides a method for predicting fracture of a welded joint by spot welding, which can improve the accuracy of predicting fracture in spot welding. Further, the present invention provides a welded joint breakage prediction program by spot welding and a welded joint breakage prediction device by spot welding.
発明者らは、溶接部サンプルの断面写真と組織分析によるマルテンサイト分布から実態に対応した解析モデルを作成できれば、電極圧痕等の形状の影響を考慮し、また、組織境界での物性値の急峻な変化を抑制して破断予測精度の向上が図れると考えた。そしてそのためにスポット溶接プロセスの数値解析シミュレーション結果を反映したスポット溶接継手の破断予測シミュレーションの解析モデルを構築すれば、電極による圧痕、溶接ナゲットとＨＡＺの形状、溶接ナゲットとＨＡＺ間の遷移層の材料特性値と破断基準を適正に設定できるとの着想を得、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。 If the inventors can create an analysis model corresponding to the actual situation from the cross-sectional photograph of the welded part sample and the martensite distribution by microstructure analysis, the influence of the shape such as electrode indentation can be considered, and the physical property value at the microstructure boundary is steep. We thought that it would be possible to improve the accuracy of fracture prediction by suppressing such changes. For that purpose, if an analysis model of the spot welding joint breakage prediction simulation that reflects the numerical analysis simulation result of the spot welding process is constructed, the indentation by the electrode, the shape of the welding nugget and HAZ, and the material of the transition layer between the welding nugget and HAZ are constructed. Based on the idea that the characteristic value and the breaking standard can be set appropriately, the present invention was completed by embodying this. The present invention will be described below.
本発明の１つの態様は、数値解析を用いてスポット溶接による溶接継手の破断を予測する方法であって、溶接部の形状及び溶接部における組織分布を得る演算をし、得られた演算による形状及び組織分布を含んだ溶接継手の形状のデータによるモデルを作成し、モデルを用いて応力解析をする、溶接継手の破断予測方法である。 One aspect of the present invention is a method of predicting fracture of a welded joint by spot welding using numerical analysis, in which an calculation is performed to obtain the shape of the welded portion and the structure distribution in the welded portion, and the shape obtained by the calculated calculation. This is a method for predicting fracture of a welded joint by creating a model based on data on the shape of the welded joint including the structure distribution and performing stress analysis using the model.
本発明の他の態様は、スポット溶接による溶接継手の破断を予測するプログラムであって、溶接部の形状及び溶接部における組織分布を得る演算をするステップ、得られた演算による形状及び組織分布を含んだ溶接継手の形状のデータによるモデルを形成するステップ、及び、モデルを用いて応力解析をするステップ、を含む溶接継手の破断予測プログラムである。 Another aspect of the present invention is a program for predicting fracture of a welded joint by spot welding, in which a step of calculating the shape of a welded portion and a structure distribution in the welded portion is performed, and the shape and structure distribution obtained by the obtained calculation are obtained. It is a fracture prediction program of a welded joint including a step of forming a model based on data on the shape of the included welded joint and a step of performing stress analysis using the model.
本発明の他の態様は、スポット溶接による溶接継手の破断を予測する装置であって、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、溶接部の形状及び溶接部における組織分布を得る演算、得られた演算による形状及び組織分布を含んだ溶接継手の形状のデータによるモデルを作成する演算、及び、モデルを用いて応力解析をする演算を行う、溶接継手の破断予測装置である。 Another aspect of the present invention is an apparatus for predicting breakage of a welded joint due to spot welding, which is a storage means in which a program is stored, a calculation means for performing a calculation based on the program, and a result calculated by the calculation means. The calculation means is provided with a display means for displaying the above, and the calculation means creates a model based on the calculation for obtaining the shape of the welded portion and the structure distribution in the welded portion, and the data of the shape of the welded joint including the shape and the structure distribution by the obtained calculation. It is a breakage prediction device for welded joints that performs calculations to be performed and calculations to perform stress analysis using a model.
本発明によれば、スポット溶接による溶接継手の破断予測の精度を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of predicting fracture of a welded joint by spot welding.
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２つの鋼板２及び鋼板３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。この溶融部が固まって溶接部（接合部）となり両鋼板を接合している。
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、このようなスポット溶接による接合部を有する部材について、数値解析によるシミュレーションを用いて破断を予測することに関する。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a scene of spot welding and a welded portion during spot welding. Here, a scene in which two steel plates 2 and 3 are overlapped and spot welded by being sandwiched by two electrodes 1 from one side and the other side is shown. Here, the portion shown by A in FIG. 1 is a molten portion (melted nugget). This fused portion is solidified to form a welded portion (joint portion), and both steel plates are joined.
Such spot welding itself is known, and a plurality of materials to be welded are stacked, and the material is energized while being sandwiched between two electrodes and pressed. The form shown below relates to predicting fracture of a member having such a joint portion by spot welding by using a simulation by numerical analysis.
図２には、１つの形態にかかるスポット溶接による溶接継手の破断予測方法Ｓ１０（以下、「破断予測方法Ｓ１０」と記載することがある。）の流れを示した。
図２からわかるように、破断予測方法Ｓ１０は、溶接プロセス演算Ｓ１１と、破断解析用モデル作成Ｓ１２と、破断予測演算Ｓ１３と、を備えている。
FIG. 2 shows the flow of a fracture prediction method S10 (hereinafter, may be referred to as “breakage prediction method S10”) of a welded joint by spot welding according to one form.
As can be seen from FIG. 2, the fracture prediction method S10 includes a welding process calculation S11, a fracture analysis model creation S12, and a fracture prediction calculation S13.
溶接プロセス演算Ｓ１１では、評価対象の板の組み合わせ及び電極の形状から適切な大きさの微小な要素に分割されたＦＥＭ解析メッシュデータを作成し、材料特性データ、溶接条件、境界条件等を設定して溶接シミュレーションを行う。
このような溶接シミュレーションは汎用の数値解析ソフトウエアや自作の数値解析プログラムを用いることができ、特に限定されることはないが、本形態では次のようなシミュレーションを行う。
In the welding process calculation S11, FEM analysis mesh data divided into minute elements of appropriate size is created from the combination of plates to be evaluated and the shape of the electrodes, and material property data, welding conditions, boundary conditions, etc. are set. Welding simulation is performed.
Such welding simulation can use general-purpose numerical analysis software or a self-made numerical analysis program, and is not particularly limited, but in this embodiment, the following simulation is performed.
本形態では、例えば非特許文献３にあるように、スポット溶接の通電加熱プロセスに対応した電場−温度場の連成解析と温度場−応力場の連成解析を行ない、溶接部形状を得ることができる。これによりスポット溶接終了後の溶接部及びＨＡＺの形状を求めることができる。また、これに合わせて、例えば非特許文献４に記載のような、冷却プロセスに対応し、相変態を考慮した温度場−応力場の連成解析を行い、溶接部の組織分布を得ることができる。
従って、シミュレーションによる溶接部形状の結果と、組織分布の結果とを合わせることで、スポット溶接終了後のマルテンサイト分布を得ることができる。そしてこの結果としての溶接部形状及び組織分布が保存される。この保存は、得られた結果が計算機（例えば後述する計算装置３０）のメモリ、ハードディスクや、外部記憶媒体であるＣＤ−ＲＯＭ等のメディアにデータが書き込まれることにより行われる。
In this embodiment, for example, as described in Non-Patent Document 3, an electric field-temperature field coupled analysis and a temperature field-stress field coupled analysis corresponding to the energization heating process of spot welding are performed to obtain a welded portion shape. Can be done. This makes it possible to determine the shape of the welded portion and HAZ after spot welding is completed. In addition, in accordance with this, for example, as described in Non-Patent Document 4, it is possible to obtain the microstructure distribution of the welded portion by performing a coupled analysis of the temperature field and the stress field in consideration of the phase transformation in response to the cooling process. it can.
Therefore, the martensite distribution after the completion of spot welding can be obtained by combining the result of the welded portion shape by the simulation and the result of the structure distribution. The resulting weld shape and microstructure distribution are then preserved. This storage is performed by writing the obtained result to a medium such as a memory or a hard disk of a computer (for example, a computer 30 described later) or a CD-ROM which is an external storage medium.
溶接プロセス演算Ｓ１１について、より具体的に例を挙げて説明すると次の通りである。図３に評価対象の板組と電極をモデル化したＦＥＭ解析メッシュ１０を示した。ここには、上側の電極１１、下側の電極１２、上側の鋼板１３、下側の鋼板１４の各解析メッシュが表れている。
この例では、評価対象は５９０ＭＰａ級鋼板（板厚１．６ｍｍ）で長さを５０ｍｍとし、これを２次元軸対称形でモデル化をして四角形要素でメッシュ分割した。
そして、本材質に対応した機械特性データ、熱物性データ、その他材料特性データを設定した。ここで機械特性データとはヤング率、ポアソン比、変形抵抗曲線であり、熱物性データとは比熱、熱伝導率、線膨張係数であり、その他材料特性データとは電気抵抗率、密度、変態膨張係数、変態塑性係数、相変態潜熱である。
溶接条件として、電極の加圧力、電極に流す電流、通電時間、保持時間、周波数を設定した。
The welding process calculation S11 will be described in more detail with an example as follows. FIG. 3 shows the FEM analysis mesh 10 that models the plate set and electrodes to be evaluated. Here, each analysis mesh of the upper electrode 11, the lower electrode 12, the upper steel plate 13, and the lower steel plate 14 appears.
In this example, the evaluation target was a 590 MPa class steel plate (plate thickness 1.6 mm) having a length of 50 mm, which was modeled in a two-dimensional axisymmetric shape and divided into meshes by quadrangular elements.
Then, mechanical property data, thermophysical property data, and other material property data corresponding to this material were set. Here, the mechanical property data is the Young's ratio, Poisson's ratio, and deformation resistance curve, the thermophysical property data is the specific heat, thermal conductivity, and linear expansion coefficient, and the other material property data is the electrical resistance, density, and transformation expansion. Coefficient, transformation plasticity coefficient, phase transformation latent heat.
As the welding conditions, the pressing force of the electrode, the current flowing through the electrode, the energizing time, the holding time, and the frequency were set.
以上のような条件により、電場−温度場の連成解析と温度場−応力場の連成解析、及び、冷却プロセスに対応し、相変態も考慮した温度場−応力場の連成解析を行った。
図４には溶融部近傍における液相率分布を示した（上側の電極１１及び下側の電極１２は除外されている。）。ここでは液相率０．８以上である部分を溶接金属部１５とし、この部分が溶接部（接合部）となり、２つの鋼板が接合されると考えることができる。
図５にはマルテンサイト体積分率分布をそれぞれ表した（上側の電極１１及び下側の電極１２は除外されている。）。ここではマルテンサイト体積分率０．９以上の部位１６を白色で表示している。
そしてこれらの解析結果データはハードディスク（記憶手段）に保存される。
Under the above conditions, electric field-temperature field coupled analysis, temperature field-stress field coupled analysis, and temperature field-stress field coupled analysis corresponding to the cooling process and considering phase transformation are performed. It was.
FIG. 4 shows the liquid phase ratio distribution in the vicinity of the molten portion (the upper electrode 11 and the lower electrode 12 are excluded). Here, it can be considered that the portion having a liquid phase ratio of 0.8 or more is the weld metal portion 15, and this portion becomes the welded portion (joint portion) and the two steel plates are joined.
FIG. 5 shows the martensite volume fraction distributions (the upper electrode 11 and the lower electrode 12 are excluded). Here, the part 16 having a martensite volume fraction of 0.9 or more is displayed in white.
Then, these analysis result data are saved in the hard disk (storage means).
図２に戻って破断解析用モデル作成Ｓ１２について説明する。破断解析用モデル作成Ｓ１２では、溶接プロセス演算Ｓ１１で保存した溶接部形状から溶接継手形状モデルを作成する。この溶接継手形状モデルは、板幅、長さ、コーナＲサイズから成る継手種類データベース、又は、逐次入力した継手種類情報から作成する。
上記した溶接プロセス演算Ｓ１１を３次元モデルで実施した場合には、溶接プロセス演算Ｓ１１で保存した溶接部形状をそのまま溶接継手形状モデルに適用することができる。
一方、上記した溶接プロセス解析Ｓ１１を２次元軸対称モデルで実施した場合は、溶接部形状を周方向に複写し溶接継手形状モデルに適用する。
Returning to FIG. 2, the fracture analysis model creation S12 will be described. In the fracture analysis model creation S12, a welded joint shape model is created from the welded portion shape saved in the welding process calculation S11. This welded joint shape model is created from a joint type database consisting of plate width, length, and corner R size, or joint type information sequentially input.
When the above welding process calculation S11 is carried out in a three-dimensional model, the welded portion shape saved in the welding process calculation S11 can be applied to the welded joint shape model as it is.
On the other hand, when the above welding process analysis S11 is carried out with a two-dimensional axisymmetric model, the shape of the welded portion is copied in the circumferential direction and applied to the welded joint shape model.
また、予め母材の破断基準εＢと溶接ナゲットの破断基準εＮを微小引張試験と、それを模擬したＦＥＭ解析等から求め、両者が対応するようにデータベースを得ておく。そして、この破断解析用モデル作成Ｓ１２で、上記溶接プロセス解析Ｓ１１で得たマルテンサイトの分布結果に従って、要素に破断基準を割り当てる。具体的には、マルテンサイトの体積分率が０の要素には母材の破断基準を適用し、マルテンサイトの体積分率が１の要素には溶接部（ナゲット）の破断基準を適用する。マルテンサイト体積分率が０より大きく１未満の要素については、破断基準εＣＲを適用する。この破断基準εＣＲは、保存した組織分布を参照し、マルテンサイトの体積分率Ｖｍを用いて次の式（１）により算出する。
εＣＲ＝εＮ・Ｖｍ＋εＢ・（１−Ｖｍ） …（１）
以上のようにして、破断解析用モデル作成Ｓ１２で破断解析用モデルを得る。
Further, the breaking standard εB of the base metal and the breaking standard εN of the welding nugget are obtained in advance from a microtensile test and an FEM analysis simulating them, and a database is obtained so that both correspond to each other. Then, in the model creation S12 for fracture analysis, a fracture criterion is assigned to the elements according to the distribution result of martensite obtained in the welding process analysis S11. Specifically, the fracture standard of the base metal is applied to the element having the volume fraction of martensite of 0, and the fracture standard of the welded portion (nugget) is applied to the element having the volume fraction of martensite of 1. The fracture reference εCR is applied to elements with a martensite volume fraction greater than 0 and less than 1. This fracture reference εCR is calculated by the following equation (1) using the volume fraction Vm of martensite with reference to the preserved tissue distribution.
εCR = εN ・ Vm + εB ・ (1-Vm)… (1)
As described above, the fracture analysis model is obtained in S12 for creating the fracture analysis model.
破断解析用モデル作成Ｓ１２について、さらに具体例を挙げて説明すると次の通りである。図６に説明のための図を示した。
この例では、継手全体の形状は、板厚１．６ｍｍ、板幅３０ｍｍ、長さ５０ｍｍの形状の鋼板が２枚（鋼板２０ａ、鋼板２０ｂ）が重ね代３０ｍｍで重ねられている。これを板幅方向１／２対称形でモデル化をして全体形状２０とした。
次に、溶接プロセス解析Ｓ１１で保存した解析メッシュデータ、液相率分布、マルテンサイト体積分率分布を読み込む。この例では解析メッシュデータは２次元軸対称形となっているため、周方向１８０°まで複写して六面体及び／又は四面体の要素に変換し溶接近傍形状２１とする。これを六面体要素でメッシュ分割した継手の全体形状２０に組み込み溶接継手形状２２とした。
The model creation S12 for fracture analysis will be described with specific examples as follows. FIG. 6 shows a diagram for explanation.
In this example, the shape of the entire joint is such that two steel plates (steel plate 20a and steel plate 20b) having a plate thickness of 1.6 mm, a plate width of 30 mm, and a length of 50 mm are stacked with a stacking allowance of 30 mm. This was modeled in a 1/2 symmetrical shape in the plate width direction to obtain an overall shape of 20.
Next, the analysis mesh data, the liquid phase ratio distribution, and the martensite volume fraction distribution saved in the welding process analysis S11 are read. In this example, since the analysis mesh data has a two-dimensional axisymmetric shape, it is copied up to 180 ° in the circumferential direction and converted into hexahedral and / or tetrahedral elements to obtain the welding vicinity shape 21. This was incorporated into the overall shape 20 of the joint mesh-divided by the hexahedral element to form a welded joint shape 22.
破断基準（ここでは応力三軸度の影響を考慮した破断ひずみ）は、要素毎に設定した。図７には、予め微小引張試験とそれを模擬したＦＥＭ解析から求めた母材と溶接ナゲットの破断基準を示した。また、図８には、マルテンサイト体積分率の分布を示した。
マルテンサイト体積分率に応じて上記した式（１）を用いて要素毎に破断基準を計算して設定した。変形抵抗曲線など他の材料特性データに関しても同様に算出することができる。
以上のようにして、溶接継手形状モデルが作成される。
The fracture standard (here, fracture strain considering the influence of stress triaxiality) was set for each element. FIG. 7 shows the fracture criteria of the base metal and the weld nugget obtained in advance from the microtensile test and the FEM analysis simulating it. In addition, FIG. 8 shows the distribution of the martensite volume fraction.
The fracture standard was calculated and set for each element using the above equation (1) according to the martensite volume fraction. The same can be calculated for other material property data such as the deformation resistance curve.
As described above, the welded joint shape model is created.
図２に戻って、破断予測演算Ｓ１３について説明する。破断予測演算Ｓ１３では、破断解析用モデル作成Ｓ１２で得られた溶接継手形状モデルを用いて、境界条件、負荷条件を設定して応力解析を行い、継手強度と破断形態を出力する。
このような応力解析は汎用の数値解析ソフトウエアや自作の数値解析プログラムを用いることができる。
Returning to FIG. 2, the fracture prediction calculation S13 will be described. In the fracture prediction calculation S13, stress analysis is performed by setting boundary conditions and load conditions using the welded joint shape model obtained in the fracture analysis model creation S12, and the joint strength and fracture form are output.
For such stress analysis, general-purpose numerical analysis software or a self-made numerical analysis program can be used.
このようにして応力解析をすることにより、具体的には例えば次のような結果を得ることができる。図９には解析条件を示した。この例では、板幅方向中央面２４に対称条件、端部２５を完全拘束、反対側の端部２６に２０００ｍｍ／ｓｅｃの引張負荷を付与した。
図１０に破断シミュレーションによる破断形態を示した。図１０は（ａ）乃至（ｄ）に向けて引張の量が増加していく様子を示したものである。（ａ）乃至（ｄ）の各図において上側が全体図、下側が溶接部を拡大した図である。これら図からわかるように、引張負荷に応じて溶接部の近傍で破断が発生していることがわかる。本例では溶接部ではなく母材からの破壊であることもわかる。
By performing the stress analysis in this way, specifically, for example, the following results can be obtained. FIG. 9 shows the analysis conditions. In this example, a symmetrical condition was applied to the central surface 24 in the plate width direction, the end portion 25 was completely restrained, and a tensile load of 2000 mm / sec was applied to the opposite end portion 26.
FIG. 10 shows the fracture morphology by the fracture simulation. FIG. 10 shows how the amount of tension increases toward (a) to (d). In each of the views (a) to (d), the upper side is an overall view and the lower side is an enlarged view of the welded portion. As can be seen from these figures, it can be seen that fracture occurs in the vicinity of the welded portion depending on the tensile load. In this example, it can be seen that the fracture is not from the weld but from the base metal.
図１１には、実際の材料で同じ条件で行った引張試験結果に対する、本例におけるＦＥＭ解析結果の継手強度の誤差を示す。誤差は１０％以内でありＦＥＭ解析結果は引張試験結果と良好に対応することがわかる。 FIG. 11 shows the error of the joint strength of the FEM analysis result in this example with respect to the tensile test result conducted under the same conditions with the actual material. It can be seen that the error is within 10% and the FEM analysis result corresponds well with the tensile test result.
以上のように、スポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０によれば、実験の断面写真を参照することなく、スポット溶接プロセス解析結果から、直接、溶接継手形状モデルを作成するため、手介入作業を低減し工期を短縮することができる。また、溶接ナゲットとＨＡＺの形状、圧痕形状を実態に近い状態でモデル化をするため破断予測の精度を高めることができる。また、溶接ナゲット、ＨＡＺ、母材それぞれの遷移層に対してマルテンサイト体積分率に応じた破断基準と材料特性値を設定することから、実態に近い解析モデルとなり、かかる観点からも破断予測の高精度化につながる。 As described above, according to the spot weld fracture prediction method S10, the welded joint shape model is directly created from the spot welding process analysis result without referring to the cross-sectional photograph of the experiment, so that the manual intervention work is reduced. The construction period can be shortened. Further, since the shapes of the weld nugget and HAZ and the indentation shape are modeled in a state close to the actual state, the accuracy of fracture prediction can be improved. In addition, since the fracture criteria and material property values are set according to the martensite volume fraction for each transition layer of the weld nugget, HAZ, and base metal, the analysis model is close to the actual situation, and fracture prediction is also possible from this point of view. It leads to high accuracy.
図１２は、上記したスポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０に沿って具体的に演算を行う１つの形態にかかるスポット溶接部の破断予測計算装置３０の構成を概念的に表した図である。スポット溶接部の破断予測計算装置３０は、入力手段３１、演算装置３２、及び表示手段３８を有している。そして演算装置３２は、演算手段３３、ＲＡＭ３４、記憶手段３５、受信手段３６、及び出力手段３７を備えている。また、入力手段３１にはキーボード３１ａ、マウス３１ｂ、及び記憶媒体の１つとして機能する外部記憶装置３１ｃが含まれている。 FIG. 12 is a diagram conceptually showing the configuration of the spot welded fracture prediction calculation device 30 according to one form in which a specific calculation is performed according to the spot welded fracture prediction method S10 described above. The fracture prediction calculation device 30 for the spot welded portion includes an input means 31, an arithmetic unit 32, and a display means 38. The arithmetic unit 32 includes an arithmetic unit 33, a RAM 34, a storage unit 35, a receiving unit 36, and an output unit 37. Further, the input means 31 includes a keyboard 31a, a mouse 31b, and an external storage device 31c that functions as one of the storage media.
演算手段３３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３５等に記憶された各種プログラム３５ａを実行し、これに基づいて上記したスポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０の各処理のためのデータ生成やデータベース３５ｂ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３３である。 The calculation means 33 is composed of a so-called CPU (central operator), is a means that can be connected to each of the above-mentioned constituent members and can control them. Further, various programs 35a stored in the storage means 35 or the like functioning as a storage medium are executed, and based on this, data generation for each process of the above-mentioned spot weld fracture prediction method S10 and data from the database 35b are executed. It is also the calculation means 33 that performs the calculation as a means for selecting the above.
ＲＡＭ３４は、演算手段３３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。ＲＡＭ３４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。 The RAM 34 is a component that functions as a work area of the calculation means 33 and a temporary data storage means. The RAM 34 can be composed of an SRAM, a DRAM, a flash memory, or the like, and is the same as a known RAM.
記憶手段３５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３５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３５には、プログラム３５ａ、データベース３５ｂ、中間結果３５ｃ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。 The storage means 35 is a member that functions as a storage medium for storing programs and data that are the basis of various operations. Further, the storage means 35 may be able to store various intermediate and final results obtained by executing the program. More specifically, the storage means 35 stores (stores) the program 35a, the database 35b, and the intermediate result 35c. In addition, other information may also be stored.
ここで、保存されているプログラム３５ａには、上記したスポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０の各処理を演算する根拠となるシミュレーションプログラムが含まれる。すなわち、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、溶接プロセス演算ステップ、破断解析用モデル作成ステップ、及び破断予測演算ステップを含んでいる。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部の破断予測方法Ｓ１０で説明した通りである。 Here, the stored program 35a includes a simulation program as a basis for calculating each process of the above-mentioned spot welded fracture prediction method S10. That is, the simulation program includes a welding process calculation step, a fracture analysis model creation step, and a fracture prediction calculation step so as to correspond to the flow of FIG. The specific calculation contents of this program are as described in the above-mentioned fracture prediction method S10 for the spot welded portion.
データベース３５ｂ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。データベースの例としては、上記スポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０で説明したような、機械特性データ、熱物性データ、その他材料特性データである。機械特性データとは例えばヤング率、ポアソン比、変形抵抗曲線であり、熱物性データとは例えば比熱、熱伝導率、線膨張係数であり、その他材料特性データとは例えば電気抵抗率、密度、変態膨張係数、変態塑性係数、相変態潜熱である。 The database 35b is a database in which each characteristic such as a physical property value related to a steel material is stored. The necessary data is provided to the program from this database at the request of the program. Examples of the database are mechanical property data, thermophysical property data, and other material property data as described in the above-mentioned spot weld fracture prediction method S10. The mechanical property data is, for example, Young's ratio, Poisson's ratio, and deformation resistance curve, the thermophysical property data is, for example, specific heat, thermal conductivity, and linear expansion coefficient, and other material property data is, for example, electrical resistance, density, and transformation. The coefficient of expansion, the coefficient of transformational plasticity, and the latent heat of phase transformation.
中間結果３５ｃは、上記スポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０で説明したように、溶接プロセス演算Ｓ１１で得られた溶接部形状及び組織分布や、破断予測演算Ｓ１３で得られた解析結果である。その他、全体形状の情報やメッシュ情報等、スポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０の各ステップで得られた情報も中間結果としてここに保存される。 The intermediate result 35c is the welded portion shape and structure distribution obtained by the welding process calculation S11 and the analysis result obtained by the fracture prediction calculation S13, as described in the above-mentioned spot welded fracture prediction method S10. In addition, information obtained in each step of the spot weld fracture prediction method S10, such as overall shape information and mesh information, is also stored here as an intermediate result.
受信手段３６は、外部からの情報を演算装置３２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３１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。 The receiving means 36 is a component having a function for appropriately incorporating information from the outside into the arithmetic unit 32, and the input means 31 is connected to the receiving means 36. This includes so-called input ports, input connectors, and the like.
出力手段３７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３８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。 The output means 37 is a component having a function of appropriately outputting information to be output to the outside among the obtained results, and a display means 38 such as a monitor and various devices are connected thereto. This includes so-called output ports, output connectors, and the like.
入力装置３１には、例えばキーボード３１ａ、マウス３１ｂ、外部記憶装置３１ｃ等が含まれる。キーボード３１ａ、マウス３１ｂ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３１ｃ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３５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３１ｃ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。
The input device 31 includes, for example, a keyboard 31a, a mouse 31b, an external storage device 31c, and the like. Known keyboards 31a and mouse 31b can be used, and the description thereof will be omitted.
The external storage device 31c is a known externally connectable storage means, and also functions as a storage medium. Various required programs and data can be stored here without particular limitation. For example, the same program and data as the storage means 35 described above may be stored here.
As the external storage device 31c, a known device can be used. Examples thereof include CD-ROMs and CD-ROM drives, DVD and DVD drives, hard disks, various memories, and the like.
また、その他、ネットワークや通信により受信手段３６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３７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。 In addition, information may be provided to the arithmetic unit via the receiving means 36 via a network or communication. Similarly, information may be transmitted to an external device via the output means 37 via a network or communication.
このような溶接部の破断予測計算装置３０によれば、上記説明したスポット溶接部の破断予測方法Ｓ１０を効率的に精度よく行なうことが可能となる。このような溶接部の破断予測計算装置３０としては例えばコンピュータを用いることができる。 According to the fracture prediction calculation device 30 for such a welded portion, it is possible to efficiently and accurately perform the fracture prediction method S10 for the spot welded portion described above. For example, a computer can be used as the fracture prediction calculation device 30 for such a welded portion.
１ 電極
２ 鋼材
３ 鋼材
１０ 解析メッシュ
１１、１２ 電極部分のメッシュ
１３、１４ 鋼板部分のメッシュ
１５ 解析上の溶接金属部
１６ 解析上のマルテンサイト体積分率０．９以上の部位
２０ モデル上の全体形状
２１ モデル上の溶接近傍形状
２２ モデル上の溶接継手形状
２４ 幅方向中央面（対称条件付与面）
２５ 端部（拘束条件付与面）
２６ 端部（負荷条件付与面）
３０ 溶接部の破断予測計算装置
３１ 入力手段
３２ 演算装置
３３ 演算手段
３５ 記憶手段
３８ 表示手段
Ａ 溶融ナゲット
Ｓ１０ スポット溶接部の破断予測方法
Ｓ１１ 溶接プロセス演算
Ｓ１２ 破断解析用モデル作成
Ｓ１３ 破断予測演算
1 Electrode 2 Steel 3 Steel 10 Analysis mesh 11, 12 Electrode mesh 13, 14 Steel plate mesh 15 Welded metal part in analysis 16 Martensite volume fraction in analysis 0.9 or more Part 20 Overall on model Shape 21 Welding vicinity shape on the model 22 Welded joint shape on the model 24 Width direction center plane (symmetry condition imparting plane)
25 end (restraint condition imparting surface)
26 End (load condition imparting surface)
30 Welded part break prediction calculation device 31 Input means 32 Arithmetic device 33 Calculation means 35 Storage means 38 Display means A Molten nugget S10 Spot weld break prediction method S11 Welding process calculation S12 Break analysis model creation S13 Break prediction calculation
Claims (3)
溶接部の形状及び前記溶接部における組織分布を得る演算をし、
得られた前記演算による前記形状及び前記組織分布を含んだ前記溶接継手の形状のデータによるモデルを作成し、
前記モデルを用いて応力解析をする、溶接継手の破断予測方法。 It is a method of predicting the breakage of welded joints due to spot welding using numerical analysis.
An operation is performed to obtain the shape of the weld and the structure distribution in the weld.
A model based on the data of the shape of the welded joint including the shape and the structure distribution obtained by the calculation was created.
A method for predicting fracture of a welded joint by performing stress analysis using the model.
溶接部の形状及び前記溶接部における組織分布を得る演算をするステップ、
得られた前記演算による前記形状及び前記組織分布を含んだ前記溶接継手の形状のデータによるモデルを形成するステップ、及び、
前記モデルを用いて応力解析をするステップ、を含む溶接継手の破断予測プログラム。 A program that predicts the breakage of welded joints due to spot welding.
A step of calculating the shape of the welded portion and the structure distribution in the welded portion,
A step of forming a model based on the data of the shape of the welded joint including the shape and the structure distribution obtained by the calculation, and
A rupture prediction program for welded joints, including a step of performing stress analysis using the model.
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、
溶接部の形状及び前記溶接部における組織分布を得る演算、
得られた前記演算による前記形状及び前記組織分布を含んだ前記溶接継手の形状のデータによるモデルを作成する演算、及び、
前記モデルを用いて応力解析をする演算を行う、溶接継手の破断予測装置。 A device that predicts the breakage of welded joints due to spot welding.
The storage means in which the program is stored and
An arithmetic means that performs an operation based on the program and
A display means for displaying the result calculated by the calculation means is provided.
In the calculation means,
Calculation to obtain the shape of the weld and the structure distribution in the weld,
An operation for creating a model based on the data of the shape of the welded joint including the shape and the structure distribution obtained by the calculation, and
A fracture prediction device for welded joints that performs calculations for stress analysis using the model.
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