超音波によるスポット溶接部の評価方法及び装置
【課題】短時間に限られる測定であっても、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置のずれや、超音波探触子と金属板との接触状態に影響されずに、信頼性高くスポット溶接部の健全性を評価する。
【解決手段】スポット溶接部２の外側の金属板（１ａ、１ｂ）の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、受波された超音波の形態（伝達時間や振幅）を基準と比較することにより、スポット溶接部の健全性を評価する。
【解決手段】スポット溶接部２の外側の金属板（１ａ、１ｂ）の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、受波された超音波の形態（伝達時間や振幅）を基準と比較することにより、スポット溶接部の健全性を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接によって形成される溶融部（ナゲット）の直径を、超音波を利用した非破壊手段にて検査する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば自動車ボディの製造工場などにおいては、スポット溶接部の検査を現場で高能率に行えるようにするため、簡便に実施可能なスポット溶接検査方法が待望されている。
【０００３】
自動車のボディは、数千点にも及ぶスポット溶接によって組立てられており、スポット溶接の良否が車体の強度や耐久性に直接影響を及ぼすため、スポット溶接が適切に行われているか否かを検査することは極めて重要である。従来、このようなスポット溶接部の検査方法として、スポット溶接された金属板の間へタガネを差込み、スポット溶接部が剥離するか否かを確認することにより良否を判定するタガネ検査が行われている。しかし、タガネ検査を行うとスポット溶接部が割れる場合があるので、タガネ検査によってはスポット溶接の良否を正確に判定することが困難である。また、タガネ検査によって破壊されたスポット溶接部を製品へ利用することは不可能であるため、コストが高くつく問題がある。
【０００４】
そこで、近年、超音波を用いてスポット溶接部の良否を非破壊で検査する装置及び方法が種々提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１〜４には、２枚の板を重ねて溶接され製作されるスポット溶接部の良否評価のために、板面に垂直に超音波を入射させて反射波を検出する方法や装置が開示されている。又、特許文献５には、被検体を介してその上下に１組の局部水浸探触子を対向に配置して被検体を水平方向に移動させることにより、送信側局部水浸探触子から送信される超音波ビームにより被検体のスポット溶接部を走査し、受信側局部水浸探触子により受信された信号からスポット溶接部中の傷の有無を判定する超音波探傷装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４６９２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３１２９７号公報
【特許文献３】特開平１１−２６２７号公報
【特許文献４】特開平６−２６５５２９号公報
【特許文献５】特開昭６２−５２４５６号公報
【特許文献６】特開２００４−１６３２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、これらの先行技術では、平板状の被検体に対して垂直方向に超音波を送受信する。よって、図２２に例示する被検体のスポット溶接部１０２に形成されるくぼみ１０２ｂの周囲に形成される傾斜面１０２ｃにおいて、超音波ビームを効率よく被検体内に入射させることができないため、スポット溶接部１０２に形成されるナゲット１０２ａの大きさを高精度に検出することが難しいという問題がある。
【０００８】
即ち、図２２に示すように、上板１０１ａと下板１０１ｂを重ねてスポット溶接すると、スポット溶接部１０２には、上板１０１ａと下板１０１ｂの接合部に「ナゲット」と呼ばれる溶融凝固組織１０２ａが形成される。又、スポット溶接では、図示しない電極チップによって上板１０１ａ及び下板１０１ｂが強圧されるので、上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面には、電極チップの先端部の形状に相当するくぼみ１０２ｂが形成される。更に、当該くぼみ１０２ｂの底面と上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面との間には、円錐状の傾斜面１０２ｃが形成される。溶接が正常に行われた場合、前記ナゲット１０２ａの直径は、溶接に使用される電極チップの直径よりもやや大きいか同等程度になり、くぼみ１０２ｂの内径は、電極チップの先端部の形状が面取りを有する円柱形に形成されていることから、電極チップの円柱部の直径よりもやや小さくなる。従って、くぼみ１０２ｂの内径は、ナゲット１０２ａの径よりもやや小さくなるのが通常である。溶接が正常に行われなかった場合には、ナゲット径が正常に溶接が行われた場合に比べて小さくなり、強度不足等の異常が発生する。なお、図中の符号Ｓは、ナゲット１０２ａの止端を示している。
【０００９】
このように、スポット溶接部１０２には、くぼみ１０２ｂの底面と上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面との間に円錐状の傾斜面１０２ｃが形成されるので、前記先行技術に係る超音波検査装置のように、超音波ビームを被検体である上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面に対して垂直方向に送受信して検査すると、超音波が傾斜面１０２ｃにおいて反射され、被検体の内部に殆ど伝搬しないため、検査部位からの信号が殆ど得られない。前述のように、ナゲット１０２ａの大きさは、電極チップの直径よりもやや大きいか同等程度の直径になるので、ナゲット１０２ａの止端Ｓと被検体に形成される傾斜面１０２ｃとは殆ど重なりあっている。従って、超音波が傾斜面１０２ｃにおいて反射されると、ナゲット止端Ｓの近辺からの正確な信号が得られにくくなり、正確なナゲット直径の判定及び欠陥の有無の判定をすることが困難になる。
【００１０】
本願発明者の一部は既に特許文献６において、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、スポット溶接部の外側の金属板にスポット溶接部の溶接金属に向けてＬａｍｂ波を励起し、Ｌａｍｂ波を溶接金属に透過させ、透過後Ｌａｍｂ波を受信することにより、スポット溶接部の健全性を評価することを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法を提案した。この技術によって、スポット溶接部に生成されるくぼみの周囲に形成される傾斜面の影響を受けずにスポット溶接部の評価を行なうことに成功した。しかし、特許文献６では、２つのＬａｍｂ波探触子をスポット溶接部を挟んで向かい合わせて配置するに際し、２つのＬａｍｂ波探触子とスポット溶接部との位置関係が所定の位置関係からずれると、Ｌａｍｂ波の伝搬経路がスポット溶接部の中心からずれるため、正しくスポット溶接部の健全性を評価できないことがあると判明した。上記問題は、２つのＬａｍｂ波探触子とスポット溶接部との位置関係は目視により確認するしか手段がないことに起因している。
【００１１】
ここにいうＬａｍｂ波（Lamb wave）とは、板波（plate wave）とも称され、薄板（金属板、非金属板のいずれでもよい）へ超音波を特定の入射角で斜めに入射させた場合に発生する。入射波の屈折によって薄板中に生成された斜め進行する縦波や横波が薄板の表面および裏面においてモード変換を伴う反射を繰り返しながら伝搬して干渉する結果、薄板が板厚中心に関して対称、あるいは非対称に変位する進行波が生成される。この進行波がＬａｍｂ波である（Joseph L. Rose、 Ultrasonic waves in solid media、 pp.101-126、 Cambridge Univ Press、 Cambridge、 1999を参照）。なお、Ｌａｍｂ波探触子とは、薄板へＬａｍｂ波を励起するために、特定の入射角で超音波を薄板へ入射させることができる超音波探触子である。また、この探触子をＬａｍｂ波の受波に用いることが可能である。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであって、その課題とするところは、短時間（例えば、１点当たり５秒以内）に限られる測定であっても、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置とのずれに影響されずに、信頼性高くスポット溶接部の健全性（ナゲットの有無、ナゲット径、溶接割れ）を評価することにある。また、スポット溶接部のナゲットの大きさを視覚的にとらえやすい表示を行うことにより、ナゲットの大きさの判別を行いやすいようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路によって囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１４】
本発明は、又、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、基準と比較する受波超音波の形態を伝達時間及び／又は振幅としたものである。
【００１６】
本発明は、又、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、前記複数の送波位置と前記複数の受波とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態と基準とを比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路に囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出する手段と、を備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１７】
本発明は、又、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出する手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１８】
又、基準と比較する受波超音波の形態を伝達時間及び／又は振幅としたものである。
【００１９】
又、複数の送波位置から複数方向へ向けて被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段を、振動子アレイを備えた超音波探触子としたものである。
【００２０】
又、複数の受波位置において超音波を受波する手段を、振動子アレイを備えた超音波探触子としたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、スポット溶接部に形成されるくぼみの周囲に形成される傾斜面の影響を受けずに、正確に非破壊でスポット溶接部の評価を行なうことが可能になると共に、測定時間が、短時間に限られる測定であっても、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置のずれに影響されずに、信頼性高くスポット溶接部の健全性を評価することが可能になる。また、スポット溶接部のナゲットの大きさを視覚的にとらえやすいので、ナゲットの大きさの判別を行いやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
以下、２枚の金属板が接合されてなるスポット溶接部の評価を例にとり説明する。２枚の金属板の上側の板を上板、下側の板を下板と称する。本発明では、図１に示すとおり、振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０と振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０とを、上板１ａ上のスポット溶接部２を挟んだ位置に向かい合わせて当接させる。超音波探触子１０及び超音波探触子２０と上板１ａとの間には適当な接触媒質を介在させる。
【００２４】
振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０を用いて、複数の位置から上板１ａに超音波を送波する。超音波探触子１０は、樹脂くさび１２に振動子アレイ１１が貼り付けられた構造を有しており、振動子アレイ１１から送波された超音波が斜めに上板１ａへ入射する。前記斜めに入射した超音波によって、図２に示す如く、上板１ａの中に上板１ａ表面に対して斜めに進行する超音波が送波される。該斜め進行する超音波は、縦波および横波を含み、上板１ａの底面及び表面において反射やモード変換を繰り返しながら、上板１ａ中を伝搬する。図２において実線は横波であり、破線は縦波である。超音波の上板１ａへの入射角が適当な値の場合には、上記反射を繰り返して伝搬する超音波は、Ｌａｍｂ波と呼ばれる波動になる。伝搬してきた超音波は、振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０によって受波される。超音波探触子２０は、樹脂くさび２２に振動子アレイ２１が貼り付けられた構造を有している。
【００２５】
振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０と振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０とによって、図３に示す平面経路（金属板の上面からみた経路）を伝搬した超音波を受信することができる。超音波探触子１０の振動子アレイ１１の個々の振動子を１１１〜１１Ｎと表し、超音波探触子２０の振動子アレイ２１の個々の振動子を２１１〜２１Ｎと表すことにする。Ｎとしては例えば４、８、１６、３２などの個数を用いる。図３はＮが１６の場合である。振動子アレイの振動子１１１〜１１Ｎから送波される超音波には空間的に広がりがあるので、振動子１１１〜１１Ｎから図３に示した平面経路をとる超音波を送波することができる。
【００２６】
超音波探触子１０の振動子１１１から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波する。次に、超音波探触子１０の振動子１１２から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波する。この過程を、超音波探触子１０の振動子１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波するまで、送波を行う振動子１１ｎ（ｎ＝１、２、‥、Ｎ）を順次変更して行う。この結果、複数位置から送波され複数の方向へ伝搬する超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波することができる。
【００２７】
スポット溶接部２に生成されるナゲット２ａは、図４に示すとおり、ほぼ板厚方向に平行な方向性を有する溶融凝固組織２ｂとなっている。この溶融凝固組織２ｂはデンドライト組織とも呼ばれ、一方向へ延びた粗い結晶の集まりであるため、金属板の金属組織に比べ、超音波の伝達が悪い（減衰が大きい）性質を持っている。よって、図３に示した経路を伝搬する超音波は、その経路に溶融凝固組織２ｂが含まれる場合、伝搬経路に存在する溶融凝固組織２ｂの長さに応じた減衰を受ける結果、その振幅が低下して超音波探触子２０に受波される。
【００２８】
また、溶融凝固組織２ｂは、この中を超音波が伝搬する速度が金属板の金属組織とは若干異なる性質を持っている。溶融凝固組織２ｂでは、図４に示すミクロ金属組織の模式図のように金属結晶の特定の方位（図４に破線の矢印を用いて示す）が板厚（ｚ）方向にほぼ揃っているため、該組織は弾性的な異方性を持っている。従って、超音波は、その伝搬する方向に依存して伝搬速度が変化する。これに対して、金属板の金属組織では金属結晶がランダムな方向に向いているため、超音波の伝搬速度はその伝搬方向に依存せず、一定の値となる。以上、説明したことによって、被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝搬速度は、伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含む場合と伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まない場合（金属板の金属組織のみを伝搬）との間で異なるのが一般的である。従って、被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂがあった場合には、溶融凝固組織２ｂの板表面に平行な長さに応じて伝達に要する時間が変化する。よって、図３に示した経路を伝搬する超音波は、その経路に溶融凝固組織２ｂが含まれる場合、伝搬経路に存在する溶融凝固組織２ｂの長さに応じて伝達に要する時間（以下、伝達時間）が変化した後、超音波探触子２０に受波される。なお、伝達時間は透過時間とも呼ばれる。
【００２９】
以下、本発明の第１実施形態を説明する。
【００３０】
図５は、板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行ったサンプルに、前記したように超音波探触子１０及び超音波探触子２０をスポット溶接部２を挟んで向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した後、受波超音波の形態を基準と比較し、前記受波超音波の形態が基準と異ならない受波超音波の伝搬経路を実線を用いて示した結果である。ここで、Ｎは１６とし、受波超音波の形態としてはその振幅を用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した場合の受波超音波の振幅を基準として用いた。図５に示されている実線は溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路であるから、交錯した実線に囲まれた内側の領域に溶融凝固組織２ｂが存在する。また、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さが板表面に垂直な方向から見たときの溶融凝固組織２ｂの大きさ、即ち、ナゲット径に比例する。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
【００３２】
図６は板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行ったサンプルに、前記したように超音波探触子１０及び超音波探触子２０をスポット溶接部２を挟んで向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した後、受波超音波の形態を基準と比較し、前記受波超音波の形態が基準と異ならない受波超音波の伝搬経路を実線を用いて示した結果である。ここで、Ｎは１６とし、受波超音波の形態としてはその伝達時間を用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した場合の受波超音波の伝達時間を基準として用いた。図６に示されている実線は溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路であるから、交錯した実線に囲まれた内側の領域に溶融凝固組織２ｂが存在する。また、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さが板表面に垂直な方向から見たときの溶融凝固組織２ｂの大きさ、即ち、ナゲット径に比例する。
【００３３】
図７は第２実施形態を実施するための装置の一例を示している。この装置は、超音波の送波に用いられる振動子アレイ１１１〜１１１６を備えた超音波探触子１０及び超音波の受波に用いられる振動子アレイ２１１〜２１１６を備えた超音波探触子２０、前記振動子アレイ１１１〜１１１６の振動子から超音波を送波するのに用いられる電気パルスを供給し、又、前記振動子アレイ２１１〜２１１６が受波した超音波の信号を増幅する超音波送受信器３０、該超音波送受信器３０と振動子アレイ１１１〜１１１６との間に介在して、振動子アレイ１１１〜１１１６の各振動子と超音波送受信器３０との接続を切り替えるスイッチ回路２５、前記超音波送受信器３０と振動子アレイ２１１〜２１１６との間に介在して、振動子アレイ２１１〜２１１６の各振動子と超音波送受信器３０との接続を切り替えるスイッチ回路２６、前記超音波送受信器３０によって増幅された信号のうち被検体の表面沿いに伝搬する超音波による信号を取り出すゲート手段３１、該ゲート手段３１によって取り出された受波超音波の信号から超音波の伝達時間を検出する時間計測手段３２によって構成されている。なお、超音波送受信器３０によって増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェアによって、ディジタル化された信号から被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝達時間を検出するようにゲート手段３１および時間計測手段３２を構成することもできる。
【実施例１】
【００３４】
図７に示した第２実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の伝達時間を基準（基準伝達時間）として用いた。受波超音波の伝達時間と基準伝達時間とを比較し、（｜受波超音波の伝達時間−基準伝達時間｜／基準伝達時間）がしきい値（本例では０．５％）以下である場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まないと判定するようにした。ナゲット径の測定では、図５と同様に、振動子アレイ１１１〜１１１６と振動子アレイ２１１〜２１１６との超音波伝搬経路のうち、溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路を求め、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さを求めた。一例を図８に示す。また、溶融凝固組織２ｂの存在をわかりやすく表示するため、図９に示す２次元表示を行った。図９では、超音波探触子１０と超音波探触子２０との間の２次元領域を所定の微小要素（図９では０．２ｍｍ×０．２ｍｍの大きさ）に分割し、溶融凝固組織２ｂを含まないと判定された経路上の要素を白色で表示するようにした。図９は図８に示した例の２次元表示である。
【００３５】
図７に示した第２実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図１０に示す。図１０では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図１０によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００３６】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。本実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。さらに、また、図９の表示によれば、超音波探触子１０および超音波探触子２０とナゲットとの位置関係をはっきり把握できるため、作業者が安心して測定作業をおこなうことができる。
【００３７】
図１１は第１実施形態を実施するための装置の例を示している。以下、図７と共通する部分は説明を省略する。この装置は、ゲート手段３１によって取り出された受波超音波の信号から超音波の振幅を検出するピーク値検出手段３３を用いる点が図７の装置とは異なる。なお、超音波送受信器３０によって増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェアによって、ディジタル化された信号から被検体の表面沿いに伝搬する超音波の振幅を検出するようにゲート手段３１およびピーク値検出手段３３を構成することもできる。
【実施例２】
【００３８】
図１１に示した第１実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の振幅を基準（基準振幅）として用いた。受波超音波の振幅と基準振幅とを比較し、（受波超音波の振幅／基準振幅）がしきい値（本例では−６ｄＢ）を下回らない場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まないと判定するようにした。ナゲット径の測定では、図５と同様に、振動子アレイ１１１〜１１１６と振動子アレイ２１１〜２１１６との超音波伝搬経路のうち、溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路を求め、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さを求めた。一例を図１２に示す。また、溶融凝固組織２ｂの存在をわかりやすく表示するため、図１３に示す２次元表示を行った。２次元表示の方法は図９を用いて説明したものと同等である。なお、図１３は図１２に示した例の２次元表示である。図１２〜図１３に示した例ではナゲットが送波を行う振動子アレイ１１１〜１１１６に近く位置している。
【００３９】
図１１に示した第１実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図１４に示す。図１４では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図１４によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００４０】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。本実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。さらに、また、図１３の表示によれば、超音波探触子１０および超音波探触子２０とナゲットとの位置関係をはっきり把握できるため、作業者が安心して測定作業をおこなうことができる。
【００４１】
以下、図面を参照して本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態が請求項２、請求項６に対応する。第１、第２実施形態と共通する部分は説明を省略する。
【００４２】
この第３実施形態では、振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０と振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０とによって、図１５に示す平面経路（金属板の上面からみた経路）を伝搬した超音波を受波する。この伝搬経路は、受波用振動子アレイの各振動子に対して正対する送波用振動子アレイの各振動子に加え、隣接するどちらかの送波用振動子から送波された超音波を受波するものである。振動子アレイ１１の振動子１１i（i＝１、２、‥、８）が送波した超音波を振動子アレイ２１の振動子２１iおよび２１i＋１（i＝１、２、‥、８）を用いて受波すること、および振動子アレイ１１の振動子２１i（i＝9、１０、‥、１６）が送波した超音波を振動子アレイ２１の振動子２１i−１および２１i（i＝9、１０、‥、１６）を用いて受波することにより、斜めに伝搬する伝搬経路が増え、伝搬経路の中間位置では、アレイ配列方向にみて振動子アレイの幅の１／２おきに超音波の伝搬経路が並ぶため、見かけ上、半分の幅の振動子を２倍の個数配列したのと同等の効果がある。
【００４３】
図１５に示した前記伝搬経路に溶融凝固組織２ｂが含まれれば、受波超音波の振幅や伝達時間が変化することは既に述べたとおりである。
【００４４】
図１６は、板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行ったサンプルに、前記したように超音波探触子１０及び超音波探触子２０をスポット溶接部２を挟んで向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１１６から送波された超音波のうち、図１５に示した伝搬経路の超音波を超音波探触子２０の振動子２１１〜２１１６によって受波した後、受波超音波の形態を基準と比較し、前記受波超音波の形態が基準と異なる受波超音波を選別して表示した結果である（図１６において□を用いて表示）。ここで、受波超音波の形態としてはその振幅を用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の振幅を基準として用いた。具体的には、図１５に示した経路に順にＰ１〜Ｐ３１の符号をつけて、符号順に（受波超音波の振幅／基準の振幅）を求め、補間を行うことにより図１６に示す振幅プロフィルを作成した。この振幅プロフィルが所定のしきい値Ｔａ（ここでは基準振幅に対し−６ｄＢを用いた）を下回る部分が受波超音波の形態が基準と異なるとして、その幅Ｗａを求めた。前記幅Ｗａが受波超音波の形態が基準と異なる経路の存在範囲であるから、前記幅Ｗａはナゲット径といえる。
【００４５】
図１７は本発明の第３実施形態を実施するための装置の例を示している。以下、第１実施形態と共通する部分は説明を省略する。
【実施例３】
【００４６】
図１７に示した第３実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。受波超音波の伝搬経路は図１５に示したものとした。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の振幅を基準（基準振幅）として用いた。受波超音波の振幅と基準振幅とを比較し、（受波超音波の振幅／基準振幅）がしきい値（本例では−６ｄＢ）を下回る場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含むと判定するようにした。ナゲット径の測定では、図１６を用いて説明した方法を用いた。なお、（受波超音波の振幅／基準振幅）の演算を行う代わりに、各伝搬経路における基準振幅が一定となるように、超音波送受信器３０における増幅度を伝搬経路ごとに変更すると、受波超音波の振幅そのものとしきい値Ｔａとを比較できる。また、超音波送受信器３０によって増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェアによって、ディジタル化された信号から被検体の表面沿いに伝搬する超音波の振幅を検出するようにゲート手段３１およびピーク値検出手段３３を構成する場合には、各伝搬経路における基準振幅が一定となるようにディジタル化された受波超音波に所定の係数を掛け算するようにすると、受波超音波の振幅そのものとしきい値Ｔａとを比較できる。
【００４７】
図１７に示した第３実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図１８に示す。図１８では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図１８によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００４８】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。第３実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。
【００４９】
次に、第３実施形態の別例である第４実施形態の装置を説明する。図１９は基準と比較する受波超音波の形態として伝達時間を用いて、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出する装置の例を示している。以下、第２実施形態と共通する部分は説明を省略する。
【実施例４】
【００５０】
図１９に示した第４実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。受波超音波の伝搬経路は図１５に示したものとした。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の伝達時間を基準（基準振幅）として用いた。受波超音波の伝達時間と基準伝達時間とを比較し、（｜受波超音波の伝達時間−基準伝達時間｜／基準伝達時間）がしきい値Ｔｔ（本例では０．５％）以上である場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含むと判定するようにした（図２０において□にて表示）。ナゲット径の測定では、図２０に一例を示すように、図１５に示した経路に順にＰ１〜Ｐ３１の符号をつけて、符号順に（｜受波超音波の伝達時間−基準伝達時間｜／基準伝達時間）を求め、補間を行うことにより図２０に示す伝達時間プロフィルを作成した。この伝達時間プロフィルが所定の上記しきい値Ｔｔを上回る部分の幅Ｗｔを求めた。
【００５１】
図１９に示した第４実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図２１に示す。図２１では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図２１によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００５２】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。第４実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。
【００５３】
以上の実施形態や実施例の説明では、受波超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含むか否かの判定に用いる受波超音波の形態として、超音波の振幅を用いる例、超音波の伝達時間を用いる例を別々に説明したが、両者を組み合わせて溶融凝固組織２ｂを含むか否かの判定を行うことも、勿論、可能である。また、受波超音波の形態として、上記のほかに、パルス幅、周波数、位相などを用いることが可能である。
【００５４】
なお、振動子アレイ１１１〜１１Ｎ及び２１１〜２１Ｎのアレイ配列方向における振動子の幅を小さくすることによって、測定精度を更に高めることができる。振動子アレイ１１１〜１１Ｎ及び２１１〜２１Ｎのアレイ配列方向における振動子の幅は、必要とされる測定精度に応じて決めるとよい。
【００５５】
本実施形態においては、送波側、受波側、共に振動子アレイを備えた超音波探触子を用いているので、構成が簡略である。なお、いずれか一方、又は、両方に、複数の探触子を並置して用いたり、又は、単一の探触子を走査して用いることも可能である。
【００５６】
さらに、以上の説明においては、本発明が金属板の溶接検査に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されない。又、溶接枚数も２枚に限定されず、スポット溶接部の健全性の評価も、ナゲット径のみを測定するものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態の基本構成を示す斜視図
【図２】本発明の第１、第２実施形態の原理を説明するための、超音波の伝搬経路を示す断面図
【図３】同じく平面図
【図４】スポット溶接部の断面図
【図５】本発明の第１実施形態における溶融凝固組織を含まない超音波伝搬経路とナゲットとの関係を示す説明図
【図６】本発明の第２実施形態における溶融凝固組織を含まない超音波伝搬経路とナゲットとの関係を示す説明図
【図７】本発明の第２実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図８】第２実施形態の装置による測定結果の一例を示す説明図
【図９】同じく測定結果表示の一例を示す説明図
【図１０】本発明法による測定結果の精度を示す線図
【図１１】本発明の第１実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図１２】第１実施形態の装置による測定結果の一例を示す説明図
【図１３】同じく測定結果表示の一例を示す説明図
【図１４】同じく測定結果の精度を示す線図
【図１５】本発明の第３、第４実施形態の原理を説明するための、超音波の伝搬経路を示す平面図
【図１６】同じくナゲット径測定方法の説明図
【図１７】本発明の第３実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図１８】第３実施形態の装置による測定結果の精度を示す線図
【図１９】本発明の第４実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図２０】第４実施形態の装置におけるナゲット径測定方法の説明図
【図２１】同じく測定結果の精度を示す線図
【図２２】スポット溶接部を解説するための断面図
【符号の説明】
【００５８】
１ａ、１０１ａ…上板
１ｂ、１０１ｂ…下板
２、１０２…スポット溶接部
２ａ、１０２ａ…ナゲット
２ｂ…溶融凝固組織
１０、２０…超音波探触子
１１、２１…振動子アレイ
２５…スイッチ回路
２６…スイッチ回路
３０…超音波送受信器
３１…ゲート手段
３２…時間計測手段
３３…ピーク値検出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接によって形成される溶融部（ナゲット）の直径を、超音波を利用した非破壊手段にて検査する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば自動車ボディの製造工場などにおいては、スポット溶接部の検査を現場で高能率に行えるようにするため、簡便に実施可能なスポット溶接検査方法が待望されている。
【０００３】
自動車のボディは、数千点にも及ぶスポット溶接によって組立てられており、スポット溶接の良否が車体の強度や耐久性に直接影響を及ぼすため、スポット溶接が適切に行われているか否かを検査することは極めて重要である。従来、このようなスポット溶接部の検査方法として、スポット溶接された金属板の間へタガネを差込み、スポット溶接部が剥離するか否かを確認することにより良否を判定するタガネ検査が行われている。しかし、タガネ検査を行うとスポット溶接部が割れる場合があるので、タガネ検査によってはスポット溶接の良否を正確に判定することが困難である。また、タガネ検査によって破壊されたスポット溶接部を製品へ利用することは不可能であるため、コストが高くつく問題がある。
【０００４】
そこで、近年、超音波を用いてスポット溶接部の良否を非破壊で検査する装置及び方法が種々提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１〜４には、２枚の板を重ねて溶接され製作されるスポット溶接部の良否評価のために、板面に垂直に超音波を入射させて反射波を検出する方法や装置が開示されている。又、特許文献５には、被検体を介してその上下に１組の局部水浸探触子を対向に配置して被検体を水平方向に移動させることにより、送信側局部水浸探触子から送信される超音波ビームにより被検体のスポット溶接部を走査し、受信側局部水浸探触子により受信された信号からスポット溶接部中の傷の有無を判定する超音波探傷装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４６９２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３１２９７号公報
【特許文献３】特開平１１−２６２７号公報
【特許文献４】特開平６−２６５５２９号公報
【特許文献５】特開昭６２−５２４５６号公報
【特許文献６】特開２００４−１６３２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、これらの先行技術では、平板状の被検体に対して垂直方向に超音波を送受信する。よって、図２２に例示する被検体のスポット溶接部１０２に形成されるくぼみ１０２ｂの周囲に形成される傾斜面１０２ｃにおいて、超音波ビームを効率よく被検体内に入射させることができないため、スポット溶接部１０２に形成されるナゲット１０２ａの大きさを高精度に検出することが難しいという問題がある。
【０００８】
即ち、図２２に示すように、上板１０１ａと下板１０１ｂを重ねてスポット溶接すると、スポット溶接部１０２には、上板１０１ａと下板１０１ｂの接合部に「ナゲット」と呼ばれる溶融凝固組織１０２ａが形成される。又、スポット溶接では、図示しない電極チップによって上板１０１ａ及び下板１０１ｂが強圧されるので、上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面には、電極チップの先端部の形状に相当するくぼみ１０２ｂが形成される。更に、当該くぼみ１０２ｂの底面と上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面との間には、円錐状の傾斜面１０２ｃが形成される。溶接が正常に行われた場合、前記ナゲット１０２ａの直径は、溶接に使用される電極チップの直径よりもやや大きいか同等程度になり、くぼみ１０２ｂの内径は、電極チップの先端部の形状が面取りを有する円柱形に形成されていることから、電極チップの円柱部の直径よりもやや小さくなる。従って、くぼみ１０２ｂの内径は、ナゲット１０２ａの径よりもやや小さくなるのが通常である。溶接が正常に行われなかった場合には、ナゲット径が正常に溶接が行われた場合に比べて小さくなり、強度不足等の異常が発生する。なお、図中の符号Ｓは、ナゲット１０２ａの止端を示している。
【０００９】
このように、スポット溶接部１０２には、くぼみ１０２ｂの底面と上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面との間に円錐状の傾斜面１０２ｃが形成されるので、前記先行技術に係る超音波検査装置のように、超音波ビームを被検体である上板１０１ａ及び下板１０１ｂの表面に対して垂直方向に送受信して検査すると、超音波が傾斜面１０２ｃにおいて反射され、被検体の内部に殆ど伝搬しないため、検査部位からの信号が殆ど得られない。前述のように、ナゲット１０２ａの大きさは、電極チップの直径よりもやや大きいか同等程度の直径になるので、ナゲット１０２ａの止端Ｓと被検体に形成される傾斜面１０２ｃとは殆ど重なりあっている。従って、超音波が傾斜面１０２ｃにおいて反射されると、ナゲット止端Ｓの近辺からの正確な信号が得られにくくなり、正確なナゲット直径の判定及び欠陥の有無の判定をすることが困難になる。
【００１０】
本願発明者の一部は既に特許文献６において、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、スポット溶接部の外側の金属板にスポット溶接部の溶接金属に向けてＬａｍｂ波を励起し、Ｌａｍｂ波を溶接金属に透過させ、透過後Ｌａｍｂ波を受信することにより、スポット溶接部の健全性を評価することを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法を提案した。この技術によって、スポット溶接部に生成されるくぼみの周囲に形成される傾斜面の影響を受けずにスポット溶接部の評価を行なうことに成功した。しかし、特許文献６では、２つのＬａｍｂ波探触子をスポット溶接部を挟んで向かい合わせて配置するに際し、２つのＬａｍｂ波探触子とスポット溶接部との位置関係が所定の位置関係からずれると、Ｌａｍｂ波の伝搬経路がスポット溶接部の中心からずれるため、正しくスポット溶接部の健全性を評価できないことがあると判明した。上記問題は、２つのＬａｍｂ波探触子とスポット溶接部との位置関係は目視により確認するしか手段がないことに起因している。
【００１１】
ここにいうＬａｍｂ波（Lamb wave）とは、板波（plate wave）とも称され、薄板（金属板、非金属板のいずれでもよい）へ超音波を特定の入射角で斜めに入射させた場合に発生する。入射波の屈折によって薄板中に生成された斜め進行する縦波や横波が薄板の表面および裏面においてモード変換を伴う反射を繰り返しながら伝搬して干渉する結果、薄板が板厚中心に関して対称、あるいは非対称に変位する進行波が生成される。この進行波がＬａｍｂ波である（Joseph L. Rose、 Ultrasonic waves in solid media、 pp.101-126、 Cambridge Univ Press、 Cambridge、 1999を参照）。なお、Ｌａｍｂ波探触子とは、薄板へＬａｍｂ波を励起するために、特定の入射角で超音波を薄板へ入射させることができる超音波探触子である。また、この探触子をＬａｍｂ波の受波に用いることが可能である。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであって、その課題とするところは、短時間（例えば、１点当たり５秒以内）に限られる測定であっても、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置とのずれに影響されずに、信頼性高くスポット溶接部の健全性（ナゲットの有無、ナゲット径、溶接割れ）を評価することにある。また、スポット溶接部のナゲットの大きさを視覚的にとらえやすい表示を行うことにより、ナゲットの大きさの判別を行いやすいようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路によって囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１４】
本発明は、又、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１５】
又、基準と比較する受波超音波の形態を伝達時間及び／又は振幅としたものである。
【００１６】
本発明は、又、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、前記複数の送波位置と前記複数の受波とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態と基準とを比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路に囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出する手段と、を備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１７】
本発明は、又、複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出する手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１８】
又、基準と比較する受波超音波の形態を伝達時間及び／又は振幅としたものである。
【００１９】
又、複数の送波位置から複数方向へ向けて被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段を、振動子アレイを備えた超音波探触子としたものである。
【００２０】
又、複数の受波位置において超音波を受波する手段を、振動子アレイを備えた超音波探触子としたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、スポット溶接部に形成されるくぼみの周囲に形成される傾斜面の影響を受けずに、正確に非破壊でスポット溶接部の評価を行なうことが可能になると共に、測定時間が、短時間に限られる測定であっても、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置のずれに影響されずに、信頼性高くスポット溶接部の健全性を評価することが可能になる。また、スポット溶接部のナゲットの大きさを視覚的にとらえやすいので、ナゲットの大きさの判別を行いやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
以下、２枚の金属板が接合されてなるスポット溶接部の評価を例にとり説明する。２枚の金属板の上側の板を上板、下側の板を下板と称する。本発明では、図１に示すとおり、振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０と振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０とを、上板１ａ上のスポット溶接部２を挟んだ位置に向かい合わせて当接させる。超音波探触子１０及び超音波探触子２０と上板１ａとの間には適当な接触媒質を介在させる。
【００２４】
振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０を用いて、複数の位置から上板１ａに超音波を送波する。超音波探触子１０は、樹脂くさび１２に振動子アレイ１１が貼り付けられた構造を有しており、振動子アレイ１１から送波された超音波が斜めに上板１ａへ入射する。前記斜めに入射した超音波によって、図２に示す如く、上板１ａの中に上板１ａ表面に対して斜めに進行する超音波が送波される。該斜め進行する超音波は、縦波および横波を含み、上板１ａの底面及び表面において反射やモード変換を繰り返しながら、上板１ａ中を伝搬する。図２において実線は横波であり、破線は縦波である。超音波の上板１ａへの入射角が適当な値の場合には、上記反射を繰り返して伝搬する超音波は、Ｌａｍｂ波と呼ばれる波動になる。伝搬してきた超音波は、振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０によって受波される。超音波探触子２０は、樹脂くさび２２に振動子アレイ２１が貼り付けられた構造を有している。
【００２５】
振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０と振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０とによって、図３に示す平面経路（金属板の上面からみた経路）を伝搬した超音波を受信することができる。超音波探触子１０の振動子アレイ１１の個々の振動子を１１１〜１１Ｎと表し、超音波探触子２０の振動子アレイ２１の個々の振動子を２１１〜２１Ｎと表すことにする。Ｎとしては例えば４、８、１６、３２などの個数を用いる。図３はＮが１６の場合である。振動子アレイの振動子１１１〜１１Ｎから送波される超音波には空間的に広がりがあるので、振動子１１１〜１１Ｎから図３に示した平面経路をとる超音波を送波することができる。
【００２６】
超音波探触子１０の振動子１１１から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波する。次に、超音波探触子１０の振動子１１２から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波する。この過程を、超音波探触子１０の振動子１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波するまで、送波を行う振動子１１ｎ（ｎ＝１、２、‥、Ｎ）を順次変更して行う。この結果、複数位置から送波され複数の方向へ伝搬する超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波することができる。
【００２７】
スポット溶接部２に生成されるナゲット２ａは、図４に示すとおり、ほぼ板厚方向に平行な方向性を有する溶融凝固組織２ｂとなっている。この溶融凝固組織２ｂはデンドライト組織とも呼ばれ、一方向へ延びた粗い結晶の集まりであるため、金属板の金属組織に比べ、超音波の伝達が悪い（減衰が大きい）性質を持っている。よって、図３に示した経路を伝搬する超音波は、その経路に溶融凝固組織２ｂが含まれる場合、伝搬経路に存在する溶融凝固組織２ｂの長さに応じた減衰を受ける結果、その振幅が低下して超音波探触子２０に受波される。
【００２８】
また、溶融凝固組織２ｂは、この中を超音波が伝搬する速度が金属板の金属組織とは若干異なる性質を持っている。溶融凝固組織２ｂでは、図４に示すミクロ金属組織の模式図のように金属結晶の特定の方位（図４に破線の矢印を用いて示す）が板厚（ｚ）方向にほぼ揃っているため、該組織は弾性的な異方性を持っている。従って、超音波は、その伝搬する方向に依存して伝搬速度が変化する。これに対して、金属板の金属組織では金属結晶がランダムな方向に向いているため、超音波の伝搬速度はその伝搬方向に依存せず、一定の値となる。以上、説明したことによって、被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝搬速度は、伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含む場合と伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まない場合（金属板の金属組織のみを伝搬）との間で異なるのが一般的である。従って、被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂがあった場合には、溶融凝固組織２ｂの板表面に平行な長さに応じて伝達に要する時間が変化する。よって、図３に示した経路を伝搬する超音波は、その経路に溶融凝固組織２ｂが含まれる場合、伝搬経路に存在する溶融凝固組織２ｂの長さに応じて伝達に要する時間（以下、伝達時間）が変化した後、超音波探触子２０に受波される。なお、伝達時間は透過時間とも呼ばれる。
【００２９】
以下、本発明の第１実施形態を説明する。
【００３０】
図５は、板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行ったサンプルに、前記したように超音波探触子１０及び超音波探触子２０をスポット溶接部２を挟んで向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した後、受波超音波の形態を基準と比較し、前記受波超音波の形態が基準と異ならない受波超音波の伝搬経路を実線を用いて示した結果である。ここで、Ｎは１６とし、受波超音波の形態としてはその振幅を用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した場合の受波超音波の振幅を基準として用いた。図５に示されている実線は溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路であるから、交錯した実線に囲まれた内側の領域に溶融凝固組織２ｂが存在する。また、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さが板表面に垂直な方向から見たときの溶融凝固組織２ｂの大きさ、即ち、ナゲット径に比例する。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
【００３２】
図６は板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行ったサンプルに、前記したように超音波探触子１０及び超音波探触子２０をスポット溶接部２を挟んで向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した後、受波超音波の形態を基準と比較し、前記受波超音波の形態が基準と異ならない受波超音波の伝搬経路を実線を用いて示した結果である。ここで、Ｎは１６とし、受波超音波の形態としてはその伝達時間を用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１Ｎによって受波した場合の受波超音波の伝達時間を基準として用いた。図６に示されている実線は溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路であるから、交錯した実線に囲まれた内側の領域に溶融凝固組織２ｂが存在する。また、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さが板表面に垂直な方向から見たときの溶融凝固組織２ｂの大きさ、即ち、ナゲット径に比例する。
【００３３】
図７は第２実施形態を実施するための装置の一例を示している。この装置は、超音波の送波に用いられる振動子アレイ１１１〜１１１６を備えた超音波探触子１０及び超音波の受波に用いられる振動子アレイ２１１〜２１１６を備えた超音波探触子２０、前記振動子アレイ１１１〜１１１６の振動子から超音波を送波するのに用いられる電気パルスを供給し、又、前記振動子アレイ２１１〜２１１６が受波した超音波の信号を増幅する超音波送受信器３０、該超音波送受信器３０と振動子アレイ１１１〜１１１６との間に介在して、振動子アレイ１１１〜１１１６の各振動子と超音波送受信器３０との接続を切り替えるスイッチ回路２５、前記超音波送受信器３０と振動子アレイ２１１〜２１１６との間に介在して、振動子アレイ２１１〜２１１６の各振動子と超音波送受信器３０との接続を切り替えるスイッチ回路２６、前記超音波送受信器３０によって増幅された信号のうち被検体の表面沿いに伝搬する超音波による信号を取り出すゲート手段３１、該ゲート手段３１によって取り出された受波超音波の信号から超音波の伝達時間を検出する時間計測手段３２によって構成されている。なお、超音波送受信器３０によって増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェアによって、ディジタル化された信号から被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝達時間を検出するようにゲート手段３１および時間計測手段３２を構成することもできる。
【実施例１】
【００３４】
図７に示した第２実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の伝達時間を基準（基準伝達時間）として用いた。受波超音波の伝達時間と基準伝達時間とを比較し、（｜受波超音波の伝達時間−基準伝達時間｜／基準伝達時間）がしきい値（本例では０．５％）以下である場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まないと判定するようにした。ナゲット径の測定では、図５と同様に、振動子アレイ１１１〜１１１６と振動子アレイ２１１〜２１１６との超音波伝搬経路のうち、溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路を求め、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さを求めた。一例を図８に示す。また、溶融凝固組織２ｂの存在をわかりやすく表示するため、図９に示す２次元表示を行った。図９では、超音波探触子１０と超音波探触子２０との間の２次元領域を所定の微小要素（図９では０．２ｍｍ×０．２ｍｍの大きさ）に分割し、溶融凝固組織２ｂを含まないと判定された経路上の要素を白色で表示するようにした。図９は図８に示した例の２次元表示である。
【００３５】
図７に示した第２実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図１０に示す。図１０では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図１０によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００３６】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。本実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。さらに、また、図９の表示によれば、超音波探触子１０および超音波探触子２０とナゲットとの位置関係をはっきり把握できるため、作業者が安心して測定作業をおこなうことができる。
【００３７】
図１１は第１実施形態を実施するための装置の例を示している。以下、図７と共通する部分は説明を省略する。この装置は、ゲート手段３１によって取り出された受波超音波の信号から超音波の振幅を検出するピーク値検出手段３３を用いる点が図７の装置とは異なる。なお、超音波送受信器３０によって増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェアによって、ディジタル化された信号から被検体の表面沿いに伝搬する超音波の振幅を検出するようにゲート手段３１およびピーク値検出手段３３を構成することもできる。
【実施例２】
【００３８】
図１１に示した第１実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の振幅を基準（基準振幅）として用いた。受波超音波の振幅と基準振幅とを比較し、（受波超音波の振幅／基準振幅）がしきい値（本例では−６ｄＢ）を下回らない場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まないと判定するようにした。ナゲット径の測定では、図５と同様に、振動子アレイ１１１〜１１１６と振動子アレイ２１１〜２１１６との超音波伝搬経路のうち、溶融凝固組織２ｂを含まない超音波の伝搬経路を求め、交錯した実線に囲まれた内側の領域のアレイ配列方向での長さを求めた。一例を図１２に示す。また、溶融凝固組織２ｂの存在をわかりやすく表示するため、図１３に示す２次元表示を行った。２次元表示の方法は図９を用いて説明したものと同等である。なお、図１３は図１２に示した例の２次元表示である。図１２〜図１３に示した例ではナゲットが送波を行う振動子アレイ１１１〜１１１６に近く位置している。
【００３９】
図１１に示した第１実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図１４に示す。図１４では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図１４によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００４０】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。本実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。さらに、また、図１３の表示によれば、超音波探触子１０および超音波探触子２０とナゲットとの位置関係をはっきり把握できるため、作業者が安心して測定作業をおこなうことができる。
【００４１】
以下、図面を参照して本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態が請求項２、請求項６に対応する。第１、第２実施形態と共通する部分は説明を省略する。
【００４２】
この第３実施形態では、振動子アレイ１１を備えた超音波探触子１０と振動子アレイ２１を備えた超音波探触子２０とによって、図１５に示す平面経路（金属板の上面からみた経路）を伝搬した超音波を受波する。この伝搬経路は、受波用振動子アレイの各振動子に対して正対する送波用振動子アレイの各振動子に加え、隣接するどちらかの送波用振動子から送波された超音波を受波するものである。振動子アレイ１１の振動子１１i（i＝１、２、‥、８）が送波した超音波を振動子アレイ２１の振動子２１iおよび２１i＋１（i＝１、２、‥、８）を用いて受波すること、および振動子アレイ１１の振動子２１i（i＝9、１０、‥、１６）が送波した超音波を振動子アレイ２１の振動子２１i−１および２１i（i＝9、１０、‥、１６）を用いて受波することにより、斜めに伝搬する伝搬経路が増え、伝搬経路の中間位置では、アレイ配列方向にみて振動子アレイの幅の１／２おきに超音波の伝搬経路が並ぶため、見かけ上、半分の幅の振動子を２倍の個数配列したのと同等の効果がある。
【００４３】
図１５に示した前記伝搬経路に溶融凝固組織２ｂが含まれれば、受波超音波の振幅や伝達時間が変化することは既に述べたとおりである。
【００４４】
図１６は、板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行ったサンプルに、前記したように超音波探触子１０及び超音波探触子２０をスポット溶接部２を挟んで向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１１６から送波された超音波のうち、図１５に示した伝搬経路の超音波を超音波探触子２０の振動子２１１〜２１１６によって受波した後、受波超音波の形態を基準と比較し、前記受波超音波の形態が基準と異なる受波超音波を選別して表示した結果である（図１６において□を用いて表示）。ここで、受波超音波の形態としてはその振幅を用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の振幅を基準として用いた。具体的には、図１５に示した経路に順にＰ１〜Ｐ３１の符号をつけて、符号順に（受波超音波の振幅／基準の振幅）を求め、補間を行うことにより図１６に示す振幅プロフィルを作成した。この振幅プロフィルが所定のしきい値Ｔａ（ここでは基準振幅に対し−６ｄＢを用いた）を下回る部分が受波超音波の形態が基準と異なるとして、その幅Ｗａを求めた。前記幅Ｗａが受波超音波の形態が基準と異なる経路の存在範囲であるから、前記幅Ｗａはナゲット径といえる。
【００４５】
図１７は本発明の第３実施形態を実施するための装置の例を示している。以下、第１実施形態と共通する部分は説明を省略する。
【実施例３】
【００４６】
図１７に示した第３実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。受波超音波の伝搬経路は図１５に示したものとした。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の振幅を基準（基準振幅）として用いた。受波超音波の振幅と基準振幅とを比較し、（受波超音波の振幅／基準振幅）がしきい値（本例では−６ｄＢ）を下回る場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含むと判定するようにした。ナゲット径の測定では、図１６を用いて説明した方法を用いた。なお、（受波超音波の振幅／基準振幅）の演算を行う代わりに、各伝搬経路における基準振幅が一定となるように、超音波送受信器３０における増幅度を伝搬経路ごとに変更すると、受波超音波の振幅そのものとしきい値Ｔａとを比較できる。また、超音波送受信器３０によって増幅された信号をＡ／Ｄ変換し、ソフトウェアによって、ディジタル化された信号から被検体の表面沿いに伝搬する超音波の振幅を検出するようにゲート手段３１およびピーク値検出手段３３を構成する場合には、各伝搬経路における基準振幅が一定となるようにディジタル化された受波超音波に所定の係数を掛け算するようにすると、受波超音波の振幅そのものとしきい値Ｔａとを比較できる。
【００４７】
図１７に示した第３実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図１８に示す。図１８では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図１８によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００４８】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。第３実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。
【００４９】
次に、第３実施形態の別例である第４実施形態の装置を説明する。図１９は基準と比較する受波超音波の形態として伝達時間を用いて、前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出する装置の例を示している。以下、第２実施形態と共通する部分は説明を省略する。
【実施例４】
【００５０】
図１９に示した第４実施形態の装置において、超音波探触子１０及び２０のクサビ材１２、２２をポリスチロールとし、振動子アレイ１１１〜１１１６及び２１１〜２１１６のアレイ配列方向における振動子の幅を０．８ｍｍ、超音波の上板表面への入射角が３４．７°となるようにしてスポット溶接部２の測定を実施した。受波超音波の伝搬経路は図１５に示したものとした。測定の対象として板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接して作製された３０個のサンプルを用いた。また、スポット溶接部がない板厚２．６ｍｍの平坦な鋼板へ超音波探触子１０及び超音波探触子２０を向かい合わせて当接させ、超音波探触子１０の振動子アレイ１１１〜１１１６から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子アレイ２１１〜２１１６によって受波した場合の受波超音波の伝達時間を基準（基準振幅）として用いた。受波超音波の伝達時間と基準伝達時間とを比較し、（｜受波超音波の伝達時間−基準伝達時間｜／基準伝達時間）がしきい値Ｔｔ（本例では０．５％）以上である場合には、受波超音波がその伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含むと判定するようにした（図２０において□にて表示）。ナゲット径の測定では、図２０に一例を示すように、図１５に示した経路に順にＰ１〜Ｐ３１の符号をつけて、符号順に（｜受波超音波の伝達時間−基準伝達時間｜／基準伝達時間）を求め、補間を行うことにより図２０に示す伝達時間プロフィルを作成した。この伝達時間プロフィルが所定の上記しきい値Ｔｔを上回る部分の幅Ｗｔを求めた。
【００５１】
図１９に示した第４実施形態の装置による（本発明による）測定結果を図２１に示す。図２１では、横軸に切断試験の結果求められたナゲット径をとり、縦軸に本発明の方法により求められたナゲット径をとって散布図表示を行っている。図２１によれば、全ての測定値が±０．５ｍｍ以内におさまっており、信頼性の高い測定結果が得られることがわかる。
【００５２】
従来技術との対比のために、本発明の方法と特許文献６に示された方法との間で測定時間の対比を行った。本発明の方法では、１つのサンプル当たりの測定時間が平均３．５秒であったのに対し、特許文献６に示された方法では、本発明による装置と同程度の測定精度を得るのに必要な１つのサンプル当たりの測定時間が平均約３０秒であった。特許文献６に示された方法では、超音波探触子と溶接凝固組織との位置合わせが短時間では行えないことなどから測定時間が長くなった。特許文献６は短い測定時間が求められる現場でのスポット溶接部健全性評価に適用しにくいことが改めて明らかとなった。第４実施形態の装置を用いることにより、短時間で精度が良いスポット溶接部健全性評価を行うことが可能である。
【００５３】
以上の実施形態や実施例の説明では、受波超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含むか否かの判定に用いる受波超音波の形態として、超音波の振幅を用いる例、超音波の伝達時間を用いる例を別々に説明したが、両者を組み合わせて溶融凝固組織２ｂを含むか否かの判定を行うことも、勿論、可能である。また、受波超音波の形態として、上記のほかに、パルス幅、周波数、位相などを用いることが可能である。
【００５４】
なお、振動子アレイ１１１〜１１Ｎ及び２１１〜２１Ｎのアレイ配列方向における振動子の幅を小さくすることによって、測定精度を更に高めることができる。振動子アレイ１１１〜１１Ｎ及び２１１〜２１Ｎのアレイ配列方向における振動子の幅は、必要とされる測定精度に応じて決めるとよい。
【００５５】
本実施形態においては、送波側、受波側、共に振動子アレイを備えた超音波探触子を用いているので、構成が簡略である。なお、いずれか一方、又は、両方に、複数の探触子を並置して用いたり、又は、単一の探触子を走査して用いることも可能である。
【００５６】
さらに、以上の説明においては、本発明が金属板の溶接検査に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されない。又、溶接枚数も２枚に限定されず、スポット溶接部の健全性の評価も、ナゲット径のみを測定するものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態の基本構成を示す斜視図
【図２】本発明の第１、第２実施形態の原理を説明するための、超音波の伝搬経路を示す断面図
【図３】同じく平面図
【図４】スポット溶接部の断面図
【図５】本発明の第１実施形態における溶融凝固組織を含まない超音波伝搬経路とナゲットとの関係を示す説明図
【図６】本発明の第２実施形態における溶融凝固組織を含まない超音波伝搬経路とナゲットとの関係を示す説明図
【図７】本発明の第２実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図８】第２実施形態の装置による測定結果の一例を示す説明図
【図９】同じく測定結果表示の一例を示す説明図
【図１０】本発明法による測定結果の精度を示す線図
【図１１】本発明の第１実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図１２】第１実施形態の装置による測定結果の一例を示す説明図
【図１３】同じく測定結果表示の一例を示す説明図
【図１４】同じく測定結果の精度を示す線図
【図１５】本発明の第３、第４実施形態の原理を説明するための、超音波の伝搬経路を示す平面図
【図１６】同じくナゲット径測定方法の説明図
【図１７】本発明の第３実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図１８】第３実施形態の装置による測定結果の精度を示す線図
【図１９】本発明の第４実施形態を実施するための装置の例を示す一部ブロック図を含む斜視図
【図２０】第４実施形態の装置におけるナゲット径測定方法の説明図
【図２１】同じく測定結果の精度を示す線図
【図２２】スポット溶接部を解説するための断面図
【符号の説明】
【００５８】
１ａ、１０１ａ…上板
１ｂ、１０１ｂ…下板
２、１０２…スポット溶接部
２ａ、１０２ａ…ナゲット
２ｂ…溶融凝固組織
１０、２０…超音波探触子
１１、２１…振動子アレイ
２５…スイッチ回路
２６…スイッチ回路
３０…超音波送受信器
３１…ゲート手段
３２…時間計測手段
３３…ピーク値検出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、
前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路によって囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出することを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項２】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、
前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出することを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、基準と比較する受波超音波の形態が伝達時間であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、基準と比較する受波超音波の形態が振幅であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項５】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、
前記複数の送波位置と前記複数の受波とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態と基準とを比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路に囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出する手段と、
を備えたことを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項６】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、
前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出する手段と、
を備えたことを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、基準と比較する受波超音波の形態が伝達時間であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項８】
請求項５又は６において、基準と比較する受波超音波の形態が振幅であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれかにおいて、複数の送波位置から複数方向へ向けて被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段が、振動子アレイを備えた超音波探触子であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれかにおいて、複数の受波位置において超音波を受波する手段が、振動子アレイを備えた超音波探触子であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項１】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、
前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路によって囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出することを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項２】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価方法において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波し、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波し、
前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出することを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、基準と比較する受波超音波の形態が伝達時間であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、基準と比較する受波超音波の形態が振幅であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価方法。
【請求項５】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、
前記複数の送波位置と前記複数の受波とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態と基準とを比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在しない伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在しない伝搬経路に囲まれる領域に基づいて、ナゲット径を算出する手段と、
を備えたことを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項６】
複数の金属板を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部の超音波による評価装置において、金属板またはスポット溶接部の表面沿いの方向と厚さ方向とによって形成される断面内を伝搬する超音波を被検体の表面沿いに伝搬する超音波と称することとしたとき、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の送波位置から複数方向へ向けて、被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段と、
スポット溶接部の外側の金属板の複数の受波位置において、伝搬経路にスポット溶接部を含まない被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波、及び伝搬経路にスポット溶接部を含む被検体の表面沿いに伝搬してきた超音波を受波する手段と、
前記複数の送波位置と前記複数の受波位置とを結ぶ伝搬経路の各々において、受波された超音波の形態を基準と比較し、前記伝搬経路の中からナゲットが存在する伝搬経路を抽出し、該抽出されたナゲットが存在する伝搬経路の存在範囲に基づいてナゲット径を算出する手段と、
を備えたことを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、基準と比較する受波超音波の形態が伝達時間であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項８】
請求項５又は６において、基準と比較する受波超音波の形態が振幅であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれかにおいて、複数の送波位置から複数方向へ向けて被検体の表面沿いに伝搬する超音波を送波する手段が、振動子アレイを備えた超音波探触子であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれかにおいて、複数の受波位置において超音波を受波する手段が、振動子アレイを備えた超音波探触子であることを特徴とする超音波によるスポット溶接部の評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００７−２３２５２６（Ｐ２００７−２３２５２６Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３５５９（Ｐ２００６−５３５５９）
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【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１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【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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