スポット溶接の検査方法及び検査装置
【課題】ワークに対する超音波の入射角やワーク温度の変化による影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定する。
【解決手段】予め、溶融部の大きさＶと凝固時間Ｔに関する相関データを作成しておく。まず、センサ２からワークに横波の超音波を入射し、溶融部からの反射波をセンサ２で検出する。次いで、反射波を検出する場合、ワークＷへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻ｔ１を検出し、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻ｔ２を検出する。透過波を検出する場合、ワークＷの下側の電極チップ１に、溶融部からの透過波を受信するセンサを設け、第２の時刻ｔ２として溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加するときを用いる。そして、第１及び第２の時刻ｔ１,ｔ２の差を溶融部の凝固時間Ｔとし、その凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部の大きさを推定する。
【解決手段】予め、溶融部の大きさＶと凝固時間Ｔに関する相関データを作成しておく。まず、センサ２からワークに横波の超音波を入射し、溶融部からの反射波をセンサ２で検出する。次いで、反射波を検出する場合、ワークＷへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻ｔ１を検出し、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻ｔ２を検出する。透過波を検出する場合、ワークＷの下側の電極チップ１に、溶融部からの透過波を受信するセンサを設け、第２の時刻ｔ２として溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加するときを用いる。そして、第１及び第２の時刻ｔ１,ｔ２の差を溶融部の凝固時間Ｔとし、その凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部の大きさを推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射して溶融部の大きさを推定する検査方法及び検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の検査方法として反射法と透過法が知られている。
【０００３】
反射法は、予め、反射波の強度の最大値と溶融部の大きさに関する相関データを取っておき、溶融部からの反射波の強度をモニターしながら溶接を行なう。反射波の強度は、溶融部が成長するのにともなって増加し、溶融部が凝固するのにともなって減少するので、反射波強度の最大値を相関データと対応させて溶融部の大きさを求める。
【０００４】
なお、反射波強度の最大値からではなく、超音波のワーク中の伝播時間から溶融部の大きさを求める方法も提案されている。この方法では、まず、超音波が溶融部で反射してセンサに戻って来るまでの時間を計測する。一方、溶接電流値や通電時間などからワークの温度を推定し、ワーク中の音速を求める。そして、音速と伝播時間の関係よりセンサから溶融部までの距離を求め、ワークの肉厚から溶融部の厚さを求める。
【０００５】
透過法は、予め、透過波強度の最小値と溶融部の大きさに関する相関データを取っておく。そして、ワークを透過する超音波の強度をモニターしながら溶接を行なう。透過波の強度は、溶融部が成長するのにともなって減少し、溶融部が凝固するのにともなって増加するので、透過波強度の最小値を相関データと対応させて溶融部の大きさを求める。
【０００６】
なお、透過波の減衰量から溶融部の大きさを求める方法も提案されている（特許文献１参照）。この方法は、超音波の透過率からワーク中の音速を求め、その値からワークの温度を求め、その値からワークの融点に達した時刻を求める。そして、融点到達時からの透過率の減衰量を求め、その値と対応する溶融部の大きさを相関データより求める。
【０００７】
【特許文献１】特許第３６４４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、いずれの方法でも、電極チップの傾きによって、超音波がワークに垂直に入射しなくなると、反射波と透過波の強度が低下してしまい、溶融部容積の判定精度が悪くなる。また、超音波の伝播時間から溶融部の厚さを求める場合、ワークの温度や伝播時間の測定誤差が溶融部容積の判定精度に大きな影響を及ぼすという問題がある。
【０００９】
なお、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、亜鉛の融点は鉄の融点よりも低いため、鉄の溶融が始まった時には、亜鉛は既に溶融している。つまり、溶融したメッキ層で超音波が反射してしまうため、透過波も母材溶融部からの反射波も検出できなくなり、いずれの方法による検査も不可能になる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、ワークに対する超音波の入射角やワーク温度の変化による影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定することができるスポット溶接の検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明のスポット溶接の検査方法として、溶融部の大きさの推定に、溶融部からの反射波を利用する第１検査方法および溶融部からの透過波を利用する第２検査方法がある。
【００１２】
本発明のスポット溶接の第１検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの反射波を検出する工程と、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが大きくなると、それに応じて反射波の強度が大きくなる。溶接電流の通電を停止した時には、溶融部の大きさが最大となる。溶接電流の通電を停止した後、溶融部の凝固が進行すると、それに応じて反射波の強度が小さくなる。溶融部の凝固が終了した時には、反射波の強度は所定値まで低下している。ワークに対し超音波が斜めに入射すると、溶融部からの反射波の強度が低下するが、溶融部の凝固に要する時間は変化しない。つまり、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出し、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合して溶融部の大きさを推定することにより、ワークに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に求めることができる。
【００１４】
亜鉛メッキ鋼板を溶接する際には、超音波が溶融メッキ層で反射し、母材溶融部からの反射波を検出できなくなる。また、反射波の検出に用いるセンサの径が溶融部の最大径より小さい場合、溶融部におけるセンサ径を超える端部からの反射波を検出できなくなる。したがって、これらの場合、上記のようにワークへの溶接電流の通電を停止するときを第１の時刻として用いることが有効である。
【００１５】
第１検査方法では、溶融部からの反射波の強度が最大になる時を第１の時刻として用いることができる。すなわち、本発明のスポット溶接の他の第１検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの反射波を検出する工程と、溶融部からの反射波の強度が最大になる第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが最大になると、反射波の強度が最大値に達する。ワークに超音波が斜めに入射すると、反射波の強度は低下するが、その値が最大値に達する時刻は変化しない。つまり、反射波の強度が最大値に達する時刻を始期として凝固時間を求めればよい。かかる構成は、亜鉛メッキ鋼板を用いない場合やセンサの径が溶融部の最大径以上の場合に有効である。
【００１７】
本発明のスポット溶接の第２検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが大きくなると、それに応じて透過波の強度が小さくなる。溶接電流の通電を停止した時には、溶融部の大きさが最大となる。溶接電流の通電を停止した後、溶融部の凝固が進行すると、それに応じて透過波の強度が大きくなる。溶融部の凝固が終了した時には、透過波の強度は所定値まで増加している。ワークに対し超音波が斜めに入射すると、溶融部からの透過波の強度が低下するが、溶融部の凝固に要する時間は変化しない。つまり、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出し、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合して溶融部の大きさを推定することにより、ワークに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に求めることができる。
【００１９】
亜鉛メッキ鋼板を溶接する際には、超音波が溶融メッキ層で反射し、母材溶融部からの透過波を検出できなくなる。また、透過波の検出に用いるセンサの径が溶融部の最大径より小さい場合、ワークの溶融部に対応する部分におけるセンサ径を超える端部からの透過波を検出できなくなる。したがって、これらの場合、上記のようにワークへの溶接電流の通電を停止するときを第１の時刻として用いることが有効である。
【００２０】
第２検査方法では、溶融部からの透過波の強度が最小になる時を第１の時刻として用いることができる。すなわち、本発明のスポット溶接の他の第２検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、溶融部からの透過波の強度が最小になる第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００２１】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが最大になると、透過波の強度が最小値に達する。ワークに超音波が斜めに入射すると、透過波の強度は低下するが、その値が最小値に達する時刻は変化しない。つまり、透過波の強度が最小値に達する時刻を始期として凝固時間を求めればよい。かかる構成は、亜鉛メッキ鋼板を用いない場合やセンサの径が溶融部の最大径以上の場合に有効である。
【００２２】
本発明のスポット溶接の検査装置として、本発明の第１検査方法を用いる第１検査装置および本発明の第２検査方法を用いる第２検査装置がある。
【００２３】
本発明のスポット溶接の第１検査装置は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置であって、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データを記憶する記憶手段と、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの反射波を検出するセンサと、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出する検出手段と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴としている。かかる構成では、本発明の第１検査方法と同様な作用・効果を得ることができる。
【００２４】
本発明のスポット溶接の第２検査装置は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置であって、溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを記憶する記憶手段と、ワークに横波の超音波を入射する超音波発生手段と、溶融部からの透過波を検出するセンサと、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出する検出手段と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴としている。かかる構成では、本発明の第２検査方法と同様な作用・効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、反射波や透過波の強度からではなく、溶融部の凝固時間から溶融部の大きさを推定しているので、ワークに対する超音波の入射角の変化や、ワーク温度の変化による影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る第１実施形態の検査装置のブロック図を示している。図１において、符号１はスポット溶接ガンの電極チップで、ワークＷに超音波を入射するセンサ２を内蔵している。電極チップ１からワークＷへの溶接電流およびその通電時間は、溶接タイマ（図示略）により制御される。センサ２は超音波送受信器３からのパルス信号を受けて横波の超音波を発生し、その反射波を電気信号に変換して超音波送受信器３に戻す。反射波の信号は超音波送受信器３で増幅されて検出手段４に送られる。
【００２７】
検出手段４は、反射波の強度が最大になる第１の時刻と、反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出し、その信号を判定手段５に送る。判定手段５は、第１及び第２の時刻の差から溶融部の凝固時間を求め、これを記憶手段６の相関データと照合し、凝固時間と対応する溶融部の大きさを求める。記憶手段６には、溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データが記憶されている。なお、溶融部の大きさとは、溶融部の直径や容積のことをいう。
【００２８】
次に、反射波の強度から溶融部の大きさを推定する方法について、図２，９を参照しながら詳細に説明する。図２は、反射波強度と溶接電流の経時変化を示す図である。図９（ａ）〜（ｄ）は、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射している状態の遷移を示す概略図である。
【００２９】
まず、図１に示すように、ワークＷを電極チップ１,１で挟んで加圧し、時刻ｔｓで溶接電流の通電を開始する。図２において、実線Ａは溶接電流の変化を示している。ワークＷでの溶融部発生前には反射波は観察されないが（図９（ａ））、溶接電流の通電によってワークＷが発熱溶融すると、時刻ｔ０で溶融部Ｌからの反射波が観察される。溶融部Ｌの大きさが大きくなると、それに応じて反射波の強度が大きくなる。図２において、実線Ｂは反射波の強度変化を示している。溶融が進むと、センサ２から溶融部Ｌまでの距離が小さくなり、反射波の出現時間は短くなる。図２において、点線Ｃは反射波の出現時間を示している。なお、反射波の出現時間とは、センサ２から発信された超音波が溶融部Ｌで反射し、センサ２に戻って来るまでの時間をいい、図２上段の反射波形図でｔａで示されている。図２では、時間ｔａを、各入射波に対応する反射波の立ち上がりまでの時間としているが、これに限定されるものではない。たとえば、各反射波の強度のピーク時や、各反射波の立ち上がりとその消失との中間の時点までの時間を時間ｔａとしてもよい。図２下段の反射波強度と溶接電流の経時変化を示す図では、反射波の観測時刻を、反射波の送信時刻に時間ｔａを足し合わせたものとしている。
【００３０】
時刻ｔ１で溶接電流の通電を停止すると、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが生成され、反射波の強度は減少に転じる。つまり、通電停止の時刻ｔ１で溶融部Ｌの大きさと反射波の強度が最大になる（図９（ｂ））。溶融部の凝固が進行すると（図９（ｃ））、それに応じて反射波の強度が小さくなる一方、反射波の出現時間は長くなる。溶融部の凝固が終了する時刻ｔ３では、反射波が消失し、その強度がゼロになる（図９（ｄ））。
【００３１】
溶融部Ｌの凝固時間は、反射波の強度が最大になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）とし、反射波の強度がゼロになる時刻ｔ３を終期（第２の時刻）として算出すればよい。ただし、時刻ｔ３を終期とすると、ノイズの影響により計測誤差を生じ易くなる。そこで、ゼロよりも若干大きい閾値を設定し、反射波の強度が閾値まで達した時刻ｔ２（第２の時刻）を凝固時間の終期としてもよい。
【００３２】
この場合、凝固時間Ｔは真の値（ｔ３−ｔ１）よりも若干短くなるが、相関データの作成に際し、以上の値（ｔ２−ｔ１）を凝固時間として採用しておけば、溶融部の判定精度に対する影響は殆どない。
【００３３】
なお、センサ２は、ワークＷにおけるセンサ径を超える部分からの反射波を検出することができないから、溶融部Ｌからの反射波強度の検出限界はセンサ２のセンサ径に規定される。すなわち、図９（ａ）〜９（ｄ）に示すように、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合、センサ２は、溶融部Ｌの全ての部分からの反射波を検出することができるので、センサ２は反射波強度の最大値を検出することができる（図２の実線Ｂ、図３の破線Ｂ）。したがって、この場合、上記のように反射波の強度が最大になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）として用いることができる。
【００３４】
一方、図１０（ａ），１０（ｂ）に示すように、センサ径が溶融部Ｌの最大径より小さい場合、センサ２は、溶融部Ｌにおけるセンサ径を超える両端部からの反射波を検出することができない。この場合、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する前と通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致した後では、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の図３の破線Ｂに示す場合と同じ変化を示すが、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致してから通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致するまでは、図３の実線Ｂ’に示すように反射波の強度が一定となる。このように反射波の強度には、センサ径を超える溶融部の径の変化が反映されない。したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。溶接電流の通電停止時には溶融部Ｌの大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。この場合、通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する時刻ｔ５を用い、凝固時間Ｔを（ｔ５−ｔ１）としてもよい。
【００３５】
そして、凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部の大きさを推定する（図５参照）。
【００３６】
溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データは、次のようにして作成する。
【００３７】
多数のワークに対し溶接条件（電流値や通電時間など）を変えてスポット溶接を行い、その都度、溶融部の凝固時間Ｔを計測し記録しておく。溶接されたワークの破壊検査を行い、溶融部の垂直及び水平断面から溶融部の大きさＶを求める。そして、溶融部の大きさと凝固時間Ｔを対応させて相関データを作成する。
【００３８】
いま、電極チップ１の傾きによって、超音波がワークに対して斜めに入射すると、反射波の強度が低下するが、反射波の強度が最大になる第１の時刻ｔ１は変化しない。一方、閾値の付近では反射波の強度差は殆ど生じないため、反射波の強度が閾値に達する第２の時刻ｔ２の差は無視できるほど小さくなる。図６において、超音波が斜めに入射した場合の反射波強度を一点鎖線で示してある。つまり、溶融部の凝固に要する時間Ｔは変化しないので、ワークに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定できる。また、ワークの温度変化の影響を受けることもない。
【００３９】
ところで、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、亜鉛の融点は鉄の融点よりも低いため、まず、ワーク間のメッキ層が溶融し、次いで、母材の溶融が始まる。このため、図４(ａ)に示すように、溶接電流の通電を開始すると、まず、ワーク間の溶融メッキ層からの反射波Ｄが生じる。
【００４０】
ワーク間のメッキ層はやがて蒸発してなくなるが、それと前後して母材の溶融が始まる。通電電流値が高く、溶融部が大きいと、電極チップ１側へ熱が伝わり、電極チップ１側のメッキ層が溶けることがある。この場合、図４(ｂ)に示すように電極チップ１側のメッキ層からの反射波Ｅが発生し、母材へ超音波が入射しなくなってしまう。このため、母材溶融部から反射するはずの反射波Ｂの強度のピークを検出することが不可能になる。
【００４１】
そこで、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。つまり、溶接電流の通電停止時には溶融部の大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。
【００４２】
時刻ｔ４で電極チップ１側のメッキ層からの反射がなくなると、母材溶融部からの反射波Ｂが現れるので、凝固時間Ｔの終期は、通常のワークの場合と同様、反射波Ｂの強度が閾値まで低下する時刻ｔ２にすればよい。凝固時間Ｔから溶融部の大きさを推定する方法は上述のとおりである。
【００４３】
（２）第２実施形態
第２実施形態は、溶融部の大きさの推定に溶融部からの反射波の代わりに溶融部からの透過波を利用する以外は、第１実施形態と同様である。図７は、本発明に係る第２実施形態の検査装置のブロック図を示している。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、その構成・作用の説明は省略する。
【００４４】
第２実施形態では、図７に示すように、ワークＷの下側の電極チップ１に、溶融部からの透過波を受信するセンサ７を設ける。センサ７は、たとえばセンサ２と同一径を有するとともに、ワークＷに対してセンサ２とは対称な位置に配置されている。センサ２（超音波発生手段）は、超音波送受信器３からのパルス信号を受けて横波の超音波を発生する。センサ７では、溶融部からの透過波を受信し、その透過波を電気信号に変換して超音波送受信器３に戻す。透過波の信号は超音波送受信器３で増幅されて検出手段４に送られる。
【００４５】
検出手段４は、透過波の強度が最小になる第１の時刻と、透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出し、その信号を判定手段５に送る。判定手段５は、第１及び第２の時刻の差から溶融部の凝固時間を求め、これを記憶手段６の相関データと照合し、凝固時間と対応する溶融部の大きさを求める。
【００４６】
次に、透過波の強度から溶融部の大きさを推定する方法について、おもに図７，８，９（ａ）〜（ｄ）を参照しながら詳細に説明する。図８は、透過波強度と溶接電流の経時変化を示す図である。なお、図９（ａ）〜（ｄ）では、センサ７の図示を省略している。
【００４７】
まず、第１実施形態と同様にワークＷを電極チップ１,１で挟んで加圧し、時刻ｔｓで溶接電流の通電を開始する。図８において、実線Ａは溶接電流の変化を示している。ワークＷでの溶融部Ｌ発生前は、超音波はワークＷにより反射されないから、この時の透過波の強度は最大である（図９（ａ））。溶接電流の通電によってワークＷが発熱溶融すると、溶融部Ｌで超音波が反射されるから、時刻ｔ０で溶融部Ｌからの透過波が減少する。溶融部Ｌの大きさが大きくなると、それに応じて透過波の強度が小さくなる。図８において、破線Ｆは透過波の強度変化を示している。
【００４８】
時刻ｔ１で溶接電流の通電を停止すると、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが生成され、透過波の強度は増加に転じる。つまり、通電停止の時刻ｔ１で溶融部の大きさが最大、透過波の強度が最小になる（図９（ｂ））。溶融部Ｌの凝固が進行すると（図９（ｃ））、それに応じて透過波の強度が大きくなる。溶融部Ｌの凝固が終了する時刻ｔ３では、透過波の強度が再び最大となる（（図９（ｄ））。
【００４９】
溶融部Ｌの凝固時間は、透過波の強度が最小になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）とし、透過波の強度が最大になる時刻ｔ３を終期（第２の時刻）として算出すればよい。ただし、時刻ｔ３を終期とすると、ノイズの影響により計測誤差を生じ易くなる。そこで、透過波の最大強度よりも若干小さい閾値を設定し、透過波の強度が閾値まで達した時刻ｔ２（第２の時刻）を凝固時間の終期としてもよい。
【００５０】
この場合、凝固時間Ｔは真の値（ｔ３−ｔ１）よりも若干短くなるが、相関データの作成に際し、以上の値（ｔ２−ｔ１）を凝固時間として採用しておけば、溶融部の判定精度に対する影響は殆どない。
【００５１】
なお、センサ７は、ワークＷにおけるセンサ径を超える部分からの透過波を検出することができないから、溶融部Ｌからの透過波強度の検出限界は、第１実施形態の反射波の場合と同様に、センサ７のセンサ径に規定される。すなわち、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合、センサ７は、ワークＷにおける溶融部Ｌに対応する全ての部分からの透過波を検出することができるので、センサ７は透過波強度の最小値を検出することができる（図８の破線Ｆ）。したがって、この場合、上記のように透過波の強度が最小になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）として用いることができる。
【００５２】
一方、センサ径が溶融部Ｌの最大径より小さい場合、センサ７は、ワークＷにおけるセンサ径を超える溶融部Ｌの両端部に対応する部分からの透過波を検出することができない。この場合の透過波強度の曲線は、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合の図８の破線Ｆに示す曲線を時間軸方向に向けて下方に平行移動したような曲線となり（図８の実線Ｆ’）、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致してから通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致するまで、透過波の強度がゼロとなる。このように透過波の強度には、センサ径を超える溶融部の径の変化が反映されない。したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。溶接電流の通電停止時には溶融部Ｌの大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。この場合、通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する時刻ｔ５を用い、凝固時間Ｔを（ｔ５−ｔ１）としてもよい。
【００５３】
そして、第１実施形態と同様に凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部の大きさを推定する（図５参照）。
【００５４】
いま、電極チップ１の傾きによって、超音波がワークに対して斜めに入射すると、透過波の強度が低下するが、透過波の強度が最小になる第１の時刻ｔ１は変化しない。一方、閾値の付近では透過波の強度差は殆ど生じないため、透過波の強度が閾値に達する第２の時刻ｔ２の差は無視できるほど小さくなる。つまり、溶融部の凝固に要する時間Ｔは変化しないので、ワークＷに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定できる。また、ワークの温度変化の影響を受けることもない。
【００５５】
ところで、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、反射波を利用した第１実施形態と同様、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。つまり、溶接電流の通電停止時には溶融部の大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る第１実施形態の検査装置のブロック図。
【図２】反射波強度と溶接電流の経時変化を示す図。
【図３】反射波強度のセンサ径と溶融部の最大径との関係への依存性を示す図。
【図４】図２に溶融メッキ層からの反射波を加えた図。
【図５】溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを示す図。
【図６】電極チップの傾きが反射波強度に及ぼす影響を説明する図。
【図７】本発明に係る第２実施形態の検査装置のブロック図。
【図８】透過波強度と溶接電流の経時変化を示す図。
【図９】センサ径が溶融部の最大径以上の場合、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射している状態の遷移を示す概略図であり、（ａ）は通電前の状態、（ｂ）は通電終了時の状態、（ｃ）は冷却中の状態、（ｄ）は冷却終了時の状態を示す図。
【図１０】センサ径が溶融部の最大径より小さい場合、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射している状態の遷移を示す概略図であり、（ａ）は通電終了時の状態、（ｂ）は冷却中の状態を示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１…電極チップ、２，７…センサ、３…超音波送受信器、４…検出手段、５…判定手段、６…記憶手段、Ａ…溶接電流、Ｂ，Ｂ’…反射波強度、Ｆ，Ｆ’…透過波強度、Ｌ…溶融部、Ｍ…凝固部、Ｗ…ワーク、ｔ１…第１の時刻、ｔ２…第２の時刻
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射して溶融部の大きさを推定する検査方法及び検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の検査方法として反射法と透過法が知られている。
【０００３】
反射法は、予め、反射波の強度の最大値と溶融部の大きさに関する相関データを取っておき、溶融部からの反射波の強度をモニターしながら溶接を行なう。反射波の強度は、溶融部が成長するのにともなって増加し、溶融部が凝固するのにともなって減少するので、反射波強度の最大値を相関データと対応させて溶融部の大きさを求める。
【０００４】
なお、反射波強度の最大値からではなく、超音波のワーク中の伝播時間から溶融部の大きさを求める方法も提案されている。この方法では、まず、超音波が溶融部で反射してセンサに戻って来るまでの時間を計測する。一方、溶接電流値や通電時間などからワークの温度を推定し、ワーク中の音速を求める。そして、音速と伝播時間の関係よりセンサから溶融部までの距離を求め、ワークの肉厚から溶融部の厚さを求める。
【０００５】
透過法は、予め、透過波強度の最小値と溶融部の大きさに関する相関データを取っておく。そして、ワークを透過する超音波の強度をモニターしながら溶接を行なう。透過波の強度は、溶融部が成長するのにともなって減少し、溶融部が凝固するのにともなって増加するので、透過波強度の最小値を相関データと対応させて溶融部の大きさを求める。
【０００６】
なお、透過波の減衰量から溶融部の大きさを求める方法も提案されている（特許文献１参照）。この方法は、超音波の透過率からワーク中の音速を求め、その値からワークの温度を求め、その値からワークの融点に達した時刻を求める。そして、融点到達時からの透過率の減衰量を求め、その値と対応する溶融部の大きさを相関データより求める。
【０００７】
【特許文献１】特許第３６４４９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、いずれの方法でも、電極チップの傾きによって、超音波がワークに垂直に入射しなくなると、反射波と透過波の強度が低下してしまい、溶融部容積の判定精度が悪くなる。また、超音波の伝播時間から溶融部の厚さを求める場合、ワークの温度や伝播時間の測定誤差が溶融部容積の判定精度に大きな影響を及ぼすという問題がある。
【０００９】
なお、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、亜鉛の融点は鉄の融点よりも低いため、鉄の溶融が始まった時には、亜鉛は既に溶融している。つまり、溶融したメッキ層で超音波が反射してしまうため、透過波も母材溶融部からの反射波も検出できなくなり、いずれの方法による検査も不可能になる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、ワークに対する超音波の入射角やワーク温度の変化による影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定することができるスポット溶接の検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明のスポット溶接の検査方法として、溶融部の大きさの推定に、溶融部からの反射波を利用する第１検査方法および溶融部からの透過波を利用する第２検査方法がある。
【００１２】
本発明のスポット溶接の第１検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの反射波を検出する工程と、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが大きくなると、それに応じて反射波の強度が大きくなる。溶接電流の通電を停止した時には、溶融部の大きさが最大となる。溶接電流の通電を停止した後、溶融部の凝固が進行すると、それに応じて反射波の強度が小さくなる。溶融部の凝固が終了した時には、反射波の強度は所定値まで低下している。ワークに対し超音波が斜めに入射すると、溶融部からの反射波の強度が低下するが、溶融部の凝固に要する時間は変化しない。つまり、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出し、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合して溶融部の大きさを推定することにより、ワークに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に求めることができる。
【００１４】
亜鉛メッキ鋼板を溶接する際には、超音波が溶融メッキ層で反射し、母材溶融部からの反射波を検出できなくなる。また、反射波の検出に用いるセンサの径が溶融部の最大径より小さい場合、溶融部におけるセンサ径を超える端部からの反射波を検出できなくなる。したがって、これらの場合、上記のようにワークへの溶接電流の通電を停止するときを第１の時刻として用いることが有効である。
【００１５】
第１検査方法では、溶融部からの反射波の強度が最大になる時を第１の時刻として用いることができる。すなわち、本発明のスポット溶接の他の第１検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの反射波を検出する工程と、溶融部からの反射波の強度が最大になる第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１６】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが最大になると、反射波の強度が最大値に達する。ワークに超音波が斜めに入射すると、反射波の強度は低下するが、その値が最大値に達する時刻は変化しない。つまり、反射波の強度が最大値に達する時刻を始期として凝固時間を求めればよい。かかる構成は、亜鉛メッキ鋼板を用いない場合やセンサの径が溶融部の最大径以上の場合に有効である。
【００１７】
本発明のスポット溶接の第２検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが大きくなると、それに応じて透過波の強度が小さくなる。溶接電流の通電を停止した時には、溶融部の大きさが最大となる。溶接電流の通電を停止した後、溶融部の凝固が進行すると、それに応じて透過波の強度が大きくなる。溶融部の凝固が終了した時には、透過波の強度は所定値まで増加している。ワークに対し超音波が斜めに入射すると、溶融部からの透過波の強度が低下するが、溶融部の凝固に要する時間は変化しない。つまり、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出し、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合して溶融部の大きさを推定することにより、ワークに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に求めることができる。
【００１９】
亜鉛メッキ鋼板を溶接する際には、超音波が溶融メッキ層で反射し、母材溶融部からの透過波を検出できなくなる。また、透過波の検出に用いるセンサの径が溶融部の最大径より小さい場合、ワークの溶融部に対応する部分におけるセンサ径を超える端部からの透過波を検出できなくなる。したがって、これらの場合、上記のようにワークへの溶接電流の通電を停止するときを第１の時刻として用いることが有効である。
【００２０】
第２検査方法では、溶融部からの透過波の強度が最小になる時を第１の時刻として用いることができる。すなわち、本発明のスポット溶接の他の第２検査方法は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法であって、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、溶融部からの透過波の強度が最小になる第１の時刻を検出する工程と、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴としている。
【００２１】
かかる構成によれば、溶融部の大きさが最大になると、透過波の強度が最小値に達する。ワークに超音波が斜めに入射すると、透過波の強度は低下するが、その値が最小値に達する時刻は変化しない。つまり、透過波の強度が最小値に達する時刻を始期として凝固時間を求めればよい。かかる構成は、亜鉛メッキ鋼板を用いない場合やセンサの径が溶融部の最大径以上の場合に有効である。
【００２２】
本発明のスポット溶接の検査装置として、本発明の第１検査方法を用いる第１検査装置および本発明の第２検査方法を用いる第２検査装置がある。
【００２３】
本発明のスポット溶接の第１検査装置は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置であって、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データを記憶する記憶手段と、ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの反射波を検出するセンサと、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、溶融部からの反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出する検出手段と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴としている。かかる構成では、本発明の第１検査方法と同様な作用・効果を得ることができる。
【００２４】
本発明のスポット溶接の第２検査装置は、スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置であって、溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを記憶する記憶手段と、ワークに横波の超音波を入射する超音波発生手段と、溶融部からの透過波を検出するセンサと、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出する検出手段と、第１の時刻と第２の時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴としている。かかる構成では、本発明の第２検査方法と同様な作用・効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、反射波や透過波の強度からではなく、溶融部の凝固時間から溶融部の大きさを推定しているので、ワークに対する超音波の入射角の変化や、ワーク温度の変化による影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る第１実施形態の検査装置のブロック図を示している。図１において、符号１はスポット溶接ガンの電極チップで、ワークＷに超音波を入射するセンサ２を内蔵している。電極チップ１からワークＷへの溶接電流およびその通電時間は、溶接タイマ（図示略）により制御される。センサ２は超音波送受信器３からのパルス信号を受けて横波の超音波を発生し、その反射波を電気信号に変換して超音波送受信器３に戻す。反射波の信号は超音波送受信器３で増幅されて検出手段４に送られる。
【００２７】
検出手段４は、反射波の強度が最大になる第１の時刻と、反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出し、その信号を判定手段５に送る。判定手段５は、第１及び第２の時刻の差から溶融部の凝固時間を求め、これを記憶手段６の相関データと照合し、凝固時間と対応する溶融部の大きさを求める。記憶手段６には、溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データが記憶されている。なお、溶融部の大きさとは、溶融部の直径や容積のことをいう。
【００２８】
次に、反射波の強度から溶融部の大きさを推定する方法について、図２，９を参照しながら詳細に説明する。図２は、反射波強度と溶接電流の経時変化を示す図である。図９（ａ）〜（ｄ）は、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射している状態の遷移を示す概略図である。
【００２９】
まず、図１に示すように、ワークＷを電極チップ１,１で挟んで加圧し、時刻ｔｓで溶接電流の通電を開始する。図２において、実線Ａは溶接電流の変化を示している。ワークＷでの溶融部発生前には反射波は観察されないが（図９（ａ））、溶接電流の通電によってワークＷが発熱溶融すると、時刻ｔ０で溶融部Ｌからの反射波が観察される。溶融部Ｌの大きさが大きくなると、それに応じて反射波の強度が大きくなる。図２において、実線Ｂは反射波の強度変化を示している。溶融が進むと、センサ２から溶融部Ｌまでの距離が小さくなり、反射波の出現時間は短くなる。図２において、点線Ｃは反射波の出現時間を示している。なお、反射波の出現時間とは、センサ２から発信された超音波が溶融部Ｌで反射し、センサ２に戻って来るまでの時間をいい、図２上段の反射波形図でｔａで示されている。図２では、時間ｔａを、各入射波に対応する反射波の立ち上がりまでの時間としているが、これに限定されるものではない。たとえば、各反射波の強度のピーク時や、各反射波の立ち上がりとその消失との中間の時点までの時間を時間ｔａとしてもよい。図２下段の反射波強度と溶接電流の経時変化を示す図では、反射波の観測時刻を、反射波の送信時刻に時間ｔａを足し合わせたものとしている。
【００３０】
時刻ｔ１で溶接電流の通電を停止すると、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが生成され、反射波の強度は減少に転じる。つまり、通電停止の時刻ｔ１で溶融部Ｌの大きさと反射波の強度が最大になる（図９（ｂ））。溶融部の凝固が進行すると（図９（ｃ））、それに応じて反射波の強度が小さくなる一方、反射波の出現時間は長くなる。溶融部の凝固が終了する時刻ｔ３では、反射波が消失し、その強度がゼロになる（図９（ｄ））。
【００３１】
溶融部Ｌの凝固時間は、反射波の強度が最大になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）とし、反射波の強度がゼロになる時刻ｔ３を終期（第２の時刻）として算出すればよい。ただし、時刻ｔ３を終期とすると、ノイズの影響により計測誤差を生じ易くなる。そこで、ゼロよりも若干大きい閾値を設定し、反射波の強度が閾値まで達した時刻ｔ２（第２の時刻）を凝固時間の終期としてもよい。
【００３２】
この場合、凝固時間Ｔは真の値（ｔ３−ｔ１）よりも若干短くなるが、相関データの作成に際し、以上の値（ｔ２−ｔ１）を凝固時間として採用しておけば、溶融部の判定精度に対する影響は殆どない。
【００３３】
なお、センサ２は、ワークＷにおけるセンサ径を超える部分からの反射波を検出することができないから、溶融部Ｌからの反射波強度の検出限界はセンサ２のセンサ径に規定される。すなわち、図９（ａ）〜９（ｄ）に示すように、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合、センサ２は、溶融部Ｌの全ての部分からの反射波を検出することができるので、センサ２は反射波強度の最大値を検出することができる（図２の実線Ｂ、図３の破線Ｂ）。したがって、この場合、上記のように反射波の強度が最大になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）として用いることができる。
【００３４】
一方、図１０（ａ），１０（ｂ）に示すように、センサ径が溶融部Ｌの最大径より小さい場合、センサ２は、溶融部Ｌにおけるセンサ径を超える両端部からの反射波を検出することができない。この場合、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する前と通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致した後では、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の図３の破線Ｂに示す場合と同じ変化を示すが、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致してから通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致するまでは、図３の実線Ｂ’に示すように反射波の強度が一定となる。このように反射波の強度には、センサ径を超える溶融部の径の変化が反映されない。したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。溶接電流の通電停止時には溶融部Ｌの大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。この場合、通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する時刻ｔ５を用い、凝固時間Ｔを（ｔ５−ｔ１）としてもよい。
【００３５】
そして、凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部の大きさを推定する（図５参照）。
【００３６】
溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データは、次のようにして作成する。
【００３７】
多数のワークに対し溶接条件（電流値や通電時間など）を変えてスポット溶接を行い、その都度、溶融部の凝固時間Ｔを計測し記録しておく。溶接されたワークの破壊検査を行い、溶融部の垂直及び水平断面から溶融部の大きさＶを求める。そして、溶融部の大きさと凝固時間Ｔを対応させて相関データを作成する。
【００３８】
いま、電極チップ１の傾きによって、超音波がワークに対して斜めに入射すると、反射波の強度が低下するが、反射波の強度が最大になる第１の時刻ｔ１は変化しない。一方、閾値の付近では反射波の強度差は殆ど生じないため、反射波の強度が閾値に達する第２の時刻ｔ２の差は無視できるほど小さくなる。図６において、超音波が斜めに入射した場合の反射波強度を一点鎖線で示してある。つまり、溶融部の凝固に要する時間Ｔは変化しないので、ワークに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定できる。また、ワークの温度変化の影響を受けることもない。
【００３９】
ところで、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、亜鉛の融点は鉄の融点よりも低いため、まず、ワーク間のメッキ層が溶融し、次いで、母材の溶融が始まる。このため、図４(ａ)に示すように、溶接電流の通電を開始すると、まず、ワーク間の溶融メッキ層からの反射波Ｄが生じる。
【００４０】
ワーク間のメッキ層はやがて蒸発してなくなるが、それと前後して母材の溶融が始まる。通電電流値が高く、溶融部が大きいと、電極チップ１側へ熱が伝わり、電極チップ１側のメッキ層が溶けることがある。この場合、図４(ｂ)に示すように電極チップ１側のメッキ層からの反射波Ｅが発生し、母材へ超音波が入射しなくなってしまう。このため、母材溶融部から反射するはずの反射波Ｂの強度のピークを検出することが不可能になる。
【００４１】
そこで、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。つまり、溶接電流の通電停止時には溶融部の大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。
【００４２】
時刻ｔ４で電極チップ１側のメッキ層からの反射がなくなると、母材溶融部からの反射波Ｂが現れるので、凝固時間Ｔの終期は、通常のワークの場合と同様、反射波Ｂの強度が閾値まで低下する時刻ｔ２にすればよい。凝固時間Ｔから溶融部の大きさを推定する方法は上述のとおりである。
【００４３】
（２）第２実施形態
第２実施形態は、溶融部の大きさの推定に溶融部からの反射波の代わりに溶融部からの透過波を利用する以外は、第１実施形態と同様である。図７は、本発明に係る第２実施形態の検査装置のブロック図を示している。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、その構成・作用の説明は省略する。
【００４４】
第２実施形態では、図７に示すように、ワークＷの下側の電極チップ１に、溶融部からの透過波を受信するセンサ７を設ける。センサ７は、たとえばセンサ２と同一径を有するとともに、ワークＷに対してセンサ２とは対称な位置に配置されている。センサ２（超音波発生手段）は、超音波送受信器３からのパルス信号を受けて横波の超音波を発生する。センサ７では、溶融部からの透過波を受信し、その透過波を電気信号に変換して超音波送受信器３に戻す。透過波の信号は超音波送受信器３で増幅されて検出手段４に送られる。
【００４５】
検出手段４は、透過波の強度が最小になる第１の時刻と、透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出し、その信号を判定手段５に送る。判定手段５は、第１及び第２の時刻の差から溶融部の凝固時間を求め、これを記憶手段６の相関データと照合し、凝固時間と対応する溶融部の大きさを求める。
【００４６】
次に、透過波の強度から溶融部の大きさを推定する方法について、おもに図７，８，９（ａ）〜（ｄ）を参照しながら詳細に説明する。図８は、透過波強度と溶接電流の経時変化を示す図である。なお、図９（ａ）〜（ｄ）では、センサ７の図示を省略している。
【００４７】
まず、第１実施形態と同様にワークＷを電極チップ１,１で挟んで加圧し、時刻ｔｓで溶接電流の通電を開始する。図８において、実線Ａは溶接電流の変化を示している。ワークＷでの溶融部Ｌ発生前は、超音波はワークＷにより反射されないから、この時の透過波の強度は最大である（図９（ａ））。溶接電流の通電によってワークＷが発熱溶融すると、溶融部Ｌで超音波が反射されるから、時刻ｔ０で溶融部Ｌからの透過波が減少する。溶融部Ｌの大きさが大きくなると、それに応じて透過波の強度が小さくなる。図８において、破線Ｆは透過波の強度変化を示している。
【００４８】
時刻ｔ１で溶接電流の通電を停止すると、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが生成され、透過波の強度は増加に転じる。つまり、通電停止の時刻ｔ１で溶融部の大きさが最大、透過波の強度が最小になる（図９（ｂ））。溶融部Ｌの凝固が進行すると（図９（ｃ））、それに応じて透過波の強度が大きくなる。溶融部Ｌの凝固が終了する時刻ｔ３では、透過波の強度が再び最大となる（（図９（ｄ））。
【００４９】
溶融部Ｌの凝固時間は、透過波の強度が最小になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）とし、透過波の強度が最大になる時刻ｔ３を終期（第２の時刻）として算出すればよい。ただし、時刻ｔ３を終期とすると、ノイズの影響により計測誤差を生じ易くなる。そこで、透過波の最大強度よりも若干小さい閾値を設定し、透過波の強度が閾値まで達した時刻ｔ２（第２の時刻）を凝固時間の終期としてもよい。
【００５０】
この場合、凝固時間Ｔは真の値（ｔ３−ｔ１）よりも若干短くなるが、相関データの作成に際し、以上の値（ｔ２−ｔ１）を凝固時間として採用しておけば、溶融部の判定精度に対する影響は殆どない。
【００５１】
なお、センサ７は、ワークＷにおけるセンサ径を超える部分からの透過波を検出することができないから、溶融部Ｌからの透過波強度の検出限界は、第１実施形態の反射波の場合と同様に、センサ７のセンサ径に規定される。すなわち、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合、センサ７は、ワークＷにおける溶融部Ｌに対応する全ての部分からの透過波を検出することができるので、センサ７は透過波強度の最小値を検出することができる（図８の破線Ｆ）。したがって、この場合、上記のように透過波の強度が最小になる時刻ｔ１を始期（第１の時刻）として用いることができる。
【００５２】
一方、センサ径が溶融部Ｌの最大径より小さい場合、センサ７は、ワークＷにおけるセンサ径を超える溶融部Ｌの両端部に対応する部分からの透過波を検出することができない。この場合の透過波強度の曲線は、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合の図８の破線Ｆに示す曲線を時間軸方向に向けて下方に平行移動したような曲線となり（図８の実線Ｆ’）、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致してから通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致するまで、透過波の強度がゼロとなる。このように透過波の強度には、センサ径を超える溶融部の径の変化が反映されない。したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。溶接電流の通電停止時には溶融部Ｌの大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。この場合、通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する時刻ｔ５を用い、凝固時間Ｔを（ｔ５−ｔ１）としてもよい。
【００５３】
そして、第１実施形態と同様に凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部の大きさを推定する（図５参照）。
【００５４】
いま、電極チップ１の傾きによって、超音波がワークに対して斜めに入射すると、透過波の強度が低下するが、透過波の強度が最小になる第１の時刻ｔ１は変化しない。一方、閾値の付近では透過波の強度差は殆ど生じないため、透過波の強度が閾値に達する第２の時刻ｔ２の差は無視できるほど小さくなる。つまり、溶融部の凝固に要する時間Ｔは変化しないので、ワークＷに対する超音波の入射角変化の影響を受けることなく、溶融部の大きさを正確に推定できる。また、ワークの温度変化の影響を受けることもない。
【００５５】
ところで、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、反射波を利用した第１実施形態と同様、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ１を凝固時間Ｔの始期としている。つまり、溶接電流の通電停止時には溶融部の大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る第１実施形態の検査装置のブロック図。
【図２】反射波強度と溶接電流の経時変化を示す図。
【図３】反射波強度のセンサ径と溶融部の最大径との関係への依存性を示す図。
【図４】図２に溶融メッキ層からの反射波を加えた図。
【図５】溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを示す図。
【図６】電極チップの傾きが反射波強度に及ぼす影響を説明する図。
【図７】本発明に係る第２実施形態の検査装置のブロック図。
【図８】透過波強度と溶接電流の経時変化を示す図。
【図９】センサ径が溶融部の最大径以上の場合、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射している状態の遷移を示す概略図であり、（ａ）は通電前の状態、（ｂ）は通電終了時の状態、（ｃ）は冷却中の状態、（ｄ）は冷却終了時の状態を示す図。
【図１０】センサ径が溶融部の最大径より小さい場合、スポット溶接中のワークに横波の超音波を入射している状態の遷移を示す概略図であり、（ａ）は通電終了時の状態、（ｂ）は冷却中の状態を示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１…電極チップ、２，７…センサ、３…超音波送受信器、４…検出手段、５…判定手段、６…記憶手段、Ａ…溶接電流、Ｂ，Ｂ’…反射波強度、Ｆ，Ｆ’…透過波強度、Ｌ…溶融部、Ｍ…凝固部、Ｗ…ワーク、ｔ１…第１の時刻、ｔ２…第２の時刻
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
前記ワークに横波の超音波を入射して前記溶融部からの反射波を検出する工程と、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項２】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
前記ワークに横波の超音波を入射して前記溶融部からの反射波を検出する工程と、
前記溶融部からの前記反射波の強度が最大になる第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項３】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項４】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、
前記溶融部からの前記透過波の強度が最小になる第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項５】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置において、
溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データを記憶する記憶手段と、
前記ワークに横波の超音波を入射して前記溶融部からの反射波を検出するセンサと、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、前記溶融部からの前記反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出する検出手段と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査装置。
【請求項６】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置において、
溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを記憶する記憶手段と、
前記ワークに横波の超音波を入射する超音波発生手段と、
前記溶融部からの透過波を検出するセンサと、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、前記溶融部からの前記透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出する検出手段と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を前記相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査装置。
【請求項１】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
前記ワークに横波の超音波を入射して前記溶融部からの反射波を検出する工程と、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項２】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
前記ワークに横波の超音波を入射して前記溶融部からの反射波を検出する工程と、
前記溶融部からの前記反射波の強度が最大になる第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項３】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項４】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する方法において、
ワークに横波の超音波を入射して溶融部からの透過波を検出する工程と、
前記溶融部からの前記透過波の強度が最小になる第１の時刻を検出する工程と、
前記溶融部からの前記透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻を検出する工程と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項５】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置において、
溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データを記憶する記憶手段と、
前記ワークに横波の超音波を入射して前記溶融部からの反射波を検出するセンサと、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、前記溶融部からの前記反射波の強度が所定値まで低下する第２の時刻とを検出する検出手段と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査装置。
【請求項６】
スポット溶接中のワークに超音波を入射して溶融部の大きさを推定する装置において、
溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを記憶する記憶手段と、
前記ワークに横波の超音波を入射する超音波発生手段と、
前記溶融部からの透過波を検出するセンサと、
前記ワークへの溶接電流の通電を停止する第１の時刻と、前記溶融部からの前記透過波の強度が所定値まで増加する第２の時刻とを検出する検出手段と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻との差を前記溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を前記相関データと照合することにより前記溶融部の大きさを推定する判定手段とを備えたことを特徴とするスポット溶接の検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２４８４５７（Ｐ２００７−２４８４５７Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１７９５（Ｐ２００７−３１７９５）
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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