JP2014176872A - スポット溶接の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母材の溶接状態の検査と併せて、溶接した母材が予め決められていた軟鋼の母材又は高張力鋼の母材であるかについても検査できるスポット溶接の検査方法を提供することを課題とする。
【解決手段】
本発明に係る本願発明に係るスポット溶接の検査方法は、超音波の発振と超音波の反射波の受信とを行う超音波センサ２を内蔵する溶接電極により、軟鋼の母材又は高張力鋼の母材に溶接電流を通電させて生じた溶融部Ｌを検査するスポット溶接の検査方法において、超音波センサ２から母材に横波の超音波を入射させて、溶融部の界面Ｍ１、Ｍ２から反射する反射波を超音波センサ２に受信させる受信工程と、超音波センサ２が反射波を受信している時間を検出する検出工程と、検出した反射波の受信時間と、予め取得していた反射波データの受信時間と照合して、所定形状の溶融部Ｌが形成されているか否かを判定する判定工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波を利用したスポット溶接の検査方法に関し、特に、溶接した母材が予め決められていた軟鋼の母材であるか、又は高張力鋼の母材であるかについても検査できることを特徴とする。

超音波を利用した発明として、溶接中の母材に横波の超音波を入射させ、溶融部の界面で反射した超音波の反射波の強度をモニタリングする検査方法がある（下記特許文献１参照）。この検査方法によれば、溶融部の大きさを推定でき、母材を破壊することなく、溶接状態を判断することができる。

特許第４８８１１８０号公報

しかしながら、上記検査方法では、溶接状態を判断できるものの、溶接した母材の種類が軟鋼であるか又は高張力鋼であるかについては検査することができなかった。

ここで、車両の生産工場などにおいて、車両が同じ機種であっても階級（グレード）の違いにより、母材の種類を軟鋼仕様又は高張力鋼仕様に使い分けることがある。そして、このような軟鋼仕様と高張力鋼仕様とが混在する環境下において、作業者が母材の種類を誤って選別するおそれがあった。
そのため、このような現場において、溶接状態の検査と併せて、溶接した母材の種類が予め決められていた軟鋼又は高張力鋼であるかについても検査できる検査方法が望まれていた。

そこで、本発明は、前記する背景に鑑みて創案された発明であって、母材の溶接状態の判断と併せて、溶接した母材の種類が予め決められていた軟鋼又は高張力鋼であるかについても検査できるスポット溶接の検査方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本願発明に係るスポット溶接の検査方法であって、超音波の発振と前記超音波の反射波の受信とを行う超音波センサを内蔵する溶接電極により、軟鋼の母材又は高張力鋼の母材に溶接電流を通電させて生じた溶融部を検査するスポット溶接の検査方法において、前記超音波センサから前記母材に横波の超音波を入射させて、前記溶融部の界面から反射する反射波を前記超音波センサに受信させる受信工程と、前記超音波センサが反射波を受信している時間を検出する検出工程と、前記検出した反射波の受信時間と、予め取得していた反射波データの受信時間と照合して、所定形状の溶融部が形成されているか否かを判定する判定工程と、を含むことを特徴とする。

ここで、軟鋼の母材と高張力鋼の母材とのそれぞれをスポット溶接した場合には、溶融部の形状に以下のような差異が生じる。
軟鋼は、熱伝導率が比較的高いという性質を有する。よって、軟鋼をスポット溶接した場合に、溶融部の形状が断面視で略楕円形状になる。一方、高張力鋼の熱伝導率が比較的低いため、高張力鋼を抵抗溶接した場合に、溶融部の形状が断面視で略矩形状になる。

また、母材が軟鋼の場合と母材が高張力鋼の場合とのそれぞれに、横波の超音波を入射させた場合、反射波の波長に以下のような差異が生じる。
軟鋼の場合には、溶融部の形状が断面視で略楕円形状となっているため、超音波が溶融部の界面で反射する際に、反射波の一部に遅れが生じ易くなっている。そのため、超音波センサが受信した反射波には、遅れが生じた反射波の一部が重畳され、波長が長くなっている。
一方で、高張力鋼の場合には、融部の形状が断面視で略矩形状となっているため、超音波が溶融部の界面で反射する際に、反射波の一部に遅れが生じることが起こり難くなっている。そのため、超音波センサが受信した反射波には、遅れが生じた反射波が重畳されることがなく、波長が長くならない。
以上より、軟鋼の場合には、高張力鋼の場合よりも波長が長くなるという性質がある。

そして、超音波センサが受信した反射波の波長の長さを、超音波センサが反射波を受信している時間に置き換えて検出することができる。
よって、本願発明のように、超音波センサが反射波を受信している時間を検出し、予め取得していた反射波データであるセンサの受信時間と照合することで、所定形状の溶融部が形成されたか否か、つまり、予め決められた種類の母材を溶接したか否かを判断することができる。そのほか、所定形状の溶融部が形成された場合には、溶接状況が適当であるとも判断できる。
以上より、反射波の受信時間と反射波データの時間とが一致し、所定形状の溶融部が生成されていると判定される場合には、溶接状況が適当であり、かつ、溶接した母材が予め決められた軟鋼又は高張力鋼であると判断することができる。
一方で、反射波の受信時間と反射波データの時間とが一致せず、所定形状の溶融部が生成されていないと判定される場合には、溶接状況が不適当、又は、溶接した母材が予め決められた軟鋼又は高張力鋼でないと判断することができる。

また、前記受信工程は、溶接電流の通電停止後に、前記溶接電極を母材に当接させた状態を維持して前記溶融部を冷却させる冷却中に行われることを特徴とする。

前記する工程によれば、溶融部の冷却中に行うため、スポット溶接の作業効率が低下するおそれがない。

本発明によれば、母材の溶接状態の検査と併せて、溶接した母材が予め決められていた軟鋼の母材又は高張力鋼の母材であるかについても検査できるスポット溶接の検査方法を提供することができる。

実施形態に係る溶接装置の機能を示すブロック図である。 電極チップが溶接電流を通電させてワークを溶接する過程を３段階に分けて説明するための図であり、（ａ）が通電前の状態図、（ｂ）が通電停止後に溶融部を冷却させている状態図、（ｃ）が溶融部の凝固後の状態図である。 抵抗溶接中のワークに横波の超音波を入射させ、界面で反射した反射波の強度と波長に関するデータであり、（ａ）はワークの種類が高張力鋼の場合、（ｂ）はワークの種類が軟鋼の場合である。 溶融部とその界面に反射する反射波とを模式的に表わす模式図であって、（ａ）はワークの種類が高張力鋼の場合、（ｂ）はワークの種類が軟鋼の場合である。 溶接装置の変形例を示すブロック図である。 本発明の片側スポット溶接の例を示す図である。

つぎに、実施形態に係るスポット溶接の検査方法ついて、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、母材を「ワーク」と称して説明する。最初に、スポット溶接の検査方法に用いられる溶接装置１０の構成について説明する。

図１に示すように、溶接装置１０は、平板状のワークＷ１、Ｗ２に溶接電流を通電可能なスポット溶接ガンの電極チップ１ａ、１ｂを備える。なお、この電極チップ１ａ，１ｂによるスポット溶接に関しては以下の通りである。

最初に、図２（ａ）に示すように、積層されたワークＷ１、Ｗ２を上下方向から電極チップ１ａ、１ｂで挟んで加圧する。次に、電極チップ１ａ、１ｂからＷ１，Ｗ２に溶接電流を通電させる。これにより、電気抵抗が高いワークＷ１、Ｗ２の接触面近傍が溶融し、通電時間に対応した大きさの溶融部Ｌが発生する。
次に、図２（ｂ）に示すように、所定時間通電した後に通電を停止し、溶融部Ｌを冷却させる。なお、冷却中は、電極チップ１ａ、１ｂで挟んで加圧している状態を維持することで電極チップ１ａ、１ｂに溶融部Ｌの熱を伝達させて放熱を促し、溶融部Ｌの冷却促進を図る。これにより、溶融部Ｌが凝固してナゲットＬ１になり、ワークＷ１、Ｗ２が溶接される（図２（ｃ）参照）。

また、図１に示すように、溶接装置１０は、スポット溶接により溶融部Ｌが形成されているか否かを検査するための構成として、超音波の発振及び超音波の反射波の受信を行うセンサ２と、センサ２の超音波の発振を制御する超音波送受信部３と、反射波の波長の長さを検出する検出部４と、溶融部Ｌの形状を判定する判定部５と、検出部４が検出した波長と比較される閾値を記憶する記憶部６と、を備えている。

センサ２は、電極チップ１ａに内蔵されており、超音波送受信部３からのパルス信号を受けることで、ワークＷ１に向かって横波の超音波を発振するように構成されている。
そして、発振された横波の超音波は、電極チップ１ａを介してワークＷ１に入射する。なお、センサ２が発振する超音波は、ワークＷ１の平面に対して垂直に入射するように構成されており、溶融部Ｌの界面Ｍに対しても垂直に入射するようになっている。
さらに、センサ２は、溶融部Ｌの界面Ｍ（図２（ｂ）参照）で反射した超音波の反射波を受信した場合に、電気信号に変換して超音波送受信部３に送り、そして、超音波送受信部３は、センサ２から送られた反射波の信号を増幅させて検出部４に送る。

検出部４は、センサ２が受信した反射波の波長の長さの検出をするため、センサ２が反射波を受信している時間（以下、単に「受信時間」という場合がある）を計測するように構成されている。なお、本実施形態に係る検出部４では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、反射波の強度が最大時から最小時までの時間を反射波における波長の長さとして検出している。

記憶部６は、予め試験等を行うことで取得した反射波データの受信時間、つまり、予め決められた種類のワークＷ１を溶接した場合の受信時間を記憶するためのものである。
また、本実施形態の記憶部６では、予め決められたワークＷ１が高張力鋼の場合には、反射波データの受信時間として０．０４７μ秒が記憶されており、予め決められたワークＷ１が軟鋼の場合には、反射波データの受信時間として０．０５３μ秒と記憶されている。なお、記憶部６が記憶する高張力鋼の受信時間（０．０４７μ秒）と軟鋼の受信時間との差異（０．０５３μ）については後述する。

判定部５は、検出部４が検出したセンサ２の受信時間と、記憶部６に記憶された反射波データの受信時間とを照合することで、所定形状の溶融部Ｌが形成されているかを判定するように構成されている。また、判定部５は、所定形状の溶融部Ｌが形成されていないと判定した場合に、そのことを作業者に知らせるための報知機能を有している。

つぎに、スポット溶接の検査方法について説明する。
最初に、図２（ｂ）に示すように、電極チップ１ａ，１ｂの通電を停止させた後、つまり、溶融部Ｌの冷却時に、センサ２から横波の超音波をワークＷ１に入射させる。ここで、ワークＷ１に溶融部Ｌが発生している場合には、溶融部Ｌの界面Ｍから反射する反射波をセンサ２が受信する。なお、ワークＷ１に溶融部Ｌが発生していない場合には、溶融部Ｌの界面Ｍから反射する反射波をセンサ２が受信しない。

つぎに、溶接装置１０の検出部４を用いて、センサ２の受信時間を計測する。なお、図３に、センサ２が受信した反射波の波長に関し、ワークＷ１の種類が高張力鋼の場合と軟鋼の場合との一例を示す。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ワークＷ１、Ｗ２の種類が高張力鋼の場合と軟鋼の場合とでは、センサ２が反射波を受信している時間が異なる。反射波の強度が最大値から最小値までの時間を基準として、センサ２の受信時間を比較すると、ワークＷ１の種類が高張力鋼の場合に０．０４７μ秒であって、軟鋼の場合には０．０５３μ秒である。よって、ワークＷ１の種類が軟鋼の方が高張力鋼よりも受信時間が長い結果となっている。

ワークＷ１の種類が軟鋼の場合に、高張力鋼の場合よりもセンサ２の受信時間が長い理由は以下の通りである。
軟鋼の熱伝導率は比較的高く、抵抗溶接時において溶融部Ｌの熱がワークＷ１，Ｗ２の平面方向及び厚み方向に向かって伝達して溶融部Ｌが拡大し易くなっている。そのため、図４（ｂ）に示すように、ワークＷ１、Ｗ２の厚み方向で切った溶融部Ｌの断面形状が略楕円形状になり、溶融部Ｌの界面Ｍ２が略半楕円形となる。
そして、ワークＷ１に入射した横波の超音波が溶融部Ｌの界面Ｍ２が到達して反射する場合に、横波の超音波の波形が変形し易くなっている。言い換えると、溶融部Ｌの界面Ｍ２において中央部よりも端部側の方が超音波の到達が遅くなるため、横波の超音波が界面Ｍ２で反射する際に、反射波の一部に遅れが生じるようになっている。
そのため、ワークＷ１の種類が軟鋼の場合において、センサ２が受信する反射波には遅れが生じた反射波の一部が重畳されて波長が長くなり、センサ２の受信時間も長くなる。

一方で、高張力鋼の熱伝導率は比較的低く、抵抗溶接時において溶融部Ｌの熱がワークＷ１，Ｗ２の平面方向及び厚み方向に向かって伝達し難くなっている。そのため、図４（ａ）に示すように、ワークＷ１、Ｗ２の厚み方向で切った溶融部Ｌの断面形状が略矩形状になり、溶融部Ｌとの界面Ｍ１がワークＷ１の平面に略平行になる。
そして、ワークＷ１の厚み方向に入射した横波の超音波が界面Ｍ１に到達して反射する場合に、反射波の一部に遅れが生じ難くなっているため、センサ２が受信した反射波に遅れが生じた反射波が重畳されない。
そのため、ワークＷ１の種類が高張力鋼の場合において、軟鋼の場合のように、センサ２が受信する反射波の波長が長くなることがないため、つまり、センサ２の受信時間が長くなることがないため、軟鋼の場合よりも受信時間が短くなるという性質がある。

以上から、溶接したワークＷ１の種類が軟鋼の場合と高張力鋼の場合とでは、センサ２の受信時間に差異が生じるようになっている。

スポット溶接の検査方法の説明に戻る。
つぎに、判定部５を用いて、計測されたセンサ２の受信時間と記憶部６に記憶された時間とを照合して、所定形状の溶融部Ｌが形成されているか否かを判定する。
具体的には、予め決められたワークＷ１の種類が高張力鋼の場合において、判定部５は、センサ２の受信時間が記憶部６に記憶された０．０４７μ秒に一致するかを照合し、所定形状の溶融部Ｌが形成されているか否かを判定する。
これによれば、センサ２の受信時間と記憶部６に記憶された０．０４７μ秒とが一致する場合には、高張力鋼の特有形状の溶融部Ｌが形成されており、溶接されたワークＷ１が予め決められた高張力鋼種類であると判断することができる。

さらに、所定形状の溶融部Ｌが形成されている場合とは、溶接状況が適当であるとも判断できる。以上から、判定部５は、センサ２の受信時間が記憶部６に記憶された０．０４７μ秒に一致して、高張力鋼の特有形状の溶融部Ｌが形成されていると判定した場合には、ワークＷ１の種類と溶接状況とが適切であり溶接作業にエラーがないとして、特に作業者に報知せず、溶接作業が継続される。

一方、センサ２の受信時間と記憶部６に記憶された０．０４７μ秒とが一致しない場合とは、ワークＷ１に溶融部Ｌが発生しているものの、高張力鋼の特有形状の溶融部Ｌが形成されてないとき、言い換えれば、ワークＷ１の種類が予め決められていた高張力鋼と異なるとき、又は溶接状況が不適当な場合であると判断できる。
よって、この場合には、判定部５は、所定形状の溶融部Ｌが形成されてないと判定して、スポット溶接作業を中断するとともに警告音等を鳴らし、作業者に溶接作業にエラーが生じたことを報知する。

以上、本実施形態に係るスポット溶接の検査方法によれば、ワークＷ１の溶接状態の検査と併せて、溶接したワークＷ１が予め決められていた軟鋼の母材又は高張力鋼の母材であるかについても検査できる。
本実施形態に係るスポット溶接の検査方法によれば、溶融部Ｌの冷却中に行うため、スポット溶接の作業効率が低下するおそれがない。
本実施形態に係るスポット溶接の検査方法によれば、スポット溶接における連続打点の一つ目の打点でワークＷ１の種類を誤って選別したことを認識できるようになり、生産効率の向上に寄与することができる。

以上、実施形態に係るスポット溶接の検査方法について説明したが、本発明は実施形態の説明されたものに限定されない。たとえば、本実施形態では、検出部４がセンサ２の受信時間を計測する場合において、反射波の強度が最大時から最小時までの時間を基準としているが、反射波の受信の開始時から終了時までの時間を基準にしてもよい。

また、本実施形態において、センサ２が電極チップ１ａにのみ内蔵されているが、本発明はこれに限定されない。たとえば、図５に示すように、電極チップ１ｂにもセンサ２ａを内蔵させ、センサ２ａからワークＷ２に横波の超音波を入射させても良い。
この変形例によれば、予め決められたワークＷ１の種類が軟鋼であり、予め決められたワークＷ１の種類が高張力鋼である場合に、ワークＷ１、Ｗ２のそれぞれに形成された溶融部Ｌが所定の形状であるかを判定することができる。よって、溶接されるワークＷ１、Ｗ２のそれぞれについて母材の種類が適切であるとともに、溶接状況も適当であると判定することができる。

そのほか、本実施形態において、積層するワークＷ１及びワークＷ２に対して、電極チップ１ａ、１ｂを挟み込んで通電させているが、本発明はこの溶接方法に限定されず、図６に示すような片側スポット溶接であっても適用することができる。

１ａ、１ｂ 電極チップ
２、２ａ センサ
３ 超音波送受信部
４ 検出部
５ 判定部
６ 記憶部
１０ 溶接装置
Ｌ 溶融部
Ｍ（Ｍ１、Ｍ２） 界面
Ｗ１、Ｗ２ ワーク（母材）

Claims (2)

1. 超音波の発振と前記超音波の反射波の受信とを行う超音波センサを内蔵する溶接電極により、軟鋼の母材又は高張力鋼の母材に溶接電流を通電させて生じた溶融部を検査するスポット溶接の検査方法において、
   前記超音波センサから前記母材に横波の超音波を入射させて、前記溶融部の界面から反射する反射波を前記超音波センサに受信させる受信工程と、
   前記超音波センサが反射波を受信している時間を検出する検出工程と、
   前記検出した反射波の受信時間と、予め取得していた反射波データの受信時間と照合して、所定形状の溶融部が形成されているか否かを判定する判定工程と、
   を含むことを特徴とするスポット溶接の検査方法。
2. 前記受信工程は、前記溶接電流の通電停止後に、前記溶接電極を母材に当接させた状態を維持しながら前記溶融部を冷却する冷却中に行われることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接の検査方法。

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