スポット溶接部検査装置
【課題】 スポット溶接部の良否を効率良く且つ精度良く検査することが可能な装置を提供する。
【解決手段】 スポット溶接部検査装置１は、重ね合わせられた鋼板Ｍ１、Ｍ２を挟んで対向配置された一対の電極２ａ、２ｂ間に通電することにより形成されるスポット溶接部Ｓを検査する装置である。スポット溶接部検査装置１は、スポット溶接部Ｓに向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極２ａ近傍に配置された電磁石１１と、電磁石１１によって発生しスポット溶接部Ｓを透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極２ｂ近傍に配置された検出コイル１２と、検出コイル１２に誘起される誘起電圧が一対の電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する判定回路１３とを備えることを特徴とする。
【解決手段】 スポット溶接部検査装置１は、重ね合わせられた鋼板Ｍ１、Ｍ２を挟んで対向配置された一対の電極２ａ、２ｂ間に通電することにより形成されるスポット溶接部Ｓを検査する装置である。スポット溶接部検査装置１は、スポット溶接部Ｓに向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極２ａ近傍に配置された電磁石１１と、電磁石１１によって発生しスポット溶接部Ｓを透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極２ｂ近傍に配置された検出コイル１２と、検出コイル１２に誘起される誘起電圧が一対の電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する判定回路１３とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部の良否を検査する装置に関し、特に、スポット溶接部の良否を溶接工程において効率良く且つ精度良く検査することが可能な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、重ね合わせた鋼板を一対の電極で挟み込み、当該一対の電極間に通電することによって生じる発熱により前記一対の電極間に位置する鋼板の一部を溶融させると共に、前記電極で鋼板を押圧することによって局部的に溶接する（以下、局部的に溶接された鋼板の部分をスポット溶接部という）方法である。斯かる鋼板のスポット溶接は、例えば、自動車の車体製造に必要不可欠な接合方法として広く用いられている。
【０００３】
従来、スポット溶接部の良否（スポット溶接部の接合強度が十分であるか否か）を検査する方法として、所謂タガネ検査や引き剥がし検査などの破壊検査が実施されている。しかしながら、破壊検査は、そもそもスポット溶接された鋼板を適宜抜き取って実施するものであるため、全ての鋼板について検査を実施することは不可能である。さらに、例えば自動車の車体製造に際しては、１車輌当たり数千点のスポット溶接が施されていることから、これら全てのスポット溶接部を破壊検査することは検査効率の点で実用的ではなく、抜き取った鋼板（車体）についてのさらに適宜選択したスポット溶接部に対してのみ破壊検査を実施しているのが実情である。従って、検査の信頼性が必ずしも十分とは言い難いという問題がある。
【０００４】
上記問題を解決するには、スポット溶接部を非破壊的に検査することが有効であると考えられる。ここで、スポット溶接部の接合強度は、溶接によって鋼板が溶融凝固する部分（ナゲット部という）の寸法によって評価できることが知られている。換言すれば、スポット溶接部の良否は、ナゲット部の寸法（径及び厚み）によって評価できることが知られている。図５は、重ね合わせられた鋼板Ｍ１、Ｍ２のスポット溶接部Ｓに生成されるナゲット部の各種形態を模式的に示す図である。図５（ａ）に示すように、ナゲット部Ｎ１の径が小さければ、或いは、図５（ｂ）に示すように、ナゲット部Ｎ２の厚みが小さければ、スポット溶接部Ｓは不良であると判断できる一方、図５（ｃ）に示すように、ナゲット部Ｎ３の径も厚みも十分であれば、スポット溶接部Ｓは正常であると判断することができる。
【０００５】
斯かるナゲット部の寸法を非破壊的に検査する方法としては、スポット溶接が終了した後にスポット溶接部に磁場を作用させ、当該スポット溶接部の磁気特性変化からナゲット部の寸法を推定する方法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。また、スポット溶接部への超音波の伝搬状態からナゲット部の寸法を推定する方法（例えば、特許文献２、３、４参照）も提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１〜４に記載のいずれの方法も、スポット溶接が完了した後に別工程で検査を実施する方法であり、検出センサ等をスポット溶接部に正確に位置決めして検査する必要がある。従って、自動車の車体のように数千点にも及ぶスポット溶接部の全数を検査するには、検査効率が極めて悪いという問題がある。
【０００７】
一方、スポット溶接部の全数を検査する方法として、スポット溶接中における電極間の電気抵抗の変化を測定し、ナゲット部の生成に伴う前記電気抵抗の変化に基づきナゲット部寸法の良否を判定する試みも報告されている。しかしながら、スポット溶接を繰り返す内に電極の先端が摩耗しその抵抗が逐次変化することや、近接するスポット溶接部に電流が分流することを考慮しなければならないため、ナゲット部の寸法の良否を精度良く判定することは極めて困難である。また、電極間の電気抵抗は、ナゲット部の径の変化には強く依存するものの、ナゲット部の厚みの変化にはほとんど依存しないため、図５（ｂ）に示す形態のナゲット部と、図５（ｃ）に示す形態のナゲット部とを識別できないという問題がある。すなわち、ナゲット部の厚みが小さい場合であっても正常であると判断される可能性がある。
【特許文献１】特許第３０９８１９３号公報
【特許文献２】特許第２８４９２０５号公報
【特許文献３】特許第２７７２８９５号公報
【特許文献４】特許第２５９６０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、鋼板をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部の良否を効率良く且つ精度良く検査することが可能な装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するべく、本発明は、重ね合わせられた鋼板を挟んで対向配置された一対の電極間に通電することにより形成されるスポット溶接部を検査する装置であって、前記スポット溶接部に向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極近傍に配置された電磁石と、前記電磁石によって発生し前記スポット溶接部を透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極近傍に配置された検出コイルと、前記検出コイルに誘起される誘起電圧が前記一対の電極間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する手段とを備えることを特徴とするスポット溶接部検査装置を提供するものである。
【００１０】
好ましくは、前記電磁石及び前記検出コイルは、鋼板を挟んで閉磁路が形成されるような形状とされた継鉄部をそれぞれ具備するように構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るスポット溶接部検査装置によれば、鋼板をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部の良否を溶接工程において精度良く検査することができるため、スポット溶接部の全数を精度良く検査することが可能であり、信頼性の高い検査が実現されるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係るスポット溶接部検査装置（以下、適宜検査装置という）１は、重ね合わせられた鋼板Ｍ１、Ｍ２を挟んで対向配置された一対の電極２ａ、２ｂ間に通電することにより形成されるスポット溶接部Ｓ（より具体的にはナゲット部Ｎ）を検査する装置である。
【００１３】
検査装置１は、スポット溶接部Ｓに向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極２ａ近傍に配置された電磁石１１と、電磁石１１によって発生しスポット溶接部Ｓを透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極２ｂ近傍に配置された検出コイル１２と、検出コイル１２に誘起される誘起電圧が一対の電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する手段としての判定回路１３とを備えている。
【００１４】
また、本実施形態に係る検査装置１は、高周波電源１４と、フィルタ回路１５と、増幅器１６と、検波器１７とを備えている。
【００１５】
高周波電源１４は、電磁石１１に高周波電流を供給するものであり、これにより電磁石１１は高周波磁場を発生することになる。なお、高周波電源１４から供給する高周波電流の周波数としては、後述する渦電流の影響を考慮すれば１０ｋＨｚ以上にするのが好ましい。
【００１６】
電磁石１１によって発生し、スポット溶接部Ｓを含む鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過した高周波磁場は、電磁誘導によって検出コイル１２に高周波電圧を誘起することになる。フィルタ回路１５は、検出コイル１２に誘起される前記誘起電圧からノイズを除去するために設けられている。より具体的に説明すれば、検出コイル１２に誘起される誘起電圧には、電極２ａ、２ｂに通電する電流の周波数成分や、雑音に起因する周波数成分も含まれるため、フィルタ回路１５によって、高周波電源１４から電磁石１１に供給される高周波電流と同一の周波数成分のみを抽出するように構成されている。
【００１７】
フィルタ回路１５によってノイズを除去された誘起電圧は、増幅器１６によって所定の電圧増幅を施された後、同期検波器等からなる検波器１７において振幅や位相成分が検出される。判定回路１３は、検波器１７によって検出された誘起電圧の振幅や位相成分に基づき、電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから誘起電圧が所定値に降下するまでの時間を測定し、当該測定した時間の大小に応じてスポット溶接部Ｓの良否（より具体的にはナゲット部Ｎの寸法の良否）を判定するように構成されている。
【００１８】
以下、電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから誘起電圧が所定値に降下するまでの時間の大小に応じてスポット溶接部Ｓの良否（ナゲット部Ｎの寸法の良否）を判定できる理由について説明する。
【００１９】
一般に、鋼板に高周波磁場を作用させると、当該高周波磁場を打ち消すように、鋼板に渦電流が流れることは周知の事実である。本実施形態に係る検査装置１の場合も、電磁石１１によって発生した高周波磁場を打ち消すように（鋼板への侵入を阻止するように）、鋼板Ｍ１、Ｍ２に渦電流が流れることになる。斯かる渦電流の大きさは、高周波磁場の周波数（高周波電源１４から電磁石１１に供給される高周波電流の周波数）ｆと、鋼板Ｍ１、Ｍ２の透磁率μ及び導電率σとに依存する。
【００２０】
ここで、電極２ａ、２ｂ間に通電することにより、電極間に位置するスポット溶接部Ｓ（特に、ナゲット部Ｎ及びその近傍）の温度が上昇すると、温度が上昇した部分の導電率σは低下することになる。ただし、鋼板の導電率σは、温度が１０００℃に上昇したとしても、常温での数分の１乃至十分の１程度にしか低下しない。
【００２１】
一方、透磁率μについては、鋼板Ｍ１、Ｍ２が常温では強磁性体であるものの、磁気変態点（７８０℃近傍）以上の温度では非磁性体となるため、磁気変態点以上の温度上昇に伴い常温での数百分の１程度に大きく低下することになる。
【００２２】
電極２ａ、２ｂ間に通電することによって生ずるナゲット部Ｎの生成過程において、ナゲット部Ｎ及びその近傍は磁気変態点以上の温度に上昇し、導電率σ及び透磁率μの双方が低下して渦電流を減少させる方向に作用することになる。特に、上記のように磁気変態点を境として急激に低下する透磁率μの方が渦電流減少への寄与は大きい。
【００２３】
渦電流が急激に減少すると、電磁石１１によって発生した高周波磁場の鋼板Ｍ１、Ｍ２への侵入が顕著となる結果、鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁場が増大し、検出コイル１２に誘起される誘起電圧も増大することになる。
【００２４】
磁場が透過する鋼板Ｍ１、Ｍ２の領域の内、渦電流減少（ひいては誘起電圧増大）の主要因となる透磁率μが低下する領域は、磁気変態点以上の温度になったナゲット部Ｎ及びその近傍であるため、鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁場の大小（検出コイル１２に誘起される誘起電圧の大小）は、ナゲット部Ｎの体積（ナゲット部Ｎの径及び厚みの双方）に強く依存することになる。従って、検出コイル１２に誘起される誘起電圧の挙動を観察すれば、逆にナゲット部Ｎの寸法（径及び厚み）を推定することが可能であると考えられる。
【００２５】
図２は、溶接前後（電極２ａ、２ｂ間の通電前後）における、スポット溶接部Ｓを含む鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁場Ｈｔの変化の様子を模式的に示す図である。なお、斯かる透過磁場Ｈｔの変化の様子は、検出コイル１２に誘起される誘起電圧の変化に相当する。
【００２６】
図２に示すように、通電開始（図２においてＡで示す時点）と共に、ナゲット部Ｎ及びその近傍の温度は上昇し、磁気変態点以上の温度になれば、透過磁場Ｈｔが急激に増大する。この際、透過磁場Ｈｔの増分（図２のΔＨｔ）は、ナゲット部Ｎを含む磁気変態点以上の温度になった領域の体積に比例することになる。
【００２７】
その後、通電が終了（図２においてＢで示す時点）すると、スポット溶接部Ｓの冷却が始まり、磁気変態点以下の領域が増加するに従って急激に透過磁場Ｈｔが低下することになる。ここで、通電が終了した後、先にナゲット部Ｎが凝固してから冷却が始まると考えられるため、ナゲット部Ｎの寸法（体積）に応じて、スポット溶接部Ｓの全ての領域が磁気変態点以下の温度になるまでに一定の時間（図２のΔｔ）を要することになる。つまり、ナゲット部Ｎの寸法が大きければ、全ての領域が磁気変態点以下の温度になるまでの時間が長くなると考えられる。
【００２８】
以上より、ナゲット部Ｎの寸法の良否判定には、透過磁場の増分ΔＨｔ、或いは、通電終了後にスポット溶接部Ｓの全ての領域が磁気変態点以下の温度となるまでの時間Δｔを用いることができると考えられるが、本実施形態では、以下に示す（１）及び（２）の理由により、Δｔを用いる構成を採用している。
【００２９】
（１）ΔＨｔは、前述のように、ナゲット部Ｎを含む磁気変態点以上の温度になった領域の体積に比例する。ここで、スポット溶接を繰り返すことによって、電極２ａ、２ｂの先端部が消耗する（鋼板Ｍ１、Ｍ２に接触する先端部の面積が大きくなる）ことが知られている。電極２ａ、２ｂの先端部が消耗すると、電極２ａ、２ｂ間に通電する電流密度が低下する（鋼板Ｍ１、Ｍ２において通電する領域が拡がる）ため、ナゲット部Ｎの寸法が一定であったとしても、磁気変態点以上の温度になる領域が増大し、ΔＨｔの大小のみでナゲット部Ｎの寸法を判定したのでは誤差を生ずることになってしまう。
【００３０】
（２）一方、Δｔは、ナゲット部Ｎが溶融凝固した後、磁気変態点以下の温度になるまでの時間に相当するため、上記のようなスポット溶接部Ｓの昇温・溶融過程（電極２ａ、２ｂ間の通電過程）に依存せず、電極２ａ、２ｂの消耗等の影響はΔＨｔに比較して少ないことになる。
【００３１】
以上の理由により、本実施形態に係る検査装置１は、Δｔを用いてナゲット部Ｎの寸法の良否判定を行う構成を採用しており、これにより精度の良い検査を実現している。具体的には、検出コイル１２に誘起される誘起電圧が通電を終了してから所定値に降下するまでの時間（当該時間が上記Δｔに相当する）を判定回路１３において測定し、当該時間の大小によってナゲット部Ｎの寸法の良否判定を行っている。より詳細に説明すれば、誘起電圧と予め設定した所定のしきい値とを比較して、通電を終了してから誘起電圧が前記しきい値以下となるまでの時間を計数し、当該計数した時間と予め設定した良否基準の時間とを比較することによりナゲット部Ｎの寸法の良否判定（スポット溶接部Ｓの良否判定）を行っている。
【００３２】
図３は、本実施形態に係る検査装置１によって測定したΔｔとナゲット部Ｎの寸法との関係の一例を示すグラフである。より具体的には、Δｔに相当すると考えられる検出コイル１２に誘起される誘起電圧が通電を終了してから所定値（通電開始前と略同等の値）に降下するまでの時間と、ナゲット部Ｎの寸法（破壊検査によって実測したナゲット部Ｎの径と厚みとの積）との関係の一例を示すグラフである。図３に示すように、Δｔとナゲット部Ｎの寸法とは正の相関関係を有するため、前記時間の大小によってナゲット部Ｎの寸法の良否判定を行うことが可能である。
【００３３】
以上に説明したように、本実施形態に係るスポット溶接部検査装置１によれば、鋼板Ｍ１、Ｍ２をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部Ｓの良否を溶接工程において（より具体的には、通電終了直後に）精度良く検査することができる。従って、自動車の車体のように極めて多数のスポット溶接部Ｓが存在する場合であっても、その全数を精度良く検査することが可能であり、信頼性の高い検査が実現されるという優れた効果を奏する。
【００３４】
なお、本実施形態に係る検査装置１は、透過磁場（透過磁束）を検出コイル１２によって検出する構成であるため、特に検査対象となるスポット溶接部Ｓが鋼板Ｍ１、Ｍ２の端面近傍に存在する場合には、鋼板の端面を回り込む磁束が発生し、これに起因した誤差が生じることになる。従って、斯かる鋼板端面における磁束の回り込みの影響を抑制するには、透過磁束が閉磁路となるような電磁石１１及び検出コイル１２の構造を採用するのが好ましい。
【００３５】
より具体的には、図４に一例を示すように、電磁石１１を電磁石巻線１１１を巻回した継鉄部１１２を具備するように構成すると共に、検出コイル１２を検出コイル巻線１２１を巻回した継鉄部１２２を具備するように構成し、各継鉄部１１２、１２２が鋼板Ｍ１、Ｍ２を挟んで閉磁路が形成されるような形状とすればよい。なお、図４において、（ａ）は正面図を、（ｂ）は側面図を示す。斯かる構成により、電磁石１１によって発生した磁場（磁束）は、主として継鉄部１１２、鋼板Ｍ１、Ｍ２、継鉄部１２２からなる閉磁路を辿り、検出コイル巻線１２１で検出されることになるため、鋼板端面での磁束の回り込みを極小にすることが可能である。なお、継鉄部１１２、１２２は、例えばフェライト材から形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、溶接前後における、スポット溶接部を含む鋼板を透過する磁場の変化の様子を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置によって測定したΔｔとナゲット部の寸法との関係の一例を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置が備える電磁石及び検出コイルの構成例を概略的に示す模式図である。
【図５】図５は、スポット溶接部Ｓに生成されるナゲット部の各種形態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・スポット溶接部検査装置
２ａ，２ｂ・・・電極
１１・・・電磁石
１２・・・検出コイル
１３・・・判定回路
１４・・・高周波電源
１５・・・フィルタ回路
１６・・・増幅器
１７・・・検波器
Ｍ１，Ｍ２・・・鋼板
Ｓ・・・スポット溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部の良否を検査する装置に関し、特に、スポット溶接部の良否を溶接工程において効率良く且つ精度良く検査することが可能な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポット溶接は、重ね合わせた鋼板を一対の電極で挟み込み、当該一対の電極間に通電することによって生じる発熱により前記一対の電極間に位置する鋼板の一部を溶融させると共に、前記電極で鋼板を押圧することによって局部的に溶接する（以下、局部的に溶接された鋼板の部分をスポット溶接部という）方法である。斯かる鋼板のスポット溶接は、例えば、自動車の車体製造に必要不可欠な接合方法として広く用いられている。
【０００３】
従来、スポット溶接部の良否（スポット溶接部の接合強度が十分であるか否か）を検査する方法として、所謂タガネ検査や引き剥がし検査などの破壊検査が実施されている。しかしながら、破壊検査は、そもそもスポット溶接された鋼板を適宜抜き取って実施するものであるため、全ての鋼板について検査を実施することは不可能である。さらに、例えば自動車の車体製造に際しては、１車輌当たり数千点のスポット溶接が施されていることから、これら全てのスポット溶接部を破壊検査することは検査効率の点で実用的ではなく、抜き取った鋼板（車体）についてのさらに適宜選択したスポット溶接部に対してのみ破壊検査を実施しているのが実情である。従って、検査の信頼性が必ずしも十分とは言い難いという問題がある。
【０００４】
上記問題を解決するには、スポット溶接部を非破壊的に検査することが有効であると考えられる。ここで、スポット溶接部の接合強度は、溶接によって鋼板が溶融凝固する部分（ナゲット部という）の寸法によって評価できることが知られている。換言すれば、スポット溶接部の良否は、ナゲット部の寸法（径及び厚み）によって評価できることが知られている。図５は、重ね合わせられた鋼板Ｍ１、Ｍ２のスポット溶接部Ｓに生成されるナゲット部の各種形態を模式的に示す図である。図５（ａ）に示すように、ナゲット部Ｎ１の径が小さければ、或いは、図５（ｂ）に示すように、ナゲット部Ｎ２の厚みが小さければ、スポット溶接部Ｓは不良であると判断できる一方、図５（ｃ）に示すように、ナゲット部Ｎ３の径も厚みも十分であれば、スポット溶接部Ｓは正常であると判断することができる。
【０００５】
斯かるナゲット部の寸法を非破壊的に検査する方法としては、スポット溶接が終了した後にスポット溶接部に磁場を作用させ、当該スポット溶接部の磁気特性変化からナゲット部の寸法を推定する方法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。また、スポット溶接部への超音波の伝搬状態からナゲット部の寸法を推定する方法（例えば、特許文献２、３、４参照）も提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１〜４に記載のいずれの方法も、スポット溶接が完了した後に別工程で検査を実施する方法であり、検出センサ等をスポット溶接部に正確に位置決めして検査する必要がある。従って、自動車の車体のように数千点にも及ぶスポット溶接部の全数を検査するには、検査効率が極めて悪いという問題がある。
【０００７】
一方、スポット溶接部の全数を検査する方法として、スポット溶接中における電極間の電気抵抗の変化を測定し、ナゲット部の生成に伴う前記電気抵抗の変化に基づきナゲット部寸法の良否を判定する試みも報告されている。しかしながら、スポット溶接を繰り返す内に電極の先端が摩耗しその抵抗が逐次変化することや、近接するスポット溶接部に電流が分流することを考慮しなければならないため、ナゲット部の寸法の良否を精度良く判定することは極めて困難である。また、電極間の電気抵抗は、ナゲット部の径の変化には強く依存するものの、ナゲット部の厚みの変化にはほとんど依存しないため、図５（ｂ）に示す形態のナゲット部と、図５（ｃ）に示す形態のナゲット部とを識別できないという問題がある。すなわち、ナゲット部の厚みが小さい場合であっても正常であると判断される可能性がある。
【特許文献１】特許第３０９８１９３号公報
【特許文献２】特許第２８４９２０５号公報
【特許文献３】特許第２７７２８９５号公報
【特許文献４】特許第２５９６０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、鋼板をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部の良否を効率良く且つ精度良く検査することが可能な装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するべく、本発明は、重ね合わせられた鋼板を挟んで対向配置された一対の電極間に通電することにより形成されるスポット溶接部を検査する装置であって、前記スポット溶接部に向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極近傍に配置された電磁石と、前記電磁石によって発生し前記スポット溶接部を透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極近傍に配置された検出コイルと、前記検出コイルに誘起される誘起電圧が前記一対の電極間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する手段とを備えることを特徴とするスポット溶接部検査装置を提供するものである。
【００１０】
好ましくは、前記電磁石及び前記検出コイルは、鋼板を挟んで閉磁路が形成されるような形状とされた継鉄部をそれぞれ具備するように構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るスポット溶接部検査装置によれば、鋼板をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部の良否を溶接工程において精度良く検査することができるため、スポット溶接部の全数を精度良く検査することが可能であり、信頼性の高い検査が実現されるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係るスポット溶接部検査装置（以下、適宜検査装置という）１は、重ね合わせられた鋼板Ｍ１、Ｍ２を挟んで対向配置された一対の電極２ａ、２ｂ間に通電することにより形成されるスポット溶接部Ｓ（より具体的にはナゲット部Ｎ）を検査する装置である。
【００１３】
検査装置１は、スポット溶接部Ｓに向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極２ａ近傍に配置された電磁石１１と、電磁石１１によって発生しスポット溶接部Ｓを透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極２ｂ近傍に配置された検出コイル１２と、検出コイル１２に誘起される誘起電圧が一対の電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する手段としての判定回路１３とを備えている。
【００１４】
また、本実施形態に係る検査装置１は、高周波電源１４と、フィルタ回路１５と、増幅器１６と、検波器１７とを備えている。
【００１５】
高周波電源１４は、電磁石１１に高周波電流を供給するものであり、これにより電磁石１１は高周波磁場を発生することになる。なお、高周波電源１４から供給する高周波電流の周波数としては、後述する渦電流の影響を考慮すれば１０ｋＨｚ以上にするのが好ましい。
【００１６】
電磁石１１によって発生し、スポット溶接部Ｓを含む鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過した高周波磁場は、電磁誘導によって検出コイル１２に高周波電圧を誘起することになる。フィルタ回路１５は、検出コイル１２に誘起される前記誘起電圧からノイズを除去するために設けられている。より具体的に説明すれば、検出コイル１２に誘起される誘起電圧には、電極２ａ、２ｂに通電する電流の周波数成分や、雑音に起因する周波数成分も含まれるため、フィルタ回路１５によって、高周波電源１４から電磁石１１に供給される高周波電流と同一の周波数成分のみを抽出するように構成されている。
【００１７】
フィルタ回路１５によってノイズを除去された誘起電圧は、増幅器１６によって所定の電圧増幅を施された後、同期検波器等からなる検波器１７において振幅や位相成分が検出される。判定回路１３は、検波器１７によって検出された誘起電圧の振幅や位相成分に基づき、電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから誘起電圧が所定値に降下するまでの時間を測定し、当該測定した時間の大小に応じてスポット溶接部Ｓの良否（より具体的にはナゲット部Ｎの寸法の良否）を判定するように構成されている。
【００１８】
以下、電極２ａ、２ｂ間の通電を終了してから誘起電圧が所定値に降下するまでの時間の大小に応じてスポット溶接部Ｓの良否（ナゲット部Ｎの寸法の良否）を判定できる理由について説明する。
【００１９】
一般に、鋼板に高周波磁場を作用させると、当該高周波磁場を打ち消すように、鋼板に渦電流が流れることは周知の事実である。本実施形態に係る検査装置１の場合も、電磁石１１によって発生した高周波磁場を打ち消すように（鋼板への侵入を阻止するように）、鋼板Ｍ１、Ｍ２に渦電流が流れることになる。斯かる渦電流の大きさは、高周波磁場の周波数（高周波電源１４から電磁石１１に供給される高周波電流の周波数）ｆと、鋼板Ｍ１、Ｍ２の透磁率μ及び導電率σとに依存する。
【００２０】
ここで、電極２ａ、２ｂ間に通電することにより、電極間に位置するスポット溶接部Ｓ（特に、ナゲット部Ｎ及びその近傍）の温度が上昇すると、温度が上昇した部分の導電率σは低下することになる。ただし、鋼板の導電率σは、温度が１０００℃に上昇したとしても、常温での数分の１乃至十分の１程度にしか低下しない。
【００２１】
一方、透磁率μについては、鋼板Ｍ１、Ｍ２が常温では強磁性体であるものの、磁気変態点（７８０℃近傍）以上の温度では非磁性体となるため、磁気変態点以上の温度上昇に伴い常温での数百分の１程度に大きく低下することになる。
【００２２】
電極２ａ、２ｂ間に通電することによって生ずるナゲット部Ｎの生成過程において、ナゲット部Ｎ及びその近傍は磁気変態点以上の温度に上昇し、導電率σ及び透磁率μの双方が低下して渦電流を減少させる方向に作用することになる。特に、上記のように磁気変態点を境として急激に低下する透磁率μの方が渦電流減少への寄与は大きい。
【００２３】
渦電流が急激に減少すると、電磁石１１によって発生した高周波磁場の鋼板Ｍ１、Ｍ２への侵入が顕著となる結果、鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁場が増大し、検出コイル１２に誘起される誘起電圧も増大することになる。
【００２４】
磁場が透過する鋼板Ｍ１、Ｍ２の領域の内、渦電流減少（ひいては誘起電圧増大）の主要因となる透磁率μが低下する領域は、磁気変態点以上の温度になったナゲット部Ｎ及びその近傍であるため、鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁場の大小（検出コイル１２に誘起される誘起電圧の大小）は、ナゲット部Ｎの体積（ナゲット部Ｎの径及び厚みの双方）に強く依存することになる。従って、検出コイル１２に誘起される誘起電圧の挙動を観察すれば、逆にナゲット部Ｎの寸法（径及び厚み）を推定することが可能であると考えられる。
【００２５】
図２は、溶接前後（電極２ａ、２ｂ間の通電前後）における、スポット溶接部Ｓを含む鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁場Ｈｔの変化の様子を模式的に示す図である。なお、斯かる透過磁場Ｈｔの変化の様子は、検出コイル１２に誘起される誘起電圧の変化に相当する。
【００２６】
図２に示すように、通電開始（図２においてＡで示す時点）と共に、ナゲット部Ｎ及びその近傍の温度は上昇し、磁気変態点以上の温度になれば、透過磁場Ｈｔが急激に増大する。この際、透過磁場Ｈｔの増分（図２のΔＨｔ）は、ナゲット部Ｎを含む磁気変態点以上の温度になった領域の体積に比例することになる。
【００２７】
その後、通電が終了（図２においてＢで示す時点）すると、スポット溶接部Ｓの冷却が始まり、磁気変態点以下の領域が増加するに従って急激に透過磁場Ｈｔが低下することになる。ここで、通電が終了した後、先にナゲット部Ｎが凝固してから冷却が始まると考えられるため、ナゲット部Ｎの寸法（体積）に応じて、スポット溶接部Ｓの全ての領域が磁気変態点以下の温度になるまでに一定の時間（図２のΔｔ）を要することになる。つまり、ナゲット部Ｎの寸法が大きければ、全ての領域が磁気変態点以下の温度になるまでの時間が長くなると考えられる。
【００２８】
以上より、ナゲット部Ｎの寸法の良否判定には、透過磁場の増分ΔＨｔ、或いは、通電終了後にスポット溶接部Ｓの全ての領域が磁気変態点以下の温度となるまでの時間Δｔを用いることができると考えられるが、本実施形態では、以下に示す（１）及び（２）の理由により、Δｔを用いる構成を採用している。
【００２９】
（１）ΔＨｔは、前述のように、ナゲット部Ｎを含む磁気変態点以上の温度になった領域の体積に比例する。ここで、スポット溶接を繰り返すことによって、電極２ａ、２ｂの先端部が消耗する（鋼板Ｍ１、Ｍ２に接触する先端部の面積が大きくなる）ことが知られている。電極２ａ、２ｂの先端部が消耗すると、電極２ａ、２ｂ間に通電する電流密度が低下する（鋼板Ｍ１、Ｍ２において通電する領域が拡がる）ため、ナゲット部Ｎの寸法が一定であったとしても、磁気変態点以上の温度になる領域が増大し、ΔＨｔの大小のみでナゲット部Ｎの寸法を判定したのでは誤差を生ずることになってしまう。
【００３０】
（２）一方、Δｔは、ナゲット部Ｎが溶融凝固した後、磁気変態点以下の温度になるまでの時間に相当するため、上記のようなスポット溶接部Ｓの昇温・溶融過程（電極２ａ、２ｂ間の通電過程）に依存せず、電極２ａ、２ｂの消耗等の影響はΔＨｔに比較して少ないことになる。
【００３１】
以上の理由により、本実施形態に係る検査装置１は、Δｔを用いてナゲット部Ｎの寸法の良否判定を行う構成を採用しており、これにより精度の良い検査を実現している。具体的には、検出コイル１２に誘起される誘起電圧が通電を終了してから所定値に降下するまでの時間（当該時間が上記Δｔに相当する）を判定回路１３において測定し、当該時間の大小によってナゲット部Ｎの寸法の良否判定を行っている。より詳細に説明すれば、誘起電圧と予め設定した所定のしきい値とを比較して、通電を終了してから誘起電圧が前記しきい値以下となるまでの時間を計数し、当該計数した時間と予め設定した良否基準の時間とを比較することによりナゲット部Ｎの寸法の良否判定（スポット溶接部Ｓの良否判定）を行っている。
【００３２】
図３は、本実施形態に係る検査装置１によって測定したΔｔとナゲット部Ｎの寸法との関係の一例を示すグラフである。より具体的には、Δｔに相当すると考えられる検出コイル１２に誘起される誘起電圧が通電を終了してから所定値（通電開始前と略同等の値）に降下するまでの時間と、ナゲット部Ｎの寸法（破壊検査によって実測したナゲット部Ｎの径と厚みとの積）との関係の一例を示すグラフである。図３に示すように、Δｔとナゲット部Ｎの寸法とは正の相関関係を有するため、前記時間の大小によってナゲット部Ｎの寸法の良否判定を行うことが可能である。
【００３３】
以上に説明したように、本実施形態に係るスポット溶接部検査装置１によれば、鋼板Ｍ１、Ｍ２をスポット溶接することによって形成されるスポット溶接部Ｓの良否を溶接工程において（より具体的には、通電終了直後に）精度良く検査することができる。従って、自動車の車体のように極めて多数のスポット溶接部Ｓが存在する場合であっても、その全数を精度良く検査することが可能であり、信頼性の高い検査が実現されるという優れた効果を奏する。
【００３４】
なお、本実施形態に係る検査装置１は、透過磁場（透過磁束）を検出コイル１２によって検出する構成であるため、特に検査対象となるスポット溶接部Ｓが鋼板Ｍ１、Ｍ２の端面近傍に存在する場合には、鋼板の端面を回り込む磁束が発生し、これに起因した誤差が生じることになる。従って、斯かる鋼板端面における磁束の回り込みの影響を抑制するには、透過磁束が閉磁路となるような電磁石１１及び検出コイル１２の構造を採用するのが好ましい。
【００３５】
より具体的には、図４に一例を示すように、電磁石１１を電磁石巻線１１１を巻回した継鉄部１１２を具備するように構成すると共に、検出コイル１２を検出コイル巻線１２１を巻回した継鉄部１２２を具備するように構成し、各継鉄部１１２、１２２が鋼板Ｍ１、Ｍ２を挟んで閉磁路が形成されるような形状とすればよい。なお、図４において、（ａ）は正面図を、（ｂ）は側面図を示す。斯かる構成により、電磁石１１によって発生した磁場（磁束）は、主として継鉄部１１２、鋼板Ｍ１、Ｍ２、継鉄部１２２からなる閉磁路を辿り、検出コイル巻線１２１で検出されることになるため、鋼板端面での磁束の回り込みを極小にすることが可能である。なお、継鉄部１１２、１２２は、例えばフェライト材から形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、溶接前後における、スポット溶接部を含む鋼板を透過する磁場の変化の様子を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置によって測定したΔｔとナゲット部の寸法との関係の一例を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接部検査装置が備える電磁石及び検出コイルの構成例を概略的に示す模式図である。
【図５】図５は、スポット溶接部Ｓに生成されるナゲット部の各種形態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・スポット溶接部検査装置
２ａ，２ｂ・・・電極
１１・・・電磁石
１２・・・検出コイル
１３・・・判定回路
１４・・・高周波電源
１５・・・フィルタ回路
１６・・・増幅器
１７・・・検波器
Ｍ１，Ｍ２・・・鋼板
Ｓ・・・スポット溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わせられた鋼板を挟んで対向配置された一対の電極間に通電することにより形成されるスポット溶接部を検査する装置であって、
前記スポット溶接部に向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極近傍に配置された電磁石と、
前記電磁石によって発生し前記スポット溶接部を透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極近傍に配置された検出コイルと、
前記検出コイルに誘起される誘起電圧が前記一対の電極間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する手段と
を備えることを特徴とするスポット溶接部検査装置。
【請求項２】
前記電磁石及び前記検出コイルは、鋼板を挟んで閉磁路が形成されるような形状とされた継鉄部をそれぞれ具備することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部検査装置。
【請求項１】
重ね合わせられた鋼板を挟んで対向配置された一対の電極間に通電することにより形成されるスポット溶接部を検査する装置であって、
前記スポット溶接部に向けて高周波磁場を発生し得るように一方の電極近傍に配置された電磁石と、
前記電磁石によって発生し前記スポット溶接部を透過する高周波磁場を検出し得るように他方の電極近傍に配置された検出コイルと、
前記検出コイルに誘起される誘起電圧が前記一対の電極間の通電を終了してから所定値に降下するまでの時間を測定する手段と
を備えることを特徴とするスポット溶接部検査装置。
【請求項２】
前記電磁石及び前記検出コイルは、鋼板を挟んで閉磁路が形成されるような形状とされた継鉄部をそれぞれ具備することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２９８８２（Ｐ２００６−２９８８２Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０６６９４（Ｐ２００４−２０６６９４）
【出願日】平成１６年７月１４日（２００４．７．１４）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（５９２２４４３７６）住友金属テクノロジー株式会社 (43)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１４日（２００４．７．１４）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（５９２２４４３７６）住友金属テクノロジー株式会社 (43)
【Ｆターム（参考）】
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