JP2010032393A - 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】熟練度の低い検査員であっても、超音波探触子の位置とスポット溶接部の相対位置を容易に調整できるようにする。
【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表面沿いに伝搬してきた超音波を受波することにより、スポット溶接部の健全性を評価する際に、受波された超音波の振幅から、送波位置および受波位置とスポット溶接部との相対的な位置関係を検出し、該相対的位置関係に基づき、送波位置および受波位置とスポット溶接部との位置関係を調整する。
【選択図】図６

Description

本発明は、スポット溶接によって形成される溶融凝固部（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、スポット溶接部をタガネで剥離することにより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する上にコストが高くつく。また、剥離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という問題がある。

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、本願発明者は既に特許文献１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、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を提案しており、この技術によって、図１１に例示するスポット溶接部１０２に生成されるくぼみ１０２ｂの周囲に形成される傾斜面１０２ｃ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。図において、１０２ａは、スポット溶接部に生成されるナゲットである。

更に、本願発明者は既に特許文献２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、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から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ており、この技術によって、スポット溶接部に形成される窪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に成功すると共に、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況に影響されずに、信頼性高くスポット溶接部の健全性を評価することに成功した。

特開２００４−１６３２１０号公報 特開２００６−０７１４２２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、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、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。

又、特許文献１の技術では、請求項３に示した２つの周波数ｆ_１及びｆ_２（ｆ_１＜ｆ_２）のＬａｍｂ波を用いて透過したＬａｍｂ波の振幅Ａ_１及びＡ_２を検出し、それらの比（Ａ_２／Ａ_１）を求める方法を用いること無しに、スポット溶接部の健全性を評価しようとする場合には、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、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。なお、２つの周波数のＬａｍｂ波を用いる場合には、２つの超音波振動子を１つのＬａｍｂ波探触子に備える必要があるため、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。

又、特許文献２の技術においても、製造現場において熟練度が低い検査員が使用するためには、超音波探触子とスポット溶接部との位置ずれをわかりやすく具体的に表示することが必要とされていた。

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、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置のずれを熟練度の低い検査員にも分りやすく具体的に表示することにある。

本発明は、複数の板材を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部又は前記板材の表面
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板材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板材の複数の受波位置で、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、前記複数位置で受波した超音波からスポット溶接部の健全性を評価する超音波によるスポット溶接部の評価方法において、評価に際し、前記複数の受波位置で受波した超音波の振幅プロファイルから、送波位置および受波位置ならびにスポット溶接部の相対的な位置関係を検出し、該相対位置関係に基づき、送波位置および受波位置ならびにスポット溶接部の相対位置関係を調整することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記振幅プロファイルの中心位置と複数の受波位置の中心位置とのずれ量を算出し、該ずれ量に基づいて前記相対位置関係を調整することができる。

本発明は、又、複数の板材を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部又は前記板材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板材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送波手段と、スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置で、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受波手段と、前記複数位置で受波した超音波からスポット溶接部の健全性を評価する評価手段とを備えた超音波によるスポット溶接部の評価装置において、前記複数の受波位置で受波した超音波の振幅プロファイルから、送波位置および受波位置ならびにスポット溶接部の相対的な位置関係を検出する位置検出手段を備えることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記位置検出装置は、前記振幅プロファイルの中心位置と複数の受波位置の中心位置とのずれ量を算出することができる。

更に、前記位置検出手段で算出した結果を表示する表示手段を備えることができる。

又、前記送波手段および前記受波手段の少なくとも一方が振動子アレイを備えた超音波探触子であることができる。

本発明によれば、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置のずれを熟練度の低い検査員にも分りやすく具体的に表示することが可能になる。

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が本発明にいう溶接金属である。又、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、鋼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、被検体の表面沿いに伝搬する超音波は、溶融凝固組織２ｂの板表面に平行な長さに応じて減衰する。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の長さに応じた減衰を受けた後、超音波探触子２０に受波される。

図５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及び超音波探触子を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、この場合の経路をＰ_ｎとしてあらわす。）が受波した超音波の振幅をｎを横軸にとって示した結果である。経路間の振幅は補間によって示している。以下、前記超音波振幅の経路による変化を示す曲線を振幅プロフィルと称する。図５には、超音波探触子とスポット溶接部との位置関係も合わせて示している。図５（ａ）は超音波探触子とスポット溶接部との位置ずれが無い場合、図５（ｂ）はスポット溶接部が振動子アレイの配列方向ｘに対して逆方向にずれた場合、図５（ｃ）はスポット溶接部が振動子アレイの配列方向ｘに対して同方向にずれた場合を示している。図５によれば、ほぼ左右対称となる振幅プロフィルの中心を求め、該中心と振動子アレイとの中心のずれを検出することにより、超音波探触子とスポット溶接部との位置ずれ量を検出することが可能なことがわかる。更に前記ずれ量やずれの方向を表示することによって、熟練度の低い技術者であっても、容易に超音波探触子とスポット溶接部との相対位置を適切に調整することが可能である。例えば、図５（ｂ）の場合には、図６に示すようにずれ量とずれの方向を表示する。これを見て、検査員は超音波探触子を適正な位置へ移動させることができる。また、ずれ量の表示を省略し、ずれの方向が表示されなくなるまで、超音波探触子の移動を繰り返すようにすることも可能である。

図７は本発明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して、その振幅を検出するゲート手段３１、該ゲート手段３１によって検出された受波超音波の振幅を受け取って、表示器３３にナゲット径の測定結果および図６に一例を示したずれ表示を行う処理装置３２によって構成されている。

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８に示すように、アレイ配列方向で見た受波超音波の振幅プロフィルを補間によって求めて、この振幅プロフィルが所定のしきい値を下回る幅をナゲット径として求めるようになっている。

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による信号の振幅を検出するようにゲート手段３１を構成することもできる。

図７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。この測定では、超音波探触子１０及び２０とスポット溶接部２との位置ずれ許容値を１．５素子以内（位置ずれが素子幅の１．５倍以内）とし、ずれ量が許容値以内となるまで、超音波探触子１０及び２０とスポット溶接部２との相対位置を調整して測定を行った。

従来技術との対比を行うため、前記位置調整方法及び特許文献２に示された位置調整方法を用い、測定者を熟練度の低い検査員として測定を行った。図７に示した装置による（本発明による）測定結果を図９（ａ）、特許文献２に示された方法による測定結果を図９（ｂ）に示す。図９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、縦軸にそれぞれ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９によれば両者の測定精度はほぼ同一であることがわかる。図１０は３０個のサンプルの測定を行うのに要した時間を棒グラフを用いて表している。図１０（ｂ）の特許文献２に示された方法では、熟練度の低い検査員には超音波探触子を移動させる方向や移動させるべき量がわかりにくいことが原因となって測定に要した時間が長時間となったケースがあった。これに対し、図１０（ａ）の本発明の測定結果では、測定時間が全体的に短く、かつ、測定に要した時間のばらつきが小さくなった。このように、本発明によれば、超音波探触子の位置とスポット溶接部の位置のずれを熟練度の低い検査員にもわかりやすく具体的に表示することによって、熟練度の低い検査員であっても比較的短時間にスポット溶接部の健全性測定が可能である。

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ることも可能である。

なお、前記説明においては、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 超音波探触子とスポット溶接部との相対位置と振幅プロフィルとの関係を示す説明図 超音波探触子とスポット溶接部との相対位置がずれた場合の表示の例を示す説明図 本発明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 受波超音波の振幅の補間曲線を示す線図 従来法と本発明法による測定結果の精度を比較して示す線図 従来法と本発明法による測定時間を比較して示す線図 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（溶接金属）
１０、２０…超音波探触子
１１、２１…振動子アレイ

Claims (6)

1. 複数の板材を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部又は前記板材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板材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板材の複数の受波位置で、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、
   前記複数位置で受波した超音波からスポット溶接部の健全性を評価する超音波によるスポット溶接部の評価方法において、
   評価に際し、前記複数の受波位置で受波した超音波の振幅プロファイルから、送波位置および受波位置ならびにスポット溶接部の相対的な位置関係を検出し、
   該相対位置関係に基づき、送波位置および受波位置ならびにスポット溶接部の相対位置関係を調整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. 前記振幅プロファイルの中心位置と複数の受波位置の中心位置とのずれ量を算出し、該ずれ量に基づいて前記相対位置関係を調整することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部の評価方法。
3. 複数の板材を重ね合わせて溶接してなるスポット溶接部又は前記板材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板材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送波手段と、
   スポット溶接部の外側の板材の複数の受波位置で、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受波手段と、
   前記複数位置で受波した超音波からスポット溶接部の健全性を評価する評価手段とを備えた超音波によるスポット溶接部の評価装置において、
   前記複数の受波位置で受波した超音波の振幅プロファイルから、送波位置および受波位置ならびにスポット溶接部の相対的な位置関係を検出する位置検出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。
4. 前記位置検出装置は、前記振幅プロファイルの中心位置と複数の受波位置の中心位置とのずれ量を算出することを特徴とする請求項３に記載のスポット溶接部の評価装置。
5. 前記位置検出手段で算出した結果を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のスポット溶接部の評価装置。
6. 前記送波手段および前記受波手段の少なくとも一方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請求項３乃至５のいずれかに記載のスポット溶接部の評価装置。