JP3911134B2

JP3911134B2 - 衝突安全性に優れたスポット溶接方法

Info

Publication number: JP3911134B2
Application number: JP2001121392A
Authority: JP
Inventors: 博司吉田; 浩二橋本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: JP2002316267A

Description

【０００１】
【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＝０．００６６９ｔ^0.0242（ｔ／Ｄ）^0.00103ＴＳ^0.593Ｐ^0.469（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＝０．０７４８ｔ^1.15ＴＳ^0.195ｒ^1.12 （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＝０．１９５Ｐ^0.469
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

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＝０．００６６９ｔ^0.0242（ｔ／Ｄ）^0.00103ＴＳ^0.593Ｐ^0.469（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＝０．０７４８ｔ^1.15ＴＳ^0.195ｒ^1.12 （２）