３次元連成スポット溶接シミュレーションを用いた

ナゲット形成における適正施工条件に関する研究

大阪府立大学大学院 柴原研究室 重政拓海 夏目糧平

実験結果と解析結果が良好に一致したことから 本手法の妥当性が示された

背景

安価（1打点１円以下）

工程時間が短い

ひずみが少ない

軽量化につながる

スポット溶接の特徴

多大なコスト

溶接条件の選定困難

（多大な工数）

実験

研究目的

３次元連成シミュレーション手法を用いて、適正施工条件の選定を行う

解析手法

解析手法の精度検証

短ピッチスポット溶接

解析モデルと分流影響

90ｍｍ

30ｍｍ

Lp

1.5 mm 1.5 mm

270C 270C

Lp=10mm,15mm,20mm,50mm

適正施工条件に関する検討

電極 （1打点目）

電極 （2打点目）

打角ずれスポット溶接解析

dx dy

ナゲット形状

α＝0°

α＝5° 電流

電流

非対称な

ナゲット

対称な

ナゲット

x

y

z

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Wel

ding

time

(cyc

les)

Current (kA)

Lp=50mm

4√t (1st welding)

4√t(2nd welding)

Generation ofexpulsion(2nd welding)

Generation of expulision(1st welding)

1

2

短ピッチスポット溶接

4 𝑡(強度)＜ナゲット径＜接触径

結論

打角ずれスポット溶接

①： 1打点目における適正施工条件

②： 2打点目における適正施工条件

① ∩ ②：1,2打点目同条件における適正施工条件

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Wel

ding

tim

e (c

ycle

s)

Current (kA)

Generation ofexplusion (α=5°)

4√t (α=5°)

Generation ofspatter (α=0°)

4√t (α=0°)

A :α =0°B :α =5°

B

A

Long welding

time

Ⓐ： 適正施工条件（α=0°） Ⓑ： 適正施工条件（α=5°）

本研究では，理想化陽解法FEMによる３次元スポット溶接解析手法の提案を行った．本手法を用いて、分流及び打角ずれがナゲット形状に及ぼす影響について検討を行った．また、得られた結果から、適正施工条件の選定を行った．その結果、以下の結論を得た．

2)短ピッチスポット溶接において、スポットピッチが短いほど、２打点目のナゲット形状が小さくなることを示した

3)打角ずれスポット溶接において、打角ずれが存在する場合、通常のスポット溶接と異なる電流路であることを示した．また、打角ずれスポット溶接

では、非対称なナゲットが形成されることを示した．

4)本手法を用いて、適正施工範囲の予測することが可能であることを示した.

低コスト

効率的な溶接条件の選定可能 （短時間）

数値シミュレーション

熱伝導解析(温度)

弾塑性解析

Set up analysis model

F > Ftotal ?

静電場解析(電流)

t > tfinish?

Finish

No

Yes

No

Yes

熱弾塑性解析(変形, 応力)

F += ΔF

熱伝導解析

Tmax = Troom ?

熱弾塑性解析

t += Δt

t += Δt

No

Yes 加熱過程

冷却過程

負荷過程

x

z

y

Load, Current

Constraint(Displacement, Electric potential)

• Elements: 67,528• Nodes: 77,356

270C

590Y

590Y

0.7ｍｍ

1.4ｍｍ

1.8ｍｍ 節点数：67,528 要素数：77,356

電極:銅

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10

3 4 5 6 7 8 9

d:Analysisd:Experimenth:Analysish:Experiment

Nu

gget

siz

e (m

m)

Current (kA)

Nugget diameter: d

Nugget th

ickn

ess：h

• d = 4.96 (mm)

• h = 2.45 (mm)

• d = 5.74 (mm)

• h = 2.90 (mm)

• d = 6.40 (mm)

• h = 3.21 (mm)

1530.0

1379.0

1228.0

1077.0

926.0

775.0

624.0

473.0

322.0

171.0

20.0

(°C)

Nugget diameter: d

Nugget th

ickn

ess：h

• d = 4.96 (mm)

• h = 2.45 (mm)

• d = 5.74 (mm)

• h = 2.90 (mm)

• d = 6.40 (mm)

• h = 3.21 (mm)

1530.0

1379.0

1228.0

1077.0

926.0

775.0

624.0

473.0

322.0

171.0

20.0

(°C)

ナゲット形状（解析）

実験値と解析値の比較

計算時間: 約12時間

d=4.69mm(5.0kA)

d=6.40mm(7.0kA)

理想化陽解法FEMによる解析の流れ

ナゲット形状

スポットピッチ長さが短いほど ２打点目ナゲットは小さくなる

スポットピッチ長さLP：長

分流影響：小

ピッチ長さと分流の関係

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

spot pitch:50mmspot pitch:20mmspot pitch:15mmspot pitch:10mm

Ratio of shunt current (%)

Current (kA)

Larger Pitch

打角ずれが存在する場合のスポット溶接では ナゲット形状が通常のスポット溶接と異なる

解析モデル

α=5° 電極：銅

α

270C(1.5mm) 270C(1.5mm)

適正施工条件

の定義 (t: 板厚)

数値シミュレーションを用いた 適正施工条件の選定が可能

理想化陽解法FEMを用いたスポット溶接の３次元連成解析

解析手法

解析モデル

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516

dxdy

Nug

get

diam

eter

(mm

)

Weld time(cycles)

x方向とy方向のナゲット径の比較

[ 適正ナゲット]

スポット溶接の問題点

短ピッチスポット溶接

● 分流の発生

分流

ピッチ長さ

Lp

打角ずれスポット溶接

● 通電路の変化

既溶接点（ナゲット）

スポット溶接の３次元影響の把握が重要

(分流, 温度, 変形…)

打角ずれ

角度 α

通電路

ナゲットt

実験による溶接施工条件の選定が困難

本研究では、 高速・大規模解析が可能な 理想化陽解法FEMによる3次元スポット溶接解析手法の提案を行う

Lp

(20mm)

Lp

(50mm)

1打点目 2打点目

ナゲット： 大

ナゲット： 小

同形状

ナゲット 電流値:5kA

加圧力:2.45kN

α=5°における適正施工条件は

α=0°より小さい

3次元モデルにおいて

短時間解析が可能

dx≠dy

α=5°

目的

電極 （1打点目）

電極 （2打点目）

1)スポット溶接における3次元連成シミュレーション手法を構築した結果、解析結果と実験結果のナゲット径が精度よく一致することを示した

Current

分流

ピッチ長さLP: 短

分流の発生