スポット溶接部の検査方法及び検査装置
【課題】スポット溶接部の良否を正確に検査すること。
【解決手段】超音波探触子１０が、スポット溶接部４の外側の板材である上板２の複数の送波位置から上板２を伝搬する超音波信号を送波し、超音波探触子２０が、上板２の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する。そして、演算装置３４が、超音波探触子２０によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する。
【解決手段】超音波探触子１０が、スポット溶接部４の外側の板材である上板２の複数の送波位置から上板２を伝搬する超音波信号を送波し、超音波探触子２０が、上板２の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する。そして、演算装置３４が、超音波探触子２０によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接部の良否を検査するためのスポット溶接部の検査方法及び検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両の車体は、数千点にも及ぶスポット溶接によって組み立てられる。スポット溶接部の良否は、車体の強度や耐久性に直接影響を及ぼす。このため、スポット溶接部の良否を検査することは極めて重要な作業である。そこで、従来までは、タガネ検査が行われていた。タガネ検査とは、スポット溶接された金属板間にタガネを差し込み、スポット溶接部がタガネによって剥離するか否かを確認することにより、スポット溶接部の良否を検査する検査方法である。
【０００３】
しかしながら、このような検査方法によれば、タガネを差し込んだ際にスポット溶接部がタガネによって破壊され、スポット溶接部の良否を正確に検査できないことがある。また、スポット溶接部が破壊された車体は製品として利用できないために、車体の製造コストが増加する。このため、近年、特許文献１に開示されているような、超音波を利用してスポット溶接部の良否を非接触で検査する検査方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１記載の検査方法は、スポット溶接部が、溶融凝固組織であるナゲットが形成されている融着溶接部と、金属板間の界面が局所的に溶着しているだけであってナゲットが形成されていない界面溶着溶接部のどちらであるのかを判定するものである。具体的には、この検査方法では、２枚の金属板をスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部を検査する場合、始めに、一方の金属板表面上の複数の送波位置から複数方向へ向けて一方の金属板中を伝搬する超音波を送波する。次に、一方の金属板表面上の複数の受波位置において一方の金属板中を伝搬してきた超音波を受波する。そして、受波された超音波の減衰、位相の混合、及び高周波成分の減衰を検出することによって、スポット溶接部におけるナゲットの有無を検出する。
【０００５】
以下、超音波の減衰、位相の混合、及び高周波成分の減衰に基づくナゲットの検出方法について説明する。
【０００６】
〔超音波の減衰〕
ナゲットを形成する溶融凝固組織は、金属板の金属組織と比較して超音波を伝達しにくい。このため、超音波がナゲットを通過した場合には、超音波の強度は大きく減衰する。従って、送波した超音波に基づいて受波された超音波の強度の減衰を検出することによって、超音波の伝搬経路上にナゲットが存在するか否かを判定することができる。
【０００７】
〔位相の混合〕
ナゲット内における超音波の伝搬速度は伝搬方向によって異なる。また、金属板中を伝搬する超音波は、様々な角度方向へ伝搬する超音波成分を有する。このため、超音波がナゲットを通過した場合、受波される超音波の波形は、位相が異なる超音波成分が混合されることによって、送波した超音波の波形から著しく変化する。従って、受波した超音波の波形と送波した超音波の波形との相互相関演算を行うことによって超音波波形の変化を検出することにより、超音波の伝搬経路上にナゲットがあるか否かを判定することができる。また、位相が異なる超音波成分が混合されることによる特定の周波数成分の変化を周波数解析によって検出することにより、超音波の伝搬経路上にナゲットがあるか否かを判定することもできる。
【０００８】
〔高周波成分の減衰〕
ナゲットは粗い結晶粒によって形成されているので、ナゲットを通過した超音波の強度はその周波数が大きいほど大きく減衰する。そこで、周波数解析によって受波された超音波の高周波成分の強度の減衰を検出することによって、超音波の伝搬経路上にナゲットがあるか否かを判定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８６７９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２００９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１記載の検査方法には以下に示すような問題点がある。
【００１１】
第１に、特許文献１記載の検査方法では、スポット溶接時に加わる熱によって金属板の金属組織が元の金属組織から変化することによって形成される熱影響部の存在を考慮していない。一般に、熱影響部では結晶粒が粗大化するために、熱影響部を伝搬してきた超音波の強度は大きく減衰し、またその高周波成分の強度も減衰することがある。このため、特許文献１記載の検査方法によれば、熱影響部によって超音波の強度が減衰しているのにも係わらず、ナゲットが形成されていると誤判定する可能性がある。
【００１２】
第２に、界面溶着溶接部では、界面を介して一方の金属板から他方の金属板に超音波が伝搬することによって受波される超音波の波形が変化する。このため、特許文献１記載の検査方法によれば、実際には界面を介して一方の金属板から他方の金属板に超音波が伝搬することによって受波される超音波の波形が変化しているのにも係わらず、ナゲットが形成されていると誤判定する可能性がある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スポット溶接部の良否を正確に検査可能なスポット溶接部の検査方法及び検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスポット溶接部の検査方法は、複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査方法であって、スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波ステップと、スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波ステップと、受波ステップによって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する判定ステップと、を含む。
【００１５】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスポット溶接部の検査装置は、複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査装置であって、スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波手段と、スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波手段と、受波手段によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する判定手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るスポット溶接部の検査方法及び検査装置によれば、伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号のウェーブレット解析を実行することによってスポット溶接部の良否を判定するので、スポット溶接部の良否を正確に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、超音波信号の伝搬経路を示す模式図である。
【図３】図３は、超音波信号の伝搬経路を示す模式図であり、図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部における超音波信号の伝搬経路を示す模式図である。
【図４】図４は、送波される超音波信号の一例を示す図である。
【図５】図５は、超音波信号を示す図であり、図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部が形成されている場合に図４に示す超音波信号が送波された際に受波される超音波信号を示す図である。
【図６】図６は、マザーウェーブレットの一例を示す図である。
【図７】図７は、マザーウェーブレットを示す図であり、図７（ａ）〜（ｃ）は、伸縮係数の変化に伴うマザーウェーブレットの形状変化を示す図である。
【図８】図８は、ウェーブレットを示す図であり、図８（ａ）〜（ｃ）は、超音波信号が通常透過波に由来する超音波信号と溶接金属透過波に由来する超音波信号とを含む場合に演算されるウェーブレットを示す図である。
【図９】図９は、ウェーブレットを示す図であり、図９（ａ）〜（ｃ）は、超音波信号が通常透過波に由来する超音波信号のみを含む場合に演算されるウェーブレットを示す図である。
【図１０】図１０は、ウェーブレット解析の実験例を示す図である。
【図１１】図１１は、従来技術と本願発明との差異を説明するための図であり、図１１（ａ），（ｂ）はそれぞれ、従来技術及び本願発明によるスポット溶接部の検査結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置及び検査方法について説明する。
【００１９】
〔検査装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置の構成について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置１は、上板２と下板３との２枚の金属板をスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部４の良否を検査するための装置である。検査装置１は、超音波探触子１０と、超音波探触子２０と、スイッチ回路３０，３１と、超音波送受信器３２と、Ａ／Ｄ変換器３３と、演算装置３４とを備える。超音波探触子１０，超音波探触子２０，及び演算装置３４はそれぞれ、本発明に係る送波手段，受波手段，及び判定手段として機能する。
【００２１】
超音波探触子１０と超音波探触子２０とは、スポット溶接部４の外側の板材である上板２の表面上に対向配置されている。超音波探触子１０及び超音波探触子２０と上板２との間には図示しない接触媒質が介在している。超音波探触子１０は、樹脂くさび１１に複数の超音波振動子１２１〜１２Ｎからなる振動子アレイ１２が貼り付けられた構造を有する。超音波探触子１０は、超音波振動子１２１〜１２Ｎから送波された超音波信号を上板２表面に対して斜め方向に入射する。
【００２２】
超音波探触子２０は、樹脂くさび２１に複数の超音波振動子２２１〜２２Ｎからなる振動子アレイ２２が貼り付けられた構造を有している。超音波探触子２０は、上板２中を伝搬してきた超音波信号を超音波振動子２２１〜２２Ｎで受波する。なお、超音波振動子１２１〜１２Ｎ及び超音波振動子２２１〜２２Ｎの個数Ｎとしては、例えば４、８、１６、３２等の個数を用いることができる。本実施形態では、超音波振動子の個数Ｎは１６個とする。また、本実施形態では、上板２側に超音波探触子１０と超音波探触子２０とを配設したが、下板３又は上板２と下板３との両方に超音波探触子１０と超音波探触子２０を配設してもよい。また、本実施形態では、複数の超音波振動子によって振動子アレイを構成したが、１つの超音波振動子を走査することによって超音波信号を送波／受波するようにしてもよい。
【００２３】
スイッチ回路３０は、超音波信号を送波する超音波振動子を超音波振動子１２１〜１２Ｎの中で切り替える。スイッチ回路３１は、上板２中を伝搬してきた超音波信号を受波する超音波振動子を超音波振動子２２１〜２２Ｎの中で切り替える。超音波送受信器３２は、超音波振動子１２１〜１２Ｎに超音波信号を送信すると共に、超音波振動子２２１〜２２Ｎが受波した超音波信号を増幅出力する。Ａ／Ｄ変換器３３は、超音波送受信器３２によって増幅出力された超音波信号をアナログ／デジタル変換する。演算装置３４は、後述する解析処理を実行することによって、スポット溶接部４が、ナゲットが形成されている融着溶接部とナゲットが形成されていない界面溶着溶接部のどちらであるのかを判定する。
【００２４】
〔スポット溶接部の検査方法〕
次に、図２乃至図９を参照して、スポット溶接部４が、ナゲットが形成されている融着溶接部とナゲットが形成されていない界面溶着溶接部のどちらであるのかを判定する際の検査装置１の動作について説明する。なお、この判定動作は、超音波信号を送波／受波する超音波送受処理と受波した超音波信号を解析する解析処理との２つの処理に大別される。そこで、以下では、説明を容易にするために、検査装置１の動作を超音波送受処理と解析処理とに分けて説明する。但し、実際の動作では超音波送受処理と解析処理とを平行して実行してもよいし、超音波送受処理の完了後に解析処理を実行してもよい。
【００２５】
〔超音波送受処理〕
始めに、図２を参照して、超音波送受処理について説明する。図２は、超音波振動子１２１〜１２１６から送波された超音波の伝搬経路を示す模式図である。図２に示すように、超音波振動子１２１〜１２１６から送波された超音波信号Ｗは平面経路を通って複数方向に伝搬し、超音波振動子２２１〜２２１６は各超音波振動子１２１〜１２１６から送波された超音波信号Ｗを受波する。そこで、この超音波送受処理では、始めに、スイッチ回路３０が、超音波振動子１２1から超音波信号Ｗを送波し、スイッチ回路３１は超音波振動子１２1から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２1〜２２１６によって受波する。超音波振動子２２1〜２２１６によって受波された超音波信号は、超音波送受信機３２によって増幅出力された後、Ａ／Ｄ変換器３３によってＡ／Ｄ変換されて演算装置３４で記憶される。
【００２６】
次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２２から超音波信号Ｗを送波し、スイッチ回路３１は超音波振動子１２２から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２1〜２２１６によって受波する。超音波振動子２２1〜２２１６によって受波された超音波信号は、超音波送受信機３２によって増幅出力された後、Ａ／Ｄ変換器３３によってＡ／Ｄ変換されて演算装置３４で記憶される。この過程を超音波振動子１２１６から送波された超音波信号が超音波振動子２２1〜２２１６によって受波されるまで、超音波信号を送波する超音波振動子を順次変更して行なう。この結果、演算装置３４には、複数位置から複数方向へ伝搬する超音波信号のデータが記憶される。
【００２７】
〔解析処理〕
次に、図３乃至図９を参照して、解析処理について説明する。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部における超音波信号の伝搬経路を示す模式図である。図３（ａ）に示すように、ナゲットＲ１が形成されている融着溶接部では、ナゲットＲ１を通過しない通常透過波Ｗ１とナゲットＲ１中を伝搬する溶接金属透過波Ｗ２との２種類の超音波信号が超音波探触子２０によって検出される。また、ナゲットＲ１とナゲットＲ１以外の金属領域とでは超音波信号の伝搬速度が異なるために、超音波探触子２０における通常透過波Ｗ１の受信タイミングと溶接金属透過波Ｗ２の受信タイミングとは異なる。一方、図３（ｂ）に示すように、界面溶着溶接部では、ナゲットが存在しないために、超音波探触子２０によって受波される超音波信号は通常透過波Ｗ１のみである。なお、実際の超音波信号の伝搬経路は、金属板の底面や表面での反射やモード変換を伴う複雑なものであるが、図３では図示を省略している。
【００２８】
ここで、図４，図５を参照して、融着溶接部及び界面溶着溶接部が形成されている場合に受波される超音波信号の違いについて詳しく説明する。図４は、超音波振動子１２１〜１２１６から送波される超音波信号の一例を示す図である。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部が形成されている場合に図４に示す超音波信号が送波された際に受波される超音波信号を示す図である。
【００２９】
図４に示す超音波信号ＳＩＮを送波した際、融着溶接部が形成されている場合には、図５（ａ）に示すように、受信タイミングが異なる通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１と溶接金属透過波Ｗ２に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ２とが受波される。一方、界面溶着溶接部が形成されている場合には、図５（ｂ）に示すように、通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１のみが受波される。従って、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号を解析することによって受波した超音波信号が１つ又は複数の超音波信号によって形成されているか否かを判定することによって、受波した超音波の伝搬経路上には融着溶接部と界面溶着溶接部のどちらが形成されているか否かを判定することができる。
【００３０】
本実施形態では、演算装置３４は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波に対応する超音波信号に対してウェーブレット解析を行うことによって、受波した超音波信号が１つ又は複数の超音波信号によって形成されているか否かを判定する。ここで、ウェーブレット解析とは、原信号をｘ（ｔ）、マザーウェーブレットをΨ（ｔ）と表したとき、以下の数式１で得られるウェーブレットＷ（ａ，ｂ）を算出する一種の連続ウェーブレット変換処理のことを意味する。
【数１】
【００３１】
この数式（１）は以下の数式（２）のように変形することができる。
【数２】
【００３２】
このため、パラメータ（以下、伸縮係数と表記）ａを一定値としてみた場合、ウェーブレット解析は、Ψ（ｔ／ａ）、すなわちマザーウェーブレットΨ（ｔ）を時間方向にａ倍に伸縮した波形と原信号ｘ（ｔ）との相互相関演算とみなすことができる。そこで、演算装置３４は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号を原信号ｘ（ｔ）、位相が異なる超音波成分が混合していない通常透過波に類似する超音波信号（以下、基本信号と表記）をマザーウェーブレットΨ（ｔ）としてウェーブレット解析を実行する。これにより、演算装置３４は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号の中に基本信号の成分がどれだけ含まれているかを算出することができる。なお基本信号としては、伝搬経路にスポット溶接部を含まない上板２の表面沿いを伝搬してきた超音波信号、より具体的には、超音波振動子１２１送波され、超音波振動子２２１〜２２１６によって受波された超音波信号を例示することができる。
【００３３】
ここで、ウェーブレット解析に対する理解を容易にするために、図６乃至図９を参照して、ウェーブレット解析について模式的に説明する。ウェーブレット解析では、図６に示すようなマザーウェーブレットΨ（ｔ）を規定し、始めに、演算装置３４が、図７（ａ）〜（ｃ）に示すようにパラメータτの値を固定した状態で伸縮係数ａの値を変化させることによってマザーウェーブレットΨ（ｔ）を伸縮させる。図７（ａ）〜（ｃ）に示す例では、伸縮係数ａの値はａ１，ａ２，ａ３の順で増加し、マザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）は伸縮係数ａの値に応じて伸縮する。次に、演算装置３４は、伸縮係数ａの値が異なる複数のマザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）について、パラメータτの値を変化させて原信号ｘ（ｔ）との相互相関演算処理を行う。
【００３４】
この相互相関演算処理によれば、受波された超音波信号が通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１と溶接金属透過波Ｗ２に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ２とを含む場合には、図８（ａ）〜（ｃ）に示すような超音波信号Ｓｏｕｔ１と超音波信号Ｓｏｕｔ２とに対応する２つのピークを含むウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算される。一方、受波された超音波信号が通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１のみを含む場合には、図９（ａ）〜（ｃ）に示すような超音波信号Ｓｏｕｔ１に対応する１つのピークを含むウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算される。
【００３５】
なお、図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）〜（ｃ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）はそれぞれ、図７（ａ）〜（ｃ）に示すマザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）を用いて算出されたウェーブレットＷ（ａ，τ）を示す。本実施形態では、伸縮係数ａの値が異なる複数のマザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）について相互相関演算処理を行ったが、伸縮係数ａの値は予め決めておいてもよいし、測定毎に複数の伸縮係数ａを計算して最適値を選択してもよい。
【００３６】
このように、融着溶接部が形成されている場合に演算されるウェーブレットＷ（ａ，τ）では、通常透過波と溶接金属透過波とのそれぞれに対応するピークが隣接して観測される。一方、界面溶着溶接部が形成されている場合に演算されるウェーブレットＷ（ａ，τ）では、通常透過波に対応するピークのみが観測される。従って、ウェーブレット解析によって得られた最も相関が高いウェーブレットＷ（ａ，τ）について、隣接するピークの間隔、又は着目するピークとその近傍にあるピークとの強度比を演算することによって、ウェーブレット解析によって得られたウェーブレットＷ（ａ，τ）が融着溶接部と界面溶着溶接部とのどちらに由来するものであるのかを判定することができる。すなわち、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号の伝搬経路上に融着溶接部と界面溶着溶接部のどちらが形成されているか否かを判定することができる。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査方法及び検査装置では、超音波探触子１０が、スポット溶接部４の外側の板材である上板２の複数の送波位置から複数方向へ向けて、上板２を伝搬する超音波信号を送波し、超音波探触子２０が、上板２の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する。そして、演算装置３４が、超音波探触子２０によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する。このような構成によれば、伝搬経路にスポット溶接部４を含む超音波信号のウェーブレット解析を実行することによってスポット溶接部４の良否を判定するので、スポット溶接部４の良否を正確に検査することができる。
【００３８】
なお、超音波信号を計測するに際してウェーブレット変換を適用する技術は例えば特許文献２に開示されている。しかしながら、従来まではウェーブレット解析は超音波信号の時間毎の周波数成分を算出するために使用されていた。これに対して、本実施形態におけるウェーブレット解析は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号の中に基本信号の成分がどれだけ含まれているかを算出するためのものであり、従来までのウェーブレット解析とはその使用方法が大きく異なる。
【００３９】
〔実験例〕
最後に、ウェーブレット解析の実験例を示す。
【００４０】
図１０（ａ），（ｂ）はウェーブレット解析の実験例を示す図である。本実験では、超音波送受処理は、樹脂くさび１１，２１をポリスチロール、超音波振動子の配列方向における幅を０．８ｍｍ、超音波信号の上板２表面に対する入射角を２５．４°として行った。また、解析処理は、超音波振動子１２１から送波され、超音波振動子２２１によって受波された超音波信号をマザーウェーブレットΨ（ｔ）、伸縮係数ａの値を１．０７５として行った。
【００４１】
図１０（ａ）と図１０（ｂ）の比較から明らかなように、図１０（ａ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）から観測されるピークの間隔は、図１０（ｂ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）から観測されるピークの間隔より狭い。従って、図１０（ａ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算された超音波信号の伝搬経路には融着溶接部が形成され、図１０（ｂ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算された超音波信号の伝搬経路には界面溶着溶接部が形成されていることがわかる。なお、界面溶着溶接部に由来するウェーブレットＷ（ａ，τ）中に複数のピークが観測される理由は、表面や裏面での反射やモード変換によって複数の経路を伝搬してきた超音波信号が受波されるためである。
【００４２】
図１１（ａ），（ｂ）はそれぞれ、従来技術（相互相関演算）及び本願発明によるスポット溶接部の検査結果を示す図である。本実験では、超音波送受処理は、樹脂くさび１１，２１をポリスチロール、超音波振動子の配列方向における幅を０．８ｍｍ、超音波信号の上板２表面に対する入射角を２５．４°として行った。また、検査対象として、上板２の板厚が０．５５ｍｍ、下板３の板厚が１．２ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された１２個のサンプルを用いた。１２個のサンプルのうち、４個は融着溶接部のサンプル、８個は界面溶着溶接部のサンプルである。
【００４３】
従来技術を用いた検査では、各サンプルについて、超音波振動子１２１〜１２８が送波する超音波信号については、基準信号と超音波振動子１２１から送波され、超音波振動子２２１により受波された超音波信号との相関相互演算値が１２８になるように規格化し、超音波振動子１２９〜１２１６が送波する超音波信号については、基準信号と超音波振動子１２１６から送波され、超音波振動子２２１６により受波された超音波信号との相関相互演算値が１２８になるように規格化した。そして、（１）超音波振動子１２ｎ（ｎ＝１〜１６）から送波され、超音波振動子２２ｎ（ｎ＝１〜１６）によって受波された超音波信号の伝搬経路、（２）超音波振動子１２ｎ（ｎ＝１〜７）から送波され、超音波振動子２２ｎ＋１（ｎ＝１〜７）によって受波された超音波信号の伝搬経路、及び（３）超音波振動子１２ｎ（ｎ＝９〜１６）から送波され、超音波振動子２２ｎ−１（ｎ＝９〜１６）によって受波された超音波信号の伝搬経路それぞれについての相互相関演算値と１２８との差の絶対値（但し、１２８より大きい場合は差を０とする）を足し合わせたものを相関演算評価指標とした。
【００４４】
本願発明を用いた検査では、超音波振動子１２８から送波され、超音波振動子２２８によって受波された超音波信号を原信号ｘ（ｔ）、超音波振動子１２１から送波され、超音波振動子２２１によって受波された超音波信号の一部をマザーウェーブレットΨ（ｔ）、伸縮係数ａの値を１．０７５としてウェーブレット解析を行った。そして、得られたウェーブレットＷ（ａ，τ）について、指定した範囲内で最大値となる第１ピークと、第１ピークの強度の０．５倍以上となるピークの中で最も第１ピークに近い第２ピークとを検出し、第１ピークと第２ピークとの間隔を評価指標として算出した。
【００４５】
図１１（ａ）に示すように、従来技術を用いた検査では、熱影響部の大きさが大きい界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとでは相関演算評価指標の値が近似していた。このため、従来技術を用いた検査では、界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとを区別することはできなかった。これに対して、本願発明を用いた検査では、界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとでピーク間間隔が大きく異なっていた。従って、本願発明を用いた検査によれば、界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとを正確に区別することができた。
【００４６】
なお、本実験では、超音波振動子１２８から送波され、超音波振動子２２８によって受波された超音波信号を原信号ｘ（ｔ）としたが、融着溶接部と界面溶着溶接部との間で差異が観察される伝搬経路であれば、その他の伝搬経路であってもよいし、また複数の超音波信号の伝搬経路についてウェーブレット解析を行ってもよい。また、第１ピークと第２ピークとの間隔を算出する方法の他に、第１ピークと第２ピークとの強度比や第１ピークの最大値を算出することによって判別してもよい。
【００４７】
ピークの強度比によって判別する場合、界面溶着溶接部に由来するピークが含まれないように第２ピークを検出する範囲を設定することによって、界面溶着溶接部では（第２ピークの強度／第１ピークの強度）の値は小さくなる。また、ウェーブレット解析によって複数の評価指標を算出し、複数の評価指標を組み合わせることによって判定を行ってもよいし、従来技術によって算出された評価指標と本願発明によって算出された評価指標とを組み合わせて判定を行ってもよい。
【００４８】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態は、２枚の金属板（鋼板）をスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するものであるが、検査対象となる板材は鋼板に限定されることはなく、アルミニウム製，無機材料、有機材料等のその他の板材に対しても適用することができる。また、スポット溶接をする板の枚数は２枚に限定されることはない。また、スポット溶接部の良否の判断も、融着溶接部と界面溶着溶接部との識別のみに限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 検査装置
２ 上板
３ 下板
４ スポット溶接部
１０，２０ 超音波探触子
１１，２１ 樹脂くさび
１２，２２ 振動子アレイ
１２１〜１２Ｎ，２２１〜２２Ｎ 超音波振動子
３０，３１ スイッチ回路
３２ 超音波送受信器
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ 演算装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接部の良否を検査するためのスポット溶接部の検査方法及び検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両の車体は、数千点にも及ぶスポット溶接によって組み立てられる。スポット溶接部の良否は、車体の強度や耐久性に直接影響を及ぼす。このため、スポット溶接部の良否を検査することは極めて重要な作業である。そこで、従来までは、タガネ検査が行われていた。タガネ検査とは、スポット溶接された金属板間にタガネを差し込み、スポット溶接部がタガネによって剥離するか否かを確認することにより、スポット溶接部の良否を検査する検査方法である。
【０００３】
しかしながら、このような検査方法によれば、タガネを差し込んだ際にスポット溶接部がタガネによって破壊され、スポット溶接部の良否を正確に検査できないことがある。また、スポット溶接部が破壊された車体は製品として利用できないために、車体の製造コストが増加する。このため、近年、特許文献１に開示されているような、超音波を利用してスポット溶接部の良否を非接触で検査する検査方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１記載の検査方法は、スポット溶接部が、溶融凝固組織であるナゲットが形成されている融着溶接部と、金属板間の界面が局所的に溶着しているだけであってナゲットが形成されていない界面溶着溶接部のどちらであるのかを判定するものである。具体的には、この検査方法では、２枚の金属板をスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部を検査する場合、始めに、一方の金属板表面上の複数の送波位置から複数方向へ向けて一方の金属板中を伝搬する超音波を送波する。次に、一方の金属板表面上の複数の受波位置において一方の金属板中を伝搬してきた超音波を受波する。そして、受波された超音波の減衰、位相の混合、及び高周波成分の減衰を検出することによって、スポット溶接部におけるナゲットの有無を検出する。
【０００５】
以下、超音波の減衰、位相の混合、及び高周波成分の減衰に基づくナゲットの検出方法について説明する。
【０００６】
〔超音波の減衰〕
ナゲットを形成する溶融凝固組織は、金属板の金属組織と比較して超音波を伝達しにくい。このため、超音波がナゲットを通過した場合には、超音波の強度は大きく減衰する。従って、送波した超音波に基づいて受波された超音波の強度の減衰を検出することによって、超音波の伝搬経路上にナゲットが存在するか否かを判定することができる。
【０００７】
〔位相の混合〕
ナゲット内における超音波の伝搬速度は伝搬方向によって異なる。また、金属板中を伝搬する超音波は、様々な角度方向へ伝搬する超音波成分を有する。このため、超音波がナゲットを通過した場合、受波される超音波の波形は、位相が異なる超音波成分が混合されることによって、送波した超音波の波形から著しく変化する。従って、受波した超音波の波形と送波した超音波の波形との相互相関演算を行うことによって超音波波形の変化を検出することにより、超音波の伝搬経路上にナゲットがあるか否かを判定することができる。また、位相が異なる超音波成分が混合されることによる特定の周波数成分の変化を周波数解析によって検出することにより、超音波の伝搬経路上にナゲットがあるか否かを判定することもできる。
【０００８】
〔高周波成分の減衰〕
ナゲットは粗い結晶粒によって形成されているので、ナゲットを通過した超音波の強度はその周波数が大きいほど大きく減衰する。そこで、周波数解析によって受波された超音波の高周波成分の強度の減衰を検出することによって、超音波の伝搬経路上にナゲットがあるか否かを判定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８６７９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２００９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１記載の検査方法には以下に示すような問題点がある。
【００１１】
第１に、特許文献１記載の検査方法では、スポット溶接時に加わる熱によって金属板の金属組織が元の金属組織から変化することによって形成される熱影響部の存在を考慮していない。一般に、熱影響部では結晶粒が粗大化するために、熱影響部を伝搬してきた超音波の強度は大きく減衰し、またその高周波成分の強度も減衰することがある。このため、特許文献１記載の検査方法によれば、熱影響部によって超音波の強度が減衰しているのにも係わらず、ナゲットが形成されていると誤判定する可能性がある。
【００１２】
第２に、界面溶着溶接部では、界面を介して一方の金属板から他方の金属板に超音波が伝搬することによって受波される超音波の波形が変化する。このため、特許文献１記載の検査方法によれば、実際には界面を介して一方の金属板から他方の金属板に超音波が伝搬することによって受波される超音波の波形が変化しているのにも係わらず、ナゲットが形成されていると誤判定する可能性がある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スポット溶接部の良否を正確に検査可能なスポット溶接部の検査方法及び検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスポット溶接部の検査方法は、複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査方法であって、スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波ステップと、スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波ステップと、受波ステップによって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する判定ステップと、を含む。
【００１５】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスポット溶接部の検査装置は、複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査装置であって、スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波手段と、スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波手段と、受波手段によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する判定手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るスポット溶接部の検査方法及び検査装置によれば、伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号のウェーブレット解析を実行することによってスポット溶接部の良否を判定するので、スポット溶接部の良否を正確に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、超音波信号の伝搬経路を示す模式図である。
【図３】図３は、超音波信号の伝搬経路を示す模式図であり、図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部における超音波信号の伝搬経路を示す模式図である。
【図４】図４は、送波される超音波信号の一例を示す図である。
【図５】図５は、超音波信号を示す図であり、図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部が形成されている場合に図４に示す超音波信号が送波された際に受波される超音波信号を示す図である。
【図６】図６は、マザーウェーブレットの一例を示す図である。
【図７】図７は、マザーウェーブレットを示す図であり、図７（ａ）〜（ｃ）は、伸縮係数の変化に伴うマザーウェーブレットの形状変化を示す図である。
【図８】図８は、ウェーブレットを示す図であり、図８（ａ）〜（ｃ）は、超音波信号が通常透過波に由来する超音波信号と溶接金属透過波に由来する超音波信号とを含む場合に演算されるウェーブレットを示す図である。
【図９】図９は、ウェーブレットを示す図であり、図９（ａ）〜（ｃ）は、超音波信号が通常透過波に由来する超音波信号のみを含む場合に演算されるウェーブレットを示す図である。
【図１０】図１０は、ウェーブレット解析の実験例を示す図である。
【図１１】図１１は、従来技術と本願発明との差異を説明するための図であり、図１１（ａ），（ｂ）はそれぞれ、従来技術及び本願発明によるスポット溶接部の検査結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置及び検査方法について説明する。
【００１９】
〔検査装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置の構成について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査装置１は、上板２と下板３との２枚の金属板をスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部４の良否を検査するための装置である。検査装置１は、超音波探触子１０と、超音波探触子２０と、スイッチ回路３０，３１と、超音波送受信器３２と、Ａ／Ｄ変換器３３と、演算装置３４とを備える。超音波探触子１０，超音波探触子２０，及び演算装置３４はそれぞれ、本発明に係る送波手段，受波手段，及び判定手段として機能する。
【００２１】
超音波探触子１０と超音波探触子２０とは、スポット溶接部４の外側の板材である上板２の表面上に対向配置されている。超音波探触子１０及び超音波探触子２０と上板２との間には図示しない接触媒質が介在している。超音波探触子１０は、樹脂くさび１１に複数の超音波振動子１２１〜１２Ｎからなる振動子アレイ１２が貼り付けられた構造を有する。超音波探触子１０は、超音波振動子１２１〜１２Ｎから送波された超音波信号を上板２表面に対して斜め方向に入射する。
【００２２】
超音波探触子２０は、樹脂くさび２１に複数の超音波振動子２２１〜２２Ｎからなる振動子アレイ２２が貼り付けられた構造を有している。超音波探触子２０は、上板２中を伝搬してきた超音波信号を超音波振動子２２１〜２２Ｎで受波する。なお、超音波振動子１２１〜１２Ｎ及び超音波振動子２２１〜２２Ｎの個数Ｎとしては、例えば４、８、１６、３２等の個数を用いることができる。本実施形態では、超音波振動子の個数Ｎは１６個とする。また、本実施形態では、上板２側に超音波探触子１０と超音波探触子２０とを配設したが、下板３又は上板２と下板３との両方に超音波探触子１０と超音波探触子２０を配設してもよい。また、本実施形態では、複数の超音波振動子によって振動子アレイを構成したが、１つの超音波振動子を走査することによって超音波信号を送波／受波するようにしてもよい。
【００２３】
スイッチ回路３０は、超音波信号を送波する超音波振動子を超音波振動子１２１〜１２Ｎの中で切り替える。スイッチ回路３１は、上板２中を伝搬してきた超音波信号を受波する超音波振動子を超音波振動子２２１〜２２Ｎの中で切り替える。超音波送受信器３２は、超音波振動子１２１〜１２Ｎに超音波信号を送信すると共に、超音波振動子２２１〜２２Ｎが受波した超音波信号を増幅出力する。Ａ／Ｄ変換器３３は、超音波送受信器３２によって増幅出力された超音波信号をアナログ／デジタル変換する。演算装置３４は、後述する解析処理を実行することによって、スポット溶接部４が、ナゲットが形成されている融着溶接部とナゲットが形成されていない界面溶着溶接部のどちらであるのかを判定する。
【００２４】
〔スポット溶接部の検査方法〕
次に、図２乃至図９を参照して、スポット溶接部４が、ナゲットが形成されている融着溶接部とナゲットが形成されていない界面溶着溶接部のどちらであるのかを判定する際の検査装置１の動作について説明する。なお、この判定動作は、超音波信号を送波／受波する超音波送受処理と受波した超音波信号を解析する解析処理との２つの処理に大別される。そこで、以下では、説明を容易にするために、検査装置１の動作を超音波送受処理と解析処理とに分けて説明する。但し、実際の動作では超音波送受処理と解析処理とを平行して実行してもよいし、超音波送受処理の完了後に解析処理を実行してもよい。
【００２５】
〔超音波送受処理〕
始めに、図２を参照して、超音波送受処理について説明する。図２は、超音波振動子１２１〜１２１６から送波された超音波の伝搬経路を示す模式図である。図２に示すように、超音波振動子１２１〜１２１６から送波された超音波信号Ｗは平面経路を通って複数方向に伝搬し、超音波振動子２２１〜２２１６は各超音波振動子１２１〜１２１６から送波された超音波信号Ｗを受波する。そこで、この超音波送受処理では、始めに、スイッチ回路３０が、超音波振動子１２1から超音波信号Ｗを送波し、スイッチ回路３１は超音波振動子１２1から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２1〜２２１６によって受波する。超音波振動子２２1〜２２１６によって受波された超音波信号は、超音波送受信機３２によって増幅出力された後、Ａ／Ｄ変換器３３によってＡ／Ｄ変換されて演算装置３４で記憶される。
【００２６】
次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２２から超音波信号Ｗを送波し、スイッチ回路３１は超音波振動子１２２から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２1〜２２１６によって受波する。超音波振動子２２1〜２２１６によって受波された超音波信号は、超音波送受信機３２によって増幅出力された後、Ａ／Ｄ変換器３３によってＡ／Ｄ変換されて演算装置３４で記憶される。この過程を超音波振動子１２１６から送波された超音波信号が超音波振動子２２1〜２２１６によって受波されるまで、超音波信号を送波する超音波振動子を順次変更して行なう。この結果、演算装置３４には、複数位置から複数方向へ伝搬する超音波信号のデータが記憶される。
【００２７】
〔解析処理〕
次に、図３乃至図９を参照して、解析処理について説明する。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部における超音波信号の伝搬経路を示す模式図である。図３（ａ）に示すように、ナゲットＲ１が形成されている融着溶接部では、ナゲットＲ１を通過しない通常透過波Ｗ１とナゲットＲ１中を伝搬する溶接金属透過波Ｗ２との２種類の超音波信号が超音波探触子２０によって検出される。また、ナゲットＲ１とナゲットＲ１以外の金属領域とでは超音波信号の伝搬速度が異なるために、超音波探触子２０における通常透過波Ｗ１の受信タイミングと溶接金属透過波Ｗ２の受信タイミングとは異なる。一方、図３（ｂ）に示すように、界面溶着溶接部では、ナゲットが存在しないために、超音波探触子２０によって受波される超音波信号は通常透過波Ｗ１のみである。なお、実際の超音波信号の伝搬経路は、金属板の底面や表面での反射やモード変換を伴う複雑なものであるが、図３では図示を省略している。
【００２８】
ここで、図４，図５を参照して、融着溶接部及び界面溶着溶接部が形成されている場合に受波される超音波信号の違いについて詳しく説明する。図４は、超音波振動子１２１〜１２１６から送波される超音波信号の一例を示す図である。図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部が形成されている場合に図４に示す超音波信号が送波された際に受波される超音波信号を示す図である。
【００２９】
図４に示す超音波信号ＳＩＮを送波した際、融着溶接部が形成されている場合には、図５（ａ）に示すように、受信タイミングが異なる通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１と溶接金属透過波Ｗ２に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ２とが受波される。一方、界面溶着溶接部が形成されている場合には、図５（ｂ）に示すように、通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１のみが受波される。従って、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号を解析することによって受波した超音波信号が１つ又は複数の超音波信号によって形成されているか否かを判定することによって、受波した超音波の伝搬経路上には融着溶接部と界面溶着溶接部のどちらが形成されているか否かを判定することができる。
【００３０】
本実施形態では、演算装置３４は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波に対応する超音波信号に対してウェーブレット解析を行うことによって、受波した超音波信号が１つ又は複数の超音波信号によって形成されているか否かを判定する。ここで、ウェーブレット解析とは、原信号をｘ（ｔ）、マザーウェーブレットをΨ（ｔ）と表したとき、以下の数式１で得られるウェーブレットＷ（ａ，ｂ）を算出する一種の連続ウェーブレット変換処理のことを意味する。
【数１】
【００３１】
この数式（１）は以下の数式（２）のように変形することができる。
【数２】
【００３２】
このため、パラメータ（以下、伸縮係数と表記）ａを一定値としてみた場合、ウェーブレット解析は、Ψ（ｔ／ａ）、すなわちマザーウェーブレットΨ（ｔ）を時間方向にａ倍に伸縮した波形と原信号ｘ（ｔ）との相互相関演算とみなすことができる。そこで、演算装置３４は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号を原信号ｘ（ｔ）、位相が異なる超音波成分が混合していない通常透過波に類似する超音波信号（以下、基本信号と表記）をマザーウェーブレットΨ（ｔ）としてウェーブレット解析を実行する。これにより、演算装置３４は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号の中に基本信号の成分がどれだけ含まれているかを算出することができる。なお基本信号としては、伝搬経路にスポット溶接部を含まない上板２の表面沿いを伝搬してきた超音波信号、より具体的には、超音波振動子１２１送波され、超音波振動子２２１〜２２１６によって受波された超音波信号を例示することができる。
【００３３】
ここで、ウェーブレット解析に対する理解を容易にするために、図６乃至図９を参照して、ウェーブレット解析について模式的に説明する。ウェーブレット解析では、図６に示すようなマザーウェーブレットΨ（ｔ）を規定し、始めに、演算装置３４が、図７（ａ）〜（ｃ）に示すようにパラメータτの値を固定した状態で伸縮係数ａの値を変化させることによってマザーウェーブレットΨ（ｔ）を伸縮させる。図７（ａ）〜（ｃ）に示す例では、伸縮係数ａの値はａ１，ａ２，ａ３の順で増加し、マザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）は伸縮係数ａの値に応じて伸縮する。次に、演算装置３４は、伸縮係数ａの値が異なる複数のマザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）について、パラメータτの値を変化させて原信号ｘ（ｔ）との相互相関演算処理を行う。
【００３４】
この相互相関演算処理によれば、受波された超音波信号が通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１と溶接金属透過波Ｗ２に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ２とを含む場合には、図８（ａ）〜（ｃ）に示すような超音波信号Ｓｏｕｔ１と超音波信号Ｓｏｕｔ２とに対応する２つのピークを含むウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算される。一方、受波された超音波信号が通常透過波Ｗ１に由来する超音波信号Ｓｏｕｔ１のみを含む場合には、図９（ａ）〜（ｃ）に示すような超音波信号Ｓｏｕｔ１に対応する１つのピークを含むウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算される。
【００３５】
なお、図８（ａ）〜（ｃ）及び図９（ａ）〜（ｃ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）はそれぞれ、図７（ａ）〜（ｃ）に示すマザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）を用いて算出されたウェーブレットＷ（ａ，τ）を示す。本実施形態では、伸縮係数ａの値が異なる複数のマザーウェーブレットΨ（ｔ／ａ）について相互相関演算処理を行ったが、伸縮係数ａの値は予め決めておいてもよいし、測定毎に複数の伸縮係数ａを計算して最適値を選択してもよい。
【００３６】
このように、融着溶接部が形成されている場合に演算されるウェーブレットＷ（ａ，τ）では、通常透過波と溶接金属透過波とのそれぞれに対応するピークが隣接して観測される。一方、界面溶着溶接部が形成されている場合に演算されるウェーブレットＷ（ａ，τ）では、通常透過波に対応するピークのみが観測される。従って、ウェーブレット解析によって得られた最も相関が高いウェーブレットＷ（ａ，τ）について、隣接するピークの間隔、又は着目するピークとその近傍にあるピークとの強度比を演算することによって、ウェーブレット解析によって得られたウェーブレットＷ（ａ，τ）が融着溶接部と界面溶着溶接部とのどちらに由来するものであるのかを判定することができる。すなわち、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号の伝搬経路上に融着溶接部と界面溶着溶接部のどちらが形成されているか否かを判定することができる。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態であるスポット溶接部の検査方法及び検査装置では、超音波探触子１０が、スポット溶接部４の外側の板材である上板２の複数の送波位置から複数方向へ向けて、上板２を伝搬する超音波信号を送波し、超音波探触子２０が、上板２の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する。そして、演算装置３４が、超音波探触子２０によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいてスポット溶接部の良否を判定する。このような構成によれば、伝搬経路にスポット溶接部４を含む超音波信号のウェーブレット解析を実行することによってスポット溶接部４の良否を判定するので、スポット溶接部４の良否を正確に検査することができる。
【００３８】
なお、超音波信号を計測するに際してウェーブレット変換を適用する技術は例えば特許文献２に開示されている。しかしながら、従来まではウェーブレット解析は超音波信号の時間毎の周波数成分を算出するために使用されていた。これに対して、本実施形態におけるウェーブレット解析は、超音波振動子２２1〜２２１６のそれぞれが受波した超音波信号の中に基本信号の成分がどれだけ含まれているかを算出するためのものであり、従来までのウェーブレット解析とはその使用方法が大きく異なる。
【００３９】
〔実験例〕
最後に、ウェーブレット解析の実験例を示す。
【００４０】
図１０（ａ），（ｂ）はウェーブレット解析の実験例を示す図である。本実験では、超音波送受処理は、樹脂くさび１１，２１をポリスチロール、超音波振動子の配列方向における幅を０．８ｍｍ、超音波信号の上板２表面に対する入射角を２５．４°として行った。また、解析処理は、超音波振動子１２１から送波され、超音波振動子２２１によって受波された超音波信号をマザーウェーブレットΨ（ｔ）、伸縮係数ａの値を１．０７５として行った。
【００４１】
図１０（ａ）と図１０（ｂ）の比較から明らかなように、図１０（ａ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）から観測されるピークの間隔は、図１０（ｂ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）から観測されるピークの間隔より狭い。従って、図１０（ａ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算された超音波信号の伝搬経路には融着溶接部が形成され、図１０（ｂ）に示すウェーブレットＷ（ａ，τ）が演算された超音波信号の伝搬経路には界面溶着溶接部が形成されていることがわかる。なお、界面溶着溶接部に由来するウェーブレットＷ（ａ，τ）中に複数のピークが観測される理由は、表面や裏面での反射やモード変換によって複数の経路を伝搬してきた超音波信号が受波されるためである。
【００４２】
図１１（ａ），（ｂ）はそれぞれ、従来技術（相互相関演算）及び本願発明によるスポット溶接部の検査結果を示す図である。本実験では、超音波送受処理は、樹脂くさび１１，２１をポリスチロール、超音波振動子の配列方向における幅を０．８ｍｍ、超音波信号の上板２表面に対する入射角を２５．４°として行った。また、検査対象として、上板２の板厚が０．５５ｍｍ、下板３の板厚が１．２ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された１２個のサンプルを用いた。１２個のサンプルのうち、４個は融着溶接部のサンプル、８個は界面溶着溶接部のサンプルである。
【００４３】
従来技術を用いた検査では、各サンプルについて、超音波振動子１２１〜１２８が送波する超音波信号については、基準信号と超音波振動子１２１から送波され、超音波振動子２２１により受波された超音波信号との相関相互演算値が１２８になるように規格化し、超音波振動子１２９〜１２１６が送波する超音波信号については、基準信号と超音波振動子１２１６から送波され、超音波振動子２２１６により受波された超音波信号との相関相互演算値が１２８になるように規格化した。そして、（１）超音波振動子１２ｎ（ｎ＝１〜１６）から送波され、超音波振動子２２ｎ（ｎ＝１〜１６）によって受波された超音波信号の伝搬経路、（２）超音波振動子１２ｎ（ｎ＝１〜７）から送波され、超音波振動子２２ｎ＋１（ｎ＝１〜７）によって受波された超音波信号の伝搬経路、及び（３）超音波振動子１２ｎ（ｎ＝９〜１６）から送波され、超音波振動子２２ｎ−１（ｎ＝９〜１６）によって受波された超音波信号の伝搬経路それぞれについての相互相関演算値と１２８との差の絶対値（但し、１２８より大きい場合は差を０とする）を足し合わせたものを相関演算評価指標とした。
【００４４】
本願発明を用いた検査では、超音波振動子１２８から送波され、超音波振動子２２８によって受波された超音波信号を原信号ｘ（ｔ）、超音波振動子１２１から送波され、超音波振動子２２１によって受波された超音波信号の一部をマザーウェーブレットΨ（ｔ）、伸縮係数ａの値を１．０７５としてウェーブレット解析を行った。そして、得られたウェーブレットＷ（ａ，τ）について、指定した範囲内で最大値となる第１ピークと、第１ピークの強度の０．５倍以上となるピークの中で最も第１ピークに近い第２ピークとを検出し、第１ピークと第２ピークとの間隔を評価指標として算出した。
【００４５】
図１１（ａ）に示すように、従来技術を用いた検査では、熱影響部の大きさが大きい界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとでは相関演算評価指標の値が近似していた。このため、従来技術を用いた検査では、界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとを区別することはできなかった。これに対して、本願発明を用いた検査では、界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとでピーク間間隔が大きく異なっていた。従って、本願発明を用いた検査によれば、界面溶着溶接部のサンプルと融着溶接部のサンプルとを正確に区別することができた。
【００４６】
なお、本実験では、超音波振動子１２８から送波され、超音波振動子２２８によって受波された超音波信号を原信号ｘ（ｔ）としたが、融着溶接部と界面溶着溶接部との間で差異が観察される伝搬経路であれば、その他の伝搬経路であってもよいし、また複数の超音波信号の伝搬経路についてウェーブレット解析を行ってもよい。また、第１ピークと第２ピークとの間隔を算出する方法の他に、第１ピークと第２ピークとの強度比や第１ピークの最大値を算出することによって判別してもよい。
【００４７】
ピークの強度比によって判別する場合、界面溶着溶接部に由来するピークが含まれないように第２ピークを検出する範囲を設定することによって、界面溶着溶接部では（第２ピークの強度／第１ピークの強度）の値は小さくなる。また、ウェーブレット解析によって複数の評価指標を算出し、複数の評価指標を組み合わせることによって判定を行ってもよいし、従来技術によって算出された評価指標と本願発明によって算出された評価指標とを組み合わせて判定を行ってもよい。
【００４８】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態は、２枚の金属板（鋼板）をスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するものであるが、検査対象となる板材は鋼板に限定されることはなく、アルミニウム製，無機材料、有機材料等のその他の板材に対しても適用することができる。また、スポット溶接をする板の枚数は２枚に限定されることはない。また、スポット溶接部の良否の判断も、融着溶接部と界面溶着溶接部との識別のみに限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 検査装置
２ 上板
３ 下板
４ スポット溶接部
１０，２０ 超音波探触子
１１，２１ 樹脂くさび
１２，２２ 振動子アレイ
１２１〜１２Ｎ，２２１〜２２Ｎ 超音波振動子
３０，３１ スイッチ回路
３２ 超音波送受信器
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ 演算装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査方法であって、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波ステップと、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波ステップと、
前記受波ステップによって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいて前記スポット溶接部の良否を判定する判定ステップと、
を含むことを特徴とするスポット溶接部の検査方法。
【請求項２】
前記受波ステップは、伝搬経路にスポット溶接部を含まない超音波信号を受波するステップを含み、前記ウェーブレット解析に用いるマザーウェーブレットとして、前記受波ステップにおいて受波された伝搬経路にスポット溶接部を含まない超音波信号の一部又は全部を用いることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項３】
前記判定ステップは、前記ウェーブレット解析によって演算されたウェーブレットに含まれるピークの位置及び強度のうちの少なくとも一方を用いて、前記スポット溶接部が融着溶接部と界面溶着溶接部のどちらであるかを判定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項４】
複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査装置であって、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波手段と、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波手段と、
前記受波手段によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいて前記スポット溶接部の良否を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とするスポット溶接部の検査装置。
【請求項１】
複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査方法であって、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波ステップと、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波ステップと、
前記受波ステップによって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいて前記スポット溶接部の良否を判定する判定ステップと、
を含むことを特徴とするスポット溶接部の検査方法。
【請求項２】
前記受波ステップは、伝搬経路にスポット溶接部を含まない超音波信号を受波するステップを含み、前記ウェーブレット解析に用いるマザーウェーブレットとして、前記受波ステップにおいて受波された伝搬経路にスポット溶接部を含まない超音波信号の一部又は全部を用いることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項３】
前記判定ステップは、前記ウェーブレット解析によって演算されたウェーブレットに含まれるピークの位置及び強度のうちの少なくとも一方を用いて、前記スポット溶接部が融着溶接部と界面溶着溶接部のどちらであるかを判定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項４】
複数の板材を重ね合わせてスポット溶接することによって形成されたスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査装置であって、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の送波位置から板材を伝搬する超音波信号を送波する送波手段と、
前記スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置において、少なくとも伝搬経路にスポット溶接部を含む超音波信号を受波する受波手段と、
前記受波手段によって受波された超音波信号のウェーブレット解析を実行し、ウェーブレット解析の解析結果に基づいて前記スポット溶接部の良否を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とするスポット溶接部の検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１９６８６２（Ｐ２０１１−１９６８６２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６４８５１（Ｐ２０１０−６４８５１）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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