JP3911134B2 - 衝突安全性に優れたスポット溶接方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の構造部材に用いられるスポット溶接方法に関し、詳しくは衝突時に部材のスポット溶接部が破断するのを防止するのに最適な溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車業界では、衝突時の乗員への傷害を低減しうる車体構造の開発が急務の課題となっている。そのような衝突安全性に優れた車体構造は、衝突時の衝撃エネルギーを客室部以外の構造部材で吸収させ、客室部の変形を最小限とし生存空間を確保することにより実現できる。つまり、構造部材により衝撃エネルギーを吸収させることが重要である。自動車のフルラップ衝突やオフセット衝突での衝撃エネルギーを吸収させる主要な構造部材はフロントサイドメンバーである。フロントサイドメンバーは、プレス成形等で部材成形後、スポット溶接により部材を閉断面化している。通常、このフロントサイドメンバーを座屈させることで、衝撃エネルギーを吸収させる。衝撃エネルギーの吸収を向上させるためには、座屈形態を安定化させ、途中で折れ曲りや破断をさせないことが重要である。
【0003】
上記の部材のスポット溶接に関して、座屈を安定化させるためにはスポット溶接間隔を最適化しないと、座屈時に溶接点からの破断が起きてしまい、安定した座屈形態にならず衝撃エネルギーの吸収が低下するという問題がある。従来からこの問題の解決のため、解説論文No.9705JSAE SYMPOSIUM「新しい車体構造成形技術」などにあるように、スポット溶接間隔をいろいろと変えた部材を試作し、座屈試験をして溶接点で破断せず安定して座屈する条件を調べていた。しかしながら、この方法では自動車ごと、また部材ごとに試作し試験を行うという試行錯誤が必要となり、製作コストがかかり、設計にも時間を要するという問題を抱えていた。また、特開平6−182561号公報には、フロアパネルで荷重のかかるところの溶接部の剥離防止構造が提案されているがフロアパネルについてのみの構造であり、すべての衝撃吸収部材で溶接点の剥離を防ぎ安定座屈により衝撃エネルギーを吸収するスポット溶接方法を見つけるためには試作による試行錯誤が行われていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、衝撃エネルギー吸収部材の最適なスポット溶接間隔を、部材の試作によらず、部材の衝撃時の溶接部破断を防ぎ衝撃エネルギーの吸収を向上させる溶接方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる2枚の金属板を重ねて溶接するスポット溶接方法は、以下の通りである。
(1)まず、金属板の板厚t[mm]、板厚と部材断面の周長の比t/D[−]、母材引張り強さTS[MPa]、及びスポット溶接間隔P[mm]をパラメータ(変数)にして、スポット溶接後の部材をメッシュモデル化することにより、有限要素法解析を行い、実験では求まらない衝撃時のスポット溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]を求める。重回帰分析によって式(1)のようにスポット溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]を求めることが好ましい。
f1 =0.00669t0.0242(t/D)0.00103 TS0.593 P0.469 (1)
(2)次に、溶接部自体の強度も静的な試験では求まらず動的な試験により決まるため、金属板の板厚t[mm]、母材引張り強さTS[MPa]及び溶接ナゲット径r[mm]をパラメータにして、onebar方式高速引張試験と呼ばれる特殊な動的試験により、溶接部の剥離強度f2 [kN]が求まる。重回帰分析により式(2)のようにスポット溶接部自体の衝撃時の剥離強度f2 [kN]を求めることが好ましい。
f2 =0.0748t1.15TS0.195 r1.12 (2)
(3)この式(1)、式(2)からf1 <f2 となるようにして、スポット溶接部にかかる外部荷重f1 が溶接部の剥離強度f2 を下回るように、スポット溶接間隔を求めることにより溶接条件を決める。
また、溶接ナゲット径r[mm]が、板厚t[mm]としてJISZ3140のA級に相当するr=5√tとし、r=3〜7mmであることを特徴とする衝突安全性に優れたスポット溶接法である。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
上記(1)、(2)により、衝撃エネルギーの吸収部材のスポット溶接方法の設計時に、母材引張り強さTS、板厚t等を決めれば、式(1)と式(2)から、衝撃時に溶接部の破断を防ぐための部材の金属板をつなぐ必要最低限のスポット溶接の間隔Pを簡単に求めることができる。式(1)と式(2)から溶接条件を求める時の各パラメータ(変数)の影響は、板厚t=1.1mm、ナゲット径r=5.2mm、板厚/周長比t/D=0.02としてスポット溶接間隔Pと母材引張り強さTSで見ると図1にようになり、分かりやすい。縦軸(溶接部外部荷重f1 )−(溶接部剥離強度f2 )が0以下になる領域が最適溶接条件であり、母材強度300MPaならば35mm間隔で良いが、950MPaになると15mm間隔以下になる。実際には、上記の変数でも変わるので溶接条件を経験的に予測することは困難だが、この算定式を用いることで簡単に溶接条件を求めることができる。
【0007】
【実施例】
以下、図面に示す本発明の実施例について説明する。図2は、自動車のメンバー部材を模したハット型断面の部材である。断面形状は図2で均一で長手方向 (紙面に直角方向)に300mmとし、ハット型部材1と側板2で構成される。部材の鋼板の厚さtは0.8mm、引張り強さTSは300MPa、ナゲット径r=4.5mm、また板厚/周長比(t/D)は図2からt/D=0.018となる。これらの変数の決定から(1)式によりスポット溶接部にかかる外部荷重f1 が次式のように溶接間隔で求まる。
f1 =0.195P0.469
また、(2)式に従って、溶接部剥離強度f2 =0.94[kN]と決まる。
【0008】
従って、溶接部で破断しないための溶接部外部荷重f1 はスポット溶接間隔のみで決まることになり、図3のように整理することができる。すなわち、f1 <f2 となるスポット溶接条件から、スポット溶接間隔は30mm未満と決定することができる。図4は、上記の本発明例によるスポット溶接方法に基づき、最適な溶接条件となる25mm間隔溶接と溶接部破断となる75mm間隔溶接での、部材の座屈形態の有限要素法シミュレーション結果の比較である。側面図から分かるように、確かに25mm間隔溶接の部材は溶接部破断を起こさず、周期的にきれいに座屈しているのに対し、75mm間隔溶接の部材は溶接部破断を起こし、側板が剥がれて座屈変形に寄与しておらず、座屈形態も不規則になってしまっている。部材の衝突安全性は、座屈変形による吸収エネルギーで評価され、上記の図4の25mmと75mm間隔溶接に加えて50mm間隔溶接の吸収エネルギーの比較を行うと図5のようになる。座屈変形量である軸圧潰長が50、100、150mmのどの段階でも、本発明例によるスポット溶接条件25mm間隔の部材の吸収エネルギー特性が優れており、75mm間隔溶接の部材と比較しておよそ8%の特性向上となる。
【0009】
また、実施例で示したハット型断面の部材だけでなく、あらゆる多角形断面、フランジ付きの部材で本発明によるスポット溶接間隔の決定方法が適用できることは言うまでもない。
【0010】
【発明の効果】
本発明に基づいて最適なスポット溶接条件を求めることにより、従来行われていた部材設計時に衝突安全性を確保するため溶接条件を変えた試作部材による試行錯誤を省略することができ、試作のためのコストを大幅に軽減するだけでなく、設計にかかる時間も短縮することができる。また、実部材のスポット溶接を衝突安全性を満たす最低限の間隔にできるので、製造時の溶接コスト削減を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】母材引張り強さと溶接間隔で見たときのスポット溶接間隔判定を説明する図である。
【図2】溶接条件判定を行う部材モデルの断面図である。
【図3】溶接間隔判定条件を説明する図である。
【図4】溶接条件の違いによる座屈形態の変化(150mm軸圧潰変形時)を示す図である。
【図5】溶接条件での部材の吸収エネルギーの向上を示す図である。
Claims (3)
- 2枚の金属板を重ねて溶接するスポット溶接方法において、
(1)金属板の板厚t[mm]、板厚と部材断面の周長の比t/D[−]、母材引張り強さTS[MPa]、及びスポット溶接間隔P[mm]をパラメータにして、スポット溶接後の部材をメッシュモデル化することにより、有限要素法解析を行い、スポット溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]を求め、
(2)金属板の板厚t[mm]、母材引張り強さTS[MPa]及び溶接ナゲット径r[mm]をパラメータにして、動的試験により、溶接部の剥離強度f2 [kN]を求め、
(3)スポット溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]が溶接部の剥離強度f2 [kN]を下回るように、スポット溶接間隔を求める、
ことを特徴とする衝突安全性に優れたスポット溶接方法。 - 溶接ナゲット径r[mm]が、板厚t[mm]としてJISZ3140のA級に相当するr=5√tとし、r=3〜7mmであることを特徴とする請求項1記載の衝突安全性に優れたスポット溶接方法。
- 下記(1)式によりスポット溶接部にかかる外部荷重f1 [kN]を求め、
f1 =0.00669t0.0242(t/D)0.00103 TS0.593 P0.469 (1)
下記(2)式により溶接部の剥離強度f2 [kN]を求めることを特徴とする請求項1または2記載の衝突安全性に優れたスポット溶接方法。
f2 =0.0748t1.15TS0.195 r1.12 (2)
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