JP6179356B2

JP6179356B2 - 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: JP6179356B2
Application number: JP2013228223A
Authority: JP
Inventors: 上田　秀樹; 秀樹上田; 英介中山; 富士本　博紀; 博紀富士本; 岡田　徹; 徹岡田
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Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2017-08-16
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Description

本発明は、有限要素法解析（Finite Element Method解析。以下において「ＦＥＭ解析」ということがある。）を用いた溶接部の破断ひずみの予測方法、該予測方法を実施可能な予測システム、及び、溶接部を備えた部材を、上記予測方法を用いて製造する方法に関する。

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。また、近年は、片側アクセスや連続溶接が可能なレーザ溶接が注目されており、自動車部材の接合方法として実用化が進んでいる。部材の衝突エネルギー吸収性能の評価に多用されているＦＥＭ解析の解析精度の向上には、これら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溶接条件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。

ＦＥＭ解析において、溶接部の破断を考慮するためには、溶接部の破断判定値等の強度特性を予め求める必要がある。溶接部の強度特性を予測する技術として、例えば特許文献１には、ステンレス鋼で構成され、溶接された構造部材の溶接部近傍の硬さ予測方法であって、条件を変えて溶接された構造部材の溶接部近傍における硬さと、構造部材における少なくとも一つ以上の溶接部近傍の硬さに影響を及ぼす因子と、について測定を行い、硬さと因子の測定値を用いて統計処理を行い、溶接部近傍の硬さを予測する指標を作成する溶接部近傍の硬さ予測方法が開示されている。この特許文献１には、上記因子として、溶接条件、化学成分、及び機械的特性、のうちから少なくとも一つ以上を選択することとしても良い、と記載されている。また、特許文献２には、特定の母材と特定のワイヤを用いて、種々の溶接条件で溶接を行ったときの冷却速度と、溶接金属の再熱部及び原質部の夫々について機械的特性との関係を予め調べておくと共に、特定の母材と特定のワイヤを用いて種々の溶接条件で溶接を行ったときの再熱部と原質部の断面の面積比を予め調べておき、特定の母材と特定のワイヤを用いて溶接を行う際の板厚、入熱量、パス間温度から計算によって求められる冷却速度と機械的速度との関係、及び溶接条件と再熱部と原質部の面積比との関係を照合することにより、溶接金属の機械的特性を予測する、溶接金属の特性予測方法が開示されている。また、非特許文献１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。

また、特許文献３には、非特許文献１における局所的破断ひずみ導出プロセス（鋼種毎に平滑形状の超小型試験片の引張試験結果とＦＥＭ解析結果とから局所的な破断ひずみを求めるプロセスをいう。以下において同じ。）の増加による作業時間と人的労力を要する問題を解決する方法が開示されている。かかる技術によれば、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導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、これを用いて任意鋼種の破断ひずみを化学成分から予測することができる、とされている。

特開２０１３−１４０１２７号公報特開２００２−１７８１４７号公報特開２０１３−１８６１０２号公報

中山英介、外５名、「スポット溶接部の力学特性の測定と継手引張強度の予測」、自動車技術会論文集、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．１、（２００５）、ｐ．２０５−２１０Ｍ．ＶＩＣＴＯＲＬｉら、ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬＡＮＤＭＡＴＥＲＩＡＬＳＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＢ、Ｖｏｌ．２９Ｂ、（１９９８）、ｐ．６６１−６７２

特許文献１または２に開示されている技術によれば、溶接金属部近傍の硬さや溶接金属の機械的特性を予測することが可能と考えられる。しかしながら、これらの技術では、破断を予測することは出来ず、また、予測の対象はアーク溶接に限定している。また、非特許文献１に開示されている技術によれば、局所的な破断ひずみを求めることで、破断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、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。したがって、破断ひずみ未導出の鋼種を対象とする都度、局所的破断ひずみ導出プロセスが必要となり、本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。

また、特許文献３に開示されている技術によれば、非特許文献１の課題を解決するため、任意鋼種の破断ひずみを化学成分から予測することが可能と考えられ、同文献の実施例では、スポット溶接にもレーザ溶接にも適用可能であることが示されている。

しかしながら、レーザ溶接では、一般に、スポット溶接と比較して冷却速度が遅くなり、その結果、溶接金属の硬さが低下する。溶接金属の硬さが低下すると延性が向上するため、破断限界ひずみは大きくなる。この点、特許文献３に開示されている技術では、破断ひずみ予測プロセスにおいて溶接金属の硬さは考慮されていない。そのため、破断ひずみを予測するための前述のマスターカーブは、厳密には、スポット溶接及びレーザ溶接のそれぞれの溶接方法について別々に求められるべきである。

そこで本発明は、スポット溶接やレーザ溶接等の溶接手法を限定することなく、破断ひずみが未導出である金属材料について、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、当該予測方法を実施可能な予測システム、及び、当該予測方法を用いる、溶接部を備えた部材の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意研究の結果、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、及び、溶接金属の硬さ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と溶接金属硬さが分かっていれば、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、このような知見に基づいて完成させた。以下、本発明について説明する。

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、溶接部の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金属材料について、破断ひずみを、該金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより特定される材質パラメータ毎にまとめ、得られた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、評価対象となる金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより、該評価対象となる金属材料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金属材料の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる金属材料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、溶接部の破断ひずみの予測方法である。

ここに、本発明の第１の態様及び以下に示す本発明の他の態様（以下において、これらをまとめて「本発明」ということがある。）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。また、「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に相当する。ここで、非特許文献１における「破断ひずみ」はスポット溶接部に限定していたが、本発明における「破断ひずみ」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。また、「あらかじめ破断ひずみが算出された複数の金属材料」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。また、「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。なお、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。また、「材質パラメータ」とは、破断ひずみと相関関係のある、金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより設定されたパラメータをいい、詳しくは後述する。また、「化学成分」とは、金属材料に含まれる成分の質量％濃度やモル濃度、体積％濃度や組成比等を例示することができる。また、「溶接金属硬さ」とは、溶接金属部分の硬さを表す値で、具体的には、ビッカース硬さ等を例示することができる。

また、上記本発明の第１の態様において、溶接部が、複数の異なる金属材料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金属材料の体積比と化学成分及び溶接金属硬さとを用いて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、溶接部の破断ひずみを予測するシステムであって、複数の金属材料の破断ひずみを蓄積したデータベースと、該データベースから選択された複数の破断ひずみを、上記金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより特定される材質パラメータ毎にまとめ、得られた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部と、評価対象となる金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより、該評価対称となる金属材料の材質パラメータを算出する材質パラメータ算出部と、マスターカーブ決定部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部により算出された評価対象となる金属材料の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる金属材料の破断ひずみを算出する破断ひずみ算出部と、を備える、溶接部の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、上記本発明の第１の態様に係る溶接部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、その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。

本発明では、破断ひずみと金属材料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金属材料の破断ひずみを算出して予測する場合であっても、金属材料の材質パラメータを特定することにより、近似マスターカーブを用いて破断ひずみを容易に算出して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金属材料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を提供することができる。また、本発明によれば、この予測方法を実施可能な予測システム、及び、当該予測方法を用いる、溶接部を備えた部材の製造方法を提供することができる。

本発明に係る溶接部の破断ひずみの予測方法の一例を示す図である。溶接金属硬さと破断ひずみとの関係を示す図である。溶接金属の破断ひずみと材質パラメータＰａｒａｍＨｗｍとの関係を示す図である。レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る溶接部の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。レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析において、本発明に係る溶接部の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。本発明に係る溶接部の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
特許文献３に開示されている技術では、破断ひずみと相関関係のある材質パラメータを用いて、任意鋼種の破断ひずみを予測することができる近似マスターカーブを設定している。そして、材質パラメータは、評価対象鋼種の化学成分Ｃ、Ｓｉ，Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒの質量％濃度にそれぞれ定数を乗じて算出している。
上述のように、同じ鋼種でもスポット溶接とレーザ溶接とでは溶接時の冷却速度の違いから溶接金属硬さが異なり、通常の溶接条件の場合、レーザ溶接の方が冷却速度は低く、それに従い溶接金属硬さも低下する。溶接金属のような焼入れ材では、一般に、硬さが低いほど延性が向上し、その結果、非特許文献１及び特許文献３に記載のレーザ溶接部の破断ひずみは、図２に示すようにスポット溶接部の破断ひずみよりも大きくなる。そこで、溶接金属部のビッカース硬さＨｖと化学成分の影響度合いを考慮した下記式（１）をベースにして、化学成分の割合を最小二乗法で適正化を図ることにより、材質パラメータＰａｒａｍＨｗｍを設定した。その結果、本発明者らは、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。
ParamHwm ＝ Hv + a_１×C + a_２×Si + a_３×Mn + a_４×P
+ a_５×S + a_６×Mo + a_７×Ti + a_８×B （１）
上記式（１）において、ａ_１、ａ_２、ａ_３、ａ_４、ａ_５、ａ_６、ａ_７、ａ_８は定数である。また、Ｃは鋼種中に含まれる炭素成分量（質量％）、Ｓｉは鋼種中に含まれるシリコン成分量（質量％）、Ｍｎは鋼種中に含まれるマンガン成分量（質量％）、Ｐは鋼種中に含まれるリン成分量（質量％）、Ｓは鋼種中に含まれる硫黄成分量（質量％）、Ｍｏは鋼種中に含まれるモリブデン成分量（質量％）、Ｔｉは鋼種中に含まれるチタン成分量（質量％）、Ｂは鋼種中に含まれるボロン成分量（質量％）である。

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、本発明においては、溶接部の破断部位に係る破断ひずみについて、材質パラメータとして金属材料の化学成分及び溶接金属硬さを用いる。これにより、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って、破断ひずみが未導出である金属材料に対しても、当該金属材料の化学成分及び溶接金属硬さを特定することにより、当該金属材料の溶接部の破断部位に係る破断ひずみを適切に導出し予測することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、金属材料が母材強度クラス２７０ＭＰａ級〜１５００ＭＰａ級の鋼板であり、その溶接金属部分の破断ひずみを予測する場合を主に例示するが、本発明は以下に説明する形態に限定されない。

２．溶接部の破断ひずみの予測方法
本発明の第１実施形態に係る溶接部の破断ひずみの予測方法Ｓ１０（以下において、「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、マスターカーブ決定工程Ｓ１と、材質パラメータ算出工程Ｓ２と、破断ひずみ算出工程Ｓ３と、を有している。

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、鋼種の化学成分及び溶接金属硬さ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級のホットスタンプ鋼板を用い、近似マスターカーブを決定した例を示す。

溶接金属部の破断ひずみの分布については、まず、式（１）を用いて化学成分の定数ａ_１〜ａ_８に１を乗じて算出した値を材質パラメータとして整理する。次いで、破断ひずみの分布を近似する累乗関数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ることにより、化学成分元素の割合（定数ａ_１〜ａ_８）をそれぞれ決定する。

このようにして材質パラメータを適正化すると、溶接金属部分の破断ひずみ（ＣｒＰＥｗｍ）と材質パラメータＰａｒａｍＨｗｍとの関係を、近似マスターカーブＭｗｍにより近似することができる。近似マスターカーブＭｗｍの一例を図３に示す。近似マスターカーブＭｗｍ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３における近似マスターカーブＭｗｍを数式化すると、具体的には下記式（２）になる。
Ｍｗｍ：ＣｒＰＥｗｍ＝１０．８×ＰａｒａｍＨｗｍ^{−０．３８} （２）

２．２．材質パラメータ算出工程Ｓ２（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、その化学成分及び溶接金属硬さ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、評価対象となる鋼種の化学成分の含有量（質量％）と溶接金属部のビッカース硬さＨｖとを特定したうえで、例えば、上記式（１）を用いて評価対象となる鋼種の材質パラメータＰａｒａｍＨｗｍを算出する。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溶接継手における溶接金属の材質パラメータＰａｒａｍＨｗｍ_ｍｉｘは、下記式（３）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。なお、評価対象となる鋼種の化学成分の含有量（質量％）については、評価対象となる鋼種の文献データや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。また、溶接金属部のビッカース硬さＨｖは、溶接金属サンプルを対象にした硬さ測定や、非特許文献２等に記載の硬さの予測式から特定することができる。
ParamHwm_ｍｉｘ＝ ParamHwm_ａ×(V_ａ/V_ｍｉｘ) ＋ ParamHwm_ｂ×(V_ｂ/V_ｍｉｘ) （３）
上記式（３）において、ＰａｒａｍＨｗｍ_ａは鋼種ａの材質パラメータ、Ｖ_ａは溶接金属部における鋼種ａの体積、ＰａｒａｍＨｗｍ_ｂは鋼種ｂの材質パラメータ、Ｖ_ｂは溶接金属部における鋼種ｂの体積、Ｖ_ｍｉｘは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ＰａｒａｍＨｗｍの値を、上記式（２）に代入することにより、破断ひずみＣｒＰＥｗｍを算出することができる。算出された破断ひずみは、溶接金属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４に、レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析における、予測方法Ｓ１０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。図４の（ａ）は評価対象のレーザ溶接継手、図４の（ｂ）は従来技術、図４の（ｃ）は予測方法Ｓ１０である。また、図４の（ｄ）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。また、図４の（ｅ）はレーザ溶接部分周辺の拡大図である。材料特性データは、図４の（ｅ）に示した溶接金属部分１１、ＨＡＺ部分１２、母材部分１３にそれぞれ設定する。
図４の（ｂ）に示した従来技術では、同じ鋼種のスポット溶接部を対象に構築した近似マスターカーブを用いる。図２に示したように、レーザ溶接の溶接金属の硬さは、スポット溶接の溶接金属の硬さよりも低いため、従来技術で予測したレーザ溶接部の破断ひずみは、所定の誤差を含んでいる。一方、図４の（ｃ）に示した予測方法Ｓ１０では、溶接金属硬さを考慮した近似マスターカーブを用いる。そのため、レーザ溶接部の破断ひずみを精度良く予測することができる。

図５に、レーザ溶接継手引張試験条件のＦＥＭ解析における、予測方法Ｓ１０を適用した解析結果の例を示す。図５の（ｆ）は溶接金属部に剥離方向の負荷が主体となる継手Ｌのメッシュデータであり、図５の（ｇ）は溶接金属部にせん断方向の負荷が主体となる継手Ｔのメッシュデータである。また、図５の（ｈ）は継手ＬのＦＥＭ解析結果の破断形態図であり、図５の（ｉ）は継手ＴのＦＥＭ解析結果の破断形態図である。破断形態は何れも実験結果と一致した。また、図５の（ｊ）は継手Ｌ及び継手Ｔの、実験による最大荷重とＦＥＭ解析による最大荷重との比較である。ＦＥＭ解析の結果は、特許文献３の方法による結果、及び、本発明による結果を示した。図５の（ｊ）に示したように、特許文献３に開示されている方法では、最大荷重を実験結果より大きく見積ってしまうが、本発明の方法では最大荷重が試験結果と概ね一致している。この結果から、本発明の溶接部の破断ひずみの予測方法によれば、破断形態及び最大荷重を適切に検討することができる。したがって、本発明の溶接部の破断ひずみの予測方法は、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。

３．溶接部の破断ひずみの予測システム
本発明の第２実施形態に係る溶接部の破断ひずみの予測システム１０（以下において、「予測システム１０」という。）の形態例を図６に示す。図６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、化学成分及び溶接金属硬さ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部２と、評価対象となる鋼種の化学成分及び溶接金属硬さにより、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部３と、マスターカーブ決定部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部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部４と、入出力部５と、を有している。

データベース１には、複数の鋼種の破断ひずみデータが蓄積されている。予測システム１０において、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ない。ここで、破断ひずみは、鋼種の化学成分及び溶接金属硬さ毎に整理して記録されていることが好ましい。

マスターカーブ決定部２は、上記マスターカーブ決定工程Ｓ１を実行可能であればよく、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部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述の通りであり、ここでは説明を省略する。

材質パラメータ算出部３は、上記材質パラメータ算出工程Ｓ２を実行可能であればよく、マスターカーブ決定部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部３においては、評価対象の鋼種の化学成分及び溶接金属硬さ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述の通りであり、ここでは説明を省略する。

破断ひずみ算出部４は、上記破断ひずみ算出工程Ｓ３を実行可能であればよく、マスターカーブ決定部２や材質パラメータ算出部３と同様、公知の演算装置を用いることができる。破断ひずみ算出部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述の通りであり、ここでは説明を省略する。

入出力部５は、評価対象の鋼種の化学成分及び溶接金属硬さを入力する部位であり、且つ、破断ひずみの算出結果が出力される部位である。入出力部５の当該機能を発現可能であれば、入出力部５の形態は特に限定されず、例えば、公知の演算装置の入出力部を用いることができる。

このように、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部２、材質パラメータ算出部３、破断ひずみ算出部４、及び、入出力部５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。

予測システム１０に関する上記説明では、マスターカーブ決定部２、材質パラメータ算出部３、及び、破断ひずみ算出部４が別個に構成される形態を例示したが、本発明に係る溶接部の破断ひずみの予測システムは、当該形態に限定されない。本発明に係る溶接部の破断ひずみの予測システムは、マスターカーブ決定部、材質パラメータ算出部、及び、破断ひずみ算出部を別個とする必要はなく、すなわち、一の演算装置を、マスターカーブ決定部、材質パラメータ算出部、及び、破断ひずみ算出部として機能させてもよい。

４．溶接部を備えた部材の製造方法
本発明の第３実施形態に係る溶接部を備えた部材の製造方法（以下において、「本発明の製造方法」ということがある。）は、本発明の第１実施形態に係る溶接部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、その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、このようにして決定された板組み、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有している。

本発明の製造方法では、例えば、予測方法Ｓ１０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、その解析結果に基づいて、レーザ溶接継手の板組み、溶接ビード長さ、及び／又は、溶接位置を決定する。そして、決定された板組み、溶接ビード長さの大きさ、及び／又は、溶接位置にしたがって部材を溶接することにより、レーザ溶接部を備えた継手を製造する形態、とすることができる。本発明の製造方法によれば、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により、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になる。

本発明に関する上記説明では、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ない。その他の溶接手段により溶接された部材を解析する場合にも、本発明を適用することが可能である。また、上記説明では、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について主に言及したが、本発明は当該形態に限定されない。チタンやアルミニウム等、他の金属材料で構成され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。

一方、金属材料の破断限界線（応力三軸度をパラメータにした破断ひずみ）は、下記式（４）に示す累乗関数で近似することができる。
ε_ＣＲ = ｘ・σ_{ｔｒｉａｘ}＾ｙ（４）
式（４）において、ε_ＣＲは破断ひずみ、σ_{ｔｒｉａｘ}は応力三軸度である。本発明者らは、鋭意研究の結果、式（４）のｘ及びｙは、金属材料の化学成分を用いた多項式（より具体的には、上記式（１）から硬さＨｖの項を除いた形態の式。）で表すことができることを知見している。さらに、本発明者らは、ｘ及びｙを表す多項式で用いられる各係数（上記式（１）におけるａ_１〜ａ_８に相当する係数）は、予め導出した破断限界線を上記式（４）で表した時の係数ｘ及びｙとの差が小さくなるように、最小２乗法等で算出できる可能性があることを知見している。上述のように、本発明の溶接部の破断ひずみの予測方法によれば、破断ひずみを高精度に予測することができるので、このようにして式（４）の係数ｘ及びｙを導出することができれば、本発明の溶接部の破断ひずみの予測方法によって予測した破断ひずみと、導出した係数ｘ及びｙとを用いることにより、破断限界線が未導出である金属材料の化学成分を用いて、容易にその破断限界線を予測することが可能になると考えられる。

また、上述のように、スポット溶接とレーザ溶接とでは冷却速度が異なり、溶接金属部の硬さもそれに従って変化する。また、レーザ溶接は送り速度（溶接速度）により冷却速度が異なるため、これも溶接金属部の硬さに影響を及ぼす。したがって、溶接金属部の冷却速度と溶接金属部の硬さとの関係や、レーザ溶接の送り速度と溶接金属部との硬さとの関係を調査して、これらの関係を特定した後、当該特定した関係と上記式（１）とを用いることによって、溶接金属部の冷却速度や、レーザ溶接の送り速度といった溶接条件から、破断ひずみを予測することも可能、と考えられる。

実施例を参照しつつ、本発明の溶接部の破断ひずみの予測方法についてさらに説明を続ける。

上述した予測方法Ｓ１０により予測した溶接部の破断ひずみの精度を確認するため、予測方法Ｓ１０による溶接部の破断ひずみの予測を試みた。

マスターカーブ決定工程Ｓ１は、上述の通りの工程とし、近似マスターカーブとして図３に示したマスターカーブＭｗｍを得た。

評価対象となるスポット溶接継手の鋼種Ｇ１、及び、レーザ溶接継手の鋼種Ｇ２の材質パラメータの算出にあたり、当該鋼種の化学成分及び溶接金属硬さを特定した。鋼種Ｇ１及び鋼種Ｇ２は、強度スペック、強化機構共に同等であるが、生産ラインのロットの違いにより化学成分に若干の差があった。鋼種Ｇ１及び鋼種Ｇ２の化学成分と溶接金属硬さＨｖを、表１に示す。

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と溶接金属硬さＨｖを、上記式（１）に代入することにより行った。算出された鋼種Ｇ１の材質パラメータはＰａｒａｍＨｗｍ＝１０９０、鋼種Ｇ２の材質パラメータはＰａｒａｍＨｗｍ＝１０００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（２）に代入することにより行った。算出された鋼種Ｇ１の破断ひずみはＣｒＰＥｗｍ＝０．７６、鋼種Ｇ２の破断ひずみはＣｒＰＥｗｍ＝０．７９であった。

一方、局所的破断ひずみ導出プロセスにより導出された鋼種Ｇ１の破断ひずみはＣｒＰＥｗｍ＝０．７７であり、鋼種Ｇ２の破断ひずみはＣｒＰＥｗｍ＝０．７８であった。
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る。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（予測方法Ｓ１０）により算出された破断ひずみと、従来の方法（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。この結果から、本発明によれば、スポット溶接やレーザ溶接等の溶接手法を限定することなく、破断ひずみが未導出である金属材料についても、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、レーザ溶接継手の板組みや溶接ビード長さを検討するための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。

１…データベース
２…マスターカーブ決定部
３…材質パラメータ算出部
４…破断ひずみ算出部
５…入出力部
１０…溶接部の破断ひずみの予測システム
１１…溶接金属部分
１２…ＨＡＺ部分
１３…母材部分

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、溶接部の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金属材料について、破断ひずみを、下記式から算出される前記金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより特定される材質パラメータ毎にまとめ、得られた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、
評価対象となる金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより、該評価対象となる金属材料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金属材料の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる金属材料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、溶接部の破断ひずみの予測方法。

ParamHwm＝Hv + a ₁ ×C+a ₂ ×Si+a ₃ ×Mn+ a ₄ ×P+a ₅ ×S+a ₆ ×Mo+a ₇ ×Ti+a ₈ ×B

（この式において、ParamHwmは材質パラメータ、Hvはビッカース硬さ、ａ _１、ａ _２、ａ _３、ａ _４、ａ _５、ａ _６、ａ _７、ａ _８は定数である。また、いずれも質量％で、Ｃは含まれる炭素成分量、Ｓｉは含まれるシリコン成分量、Ｍｎは含まれるマンガン成分量、Ｐは含まれるリン成分量、Ｓは含まれる硫黄成分量、Ｍｏは含まれるモリブデン成分量、Ｔｉは含まれるチタン成分量、Ｂは含まれるボロン成分量である。）
前記溶接部が、複数の異なる金属材料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、前記溶接部におけるそれぞれの金属材料の体積比と化学成分及び溶接金属硬さとを用いて算出される、請求項１に記載の溶接部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、溶接部の破断ひずみを予測するシステムであって、
複数の金属材料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破断ひずみを、下記式から算出される前記金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより特定される材質パラメータ毎にまとめ、得られた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部と、
評価対象となる金属材料の化学成分及び溶接金属硬さにより、該評価対象となる金属材料の材質パラメータを算出する、材質パラメータ算出部と、
前記マスターカーブ決定部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部により算出された前記評価対象となる金属材料の材質パラメータとを用いて、該評価対象となる金属材料の破断ひずみを算出する、破断ひずみ算出部と、
を備える、溶接部の破断ひずみの予測システム。

ParamHwm＝Hv + a ₁ ×C+a ₂ ×Si+a ₃ ×Mn+ a ₄ ×P+a ₅ ×S+a ₆ ×Mo+a ₇ ×Ti+a ₈ ×B

（この式において、ParamHwmは材質パラメータ、Hvはビッカース硬さ、ａ _１、ａ _２、ａ _３、ａ _４、ａ _５、ａ _６、ａ _７、ａ _８は定数である。また、いずれも質量％で、Ｃは含まれる炭素成分量、Ｓｉは含まれるシリコン成分量、Ｍｎは含まれるマンガン成分量、Ｐは含まれるリン成分量、Ｓは含まれる硫黄成分量、Ｍｏは含まれるモリブデン成分量、Ｔｉは含まれるチタン成分量、Ｂは含まれるボロン成分量である。）
請求項１又は２に記載の溶接部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、その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。