JP2006000894A - スポット溶接良否判定装置、方法及びスポット溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スポット溶接部の強度を支配するナゲットの径及び厚さをいずれも、スポット溶接時に正確に検出する。
【解決手段】 対向する一対のスポット溶接用電極間８ａ，８ｂに流される溶接電流に、この溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を重畳して通電し、スポット溶接時におけるスポット溶接用電極８ａ，８ｂ間に印加された高周波電圧を検出し、検出された高周波電圧の変化から求めたスポット溶接のナゲット３の径ｄ及び厚みｔに基づいてスポット溶接の良否を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スポット溶接の良否を簡易かつ迅速に判定することができるスポット溶接良否判定装置、方法およびこのスポット溶接良否判定装置を備えたスポット溶接装置に関する。

周知のように、自動車車体の製造工程では、薄鋼板のスポット溶接は必要不可欠な接合法として、広く採用されている。しかし、各スポット溶接機の打点数の増加に伴って、スポット溶接による略円形の溶融凝固部（本明細書では「ナゲット」という）の寸法が変化し、スポット溶接部が所望の接合強度を満たさなくなってくる。そこで、自動車車体の製造工程では、スポット溶接部の品質を評価および保証するために、いわゆるタガネ検査や引き剥がし検査等といった破壊検査が行われてきた。

しかしながら、自動車車体一台におけるスポット打点数は数千点に達するため、このような破壊検査により全数検査を行うことは不可能である。したがって、これまでは、このような破壊検査は、量産される自動車車体のうちから任意に抽出された一部にしか行われておらず、信頼性の上で十分ではなかった。このため、以前より、全数検査によりスポット溶接部の品質を評価および保証することが望まれてきた。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、２枚の薄鋼板１、２にスポット溶接を行った際に形成されたナゲット３の断面形状例を示す説明図である。
スポット溶接工程では、周知のように、スポット溶接部の接合強度を、ナゲットの径ｄ及び厚さｔにより管理されることは良く知られた事実である。図１（ａ）はナゲット３の径ｄが不足している場合を示し、図１（ｂ）はナゲット３の厚さｔが不足している場合を示し、さらに図１（ｃ）はナゲット３の径ｄ及び厚さｔがともに適正である場合を示している。

これまでにも、このナゲットの寸法を非破壊的に検査することを目的として、例えば特許文献１には、スポット溶接が終了したスポット溶接部に磁場を作用させてスポット溶接部の磁気特性の変化からナゲットの寸法を推定する発明が、また特許文献２〜４には、スポット溶接部への超音波の伝搬状態に基づいてナゲットの寸法を推定する発明が、それぞれ提案されている。

一方、非特許文献１には、スポット溶接時におけるスポット溶接用電極間の抵抗変化を測定し、ナゲットの生成に伴う電気抵抗の変化に基づいてスポット溶接の良否を判定する方法が報告されている。この方法によれば、スポット溶接を行う度にスポット溶接部の全数をモニタリングできるとされている。
特許第３０９８１９３号公報 特許第２８４９２０５号公報 特許第２７７２８９５号公報 特許第２５９６０９０号公報 Welding Journal , Vol.76, No.9, Page.383

特許文献１〜４より開示された発明を実施するには、いずれも、スポット溶接を完了した後に検出子をスポット溶接部に正確に位置決めしてナゲットの寸法を磁気や超音波を用いて測定する必要があり、測定の能率が極めて悪い。このため、これらの発明を、上述したように自動車車体の極めて多数のスポット溶接部の全数検査に適用することは、事実上不可能である。

また、非特許文献１により開示された方法では、スポット溶接用電極間に流される商用電流を用いた溶接電流の抵抗変化を用いるが、この商用電流を用いた溶接電流の抵抗変化は、ナゲットの径ｄには強く依存するものの、ナゲットの厚さｔの変化には殆ど依存しない。このため、この方法ではナゲットの厚さｔを検出することはできないため、例えば上述した図１（ｂ）に示す断面形状のナゲットであっても正常であると判定してしまうおそれがある。したがって、この方法では、ナゲットの厚さを検出できないためにスポット溶接部の品質を適正に判定できない。

本発明は、対向する一対のスポット溶接用電極間に、溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を通電するための手段と、溶接時におけるスポット溶接用電極間に印加された高周波電圧を検出するための手段と、検出された高周波電圧の変化から求めたスポット溶接のナゲットの径及び厚みに基づいてスポット溶接の良否を判定するための手段とを備えることを特徴とするスポット溶接良否判定装置である。

別の観点からは、本発明は、上記のスポット溶接良否判定装置を有することを特徴とするスポット溶接装置である。この場合に、高周波電流の周波数が３００Ｈｚ以上であることが望ましい。

さらに、別の観点からは、本発明は、対向する一対のスポット溶接用電極間に流される溶接電流に、この溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を重畳して通電し、スポット溶接時におけるスポット溶接用電極間に印加された高周波電圧を検出し、検出された高周波電圧の変化から求めたスポット溶接のナゲットの径及び厚みに基づいてスポット溶接の良否を判定することを特徴とするスポット溶接良否判定方法である。

本発明に係るスポット溶接良否判定装置、スポット溶接装置及び方法により、スポット溶接部の強度を支配するナゲットの径及び厚さをいずれも、スポット溶接時に正確に検出することができ、これにより、例えば自動車車体のスポット溶接部のような多数のスポット溶接部に対しても、全数検査によりスポット溶接の良否を簡易かつ迅速に判定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面も参照しながら詳細に説明する。
周知のように、金属材料である薄鋼板の内部に、対向するスポット溶接用電極を介して高周波電流を通電すると、流れる高周波電流が高周波の磁場を形成し、この薄鋼板の内部にこの磁場を打ち消すように渦電流が発生する。

つまり、スポット溶接用電極に通電した高周波電流の流れを阻止するように、渦電流が流れる。流れる渦電流の強さは、通電される高周波電流の周波数ｆと、薄鋼板の透磁率μ及び導電率σに依存する。

ここで、薄鋼板に溶接電流を通電して薄鋼板の温度が上昇すると、薄鋼板の導電率σは減少する。しかし、導電率σは、鋼板の温度が１０００℃である時でも、常温の導電率σの数分の１ないしは十分の１程度である。これに対し、薄鋼板は、常温では強磁性であるものの７８０℃近傍の磁気変態点以上の温度では非磁性となるため、１０００℃の透磁率μは常温の透磁率の数百分の１程度と大きく減少する。すなわち、透磁率μの減少は、導電率σの減少に比較すると極めて著しいものとなる。

このように、導電率σ及び透磁率μともに、薄鋼板の温度が上昇するに伴って流れる渦電流を低減するように作用するものの、透磁率μのほうが導電率σよりも渦電流を減少させる寄与度が大きい。薄鋼板に流れる渦電流が急激に減少すると、スポット溶接用電極間の交流抵抗は減少する。

ここで、スポット溶接によるナゲットの形成により、ナゲット及びその周辺は、磁気変態点以上の温度に昇温されるため、透磁率が急激に減少する。透磁率が減少する非磁性領域は、形成されたナゲットの体積、すなわちナゲットの径及び厚さの両者に強く依存する。
次に、溶接電流に重畳して通電する高周波電流の周波数について説明する。数１００ｍｓで完了する溶接現象を充分な情報量で観測するためには、これに応じて測定周波数を高く設定することが必要である。また、商用電流を用いた溶接電流の周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであり、３相電源を用いた場合にはその３倍程度の周波数が使用される。このため、溶接電流の周波数の影響を排除するためには、溶接電流の周波数よりも高い周波数の高周波電流を重畳させて通電する必要がある。

このような観点から、高周波電流の周波数の下限は３００Ｈｚとすることが望ましいが、渦電流効果を考慮すると１０ｋＨｚ以上がより望ましい。
高周波電流の周波数の上限は特に限定を要さないが、この周波数が過大になると、表皮効果により高周波電流が薄鋼板の内部に入らないことや、装置上の制約等から、上限を１０ＭＨｚ程度とすることが望ましい。実用的には上限を１ＭＨｚとすることが望ましい。

このように、本実施の形態では、対向する一対のスポット溶接用電極間に通電される溶接電流に、この溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を重畳して通電し、スポット溶接時におけるスポット溶接用電極間に印加された高周波電圧を検出し、検出された高周波電圧の変化からスポット溶接のナゲットの径及び厚みをともに求めることにより、スポット溶接の良否を各スポット溶接の時点で簡易かつ迅速に判定する。

図２は、本実施の形態のスポット溶接良否判定装置４を有するスポット溶接装置５の構成を模式的に示す説明図である。
同図に示すように、溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を通電するための手段である高周波電源６から電流供給端子７ａ、７ｂを介して、対向する一対のスポット溶接用電極８ａ，８ｂ間に高周波電流を通電する。
検出端子９ａ、９ｂから取り出された電圧には、溶接用電流の周波数成分や雑音に起因する周波数成分等も含まれるため、フィルタ回路１０により高周波電流の周波数と同一の周波数のみを抽出する。

その後、増幅器１１により所定の電圧に増幅した後、溶接時におけるスポット溶接用電極８ａ，８ｂ間に印加された高周波電圧を検出するための手段である同期検波器等の検波器１２により、高周波電圧の振幅や位相成分が検出される。

そして、最後に、検出された高周波電圧の変化から求めたスポット溶接のナゲットの径及び厚みに基づいてスポット溶接の良否を判定するための手段である判定回路１３を用いて、ナゲットの寸法の良否を判定する。

図３は、検波器１２により検出された、スポット溶接時における通電時間とスポット溶接用電極８ａ，８ｂ間の電圧との関係の一例を示すグラフである。
図３のグラフに示すように、スポット溶接の開始時であるＡ点〜Ｂ点間では、電極及び鋼板間の接触抵抗が変化するために電極間電圧は変動するもののすぐに一定値に収束する。その後、ナゲットの形成が開始するとともに前述のように渦電流効果が減少するため、Ｃ点において電極間電圧が急激に低下する。そして、ナゲットの成長とともに電極間電圧の低下は続き、ナゲットの形成終了時にはＤ点において最小電圧を示し、その後、凝固冷却とともに温度低下が進み、強磁性変態が生じて再び電圧が上昇に転じて、Ｅ点において凝固冷却が完了する。

溶接電流として通常使用される商用電流の周波数では、薄鋼板の界面での溶融に伴う抵抗変化が支配的であるため、ナゲットの径を検知することはできるが、渦電流による交流抵抗変化はわずかであるためにナゲットの厚みを検知することはできない。

これに対し、高周波電流を重畳させて通電すると、ナゲットの厚さが増大すれば、図３のグラフにおけるＤ点の電極間電圧Ｖ_Ｄが低下するので、電極間電圧の降下の程度（Ｃ点の電極間電圧Ｖ_Ｃ／Ｄ点の電極間電圧Ｖ_Ｄ）および電圧絶対値Ｖ_Ｄをパラメータとして、ナゲットの厚さ及び径を正確に求めることができる。すなわち、ナゲットの径ｄ＝Ｆ_１（Ｖ_Ｃ／Ｖ_Ｄ、Ｖ_Ｄ）、ナゲットの厚さｔ＝Ｆ_２（Ｖ_Ｃ／Ｖ_Ｄ、Ｖ_Ｄ）として求めることができる。

なお、本実施の形態では、高周波電源６を溶接用電源とは別に設けたが、溶接用電源に高周波電圧発生器を内蔵するように構成してもよい。
このように、本実施の形態によれば、スポット溶接部の強度を支配するナゲットの径及び厚さをいずれも、スポット溶接時に正確に検出することができ、これにより、例えば自動車車体のスポット溶接部のような多数のスポット溶接部に対しても、全数検査によりスポット溶接の良否を簡易かつ迅速に判定することができる。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、２枚の薄鋼板にスポット溶接を行った際に形成されたナゲットの断面形状例を示す説明図である。 実施の形態のスポット溶接良否判定装置を有するスポット溶接装置の構成を模式的に示す説明図である。 検波器により検出された、スポット溶接時における通電時間とスポット溶接用電極間の電圧との関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１、２ 薄鋼板
３ ナゲット
４ スポット溶接良否判定装置
５ スポット溶接装置
６ 高周波電源
７ａ，７ｂ 電流供給端子
８ａ，８ｂ スポット溶接用電極
９ａ，９ｂ 検出端子
１０ フィルタ回路
１１ 増幅器
１２ 検波器
１３ 判定回路

Claims (4)

1. 対向する一対のスポット溶接用電極間に、溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を通電するための手段と、溶接時における前記スポット溶接用電極間に印加された高周波電圧を検出するための手段と、検出された該高周波電圧の変化から求めたスポット溶接のナゲットの径及び厚みに基づいて該スポット溶接の良否を判定するための手段とを備えることを特徴とするスポット溶接良否判定装置。
2. 請求項１に記載されたスポット溶接良否判定装置を有することを特徴とするスポット溶接装置。
3. 前記高周波電流の周波数は３００Ｈｚ以上である請求項２に記載されたスポット溶接装置。
4. 対向する一対のスポット溶接用電極間に通電される溶接電流に、該溶接電流の周波数より大きい周波数を有する高周波電流を重畳して通電し、スポット溶接時における前記スポット溶接用電極間に印加された高周波電圧を検出し、検出された該高周波電圧の変化から求めたスポット溶接のナゲットの径及び厚みに基づいて該スポット溶接の良否を判定することを特徴とするスポット溶接良否判定方法。

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