JP7497130B2

JP7497130B2 - スポット溶接部の検査方法

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Publication number: JP7497130B2
Application number: JP2022053225A
Authority: JP
Inventors: 篤史西堀; 勇樹大島
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2024-06-10
Anticipated expiration: 2042-03-29
Also published as: JP2023146170A

Description

本発明は、スポット溶接部の検査方法に関する。

抵抗溶接の一種であるスポット溶接は、複数の金属板を重ね合わせた溶接対象物を挟んで加圧している正負一対の電極間に通電し、金属板同士の接触部にナゲットとも称されるスポット溶接部を形成することにより、金属板同士を接合する方法である。このスポット溶接は、金属板同士を迅速にかつ強固に接合可能であることから、例えば自動車の車体や外板パネルを製造する際に重用されている。但し、スポット溶接部が要求品質を満足していなければ、車体等の強度や耐久性、ひいては自動車の走行性能等に悪影響が及ぶ。このため、スポット溶接部の形成中、あるいは形成後には、スポット溶接部の品質（良否）が検査される。

スポット溶接部の検査方法としては、例えば、互いに溶接された金属板間に差し込んだタガネによりスポット溶接部が剥離するか否かを確認するタガネ検査や、スポット溶接部を切断して切断面の金属組織を観察等する破壊検査等、実際に形成されたスポット溶接部の良否を検査するものがある。このような検査方法は、スポット溶接部の良否を正確に検査できるという利点がある反面、検査に多大な手間と時間を要する。また、タガネ検査によってスポット溶接部が破壊された場合や、上記破壊検査を実施した場合は、検査対象物を製品として利用することができないため、製品歩留を低下させることになる。そこで、例えば、下記の特許文献１に開示されているような超音波を利用する検査方法が提案されている。

特許文献１に記載の検査方法は、スポット溶接部の外側の複数位置からスポット溶接部を通過するように金属板を伝搬する超音波信号を送波すると共に、この超音波信号をスポット溶接部の外側の複数の受波位置において受波し、受波位置で受波された超音波信号の伝搬時間に基づいてスポット溶接部の良否を判定するというものである。この方法によれば、スポット溶接部を破壊することなくスポット溶接部の良否を検査することができ、しかも、スポット溶接時に形成される熱影響部（金属板の金属組織が元の金属組織から変化した部分）の影響を受けることなくスポット溶接部の良否を正確に検査することができる、としている。

特開２０１２－９３３０７号公報

しかしながら、特許文献１の検査方法を実施するには、超音波信号を送波する送波手段、及び送波手段から送波された超音波信号を受波する受波手段をスポット溶接部を挟んで対向配置する必要がある。そのため、検査（検査準備）に要する手間を十分に減じることが出来ず、また、検査頻度を高める（検査個数を増加させる）ことも難しい。従って、特許文献１に記載の検査方法は、タガネ検査や破壊検査と同様に、抜き取り検査として少数実施できるに留まると考えられる。

そこで、本発明は、検査に要する種々の手間を減じて簡便に実施できるものでありながら、スポット溶接部の良否を比較的正確に検査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。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、複数の金属板を重ね合わせた溶接対象物に金属板同士を接合するスポット溶接部（ナゲット）を形成すべく、溶接対象物を挟んで対向配置された一対の電極を相対的に接近移動させつつ両電極間に通電すると、溶接対象物に付与される加圧力等に起因する力（以下、便宜上、この力を「二次加圧力」とも言う。）が一対の電極を保持している電極保持部材に作用し、その結果、電極保持部材に歪が生じること、さらには、スポット溶接部としてのナゲットが成長するのに伴い、電極保持部材に生じる歪量が所定の変化態様を示すことを見出した。そこで、スポット溶接中に電極保持部材に生じる歪量を計測・観察すれば、それだけでもスポット溶接部の大きさ（ナゲット径）を推測し、スポット溶接部の良否を比較的正確に検査できることを見出し、本発明を創案するに至った。

上記の知見に基づいて創案された本発明は、複数の金属板を重ね合わせた溶接対象物を挟んで対向配置した一対の電極で溶接対象物を加圧しつつ上記一対の電極間に通電することにより金属板同士の接触部に形成されるスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査方法において、スポット溶接部の形成中に上記一対の電極を保持した電極保持部材に生じる歪量を計測し、この歪量に基づいてスポット溶接部の良否を検査することを特徴とする。

金属板同士の接触部をスポット溶接する際に、一対の電極を保持した電極保持部材に生じる歪量を計測すれば、前述したとおり、スポット溶接部の大きさ（ナゲット径）を推測し、スポット溶接部の良否を比較的正確に検査することができる。そして、係る方法では、形成されたスポット溶接部を破壊等する必要がなく、また、一対の電極を保持した電極保持部材に、この電極保持部材に生じる歪量を計測する歪センサ等の歪量計測手段を取り付けておくだけでスポット溶接部の良否を検査することができるので、検査に要する種々の手間を減じて簡便に検査することができる。さらに、本発明に係る検査方法であれば、スポット溶接部の形成中（スポット溶接部が形成される毎）にスポット溶接部の良否を検査することができるので、検査頻度を高めること、ひいては全数検査を実施することも可能となる。

以上より、本発明に係るスポット溶接部の検査方法によれば、検査に要する種々の手間を減じつつ、スポット溶接部の良否を比較的正確に検査することができる。

スポット溶接装置の部分概略図である。重ね合わせた二枚の金属板をスポット溶接している様子を示す概略断面図であり、（ａ）図は溶接開始時の概略断面図、（ｂ）図は溶接開始後所定時間経過した段階の概略断面図、（ｃ）図は（ｂ）図の段階からさらに所定時間経過した段階の概略断面図である。新品の電極を用いたスポット溶接時に電極保持部材に生じた歪量の推移等を示す図である。先端部が所定量摩耗した電極を用いたスポット溶接時に電極保持部材に生じた歪量の推移等を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、スポット溶接装置１、より詳細には、本発明に係るスポット溶接部の検査方法を実施することができるスポット溶接装置１の部分概略図である。同図に示すスポット溶接装置１は、例えば、図２に示す複数（二枚）の金属板２１，２２を重ね合わせた溶接対象物２０をスポット溶接する際に使用されるものであり、例えば、図示しないフレームに固定された状態、あるいは三次元移動可能なロボットアームの先端に取り付けられた状態で使用される溶接ガン２と、制御装置８とを備える。なお、以下、説明の便宜上「上側」や「下側」との語句を使用するが、これらは単に図１及び図２の「紙面上側」及び「紙面下側」を意図したものであり、溶接中における溶接ガン２の姿勢等を限定する趣旨ではない。

溶接ガン２は、一対の電極４，５と、電極保持部材３と、加圧機構６と、トランス７と、歪量計測手段としての歪センサ１１とを備える。

一対の電極４，５は、両者の先端部が互いに対向するように同軸配置（図示例では上下に並べて同軸配置）された状態で、導電性を有する金属材料で略Ｃ字形状に形成された電極保持部材３の一端及び他端にそれぞれ保持されている。一対の電極４，５は、冷却液が流通可能な内部構造を有し、溶接対象物２０の溶接中には内部を流通する冷却液により常時冷却される。

歪センサ１１は、電極保持部材３に取り付けられており、図示例では、電極保持部材３のうち、電極４，５の軸線と平行に配置された部分３ａの長手方向中央部付近に取り付けられている。なお、歪センサ１１は、スポット溶接部の良否を検査する際に使用する。検査方法の詳細は後段で詳述する。

加圧機構６は、一対の電極４，５のうちの一方（上側に配置された電極４）を昇降移動させることにより、一対の電極４，５間に配置される溶接対象物２０に板厚方向の加圧力を付与する。電極４は、この加圧機構６を介して電極保持部材３の一端に保持されている。加圧機構６としては、電極４の昇降移動量、すなわち溶接対象物２０に付与すべき加圧力を精密に調整できるもの、例えば、サーボモータを駆動源とした直動アクチュエータが好ましく用いられる。

トランス７は、図示しない電源と電気的に接続されており、一対の電極４，５間に溶接用の高電流を発生させる。一対の電極４，５は、それぞれ、銅や銅合金で形成されたシャントとも称される導電部材や電極保持部材３などを介してトランス８の正極端子（又は負極端子）及び負極端子（又は正極端子）と電気的に接続されている。

制御装置８は、第１制御部９と、第２制御部１０とを備える。第１制御部９は、加圧機構６を構成するサーボモータと電気的に接続されており、溶接対象物２０を構成する金属板の板厚等に応じて予め決定付けられた所定の加圧パターンに従ってサーボモータの動作を制御する。第２制御部１０は、トランス７と電気的に接続されており、溶接対象物２０を構成する金属板の板厚や材質等に応じて予め決定付けられた所定の通電パターンに従って、電極４，５間に流す溶接電流量等を制御する。

以上の構成を有するスポット溶接装置１を用いた場合、例えば以下のようにして、重ね合わされた二枚の金属板２１，２２同士の接触部に両者を接合したスポット溶接部としてのナゲットが形成される。

まず、図２（ａ）に示すように、重ね合わされた二枚の金属板２１，２２からなる溶接対象物２０を横姿勢（平置き姿勢）で電極４，５間に配置する。そして、制御装置８の第１制御部９から出力された動作指令に基づき、溶接ガン２の加圧機構６（を構成するサーボモータ）が駆動されると、溶接対象物２０は、一対の電極４，５により上下両側から板厚方向に挟持される。溶接対象物２０が挟持された後には、第１制御部９に予め保存されていた加圧パターンと、第２制御部１０に予め保存されていた通電パターンとに従って、溶接対象物２０に付与する加圧力と、両電極４，５間に流す溶接電流量とを変化させながら溶接対象物２０の溶接が行われる。

電極４，５間に通電されると、金属板２１，２２同士の接触部Ｃ１で発熱が生じ、当該接触部Ｃ１にスポット溶接部としてのナゲット（金属板２１，２２の構成金属が溶融して混ざり合い、その後硬化したもの）Ｍが形成される。ナゲットＭは、まず、金属板２１，２２同士の接触部Ｃ１のうち、電極４，５と溶接対象物２０との接触部（電極４と金属板２１との接触部Ｃ２、及び電極５と金属板２２との接触部Ｃ３）の範囲内に形成され［図２（ｂ）参照］、以降、電極４，５の径方向外側に拡大するようにして成長する。そして、図２（ｃ）に示すように、ナゲットＭの直径寸法（ナゲット径）ｄ２が、上記接触部Ｃ２，Ｃ３の直径寸法（接触部Ｃ２，Ｃ３における電極と金属板の接触面積）よりも大きくなるまでナゲットＭが成長すると、溶接対象物２０への加圧力付与、及び両電極４，５間への通電が停止される。これにより、二枚の金属板２１，２２同士を所定の接合強度で接合してなるナゲットＭが形成される。

以下、本発明に係るスポット溶接部（ナゲットＭ）の検査方法について説明する。この検査は、金属板２１，２２同士を接合したスポット溶接部の良否、具体的には、ナゲットＭが所定寸法以上に成長しているか否か、すなわちナゲット径ｄ２が所定寸法以上になっているか否かを検査・確認するためのものであり、端的に述べると、電極保持部材３に取り付けた歪センサ１１の計測値に基づいて行われる。

歪センサ１１は、溶接対象物２０を構成する金属板２１，２２同士の接触部Ｃ１にスポット溶接部としてのナゲットＭを形成するときに、電極保持部材３に生じる歪（歪量）を計測するために取り付けたものである。これは、上記接触部Ｃ１にナゲットＭを形成すべく、一対の電極４，５で溶接対象物２０を金属板２１，２２の板厚方向に加圧しつつ両電極４，５間に通電すると、
（１）溶接対象物２０に付与される加圧力等に起因する力（二次加圧力）が両電極４，５を保持している電極保持部材３に作用し、その結果、電極保持部材３に歪が生じること、さらには、
（２）ナゲットＭが成長するのに伴い、電極保持部材３に作用する二次加圧力（電極保持部材３に生じる歪量）が所定の変化態様を示すこと、
を本発明者らが見出したためである。このような知見を獲得するに至った理由を図３及び図４を参照しながら以下説明する。因みに、図３は、新品の電極４，５を用いたスポット溶接時に電極保持部材３に生じた歪量の計測結果（推移）、及びナゲット径の計測結果を併せて示す図であり、図４は、スポット溶接に何度か使用した結果、摩耗した電極４，５を用いたスポット溶接時に電極保持部材３に生じた歪量の計測結果（推移）、及びナゲット径の計測結果を併せて示す図である。

図３及び図４に示すとおり、スポット溶接時に電極保持部材３に生じる歪量の計測結果（推移）を示す線図は、何れも、一つのピーク部（分岐点）を有する山型形状を呈する。つまり、スポット溶接に使用する電極４，５が摩耗しているか否かに関わらず、スポット溶接時に電極保持部材３に生じる歪量は、スポット溶接の開始（電極４，５間への通電開始）後、所定時間経過するまでは徐々に増加し、その後、通電終了まで徐々に減少することがわかる。また、新品の電極４，５を用いた場合は、摩耗した電極４，５を用いる場合に比べ、ナゲットＭが成長するタイミングが早いこともわかる。

図３及び図４の何れにおいても、ナゲットＭがある程度の大きさまで成長したときに電極保持部材３の歪量が概ねピークを迎え、ピークを超えた後は、ナゲットＭがさらに成長しても電極保持部材３の歪量は徐々に減少していることから、ナゲットＭの大きさ（ナゲット径ｄ２）が電極保持部材３の歪量の変化態様に影響を及ぼしていると考えられる。その理由は、電極保持部材３に歪を生じさせる原因となる上記の二次加圧力が、主に、上記接触部Ｃ１で金属板２１，２２の構成金属が溶融して熱膨張することにより生じる反力であると考えられるからである。

つまり、スポット溶接の初期段階では、ナゲットＭが電極４，５と溶接対象物２０との接触部Ｃ２，Ｃ３の範囲内で成長するので、上記熱膨張により生じる反力が電極４，５にそのまま加わり、両電極４，５を保持した電極保持部材３に生じる歪量も徐々に増加する。これに対し、ナゲットＭが成長してナゲット径ｄ２が上記接触部Ｃ２，Ｃ３の直径寸法ｄ１を上回ると、金属板２１，２２間にすべりが生じて電極４，５が軸方向に相対移動し、電極４，５に加わっていた反力（の一部）が逃げる。その結果、両電極４，５を保持した電極保持部材３に生じる歪量が徐々に減少する。

従って、歪センサ１１で計測した電極保持部材３の歪量（の推移）を示す線図が、図３及び図４に示すように、一つのピーク部（分岐点）を有する山型形状をなすことを確認できれば、金属板２１，２２同士の接触部Ｃ１に、所定のナゲット径ｄ２、ひいては接合強度を有するナゲットＭが形成されていると推測することができる。

以上から、金属板２１，２２同士の接触部Ｃ１をスポット溶接する際に、一対の電極４，５を保持した電極保持部材３に生じる歪量を計測すれば、スポット溶接部としてのナゲットＭの直径寸法（ナゲット径）ｄ２を推測し、スポット溶接部の良否を比較的正確に検査することができる。そして、係る方法では、金属板２１，２２同士の接触部Ｃ１に形成されたナゲットＭを破壊等する必要がなく、また、両電極４，５を保持した電極保持部材３に、この電極保持部材３に生じる歪量を計測する歪センサ１１を取り付けておくだけでスポット溶接部の良否を検査することが可能となるので、検査に要する種々の手間を減じて簡便に検査することができる。さらに、本発明に係る検査方法であれば、スポット溶接部の形成中（スポット溶接部が形成される毎）にスポット溶接部の良否を検査することができるので、検査頻度を高めること、ひいては全数検査を実施することも可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明を行ったが、本発明は、以上で説明した実施形態に限定適用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更を施すことができる。

例えば、以上で説明した実施形態においては、電極保持部材３のうち、両電極５，６の軸心と平行な部分３ａの中央部に歪センサ１１を取り付けたが、歪センサ１１の取り付け位置は任意に変更することができ、例えば、下側の電極５又は上側の電極４の近傍位置に歪センサ１１を取り付けても構わない。但し、本発明者らの検証によれば、スポット溶接中に電極保持部材３に生じる歪の量は、上記の中央部で最も大きくなる。そのため、電極保持部材３に対する歪センサ１１の取り付け位置は、図１に示す位置とするのが最も好ましい。

１スポット溶接装置
３電極保持部材
４，５電極
６加圧機構
７トランス
１１歪センサ
２０溶接対象物
２１，２２金属板
ｄ２ナゲット径
Ｃ１金属板同士の接触部
Ｃ２，Ｃ３電極と金属板の接触部
Ｍナゲット（スポット溶接部）

Claims

複数の金属板を重ね合わせた溶接対象物を挟んで対向配置した一対の電極で前記溶接対象物を加圧しつつ前記一対の電極間に通電することにより前記金属板同士の接触部に形成されるスポット溶接部の良否を検査するスポット溶接部の検査方法において、
前記スポット溶接部の形成中に前記一対の電極を保持した電極保持部材に生じる歪量を計測し、計測した歪量の推移を示す線図が一つのピーク部を有する山型形状をなすか否かを確認することにより、前記金属板同士の接触部に、前記一対の電極と前記溶接対象物との接触部の直径寸法を上回る直径寸法を有する前記スポット溶接部が形成されているか否かを推測することを特徴とするスポット溶接部の検査方法。