WO2010146939A1 - 非破壊検査装置 - Google Patents

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WO2010146939A1
WO2010146939A1 PCT/JP2010/057415 JP2010057415W WO2010146939A1 WO 2010146939 A1 WO2010146939 A1 WO 2010146939A1 JP 2010057415 W JP2010057415 W JP 2010057415W WO 2010146939 A1 WO2010146939 A1 WO 2010146939A1
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WO
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magnetic flux
measured
inspection apparatus
array sensor
welding
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Application number
PCT/JP2010/057415
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English (en)
French (fr)
Inventor
利彦 窪田
正信 浦辺
Original Assignee
本田技研工業株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws

Definitions

  • the present invention relates to a non-destructive inspection apparatus that non-destructively inspects a welded part or the like of a measurement object.
  • Spot welding is generally used as welding for assembling various thin metal products. Spot welding is a method in which a predetermined current is passed through both electrodes for a predetermined period of time by sandwiching them at a predetermined pressure from the top and bottom with an electrode whose tip is formed in a predetermined shape at the welded part of the metal plate that is overlapped. Thus, the welding site is locally heated and welded.
  • the surface of the welded portion welded by spot welding is recessed compared to the outside of the weld due to pressurization.
  • This dent part is called an indentation part, and the dimension of the dent is called an indentation diameter.
  • the inside of the welded part is formed by a nugget portion (welded portion) and a peripheral crimp portion.
  • the nugget portion is a portion where the metal is once dissolved and solidified.
  • compression-bonding part is a part crimped
  • the dimension of the nugget portion is referred to as the nugget diameter
  • the nugget portion and the crimping portion are collectively referred to as a joint portion
  • the dimension of the joint portion is referred to as a joint diameter.
  • a junction part is a part actually joined.
  • a method for estimating the welding strength by measuring the nugget diameter is effective (for example, see Patent Document 1).
  • a method for measuring a nugget diameter a method is known in which a magnetic field generated by a coil through which a current is applied is applied to a welding site, and the nugget diameter is obtained from a change in the inductance of the coil generated as a result.
  • this property is used to detect a change in the magnetic permeability ( ⁇ ) as a change in inductance. Seeking the nugget diameter.
  • the sensor of the inspection device is arranged with reference to the welded portion that can be visually recognized from the outside.
  • the center position of the recessed part (indentation part) visually recognizable from the outside may not coincide with the center position of the nugget part. This occurs, for example, when the electrode tips do not face each other but face each other at a certain angle during spot welding.
  • the nugget part is not formed or deviated immediately below where the sensor of the inspection apparatus is arranged. It becomes impossible to measure accurately. In such a case, the re-inspection must be repeated by shifting the sensor of the inspection device to various positions, and much labor is required to measure the nugget diameter.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and one of its purposes is to provide a nondestructive inspection apparatus capable of suppressing the number of inspections repeated in the measurement of the nugget diameter. .
  • Another object of the present invention is to display the shape of the nugget part two-dimensionally or three-dimensionally by image processing so that the shape, size, etc. of the nugget part can be easily grasped.
  • a nondestructive inspection apparatus applies a magnetic field to a measured object to magnetize it, and after detecting the magnetic field, detects magnetic flux emitted from a plurality of positions of the measured object.
  • the magnetic flux detecting element includes a plurality of minute sensors in a matrix. The arranged array sensor and scanning means for selecting a row and a column of the array sensor are integrated.
  • the nondestructive inspection apparatus includes a storage device that simultaneously and independently stores the time output from one line in the row or column of the array sensor at the same time for each minute region on the line. It is preferable.
  • the transient change data of the magnetic flux on the one line is subjected to a relative comparison calculation process, whereby the time constant of the transient change of each minute region corresponding to a plurality of positions on the one line is obtained. It is preferable to calculate.
  • the core for applying a magnetic field to the object to be measured includes a recovery electrode in which the array sensor is disposed in the center, and excitation electrodes that are target-disposed on at least a pair of the recovery electrodes.
  • the core electrode Preferably it consists of.
  • the internal state of the object to be measured is determined, and the determination result is supplied to a welding robot that performs welding on the object to be measured.
  • the number of inspections repeated in the measurement of the nugget diameter can be suppressed.
  • the shape, size, and the like of the nugget portion existing inside the welding dent that cannot be visually recognized from the outside can be easily grasped on the display using image processing technology. Further, the present invention can be used for management of welding robots.
  • FIG. 5A is a circuit diagram in which the closed loop of the magnetic flux density shown in FIG. 5B is replaced with a magnetic equivalent circuit.
  • a closed loop C 0 of the magnetic flux passing through any one of the array sensor immediately after blocking the static magnetic field is a diagram schematically illustrating. It is a figure where it uses for description about the change of the magnetic flux measured with an array sensor. It is a figure where it uses for description about the change of the magnetic flux measured with an array sensor. It is a figure where it uses for description about the characteristic in which the magnetic flux density near the to-be-measured object after static magnetic field interruption
  • the nondestructive inspection device concerning this embodiment, it is a figure used for explanation about detecting leakage magnetic flux by controlling operation of an array sensor. It is a time chart which shows the control timing by a control part. It is a figure which shows typically the cross section of a magnetoresistive element. It is a figure which shows the image drawn by the drawing part. It is a figure which shows the image drawn by the drawing part. It is a figure with which it uses for description about the welding system which applied the nondestructive inspection apparatus which concerns on this embodiment.
  • spot welding as a method of melting and integrating two or more members.
  • An apparatus for spot welding welds members by passing a large current for a short time while sandwiching two metal plates between rod-like electrodes of pure copper or a copper alloy and pressing them strongly. Further, a slight dent pressed by the electrode is formed on the surface of the welded portion, and a nugget portion (a solidified weld metal) is formed in the inside.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 inspects the nugget portion by nondestructive.
  • part welded by spot welding is demonstrated, the welding method is not limited to spot welding.
  • internal structure means a structure that is chemically or mechanically changed.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 is an apparatus for inspecting a welded part 3 of an object to be measured 2 (for example, an automobile body) made of a magnetic material, and applies a magnetic field to the welded part 3 to be emitted.
  • a non-destructive inspection method is employed in which the nugget portion is inspected by measuring the magnetic flux density. Embodiments of the present invention will be described below.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 includes a magnetic flux generation unit 16, a leakage magnetic flux detection unit 17, a calculation unit 18, and a control unit 19, as schematically shown in FIG.
  • the magnetic flux generator 16 includes an iron core 13 composed of an excitation pole 11 and a recovery pole 12, an excitation coil 14 that excites the iron core 13, and an excitation controller 15 that controls the energization state and the cutoff state of the excitation coil 14. .
  • the magnetic flux generator 16 controls the excitation coil 14 to be energized by the excitation controller 15 to generate a magnetic flux between the excitation electrode 11 and the recovery electrode 12 and magnetizes the welded part 3.
  • the exciting coil 14 is composed of a solenoid coil in which a conductor is closely wound around a predetermined portion of the iron core 13 in a spiral manner.
  • the leakage magnetic flux detection unit 17 is arranged on the end face of the recovery pole 12, is configured in a planar shape having a size including at least the periphery of the welding site 3, and detects the leakage magnetic flux generated from the magnetized welding site 3.
  • the calculation unit 18 calculates the decay time constant ⁇ 1 of magnetic energy and the decay time constant ⁇ 2 of eddy current loss based on the detection value by the leakage magnetic flux detection unit 17. A detailed calculation method of the decay time constant ⁇ 1 of magnetic energy and the decay time constant ⁇ 2 of eddy current loss will be described later.
  • the control unit 19 controls the leakage magnetic flux detection unit 17.
  • the leakage magnetic flux detection unit 17 is configured by arranging a plurality of magnetic flux detection elements 17a to 17n in a matrix, and includes a row direction signal supply unit 20, a column direction signal supply unit 21, And a signal output unit 22.
  • an array sensor SR is a device in which a plurality of magnetic flux detection elements are arranged in a two-dimensional matrix.
  • the row direction signal supply unit 20 supplies a signal to the array sensor SR arranged in the row direction.
  • the column direction signal supply unit 21 supplies signals to the array sensors SR arranged in the column direction.
  • the signal output unit 22 outputs a detection value by the array sensor SR to which signals are supplied from the column direction signal supply unit 21 and the row direction signal supply unit 20 to the calculation unit 18.
  • the array sensor SR is composed of 6 rows and 6 columns as shown in FIG. 2, but the number of sensors is not limited to this.
  • FIG. 2 the arrangement of the array sensors SR is schematically shown. In actuality, the sensors are arranged densely without any interval between the sensors.
  • control unit 19 sequentially selects the array sensor SR arranged at the position closest to the excitation pole 11 in units of columns, and switches the excitation coil 14 between the energized state and the cut-off state.
  • the column direction signal supply unit 21 and the row direction signal supply unit 20 are controlled to supply signals to the array sensor SR of the selected column.
  • the iron core 13 is formed with an excitation electrode 11 divided into two forks, and a recovery electrode 12 is formed from the branched portion.
  • the array sensor SR formed on the end face of the recovery pole 12 detects leakage magnetic flux generated from the welded portion magnetized by the excitation pole 11. Therefore, the iron core 13 is formed such that the collection electrode 12 and the excitation electrodes 11 formed at both ends thereof are separated from each other by a distance such that the array sensor SR does not overlap the end surface of the excitation electrode 11.
  • the shape of the iron core 13 is not limited to that described above, and may be a U-shape, such that the excitation electrode 11 is formed on one end side, and the recovery electrode 12 is formed on the other end side. good.
  • 3 is a cross-sectional view when viewed from the AA direction in FIG.
  • the row direction signal supply unit 20, the column direction signal supply unit 21, and the signal output unit 22 are omitted.
  • the excitation pole 11 formed on one end side of the recovery pole 12 is referred to as an excitation pole 11a
  • the excitation pole 11 formed on the other end side of the recovery pole 12 is referred to as an excitation pole 11b.
  • the array sensor SR formed on the end face of each is composed of 6 rows (Y1 to Y6).
  • the configuration of the array sensor SR is an example, and is not limited to six columns.
  • controller 19 sequentially selects the array sensor SR arranged at the position closest to the excitation pole 11 in units of columns, for example, the controller 19 sequentially selects Y1 to Y6 closest to the excitation pole 11a, or selects the excitation sensor 11b. The nearest Y6 to Y1 are selected sequentially.
  • the control unit 19 may alternately select from the columns closest to the excitation pole 11a and the excitation pole 11b in the order of Y1, Y6, Y2, Y5, Y3, and Y4.
  • the leakage magnetic flux detected by the array sensor is preferably corrected appropriately in the calculation unit 18 according to the distance from the excitation pole 11.
  • the welded trace (henceforth a welding dent) is visually recognizable on the surface.
  • the surface of the welding dent is magnetized, and the welding state in the inside is inspected by the array sensor SR. Since the nondestructive inspection apparatus 1 according to the present embodiment employs the leakage magnetic flux detection unit 17 configured with a planar shape having a size including at least the periphery of the welded portion 3, the center position of the welding dent and the nugget portion Even if the center positions do not match, that is, the nugget portion is not formed immediately below the welding dent, the entire nugget portion and the entire welded state of the peripheral portion can be inspected simultaneously.
  • the surface area of the welding dent is about n [cm 2 ] (where n is a natural number)
  • the surface area of the leakage flux detector 17 is m ⁇ n [cm 2 ] (where m Is a natural number greater than 1).
  • FIG. 4A shows a schematic state of magnetization. As shown in FIG. 4A, the device under test 2 has a magnetic flux passage portion magnetized in accordance with the strength of the magnetic field.
  • the magnetic flux loop is separated into a closed loop around the exciting coil 14 and a closed loop around the DUT 2 (see FIG. 4B). reference).
  • the closed loop of magnetic flux around the exciting coil 14 rapidly decreases and disappears.
  • the closed loop of the magnetic flux around the object to be measured 2 does not disappear immediately (residual magnetism) but is held in the magnetic material as magnetic energy, gradually disappears, and finally returns to the state before applying the static magnetic field. .
  • the nondestructive inspection apparatus 1 detects a change in leakage magnetic flux of the DUT 2 with respect to time by the array sensor SR.
  • the change in the magnetic flux detected by the array sensor SR after the static magnetic field is cut off decreases monotonically ideally in an exponential function, but actually decreases and decreases in a predetermined curve.
  • FIG. 5A shows the process of disappearance of residual magnetism.
  • This magnetic energy loss process as shown in FIG. 5A, the magnetic flux density passing through any one of the array sensor SR and phi 1.
  • eddy currents induced by changes in the magnetic flux density ⁇ 1 are In 1 , In 2 , In 3 ...
  • their induction coefficients are M 1 , M 2 , M 3 . It is considered that the eddy currents In 1 , In 2 , In 3 ... Induced from the change of the magnetic flux density ⁇ 1 are independent.
  • FIG. 5B shows the equivalent circuit of FIG. 5A.
  • R 2 represents the electrical resistance of the eddy current i 2
  • L 2 represents the inductance of the eddy current i 2 .
  • the closed loop of the magnetic flux density ⁇ is replaced with a magnetic equivalent circuit.
  • i 1 indicates the magnetic flux density
  • R 1 indicates the difficulty of returning the magnetic flux at the measurement site holding the magnetic flux (resistance)
  • L 1 is the inductance of the magnetic flux space holding the magnetic flux.
  • I 2 indicates the eddy current at the measurement site
  • R 2 indicates the electric resistance of the eddy current loop
  • L 2 indicates the volume of the magnetization space in which the eddy current is generated.
  • the magnetic energy W can be expressed by equation (1). Note that L in FIG. 7 indicates the length of magnetization.
  • L is a value proportional to the volume of the space holding the magnetic flux (that is, the space holding the magnetic energy).
  • the expression (1) is the same expression as the energy accumulated when the current i 1 is passed through the coil having the inductance L. From these, the inductance L 1 of FIG. 6, it can be seen that correspond to the volume of the whole space that holds the magnetic flux.
  • equations (2a) and (2b) are obtained.
  • (3a) and (3b) are obtained by solving (2a) and (2b).
  • FIG. 8A shows a transient change of the magnetic flux density i 1 given by the equation (5).
  • the second term on the right side of the equation (5) can be ignored, and can be approximated only by the first term.
  • the voltage measured by a loop coil generally used as a magnetic sensor is a value proportional to the rate of change of magnetic flux density, that is, the differential magnetic flux density. Therefore, the equation (5) is differentiated with respect to time t to obtain the equation of the differential magnetic flux density shown in the equation (6).
  • FIG. 8B shows a transient change in the differential magnetic flux density given by equation (6).
  • Expression (5) is an expression showing a change in magnetic flux density i 1 obtained by the array sensor SR
  • Expression (6) is an expression showing a change in differential magnetic flux density (di 1 / dt).
  • the time constant ⁇ 1 of the first term on the right side of the equation (6) is equal to “L1 / R1” as given by the equation (4a). Therefore, this term corresponds to the time constant of the magnetic circuit having the magnetic flux density i 1 shown in FIG. That is, the first term on the right side of the equation (6) is a term indicating the magnetic flux density decreasing characteristic in the vicinity of the DUT 2 after interruption of the static magnetic field, that is, the magnetic energy attenuation characteristic.
  • the nugget part where the metal composition or structural strength changes
  • the parts other than the nugget part where the metal composition or structural strength does not change
  • a change occurs in the time constant ⁇ 1 . Therefore, if the distribution of the time constant ⁇ 1 in the spot welded portion is measured and analyzed, the shape / dimension of the portion such as the nugget portion where the compositional change in the metal occurs can be obtained.
  • the time constant ⁇ 2 of the second term on the right side of the equation (6) is equal to “L 2 / R 2 ” as given by the equation (4b). Therefore, this term corresponds to the time constant of the equivalent circuit of the eddy current i 2 shown in FIG. That is, the second term on the right side of the equation (6) is a term indicating the attenuation characteristic of the eddy current loss. As shown in FIG. 7, when the length of magnetization in the DUT 2 is L and the magnetic flux passage area is ds, L 2 can be expressed by equation (7).
  • the time constant ⁇ 2 of the attenuation characteristic of the eddy current loss passes through the magnetic path where the eddy current is generated, that is, the steel plate, as shown in the equation (8). It is proportional to the length of the magnetic path.
  • the change in the length of the magnetic path of the magnetic flux passing near the spot welded portion can be detected as the change in the time constant ⁇ 2 of the attenuation characteristic of the second term on the right side of the equation (6).
  • FIG. 9A is a diagram illustrating a state of magnetic flux in the vicinity of the joint end of the spot welded portion.
  • FIG. 9B is a diagram illustrating a distribution relationship of time constant ⁇ 2 of the attenuation characteristic of eddy current loss.
  • the magnetic flux line B passes through the device under test 2a above the air gap SP, but the magnetic flux line A passes through the device under test 2b below the air gap SP through the joint.
  • the cause of this change is that the joint end exists in the vicinity. Therefore, if the position at which this magnetic flux passage path suddenly changes is known, the position of the joint end can also be estimated.
  • the difference between the magnetic flux line A and the magnetic flux line B is the difference in the path of the magnetic flux, that is, the difference in the magnetic path length.
  • a plurality of array sensors SR are arranged in the vicinity of the spot welded portion of the DUT 2, the time constant ⁇ 2 at each sensor position is measured, and the time constant sudden change point, that is, the magnetic path length sudden change point (FIG. If the point X) in 9B is obtained, the joint end can be estimated as a result, and the joint diameter of the spot weld can be estimated.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 sequentially selects the array sensor SR arranged at the position closest to the excitation pole 11 in units of columns, so that the influence of magnetization in units of columns can be absorbed.
  • the leakage magnetic flux detection unit 17 configured with a planar shape having a size including at least the periphery of the welded portion 3 is employed, even if the nugget portion is not formed immediately below the welding dent, the entire nugget portion and its The weld state of the peripheral part can be inspected, and the number of inspections repeated in the measurement of the nugget diameter can be suppressed.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 simultaneously detects and stores the leakage magnetic flux by the array sensor SR arranged in a row (X axis), thereby storing the magnetic energy decay time constant ⁇ 1 and the eddy current loss decay.
  • the time constant ⁇ 2 can be obtained by relative comparison calculation.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 can detect leakage magnetic flux over the entire surface of the array sensor SR while taking into consideration the influence of magnetization by performing time-division scanning in a row (Y-axis). This is also convenient for shortening the time for the entire scanning.
  • the calculation unit 18 includes an A / D conversion unit 23 that converts a detection value output from the signal output unit 22 into a digital value, and a detection that is digitally converted by the A / D conversion unit 23. And a storage unit 24 for temporarily storing values.
  • the control unit 19 simultaneously applies to all array sensors SR connected to the row direction signal supply unit 20.
  • the row direction signal supply unit 20 includes a selection unit 20a for supplying a signal to each row, as shown in FIG.
  • the control unit 19 switches all the selection units 20a to the ON state at the same time at a predetermined timing, or switches them to the OFF state.
  • “r” in FIG. 10 is a reference resistance
  • “MR” is a magnetoresistive effect element
  • OP indicates an operational amplifier.
  • the array sensor SR may be a Hall element instead of a magnetoresistive element.
  • one sensor (Yn-Xm) of the array sensor SR is composed of a reference resistor R, a magnetoresistive effect element MR, and an operational amplifier OP.
  • the array sensor SR is configured by 6 columns and 6 rows. Therefore, the array sensor SR includes 36 sensors (Y1-X1) to sensors (Y6-X6). It is configured.
  • the control unit 19 switches “Y1” of the array sensor SR arranged at the position closest to the excitation electrode 11 to the ON state by the column direction signal supply unit 21, and switches the selection unit 20 a of the row direction signal supply unit 20. Switch all to ON.
  • the calculation unit 18 converts the detection value (analog value) output from the signal output unit 22 into a digital value by each A / D conversion unit 23, and temporarily stores the converted digital value in the storage unit 24.
  • the calculation unit 18, the time constant calculating unit 25, and the decay time constant tau 1 of magnetic energy, the decay time constant tau 2 of the eddy current loss is obtained by relative comparison calculation.
  • the control part 19 performs the above-mentioned control with respect to all the lines (X1, X2 ).
  • the nondestructive inspection apparatus 1 includes a signal processing unit 41 and a display unit 42.
  • the signal processing unit 41 performs two-dimensional or three-dimensional image processing based on the result calculated by the time constant calculation unit 25 (details of the image will be described later with reference to FIGS. 13A and 13B).
  • the display unit 42 displays a two-dimensional or three-dimensional image that has been subjected to image processing by the signal processing unit 41.
  • the user can easily grasp the shape, size, etc. of the nugget portion by visually recognizing the image displayed on the display portion 42. Therefore, according to the nondestructive inspection apparatus 1, the user can make a diagnosis (manual diagnosis) of the welded portion by directly viewing the display unit 42.
  • the control unit 19 supplies a signal to the column selected by the column direction signal supply unit 21, and before switching the excitation coil 14 from the energized state to the cutoff state, the selection unit After all of 20a are turned on, a signal is supplied by the row direction signal supply unit 20 and a signal is supplied by the row direction signal supply unit 20 for a certain period, and then the excitation coil 14 is switched from the energized state to the cutoff state. Then, the control unit 19 stops the signal supply by the column direction signal supply unit 21 and the row direction signal supply unit 20 after a predetermined time has elapsed.
  • control unit 19 performs the above-described control for all columns. In this way, the nondestructive inspection apparatus 1 monitors the transient phenomenon of the leakage magnetic flux generated from the welding site.
  • control part 19 controls so that the area
  • the control unit 19 detects each array sensor SR connected to the row direction signal supply unit 20. To supply a signal.
  • the control unit 19 switches the selection unit 20a between the ON state and the OFF state for each row at a predetermined timing. According to such a configuration, the nondestructive inspection apparatus 1 can significantly reduce the number of A / D conversion units 23 and storage units 24, and can achieve downsizing and cost reduction.
  • the array sensor SR is preferably a magnetoresistive element or a Hall element using a material having a predetermined electron mobility, and the detection sensitivity of leakage magnetic flux is improved.
  • the material having a predetermined electron mobility is, for example, InSb (indium antimony) or GaAs (gallium arsenide).
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of the magnetoresistive element when InSb is used.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional structure of the monolithic chip.
  • a reference resistor 52 and a bipolar element 53 are formed on a silicon substrate 51, an insulating film 54 (SiO 2 or the like) is formed via an intermediate layer, and InSb 55 is formed on the insulating film 54.
  • the InSb 55 is formed on the insulating film 54 by etching, for example, by forming a polycrystalline film by vapor deposition or sputtering.
  • the InSb 55 and the reference resistor 52 are electrically connected through the via hole 56.
  • the array sensor SR constitutes an OP amplifier circuit by integrating a plurality of bipolar elements.
  • the substrate may be GaAs instead of silicon.
  • the GaAs magnetic flux detection element magnetoresistance element or Hall element
  • the OP amplifier can be monolithic.
  • a sensing element can be made into a single crystal.
  • the array sensor SR, the row direction signal supply unit 20, and the column direction signal supply unit 21 are monolithically formed and integrated as one chip.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 includes a welding robot 4 that performs welding on the workpiece 2 based on the decay time constant ⁇ 1 of magnetic energy or the decay time constant ⁇ 2 of eddy current loss calculated by the calculation unit 18.
  • An output unit 31 is provided for outputting various parameters relating to welding, such as tip dressing timing of the electrode tips, to the welding robot 4.
  • factors that affect spot welding by the welding robot 4 are the current value flowing through the electrodes, the pressure when the object to be measured 2 is sandwiched between the two electrodes from above and below, the current application time, the shape of the electrode tip, and the like. .
  • the welding robot 4 since the tip of the electrode is deformed when welding is repeatedly performed, a process of periodically cutting or shaping the tip of the electrode called chip dressing is executed.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 compares the nugget shape estimated based on the decay time constant ⁇ 1 of magnetic energy or the decay time constant ⁇ 2 of eddy current loss with an expected nugget shape, and exceeds the allowable range. If there is a change, it is determined that the tip dressing for the electrode tip should be executed, and a parameter for designating the execution timing of the tip dressing is output to the welding robot 4. In addition, by using the nondestructive inspection apparatus 1, the welding robot 4 can replace the electrode tip at a timing that requires replacement of the electrode tip.
  • the welding robot 4 can maintain the tip shape of the electrode in a state necessary for high-quality welding by executing the tip dressing based on the parameters supplied from the nondestructive inspection apparatus 1, and the reliability of welding. Can be improved.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 generates a parameter for changing a current value flowing through the electrodes and a set value such as a pressure when the measured object 2 is sandwiched from above and below by both electrodes, and outputs the parameters to the nondestructive inspection apparatus 1. You may do it. In this way, the nondestructive inspection apparatus 1 can control welding by the welding robot 4 and can contribute to improvement of welding reliability.
  • the signal processing unit 41 welds the inside of the welded part 3 based on the decay time constant ⁇ 1 of magnetic energy calculated by the calculation unit 18 and the decay time constant ⁇ 2 of eddy current loss.
  • the shape is schematically drawn in two dimensions (three dimensions).
  • the display unit 42 schematically displays the weld shape inside the welded part 3 drawn by the signal processing unit 41.
  • FIG. 13A and FIG. 13B show image diagrams displayed by the display unit 42.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 can determine the quality of welding by calculating the diameter R or volume V of the nugget portion a1 and comparing it with the theoretical value.
  • a nugget part a1 in FIG. 13A shows a top view from the Z-axis phrase of the array sensor SR.
  • FIG. 13B shows an image diagram in which the periphery of the nugget portion is represented by contour lines on a two-dimensional XY axis.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 can display the schematic size, shape, and the like of the nugget portion on the display unit 42 in three dimensions (for example, FIG. 13A) and / or two dimensions (for example, FIG. 13B).
  • the non-destructive inspection apparatus 1 that calculates the time constant of and detects the internal structure of the DUT 2 from the distribution state of the time constant includes an array sensor SR in which a plurality of minute sensors are arranged in a matrix, and the array sensor SR.
  • the scanning means (row direction signal supply unit 20 and column direction signal supply unit 21) for selecting a row and a column is integrated to form a leakage magnetic flux detection unit 17, and the entire nugget unit is two-dimensionally or three-dimensionally arranged.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 includes the signal processing unit 41 and the display unit 42, so that the diagnosis (manual diagnosis) of the welded portion 3 can be performed intuitively.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 is a storage device that simultaneously and independently stores the time output at the same time from one line in the rows or columns of the array sensor SR for each minute region on the line ( Since the storage unit 24) is provided, the decay time constant ⁇ 1 of magnetic energy and the decay time constant ⁇ 2 of eddy current loss can be obtained by relative comparison calculation.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 calculates the time constant of the transient change in each region corresponding to a plurality of positions on one line by performing a relative comparison calculation process on the transient change data of the magnetic flux on one line. Therefore, it is possible to grasp the state of transient change on each line.
  • a core for applying a magnetic field to the object to be measured 2 has a recovery electrode 12 in which a sensor (leakage magnetic flux detection unit 17) is arranged at the center, and the recovery electrode 12 Since the array sensor SR arranged at a position closest to the excitation pole 11 is sequentially selected in units of columns, the leakage magnetic flux from the DUT 2 is measured. Can be detected uniformly.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 determines the internal state of the object to be measured 2 and supplies the determination result to the welding robot 4 that performs welding on the object to be measured 2 (feedback of the diagnosis result of the welded part to the welding operation) ) To improve the quality of spot welding.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 can be applied to a welding system 100.
  • the welding system 100 includes a conveyor 101 that moves the object to be measured 2 (for example, a body such as an automobile), a conveyor control unit 102 that controls the operation of the conveyor 101, and a predetermined part of the object 2 to be measured on the conveyor 101.
  • a welding robot 4 that performs spot welding, a tip dresser 103 that dresses or replaces the electrode 4c attached to the tip 4b of the arm 4a of the welding robot 4, and an object 2 to be measured after spot welding.
  • the welding robot 4 includes a telescopic arm 4a having an electrode 4c for spot welding at the tip 4b, and a drive controller 4d for controlling various driving of the arm 4a and the tip 4b.
  • the nondestructive inspection apparatus 1 includes an extendable arm 1a, a drive control unit 1b that controls various driving of the arm 1a, a magnetic flux generation unit 16, a leakage magnetic flux detection unit 17, a calculation unit 18, and a control unit 19.
  • the output unit 31 is provided.
  • the magnetic flux generator 16 and the leakage magnetic flux detector 17 are attached to the tip of the arm 1a.
  • the drive controller 1b brings the tip of the arm 1a close to the welded part 3 of the object 2 to be measured.
  • the control unit 19 controls the leakage magnetic flux detection unit 17 as described above, and causes the leakage magnetic flux detection unit 17 to detect the magnetic flux of the welded part 3.
  • Calculating section 18, based on the signal detected from the magnetic flux leakage detection unit 17 calculates the decay time constant tau 2 of attenuation time constant tau 1 and the eddy current loss of the magnetic energy.
  • the output unit 31 supplies the calculation result of the calculation unit 18 to the drive control unit 4d.
  • the drive control unit 4d When the drive control unit 4d receives the calculation result from the output unit 31 and determines that dressing or replacement of the electrode 4c is necessary, the drive control unit 4d instructs the conveyor control unit 102 to stop the conveyor 101, and the electrode In order to move 4c to the chip dresser 103, the arm 4a is driven and controlled.
  • the output unit 31 may supply a signal to that effect to the drive control unit 4d when it is determined that dressing or replacement of the electrode 4c is necessary based on the calculation result of the calculation unit 18. good.
  • the drive control unit 4d when the drive control unit 4d receives a signal from the output unit 31, the drive control unit 4d instructs the conveyor control unit 102 to stop the conveyor 101, and the electrode 4c is connected to the chip dresser unit 103.
  • the arm 4a is driven and controlled to move to.
  • the conveyor control unit 102 stops driving the conveyor 101 according to the stop command.
  • the chip dresser unit 103 performs dressing or replacement of the electrode 4c.
  • the drive control unit 4d returns the arm 4a to the original position and instructs the conveyor control unit 102 to resume driving.
  • the conveyor control unit 102 resumes driving of the conveyor 101 in accordance with the restart instruction.
  • the welding system 100 thereafter inspects the welded part 3 of the object to be measured (the object to be welded) 2 by the nondestructive inspection apparatus 1 and appropriately determines whether dressing or replacement of the electrode 4c is necessary.
  • the electrode 4c is dressed or replaced.
  • the welding system 100 can maintain good spot welding with respect to the DUT 2 by cooperatively operating the welding robot 4, the production line, and the nondestructive inspection apparatus 1 together.
  • Automatic quality assurance and automatic quality control system can be configured.

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Abstract

　ナゲット径の測定において繰り返される検査回数を抑制することができる非破壊検査装置を提供すること。　被測定物２に磁場を印加して磁化させ、当該磁場を遮断後に、被測定物２の複数位置から放出される磁束を漏洩磁束検出部１７により測定することにより、過渡変化の時定数を算出し、当該時定数の分布状態から被測定物２の内部構造を検出する非破壊検査装置１において、漏洩磁束検出部１７は、複数の微小センサがマトリクス配置されたアレイセンサＳＲと、当該アレイセンサＳＲの行と列を選択する走査手段(行方向信号供給部２０と列方向信号供給部２１)が一体化されていることを特徴とする。

Description

非破壊検査装置
　本発明は、被測定物の溶接部位等を非破壊で検査する非破壊検査装置に関する。
　各種薄板金属製品の組立に用いられる溶接として、スポット溶接が一般的に用いられている。スポット溶接とは、重ね合わせた金属の板材における溶接部位に、先端が所定の形状に成形されている電極によって上下方向から所定の圧力で挟み、両電極に所定の電流を所定の時間だけ流すことによって、当該溶接部位を局部的に加熱して溶接する方法である。
　また、スポット溶接により溶接された溶接部位の表面は、加圧によって溶接部外に比べ凹んでいる。この凹み部をインデテーション部といい、凹みの寸法をインデテーション径という。
　また、溶接部位の内部は、ナゲット部（溶着部）と、その周辺の圧着部とで形成される。ナゲット部は、金属が一旦溶解して固化した部分である。一方、圧着部は、金属の表面同士で圧着された部分である。ナゲット部の寸法をナゲット径といい、ナゲット部と圧着部とを総合して接合部といい、接合部の寸法を接合径という。なお、接合部は、実際に接合している部分である。
　また、スポット溶接では、重ね合わせた金属の板材を点（スポット）で溶接するため、溶接強度が十分であるか否かを検査する必要がある。
　溶接強度の測定を非破壊にて行う方法として、ナゲット径を測定することにより溶接強度を推定する方法が有効である（例えば、特許文献１を参照。）。従来から、ナゲット径を測定する方法として、電流を流したコイルにより発生した磁界を、溶接部位に印加し、その結果発生したコイルのインダクタンスの変化からナゲット径を求める方法が知られている。この従来方法では、ナゲット部とナゲット部以外の部分とでは透磁率（μ）が変化する性質があるので、この性質を利用して、透磁率（μ）の変化をインダクタンスの変化として検出し、ナゲット径を求めている。
特許第３０９８１９３号公報
　ここで、検査装置のセンサは、外部から視認できる溶接部位を目安に配置される。ところで、外部から視認できる凹み部（インデテーション部）の中心位置と、ナゲット部の中心位置が一致しない場合がある。これは、スポット溶接する際に、電極の先端同士が厳密に対向せずに、ある角度をもって対向するような場合等に発生する。
　このように、溶接部位の中心位置とナゲット部の中心位置がずれていると、検査装置のセンサが配置されている直下にナゲット部が形成されていない、又はずれているために、ナゲット径を正確に測定することができなくなる。このような場合には、検査装置のセンサを様々な位置にずらして再検査を繰り返さねばならず、ナゲット径の測定に多大な労力を必要とする。
　本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、ナゲット径の測定において繰り返される検査回数を抑制することができる非破壊検査装置を提供することである。また、本発明は、ナゲット部の形状を画像処理により２次元又は３次元的に画像表示を行い、ナゲット部の形状、大きさ等を容易に把握させることも目的の一つである。
　本発明に係る非破壊検査装置は、上記課題を解決するために、被測定物に磁場を印加して磁化させ、当該磁場を遮断後に、被測定物の複数位置から放出される磁束を磁束検出素子により測定することにより、過渡変化の時定数を算出し、当該時定数の分布状態から被測定物の内部構造を検出する非破壊検査装置において、前記磁束検出素子は、複数の微小センサがマトリクス配置されたアレイセンサと、当該アレイセンサの行と列を選択する走査手段が一体化されていることを特徴とする。
　また、非破壊検査装置では、前記アレイセンサの行又は列のうち、一つのライン上から同一の時間に出力された時間を、ライン上の微小領域毎に独立して同時に記憶する記憶装置を備えることが好ましい。
　また、非破壊検査装置では、前記一つのライン上の磁束の過渡変化データを相対比較計算処理することにより、前記一つのライン上の複数の位置に対応する各微小領域の過渡変化の時定数を計算することが好ましい。
　また、非破壊検査装置では、前記被測定物に磁場を印加するためのコアは、中心部に前記アレイセンサを配置する回収極と、当該回収極の少なくとも左右一対に対象配置された励磁極とからなることが好ましい。
　また、非破壊検査装置では、前記被測定物の内部状態を判定し、前記被測定物に対して溶接を行う溶接ロボットに判定の結果を供給することが好ましい。
　本発明によれば、ナゲット径の測定において繰り返される検査回数を抑制することができる。また、本発明によれば、外部から視認できない溶接打痕の内部に存在するナゲット部の形状や大きさ等を、画像処理技術を利用して、ディスプレイ上で容易に把握させることができる。また、本発明は、溶接ロボットの管理に利用することができる。
本実施形態に係る非破壊検査装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る非破壊検査装置の漏洩磁束検出部の構成を示すブロック図である。 鉄心を励磁極及び回収極の端面から見たときの様子を模式的に示す図である。 磁化の様子を模式的に示す図である。 磁化の様子を模式的に示す図である。 残留磁気の消失過程を模式的に示す図である。 図５Ａの等価回路を示す図である。 図５Ｂに示す磁束密度の閉ループを磁気等価回路に置換した回路図を示す図である。 静磁界を遮断した直後のアレイセンサの任意の一つを通過する磁束の閉ループＣ０を模式的に示す図である。 アレイセンサで測定される磁束の変化についての説明に供する図である。 アレイセンサで測定される磁束の変化についての説明に供する図である。 静磁場遮断後の被測定物近傍における磁束密度が指数関数的に減少する特性についての説明に供する図である。 静磁場遮断後の被測定物近傍における磁束密度が指数関数的に減少する特性についての説明に供する図である。 本実施形態に係る非破壊検査装置において、アレイセンサの動作を制御することにより漏洩磁束を検出することについての説明に供する図である。 制御部による制御タイミングを示すタイムチャートである。 磁気抵抗素子の断面を模式的に示す図である。 描画部によって描画されたイメージを示す図である。 描画部によって描画されたイメージを示す図である。 本実施形態に係る非破壊検査装置を応用した溶接システムについての説明に供する図である。
　２つ以上の部材を溶融し、一体化させる方法として、スポット溶接がある。スポット溶接を行う装置は、２枚の金属板を純銅又は銅合金の棒状の電極の間に挟んで強く加圧しながら短時間大電流を通し、部材を溶接する。また、溶接部位の表面には、電極で押えたわずかの凹みができ、その内部には、ナゲット部（溶接金属が凝固したもの）が形成される。本実施形態に係る非破壊検査装置１は、非破壊によりナゲット部を検査する。なお、本実施例においては、スポット溶接により溶接された溶接部位の検査について説明するが、溶接方法は、スポット溶接に限定されない。また、「内部構造」とは、化学的又は機械的に変化している構造を意味する。
　また、非破壊検査装置１は、磁性体から構成される被測定物２（例えば、自動車のボディ）の溶接部位３に対する検査を行う装置であり、溶接部位３に対して磁場を与え、放出される磁束密度を測定することでナゲット部の検査を行う非破壊の検査方法を採用する。以下、本発明の実施の形態について説明する。
　非破壊検査装置１は、図１に模式的に示すように、磁束発生部１６と、漏洩磁束検出部１７と、算出部１８と、制御部１９とを備える。磁束発生部１６は、励磁極１１及び回収極１２から構成される鉄心１３と、鉄心１３を励磁する励磁コイル１４と、励磁コイル１４の通電状態と遮断状態を制御する励磁制御部１５とを有する。また、磁束発生部１６は、励磁制御部１５により励磁コイル１４を通電状態に制御して励磁極１１と回収極１２との間に磁束を発生させ、溶接部位３を磁化する。励磁コイル１４は、導体が鉄心１３の所定の部位に、密接に螺旋状に巻かれており、ソレノイドコイルにより構成されている。
　漏洩磁束検出部１７は、回収極１２の端面に配置され、少なくとも溶接部位３の周辺を包含する大きさの平面形状で構成され、磁化されている溶接部位３から発生する漏洩磁束を検出する。算出部１８は、漏洩磁束検出部１７による検出値に基づいて、磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２とを算出する。なお、磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２の詳細な算出方法については後述する。制御部１９は、漏洩磁束検出部１７を制御する。
　ここで、漏洩磁束検出部１７の詳細な構成について説明する。漏洩磁束検出部１７は、図２に示すように、複数の磁束検出素子１７ａ～１７ｎが行列状に配置されて構成されており、行方向信号供給部２０と、列方向信号供給部２１と、信号出力部２２とを備える。なお、以降では、複数の磁束検出素子が２次元のマトリクス（行列）状に配置されているものをアレイセンサＳＲという。行方向信号供給部２０は、行方向に配置されているアレイセンサＳＲに信号を供給する。列方向信号供給部２１は、列方向に配置されているアレイセンサＳＲに信号を供給する。信号出力部２２は、列方向信号供給部２１及び行方向信号供給部２０により信号が供給されているアレイセンサＳＲによる検出値を算出部１８に出力する。また、本実施例においては、アレイセンサＳＲは、図２に示すように、６行６列で構成されるものとするが、センサの数はこれに限れない。また、図２においては、アレイセンサＳＲの配列を模式的に示しており、実際には、センサ同士の間隔はなく、密に配列されている。
　また、このように構成される場合には、制御部１９は、励磁極１１に最も近い位置に配置されているアレイセンサＳＲを列単位で順次選択し、励磁コイル１４の通電状態と遮断状態に応じて、列方向信号供給部２１及び行方向信号供給部２０を制御して、選択されている列のアレイセンサＳＲに対して信号を供給する。
　つぎに、鉄心１３の形状について説明する。鉄心１３は、図１に模式的に示すように、励磁極１１が二股に分かれて形成されており、その分岐個所から回収極１２が形成されている。また、回収極１２の端面に形成されるアレイセンサＳＲは、励磁極１１によって磁化された溶接部位から発生する漏洩磁束を検出する。よって、鉄心１３は、アレイセンサＳＲが励磁極１１の端面に重畳しない程度の距離だけ、回収極１２とその両端に形成される励磁極１１との間が離れて形成されている。なお、鉄心１３の形状は、上述したものに限られず、コ字形状に形成され、一方端側に励磁極１１が形成され、他方端側に回収極１２が形成される形状等であっても良い。
　つぎに、制御部１９による走査方法について説明する。図３は、図１中のＡ－Ａ方向から見たときの断面図である。なお、図３においては、行方向信号供給部２０、列方向信号供給部２１、及び信号出力部２２が省略されている。また、以下では、回収極１２の一方端側に形成されている励磁極１１を励磁極１１ａとし、回収極１２の他方端側に形成されている励磁極１１を励磁極１１ｂとし、回収極１２の端面には形成されているアレイセンサＳＲは、６列（Ｙ１からＹ６）で構成されているものとする。なお、アレイセンサＳＲの当該構成は、一例であって、６列に限られるものではない。
　制御部１９は、励磁極１１に最も近い位置に配置されているアレイセンサＳＲを列単位で順次選択するので、例えば、励磁極１１ａに最も近いＹ１からＹ６まで順次選択したり、励磁極１１ｂに最も近いＹ６からＹ１まで順次選択する。また、制御部１９は、Ｙ１→Ｙ６→Ｙ２→Ｙ５→Ｙ３→Ｙ４という順番で、励磁極１１ａ及び励磁極１１ｂから最も近い列から交互に選択しても良い。
　また、励磁極１１から離れるほど磁化の影響が小さくなるので、アレイセンサによって検出した漏洩磁束は、励磁極１１からの距離に応じて、算出部１８において適宜補正を行うことが好ましい。
　また、溶接部位３においては、溶接された痕（以下、溶接打痕という。）が表面において視認できる。非破壊検査装置１による検査においては、この溶接打痕の表面を磁化し、アレイセンサＳＲによりその内部における溶接状態の検査を行う。本実施形態に係る非破壊検査装置１は、少なくとも溶接部位３の周辺を包含する大きさの平面形状で構成される漏洩磁束検出部１７を採用するので、溶接打痕の中心位置とナゲット部の中心位置が一致しない、すなわち、溶接打痕の直下にナゲット部が形成されていなくても、ナゲット部全体とその周辺部の溶接状態の全体を同時に検査することができる。なお、溶接打痕の表面積が約ｎ［ｃｍ２］（ただし、ｎは自然数である）程度であると仮定すると、漏洩磁束検出部１７の表面積は、ｍ×ｎ［ｃｍ２］（ただし、ｍは１よりも大きい自然数である）程度である。
　つぎに、算出部１８によって磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２を算出する方法について動作原理とともに説明する。非破壊検査装置１のアレイセンサＳＲは、被測定物２の検査対象となる部位の上面に配置される。そして、非破壊検査装置１は、励磁コイル１４を通電状態にし、励磁極１１と回収極１２との間に発生した磁束により被測定物２を磁化する。ここで、磁化の模式的な様子を図４Ａに示す。被測定物２は、図４Ａに示すように、磁界の強さに応じて磁束通過部分が磁化される。
　また、非破壊検査装置１の励磁コイル１４が遮断状態にされた場合には、磁束のループは、励磁コイル１４の周辺の閉ループと被測定物２の周辺の閉ループとに分離する（図４Ｂを参照）。励磁コイル１４周辺の磁束の閉ループは、急速に減少して消失する。一方、被測定物２周辺における磁束の閉ループは、直ちには消失せず（残留磁気）、磁気エネルギーとして磁性体に保持され、徐々に消失していき最終的には静磁場印加以前の状態に戻る。
　非破壊検査装置１は、アレイセンサＳＲにより被測定物２の漏洩磁束の時間に対する変化を検出する。静磁場遮断後にアレイセンサＳＲで検出される磁束の変化は、理想的には指数関数的に単調減少するが、実際には損失があるので、所定のカーブを描いて減少する。
　図５Ａは残留磁気の消失過程を示す。この磁気エネルギー消失過程では、図５Ａに示すように、アレイセンサＳＲの任意の一つを通過する磁束密度をφ１とする。また、磁束密度φ１の変化によって誘導される渦電流をＩｎ１、Ｉｎ２、Ｉｎ３・・・とし、それらの誘導係数をそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３・・・とする。磁束密度φ１の変化から誘導された渦電流Ｉｎ１、Ｉｎ２、Ｉｎ３・・・は、それぞれ独立であると考える。このとき、渦電流Ｉｎ１、Ｉｎ２、Ｉｎ３・・・は、磁束密度φ１の変化に応じて、誘導係数Ｍ＝ΣＭｉ（ｉ＝１，２，３，・・・）で誘導されるひとつの渦電流ｉ２に置き換えることができる。すなわち、アレイセンサＳＲの任意の一つを通過する磁束の消失過程は、磁束密度φ１と、磁束密度φ１から誘導係数Ｍで誘導される渦電流ｉ２で表すことができる。図５Ｂは、図５Ａの等価回路を示している。ここで、Ｒ２は、渦電流ｉ２の電気抵抗を示し、Ｌ２は、渦電流ｉ２のインダクタンスを示す。
　図６は、磁束密度φの閉ループを磁気等価回路に置き換えたものである。ここで、ｉ１は、磁束密度を示し、Ｒ１は、磁束を保持している測定部位の磁束の戻り難さ（抵抗）を示し、Ｌ１は、磁束を保持している磁束空間のインダクタンスを示し、ｉ２は、測定部位の渦電流を示し、Ｒ２は、渦電流ループの電気抵抗を示し、Ｌ２は、渦電流が発生している磁化空間の体積を示している。
　図７は、静磁界を遮断した直後のアレイセンサＳＲの任意の一つを通過する磁束ｉ１（＝φ１）の閉ループＣ０を示している。この時、静磁場印加中に蓄えられた磁気エネルギーは、直ちに消失せずに、徐々に消失していく。この磁気エネルギーは磁束の閉ループ空間に保持され、空間の与えられた磁束の戻りにくさによって徐々に消失していくと考えられる。磁気エネルギーＷは、（１）式で表すことができる。なお、図７中のＬは、磁化の長さを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｌは、磁束を保持している空間（すなわち、磁気エネルギーを保持する空間）の体積に比例する値である。一方、（１）式は、インダクタンスＬのコイルに電流ｉ１を流した時に蓄積されるエネルギーと同じ式である。これらのことから、図６のインダクタンスＬ１は、磁束を保持している全空間の体積に相当することがわかる。
　また、図６に示す等価回路を式に表すと（２ａ）式及び（２ｂ）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　（２ａ）式及び（２ｂ）式を解くと、（３ａ）式及び（３ｂ）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、初期条件として、静磁界遮断時（ｔ＝０）の磁束密度ｉ１をＩ０として、（３）式の定数を定める。この時、誘導係数Ｍが小さく磁束密度ｉ１の変化から誘導される渦電流ｉ２が小さい場合、すなわちＬ１・Ｌ２＞＞Ｍ・Ｍとすると、以下の結果を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　（４ａ）式及び（４ｂ）式を（３ａ）式に代入すると、次の（５）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　現実に測定できる値は、（５）式の左辺の磁束密度ｉ１である。図８Ａは、（５）式で与えられる磁束密度ｉ１の過渡変化を示す。ここで、（４ｄ）式から明かなように、（５）式の右辺第２項は無視することができ、第１項のみで近似できる。一方、磁気センサとして一般に用いられるループコイルで測定される電圧は、磁束密度の変化率、すなわち微分磁束密度に比例した値である。そこで、（５）式を時間ｔで微分し、（６）式に示す微分磁束密度の式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　図８Ｂは、（６）式で与えられる微分磁束密度の過渡変化を示す。（５）式は、アレイセンサＳＲで得られる磁束密度ｉ１の変化を示す式であり、（６）式は、微分磁束密度（ｄｉ１／ｄｔ）の変化を示す式である。
　ここで、（６）式の右辺第１項の時定数τ１は、（４ａ）式で与えられるように、「Ｌ１／Ｒ１」に等しい。従って、この項は、図６に示す磁束密度ｉ１の磁気回路の時定数に相当する。すなわち、（６）式の右辺第１項は、静磁場遮断後の被測定物２の近傍における磁束密度の減少特性、すなわち、磁気エネルギーの減衰特性を示す項である。スポット溶接部においては、ナゲット部（金属組成又は構造的な強度の変化が生じている部分）とナゲット部以外の部分（金属組成又は構造的な強度の変化が生じていない部分）とでは、この時定数τ１に変化が生じる。従って、スポット溶接部における時定数τ１の分布を測定し、これを分析すれば、ナゲット部のような金属的に組成変化の生じている部分の形状・寸法を求めることができる。
　また、（６）式の右辺第２項の時定数τ２は、（４ｂ）式で与えられるように、「Ｌ２／Ｒ２」に等しい。従って、この項は、図６に示す渦電流ｉ２の等価回路の時定数に相当する。すなわち、（６）式の右辺第２項は、渦電流損失の減衰特性を示す項である。図７に示すように、被測定物２内の磁化の長さをＬ、磁束通過面積をｄｓとすると、Ｌ２を（７）式で示すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　従って、（４ｂ）式及び（７）式から、渦電流損失の減衰特性の時定数τ２は、（８）式に示すように、渦電流が発生する磁路、すなわち鉄鋼板内を通過する磁路の長さに比例する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　つまり、スポット溶接部付近を通過する磁束の磁路の長さの変化を、（６）式の右辺第２項の減衰特性の時定数τ２の変化として検出することができる。
　図９Ａは、スポット溶接部の接合端近傍の磁束の状態を示す図である。図９Ｂは、渦電流損失の減衰特性の時定数τ２の分布の関係を示す図である。スポット溶接の接合端（接合部と空隙部ＳＰの境界）近傍に磁界を印加した場合、磁束は、空隙部ＳＰの有無によって経路が変化する（図９Ａを参照。）。この時、接合端近傍のある位置において、磁束の経路が大きく左右にわかれる位置が存在する。すなわち、磁束線Ｂは空隙部ＳＰの上側の被測定物２ａを通過するが、磁束線Ａは接合部を経由して空隙部ＳＰの下側の被測定物２ｂを通過する。この変化の原因は、接合端が近傍に存在するためである。従って、この磁束の通過経路が急に変化する位置がわかれば、接合端の位置も推定することが可能となる。ここで、磁束線Ａと磁束線Ｂの違いは磁束の経路の違い、すなわち磁路長の違いである。従って、被測定物２のスポット溶接部近傍に複数のアレイセンサＳＲを配置し、各センサ位置における時定数τ２を測定し、時定数の急変化点、すなわち磁路長の急変化点（図９Ｂ中の点Ｘ）を求めれば、その結果として接合端を推定でき、スポット溶接部の接合径を推定することができる。
　このようにして、非破壊検査装置１は、励磁極１１に最も近い位置に配置されているアレイセンサＳＲを列単位で順次選択するので、列単位における磁化の影響を吸収することができ、また、少なくとも溶接部位３の周辺を包含する大きさの平面形状で構成される漏洩磁束検出部１７を採用するので、溶接打痕の直下にナゲット部が形成されていなくても、ナゲット部全体とその周辺部の溶接状態を検査することができ、ナゲット径の測定において繰り返される検査回数を抑制することができる。また、非破壊検査装置１は、列（Ｘ軸）に配列されているアレイセンサＳＲにより漏洩磁束を同時に検出し、記憶することにより、磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２を相対比較計算により求めることができる。また、非破壊検査装置１は、行（Ｙ軸）において時分割走査を行うことにより、磁化の影響を勘案しながら、アレイセンサＳＲ全面において、漏洩磁束の検出を行うことができる。これは、全体の１の走査の時間を短縮するためにも都合が良い。
　また、非破壊検査装置１では、算出部１８は、信号出力部２２から出力された検出値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部２３と、Ａ／Ｄ変換部２３によりデジタル変換された検出値を一時記憶する記憶部２４とを備える。
　制御部１９は、Ａ／Ｄ変換部２３と記憶部２４とが各信号出力部２２にそれぞれ備えられている場合には、行方向信号供給部２０に接続されているすべてのアレイセンサＳＲに同時に信号を供給する。具体的には、行方向信号供給部２０は、図１０に示すように、各行に信号を供給するための選択部２０ａを有している。制御部１９は、選択部２０ａを所定のタイミングで同時にすべてＯＮ状態に切り替えたり、ＯＦＦ状態に切り替えたりする。なお、本実施例においては、アレイセンサＳＲは、図１０中の「ｒ」は、基準抵抗であり、「ＭＲ」は、磁気抵抗効果素子であり、「ＯＰ」は、オペアンプを示している。なお、アレイセンサＳＲには、磁気抵抗効果素子ではなく、ホール素子を利用しても良い。
　また、アレイセンサＳＲの一つのセンサ（Ｙｎ－Ｘｍ）は、基準抵抗Ｒと、磁気抵抗効果素子ＭＲと、オペアンプＯＰとにより構成されている。なお、本実施例では、説明の便宜上、６列６行でアレイセンサＳＲが構成されるものとしているので、アレイセンサＳＲは、センサ（Ｙ１－Ｘ１）からセンサ（Ｙ６－Ｘ６）の３６個で構成されている。
　例えば、制御部１９は、励磁極１１に最も近い位置に配置されているアレイセンサＳＲの「Ｙ１」を列方向信号供給部２１によりＯＮ状態に切り替え、行方向信号供給部２０の選択部２０ａをすべてＯＮ状態に切り替える。算出部１８は、信号出力部２２から出力される検出値（アナログ値）を各Ａ／Ｄ変換部２３によりデジタル値に変換し、変換したデジタル値を記憶部２４に一時記憶する。そして、算出部１８は、時定数計算部２５により、磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２を相対比較計算により求める。また、制御部１９は、すべての列（Ｘ１、Ｘ２・・・）に対して上述の制御を実行する。
　また、非破壊検査装置１は、信号処理部４１と、表示部４２とを備える。信号処理部４１は、時定数計算部２５により計算された結果に基づいて、２次元又は３次元的な画像処理を実行する（画像についての詳細は、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて後述する）。表示部４２は、信号処理部４１により画像処理された２次元又は３次元的な画像を表示する。使用者は、表示部４２に表示される画像を視認することにより、ナゲット部の形状や大きさ等を容易に把握することができる。従って、非破壊検査装置１によれば、使用者が直接的に表示部４２を見て溶接部位の診断（マニュアル診断）をすることができる。
　つぎに、制御部１９による制御タイミングについて図１１に示すタイムチャートを参照しながら説明する。制御部１９は、励磁コイル１４を通電状態にした場合に、列方向信号供給部２１により選択されている列に信号を供給し、励磁コイル１４を通電状態から遮断状態に切り替える前に、選択部２０ａをすべてＯＮ状態にして、行方向信号供給部２０により信号を供給し、行方向信号供給部２０により信号を一定期間供給した後に、励磁コイル１４を通電状態から遮断状態に切り替える。そして、制御部１９は、所定時間経過後に列方向信号供給部２１及び行方向信号供給部２０による信号の供給を停止する。また、制御部１９は、すべての列に対して上述の制御を実行する。非破壊検査装置１は、このようにして、溶接部位から発生する漏洩磁束の過渡現象を監視する。なお、制御部１９は、図１１に示すように、行方向信号供給部２０による信号の供給と、励磁コイル１４による通電状態がオーバーラップする領域ができるように制御する。
　一方で、制御部１９は、Ａ／Ｄ変換部２３と記憶部２４とが各信号出力部２２にそれぞれ備えられていない場合には、行方向信号供給部２０に接続されているアレイセンサＳＲ毎に切り替えて信号を供給する。制御部１９は、選択部２０ａを所定のタイミングで行毎にＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替える。このような構成によれば、非破壊検査装置１は、Ａ／Ｄ変換部２３と記憶部２４の数を大幅に減少させることができ、小型化を図るとともに、コストダウンを図ることができる。
　また、アレイセンサＳＲは、所定の電子移動度を有する材料を使用した磁気抵抗素子又はホール素子であることが好ましく、漏洩磁束の検出感度が向上する。なお、所定の電子移動度を有する材料とは、例えば、ＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）又はＧａＡｓ（ガリウム砒素）である。
　また、ＩｎＳｂを使用した場合の磁気抵抗素子の断面図を図１２に示す。なお、図１２は、モノリシックチップの断面構造を示している。アレイセンサＳＲは、シリコン基板５１上に、基準抵抗５２とバイポーラ素子５３を形成し、中間層を介して絶縁膜５４（ＳｉＯ２等）を形成し、絶縁膜５４上にＩｎＳｂ５５を形成する。なお、ＩｎＳｂ５５は、例えば、蒸着やスパッタ法により多結晶膜を形成して、エッチングにより絶縁膜５４上に形成する。また、ＩｎＳｂ５５と基準抵抗５２とは、ビアホール５６を介して電気的に導通している。また、アレイセンサＳＲは、バイポーラ素子を複数集積してＯＰアンプの回路を構成する。
　また、基板は、シリコンでなくＧａＡｓであっても良く、この場合には、ＧａＡｓの磁束検出素子（磁気抵抗素子又はホール素子）とＯＰアンプをモノリシック化することができる。また、このように構成される場合には、検知素子を単結晶にすることができる。基板上には、アレイセンサＳＲと行方向信号供給部２０と列方向信号供給部２１がモノリシックで形成され、ワンチップとして一体化されている。
　また、非破壊検査装置１は、算出部１８により算出された磁気エネルギーの減衰時定数τ１又は渦電流損失の減衰時定数τ２に基づいて、被測定物２に溶接を行う溶接ロボット４の電極チップのチップドレッシングのタイミング等の溶接に関する各種のパラメータを溶接ロボット４に出力する出力部３１を備える。
　これは、スポット溶接後に形成される溶接ナゲットの大きさ、形状等を管理データ値（パラメータ）として溶接ロボット４にフィードバックすることにより、溶接ロボット４の溶接電極のドレッシングや溶接電極の交換を行うことが望ましいからである。
　ここで、溶接ロボット４によるスポット溶接において影響を与える要素は、電極に流す電流値、両電極により被測定物２を上下方向から挟み込む際の圧力、電流の通電時間及び電極先端の形状等である。ここで、溶接ロボット４では、溶接を繰り返し行うと電極の先端が変形するので、定期的にチップドレッシングと呼ばれる電極の先端を切削又は形削りするプロセスを実行する。
　非破壊検査装置１は、磁気エネルギーの減衰時定数τ１、又は渦電流損失の減衰時定数τ２に基づいて推定されるナゲット形状と、期待されるナゲット形状とを比較し、許容範囲を超える変化が生じている場合には、電極先端に対するチップドレッシングを実行すべきであると判断し、チップドレッシングの実行タイミングを指定するパラメータを溶接ロボット４に出力する。また、非破壊検査装置１を利用することにより、溶接ロボット４は、電極チップの交換が必要なタイミングで電極チップの交換を行うことが可能となる。
　溶接ロボット４は、非破壊検査装置１から供給されたパラメータに基づいて、チップドレッシングを実行することにより、電極の先端形状を良質な溶接に必要な状態に維持することができ、溶接の信頼性を向上させることができる。
　また、非破壊検査装置１は、電極に流す電流値や、両電極により被測定物２を上下方向から挟み込む際の圧力等の設定値を変更するパラメータを生成し、非破壊検査装置１に出力しても良い。このようにして非破壊検査装置１は、溶接ロボット４による溶接を制御することができ、溶接の信頼性の向上に寄与することができる。
　また、上述したように、信号処理部４１は、算出部１８により算出された磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２に基づいて、溶接部位３の内部の溶接形状を２次元（３次元）に模式的に描画する。表示部４２は、信号処理部４１により描画された溶接部位３の内部の溶接形状を模式的に表示する。ここで、表示部４２により表示されるイメージ図を図１３Ａ及び図１３Ｂに示す。
　使用者は、図１３Ａに示すイメージ図を目視することにより、溶接に関する情報（ナゲット部ａ１、コロナボンド部・溶接熱影響部（ＨＡＺ）ａ２、溶接していない部分ａ３）を把握することができる。非破壊検査装置１は、ナゲット部ａ１の直径Ｒ又は体積Ｖを計算し、理論値と比較することによって、溶接の良否を判定することができる。なお、図１３Ａ中のナゲット部ａ１は、アレイセンサＳＲのＺ軸方句からの上面視を示している。また、図１３Ｂには、ナゲット部の周辺を２次元のＸ－Ｙ軸で等高線状に表したイメージ図を示す。非破壊検査装置１は、表示部４２にナゲット部の模式的な大きさや形状等を３次元的（例えば、図１３Ａ）又は／及び２次元的（例えば、図１３Ｂ）に表示することができる。
　このようにして、被測定物２に磁場を印加して磁化させ、当該磁場を遮断後に、被測定物２の複数位置から放出される磁束を漏洩磁束検出部１７により測定することにより、過渡変化の時定数を算出し、当該時定数の分布状態から被測定物２の内部構造を検出する非破壊検査装置１は、複数の微小センサがマトリクス配置されたアレイセンサＳＲと、当該アレイセンサＳＲの行と列を選択する走査手段（行方向信号供給部２０と列方向信号供給部２１）が一体化されて漏洩磁束検出部１７が構成されており、ナゲット部全体を２次元又は３次元的に解析することができ、ナゲット径の測定において繰り返される検査回数を抑制することができる。また、非破壊検査装置１は、信号処理部４１及び表示部４２を備えることにより、目視による溶接部位３の診断（マニュアル診断）を直感的に行わせることができる。
　また、非破壊検査装置１は、アレイセンサＳＲの行又は列のうち、一つのライン上から同一の時間に出力された時間を、ライン上の微小領域毎に独立して同時に記憶する記憶装置（記憶部２４）を備えるので、磁気エネルギーの減衰時定数τ１と、渦電流損失の減衰時定数τ２を相対比較計算により求めることができる。
　また、非破壊検査装置１は、一つのライン上の磁束の過渡変化データを相対比較計算処理することにより、一つのライン上の複数の位置に対応する各領域の過渡変化の時定数を計算するので、各ライン上における過渡変化の様子を把握することができる。
　また、非破壊検査装置１は、被測定物２に磁場を印加するためのコア（鉄心１３）は、中心部にセンサ（漏洩磁束検出部１７）を配置する回収極１２と、当該回収極１２の少なくとも左右一対に対象配置された励磁極１１とからなるので、励磁極１１に最も近い位置に配置されているアレイセンサＳＲを列単位で順次選択することにより、被測定物２からの漏洩磁束を一様に検出することができる。
　また、非破壊検査装置１は、被測定物２の内部状態を判定し、被測定物２に対して溶接を行う溶接ロボット４に判定の結果を供給（溶接部位の診断結果を溶接作業にフィードバック）することによって、スポット溶接の品質を向上させることができる。
　例えば、図１４に示すように、非破壊検査装置１を溶接システム１００に応用することができる。溶接システム１００は、被測定物２（例えば、自動車等のボディ）を移動するコンベア１０１と、コンベア１０１の動作を制御するコンベア制御部１０２と、コンベア１０１上の被測定物２の所定の部位にスポット溶接を行う溶接ロボット４と、溶接ロボット４のアーム４ａの先端部４ｂに取り付けられている電極４ｃをドレッシング又は電極４ｃの交換を行うチップドレッサ部１０３と、スポット溶接後の被測定物２の検査を行う非破壊検査装置１と、を備える。
　溶接ロボット４は、先端部４ｂにスポット溶接を行う電極４ｃを有する伸縮自在のアーム４ａと、アーム４ａ及び先端部４ｂの各種駆動を制御する駆動制御部４ｄを備えている。
　非破壊検査装置１は、伸縮自在のアーム１ａと、アーム１ａの各種駆動を制御する駆動制御部１ｂと、磁束発生部１６と、漏洩磁束検出部１７と、算出部１８と、制御部１９と、出力部３１を備える。
　磁束発生部１６と漏洩磁束検出部１７は、アーム１ａの先端部に取り付けられる。駆動制御部１ｂは、被測定物２の溶接部位３にアーム１ａの先端部を近接させる。制御部１９は、漏洩磁束検出部１７を既述したように制御し、漏洩磁束検出部１７に溶接部位３の磁束を検出させる。算出部１８は、漏洩磁束検出部１７から検出された信号に基づいて、磁気エネルギーの減衰時定数τ１と渦電流損失の減衰時定数τ２を算出する。出力部３１は、算出部１８の算出結果を駆動制御部４ｄに供給する。
　駆動制御部４ｄは、出力部３１から算出結果を受信し、電極４ｃのドレッシング又は交換が必要であると判断した場合には、コンベア制御部１０２に対してコンベア１０１の停止命令を行って、電極４ｃをチップドレッサ部１０３に移動するためにアーム４ａを駆動制御する。なお、出力部３１は、算出部１８の算出結果に基づいて、電極４ｃのドレッシング又は交換が必要であると判断した場合に、その旨の信号を駆動制御部４ｄに供給する構成であっても良い。このような構成の場合には、駆動制御部４ｄは、出力部３１からの信号を受信した場合に、コンベア制御部１０２に対してコンベア１０１の停止命令を行って、電極４ｃをチップドレッサ部１０３に移動するためにアーム４ａを駆動制御する。
　コンベア制御部１０２は、停止命令に従ってコンベア１０１の駆動を停止する。また、チップドレッサ部１０３は、電極４ｃのドレッシング又は交換を行う。
　また、駆動制御部４ｄは、電極４ｃのドレッシング又は交換が終了後、アーム４ａを元の位置に戻して、コンベア制御部１０２に駆動再開の命令を行う。コンベア制御部１０２は、再開の命令に従ってコンベア１０１の駆動を再開する。溶接システム１００は、以降同様にして、非破壊検査装置１によって被測定物（被溶接物）２の溶接部位３の検査を行い、電極４ｃのドレッシング又は交換が必要かどうかを適宜判断して、電極４ｃのドレッシング又は交換を行う。
　このようにして、溶接システム１００は、溶接ロボット４と、生産ラインと、非破壊検査装置１とを一体として協調動作させることによって、被測定物２に対して良好なスポット溶接を維持することができ、自動品質保証及び自動品質管理システムを構成することができる。
１　非破壊検査装置
１１　励磁極
１２　回収極
１３　鉄心
１４　励磁コイル
１５　励磁制御部
１６　磁束発生部
１７　漏洩磁束検出部
１８　算出部
１９　制御部
２０　行方向信号供給部
２１　列方向信号供給部
２２　信号出力部
２３　Ａ／Ｄ変換部
２４　記憶部
２５　時定数計算部

Claims (5)

  1. 　被測定物に磁場を印加して磁化させ、当該磁場を遮断後に、被測定物の複数位置から放出される磁束を磁束検出素子により測定することにより、過渡変化の時定数を算出し、当該時定数の分布状態から被測定物の内部構造を検出する非破壊検査装置において、
    　前記磁束検出素子は、複数の微小センサがマトリクス配置されたアレイセンサと、当該アレイセンサの行と列を選択する走査手段が一体化されていることを特徴とする、非破壊検査装置。
  2. 　前記アレイセンサの行又は列のうち、一つのライン上から同一の時間に出力された時間を、ライン上の微小領域毎に独立して同時に記憶する記憶装置を備えたことを特徴とする、請求項１記載の非破壊検査装置。
  3. 　前記一つのライン上の磁束の過渡変化データを相対比較計算処理することにより、前記一つのライン上の複数の位置に対応する各微小領域の過渡変化の時定数を計算することを特徴とする、請求項２記載の非破壊検査装置。
  4. 　前記被測定物に磁場を印加するためのコアは、中心部に前記アレイセンサを配置する回収極と、当該回収極の少なくとも左右一対に対象配置された励磁極とからなることを特徴とする、請求項１記載の非破壊検査装置。
  5. 　前記被測定物の内部状態を判定し、前記被測定物に対して溶接を行う溶接ロボットに判定の結果を供給することを特徴とする、請求項１記載の非破壊検査装置。
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