JP2013036743A - スポット溶接の溶融検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板に塗布・形成された防錆材・メッキの溶融開始時間および消失時間と、鋼板の溶融開始時間および終了時間とを独立して精度良く検出することができるスポット溶接の検査方法を提供する。
【解決手段】鋼板と鋼板表面に形成された表面処理材を備えたワークのスポット溶接中に超音波を入射する溶融検査方法であって、ワークに横波の超音波を断続的に入射して、溶融部からの反射波を断続的に検出する工程と、反射波検出時間（横軸）と反射波強度（縦軸）との関係を示す得られた反射波波形図を時系列的に配列するとともに反射波強度を等高線で表すことにより、時系列（縦軸）と反射波検出時間（横軸）とを有する反射波強度に関する等高線図とする工程と、等高線図に独立して示された反射波領域から、鋼板の溶融反射波と表面処理材の溶融反射波を独立して読み取る工程とを備えたスポット溶接の溶融検査方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、スポット溶接中のワークに横波および縦波の超音波を入射して、その反射波あるいは透過波を計測して溶融部の大きさを推定する検査方法に係り、特に、車体鋼板と防錆材層の溶融を独立して検出する技術に関する。

車体鋼板等のスポット溶接では、鋼板のワークを重ねたものをスポット溶接ガンの電極チップで挟み、電極チップ間への溶接電流の通電により溶接を行っている。このようなスポット溶接では、溶融部の大きさを推定するために、スポット溶接中のワークに横波あるいは縦波の超音波を入射し、ワークからの反射波あるいはワークからの透過波を利用している。

ワークからの反射波を利用する反射法では、図１に示すように、電極チップ１１ａおよび１１ｂに通電してワークＷ_１とＷ_２の間の溶接を開始すると共に、電極チップ１１ａに内蔵されたセンサ１２からワークＷ_１，Ｗ_２へ超音波パルスを所定の時間間隔をおいて繰り返し送信し、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波をセンサ１２で受信し、その反射波を利用して溶融部の大きさを推定している。

このような反射法では、たとえば溶融部の大きさの推定に反射波の強度を用いる技術を適用することができる。この技術では、伝播時間と音速との関係から得られるセンサから溶融部までの距離を用いる。すなわち、超音波が溶融部で反射してセンサに戻って来るまでの伝播時間を計測するとともに、溶接電流値や通電時間などからワークの温度を推定してワーク中の音速を求める。そして、伝播時間と音速との関係からセンサから溶融部までの距離を得、得られたセンサから溶融部までの距離を用い、ワークの肉厚から溶融部の厚さを求める。

透過法では、同じく図１に示すように、電極チップ１１ａに内蔵されたセンサ１２からワークＷ_１，Ｗ_２へ超音波のパルス波を所定の時間間隔をおいて繰り返し送信し、電極チップ１１ｂに内蔵されたセンサ１７によりワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波を受信し、その透過波を利用して溶融部の大きさを推定している。

このような透過法では、たとえば透過波の減衰量を用いる技術を適用することができる。この技術では、透過波の減衰量と溶融部の大きさに関する相関データを予め取得しておき、超音波の透過率からワーク中の音速を求め、その音速からワークの温度を求め、その温度からワークの融点に達した時刻を求める。そして、融点到達時からの透過率の減衰量を得、得られた減衰量と対応する溶融部の大きさを相関データより求める（例えば、特許文献１および２参照）。

特表平７−５０９５６２号公報 特表２０１０−５００５８１号公報

しかしながら、上記方法では、超音波はチップおよびワークの温度を合成した形でしか音速測定をすることができないため、鋼板にメッキや防錆材層が形成されている場合は、防錆材、メッキや鋼板の溶融を個別に精度良く検出することは困難であった。例えば、図３に示すように、まず最初に防錆材２１に溶融部３０が発生し、続いてワークＷ_１およびＷ_２の一部が溶融して溶融部３１が形成された場合、どの時点でワークＷ_１およびＷ_２の溶融に移行したのかを判別することができない。

また、横波を用いた透過法でも、透過波の変化（減少）は防錆材の溶融でも鋼板の溶融でも同様に発生するため、これらの溶融開始を個別に識別することは困難である。また、横波反射波を用いても、反射波の発生位置は通電中に変化するため、これらが何に起因した反射波であるかを識別することは容易ではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、鋼板に塗布・形成された防錆材・メッキの溶融開始時間および消失時間と、鋼板の溶融開始時間および終了時間とを独立して精度良く検出することができるスポット溶接の検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、鋼板と鋼板表面に形成された表面処理材を備えたワークのスポット溶接中に超音波を入射するスポット溶接の溶融検査方法であって、ワークに横波の超音波を断続的に入射して、溶融部からの反射波を断続的に検出する工程と、反射波検出時間（横軸）と反射波強度（縦軸）との関係を示す前記得られた反射波波形図を時系列的に配列するとともに反射波強度を等高線で表すことにより、時系列（縦軸）と反射波検出時間（横軸）とを有する反射波強度に関する等高線図とする工程と、等高線図に独立して示された反射波領域から、鋼板の溶融反射波と表面処理材の溶融反射波を独立して読み取る工程とを備えたことを特徴としている。

従来の反射波波形を観察する方法では、鋼板と防錆材（表面処理材）の複数個所からの反射波が合成されているため、単に反射波波形を見ただけでは、それぞれの反射波を識別することは困難であり、誤認識をする場合があったが、上記構成の本発明によれば、反射波の波形図を時系列的に並べ、反射波強度の等高線として表示しているので、等高線によって時系列的に前後のデータとの関連性が明確となり、連続した反射波領域として表示されるので、発生した反射波が板間の隙間から来るものか、防錆材あるいは鋼板の溶融によるものか簡単にかつ確実に、これら反射波を独立して識別することができる。

本発明においては、等高線図において、鋼板の溶融を示す反射波領域と、表面処理材の溶融を示す反射波領域とが近接あるいは接続していて独立して判別し難い場合、スポット溶接中に、ワークの温度変化を超音波の透過法を用いて推定し、表面処理材の融点および鋼板の融点を等高線図に図示して、鋼板の溶融反射波と表面処理材の溶融反射波を独立して読み取ることを好ましい態様としている。

メッキ鋼板や薄板など特殊な板組のスポット溶接においては、鋼板溶融が板間で発生し、メッキ・防錆材（表面処理材）の溶融との識別が困難な場合もあるが、上記構成の本発明によれば、超音波の反射波の計測と同時に電極チップの温度変化も測定して、その温度の測定結果から鋼板部の音速変化が求められ、上記等高線図に対して音速変化分の補正を加えているので、溶融がどこで発生しているのかを区別することが可能となり、さらに精度良く識別することができる。

通電中の防錆材の溶融を正確に捉えることで、防錆材が溶接品質に与える影響を明確化することができ、溶接品質向上のための知見（溶接電流の設定や溶接シミュレーションでの防錆材の挙動モデルなど）が得られ、溶接品質が向上する。

本発明の実施形態に係る検査装置のブロック図である。 スポット溶接における超音波による溶融部の検出方法を示す模式図であり、（ａ）は通電初期の状態、（ｂ）は通電後期の状態、（ｃ）は通電後の初期の状態、（ｄ）は通電後の後期の状態を示す。 防錆材を有する鋼板のスポット溶接による溶融部の形成を示す模式図であり、（ａ）は通電初期の状態、（ｂ）は通電中期の状態、（ｃ）は通電後期の状態を示す。 本発明の第１実施形態に係る超音波反射波図形であり、（ａ）は通電初期の状態、（ｂ）は通電中期の状態、（ｃ）は通電後期の状態を示す。 本発明の第１実施形態に係る反射波強度の等高線図である。 本発明の第２実施形態に係る反射波強度の等高線図である。 本発明の第２実施形態に係る透過波強度の等高線図である。 温度変化と音速変化の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
本発明のスポット溶接の溶融検査方法においては、電極チップの背面に配置した超音波センサから横波超音波を断続的に発信し、その反射波を捕らえる。横波反射波は固体を伝播するが、液体、気体は伝播せず反射する特性があることから、１）鋼板を重ねた時の隙間や、２）鋼板に塗布された防錆材の溶融部、３）鋼板の溶融部（ナゲット）、の主として三箇所から反射波が発生する。これら反射波は板厚により発生位置が異なるとともに、通電時の温度上昇に伴う音速変化から、検出時刻が変化する。また、特に、他の二箇所とは異なり、３）鋼板のナゲットは通電中に拡大するため、反射波の発生位置の変化が顕著である。センサからの反射波は複数個所からの反射波が合成されているため、単に反射波波形を見ただけではこれら３つの反射波を識別することは困難であり、誤認識をする場合がある。そこで本発明では、反射波の波形図を時系列的に並べ、反射波強度の等高線として表示することで、簡単にかつ確実にこれら３つの反射波を識別することができる。

（１）第１実施形態
図１は本発明に係る第１実施形態の溶融検査方法に用いる装置のブロック図を示している。図１において、符号１１ａおよび１１ｂはスポット溶接ガンの電極チップで、溶接対象のワークＷ_１およびＷ_２に超音波を入射するセンサ１２を内蔵している。電極チップ１１ａおよび１１ｂからワークＷ_１およびＷ_２への溶接電流およびその通電時間は、溶接タイマ（図示略）により制御される。センサ１２は超音波送受信器１３からのパルス信号を受けて横波の超音波を発生し、その反射波を電気信号に変換して超音波送受信器１３に戻す。反射波の信号は超音波送受信器１３で増幅されて演算手段１４に送られる。

演算手段１４は、超音波送受信器１３から送られてきた反射波の信号から、例えば図４に示すような反射波強度（縦軸）と反射波検出時間（横軸）の関係を示すグラフを作製する。また、演算手段１４は、断続的に超音波送受信器１３から送信される信号に基づいて、当該グラフを複数作製し、これらを時系列的に配列すると共にグラフの縦軸の反射波強度を任意の閾値で等高線データに変換し、図５に示すような時系列順（縦軸）と反射波検出時間（横軸）の関係を示す等高線図を作製する。これらグラフおよび等高線図は、記憶手段１５に格納されるとともに、表示手段１６によって視覚的に表示される。

ここで、反射波の強度から溶融部の大きさを推定する方法の基本原理について、図１および２を参照して説明する。まず、図１に示すように、電極チップ１１ａ，１１ｂによりワークＷ_１，Ｗ_２を挟んで加圧し、そこへの溶接電流の通電を開始するとともに、センサ１２からワークＷ_１，Ｗ_２への超音波パルスの送信およびワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波の受信を繰り返し行う（図２（ａ））。この段階では、反射波はほとんど観察されない。続いて、溶接電流によって、ワークＷ_１，Ｗ_２が発熱溶融し、そこに溶融部Ｌが形成され、時間の経過に伴い溶融部Ｌの大きさが大きくなるとともに、溶融部Ｌによる超音波の反射波が増大していく（図２（ｂ））。次いで、溶接電流の通電を停止する。このとき溶融部Ｌの大きさが最大となる。溶接電流の通電を停止すると、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが形成されるとともに、溶融部Ｌによる超音波の反射波が減少していく（図２（ｃ））、最終的に溶融部Ｌの凝固は終了し、再び反射波は観察されなくなる（図２（ｄ））。

続いて、本発明の第１実施形態について図３〜５を参照しながら詳細に説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、スポット溶接中のワークの状態の遷移を示す概略図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、断続的に発せられるパルスのうち、（ａ）溶接初期（１４０番目）、（ｂ）中期（２８３番目）、（ｃ）後期（５９０番目）のパルスに基づいて作製された反射波強度を示すグラフである。

まず、図３（ａ）に示すように、ワークＷ_１およびＷ_２での溶融部発生前には、ワークＷ_１とＷ_２との隙間や電極チップ１１先端の隙間に起因して観察される以外は、溶融部に起因する反射波は観察されない。この溶接初期の反射波波形図が図４（ａ）であるが、図に示されるように、反射波としては、主に電極チップ先端からの反射波と、板間からの反射波が観察される。

続いて、図３（ｂ）に示すように、溶接電流の通電によってワークＷ_１およびＷ_２が発熱し、まず融点の低い防錆材に溶融部３０が形成され、この溶融部３０からの反射波が観察されるようになる。この溶接中期の反射波波形図が図４（ｂ）であるが、チップ先端からの反射波と、防錆材の溶融反射波が観察される。また、チップ先端の反射波は、図４（ａ）と比較して右にシフト、つまり反射波の出現時間が長くなっており、これは、温度上昇により固体中を伝播する音速が小さくなり、反射波検出時間に遅延が生じたためである。

さらに溶接電流の通電を継続すると、図３（ｃ）に示すように、ワークＷ_１およびＷ_２が発熱溶融し、溶融部３１が形成され、この溶融部３１からの反射波が観察されるようになる。また、溶融部３１の大きさが大きくなると、それに応じて反射波の強度が大きくなる。この溶接後期の反射波波形図が図４（ｃ）であるが、チップ先端からの反射波と、鋼板の溶融反射波が観察される。また、チップ先端の反射波は、図４（ａ）、（ｂ）と比較してさらに右にシフトし、反射波検出時間に遅延が生じていることが分かる。

本発明においては、図４（ａ）〜（ｃ）に一部を例示した反射波波形図を、溶接開始から終了までの全てのパルスについて時系列的に配列して、等高線図を得ることを特徴としている。具体的には、図４のグラフにおける縦軸の反射波強度を任意の閾値で等高線の高度（強度）データに変換し、図５に示すように、横軸は図４と同様に反射波検出時間とし、縦軸はパルスの時系列の順とし、上記等高線の高度データを、色の濃淡で表示する。なお、図５の等高線図において（ａ）〜（ｃ）で示した切り口が、図４のグラフに相当する。

このように反射波波形図を時系列順に配列して等高線図に変換することで、前後のデータとの関連性が明確となり、溶融反射波がどの部分に基づくものであるのかを明確に把握することができる。

すなわち、図４と図５を比較すると明確であるように、図４のグラフにおいては、単に波形が複数並んでいるのみであるので、どの波形がどの構成部分に基づく反射波であるのかは明確に判断することができず、誤認識の虞があるが、図５の等高線図においては、ある一つの反射波の要因は、連続した一つの領域として図示されている。

具体的には通電前には温度変化がないため、音速は一定（等高線図では上方向に一定）であり、板間からの反射位置を正確に推定することができる。その後に発生する防錆材の反射波は通電に伴う温度変化から、音速の遅れ（図５では右上方向へのずれ）が発生するが、基本的には板間で発生するため前記板間反射と繋がりのある部分である。一方、鋼板の溶融は鋼板内部で発生することが多く、前記の板間反射や防錆コート材の反射との連続性は無いことが多いことから、識別を精度良く行なうことができる。

すなわち、溶接開始から（ａ）までの区間に垂直な高強度領域（白線）として示された２本の線は、電極チップからの反射波およびワークの板間からの反射波のいずれかであることが予想され、この２本の線について（ａ）から溶接終了までの区間を見ると、一方は検出時間が右にシフトしつつ最後まで検出され続け、他方は（ａ）〜（ｂ）の区間で右にシフトしつつ消滅しているので、反射波検出時間の小さい方が電極チップからの反射波であり、大きい方がワークの板間からの反射波であることが明確になる。

また、板間からの反射波が区間（ａ）〜（ｂ）で消滅した後に現れ、区間（ｂ）〜（ｃ）で早期に消滅している高強度領域は、防錆材の溶融反射波であり、さらに、区間（ｂ）〜（ｃ）で現れた高強度領域は、鋼板のナゲットによる溶融反射波であることが分かる。このようにして、図４のグラフのみからは必ずしも明確でなかった反射波の要因を、図５のような等高線図にすることで明確に把握することができる。

（２）第２実施形態
本発明の第２実施形態は、メッキ鋼板や薄板など特殊な板組のスポット溶接において、鋼板溶融が板間で発生し、防錆材の溶融との識別が困難な場合に適用される。第２実施形態においては、図１に示すように、第１実施形態に加えて、センサ１７が、センサ１２と反対側の電極チップ１１ｂ側にも設けられ、センサ１２からの縦波透過波が計測される。

また、ワークＷ_１、Ｗ_２の温度は、透過波とチップの反射波を用いて推定される。すなわち、（電極チップ１１ａ＋ワークＷ_１＋Ｗ_２＋電極チップ１１ｂの透過波が到達する時間）と（電極チップ１１ａの反射波＋電極チップ１１ｂの反射波が到達する時間）の差分を取ることにより、ワークＷ_１＋Ｗ_２の超音波透過時間を計測し、ワークＷ_１＋Ｗ_２の温度を推定する。なお、センサ１２および１７では、縦波と横波を別々に発信する構成としてもよいし、同時に発信する構成とすることもできる。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

第１実施形態同様、電極チップ１１ａおよび１１ｂに通電を開始するとともに、センサ１２から横波および縦波の超音波を発生させ、センサ１２によって横波の反射波を、センサ１７によって縦波の透過波を検出しつつ、スポット溶接を行なう。第２実施形態における反射波図形を等高線図に変換したものを図６に、同様にして透過波図形を等高線図に変換したものを図７に示す。また、通電中のワーク材質中の温度と通電時間の関係を示すグラフを図８に示す。

図６の等高線図に示すように、本実施形態が適用されるメッキ鋼板や薄板などでは、メッキの溶融開始および終了、鋼板の溶融開始を示す高強度領域が近接しており、これらを明確に独立して読み取ることが困難である。本実施形態では、まず、図７の縦波透過波の等高線図から、超音波の到達時間の遅延を計算し、この計算結果から、実施の音速の遅れを計算する。この計算結果と、図８の温度と時間の関係のグラフから、温度を算出する。このように、図８の関係を図６の時間に当てはめることにより、メッキの溶融と鋼板の溶融の識別が困難な場合においても時間と温度の関係を推定して、メッキと鋼板ナゲットの溶融を分離して識別することが可能となり、メッキの溶融開始点、消失点、鋼板ナゲットの溶融開始点を把握することができる。

溶接の通電と同時に反射波を計測しているので、溶融状態を把握する上でリアルタイム性に優れる。また、溶接状態を確認するために破壊検査をする必要がない。

１０…スポット溶接の検査装置、
１１ａ、１１ｂ…電極チップ、
１２、１７…センサ、
１３…超音波送受信器、
１４…演算手段、
１５…記憶手段、
１６…表示手段、
２０〜２２…防錆材、
３０、３１…溶融部、
Ｌ…溶融部、
Ｍ…凝固部。

Claims (2)

1. 鋼板と、鋼板表面に形成された表面処理材を備えたワークのスポット溶接中に超音波を入射する溶融検査方法であって、
   前記ワークに横波の超音波を断続的に入射して、前記溶融部からの反射波を断続的に検出する工程と、
   反射波検出時間（横軸）と反射波強度（縦軸）との関係を示す前記得られた反射波波形図を時系列的に配列するとともに前記反射波強度を等高線で表すことにより、時系列（縦軸）と反射波検出時間（横軸）とを有する前記反射波強度に関する等高線図とする工程と、
   前記等高線図に独立して示された反射波領域から、前記鋼板の溶融反射波と前記表面処理材の溶融反射波を独立して読み取る工程とを備えたことを特徴とするスポット溶接の溶融検査方法。
2. 前記等高線図において、前記鋼板の溶融を示す反射波領域と、前記表面処理材の溶融を示す反射波領域とが近接あるいは接続している場合において、
   スポット溶接中に、前記ワークの温度変化を超音波の透過法を用いて推定し、前記表面処理材の融点および前記鋼板の融点を前記等高線図に図示して、前記鋼板の溶融反射波と前記表面処理材の溶融反射波を独立して読み取ることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接の溶融検査方法。
   
   
   
   

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