JP5001049B2 - スポット溶接強度評価方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材を含む金属材料のスポット溶接強度を簡易に、しかも精度良く非破壊検査するに有用なスポット溶接強度評価方法および装置に関する。

金属材料をスポット溶接した場合、その溶接部の接合強度を正しく評価することが重要である。このような溶接部の接合強度を非破壊検査する手法として、いわゆる定電流４端子法を用いて溶接部分の電気抵抗を測定し、予め求めた電気抵抗と溶接領域の大きさ（ナゲット径）との関係に基づいてその接合強度を評価することが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。尚、ナゲットとは２枚の金属材料を重ね合わせてスポット溶接により接合した際、そのスポット溶接部分において２枚の金属材料が互いに溶融固化した塊部分を指す。

ちなみに定電流４端子法は、金属材料の任意の２点間に所定の電流Ｉを加える一対の電流電極針と、上記電流Ｉによって前記金属材料表面に生じる電位Ｖを検出する一対の電圧電極針とを備えた探針プローブを用いて行われる。そして前記溶接部の非破壊検査は、上述した探針プローブを鋼材の表面に当接させてその溶接部分の電気抵抗Ｒ（＝Ｖ／Ｉ）を測定し、この電気抵抗Ｒから推定されるナゲット径が所定の大きさを有しているか否かを判定することによって行われる。
特開平７−１３０２９３号公報

しかしながら一般に定電流４端子法によって計測される溶接部分での表面電位Ｖは微小であり、この表面電位から計測される溶接部分の電気抵抗値も非常に小さい。しかもナゲット径によって変化する上記溶接部分での電気抵抗値の変化も僅かである。これ故、一般的には上記溶接部分の電気抵抗の値からナゲット径を正確に評価することは非常に困難である。

しかも従来においては前述した特許文献１に示されるように、所要とするナゲット径が得られたときの溶接部分の電気抵抗値を閾値として、前述した如く計測される溶接部分の電気抵抗値を比較判定しているだけである。換言すれば溶接部分の電気抵抗値から、そのナゲット径を評価しているに過ぎず、その溶接部分の接合強度が十分であるか否かの判断は行っていない。これ故、溶接部分の接合強度を評価する上での信頼性に乏しい。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、金属材料のスポット溶接強度を簡易に、しかも精度良く非破壊検査するに有用なスポット溶接強度評価方法および装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るスポット溶接強度評価方法は、金属材料表面の任意の２点間に所定の電流を加える一対の電極針、および上記電流によって前記金属材料表面に生じる電位を検出する少なくとも一対の電圧電極針を備えた探針プローブを用い、
スポット溶接した金属材料の溶接領域に前記探針プローブを当接させて該溶接領域の電気抵抗Ｒ１を測定すると共に、前記金属材料の前記溶接領域から離れた非溶接領域に前記探針プローブを当接させて該非溶接領域の電気抵抗Ｒ２を測定し、これらの電気抵抗Ｒ１,Ｒ２の比に基づいて前記溶接領域の接合強度を評価することを特徴としている。

ちなみに前記溶接領域の強度の評価については、前記金属材料と同一の材料について予め求められたナゲット径とその接合せん断力との関係、および前記溶接領域の電気抵抗と前記非溶接領域の電気抵抗との比（電気抵抗比）と前記ナゲット径との関係に基づいて、前記接合せん断力と前記電気抵抗比との関係を求めておき、所要とする接合せん断力を確保し得る電気抵抗比が計測されたか否かを判定するようにすれば良い。

また本発明に係るスポット溶接強度評価装置は、
<ａ> 金属材料表面の任意の２点間に所定の電流を加える一対の電極針および上記電流によって前記金属材料表面に生じる電位を検出する一対の電圧電極針を備えた探針プローブと、
<ｂ> この探針プローブをスポット溶接された金属材料の溶接領域に当接させて該溶接領域の電気抵抗を測定する第１の電気抵抗測定手段と、
<ｃ> 前記探針プローブを前記金属材料の前記溶接領域から離れた非溶接領域に当接させて該非溶接領域の電気抵抗を測定する第２の電気抵抗測定手段と、
<ｄ> これらの第１および第２の電気抵抗検出手段にて検出された電気抵抗の比を求める抵抗比演算手段と、
<ｅ> 算出された抵抗比を所定の閾値で弁別して前記溶接領域の接合強度の合否を評価する評価手段と備えて構成される。

好ましくは前記抵抗比演算手段は、前記第１の電気抵抗測定手段にて測定された溶接領域の電気抵抗Ｒ１と、前記第２の電気抵抗測定手段にて測定された非溶接領域の電気抵抗Ｒ２とから
α＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ２×１００(％)
なる電気抵抗低下率αとして、前記電気抵抗Ｒ１,Ｒ２の比を求めるように構成される。
尚、電気抵抗比［Ｒ１／Ｒ２］自体を直接評価することも勿論可能である。

また前記評価手段については、前記金属材料と同一の材料について予め求められたナゲット径とその接合せん断力との関係、および前記溶接領域の電気抵抗と前記非溶接領域の電気抵抗との比と前記ナゲット径との関係に基づいて前記電気抵抗比と接合せん断力との関係を求めておき、所要とする接合せん断応力を満たす電気抵抗比を閾値として設定して前記溶接領域の接合強度の合否を評価するように構成すれば良い。

本発明に係るスポット溶接強度評価方法および装置によれば、スポット溶接した金属材料の溶接領域での電気抵抗Ｒ１と、前記金属材料の前記溶接領域から離れた非溶接領域での電気抵抗Ｒ２とに着目し、これらの電気抵抗Ｒ１,Ｒ２の比に基づいて前記溶接領域の接合強度を評価するので、金属材料のスポット溶接強度を簡易に、しかも信頼性良く非破壊検査することができる。

特に評価対象である金属材料と同一の材料について予め求められたナゲット径とその接合せん断力との関係、および前記溶接領域の電気抵抗と前記非溶接領域の電気抵抗との比（電気抵抗比）と前記ナゲット径との関係に基づいて、前記接合せん断力と前記電気抵抗比との関係を求めておくので、計測した電気抵抗比からその接合せん断力を精度良く評価することができる。換言すれば所要とする接合せん断力を確保し得る溶接領域の非溶接領域に対する電気抵抗比を直接的に定義することができるので、そのスポット溶接強度（溶接領域の接合強度）を簡易に、精度良く判定することができる。

しかも上述したように溶接領域の電気抵抗と前記非溶接領域の電気抵抗との比（電気抵抗比）に着目してその評価を行うので、その評価信頼性を十分に高めることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るスポット溶接強度評価方法および装置について説明する。
図１は本発明に係るスポット溶接強度評価装置の概略構成図であり、図２はこのスポット溶接強度評価装置を用いて実行されるスポット溶接強度評価方法の概略的な処理手順を示す図である。スポット溶接強度評価装置は、いわゆる定電流４探針法にて用いられる４針の探針プローブ１０を備える。この探針プローブ１０は、評価対象とする金属材料Ａの表面の任意の２点間に所定の電流Ｉを加える一対の電流電極針１,２、および上記電流Ｉによって前記金属材料Ａの表面に生じる電位Ｖを検出する一対の電圧電極針３,４を所定の間隔で一列に配列したものからなる。具体的には上記探針プローブ１０は、例えば１ｍｍ間隔で１列に配列した４本の電極針の外側の２本を上記一対の電流電極針１,２とし、内側の２本を上記電圧電極針３,４としたものからなる。

尚、ここでは金属材料Ａの表面に当接させた一対の電流電極針１,２間に一定電流Ｉを流し、これによって上記金属材料Ａの内部に生じる電位分布を前記一対の電圧電極針３,４にて前記鋼材Ａの表面に生じる電位差Ｖとして検出する場合を例に説明するが、一対の電流電極針１,２間に所定の電圧Ｅを印加すると共に、これによって電流電極針１,２間に流れる電流を検出しながら上記鋼材Ａの内部に生じる電位分布を前記一対の電圧電極針３,４にて前記鋼材Ａの表面電位差Ｖとして検出するようにしても良い。また更に多くの電極針を備え、これらの電極針を前記電流電極針１,２および前記電圧電極針３,４として選択的に用いることのできる探針プローブを用いても良いことは言うまでもない。

さて上述した探針プローブ１０を用いてスポット溶接された金属材料Ａの溶接部の接合強度を評価するスポット溶接強度評価装置は、前記探針プローブ１０を金属材料Ａの溶接領域（ナゲット領域）Ｎの表面に当接させ、電圧電極針３,４を介して検出される電圧Ｖから該溶接領域Ｎの電気抵抗Ｒ１を計測する第１の電気抵抗測定部（電圧検出部）１１と、前記探針プローブ１０を金属材料Ａの溶接領域Ｎから離れた非溶接領域Ｂの表面に当接させ、電圧電極針３,４を介して検出される電圧Ｖから該非溶接領域の電気抵抗Ｒ２を計測する第２の電気抵抗測定部（電圧検出部）１２とを備える。更にスポット溶接強度評価装置は、上記第１および第２の電気抵抗測定部（電圧検出部）１１,１２にてそれぞれ検出された前記溶接領域Ｎの電気抵抗値Ｒ１と前記非溶接領域Ｂの電気抵抗値Ｒ２とから、その抵抗値の比を
α＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ２×１００(％)
なる電気抵抗低下率αとして求める抵抗比計算部１３を備える。そしてこの抵抗比計算部１３にて計算された抵抗比、具体的には上記電気抵抗低下率αを所定の閾値βと比較して前記溶接領域Ｎの接合強度が所要とするスポット溶接の接合強度を満たしているか否かを判定する判定部１４とを備える。

尚、１つの探針プローブ１０を移動させて前記溶接領域Ｎおよび非溶接領域Ｂに順次当接させ、これによって前記溶接領域Ｎおよび非溶接領域Ｂの各電気抵抗値Ｒ１,Ｒ２をそれぞれ計測しても良いが、同一仕様の２つの探針プローブ１０を準備し、これらの２本の探針プローブ１０を前述した溶接領域Ｎおよび非溶接領域Ｂにそれぞれ当接させて各領域Ｎ,Ｂの電気抵抗値Ｒ１,Ｒ２を並列的に計測するようにしても良い。

また上述したスポット溶接強度評価装置の処理機能については、マイクロプロセッサを用いたソフトウェア処理によっても実現することができる。この場合には、図２に本発明に係るスポット溶接強度評価方法の処理手順を示すように、探針プローブ１０を用いてスポット溶接された金属材料Ａの溶接領域（ナゲット領域）Ｎの電気抵抗Ｒ１を測定し［ステップＳ１］、次いで前記金属材料Ａの前記溶接領域Ｎから離れた非溶接領域Ｂの電気抵抗Ｒ２を測定する［ステップＳ２］。しかる後、これらの電気抵抗値Ｒ１,Ｒ２から、その抵抗値の比を
α＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ２×１００(％)
なる電気抵抗低下率αとして計算し［ステップＳ３］、算出された電気抵抗低下率αを所定の閾値βと比較して、その接合強度の合否を判定する［ステップＳ４］。そしてその合否の判定結果を出力する［ステップＳ５］ようにすれば良い。

ここで上述した電気抵抗低下率αを用いて評価される溶接領域Ｎの接合強度について説明する。例えば２ｍｍ厚の第１の鋼板に重ねた０.５ｍｍ厚の第２の鋼板を、その上下面から挟み込んだ溶接電極を通電してスポット溶接した場合、そのスポット溶接部分において上記２枚の鋼材（金属材料）が互いに溶融固化した塊部分がナゲットとして形成され、このナゲット（溶接領域）の大きさは溶接電流の大きさおよび加圧力によって変化する。

そこで異なる大きさのナゲットを形成した複数の試料＃１,＃２〜＃５について、引っ張り試験器を用いてその降伏せん断応力を計測（破壊検査）すると共に、その溶接部を縦割にしたときの断面構造から溶接領域の大きさ（ナゲット径）を計測したところ、次のような実験結果が得られた。但し、試料＃２〜＃５については、その引っ張り試験片の破断状況から、溶接領域がせん断破壊する前に該溶接領域の周囲が剥離破壊していることが確認された。

この実験結果から、その引っ張り破断強度から求められる試料＃２〜＃５の降伏せん断応力はナゲット径が大きくなる程低下するものの、その要因は溶接領域の周囲をなす０.５ｍｍ厚の鋼材の剥離による見掛け上のものであり、溶接領域（ナゲット）の接合強度自体はその溶接領域の周囲である０.５ｍｍ厚の鋼材の剥離強度よりも高いことが明らかとなった。また溶接領域（ナゲット）の接合強度については、その溶接領域の周囲の鋼材に剥離が生じていない試料＃１の実験結果から２１０ＭＰａ程度であることが確認できた。そしてその接合せん断力については、専ら、溶接領域（ナゲット）の面積に比例すると考えられるので、試料＃２〜＃５の各降伏せん断応力は、前述した試料＃１について計測された降伏せん断応力から上述した表１に示すように求められる。尚、引っ張り強度については、接合せん断強度の約２倍であると考えられる。

ちなみにＪＩＳ−Ｇ３１４１「冷間圧延鋼板及び鋼帯」によると、ＳＰＣＣＴでは引っ張り強さが２７０ＭＰａ以上、伸び３４％以上が保証されている。また実際の引っ張り試験の測定結果では引っ張り強さが３５３〜３８２ＭＰａの報告があり、主せん断応力がその［１／２］、つまり１７６〜１９１ＭＰａであることを考慮すれば、前述した如く求めた溶接部の最大せん断応力［２１０ＭＰａ］は、オーダー的に良く一致していると認められる。

一方、上述した破壊検査を行う前の試料＃１,＃２〜＃５について、前述した探針プローブ１０を用いて溶接領域（ナゲット領域）Ｎの電気抵抗Ｒ１と、前記溶接領域Ｎから離れた非溶接領域Ｂの電気抵抗Ｒ２とをそれぞれ測定し、これらの電気抵抗値Ｒ１,Ｒ２から、溶接領域（ナゲット領域）Ｎの電気抵抗低下率αを求めたところ、次のような結果が得られた。尚、次表は一対の電圧電極針３,４間の間隔が３ｍｍの探針プローブ１０を用いた場合の測定結果と、電圧電極針３,４間の間隔が１ｍｍの探針プローブ１０を用いた場合の測定結果とを示している。

そして前述した表１に示した試料＃１,＃２〜＃５のナゲット径（ナゲットの断面積）に対応付けて、溶接領域の電気抵抗低下率αの変化を調べたところ、図３に示すようにナゲット径（ナゲットの断面積）が大きくなる程、電気抵抗低下率αが大きくなることが確認できた。更には電圧電極針３,４間の間隔が３ｍｍの探針プローブ１０を用いた場合の方が、ナゲット径（ナゲットの断面積）の増大に伴う電気抵抗低下率αの変化が大きく、またナゲット径（ナゲットの断面積）が或る程度以上大きくなると、電気抵抗低下率αが殆ど変化しなくなることが確認できた。特に電圧電極針３,４間の間隔が３ｍｍの探針プローブ１０を用いた場合には、ナゲット径（ナゲットの断面積）が３.３〜５.９ｍｍに亘って変化するのに伴って前述した電気抵抗低下率αが、図３に特性Ｘとして示すように略３０％もの変化を呈し、電圧電極針３,４間の間隔が１ｍｍの探針プローブ１０を用いた場合であっても、図３に特性Ｙとして示すように略２５％の変化を呈することが確認できた。

ちなみに前記電圧電極針３,４間の間隔によって異なる測定感度（検出感度）は、鋼材Ａにおける表面からどの程度の深さの電気抵抗を計測しているかに起因するものであり、電極間距離が短くなる程、表面近傍の電気抵抗を測定することになる。従って鋼材Ａの或る程度内側の溶接領域（ナゲット）Ｎの電気抵抗を測定する場合には、電圧電極針３,４間の間隔としては、例えば鋼材Ａの厚みの２〜６倍程度を確保すれば良い。これによってその測定感度を十分に確保して精度の高い電気抵抗の計測を行い得ると考えられる。

一方、上記電気抵抗低下率αと前述した溶接領域Ｎの接合強度について考えてみると、これらは共に溶接領域（ナゲット）Ｎの大きさ（ナゲット径；断面積）に応じた変化を呈する。そこで溶接領域（ナゲット）Ｎの大きさを共通項として前記電気抵抗低下率αと前記溶接領域Ｎの接合強度との関係を調べてみると、これらの間には図４に示すように、或る一定の関係が存在することが見出された。即ち、溶接領域（ナゲット）Ｎの大きさに依存する前記電気抵抗低下率αが増大するに伴って接合せん断力が増大する。また電気抵抗低下率αの値が６５％程度であれば、その接合せん断強度は略一定となり、安定した接合強度が確保されることが判る。

そしてこの図４に示す電気抵抗低下率αと接合せん断力との関係から、溶接領域（ナゲット）Ｎが所要とする接合せん断応力を満たすときの該溶接領域（ナゲット）Ｎの大きさを評価する場合、前述した電気抵抗比（電気抵抗低下率α）を判定すれば良いことを見出した。そこで本発明においては、所要とする接合せん断応力を満たす電気抵抗低下率αを判定閾値βとして設定している。そして計測された電気抵抗率αが上記判定閾値β以上であるものを、溶接領域（ナゲット）Ｎの大きさが十分に大きく、所要とする接合せん断応力を満たしているとして評価するものとなっている。

かくして上述した如くしてスポット溶接された鋼材の溶接領域（ナゲット）の接合強度（接合せん断応力）を、前述した電気抵抗低下率（電気抵抗比）αを用いて評価するスポット溶接強度評価方法および装置によれば、スポット溶接された鋼材が所要とする接合強度を備えているか否かを簡易に、しかも精度良く判定することができる。即ち、単に溶接領域（ナゲット）の大きさを目安としてその接合強度の合否を判定する従来の手法とは異なり、接合せん断応力（接合強度）に対応付けた電気抵抗低下率（電気抵抗比）αを直接的に評価することで、その溶接領域（ナゲット）の接合強度が所要とする仕様を満たしているか否か確実に判断することができる。従ってその評価信頼性を十分に高めることができる。

また前述したように溶接領域（ナゲット）Ｎの電気抵抗Ｒ１と、前記溶接領域Ｎから離れた非溶接領域Ｂの電気抵抗Ｒ２とに着目し、これらの電気抵抗の比、具体的には電気抵抗低下率αに基づいて溶接領域の合否判定を行うので、探針プローブ１０を用いて検出される電圧（電気抵抗）が微小であっても、その検出感度を十分に高くしてスポット溶接強度の評価を行うことができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば溶接領域（ナゲット）Ｎの電気抵抗Ｒ１と、前記溶接領域Ｎから離れた非溶接領域Ｂの電気抵抗Ｒ２との比γとして
γ＝［Ｒ１／Ｒ２］×１００(％)
を計算し、これを判定するようにしても良い。この場合には上記電気抵抗比γは、
α＝{１−（Ｒ１／Ｒ２）}×１００(％)
＝１００(％)−γ
として示され、１００％に対する前述した電気抵抗低下率αの補数に相当する。従って前述した実施形態と同様に上記電気抵抗比γを接合領域の接合せん断応力（接合強度）に対応付けることができるので、所要とする接合強度を満たす電気抵抗比γが何％以下であるかを定義すれば良い。

また探針プローブ１０を用いて検出される電圧を直接用い、溶接領域（ナゲット）Ｎでの検出電圧Ｖ１と、前記溶接領域Ｎから離れた非溶接領域Ｂでの検出電圧Ｖ２とからその電圧比φを
φ＝（Ｖ２−Ｖ１）／Ｖ２×１００(％)
として計算しても、実質的には前述した電気抵抗低下率αを用いる場合と同様にスポット溶接強度の評価を行うことが可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係るスポット溶接強度評価装置の概略構成図。 本発明の一実施形態に係るスポット溶接強度評価方法の概略的な処理手順を示す図。 ナゲット径（ナゲットの断面積）と電気抵抗低下率αとの関係を示す図。 電気抵抗低下率αと溶接領域Ｎの接合強度（接合せん断力）との関係を示す図。

符号の説明

１０ 探針プローブ
１１ 第１の電気抵抗測定部（電圧検出部）
１２ 第２の電気抵抗測定部（電圧検出部）
１３ 抵抗比計算部
１４ 判定部

Claims (5)

1. 金属材料表面の任意の２点間に所定の電流を加える一対の電極針、および上記電流によって前記金属材料表面に生じる電位を検出する一対の電圧電極針を具備した探針プローブを用い、
   スポット溶接した金属材料の溶接領域に前記探針プローブを当接させて該溶接領域の電気抵抗を測定すると共に、前記金属材料の前記溶接領域から離れた非溶接領域に前記探針プローブを当接させて該非溶接領域の電気抵抗を測定し、
   これらの電気抵抗の比に基づいて前記溶接領域の接合強度を評価することを特徴とするスポット溶接強度評価方法。
2. 前記溶接領域の強度は、前記金属材料と同一の材料について予め求められたナゲット径とその接合せん断力との関係、および前記溶接領域の電気抵抗と前記非溶接領域の電気抵抗との比と前記ナゲット径との関係に基づいて評価されるものである請求項１に記載のスポット溶接強度評価方法。
3. 金属材料表面の任意の２点間に所定の電流を加える一対の電極針および上記電流によって前記金属材料表面に生じる電位を検出する一対の電圧電極針を備えた探針プローブと、
   この探針プローブをスポット溶接された金属材料の溶接領域に当接させて該溶接領域の電気抵抗を測定する第１の電気抵抗測定手段と、
   前記探針プローブを前記金属材料の前記溶接領域から離れた非溶接領域に当接させて該非溶接領域の電気抵抗を測定する第２の電気抵抗測定手段と、
   これらの第１および第２の電気抵抗検出手段にて検出された電気抵抗の比を求める抵抗比演算手段と、
   算出された抵抗比を所定の閾値で弁別して前記溶接領域の接合強度の合否を評価する評価手段と
   を具備したことを特徴とするスポット溶接強度評価装置。
4. 前記抵抗比演算手段は、前記第１の電気抵抗測定手段にて測定された電気抵抗Ｒ１と、前記第２の電気抵抗測定手段にて測定された電気抵抗Ｒ２とから
   α＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ２×１００(％)
   なる電気抵抗低下率αとして、前記電気抵抗Ｒ１,Ｒ２の比を求めるものである請求項３に記載のスポット溶接強度評価装置。
5. 前記評価手段は、前記金属材料と同一の材料について予め求められたナゲット径とその接合せん断力との関係、および前記溶接領域の電気抵抗と前記非溶接領域の電気抵抗との比と前記ナゲット径との関係に基づいて前記電気抵抗比と接合せん断力との関係を求め、所要とする接合せん断応力を満たす電気抵抗比を前記閾値として設定して、前記溶接領域の接合強度の合否を評価するものである請求項３に記載のスポット溶接強度評価装置。

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