JP5736896B2 - 疲労予き裂の導入方法 - Google Patents

Description

本発明は、疲労予き裂の導入方法、特に、スポット溶接された鋼板の溶接継手のナゲット部における、破壊靭性値の測定に供するに好適の、破壊靭性試験片を作製するために必須となる適切な疲労予き裂を導入する方法に関するものである。

近年、地球温暖化を防止する措置として、自動車のＣＯ_２排出ガスを抑制する動きが高まっている。併せて、石油資源の枯渇が危惧されていることから、自動車の燃費向上が求められている。両者の問題を解決するためには、車体重量の軽量化が必須であるため、自動車の主要部材には、５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度薄鋼板を使用する頻度が増えている。

一方、自動車構造における溶接の大半はスポット溶接である。上記のような高強度薄鋼板においては、引張強度を向上させるために、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の元素の添加量を増加させている。しかし、このような元素の添加量を増加させると、例えば、ＪＩＳ Ｚ３１３７に規定される静的な十字引張力（Ｃｒｏｓｓ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ：以下、「ＣＴＳ」と示す）が低下することが知られている。これは、上記元素の添加量を増加させると、溶接継手のナゲット領域（以下、「ナゲット部」と称する）が硬化し、その破壊靱性値が低下するためと考えられる。このナゲット部の破壊靭性値の低下により界面破断が発生しやすくなり、ＣＴＳが低下するのである。このため、ナゲット部の破壊靱性値を定量化する試験方法の確立や、この試験に供するナゲット部の破壊靱性試験片の製造方法の確立が希求されている。

これまで、スポット溶接継手の破壊靭性値については、様々な研究が報告されている。例えば、非特許文献１および２において、疲労強度は、鋼板強度、板厚、ナゲット径および溶接継手の形式に依存せず、混合モードを考慮した折線方向応力最大説を前提としたパラメータ：ΔＫθｍａｘによりほぼ整理される、と結論づけられている。
しかし、非特許文献２に記載されているように、き裂は、必ずしもナゲット部ではなく、溶接継手の熱影響領域（以下、「ＨＡＺ部」と示す）や母材に進展している場合が多く、ナゲット部の破壊靭性値の測定に最適な、ナゲット部をほぼ直進するき裂のΔＫθｍａｘについては明らかではない。また、ΔＫθｍａｘは有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、「ＦＥＭ」と示す）に基づく解析により得られる値であり、その計算には膨大な時間とコストがかかる。

一方、特許文献１には、母材の引張強度、試験片幅、板厚、ナゲット径等により破断強度パラメータを求め、有限要素解析（以下、「ＦＥＭ解析」と示す）により、破断強度パラメータをクライテリオンとして、ＣＴＳを予測する方法について記載されている。
しかし、破断強度パラメータは、各種要因（母材の引張強度、試験片幅、板厚、ナゲット径等）のフィッティングにより求めたものであり、多分に経験的なパラメータであると言え、ナゲット部そのものの破壊限界値を求める手法とは言い難い。また、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。

同様に、特許文献２には、母材引張強度、板厚、全伸び、試験片幅、ナゲット径などから求めた破壊ひずみパラメータをクライテリオンとして、ＦＥＭ解析によりＣＴＳを予測する方法について記載されている。
しかし、破壊ひずみパラメータを求めるには、経験的に求めた種々の補正係数が必要であり、特許文献１に記載された技術と同様に、ナゲット部そのものの破壊限界値を求める手法とは言い難い。また、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。

その他、非特許文献３〜５に記載されているように、混合モードの応力拡大係数範囲やＪ積分範囲を指標として疲労強度を予測する技術があるが、これらのパラメータは、溶接継手の疲労強度を求める指標であり、非特許文献１および２に記載された方法と同様に、その指標がナゲット部そのものの破壊限界値を示しているとは言い難い。さらに、ＦＥＭ解析には膨大なる時間とコストがかかる。

上述したように、ナゲット部の破壊靱性値を求めることができれば、自動車の構造安全性を評価でき、多大なる利点があるにも拘わらず、上記の通り、現在までに、ナゲット部の破壊靱性値を直接的に求める方法は存在していないのが実状である。それ以前に、ナゲット部の破壊靱性値を定量的に測定するための破壊靱性試験片についても、その詳細な製造方法は確立されていない。特に、破壊靭性試験片に、破壊靭性値の測定に必要な、疲労予き裂を導入する際に必要となる応力拡大係数や引張荷重の最大値を、ＦＥＭ解析を行うことなしに求めることは困難であり、ＦＥＭ解析に変わる手段が希求されていた。

特許第４１５０３８３号公報 特開２００７−３０４００５号公報

スポット溶接継手疲労強度データ集、（社）自動車技術会 結城良治 他、「スポット溶接継手の疲労強度の破壊力学的解析・評価」、日本機械学会論文集（Ａ編）、５１巻、４６７号、ｐｐ．１７７２−１７７９、１９８５ Ｓ．Ｚｈａｎｇ，"Ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ａｔ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｓ"， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ， ８８，ｐｐ．１６７−１８５，１９９７ Ｍ．Ｈ．Ｓｗｅｌｌａｍ ｅｔ ａｌ．，"Ａ ｆａｔｉｇｕｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｓ"，Ｆａｔｉｇｕｅ ＆ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１０，ｐｐ．１１９７−１２０４，１９９４ Ｐ．Ｃ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｋ．Ｗ．Ｅｗｉｎｇ，"Ａ Ｊ−ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｆａｔｉｇｕｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ａ ｔｅｎｓｉｌｅ−ｓｈｅａｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄ"， ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ ８８０３７３，１９８８

本発明の目的は、例えば、高強度薄鋼板のスポット溶接継手に、ナゲット部の破壊靭性値の測定に好適な疲労予き裂を導入する方法について提案することにある。

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討を行った。まず、ＦＥＭ解析により、種々の引張強度、板厚ならびにナゲット部の直径（以下、「ナゲット直径」と示す）を有する鋼板のスポット溶接継手において、疲労予き裂が進展する際の開口モード（モードＩ）の応力拡大係数の最大値Ｋ_Imaxおよび引張荷重の最大値Ｐ_maxを求めた。得られた結果を詳細に検討した結果、ナゲット部内を直進する疲労予き裂を導入するためには、開口モード（モードＩ）の応力拡大係数の最大値：Ｋ_Imaxが、１５［ＭＰａ・ｍ^1/2］以下を満足することが肝要であることを見出した。更に、Ｋ_ImaxとＰ_maxとの間には線形の関係があり、溶接された鋼板に負荷する引張荷重は、上記範囲のＫ_Imaxを設定することにより得られるＰ_maxを上限とすることが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。
即ち、本発明の疲労予き裂の導入方法は、鋼板を板厚方向に複数枚重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接し、該スポット溶接継手の鋼板板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入するに当たり、前記引張荷重は、前記ナゲット部の直径、開口モードの応力拡大係数の最大値および前記鋼板の厚みから決定される値を上限とし、前記開口モードの応力拡大係数の最大値Ｋ _Imax は１５［ＭＰａ・ｍ ^1/2 ］以下であり、前記引張荷重の上限Ｐ _max ［Ｎ］は、下記の式（Ａ）に従うことを特徴とするものである。
記
ただし、
ここで、ＮＤ：前記ナゲット部の直径［ｍｍ］、ｔ：前記鋼板の厚み［ｍｍ］、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数である。

また、本発明の疲労予き裂の導入方法において、前記応力拡大係数を２［ＭＰａ・ｍ^１／２］以上１０［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下とすることを特徴とする、請求項１に記載の疲労予き裂の導入方法。

本発明によれば、ＦＥＭ解析を行うことなく疲労予き裂を導入するための引張荷重の最大値を容易に求めることができ、破壊靭性値の測定に供するに好適の、破壊靭性試験片を作製するために必須となる適切な疲労予き裂を溶接継手のナゲット部に導入することができる。

疲労荷重の上限値とナゲット部の直径と板厚との積と、モードＩの応力拡大係数との関係を示す図である。 ナゲット部の直径と板厚との積と、図１における直線の傾きαとの関係を示す図である。 （ａ）十字形引張疲労試験片の模式図、および（ｂ）疲労予き裂導入後の溶接継手のナゲット部の断面観察結果である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明の溶接継手への疲労予き裂の導入方法は、複数枚の鋼板を板厚方向に重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接し、該スポット溶接継手の鋼板板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して溶接継手のナゲット部に予き裂を導入する。その際、引張荷重は、ナゲット部の直径、開口モードの応力拡大係数の最大値および鋼板の厚みから決定される値を上限とすることが肝要である。この引張荷重の上限Ｐ_ｍａｘ［Ｎ］は、開口モードの応力拡大係数の最大値Ｋ_Ｉｍａｘ：１５［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下において、下記の式（１）に従う。
ただし、
ここで、ＮＤ：溶接継手のナゲット部の直径［ｍｍ］、ｔ：鋼板の厚み［ｍｍ］、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数である。

従来、ナゲット部の破壊靭性値の測定に好適な、ナゲット部内を直進する疲労予き裂を溶接継手に導入するための指針は存在しなかった。また、引張荷重の最大値Ｐ_ｍａｘは、上述のようにＦＥＭ解析を行って求める必要があり、時間およびコストの上昇を招いていた。そこで発明者らは、鋭意検討した結果、ナゲット部内を直進する疲労予き裂を導入するためには、開口モード（モードＩ）の応力拡大係数の最大値：Ｋ_Ｉｍａｘが、１５［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下を満足することが肝要であることを見出したのである。更に、Ｐ_ｍａｘおよびＫ_Ｉｍａｘは、上記式（１）に示す線形の関係があり、上記範囲内にあるＫ_Ｉｍａｘが設定されれば、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入するための引張荷重の最大値Ｐ_ｍａｘをＦＥＭ解析なしに求めることができることを見出したのである。以下、この知見を得るに至った実験結果について説明する。

発明者らは、ＦＥＭ解析により、種々の引張強度：ＴＳ、板厚：ｔならびにナゲット直径：ＮＤを有する十字形引張疲労試験片について、モードＩの応力拡大係数の最大値Ｋ_Ｉｍａｘ［ＭＰａ・ｍ^１／２］および引張荷重Ｐ_ｍａｘ［Ｎ］を求めた。ＦＥＭ解析は、スポット溶接継手の１／４軸対称ソリッドモデルを作製し、ＡＢＡＱＵＳ（Ｖｅｒ．６．９．２）にて行った。このモデルでは、コロナボンドをき裂と仮定し、また、治具で固定されている部分を剛体と仮定した。そして、継手の一方を固定して、他方に静的な強制変位を与えて解析した。その際、入力したＳ−Ｓカーブは、母材のＳ−Ｓカーブから、硬さ比（ＨＡＺ部又はナゲット／母材）でＹＳ、ＴＳおよび一様伸びを変化（硬さ比が上昇すると、ＹＳおよびＴＳが増加し、一様伸びは減少する。また、硬さ比が減少すると、ＹＳおよびＴＳが低下し、一様伸びが増加する）させたものとした。また、応力拡大係数は、き裂（コロナボンド）先端のＪ積分値から換算した値とした。得られた応力拡大係数は、例えば、非特許文献１に示された値と同等であることが確認された。なお、このＦＥＭ解析は、上記ＡＢＡＱＵＳばかりでなく、ＭＡＲＣ等の汎用ソフトを用いて行うこともできる。

得られた結果を詳細に検討した結果、Ｋ_Ｉｍａｘが１５［ＭＰａ・ｍ^１／２］を超えると、疲労予き裂がＨＡＺ部内へ進展したり、溶接継手が破断したりすることが明らかとなった。従って、破壊靭性値の測定に供するに好適の、破壊靭性試験片を作製するために必須となる適切な疲労予き裂を導入するためには、Ｋ_Ｉｍａｘが１５［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下を満足することが肝要となるのである。

更に解析を進めたところ、Ｋ_ＩｍａｘおよびＰ_ｍａｘ×ＮＤ×ｔは、図１に示すように、線形の関係にあることが分かった。即ち、Ｋ_Ｉｍａｘが決定されれば、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入するための引張荷重の最大値Ｐ_ｍａｘが求まるのである。
この直線の傾きαについて詳細な検討を重ねた結果、ＮＤ×ｔを横軸に、αを縦軸にプロットすると、図２のようになり、ＮＤ×ｔとαとの間には式（２）に示す関係があることが分かった。ここで、式（２）における係数Ｈは、０．０５〜０．１５の範囲の値である。この値は、上述のように、種々の引張強度：ＴＳ、板厚：ｔならびにナゲット直径：ＮＤを有する鋼板を用いたＦＥＭ解析から得られており、現在の高強度薄鋼板のスポット溶接継手においては、係数Ｈの値は０．０５〜０．１５の範囲から逸脱することはないと考えられる。

以上の知見から、１５［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下のＫ_Ｉｍａｘを設定すれば、上記式（１）および（２）から引張荷重の最大値Ｐ_ｍａｘが求まり、得られたＰ_ｍａｘを上限として鋼板の溶接継手に引張荷重を繰り返し負荷することにより、ナゲット部の破壊靭性値の測定に好適な、ナゲット部内を直進する疲労予き裂を溶接継手に導入することができるのである。以下、疲労予き裂を導入する際の各要件について説明する。

ナゲット部内を直進する適切な疲労予き裂を導入する方法は、ＪＩＳ Ｚ ３１３８に準拠した十字形引張疲労試験の場合、応力拡大係数の最大値Ｋ_Ｉｍａｘ、引張荷重の最大値Ｐ_ｍａｘ、板厚ｔ、およびナゲット直径ＮＤが、上記した式（１）の関係を満足するのであれば、特に限定されない。即ち、上記方法以外に、ナゲット部に疲労予き裂を導入する方法として、各種曲げ疲労試験、引張疲労試験などがあるが、引張荷重の最大値が、ナゲット部の直径、開口モードの応力拡大係数の最大値、鋼板の厚みと関連性を有していれば、本発明の範囲内にあることに注意する。

溶接継手のナゲット部に導入される疲労予き裂の長さ：ａ_ｃ［ｍｍ］は、任意に設定することができ、溶接継手に疲労予き裂の導入を、以下の式（３）から求まる疲労予き裂を導入する回数：Ｎだけ繰り返すことにより、長さａ_ｃ［ｍｍ］の疲労予き裂を導入することができる。
ここで、Ｈは、０．０５〜０．１５の任意の定数である。また、Ｃおよびｍは材料定数であり、それぞれ５×１０^−１４〜１×１０^−１１、０．６７〜４．２１の範囲の値をとることが明らかになっている。即ち、Ｃおよびｍの値が上記範囲にない場合には、鋼でないことを意味する。
なお、疲労予き裂導入回数が極端に増加すると、単位時間当たりの人的あるいは実験コストの増加が顕著となるため、Ｎの上限は１０００万回とする。

Ｋ_Ｉｍａｘの値は、上述の通り、１５［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下とする。疲労予き裂の進展の直進性を向上させる点から、Ｋ_Ｉｍａｘの値は、２［ＭＰａ・ｍ^１／２］以上１０［ＭＰａ・ｍ^１／２］以下とすることが好ましい。

溶接された鋼板の引張強度は５９０［ＭＰａ］以上であることが好ましい。これは、５９０［ＭＰａ］未満の引張強度を有する鋼板は、従来使用されているように、ＣＴＳの低下は深刻ではなく、本発明は５９０［ＭＰａ］以上の引張強度を有する鋼板にとりわけ有効である。また、引張強度の上限は特に限定されないが、実用的に使用可能な２０００［ＭＰａ］以下で十分である。

また、スポット溶接継手に供する鋼板の枚数は２枚以上とする。上限は特に限定されないが、溶接可能な枚数である５枚以下が好ましい。

なお、疲労予き裂を閉口させないために、応力比（荷重比）（＝Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_ｍｉｎ）に関しては、０以上とすることが好ましい。ここで、Ｐ_ｍｉｎは、スポット溶接された鋼板に負荷される引張荷重の最小値である。また、応力比（荷重比）の上限は特に問わないが、１未満であることが好ましい。

こうして、ＦＥＭ解析を行うことなく疲労予き裂を導入するための引張荷重の最大値を容易に求め、破壊靭性値の測定に供するに好適の、破壊靭性試験片を作製するために必須となる適切な疲労予き裂を溶接継手のナゲット部に導入することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す、種々の引張強度：ＴＳおよび板厚：ｔを有する高強度薄鋼板を用いて、ナゲット直径を２√ｔ〜７√ｔの間で変化させて、図３（ａ）に示すような、２枚重ねのＪＩＳ Ｚ ３１３８に準拠する十字引張疲労試験片を作製し、室温、大気中にて、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入した。
まず、疲労予き裂を導入するためのＫ_Ｉｍａｘを設定し、式（１）から、十字引張疲労試験片に負荷する引張荷重の最大値：Ｐ_ｍａｘを求めた。
次いで、疲労予き裂の長さ：ａ_ｃ［ｍｍ］を設定し、表１に示した材料定数Ｃおよびｍを用いて、上記式（３）から疲労予き裂の導入回数：Ｎを求めた。
その後、Ｐ_ｍａｘを十字引張疲労試験片にＮ回繰り返して負荷し、溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入した。ここで、Ｎは１０００万回を上限とした。

疲労予き裂導入後の疲労予き裂長さの実測値：ａ_ｃ ^＊を、後に示す図3のように、ナゲット部中央において切断した断面観察から求めた。ａ_ｃ ^＊、および所望の疲労予き裂長さａ_ｃが得られたか否かの判定結果を表１に示す。ここで、ａ_ｃ ^＊／ａ_ｃが０．７以上１．３以下の場合に、所望の疲労予き裂長さａ_ｃが得られたものと判定して○とし、上記範囲外にある場合には×とした。

以上の条件に従って疲労予き裂を導入したところ、表１に示すように、発明例１〜２２の全ての場合について、ａ_ｃ ^*／ａ_ｃは上記範囲内にあり、所望の長さａ_ｃを有する疲労予き裂を導入することができた。図３（ｂ）は、発明例１１の鋼板を用いて作製した十字引張疲労試験片に疲労予き裂を導入した後に、ナゲット部の中央で切断し、疲労予き裂の進展状況を調べた断面観察結果である。図に示すように、先鋭化された疲労予き裂がナゲット部内へ、板厚方向とほぼ垂直（長軸方向）に進展していることが分かる。即ち、本発明の疲労予き裂導入方法により、ナゲット部内に直進する疲労予き裂を導入できることが分かる。

一方、比較例１の場合には、Ｋ_Ｉｍａｘが本発明において規定した範囲の上限を超えており、疲労予き裂を導入の際、Ｐ_ｍａｘが大きいために溶接継手が破断し、疲労予き裂を導入することができなかった。
また、比較例２では、Ｃが本発明において規定した範囲の下限を下回っているため、実際に疲労予き裂を導入した際に、数十万回で疲労破壊し、疲労予き裂を導入することができなかった。
同様に、比較例３では、ｍが本発明において規定した範囲の下限を下回っているため、式（３）より計算されるＮが１０００万回を超えた。しかし、疲労予き裂を導入すると、Ｐ_ｍａｘが大きいために数十万回で溶接継手が破断し、疲労予き裂を導入することができなかった。
比較例４では、Ｋ_Ｉｍａｘが本発明において規定した範囲の下限を下回っているため、式（３）より計算されるＮが１０００万回を超えたが、１０００万回行っても所望の長さａ_ｃを有する疲労予き裂を導入することができなかった。
比較例５では、Ｃが本発明において規定した範囲の上限を超えているため、式（３）より計算されるＮが２回となり、疲労予き裂を導入することができなかった。
比較例６では、ｍが本発明において規定した範囲の上限を超えているため、式（３）より計算されるＮが１３５回となり、疲労予き裂を導入することができなかった。
比較例７では、Ｈが本発明において規定した範囲の上限を超えているため、式（３）より計算されるNが１０００万回を超えており、１０００万回行っても所望の長さａ_ｃを有する疲労予き裂を導入することができなかった。
比較例８では、Ｈが本発明において規定した範囲の下限を下回っているため、式（１）より計算されるＰ_ｍａｘの値が大きくなり、引張荷重を負荷した直後に溶接継手が破断し、疲労予き裂を導入することができなかった。

Claims (2)

1. 鋼板を板厚方向に複数枚重ね合わせて鋼板相互をスポット溶接し、該スポット溶接継手の鋼板板厚方向に引張荷重を繰り返し負荷して溶接継手のナゲット部に疲労予き裂を導入するに当たり、
   前記引張荷重は、前記ナゲット部の直径、開口モードの応力拡大係数の最大値および前記鋼板の厚みから決定される値を上限とし、
   前記開口モードの応力拡大係数の最大値Ｋ _Imax は１５［ＭＰａ・ｍ ^1/2 ］以下であり、
   前記引張荷重の上限Ｐ _max ［Ｎ］は、下記の式（Ａ）に従うことを特徴とする疲労予き裂の導入方法。
   記
   ただし、
   ここで、ＮＤ：前記ナゲット部の直径［ｍｍ］、ｔ：前記鋼板の厚み［ｍｍ］、Ｈ：０．０５〜０．１５の任意の定数である。
2. 前記応力拡大係数を２［ＭＰａ・ｍ^1/2］以上１０［ＭＰａ・ｍ^1/2］以下とすることを特徴とする、請求項１に記載の疲労予き裂の導入方法。