スポット溶接部の検査方法及び検査装置
【課題】熱影響部の影響を受けることなく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伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間に基づいてスポット溶接部４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伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間に基づいてスポット溶接部４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】
自動車などの車両の車体は、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、タガネ検査によってスポット溶接部の良否が検査されていた。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。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。
【０００３】
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。なお、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のかを判定するものではないが、スポット溶接部に形成されたナゲットの大きさを測定する発明として、特許文献２に開示されているようなものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７１４２２号公報
【特許文献２】特開２００７−２３２５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、スポット溶接時には、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した熱影響部が融着溶接部及び界面溶着溶接部の周囲に形成される。この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は減衰する。しかしながら、特許文献１記載の検査方法は、この熱影響部による超音波の減衰を考慮していない。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。具体例を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ、特許文献１記載の検査方法を用いて融着溶接部と界面溶着溶接部とを評価した結果を示す。図６（ｂ）に示すように、界面溶着溶接部の評価結果からは、実際にはナゲットが形成されていないのにも係わらず、図６（ａ）に示す融着溶着部の評価結果と同様の径Δｄを有するナゲットが形成されていると判定される。このため、図６（ａ），（ｂ）に示す評価結果によれば、熱影響部によって超音波が減衰しているのにも係わらず、界面溶着溶接部にナゲットが形成されていると誤判定してしまうことになる。
【０００６】
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、熱影響部の影響を受けることなく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】
【０００７】
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、前記受波ステップにおいて受波された超音波信号の伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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。
【０００８】
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、前記受波手段によって受波された超音波信号の伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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】
【０００９】
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、超音波信号の伝搬時間に基づいてスポット溶接部の良否を判定するので、熱影響部の影響を受けることなく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】
【００１０】
【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、融着溶接部及び界面溶着溶接部を示す断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態である評価処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、図３に示すステップＳ１の処理を説明するための模式図である。
【図５】図５は、図３に示す評価処理の実験例を示す図である。
【図６】図６は、特許文献１記載の検査方法を用いて融着溶接部と界面溶着溶接部とを評価した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
〔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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、後述する評価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。
【００１７】
〔スポット溶接部の検査方法〕
次に、図２乃至図４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。
【００１８】
〔融着溶接部と界面溶着溶接部との違い〕
始めに、図２を参照して、融着溶接部と界面溶着溶接部との違いについて説明する。図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部を示す断面模式図である。図２（ａ）に示すように、融着溶接部ではナゲットＲ１が形成されている。これに対して、図２（ｂ）に示すように、界面溶着溶接部ではナゲットＲ１は形成されていない。また、融着溶接部及び界面溶着溶接部の周囲には、スポット溶接時に加わる熱によって金属組織が元の金属組織（母材組織）から変化した熱影響部Ｒ２が形成されている。熱影響部Ｒ２の一部では結晶粒が粗大化しているために、熱影響部Ｒ２を伝搬してきた超音波は減衰する。従って、超音波の減衰に基づいてスポット溶接部の良否を判定した場合、熱影響部Ｒ２によって超音波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。そこで、検査装置１は、以下に示す評価処理を実行することによって、スポット溶接部４が融着溶接部と界面溶着溶接部とのどちらであるのかを判定する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、評価処理を実行する際の検査装置１の動作について説明する。
【００１９】
〔評価処理〕
図３は、本発明の一実施形態である評価処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、オペレータによって評価処理の実行が指示されたタイミングで開始となり、評価処理はステップＳ１の処理に進む。なお、評価処理の開始タイミングは、所定時間毎に自動的に開始されるよう設定されていてもよいし、評価処理の途中でエラーが検出された場合に自動で再度開始されるように設定されていてもよい。
【００２０】
ステップＳ１の処理では、スイッチ回路３０が、図４に示すように、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２２1，２２２によって受波する。超音波振動子２２1，２２２によって受波された超音波信号Ｗ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。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２２２，２２３によって受波する。超音波振動子２２２，２２３によって受波された超音波信号Ｗ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１２７から送波された超音波信号Ｗが超音波振動子２２７，２２８によって受波されるまで、超音波信号Ｗを送波する超音波振動子を順次変更して行なう。
【００２１】
次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２８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１２８から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２８によって受波する。超音波振動子２２８によって受波された超音波信号Ｗ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。
【００２２】
次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２９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１２９から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２８，２２９によって受波する。超音波振動子２２８，２２９によって受波された超音波信号Ｗ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。次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２１０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１２１０から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２９，２２１０によって受波する。超音波振動子２２９，２２１０によって受波された超音波信号Ｗ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Ｗが超音波振動子２２１５，２２１６によって受波されるまで、超音波信号Ｗを送波する超音波振動子を順次変更して行なう。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、評価処理はステップＳ２の処理に進む。なお、前記の超音波送受信では１箇所の超音波振動子から送信される超音波を、原則として２箇所の超音波振動子で受信していたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、１箇所の超音波振動子から送信される超音波を、１箇所の超音波振動子のみで受信するようにしてもよいし、全ての超音波振動子で受信して記憶しておき、ステップＳ２以降の処理で有用な信号のみを抽出して使用してもよい。
【００２３】
ステップＳ２の処理では、演算装置３４が、ステップＳ１の処理によって記憶された各超音波信号Ｗについて、超音波信号Ｗの送波時間と受波時間との差分値を算出することによって超音波信号Ｗの伝搬時間を算出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、評価処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ３の処理では、演算装置３４が、スポット溶接部４が含まれない伝搬経路（例えば図４に示す超音波振動子１２１と超音波振動子２２１とを結ぶ伝搬経路や超音波振動子１２１６と超音波振動子２２１６とを結ぶ伝搬経路）を伝搬してきた超音波信号の伝搬時間を基準伝搬時間として算出する。そして、演算装置３４は、ステップＳ１の処理によって記憶された各超音波信号Ｗについて、ステップＳ２の処理によって算出された伝搬時間と基準伝搬時間との差分値を基準伝搬時間に対する遅れ時間として算出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、評価処理はステップＳ４の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ４の処理では、演算装置３４が、ステップＳ３の処理によって算出された遅れ時間の中の最大値を最大遅れ時間として抽出する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、評価処理はステップＳ５の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ５の処理では、演算装置３４が、ステップＳ４の処理によって算出された最大遅れ時間が所定の判定値以上であるか否かを判別する。判別の結果、最大遅れ時間が所定の判定値以上である場合、演算装置３４は評価処理をステップＳ６の処理に進める。一方、最大遅れ時間が所定の判定値未満である場合には、演算装置３４は評価処理をステップＳ７の処理に進める。なお、演算装置３４は、超音波信号Ｗの伝搬時間の最大値を算出し、算出された最大値に基づいてステップＳ５の判定処理を実行するようにしてもよい。
【００２７】
ステップＳ６の処理では、演算装置３４が、ナゲットが存在するために超音波信号Ｗの伝搬時間が所定の判定値以上になったと判断し、スポット溶接部４はナゲットが形成されている融着溶接部であると判定する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、一連の評価処理は終了する。
【００２８】
ステップＳ７の処理では、演算装置３４が、ナゲットが存在しないために超音波信号Ｗの伝搬時間が所定の判定値未満になったと判断し、スポット溶接部４はナゲットが形成されていない界面溶着溶接部であると判定する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、一連の評価処理は終了する。
【００２９】
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４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伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間に基づいてスポット溶接部４の良否を判定する。このような構成によれば、超音波信号の伝搬時間に基づいてスポット溶接部４の良否を判定するので、熱影響部の影響を受けることなくスポット溶接部４の良否を正確に検査することができる。
【００３０】
なお、演算装置３４は、遅れ時間が所定の判定値以上となっている超音波信号Ｗの伝搬経路からナゲット径を算出するようにしてもよい。このとき、全ての遅れ時間が所定の判定値未満である場合には、演算装置３４は、ナゲット径を０と算出する。また、演算装置３４は、振幅が所定値以下の超音波信号Ｗについてはその遅れ時間を算出しないようにすることによって、ノイズなどの影響によって誤った遅れ時間をスポット溶接部４の良否判定に用いることを抑制することが望ましい。
【００３１】
また、演算装置３４は、超音波信号Ｗの減衰が大きい伝搬経路が多い場合には、ナゲットが十分に生成されていると判断し、伝搬時間による判定に係わらずスポット溶接部４はナゲットが形成されている融着溶接部であると判定するようにしてもよい。これにより、減衰が大きく、超音波信号Ｗを精度よく検出できない場合であっても、スポット溶接部４の良否を正確に判定することができる。
【００３２】
また、演算装置３４は、超音波信号Ｗと基準とする超音波信号Ｗとの相互相関演算処理や周波数解析処理を行い、相互相関演算処理や周波数解析処理の結果と超音波信号Ｗの伝搬時間とに基づいて、スポット溶接部の良否を判定してもよい。これにより、超音波信号Ｗの干渉などによって超音波信号Ｗの伝播時間を抽出することが困難な場合であっても、スポット溶接部４の良否を正確に判定することができる。相互相関演算処理については、例えば特開２００８−２８６７９２号に開示されている。
【００３３】
〔実験例〕
最後に、評価処理の実験例を示す。
【００３４】
図５（ａ），（ｂ）は評価処理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、検査対象として、上板２の板厚が２．０ｍｍ、下板３の板厚が２．０ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された２つのサンプルを用いた。２つのサンプルのうち、一方のサンプルは融着溶接部のサンプルであり（図５（ａ））、他方のサンプルは界面溶着溶接部のサンプル（図５（ｂ））である。また、図５（ａ），（ｂ）中、符号Ｗは超音波信号を示し、線分Ｌ０は超音波信号Ｗの最速受波時刻を示す直線であり、線分Ｌｍａｘは超音波信号Ｗの最遅受波時刻を示す直線である。
【００３５】
図５（ａ）と図５（ｂ）の比較から明らかなように、融着溶接部のサンプルにおける線分Ｌ０と線分Ｌｍａｘとの時間差（０．１８５μｓ）は界面溶着溶接部のサンプルにおける線分Ｌ０と線分Ｌｍａｘとの時間差（０．０２９μｓ）より大きい。このことから、融着溶接部のサンプルでは、界面溶着溶接部のサンプルと比較して、超音波信号Ｗの受波時間に大きな遅れが生じていることがわかる。従って、影響部の影響を受けることなくスポット溶接部４の良否を正確に検査することができる。
【００３６】
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。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】
【００３７】
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】
自動車などの車両の車体は、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、タガネ検査によってスポット溶接部の良否が検査されていた。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。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。
【０００３】
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。なお、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のかを判定するものではないが、スポット溶接部に形成されたナゲットの大きさを測定する発明として、特許文献２に開示されているようなものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７１４２２号公報
【特許文献２】特開２００７−２３２５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、スポット溶接時には、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した熱影響部が融着溶接部及び界面溶着溶接部の周囲に形成される。この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は減衰する。しかしながら、特許文献１記載の検査方法は、この熱影響部による超音波の減衰を考慮していない。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。具体例を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ、特許文献１記載の検査方法を用いて融着溶接部と界面溶着溶接部とを評価した結果を示す。図６（ｂ）に示すように、界面溶着溶接部の評価結果からは、実際にはナゲットが形成されていないのにも係わらず、図６（ａ）に示す融着溶着部の評価結果と同様の径Δｄを有するナゲットが形成されていると判定される。このため、図６（ａ），（ｂ）に示す評価結果によれば、熱影響部によって超音波が減衰しているのにも係わらず、界面溶着溶接部にナゲットが形成されていると誤判定してしまうことになる。
【０００６】
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、熱影響部の影響を受けることなく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】
【０００７】
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、前記受波ステップにおいて受波された超音波信号の伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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。
【０００８】
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、前記受波手段によって受波された超音波信号の伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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】
【０００９】
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、超音波信号の伝搬時間に基づいてスポット溶接部の良否を判定するので、熱影響部の影響を受けることなく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】
【００１０】
【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、融着溶接部及び界面溶着溶接部を示す断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態である評価処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、図３に示すステップＳ１の処理を説明するための模式図である。
【図５】図５は、図３に示す評価処理の実験例を示す図である。
【図６】図６は、特許文献１記載の検査方法を用いて融着溶接部と界面溶着溶接部とを評価した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
〔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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、後述する評価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。
【００１７】
〔スポット溶接部の検査方法〕
次に、図２乃至図４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。
【００１８】
〔融着溶接部と界面溶着溶接部との違い〕
始めに、図２を参照して、融着溶接部と界面溶着溶接部との違いについて説明する。図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、融着溶接部及び界面溶着溶接部を示す断面模式図である。図２（ａ）に示すように、融着溶接部ではナゲットＲ１が形成されている。これに対して、図２（ｂ）に示すように、界面溶着溶接部ではナゲットＲ１は形成されていない。また、融着溶接部及び界面溶着溶接部の周囲には、スポット溶接時に加わる熱によって金属組織が元の金属組織（母材組織）から変化した熱影響部Ｒ２が形成されている。熱影響部Ｒ２の一部では結晶粒が粗大化しているために、熱影響部Ｒ２を伝搬してきた超音波は減衰する。従って、超音波の減衰に基づいてスポット溶接部の良否を判定した場合、熱影響部Ｒ２によって超音波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。そこで、検査装置１は、以下に示す評価処理を実行することによって、スポット溶接部４が融着溶接部と界面溶着溶接部とのどちらであるのかを判定する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、評価処理を実行する際の検査装置１の動作について説明する。
【００１９】
〔評価処理〕
図３は、本発明の一実施形態である評価処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、オペレータによって評価処理の実行が指示されたタイミングで開始となり、評価処理はステップＳ１の処理に進む。なお、評価処理の開始タイミングは、所定時間毎に自動的に開始されるよう設定されていてもよいし、評価処理の途中でエラーが検出された場合に自動で再度開始されるように設定されていてもよい。
【００２０】
ステップＳ１の処理では、スイッチ回路３０が、図４に示すように、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２２1，２２２によって受波する。超音波振動子２２1，２２２によって受波された超音波信号Ｗ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。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２２２，２２３によって受波する。超音波振動子２２２，２２３によって受波された超音波信号Ｗ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１２７から送波された超音波信号Ｗが超音波振動子２２７，２２８によって受波されるまで、超音波信号Ｗを送波する超音波振動子を順次変更して行なう。
【００２１】
次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２８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１２８から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２８によって受波する。超音波振動子２２８によって受波された超音波信号Ｗ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。
【００２２】
次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２９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１２９から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２８，２２９によって受波する。超音波振動子２２８，２２９によって受波された超音波信号Ｗ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。次に、スイッチ回路３０は、超音波振動子１２１０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１２１０から送波された超音波信号Ｗを超音波振動子２２９，２２１０によって受波する。超音波振動子２２９，２２１０によって受波された超音波信号Ｗ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Ｗが超音波振動子２２１５，２２１６によって受波されるまで、超音波信号Ｗを送波する超音波振動子を順次変更して行なう。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、評価処理はステップＳ２の処理に進む。なお、前記の超音波送受信では１箇所の超音波振動子から送信される超音波を、原則として２箇所の超音波振動子で受信していたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、１箇所の超音波振動子から送信される超音波を、１箇所の超音波振動子のみで受信するようにしてもよいし、全ての超音波振動子で受信して記憶しておき、ステップＳ２以降の処理で有用な信号のみを抽出して使用してもよい。
【００２３】
ステップＳ２の処理では、演算装置３４が、ステップＳ１の処理によって記憶された各超音波信号Ｗについて、超音波信号Ｗの送波時間と受波時間との差分値を算出することによって超音波信号Ｗの伝搬時間を算出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、評価処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ３の処理では、演算装置３４が、スポット溶接部４が含まれない伝搬経路（例えば図４に示す超音波振動子１２１と超音波振動子２２１とを結ぶ伝搬経路や超音波振動子１２１６と超音波振動子２２１６とを結ぶ伝搬経路）を伝搬してきた超音波信号の伝搬時間を基準伝搬時間として算出する。そして、演算装置３４は、ステップＳ１の処理によって記憶された各超音波信号Ｗについて、ステップＳ２の処理によって算出された伝搬時間と基準伝搬時間との差分値を基準伝搬時間に対する遅れ時間として算出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、評価処理はステップＳ４の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ４の処理では、演算装置３４が、ステップＳ３の処理によって算出された遅れ時間の中の最大値を最大遅れ時間として抽出する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、評価処理はステップＳ５の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ５の処理では、演算装置３４が、ステップＳ４の処理によって算出された最大遅れ時間が所定の判定値以上であるか否かを判別する。判別の結果、最大遅れ時間が所定の判定値以上である場合、演算装置３４は評価処理をステップＳ６の処理に進める。一方、最大遅れ時間が所定の判定値未満である場合には、演算装置３４は評価処理をステップＳ７の処理に進める。なお、演算装置３４は、超音波信号Ｗの伝搬時間の最大値を算出し、算出された最大値に基づいてステップＳ５の判定処理を実行するようにしてもよい。
【００２７】
ステップＳ６の処理では、演算装置３４が、ナゲットが存在するために超音波信号Ｗの伝搬時間が所定の判定値以上になったと判断し、スポット溶接部４はナゲットが形成されている融着溶接部であると判定する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、一連の評価処理は終了する。
【００２８】
ステップＳ７の処理では、演算装置３４が、ナゲットが存在しないために超音波信号Ｗの伝搬時間が所定の判定値未満になったと判断し、スポット溶接部４はナゲットが形成されていない界面溶着溶接部であると判定する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、一連の評価処理は終了する。
【００２９】
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４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伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間に基づいてスポット溶接部４の良否を判定する。このような構成によれば、超音波信号の伝搬時間に基づいてスポット溶接部４の良否を判定するので、熱影響部の影響を受けることなくスポット溶接部４の良否を正確に検査することができる。
【００３０】
なお、演算装置３４は、遅れ時間が所定の判定値以上となっている超音波信号Ｗの伝搬経路からナゲット径を算出するようにしてもよい。このとき、全ての遅れ時間が所定の判定値未満である場合には、演算装置３４は、ナゲット径を０と算出する。また、演算装置３４は、振幅が所定値以下の超音波信号Ｗについてはその遅れ時間を算出しないようにすることによって、ノイズなどの影響によって誤った遅れ時間をスポット溶接部４の良否判定に用いることを抑制することが望ましい。
【００３１】
また、演算装置３４は、超音波信号Ｗの減衰が大きい伝搬経路が多い場合には、ナゲットが十分に生成されていると判断し、伝搬時間による判定に係わらずスポット溶接部４はナゲットが形成されている融着溶接部であると判定するようにしてもよい。これにより、減衰が大きく、超音波信号Ｗを精度よく検出できない場合であっても、スポット溶接部４の良否を正確に判定することができる。
【００３２】
また、演算装置３４は、超音波信号Ｗと基準とする超音波信号Ｗとの相互相関演算処理や周波数解析処理を行い、相互相関演算処理や周波数解析処理の結果と超音波信号Ｗの伝搬時間とに基づいて、スポット溶接部の良否を判定してもよい。これにより、超音波信号Ｗの干渉などによって超音波信号Ｗの伝播時間を抽出することが困難な場合であっても、スポット溶接部４の良否を正確に判定することができる。相互相関演算処理については、例えば特開２００８−２８６７９２号に開示されている。
【００３３】
〔実験例〕
最後に、評価処理の実験例を示す。
【００３４】
図５（ａ），（ｂ）は評価処理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、検査対象として、上板２の板厚が２．０ｍｍ、下板３の板厚が２．０ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された２つのサンプルを用いた。２つのサンプルのうち、一方のサンプルは融着溶接部のサンプルであり（図５（ａ））、他方のサンプルは界面溶着溶接部のサンプル（図５（ｂ））である。また、図５（ａ），（ｂ）中、符号Ｗは超音波信号を示し、線分Ｌ０は超音波信号Ｗの最速受波時刻を示す直線であり、線分Ｌｍａｘは超音波信号Ｗの最遅受波時刻を示す直線である。
【００３５】
図５（ａ）と図５（ｂ）の比較から明らかなように、融着溶接部のサンプルにおける線分Ｌ０と線分Ｌｍａｘとの時間差（０．１８５μｓ）は界面溶着溶接部のサンプルにおける線分Ｌ０と線分Ｌｍａｘとの時間差（０．０２９μｓ）より大きい。このことから、融着溶接部のサンプルでは、界面溶着溶接部のサンプルと比較して、超音波信号Ｗの受波時間に大きな遅れが生じていることがわかる。従って、影響部の影響を受けることなくスポット溶接部４の良否を正確に検査することができる。
【００３６】
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。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】
【００３７】
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おいて受波された超音波信号の伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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】
前記判定ステップは、前記スポット溶接部を含まない伝搬経路を伝搬してきた超音波の伝搬時間を基準伝搬時間として算出し、該スポット溶接部を含む伝搬経路を伝播してきた超音波の伝搬時間と該基準伝搬時間との差を遅れ時間として算出し、算出された遅れ時間に基づいて該スポット溶接部の良否を判定するステップを含む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、前記受波ステップにおいて受波された超音波信号の伝搬時間の最大値又は前記遅れ時間の最大値に基づいて、前記スポット溶接部の良否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２に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項４】
前記判定ステップは、前記受波ステップにおいて受波された超音波信号と基準とする超音波信号との相互相関演算処理を行い、相互相関演算処理の結果と前記受波ステップにおいて受波された超音波信号の伝搬時間とに基づいて、前記スポット溶接部の良否を判定するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項５】
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伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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おいて受波された超音波信号の伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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】
前記判定ステップは、前記スポット溶接部を含まない伝搬経路を伝搬してきた超音波の伝搬時間を基準伝搬時間として算出し、該スポット溶接部を含む伝搬経路を伝播してきた超音波の伝搬時間と該基準伝搬時間との差を遅れ時間として算出し、算出された遅れ時間に基づいて該スポット溶接部の良否を判定するステップを含む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、前記受波ステップにおいて受波された超音波信号の伝搬時間の最大値又は前記遅れ時間の最大値に基づいて、前記スポット溶接部の良否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２に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項４】
前記判定ステップは、前記受波ステップにおいて受波された超音波信号と基準とする超音波信号との相互相関演算処理を行い、相互相関演算処理の結果と前記受波ステップにおいて受波された超音波信号の伝搬時間とに基づいて、前記スポット溶接部の良否を判定するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載のスポット溶接部の検査方法。
【請求項５】
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伝搬時間を算出し、算出された伝搬時間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６】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９３３０７（Ｐ２０１２−９３３０７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２４５５（Ｐ２０１０−２４２４５５）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（０００１１０３２１）トヨタ車体株式会社 (1,272)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【出願人】（０００１１０３２１）トヨタ車体株式会社 (1,272)
【Ｆターム（参考）】
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