JP4931671B2 - 検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに超音波パルスを入射し、そのワークからの反射波（あるいは透過波）を利用して溶融部の大きさを推定する検査方法に係り、特に反射波（あるいは透過波）に含まれる溶融部からの反射波成分（あるいは透過波成分）を識別する技術の改良に関する。

スポット溶接では、スポット溶接ガンの電極チップでワークを挟み、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１９に示すように、電極チップ（図示略）に内蔵されたセンサ１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１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、図２１に示すように、電極チップ（図示略）に内蔵されたセンサ１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（図示略）に内蔵されたセンサ２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（特許文献１参照）。

特表平７−５０９５６２号公報

しかしながら、反射法では、センサ１で受信されるワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波には、図２０に示すように、溶融部からの反射波成分に加えて、上側の電極チップの下端からの反射波成分、ワークＷ_１，Ｗ_２の間からの反射波成分、下側の電極チップの上端からの反射波成分、および、ノイズが含まれているため、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波から溶融部からの反射波成分を識別することが困難であった。一方、透過法では、図２２に示すように、溶融部からの透過波成分に加えて、ノイズが含まれているため、ワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波から溶融部からの透過波成分を識別することが困難であった。以上のことから、反射法および透過法のいずれにおいても、溶融部の大きさを正確に推測することができなかった。このような問題は、スポット溶接以外での検査でも同様に生じていた。

したがって、本発明は、溶融部からの反射波成分（あるいは透過波成分）を識別することにより、識別された溶融部からの反射波成分（あるいは透過波成分）を利用して溶融部の大きさを正確に推測することができる検査方法を提供することを目的とする。

本発明の検査方法として、溶融部の大きさの推定に、溶融部からの反射波を利用する第１検査方法および溶融部からの透過波を利用する第２検査方法がある。

本発明の第１検査方法は、ワークへの超音波パルスの送信およびワーク内の溶融部からの反射波の受信を繰り返し行い、溶融部からの反射波を利用して溶融部を検査する方法であって、超音波パルスのワークからの反射波の受信順を示す受信指標、反射波の経過時間、および、反射波の強度を検出し、その検出データを座標データとして記憶し、該座標データから受信指標および経過時間のそれぞれが溶融部からの反射波成分が発生する可能性の大きな範囲内にある反射波成分の座標データを抽出し、抽出した座標データに基づいて前記受信指標および前記経過時間のデータの近似式を求め、近似式に基づいて溶融部からの反射波成分を識別することを特徴としている。

本発明の第１検査方法では、ワークへの超音波パルスの送信およびワーク内の溶融部からの反射波の受信を繰り返し行い、各超音波パルスに対応する反射波からなる反射波群を得る。各反射波の受信時には、超音波パルスのワークからの反射波の受信順を示す受信指標、反射波の経過時間、および、反射波の反射強度からなる座標データを得ている。このようにして得られた反射波群の各反射波の座標データに基づいて近似式を求め、その近似式に基づいて溶融部からの反射波成分を識別する。このようにワークからの反射波のなかから溶融部からの反射波成分を識別するから、その識別された溶融部からの反射波成分を利用することができる。したがって、溶融部の大きさを正確に推測することができる。

本発明の第１検査方法は種々の構成を用いることができる。たとえば座標データを抽出する前に、反射強度が所定強度以上にある反射波成分の座標データを抽出することができる。また、近似式を求める前後に、受信指標および経過時間のそれぞれが所定範囲内にある反射波成分の座標データを抽出することができる。さらに、受信指標として、反射波の受信順番、受信時刻、反射波に対応する超音波の送信順番、および、反射波に対応する超音波の送信時刻のうちのいずれかを用いることができる。

溶融部の推定では、超音波のワーク中の伝播時間を用いる従来技術を利用することができるのはもちろんのこと、種々の推定技術を利用することができる。たとえば、次のように凝固時間を利用することができる。すなわち、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１時刻を検出し、溶融部からの反射波成分の強度が所定値まで低下する第２時刻を検出し、第１時刻と第２時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定することができる。

本発明の第１検査方法においては、ワークへの超音波パルスの送信およびワーク内の溶融部からの反射波の受信を繰り返し行い、溶融部からの反射波を利用して溶融部を検査する方法であって、超音波パルスのワークからの反射波の受信順を示す受信指標、反射波の経過時間、および、反射波の反射強度を検出し、それら検出データを座標データとして記憶し、受信指標と前記経過時間とを軸とする座標系上に、各反射波からなる反射波群の強度を表示することができる。

本発明の他の第１検査方法では、反射波の受信指標と経過時間とを軸とする座標系上に、各反射波からなる反射波群の強度を表示することにより、反射波の強度の経時変化を確認することができるので、ワークからの反射波のなかから溶融部からの反射波成分を識別することができる。また、仮に溶融部に欠陥が存在する場合、それに起因したデータが表示されるから、溶融部における欠陥の存在を確認することができる。

本発明の第２検査方法は、ワークへの超音波パルスの送信およびワーク内の溶融部からの透過波の受信を繰り返し行い、溶融部からの透過波を利用して溶融部を検査する方法であって、超音波パルスのワークからの透過波の受信順を示す受信指標、透過波の経過時間、および、透過波の透過強度を検出し、その検出データを座標データとして記憶し、該座標データから受信指標および経過時間のそれぞれが溶融部からの透過波成分が発生する可能性の大きな範囲内にある透過波成分の座標データを抽出し、抽出した座標データに基づいて受信指標および経過時間のデータの近似式を求め、近似式に基づいて溶融部からの透過波成分を識別することを特徴としている。

本発明の第２検査方法では、超音波パルスのワークからの透過波の受信順を示す受信指標、透過波の経過時間、および、透過波の透過強度からなる透過波群の各透過波の座標データに基づいて近似式を求め、その近似式に基づいて溶融部からの透過波成分を識別する。このようにワークからの透過波のなかから溶融部からの透過波成分を識別するから、その識別された溶融部からの透過波成分を利用することができる。したがって、溶融部の大きさを正確に推測することができる。

本発明の第２検査方法は種々の構成を用いることができる。たとえば溶融部の推定では、透過波の減衰量を用いる従来技術を利用することができるのはもちろんのこと、種々の推定技術を利用することができる。たとえば、次のように凝固時間を利用することができる。すなわち、ワークへの溶接電流の通電を停止する第１時刻を検出し、溶融部からの透過波の強度が所定値まで増加する第２時刻を検出し、第１時刻と第２時刻との差を溶融部の凝固時間とし、その凝固時間を、溶融部の大きさと凝固時間とに関する相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定することができる。

本発明の第１検査方法あるいは第２検査方法によれば、ワークからの反射波（あるいは透過波）のなかから溶融部からの反射波成分（あるいは透過波成分）を識別することにより、その識別された溶融部からの反射波成分（あるいは透過波成分）を利用することができるので、溶融部の大きさを正確に推測することができる。

本発明の他の第１検査方法によれば、溶融部からの反射波成分を識別することができるのはもちろんのこと、溶融部における欠陥の存在を確認することができる。

（１）第１実施形態
（１−１）第１実施形態の構成
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、本発明の検査方法をスポット溶接に適用した場合について説明するが、本発明の検査方法はスポット溶接以外での検査に適用することができるのは言うまでもない。図１は、本発明の第１実施形態に係る検査方法を行う検査装置１０を表すブロック図である。

検査装置１０は、ワークＷ_１，Ｗ_２に溶接電流を通電するスポット溶接ガンの電極チップ１１ａ，１１ｂを備えている。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。電極チップ１１ａは、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センサ１２を内蔵している。センサ１２は、超音波送受信部１３からのパルス信号の受信により横波の超音波パルスを発生し、それに対応するワークＷ_１，Ｗ_２から受信された反射波を電気信号に変換して超音波送受信部１３に送信する。センサ１２からの反射波の信号は、超音波送受信部１３で増幅され検出部１４に送信される。

検出部１４は、溶接電流の通電を停止する第１時刻ｔ_１、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波の受信回を示す受信指標、反射波の経過時間、および、反射波の強度を検出するとともに、それら信号を判定部１５に送信する。また、それら信号は記憶部１６に記憶される。受信指標は、たとえば反射波の受信順番、反射波の受信時刻、反射波に対応する超音波パルスの送信順番、あるいは、反射波に対応する超音波パルスの送信時刻である。また、各反射波の強度は、それに対応する受信指標と経過時間とを軸とする座標系を用いて表示部（図示略）に２次元表示あるいは３次元表示される。表示部による表示の詳細については後述する。

判定部１５は、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波毎に、受信指標、経過時間、強度を関連づけて記憶する。判定部１５は、記憶部１６に記憶された反射強度の閾値データと照合することにより、反射強度が閾値以上にある反射波成分を抽出し、その抽出された反射波成分からなる反射波成分群（抽出された反射波群）の受信指標および経過時間のデータを用いて近似式を求め、その近似式を利用して溶融部からの反射波成分を識別する。この場合、記憶部１６に記憶された受信指標および経過時間のそれぞれの範囲限定データを参照して、反射波成分群のなかから、受信指標および経過時間のそれぞれが所定範囲内にある反射波成分を抽出するが、その抽出は、近似式を求める前後のいずれかで行う。

そして、判定部１５は、識別された溶融部からの反射波成分の強度が最大になる第１時刻と、その反射波成分の強度が所定値まで低下する第２時刻との差から溶融部の凝固時間を求め、その凝固時間を記憶部１６に記憶された相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する。記憶部１６には、反射波の強度の閾値データ、受信指標および経過時間のそれぞれの範囲限定データ、および、溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データが記憶されている。溶融部の大きさは、溶融部の直径や容積として得られる。反射波成分群の抽出方法および範囲限定データの詳細については後述する。

（１−２）第１実施形態の動作
次に、検査装置１０を用いて溶融部の大きさを推定する方法について、おもに図２〜１２，１７，１８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時刻ｔ_ｓで開始する（図１７（ａ））。すると、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。次いで、溶接電流の通電を時刻ｔ_１で停止する。このとき溶融部Ｌの大きさが最大となる（図１７（ｂ））。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（図１７（ｃ））、溶融部Ｌの凝固は時刻ｔ_３で終了する（図１７（ｄ））。時刻ｔ_ｕで電極チップ１１ａ，１１ｂをワークＷ_１，Ｗ_２から離間（すなわち、ガン開）する。

このようなスポット溶接では、センサ１２が、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。これにより、各超音波パルスに対応する反射波からなる反射波群を得る。各反射波の受信時には、センサ１２は、溶接電流の通電を停止する第１時刻ｔ_１、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波の受信順番、反射波の経過時間、および、反射波の強度を検出している。検出時間は、おおよそ通電開始からガン開までの所定時間（たとえば０．５〜５秒）である。その間の受信回数は数十〜数百回である。

ここで、センサ１２で検出されるワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波には、溶融部Ｌからの反射波成分だけではなく、電極チップ１１ａの下端からの反射波成分、ワークＷ_１，Ｗ_２の間からの反射波成分、電極チップ１１ｂの上端からの反射波成分、および、ノイズのうちの少なくとも１つが含まれているから、次のように溶融部Ｌからの反射波成分を識別する。

まず、判定部１５は、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波毎に、受信順番、経過時間、および、強度を関連付けて記憶する。これについて図２〜４を参照して説明する。図２〜４は、通電開始前、通電中、および、冷却中の各超音波パルスに対応するワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波の強度と経過時間との関係を表す図である。図中の符号ＨはワークＷ_１，Ｗ_２間からの反射波成分、符号Ｉは溶融部Ｌからの反射波成分、符号Ｊは電極チップ１１ａの下端からの反射波成分を示している。

図２〜４に示すように、Ｎ（＝１〜９）番目の超音波パルスに対応するワークＷ_１，Ｗ_２からの各反射波について、受信順番Ｎと記憶され、その受信順番Ｎに対応する経過時間および強度を記憶する。図中では、説明の簡略化のために、通電開始前、通電中、および、冷却中における反射波の受信回数をそれぞれ３回としている。また、図の繁雑化を避けるために、（受信順番、経過時間、強度）の記憶例を数カ所のみに記載している。

次に、判定部１５は、各反射波について強度が閾値以上となっている時刻を反射波成分群（抽出された反射波群）として抽出する。これについて、図５を参照して、図４（ａ）に示すワークＷ_１，Ｗ_２からの各反射波成分（Ｎ＝７）を用いて説明する。図５（ａ）は図４（ａ）の拡大図、図５（ｂ），（Ｃ）は、反射波成分群の抽出手法を表す図である。図５（ｂ），（Ｃ）に示すように、判定部１５は、図５（ａ）に示す反射波の反射波成分の強度が閾値であるか否かを判定する。その判定では、反射波成分Ｉ，Ｊの一部の強度が閾値以上であるから、それに対応する時刻が反射波成分群（図５（Ｃ）の●印）として抽出され、これに対して反射波成分Ｈの強度は閾値以下であるから、それに対応する時刻は反射波成分群として抽出されない。

このとき、必要に応じて、反射波の受信順番と経過時間とを軸とする座標系を用い、反射波成分群を表示部に表示してもよい。たとえば図６に示すように、反射波の受信順番と経過時間とを軸とする座標系を用い、反射波成分群の時刻を２次元表示する。また、たとえば強度が閾値以上である時刻を反射波成分群として抽出せずに、図８に示すように、反射波の受信順番、経過時間、および、反射強度を軸とする座標系を用い、溶融部Ｌからの反射波成分Ｉを３次元表示することも可能である。

スポット溶接中に発生する各反射波について、図２〜４，６を参照して説明する。通電開始前には、図２に示すように、ワークＷ_１，Ｗ_２間からの反射波成分Ｈ、電極チップ１１ａの下端からの反射波成分Ｊが発生する。通電開始後には、ワークＷ_１，Ｗ_２における境界近傍の中央部に溶融部Ｌが形成されるから、図３に示すように、時間の経過にともない、ワークＷ_１，Ｗ_２間からの反射波成分Ｈの強度は低下し、溶融部Ｌからの反射波成分Ｉが発生し、その強度が増加する。これにより、ワークＷ_１，Ｗ_２間からの反射波成分Ｈは検出されず、電極チップ１１ａの下端からの反射波成分Ｊとともに溶融部Ｌからの反射波成分Ｉが検出される。

通電終了後には、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが形成されるから、図４に示すように、溶融部Ｌからの反射波成分Ｉの強度が低下する。これにより、通電終了直後には電極チップ１１ａの下端からの反射波成分Ｊとともに溶融部Ｌからの反射波成分Ｉが検出されるが、時間の経過に伴い、溶融部Ｌからの反射波成分Ｉが検出されなくなる。

時刻ｔ_ｕでの電極チップ１１ａ，１１ｂのワークＷ_１，Ｗ_２からの離間後（すなわち、ガン開後）には、電極チップ１１ａの下端からの反射波成分Ｊが発生するから、反射波成分Ｊが検出される。以上のようにスポット溶接中に発生する各反射波成分が抽出されるから、表示部による２次元表示では図６に示すように、反射波成分Ｈ，Ｉ，Ｊが一連の反射波成分群として表示される。

このような反射強度のデータの表示では、反射波の波形の経時変化を確認することができるので、各反射波成分Ｈ，Ｉ，Ｊの識別を容易に行うことができる。また、仮に溶融部Ｌに欠陥が存在する場合、それに起因したデータが表示されるから、溶融部Ｌにおける欠陥の存在を確認することができる。

続いて、判定部１５は、図７に示すように、記憶部１６に記憶された受信順番および経過時間のそれぞれの範囲限定データを参照して、以上のように反射波群から抽出された反射波成分群のなかから、受信順番および経過時間のそれぞれが所定範囲α，β内にある反射波成分を抽出する。なお、このような反射波成分の抽出は、下記のような近似式を得た後に行ってもよい。

受信順番および経過時間に関する範囲限定データは、次のようにして作成する。すなわち、多数のワークに対し溶接条件（電流値や通電時間など）を変えてスポット溶接を行い、その都度、溶接電流の通電を停止する第１時刻ｔ_１、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波の受信順番、反射波の経過時間、および、反射波の強度を検出する。そして、検出されたデータを用いて図６，８に示すようなデータ図を作成し、各反射波成分を特定することにより、溶融部からの反射波成分が発生する可能性の大きな受信順番の範囲αおよび経過時間の範囲βを範囲限定データとして作成する。そして、その範囲限定データを記憶部１６に記憶しておく。

次に、図７に示すように、判定部１５は、最小２乗法などの近似法を用いて、以上のように抽出された反射波成分群の受信順番および経過時間のデータの近似式Ｍを得る。ここで、仮に近似式Ｍから所定距離ｄ_１以下にあるデータ（たとえば、点Ｐのデータ）がある場合、そのデータは溶融部Ｌからの反射波成分Ｉのデータと判定され、近似式Ｍから所定距離ｄ_１より大きな距離にあるデータ（たとえば点Ｑのデータ）がある場合、そのデータはノイズと判定され除外される。

以上のように、ワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波のなかから溶融部Ｌからの反射波成分Ｉが識別される。図９は、溶融部Ｌから反射波成分Ｉの強度と溶接電流の経時変化を表す図である。図９では、実線Ａは溶接電流の電流値、破線Ｂは溶融部Ｌからの反射波成分の強度を示している。図９に示すように、時刻ｔ_ｓでの溶接電流の通電開始後、時刻ｔ_０で溶融部Ｌからの反射波成分が観測され、溶融部Ｌの大きさが大きくなると、それに応じて反射波成分の強度が大きくなる。時刻ｔ_１での溶接電流の通電の停止後、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが形成され、反射波成分の強度は減少に転じる。すなわち、通電停止の時刻ｔ_１で溶融部Ｌの大きさと反射波成分の強度が最大になる。溶融部の凝固が終了する時刻ｔ_３では、反射波成分が消失し、その強度がゼロになる。

溶融部からの反射波成分の強度が最大になる時刻ｔ_１を始期（第１時刻）とし、反射波成分の強度がゼロになる時刻ｔ_３を終期（第２時刻）として溶融部Ｌの凝固時間を算出する。ただし、時刻ｔ_３を終期とすると、ノイズの影響により計測誤差が生じ易くなる。したがって、ゼロよりも若干大きい閾値を設定し、反射波成分の強度が閾値まで達した時刻ｔ_２（第２時刻）を凝固時間の終期としてもよい。この場合、凝固時間Ｔは真の値（ｔ_３−ｔ_１）よりも若干短くなるが、相関データの作成に際し、上記値（ｔ_２−ｔ_１）を凝固時間として用いることにより、溶融部Ｌの判定精度に対する影響はほとんどない。

なお、センサ１２は、ワークＷ_１，Ｗ_２におけるセンサ径を超える部分からの反射波を検出することができないから、溶融部Ｌからの反射波成分の強度の検出限界は次のようにセンサ１２のセンサ径に規定される。すなわち、図１７（ａ）〜１７（ｄ）に示すように、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合、センサ１２は、溶融部Ｌの全ての部分からの反射波を検出することができるので、センサ１２は溶融部Ｌからの反射波成分の強度の最大値を検出することができる（図９の破線Ｂ）。したがって、この場合、上記のように反射波成分の強度が最大になる時刻ｔ_１を始期（第１時刻）として用いることができる。

一方、図１８（ａ），１８（ｂ）に示すように、センサ径が溶融部Ｌの最大径より小さい場合、センサ１２は、溶融部Ｌにおけるセンサ径を超える両端部からの反射波を検出することができない。この場合、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する前と通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致した後では、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の図９の破線Ｂに示す場合と同じ変化を示すが、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致してから通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致するまでは、図９の実線Ｂ’に示すように反射波成分の強度が一定となる。このように反射波成分の強度には、センサ径を超える溶融部の径の変化が反映されない。

したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ_１を凝固時間Ｔの始期としている。溶接電流の通電停止時には溶融部Ｌの大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。この場合、通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する時刻ｔ_５を用い、凝固時間Ｔを（ｔ_５−ｔ_１）としてもよい。

また、ワークＷ_１，Ｗ_２が亜鉛メッキ鋼板の場合、メッキ層の溶融が母材の反射強度の検出に次のような影響を与える。すなわち、亜鉛の融点は鉄の融点よりも低いため、ワークＷ_１，Ｗ_２間のメッキ層が溶融した後、母材の溶融が始まる。このため、図１０(ａ)に示すように、時刻ｔ_ｓで溶接電流の通電を開始すると、まず、ワーク間の溶融メッキ層からの反射波成分Ｄが生じる。ワークＷ_１，Ｗ_２間のメッキ層はやがて蒸発してなくなるが、それと前後して母材の溶融が始まる。この場合、通電電流値が高く、溶融部が大きいとき、電極チップ１１ａ，１１ｂ側へ熱が伝わり、電極チップ１１ａ，１１ｂ側のメッキ層が溶けることがある。このため、図１０(ｂ)に示すように、電極チップ１１ａ側の溶融メッキ層からの反射波成分Ｅが発生し、母材へ超音波パルスが入射しなくなるから、母材溶融部から反射するはずの反射波成分Ｂの強度のピークを検出することが不可能になる。

したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ_１を凝固時間Ｔの始期としている。すなわち、溶接電流の通電停止時には溶融部の大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。時刻ｔ_４で電極チップ１１ａ，１１ｂ側のメッキ層からの反射がなくなると、母材溶融部からの反射波成分Ｂが現れるので、凝固時間Ｔの終期は、通常のワークの場合と同様、反射波成分Ｂの強度が閾値まで低下する時刻ｔ_２にすればよい。

続いて、図１１に示すように、凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部Ｌの大きさを推定する。溶融部Ｌの大きさと凝固時間に関する相関データは、次のようにして作成する。すなわち、多数のワークに対し溶接条件（電流値や通電時間など）を変えてスポット溶接を行い、その都度、溶融部の凝固時間Ｔを計測し記録しておく。溶接されたワークの破壊検査を行い、溶融部の垂直及び水平断面から溶融部の大きさＶを求める。そして、溶融部の大きさと凝固時間Ｔを対応させて相関データを作成する。

以上のように第１実施形態では、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内の溶融部Ｌからの反射波の受信を繰り返し行い、各超音波パルスに対応する反射波からなる反射波群を得る。各反射波の受信時には、超音波パルスのワークからの反射波の受信順を示す受信指標、反射波の経過時間、および、反射波の反射強度からなる座標データを得ている。このようにして得られた反射波群の各反射波の座標データに基づいて近似式Ｍを求め、その近似式Ｍに基づいて溶融部Ｌからの反射波成分Ｉを識別する。このようにワークＷ_１，Ｗ_２からの反射波のなかから溶融部Ｌからの反射波成分Ｉを識別するから、その識別された溶融部Ｌからの反射波成分Ｉを利用することができる。したがって、溶融部Ｌの大きさを正確に推測することができる。

特に、電極チップ１１ａの傾きがある場合、超音波パルスがワークＷ_１，Ｗ_２に対して斜めに入射するため、反射波成分の強度が低下するが、強度が最大になる第１時刻ｔ_１は変化しない。一方、強度の差は、反射波成分がその閾値まで低下する第２時刻ｔ_２での閾値付近ではほとんど生じないから、第２時刻ｔ_２での誤差は無視できるほど小さくなる。図７は、電極チップの傾きが反射強度に与える影響を説明するための図である。図７では、超音波が垂直に入射した場合の反射強度を実線、超音波が斜めに入射した場合の反射強度を一点鎖線で示している。図７に示すように、溶融部Ｌの凝固時間Ｔは変化しないので、ワークＷ_１，Ｗ_２に対する超音波パルスの入射角変化の影響を受けることなく、溶融部Ｌの大きさを正確に推定することができる。また、この場合、ワークＷ_１，Ｗ_２の温度変化の影響を受けることもない。

（２）第２実施形態
（２−１）第２実施形態の構成
第２実施形態は、溶融部の大きさの推定に溶融部からの反射波の代わりに溶融部からの透過波を利用する以外は、第１実施形態と同様である。図１３は、本発明に係る第２実施形態の検査装置２０のブロック図を示している。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、その構成・作用の説明は省略する。

検査装置２０では、図１３に示すように、ワークＷ_２の下側の電極チップ１１ｂに、溶融部からの透過波を受信するセンサ１７を設ける。センサ１７は、たとえばセンサ１２と同一径を有するとともに、ワークＷ_１，Ｗ_２に対してセンサ１２とは対称な位置に配置されている。センサ１２は、超音波送受信部１３からのパルス信号を受けて横波の超音波パルスを発生する。センサ１７では、溶融部からの透過波を受信し、その透過波を電気信号に変換して超音波送受信部１３に送信する。透過波の信号は、超音波送受信部１３で増幅され検出部１４に送信される。

検出部１４は、ワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波の受信回を示す受信指標、透過波の経過時間、および、透過波の強度を検出するとともに、それらデータを判定部１５に送信する。また、それらデータは記憶部１６に記憶される。受信指標は、たとえば透過波の受信順番、透過波の受信時刻、透過波に対応する超音波パルスの送信順番、あるいは、透過波に対応する超音波パルスの送信時刻である。また、各透過波の強度は、それに対応する受信指標と経過時間とを軸とする座標系を用いて表示部（図示略）に２次元表示あるいは３次元表示される。

判定部１５は、記憶部１６に記憶された透過強度の閾値データと照合することにより、透過強度が閾値以上にある透過波成分を透過波成分群（抽出された透過波群）として抽出し、その透過波成分群の透過波成分の受信指標および経過時間のデータを用いて近似式を求め、その近似式を利用して溶融部からの透過波成分を識別する。この場合、記憶部１６に記憶された受信指標および経過時間のそれぞれの範囲限定データを参照して、透過波成分群のなかから、受信指標および経過時間のそれぞれが所定範囲内にある透過波成分を抽出するが、その抽出は、近似式を求める前後のいずれかで行う。

そして、判定部１５は、識別された溶融部からの透過波成分の強度が最小になる第１時刻と、その透過波成分の強度が所定値まで増加する第２時刻との差から溶融部の凝固時間を求め、その凝固時間を記憶部１６に記憶された相関データと照合することにより溶融部の大きさを推定する。記憶部１６には、透過波の強度閾値データ、受信指標および経過時間のそれぞれの範囲限定データ、および、溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データが記憶されている。溶融部の大きさは、溶融部の直径や容積として得られる。

（２−２）第２実施形態の動作
次に、検査装置２０を用いて溶融部の大きさを推定する方法について、おもに図１４〜１８を参照して説明する。なお、図１７，１８では、センサ１７の図示を省略している。

第２実施形態では、検査装置２０を用いて第１実施形態と同様にワークＷ_１，Ｗ_２のスポット溶接を行う。このようなスポット溶接では、センサ１２は、ワークＷ_１，Ｗ_２への超音波パルスの送信を繰り返し、センサ１７は、その超音波パルスに対応するワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波の受信を繰り返し行う。これにより、各超音波パルスに対応する透過波からなる透過波群を得る。各透過波の受信時には、センサ１２は、ワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波の受信順番、透過波の経過時間、および、透過波の強度を検出している。検出時間は、おおよそ通電開始からガン開までの所定時間（たとえば０．５〜５秒）である。その間の受信回数は数十〜数百回である。

ここで、センサ１２で検出されるワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波には、溶融部Ｌからの透過波成分だけではなく、ノイズが含まれているから、次のように溶融部からの透過波成分を識別する。

まず、判定部１５は、記憶部１６に記憶された透過波の強度閾値データと照合することにより、図１４に示すように、透過強度が閾値以上にある時刻を透過波成分群（抽出された透過波群）として抽出する。図１４は、透過波の受信順番と経過時間とを軸とする座標系を用いて、閾値以上の透過強度を有する透過波成分群を２次元表示した一例を表す図である。なお、この場合、透過強度が閾値以上である時刻を透過波成分群として抽出せずに、図１５に示すように、透過波の受信順番、経過時間、および、透過強度を軸とする座標系を用い、溶融部Ｌからの透過波成分Ｋを３次元表示することも可能である。

スポット溶接中に発生する透過波について説明する。通電開始前には、超音波パルスの全てがワークＷ_１，Ｗ_２を通過し、透過波成分Ｋは大きな強度を有するから、図１４に示すように、透過波成分Ｋが抽出される。通電開始後には、ワークＷ_１，Ｗ_２における境界近傍の中央部に溶融部Ｌが形成されるから、溶融部Ｌにより超音波パルスの一部が反射され、透過波成分Ｋの強度が低下する。これにより、図１４に示すように、透過波成分Ｋは徐々に抽出されなくなる。

溶融部Ｌの径がセンサ１７のセンサ径を超える場合、センサ１７は、ワークＷ_１，Ｗ_２におけるセンサ径を超える溶融部Ｌの両端部に対応する部分からの透過波を検出することができない。これにより、図１４に示すように、透過波成分Ｋが抽出されない。一方、 溶融部Ｌの径がセンサ１７のセンサ径を超えない場合、ワークＷ_１，Ｗ_２における溶融部Ｌを超える部分からの透過波を検出することができる。これにより、透過波成分Ｋの一部が抽出される。これにより、通電終了時には、透過波成分の強度が最小となる。

通電終了後には、溶融部Ｌの凝固が始まり、凝固部Ｍが形成され溶融部Ｌが縮小するから、溶融部Ｌの径がセンサ径以下になるとワークＷ_１，Ｗ_２におけるセンサ径以内の部分から超音波パルスが再び透過する。そして、時間の経過に従い、溶融部Ｌが縮小が進行するから、透過波の強度が大きくなる。これにより、透過波成分Ｋが徐々に抽出される。

時刻ｔ_ｕでの電極チップ１１ａ，１１ｂのワークＷ_１，Ｗ_２からの離間後（すなわち、ガン開後）には、超音波パルスはワークＷ_１，Ｗ_２を透過しないから、透過波成分Ｋが抽出されない。

このような透過強度のデータの表示では、透過波の波形の経時変化を確認することができるので、透過波成分の識別を容易に行うことができる。また、仮に溶融部Ｌに欠陥が存在する場合、それに起因したデータが表示されるから、溶融部Ｌにおける欠陥の存在を確認することができる。

続いて、判定部１５は、記憶部１６に記憶された受信順番および経過時間のそれぞれの範囲限定データを参照して、以上のように透過波群から抽出された透過波成分群のなかから、必要に応じて、受信順番および経過時間のそれぞれが所定範囲内にある透過波成分を抽出する。なお、このような透過波成分の抽出は、下記のような近似式Ｎを得た後に行ってもよい。

受信順番および経過時間に関する範囲限定データは、次のようにして作成する。すなわち、多数のワークに対し溶接条件（電流値や通電時間など）を変えてスポット溶接を行い、その都度、溶接電流の通電を停止する第１時刻ｔ_１、ワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波の受信順番、超音波パルスの送信時刻から透過波の受信時刻までの経過時間、および、透過波の強度を検出する。そして、検出されたデータを用いて図１４，１５に示すようなデータ図を作成し、各透過波成分を特定することにより、溶融部からの透過波成分が発生する可能性の大きな受信順番の範囲および経過時間の範囲を範囲限定データとして作成する。そして、その範囲限定データを記憶部１６に記憶しておく。

次に、図１４に示すように、判定部１５は、最小２乗法などの近似手法を用いて、以上のような透過波成分群の受信順番および経過時間のデータの近似式Ｎを得る。ここで、仮に近似式Ｎから所定距離ｄ_２以下にあるデータ（たとえば、点Ｒのデータ）がある場合には、そのデータは溶融部Ｌからの透過波成分Ｋのデータと判定され、近似式Ｎから所定距離ｄ_２より大きな距離にあるデータ（たとえば点Ｓのデータ）がある場合には、そのデータはノイズと判定され除外される。

以上のように、ワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波のなかから溶融部Ｌからの透過波成分Ｋが識別される。図１６は、溶融部Ｌから透過波成分Ｋの強度と溶接電流の経時変化を表す図である。図１６では、実線Ａは溶接電流の電流値、破線Ｆは溶融部Ｌからの透過波成分の強度を示している。図１６に示すように、通電開始前（時刻ｔ_ｓより前）は、超音波パルスはワークＷ_１，Ｗ_２により反射されないから、このときの透過波成分の強度は最大である。時刻ｔ_ｓでの溶接電流の通電開始後、溶融部Ｌで超音波が反射されるから、透過波成分が減少する。溶融部Ｌの大きさが大きくなると、それに応じて透過波成分の強度が小さくなる。時刻ｔ_１で溶接電流の通電停止後、溶融部Ｌの凝固が始まり凝固部Ｍが形成され、透過波成分の強度は増加に転じる。すなわち、通電停止の時刻ｔ_１で溶融部Ｌの大きさが最大、透過波成分の強度が最小になる。溶融部Ｌの凝固が進行すると、それに応じて透過波成分の強度が大きくなる。溶融部Ｌの凝固が終了する時刻ｔ_３では、透過波成分の強度が再び最大となる。

溶接電流の通電を停止する時刻ｔ_１を始期（第１時刻）とし、透過波成分の強度が最大になる時刻ｔ_３を終期（第２時刻）として溶融部Ｌの凝固時間を算出する。ただし、時刻ｔ_３を終期とすると、ノイズの影響により計測誤差を生じ易くなる。そこで、透過波成分の最大強度よりも若干小さい閾値を設定し、透過波成分の強度が閾値まで達した時刻ｔ_２（第２時刻）を凝固時間の終期としてもよい。

この場合、凝固時間Ｔは真の値（ｔ_３−ｔ_１）よりも若干短くなるが、相関データの作成に際し、以上の値（ｔ_２−ｔ_１）を凝固時間として採用しておけば、溶融部の判定精度に対する影響はほとんどない。

なお、センサ１７は、ワークＷ_１，Ｗ_２におけるセンサ径を超える部分からの透過波成分を検出することができないから、溶融部Ｌからの透過波成分の強度の検出限界は、第１実施形態の反射波の場合と同様に、センサ１７のセンサ径に規定される。すなわち、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合、センサ１７は、ワークＷにおける溶融部Ｌに対応する全ての部分からの透過波を検出することができるので、センサ１７は透過波成分の強度の最小値を検出することができる（図１６の破線Ｆ）。したがって、この場合、上記のように透過波成分の強度が最小になる時刻ｔ_１を始期（第１時刻）として用いることができる。

一方、センサ径が溶融部Ｌの最大径より小さい場合、センサ１７は、ワークＷ_１，Ｗ_２におけるセンサ径を超える溶融部Ｌの両端部に対応する部分からの透過波を検出することができない。この場合の透過強度の曲線は、センサ径が溶融部Ｌの最大径以上の場合の図１６の破線Ｆに示す曲線を時間軸方向に向けて下方に平行移動したような曲線となり（図１６の実線Ｆ’）、通電時に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致してから通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致するまで、透過波成分の強度がゼロとなる。このように透過波成分の強度には、センサ径を超える溶融部の径の変化が反映されない。したがって、この場合、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ_１を凝固時間Ｔの始期としている。溶接電流の通電停止時には溶融部Ｌの大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。この場合、通電終了後の冷却中に溶融部Ｌの径がセンサ径に一致する時刻ｔ_５を用い、凝固時間Ｔを（ｔ_５−ｔ_１）としてもよい。

また、ワークが亜鉛メッキ鋼板の場合、反射波を利用した第１実施形態と同様、溶接電流の通電を停止する時刻ｔ_１を凝固時間Ｔの始期としている。つまり、溶接電流の通電停止時には溶融部の大きさが最大に達しているので、この時を凝固時間Ｔの始期として用いることができる。

続いて、図１１に示すように第１実施形態と同様に凝固時間Ｔを相関データと照合して溶融部Ｌの大きさを推定する。

以上のように第２実施形態では、超音波パルスのワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波の受信順を示す受信指標、透過波の経過時間、および、透過波の透過強度からなる透過波群の各透過波の座標データに基づいて近似式Ｎを求め、その近似式Ｎに基づいて溶融部からの透過波成分Ｋを識別する。このようにワークＷ_１，Ｗ_２からの透過波のなかから溶融部Ｌからの透過波成分Ｋを識別するから、その識別された溶融部Ｌからの透過波成分Ｋを利用することができる。したがって、溶融部Ｌの大きさを正確に推測することができる。

特に、電極チップ１１の傾きがある場合、超音波パルスがワークＷ_１，Ｗ_２に対して斜めに入射するため、溶融部Ｌからの透過波成分Ｋの強度が低下するが、透過波成分Ｋの強度が最小になる第１時刻ｔ_１は変化しない。一方、透過強度の差は、透過波成分Ｋがその閾値まで増加する第２時刻ｔ_２付近ではほとんど生じないから、第２時刻ｔ_２での誤差は無視できるほど小さくなる。すなわち、溶融部Ｌの凝固時間Ｔは変化しないので、ワークＷ_１，Ｗ_２に対する超音波パルスの入射角変化の影響を受けることなく、溶融部Ｌの大きさを正確に推定することができる。また、この場合、ワークＷ_１，Ｗ_２の温度変化の影響を受けることもない。

本発明に係る第１実施形態の検査装置を表すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は、溶接電流の通電開始前に図１の検査装置で検出された受信順番Ｎが１〜３のワークからの反射波の経過時間と強度の関係を表す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、溶接電流の通電中に図１の検査装置で検出された受信順番Ｎが４〜６のワークからの反射波の経過時間と強度の関係を表す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、冷却中に図１の検査装置で検出された受信順番Ｎが７〜９のワークからの反射波の経過時間と強度の関係を表す図である。 （ａ）は図４（ａ）の拡大図、（ｂ），（Ｃ）は、反射波成分群の抽出手法を説明するための図である。 図１の検査装置で検出されたワークからの反射波の受信順番と経過時間とを軸とする座標系を用いて反射波成分群を２次元表示した一例を表す図である。 図６に示す反射波のなかから、受信順番および経過時間のそれぞれが所定範囲α，β内にある反射波成分を抽出する方法を説明するための図である。 図６に示す反射波成分群の一部を３次元表示した一例を表す図である。 本発明に係る第１実施形態で識別された溶融部からの反射波成分の強度と溶接時間との関係を表す図である。 本発明に係る第１実施形態のワークが亜鉛メッキ鋼板の場合における溶融部からの反射波成分の強度と溶接時間との関係を表し、（ａ）はワーク間の溶融メッキ層からの反射波成分の関係図、（ｂ）は、電極チップ側のメッキ層からの反射波成分の関係図である。 本発明に係る第１実施形態における溶融部の大きさと凝固時間に関する相関データを表す図である。 本発明に係る第１実施形態における電極チップの傾きが反射強度に与える影響を説明するための図である。 本発明に係る第２実施形態の検査装置を表すブロック図である。 図１３の検査装置で検出されたワークからの反射波の受信順番と経過時間とを軸とする座標系を用いて透過波成分群を２次元表示した一例を表す図である。 図１４に示す透過波成分群を３次元表示した一例を表す図である。 本発明に係る第２実施形態で識別された溶融部からの透過波成分の強度と溶接時間との関係を表す図である。 本発明の第１実施形態に係るセンサのセンサ径が溶融部の最大径以上の場合、スポット溶接中のワークに横波の超音波パルスを入射している状態の遷移を示す概略図であり、（ａ）は通電前の状態、（ｂ）は通電終了時の状態、（ｃ）は冷却中の状態、（ｄ）は冷却終了時の状態を表す図である。 本発明の第１実施形態に係るセンサ径が溶融部の最大径より小さい場合、スポット溶接中のワークに横波の超音波パルスを入射している状態の遷移を示す概略図であり、（ａ）は通電終了時の状態、（ｂ）は冷却中の状態を表す図である。 従来のスポット溶接の検査方法を用いてワークに超音波パルスを入射し反射波を受信している状態を表す概略構成図である。 図１９の従来のスポット溶接の検査方法で受信された反射波の経過時間と強度との関係の一例を表す図である。 従来のスポット溶接の検査方法を用いてワークに超音波パルスを入射し透過波を受信している状態を表す概略構成図である。 図２１の従来のスポット溶接の検査方法で受信された透過波の経過時間と強度との関係の一例を表す図である。

符号の説明

１１ａ，１１ｂ…電極チップ、１２，１７…センサ、１３…超音波送受信部、１４…検出部、１５…判定部、１６…記憶部、Ａ…溶接電流、Ｂ，Ｂ’…反射強度、Ｆ，Ｆ’…透過強度、Ｌ…溶融部、Ｍ…凝固部、Ｗ_１，Ｗ_２…ワーク、ｔ_１…第１時刻、ｔ_２…第２時刻、Ｍ，Ｎ…近似式、Ｉ…溶融部からの反射波成分、Ｋ…溶融部からの透過波成分

Claims (4)

1. ワークへの超音波パルスの送信および前記ワーク内の溶融部からの反射波の受信を繰り返し行い、前記溶融部からの反射波を利用して前記溶融部を検査する方法において、
   前記超音波パルスの前記ワークからの反射波の受信順を示す受信指標、前記反射波の経過時間、および、前記反射波の強度を検出し、その検出データを座標データとして記憶し、
   前記座標データから前記受信指標および前記経過時間のそれぞれが前記溶融部からの反射波成分が発生する可能性の大きな範囲内にある反射波成分の座標データを抽出し、抽出した座標データに基づいて前記受信指標および前記経過時間のデータの近似式を求め、前記近似式に基づいて溶融部からの反射波成分を識別することを特徴とする検査方法。
2. 前記座標データを抽出する前に、前記反射強度が所定強度以上にある反射波成分の座標データを抽出することを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
3. ワークへの超音波パルスの送信および前記ワーク内の溶融部からの透過波の受信を繰り返し行い、前記溶融部からの透過波を利用して溶融部を検査する方法において、
   前記超音波パルスの前記ワークからの透過波の受信順を示す受信指標、前記透過波の経過時間、および、前記透過波の透過強度を検出し、その検出データを座標データとして記憶し、
   前記座標データから前記受信指標および前記経過時間のそれぞれが前記溶融部からの透過波成分が発生する可能性の大きな範囲内にある透過波成分の座標データを抽出し、抽出した座標データに基づいて前記受信指標および前記経過時間のデータの近似式を求め、前記近似式に基づいて溶融部からの透過波成分を識別することを特徴とする検査方法。
4. 前記超音波パルスの前記ワークからの反射波の受信順を示す受信指標、前記反射波の経過時間、および、前記反射波の反射強度を検出し、それら検出データを座標データとして記憶し、前記受信指標と前記経過時間とを軸とする座標系上に、各反射波からなる反射波群の強度を表示することを特徴とする請求項１または２に記載の検査方法。

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