スポット溶接用監視装置及び接合部評価方法
【課題】複雑なデータ解析が不要で、スポット溶接による接合部の品質をリアルタイムで評価可能なスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法を提供する。
【解決手段】一対の電極チップＣ，Ｃの間に２枚の金属板Ｗ，Ｗを挟み込んで溶接するスポット溶接の監視装置１であって、底部２ａ及びチップ装着部２ｂを有する筒状を成し、その中空部分への冷却水の給水部２ｃ及び排水部２ｄを有する一対のトーチ２，２と、トーチ２の中空部分に配置されて、給水部２ｃからの冷却水を電極チップＣに導き且つ冷却水を排水部２ｄに導く排水路２ｆを形成する給水管５と、一方のトーチ２Ａ側の給水管５を通して接合部Ｗａに超音波を発する送信側超音波センサ６と、接合部Ｗａを透過した超音波を他方のトーチ２Ｂ側の給水管５を通して受ける受信側超音波センサ７と、超音波の送受信を行わせた際の接合部Ｗａの透過波の音圧変化を測定して、溶接良否を判定する評価部３を備えた。
【解決手段】一対の電極チップＣ，Ｃの間に２枚の金属板Ｗ，Ｗを挟み込んで溶接するスポット溶接の監視装置１であって、底部２ａ及びチップ装着部２ｂを有する筒状を成し、その中空部分への冷却水の給水部２ｃ及び排水部２ｄを有する一対のトーチ２，２と、トーチ２の中空部分に配置されて、給水部２ｃからの冷却水を電極チップＣに導き且つ冷却水を排水部２ｄに導く排水路２ｆを形成する給水管５と、一方のトーチ２Ａ側の給水管５を通して接合部Ｗａに超音波を発する送信側超音波センサ６と、接合部Ｗａを透過した超音波を他方のトーチ２Ｂ側の給水管５を通して受ける受信側超音波センサ７と、超音波の送受信を行わせた際の接合部Ｗａの透過波の音圧変化を測定して、溶接良否を判定する評価部３を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接を行う場合に、接合部の良否を判定するのに用いられるスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したスポット溶接において、接合すべき２枚ないしそれ以上の金属板を２つの電極間に挿入し、両電極間に所定の荷重（一般的には約２００ｋｇｆ）を加えつつ電流を流して、互いに密接している金属板間にナゲットを生じさせることで、金属板同士を接合するようになっている。
【０００３】
従来、このようなスポット溶接により接合された金属板間における接合部の良否判定は、スポット溶接終了後に行われるのが一般的であり、接合部に不具合が見つかった場合には、前の行程に戻ってスポット溶接をやり直さなければならないので、その分だけ時間及びコストが余計にかかってしまう。
【０００４】
このような問題に対処するべく成された技術として、例えば、特許文献１に開示されている溶接動作監視装置がある。
この溶接動作監視装置は、超音波の送受信を行う超音波機器と、この超音波機器に接続されてスポット溶接を行う一方の電極に配置される超音波発生側の振動子と、これと同じく超音波機器に接続されてスポット溶接を行う他方の電極に配置される超音波受信側の振動子と、超音波機器からデータを抽出するデータ取得ユニットと、このデータ取得ユニットに接続された信号プロセッサを備えている。
【０００５】
この溶接動作監視装置において、超音波発生側の振動子及び超音波受信側の振動子は、一方の電極及び他方の電極内で捻り導波を生成するように構成されており、信号プロセッサでは、データ取得ユニットで抽出した超音波機器からの捻り導波に対応するデータと、許容し得る品質レベルに対応するプロファイルとを比較することで、溶接中に生成された接合部の品質レベルを求めるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2007-90435号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記した従来の溶接動作監視装置において、振動子によって一方の電極及び他方の電極内で生成させた敏感な捻りモードのガイドウェーブを採用して、接合部の品質レベルを求めるようにしている都合上、データ解析が複雑になってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、複雑なデータ解析を必要とすることなく、スポット溶接による接合部の品質をリアルタイムで評価することが可能であるスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記したように、スポット溶接を行う際には、接合すべき２枚ないしそれ以上の金属板を２つの電極間に挿入して挟み込んだ後に、両電極間に一般的に約２００ｋｇｆの荷重を加えて密着させる。このとき、互いに密接している金属板間の接合部には、約１０ｋｇｆ／ｍｍ２の圧縮応力が加わる。
【００１０】
ここで、圧縮応力が加えられて互いに密接している金属板間の接合部に超音波を流すと、透過音圧（エコー）が得られる。この透過音圧は、図３に示すように、１０ＭＨｚといった高い周波数に比べて、２ＭＨｚや５ＭＨｚのような低い周波数の方が大きいので、圧縮応力σ（ｋｇｆ／ｍｍ２）が加えられた金属板間の接合部に低い周波数の超音波の縦波を流した際における透過音圧（％）から、金属板同士の密着度を評価し得ると考えられる。
【００１１】
次いで、この状態で両電極間に電流を流すと、互いに密接している金属板間の接合部の温度が上昇し、この接合部の金属が溶融してナゲットが生じる。
このとき、接合部の温度の上昇に伴う金属の耐力低下によって金属板同士の密着度が改善されるので、透過音圧が増大するが、このナゲットの形成に伴って、超音波は固体−液体（溶融金属）−固体の順に透過することになる。一般に、溶融金属における音速は、固体での音速の１／３〜１／４となり、音響インピーダンスも１／３〜１／４に低下するので、上記のように、超音波が固体−液体（溶融金属）−固体の順に伝播すると、透過波の振幅値は低下する。
【００１２】
そして、上記ナゲットが凝固すると、超音波は固体−固体−固体の順に伝播することになるので、透過音圧が再び増大する。
つまり、互いに密接している金属板間の接合部に適正なるナゲットが形成されると、金属の溶融により一時的に透過波の振幅値が低下して、この溶融金属の凝固とともに透過波の振幅値が再度上昇に転じることになる。
【００１３】
一方、上記ナゲットの厚みと、このナゲットを超音波が透過する際の透過音圧には、周波数依存性があり、例えば、周波数が０．５ＭＨｚの超音波を用いた場合には、ナゲットの厚みと透過音圧との関係は、図４のグラフに示すようになる。この図４のグラフに示すように、ナゲットが形成されていても溶け込みが浅かったり、ナゲットの厚みが薄かったりした場合は、金属の溶融に伴う透過音圧の変化が小さい。
【００１４】
すなわち、ナゲットが形成されない場合や、ナゲットの厚みが薄い場合には、両電極間に荷重を加えるのに伴って透過波の振幅値が上昇し、金属板間の接合部の温度が上がるのに伴ってさらに振幅値が上昇するが、透過波の振幅値は低下しない、又は、僅かな低下となる。
【００１５】
このように、本発明者らは、スポット溶接時において、金属板間の接合部に対して超音波をデータ解析がシンプルな縦波モードで伝播させ、透過波の振幅値の変化状態を監視することで、スポット溶接の接合部の評価を行い得ることを見出した。
【００１６】
ここで、スポット溶接に用いられるトーチは、有底の筒状を成しており、開口端にはテーパのついた電極チップ装着部が設けられている。このトーチは、その中空部分に口径５ｍｍφ程度の給水管を同軸配置することで二重管構造となっており、給水管の内側を給水路としていると共に外側を排水路としていて、給水路を通る水は、電極チップ装着部に取り付けられた電極チップの背面に吹き付けられて、この電極チップを冷却するようになっている。
【００１７】
そこで、本発明者らは、トーチの中空部分に配置した給水管内側における給水路の水中を超音波が支障なく伝播するかを確かめるべく試験を行った。
【００１８】
具体的には、まず、内径５．８ｍｍ、外径１０．５ｍｍ、長さ１０７ｍｍの細管を水中に沈めて、この細管の一端に送信側振動子を配置すると共に他端に受信側振動子を配置した。次いで、両振動子に１．０ＭＨｚ，２．２５ＭＨｚ及び５．０ＭＨｚの３通りの周波数の超音波を送受信させた。
【００１９】
この際、送信側振動子として、１．０ＭＨｚ，２．２５ＭＨｚ及び５．０ＭＨｚの各周波数の超音波を発し得る直径２５．０ｍｍφ及び１２．５ｍｍφの振動子を採用したが、受信側振動子としては、送信側振動子よりも小さい直径１０．０ｍｍφの周波数５．０ＭＨｚ用の振動子を採用した。これは、送信側振動子の周波数に合わせて受信側振動子の寸法を決めると、細管の外径１０．５ｍｍを上回ってしまい、細管の外部を伝播する超音波をも受信する可能性があるからである。
【００２０】
上記試験において、１．０ＭＨｚ，２．２５ＭＨｚ及び５．０ＭＨｚの各周波数の超音波が細管の内部を透過した信号を確認することができ、透過した超音波の音圧をそれぞれ測定したところ、得られた音圧がいずれもスポット溶接の接合部の監視に適用可能であるとの知見を得て本発明をするに至った。
【００２１】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の監視装置であって、一方の端部を底部とし且つ開口する他方の端部を前記電極チップの装着部とした筒状を成していると共に、前記底部及びチップ装着部の間の中空部分に対する冷却水の給排水を行う給水部及び排水部を有する一対のトーチと、これらのトーチの各中空部分にそれぞれ配置されて、前記給水部から供給される冷却水を前記チップ装着部に取り付けた電極チップに導いて噴出させると共に、該電極チップに噴出させた冷却水を前記排水部に導く排水路を形成する給水管と、前記一対のトーチの一方に配置されて、前記給水管及び前記電極チップを通して前記金属板間の接合部に向けて超音波を発する送信側超音波センサと、前記一対のトーチの他方に配置されて、前記接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記電極チップ及び前記給水管を通して受ける受信側超音波センサと、前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で超音波の送受信を行わせた時点における前記接合部の透過波の音圧変化を測定して、該接合部の溶接良否を判定する評価部を備えた構成としており、この構成のスポット溶接用監視装置を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００２２】
本発明の請求項１に係るスポット溶接用監視装置では、一対のトーチに取り付けた電極チップ間に接合すべき２枚ないしそれ以上の金属板を挟み込んでスポット溶接を行うに際して、両トーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で超音波の送受信を行わせると、互いに密接している金属板間の接合部に適正なナゲットが形成された場合には、透過波の振幅値が一旦低下するものの、透過波の振幅値が再度上昇に転じるが、ナゲットが形成されていても溶け込みが浅かったり、ナゲットの厚みが薄かったりした場合には、金属板間の接合部の温度が上がるのに伴って上昇する透過波の振幅値は、その先ほとんど低下しない、又は、僅かに低下するだけとなる。
【００２３】
このように、送信側超音波センサからの縦波モードの超音波を金属板間の接合部に伝播させ、超音波がこの金属板間の接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定するだけで、接合部の溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる、すなわち、複雑なデータ解析を必要とすることなく、接合部の溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる。
【００２４】
また、本発明の請求項２に係るスポット溶接用監視装置において、前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部は、該送信側超音波センサに向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部としてある構成としている。この構成を採用した場合において、給水管の送信側超音波センサを向く端部の側面に入射した超音波が、臨界角を超えて給水管自体に伝わり難くなるので、超音波の送受信が効率よくなされることとなる。
【００２５】
この際、図５に示すように、水中の音速をＶｗ、給水管を伝わる音速をＶｐとした場合、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角θcrは、cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）で表される。一方、給水管の漏斗状端部におけるテーパ角度θは、給水管の口径をｄ、送信側超音波センサの振動子の径Ｄとした場合、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）で表される。
【００２６】
そこで、本発明の請求項３に係るスポット溶接用監視装置では、水中の音速をＶｗ、前記一方のトーチに配置した口径ｄの給水管を伝わる音速をＶｐ、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角をθcrとした場合、該給水管の前記漏斗状端部におけるテーパ角度θは、θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）であり、且つ、前記送信側超音波センサが有する振動子の径Ｄに対して、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）の関係にある構成としている。
【００２７】
さらにまた、本発明の請求項４に係るスポット溶接用監視装置は、前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部と、該送信側超音波センサとの間に、超音波を前記給水管の中心軸ないしその近傍に集束させる音響レンズを設置した構成としており、この場合も、給水管の送信側超音波センサを向く端部の側面に入射した超音波が、臨界角を超えて給水管自体に伝わり難くなるので、超音波の送受信が効率よくなされることとなる。
【００２８】
さらにまた、本発明の請求項５に係るスポット溶接用監視装置は、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとし、前記給水管の口径を該超音波の波長の３倍以上とした構成としている。
【００２９】
上記したように、スポット溶接において、互いに密接している金属板間の接合部には、一般的に約１０ｋｇｆ／ｍｍ２の圧縮応力が加わる。この金属板間の接合部に超音波を流した際に得られる透過音圧（エコー）は、圧縮応力の増加につれて大きくなり、その傾向は周波数が低い程顕著であることから、超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとして、給水管の口径を超音波の波長の３倍以上とすると、大きいエコーが得られる低い周波数の超音波を給水管に対して流し易くなる。
【００３０】
さらにまた、本発明の請求項６に係るスポット溶接用監視装置において、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサは、前記トーチに軟金属、例えば、ろう付けで直接取り付けて成る超音波センサである構成としている。なお、この超音波センサには、本発明の出願人が先に開発した高温用超音波探触子を用いることが望ましい。
この構成のスポット溶接用監視装置では、トーチ内の水中環境において、センサ取り付け部の劣化による剥がれを回避し得ることとなる。
【００３１】
一方、本発明の請求項７に係るスポット溶接の接合部評価方法は、一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の接合部を請求項１〜６のいずれかのスポット溶接用監視装置により評価するに際して、スポット溶接中に、前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記一方のトーチの送信側超音波センサから、前記給水管及び前記電極チップを通して前記接合部に向けて超音波を発すると共に、この接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記他方のトーチの前記電極チップ及び前記給水管を通して受信側超音波センサで受け、前記送信側超音波センサからの超音波が前記接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定して、該接合部の溶接良否を判定する構成としている。
【００３２】
このように、送信側超音波センサからの縦波モードの超音波を金属板間の接合部に伝播させ、超音波がこの金属板間の接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定すれば、金属板間の接合部に適正なナゲットが形成されているか否かを複雑なデータ解析を必要とすることなく、リアルタイムで評価し得ることとなる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の請求項１に係るスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法では、上記した構成としているので、複雑なデータ解析を必要とすることなく、スポット溶接による接合部の品質をリアルタイムで評価することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００３４】
また、本発明の請求項２〜４に係るスポット溶接用監視装置では、それぞれ上記した構成としているので、超音波の送受信を効率よく行わせることができる。
さらに、本発明の請求項５に係るスポット溶接用監視装置では、上記した構成としているので、大きい透過波のエコーが得られる低い周波数の超音波を給水管に対して流し易くなり、本発明の請求項６に係るスポット溶接用監視装置では、上記した構成としているので、トーチ内の水中環境において、センサの剥がれを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例に係るスポット溶接用監視装置の構成説明図である。
【図２】図１に示したスポット溶接用監視装置のトーチの断面説明図である。
【図３】金属板間の接合部に超音波を流す場合の透過音圧（エコー）に及ぼす圧縮応力の影響を示すグラフである。
【図４】ナゲットを超音波が透過する際のナゲットの厚みと透過音圧との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示したスポット溶接用監視装置の給水管の漏斗状端部におけるテーパ角度と振動子の径との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係るスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法の一実施例を示しており、この実施例では、２枚の金属板を溶接する場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
図１に示すように、このスポット溶接用監視装置１は、同軸上に配置されて互いに向き合う先端部に電極チップＣ，Ｃが取り付けられる筒状を成す一対のトーチ２，２と、この一対のトーチ２，２の各電極チップＣ，Ｃ間に２枚の金属板Ｗ，Ｗを挟み込んで溶接する際の接合部における溶接の良否を判定する評価部３と、この評価部３による評価結果を表示するモニタ４を備えている。
【００３８】
トーチ２は、図２に示すように、一方の端部を底部２ａとし且つ開口する他方の端部（先端部）を電極チップＣの装着部２ｂとしていると共に、底部２ａ及びチップ装着部２ｂの間の中空部分に対する冷却水の給排水を行う給水部２ｃ及び排水部２ｄを有しており、これらの給水部２ｃ及び排水部２ｄには、図示しない給水装置及び排水処理装置がそれぞれ接続されている。
【００３９】
このトーチ２の中空部分における軸心上には、給水部２ｃから供給される冷却水をチップ装着部２ｂに取り付けた電極チップＣに導いて噴出させると共に、この電極チップＣに噴出させた冷却水を排水部２ｄに導く排水路２ｆを形成する給水管５が配置されている。
【００４０】
一対のトーチ２，２のうちの一方のトーチ２Ａには、給水管５及び電極チップＣを通して金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに向けて縦波モードの超音波を発する送信側超音波センサ６が配置され、一対のトーチ２，２のうちの他方のトーチ２Ｂには、接合部Ｗａを透過した送信側超音波センサ６からの超音波を電極チップＣ及び給水管５を通して受ける受信側超音波センサ７が配置されていて、超音波センサ６，７は、いずれも底部２ａにろう付けにより直接取り付けられている。なお、これらの超音波センサ６，７には、本発明の出願人が先に開発した高温用超音波探触子を用いることが望ましい。
【００４１】
この場合、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の送信側超音波センサ６を向く端部は、この送信側超音波センサ６に向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部５ａとしてある。具体的には、図５に示すように、水中の音速をＶｗ、口径ｄの給水管５を伝わる音速をＶｐ、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角をθcrとした場合、給水管５の漏斗状端部５ａにおけるテーパ角度θは臨界角θcrよりも小さく（θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ））、且つ、送信側超音波センサ６が有する振動子の径Ｄに対して、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）の関係になるように設定してある。
【００４２】
また、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の送信側超音波センサ６を向く漏斗状端部５ａと、この送信側超音波センサ６との間には、超音波を給水管５の中心軸ないしその近傍に集束させる音響レンズ８が設置されている。
【００４３】
そして、この実施例において、一対のトーチ２，２の送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとしており、給水管５の口径ｄを超音波の波長の３倍以上としている。
【００４４】
評価部３は、一対のトーチ２，２に対する冷却水の給排水を行いつつ、送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で超音波の送受信を行わせた時点における接合部Ｗａの透過波の音圧変化を測定し、この測定結果から接合部Ｗａの溶接良否を判定してモニタ４で表示するようになっている。
【００４５】
このような構成を成すスポット溶接用監視装置１では、一対のトーチ２，２に取り付けた電極チップＣ，Ｃ間に接合すべき２枚の金属板Ｗ，Ｗを挟み込んでスポット溶接を行うに際して、まず、一対のトーチ２，２間に約２００ｋｇｆの荷重Ｐを加えて密着させつつ電流を流す。
【００４６】
この溶接の間、両トーチ２，２に対する冷却水の給排水を行いつつ、送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で超音波の送受信を行わせる。
【００４７】
そして、互いに密接している金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに適正なナゲットが形成される場合には、金属の溶融により一時的に透過波の振幅値が低下して、この溶融金属の凝固とともに透過波の振幅値が再度上昇に転じることになる。
【００４８】
一方、ナゲットが形成されない場合や、ナゲットの厚みが薄い場合には、両電極Ｃ，Ｃ間に荷重Ｐを加えるのに伴って透過波の振幅値が上昇し、金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａの温度が上がるのに伴ってさらに振幅値が上昇するが、透過波の振幅値は低下しない、又は、僅かな低下となる。
【００４９】
このように、送信側超音波センサ６からの縦波モードの超音波を金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに伝播させ、超音波がこの金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａを透過する時点における透過波の音圧変化を評価部３により測定すれば、接合部Ｗａの溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる、すなわち、複雑なデータ解析を必要とすることなく、接合部Ｗａの溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる。
【００５０】
また、上記スポット溶接用監視装置１では、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の送信側超音波センサ６を向く端部を送信側超音波センサ６に向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部５ａとしてある、すなわち、この漏斗状端部５ａのテーパ角度θと送信側超音波センサ６が有する振動子の径Ｄとの関係を、θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）で、且つ、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）としているので、給水管５の送信側超音波センサ６を向く端部の側面に入射した超音波が、臨界角θcrを超えて給水管５自体に伝わり難くなり、その結果、超音波の送受信が効率よくなされることとなる。
【００５１】
さらに、上記スポット溶接用監視装置１では、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の漏斗状端部５ａと、送信側超音波センサ６との間に、音響レンズ８を設置しているので、超音波の送受信がより一層効率よくなされることとなる。
【００５２】
さらにまた、上記スポット溶接用監視装置１では、一対のトーチ２，２の送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとしたうえで、給水管５の口径ｄを超音波の波長の３倍以上としているので、金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに超音波を流した際に大きいエコーが得られる低い周波数の超音波を給水管５に対して流し易くなる。
【００５３】
さらにまた、上記スポット溶接用監視装置１では、超音波センサ６，７をいずれもトーチ２の底部２ａにろう付けにより直接取り付けるようにしているので、トーチ２内の水中環境において、センサ取り付け部の劣化による剥がれを回避し得ることとなる。
【００５４】
また、上記した実施例では、２枚の金属板を溶接する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、２枚以上の金属板Ｗをスポット溶接する場合にも適用可能である。
【００５５】
本発明に係るスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１ スポット溶接用監視装置
２（２Ａ，２Ｂ） トーチ（一方のトーチ，他方のトーチ）
２ａ 底部
２ｂ チップ装着部
２ｃ 給水部
２ｄ 排水部
２ｆ 排水路
３ 評価部
５ 給水管
５ａ 給水管の漏斗状端部
６ 送信側超音波センサ
７ 受信側超音波センサ
８ 音響レンズ
Ｃ 電極チップ
Ｗ 金属板
Ｗａ 接合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接を行う場合に、接合部の良否を判定するのに用いられるスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したスポット溶接において、接合すべき２枚ないしそれ以上の金属板を２つの電極間に挿入し、両電極間に所定の荷重（一般的には約２００ｋｇｆ）を加えつつ電流を流して、互いに密接している金属板間にナゲットを生じさせることで、金属板同士を接合するようになっている。
【０００３】
従来、このようなスポット溶接により接合された金属板間における接合部の良否判定は、スポット溶接終了後に行われるのが一般的であり、接合部に不具合が見つかった場合には、前の行程に戻ってスポット溶接をやり直さなければならないので、その分だけ時間及びコストが余計にかかってしまう。
【０００４】
このような問題に対処するべく成された技術として、例えば、特許文献１に開示されている溶接動作監視装置がある。
この溶接動作監視装置は、超音波の送受信を行う超音波機器と、この超音波機器に接続されてスポット溶接を行う一方の電極に配置される超音波発生側の振動子と、これと同じく超音波機器に接続されてスポット溶接を行う他方の電極に配置される超音波受信側の振動子と、超音波機器からデータを抽出するデータ取得ユニットと、このデータ取得ユニットに接続された信号プロセッサを備えている。
【０００５】
この溶接動作監視装置において、超音波発生側の振動子及び超音波受信側の振動子は、一方の電極及び他方の電極内で捻り導波を生成するように構成されており、信号プロセッサでは、データ取得ユニットで抽出した超音波機器からの捻り導波に対応するデータと、許容し得る品質レベルに対応するプロファイルとを比較することで、溶接中に生成された接合部の品質レベルを求めるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2007-90435号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記した従来の溶接動作監視装置において、振動子によって一方の電極及び他方の電極内で生成させた敏感な捻りモードのガイドウェーブを採用して、接合部の品質レベルを求めるようにしている都合上、データ解析が複雑になってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、複雑なデータ解析を必要とすることなく、スポット溶接による接合部の品質をリアルタイムで評価することが可能であるスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記したように、スポット溶接を行う際には、接合すべき２枚ないしそれ以上の金属板を２つの電極間に挿入して挟み込んだ後に、両電極間に一般的に約２００ｋｇｆの荷重を加えて密着させる。このとき、互いに密接している金属板間の接合部には、約１０ｋｇｆ／ｍｍ２の圧縮応力が加わる。
【００１０】
ここで、圧縮応力が加えられて互いに密接している金属板間の接合部に超音波を流すと、透過音圧（エコー）が得られる。この透過音圧は、図３に示すように、１０ＭＨｚといった高い周波数に比べて、２ＭＨｚや５ＭＨｚのような低い周波数の方が大きいので、圧縮応力σ（ｋｇｆ／ｍｍ２）が加えられた金属板間の接合部に低い周波数の超音波の縦波を流した際における透過音圧（％）から、金属板同士の密着度を評価し得ると考えられる。
【００１１】
次いで、この状態で両電極間に電流を流すと、互いに密接している金属板間の接合部の温度が上昇し、この接合部の金属が溶融してナゲットが生じる。
このとき、接合部の温度の上昇に伴う金属の耐力低下によって金属板同士の密着度が改善されるので、透過音圧が増大するが、このナゲットの形成に伴って、超音波は固体−液体（溶融金属）−固体の順に透過することになる。一般に、溶融金属における音速は、固体での音速の１／３〜１／４となり、音響インピーダンスも１／３〜１／４に低下するので、上記のように、超音波が固体−液体（溶融金属）−固体の順に伝播すると、透過波の振幅値は低下する。
【００１２】
そして、上記ナゲットが凝固すると、超音波は固体−固体−固体の順に伝播することになるので、透過音圧が再び増大する。
つまり、互いに密接している金属板間の接合部に適正なるナゲットが形成されると、金属の溶融により一時的に透過波の振幅値が低下して、この溶融金属の凝固とともに透過波の振幅値が再度上昇に転じることになる。
【００１３】
一方、上記ナゲットの厚みと、このナゲットを超音波が透過する際の透過音圧には、周波数依存性があり、例えば、周波数が０．５ＭＨｚの超音波を用いた場合には、ナゲットの厚みと透過音圧との関係は、図４のグラフに示すようになる。この図４のグラフに示すように、ナゲットが形成されていても溶け込みが浅かったり、ナゲットの厚みが薄かったりした場合は、金属の溶融に伴う透過音圧の変化が小さい。
【００１４】
すなわち、ナゲットが形成されない場合や、ナゲットの厚みが薄い場合には、両電極間に荷重を加えるのに伴って透過波の振幅値が上昇し、金属板間の接合部の温度が上がるのに伴ってさらに振幅値が上昇するが、透過波の振幅値は低下しない、又は、僅かな低下となる。
【００１５】
このように、本発明者らは、スポット溶接時において、金属板間の接合部に対して超音波をデータ解析がシンプルな縦波モードで伝播させ、透過波の振幅値の変化状態を監視することで、スポット溶接の接合部の評価を行い得ることを見出した。
【００１６】
ここで、スポット溶接に用いられるトーチは、有底の筒状を成しており、開口端にはテーパのついた電極チップ装着部が設けられている。このトーチは、その中空部分に口径５ｍｍφ程度の給水管を同軸配置することで二重管構造となっており、給水管の内側を給水路としていると共に外側を排水路としていて、給水路を通る水は、電極チップ装着部に取り付けられた電極チップの背面に吹き付けられて、この電極チップを冷却するようになっている。
【００１７】
そこで、本発明者らは、トーチの中空部分に配置した給水管内側における給水路の水中を超音波が支障なく伝播するかを確かめるべく試験を行った。
【００１８】
具体的には、まず、内径５．８ｍｍ、外径１０．５ｍｍ、長さ１０７ｍｍの細管を水中に沈めて、この細管の一端に送信側振動子を配置すると共に他端に受信側振動子を配置した。次いで、両振動子に１．０ＭＨｚ，２．２５ＭＨｚ及び５．０ＭＨｚの３通りの周波数の超音波を送受信させた。
【００１９】
この際、送信側振動子として、１．０ＭＨｚ，２．２５ＭＨｚ及び５．０ＭＨｚの各周波数の超音波を発し得る直径２５．０ｍｍφ及び１２．５ｍｍφの振動子を採用したが、受信側振動子としては、送信側振動子よりも小さい直径１０．０ｍｍφの周波数５．０ＭＨｚ用の振動子を採用した。これは、送信側振動子の周波数に合わせて受信側振動子の寸法を決めると、細管の外径１０．５ｍｍを上回ってしまい、細管の外部を伝播する超音波をも受信する可能性があるからである。
【００２０】
上記試験において、１．０ＭＨｚ，２．２５ＭＨｚ及び５．０ＭＨｚの各周波数の超音波が細管の内部を透過した信号を確認することができ、透過した超音波の音圧をそれぞれ測定したところ、得られた音圧がいずれもスポット溶接の接合部の監視に適用可能であるとの知見を得て本発明をするに至った。
【００２１】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の監視装置であって、一方の端部を底部とし且つ開口する他方の端部を前記電極チップの装着部とした筒状を成していると共に、前記底部及びチップ装着部の間の中空部分に対する冷却水の給排水を行う給水部及び排水部を有する一対のトーチと、これらのトーチの各中空部分にそれぞれ配置されて、前記給水部から供給される冷却水を前記チップ装着部に取り付けた電極チップに導いて噴出させると共に、該電極チップに噴出させた冷却水を前記排水部に導く排水路を形成する給水管と、前記一対のトーチの一方に配置されて、前記給水管及び前記電極チップを通して前記金属板間の接合部に向けて超音波を発する送信側超音波センサと、前記一対のトーチの他方に配置されて、前記接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記電極チップ及び前記給水管を通して受ける受信側超音波センサと、前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で超音波の送受信を行わせた時点における前記接合部の透過波の音圧変化を測定して、該接合部の溶接良否を判定する評価部を備えた構成としており、この構成のスポット溶接用監視装置を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００２２】
本発明の請求項１に係るスポット溶接用監視装置では、一対のトーチに取り付けた電極チップ間に接合すべき２枚ないしそれ以上の金属板を挟み込んでスポット溶接を行うに際して、両トーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で超音波の送受信を行わせると、互いに密接している金属板間の接合部に適正なナゲットが形成された場合には、透過波の振幅値が一旦低下するものの、透過波の振幅値が再度上昇に転じるが、ナゲットが形成されていても溶け込みが浅かったり、ナゲットの厚みが薄かったりした場合には、金属板間の接合部の温度が上がるのに伴って上昇する透過波の振幅値は、その先ほとんど低下しない、又は、僅かに低下するだけとなる。
【００２３】
このように、送信側超音波センサからの縦波モードの超音波を金属板間の接合部に伝播させ、超音波がこの金属板間の接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定するだけで、接合部の溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる、すなわち、複雑なデータ解析を必要とすることなく、接合部の溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる。
【００２４】
また、本発明の請求項２に係るスポット溶接用監視装置において、前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部は、該送信側超音波センサに向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部としてある構成としている。この構成を採用した場合において、給水管の送信側超音波センサを向く端部の側面に入射した超音波が、臨界角を超えて給水管自体に伝わり難くなるので、超音波の送受信が効率よくなされることとなる。
【００２５】
この際、図５に示すように、水中の音速をＶｗ、給水管を伝わる音速をＶｐとした場合、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角θcrは、cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）で表される。一方、給水管の漏斗状端部におけるテーパ角度θは、給水管の口径をｄ、送信側超音波センサの振動子の径Ｄとした場合、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）で表される。
【００２６】
そこで、本発明の請求項３に係るスポット溶接用監視装置では、水中の音速をＶｗ、前記一方のトーチに配置した口径ｄの給水管を伝わる音速をＶｐ、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角をθcrとした場合、該給水管の前記漏斗状端部におけるテーパ角度θは、θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）であり、且つ、前記送信側超音波センサが有する振動子の径Ｄに対して、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）の関係にある構成としている。
【００２７】
さらにまた、本発明の請求項４に係るスポット溶接用監視装置は、前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部と、該送信側超音波センサとの間に、超音波を前記給水管の中心軸ないしその近傍に集束させる音響レンズを設置した構成としており、この場合も、給水管の送信側超音波センサを向く端部の側面に入射した超音波が、臨界角を超えて給水管自体に伝わり難くなるので、超音波の送受信が効率よくなされることとなる。
【００２８】
さらにまた、本発明の請求項５に係るスポット溶接用監視装置は、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとし、前記給水管の口径を該超音波の波長の３倍以上とした構成としている。
【００２９】
上記したように、スポット溶接において、互いに密接している金属板間の接合部には、一般的に約１０ｋｇｆ／ｍｍ２の圧縮応力が加わる。この金属板間の接合部に超音波を流した際に得られる透過音圧（エコー）は、圧縮応力の増加につれて大きくなり、その傾向は周波数が低い程顕著であることから、超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとして、給水管の口径を超音波の波長の３倍以上とすると、大きいエコーが得られる低い周波数の超音波を給水管に対して流し易くなる。
【００３０】
さらにまた、本発明の請求項６に係るスポット溶接用監視装置において、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサは、前記トーチに軟金属、例えば、ろう付けで直接取り付けて成る超音波センサである構成としている。なお、この超音波センサには、本発明の出願人が先に開発した高温用超音波探触子を用いることが望ましい。
この構成のスポット溶接用監視装置では、トーチ内の水中環境において、センサ取り付け部の劣化による剥がれを回避し得ることとなる。
【００３１】
一方、本発明の請求項７に係るスポット溶接の接合部評価方法は、一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の接合部を請求項１〜６のいずれかのスポット溶接用監視装置により評価するに際して、スポット溶接中に、前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記一方のトーチの送信側超音波センサから、前記給水管及び前記電極チップを通して前記接合部に向けて超音波を発すると共に、この接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記他方のトーチの前記電極チップ及び前記給水管を通して受信側超音波センサで受け、前記送信側超音波センサからの超音波が前記接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定して、該接合部の溶接良否を判定する構成としている。
【００３２】
このように、送信側超音波センサからの縦波モードの超音波を金属板間の接合部に伝播させ、超音波がこの金属板間の接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定すれば、金属板間の接合部に適正なナゲットが形成されているか否かを複雑なデータ解析を必要とすることなく、リアルタイムで評価し得ることとなる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の請求項１に係るスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法では、上記した構成としているので、複雑なデータ解析を必要とすることなく、スポット溶接による接合部の品質をリアルタイムで評価することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００３４】
また、本発明の請求項２〜４に係るスポット溶接用監視装置では、それぞれ上記した構成としているので、超音波の送受信を効率よく行わせることができる。
さらに、本発明の請求項５に係るスポット溶接用監視装置では、上記した構成としているので、大きい透過波のエコーが得られる低い周波数の超音波を給水管に対して流し易くなり、本発明の請求項６に係るスポット溶接用監視装置では、上記した構成としているので、トーチ内の水中環境において、センサの剥がれを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例に係るスポット溶接用監視装置の構成説明図である。
【図２】図１に示したスポット溶接用監視装置のトーチの断面説明図である。
【図３】金属板間の接合部に超音波を流す場合の透過音圧（エコー）に及ぼす圧縮応力の影響を示すグラフである。
【図４】ナゲットを超音波が透過する際のナゲットの厚みと透過音圧との関係を示すグラフである。
【図５】図１に示したスポット溶接用監視装置の給水管の漏斗状端部におけるテーパ角度と振動子の径との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係るスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法の一実施例を示しており、この実施例では、２枚の金属板を溶接する場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
図１に示すように、このスポット溶接用監視装置１は、同軸上に配置されて互いに向き合う先端部に電極チップＣ，Ｃが取り付けられる筒状を成す一対のトーチ２，２と、この一対のトーチ２，２の各電極チップＣ，Ｃ間に２枚の金属板Ｗ，Ｗを挟み込んで溶接する際の接合部における溶接の良否を判定する評価部３と、この評価部３による評価結果を表示するモニタ４を備えている。
【００３８】
トーチ２は、図２に示すように、一方の端部を底部２ａとし且つ開口する他方の端部（先端部）を電極チップＣの装着部２ｂとしていると共に、底部２ａ及びチップ装着部２ｂの間の中空部分に対する冷却水の給排水を行う給水部２ｃ及び排水部２ｄを有しており、これらの給水部２ｃ及び排水部２ｄには、図示しない給水装置及び排水処理装置がそれぞれ接続されている。
【００３９】
このトーチ２の中空部分における軸心上には、給水部２ｃから供給される冷却水をチップ装着部２ｂに取り付けた電極チップＣに導いて噴出させると共に、この電極チップＣに噴出させた冷却水を排水部２ｄに導く排水路２ｆを形成する給水管５が配置されている。
【００４０】
一対のトーチ２，２のうちの一方のトーチ２Ａには、給水管５及び電極チップＣを通して金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに向けて縦波モードの超音波を発する送信側超音波センサ６が配置され、一対のトーチ２，２のうちの他方のトーチ２Ｂには、接合部Ｗａを透過した送信側超音波センサ６からの超音波を電極チップＣ及び給水管５を通して受ける受信側超音波センサ７が配置されていて、超音波センサ６，７は、いずれも底部２ａにろう付けにより直接取り付けられている。なお、これらの超音波センサ６，７には、本発明の出願人が先に開発した高温用超音波探触子を用いることが望ましい。
【００４１】
この場合、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の送信側超音波センサ６を向く端部は、この送信側超音波センサ６に向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部５ａとしてある。具体的には、図５に示すように、水中の音速をＶｗ、口径ｄの給水管５を伝わる音速をＶｐ、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角をθcrとした場合、給水管５の漏斗状端部５ａにおけるテーパ角度θは臨界角θcrよりも小さく（θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ））、且つ、送信側超音波センサ６が有する振動子の径Ｄに対して、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）の関係になるように設定してある。
【００４２】
また、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の送信側超音波センサ６を向く漏斗状端部５ａと、この送信側超音波センサ６との間には、超音波を給水管５の中心軸ないしその近傍に集束させる音響レンズ８が設置されている。
【００４３】
そして、この実施例において、一対のトーチ２，２の送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとしており、給水管５の口径ｄを超音波の波長の３倍以上としている。
【００４４】
評価部３は、一対のトーチ２，２に対する冷却水の給排水を行いつつ、送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で超音波の送受信を行わせた時点における接合部Ｗａの透過波の音圧変化を測定し、この測定結果から接合部Ｗａの溶接良否を判定してモニタ４で表示するようになっている。
【００４５】
このような構成を成すスポット溶接用監視装置１では、一対のトーチ２，２に取り付けた電極チップＣ，Ｃ間に接合すべき２枚の金属板Ｗ，Ｗを挟み込んでスポット溶接を行うに際して、まず、一対のトーチ２，２間に約２００ｋｇｆの荷重Ｐを加えて密着させつつ電流を流す。
【００４６】
この溶接の間、両トーチ２，２に対する冷却水の給排水を行いつつ、送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で超音波の送受信を行わせる。
【００４７】
そして、互いに密接している金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに適正なナゲットが形成される場合には、金属の溶融により一時的に透過波の振幅値が低下して、この溶融金属の凝固とともに透過波の振幅値が再度上昇に転じることになる。
【００４８】
一方、ナゲットが形成されない場合や、ナゲットの厚みが薄い場合には、両電極Ｃ，Ｃ間に荷重Ｐを加えるのに伴って透過波の振幅値が上昇し、金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａの温度が上がるのに伴ってさらに振幅値が上昇するが、透過波の振幅値は低下しない、又は、僅かな低下となる。
【００４９】
このように、送信側超音波センサ６からの縦波モードの超音波を金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに伝播させ、超音波がこの金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａを透過する時点における透過波の音圧変化を評価部３により測定すれば、接合部Ｗａの溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる、すなわち、複雑なデータ解析を必要とすることなく、接合部Ｗａの溶接良否判定をリアルタイムで行い得ることとなる。
【００５０】
また、上記スポット溶接用監視装置１では、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の送信側超音波センサ６を向く端部を送信側超音波センサ６に向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部５ａとしてある、すなわち、この漏斗状端部５ａのテーパ角度θと送信側超音波センサ６が有する振動子の径Ｄとの関係を、θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）で、且つ、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）としているので、給水管５の送信側超音波センサ６を向く端部の側面に入射した超音波が、臨界角θcrを超えて給水管５自体に伝わり難くなり、その結果、超音波の送受信が効率よくなされることとなる。
【００５１】
さらに、上記スポット溶接用監視装置１では、一方のトーチ２Ａにおける給水管５の漏斗状端部５ａと、送信側超音波センサ６との間に、音響レンズ８を設置しているので、超音波の送受信がより一層効率よくなされることとなる。
【００５２】
さらにまた、上記スポット溶接用監視装置１では、一対のトーチ２，２の送信側超音波センサ６及び受信側超音波センサ７間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとしたうえで、給水管５の口径ｄを超音波の波長の３倍以上としているので、金属板Ｗ，Ｗ間の接合部Ｗａに超音波を流した際に大きいエコーが得られる低い周波数の超音波を給水管５に対して流し易くなる。
【００５３】
さらにまた、上記スポット溶接用監視装置１では、超音波センサ６，７をいずれもトーチ２の底部２ａにろう付けにより直接取り付けるようにしているので、トーチ２内の水中環境において、センサ取り付け部の劣化による剥がれを回避し得ることとなる。
【００５４】
また、上記した実施例では、２枚の金属板を溶接する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、２枚以上の金属板Ｗをスポット溶接する場合にも適用可能である。
【００５５】
本発明に係るスポット溶接用監視装置及び接合部評価方法の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１ スポット溶接用監視装置
２（２Ａ，２Ｂ） トーチ（一方のトーチ，他方のトーチ）
２ａ 底部
２ｂ チップ装着部
２ｃ 給水部
２ｄ 排水部
２ｆ 排水路
３ 評価部
５ 給水管
５ａ 給水管の漏斗状端部
６ 送信側超音波センサ
７ 受信側超音波センサ
８ 音響レンズ
Ｃ 電極チップ
Ｗ 金属板
Ｗａ 接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の監視装置であって、
一方の端部を底部とし且つ開口する他方の端部を前記電極チップの装着部とした筒状を成していると共に、前記底部及びチップ装着部の間の中空部分に対する冷却水の給排水を行う給水部及び排水部を有する一対のトーチと、
これらのトーチの各中空部分にそれぞれ配置されて、前記給水部から供給される冷却水を前記チップ装着部に取り付けた電極チップに導いて噴出させると共に、該電極チップに噴出させた冷却水を前記排水部に導く排水路を形成する給水管と、
前記一対のトーチの一方に配置されて、前記給水管及び前記電極チップを通して前記金属板間の接合部に向けて超音波を発する送信側超音波センサと、
前記一対のトーチの他方に配置されて、前記接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記電極チップ及び前記給水管を通して受ける受信側超音波センサと、
前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で超音波の送受信を行わせた時点における前記接合部の透過波の音圧変化を測定して、該接合部の溶接良否を判定する評価部を備えた
ことを特徴とするスポット溶接用監視装置。
【請求項２】
前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部は、該送信側超音波センサに向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部としてある請求項１に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項３】
水中の音速をＶｗ、前記一方のトーチに配置した口径ｄの給水管を伝わる音速をＶｐ、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角をθcrとした場合、該給水管の前記漏斗状端部におけるテーパ角度θは、θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）であり、且つ、前記送信側超音波センサが有する振動子の径Ｄに対して、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）の関係にある請求項２に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項４】
前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部と、該送信側超音波センサとの間に、超音波を前記給水管の中心軸ないしその近傍に集束させる音響レンズを設置した請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項５】
前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとし、前記給水管の口径を該超音波の波長の３倍以上とした請求項１〜４のいずれか一つの項に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項６】
前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサは、前記トーチに軟金属で直接取り付けて成る超音波センサである請求項１〜５のいずれか一つの項に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項７】
一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の接合部を請求項１〜６のいずれかのスポット溶接用監視装置により評価するに際して、
スポット溶接中に、前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記一方のトーチの送信側超音波センサから、前記給水管及び前記電極チップを通して前記接合部に向けて超音波を発すると共に、この接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記他方のトーチの前記電極チップ及び前記給水管を通して受信側超音波センサで受け、
前記送信側超音波センサからの超音波が前記接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定して、該接合部の溶接良否を判定する
ことを特徴とするスポット溶接の接合部評価方法。
【請求項１】
一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の監視装置であって、
一方の端部を底部とし且つ開口する他方の端部を前記電極チップの装着部とした筒状を成していると共に、前記底部及びチップ装着部の間の中空部分に対する冷却水の給排水を行う給水部及び排水部を有する一対のトーチと、
これらのトーチの各中空部分にそれぞれ配置されて、前記給水部から供給される冷却水を前記チップ装着部に取り付けた電極チップに導いて噴出させると共に、該電極チップに噴出させた冷却水を前記排水部に導く排水路を形成する給水管と、
前記一対のトーチの一方に配置されて、前記給水管及び前記電極チップを通して前記金属板間の接合部に向けて超音波を発する送信側超音波センサと、
前記一対のトーチの他方に配置されて、前記接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記電極チップ及び前記給水管を通して受ける受信側超音波センサと、
前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で超音波の送受信を行わせた時点における前記接合部の透過波の音圧変化を測定して、該接合部の溶接良否を判定する評価部を備えた
ことを特徴とするスポット溶接用監視装置。
【請求項２】
前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部は、該送信側超音波センサに向けて漸次口径が大きくなる漏斗状端部としてある請求項１に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項３】
水中の音速をＶｗ、前記一方のトーチに配置した口径ｄの給水管を伝わる音速をＶｐ、給水管の側面に斜めに入射する超音波の臨界角をθcrとした場合、該給水管の前記漏斗状端部におけるテーパ角度θは、θ＜θcr＝cos-1（Ｖｗ／Ｖｐ）であり、且つ、前記送信側超音波センサが有する振動子の径Ｄに対して、（Ｄ−ｄ）／（tanθ）＝（Ｄ＋ｄ）／（tan２θ）の関係にある請求項２に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項４】
前記一方のトーチにおける給水管の前記送信側超音波センサを向く端部と、該送信側超音波センサとの間に、超音波を前記給水管の中心軸ないしその近傍に集束させる音響レンズを設置した請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項５】
前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサ間で送受信させる超音波の周波数を０．５ＭＨｚ〜２．０ＭＨｚとし、前記給水管の口径を該超音波の波長の３倍以上とした請求項１〜４のいずれか一つの項に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項６】
前記送信側超音波センサ及び受信側超音波センサは、前記トーチに軟金属で直接取り付けて成る超音波センサである請求項１〜５のいずれか一つの項に記載のスポット溶接用監視装置。
【請求項７】
一対の電極チップの間に金属板を２枚以上挟み込んで溶接するスポット溶接の接合部を請求項１〜６のいずれかのスポット溶接用監視装置により評価するに際して、
スポット溶接中に、前記一対のトーチに対する冷却水の給排水を行いつつ、前記一方のトーチの送信側超音波センサから、前記給水管及び前記電極チップを通して前記接合部に向けて超音波を発すると共に、この接合部を透過した前記送信側超音波センサからの超音波を前記他方のトーチの前記電極チップ及び前記給水管を通して受信側超音波センサで受け、
前記送信側超音波センサからの超音波が前記接合部を透過する時点における透過波の音圧変化を評価部により測定して、該接合部の溶接良否を判定する
ことを特徴とするスポット溶接の接合部評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２０７１４（Ｐ２０１１−２２０７１４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８６９８０（Ｐ２０１０−８６９８０）
【出願日】平成２２年４月５日（２０１０．４．５）
【出願人】（０００１９８３１８）株式会社ＩＨＩ検査計測 (132)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月５日（２０１０．４．５）
【出願人】（０００１９８３１８）株式会社ＩＨＩ検査計測 (132)
【Ｆターム（参考）】
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