特許 7477383 スポット溶接のシミュレーション方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-22

(45)【発行日】2024-05-01

(54)【発明の名称】スポット溶接のシミュレーション方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/24 20060101AFI20240423BHJP

   B23K 11/11 20060101ALI20240423BHJP

【ＦＩ】

B23K11/24 338

B23K11/11 540

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020121480

(22)【出願日】2020-07-15

(65)【公開番号】P2022018396

(43)【公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100155457

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】西村 正則

(72)【発明者】

【氏名】木許 圭一郎

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０４４９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０９４８８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ １１／２４

Ｂ２３Ｋ １１／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

隙間を介して配された複数の金属板モデル、及び、両金属板モデルを板厚方向に連結する柱状の導電部材モデルを有する板組みモデルを作成する工程と、
前記複数の金属板モデル及び前記導電部材モデルの抵抗値を設定する工程と、
前記複数の金属板モデルのうち、前記導電部材モデルで連結された領域の表面に溶接打点を設定し、この溶接打点から前記板組みモデルに電流を供給する工程と、
前記板組みモデル内に形成される通電経路の電流値を算出する工程と、
前記板組みモデルに供給した総電流値Ｉ _Ａ と、前記導電部材モデルを通る有効電流経路の電流値Ｉ _Ｅ との比（Ｉ _Ｅ ／Ｉ _Ａ ）を含む有効電流率を算出する工程とを有するスポット溶接のシミュレーション方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スポット溶接のシミュレーション方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、自動車の溶接工程では、車体の多数の点にスポット溶接が施される。スポット溶接では、金属板同士の接触部（溶接予定部）を抵抗発熱により溶融させて溶接点を形成するが、溶接予定部の周囲には、先に溶接した既溶接点が形成されているため、供給した電流の一部が既溶接点を通じて流れる。既溶接点を流れる電流は、新たな溶接点の形成には寄与しない無効電流となる。無効電流の割合が大きくなると、溶接点における発熱効率が低下し、溶接点の品質（ナゲットのできやすさ）が低下する。

【0003】

例えば、下記の特許文献１には、有効電流経路の抵抗値と無効電流経路の抵抗値とに基づいて設定された有効電流率により、溶接点の品質を定量的に評価する方法が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－１０５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

多数の点にスポット溶接を施す場合、各溶接点の位置や溶接する順序により、溶接時の通電状態（通電経路や、各通電経路の電流値など）が異なるため、溶接点の発熱状態、ひいては溶接点の品質が異なる。従って、各溶接点の溶接時の通電状態をシミュレーションにより事前に把握することができれば、多数の溶接点の品質が一定になるように、各溶接点の位置や溶接順序を設定することが可能となる。例えば、シミュレーションにより把握した各溶接点の溶接時の通電状態から有効電流率を算出し、各溶接点の有効電流率が所定値以上となるように各溶接点の位置や溶接順序を調整することで、多数の溶接点の品質を一定にすることができる。しかし、現状では、溶接時の通電状態を事前に把握するシミュレーション方法は確立されておらず、トライアンドエラーにより溶接点の位置及び溶接順序を設定しており、工数が嵩む問題があった。

【0006】

そこで、本発明者らは、図４に示す板組みモデルを用いたスポット溶接のシミュレーション方法を検討した。具体的に、２枚の金属板モデル１０１、１０２を互いに接触させた状態（すなわち、隙間が０の状態）で重ね合わせた板組みモデルを作成した。両金属板モデル１０１、１０２は、溶接打点１０３の直下の溶接予定部Ｐ（点線で示す）のみで通電可能とし、その他の領域では絶縁させた。アース１０４は、両金属板モデル１０１、１０２の端縁（図中右端）に設定した。両金属板モデル１０１、１０２の抵抗値（体積抵抗率）は同じ値に設定した。この板組みモデルにおいて、溶接打点１０３とアース１０４との間に通電すると、上側の金属板モデル１０１から溶接予定部Ｐを通って下側の金属板モデル１０２を流れる電流経路（有効電流経路Ｌ１）と、上側の金属板モデル１０１のみを流れる電流経路（無効電流経路Ｌ２）とが設けられる。

【0007】

図４に示す板組みモデルでは、溶接打点１０３とアース１０４とが十分に離間しているため、有効電流経路Ｌ１と無効電流経路Ｌ２との経路長は略等しくなる。この場合、両通電経路Ｌ１、Ｌ２の抵抗値は略同等となるため、全電流値に対する有効電流経路Ｌ１を流れる電流値の割合（すなわち有効電流率）は、５０％に近い値となるはずである。しかし、図４の板組みモデルを用いたシミュレーションにおいて、有効電流率を算出した結果、その値は２５％程度となった。これは、上記のシミュレーションによる通電状態が、実際の通電状態とは大きく異なっているためと考えられる。

【0008】

そこで、本発明は、実際に近い通電状態を得ることができるスポット溶接のシミュレーション方法を提供することで、溶接点の位置や溶接順序を設定するための工数を削減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、図４の板組みモデルを用いて算出した有効電流率が、実際の板組みにおける有効電流率と大きく乖離した原因が、金属板モデル１０１、１０２の界面(溶接予定部Ｐ)で電流ベクトルが多方向に分散することにあると考えた（図４の点線矢印参照）。そこで、図５に示すように、金属板モデル１０１、１０２の間に隙間Ｇを設けると共に、溶接打点１０３の直下に、両金属板モデル１０１、１０２を連結する柱状の導電部材モデル１０５を設定した。この板組みモデルの溶接打点１０３とアース１０４との間に通電し、各通電経路Ｌ１、Ｌ２の電流値から有効電流率を算出した結果、その値は略５０％であり、実際の有効電流率に近い値が得られた。

【0010】

以上より、本発明は、隙間を介して配された複数の金属板モデル、及び、両金属板モデルを板厚方向に連結する柱状の導電部材モデルを有する板組みモデルを作成する工程と、前記複数の金属板モデル及び前記導電部材モデルの抵抗値を設定する工程と、前記複数の金属板モデルのうち、前記導電部材モデルで連結された領域の表面に溶接打点を設定し、この溶接打点から前記板組みモデルに電流を供給する工程と、前記板組みモデル内に形成される通電経路の電流値を算出する工程とを有するスポット溶接のシミュレーション方法を提供する。

【0011】

このように、金属板モデルの間に隙間を設け、両金属板モデルを、実際には存在しない柱状の導電部材モデルで連結することで、実際に近い通電状態（通電経路及び各通電経路の電流値）を取得できる。こうして得られた通電状態に基づいて、溶接点の位置や溶接順序を最適化することができる。

【0012】

上記のシミュレーション方法は、板組みモデルに供給した総電流値Ｉ_Ａと、導電部材モデルを通る有効電流経路の電流値Ｉ_Ｅとの比（Ｉ_Ｅ／Ｉ_Ａ）を含む有効電流率を算出する工程を有することができる。こうして算出した有効電流率に基づいて、溶接点の位置や溶接順序を最適化することができる。

【発明の効果】

【0013】

以上のように、本発明によれば、シミュレーションにより、実際に近い通電状態を得ることができる。これにより、溶接点の溶接時の通電状態を事前に把握することが可能となるため、溶接点の位置や溶接順序を設定するための工数が削減される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係るシミュレーションに用いる板組みモデルの断面図である。

【図2】板組みモデルの他の例を示す断面図である。

【図3】板組みモデルのさらに他の例を示す断面図である。

【図4】板組みモデルの比較例を示す断面図である。

【図5】本発明の検証に用いた板組みモデルの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、コンピュータを用いたシミュレーションにより、図１に示す板組みモデルにダイレクトスポット溶接を施す場合を説明する。

【0016】

具体的には、まず、金属板モデル１、２を平行に配置し、これらの間に隙間Ｇを設定する。そして、両金属板モデル１、２を板厚方向（図中上下方向）に連結する導電部材モデルを設ける。本実施形態では、両金属板モデル１、２の溶接予定部Ｐに配された導電部材モデル５と、両金属板モデル１、２の既溶接点Ｑに配された導電部材６とが設けられる。導電部材モデル５、６は、板厚方向と平行な外周面を有する柱状を成し、図示例では円柱状を成している。尚、金属板モデル１、２及び導電部材モデル５、６は、ソリッドモデル、サーフェスモデルの何れであってもよい。

【0017】

導電部材モデル５の断面積は、溶接予定部Ｐに形成するナゲットの最大径部の断面積以下に設定することが好ましく、導電部材モデル６の断面積は、既溶接点Ｑのナゲットの最大径部の断面積以下に設定することが好ましい。本実施形態では、円柱状の導電部材モデル５、６の外径Ｄ_５、Ｄ_６と溶接予定部Ｐ及び既溶接点Ｑのナゲット径Ｄ_Ｐ、Ｄ_Ｑとの比Ｄ_５／Ｄ_Ｐ、Ｄ_６／Ｄ_Ｑが、０．５～１．０となるように設定される。導電部材モデル５、６の高さ（板厚方向寸法）は、例えば、溶接予定部Ｐに形成するナゲット径の１／１０以上、好ましくは１／５以上とされる。本実施形態では、導電部材モデル５、６の高さが０．１ｍｍ以上に設定される。

【0018】

次に、金属板モデル１、２及び導電部材モデル５、６の抵抗値（体積抵抗率）を設定する。金属板モデル１、２の抵抗値は、実際に溶接する金属板と同等の値に設定される。導電部材モデル５、６は実際には存在しない部材であるため、通電状態への影響を小さくするために抵抗値はなるべく小さい値に設定することが好ましい。本実施形態では、導電部材モデル５、６の抵抗値が０に設定される。尚、導電部材モデル５、６に異なる抵抗値や断面積を付与してもよく、例えば、導電部材モデル５の抵抗値を導電部材モデル６の抵抗値よりも大きい値に設定してもよい。あるいは、通電中に、溶接予定部Ｐの導電部材モデル５の抵抗値や断面積を変化させてもよい。

【0019】

次に、金属板モデル１、２の表面に、溶接打点３及びアース４を設定する。ダイレクトスポット溶接のシミュレーションでは、金属板モデル１、２のうち、溶接予定部Ｐの導電部材モデル５で連結された領域の一方側の表面に溶接打点３が設定され、同領域の他方側の表面にアース４が設定される。図示例では、上側の金属板モデル１の上面に溶接打点３が設定され、下側の金属板モデル２の下面にアース４が設定され、これらの間に導電部材モデル５が配される。

【0020】

次に、溶接打点３から金属板モデル１、２に電流を供給する。具体的には、溶接打点３とアース４との間に電圧を印加し、溶接打点３からアース４に至る通電経路を形成する。具体的には、溶接予定部Ｐの導電部材モデル５を通る有効電流経路Ｌ１と、既溶接点Ｑの導電部材モデル６を通る無効電流経路Ｌ２とが形成される。

【0021】

そして、溶接打点３から金属板モデル１、２に供給した総電流値Ｉ_Ａと、溶接予定部Ｐの導電部材モデル５を通る有効電流経路Ｌ１を流れる電流値Ｉ_Ｅとから、有効電流率Ｋを算出する。本実施形態では、有効電流率Ｋ（％）＝（Ｉ_Ｅ／Ｉ_Ａ）×１００で算出される。

【0022】

上記のように、金属板モデル１、２の間に隙間を設け、この隙間に柱状の導電部材モデル５を配することで、導電部材モデル５の内部（例えば、板厚方向中間部の断面）における電流ベクトルの方向を揃えることができる（図１の点線矢印参照）。これにより、実際に近い通電状態が再現され、有効電流率Ｋの信頼性が高められる。本実施形態では、既溶接点Ｑにも導電部材モデル６を配しているため、有効電流率Ｋの信頼性がさらに高められる。上記のような効果を得るためには、導電部材モデル５、６の高さ（板厚方向寸法）を０．１ｍｍ以上に設定することが好ましい。

【0023】

上記のように、シミュレーションにより溶接点の有効電流率Ｋを算出することで、当該溶接点における発熱効率を把握することができる。例えば、有効電流率Ｋの下限値を設定し、シミュレーションにより算出した有効電流率Ｋが下限値以上であれば、当該溶接点における発熱効率は十分であると推定できる。一方、有効電流率Ｋが下限値を下回っていれば、当該溶接点における発熱効率が不足していると推定できる。そして、発熱効率が低い場合は、当該溶接点（あるいはその周辺の溶接点）の位置や溶接順序を変え、再び有効電流率Ｋを算出する。この過程を繰り返すことにより、全ての溶接点において高い発熱効率が得られる最適な溶接点の配置及び溶接順序を設定することができる。

【0024】

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

【0025】

本発明は、ダイレクトスポット溶接に限らず、インダイレクトスポット溶接のシミュレーションにも適用できる。具体的には、図２に示すように、溶接予定部Ｐの導電部材モデル５の真上（板厚方向で重なる位置）に溶接打点３が設定され、溶接予定部Ｐ以外の領域（導電部材モデル５と板厚方向で重ならない領域）にアース４が設定される。図示例では、アース４が、既溶接点Ｑの導電部材モデル６の真下（板厚方向で重なる位置）に設けられる。溶接打点３とアース４との間に通電すると、溶接予定部Ｐの導電部材モデル５を通る有効電流経路Ｌ１と、既溶接点Ｑの導電部材モデル６を通る無効電流経路Ｌ２が形成される。これらの通電経路Ｌ１、Ｌ２に流れる電流値に基づいて、有効電流率Ｋが算出される。例えば、アース４を一箇所に固定した状態で多数の溶接点を形成する場合に、各溶接点の発熱効率を事前に把握することで、効率の良い溶接点の配置及び溶接順序を容易に設定することができる。

【0026】

また、本発明は、シリーズスポット溶接のシミュレーションにも適用できる。具体的には、図３に示すように、板組みモデルの一方の表面（図示例では、上側の金属板モデル１の上面）の２箇所に溶接打点３が設定され、各溶接打点３の真下（板厚方向で重なる位置）に導電部材モデル５が設けられる。両溶接打点３間に通電すると、２箇所の導電部材モデル５を通る有効電流経路Ｌ１と、上側の金属板モデル１のみを通る無効電流経路Ｌ２が形成される。これらの通電経路Ｌ１、Ｌ２に流れる電流値に基づいて、有効電流率Ｋが算出される。

【0027】

以上の実施形態では、シミュレーションにより算出した有効電流率Ｋに基づいて、各溶接点の位置や溶接順序を設定する場合を示したが、これに限られない。例えば、シミュレーションにより算出した有効電流経路Ｌ１の電流値が所定値以上となるように、各溶接点の位置や溶接順序を設定してもよい。

【符号の説明】

【0028】

１、２ 金属板モデル
３ 溶接打点
４ アース
５ 導電部材モデル
Ｇ 隙間
Ｌ１ 有効電流経路
Ｌ２ 無効電流経路
Ｐ 溶接予定部
Ｑ 既溶接点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】