JP5200513B2 - 溶接部の非破壊検査装置、及び溶接部の非破壊検査方法 - Google Patents
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以下、図面を参照しながら、本発明の第1の実施形態を説明する。
(非破壊検査装置1の概略構成)
図1は、溶接部の非破壊検査装置の概略構成の一例を示す図である。
図1に示すように、鋼板51a、51bには、スポット溶接によりインデンテーション(凹み部)52a、52bが生じる。鋼板51a、51bの接合部には、溶接部であるナゲット(溶着部)53が形成されている。ナゲット53の周囲には、溶融はしていないが、組織が変質している熱影響部54が形成されている。本実施形態の非破壊検査装置1では、2枚の鋼板51a、51bがスポット溶接により接合されることにより生じるナゲットの大きさ(例えば直径)が適正なものであるか否かを検査するようにしている。
コイル12は、フェライトコア11に巻き回されている。コイル12が巻き回されたフェライトコア11と、プローブ10を人やロボットが把持するための把持部13との間には、例えばシリコンゴムを用いて構成された媒介部14が設けられている。媒介部14は、フェライトコア11と把持部13とを可動的に連結する所謂関節としての機能と、把持部13の動きを吸収する機能(測定中に把持部13の動きがフェライトコア11に伝わるのを抑制する機能)とを有している。この媒介部14により、フェライトコア11の脚部の先端面を鋼板51aの表面に合わせて配置し易くすることができると共に、測定中に把持部13に生じる動きがフェライトコア11に伝わるのを防止することができる。
把持部13の内部には、コイル12の引き出し線と、リード線16とを電気的に相互に接続するためのプリント基板が設けられている。リード線16は、プローブ10とインピーダンスメータ20とを電気的に相互に接続するためのものである。また、フェライトコア11が有する複数の脚部の1つには、プローブ10の位置決めを行うための位置決め板17が設けられている。
図2に示すように、本実施形態では、フェライトコア11が有する複数の脚部のうちの1つが、インデンテーション52aの内部に置かれ、その他の脚部が、インデンテーション52aの外部に置かれるようにしている。
このような状態で、後述するようにしてインピーダンスメータ20から交流信号がコイル12に供給され、フェライトコア11が励磁されると、図2に示すように、フェライトコア11と鋼板51aとを循環する閉磁路18が形成される。この閉磁路18に存在するナゲット53の大きさ(長さ)によって、磁気抵抗が変化する。磁気抵抗が変化すると、コイル12の両端に生じる電圧、ないしはコイル12に流れる電流が変化する。したがって、コイル12の両端に生じる電圧と、コイル12に流れる電流とを測定することにより、ナゲット53の大きさ(長さ)を見積もることができる。本実施形態では、このような性質を利用して、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを検査するようにしている。
図3(a)、(b)に示すように、フェライトコア11の脚部の1つに設けられている位置決め板17は、インデンテーション52aよりも僅かに小さい大きさを有している。すなわち、位置決め板17と、インデンテーション52aとの中心O(中心付近)を合わせた場合に、インデンテーション52aのうち、内縁部分のみを視認できるように位置決め板17の大きさ及び形状が定められている。このように位置決め板17を設けることにより、位置決め板17が取り付けられる脚部とインデンテーション52aとの相対的な位置関係を定めることができ、人がプローブ10を操作する場合でも、プローブ10を出来るだけ正確な位置に配置することができる。
このようにするのは、適正な大きさのナゲット53が形成されている場合には、ナゲット53が、図2に示した閉磁路18に確実に存在するようにするためである。具体的に本実施形態では、適正な大きさのナゲット53が形成されている場合には、フェライトコア11の"コイル12が巻き回される部分の中心部分"(コイル12の巻幅方向の中心部分)の位置が、ナゲット53の端部に対応する位置になるようにしている(図3(a)の破線を参照)。
以上のようにしてフェライトコア11の脚部の先端面を加工するのは、フェライトコア11と鋼板51との間にエアギャップ(隙間)が生じ、閉磁路18における磁気抵抗が増大してしまうことを防止するためである。
交流信号源21は、交流信号をプローブ10に供給する。この交流信号は、リード線16と、把持部13内のプリント基板とを介して、コイル12に供給される。これにより、前述したような閉磁路18が形成される(図2を参照)。
交流電圧測定器22は、交流信号源21からコイル12に交流信号が供給されることによりコイル12の両端に生じる交流電圧を測定する。交流電流測定器23は、交流信号源21からコイル12に交流信号が供給されることによりコイル12に流れる交流電流(励磁電流)を測定する。このように本実施形態では、交流信号源21を用いることにより、供給手段が実現され、交流電圧測定器22を用いることにより、電圧測定手段が実現され、交流電流測定器23を用いることにより、電流測定手段が実現される。
コンピュータ30は、例えばパーソナルコンピュータである。入力部31は、インピーダンス計測部24で算出されたインピーダンスと、偏角計測部25で算出された偏角とを入力するインターフェースである。
評価部32は、入力部31で入力された"インピーダンス及び偏角"に基づく評価値と、基準値記憶部33に記憶されている基準値とを比較することにより、鋼板51a、51bに形成されているナゲット53の大きさと、基準となるナゲットの大きさとの大小関係を判定し、鋼板51a、51bに形成されているナゲット53が適正な大きさ(例えば直径)を有しているか否かを判定する。
図4は、基準値記憶部33に記憶されている基準値の一例を示す図である。
図4に示すように、本実施形態の基準値記憶部33には、スポット溶接が行われた際に使用された電極の形状(電極形状a)、スポット溶接が行われた際の電極の加圧力(電極加圧力b)、スポット溶接が行われる鋼板の"種類及びプレス加工の状態"(鋼板c)毎のテーブル33a〜33cが記憶されている。
δZ=[(Za−Zb)/Zb]×100 ・・・(1式)
δθ=[(θa−θb)/θb]×100 ・・・(2式)
ここで、Zb、θbは、夫々、母材を被測定材とした場合のインピーダンス、偏角である。また、Za、θaは、夫々、ナゲット53の大きさが基準値であるスポット溶接部を被測定材とした場合のインピーダンス、偏角である。これらの内容は、予め測定され、基準値記憶部33に記憶されている。
そして、評価部32は、入力部31で入力された"インピーダンス及び偏角"に基づく"インピーダンス変化率δZ及び偏角変化率δθ"と、選択したテーブルの値とを比較して、鋼板51a、51bに形成されているナゲット53が適正な大きさ(例えば直径)を有しているか否かを判定する。
尚、入力部31で入力された"インピーダンス及び偏角"に基づく"インピーダンス変化率δZ及び偏角変化率δθ"は、(1式)、(2式)におけるZa、θaを、夫々、入力部31で入力された"インピーダンス、偏角"とすることで求めることができる。
図5において、グラフ36は、評価部32が選択したテーブルの値をプロットすることにより得られたものである。すなわち、グラフ36は、ナゲット53の大きさが基準値である場合の"インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθの周波数依存性"を表すものである。
表示部35は、評価部32で判定された結果を含む画像を表示するための画像データを生成して、例えば液晶ディスプレイであるディスプレイ40に表示させる。
図6は、フェライトコア11の構成の一例を示す図である。図6では、寸法をミリメートル単位で表示している。また、図6(b)は、図6(a)のA方向から見た図であり、図6(c)は、図6(a)のB方向から見た図である。
図7は、フェライトコア11の脚部11aの先端付近をモデル化して示した図である。
図7において、円弧71は、インデンテーション52aをモデル化したものであり、その曲率中心をO、曲率半径をRとする。また、フェライトコア11の脚部11aの幅(横方向の長さ)を2Wとし、脚部11aと円弧71とが接触する点をC2、C3とする。また、円弧71の最深部の点をC1とする。すなわち、点C1は、インデンテーション52aの最深部に対応する。
φ=tan-1(δx/δy) ・・・(3式)
Δ=R(1−cos(δφ/2)) ・・・(4式)
ここで、δxは、脚部11aの幅であり、以下の(5式)で表される。
δx=R(sin(φ1)−sin(φ2))=2W ・・・(5式)
また、δyは、点C2、C3間の高さ方向における長さであり、以下の(6式)で表される。
δy=R(cos(φ2)−cos(φ1)) ・・・(6式)
φ1=sin-1[(x+W)/R] ・・・(7式)
φ2=sin-1[(x−W)/R] ・・・(8式)
また、円弧71上の点であって、最深部の点C1から水平方向に長さxだけ離れた位置の点C4と曲率半径Oとを結ぶ直線と、点C1と曲率中心Oとを結ぶ直線とのなす角度ηは、以下の(9式)で表される。
η=sin-1(x/R) ・・・(9式)
ただし、長さxが小さく(1[mm]程度より小さい場合)、傾斜角が殆ど90°に近い場合には、脚部11aの先端面61aを傾斜させる必要はない。
尚、フェライトコア11の残留磁束密度と保持力は、小さいほど好ましく、電気抵抗は、大きいほど好ましい。
コイル12の両端に生じる交流電圧と、コイル12に流れる交流電流とに基づくインピーダンスZと、偏角θは、低周波領域(〜50[Hz])では、以下の(10式)、(11式)で表される。
Z≒r≒a×(n/d2) ・・・(10式)
θ=tan-1[(n×d2/a)×(ω/R)] ・・・(11式)
ここで、rは、コイル12の直流抵抗であり、nは、コイル12の巻き数であり、dは、コイル12を構成する電線の直径であり、aは、比例係数であり、ωは、コイル12に供給される交流信号の各周波数であり、Rは、磁気抵抗である。尚、磁気抵抗Rは、低周波領域では、例えば、1×107[A/Wb-1]程度になる。
以上の(10式)、(11式)を用いて、インピーダンスZと偏角θが、インピーダンスメータ20で正確に測定できる範囲になるように、コイル12の巻き数nと、コイル12を構成する電線の直径dを決定する。
Z≒a×S/d4 ・・・(12式)
θ≒tan-1[(S×ω)/(a×R)] ・・・(13式)
よって、コイル12(巻き線)を構成できる面積Sが決まっている場合には、(12式)、(13式)を用いて、インピーダンスZと偏角θが、インピーダンスメータ20で正確に測定できる範囲になるように、コイル12を構成する電線の直径dを決定し、決定した直径dから、以下の(14式)を用いて、コイル12の巻き数nを決定する。
n=S/d4 ・・・(14式)
ここで、以上のような本実施形態の非破壊検査装置1により測定されるインピーダンスと偏角とを定式化した結果を示す。
図9は、非破壊検査装置1により得られるインピーダンスと偏角を定式化するためのモデルの一例を示す図である。尚、図9において、図1と同一の機能を有する部分については、図1に示した符号と同一の符号を示している。
そして、低周波領域では、インピーダンスZと偏角θとは、夫々、以下の(15式)、(16式)で表される。
以上のように、本実施形態の非破壊検査装置1で測定される"インピーダンスZ及び偏角θ"は、溶接部(ナゲット)53の大きさ(磁気抵抗R、電気抵抗rs)に応じて変化するものであることが定量的に導き出される。
尚、図10では、1[kHz]以上になると、図9に示したモデルに基づく計算と、実測値とがずれてきているが、これは周波数が極端に変化すると、渦流の分布や透磁率も変化するためである。すなわち、10[Hz]前後で決定した、渦流の等価回路における電気抵抗rsや磁気抵抗Rの値では、1[kHz]前後になると測定値を表現しきれないということであって、1[kHz]になると本願発明の非破壊検査装置と方法が使えないということではない。
次に、本実施形態の非破壊検査装置1の実施例について説明する。
図11は、コイル12の構成と、測定に使用した周波数と、インピーダンスZ及び偏角θの実測値と、インピーダンスZ及び偏角θの実測値から得られた比例係数aと、比例係数aと磁気抵抗Rとの積aRとの関係を示す図である。尚、比例係数aは、(10式)、積aRは(11式)で示されるものである。
インピーダンスメータ20における測定を正確に行わせるためには、低周波数でも、インピーダンスZが数[Ω]程度であり、偏差θ(tanθ)が1以上であるのが好ましい。そこで、本実施例では、直径が0.1[mm]の電線を、図6に示したフェライトコア11の胴部11dに100回巻き回して形成されたコイル12を用いて非破壊検査装置1を構成した。そして、インデンテーション52aの中心Oよりも、インデンテーション52aの外部に置かれる脚部11b、11cと反対方向に1[mm]程度ずらした位置に、インデンテーションの内部に脚部11aを配置した。
尚、図11の結果から、(10式)における比例係数aは、3×10-4程度で概ね一定であり、(11式)における比例係数aと磁気抵抗Rとの積aRは、0.13程度で概ね一定であることが分かる。
本実施例では、以下の被測定材を2枚重ねたものに対してスポット溶接を行った。
種類;デュアルフェーズ(DP)鋼板
表面処理;合金化溶融亜鉛めっき
厚さ;1.6[mm]
引張強度;590[MPa]
種類;アルミナ分散銅製のドームラジアス(DR)形電極
呼び径D;16[mm]
電極先端R;40[mm]
電極先端径d;6[mm]
加圧力;560[kgf]
スクイズタイム(サイクル);30
溶接時間(サイクル);18
ホールドタイム(サイクル);5
尚、ここでは、0.02[sec]を1サイクルとした。また、スクイズタイムとは、電極を被測定材に接触させてから通電を開始するまでの時間をいい、溶接時間とは、通電時間をいい、ホールドタイムとは、通電を終了させてから電極を被測定材から離すまでの時間をいう。
図17は、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθとの関係を示す図である。図17は、図16に示した結果から(1式)及び(2式)を用いて算出した結果を示すものである。
また、本実施形態では、インデンテーション52aの深さに合わせて、インデンテーション52aの内部に配置する脚部11aの長さを、その他の脚部11b、11cよりも長くした。したがって、脚部11a〜11cと、鋼板51の表面との間に生じるエアギャップを一層低減させることができる。
また、本実施形態では、インデンテーション52aの内部に配置する脚部11aの先端面を、インデンテーション52aの傾斜に合わせて傾斜させるようにした。したがって、脚部11aと、鋼板51の表面との間に生じるエアギャップをより一層低減させることができる。
また、本実施形態では、フェライトコアを用いるようにしたが、軟磁性材料を使用していれば、必ずしもフェライトコアを用いる必要はない。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。前述した第1の実施形態では、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθとから定まる点の位置関係に基づいて、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを判定するようにした。これに対し、本実施形態では、複数の周波数での"インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθ"に基づいて得られる面積を比較するようにする。このように本実施形態と前述した第1の実施形態とでは、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを判定する方法の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、前述した第1の実施形態と同一の部分については、図1〜図17に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
図18に示すように、本実施形態の基準値記憶部33には、スポット溶接が行われた際に使用された電極の形状(電極形状a)、スポット溶接が行われた際の電極の加圧力(電極加圧力b)、スポット溶接が行われる鋼板の"種類及びプレス加工の状態"(鋼板c)毎のテーブル180a〜180cが記憶されている。
そして、テーブル180a〜180cには、複数の周波数における"インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθ"により定まる複数の点を結ぶ直線(又は曲線)により囲まれる領域の面積Sが記憶されている。図19は、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθとにより定まる複数の点を結ぶ直線(又は曲線)により囲まれる領域の面積Sの一例を示す図である。
尚、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθは、例えば、(1式)、(2式)で表される。また、周波数fの測定範囲は、例えば10[Hz]〜20[kHz]である。
そして、評価部32は、予め定められた複数の周波数での"インピーダンス及び偏角"を入力部31から取得すると、取得した"インピーダンス及び偏角"に基づいて、面積Sを算出する。そして、評価部32は、算出した面積Sと、選択したテーブルに記憶されている面積Sとを比較し、算出した面積Sが選択したテーブルに記憶されている面積S以上であれば、鋼板51a、51bに形成されているナゲット53は適正な大きさであると判定し、そうでない場合には、適正な大きさでないと判定する。
以上のように本実施形態では、面積Sを測定値と基準値とで比較することにより、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを判定するようにした。このようにしても、第1の実施形態で説明したのと同じ効果を得ることができる。
尚、本実施形態においても、第1の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。前述した第1の実施形態では、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθとから定まる点の位置関係を、測定値と基準値とで比較して、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを判定するようにした。これに対し、本実施形態では、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθとを、測定値と基準値とで個別に比較して、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを判定するようにする。このように本実施形態と前述した第1の実施形態とでは、ナゲット53の大きさが適正なものであるか否かを判定する方法の一部が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、前述した第1の実施形態と同一の部分については、図1〜図17に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
図20に示すように、本実施形態の基準値記憶部33には、スポット溶接が行われた際に使用された電極の形状(電極形状a)、スポット溶接が行われた際の電極の加圧力(電極加圧力b)、スポット溶接が行われる鋼板の"種類及びプレス加工の状態"(鋼板c)毎のテーブル200a〜200cが記憶されている。
そして、テーブル200a〜200cには、規格化ナゲット径と、偏角変化率δθと、インピーダンス変化率δZと、変化距離とが対応付けられて記憶されている。
規格化ナゲット径と、変化距離は、夫々、以下の(17式)、(18式)で表される。
また、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθは、例えば、(1式)、(2式)で表される。
以上のようにして、本実施形態では、規格化ナゲット径と、偏角変化率δθと、インピーダンス変化率δZと、変化距離とを、電極形状a、電極加圧力b、鋼板c毎に、測定結果から予め求めてテーブル200a〜200cに記憶しておく。ここで、測定に際しては、ナゲットの大きさの違いにより、偏角変化率δθ及びインピーダンス変化率δZに明確な差がでるような周波数を使用する。
図21に示すように、測定に使用する周波数によっては、被測定材(すなわちナゲットの大きさ)を区別できなくなる。したがって、被測定材(すなわちナゲットの大きさ)を明確に区別できるような周波数を使用して測定を行う必要がある。
図21に示す例では、インピーダンス変化率δZについては、例えば、1[kHz]以上2[kHz]以下の周波数を使用して測定を行うのが好ましい。また、偏角変化率δθについては、200[Hz]以下の周波数を使用して測定を行うのが好ましい。
図22に示すような偏角変化率δθ、インピーダンス変化率δZ、及び変化距離と、規格化ナゲット径との関係を、電極形状a、電極加圧力b、鋼板c毎に求めて、テーブル200に予め記憶させておく。
更に、複数の周波数における偏角変化率δθを加算した値と、複数の周波数におけるインピーダンス変化率δZを加算した値との双方又は何れか一方が、閾値以上である場合に、鋼板51a、51bに形成されているナゲット53は適正な大きさであると判定し、そうでない場合に、鋼板51a、51bに形成されているナゲット53は適正な大きさでないと判定してもよい。
尚、本実施形態においても、第1〜第2の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。前述した第1〜第3の実施形態では、把持部13の内部にプリント基板を設けるようにした。これに対し、本実施形態では、把持部とフェライトコアとの間にプリント基板を設けるようにしている。このように本実施形態と前述した第1〜第3の実施形態とは、プリント基板を配置する位置が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第3の実施形態と同一の部分については、図1〜図22に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
図23において、プローブ230は、フェライトコア11と、コイル12と、媒介部14と、リード線16と、プリント基板231と、把持部232とを有している。これらのうち、フェライトコア11、コイル12、媒介部14、及びリード線16は、第1の実施形態で説明したのと同じものである。
また、プリント基板を透明又は半透明の部材で形成し、第1の実施形態のようにして位置決め板17を設けるようにしてもよい。
更に、プリント基板231を保護する部材を設けるようにしてもよい。
また、本実施形態においても、第1〜第3の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。前述した第1〜第4の実施形態では、測定の際に、フェライトコア11の脚部11a〜11cが鋼板51の表面に接するようにして、3箇所が鋼板51の表面に接するようにした。これに対し、本実施形態では、フェライトコアが2つの脚部を有し、この2つの脚部と、フェライトコアに取り付けられる補助部材の脚部との3箇所が、鋼板51の表面に接するようにしている。このように本実施形態と前述した第1〜第4の実施形態とは、フェライトコアの構成等が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第4の実施形態と同一の部分については、図1〜図23に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
尚、本実施形態においても、第1〜第4の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。前述した第1〜第5の実施形態では、インデンテーション52aの内部に配置される脚部の長さを、インデンテーション52aの外部に配置される脚部よりも長くすることにより、インデンテーション52aの内部に配置される脚部の先端面が、インデンテーション52aの外部に配置される脚部1の先端面よりも突出するようにした。これに対し、本実施形態では、インデンテーション52aの外部に配置される脚部を上下動できるようにして、インデンテーション52aの内部に配置される脚部の先端面が、インデンテーション52aの外部に配置される脚部の先端面よりも突出するようにしている。このように本実施形態と、前述した第1〜第5の実施形態とは、フェライトコアの構成等が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第5の実施形態と同一の部分については、図1〜図24に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
第1のフェライトコア261は、2つの脚部261a、261bと、補助部材に収容される第1の胴部261cと、脚部261a、261bと第1の胴部261cとを連結する第2の胴部261dとが一体で形成されている。コイル12は、第2の胴部261dに巻き回される。
また、脚部261a、261bの先端面264a、264bは、鏡面研磨されている。測定に際し、脚部261a、261bは、インデンテーション52aの外部に配置される。更に、脚部261a、261bの先端面264a、264bは、傾斜を有していない。
以上のようにして、別体である第1及び第2のフェライトコア262が、支持部材266に取り付けられると、支持部材266の内部において、第2のフェライトコア262の側面の一部と、第1のフェライトコア261の側面の一部とが互いに接触するようにしている。そして、前述したようにして第1のフェライトコア261が上下動すると、支持部材266の内部において、第2のフェライトコア262の側面の一部と、第1のフェライトコア261の側面の一部とが摺り合わさるようになっている。
尚、第1及び第2のフェライトコア261、262の材質は、第1の実施形態で説明したフェライトコア11と同じである。
尚、本実施形態においても、第1〜第5の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。前述した第1〜第6の実施形態では、先端面を傾斜させなければ、フェライトコアの脚部の断面積は一定であった。これに対し、本実施形態では、フェライトコアの脚部の先端側の断面積が基端側の断面積よりも小さくなるようにした。このように本実施形態と、前述した第1〜第6の実施形態とは、フェライトコアの構成等が主として異なる。よって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第6の実施形態と同一の部分については、図1〜図25に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
尚、本実施形態においても、第1〜第6の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第8の実施形態について説明する。前述した第1〜第7の実施形態では、フェライトコアに巻き回されるコイルは1つであった。これに対し、本実施形態では、交流信号源21からの交流信号を受けるコイルと、そのコイルが交流信号を受けることにより誘起される交流電圧を検出するコイルとを設けるようにしている。このように本実施形態と、前述した第1〜第7の実施形態とは、コイルの構成とインピーダンスメータの構成の一部とが主として異なる。よって、本実施形態の説明において、第1〜第7の実施形態と同一の部分については、図1〜図26に付した符号と同一の符号を付すこと等により、詳細な説明を省略する。
(プローブ280の構成)
図27において、プローブ280は、フェライトコア11と、把持部13と、媒介部14と、膨出部15と、位置決め板17と、第1のコイル281と、第2のコイル282と、リード線283、284とを有している。尚、フェライトコア11、把持部13、媒介部14、膨出部15、及び位置決め板17は、第1の実施形態で説明したものと同じである。
第2のコイル282は、第1のコイル281に交流信号が発生することにより誘起される交流電圧を検出するためのものである。第2のコイル282で検出された交流電圧は、把持部13の内部に設けられたプリント基板と、リード線284とを経由して、インピーダンスメータ288に伝送される。
尚、本実施形態では、第1のコイル281と第2のコイル282の巻き数を同じにしている。
インピーダンスメータ288は、交流信号源285と、交流電圧測定器286と、交流電流測定器287と、インピーダンス計測部24と、偏角計測部25とを有している。尚、インピーダンス計測部24と、偏角計測部25は、第1の実施形態で説明したものと同じである。また、交流信号源285、交流電圧測定器286、交流電流測定器287は、夫々、図1に示した第1の実施形態の交流信号源21、交流電圧測定器22、交流電流測定器23と結線方法が異なるだけである。
交流電圧測定器286は、交流信号源285から第1のコイル281に交流信号が供給されることにより第2のコイル282の両端に誘起される交流電圧を測定する。交流電流測定器287は、交流信号源285から第1のコイル281に交流信号が供給されることにより第1のコイル281に流れる交流電流(励磁電流)を測定する。
尚、インピーダンス変化率δZと偏角変化率δθは、例えば、(1式)、(2式)で表される。また、規格化ナゲット径は、(17式)で表される。
尚、本実施形態においても、第1〜第7の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第9の実施形態を説明する。本実施形態では、直流バイアスが加えられた交流信号をコイルに供給するようにしている。このように本実施形態と前述した第1〜第8の実施形態とは、コイルに交流信号を供給する方法の一部が主として異なる。したがって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第8の実施形態と同一の部分については、図1〜図29に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
図30において、インピーダンスメータ310は、交流信号源21と、交流電圧測定器22と、交流電流測定器23と、インピーダンス計測部24と、偏角計測部25と、直流電源311とを有している。尚、交流信号源21、交流電圧測定器22、交流電流測定器23、インピーダンス計測部24、及び偏角計測部25は、第1の実施形態で説明したものと同じである。
直流電源311は、交流信号源21から発生する交流信号に直流バイアスを加えるためのものである。このようにして直流バイアスが加えられた交流信号は、リード線16と、把持部13内のプリント基板とを介して、コイル12に供給される。これにより、図2に示したような閉磁路18が形成される。このとき、鋼板51の内部(熱影響部54、ナゲット53等)は、B−H曲線におけるマイナーループに基づく磁気特性を示すことになる。
尚、本実施形態においても、第1〜第8の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第10の実施形態を説明する。本実施形態では、コイルが巻き回されたフェライトコアを保護するようにしている。このように本実施形態は、前述した第1〜第9の実施形態に対し、フェライトコアを保護(緩衝)する構成を加えたものである。したがって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第9の実施形態と同一の部分については、図1〜図30に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
図31に示すように、フェライトコア11の脚部の先端付近の領域(鋼板51と接触する付近の領域)を除いて、フェライトコア11を保護部材331で被覆するようにしている。保護部材331は、ゴム等の弾性材料を用いて構成することができる。ただし、必ずしも弾性材料を用いて保護部材331を構成する必要はなく、例えば、合成樹脂等を用いて構成するようにしてもよい。
このようにすることによって、破損し易いフェライトコア11を保護することができる。
尚、本実施形態においても、第1〜第9の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第11の実施形態について説明する。本実施形態では、被測定材である鋼板51が磁気を帯びている場合、その磁気を消磁してから測定を行うようにする。このように本実施形態は、前述した第1〜第10の実施形態に対し、鋼板51を消磁する構成を加えたものである。したがって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第10の実施形態と同一の部分については、図1〜図31に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
以上のように本実施形態では、交流信号源21を用いることにより消磁手段が実現される。
図32において、昇圧方向測定とは、設定電圧VZを0から徐々に昇圧させて測定したことを指し、降圧方向測定とは、設定電圧VZを5[V]から徐々に降圧させて測定したことを指す。図13及び図14に示したように、概ね0.1[V]以上、2[V]以下の設定電圧VZにして測定を行うのが好ましい。そこで、例えば1[V]の設定電圧VZで測定を行うことを考える。そうすると、図32からも明らかなように、設定電圧VZを0[V]から昇圧させて1[V]にする場合よりも、設定電圧VZを5[V]として、鋼板51を消磁しながら降圧させて1[V]にした方が、測定の感度を向上させることができることが分かる。
また、本実施形態においても、第1〜第10の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第11の実施形態について説明する。本実施形態では、フェライトコアと鋼板51とが適切に接触(好ましくは密着)しているか否かを、測定中に確認するようにしている。このように本実施形態は、前述した第1〜第11の実施形態に対し、フェライトコアと鋼板51とが適切に接触しているか否かを、測定中に確認する構成を加えたものである。したがって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第10の実施形態と同一の部分については、図1〜図32に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
本実施形態では、以上のようなコンピュータ30の処理を行うことによって、第2の導出手段と第2の評価手段とが実現される。
図33において、エアギャップ無しとは、フェライトコア11と鋼板51とを密着させた状態で測定したことを指し、エアギャップ有りとは、フェライトコア11と鋼板51との間に0.1[mm]の隙間(エアギャップ)を設けた状態で測定したことを示す。
本実施形態では、このような性質を利用し、前述したようにして、フェライトコア11と鋼板51とが適切に接触しているか否かを測定中に判定し、判定した結果をオペレータに報知するようにしている。
このようにすることによって、プローブ10と被測定材である鋼板51との接触不良による測定誤差を低減することができる。
尚、本実施形態においても、第1〜第11の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第13の実施形態について説明する。本実施形態では、フェライトコアの脚部の先端面と鋼板51との間に、フェライトなど軟磁性材料からなる微粉末を含む粘性材料を介在させるようにする。このように本実施形態は、前述した第1〜第12の実施形態に対し、フェライトコアの脚部の先端面と鋼板51との間に粘性材料を追加したものとなる。したがって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第12の実施形態と同一の部分については、図1〜図33に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
尚、粘性材料の粘性の程度は特に限定されない。また、フェライト等軟磁性材料の微粉末の直径は、好ましくは2[μm]以下、より好ましくは1[μm]以下である。また、本実施形態においても、第1〜第12の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
次に、本発明の第14の実施形態について説明する。前述した第1〜第14の実施形態では、フェライトコアの脚部の1つを、インデンテーション52aの内部に配置し、その他の脚部を、インデンテーション52aの外部に配置するようにした。これに対し、本実施形態では、フェライトコアがインデンテーション52aを跨ぐように、フェライトコアの全ての脚部を、インデンテーション52aの外部に配置するようにする。このように本実施形態と前述した第1〜第13の実施形態とは、フェライトコアの構成及び配置方法が主として異なる。したがって、本実施形態の説明において、前述した第1〜第12の実施形態と同一の部分については、図1〜図33に付した符号と同一の符号を付すこと等により詳細な説明を省略する。
図34に示すように、本実施形態では、プローブ361が備えるフェライトコア371がインデンテーション52aを跨ぐように、フェライトコア371の3つの脚部371a〜371cを、インデンテーション52aの外部の比較的平坦な領域に配置する。
フェライトコア371のその他の構成は、図6等に示したフェライトコア11と同じである。
また、本実施形態においても、第1〜第13の実施形態で説明した種々の形態及び変形例を採ることができる。
さらに、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
10、230、280 プローブ
11、251、260、271、371 フェライトコア
12 コイル
13、232 把持部
14 媒介部
15 膨出部
16、283、284 リード線
17 位置決め板
20、288、310 インピーダンスメータ
21、285 交流信号源
22、286 交流電圧測定器
23、287 交流電流測定器
24 インピーダンス計測部
25 偏角計測部25
30 コンピュータ
31 入力部
32 評価部
33 基準値記憶部
34 操作部
35 表示部
40 ディスプレイ
51 鋼板
52 インデンテーション
53 ナゲット
54 熱影響部
231 プリント基板
252 補助部材
261 第1のフェライトコア
262 第2のフェライトコア
266 支持部材
281 第1のコイル
282 第2のコイル
310 直流電源
331 保護部材
Claims (33)
- 磁性体を含む被測定材の溶接部を非破壊で検査する溶接部の非破壊検査装置であって、
複数の脚部と、それら複数の脚部と磁気的に接続される胴部とを有するコアと、
前記コアに巻き回されるコイルと、
前記コイルに一定周波数の交流信号を供給する供給手段と、
前記コイルに交流信号が供給されることにより得られる交流電圧を測定する電圧測定手段と、
前記コイルに交流信号が供給されることにより得られる交流電流を測定する電流測定手段と、
前記電圧測定手段により測定された交流電圧と、前記電流測定手段により測定された交流電流とを用いて、前記溶接部を評価するための複素インピーダンスを導出する導出手段と、を有し、
前記溶接部は、スポット溶接が行われることにより前記被測定材の内部に生じるナゲットであり、
前記コアの一の脚部と、前記コアの他の脚部との間の長さは、スポット溶接が行われることにより前記被測定材の表面に生じるインデンテーションに応じた円の半径以上の長さを有し、
前記コアの複数の脚部の幅の長さは、横方向及び奥行き方向とも、前記インデンテーションに応じた円の半径以下の長さを有し、
前記交流信号は、前記複数の脚部の先端面が前記被測定材に接触された状態で、前記コイルに供給され、
前記供給手段により前記コイルに交流信号が供給されることにより生じた磁束を、前記コアの少なくとも一の脚部から流出させ、前記被測定材の内部を通って前記コアの他の脚部に流入するようにして環流させることを特徴とする溶接部の非破壊検査装置。 - 前記導出手段により導出された複素インピーダンスと、予め設定された基準値とを比較し、比較した結果に基づいて、前記溶接部の大きさと、基準の大きさとの大小関係を判定する評価手段を有することを特徴とする請求項1に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記複数の脚部の先端面が研磨されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記被測定材と接触する箇所が3箇所であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 人又はロボットにより把持される把持部と、
前記把持部と前記コアとの間に設けられた媒介部と、を有し、
前記媒介部は、前記把持部と前記コアとを可動的に連結する機能と、前記把持部の動きを吸収する機能との少なくとも何れか一方の機能を有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。 - 前記媒介部は、弾性体を用いて構成されることを特徴とする請求項5に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記コアに巻き回されるコイルは1つであり、
前記供給手段は、前記1つのコイルに交流信号を供給し、
前記電圧測定手段は、前記1つのコイルの両端に発生する交流電圧を測定し、
前記電流測定手段は、前記1つのコイルに流れる交流電流を測定することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。 - 前記コアに巻き回されるコイルは、2つであり、
前記供給手段は、前記2つのコイルの一方に交流信号を供給し、
前記電圧測定手段は、前記2つのコイルの他方の両端に発生する交流電圧を測定することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。 - 前記コアの一の脚部が、前記インデンテーションの内部に配置され、前記コアの他の脚部が、前記インデンテーションの外部に配置されることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記コアが有する複数の脚部の1つに設けられた板であって、当該1つの脚部を配置する位置を定めるための位置決め板を有することを特徴とする請求項9に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記コアの一の脚部の先端面は、前記コアの他の脚部の先端面よりも突出していることを特徴とする請求項9又は10に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記コアに取り付けられた支持部材を有し、
前記コアの一の脚部と、前記コアの他の脚部は、別体で形成され、
前記支持部材に取り付けられた前記コアの一の脚部と他の脚部との少なくとも何れか一方が、高さ方向に動くことにより、前記コアの一の脚部の先端面が、前記コアの他の脚部の先端面よりも突出するようにしたことを特徴とする請求項9又は10に記載の溶接部の非破壊検査装置。 - 前記複数の脚部の少なくとも1つの先端面が、傾斜していることを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- スポット溶接が行われることにより前記被測定材の表面に生じるインデンテーションを前記コアが跨ぐように、前記コアの脚部の全てが、前記インデンテーションの外部に配置されることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 前記被測定材の磁気を消磁する消磁手段を有し、
前記供給手段は、前記消磁手段により磁気が消磁された後に、前記コイルに交流信号を供給することを特徴とする請求項1〜14の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。 - 前記電圧測定手段により測定された交流電圧と、前記電流測定手段により測定された交流電流とを用いて、前記コアと前記被測定材との接触状態を評価するための複素インピーダンスの偏角を導出する第2の導出手段と、
前記第2の導出手段により導出された複素インピーダンスの偏角を用いて、前記コアと前記被測定材との接触状態を評価する第2の評価手段を有し、
前記供給手段は、前記溶接部を評価するための交流信号を前記コイルに供給している最中に、当該交流信号よりも高い電圧を有する第2の交流信号を一時的に前記コイルに供給し、
前記電圧測定手段は、前記コイルに第2の交流信号が供給されると、当該第2の交流信号により得られる第2の交流電圧を測定し、
前記電流測定手段は、前記コイルに第2の交流信号が供給されると、当該第2の交流信号により得られる第2の交流電流を測定し、
前記第2の評価手段は、前記交流信号の電圧の変化の前後で前記第2の導出手段により導出された複素インピーダンスの偏角を比較し、比較した結果に基づいて、前記コアと前記被測定材との接触状態を評価することを特徴とする請求項1〜15の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。 - 前記コアの脚部の先端部と前記被測定材との間に粉末状の軟磁性材料を介在させることを特徴とする請求項1〜16の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査装置。
- 複数の脚部と、それら複数の脚部と磁気的に接続される胴部とを有するコアと、
前記コアに巻き回されるコイルと、を有するプローブを用いて、磁性体を含む被測定材の溶接部を非破壊で検査する溶接部の非破壊検査方法であって、
前記複数の脚部の先端面を前記被測定材に接触させる配置ステップと、
前記配置ステップにより、前記複数の脚部の先端面が前記被測定材に接触された後に、前記コイルに一定周波数の交流信号を供給する供給ステップと、
前記コイルに交流信号が供給されることにより得られる交流電圧を測定する電圧測定ステップと、
前記コイルに交流信号が供給されることにより得られる交流電流を測定する電流測定ステップと、
前記電圧測定ステップにより測定された交流電圧と、前記電流測定ステップにより測定された交流電流とを用いて、前記溶接部を評価するための複素インピーダンスを導出する導出ステップと、を有し、
前記溶接部は、スポット溶接が行われることにより前記被測定材の内部に生じるナゲットであり、
前記コアの一の脚部と、前記コアの他の脚部との間の長さは、スポット溶接が行われることにより前記被測定材の表面に生じるインデンテーションに応じた円の半径以上の長さを有し、
前記コアの複数の脚部の幅の長さは、横方向及び奥行き方向とも、前記インデンテーションに応じた円の半径以下の長さを有し、
前記供給ステップにより前記コイルに交流信号が供給されることにより生じた磁束を、前記コアの少なくとも一の脚部から流出させ、前記被測定材の内部を通って前記コアの他の脚部に流入するようにして環流させることを特徴とする溶接部の非破壊検査方法。 - 前記導出ステップにより導出された複素インピーダンスと、予め設定された基準値とを比較し、比較した結果に基づいて、前記溶接部の大きさと、基準の大きさとの大小関係を判定する評価ステップを有することを特徴とする請求項18に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記配置ステップは、前記複数の脚部の先端面であって、研磨された先端面を、前記被測定材に接触させることを特徴とする請求項18又は19に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記配置ステップは、前記複数の脚部の先端面を含む3箇所を、前記被測定材に接触させることを特徴とする請求項18〜20の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記プローブは、把持部と、
前記把持部と前記コアとの間に設けられた媒介部と、を更に有し、
前記媒介部は、前記把持部と前記コアとを可動的に連結する機能と、前記把持部の動きを吸収する機能との少なくとも何れか一方の機能を有し、
前記配置ステップは、前記把持部を把持して、前記複数の脚部の先端面を前記被測定材に接触させることを特徴とする請求項18〜21の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記コアに巻き回されるコイルは1つであり、
前記供給ステップは、前記1つのコイルに交流信号を供給し、
前記電圧測定ステップは、前記1つのコイルの両端に発生する交流電圧を測定し、
前記電流測定ステップは、前記1つのコイルに流れる交流電流を測定することを特徴とする請求項18〜22の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記コアに巻き回されるコイルは、2つであり、
前記供給ステップは、前記2つのコイルの一方に交流信号を供給し、
前記電圧測定ステップは、前記2つのコイルの他方の両端に発生する交流電圧を測定することを特徴とする請求項18〜22の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記配置ステップは、前記コアの一の脚部を、前記スポット溶接が行われることにより前記被測定材の表面に生じたインデンテーションの内部に配置し、前記コアの他の脚部を、前記インデンテーションの外部に配置することを特徴とする請求項18〜24の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記プローブは、前記コアが有する複数の脚部の1つに設けられた板であって、当該1つの脚部を配置する位置を定めるための位置決め板を更に有し、
前記配置ステップは、前記位置決め板を用いて、前記1つの脚部の先端面の接触位置を決定することを特徴とする請求項25に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記配置ステップは、前記複数の脚部のうち、先端面が他の脚部よりも、前記インデンテーションの深さに応じた長さ分だけ突出している脚部を、前記インデンテーションの内部に配置することを特徴とする請求項25又は26に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記プローブは、前記コアに取り付けられた支持部材を更に有し、
前記コアの一の脚部と、前記コアの他の脚部は、別体で形成され、
前記配置ステップは、前記支持部材に取り付けられた前記コアの一の脚部と他の脚部との少なくとも何れか一方を高さ方向に動かしながら、前記コアの一の脚部を前記インデンテーションの内部に配置し、前記コアの他の脚部を前記インデンテーションの外部に配置することを特徴とする請求項25又は26に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記配置ステップは、前記コアの一の脚部の先端面に生じている傾斜を、前記インデンテーションの傾斜に合わせるようにして、当該コアの一の脚部を前記インデンテーションの内部に配置することを特徴とする請求項25〜28の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記配置ステップは、スポット溶接が行われることにより前記被測定材の表面に生じるインデンテーションを前記コアが跨ぐように、前記コアの脚部の全てを、前記インデンテーションの外部に配置することを特徴とする請求項18〜24の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。
- 前記被測定材の磁気を消磁する消磁ステップを有し、
前記供給ステップは、前記消磁ステップにより磁気が消磁された後に、前記コイルに交流信号を供給することを特徴とする請求項18〜30の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記電圧測定ステップにより測定された交流電圧と、前記電流測定ステップにより測定された交流電流とを用いて、前記コアと前記被測定材との接触状態を評価するための複素インピーダンスの偏角を導出する第2の導出ステップと、
前記第2の導出ステップにより導出された複素インピーダンスの偏角を用いて、前記コアと前記被測定材との接触状態を評価する第2の評価ステップを有し、
前記供給ステップは、前記溶接部を評価するための交流信号を前記コイルに供給している最中に、当該交流信号よりも高い電圧を有する第2の交流信号を一時的に前記コイルに供給し、
前記電圧測定ステップは、前記コイルに第2の交流信号が供給されると、当該第2の交流信号により得られる第2の交流電圧を測定し、
前記電流測定ステップは、前記コイルに第2の交流信号が供給されると、当該第2の交流信号により得られる第2の交流電流を測定し、
前記第2の評価ステップは、前記交流信号の電圧の変化の前後で前記第2の導出ステップにより導出された複素インピーダンスの偏角を比較し、比較した結果に基づいて、前記コアと前記被測定材との接触状態を評価することを特徴とする特徴とする請求項18〜31の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。 - 前記コアの脚部の先端部と前記被測定材との間に粉末状の軟磁性材料を介在させることを特徴とする請求項18〜32の何れか1項に記載の溶接部の非破壊検査方法。
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