JP5504360B2

JP5504360B2 - 溶接不良の検知方法および溶接不良の検知装置

Info

Publication number: JP5504360B2
Application number: JP2013076288A
Authority: JP
Inventors: 篤小田; 幸司小縄; 雅樹渡邊; 道春乾
Original assignee: Kobelco Research Institute Inc
Current assignee: Kobelco Research Institute Inc
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: JP2013151028A

Description

本発明は、スポット溶接によって形成される溶接部（溶接金属部）での溶接不良を検知して溶接の健全性を確保するための溶接不良の検知方法、およびこうした方法を実施するために構成される有用な装置に関するものである。

スポット溶接法は、２枚の鋼板を重ね合わせ、一般に丸棒状の電極で加圧しながら通電することによって、ジュール熱で金属を溶融させて点状に圧接する方法であり、例えば自動車部品等の組み立てに広く用いられている。また、自動車の場合には、スポット溶接される箇所は１台につき、４００〜１０００箇所程度になる場合がある。

上記のようなスポット溶接では、溶接金属部（以下、「スポット溶接部」または単に「溶接部」と呼ぶことがある）は碁石状に形成され、これは一般にナゲットと呼ばれる。そしてスポット溶接部の引張せん断強さは、このナゲット径にほぼ比例することが知られている。そのためスポット溶接では、十分なナゲット径を確保することが求められる。ナゲット径が十分であるか否かの判定基準として、現在のところ少なくとも４√ｔ（ｔ：板厚）の大きさが必要であるとされている。

十分なナゲット径を確保しているかを検査するに際しては、超音波処理や電磁誘導等で非破壊的に検査するのが一般的であるが、こうした方法はインラインで（現場で）行なうことはできず、別の場所で検査しているのが実情である。

また、スポット溶接部の良否を判断する上においては、溶接によって形成されるナゲット内部に、空孔等の欠陥が存在しないことも重要な要件である。

このような空孔については、Ｘ線ＣＴ（Ｘ線計算断層像法）によって、非破壊的に検査できるが、こうした方法は上記した各方法と同様に、インラインで（現場で）行なうことはできず、別の場所で検査している。

スポット溶接部における良否（ナゲット径、空孔の有無）を現場で迅速に判断する方法は、これまで確立されておらす、また多数存在するスポット溶接部の全ての良否を判定することは困難である。こうしたことから、現状では、抜き打ち的にスポット溶接部をタガネで叩いて割れるかどうかによる破壊試験によって溶接部の良品を把握しているのが実情である。

しかしながら、こうした方法では、できるだけ多くの溶接部における良否を迅速に検査することは困難であり、また鋼板の高硬度・強度化に伴って、タガネによる試験方法そのものが適用できなくなるという問題が生じる。

こうしたことから、溶接部の良否をインラインでできるだけ迅速に、しかも非破壊で検査できる方法の確立が望まれているのが実情である。こうした要求に対応するべく、これまでにも様々な溶接分野で溶接部の良否を評価する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、レーザ溶接法において、レーザ溶接中に発生するプラズマや熱などの様々な代理信号を捕捉し、これらが均一に発生しているかどうかを監視することにより、また予め収集しておいた良好な溶接の場合の信号と比較することにより、リアルタイムの且つ非破壊で溶接部の良否を判定する方法が提案されている。

この技術では、紫外線強度に基づいて溶接部に発生したプラズマの強度を計測するプラズマセンサーを用いることを基本としており、レーザ溶接法によって形成される溶接部での良否を検知する方法としては有用であると言える。しかしながら、スポット溶接のように電気抵抗による発熱（ジュール熱）を利用して母材を溶解して溶接する方法には、原理的に適用できない。

一方、特許文献２には、薄鋼板を被溶接部材とし、重ね溶接若しくは突き合わせ溶接に対して行なう溶接加工において、溶接時に発生する溶接欠陥を検出するために、スポット走査方式のレーザスキャナ装置を用い、これを揺動させることにより１ラインの取り込みを行ない、且つ溶接線に沿って進行させることにより、座標データを取り込み、更に測定用レーザの反射光量の減衰や測定エラーを考慮することにより、溶接ビードの形状および溶接欠陥を高精度に計測するための検査方法について提案されている。

この技術は、溶接部の周りにスポット状のレーザ光を当ててその反射を解析することによって、溶接部の良否を判定するものである。しかしながら、この方法は、形成された溶接ビードの外観を外部から計測することによって、溶接部の良否を判断するものであり、スポット溶接のようにナゲット内部に形成される空孔を判定する方法としては適していない。しかも、レーザスキャナ装置は極めて高価なものであり、簡便に実施できる方法ではない。

特開２００２−２３９７６１号公報特開２００５−０１４０２６号公報

本発明は上記のような事情に着目してなされたものであって、その目的は、スポット溶接によって形成される溶接部の良否（ナゲット中の空孔体積率、ナゲット径）を、インラインでできるだけ迅速に、しかも非破壊で検知し、溶接部の健全性を確保するための検知方法、およびそのための有用な検知装置を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明方法とは、スポット溶接時に溶接部から発生するＣＯガスおよび／またはＣＯ₂ガスの量を測定して、ナゲット中の空孔体積率を決定する点に要旨を有するものである。上記本発明方法においては、スポット溶接時に溶接部から発生するスパッタ量を測定することも有用であり、こうした構成を採用することによってナゲット中の空孔体積率と共に、ナゲット径をも決定することができる。

上記方法におけるより具体的な構成としては、ガスの発生量とナゲット中の空孔体積率の関係、および／またはスパッタ量とナゲット径との関係を予め把握しておき、その合格基準を設定し、実溶接時のガスの発生量および／またはスパッタ量を測定し、予め把握した関係に従って空孔体積率および／またはナゲット径を決定し、前記設定した合格基準と照合することによって合否の判定を行なう構成が挙げられる。

上記目的を達成するための他の方法は、スポット溶接時に溶接部から発生するスパッタ量を測定して、ナゲット径を決定することを特徴とする。

一方、上記目的を達成することのできた本発明の検知装置とは、スポット溶接によって形成される溶接部の良否を検知するための装置であって、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するＣＯガスおよび／またはＣＯ₂ガスを捕集する捕集孔に接続されたガス捕集器と、前記ガス捕集器に捕集されたＣＯガスおよび／またはＣＯ₂ガスの量を測定するガス分析器と、測定されたガスの量のデータを処理するための電子計算機を備え、この電子計算機は、予め把握した関係に従って空孔体積率を決定するように構成されたものが挙げられる。

上記目的を達成することのできた本発明装置の他の構成としては、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するスパッタを捕集する捕集孔に接続されたスパッタ捕集器と、前記スパッタ捕集器に捕集されたスパッタの量を測定するスパッタ量測定器と、測定されたスパッタ量のデータを処理するための電子計算機を備え、この電子計算機は、予め把握した関係に従ってナゲット径を決定するように構成されたものが挙げられる。

上記目的を達成することのできた本発明装置の更に他の構成としては、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するＣＯガスおよび／またはＣＯ₂ガスを捕集する捕集孔に接続されたガス捕集器と、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するスパッタを捕集するスパッタ捕集孔に接続された捕集器と、前記ガス捕集器に捕集されたＣＯガスおよび／またはＣＯ₂ガスの量を測定するガス分析器と、前記スパッタ捕集器に捕集されたスパッタの量を測定するスパッタ量測定器と、測定されたガスの量のデータおよびスパッタ量のデータを処理するための電子計算機を備え、この電子計算機は、予め把握した関係に従って空孔体積率およびナゲット径を決定するように構成されたものが挙げられる。

本発明方法によれば、スポット溶接時に溶接部から発生するＣＯガスおよび／またはＣＯ₂ガスの量やスパッタ量等のデータを測定するだけで、スポット溶接によって形成されるナゲット中に存在する空孔の体積率やナゲット径を決定できるので、多数形成される溶接部の良否をインラインで迅速に、しかも非破壊で検査できるものとなる。また、こうした方法を実施するための装置構成においても、大規模とはならず、比較的簡便な構成とすることができる。

本発明の装置構成例を示す概略説明図である。５９０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯガス濃度と空孔体積率との関係を示すグラフである。９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯガス濃度と空孔体積率との関係を示すグラフである。５９０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯ₂ガス濃度と空孔体積率との関係を示すグラフである。９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯ₂ガス濃度と空孔体積率との関係を示すグラフである。９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおける空孔体積率が１．７％のときのナゲット断面構造を示す図面代用写真である。９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおける空孔体積率が５．１％のときのナゲット断面構造を示す図面代用写真である。スポット溶接によって形成されるナゲット径を説明するための図面代用写真である。５９０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるスパッタ量とナゲット径との関係を示すグラフである。９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるスパッタ量とナゲット径との関係を示すグラフである。

本発明者らは、上記目的を達成するために、ナゲット中の空孔体積率やナゲット径と相関関係のある因子について、様々な角度から検討を重ねた。その結果、スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するＣＯガスやＣＯ₂ガスの量（濃度）は、ナゲット中の空孔体積率と相関関係があることが判明した。

スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するガスの種類としては、ＣＯガスやＣＯ₂ガスの他にも、ＮＯｘ等も存在する。しかしながら、ＣＯガス、ＣＯ₂ガス以外のガス成分については、その存在が希薄であること、およびその存在を測定する装置との関係から、測定精度の点から問題がある。これに対して、ＣＯガスやＣＯ₂ガスは、その濃度が少ない場合であっても、その変動を迅速にしかも高精度に把握できることになる。本発明で対象とするガス成分としては、ＣＯガスおよびＣＯ₂ガスのどちらか一方、或はその両方（合計量）を測定しても良く、これらの濃度は、ナゲット中の空孔体積率と強い相関関係が存在することになる（後記実施例参照）。即ち、本発明では、スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するＣＯガスやＣＯ₂ガスの量（濃度）を測定することによって、ナゲット中の空孔体積率を把握できることになる。

尚、スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するＣＯガスやＣＯ₂ガスの量は、溶接される鋼板によって異なる。すなわち鋼種を特定する毎に発生するガス量と空孔体積率と明らかな相関関係があるので、鋼板毎にその相関関係を予め把握しておけば、実溶接時のガス発生量を測定することによって、様々な鋼板に対しても対応できることになる。そして、各種鋼板において、夫々の合格基準を設定しておき、その合格基準と照合することによって、合否の判定を行なうことができる。

上記のような現象が生じる理由について、本発明者らはその全てを解明し得た訳ではないが、次のように考えることができた。即ち、鋼板中のＣ（炭素）が、スポット溶接時の熱によって気化し、これが溶接部の周囲から発生するガスとなるので、空孔の大小によってその濃度が異なってくるものと考えられる。このように理解することによって、スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するＣＯガスやＣＯ₂ガスの量は、溶接される鋼板によっても異なるという現象も理解できる。

こうした方法によれば、測定に要する時間は溶接部毎に１０秒程度であるが、多数の溶接部の存在を考慮しても、十分にインラインで迅速に測定するという要求を満足できるものとなる。

本発明では、基本的にＣＯガスやＣＯ₂ガスの量が或る設定値（合格基準）を超えたときに「欠陥有り」と評価するものであるが、こうした構成では、溶接が全く行なわれていない場合であっても、「欠陥無し」と評価される可能性がある。そこで、本発明者らは、溶接部の健全性の評価を別の要件からも把握できるように検討した。その結果、スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するスパッタ量は、形成されるナゲットの大きさ（ナゲット径）と相関関係があることが判明したのである。

スポット溶接では、溶接時に溶接部周囲からはスパッタは目視確認できず、このようなスパッタは発生していないものと考えられていた。しかしながら、本発明者らが、溶接部周囲から発生するヒューム（蒸発したガス成分も含む気体状物質）を検討したところ、その中には溶接金属部から発生する金属成分（本発明では、これをスパッタと呼んでいる）が含まれており、この金属成分の量は形成されるナゲット径と相関関係があることが分かった。

従って、スポット溶接時に溶接部の周囲から発生するスパッタ量を測定することによって、上記した方法と同様にして、ナゲット径を決定できることになる。こうした方法を採用する場合においても、測定に要する時間は溶接部毎に５秒程度となり、多数の溶接点を考慮しても、十分にインラインで迅速に測定するという要求を満足できるものとなる。

スパッタ量によってナゲット径を決定する方法は、上記したＣＯガスやＣＯ₂ガスの量によって空孔体積率を決定する方法と併用することもできるが、この方法を単独で採用しても溶接部の健全性を十分把握できるものとなる。

本発明方法を実施するための装置構成を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の装置構成例を示す概略説明図であり、１はスポット溶接機、２ａ，２ｂは電極、３はガス捕集器、４はガス分析器、５はスパッタ捕集器、６はスパッタ量測定器、７は電子計算機、８ａ，８ｂは被溶接部材としての一対の鋼板、を夫々示している。また、図中３ｂ，５ｂはガス捕集器３およびスパッタ捕集器５の夫々に接続される捕集孔（ガス捕集用捕集孔およびスパッタ捕集用捕集孔）を示しており、例えば直径：４ｍｍのパイプ状物からなり、捕集の際に鋼板表面に対して傾斜角４５°程度で、電極の側面から１ｍｍ程度離れた位置にその先端部が位置するように配置される。

まずＣＯガスやＣＯ₂ガス量によってナゲット中の空孔体積率を決定する場合には、一対の鋼板８ａ，８ｂのスポット溶接時に溶接部から発生するＣＯガスやＣＯ₂ガスを捕集孔３ｂから捕集し、それをガス捕集器３に送り、捕集したガスの量をガス分析器４で測定する。測定されたガスの量のデータは電子計算機７に送られ、この電子計算機７は、予め把握した関係（ガス量と空孔体積率の関係）に従って空孔体積率を決定するように処理する。そして、設定された合格基準と照合することによって、合否の判定を行なう。

一方、スパッタ量によってナゲット径を決定する場合には、一対の鋼板８ａ，８ｂのスポット溶接時に溶接部から発生するスパッタを捕集孔５ｂから捕集し、それをスパッタ捕集器５に送り、捕集したスパッタ量をスパッタ量測定器６で測定する。測定されたスパッタ量のデータは電子計算機７に送られ、この電子計算機７は、予め把握した関係（スパッタ量とナゲット径の関係）に従ってナゲット径を決定するように処理する。そして、設定された合格基準と照合することによって、合否の判定を行なう。

尚、図１に示した装置構成では、ＣＯガスやＣＯ₂ガス量によってナゲット中の空孔体積率を決定する構成と、スパッタ量によってナゲット径を決定する構成のいずれをも備えたものを示したが、必要によって、ＣＯガスやＣＯ₂ガス量によってナゲット中の空孔体積率を決定する構成だけ、或はスパッタ量によってナゲット径を決定する構成だけとすることもでき、夫々の装置構成に応じて、各本発明方法が実施できる。

スポット溶接の条件についても、通常行なわれている条件に従えば良く、何ら限定するものではないが、その条件によってガス発生量やスパッタ発生量が変化する場合があるので、溶接部の良否を評価する際には、予め設定しておく合格基準については、溶接条件等をも考慮する必要がある。

本発明で対象とする鋼板としては、低炭素鋼板、低合金鋼板、ステンレス鋼板等の各種鋼板が挙げられる。また、鋼板の厚みについてはその種類によっても異なるが、スポット溶接できる薄板であれば何ら限定するものでなく、通常の鋼板の場合には０．３〜２．５ｍｍ程度である。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［実施例１］
様々な鋼板を用い、下記の条件で溶接を行なうと共に（同じ鋼種同士を溶接）、前記図１に示した装置構成に従って、溶接部周囲から発生するＣＯガス量およびＣＯ₂ガス量を測定した。また、各ガス量に対応するナゲット内の空孔体積率を、Ｘ線ＣＴ（「ＳＭＸ−２２５−ＣＴ−ＳＶ」商品名：島津製作所製）で測定した。尚、ガス量の測定に当たっては、前記図１に示したように、スポット溶接機１にガス分析器４を隣接して、時系列でガス量（ガス濃度）を測定し、或る測定タイミングでの最大値を採用した。また、捕集したガス量は４．０〜１０．０Ｌ／分であり、測定間隔は１秒である。

［スポット溶接条件］
鋼板の種類：５９０ＭＰａ級溶融亜鉛めっき鋼板（Ｃ含有量：０．０６５質量％）
９８０ＭＰａ級溶融亜鉛めっき鋼板（Ｃ含有量：０．１２質量％）
鋼板厚さ：１．４ｍｍ
電極先端部直径：６ｍｍ（ドーム形状）
溶接電流（印加電流）：６〜１２ｋＡ
溶接時間（通電時間）：１８サイクル／６０Ｈｚ（５９０ＭＰａ級鋼）
２０サイクル／６０Ｈｚ（９８０ＭＰａ級鋼）
加圧力：３８０ｋｇｆ（５９０ＭＰａ級鋼板）、４４０ｋｇｆ（９８０ＭＰａ級鋼板）

その結果を下記表１（５９０ＭＰａ級鋼板）、および表２（９８０ＭＰａ級鋼板）の夫々に示す。尚、空孔体積率の合格基準は２．０％以下である。

表１、２に示した結果に基づいて、ガス濃度（ＣＯガス濃度またはＣＯ₂ガス濃度）と空孔体積率との関係を図２〜５に示す。このうち図２は、５９０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯガス濃度と空孔体積率との関係を、図３は９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯガス濃度と空孔体積率との関係を、図４は５９０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯ₂ガス濃度と空孔体積率との関係を、図５は９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるＣＯ₂ガス濃度と空孔体積率との関係を、夫々示すグラフである。

上記の結果に基づき、ガス濃度（ＣＯガスまたはＣＯ₂ガスの濃度）（ｘ）と、空孔体積率（ｙ）との関係を最小二乗法によって求めたところ、下記（１）〜（４）式の関係で示されることが判明した。
ｙ＝０．０７６５ｘ−０．０４５８（図２） …（１）
ｙ＝０．０９９１ｘ−０．２８０６（図３） …（２）
ｙ＝０．０２３８ｘ−１０．７４１（図４） …（３）
ｙ＝０．０４５１ｘ−１９．７５２（図５） …（４）

この結果から、溶接部から発生するガス濃度（ｘ）は、ナゲット中の空孔体積率（ｙ）と相関関係が認められることが明らかであり、それらは下記（５）式に示す一般式で与えられることになる。従って、これらの関係を各種鋼板毎に予め把握しておくことによって、ナゲット中の空孔体積率を容易に決定できることになる。
ｙ＝Ａ×ｘ＋Ｂ …（５）
（但し、ＡおよびＢは、溶接条件、鋼板の種類によって決定される定数）

９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおける空孔体積率が１．７％のときのナゲット断面構造を図６（図面代用写真）に、９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおける空孔体積率が５．１％のときのナゲット断面構造を図７（図面代用写真）に夫々示す。

［実施例２］
実施例１で用いたのと同じ鋼板を用い、同様の条件で溶接を行なうと共に（同じ鋼種同士を溶接）、前記図１に示した装置構成に従って、溶接部周囲から発生するスパッタ量を測定した。また、各ガス量に対応するナゲット径を、光学顕微鏡を用いて測定した。尚、スパッタ量の測定に当たっては、前記図１に示したように、スポット溶接機１にスパッタ量測定器６（「ＤＵＳＴＴａｒｋＩＩＭｏｄｅｌ８５３１」商品名：ＴＳＩ社製）を隣接して、時系列でスパッタ量を測定し、或る測定タイミングでの最大値を採用した。また、捕集したスパッタ粒子径：０．１〜１．０μｍ、スパッタ量：１．４〜３．０Ｌ／分であり、測定間隔は１秒である。

その結果を下記表３（５９０ＭＰａ級鋼板）、および表４（９８０ＭＰａ級鋼板）の夫々に示す。尚、このときのナゲット径とは、図８（図面代用写真）で示される長さである。また、ナゲット径の合格基準は４．７ｍｍ以上である。

表３、４に示した結果に基づいて、スパッタ量とナゲット径との関係を図９、１０に示す。このうち図９は、５９０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるスパッタ量とナゲット径との関係を、図１０は９８０ＭＰａ級鋼板同士をスポット溶接したときにおけるスパッタ量とナゲット径との関係を、夫々示すグラフである。

上記の結果に基づき、スパッタ量（Ｘ）と、ナゲット径（Ｙ）との相関関係を最小二乗法によって求めたところ、下記（６）式、（７）式の関係で示されることが判明した。
Ｙ＝０．００８２Ｘ−３．７７０３（図９の場合） …（６）
Ｙ＝０．００７７Ｘ＋３．９４１０（図１０の場合） …（７）

この結果から、溶接部から発生するスパッタ量（Ｘ）は、ナゲット径（Ｙ）と相関関係が認められることが明らかであり、それらは下記（８）式に示す一般式で与えられることになる。従って、これらの関係を各種鋼板毎に予め把握しておくことによって、ナゲット径を容易に決定できることになる。
Ｙ＝Ｃ×Ｘ＋Ｄ …（８）
（但し、ＣおよびＤは、溶接条件、鋼板の種類によって決定される定数）

１スポット溶接機
２ａ，２ｂ電極
３ガス捕集器
４ガス分析器
５スパッタ捕集器
６スパッタ量測定器
７電子計算機
８ａ，８ｂ鋼板

Claims

鋼板のスポット溶接時に溶接部から発生するスパッタ量を測定して、ナゲット径を決定することを特徴とする溶接不良の検知方法。
鋼板のスポット溶接によって形成される溶接部の良否を検知するための装置であって、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するスパッタを捕集する捕集孔に接続されたスパッタ捕集器と、前記スパッタ捕集器に捕集されたスパッタの量を測定するスパッタ量測定器と、測定されたスパッタ量のデータを処理するための電子計算機を備え、この電子計算機は、予め把握した関係に従ってナゲット径を決定するように構成されたものであることを特徴とする溶接不良の検知装置。