JPH07509562A - 溶接接合部の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 溶接接合部の評価方法 技術分野 本発明は、溶接動作の評価方法に関し、特に、溶接領域に超音波を衝突させる超 音波源を用い、超音波受信機を用いる抵抗溶接に関する。

本発明の方法は、抵抗溶接に適用可能であるのみならず、レーザ溶接、ガス溶接 等の多様な太き（異なる諸溶接動作にも適用可能である。

従来の技術 １９８９年８月の“Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ”、第４７号、 第９３５−９４３頁には、溶接領域、即ち溶接スポットを、全抵抗溶接の工程を 通じて音響により検査する方法を記述している。

抵抗溶接法は、一般に、３つの段階からなる。第一の段階は、いわゆる予備プレ ス期間である。この期間には、電流は流れない。電極を閉成し、かくして電極電 力１−３ＫＮを上げる。すると、続いて、電流段階が続き、その間シートが加熱 される。該電流段階には、後プレス期間即ち冷却段階が続（。この段階において 、溶接ナゲツトが冷却する。その時になって始めて溶接電極が開成する。これら のすべての段階は、通常、同じ長さである。

上述の方法においては、超音波検査は、電極底部の溶接電極に配される２ＭＨｚ の周波数範囲の縦波超音波送信器を用いて行われる。超音波検査は、電流が流れ ない予備プレス期間に開始され、後プレス段階の終了まで続く。特に、溶接スポ ットの超音波透過度が、後プレス段階中に評価され、冷却の持続期間は、最小超 音波透過度が達成されるまで測定され、溶融された溶接ナゲツトの体積と関連づ けられる。

最小超音波透過度は、この記事に詳説された意見によれば、鉄がオーステナイト 状態からフェライト状態に転移する点（キュリ一点）で、この転移点において上 昇した超音波吸収の結果として生じる。

しかし、この方法の欠点は、溶接ナゲツトの評価が行われる時には、溶接工程は すでに終了しており、溶融した溶接ナゲツトは冷却していると云う点である。

溶接工程はもはや影響を受けることがない。しかし、不良であると検出された溶 接は、せいぜい再溶接する事ができるだけである。

抵抗スポット溶接動作を監視する装置は、ＤＥ−ＡＳ　２６５５４１５から公知 であり、該装置においては、溶接スポットは電流が流れている時に内部の電極底 部から超音波により検査され、反対側の電極に反映される超音波信号が受信され 評価される。

この印刷物は、使用された波の種類については何も言っていない。しかし、超音 波透過度の推移は、本質的に使用された波の種類に依存するので、溶接動作中の 溶接スポットの音波透過度がまず相対的な極大値に達し、次に、最小値に低下し 、次の推移でもう一度第２の極大値に上昇するいう仮定をたどることができない 。

超音波透過度の最初の極大値は溶接されるシートの温度が上昇する事により、電 極とシート間及びシート間の超音波的接触が向上することにより説明される。

次の最小値は、溶接材料が融解した結果であると推測される。溶融鉄は超音波吸 収を上昇させ、音波透過度を低減する。溶接動作の次の過程中の超音波透過度の 上昇は、本発明以前には、溶接動作の評価の要素であるとは理解されていなかっ たのであるが、溶接動作の評価にとって必須であるけれども、説明されていない 。評価方法においては、超音波透過度の更新された上昇の程度が測定される。溶 接ナゲツトのサイズは、この測定値から決定される。この原理の物理学的説明は 、それ自身矛盾している。この方法は、２つの超音波透過度の値の差の測定に基 づ（ものである。

１９６７年１０月の“Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ”、第１５号 、第２２６−２３０頁に提案されている方法も、超音波センサを用いて行うもの であるが、これらのセンサは、２　Ｍ　Ｈｚの周波数範囲で高周波数縦波超音波 信号を発生させ、それを用いて溶接スポットの超音波検査が行われる。

しかし、著者達の意見によれば、溶接スポットは、少な（とも冷却段階中でない 超音波検査が行われている最中には、評価できないと言うものであった。この記 事の著者たちは、溶接電極と溶接されるシート間に形成される間隙により、この ことを説明している。溶接ナゲツトが固化すると、材料が収縮して電極とシート 間に間隙を生じ、それが超音波透過度を低下させるのである。

さらに、溶接スポットへの給熱の量のみが、溶接の、前、最中、後の超音波透過 度の推移から結論づけ得る。

したがって、提案されている方法においては、予備プレス期間から冷却段階に至 り且つ該冷却期間を含む全溶接動作の超音波透過度の推移が所定の推移パターン と比較される。しかし、該方法は、電流期間中の超音波透過度の挙動についての 分析は行わない。

１９９０年１０月の“Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｕｆｕｎｇ’″　第３２号、第３１ １−３１２頁には、スポット溶接の超音波検査の試験結果が示されている。これ らの試験においては、電流の開始前の予備プレス期間中の音波透過度が、電流の 終了に続く後プレス期間中の超音波透過度と比較される。

溶接の前の超音波透過度と比較される冷却段階での溶接ナゲツトの超音波透過度 における縮小は、電極とシート間の間隙の形成により説明されている。この間隙 の形成があるために、溶接スポットを超音波により検査して、溶接電極と溶接さ れるシート間の接着溶接を認識することはまず不可能であると云う意見である。

従来技術において記述されている技術的活動は、電流段階の前及びそれに続く溶 接スポットの超音波透過度の比較に限定されている。電流段階中の超音波透過度 は、分析されていない。

発明の開示 本発明の目的は、溶接動作、そして特に、抵抗溶接された接合部を、溶接領域に 超音波を衝突させる超音波源を用い、超音波受信機を用いて評価する方法であっ て、溶接された接合部を評価するために溶接動作中に溶接と関連するパラメータ の質をオンライン評価できるようにし、且つ、特に、溶融領域が存在する期間中 の溶接動作についての情報を提供する方法を提供することである。

さらに、本発明の一要素は、抵抗溶接接合部の分析中の電極底部から離れたとこ ろに超音波センサを配置する事を可能にする装置を提供することである。

本発明及びその更なる改良に係るこの課題に対する解決法は、添付の請求の範囲 に記載されている。

本発明は、溶接スポットを評価するために、電流段階中の溶接ナゲツト、即ち溶 接スポットの超音波透過度の温度依存度を利用するという基本的な考えに基づい ている。

ＤＥ−ＡＳ　２６５５４１５に記載された装置を除いて、従来技術のすべての提 案においては、溶接スポットの超音波透過度は、電流段階中には分析されない。

しかし、ＤＥ−ＡＳ　２６５５４１５においては、電流段階中の溶接スポットの 超音波透過度の評価は、２つの振幅値の差、即ち、電流段階の終了時の超音波透 過度と電流段階中の超音波透過度の最小値との差、の測定に限定されている。こ の作業の物理学的説明は、与えられていない。評価方法自体は、横波即ちねじり 波に対する溶接スポットの超音波透過度の温度依存性に関する本発明の教示と矛 盾している。

特に、溶接スポットの超音波透過度の時間依存性の本質的な理由は、今までのと ころ認識されていなかった。このことは、下記において明らかにされる。

即ち、溶接工程の個別の段階中の超音波透過度における変化の様々な原因は、上 述の各出版物で論じられている。実例を挙げれば、音波減衰の増大がキュリ一温 度即ち融点で想定されている。さらに、溶接電極及びシート間での間隙形成が冷 却段階中の超音波減衰の原因とされている。

それに対して、本発明は、例えば溶接電極からの溶接スポットの超音波検査を、 模範的には平らで平行なプレートの超音波検査とし記述可能であることに基づい ており、電極は、音響排出媒体即ち音響そらし媒体としての役割を有し、溶接材 は音波により検査されるプレートの役割を有する。このモデルの概念は、例えば レーザ溶接などの他の溶接法用もそれに応じて修正して適用されるが、それにつ いても本発明は使用可能である。

本発明のこの基本的な考えを拡張して、択一的に及び／又は累積的に利用可能な 二つの処理方法が、本発明により提案される。累積的利用の場合は、第１の処理 方法により得られた結果を第２の処理方法で得られた結果を用いて制御する事が できる。

第１の処理方法においては、本発明の要素は、溶接材の音響抵抗の温度依存性に より、溶接材の超音波透過度を、圧縮段階、即ち融点に達する前に測定すること を想定している。溶接スポットの温度の推移は、この温度依存性から確かめられ る。（おそら（は達成されたであろう）溶接ナゲツトの直径は、温度推移及び融 点から、溶接動作中に算出される。

本発明によれば、溶接スポットにおけるＣ　２　（ｔ）の音速は、溶接中に決定 される音響透過度Ｄ　（ｔ）の値から計測される。利用される式（３）及び（４ ）は（平らな平行プレートの場合の）近似式であり、それらは、適用に依存して おり、したがって他の近似式により置き換えてもよい。

Ｚ２　＝σ２＊Ｃ２（ｔ） （２）ｍ（ｔ）＝ｚ１／ｚ２ （３）　Ｄ（ｔ）　＝　１／（１＋１／４＊［ｍ（ｔ）−１／ｍ（ｔ））２＊５ ｉｎ２（２＊ＩＩ＊ｄ／λ）） 式（１）〜（３）中、 Ｚｌ：電極の音響抵抗 Ｚ２：溶接ナゲツトの音響抵抗 ｍ　：音響抵抗の比Ｚ１／Ｚ２ Ｄ　：超音波透過率 σ１：溶接電極の密度 σ２：溶接材の密度 Ｃ□：溶接電極の音速 ｃ２：溶接材の音速 ｄ　：溶接ナゲツトの厚さ λ　：超音波の波長 である。

式（１）及び（２）を代入し、変形することにより、式（３）から次式（４）が 得られる。

式（４）中、ｆは、超音波周波数を表す。

温度Ｔ　（ｔ）を、溶接スポットで、各音響透過度の値Ｄ　（Ｄに割り当てるこ とが可能であると云う考察に基づき、本発明の一つの要素は、溶接動作の持続期 間の関数としての溶接スポットの温度Ｔ　（ｔ）の推移を測定することである。

したがって、本発明の一部は、例えば溶接動作中に存在する上記のような困難な 条件下で温度を測定する方法である。

し、各温度が決定される。

方法の更なる過程においては、溶接スポットの融解時間ｔ　は、溶接スポットの 温度の確認された推移から、実際の温度値Ｔ　（ｔ）を溶接材の融点Ｔ　と比較 することにより、決定することができる。

確認された融解時間ｔ　は、溶融した溶接ナゲツト形成の開始の印となり、この 時以降供給されるエネルギーが溶接ナゲツト形成の機能を担う。

理論的な考察に基づき、式（５）の関係が溶接ナゲツトφ２の直径の平方及び融 解時間ｔ　の関係から導かれる。

（５）φ２＝φ２＊２＊Ｔ　＊Ｂ＊ｃ　＊（ｔ−ｔ　）／（ｃ　＊（ｅｘｐ（Ｂ ＊ｔ　）−１））ｅｓｓ　ｓｖ　ｓ 式（５）中、 φ：溶接ナゲツトの直径 φ　：電極の直径 Ｔ　：溶接材の融点 Ｃ：溶接材の比較解熱 Ｃ：溶接材の比熱 ■ ｔ　：融解時間 ｔ　：溶接動作の全持続時間 である。

Ｂは、下記の式（６）の定数である。

溶接動作の持続時間（１）の最後に予期される溶接ナゲツトφの直径は、式（５ ）により、融解時間ｔの直後から溶接動作中に決定可能である。このようにして 、溶接結果に対しては、溶接動作中に、調整的に、特に、電流の強さＩ又は溶接 動作の持続時間（１）を変更することにより、太き（影響を与えることが可能で ある。

式（６）による関数的関係が、溶接材の温度Ｔ　（ｔ）の時間的推移に対して想 定可能である。

（６）　Ｔ（ｔ）　＝　Ａ本（１−ｅｘｐ−（Ｂ＊ｔ）（８）　Ｂ　＝　ｋ／　 （ｃ　＊σ＊ｄ）■ 式（７）及び（８）中、 Ｊ　：溶接スポットを流れる電流の密度Ｒ：溶接材の比電気抵抗 ｄ　：シートの厚さ ｋ　：構成シート／電極の熱伝導比 σ　：溶接材の密度 Ｃ：溶接材の比熱 ■ である。

が得られる。

これにより、溶接スポットを流れる電流の密度は、定数Ａ及びＢの積に正比例す ることに帰結する。比例定数は、公知の材料定数であり、必要ならば、実験的に 決定可能である。

溶接ナゲツト中の温度Ｔ　（ｔ）の決定されるべき現実の推移は、式（６）によ り、近似的にめることができ、式（６）中の定数Ａ及びＢは、例えば、“最適の ”工程により決定される。

式（６）ならびに定数Ａ及びＢを利用することにより、“最適融解時間（時点） ”　ｔ　を決定することが可能である。“最適融解時間”　ｔ　は超音波透過度 りの偶発的測定変動からは、大きく独立している。

溶接ナゲツトの絶対サイズを確かめるために、電流の強さＩを測定するときに、 電極の直径φ　を式（１２）により測定することができる。

式（１２）中、 Ｉ　：　電流の強さの実効値 Ａ及びＢ：式（６）の定数 Ｒｏ：　溶接材の比電気抵抗 ｃｖ：　溶接材の比熱 σ　：　溶接材の密度 である。

第２の処理方法においては、本発明の要素は、横波又はねじり波などの剪断波は 、伝搬できない、即ち少ししか伝搬しないと云う事実の利用である。これらの波 の超音波減衰は、融点に達した後の融解溶接ナゲツトの体積の大きさにより決ま る。溶接ナゲツトの直径の大きさは、溶接スポットの融点に達した後の超音波減 衰の値から直接決定される。

波受信機の出力信号から決定される。

このようにして、溶接ナゲツトの体積Ｖは、特に、融点に到達してからの剪断波 の減衰から、算出可能で合、下記の関係から決定可能である。

Ｂ’、Ｃ’：　実験的に決定された定数Ｄ（ｔ）　：　時間ｔでの超音波透過度 Ｄ（ｔ）：　融点に到達したときの超音波透過度代わりにあるいは追加して、溶 接の終了時到達された溶接ナゲツトの体積Ｖは融解時点から溶接動作の終了まで の期間Δｔから、下記の関係により決定される。

（１３）　Ｖ　＝　Ｂ’　＊Δｔ　＋ｃ’Ｂ”及びＣ′も、実験的に決定される べき定数である。

もう一つの可能な方法においては、融解時点がら溶接動作の終了までの期間Δｔ の溶接ナゲツト達成可能な体積は、下記の関係により決定される：Ｂ”ｌ、Ｃ” ′　：実験的に決定された定数Ｄ（ｔ）：融点に到達したときの超音波透過度δ ｔ　：”時間差”、即ち、小さい時間間隔さらに、伝達レベルが一定に維持され る超音波送信信号に対して定義された遅延時間だけ遅れる最初の時間窓ｉ内での 超音波受信機からの出力信号Ａ　（ｔ）により、溶接電流の各電流半波中の溶接 領域の音響透過度Ｄ　（ｔ）を決定するためには、平均的超音波エネル最初の時 間窓に先んじて又はそれに続き、その間超音波が溶接材に衝突されない第２の時 間窓内において、溶接工程の結果生じる平均的な音響放出エネルギその代替物と しては、次の方法がある。該方法によれば、伝達レベルが一定に維持される超音 波送信信号に対して定義された遅延時間だけ遅れる最初の時間窓ｉ内の超音波受 信機からの出力信号Ａ　（ｔ）により、溶接電流の各電流半波中の溶接領域の音 響透過度Ｄ（１）を決定するために、この時間窓内に生じる最大材に超音波が衝 突されない第２の時間窓内では、溶接工程により生じる音響放出値Ｅ２ｊが、該 第２の時間窓内で発生する最大出力信号Ａ　（ｔ）から決定される。

この処理方法により、連続的に決定される音響放出過度りの特殊な測定値を補正 することができる。該補正は外乱を受けた音響透過度Ｅ□、を両隣の値の平均値 により置き換えることにより行ってよい。

抵抗溶接接合部の分析に超音波を利用する本発明の装置においては、溶接スポッ トは、音響により、溶接動作中に検査される：超音波信号は、例えば、溶接電極 の一方において発信される；超音波信号は、溶接スポット即ち溶接された領域の 音波による検査に続いて受信機により受信されるが、評価／制御装置は、その受 信機の出力信号を評価、そして、もし必要ならば、溶接工程の調整のために評価 する。

従来技術によれば、溶接スポットが高周波縦波状の超音波パルスにより内部溶接 電極底部の一つから音波により検査される超音波分析を用いてスポット溶接を評 価する方法を記述しているのみである。それに対して、本発明の超音波送信器、 そしてもし必要ならば超音波受信機は、電極の電極シャンク又は電極ホルダの外 壁に配される。

しかし、その必要条件は、音波による検査のために発生され利用される音波が、 電極壁中の良好な伝搬挙動を有していると云うことである。このことは、溶接ナ ゲツトの音波による検査のために縦波を使用しないで、むしろ剪断波、特に横波 又はねじり波を使用することにより可能になる。超音波による作動化は、横波又 はねじり波が、電極壁において、例えば、電子超音波変換器を用いて発生させら れることにより生じる。

実際の態様は、超音波送信器が、溶接機の一方の電極の電極シャンク又は電極ホ ルダの外壁に配され、それと同様に、他方の溶接電極の外壁に超音波受信機が設 けられる。

送信及び受信作業中に作動しうる超音波変換器が利用される場合は、この超音波 センサメカニズムは、一方の電極の電極シャンク又は電極ホルダの外壁にのみ取 り付けられる。

音波による検査に利用される横波又はねじり波は、５０〜５００ｋＨｚの周波数 範囲にあるのが好ましい。

しかし、作動範囲は、Ｉ　Ｍ　Ｈｚにまで達することが可能である。

水平方向に分極した横波を電極壁中に送信する場合は、分極ベクトルが電極の管 の軸に対して垂直になるようにすることが必須である。

図面の簡単な説明 本発明は、添付の図面に基づく好ましい態様を用いて、下記においてより一層明 らかにされる。

図１は、スポット溶接機の電極構成の模式図である。

図２は、電極の電極壁における横波の推移の模式図である。

好ましい態様の説明 本発明の方法においては、溶接スポットの音速Ｃ２（ｔ　）は、溶接動作中に測 定される音響透過度Ｄ　（ｔ）の値から決定される。

”平坦な平行プレート中の音響通路”という適用にたいして当てはまる下記の近 似式は、シートの抵抗溶接に利用することが可能である。

他の構成及び／又は溶接法においては、それぞれの適用に応じて、近似式を変更 しなければならない。

Ｚ　２　σ２　本Ｃ２（ｔ） （２）　ｍ（ｔ）　＝　ｚ１／ｚ２ （３）　Ｄ（ｔ）　＝　１／（用／４本［ｍ（ｔ）−１／ｍ（ｔ））２＊５ｉｎ ２（２零〇＊ｄ／λ）） 式（１）〜（３）中、 Ｚｌ：電極の音響抵抗 Ｚ２：溶接ナゲツトの音響抵抗 σ２：溶接材の密度 ｃｌ：溶接電極の音速 ｃ２：溶接材の音速 ｄ　：溶接ナゲツトの厚さ λ　：超音波の波長 （１）に応じて、密度σ及び各媒体中の音速Ｃの積から近似によりめられる。

本発明は、溶接スポットの超音波透過度の変化が溶接スポットの音速Ｃ２の温度 に応じた変化により生じ、式（１）に応じて溶接スポットにおける音速Ｃ２の変 化かある時には、溶接スポットの音響抵抗Ｚ２が変化するが、電極の音響抵抗Ｚ １は一定のままであるということに、基づいている。このようにして、音響抵抗 の関係ｍが変化し、式（３）に応じて、透過率りが変化する。ｓ　ｉ　ｎ２（２ ＊ｎ＊ｄ／λ）の項は、下記においては、一定であるとみなされるべきであり、 最初は考慮に入れられるべきではない。

溶接電極が銅製であり、溶接されるシートが鉄製であると云うことが仮定される と、電流段階（室温でい。したがって、式（３）によれば、溶接動作の開始時に は、透過率りは、Ｄ〈１である。

鉄中の音速は、溶接時に昇音のため低下し、したがって、音響抵抗Ｚ２も同様で ある。音響透過度りは、温度に依存するので、式（３）により、特に鉄の音響抵 抗Ｚ　が溶接電極の音響抵抗Ｚ□の値を執る時点ｔで、最初の極大値に達する。

そして、この場合、ｍ；１であり、かつ式（３）によれば、溶接スポットの透過 度りは、その時に極大、即ち、Ｄ＝１になる。

温度がさらに上昇した場合、鉄の音響抵抗は低下し続け、したがって、透過率り も再び縮小し始める。溶接スポットの音響透過度は、式（３）により、融点に達 するまで、測定される。融点に達すると、音響透過度はさらに低下するが、しか し、今度は、液体媒体中の剪断波の大きな音響的減衰のためである。横波の減衰 の程度は、融点Ｔ　に到達した溶融体積の大きさに直接依存し、既に説明された 関係が有効である。

したがって、超音波透過度が上昇方向に更新されたことは、従来技術（ＤＥ−Ａ ｓ　２６５５４１５）中の主張とは食い違って、良好な溶接の徴ではな（、むし ろ、溶接工程中の外乱の徴である。特に、従来技術中の主張は、剪断波に関する ものではない。

スポット溶接法においては、溶融した溶接材が、例えば、溶接動作中にスパッタ 形成又は過小の電極圧により、溶接ナゲツトから押し出されると云うことが起き る。この場合、溶接ナゲツトは、その中に保存された熱エネルギーを含む液体溶 接材を失うことになる。

この効果は、透過率りの上昇方向の更新により知ることが可能になる。

超音波透過度り及び溶接スポットにおける音響抵抗（４）　ｃ　（ｔ）　＝　（ ０１本Ｃ１／σ２）　本式（４）中、ｆは、超音波周波数を表す。

したがって、式（４）により、溶接材の音速Ｃ２（１）が、透過率Ｄ　（ｔ）に 割り当てられる。したがって、本発明の方法は、溶接動作の持続の関数として溶 接スポットＴ　（ｔ）の温度の推移を決定することを可能にし、溶接スポットの 音速Ｃ２（ｔ　）が、あらかじめ設定された温度依存性の音速Ｃ２（ｔ　）と比 較される。

このことは、決定された音速Ｃ２（ｔ　）があらかじめ設定された温度依存性の 溶接材の音速Ｃ２（Ｔ　）と比較されると云う事実により行われる。この好まし い態様においては、下記の想定された線形の関係が、溶接材の音速の時間依存性 の模範として利用される。

（４’）　Ｔ（ｔ）　＝　（ｃ　−ｃ　（ｔ））＊Ｔ　／　ｃ２ｏ　２　ｓ　２ Ｔ８：　溶接材の融点 Ｃ・　室温と融点間の音速の差 ２゜ である。

前記関係は、音速の実験的に又は理論的に決定された温度依存性により各適用毎 に置き換えられてよい。

さらに、溶接材の融解時間ｔ　は、鉄の融点Ｔ　を比較することにより、溶接材 の温度Ｔ　（ｔ）の確認された推移から決定される。確認された融解時間ｔ８は 、溶接ナゲツト形成の始まりの徴となる。

確認された融解時間ｔ　は、溶接ナゲツト形成の始まりの印となるが、この時間 に続いて供給されるエネルギーは、溶接ナゲツトの形成のために利用される。

式（５）による関数的関係は、溶接材の温度Ｔ　（ｔ）の時間的推移として想定 されてよい。

（５）　Ｔ（ｔ）　＝Ａ本［１−ｅｘｐ−（Ｂ＊ｔ）］式（６）及び（７）中、 Ｊ　：　溶接スポットを流れる電流の密度Ｒ：溶接材の比電気抵抗 ｄ　：シートの厚さ ｋ　：シート／電極構成の熱伝導比 σ　：溶接材の密度 Ｃ：溶接材の比熱 ■ である。

式（６）及び（７）により、電流の密度に対する下このことは、溶接スポットを 流れる電流の密度が定数Ａ及びＢの積に正比例することを意味する。比例定数は 、公知の材料定数である。

溶接ナゲツトの絶対的なサイズを確かめるために、電流の強さＩの測定中に、式 （９）により電極の直径Ｉ　：電流の強さの実効値 Ａ及びＢ：式（５）の定数 ｃｖ　：溶接材の比熱 σ　：溶接材の密度 である。

例えば、式（４°）による音速のあらかじめ設定された温度依存性を用いて、溶 接ナゲ・ソト中の温度値を、式（４）による各透過度値りに割り当てることが可 能である。溶接スポットの音響透過度の初期の極小値に到達したとき、超音波透 過度の上昇方向の更新は、溶接スポットの温度における低下を意味する。溶接ス ポットにおける温度が、電流段階で、あらかじめ設定された閾値、例えば、融点 以下に低下した場合、これが溶接工程に外乱があるという徴であり、それが表示 される。

表示は、超音波透過度の第２の相対極大値に到達し、この透過度極大値があらか じめ設定されたピーク値を超過した場合に生じる。

さらに、溶接ナゲツトの直径の訂正も継続的に行わすゲットの直径を決定するた めに行われる方法は、式（１３）により、溶接ナゲツトの直径を算出するためる 。

Ｋ　Ｋ　：定数、サンプル溶接により、決定さ１ゝ　２ れねばならない。

Ｄ（ｔ、）：派生の極小時の標準化された超音波　ｌ　ｎ 透過度の値である。

上記の態様は、溶接スポットにおける超音波透過率の推移が、溶接動作の持続時 間の関数として溶接スポットにおける温度の推移により決まると云うことを示し ている。このことは、融点が溶接材において到達されるまで事実である。これに より、超音波透過率は、溶融溶接ナゲツトの体積の大きさにより決定される。

溶接電極及び溶接材の材質が知られており、音速の温度依存性が公知であれば、 超音波透過率の推移パターンは、溶接動作の持続時間の関数として各溶接電流の 各強さ毎に、あらかじめ算出可能であり、あるいはサンプル溶接の範囲において 実験的に追跡可能である。

この推移パターンは、溶接スポットにおける温度の推移及び溶接ナゲツトのサイ ズを定める。例えば、最大の透過度及び融点は、あらかじめ設定された時間によ り到達されねばならない。

実際には、不十分な溶接を防止するために、溶接スポットの評価に加えて、溶接 動作を制御することが望ましい。溶接工程の制御は、超音波透過度の推移があら かじめ記述された推移パターン（所望値）と比較されるようにして行われてよい 。推移パターンから逸脱した場合は、溶接パラメータ、例えば、電流の強さは、 次の透過度値が再び推移パターンと一致するまで、それに応じて変更される。

例えば、送信時間の直前にある第２の測定窓における音響放出の測定は、超音波 透過度の値の測定時に、例えばスパッタの形成による外乱を検出する目的に役立 つ。外乱信号が第２の測定窓の一つで検出された場合は、続く測定値は、外乱の 影響に応じて訂正され、又は該外乱の前後の測定値の平均値により置き換えられ る。

（単数又は複数の）超音波送信器及び超音波受信機の選択及び配役は、各適用に 応じて行われる。必要ならば、同一のセンサを、超音波送信器及び超音波受信機 として利用してもよい。

さらに、超音波は、レーザ光線を用いて、起こしてもよい。

したがって、下記においては、本発明の方法の可能な実現は、単に例として、記 述される。

図１．１は、溶接電極上に配されたセンサ機構を有する本発明の好ましい態様の 模式図である。溶接機の電極には超音波送信器２．１が設けられる。溶接機の電 極１には、超音波変換器が設けられている。第２の電極には、受信プローブ２． ２、例えば、圧電超音波変換器がある。

超音波変換器２．１及び受信機２８２は、各電極シャンク３の外壁に配される。

溶接ナゲツト４の音波による検査は、送信プローブ２．１から、水平方向の分極 縦波を用いて行われる。

溶接電流の開始とともに、設定可能な遅延時間に続いて、電気的バースト信号を 送信プローブに放出する発生器５は、各電流の半波の開始時に活性化される。

これにより、溶接電極１において、溶接スポット、即ち溶接ナゲツト４を通って 、第２の電極に伝搬する超音波信号を発生させる。この信号は、第２の電極の受 信プローブ２．２を用いて受信される。図１．２は、この装置のブロック図であ る。

受信信号は、周波数フィルタ６により、送信信号の周波数スペクトルに合わせて 狭い帯域でフィルタにかけられ、次の壜幅器７で約４０ｄＢで増幅される。その 後に接続される評価装置８において、超音波信号が記録され、分析される。評価 装置８は、溶接動作の制御即ち調整装置として、用いてよい。

図２は、管電極の壁部における水平方向の分極した横波の様々な可能な注入法と 推移を示す。図２．１は、縦断面を示し、図２．２は、図２．１のＡ−Ｂの線に 沿う横断面を示す。

管の軸に対して角度９０°で配された電気−音響的超音波変換器２．１′により 起こされた波は、例えば、シート９間に生じる評価されるべき溶接ナゲツト４に １００ＫＨｚの周波数で達する。利用される波長λは、λ／２が電極１、即ち得 られる溶接ナゲツト４の直径に略対応するように選択される。

超音波の注入を改善するために、横方向超音波の音響放射を、超音波変換器２． １″により、例えば、４５°の角度で行ってよい（図２，１（右側）参照）。

エルボ１０も銅製である。この場合、全超音波エネルギーが、電極１の底部に入 る。他方、垂直方向の音響放射の間、送信信号の約５０％だけが電極の底部に到 達し、他の半分は、反対方向に伝搬する（図２．１（左側）参照）。横波の最適 の分極方向は、図２．２において与えられる。

音響的に放射された信号は、その放射角度に応じて電極壁で反射し、繰り返され る反射により電極壁内をジグザグに伝搬する。記述された（電極表面に水平な） 分極方向では、電極壁での反射の場合に、他の種類の波への変換は起きない。電 極壁で発生するこれらの種類の波は、業界用語”ＳＨ（剪断水平）波”と呼ばれ ている。

高度の効率を得るために、この種の波の使用は、電極及び溶接ナゲツトの音波に よる検査には、有利である。

さらに、図２．１には、対応するアセンブリの超音波受信機２．２’（直角）及 び２．２”　（４５°）が示されている。

ＦＩＣＪ、　’７．２ ４σ 横波の分極方向 補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成７年１月３１鳴に

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．溶接領域に超音波を衝突させる超音波送信器と、超音波受信機を用いて抵抗 溶接される接合部を評価する方法であって、下記のステップからなる方法：−溶 接動作中に、溶接領域の超音波の音速ｃ２を時間ｔの関数として決定し； −溶接領域の温度Ｔ（ｔ）を、溶接領域における確認された音速ｃ２（ｔ）から 、溶接動作の持続時間の関数としてあらかじめ確認された溶接材の音速ｃ２（ｔ ）の温度依存性と比較することにより決定し； −溶接材の融解時間ｔｓを、溶接領域の温度Ｔ（ｔ）の推移から、溶接材の融点 Ｔｓと比較することにより、決定し；そして −溶接期間ｔの終了時に予期される溶接ナゲットの直径φを融解時間ｔｓから溶 接動作中に算出する。 ２．縦波の超音波が、超音波として用いられることを特徴とする請求の範囲第１ 項記載の方法。 ３．超音波透過度Ｄ（ｔ）（超音波透過率）が、溶接動作中に、時間と溶接スポ ットの現在の音速ｃ２（ｔ）の関数として測定されることを特徴とする請求の範 囲第１項又は第２項記載の方法。 ４．溶接動作を、特に溶接領域に剪断波を衝突させる超音波源と、超音波受信機 を用いて抵抗溶接部を、オンラインで評価する方法であって、下記のステップか らなる方法： −溶接材の融点Ｔｓに達する時間であり、溶接ナゲットが生じ始める時間ｔｓを 、超音波受信機の出力信号から決定し； −溶接ナゲットの体積Ｖを、溶接動作中に、融解温度に到達後の剪断波が縮小す ることから算出する。 ５．時間ｔ＞ｔｓ時の溶接ナゲットの現在の体積Ｖは、下記の関係から決定され ることを特徴とする請求の範囲第４項記載の方法； Ｖ＝Ｂ′＊（Ｄ（ｔ）−Ｄ（ｔｓ））＋Ｃ′式中、 Ｂ′、Ｃ′：実験的に決定された定数 Ｄ（ｔ）：時間ｔでの超音波透過度 Ｄ（ｔｓ）：融点に到達したときの超音波透過度である。 ６．溶接動作の終了時に達成される溶接ナゲットの前記体積Ｖは、融解時間から 溶接動作の終了に至る期間Δｔから、下記の関係により、決定されることを特徴 とする請求の範囲第４項又は第５項記載の方法：Ｖ＝Ｂ′＊Δｔ十Ｃ′ 式中、Ｂ′′及びＣ′′も、実験的に決定されるべき定数である。 ７．融点に到達してから溶接動作の終わりまでの期間Δｔの間に達成される溶接 ナゲットの体積は、下記の関係から決定されることを特徴とする請求の範囲第４ 項記載の方法： Ｖ＝Ｂ′′（Δｔ＋Ｄ（ｔｓ）／（［Ｄ（ｔｓ＋δｔ）−Ｄ（ｔｓ）］／δｔ） ＋Ｃ′′式中、 Ｂ′′′、Ｃ′′′：実験的に決定された定数；Ｄ（ｔｓ）：融点に到達したと きの超音波透過度；そして δｔ：“時間差”、即ち、小さい時間間隔である。 ８．前記融点Ｔｓが達成される時間は、前記剪断波の前記縮小の時間的変化が比 較的小さい値から比較的大きい値へ変化する時間を確認することにより決定され ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載の方法。 ９． −前記溶接領域における前記剪断波の前記音速ｃ２は、時間ｔの関数として決定 され；−溶接領域の前記温度Ｔ（ｔ）は、溶接材における前記音速ｃ２（ｔ）の あらかじめ確認された時間依存性と比較することにより、溶接領域の確認された 音速ｃ２（ｔ）から、溶接動作の持続時間の関数として決定され； −溶接材の前記溶解時間ｔｓは、溶接材Ｔｓの前記融点と比較することにより溶 接領域の温度Ｔ（ｔ）の前記推移から決定される； ことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の方法。 １０．前記超音波透過度Ｄ（ｔ）（超音波透過率）は、測定された時間の関数と して溶接動作中に測定され、溶接スポットにおける現在の音速ｃ２（ｔ）、それ により決定されることを特徴とする請求の範囲第９項記載の方法。 １１．前記超音波の速度ｃ２（ｔ）は、下記の式により、前記超音波透過度Ｄ（ ｔ）から算出することを特徴とする請求の範囲第９項記載の方法；ｃ２（ｔ）＝ （σ１＊ｃ１／σ２）＊ ▲数式、化学式、表等があります▼ 式中、 σ１：溶接電極即ち超音波源の密度 σ２：溶接材の密度 ｃ１：溶接電極即ち超音波源の音速 ｃ２：溶接材の音速 ｄ：溶接ナゲットの密度 ｆ：超音波の周波数 １２．溶接電流の各現在の半波毎の溶接領域の音響透過度Ｄ（ｔ）を、前記超音 波受信機からの前記出力信号Ａ（ｔ）から決定するために、 −平均的超音波エネルギ−Ｅｌｉは、送信レベルが−定に維持される超音波送信 信号に対して、定義された遅延時間だけ遅延された第１の時間窓ｉ中に、下記の 式により決定され； ▲数式、化学式、表等があります▼ −そして、溶接動作の結果としての平均的音響発信エネルギ−Ｅ２ｊは、前記第 １の窓に先立つかまたはそれに続き、その間超音波が溶接材に衝突させられない 第２の時間窓内で、下記の式により決定される：▲数式、化学式、表等がありま す▼ ことを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方法。 １３．溶接電流の各現在の半波毎の溶接領域の前記音響透過度Ｄ（ｔ）を、前記 超音波受信機からの前記出力信号Ａ（ｔ）から決定するために、 −前記超音波値Ｅｌｉは、送信レベルが一定に維持される前記超音波送信信号に 対して、定義された遅延時間だけ遅延された第１の時間窓ｉ中に、前記時間窓内 で発生する最大出力信号Ａ（ｔ）から決定され：−そして、溶接動作の結果とし ての前記音響発信値Ｅ２ｊは、前記第１の窓に先立つか又はそれに続き、その間 超音波が溶接材に衝突させられない第２の時間窓内で発生する最大出力信号Ａ（ ｔ）から決定される、 ことを特徴とする請求の範囲第１１項記載の方法。 １４．前記超音波透過度Ｄの個々の測定値は、連続的に決定される音響発信レベ ルＥ２ｊが、あらかじめ設定された閾値を越えた場合に補正されることを特徴と する請求の範囲第１２項又は第１３項記載の方法。 １５．前記補正は、外乱された音響透過度値Ｅｌｉを、二つの隣接する値の平均 値により、置き換えることにより行われることを特徴とする請求の範囲第１４項 記載の方法。 １６．前記剪断波は、横波の超音波又はねじり波であることを特徴とする請求の 範囲第１項又は第３項乃至第１２項のいずれか１項記載の方法。 １７．電流の強さが測定され、電極の現在の直径が、該測定された電流の強さか ら決定されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１６項のいずれか１項に 記載の方法。 １８．溶接期間ｔの終了時に予期される溶接ナゲットの直径は、下記の式により 融解時間から算出され：φ２＝φ２ｅ＊２＊Ｔｓ＊Ｂ＊ｃｓ＊（ｔ−ｔｓ）／（ ｃｖ＊（ｅｘｐ（Ｂ＊ｔｓ）−１））式中、 φｅ：電極の直径 ｃｓ：溶接材の比融解熱 ｃｖ：溶接材の比熱 ｔ：溶接動作の全持続時間 ｔｓ：融解時間 そしてＢの値は、経験的に決定される ことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１７項のいずれか１項に記載の方法。 １９．前記Ｂの値ならびにさらにＡの値は、特に、溶接材の前記温度Ｔ（ｔ）の 時間的推移から“最適の”方法にしたがって下記の関係により決定されることを 特徴とする請求の範囲第１項乃至第１８項のいずれか１項に記載の方法： Ｔ（ｔ）＝Ａ＊（１−ｅｘｐ−（Ｂ＊ｔ）２０．前記Ａ及びＢの値の概算により 、下記の関係が成立し、 Ａ＝Ｊ２＊Ｒ０＊ｄ／ｋ Ｂ＝ｋ／（ｃｖ＊σ＊ｄ） 式中、 Ｊ：電流の密度 Ｒ０：溶接材の比電気抵抗 ｃｖ：溶接材の比熱 σ：溶接材の密度 ｄ：溶接材の厚さ ｋ：溶接材／電極構成の熱伝導比 であり、そして、溶接材の実際の電流密度Ｊは、下記の式により、Ａ及びＢの値 から決定されることを特徴とする請求の範囲第１８項又は第１９項記載の方法： Ｊ２＝Ａ＊Ｂ＊ｃｖ＊／ｄσ ２１．溶接結果が電流の弦さＩ又は溶接中の前記溶接期間ｔを変更することによ り影響を受けることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第２０項のいずれか１項 に記載の方法。 ２２．前記超音波透過度Ｄの偶発的測定変動から大きく独立している“最適の” 融解時間ｔｓが、関係Ａ＝Ｊ２＊Ｒ０＊ｄ／ｋを適用することにより決定される ことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第２１項のいずれか１項に記載の方法。 ２３．前記電流の強さＩを測定するときの溶接ナゲットの絶対サイズφを決定す るために、電極の前記直径φｅが式（１２）により決定されることを特徴とする 請求の範囲第１項乃至第２２項のいずれか１項に記載の方法： （１２）φ２ｅ＝Ｉ２＊Ｒ０／（Ａ＊Ｂ＊ｃｖ＊σ）２４．溶接工程における外 乱（溶接材の損失、溶接スポットの温度が閾値としてあらかじめ設定された融点 より下にさがる）の表示のために、前記超音波透過度の第２の相対極大値が、前 記透過度極大値があらかじめ設定されたピーク値を超過した場合に示されること を特徴とする請求の範囲第１項乃至第２３項のいずれか１項に記載の方法。 ２５．外乱が、溶接ナゲットの温度が、期間ｔ３の間、融点より下回るようにし て示される場合は、前記溶接ナゲットの前記直径を決定する前記方法は、式（５ ）に基づいて溶接ナゲットの前記直径を昇出する時に、前記期間ｔ３が、溶接動 作の全持続期間から減算されるようにして修正されることを特徴とする請求の範 囲第１項乃至第２４項のいずれか１項に記載の方法。 ２６．抵抗溶接接合部の分析において超音波を利用する装置であって、 −前記抵抗溶接接合部に超音波を衝突させる超音波送信器；及び −音波による検査に続く超音波信号を受信する超音波受信器であって、その出力 信号を、評価／制御装置が、溶接動作を評価するために、そしてもし必要ならば 、制御するために評価する超音波受信器；を有する装置において、 前記超音波送信器（２．１）は、外側の電極シャンク（３）又は電極ホルダに取 り付けられ、剪断波を発生させ、特に、溶接スポットの音波による検査のための 横波又はねじり波を発生させることを特徴とする装置。 ２７．前記超音波受信機は、前記外側電極シャンク（３）又は前記電極ホルダに 取り付けられることを特徴とする請求の範囲第２６項記載の装置。 ２８．前記超音波送信器は、溶接機の一方の電極（１）の前記電極シャンク（３ ）の外壁又は前記電極ホルダに配され、前記超音波受信機（２．２）は、他方の 溶接電極に配されることを特徴とする請求の範囲第２７項記載の装置。 ２９．送信及び受信時に作動させうる超音波変換器は、前記電極シャンク又はホ ルダの前記外壁にのみ設けられることを特徴とする請求の範囲第２６項記載の装 置。 ３０．電子一音響超音波変換器により、電極壁で起こされる横波又はねじり波が 、周波数範囲５０〜５００ＫＨｚの間にあることを特徴とする請求の範囲第２６ 項乃至第２９項のいずれか１項に記載の装置。 ３１．周波数の作動範囲が１ＭＨｚに達することを特徴とする請求の範囲第２６ 項乃至第３０項のいずれか１項に記載の装置。 ３２．水平方向に分極された横波の分極ベクトルは、電極（１）の管の軸に垂直 に整列することを特徴とする請求の範囲第２６項乃至第３１項記載の装置。 ３３．超音波を利用するために用いられる前記横波又はねじり波の周波数が、各 半波λ／２が前記溶接電極、即ち前記溶接ナゲット（４）の直径に略対応するよ うに選択されることを特徴とする請求の範囲第２６項乃至第３２項のいずれか１ 項に記載の装置。 ３４．水平方向に分極した横波が、ある角度で放射されることを特徴とする請求 の範囲第２６項乃至第３３項のいずれか１項に記載の装置。