生島一樹、重政拓海、 柴原正和 - 大阪府立大学

溶接構造シンポジウム 講演論文集 年 月
理想化陽解法 )(0 による 次元スポット溶接解析
大阪府立大学大学院 ○夏目 糧平,生島 一樹
重政 拓海,柴原 正和
日産自動車(株) 千葉 晃司
Three Dimensional Simulation of Spot Welding by Using Idealized Explicit FEM
by Ryohei NATSUME, Kazuki IKUSHIMA, Takumi SHIGEMASA, Masakazu SHIBAHARA
and Koji CHIBA
1.緒 言
スポット溶接は,接合の対象となる複数枚の板を一対の電極で挟み,電極に対して圧力を負荷しながら通
電し,電流により生じるジュール発熱を利用して接触部分の金属を加熱,溶融させることで板同士を接合す
る溶接方法である.このような接合方法をとるため,スポット溶接は,溶接時間が短く,熱変形が小さいと
いう特性を持つ.しかしながら,その施工条件は経験的に設定されていることが多く,施工条件の決定に膨
大な実験と工数がかかるのが現状である.よって,数値シミュレーションを活用することで,大幅な効率化
が実現できると考えられる.
スポット溶接では,接触状態の変化により電流分布が変化し,それに伴い温度分布が変化する.さらに,
温度分布の変化により変形状態が変化するというように,電流,温度,変形の 3 つの現象が相互に連成する
問題である.そのため,スポット溶接のシミュレーションは,静電ポテンシャル解析,熱伝導解析,熱弾塑
性解析の 3 つを連成させる非常に複雑な解析であり,解析時のメモリ消費量および計算時間が膨大となるた
め,従来は主として 2 次元軸対称モデルを用いた検討がなされてきた 1-3).2 次元軸対称モデルにおいては複
数のスポット溶接点を有する継手の解析は原理上不可能であるため,分流を含めた実施工モデルにおける 3
次元的影響の評価は難しい.しかしながら,実施工において溶接間隔が短い場合,隣接するスポット溶接点
に顕著な分流が発生し,溶接部の発熱が不十分になるため,十分な強度を保持するのに必要なナゲット径を
得ることができない場合がある.また,スポット溶接を行
Set up analysis model
う際,必ずしも電極と板が垂直になるとは限らず,電極に
対して板が傾く,いわゆる,打角ずれが生じる場合がある.
F += ΔF
このような状態では,通常のスポット溶接と比べ,発熱状
Elastic plastic analysis
態が変化してしまう.そのため,適正なナゲット径を得る
No
F > Ftotal ?
Press
process
Press
phase
Yes
ための溶接施工条件も通常のスポット溶接と異なると考え
られる.これらのことから,複数のスポット溶接点を有す
t += Δt
⁅⁦⁓⁦⁛⁕‒⁗⁞⁗⁕⁦⁤⁛⁕‒⁢⁡⁦⁗⁠⁦⁛⁓⁞‒⁓⁠⁓⁞⁥⁛⁥
る場合や,板が傾いた場合におけるスポット溶接解析では,
‚‷⁞⁗⁕⁦⁤⁛⁕‒⁕⁧⁤⁤⁗⁠⁦‛
分流を含めた 3 次元的な影響について検討する必要があり,
›⁗⁓⁦‒⁕⁡⁠⁖⁧⁕⁦⁛⁡⁠‒⁓⁠⁓⁞⁥⁛⁥
3 次元解析は溶接施工条件の決定において非常に重要であ
‚⁆⁗ ⁢⁗⁤⁓⁦⁧⁤⁗‛
ると考えられる.
⁆⁚⁗⁤ ⁓⁞‒⁗⁞⁓⁥⁦⁛⁕‒⁢⁞⁓⁥⁦⁛⁕‒⁓⁠⁓⁞⁥⁛⁥
そこで,本研究では,大規模解析が可能な理想化陽解法
‚‶⁗⁘⁡⁤ ⁓⁦⁛⁡⁠„‒⁅⁦⁤⁗⁥⁥‛
FEM4)による 3 次元スポット溶接解析を行う.同解析手法の
No
t > tfinish?
Welding process
精度を検証するため,単点スポット溶接において,解析結
Welding
phase
Yes
果と実験結果の比較を行う.また,分流に関して検討をす
t += Δt
るために,溶接間隔が短い短ピッチスポット溶接において,
Heat conduction analysis
適正なナゲット径を得るための施工条件について検討を行
Thermal elastic plastic analysis
う.さらに,板が傾いた場合におけるナゲット形成機構を
No
明らかにするとともに,適正な溶接施工条件についても検
Tmax = Troom ?
Cooling
Coolingprocess
phase
討を行う.
Yes
Finish
2.理想化陽解法 FEM によるスポット溶接解析 Fig.1 Analysis flow of spot welding by
スポット溶接は,電極を加圧することで被溶接部材同士
―17―
-17-
Idealized Explicit FEM.
Load: F, Current: I
Contact
model 1
Electrode
1
90mm
Plate 1
30mm
Plate 2
z
Electrode
2
x
Contact
model 2
0.7mm 270C
270C
0.7mm
1.4mm 590Y
590Y
1.4mm
1.8mm 590Y
1.8mm
590Y
Cu
(Electrode)
Load: F, Current: I
Fig.2 Schematic illustration of contact model.
Fig.3 Analysis model of single spot welding.
を接触させ,被溶接部材に電流を流し,発生するジュール熱を利用して部材の接合を行う.ここでは,本研
究で用いたスポット溶接解析の流れについて説明する.スポット溶接の解析では,Fig.1 に示すように,まず,
電極に荷重を与え被溶接材を接触させる工程において,変形を求めるために弾塑性解析を行う.続いて,電
流を印加し加熱する工程において,電流場を決定するために静電ポテンシャル解析を行い,得られた電流場
を基に,ジュール発熱による温度上昇の過渡的変化を非定常熱伝導解析により求め,温度変化に伴う変形・
応力状態の変化を熱弾塑性解析により求める.すなわち,加熱工程において,板-板間および板-電極間の接触
状態が変化するため,静電ポテンシャル解析,非定常熱伝導解析,熱弾塑性解析の 3 者を連成させた解析を
実施する必要がある 5).
また,スポット溶接解析において,電極-板間,および板-板間の接触を表現するために接触面をモデル化
する必要がある.Fig.2 に示すように,電極-板間,および板-板間で異なる接触モデルを使用する.電極-板間
においては,接触面の法線方向のひずみが-1 より小さくなった状態,すなわち,電極と板の間の隙間が完全
になくなった状態で大きな接触面の法線方向の剛性を持つものとし,また,接触面の法線方向のひずみが-1
より大きい状態で剛性を 0 に近い値とする.こうすることで,電極と板が接触している間は強い反力を持ち,
離れている間は反力を生じない接触モデルを定義する.また,板-板の接触面では,材料の溶融による接合を
モデル化する必要があるため,前述の電極-板間の接触モデルに加えて,溶融時に一度でも接触した場合は接
合されるという接合モデルを定義し,この場合には,それ以降の過程において常に高い剛性を持つものと定
義する.
3.理想化陽解法 FEM の精度検証
3.1 解析モデルと解析条件
ここでは,本研究で構築した理想化陽解法 FEM を基にする解析手法のもつ精度について検証する.
本章における検討では,3 枚の板の接合を考える.解析モデルを Fig.3 に示す.電極には銅を使用する.同
図に示す通り,試験片寸法は,30 mm×90 mm であり,板の厚さは上側の板から各々0.7 mm, 1.4 mm, 1.8 mm
である.板の種類は,上側の板から各々270C, 590Y, 590Y である.それぞれの板の材料定数の温度依存性を
Fig.4, Fig.5 に示す.なお,270C, 590Y の加工硬化係数はヤング率の 1/200 とした.また,銅電極は塑性変形
を生じないと仮定している.溶接条件としては,
入力電流値を 3kA~9 kA,電極の加圧力を 2.45kN とし,17cycle
にわたって直流電流を印加するものとした.なお,1cycle は 20ms とし,解析中の時間増分は 4.0×10-4 sec と
した.
3.2 実験結果と本手法によるナゲットサイズの比較
電流値 7kA における通電時間とナゲットサイズの関係を Fig.6 に示す.本研究では,1530℃以上の範囲を
ナゲットと定義した.同図○印および□印はそれぞれ解析結果におけるナゲット径 d,ナゲット厚 h を示し
ており,また,●印,■印は文献 6)にある実験結果を示している.同図より,通電時間が進むに従いナゲット
径 d は増加していることが分かる.一方,ナゲット厚 h に関しては,3~5cycle 程度の通電で最大となり,そ
の後は一定値となっている.これは,電極には熱伝導率の高い銅を使用していることから,電極の冷却効果
によるためと考えられる.
電流値とナゲット径 d ならびにナゲット厚 h の関係を Fig.7 に示す.Fig.6 と同様に,○印および□印は解
析結果におけるナゲット径 d,ナゲット厚 h を示しており,また,●印,■印は文献 6)にある実験結果を示し
ている.同図において,入力電流値が大きくなるに従い,ナゲット径 d,ナゲット厚 h が大きくなることが
分かる.また, Fig.6 および Fig.7 より,解析結果のナゲットサイズは実験計測結果と良好な一致を示してお
り,理想化陽解法 FEM によるスポット溶接解析結果は妥当であると言える.
―18―
-18-
3K\VLFDOFRQVWDQWV
Yield stress(270C,×10MPa)
Yield stress(590Y,×10MPa)
Young's modulus(×10 03D
3RLVVRQ
VUDWLR
3K\VLFDOFRQVWDQWV
Electrical resistivity(270C,×10 Ωmm)
Electrical resistivity(590Y,×10 Ωmm)
Thermal conductivity(×10 J/mm℃s)
Specific heat(×10 J/g℃)
Density(×10 JPP
Heat transfer coefficient(×10 :PP℃)
temperature(℃)
Fig.4 Temperature dependent materials properties
used in static electric potential analysis and
heat conduction analysis.
1XJJHWVL]HPP
1XJJHW6L]HPP
G$QDO\VLV
G([SHULPHQW
K$QDO\VLV
K([SHULPHQW
temperature(℃)
Fig.5 Temperature dependent materials properties
used in elastic plastic analysis.
G$QDO\VLV
G([SHULPHQW
K$QDO\VLV
K([SHULPHQW
:HOGLQJWLPHF\FOHV
Fig.6 Relation between welding time and nugget size.
&XUUHQWN$
Fig.7 Relation between electric current and nugget size.
4.短ピッチスポット溶接における適正施工条件についての検討
前章において,理想化陽解法 FEM に基づく解析手法の妥当性について検証した.ここでは,短ピッチス
ポット溶接の解析を通して,本手法の有用性について検討する.
4.1 解析モデルと解析条件
短ピッチスポット溶接解析に用いた試験片および電極の形状寸法および要素分割を Fig.8 に示す.同図に
示すように,本解析では,2 枚の板を用い,スポットピッチを Lp=10 mm,15 mm,20 mm および 50 mm の 4
ケースとした 2 打点スポット溶接を解析対象とする.試験片の板厚は 1.5mm であり,材料は 270C である.
また,電極には銅を使用している.解析に用いた試験片の材料定数は Fig.4, Fig.5 に示す通りである.解析で
は,1 打点目溶接後,常温まで冷却した後に,もう片方の電極で再び溶接をし,常温まで冷却する工程を再
現する.溶接条件は,電流・通電時間・加圧力のそれぞれを変化させて,適正ナゲットが形成される条件に
ついて検討する.
―19―
-19-
Lpl
50mm
30mm
4.2 スポットピッチが分流量に及ぼす影響
Fig.9 にスポットピッチ Lp=10 mm の場合における 2 打点目の最
高到達温度分布を示す.同図より,溶接部以外の被溶接材上面で
の温度上昇,すなわち,1 打点目に形成されたナゲットへの分流
の発生が確認できる.また,Fig.10 は全電流中における 2 打点目
に発生している分流量の割合を入力電流値ごとに示している.同
図より,スポットピッチ Lp が小さくなるに従い,分流の割合が
増加することが分かる.また,入力電流値に関しては,その値の
増加に伴い,分流の割合も増加していることが確認できる.これ
は,電流の増加と共に発熱量が増加し,それにより温度上昇に伴
う電気抵抗の上昇により既溶接点への分流量が増加したためと
推察される.また,スポットピッチ Lp が 10 mm と 50 mm とでは
20%以上もの分流割合の差が生じることもわかる.
120mm
1.5mm
1.5mm
Fig.8 Shape and size of analysis model.
100
88.6
2nd
weld point
Existing weld
(1st weld point)
5DWLRRIVKXQWFXUUHQW
(℃)
77.1
65.7
54.3
42.9
Welding point
Shunt current
31.4
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
20
&XUUHQWN$
Fig.10 Ratio of shunt current to total current.
Fig.9 Maximum temperature distribution when shunt
current occurs.
(a) 1st welding
(b) 2nd welding
Fig.11 Maximum temperature distribution on
welding point. (Lp=20mm)
1XJJHWGLDPHWHUGPP
4.3 溶接諸条件がナゲット径に及ぼす影響
ここでは,入力電流・通電時間・加圧力の溶接諸条件がナゲット径に及ぼす影響について検討する.
まず,入力電流がナゲット径に及ぼす影響について検討するため,通電時間を 18cycle,加圧力を 2.45kN
で一定とし,入力電流値を 5kA~9kA まで変化させた 2 打点のスポット溶接解析を行った.Fig.11 (a), (b)に,
Lp=20 mm における,入力電流が 6kA の時の 1 打点目,2 打点目それぞれの溶接点での最高到達温度分布を
示す.また,Fig.12 (a), (b)には,Lp=50 mm における入力電流が 6kA の時の 1 打点目,2 打点目それぞれの溶
接点での最高到達温度分布を示す. Fig.11, 12 より,分流影響のない1打点目に関しては,Lp=20 mm, 50 mm
の場合ともに同一のナゲットが形成されているが,2 打点目においては Lp=20 mm, 50 mm の場合ともにナゲ
ットは 1 打点目より小さいことが分かる.さらに,スポットピッチが大きくなるに従い,2 打点目における
ナゲット径は大きくなっていることが分かる.これはスポットピッチが大きい程,分流影響が小さくなるた
めであると考えられる.
入力電流値とナゲット径 d の関係を Fig.13 に示す.図中●印は 1 打点目の解析結果を示し,○印,△印,
□印および◇印は 2 打点目の解析結果を示す.同図より,入力電流値の増加に伴い,ナゲット径 d が大きく
なっていることが分かる.また,2 打点目のナゲット径 d は 1 打点目より小さく,スポットピッチ Lp の増加
に伴いナゲット径も大きくなっていることが分かる.
次に,通電時間がナゲット径に及ぼす影響について検討するため,入力電流値を 7kA,加圧力を 2.45kN と
一定とし,通電時間を 1cycle から 30cycle まで変化させてスポット溶接解析を行った.通電時間とナゲット
径の関係を Fig.14 に示す.同図より,全てのスポットピッチにおいて通電時間の増加に伴いナゲット径は大
きくなるが,約 20cycle 以降はほぼ一定になることが確認できる.これは,電極の冷却効果により,発生した
熱が電極に吸収されるためと考えられる.
さらに,加圧力がナゲット径に及ぼす影響について検討するため,入力電流値を 7kA,通電時間を 18cycle
で一定とし,加圧力を 1.0kN から 4.0kN まで変化させて 2 打点のスポット溶接解析を行った.加圧力とナゲ
5HTXLUHGGLDPHWHU
4√(=4.90mm)
VWZHOGLQJ
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
(a) 1st welding
nd
(b) 2 welding
Fig.12 Maximum temperature distribution on
welding point. (Lp=50mm)
―20―
-20-
&XUUHQWN$
Fig.13 Relation between current and nugget diameter.
1XJJHWGLDPHWHUGPP
1XJJHWGLDPHWHUGPP
5HTXLUHGGLDPHWHU
√ PP
VWZHOGLQJ
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
:HOGLQJWLPHF\FOHV
5HTXLUHGGLDPHWHU
√ PP
VWZHOGLQJ
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
VSRWSLWFKPP
6TXHH]LQJIRUFHN1
Fig.15 Relation between squeezing force and nugget
diameter.
Fig.14 Relation between welding time and nugget
diameter.
ット径の関係を Fig.15 に示す.同図より,全てのスポットピッチにおいて,加圧力の増加に伴いナゲット径
が小さくなる傾向が確認できる.また,加圧力が約 3.3kN 以上ではナゲットは形成されていないことがわか
る.これは,加圧力の増加に伴い接触面積が増加し,電流密度が減少することで抵抗発熱量が小さくなるた
めと考えられる.
4.4 適正溶接条件の選定
以上の結果を踏まえ,適正なナゲット径が形成される施工条件について検討する.スポット溶接の適切な
施工条件は,溶融温度 1530℃以上で定義されるナゲットの大きさで判断されている.一般的に,被溶接材の
板厚を t としたとき,継手強度の観点から基準強度を満足するナゲット径の大きさは4√等で定義される.ま
た,溶接中に接触径を超えたナゲットが形成されると,溶融金属が飛散するチリが生じ,接合部の強度が低
下する.本研究では,チリが発生しない条件を,溶接中におけるナゲット径と接触径の関係により,d < d と
定義する.本研究ではこれらの条件を満たすナゲット径を「適正ナゲット径」とし,次式により定義する.
4√ < d < d
d : ナゲット径,t : 板厚,dc :接触径
(1)
以上で示した適正条件の定義に従い,入力電流値とスポットピッチ Lp がナゲット形成に及ぼす影響につい
て調べたものが Fig.16 である.溶接条件は,通電時間を 18cycle,加圧力を 2.45kN とした.同図において○
印の条件のときに適正なナゲットが形成され,×印は要求ナゲット径4√を満たさない条件,▲印はチリが発
生する条件を示している.同図より,適正なナゲット径を形成するための入力電流値の選定範囲は 1kA 程度
と狭いことが確認できる.また,2 打点目においては入力電流値を 1 打点目よりも大きく設定する必要があ
ることが分かる.次に,Fig.17 に,加圧力とスポットピッチ Lp がナゲット形成に及ぼす影響を示す.入力電
流値は 7kA,通電時間は 18cycle とした.
同図より,
加圧力の適正条件範囲は 1 打点目においては 2kN~2.5kN,
2 打点目においては図中の点線より下側の領域であることが分かる.このことより,2 打点目の加圧力は 1 打
&XUUHQWN$
3URSHUFRQGLWLRQ
6PDOOQXJJHW
○ Proper nugget size
QG
× Small nugget
ZHOGLQJ ▲ Expulsion
'LVWDQFHRIVSRWSLWFK/ 㼜PP
6TXHH]LQJIRUFHN1
([SXOVLRQ
6PDOOQXJJHW
3URSHUFRQGLWLRQ
○ Proper nugget size
× Small nugget
▲ Expulsion
VW
ZHOGLQJ
Fig.16 Influence of welding current and distance of
spot pitch Lp on proper welding condition.
([SXOVLRQ
VW
ZHOGLQJ
'LVWDQFHRIVSRWSLWFK/ SPP
Fig.17 Influence of squeezing force and distance of
spot pitch Lp on proper welding condition.
―21―
-21-
①:1 VWZHOGLQJ
②:2 VWZHOGLQJ
4√t
QGZHOGLQJ
*HQHUDWLRQRI
H[SXOLVLRQ
VWZHOGLQJ
*HQHUDWLRQRI
H[SXOVLRQ
QGZHOGLQJ
/S PP
4√t (1st welding)
:HOGLQJWLPHF\FOHV
:HOGLQJWLPHF\FOHV
VW
①:1 ZHOGLQJ
②:2VWZHOGLQJ
*HQHUDWLRQRI
H[SXOLVLRQ
VWZHOGLQJ
&DVH$
4√t (1st welding)
&XUUHQWN$
Fig.18 Proper condition of welding time and welding
current on both 1st welding and 2nd welding.
(Lp=50mm)
*HQHUDWLRQRI
H[SXOVLRQ
QGZHOGLQJ
/S PP
$
4√t
QGZHOGLQJ
×
&XUUHQWN$
Fig.19 Proper condition of welding time and welding
current on both 1st welding and 2nd welding.
(Lp=20mm)
点目と同等もしくは小さく設定する必要があることも確認
できる.
d=5.75mm
次に,同一スポットピッチにおいて,2 打点とも同じ溶接
条件で適正なナゲット径が形成される条件を選定する場合
を考える.Fig.18 および Fig.19 は,それぞれスポットピッチ
Lp=50 mm および Lp=20 mm において,入力電流値と通電時間
(a) 1st welding
を変化させた際の適正ナゲットが形成される範囲を示す.ま
た,図中の○印および□印はそれぞれ 1 打点目,2 打点目に
d=5.02mm
おける要求ナゲット径4√を満足する条件を示しており,ま
た,●印および■印はそれぞれ 1 打点目,2 打点目における
チリ発生条件を示している.これらの条件で囲まれる適正範
囲を①, ②として示しており,それぞれ 1 打点目,2 打点目
(b) 2nd welding
における,適正ナゲットが形成される溶接条件とみなすこと Fig.20 Maximum temperature distribution on
ができる.Fig. 18 より,スポットピッチ Lp=50 mm の場合,
the condition of case A.
①, ②が重なる部分は大きく,1 打点目と 2 打点目を同一条
件で溶接することが容易であることが分かる.一方,Fig.19 より,スポットピッチ Lp=20 mm の場合,①, ②
が重なる部分が小さく,スポットピッチ Lp が小さいほど適正ナゲットが形成されにくいことが分かる.また,
適正条件①∩②の範囲内にある Case A(スポットピッチ Lp=20 mm,入力電流値 9kA,通電時間 7cycle)の条
件下おける 1 打点目および 2 打点目溶接時の最高到達温度分布を Fig.20(a) (b)に示す.同図より,非常に狭い
適正条件ではあるが,①∩②に含まれる溶接条件であれば,1 打点目,2 打点目ともに同じ溶接条件下で適正
なナゲットが形成されることが確認できる.
以上に示すように,理想化陽解法 FEM に基づく 3 次元スポット溶接シミュレーションを用いることで,分
流を含めた実施工モデルにおけるスポット溶接問題において,適正なナゲット径を得ることができる施工条
件の予測が可能であることが示された.このことは,スポット溶接施行前に行う実験等の事前検討を大幅に
低減できることを示唆しており,本手法に基づく 3 次元解析の有用性が示された.
5.打角ずれ条件下における適正な溶接施工条件についての検討
本章では,打角ずれ条件下における発熱状態を明らかにす
ると共に,適正ナゲットが形成される適正溶接施行条件につ
1.5 mm
いての検討を行う.
1.5 mm
α
5.1 解析モデルと解析条件
本解析では,2 枚の板を用い,打角ずれ角 α=0°,2.5°,5°の
3 ケースを解析対象とした.参考までに,打角ずれが 5°の場
合における要素分割を Fig.21 に示す.板の大きさは 80mm×
40mm,また,板厚は 1.5mm とし,材料は 270C とした.また,
Fig.21 Analysis model of spot welding which
電極には前章と同様に銅を使用している.解析に使用した材
has miss-match angle between plates
料定数は Fig.4, 5 に示す通りである.次節では,打角ずれ角 α
and electrodes.
―22―
-22-
(b) α=5°
(a) α=0°
Fig.22 Maximum temperature distribution. (2.5kN)
z
x
(a) α=0°
(b) α=5°
Fig.23 Maximum temperature distribution. (5.5kN)
㻠
㻟
㻞
㻝
㻜
'HVLUDEOHGLDPHWHU
4√(=4.90mm)
α
α
α
α
α
=0.0°
=2.5°(dmax)
=5.0°(dmax)
=2.5°(dmin)
=5.0°(dmin)
㼃㼑㼘㼐㼕㼚㼓㻌㼠㼕㼙㼑㻌㻔㼏㼥㼏㼘㼑㼟㻕
㻺㼡㼓㼓㼑㼠㻌㼐㼕㼍㼙㼑㼠㼑㼞㻌㼐㻔㼙㼙㻕
㻟㻜
㻣
㻡
y
Fig.24 Nugget shape when plates and electrodes
have miss-matched. (2.5kN)
㻤
㻢
dmax dmin
㻞㻡
㻞㻜
4√t (α=5°)
㻝㻡
㻝㻜
㻜
㻮
*HQHUDWLRQRI
spatter (α=0°)
㻡
㻜 㻝 㻞 㻟 㻠 㻡 㻢 㻣 㻤 㻥 㻝㻜 㻝㻝 㻝㻞 㻝㻟 㻝㻠 㻝㻡 㻝㻢
㼃㼑㼘㼐㼕㼚㼓㻌㼠㼕㼙㼑㻌㻔㼏㼥㼏㼘㼑㼟㻕
Fig.25 Relation between welding time and nugget
diameter.
㻭㻌㻦α =0°
㻮㻌㻦α =5°
*HQHUDWLRQRI
explusion (α=5°)
4√t (α=0°)
㻜
㻝
㻞
㻟
㻠
㻡 㻢 㻣
㻯㼡㼞㼞㼑㼚㼠㻌㻔㼗㻭㻕
㻭
㻤
㻥
㻝㻜 㻝㻝 㻝㻞
Fig.26 Proper condition of welding time and welding
current.
がナゲット径に及ぼす影響および適正なナゲット径を得るための溶接条件について検討を行う.
5.2 打角ずれ角がナゲット径に及ぼす影響
本節では,打角ずれ角がナゲット径に及ぼす影響について検討するため,電流値を 10kA で一定とし,打
角ずれ角 α を 0°,2.5°,5°と変化させてスポット溶接解析を行った.Fig.22 (a), (b)に,それぞれ α=0°,5°に
おける,加圧力が 2.5kN の場合の最高到達温度分布を示す.また, Fig.23 (a), (b)に,それぞれ α=0°,5°にお
ける加圧力が 5.5kN の時の最高到達温度分布を示す.Fig.22 (a), (b)より,打角ずれ角 α=5°の場合,電極の中
心から発熱せず,電極の両端から発熱していることが分かる.また,Fig.23 (a), (b)より,加圧力が比較的大き
い 5.5kN の場合,加圧力が 2.5kN の場合とは異なり,打角ずれ角 α=5°の場合においても電極の中心から発熱
していることが分かる.これは,加圧力が増加することで,電極-板間の接触面積が増加するためであると考
えられる.
次に,打角ずれ角 α=0°,2.5°,5°の場合における通電時間がナゲット径に及ぼす影響について検討するた
め,入力電流値を 10kA,加圧力を 2. 5kN で一定とし,通電時間を 1cycle から 15cycle まで変化させてスポッ
ト溶接解析を行った.打角ずれが存在する場合において形成されるナゲット形状を Fig.24 に示す.同図より,
x 方向のナゲット径 dmax と y 方向のナゲット径 dmin の大きさは異なっている.すなわち,非対称型のナゲッ
トが形成されている様子が確認できる.通電時間とナゲット径の関係を Fig.25 に示す.図中の●印,▲印お
よび■印は,それぞれ打角ずれ角が α=0°,2.5°,5°における x 方向のナゲット径 dmax の解析結果を示し,△
印,□印は打角ずれ角が α=2.5°,5°における y 方向のナゲット径 dmin の解析結果を示す.同図より,打角ず
れ角 α が大きくなるに従い,ナゲット径が小さくなることが分かる.また, 6cycle 以降,ナゲット径は打角
度ずれ量によらずほぼ等しくなることが分かる.これは,通電時間が大きくなるに従い,電極-板間および板
-板間の接触面積が打角ずれ角 α によらずほぼ等しくになることを意味している.
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-23-
5.3 適正溶接条件の選定
打角ずれ角 α=0°,5°の場合において,適正なナゲット径が形成される条件の比較を行う.Fig.26 は,加圧
力 2.5kN における打角ずれ角 α=0°,5°の場合において入力電流値と通電時間を変化させた際の適正ナゲット
が形成される範囲を示す.すなわち,図中の○印および□印は α=0°および 5°における4√を満足する適正な
ナゲットが形成される条件を示し,●印および■印はそれぞれ α=0°,5°におけるチリが発生しない限界条件
を示している.
同図より,
打角ずれ角 α=5°の場合は α=0°の場合と比較して,
適正ナゲットを得るためには,
長時間通電しなければならないことが分かる.また,適正ナゲットを得るための通電時間範囲および電流範
囲は共に小さくなっていることが分かる.このことより,適正なナゲットを得るための打角が存在する場合,
スポット溶接の施工が困難であることが,その理由も含めて明らかとなった.
以上で示すように,本研究で構築された理想化陽解法 FEM に基づくスポット溶接の 3 次元連成シミュレー
ション手法を用いることで,3 次元解析でしか解決できない短ピッチスポット溶接や打角ずれのある場合の
スポット溶接時の適正溶接条件選定の際に,非常に有効な手段となることを示した.このことは,現在膨大
な数の実験と工数を必要としている溶接施行条件の大幅な効率化につながると予想できるため,今後の適用
範囲の拡大に期待が持てる.
6.結 言
本研究では,理想化陽解法 FEM を用いたスポット溶接の 3 次元連成シミュレーション手法を用いて,単点
スポット溶接と短ピッチスポット溶接,また,打角ずれが存在する場合におけるスポット溶接の解析を行っ
た.それらの結果,以下の知見を得た.
1) 単点スポット溶接について
・通電時間の増加に従い,ナゲット径が増加することを示した.
・入力電流値の増加に伴い,ナゲット径およびナゲット厚が増加することを示した.
・本手法により得られたナゲットサイズと実験の結果により得られたナゲットサイズが定量的によく一致
することから,本手法の妥当性が示された.
2)短ピッチスポット溶接について
・2 打点目に形成されるナゲットは,1 打点目に形成されるナゲットより小さくなることを示した.
・2 打点目の溶接において,分流影響により,ナゲット径はスポットピッチが短くなるに従い減少するこ
とが分かった.
・スポットピッチ 10mm と 50mm とでは,20%以上もの分流割合の差が生じることが分かった.
・スポットピッチ 20mm の場合,1 打点目,2 打点目ともに同溶接条件で適正ナゲットを形成させることは
非常に困難であることが分かった.そこで,本評価手法を用いることで,実現可能な溶接条件を選定す
ることができることを示した.
3) 打角ずれが存在する場合におけるスポット溶接について
・打角ずれが大きい場合,電極の両端から溶融する可能性があることを示し,その結果として非対称形状
のナゲットが形成されることを示した.
・打角ずれ角が大きくなるに従い,短径側のナゲット径がより小さくなることを示した.
・打角ずれにより適正な溶接施工範囲が通常のスポット溶接より狭くなり,溶接困難になることを示した.
また,適正なナゲットを得るためには,通常のスポット溶接より長時間の通電を要することを示した.
参考文献
1) H. Murakawa, F. Kimura and Y. Ueda: Weldability analysis of spot welding on aluminum using FEM,
Transactions of JWRI, Vol.24, No.1 (1995), pp.101-111.
2) H. Murakawa, K. USUI, N. MA, and H. ZHAO: Influence of Initial Gap in Resistance Spot Welding on
Weldability: 溶接構造シンポジウム講演論文集(2011), pp263-266
3) G. Kashiyama, and H. Murakawa: Simulation of Nugget Formation Process in Spot Welding with Process Tape: 溶
接学会全国大会講演概要,第 93 集,pp330-331
4) K. Ikushima, M. Shibahara: Prediction of residual stresses in multi-pass welded joint using Idealized Explicit FEM
accelerated by a GPU: Computational Materials Science 93 (2014), pp62-67
5) K. Ikushima, S. Itoh, M. Shibahara, and H. Murakawa: Development of 3-Dimensional Simulation Method for
Spot Welding using Idealized Explicit FEM; 溶接学会全国大会講演概要第,91 集(2012-9), pp310-311
6) N. Ma, H. Murakawa: Numerical and experimental study on nugget formation in resistance spot welding for three
pieces of high strength steel, Journal of Materials Processing Technology, 210(2010), pp.2045-2052.
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