JP6231894B2 - スポット溶接の検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに当接する当接面に対して軸心が傾斜した電極チップを用いたスポット溶接中にワークの溶融部の大きさを測定するスポット溶接の検査方法及びその装置に関する。

スポット溶接では、例えば、スポット溶接ガンに取り付けられた電極チップでワークを積層した積層体を挟み、該電極チップ間へ溶接電流を通電することにより、ワーク同士の間に溶融部を形成する。そして、この溶融部を凝固させることにより、ワーク同士を接合して接合品を得ることができる。この接合品の品質は、例えば、ワークが溶融凝固した部分の大きさ（以下、ナゲット径ともいう）が基準以上であるか否かによって判断することが可能である。

そこで、高品質の接合品を得るべく、例えば、特許文献１に示すように、横波の超音波を利用して、接合品に形成されるナゲット径を測定（推定）しながら、スポット溶接を行うことが知られている。すなわち、スポット溶接中のワークに対して、溶接電流の通電方向に沿う方向、換言すると、ワークに対して略垂直となる方向に超音波を照射し、反射波の強度をモニターしながら溶接を行う。この反射波強度は、溶融部の成長に伴って増加し、溶融部の凝固に伴って減少する。従って、ワークをスポット溶接する際の反射波強度の最大値と、得られた接合品のナゲット径の大きさとに関する相関データを予め取っておく。そして、この相関データに反射波強度のモニター値を対応させて、適切なナゲット径となるようにスポット溶接を行うことで、高品質の接合品を得ることができる。

ところで、例えば、図２に示すように、ワークＷ２の立上がり部Ｗ２ａの近傍と、ワークＷ１とをスポット溶接する場合、溶接部位の周囲のスペースが狭小となり、スポット溶接ガンのアーム等が立上がり部Ｗ２ａに干渉することがある。この干渉を回避するべく、例えば、特許文献２に示す電極チップ２が用いられる。すなわち、この電極チップ２は、ワークＷ２に当接する当接面３に対して軸心Ｏが傾斜している。これによって、電極チップ２の軸心Ｏの延長線上に設けられるスポット溶接ガンのアーム等を、立上がり部Ｗ２ａから待避させることができる。

具体的には、電極チップ２は、先端がテーパ状に縮径する円柱形状からなり、該円柱形状の先端側に、ワークＷ２に当接する当接面３が形成されている。また、電極チップ２の内部には、基端側を開口とし、軸心Ｏに沿って延在する嵌合穴４が形成され、この嵌合穴４の開口側に、スポット溶接ガンのシャンク部５が嵌合可能となっている。この嵌合穴４の底面６は、軸心Ｏと直交するように形成されている。

このような電極チップ２を用いたスポット溶接によって、高品質の接合品を得るべく、上記の通り超音波を利用してナゲット径を測定する場合、例えば、嵌合穴４の内部に横波の超音波を送受信可能な振動子７を設けることが考えられる。この場合、振動子７が出射した横波の超音波を、電極チップ２を介してワークＷ１、Ｗ２に伝播させるべく、嵌合穴４の底面６に振動子７を接触させて配置することになる。従って、超音波は、その進行方向Ａが底面６に対して略垂直になるように出射され、ワークＷ２に対する入射角αが斜角となる。

特許第４８８１１８０号公報 特開２００３−１４５２８１号公報

しかしながら、上記の通り、ワークＷ２に対して超音波が垂直に入射されない場合、該ワークＷ２に入射した超音波の進行方向Ａが溶接電流の通電方向Ｂに対して傾斜する。このため、溶融部８に対して超音波を効果的に照射することが困難になる懸念がある。また、ワークＷ２に対して入射角αで入射した超音波は、該入射角αに応じた反射角で反射する。すなわち、振動子７から出射される超音波の進行方向Ａと、溶融部８で反射した反射波の進行方向Ｃとが一致しない。このため、振動子７によって反射波を精度よく受信することが困難になる。

以上のように、電極チップ２を用いたスポット溶接では、横波の超音波の反射波を利用して、ナゲット径を高精度に測定することが容易ではなかった。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ワークに当接する当接面に対して軸心が傾斜した電極チップを用いたスポット溶接であっても、横波の超音波の反射波を利用してナゲット径を高精度に測定可能とするスポット溶接の検査方法及びその装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、ワークに当接する当接面に対して軸心が傾斜した電極チップに形成された嵌合穴の内部に設けられ、前記電極チップが取り付けられたスポット溶接ガンを用いたスポット溶接中に、前記ワークに横波の超音波を入射して溶融部の大きさを測定するスポット溶接の検査装置であって、
前記超音波を送受信可能な振動子と、
前記軸心と略直交する前記嵌合穴の底面及び前記振動子の各々に接触して互いの間に前記超音波を伝播させる伝播媒体と、を有し、
前記振動子は、前記底面と前記伝播媒体との境界面に対する入射角が斜角となるように前記超音波を出射し、
前記伝播媒体は、前記電極チップと異なる材質からなり、伝播させる前記超音波の音速を調整することで前記境界面での屈折角を調整して、前記電極チップの前記境界面から先端側を伝播する前記超音波の進行方向を前記当接面に直交する方向に近づけることを特徴とする。

本発明に係るスポット溶接の検査装置は、当接面に対して軸心が傾斜した電極チップを用いてスポット溶接を行う場合であっても、横波の超音波の反射波を利用したナゲット径の測定精度を向上させることができる。すなわち、この検査装置では、電極チップと振動子との間に、電極チップとは異なる材質の伝播媒体が介在している。このため、伝播媒体を伝播した超音波は、該伝播媒体と電極チップとの境界面において、屈折の法則（スネルの法則）に応じた屈折角で屈折する。すなわち、伝播媒体及び電極チップ中を各々の材質に固有の音速で超音波が伝播するため、互いの音速の比（相対屈折率）及び境界面に対する入射角を調整することで、屈折角を調整することができる。

このようにして、屈折角を調整することで、電極チップ中の境界面から先端側を伝播する超音波の方向を、当接面に直交する方向に近づけることができる。これによって、ワークに対して、略垂直となるように、つまり、溶接電流の通電方向と略平行に、超音波を入射することができる。その結果、ワーク及びその溶融部に超音波を効果的に照射すること及びその反射波を振動子まで良好に伝播させることができ、ナゲット径を高精度に測定することが可能になる。ひいては、ワーク同士が良好に接合された高品質の接合品を得ることが可能になる。

この検査装置では、前記振動子が、前記超音波としてＳＨ波を出射することが好ましい。ＳＨ（Shear Horizontal）波は、振動方向が、超音波の進行方向に対して垂直であり、且つ境界面に対して平行な面内振動である。このＳＨ波は、境界面に入射してもモード変換が生じ難いため、超音波の散乱等によって反射波の検出が妨げられることを回避できる。従って、本発明に係る検査装置では、振動子からＳＨ波を出射して、上記の通りワークに入射させることで、一層高精度に反射波を検出して、ナゲット径の測定精度を向上させることができる。

また、本発明は、ワークに当接する当接面に対して軸心が傾斜した電極チップをスポット溶接ガンに取り付けてスポット溶接を行いつつ、前記ワークに横波の超音波を入射して溶融部の大きさを測定するスポット溶接の検査方法であって、
前記電極チップに形成された嵌合穴内に前記超音波を出射する振動子を配置するとともに、前記嵌合穴の前記軸心と略直交する底面と前記振動子との間に、前記電極チップとは異なる材質からなり、音速を調整して前記超音波を伝播させる伝播媒体を介在させ、前記底面と前記伝播媒体との境界面に対して前記超音波が斜角となるように前記振動子から前記超音波を出射する工程と、
前記境界面で前記超音波を屈折させて、前記電極チップの前記境界面から先端側を伝播する前記超音波の進行方向を前記当接面に直交する方向に近づける工程と、
を有することを特徴とする。

本発明に係るスポット溶接の検査方法では、伝播媒体と電極チップの境界面で屈折した超音波がワークに対して略垂直に入射されるように、伝播媒体及び電極チップの相対屈折率と、境界面に対する超音波の入射角とが調整されている。これによって、当接面に対して軸心が傾斜した電極チップを用いてスポット溶接を行う場合であっても、ワーク及びその溶融部に超音波を効果的に照射すること及びその反射波を振動子まで良好に伝播させることができる。その結果、ナゲット径を高精度に測定すること、ひいては、ワーク同士を良好に接合して高品質の接合品を得ることが可能になる。

この検査方法では、前記超音波として、ＳＨ波を前記振動子に出射させることが好ましい。ＳＨ波は、境界面に入射してもモード変換が生じ難く、超音波の散乱等によって反射波の検出が妨げられることを回避できるため、一層高精度に反射波を検出して、ナゲット径の測定精度を向上させることができる。

本発明では、ワークに対して超音波が略垂直に入射するように、伝播媒体と電極チップとの境界面での屈折角と、振動子から該境界面に入射する超音波の入射角とが調整されている。このため、当接面に対して軸心が傾斜した電極チップを用いたスポット溶接であっても、ワーク及びその溶融部に横波の超音波を効果的に照射すること及びその反射波を振動子まで良好に伝播させることができる。これによって、スポット溶接中にナゲット径を高精度に測定することが可能になり、ひいては、ワーク同士が良好に接合した高品質の接合品を得ることができる。

本発明の実施形態に係るスポット溶接の検査装置の要部概略構成図である。 当接面に対して軸心が傾斜した電極チップの嵌合穴の底面に接触するように振動子が設けられた検査装置の要部概略構成図である。

以下、本発明に係るスポット溶接の検査方法つき、それを実施する検査装置との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１を参照しつつ、本実施形態に係るスポット溶接の検査装置（以下、単に検査装置ともいう）１０の構成について説明する。図１は、検査装置１０の要部概略構成図である。なお、図１において、図２に示す構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

検査装置１０は、積層されたワークＷ１、Ｗ２を挟持してスポット溶接を行うスポット溶接ガンに互いに対向するように取り付けられた一組の電極チップの少なくともいずれか一方に設けられる。本実施形態では、上方のワークＷ２に当接する電極チップ１２に設けられた検査装置１０を例に挙げて説明する。つまり、この検査装置１０では、電極チップ１２の先端側、すなわち、電極チップ１２のワークＷ２に当接する側を下方（底側）とする。

なお、図１では、説明の便宜上、電極チップ１２の対極である電極チップ、スポット溶接ガン、ワークＷ２の立上がり部Ｗ２ａの図示を省略している。上記の対極である電極チップは、電極チップ１２との間にワークＷ１、Ｗ２を積層した積層体を挟持して溶接電流を通電することが可能であればよく、その形状等が特に限定されるものではない。また、スポット溶接ガンについても、公知の構成からなるものを採用することができる。

電極チップ１２は、嵌合穴４の側壁に雌螺子１４が形成されていることを除いて、図２に示す電極チップ２と同様の構成を有している。すなわち、電極チップ１２は、ワークＷ２に当接する当接面３に対して軸心Ｏが傾斜している。具体的に、図１の例示では、当接面３は水平方向と平行であり、該当接面３に対する軸心Ｏの傾斜角度θ１は７０°である。また、嵌合穴４の底面６が軸心Ｏに直交するため、該底面６の当接面３に対する傾斜角度θ２は２０°である。

また、電極チップ１２は、銅や、銅合金等の金属から形成することが可能である。本実施形態では、電極チップ１２は銅から形成されることとする。なお、後述する振動子１６が出射する横波の超音波（ＳＨ波）が銅を伝播する際の音速は、２２７０ｍ／ｓである。

検査装置１０は、電極チップ１２の嵌合穴４の内部に設けられている。具体的には、検査装置１０は、横波の超音波としてＳＨ波を送受信可能な振動子１６と、嵌合穴４の底面６及び振動子１６の各々に接触して互いの間に超音波を伝播させる伝播媒体１８とを有している。

振動子１６は、嵌合穴４の底面６と伝播媒体１８との境界面１９に対する入射角が斜角となるように超音波を出射する。本実施形態では、振動子１６は、出射する超音波の進行方向Ｄが軸心Ｏに対して９．５°傾斜するように、すなわち、図１に示す角度θ３が９．５°となるように、固定部材２０に内包されて固定されている。なお、振動子１６は、不図示の制御部による制御に基づいて超音波を送信する。また、受信した反射波は上記の制御部によって検出され、予め、記憶されている反射波の最大強度とナゲット径との相関データ等と照合される。

固定部材２０は、例えば、ポリスチレン等の樹脂から形成される円柱形状である。また、固定部材２０の底面には、該固定部材２０と同一の材料から形成されるディレイラインチップ２２が密着した状態で固定されている。このディレイラインチップ２２は、その底面が嵌合穴４の底面６に密着した状態で、後述するリング螺子２４によって嵌合穴４内に固定されている。すなわち、本実施形態では、固定部材２０とディレイラインチップ２２とから、振動子１６と電極チップ１２との間に超音波を伝播させる伝播媒体１８が構成されている。このようなディレイラインチップ２２として、例えば、市販品（遅延材）を用いることができるため、検査装置１０を容易且つ安価に得ることが可能になる。

なお、固定部材２０とディレイラインチップ２２とは同一の材質からなるため、互いの境界面で超音波を屈折させずに伝播させることができる。本実施形態では、固定部材２０及びディレイラインチップ２２（伝播媒体１８）は、ポリスチレンから形成されることとする。なお、振動子１６が出射する超音波が、伝播媒体１８を構成するポリスチレンを伝播する際の音速は、１１５０ｍ／ｓである。

リング螺子２４は、嵌合穴４の側面に設けられた雌螺子１４と螺合する雄螺子が外周に形成され、嵌合穴４にねじ込まれる。この際、嵌合穴４内において、リング螺子２４の貫通孔に固定部材２０及びディレイラインチップ２２の一部が挿通され、且つリング螺子２４の底面が、ディレイラインチップ２２の上面のうち、固定部材２０と接触していない部位に当接する。これによって、ディレイラインチップ２２を底面６に密着させた状態で固定することができる。

次に、検査装置１０を用いたスポット溶接の検査方法について説明する。この検査方法では、電極チップ１２が取り付けられたスポット溶接ガンを用いたスポット溶接中に、検査装置１０を用いて溶融部８の大きさ（ナゲット径）を測定する。具体的には、電極チップ１２と、該電極チップ１２に対向する不図示の電極チップとの間にワークＷ１、Ｗ２を積層した積層体を挟持し、互いの間に溶接電流を通電する。

この通電に伴い、ワークＷ１、Ｗ２同士の間に溶融部８が形成され始める。この溶融部８に向かって、伝播媒体１８の固定部材２０中の振動子１６から、進行方向ＤのＳＨ波である超音波を出射する。この超音波は、固定部材２０からディレイラインチップ２２に屈折することなく入射して伝播し、ディレイラインチップ２２（伝播媒体１８）と底面６との境界面１９に角度θ３の入射角で入射する。この際、超音波（ＳＨ波）の振動方向は、進行方向Ｄに対して垂直であり且つ境界面１９に対して平行な面内振動であり、図１の図示では紙面に直交する方向である。このため、超音波が境界面１９に入射しても、モード変換が生じ難く、散乱した超音波等がノイズとして検出されること等を回避できる。

上記のように境界面１９に入射した超音波は、次式（１）で示される屈折の法則に従って、角度θ４の屈折角で屈折する。
Ｓｉｎθ３／Ｓｉｎθ４＝Ｖ３／Ｖ４＝ｎ…（１）

ここで、Ｖ３は伝播媒体１８中を伝播する超音波の音速を示し、ポリスチレンからなる伝播媒体１８では１１５０ｍ／ｓである。Ｖ４は電極チップ１２中を伝播する超音波の音速を示し、銅からなる電極チップ１２では２２７０ｍ／ｓである。また、ｎは伝播媒体１８に対する電極チップ１２の相対屈折率を示し、上記の音速から１１５０／２２７０≒０．５１であると算出される。

伝播媒体１８から電極チップ１２への入射角が角度θ３＝９．５°であるため、屈折角である角度θ４は、略２０°となる。すなわち、境界面１９での超音波の屈折角（角度θ４）と、当接面３に対する底面６（境界面１９）の傾斜角度θ２とを略等しくすることができる。これによって、電極チップ１２の境界面１９から先端側を伝播する超音波の進行方向Ｅを当接面３に直交する方向に近づけることができる。

その結果、ワークＷ１、Ｗ２に対して、略垂直となるように、つまり、溶接電流の通電方向Ｂと略平行に、超音波を入射することができる。これによって、溶融部８に超音波を効果的に照射することができる。また、当接面３に対する超音波の入射角が略９０°であるため、反射波は、入射波の進行方向Ｅ及び進行方向Ｄを逆に伝播して振動子１６に受信される。また、上記の通り、境界面１９に超音波が入射する際の超音波のモード変換が抑制されているため、反射波の検出がノイズ等によって妨げられることを回避できる。つまり、反射波を振動子１６まで良好に伝播させて検出することができるため、ナゲット径を高精度に測定することが可能になる。ひいては、ワークＷ１、Ｗ２同士が良好に接合された高品質の接合品を得ることが可能になる。

なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、上記の実施形態では、伝播媒体１８を、互いに別体からなる固定部材２０とディレイラインチップ２２とを密着接合させて構成しているが、特にこれに限定されるものではない。伝播媒体１８は、嵌合穴４内において、振動子１６と電極チップ１２との間で超音波を伝播させることができる形状であればよく、一体部材から形成されていてもよい。

また、上記の実施形態に係る検査装置１０は、当接面３に対する軸心Ｏの傾斜角度θ１が７０°（底面６の傾斜角度θ２が２０°）であり、銅からなる電極チップ１２に設けられることとしたが、適用可能な電極チップはこれに限られるものではない。適用する電極チップの傾斜角度θ１、θ２や材質（音速）に応じて、境界面１９に対する超音波の入射角や、伝播媒体１８の材質を設定することで、超音波の進行方向Ｅが当接面３に対して略垂直方向になるように屈折角を調整すればよい。これによって、種々の電極チップに適用した際も、上記と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、上記の実施形態では、立上がり部Ｗ２ａを有するワークＷ２と、ワークＷ１とを積層した積層体をスポット溶接することとしたが、積層体を形成するワークの形状や個数等は特に限定されるものではない。

２、１２…電極チップ ３…当接面
４…嵌合穴 ５…シャンク部
６…底面 ７、１６…振動子
８…溶融部 １０…検査装置
１４…雌螺子 １８…伝播媒体
１９…境界面 ２０…固定部材
２２…ディレイラインチップ ２４…リング螺子
Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (4)

1. ワークに当接する当接面に対して軸心が傾斜した電極チップに形成された嵌合穴の内部に設けられ、前記電極チップが取り付けられたスポット溶接ガンを用いたスポット溶接中に、前記ワークに横波の超音波を入射して溶融部の大きさを測定するスポット溶接の検査装置であって、
   前記超音波を送受信可能な振動子と、
   前記軸心と略直交する前記嵌合穴の底面及び前記振動子の各々に接触して互いの間に前記超音波を伝播させる伝播媒体と、を有し、
   前記振動子は、前記底面と前記伝播媒体との境界面に対する入射角が斜角となるように前記超音波を出射し、
   前記伝播媒体は、前記電極チップと異なる材質からなり、伝播させる前記超音波の音速を調整することで前記境界面での屈折角を調整して、前記電極チップの前記境界面から先端側を伝播する前記超音波の進行方向を前記当接面に直交する方向に近づけることを特徴とするスポット溶接の検査装置。
2. 請求項１記載のスポット溶接の検査装置であって、
   前記振動子は、前記超音波としてＳＨ波を出射することを特徴とするスポット溶接の検査装置。
3. ワークに当接する当接面に対して軸心が傾斜した電極チップをスポット溶接ガンに取り付けてスポット溶接を行いつつ、前記ワークに横波の超音波を入射して溶融部の大きさを測定するスポット溶接の検査方法であって、
   前記電極チップに形成された嵌合穴内に前記超音波を出射する振動子を配置するとともに、前記嵌合穴の前記軸心と略直交する底面と前記振動子との間に、前記電極チップとは異なる材質からなり、音速を調整して前記超音波を伝播させる伝播媒体を介在させ、前記底面と前記伝播媒体との境界面に対して前記超音波が斜角となるように前記振動子から前記超音波を出射する工程と、
   前記境界面で前記超音波を屈折させて、前記電極チップの前記境界面から先端側を伝播する前記超音波の進行方向を前記当接面に直交する方向に近づける工程と、
   を有することを特徴とするスポット溶接の検査方法。
4. 請求項３記載のスポット溶接の検査方法において、前記超音波として、ＳＨ波を前記振動子に出射させることを特徴とするスポット溶接の検査方法。

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