JP2008139233A - スポット溶接モニタリング装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナゲット部の寸法の良否等のスポット溶接の状態を、溶接工程において効率良く且つ精度良くモニタリングすることが可能な装置及び方法を提供する。
【解決手段】スポット溶接モニタリング装置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って行われるスポット溶接の状態をモニタリングする装置である。モニタリング装置は、電極間への通電によって鋼板に形成されるスポット溶接部Ｓに向けて高周波磁束を発生し得るように一方の電極近傍に配置された励磁コイル１１と、スポット溶接部を透過する高周波磁束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１２と、電極間への通電開始後の誘起電圧と通電開始前の誘起電圧との差を電極間への通電を開始してから終了するまで時間積分した第１の時間積分値等を特徴量として算出する演算手段１３とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼板のスポット溶接の状態をモニタリングする装置及び方法に関し、特に、スポット溶接の状態を溶接工程において効率良く且つ精度良くモニタリングすることが可能な装置及び方法に関する。

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。

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。

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１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断面図である。図１（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１（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１（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。

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。

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。

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１（ｂ）に示す形態のナゲット部と、図１（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。

上記のような従来技術の問題点を解決するため、本発明の発明者らは、溶接工程において鋼板に磁場を作用させることにより生じる渦電流の変化を利用し、溶接工程中にスポット溶接部を電磁気的に検査するスポット溶接部検査装置を提案した（特許文献５参照）。すなわち、特許文献５には、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が提案されている。

より具体的には、特許文献５には、生成されるナゲット部の体積と正の相関関係を有すると考えられる、誘起電圧が一対の電極間の通電を終了してから所定値（通電開始前と同等の値）に降下するまでの時間（この時間は、図２に示すように、スポット溶接部を透過する透過磁束の磁束密度Ｂｔが一対の電極間の通電を終了してから所定値（通電開始前の透過磁束の磁束密度Ｂｔｉと同等の値）に降下するまでの時間Δｔに相当する）を測定し、この測定した時間Δｔの大小によってナゲット部の寸法の良否を判定することが提案されている。
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 特開２００６−２９８８２号公報

しかしながら、特許文献５に記載の時間Δｔは、通常、極めて短い時間（０．０２秒以下）であるため、精度良く計数することが実用的には困難である。また、検出コイルの出力に雑音が重畳した場合、誘起電圧が通電開始前と同等の値に復帰する時点（図２に示すように、透過磁束密度Ｂｔが通電開始前の透過磁束密度Ｂｔｉと同等の値に復帰する時点Ｂに相当）の同定に誤差が生じる。以上の理由により、Δｔの測定に誤差が生じ易くなる結果、ナゲット部の寸法の良否を精度良く判定することが困難であった。

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、ナゲット部の寸法の良否等のスポット溶接の状態を、溶接工程において効率良く且つ精度良くモニタリングすることが可能な装置及び方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは、溶接条件を種々変更して試験を行い、鋭意検討した結果、溶接を開始してから終了するまでのスポット溶接部の透過磁束の時間的な推移が、ナゲット部の生成に密接に関連していることを見出した。本発明は、斯かる発明者らの知見に基づき完成されたものである。

すなわち、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って行われるスポット溶接の状態をモニタリングする装置であって、前記一対の電極間への通電によって鋼板に形成されるスポット溶接部に向けて高周波磁束を発生し得るように、一方の電極近傍に配置された励磁コイルと、前記励磁コイル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束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、前記高周波磁束によって前記検出コイルに誘起される誘起電圧の特徴量を演算する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電を開始してから終了するまで時間積分した第１の時間積分値、或いは、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電期間の略前半の期間において時間積分した第２の時間積分値を、前記特徴量として算出することを特徴とするスポット溶接モニタリング装置を提供するものである。

好ましくは、前記演算手段は、前記一対の電極間への通電を開始してから終了するまでの誘起電圧の変曲点の有無又は誘起電圧の上昇率を、前記特徴量として更に算出する構成とされる。

好ましくは、前記演算手段には、前記第１の時間積分値又は第２の時間積分値と、前記スポット溶接部のナゲット部の寸法との対応関係が予め記憶されており、前記演算手段は、前記算出した第１の時間積分値又は第２の時間積分値と前記対応関係とに基づいて、前記算出した第１の時間積分値又は第２の時間積分値に対応するナゲット部の寸法を判定する構成とされる。

また、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って行われるスポット溶接の状態をモニタリングする方法であって、一方の電極近傍に励磁コイルを配置し、該励磁コイルによって、前記一対の電極間への通電によって鋼板に形成されるスポット溶接部に向けて高周波磁束を発生させるステップと、他方の電極近傍に検出コイルを配置し、該検出コイルによって、前記励磁コイル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束を検出するステップと、前記高周波磁束によって前記検出コイルに誘起される誘起電圧の特徴量を演算するステップとを含み、前記特徴量を演算するステップにおいて、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電を開始してから終了するまで時間積分した第１の時間積分値、或いは、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電期間の略前半の期間において時間積分した第２の時間積分値を、前記特徴量として算出することを特徴とするスポット溶接モニタリング方法としても提供される。

本発明に係るスポット溶接モニタリング装置及び方法によれば、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（ナゲット部）の寸法の良否等のスポット溶接の状態を、溶接工程において精度良くモニタリングすることが可能である。このため、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。

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３は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接モニタリング装置の概略構成を模式的に示す断面図である。
図３に示すように、本実施形態に係るスポット溶接モニタリング装置（以下、適宜「モニタリング装置」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って行われるスポット溶接の状態をモニタリングする装置である。

モニタリング装置１は、スポット溶接によって鋼板Ｍ１、Ｍ２に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）に向けて高周波磁束を発生し得るように、一方の電極２ａ近傍に配置された励磁コイル（空芯コイル）１１と、励磁コイル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束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（空芯コイル）１２と、高周波磁束によって検出コイル１２に誘起される誘起電圧の特徴量を演算する演算手段１３とを備えている。

また、本実施形態に係るモニタリング装置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。

高周波電源１４は、励磁コイル１１に高周波電流を供給するものであり、これにより励磁コイル１１は高周波磁束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数ｋＨｚ以上にするのが好ましい。

励磁コイル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束は、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間に通電する溶接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から励磁コイル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。

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、その振幅成分が検出される。この誘起電圧の振幅成分は、スポット溶接部Ｓを透過する透過磁束の磁束密度に応じて変化する。

演算手段１３は、検波器１７によって検出された誘起電圧の振幅成分に基づき、電極２ａ、２ｂ間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、電極２ａ、２ｂ間への通電を開始してから終了するまで時間積分し、これによって得られる第１の時間積分値を前記特徴量として算出するように構成されている。スポット溶接部Ｓの良否（ナゲット部Ｎの寸法の良否）は、算出された第１の時間積分値の大小に応じて判定することが可能である。

以下、第１の時間積分値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。

一般に、鋼板に高周波磁束を作用させると、当該高周波磁束を打ち消すように、鋼板に渦電流が流れることは周知の事実である。本実施形態に係るモニタリング装置１の場合も、励磁コイル１１によって発生した高周波磁束を打ち消すように（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、高周波磁束の周波数（高周波電源１４から励磁コイル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。

ここで、電極２ａ、２ｂ間に通電することにより、電極２ａ、２ｂ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。

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。

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。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。

渦電流が急激に減少すると、励磁コイル１１によって発生した高周波磁束の鋼板Ｍ１、Ｍ２への侵入が顕著となる結果、鋼板Ｍ１、Ｍ２を透過する磁束が増大し、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。

磁束が透過する鋼板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を透過する磁束の大小（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、溶接中の透過磁束（溶接中に検出コイル１２に誘起される誘起電圧）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。

図４は、溶接前後（電極２ａ、２ｂ間の通電前後）において、検出コイル１２に誘起される誘起電圧を測定した結果の一例を示すグラフである。図４に示すように、誘起電圧の変化の様子は、図２の模式図を参照して前述した溶接前後における透過磁束の変化の様子と同様の傾向を示す。

すなわち、図４に示すように、通電開始（図４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、誘起電圧が増大（透過磁束が増大）する。その後、通電が終了（図４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誘起電圧が低下（透過磁束が低下）することになる。

ここで、本発明の発明者らは、ナゲット部Ｎの寸法を推定するために有効な溶接中の透過磁束の特徴量（誘起電圧の特徴量）として、以下の（１）及び（２）の特徴量を検討した。すなわち、
（１）溶接開始後（電極２ａ、２ｂ間への通電開始後）の透過磁束の磁束密度Ｂｔと、溶接開始前（電極２ａ、２ｂ間への通電開始前）の透過磁束の磁束密度Ｂｔｉとの差ΔＢｔの最大値であるΔＢｔｍａｘ（図２参照）と、
（２）溶接開始後（電極２ａ、２ｂ間への通電開始後）の透過磁束の磁束密度Ｂｔと、溶接開始前（電極２ａ、２ｂ間への通電開始前）の透過磁束の磁束密度Ｂｔｉとの差ΔＢｔを、溶接を開始してから終了するまで（電極２ａ、２ｂ間への通電を開始してから終了するまで）時間積分して得られるＢｔ積分値（図２でハッチを施した部分の面積に相当）とである。

なお、上記（１）、（２）において、透過磁束密度Ｂｔと透過磁束密度Ｂｔｉとの差ΔＢｔを用いたのは以下の理由である。すなわち、鋼板Ｍ１、Ｍ２の端面近傍をスポット溶接する場合には、鋼板Ｍ１、Ｍ２の端面を回り込む磁束が発生するため、溶接開始前の透過磁束密度Ｂｔｉが増大する。この透過磁束密度Ｂｔｉの増大に応じて、溶接開始後の透過磁束密度Ｂｔも増大することになる。しかしながら、透過磁束密度Ｂｔと透過磁束密度Ｂｔｉとの差ΔＢｔを用いれば、透過磁束密度Ｂｔｉの増大の影響は抑制されることになる。すなわち、鋼板Ｍ１、Ｍ２の端面近傍とそれ以外の部位とで同等の評価が可能になる。以上の理由から、上記（１）、（２）においては、透過磁束密度Ｂｔと透過磁束密度Ｂｔｉとの差ΔＢｔを用いている。

また、上記（１）のΔＢｔｍａｘは、実際には、電極２ａ、２ｂ間への通電開始後の誘起電圧Ｖｔと、通電開始前の誘起電圧Ｖｔｉとの差ΔＶｔの最大値であるΔＶｔｍａｘとして検出される（図４参照）。また、上記（２）のＢｔ積分値は、実際には、電極２ａ、２ｂ間への通電開始後の誘起電圧Ｖｔと、通電開始前の誘起電圧Ｖｔｉとの差ΔＶｔを、通電を開始してから終了するまで時間積分した第１の時間積分値（以下、適宜「Ｖｔ積分値」という）として検出される（図４でハッチを施した部分の面積に相当）。

図５は、電極２ａ、２ｂ間に通電する溶接電流と、上記のΔＶｔｍａｘ（ΔＢｔｍａｘに相当）及びＶｔ積分値（Ｂｔ積分値に相当）との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。図５（ａ）は溶接電流とΔＶｔｍａｘとの相関を、図５（ａ）は溶接電流とＶｔ積分値との相関を示す。図５に示すグラフは、スポット溶接する鋼板Ｍ１、Ｍ２の部位及び溶接電流の条件を変更して、各条件下でΔＶｔｍａｘ及びＶｔ積分値を測定する試験を行い、その結果を同時にプロットしたものである。

溶接電流が小さい場合、スポット溶接部Ｓへの入熱不足でナゲット部Ｎの成長は不十分となる。このため、溶接電流と誘起電圧とは正の相関を示すべきであるが、図５（ａ）に示すように、ΔＶｔｍａｘはバラツキが大きく、溶接電流との相関が悪い。これに対して、図５（ｂ）に示すように、Ｖｔ積分値は溶接電流と比較的良好な相関（正の相関）を示す。この理由は、ΔＶｔｍａｘが溶接終了時の一点の誘起電圧（透過磁束）で検出される（誘起電圧（透過磁束）は溶接終了時に最大値となるため）のに対して、Ｖｔ積分値は溶接中の誘起電圧（透過磁束）の時間的な推移全般を積分値として評価しているため、バラツキが低減するのが原因であると考えられる。

以上の理由により、本実施形態に係るモニタリング装置１（演算手段１３）は、誘起電圧（透過磁束）の特徴量としてＶｔ積分値（Ｂｔ積分値に相当）を算出する構成を採用している。算出されたＶｔ積分値の大小に応じて、これと正の相関を示す溶接電流の大小、ひいてはナゲット部Ｎの寸法の大小を判定することが可能である。

図６は、ナゲット部Ｎの寸法とＶｔ積分値との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。図６に示すグラフは、スポット溶接する鋼板Ｍ１、Ｍ２の部位及び溶接電流の条件を変更して、各条件下でナゲット部Ｎの寸法及びＶｔ積分値を測定する試験を行い、その結果を同時にプロットしたものである。なお、図６に示すナゲット部Ｎの寸法（ナゲット部Ｎの径と厚みとの積）は、ＪＩＳ Ｚ ３１４４「スポット及びプロジェクション溶接部の現場試験方法」に準じ、溶接後に破壊検査を行って実測した（以降の説明におけるナゲット部Ｎの寸法測定方法も同様である）。図６に示すように、ナゲット部Ｎの寸法とＶｔ積分値とは良好な相関関係を示しており、算出されたＶｔ積分値の大小に応じて、ナゲット部Ｎの寸法の大小を判定可能であることが分かる。

なお、演算手段１３はＶｔ積分値（第１の積分値）を算出するまでの構成とし、オペレータが、前記算出されたＶｔ積分値を目視で確認し、そ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）を判定しても良い。しかしながら、オペレータの負荷を軽減すると共に、判定の客観性を高めるには、演算手段１３がナゲット部Ｎの寸法を自動判定する構成とすることが好ましい。具体的には、演算手段１３に、図６に示すようなＶｔ積分値とスポット溶接部Ｓのナゲット部Ｎの寸法（ナゲット部Ｎの径と厚みとの積）との対応関係を予め記憶しておく。そして、演算手段１３が、算出したＶｔ積分値と前記対応関係とに基づいて、前記算出したＶｔ積分値に対応するナゲット部Ｎの寸法を判定する構成とすれば良い。さらに好ましくは、演算手段１３がナゲット部Ｎの寸法の良否を自動判定する構成としてもよい。具体的には、演算手段１３が上記のようにナゲット部Ｎの寸法を判定した後、該ナゲット部Ｎの寸法と予め設定した所定のしきい値とを比較して、しきい値よりもナゲット部Ｎの寸法が大きければナゲット部Ｎの寸法は良好であり、しきい値よりもナゲット部Ｎの寸法が小さければナゲット部Ｎの寸法は不良と判定する構成にすればよい。

以上に説明したように、本実施形態に係るスポット溶接モニタリング装置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（ナゲット部Ｎ）の寸法の良否を、溶接工程において精度良くモニタリングすることが可能である。このため、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。

なお、自動車の車体製造等の製造現場にスポット溶接を適用する場合、同一の電極２ａ、２ｂの使用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、スポット溶接部Ｓへの入熱不足によってナゲット部Ｎの寸法が低下してくる。

図７は、スポット溶接の打点数（溶接回数）とナゲット部Ｎの寸法との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。図７の横軸は各スポット溶接を行う際に使用する電極２ａ、２ｂの過去の使用回数（すなわち打点数）を、縦軸は当該打点数を経た電極２ａ、２ｂを使用することで形成されたナゲット部Ｎの寸法を示す。図７に示すグラフは、鋼板Ｍ１、Ｍ２の部位を変更してスポット溶接し、そのときまでの電極２ａ、２ｂの使用回数を記録すると共に、各スポット溶接によって形成されたナゲット部Ｎの寸法を測定する試験を行い、その結果を同時にプロットしたものである。図７から分かるように、スポット溶接の打点数が増えると、電極２ａ、２ｂの消耗が進み、ナゲット部Ｎの寸法が低下する傾向を示す。電極２ａ、２ｂの消耗が過度に進むと、ナゲット部Ｓの寸法が許容値外に低下する虞があるため、電極２ａ、２ｂをどの程度の使用回数で交換するかが重要な管理ポイントになっている。

本発明の発明者らは、鋭意検討した結果、電極２ａ、２ｂの消耗による入熱不足に起因したナゲット部Ｎの寸法低下に応じて、スポット溶接の溶接期間の略前半の期間における透過磁束の特徴量（検出コイル１２に誘起される誘起電圧の特徴量）に有意差が生じることを見出した。より具体的には、溶接開始後（電極２ａ、２ｂ間への通電開始後）の透過磁束密度Ｂｔと、溶接開始前（電極２ａ、２ｂ間への通電開始前）の透過磁束密度Ｂｔｉとの差ΔＢｔを、溶接期間の略前半の期間において（電極２ａ、２ｂ間への通電期間の略前半の期間において）時間積分することにより得られるＢｔ前半期積分値に、ナゲット部Ｎの寸法に応じた有意差が生じることを見出した。このＢｔ前半期積分値は、実際には、電極２ａ、２ｂ間への通電開始後の誘起電圧Ｖｔと、通電開始前の誘起電圧Ｖｔｉとの差ΔＶｔを、通電を開始してから通電期間の略前半の期間が終了するまで時間積分した第２の時間積分値（以下、適宜「Ｖｔ前半期積分値」という）として検出される。

図８は、スポット溶接の打点数（溶接回数）とＶｔ前半期積分値との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。図８の横軸は各スポット溶接を行う際に使用する電極２ａ、２ｂの過去の使用回数（すなわち打点数）を、縦軸は当該打点数を経た電極２ａ、２ｂを使用したＶｔ前半期積分値を示す。図８に示すグラフは、鋼板Ｍ１、Ｍ２の部位を変更してスポット溶接し、そのときまでの電極２ａ、２ｂの使用回数を記録すると共に、各スポット溶接の際のＶｔ前半期積分値を測定する試験を行い、その結果を同時にプロットしたものである。図８から分かるように、スポット溶接の打点数とＶｔ前半期積分値との相関は、打点数とナゲット部Ｎの寸法との相関（図７参照）と略同様の傾向を示している。従って、電極２ａ、２ｂの消耗による入熱不足に起因したナゲット部Ｎの寸法低下、ひいては電極２ａ、２ｂの交換時期は、Ｖｔ前半期積分値を算出し、この算出されたＶｔ前半期積分値の大小に応じて判定することが可能である。

従って、特に、電極２ａ、２ｂの消耗による入熱不足に起因したナゲット部Ｎの寸法低下や電極２ａ、２ｂの交換時期を判定したい場合には、本実施形態に係る演算手段１３が、前述したＶｔ積分値に替えてＶｔ前半期積分値を特徴量として算出する構成とすればよい。或いは、Ｖｔ積分値及びＶｔ前半期積分値の双方を特徴量として算出する構成としてもよい。

なお、演算手段１３はＶｔ前半期積分値（第２の積分値）を算出するまでの構成とし、オペレータが、前記算出されたＶｔ前半期積分値を目視で確認し、そ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）や電極２ａ、２ｂの交換時期を判定しても良い。しかしながら、オペレータの負荷を軽減すると共に、判定の客観性を高めるには、演算手段１３がナゲット部Ｎの寸法を自動判定する構成とすることが好ましい。具体的には、演算手段１３に、図７及び図８から導出されるようなＶｔ前半期積分値とスポット溶接部Ｓのナゲット部Ｎの寸法（ナゲット部Ｎの径と厚みとの積）との対応関係を予め記憶しておく。そして、演算手段１３が、算出したＶｔ前半期積分値と前記対応関係とに基づいて、前記算出したＶｔ前半期積分値に対応するナゲット部Ｎの寸法を判定する構成とすれば良い。さらに好ましくは、演算手段１３がナゲット部Ｎの寸法の良否を自動判定する構成としてもよい。具体的には、演算手段１３が上記のようにナゲット部Ｎの寸法を判定した後、該ナゲット部Ｎの寸法と予め設定した所定のしきい値とを比較して、しきい値よりもナゲット部Ｎの寸法が大きければナゲット部Ｎの寸法は良好であり、しきい値よりもナゲット部Ｎの寸法が小さければナゲット部Ｎの寸法は不良と判定する構成にすればよい。

ところで、スポット溶接の際には、過加熱によって鋼板Ｍ１、Ｍ２の溶金が外部に飛散する現象（この飛散物をチリと称する）が生じる場合がある。チリの発生は、スポット溶接部Ｓの品質や周囲環境に影響するため好ましくなく、チリが発生した場合には溶接電流を低減する等の処置が必要である。

本発明の発明者らは、鋭意検討した結果、チリが発生した場合には、スポット溶接部Ｓから溶金が排出されるために、溶接期間中にスポット溶接部Ｓの透過磁束密度Ｂｔ（検出コイル１２に誘起される誘起電圧）が一時的に低下し、再度上昇する挙動を示すことを見出した。すなわち、図９に示すように、溶接期間中の透過磁束密度Ｂｔ（誘起電圧Ｖｔ）に変曲点が存在することを見出した。或いは、変曲点は存在しないが、透過磁束密度Ｂｔ（誘起電圧Ｖｔ）の上昇が鈍化する現象が生じる場合もあることを見出した。

従って、チリの発生を検出するためには、演算手段１３が、電極２ａ、２ｂ間への通電を開始してから終了するまでの誘起電圧Ｖｔの変曲点の有無又は誘起電圧Ｖｔの上昇率を特徴量として更に算出する構成にすることが好ましい。なお、誘起電圧Ｖｔの変曲点は、例えば、図９に示すような誘起電圧Ｖｔの信号波形データに移動平均等の平滑化処理を施して高周波成分を除去し、微分処理等のエッジ強調処理を施した後、所定のしきい値と比較することにより検出可能である。また、誘起電圧Ｖｔの上昇率は、例えば、通電開始（図９においてＡで示す時点）から通電終了（図９においてＢで示す時点）までの誘起電圧Ｖｔの各データに最小自乗法等を適用して近似直線を作成し、該近似直線の傾きを上昇率として算出すればよい。

図１は、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断面図である。 図２は、溶接前後における、スポット溶接部を含む鋼板を透過する磁束の変化の様子を模式的に示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るスポット溶接モニタリング装置の概略構成を模式的に示す断面図である。 図４は、溶接前後において、検出コイルに誘起される誘起電圧を測定した結果の一例を示すグラフである。 図５は、一対の電極間に通電する溶接電流と、ΔＶｔｍａｘ及びＶｔ積分値との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。 図６は、ナゲット部の寸法とＶｔ積分値との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。 図７は、スポット溶接の打点数とナゲット部の寸法との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。 図８は、スポット溶接の打点数とＶｔ前半期積分値との相関を調査した試験結果の一例を示すグラフである。 図９は、チリが発生した場合において、検出コイルに誘起される誘起電圧を測定した結果の一例を示すグラフである。

符号の説明

１・・・スポット溶接モニタリング装置
２ａ，２ｂ・・・電極
１１・・・励磁コイル
１２・・・検出コイル
１３・・・演算手段
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
Ｎ・・・ナゲット部

Claims (4)

1. 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って行われるスポット溶接の状態をモニタリングする装置であって、
   前記一対の電極間への通電によって鋼板に形成されるスポット溶接部に向けて高周波磁束を発生し得るように、一方の電極近傍に配置された励磁コイルと、
   前記励磁コイル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束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、
   前記高周波磁束によって前記検出コイルに誘起される誘起電圧の特徴量を演算する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電を開始してから終了するまで時間積分した第１の時間積分値、或いは、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電期間の略前半の期間において時間積分した第２の時間積分値を、前記特徴量として算出することを特徴とするスポット溶接モニタリング装置。
2. 前記演算手段は、前記一対の電極間への通電を開始してから終了するまでの誘起電圧の変曲点の有無又は誘起電圧の上昇率を、前記特徴量として更に算出することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接モニタリング装置。
3. 前記演算手段には、前記第１の時間積分値又は第２の時間積分値と、前記スポット溶接部のナゲット部の寸法との対応関係が予め記憶されており、
   前記演算手段は、前記算出した第１の時間積分値又は第２の時間積分値と前記対応関係とに基づいて、前記算出した第１の時間積分値又は第２の時間積分値に対応するナゲット部の寸法を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のスポット溶接モニタリング装置。
4. 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って行われるスポット溶接の状態をモニタリングする方法であって、
   一方の電極近傍に励磁コイルを配置し、該励磁コイルによって、前記一対の電極間への通電によって鋼板に形成されるスポット溶接部に向けて高周波磁束を発生させるステップと、
   他方の電極近傍に検出コイルを配置し、該検出コイルによって、前記励磁コイル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束を検出するステップと、
   前記高周波磁束によって前記検出コイルに誘起される誘起電圧の特徴量を演算するステップとを含み、
   前記特徴量を演算するステップにおいて、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電を開始してから終了するまで時間積分した第１の時間積分値、或いは、前記一対の電極間への通電開始後の誘起電圧と、通電開始前の誘起電圧との差を、前記一対の電極間への通電期間の略前半の期間において時間積分した第２の時間積分値を、前記特徴量として算出することを特徴とするスポット溶接モニタリング方法。

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