JP5053164B2

JP5053164B2 - 破断予測方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体

Info

Publication number: JP5053164B2
Application number: JP2008117555A
Authority: JP
Inventors: 繁米村; 朗弘上西; 康信宮崎; 規之鈴木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-04-28
Also published as: JP2009265028A

Description

本発明は、レーザ溶接の破断を数値シミュレーションにより判定する破断予測方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体に関する。

従来より、自動車車体の開発には、有限要素法(ＦＥＭ)による性能予測評価が用いられているが、近年、重要となっている衝突安全性と軽量化を両立するためには衝突シミュレーションの高精度化が必要不可欠である。これに対応し、有限要素モデルの大規模化・精緻化、正確なひずみ速度依存性を考慮した材料データベースの活用やスポット破断予測技術の開発等により衝突シミュレーションの精度は飛躍的に向上し、これまでに、車体開発期間の短縮、試作車・開発コストの削減が行われてきた（例えば、非特許文献１を参照）。

特開２００７−２４７８８号公報特開２００５−３２６４０１号公報荒木、日本機械学会誌、110 (2007) 796-799）樽井ら、International Symposium on Joining Technology in Advanced Automobile Assembly、(2005)、145 北村ら、日産技報、57 (2005)、13 PAM-Crash User's Manual 宮崎ら、新日鉄技報、385 (2006) 26. Yurioka et al.：Metal Constr. 19、217R (1987)

車体組立て方法としてはスポット溶接やレーザ溶接等の接合方法がある。このうち、スポット溶接は電極で加圧して溶接するため、車体部品の合せ隙間に対する許容値が大きく溶接品質が安定しているという観点から優れた接合方法であり、現在、最も多用されている。一方、近年、車体性能や設計自由度の向上を目的に自動車の組立てにレーザ溶接が適用されつつある。例えば、２００５年に発売された日産自動車株式会社の商品名ＦＵＧＡには、操縦安定性と乗り心地の向上を目的に、サイドパネルとシルの締結にレーザ溶接を採用している（非特許文献２，３を参照）。このような車体組立てへのレーザ溶接の適用は拡大し、特に、車体骨格部品に多用されている５９０ＭＰａ級以上の高強度鋼板へのレーザ溶接の適用は急速に進展している。

車体衝突時にスポット溶接やレーザ溶接等の接合部が破断すると車体の変形モードや部材吸収エネルギーに大きな変化が生じる。従って、衝突シミュレーションで衝突性能を評価するうえでスポット溶接部やレーザ溶接部の破断を精度良く予測することは重要な技術課題の一つであり、これまでにいくつかの方法が提案されている。
例えば、（１）スポット溶接部に作用するせん断荷重と剥離荷重が楕円則で与えられるクライテリアに達すると破断と判定する方法（非特許文献４を参照）、（２）楕円則を拡張し、ナゲット周りの曲げモーメントを破断判定に考慮する方法（特許文献１を参照）、（３）ナゲット周辺における応力集中を破断の支配因子と考える方法（特許文献２を参照）が提案されている。

しかしながら、これらの方法はいずれもスポット溶接部の破断を予測する方法であり、レーザ溶接部の破断を予測する方法については未だ提案されていない。

そこで本発明は、レーザ溶接を適用した製品又は最終製品の衝突性能を予測評価する際に、製品又は最終製品のレーザ溶接部の破断を容易且つ正確に予測評価する方法及び装置、並びに記録媒体及びプログラムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸様態に想到した。
本発明の破断予測方法は、レーザ溶接で接合された製品又は最終製品の衝突強度を予測評価する破断予測方法であって、前記製品又は最終製品のレーザ溶接部の破断限界強度を推定する第１のステップと、前記レーザ溶接部に作用する応力の前記破断限界強度との関係に基づいて、前記レーザ溶接部の破断の危険性を判定する第２のステップとを含み、前記第１のステップでは、前記破断限界強度を材料固有の破断限界せん断応力τ ^cr 及び材料固有の破断限界応力σ ^cr ₁₁ として推定し、前記第２のステップでは、前記応力をせん断応力τ及び引張応力σ ₁₁ として、シミュレーションにより得られる前記せん断応力τが前記破断限界せん断応力τ ^cr 以上となったときに、重ね面の溶接金属でせん断破断すると判定し、前記引張応力σ ₁₁ が前記破断限界応力σ ^cr ₁₁ 以上となったときに、材料のネッキングにより破断を判定する。
本発明の破断予測装置は、レーザ溶接で接合された製品又は最終製品の衝突強度を予測評価する破断予測装置であって、前記製品又は最終製品のレーザ溶接部の破断限界強度を推定する第１の手段と、前記レーザ溶接部に作用する応力の前記破断限界強度との関係に基づいて、前記レーザ溶接部の破断の危険性を判定する第２の手段とを含み、前記第１の手段は、前記破断限界強度を材料固有の破断限界せん断応力τ ^cr 及び材料固有の破断限界応力σ ^cr ₁₁ として推定し、前記第２の手段は、前記応力をせん断応力τ及び引張応力σ ₁₁ として、シミュレーションにより得られる前記せん断応力τが前記破断限界せん断応力τ ^cr 以上となったときに、重ね面の溶接金属でせん断破断すると判定し、前記引張応力σ ₁₁ が前記破断限界応力σ ^cr ₁₁ 以上となったときに、材料のネッキングにより破断を判定する。
本発明のプログラムは、上記の破断予測方法の第１のステップ及び第２のステップを実行させるものである。
本発明の記録媒体は、上記のプログラムを記録したコンピュータ読取り可能なものである。

本発明によれば、レーザ溶接を適用した製品又は最終製品の衝突性能を予測評価する際に、製品又は最終製品のレーザ溶接部の破断を容易且つ正確に予測評価することができる。

―破断予測方法の基本アイデア―
高強度鋼板のレーザ重ね継手の引張せん断試験に関しては、溶接ビードが鋼板間の溶接金属で裁断されるせん断破断を起こし易いことが報告されている。例えば、宮崎らは各種高強度鋼板のレーザ重ね継手に関して溶接長や溶接速度を変化させ、これら溶接条件が継手強度や破断形態に及ぼす影響を調査している（非特許文献５を参照）。更に、宮崎らは、溶接金属の硬さと軸芯のオフセットによる溶接部の回転角から継手強度の推定式を提案し、良好な精度で予測可能なことを報告している（非特許文献５を参照）。

しかしながら、これら一連の研究は、実験により観測された継手強度の変化については明らかにしているが、破断メカニズムの支配因子の検討はなされていない。
そこで本発明者らは、高強度鋼板のレーザ重ね引張せん断試験に関して、レーザ溶接長の変化に伴う継手強度や破断形態の変化を実験的に明らかにし、３次元弾塑性有限要素法によるシミュレーションを基に破断のメカニズムを検討した。続いて、この破断メカニズムを基に衝突シミュレーションでレーザ溶接部の破断を判定する方法を見出した。

供試材としては、冷間圧延−連続焼鈍により製造された板厚1.2mmの複合組織(DP)型の５９０ＭＰａ級ＧＡ鋼板である(降伏強さσ_p＝３９５ＭＰａ，引張強さσ_u＝６２６ＭＰａ，均一伸びｅ_u＝１８％、破断伸びｅ_t＝３２％)。機械特性値としては、インストロン型試験機によりクロスヘッド速度１０ｍｍ/ｍｉｎで引張試験をしたもので、試験片としては、圧延方向に対して９０゜方向に採取したＪＩＳ５号試験片を用いた。

この供試材から引張方向と圧延方向とが直交するように、６０ｍｍ×１８５ｍｍの短冊にせん断し、重ね代を６０ｍｍとしてレーザ重ね溶接を施し、引張せん断試験に供した（図１）。なお、供試材が合金化亜鉛めっき鋼板であることから、健全なビードを形成できるように板間隙量を０．２ｍｍとした。レーザ溶接には、ＬＤ励起ＹＡＧレーザを用い、０．６ｍｍファイバで導光後、焦点距離２００ｍｍでコリメート、同２００ｍｍで集光してビームウエスト直径を０．６ｍｍとした。また、レーザの加工点出力を４ｋＷとし、溶接速度を貫通限界速度の８０％の速度である３ｍｍ/ｍｉｎとした。ここでは、レーザ溶接長の変化に伴う継手強度や破断形態の変化を調査するため、試験片幅を６０ｍｍ一定としたうえで、試験片中央に１２ｍｍ，２４ｍｍ，３６ｍｍ，４８ｍｍ（試験片幅の２０％，４０％，６０％，８０％に相当する長さ）と、６０ｍｍ（全幅継手）のビードを形成したものとについて、引張試験を実施した。破断形態としては、溶接ビードがボタン抜けするプラグ破断と溶接ビードが鋼板間で裁断されるせん断（シア、界面、剥離）破断の２種類が観察された。

接合界面でせん断破断した溶接長４８ｍｍの継手と全幅継手とに関して、静的陰解法の汎用ＦＥＭプログラムであるMarcを用い、レーザ重ね継手の引張試験のシミュレーションを行った。解析対象は、板厚１．２ｍｍの複合組織型の５９０ＭＰａ級ＧＡ鋼板をレーザ溶接した引張せん断試験片であり、対称性を考慮して１／２モデルを解析に供した。

解析モデルを図２に示す。この解析モデルは、接合部近傍の要素を十分細かく分割し（最小要素サイズ：０．０２ｍｍ）、試験片長さ１６０ｍｍを３５〜６５分割、幅３０ｍｍを５〜３５分割で変化させ、板厚方向には８分割とした。この引張せん断試験片モデルの幅・板厚方向は拘束せずに、引張方向端部に０．１ｍｍの増分を与え、変位３ｍｍまで増分を加えることで引張解析を行った。母材の材料パラメータとしては、引張試験から得られた応力−ひずみ曲線を用い、HAZと溶接金属には硬さから推定したものを用いた。母材の応力−ひずみ曲線はインストロン型試験機によりクロスヘッド速度１０ｍｍ/ｍｉｎで引張試験をしたもので、試験片としては、圧延方向に対して９０゜方向に採取したJIS5号引張試験片を用いた。

母材：σ_eq＝１１５０（０．０１３４＋ε_eq）^0.245
熱影響部： σ_eq＝１４３６（０．０００２＋ε_eq）^0.179
溶接金属： σ_eq＝１６０６（０．０００１＋ε_eq）^0.099

接合界面でせん断破断した溶接長４８ｍｍの継手と、母材でプラグ破断した全幅継手のシミュレーションに基づいて、これら破断形態の特徴と破断モードの移行のメカニズムについて以下に考察する。
図３に、溶接ビードに作用する試験片幅方向の応力分布を示す。ここでは、引張試験で観測した最大荷重に一致するまで増分を加えることで引張解析を行ったものであり、溶接長４８ｍｍの継手では引張方向端部が３ｍｍ変位したとき、全幅継手では４０ｍｍ変位したときのものである。このうち、接合界面でせん断破断した溶接長４８ｍｍの継手は、ビード始終端にせん断応力τの応力集中が観測されたが、全幅継手の場合には、幅方向に均一にせん断応力τが作用しており応力集中は認められない。このことから、溶接長４８ｍｍの継手ではビード始終端部近傍のせん断応力τの応力集中により、溶接金属でせん断破断が生じたと推察される。

一方、全幅継手では、曲げ外側の母材に引張ひずみが集中し、実験で観測された部位にネッキングが生じている（図４）。従って、せん断破断からプラグ破断への移行は、溶接ビードに作用する応力集中と母材に生じるネッキングとの競合によるものと推定される。即ち、母材のネッキングより先にビードに作用するせん断応力τが破断限界（破断クライテリア）に達したときには溶接金属でせん断破断が生じ、母材が先に塑性不安定条件を満足したときにはネッキングが生じてプラグ破断する。

続いて、レーザ溶接長と溶接ビードに作用する応力集中の関係を調査するため、試験片幅は６０ｍｍ一定としたうえで、試験片中央に１２ｍｍ，２４ｍｍ，３６ｍｍ，４８ｍｍ（試験片幅の２０％，４０％，６０％，８０％に相当する長さのビードを形成した継手に関して、レーザ重ね継手の引張試験のシミュレーションを行った。ビード外縁に作用する溶接方向のせん断応力τと剥離応力σ₃₃との分布を図５に示す。

更に、せん断応力τが最も集中するビード外縁のＡ点に関して、この最大値がストロークに応じてどのように増減するかを評価した(図６)。引張ストロークの増加により溶接ビードに作用するせん断応力τは増加するものの、破断直前ではビード長によらず始終端に生じるせん断応力τの最大値に顕著な差は認められない（図６）。
更に、ビード長が変化しても、せん断応力τの最大値はビード外縁の平行部端で観測されることから（図５）、この部位が起点となって破断が生じると推定される。

一方、剥離応力σ₃₃は、ビード長に依存して大きく変化する（図５）。従って、破断の主要因はせん断応力τであると推察される。即ち、ビード始終端に作用するせん断応力τの最大値が臨界値を超えたときに、重ね面の溶融金属でせん断破断が生じると考えられる。

更に、硬さと引張強さの関係、等方性を仮定すれば、溶接金属のビッカース硬さＨν_WMから、せん断強度（破断限界せん断応力）τ^crが推定できる（α（≦１）は溶接条件により決まる係数）。
τ^cr＝α｛（Ｈν_WM／３）×９．８｝／３^1/2

更に、溶接金属の硬さは、例えば、百合岡ら（非特許文献６を参照）の提案式を用い、鋼材のＣ量(質量％)から見積もることができる。
Ｈν_WM＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ²）＋２９４

このように推定した溶接金属の破断限界せん断応力τ^crは０．８ＧＰａであり、図６に見られるせん断応力τの臨界値０．７８ＧＰａ〜０．８１ＧＰａと大きな差が認められないことから、せん断応力τが臨界値である破断限界せん断応力τ^crを超えたときに破断が生じると解釈することができる。

以上、本発明者らが鋭意検討した結果、レーザ溶接部の破断メカニズムを明らかにした。
以下に要旨を述べる。
(１)母材のネッキングよりも先に、ビードに作用するせん断応力τが破断クライテリアに達したときには溶接金属でせん断破断が生じ、母材が先に塑性不安定条件を満足したときにはネッキングが生じてプラグ破断する。
(２)溶接金属でせん断破断が生じる支配因子はせん断応力である。即ち、ビード始終端に作用するせん断応力の最大値が材料固有の臨界値を越えたときに重ね面の溶融金属でせん断破断する。

―本発明を適用した好適な実施形態―
以下、上述した本発明の基本骨子を踏まえ、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図７は、本実施形態によるレーザ溶接部の破断予測装置の概略構成を示すブロック図である。
この破断予測装置は、レーザ溶接で接合された製品又は最終製品、ここでは自動車車体の鋼板の衝突強度を予測評価するものであり、鋼板のレーザ溶接部の破断限界強度を推定する破断限界強度推定部１と、鋼板のレーザ溶接部に作用する応力の破断限界強度との関係に基づいて、レーザ溶接部の破断の危険性を判定する破断判定部２とを備えて構成されている。
破断限界強度推定部１及び破断判定部２は、例えばコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）の各機能として実現される。

破断限界強度推定部１は、例えば、破断限界強度を材料固有の破断限界せん断応力τ^cr及び材料固有の破断限界応力σ^cr ₁₁として推定する。この破断限界応力σ^cr ₁₁としては、単軸引張試験から得られる引張強さとしても良い。

具体的には、破断限界せん断応力τ^crを推定する際に、溶接金属のビッカース硬さＨν_WMと溶接条件による係数α（≦１）を用いて、
τ^cr＝α｛（Ｈν_WM／３）×９．８｝／３^1/2 ・・・（１）
により算出する。
溶接金属のビッカース硬さＨν_WMを推定する際には、鋼材のＣ量（質量％）を用いて、
Ｈν_WM＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ²）＋２９４・・・（２）
により算出する。

破断判定部２は、応力をせん断応力τ及び引張応力σ₁₁として、シミュレーションにより得られるせん断応力τが破断限界せん断応力τ^crに達したとき（τ^cr以上となったとき：τ≧τ^cr）に、重ね面の溶接金属でせん断（シア、界面、剥離）破断すると判定する。
また破断判定部２は、引張応力σ₁₁が破断限界応力σ^cr ₁₁に達したとき（σ^cr ₁₁以上となったとき：σ₁₁≧σ^cr ₁₁）に、材料のネッキングにより破断を判定する。

ここで、破断判定部２は、評価対象となる連続したレーザ溶接部を多数の有限個のビーム要素に離散化（半径ｒの前記ビーム要素を間隔ｄで配置）することによりモデル化し、ビーム要素にせん断力ｆｓ、剥離力ｆｎ及びせん断力ｆｓと剥離力ｆｎとの合力ｆが作用するときに、せん断応力τ及び引張応力σ₁₁を、
τ＝ｆｓ／（２ｒｄ）
σ₁₁＝ｆ／（２ｒｄ）
として算出する。これは、単位面積当りに作用する荷重、即ち応力を示す。

図８は、本実施形態によるレーザ溶接部の破断予測方法を示すフロー図である。
レーザ溶接で接合された鋼板の衝突強度を予測評価するには、先ず、破断限界強度推定部１は、破断限界強度を材料固有の破断限界せん断応力τ^cr及び材料固有の破断限界応力σ^cr ₁₁として、例えば上記した式（１），（２）に基づいて推定する（ステップＳ１）。
続いて、破断判定部２は、シミュレーションにより得られるせん断応力τが破断限界せん断応力τ^crに達したときに、重ね面の溶接金属でせん断破断すると判定し、引張応力σ₁₁が破断限界応力σ^cr ₁₁に達したときに、材料のネッキングにより破断を判定する（ステップＳ２）。

以下、上述した実施形態による破断予測装置（方法）を適用した具体例について説明する。
上記の破断予測装置（方法）を用い、汎用衝突解析ＦＥＭコードにサブルーチンプログラムとして、部材の衝突変形の解析中にレーザ溶接部の破断を自動判定するシステムを構築した。本実施例として用いたコードは、動的陽解法ＦＥＭ（ESI社製PAM-CRASH）であり、シェル要素でモデル化した試験片についてMulti-PLINKを用いてレーザ溶接部をモデル化している。なお、供試材は１．２ｍｍ厚の５９０ＭＰａ級ＧＡ鋼板であり、前述の実験に倣った。

解析モデルを図９に示す。溶接長は４８ｍｍであり、レーザ溶接部を半径０．５ｍｍのビーム要素(Multi-PLINK)を用い、２ｍｍ間隔で計２５個のMulti-PLINKに離散化することでモデル化した（図９）。このモデルを上記のサブルーチンを実装した動的陽解法ＦＥＭで引張試験の解析を行い（図１０）、レーザ溶接部の破断を自動判定させて、実験の荷重履歴と比較した。入力したパラメータは鋼板の引張強さ６２６ＭＰａと炭素量０．０７６(重量％)である。これより、破断限界強度推定部１によって得られたレーザ溶接部の破断強度はσ^cr ₁₁＝６２６ＭＰａ、τ^cr＝７９８ＭＰａであり、ＦＥＭにより計算したレーザ溶接部の荷重と比較して、破断判定部２によってレーザ溶接部の破断を判定した。

図１１及び図１２は、上記の破断予測装置（方法）を用いた検証例を示しており、レーザ溶接部に作用するせん断応力分布と破断荷重に至るまでの荷重−ストロークとの関係を示す。多数のMulti-PLINKで離散化したレーザ溶接部のモデルは、レーザ溶接の始終端で大きな応力集中を観測しており、前述した３次元弾塑性有限要素モデルの解析結果を正確に再現している。このレーザ溶接部に作用する応力を用いて破断判定をした結果、以下のようになった。

プラグ破断の条件（溶接部に作用する引張応力σ₁₁が破断限界応力σ^cr ₁₁に達する：σ₁₁≧σ^cr ₁₁）より先にせん断破断の条件（せん断応力τが破断限界せん断応力τ^crに達する：τ≧τ^cr）を満足した。即ち、溶接金属でせん断破断した、引張ストロークが１．８ｍｍのとき破断と判定し、シミュレーションから得られた破断荷重は実験値と一致した（図１２）。

なお、上記の方法はPAM-CRASHのみならず、LSTC社製の商品名LS-DYNA3D等の市販のソルバーや、個別に開発されたソルバーに導入することができる。また、レーザ溶接部のモデルとしても、Multi-PLINKのような接触タイプのみならず、ビーム要素、シェル要素、ソリッド要素等にも適用可能である。

（本発明を適用した他の実施形態）
上述した実施形態による破断予測装置を構成する各構成要素（図７の破断限界強度推定部１及び破断判定部２）等の機能は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭ等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。同様に、破断予測方法の各ステップ（図８のステップＳ１，Ｓ２等）は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭ等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明に含まれる。

具体的に、前記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、前記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワークシステムにおける通信媒体を用いることができる。ここで、コンピュータネットワークとは、ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等であり、通信媒体とは、光ファイバ等の有線回線や無線回線等である。

また、本発明に含まれるプログラムとしては、供給されたプログラムをコンピュータが実行することにより上述の実施形態の機能が実現されるようなもののみではない。例えば、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本発明に含まれる。また、供給されたプログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本発明に含まれる。

例えば、図１３は、パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。この図１３において、１２００はＣＰＵ１２０１を備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。ＰＣ１２００は、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶された、又はフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）１２１２より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行する。このＰＣ１２００は、システムバス１２０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。

ＰＣ１２００のＣＰＵ１２０１、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶されたプログラムにより、本実施形態の図８におけるステップＳ１，Ｓ２の手順等が実現される。

１２０３はＲＡＭであり、ＣＰＵ１２０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。１２０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）１２０９や不図示のデバイス等からの指示入力を制御する。

１２０６はＣＲＴコントローラ（ＣＲＴＣ）であり、ＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）１２１０の表示を制御する。１２０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）である。ＤＫＣ１２０７は、ブートプログラム、複数のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイルそしてネットワーク管理プログラム等を記憶するハードディスク（ＨＤ）１２１１、及びフレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２とのアクセスを制御する。ここで、ブートプログラムとは、起動プログラム：パソコンのハードやソフトの実行（動作）を開始するプログラムである。

１２０８はネットワーク・インターフェースカード（ＮＩＣ）で、ＬＡＮ１２２０を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、或いは他のＰＣと双方向のデータのやり取りを行う。

引張せん断試験に供された試験片を示す模式図である。レーザ重ね継手の引張試験のシミュレーションの解析モデルを示す模式図である。溶接ビードに作用する試験片幅方向の応力分布を示す特性図である。引張方向のひずみ分布を示す特性図である。レーザ溶接部に作用する幅方向応力分布を示す特性図である。せん断応力とストロークとの関係を示す特性図である。本実施形態によるレーザ溶接部の破断予測装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態によるレーザ溶接部の破断予測方法を示すフロー図である。レーザ溶接部のモデリングを示す模式図である。動的陽解法ＦＥＭによる変形解析を示す模式図である。溶接部に作用する幅方向応力分布（実施例）を示す図である。ストロークと荷重との関係（実験値とシミュレーションの比較）を示す特性図である。パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。

符号の説明

１破断限界強度推定部
２破断判定部

Claims

レーザ溶接で接合された製品又は最終製品の衝突強度を予測評価する破断予測方法であって、
前記製品又は最終製品のレーザ溶接部の破断限界強度を推定する第１のステップと、
前記レーザ溶接部に作用する応力の前記破断限界強度との関係に基づいて、前記レーザ溶接部の破断の危険性を判定する第２のステップと
を含み、
前記第１のステップでは、前記破断限界強度を材料固有の破断限界せん断応力τ ^cr 及び材料固有の破断限界応力σ ^cr ₁₁ として推定し、
前記第２のステップでは、前記応力をせん断応力τ及び引張応力σ ₁₁ として、シミュレーションにより得られる前記せん断応力τが前記破断限界せん断応力τ ^cr 以上となったときに、重ね面の溶接金属でせん断破断すると判定し、前記引張応力σ ₁₁ が前記破断限界応力σ ^cr ₁₁ 以上となったときに、材料のネッキングにより破断を判定することを特徴とする破断予測方法。
前記第２のステップでは、評価対象となる連続した前記レーザ溶接部を多数の有限個のビーム要素に離散化（半径ｒの前記ビーム要素を間隔ｄで配置）することによりモデル化し、前記ビーム要素にせん断力ｆｓ、剥離力ｆｎ及び前記せん断力ｆｓと前記剥離力ｆｎとの合力ｆが作用するときに、前記せん断応力τ及び前記引張応力σ₁₁を、
τ＝ｆｓ／（２ｒｄ）
σ₁₁＝ｆ／（２ｒｄ）
により算出することを特徴とする請求項１に記載の破断予測方法。
前記第１のステップでは、前記破断限界せん断応力τ^crを推定する際に、前記溶接金属のビッカース硬さＨν_WMと溶接条件による係数α（≦１）を用いて、
τ^cr＝α｛（Ｈν_WM／３）×９．８｝／３^1/2
により算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の破断予測方法。
前記溶接金属のビッカース硬さＨν_WMを推定する際に、鋼材のＣ量（質量％）を用いて、
Ｈν_WM＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ²）＋２９４
により算出することを特徴とする請求項３に記載の破断予測方法。
前記破断限界応力σ^cr ₁₁を、単軸引張試験から得られる引張強さとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の破断予測方法。
レーザ溶接で接合された製品又は最終製品の衝突強度を予測評価する破断予測装置であって、
前記製品又は最終製品のレーザ溶接部の破断限界強度を推定する第１の手段と、
前記レーザ溶接部に作用する応力の前記破断限界強度との関係に基づいて、前記レーザ溶接部の破断の危険性を判定する第２の手段と
を含み、
前記第１の手段は、前記破断限界強度を材料固有の破断限界せん断応力τ ^cr 及び材料固有の破断限界応力σ ^cr ₁₁ として推定し、
前記第２の手段は、前記応力をせん断応力τ及び引張応力σ ₁₁ として、シミュレーションにより得られる前記せん断応力τが前記破断限界せん断応力τ ^cr 以上となったときに、重ね面の溶接金属でせん断破断すると判定し、前記引張応力σ ₁₁ が前記破断限界応力σ ^cr ₁₁ 以上となったときに、材料のネッキングにより破断を判定することを特徴とする破断予測装置。
前記第２の手段は、評価対象となる連続した前記レーザ溶接部を多数の有限個のビーム要素に離散化（半径ｒの前記ビーム要素を間隔ｄで配置）することによりモデル化し、前記ビーム要素にせん断力ｆｓ、剥離力ｆｎ及び前記せん断力ｆｓと前記剥離力ｆｎとの合力ｆが作用するときに、前記せん断応力τ及び前記引張応力σ₁₁を、
τ＝ｆｓ／（２ｒｄ）
σ₁₁＝ｆ／（２ｒｄ）
により算出することを特徴とする請求項６に記載の破断予測装置。
前記第１の手段は、前記破断限界せん断応力τ^crを推定する際に、前記溶接金属のビッカース硬さＨν_WMと溶接条件による係数α（≦１）を用いて、
τ^cr＝α｛（Ｈν_WM／３）×９．８｝／３^1/2
により算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の破断予測装置。
前記溶接金属のビッカース硬さＨν_WMを推定する際に、鋼材のＣ量（質量％）を用いて、
Ｈν_WM＝８８４Ｃ（１−０．３Ｃ²）＋２９４
により算出することを特徴とする請求項８に記載の破断予測装置。
前記破断限界応力σ^cr ₁₁を、単軸引張試験から得られる引張強さとすることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の破断予測装置。
コンピュータに、請求項１〜５のいずれか１項に記載の破断予測方法の第１のステップ及び第２のステップを実行させるプログラム。
請求項１１に記載のプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体。