JP2016205914A - スポット溶接部の検査方法およびその検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固形のゲルを用いる場合であっても、精度の高いスポット溶接部の検査を行うことができるスポット溶接部の検査方法およびその検査装置の提供にある。
【解決手段】複数の金属材と、複数の金属材を接続するナゲット部と、を有するスポット溶接部１０の検査方法であって、スポット溶接部１０の厚さ方向へナゲット部を投影した投影面Ｐを含む検査対象面Ｓを設定し、検査対象面Ｓを多数の振動素子により覆うとともに、予め設定された周波数帯域の振動を掃引して多数の振動素子２０からそれぞれ出力し、振動の出力後に得られるスポット溶接部１０からの反射波を検出し、反射波をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅Ａと予め設定された振幅の閾値Ｔとの比較に基づいてナゲット部の共振の有無を判断し、共振の有無によりスポット溶接部１０の接合状態を検査する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、スポット溶接部の検査方法およびその検査装置に関する。

スポット溶接部の検査方法およびその検査装置の従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されたスポット溶接部の検査方法が知られている。
特許文献１に記載されたスポット溶接部の検査方法では、第一金属板の表面に送信レーザを照射することにより第一金属板および第二金属板の内部に異なる周波数を有する合成されたレーザ超音波を励起させる。そして、レーザ超音波の反射波の振幅および中心周波数を検出して、検出した中心周波数、および第一データに基づいて、レーザ超音波が反射した裏面の傾斜角度を算出する。算出した裏面の傾斜角度、検出した反射波の振幅、および第二データに基づいて、反射波がナゲット部を透過したか否かを判定する。特許文献１に記載されたスポット溶接部の検査方法によれば、スポット溶接部のナゲット部を精度良く検出可能であるとしている。

特開２０１１−２０３１２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたスポット溶接部の検査方法は、レーザ超音波の反射波の振幅および中心周波数を検出するもので、共振を利用したスポット溶接部の検査方法ではない。
また、超音波を用いた検査方法の中には、超音波発振器と被検査対象物との間に固形のゲルを介在させる場合がある。この場合、固形のゲルが反射波の振幅を減衰させるので、反射波の振幅が小さくなり、精度の高い検査が困難であるという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、固形のゲルを用いる場合であっても、精度の高いスポット溶接部の検査を行うことができるスポット溶接部の検査方法およびその検査装置の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の金属材と、前記複数の金属材を接続するナゲット部と、を有するスポット溶接部の検査方法であって、前記スポット溶接部の厚さ方向へ前記ナゲット部を投影した投影面を含む検査対象面を設定し、前記検査対象面を多数の振動素子により覆うとともに、予め設定された周波数帯域の振動を掃引して前記多数の振動素子からそれぞれ出力し、前記振動の出力後に得られる前記スポット溶接部からの反射波を検出し、前記反射波をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、前記周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅と予め設定された振幅の閾値との比較に基づいて共振の有無を判断し、前記特定の周波数成分における前記共振の有無により前記スポット溶接部の接合状態を検査することを特徴とする。

本発明によれば、多数の振動素子は予め設定された周波数帯域の振動を掃引してそれぞれ出力し、出力された振動による反射波を検出する。反射波のフーリエ変換により求められた周波数スペクトルの特定の周波数成分から共振の有無が判断され、共振の有無に基づいてスポット溶接部の接合状態を検査することができる。
従って、固形のゲルを用いる場合であっても、精度の高いスポット溶接部の検査を行うことができる。

また、上記のスポット溶接部の検査方法において、前記周波数スペクトルにおける前記特定の周波数成分の振幅が前記閾値以上となるとき、前記ナゲット部の共振が存在すると判断し、前記ナゲット部が接合されていると判断してもよい。
この場合、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅が閾値以上となるときナゲット部に共振が存在すると判断され、ナゲット部が接合されている判断することができる。

また、本発明は、予め設定された周波数帯域の振動を掃引して出力する多数の振動素子と、前記多数の振動素子を保持するプローブ本体部と、スポット溶接部における反射波を検出する反射波検出部と、前記反射波が入力され、前記反射波を高速フーリエ変換して周波数スペクトルを出力する高速フーリエ変換部と、前記周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅と予め設定された振幅の閾値との比較に基づいて前記スポット溶接部におけるナゲット部の共振の有無を判断する制御部と、を備え、前記スポット溶接部における前記多数の振動素子により規定される検査対象面は、前記ナゲット部の前記スポット溶接部の厚さ方向へ投影した投影面より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、反射波のフーリエ変換により求められた周波数スペクトルの特定の周波数成分から共振の有無が判断され、共振の有無に基づいてスポット溶接部の接合状態を検査することができる。

本発明によれば、固形のゲルを用いる場合であっても、精度の高いスポット溶接部の検査を行うことができるスポット溶接部の検査方法およびその検査装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るスポット溶接部の検査装置の概要を示す側面図である。 （ａ）はプローブを振動素子側から見たときの斜視図であり、（ｂ）は多数の振動素子による検査対象面とナゲット部のスポット溶接部の厚さ方向へ投影した投影面との関係を示す平面図である。 スポット溶接部の検査方法を模式的に説明するスポット溶接部の断面図である。 （ａ）はプローブにより検出された反射波の波形を示すグラフ図であり、（ｂ）は高速フーリエ変換後の周波数スペクトルにおける周波数成分と振幅との関係を示すグラフ図である。

以下、本実施形態に係るスポット溶接部の検査装置（以下「検査装置」と表記する）について図面を参照して説明する。図１に示すように、板状の２枚の金属材１１、１２を接続するナゲット部１３を備えたスポット溶接部１０である。スポット溶接部１０はスポット溶接機（図示せず）により形成される。スポット溶接機は、上下に重ねた状態の２枚の金属材１１、１２を上下から挟み、金属材１１、１２を加圧するとともに通電する。金属材１１、１２の重ね合わせ面付近の部位が通電による抵抗発熱によって溶融され、溶融後に冷却することにより、溶融した部位は凝固されてナゲット部１３を形成する。

図１に示すように、検査装置１５は、スポット溶接部１０に振動を与えるとともに反射波を検出するプローブ１６と、スポット溶接部１０とプローブ１６との間に介在される固形ゲル１７とプローブ１６に電気的に接続された制御装置１８とを有する。
プローブ１６は、四角柱のプローブ本体部１９を備えており、プローブ本体部１９の一端には、多数の振動素子２０が保持されている。プローブ本体部１９には、周波数発振部２１が収容され、周波数発振部２１は多数の振動素子２０と電気的に接続されている。振動素子２０は、周波数発振部２１の制御により予め設定された周波数帯域の振動を掃引して出力するほか、スポット溶接部１０において生じる反射波を受信する機能を備えている。従って、振動素子２０はスポット溶接部１０における反射波を検出する反射波検出部に相当する。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、本実施形態では、１行１３個の振動素子２０が１３列となって格子状に配列されている。互いに隣り合う振動素子２０の間には微小な間隙が設けられている。振動素子２０の端面は振動を出力する面である。図２（ｂ）に示すように、スポット溶接部１０における検査対象面Ｓは、振動素子２０の列の距離Ｌと行の距離Ｌと乗じたものである。検査対象面Ｓはスポット溶接部１０の厚さ方向へナゲット部１３を投影した投影面Ｐ（図２（ｂ）における一点鎖線内の領域）より大きく設定されている。つまり、プローブ１６の多数の振動素子２０により規定される検査対象面Ｓは、ナゲット部１３の投影面Ｐを全て覆うことが可能である。従って、多数の振動素子２０は検査対象面Ｓを通じて反射波を検出する。プローブ１６を用いて検査するとき、プローブ１６とスポット溶接部１０の間には固形ゲル１７が介在される。固形ゲル１７は、ナゲット部１３のスポット溶接部１０の厚さ方向へ投影した投影面Ｐおよび検査対象面Ｓよりも大きく、投影面Ｐおよび検査対象面Ｓを覆うことが可能である。

制御装置１８は、プローブ１６と通信可能な受信部２５と、受信部２５と電気的に接続された演算部２６と、演算部２６と接続された記憶部２７とを有するほか、各種データや波形を表示する表示部２８およびデータ等の入力を可能とする入力部２９を備えている。 受信部２５は、振動素子２０が検出する反射波のデータを受信する。演算部２６は受信部２５から反射波のデータの伝達を受け、プログラムの実行により、反射波のデータについて高速フーリエ変換を行い、周波数スペクトルを求める機能を有する。さらに、演算部２６は周波数スペクトルの特定の周波数成分の振幅と予め記憶された振幅の閾値との比較に基づいてナゲット部１３の共振の有無を判断する機能を有する。従って、演算部２６は高速フーリエ変換部および制御部に相当する。記憶部２７は各種のプログラムや処理されたデータ類を記憶する機能を有する。振幅の閾値Ｔは、実験等においてナゲット部１３に共振が生じたときの特定の周波数成分の振幅を計測し、計測された振幅値に基づいて予め設定される。特定の周波数成分とはナゲット部１３において共振を生じる周波数成分を指す。

次に、本実施形態に係る検査装置１５によるスポット溶接部１０の検査方法について説明する。図３に示すように、スポット溶接部１０における上側の金属材１１の厚さｄ１とし、下側の金属材の厚さｄ２とする。投影面Ｐを全て覆うように金属材１１上に固形ゲル１７を載置し、固形ゲル１７上に振動素子２０が当接させるようにプローブ１６を位置させる。多数の振動素子２０は周波数発振部２１の制御により予め設定された周波数帯域の振動を掃引してそれぞれ出力する。図３では振動素子２０から出力される振動を点線の矢印にて示す。振動の出力によりスポット溶接部１０では反射波が生じ、各振動素子２０は反射波をそれぞれ検出する。プローブ１６の特定の振動素子２０により振動の入力後に検出された反射波は、図４（ａ）に示すように、時間（ｔ）に応じた波形を有する。

ナゲット部１３が形成されて金属材１１と金属材１２が接合されている部位では、

を満たす周波数が入射されたときに共振する。ここで、ｆは周波数、ｎは正の整数、ｃは超音波の音速とする。
なお、スポット溶接機の打痕Ｃによる表面からの窪みΔｄが金属材１１、１２に存在する箇所では、

を満たす周波数が入射されたときに共振する。
他方、ナゲット部１３が形成されず金属材１１と金属材１２が接合されていない部位（未接合部位）では、

を満たす周波数が入射されたときに共振する。

振動の出力後に各振動素子２０により検出された反射波は受信部２５へ伝達され、周波数に応じた波形が演算部２６にて高速フーリエ変換される。つまり、制御装置１８は、ナゲット部１３内を何度か反射した反射波が存在する範囲を高速フーリエ変換する。高速フーリエ変換により周波数スペクトルが求められ、演算部２６は、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅Ａと予め設定された振幅の閾値Ｔとの比較に基づいてナゲット部１３の共振の有無を判断する。

演算部２６は、図４（ｂ）において実線にて示すように、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅Ａが閾値Ｔ以上のとき、ナゲット部１３に共振が存在すると判断し、ナゲット部１３が接合されていると判断する。また、演算部２６は、図４（ｂ）において一点鎖線にて示すように、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅Ａが閾値Ｔに達していない場合には、ナゲット部１３が接合されていない未接合状態であると判断する。振動素子２０毎に検出された反射波における共振周波数成分の振幅を確認することにより、スポット溶接部１０の状態が確認される。図４（ａ）および図４（ｂ）に示す波形を表示部２８に表示してもよい。なお、検査対象面Ｓにおいてナゲット部１３の投影面Ｐ以外の領域に位置する振動素子２０では、金属材１１の厚さｄ１に対応する共振の有無を、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅と閾値との比較により判断する。

本実施形態のスポット溶接部の検査方法および検査装置によれば以下の作用効果を奏する。
（１）反射波のフーリエ変換により求められた周波数スペクトルの特定の周波数成分の振幅からナゲット部１３における共振の有無が判断され、ナゲット部１３における共振の有無に基づいてスポット溶接部１０の接合状態を検査することができる。従って、固形ゲル１７を用いる場合であっても、精度の高いスポット溶接部１０の検査を行うことができる。つまり、反射波の振幅が小さい場合でもあっても精度の高いスポット溶接部１０の検査を行うことができる。

（２）周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅Ａが閾値Ｔ以上となるとき、ナゲット部１３に共振が存在することになり、ナゲット部１３が接合されている判断することができる。また、周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅Ａが閾値Ｔ未満のとき共振しないと判断し、金属材１１、１２が未接合であるか、若しくは、ナゲット部１３に未接合又は亀裂が存在すると判断できる。
この場合、

（３）プローブ１６における検査対象面Ｓはナゲット部１３のスポット溶接部１０の厚さ方向へ投影した投影面Ｐより大きく設定されているため、ナゲット部１３の接合状態を短時間で検査することができる。また、多数の振動素子２０により振動を出力し、反射波のフーリエ変換により求められた周波数スペクトルの特定の周波数成分の振幅Ａからナゲット部１３における共振の有無を判断するため、比較的簡単な構造の装置により、スポット溶接部１０の接合状態を検査することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、複数の金属材として２枚の金属材が接合されたスポット溶接部について説明したが、複数の金属材は２枚の金属材に限定されない。３枚以上の金属材が接合されたスポット溶接部であってもよく、何十枚もの金属材が接合されたスポット溶接材であってもよい。また、金属材に別部材が取り付けられていてもよい。
○ 上記の実施形態では、単に金属材としたが、金属材は金属板や金属箔であってもよい。特に、リチウムイオン二次電池の電極組立体における多数の正極（又は負極）のタブが金属箔であり、多数の正極タブ（又は負極タブ）がスポット溶接によって溶接されたスポット溶接部であってもよい。
○ 上記の実施形態では、多数の振動素子として、１行１３個の振動素子が１３列に配列されている例について説明したが、振動素子の数について特に限定する趣旨ではない。振動素子の数は、スポット溶接部の厚さ方向へ投影した投影面に対する分解能が大きくなるように、単位面積あたりの振動素子の数が増大することが好ましい。スポット溶接部の厚さ方向へ投影した投影面に対する分解能が大きくなることにより、検査精度が向上する。

１０ スポット溶接部
１１ 金属材（上）
１２ 金属材（下）
１３ ナゲット部
１５ 検査装置
１６ プローブ
１７ 固形ゲル
１８ 制御装置
１９ プローブ本体部
２０ 振動素子
２１ 周波数発振部
２５ 受信部
２６ 演算部
２７ 記憶部
２９ 入力部
Ａ 振幅
ｆ 周波数
Ｔ 閾値
Ｌ 距離
Ｓ 検査対象面
Ｐ 投影面
ｄ１ 金属材（上）の厚さ
ｄ２ 金属材（下）の厚さ

Claims (3)

1. 複数の金属材と、前記複数の金属材を接続するナゲット部と、を有するスポット溶接部の検査方法であって、
   前記スポット溶接部の厚さ方向へ前記ナゲット部を投影した投影面を含む検査対象面を設定し、
   前記検査対象面を多数の振動素子により覆うとともに、予め設定された周波数帯域の振動を掃引して前記多数の振動素子からそれぞれ出力し、
   前記振動の出力後に得られる前記スポット溶接部からの反射波を検出し、
   前記反射波をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、
   前記周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅と予め設定された振幅の閾値との比較に基づいて共振の有無を判断し、
   前記特定の周波数成分における前記共振の有無により前記スポット溶接部の接合状態を検査することを特徴とするスポット溶接部の検査方法。
2. 前記周波数スペクトルにおける前記特定の周波数成分の振幅が前記閾値以上となるとき、前記ナゲット部の共振が存在すると判断し、前記ナゲット部が接合されていると判断することを特徴とする請求項１記載のスポット溶接部の検査方法。
3. 予め設定された周波数帯域の振動を掃引して出力する多数の振動素子と、
   前記多数の振動素子を保持するプローブ本体部と、
   スポット溶接部における反射波を検出する反射波検出部と、
   前記反射波が入力され、前記反射波を高速フーリエ変換して周波数スペクトルを出力する高速フーリエ変換部と、
   前記周波数スペクトルにおける特定の周波数成分の振幅と予め設定された振幅の閾値との比較に基づいて前記スポット溶接部におけるナゲット部の共振の有無を判断する制御部と、を備え、
   前記スポット溶接部における前記多数の振動素子により規定される検査対象面は、前記ナゲット部の前記スポット溶接部の厚さ方向へ投影した投影面より大きいことを特徴とするスポット溶接部の検査装置。

Images