JP2006029882A - Spot welding part inspection device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an apparatus for inspecting the quality of a spot welded portion formed by spot welding a steel plate, and particularly to an apparatus capable of efficiently and accurately inspecting the quality of a spot welded portion in a welding process.
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。 Spot welding is performed by sandwiching stacked steel plates between a pair of electrodes and melting a part of the steel plate located between the pair of electrodes by heat generated by energizing between the pair of electrodes. This is a method of locally welding by pressing (hereinafter, a locally welded steel plate portion is referred to as a spot welded portion). Such spot welding of steel sheets is widely used as a joining method indispensable for manufacturing automobile bodies, for example.
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。 Conventionally, as a method for inspecting the quality of a spot welded portion (whether the joint strength of the spot welded portion is sufficient), destructive inspection such as so-called chisel inspection and peeling inspection has been performed. However, since the destructive inspection is performed by appropriately extracting the spot-welded steel plate in the first place, it is impossible to inspect all the steel plates. Furthermore, for example, when manufacturing a car body of an automobile, several thousand spot welds are applied per vehicle. Therefore, destructive inspection of all these spot welds is not practical in terms of inspection efficiency, and is extracted. The actual situation is that the destructive inspection is carried out only on the spot welded part further appropriately selected for the steel plate (car body). Therefore, there is a problem that the reliability of inspection is not always sufficient.
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。 In order to solve the above problem, it is considered effective to non-destructively inspect the spot weld. Here, it is known that the joint strength of a spot welded part can be evaluated by the dimension of a part (called a nugget part) where a steel sheet is melted and solidified by welding. In other words, it is known that the quality of the spot welded part can be evaluated by the dimensions (diameter and thickness) of the nugget part. FIG. 5 is a diagram schematically showing various forms of the nugget portion generated in the spot welded portion S of the stacked steel plates M1 and M2. If the diameter of the nugget portion N1 is small as shown in FIG. 5 (a) or the thickness of the nugget portion N2 is small as shown in FIG. 5 (b), it is determined that the spot welded portion S is defective. On the other hand, as shown in FIG. 5C, if the diameter and thickness of the nugget portion N3 are sufficient, it can be determined that the spot welded portion S is normal.
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。 As a method for non-destructively inspecting the dimensions of such a nugget part, a magnetic field is applied to the spot welded part after spot welding is completed, and the nugget part dimension is estimated from the magnetic property change of the spot welded part ( For example, see Patent Document 1). In addition, a method for estimating the size of the nugget part from the propagation state of the ultrasonic wave to the spot welded part (see, for example, Patent Documents 2, 3, and 4) has been proposed.
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。
However, any of the methods described in
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。
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。 The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and is an apparatus capable of efficiently and accurately inspecting the quality of spot welds formed by spot welding steel plates. The issue is to provide.
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。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention is an apparatus for inspecting a spot weld formed by energizing between a pair of electrodes arranged opposite to each other with stacked steel plates interposed therebetween, and the spot weld An electromagnet disposed in the vicinity of one electrode so that a high-frequency magnetic field can be generated toward the electrode, and a radio-frequency magnetic field generated by the electromagnet and transmitted through the spot welded portion is disposed in the vicinity of the other electrode Spot welding section inspection comprising: a detection coil; and means for measuring a time from when the induced voltage induced in the detection coil ends to the predetermined value after the energization between the pair of electrodes ends. A device is provided.
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。 Preferably, the electromagnet and the detection coil are each configured to include a yoke portion that is shaped so as to form a closed magnetic circuit across a steel plate.
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。 According to the spot welded portion inspection apparatus according to the present invention, since the quality of the spot welded portion formed by spot welding the steel plate can be inspected with high accuracy in the welding process, the total number of spot welded portions is inspected with high accuracy. Therefore, an excellent effect is achieved in that a highly reliable inspection is realized.
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a spot welded portion inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a spot welded portion inspection apparatus (hereinafter referred to as an inspection apparatus as appropriate) 1 according to the present embodiment is between a pair of
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。
The
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。
In addition, the
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。
The high
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。
The high frequency magnetic field generated by the
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。
The induced voltage from which noise has been removed by the
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。
Hereinafter, the reason why it is possible to determine the quality of the spot welded portion S (the quality of the nugget portion N) according to the amount of time from when the energization between the
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。
In general, it is a well-known fact that when a high frequency magnetic field is applied to a steel plate, an eddy current flows through the steel plate so as to cancel the high frequency magnetic field. Also in the case of the
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。
Here, when the temperature of the spot welded part S (particularly the nugget part N and its vicinity) located between the electrodes rises by energizing between the
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。 On the other hand, with respect to the magnetic permeability μ, although the steel plates M1 and M2 are ferromagnetic at normal temperature, they become non-magnetic at a temperature above the magnetic transformation point (near 780 ° C.). It will drop to about one-hundredth at room temperature.
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。
In the generation process of the nugget portion N caused by energization between the
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。
When the eddy current rapidly decreases, the high-frequency magnetic field generated by the
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。
Among the regions of the steel plates M1 and M2 through which the magnetic field is transmitted, the region where the magnetic permeability μ, which is the main factor of the decrease in eddy current (and thus the increase in induced voltage), is the nugget portion N having a temperature higher than the magnetic transformation point and its Since it is in the vicinity, the magnitude of the magnetic field transmitted through the steel plates M1 and M2 (the magnitude of the induced voltage induced in the detection coil 12) strongly depends on the volume of the nugget portion N (both the diameter and thickness of the nugget portion N). It will be. Therefore, it is considered that the dimensions (diameter and thickness) of the nugget portion N can be estimated by observing the behavior of the induced voltage induced in the
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。
FIG. 2 is a diagram schematically showing changes in the magnetic field Ht that passes through the steel plates M1 and M2 including the spot welded portion S before and after welding (before and after energization between the
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。 As shown in FIG. 2, the temperature of the nugget portion N and the vicinity thereof increases with the start of energization (at the time indicated by A in FIG. 2), and the transmitted magnetic field Ht increases abruptly when the temperature reaches or exceeds the magnetic transformation point. . At this time, the increment of the transmission magnetic field Ht (ΔHt in FIG. 2) is proportional to the volume of the region where the temperature is equal to or higher than the magnetic transformation point including the nugget portion N.
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。 Thereafter, when energization is completed (at the time indicated by B in FIG. 2), the spot welded portion S begins to cool, and the transmitted magnetic field Ht decreases rapidly as the area below the magnetic transformation point increases. Here, after the energization is completed, it is considered that the cooling starts after the nugget portion N is first solidified. Therefore, depending on the size (volume) of the nugget portion N, all regions of the spot welded portion S are magnetically transformed. It takes a certain time (Δt in FIG. 2) to reach a temperature below the point. That is, if the size of the nugget portion N is large, it is considered that the time until all regions reach a temperature below the magnetic transformation point is long.
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。 From the above, in determining whether the dimensions of the nugget portion N are good, it is possible to use the increment ΔHt of the transmitted magnetic field or the time Δt until the temperature of the entire region of the spot welded portion S becomes equal to or lower than the magnetic transformation point after energization. Although it is considered possible, in the present embodiment, a configuration using Δt is adopted for the following reasons (1) and (2).
(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。
(1) ΔHt is proportional to the volume of the region where the temperature is equal to or higher than the magnetic transformation point including the nugget portion N as described above. Here, it is known that by repeating spot welding, the tip portions of the
(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。
(2) On the other hand, Δt corresponds to the time until the temperature after the nugget portion N is melted and solidified until it reaches a temperature equal to or lower than the magnetic transformation point. 2b, and the influence of the consumption of the
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。
For the above reasons, the
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。
FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between Δt measured by the
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。
As described above, according to the spot welded
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。
In addition, since the
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。
More specifically, as shown in FIG. 4, the
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
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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。 An apparatus for inspecting a spot weld formed by energizing between a pair of electrodes opposed to each other with a stacked steel plate interposed therebetween,
An electromagnet disposed near one of the electrodes so as to generate a high-frequency magnetic field toward the spot weld,
A detection coil disposed in the vicinity of the other electrode so as to detect a high-frequency magnetic field generated by the electromagnet and transmitted through the spot weld,
A spot welded portion inspection apparatus comprising: means for measuring a time from when the induced voltage induced in the detection coil drops to a predetermined value after the energization between the pair of electrodes ends.
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