JP2004163210A

JP2004163210A - 超音波によるスポット溶接部の評価方法及び装置

Info

Publication number: JP2004163210A
Application number: JP2002328160A
Authority: JP
Inventors: Hajime Takada; 一高田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: JP4120360B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】スポット溶接部２の外側の金属板１ａにスポット溶接部の溶接金属（２ｂ）に向けてＬａｍｂ波を励起し、該Ｌａｍｂ波を溶接金属に透過させ、透過後のＬａｍｂ波を受信し、透過したＬａｍｂ波の振幅を検出することにより、スポット溶接部のナゲット２ａの径を測定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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嘱望されている。
【０００３】
自動車のボディは、数千点にも達する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きわめて重要である。従来より、このようなスポット溶接部の検査方法としては、スポット溶接部をタガネで剥離して良否を判定する剥離検査が行われている。しかし、剥離検査は破壊検査であるので検査に膨大な労力と時間とを要しコストが高くつくばかりでなく、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という問題がある。そこで、近年に至って、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。
【０００４】
例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献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の評価のために、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。また、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、被検体を水平方向に移動して送信側局部水浸探触子より送信される超音波ビームで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の受信信号からスポット溶接部における傷の有無を判定する超音波探傷装置が開示されている。
【０００５】
【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
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの先行技術は、平板状の被検体に対して垂直方向に超音波を送受信して検査するものであるので、被検体の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においては、超音波ビームを効率よく被検体内に入射することができず、スポット溶接部に形成されるナゲットの形状を高精度に検出することが難しいという問題がある。
【０００７】
即ち、図７に示すように、上板１１１ａ下板１１１ｂと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１１１ａと下板１１１ｂとの接合部に「ナゲット」と呼ばれる溶融凝固組織１０２ａが形成される。また、スポット溶接は、図示しない電極チップにて上板１１１ａ及び下板１１１ｂを強圧することによって行われるので、上板１１１ａ及び下板１１１ｂ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、当該くぼみ１０２ｂの底面と上板１１１ａ及び下板１１１ｂ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の直径になり、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り、したがってナゲット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。
【０００８】
かように、スポット溶接部１０２には、くぼみ１０２ｂの底面と上板１１１ａ及び下板１１１ｂ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１１１ａ及び下板１１１ｂの表面に対して垂直方向に送受信して検査すると、傾斜面１０２ｃにおいて超音波ビームが反射し、被検体の内部にほとんど伝搬されないため、検査部位からの信号がほとんど得られない。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とはほとんど重なりあっており、傾斜面１０２ｃにおいて超音波ビームが反射すると、ナゲット止端Ｓの近辺からの正確な信号が得にくくなり、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。
【０００９】
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、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スポット溶接部の評価を行なうことが可能とすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、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、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、該Ｌａｍｂ波を溶接金属に透過させ、透過後の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により、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、透過したＬａｍｂ波の振幅を検出することにより、スポット溶接部のナゲットの径を測定するようにしたものである。
【００１２】
あるいは、２つの周波数ｆ_１およびｆ_２（ｆ_１＜ｆ_２）のＬａｍｂ波を用いて透過したＬａｍｂ波の振幅Ａ_１およびＡ_２を検出し、それらの比（Ａ_２／Ａ_１）を求めて、スポット溶接部のナゲットの径を測定するようにしたものである。
【００１３】
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、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波を励起する手段と、溶接金属を透過後のＬａｍｂ波を受信する手段と、透過後のＬａｍｂ波により、スポット溶接部の健全性を評価する手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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。
【００１５】
以下、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、Ｌａｍｂ波探触子１０を用いて上板１ａに溶接部２に向うＬａｍｂ波を励起する。このＬａｍｂ波には超音波の周波数ｆと板厚ｄとの積ｆ・ｄに応じていくつかのモードが存在するが、Ａ_０モード、Ｓ_０モード、あるいはＡ_０Ｓ_０混在モードを選ぶのが良い。励起されたＬａｍｂ波は溶接部に入射するに際し、板厚ｄの変化により積ｆ・ｄが変化するため、伝播の条件に変更が生ずるが、前記したモードは積ｆ・ｄが５ＭＨｚ・ｍｍを超えると積ｆ・ｄの変化の影響を受けないため、周波数を適切に選ぶことにより、溶接部においてもそのままのモードで伝播する。前記と同様な理由から、溶接部を透過したＬａｍｂ波は、そのままのモードで金属板を伝播し、Ｌａｍｂ波探触子１１に受信される。
【００１６】
溶接部に生成されるナゲット２ａは図２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が本発明にいう溶接金属である。また、この溶融凝固組織２ｂはデンドライト組織とも呼ばれ、一方向に延びた粗い結晶の集まりであり、図２において特に板表面に平行な方向や板厚に平行な方向において超音波の伝達が悪い（減衰が大きい）性質をもっている。従って板表面に平行な方向に沿って溶接部にＬａｍｂ波を伝播させると、溶融凝固組織２ｂの板表面に平行な長さに応じてＬａｍｂ波が減衰するので、Ｌａｍｂ波の減衰量を測定することにより、溶融凝固組織２ｂの板表面に平行な長さ、即ち、ナゲット２ａの径を測定することができる。
【００１７】
図３は、板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行い、溶接電流を変更することによってナゲット径を変化させたサンプルにおけるＬａｍｂ波の減衰量とナゲット径との関係を調べた結果である。周波数５ＭＨｚのＡ_０Ｓ_０混在モードのＬａｍｂ波を用いた。Ｌａｍｂ波の減衰量とナゲット系との間には良好な比例関係があることがわかる。
【００１８】
図４は、上記のサンプルを用いて、周波数５ＭＨｚのＡ_０Ｓ_０混在モードのＬａｍｂ波と周波数２ＭＨｚのＡ_０Ｓ_０混在モードのＬａｍｂ波とを用いて、溶接部を透過したＬａｍｂ波の振幅を検出し、周波数５ＭＨｚでのＬａｍｂ波透過波の振幅と周波数２ＭＨｚでのＬａｍｂ波透過波の振幅との比とナゲット径との関係を調べた結果である。両者間に良好な相関関係があることがわかる。
【００１９】
【実施例】
図５は、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個のサンプルにつき、周波数５ＭＨｚのＡ_０Ｓ_０混在モードのＬａｍｂ波の減衰量から測定されたナゲット径と切断試験により確認されたナゲット径との関係を示している。Ｌａｍｂ波の減衰量からのナゲット径の算出には、図３の関係から得られる検量線を用いた。本発明の方法により０．２ｍｍ程度の精度でナゲット径を測定可能なことがわかる。
【００２０】
図６は、前記サンプルを用い、周波数５ＭＨｚでのＡ_０Ｓ_０混在モードのＬａｍｂ波透過波の振幅と周波数２ＭＨｚでのＡ_０Ｓ_０混在モードのＬａｍｂ波透過波の振幅との比から測定されたナゲット径と切断試験により確認されたナゲット径との関係を示している。振幅比からのナゲット径の算出には、図４の関係から得られる検量線を用いた。本発明の方法によっても０．２ｍｍ程度の精度でナゲット径を測定可能なことがわかる。
【００２１】
なお、前記説明においては、本発明が鋼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、図３、図４の関係を用いて、ナゲット径を測定するものに限定されない。
【００２２】
【発明の効果】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す断面図
【図２】本発明の原理を説明するための、スポット溶接部の組織構造を示す断面図
【図３】同じく、Ｌａｍｂ波の減衰とナゲット径との関係を示す線図
【図４】同じく、２つの周波数のＬａｍｂ波の振幅比とナゲット径との関係を示す線図
【図５】図３の関係を用いた際の本発明の効果（精度）を示す線図
【図６】図４の関係を用いた際の本発明の効果（精度）を示す線図
【図７】スポット溶接部を解説するための断面図
【符号の説明】
１ａ、１１１ａ・・・上板
１ｂ、１１１ｂ・・・下板
２、１０２・・・スポット溶接部
２ａ、１０２ａ・・・ナゲット
２ｂ・・・溶融凝固組織（溶接金属）
１０、１１・・・Ｌａｍｂ波探触子

Claims

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、
該Ｌａｍｂ波を溶接金属に透過させ、
透過後の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。
請求項１に記載の方法において、透過したＬａｍｂ波の振幅を検出することにより、スポット溶接部のナゲットの径を測定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１に記載の方法において、２つの周波数ｆ_１およびｆ_２（ｆ_１＜ｆ_２）のＬａｍｂ波を用いて透過したＬａｍｂ波の振幅Ａ_１およびＡ_２を検出し、それらの比（Ａ_２／Ａ_１）を求めて、スポット溶接部のナゲットの径を測定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。
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、
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波を励起する手段と、
溶接金属を透過後のＬａｍｂ波を受信する手段と、
該透過後のＬａｍｂ波により、スポット溶接部の健全性を評価する手段と、
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。