JP5742755B2

JP5742755B2 - 溶接部の破断ひずみの予測方法、予測システム、及び溶接部を備えた部材の製造方法

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Publication number: JP5742755B2
Application number: JP2012054118A
Authority: JP
Inventors: 上田　秀樹; 秀樹上田; 英介中山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP2013186102A

Description

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。）を用いた溶接部の破断ひずみの予測方法に関する。

溶接、特にスポット溶接は、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。

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。

また、非特許文献２には、超小型試験片を用いた引張試験によりスポット溶接部の溶接金属部分、ＨＡＺ部分、母材部分それぞれの応力−歪み、引張強さ、破断伸び、破断絞りを個別かつ定量的に測定する方法や、その応力−歪み関係と破断絞りとから超小型試験片の引張試験を模擬したＦＥＭ解析によって各部位の局所的な破断ひずみを導出する方法が開示されている。かかる技術によれば、局所的な破断ひずみをスポット溶接部の各部位の破断基準としてＦＥＭ解析を行い、スポット溶接部の継手強度と破断部位とを高精度に予測することができる、とされている。

特開２００８−１０７３２２号公報

上田ら、自動車技術会論文集、Vol. 41、No. 4、(2010)、817-822 中山ら、自動車技術会論文集、Vol. 36、No. 1、(2005)、205-210

特許文献１、非特許文献１に記載の技術では、スポット溶接継手の引張試験結果とＦＥＭ解析結果とから破断ひずみを求めている。具体的には、試験結果の最大荷重とＦＥＭ解析結果の荷重とが一致した変位での相当塑性歪みを破断ひずみとして算出する。したがって、この方法ではスポット溶接継手の引張試験結果と整合性を取りながら破断ひずみを求めるため、スポット溶接継手の引張試験条件を対象にした破断予測には適していない。また、板の平面方向のみを考慮した二次元的なシェル要素でモデルを作成するため、板厚方向への亀裂進展等、詳細な破断因子の検討をすることができない。

一方、非特許文献２に記載の技術では、特許文献１や非特許文献１に記載の技術とは異なり、スポット溶接継手の引張試験条件を対象にした破断予測と、詳細な破断因子の検討が可能である。しかしながら、鋼種により破断ひずみが異なる場合があり、鋼種毎に超小型試験片の引張試験結果とＦＥＭ解析結果から局所的な破断ひずみを求めている（以下、この処理を「局所的破断ひずみ導出プロセス」という場合がある。）。したがって、破断ひずみが未導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、事前に局所的破断ひずみ導出プロセスが必要となる。局所的破断ひずみ導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。

そこで本発明は、破断ひずみが未導出である鋼種からなる部材について、局所的破断ひずみ導出プロセスを行わずに破断ひずみを精度良く予測することが可能な、溶接部の破断ひずみの予測方法、予測システム、及び当該破断ひずみ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、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。

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、破断ひずみを複数導出して破断ひずみ基準データとし、且つ、これらを各鋼種の化学成分に基づいて算出したパラメータで整理することにより、破断ひずみ基準データと各鋼種の当該パラメータとの関係が、累乗近似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、破断ひずみが未導出である鋼種であっても、当該鋼種の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ひずみを予測することができる。

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溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断ひずみの予測方法であって、あらかじめ破断ひずみが算出された複数の鋼種について、該破断ひずみを、該鋼種の化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断ひずみの分布から破断ひずみ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、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ひずみを算出する、破断ひずみ算出工程とを備える、破断ひずみの予測方法である。

本発明において、「溶接部」とは、特に鋼材の溶接部分とすることが好ましく、溶接金属部分（或いはナゲット部分）、ＨＡＺ部分、母材部分に大別することができる。「破断ひずみ」とは、従来においては局所的破断ひずみ導出プロセスにより導出されていたものであり、例えば、溶接部における母材部分の破断ひずみ、ＨＡＺ部分の破断ひずみ、溶接金属部分の破断ひずみ等を挙げることができる。また、特許文献１、非特許文献１に記載の「破断ひずみ」はスポット溶接部に限定したものであるが、本発明における「破断ひずみ」とはレーザ溶接等のその他溶接手段における溶接部にも適用可能な破断判定の基準値である。「あらかじめ破断ひずみが導出された複数の鋼種」とは、例えば、局所的破断ひずみ導出プロセスによって破断ひずみ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、破断ひずみ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、破断ひずみと相関関係のある、鋼種の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、「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。

本発明の第１の態様において、溶接部が、複数の異なる鋼種を接合した溶接部である場合、破断ひずみの予測に用いられる材質パラメータが、溶接部におけるそれぞれの鋼種の体積比と化学成分とにより特定・算出されることが好ましい。

本発明の第２の態様は、有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断ひずみの予測システムであって、複数の鋼種の破断ひずみ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ひずみを、化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断ひずみの分布から破断ひずみ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、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、該評価対象となる鋼種の破断ひずみを算出する、破断ひずみ算出手段とを備える、破断ひずみの予測システムである。

本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様に係る破断ひずみの予測方法により予測された破断ひずみ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板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置を決定し、該決定された板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置にしたがって部材を溶接する工程を備える、溶接部を備えた部材の製造方法である。

本発明においては、破断ひずみ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、破断ひずみが未導出である鋼種の破断ひずみを算出・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ひずみを容易に算出・予測することができる。すなわち、本発明によれば、破断ひずみが未導出である鋼種からなる部材に対しても、局所的破断ひずみ導出プロセスを行わずに破断ひずみを精度良く予測することが可能な、溶接部の破断ひずみの予測方法、予測システム、及び当該破断ひずみの予測方法や予測システムを用いて、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。

本発明に係る破断ひずみの予測方法の一例を示す図である。溶接金属の破断ひずみと材質パラメータParamPEwmとの関係を示す図である。ＨＡＺの破断ひずみと材質パラメータParamPEhazとの関係を示す図である。母材の破断ひずみと材質パラメータParamPEbmとの関係を示す図である。スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断ひずみの予測方法を適用した例を説明するための図である。スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断ひずみの予測方法を適用した解析結果の例を説明するための図である。レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断ひずみの予測方法を適用した解析結果の例を説明するための図である。レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る破断ひずみの予測方法を適用した解析結果の例を説明するための図である。本発明に係る破断ひずみの予測システムの一例を示す図である。

１．本発明完成までの経緯
上記非特許文献２によれば、超小型試験片の引張試験を模擬したＦＥＭ解析結果の試験部断面積が破断試験片での実測値に達したときの最大相当塑性ひずみを、その試験片の局所的な破断ひずみと定義できる。また、このプロセスを溶接金属、ＨＡＺ、母材毎に行うことで、各部位での破断ひずみを導出することができる。

鉄鋼材料では、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量という指標があり、鉄鋼材料の引張強さに対応したもの、溶接部硬さに対応したもの等がある。このように、鉄鋼材料では、化学成分と機械的特性との間に相関性があると考えられている。一方、引張試験において、破断試験片の断面積は破断絞りに換算される。破断絞りは機械的特性の一つであるため、本発明者らは、破断絞り及びそれから導出される破断ひずみと化学成分との間にも相関性があると考えた。そこで、非特許文献３（山内ら、住友金属、Vol. 33、No. 4、(1989)、109-120）に記載の下記式（１）で表される炭素当量に、非特許文献４（N. J. den Uijlら、Welding Research Abroad、Vol. 55、(2009)、1-12）に記載のＰ及びＳの影響度合いを追加した下記式（２）をベースにして、炭素以外の元素の割合を最小二乗法により適正化を図り、材質パラメータとして設定したところ、当該材質パラメータと破断ひずみとの関係が累乗曲線等のマスターカーブで近似できることを知見した。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／９０＋（Ｍｎ＋Ｃｒ）／１００ …（１）
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／９０＋（Ｍｎ＋Ｃｒ）／１００＋１．５Ｐ＋３Ｓ …（２）

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、溶接部の破断部位（例えば、溶接金属部分、ＨＡＺ部分、母材部分）に係る破断ひずみについて、材質パラメータとして鋼種の化学成分を用いることで、当該材質パラメータと破断ひずみ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、破断ひずみが未導出である鋼種に対しても、当該鋼種の化学成分を特定するだけで、当該鋼種の溶接部の破断部位に係る破断ひずみを適切に導出・予測することができる。

以下、実施形態に係る本発明について詳述する。

２．スポット溶接部の破断ひずみの予測方法
第１実施形態に係る本発明の破断ひずみの予測方法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、あらかじめ破断ひずみが導出された複数の鋼種について、当該破断ひずみを、鋼種の化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断ひずみの分布から破断ひずみ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ひずみを算出する、破断ひずみ算出工程Ｓ３とを備えている。

２．１．マスターカーブ決定工程Ｓ１（工程Ｓ１）
工程Ｓ１は、あらかじめ破断ひずみが導出された複数の鋼種について、当該破断ひずみを、鋼種の化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、破断ひずみの分布から破断ひずみ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、局所的破断ひずみ導出プロセスによって破断ひずみが既知である複数の鋼種として母材強度クラス２７０ＭＰａ級〜９８０ＭＰａ級の鋼板及び１５００ＭＰａ級の熱間プレス鋼板を用い、近似マスターカーブを決定した例を示す。

溶接金属部分、ＨＡＺ部分、母材部分の各部位の破断ひずみの分布については、まず、式（２）で算出した炭素当量を材質パラメータとして整理し、破断ひずみの分布を近似する累乗曲線から算出した近似破断ひずみと、局所的破断ひずみ導出プロセスで求めた破断ひずみとの誤差を判定し、最小二乗法で適正化を図り、炭素以外の元素の割合をそれぞれ決定する。その結果、溶接金属部分の破断ひずみの分布については材質パラメータParamPEwm、ＨＡＺ部分の破断ひずみの分布については材質パラメータParamPEhaz、母材の破断ひずみの分布については材質パラメータParamPEbmで各々整理することができる。

ParamPEwm、ParamPEhaz、ParamPEbm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（３）〜（５）を用いて算出することができる。
ParamPEwm＝Ｃ＋ａ_３×Ｓｉ＋ｂ_３×Ｍｎ＋ｃ_３×Ｃｒ＋ｄ_３×Ｐ＋ｅ_３×Ｓ …（３）
ParamPEhaz＝Ｃ＋ａ_４×Ｓｉ＋ｂ_４×Ｍｎ＋ｃ_４×Ｃｒ＋ｄ_４×Ｐ＋ｅ_４×Ｓ …（４）
ParamPEbm＝Ｃ＋ａ_５×Ｓｉ＋ｂ_５×Ｍｎ＋ｃ_５×Ｃｒ＋ｄ_５×Ｐ＋ｅ_５×Ｓ …（５）

上記式（３）〜（５）において、ａ_３、ｂ_３、ｃ_３、ｄ_３、ｅ_３、ａ_４、ｂ_４、ｃ_４、ｄ_４、ｅ_４、ａ_５、ｂ_５、ｃ_５、ｄ_５、ｅ_５は定数であり、具体的にはａ_３、ａ_４、ａ_５＝０．０〜０．２、ｂ_３、ｂ_４、ｂ_５＝０．０〜０．１、ｃ_３、ｃ_４、ｃ_５＝０．０〜０．０１、ｄ_３、ｄ_４、ｄ_５＝０．０〜１０．０、ｅ_３、ｅ_４、ｅ_５＝０．０〜２０．０である。これらの定数の導出方法としては、上記した通り、破断ひずみの分布が累乗近似等の近似曲線に沿うよう、最小二乗法を用いて適宜決定することができる。

このように、新たに材質パラメータを設定した場合、図２〜４に示すように、溶接金属部分の破断ひずみ（CrPEwm）と材質パラメータParamPEwmとの関係についてはマスターカーブMwmにより近似することができ、ＨＡＺ部分の破断ひずみ（CrPEhaz）と材質パラメータParamPEhazとの関係についてはマスターカーブMhazにより近似することができ、母材部の破断ひずみ（CrPEbm）と材質パラメータParamPEbmとの関係についてはマスターカーブMbm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。図２〜４におけるマスターカーブMwm、Mhaz、Mbmを数式化すると、具体的には下記式（６）〜（８）となる。
Mwm： CrPEwm ＝０．４７１４×ParamPEwm^{−０．３２０６} …（６）
Mhaz： CrPEhaz ＝０．５６６×ParamPEhaz^{−０．２６７１} …（７）
Mbm： CrPEbm ＝０．３９７３×ParamPEbm^{−０．５１５５} …（８）

２．２．材質パラメータ算出工程（工程Ｓ２）
工程Ｓ２は、評価対象となる鋼種（すなわち、破断ひずみが未導出である鋼種）について、その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、評価対象種の化学成分の含有量（質量％）を特定したうえで、例えば、上記式（３）〜（５）を用いて評価対象鋼種に係る材質パラメータParamPEwm、ParamPEhaz、ParamPEbmをそれぞれ算出する。また、本発明は、異なる材質の鋼種を接合した溶接金属にも適用することができる。この場合、複数の異なる鋼種を接合したスポット溶接継手における溶接金属の材質パラメータParamPEwm_ｍｉｘは、下記式（９）に示すように溶接金属部におけるそれぞれの鋼種の体積比を材質パラメータに乗じて算出されることが好ましい。尚、評価対象種の化学成分の含有量（質量％）については、評価対象種に係る文献データ又は鋼材の材質情報を記載したミルシートのデータ等から特定することができる。
ParamPEwm_ｍｉｘ＝ParamPWwm_ａ×(V_ａ/V_ｍｉｘ)＋ParamPWwm_ｂ×(V_ｂ/V_ｍｉｘ)…（９）
（式（９）において、ParamPWwm_ａ：鋼種ａの材質パラメータ、V_ａ：溶接金属部における鋼種ａの体積、ParamPWwm_ｂ：鋼種ｂの材質パラメータ、V_ｂ：溶接金属部における鋼種ｂの体積、V_ｍｉｘ：溶接金属部の全体の体積である。）

２．３．破断ひずみ算出工程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ひずみ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ParamPEwm、ParamPEhaz、ParamPEbmの値を、上記式（６）〜（８）にそれぞれ代入することにより、破断ひずみCrPEwm、CrPEhaz、CrPEbmを算出することができる。算出された破断ひずみは、それぞれ、溶接金属部分における破断ひずみの予測値、ＨＡＺ部分における破断ひずみの予測値、母材部分における破断ひずみの予測値とすることができる。

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、破断ひずみが未導出である鋼種における溶接部について、破断ひずみを精度良く予測することが可能となる。

図５に、スポット溶接継手引張試験条件の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）は評価対象のスポット溶接継手である。（ｂ）に示す従来技術は、評価対象の継手と同条件で溶接したスポット溶接部から採取した超小型試験片の引張試験とそれを模擬したＦＥＭ解析により破断ひずみを導出する。引張試験では、スポット溶接作業と超小型試験片の加工作業が必要となり、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、溶接金属部分、ＨＡＺ部分、母材部分の３部位を対象にした引張試験とＦＥＭ解析を実施するため、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ひずみの算出という机上作業のみで、精度よく破断ひずみを予測することができる。また、材料の化学成分に基づい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、高精度に破断ひずみを予測できる。（ｄ）はスポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析に係るメッシュデータであり、ｚ軸方向に対して１／２対称形でモデル化をしている。（ｅ）はスポット溶接部分周辺の拡大図である。材料特性データと破断ひずみは、溶接金属部分１１、ＨＡＺ部分１２、母材部分１３にそれぞれ設定する。

図６に、実際に本発明に係る予測方法を適用した試験結果として、スポット溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析における、本発明の予測方法を適用した解析結果の例を示す。図６（ｆ）は図５（ｄ）のメッシュデータを用いたＦＥＭ解析の結果である。図６（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）、（ｊ）は破断過程を示した解析結果で、溶接部近傍要素の相当塑性ひずみが破断ひずみに到達して、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。（ｇ）は変位４．５ｍｍ、（ｈ）は変位６ｍｍ、（ｉ）は変位７．５ｍｍ、（ｊ）は変位９ｍｍにおける解析結果で、破断起点と最大荷重時の変形形態を確認することができる。図６（ｋ）は試験結果と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。この結果から明らかなように、破断なしの従来手法は最大荷重を試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試験結果と一致している。よって本発明に係る予測方法は、破断の起点となる部位と破断経路を適切に検討し、破断による荷重低下を低減するための板組み、溶接部分の大きさ、溶接位置等の検討に活用することができる。

図７、図８に、実際に本発明に係る予測方法を適用した試験結果として、レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析における、本発明の予測方法を適用した解析結果の例を示す。図７（ｌ）はレーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析に係るメッシュデータであり、ｚ軸方向に対して１／２対称形でモデル化をしている。図７（ｍ）はレーザ溶接部分周辺の拡大図である。図５（ｃ）で示す方法で求めた破断ひずみと材料特性データは、溶接金属１４、ＨＡＺ１５、母材１６にそれぞれ設定する。

図８（ｎ）は、図７のメッシュデータを用いたＦＥＭ解析の結果である。図８（ｏ）、（ｐ）、（ｑ）、（ｒ）は破断過程を示した解析結果で、溶接部近傍要素の相当塑性ひずみが破断ひずみに到達して、その要素を削除した状態である。（ｏ）は変位１３ｍｍ、（ｐ）は変位１４ｍｍ、（ｑ）は変位１５ｍｍ、（ｒ）は変位１７ｍｍにおける解析結果で、破断起点と最大荷重時の変形形態を確認することができる。図８（ｓ）は試験結果と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試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試験結果と一致している。これらにより、本発明をレーザ溶接部の解析に適用した場合においても、破断の起点となる部位と破断経路を適切に検討し、破断による荷重低下を低減するための板組み、溶接金属位置と幅の検討等に活用することができる。

３．スポット溶接部の破断ひずみの予測システム
第２実施形態に係る本発明の破断ひずみの予測システム１０（以下、単に「予測システム１０」という。）を図９に示す。図９に示すように、予測システム１０は、複数の鋼種の破断ひずみ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ひずみを、化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断ひずみの分布から破断ひずみ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ひずみを算出する、破断ひずみ算出手段４とを備えている。

データベース１は、複数の鋼種について過去に導出した破断ひずみ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、破断ひずみは鋼種の化学成分毎に整理して記録しておくとよい。

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に記録された破断ひずみのうちの複数が、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ひずみ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。

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。

破断ひずみ算出手段４は、上記破断ひずみ算出工程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。破断ひずみ算出手段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、破断ひずみが算出される。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。

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、及び破断ひずみ算出手段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。

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、及び破断ひずみ算出手段４を機能させて上記工程Ｓ１〜Ｓ３を実行することにより、破断ひずみが未導出である鋼種における溶接部について、破断ひずみを精度良く予測することができる。

４．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ひずみの予測方法により予測された破断ひずみ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板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置を決定し、該決定された板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置にしたがって部材を溶接する工程を備える、溶接部を備えた部材の製造方法である。例えば、上記第１実施形態に係る本発明の破断ひずみの予測方法により予測された破断ひずみを用いて有限要素法解析を行い、解析結果に基づいて継手の板組み、溶接ナゲット径の大きさ、及び／又は、打点間隔を決定し、該決定された板組み、溶接ナゲット径の大きさ、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ことで、スポット溶接部を備えた継手を製造する形態が挙げられる。当該製造方法によれば、板組み、溶接部の大きさや溶接位置が適切とされた溶接部材を製造することができる。これを、例えば自動車部材等の設計に反映させることで、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が可能な自動車構造部材を製造することが可能である。

上記説明においては、主に、本発明がスポット溶接部やレーザ溶接部の解析に適用される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。その他溶接手段により溶接された部材を解析する場合においても、本発明を適用することが可能である。また、上記説明においては、本発明が溶接材料として鉄鋼材料を用いた場合に適用される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。チタンやアルミニウム等のその他金属材料に係る溶接部材を解析する場合であっても、本発明を適用することができる。

以下、実施例により、本発明に係る破断ひずみの予測方法について、より詳しく説明する。

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Mwm、Mhaz、Mbmを得た。

評価対象となる鋼種の材質パラメータの算出にあたり、当該鋼種の化学成分を特定した。具体的には下記の通りである。
Ｃ：０．０７４質量％
Ｓｉ：０．０６質量％
Ｍｎ：２．３４質量％
Ｐ：０．０１質量％
Ｓ：０．００１質量％
Ｃｒ：０．０３質量％

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化学成分を、上記式（３）〜（５）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、ParamPEwm＝０．１００７、ParamPEhaz＝０．１１８６、ParamPEbm＝０．１４６３であった。

破断ひずみ算出工程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（６）〜（８）に代入することにより行った。算出された破断ひずみは、CrPEwm＝０．９８、CrPEhaz＝１．００、CrPEbm＝１．０７となった。
また、従来の方法により導出された破断ひずみは、CrPEwm＝０．９４、CrPEhaz＝０．９５、CrPEbm＝１．０８となった。

なお、ひずみの解析結果は要素サイズの影響を受け、ひずみが集中する部位においては一般的に要素サイズが大きくなる程ひずみは小さくなる。したがって、破断ひずみも要素サイズの影響を受け、上記の破断ひずみは一辺が０．０５ｍｍの六面体要素を対象にしたものである。

実施例により算出された破断ひずみと、従来の方法（超小型試験片の引張試験とそれを模擬したＦＥＭ解析を用いた局所的破断ひずみ導出プロセス）により算出された破断ひずみとを比較したところ、実施例により算出された破断ひずみと従来の方法により算出された破断ひずみとがほぼ一致した。すなわち、本発明によれば、破断ひずみが未導出の鋼種についても、破断ひずみ導出プロセスを省略して、破断ひずみを精度よく予測できることが分かった。

本発明によれば、溶接部を備えた各種部材のＦＥＭ解析時に用いられる溶接部の破断ひずみを、精度良く予測することができる。これにより、ＦＥＭ解析の際、個別に局所的破断ひずみ導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ひずみは、例えば、スポット溶接継手の板組みや溶接ナゲット径を検討するためのＦＥＭ解析の際に用いることができ、さらにその結果を自動車の部材設計に反映させることができる。

Claims

有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断ひずみの予測方法であって、
あらかじめ破断ひずみが算出された複数の鋼種について、該破断ひずみを、該鋼種の化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断ひずみの分布から破断ひずみ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ひずみを算出する、破断ひずみ算出工程と、
を備える、破断ひずみの予測方法。
前記溶接部が、複数の異なる鋼種を接合した溶接部である場合において、前記破断ひずみの予測に用いられる前記材質パラメータが、溶接部におけるそれぞれの鋼種の体積比と化学成分とにより特定・算出されるものである、請求項１に記載の破断ひずみの予測方法。
有限要素法解析により溶接部の破断予測を実施する際に用いられる、破断ひずみの予測システムであって、
複数の鋼種の破断ひずみ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ひずみを、化学成分により特定される材質パラメータ毎にまとめ、該破断ひずみの分布から破断ひずみ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ひずみを算出する、破断ひずみ算出手段と、
を備える、破断ひずみの予測システム。
請求項１に記載の破断ひずみの予測方法により予測された破断ひずみ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板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置を決定し、該決定された板組み、溶接部の大きさ及び／又は溶接位置にしたがって部材を溶接する工程を備える、溶接部を備えた部材の製造方法。