No.26「スポット溶接解析」

No.26
スポット溶接解析 ~電流伝熱と変形の連成解析~

スポット溶接の3大溶接条件

CO2削減にダイレクトに結びつく自動車の軽量化の一環として、部品の接合技術に大きな注目が集まっています。接合技術の一つであるスポット溶接は、材料を重ね、電極を加圧して電流を流し、発生するジュール熱により接合(溶接)する方法です。溶接部位の強度等に大きな影響を与えるナゲット形状(溶融部位)を最適化するために、スポット溶接の3大溶接条件(加圧力、電流値、通電時間)の選定は大変重要となります。当社では溶接解析の知見を基に、スポット溶接をシミュレーションし、お客様の問題解決のお手伝いをしています。

熱と構造の連成解析

スポット溶接解析では、重ねた材料の接触状態が溶接の進行とともに変化するため、電流による発熱とその熱による応力変形を同時に解析しつつ(双方向連成解析)、溶接箇所の時間的変化を計算しなければなりません。電流による伝熱解析を実施してから応力変形を解析する方法(一方向連成解析)では、実際のナゲット形状と解析結果が大きく異なります。当社では、電流伝熱解析モデルと応力変形解析モデルを二重要素共有節点方式により連成解析し、加圧力や電流と通電時間の最適条件を見出すことが可能となりました。
 図1は設定電流値がナゲット形状へ及ぼす影響を、図2は設定加圧力がナゲット形状へ及ぼす影響を示した図です。

図1 ナゲット形状(温度分布)への
電流の影響(加圧力3600 [N]時)
図1 ナゲット形状(温度分布)への 電流の影響(加圧力3600 [N]時)
図2 ナゲット形状(温度分布)への
加圧力の影響(電流9 [kA]時)
図2 ナゲット形状(温度分布)への 加圧力の影響(電流9 [kA]時)

電極の温度解析

スポット溶接では、打点(溶接)時間間隔の短縮が生産性向上に繋がります。このとき電極の冷却が大きな問題となります。電極の径を小さくすれば冷却配管径の限度から電極の冷却は難しくなり、連続打点による電極の温度上昇を考慮しながら先の3大溶接条件を最適化する必要があります。当社では、連続打点時の電極温度の時間的変化を解析から得てお客様に提案し、生産性向上に寄与しております。

溶接解析

当社では、スポット溶接解析のほか、相変態を考慮した鋼板の溶接変形解析(JFE-TEC News No.24 July 2010)やSUS材の溶接強度・変形解析など数多くの解析経験から、溶接の問題についてのご相談をお受けいたしております。

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JFEテクノリサーチ株式会社 営業本部