JP2007232525A - 超音波によるスポット溶接部の評価方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【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、前記複数の位置において受波された超音波の透過時間や振幅を検出することにより、スポット溶接部の健全性を評価する。
【選択図】図５

Description

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。

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。

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。

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。

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。

特開２０００−１４６９２８号公報 特開２００２−１３１２９７号公報 特開平１１−２６２７号公報 特開平６−２６５５２９号公報 特開昭６２−５２４５６号公報 特開２００４−１６３２１０号公報

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１５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。

即ち、図１５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、正常に溶接が行われた場合に比べてナゲット径が小さくなり、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。

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。

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。この問題は、測定時間が短時間に限られるため、Ｌａｍｂ波探触子とスポット溶接部との相対位置の調整を十分に行うことができない場合に顕著に発生する。特許文献６では、正しくスポット溶接部の健全性を評価するためには長い測定時間が必要である。

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。

又、特許文献６に示された方法を用いてスポット溶接部の健全性を評価しようとする場合、特開２００４−１６３２１０号公報の請求項３に示した２つの周波数ｆ１及びｆ２（ｆ１＜ｆ２）のＬａｍｂ波を用いて透過したＬａｍｂ波の振幅Ａ１及びＡ２を検出し、それらの比（Ａ２／Ａ１）を求める方法を用いない場合には、２つのＬａｍｂ波探触子と金属板との接触状態の変化によって、透過したＬａｍｂ波の振幅が変化する場合があるため、スポット溶接部の健全性を正しく評価できないことがあることも判明した。この問題も、測定時間が短時間に限られ、Ｌａｍｂ波探触子と金属板との接触状態を十分に安定させることができない場合に顕著に発生する。この点からも、特許文献６では、正しくスポット溶接部の健全性を評価するためには長い測定時間が必要である。なお、２つの周波数のＬａｍｂ波を用いる場合には、Ｌａｍｂ波の通過パスを同じにする必要から、１つのＬａｍｂ波探触子の内部に２つの超音波振動子を前後に並べて取り付ける必要があるため、Ｌａｍｂ波探触子が大型化することが避けられないので、狭い場所にあるスポット溶接部の評価が難しい問題があった。

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、測定時間が短時間に限られる場合においても、信頼性高くスポット溶接部の健全性を評価することにある。また、本発明は超音波探触子と金属板との接触状態に局所的な不具合があった場合にはこれを検知することにより信頼性高くスポット溶接部の健全性を評価することをその課題とする。

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、前記複数位置において受波された超音波の透過時間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によって、前記課題を解決したものである。

前記複数位置において受波された超音波の振幅も検出することにより、スポット溶接部のナゲットの径を精度良く測定するようにしたものである。

又、前記超音波の透過時間の検出値から、超音波の送波手段および超音波の受波手段と金属板との接触状態を判別するようにしたものである。

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、前記複数位置において受波された超音波の透過時間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。

又、前記スポット溶接部のナゲットの径を測定する手段が、前記複数位置において受波された超音波の振幅も検出するようにしたものである。

又、前記受波された超音波の透過時間の検出値から、超音波の送波手段および超音波の受波手段と金属板との接触状態を判別する手段を備えるようにしたものである。

又、前記超音波の送波手段を、振動子アレイを備えた超音波探触子としたものである。

又、前記超音波の受波手段を、振動子アレイを備えた超音波探触子としたものである。

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場合においても、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である。また、本発明では超音波探触子と金属板との接触状態に局所的な不具合があった場合にはこれを検知することができるので、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である。

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。

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。

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。

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１１_１〜１１_Ｎ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２１_１〜２１_Ｎ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８の場合である。振動子アレイの振動子１１_１〜１１_Ｎ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１１_１〜１１_Ｎ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。

超音波探触子１０の振動子１１_１から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１_１〜２１_Ｎによって受波する。次に、超音波探触子１０の振動子１１_２から送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１_１〜２１_Ｎによって受波する。この過程を、超音波探触子１０の振動子１１_Ｎから送波された超音波を、超音波探触子２０の振動子２１_１〜２１_Ｎによって受波するまで、送波を行う振動子１１_ｎ（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２１_１〜２１_Ｎによって受波することができる。

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）性質のほか、超音波の伝搬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、図５に第１実施形態を模式的に示すように、被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝搬経路（図５ではｘ方向へ超音波が伝搬）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（透過時間。伝達時間ともいう。）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が変化した後、超音波探触子２０に受波される。

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、振動子アレイの振動子１１ｎが送波し、振動子アレイの振動子２１_ｎ（ｎ＝１，２，‥，８、それぞれ向かい合う振動子が超音波の送波および受波を行う）が受波した超音波の透過時間を検出した結果（アレイ配列方向でみた受波超音波の透過時間プロフィル）である。以下、ｎを素子番号と称する。横軸に示した１から８が素子番号に対応する。

図６の透過時間プロフィルにおいて、超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含む場合の超音波の透過時間は、超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まない場合（素子番号１および８）の受波の透過時間と比べ、大きくなっている。これは、溶融凝固組織２ｂを有する部分をその表面沿いに伝搬する超音波の伝搬速度が、鋼板の金属組織をその表面沿いに伝搬する超音波の伝搬速度よりも小さいことによる。したがって、図６において受波の透過時間が大きい部分の幅が、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。

又、図７は、表面になだらかな曲率を有する板厚２．６ｍｍの２枚の鋼板を重ねてスポット溶接を行った別のサンプルを用いて同様の測定を行った結果である。超音波探触子１０および超音波探触子２０が金属板に当接される表面（以下、接触面）は平面であるため、接触面と前記サンプル表面との間に若干の隙間が生じた。そこで、この隙間に接触媒質が満たされるようにして測定を行った。この隙間は超音波探触子１０および超音波探触子２０の素子番号８側に発生していた。図６と図７とを比較すると、素子番号ｎが大きい場合に、表面になだらかな曲率を有するサンプルにおける超音波の透過時間が大きくなっている。この原因は、隙間に満たされた接触媒質を超音波が伝搬する時間が透過時間に上乗せされていることである。逆に、溶融凝固組織２ｂを含まない伝搬経路をとる超音波の透過時間を比較することによって、超音波探触子１０、または超音波探触子２０と金属板との間の隙間の有無、即ち、接触状態を判別することができる。

図８は第１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１１_１〜１１_８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２１_１〜２１_８を備えた超音波探触子２０、前記振動子アレイ１１_１〜１１_８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２１_１〜２１_８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１１_１〜１１_８との間に介在して、振動子アレイ１１_１〜１１_８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２１_１〜２１_８との間に介在して、振動子アレイ２１_１〜２１_８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透過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透過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。

図８に示した装置において、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１１_１〜１１_８及び２１_１〜２１_８のアレイ配列方向における振動子の幅を１．６ｍｍ、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。ナゲット径の測定では、振動子アレイの振動子１１_ｎが送波し、振動子アレイの振動子２１_ｎ（ｎ＝１，２，‥，８、それぞれ向かい合う振動子が超音波の送波および受波を行う）が受波した超音波の振幅から、図９に示すように、アレイ配列方向でみた受波超音波の透過時間プロフィルを補間によって求めて、この透過時間プロフィルが所定のしきい値Ｔｔを上回る幅Ｗｔを求めた。そして、該Ｗｔをナゲット径とした。

ここで、しきい値Ｔｔの設定方法は下記のとおりとした。即ち、予め数例のサンプルを用いて、断面検鏡の結果と前記透過時間プロフィルとを比較した結果、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の透過時間に対してほぼ＋０．５％をしきい値Ｔｔとすると、検鏡により求めたナゲット径と本発明により求めたナゲット径が最もよく一致することが判明したので、ここではしきい値Ｔｔを＋０．５％とした。なお、前記しきい値Ｔｔ（＋０．５％）は一例であって、実際は、測定対象ごとに実験値等に基づいてしきい値の設定を行うのが良い。

図８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。

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、精密な減衰測定には超音波探触子とサンプルとの接触状態の安定化が必要な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、本発明では超音波探触子と金属板との接触状態に局所的な不具合があった場合にはこれを検知することにより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である。

なお、振動子アレイ１１_１〜１１_Ｎ及び２１_１〜２１_Ｎ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１１_１〜１１_Ｎ及び２１_１〜２１_Ｎ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。振動子の幅が十分に小さい場合には、透過時間プロフィルにしきい値を設定してナゲット径を測定する方法ではなく、溶融凝固組織を含まない経路での受波超音波の透過時間をτ0としたとき、単に、超音波透過時間がτ0から変化している幅Ｗｔを求めてナゲット径とすることも可能である。また、図９に示した受波超音波のアレイ配列方向での透過時間プロフィルを用い、受波超音波の透過時間の最大値と溶融凝固組織を含まない経路での受波超音波の透過時間との比を求めて、これからナゲット径を求めることも可能である。

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。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第１実施形態と共通する部分は説明を省略する。

スポット溶接部２に生成されるナゲット２ａは、図４を用いて既に説明したとおり、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。又、この溶融凝固組織２ｂは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。従って、図１１に模式的に示すように、被検体の表面沿いに伝搬する超音波の伝搬経路（図１１ではｘ方向へ超音波が伝搬）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透過する超音波の透過波高さ（振幅ともいう）が低下する。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の長さに応じて振幅が低下した後、超音波探触子２０に受波される。

図１２は、図６に示した実験において、同時にアレイ配列方向でみた受波超音波の振幅プロフィル（透過波高さとも言う）を測定した結果である。以下、ｎを素子番号と称する。横軸に示した１から８が素子番号に対応する。図１２の振幅プロフィルにおいて、超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含む場合の受波超音波の振幅は、超音波の伝搬経路に溶融凝固組織２ｂを含まない場合（素子番号１および８）の受波超音波の振幅と比べ、小さくなっている。これは、溶融凝固組織２ｂを有する部分をその表面沿いに伝搬する超音波が溶融凝固組織２ｂによる減衰を受けることによる。ゆえに、図１２において受波超音波の振幅が小さい部分の幅が、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。具体的には、アレイ配列方向でみた受波超音波の振幅プロフィル（透過波高さプロフィルとも言う）を補間によって求めて、この振幅プロフィルが所定のしきい値Ｔａを下回る部分（減衰帯）の幅を求める。そして、該減衰帯の幅Ｗａをナゲット径とする。

以上から、アレイ配列方向でみた受波超音波の透過時間プロフィルとアレイ配列方向でみた受波超音波の振幅プロフィルとを同時に測定することによって、２通りのナゲット径を求めることができる。即ち、受波超音波の透過時間プロフィルから求めたナゲット径Ｎｔおよびアレイ配列方向でみた受波超音波の振幅プロフィルから求めたナゲット径Ｎａを同時に求めることができる。これら２つのナゲット径測定値を組み合わせることにより、一方のみを用いるナゲット径測定よりも高精度の測定を行うことが可能である。例えば、ＮｔとＮａとの平均値をナゲット径とする方法、ＮｔとＮａとの荷重平均値をナゲット径とする方法、２つの測定値の乖離が大きい場合には、いずれか一方の測定値をナゲット径とする方法などが考えられる。

また、本実施形態においても、図７を用いて説明したのと同様に、超音波の透過時間から超音波探触子１０、または超音波探触子２０と金属板との間の隙間の有無、即ち、接触状態を判別することができる。

図１３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１１_１〜１１_８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２１_１〜２１_８を備えた超音波探触子２０、前記振動子アレイ１１_１〜１１_８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２１_１〜２１_８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１１_１〜１１_８との間に介在して、振動子アレイ１１_１〜１１_８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２１_１〜２１_８との間に介在して、振動子アレイ２１_１〜２１_８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透過時間を検出する時間計測手段３２、前記ゲート手段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回路３３、前記時間計測手段３２および前記ピーク値検出回路３３によって検出された受波超音波の透過時間および振幅から、ナゲット径を演算する演算装置３４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透過時間および振幅を検出するようにゲート手段３１、時間計測手段３２、およびピーク値検出回路３３を構成することもできる。

図１３に示した装置において、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１１_１〜１１_８及び２１_１〜２１_８のアレイ配列方向における振動子の幅を１．６ｍｍ、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。なお、これらサンプルは実施例１のサンプルとは異なる。

透過時間に基づくナゲット径Ｎｔの測定では、振動子アレイの振動子１１_ｎが送波し、振動子アレイの振動子２１_ｎ（ｎ＝１，２，‥，８、それぞれ向かい合う振動子が超音波の送波および受波を行う）が受波した超音波から、図９に示すように、アレイ配列方向でみた受波超音波の透過時間プロフィルを補間によって求めて、この透過時間プロフィルが所定のしきい値を上回る幅Ｗｔを求めた。そして、該Ｗｔをナゲット径とした。

ここで、しきい値Ｔｔの設定方法は下記のとおりとした。即ち、予め数例のサンプルを用いて、断面検鏡の結果と前記透過時間プロフィルとを比較した結果、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の透過時間に対してほぼ＋０．５％をしきい値Ｔｔとすると、検鏡により求めたナゲット径と本発明により求めたナゲット径が最もよく一致することが判明したので、ここではしきい値Ｔｔを＋０．５％とした。なお、前記しきい値Ｔｔ（＋０．５％）は一例であって、実際は、測定対象ごとに実験値等に基づいてしきい値の設定を行うのが良い。

また、振幅に基づくナゲット径Ｎａの測定では、振動子アレイの振動子１１_ｎが送波し、振動子アレイの振動子２１_ｎ（ｎ＝１，２，‥，８、それぞれ向かい合う振動子が超音波の送波および受波を行う）が受波した超音波の振幅から、図１２に示すように、アレイ配列方向でみた受波超音波の振幅プロフィルを補間によって求めて、この透過時間プロフィルが所定のしきい値Ｔａを下回る幅Ｗａを求めた。そして、該Ｗａをナゲット径とした。

ここで、しきい値Ｔａの設定方法は下記のとおりとした。即ち、予め数例のサンプルを用いて、断面検鏡（切断試験とも言う）の結果と前記振幅プロフィルとを比較した結果、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の振幅に対してほぼ−６ｄＢをしきい値Ｔａとすると、検鏡により求めたナゲット径と本発明により求めたナゲット径が最もよく一致することが判明したので、ここではしきい値Ｔａを−６ｄＢとした。なお、前記しきい値Ｔａ（−６ｄＢ）は一例であって、実際は、測定対象ごとに実験値等に基づいてしきい値の設定を行うのが良い。

図１３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では、透過時間に基づくナゲット径Ｎｔと振幅に基づくナゲット径Ｎａとの平均値をナゲット径とした。図１４によれば、全ての測定値が±０．４ｍｍ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。ここでは、透過時間に基づくナゲット径Ｎｔと振幅に基づくナゲット径Ｎａとの平均値を利用した例を説明した。これは、一例にすぎず、両者の最大値または最小値、あるいは両者のうち一方が想定されるナゲット径範囲外の測定値となった場合は他方の値を採用するような信頼度を考慮した判定など、測定対象や測定外乱等にあわせて、適宜判定方法を変更すればよい。

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６０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、精密な減衰測定には超音波探触子とサンプルとの接触状態の安定化が必要な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、本発明では超音波探触子と金属板との接触状態に局所的な不具合があった場合にはこれを検知することにより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である。

なお、第１実施形態と同様に、振動子アレイ１１_１〜１１_Ｎ及び２１_１〜２１_Ｎ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。

前記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。

なお、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。

本発明の実施形態の基本構成を示す斜視図 本発明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 同じく平面図 スポット溶接部の断面図 超音波透過時間とナゲットとの関係を示す説明図 透過時間プロフィルの測定例 なだらかな曲率を有するサンプルに対する透過時間プロフィルの測定例 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 透過時間プロフィルからのナゲット径測定方法を示す説明図 本発明法による測定結果の精度を示す線図 受波超音波振幅とナゲットとの関係を示す説明図 振幅プロフィルからのナゲット径測定方法を示す説明図 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 第２実施形態による測定結果の精度を示す線図 スポット溶接部を解説するための断面図

符号の説明

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…ゲート回路
３２…時間計測装置
３３…ピーク値検出回路
３４…演算装置

Claims (8)

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、
   前記複数位置において受波された超音波の透過時間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。
2. 請求項１において、前記複数位置において受波された超音波の振幅も検出して、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。
3. 請求項１又は２において、前記超音波の透過時間の検出値から、超音波の送波手段および超音波の受波手段と金属板との接触状態を判別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。
4. 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、
   前記複数位置において受波された超音波の透過時間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。
5. 請求項４において、前記スポット溶接部のナゲットの径を測定する手段が、前記複数位置において受波された超音波の振幅も検出するようにされてい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。
6. 請求項４又は５において、前記受波された超音波の透過時間の検出値から、超音波の送波手段および超音波の受波手段と金属板との接触状態を判別する手段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。
7. 請求項４乃至６のいずれかにおいて、前記超音波の送波手段が、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。
8. 請求項４乃至７のいずれかにおいて、前記超音波の受波手段が、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。

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