JPH06265529A

JPH06265529A - スポット溶接部の評価方法及び装置

Info

Publication number: JPH06265529A
Application number: JP5054209A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Takesute; 義則武捨; Masahiro Koike; 正浩小池; Fuminobu Takahashi; 文信高橋
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】スポット溶接部のナゲット部を超音波探触子
による高精度に評価する。【構成】スポット溶接部に対して、超音波ビームを走
査する。このとき、超音波ビームの焦点位置が、下板３
の上板２側表面と、下板３の底面との間つまり下板３内
にくるようにする。上板２と下板３との接合面での反射
波Ｂ１を抽出してその強度分布を得、強度分布曲線が下
板３の底面反射波Ｂ２を抽出してその強度分布を得、反
射波Ｂ２の強度分布の両サイドの増加率がゼロになる２
点（イ）（ロ）の位置を検出し、反射波Ｂ１の強度分布
曲線と反射波Ｂ２の強度分布曲線とで囲まれる面積を算
出する。前記２点間の距離あるいは前記面積を基準にし
て、ナゲット部や接合状態を正確かつ簡便に評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスポット溶接部の評価方
法及び装置に係り、特に、スポット溶接部のナゲット部
を簡単且つ高精度に評価するのに好適なスポット溶接部
の評価方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スポット溶接は抵抗溶接の一種であり、
上板と下板の２枚の板を重ね、これを電極ではさみ加圧
しながら電流を流し、接触部の発熱で両板の一部を溶融
して接合するものである。接合部は、その接合形態か
ら、両板が溶融接合している中央部分をナゲット部と、
その外側の熱影響を受けて両板が固相接合している範囲
つまりコロナボンド部とからなる。なお、コロナボンド
部の外側は非接合部である。ナゲット部の大きさは、ス
ポット溶接部の接合強度と相関関係にあり、このため、
スポット溶接部の良否はナゲット部の大きさ（径）で評
価される。

【０００３】ナゲット径を超音波を用いて非破壊的に検
査する従来方法として、例えば特開平3-233352号公報記
載のものがある。この従来方法では、超音波探触子をス
ポット溶接部に接触させて走査しながら超音波を送受信
する。そして、ナゲット部とコロナボンド部との金属組
織の差により、ナゲット部を通過する超音波の減衰度が
コロナボンド部を通過する超音波の減衰度より大きいこ
とを利用し、予め設定した時間における下板底面反射波
のある高さを基準値とし、これと測定した下板底面反射
波の高さを比較し、測定した反射波の高さが基準値より
小さい箇所をナゲット部と判定し、測定した反射波の高
さが基準値より大きい箇所をコロナボンド部と判定して
いる。

【０００４】また、溶接学会論文集（第１０巻、第４
号、1992年、「超音波によるスポット溶接部の品質評
価」）では、水中で超音波集束ビームの焦点を下板底面
より深い位置に合わせ、この超音波集束ビームをスポッ
ト溶接部に対して二次元的に走査し、その映像からスポ
ット溶接部を評価している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た前者の従来方法は、超音波探触子を凹凸のあるスポッ
ト溶接面に接触させながら走査するため、受信信号強度
が不安定になり、スポット溶接部の安定した評価ができ
ない。また、スポット溶接部に入った超音波は広がって
しまうので、反射超音波の検出強度も小さくなり、精度
の高い評価ができないという問題がある。また、後者の
従来方法は、接合部としてナゲット部にコロナボンド部
を含めた範囲で評価しているので、ナゲット部のみの範
囲を評価できないという問題がある。

【０００６】本発明の目的は、コロナボンド部とナゲッ
ト部との境界を正確に把握し、ナゲット部を簡便且つ高
精度に評価できるスポット溶接部の評価方法及び装置を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、超音波集束
ビームの焦点をスポット溶接部の上板表面と下板底面と
の間に合わせる手段と、該超音波集束ビームを前記スポ
ット溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、前
記走査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送受
信し、各送受信位置毎のスポット溶接部下板の底面反射
波の強度を得る手段と、前記送受信位置に対する強度分
布の両サイドであってスポット溶接部の内側方向に向か
うにつれて増加し前記反射波強度の増加率が最初にそれ
ぞれゼロになる２点間の走査距離を検知する手段と、こ
の２点間の走査距離からスポット溶接部を評価する手段
とを設けることで、達成される。

【０００８】上記目的は、また、超音波集束ビームの焦
点を前記スポット溶接部の上板表面と下板底面との間に
合わせる手段と、前記超音波集束ビームを前記スポット
溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、前記走
査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送受信し
各送受信位置毎のスポット溶接部下板の底面反射波の強
度を得る手段と、前記送受信位置に対する反射波強度分
布の両サイドにおいてその強度が最大強度の所定比率に
なる強度位置の２点間の走査距離を検知する手段と、２
点間の走査距離からスポット溶接部を評価する手段とを
設けることで、達成される。

【０００９】上記目的は、更に、超音波送波子と超音波
受波子を、スポット溶接部の上板と下板を挾むように配
置する手段と、前記超音波送波子あるいは前記超音波受
波子の少なくともどちらか一方の超音波集束ビームの焦
点を、前記スポット溶接部の上板表面と下板底面との間
に合わせる手段と、各送受信位置毎のスポット溶接部を
透過した超音波強度分布を得る手段とを設けることで、
達成される。

【００１０】上記目的は、また、超音波集束ビームの焦
点をスポット溶接部の上板表面と下板底面との間に合わ
せる手段と、前記超音波集束ビームを前記スポット溶接
部を径方向に横切るように走査する手段と、前記走査に
伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送受信し、各
送受信位置毎のスポット溶接部接合面からの反射波強度
を得る手段と、前記送受信位置に対する反射波強度分布
の両サイドにおいて、その強度が最大強度の所定比率に
なる強度位置の２点間の走査距離を検知する手段と、前
記２点間の走査距離に所定定数を加えた値からスポット
溶接部を評価する手段とを設けることで、達成される。

【００１１】上記目的は、反射超音波から得られた上記
評価の結果と、透過超音波から得られた上記評価の結果
値との平均値からスポット溶接部を評価する構成とする
ことで、達成される。

【００１２】上記目的は、また、超音波集束ビームの焦
点を前記スポット溶接部の上板表面と下板底面との間に
合わせる手段と、前記超音波集束ビームを前記スポット
溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、前記走
査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送受信
し、各送受信位置毎のスポット溶接部の上板と下板の接
合面からの反射波強度と、スポット溶接部下板の底面か
らの反射波強度を得る手段と、前記二つの強度分布曲線
の両サイドにおいて、両曲線がスポット溶接部の内側方
向に向ってそれぞれ最初に交差する２点間で、各送受信
位置毎の下板底面の反射波強度から上板と下板の接合面
からの反射波強度を差し引いた値の積分値を得る手段
と、この積分値からスポット溶接部を評価する手段とを
設けることで、達成される。

【００１３】上記目的は、更に、スポット溶接部に対し
て超音波集束ビームを形成し且つ走査する手段として、
アレイ型超音波探触子を用いることで、達成される。

【００１４】上記目的は、上述したスポット溶接部評価
装置をスポット溶接ラインのスポット溶接工程直後に動
作させ、スポット溶接部を不良と判定したとき、同じ箇
所を再度スポット溶接するようにスポット溶接機に指示
し、この指示がＮ回繰返えされてもなおかつ不良と判定
された場合には、溶接条件の見直しを行い或いはスポッ
ト溶接対象の製品を排除することにより、達成される。

【００１５】

【作用】本発明では、超音波集束ビームの焦点をスポッ
ト溶接部の上板表面と下板底面との間に合わせるため、
スポット溶接部下板の底面反射波の強度を高めることが
可能となる。一般的に、超音波集束ビームの焦点では、
最も良い方位分解能と最も高い受信強度が得られ、焦点
から前後に離れるほど両者は低下する。従って、通常
は、観察対象面に焦点を合わせるが、場合によっては観
察面である接合面と、反射面である下板底面の位置が異
なることもある。その場合には、本発明のように、観察
対象面と超音波反射面の中間に焦点を合わせることで、
観察対象とするスポット溶接部の上板と下板の接合面で
の超音波ビーム径をあまり大きくせず、かつスポット溶
接部下板の底面反射波の強度を低下させることなく受信
でき、スポット溶接部のコロナボンド部とナゲット部境
界の微小な範囲毎の情報をＳ／Ｎが良い状態で得られ
る。

【００１６】本発明では、反射波強度分布の両サイドに
おいて、スポット溶接部の内側方向に向かうにつれて増
加し前記反射波強度の増加率が最初にそれぞれゼロにな
る２点間の走査距離からスポット溶接部を評価する。細
い超音波集束ビームによって、スポット溶接部のコロナ
ボンド部とナゲット部境界の微小な範囲毎の情報を、連
続的な強度分布として得るので、反射波強度分布の強度
増加率を検知することにより、コロナボンド部の微少な
すきまに対して、超音波の透過強度に影響が無くなる位
置、すなわち、コロナボンド部とナゲット部との境界を
正確に評価できる。

【００１７】また、本発明では、反射波強度分布の両サ
イドにおいて、その強度が最大強度の所定比率になる強
度位置の２点間の走査距離からスポット溶接部を評価す
るので、接合面において上板と下板が溶着している範囲
の周囲で微妙な隙間があっても強度的に寄与する場合に
は、多少大きめの範囲をナゲット部として評価できる。

【００１８】また、超音波送波子と超音波受波子を、ス
ポット溶接部の上板と下板を挾むように配置した二探触
子法を採用することで、一探触子法で受信される上板表
面からの反射波の影響を無くすことができ、薄板のスポ
ット溶接部の最適な評価が可能となる。

【００１９】また、本発明では、反射波強度分布の両サ
イドにおいて、その強度が最大強度の所定比率になる強
度位置の２点間の走査距離からスポット溶接部を評価す
るので、スポット溶接部の下板底面の凹凸による下板底
面反射エコーの強度変動を無くすことができ、安定した
スポット溶接部の評価が可能となる。

【００２０】また、本発明では、第１に、各送受信位置
毎のスポット溶接部下板の底面反射波の強度を得る手段
と、第２に、各送受信位置毎のスポット溶接部接合面か
らの反射波強度を得る手段とを備え、さらに、第１と第
２の手段によって得られた走査距離の平均値を算出する
手段を備えている。従って、第１の、スポット溶接部接
合面の透過波と、第２の、スポット溶接部接合面の反射
波とにより、スポット溶接部の同一個所を２重の情報で
評価するので、評価の信頼性が向上する。

【００２１】本発明では、各送受信位置毎のスポット溶
接部の上板と下板の接合面からの反射波強度と、スポッ
ト溶接部下板の底面からの反射波強度を得、この二つの
強度分布曲線の両サイドにおいて、両曲線がスポット溶
接部の内側方向に向ってそれぞれ最初に交差する２点間
で、各送受信位置毎の下板底面の反射波強度から上板と
下板の接合面からの反射波強度を差し引いた値の積分値
を算出し、この積分値からスポット溶接部を評価するの
で、ナゲット部とコロナボンド部の境界を知ることは勿
論、ナゲット部内の欠陥の有無や全体的な接合状態を二
重にチェックできる。

【００２２】本発明で、スポット溶接部に対して超音波
集束ビームを形成且つ走査する手段としてアレイ型超音
波探触子を用いると、焦点位置を自由に設定でき、かつ
超音波集束ビームを電子的に高速で走査することがで
き、スポット溶接部の検査を短時間で効率良く行える。

【００２３】さらに、本発明では、上述のスポット溶接
部の評価を、スポット溶接ラインのスポット溶接工程直
後に実行し、もし、スポット溶接部を不良と判定した場
合には、同じ場所を再度スポット溶接を行うように、ス
ポット溶接機にフィードバックし、このフィードバック
を同一スポット溶接箇所に対してＮ回繰返し、なおかつ
不良と判定した場合には、溶接条件の見直しを行うか、
場合によっては製品を排除する。つまり、スポット溶接
条件の管理をスポット溶接直後で行うので、スポット溶
接の異常を直ちに感知でき、不良を最小限に抑えられ
る。

【００２４】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図面を用いて説
明する。図１は、本発明の一実施例に係るスポット溶接
部評価方法における超音波ビーム走査方法を説明する図
であり、超音波集束ビーム１を、スポット溶接部の径の
中心Ｏを通過するようにＸ方向（径方向）に走査してい
る時の板材の断面図である。図２は、スポット溶接部の
各位置で得られる探傷波形であり、図３は、超音波集束
ビームの走査によって得られる下板底面エコーの強度分
布である。

【００２５】図１で、超音波集束ビーム１は、液体を介
してスポット溶接部の上板２側から照射され、その焦点
が下板３の板厚ｔの半分の位置になるように制御されて
いる。スポット溶接部の接合面４は、その接合形態か
ら、接合部中心の上板２と下板３が溶着しているナゲッ
ト部Ａと、その周囲の上板２と下板３が熱影響を受けて
密着しているコロナボンド部Ｂと、それ以外の非接合部
Ｃとに区別できる。特に、コロナボンド部Ｂでは、上板
２と下板３が数ミクロン以下の隙間で接触していると考
えられるので超音波は透過し、コロナボンド部Ｂの接合
面４からの反射波強度は非常に弱い。しかし、その透過
率は隙間の大小によって変化する。そこで、本実施例で
は、コロナボンド部Ｂの隙間４における超音波の透過率
の変化を検知して、コロナボンド部Ｂとナゲット部Ａと
の境界を検出する。

【００２６】図２は、スポット溶接部のナゲット部Ａ及
びコロナボンド部Ｂ、非接合部Ｃで夫々得られる超音波
の受信波形である。超音波集束ビームが（イ）の位置の
非接合部Ｃでは、上板２と下板３が完全に離れているの
で、上板２の表面での反射波Ｓの後に、上板２の底面で
の反射波Ｂ１が来て、次に、反射波Ｂ１の上板２内での
多重反射波Ｂ１-２が受信される。コロナボンド部Ｂと
ナゲット部Ａでは、上板２の表面での反射波Ｓの後に、
上板２と下板３の隙間（超音波はほとんど透過する。）
での微弱な反射波Ｂ１が来て、次に、下板３まで透過し
下板３の底面５で反射した反射波Ｂ２が受信される。従
って、上板２と下板３の板厚が同じ場合には、表面反射
波Ｓから反射波Ｂ２が受信されるまでの時間は、表面反
射波Ｓから反射波Ｂ１が受信されるまでの時間の約２倍
である。

【００２７】図３は、図２で説明した反射波Ｂ２の強度
変化を抽出するため、反射波Ｂ２が出現する時間位置に
ゲートＧを設定し、反射波Ｂ２の強度Ｐを超音波集束ビ
ーム１のＸ方向の走査位置に対応してグラフ化した強度
分布である。非接合部Ｃのコロナボンド部Ｂとの境界
（ニ）までは、反射波Ｂ２は受信されず、ゲートＧの出
力値は点線で示すように低くなるはずであるが、実際に
は反射波Ｂ１の２回目の多重反射波Ｂ１-２がゲートＧ
で検知され、ゲートＧの出力値は実線のようにある値を
示す。多重反射波Ｂ１-２の強度は、超音波集束ビーム
１が境界（ニ）の少し手前から、Ｘ方向に走査されるに
従って低下し、非接合部Ｃとコロナボンド部Ｂの境界位
置（ニ）では反射波Ｂ２も受信されるが、その強度は極
小値を示す。

【００２８】さらに、超音波集束ビーム１がスポット溶
接部中心Ｏに向かって走査されると、反射波Ｂ２は、コ
ロナボンド部Ｂの隙間４が狭くなるにつれて、隙間４で
の減衰が少なくなるため、その強度は増加する。そし
て、コロナボンド部Ｂとナゲット部Ａの境界位置（ホ）
から溶着状態になり、やがてコロナボンド部Ｂの隙間４
がゼロになるので、反射波Ｂ２の強度は最大となり、そ
の後は増加しない。ナゲット部Ａ内では、反射波Ｂ２は
一定の強度かあるいはやや低下する傾向を示す。従っ
て、図３の強度分布の左右の極小値の間隔（ニ）〜
（ト）が、コロナボンド部Ｂの直径に対応する。また、
図３の反射波Ｂ２の強度分布において、左右の、スポッ
ト溶接部中心Ｏに向かって増加する、反射波Ｂ２の強度
の増加率がゼロになる２点間の距離（ホ）〜（ヘ）がナ
ゲット部Ａの直径に対応する。

【００２９】図４は、前述したナゲット部Ａの直径を測
定する装置の回路構成図である。水槽７内の被検査体１
９に対し、Ｘ−Ｙスキャナ６をスキャナ駆動部８により
駆動し、超音波集束ビーム１をたとえば送りピッチ０．
０５ｍｍで走査する。一方、超音波集束ビーム１の送受
信は、超音波送受信部９により行い、送受信のタイミン
グは、Ｘ−Ｙスキャナ６の送りピッチに同期するように
制御回路１１で制御する。各走査位置での下板３の底面
反射波Ｂ２は、ゲート回路１０によりその強度を検出
し、メモリ回路１２に走査位置と強度を格納すると同時
に、表示部１５に強度分布として表示する。

【００３０】超音波集束ビーム１の走査が完了すると、
増加率演算回路１３は、図５に示すように、メモリ回路
１２に格納した強度データＸ１〜ＸＮを、Ｘ１側から読
み出して増加率の演算処理（ｄＰ／ｄＸ）を行い、図５
のＸ１→ＸＮの曲線を得る。この時、マイナスの増加率
は検出しないようにしているので、強度分布曲線上で増
加率が最初にゼロになる位置Ｓに対応するＸ１→ＸＮ曲
線上の位置データＸＳを知る。次に前記とは逆に、増加
率演算回路１３は、メモリ回路１２に格納した強度デー
タＸ１〜ＸＮを、ＸＮ側から読み出して増加率の演算処
理（ｄＰ／ｄＸ）を行い、図５の強度分布曲線上の反対
側で増加率が最初にゼロになる位置Ｅに対応するＸＮ→
Ｘ１曲線上の位置データＸＥを知る。走査距離演算回路
１４は、前記２つの曲線の夫々最初に増加率がゼロとな
る点ＸＳとＸＥ間の走査距離（ＸＳ−ＸＥ）を算出し、
表示部１５に数値や画像として表示する。この距離がナ
ゲット部Ａの直径になる。もちろん、スポット溶接部表
面の凹凸の影響がある場合等、補正が必要な場合には、
算出したナゲット径の値に所定定数を加えた値をナゲッ
ト径とする。

【００３１】なお、上述のスポット溶接部の強度分布曲
線は、図６に示すように、２つの探触子をスポット溶接
部を挟むように配置した透過法によっても得られ、その
場合の評価方法も全く上述の方法と同様である。但し、
スポット溶接部両サイドのＣの範囲は超音波が透過しな
いので、強度分布曲線の両サイドは図３の点線で示すよ
うに低い強度になる。

【００３２】尚、スポット溶接部を、図１〜図５で説明
した反射超音波の強度による評価の結果だけではなく、
図６の透過超音波の強度による評価の結果との平均値か
ら評価することで、より高精度の評価が可能となる。

【００３３】図７（ａ）は、実際のスポット溶接部の板
厚方向の断面写真、同図（ｂ）は、前記スポット溶接部
の断面位置において、超音波集束ビームを送受信しなが
ら走査して得られる、接合面反射波（Ｂ１）と下板底面
反射波（Ｂ２）の強度分布である。但し、スポット溶接
部の表面は平面に加工してある。

【００３４】図７（ａ）の断面写真から、ナゲット径す
なわち上板と下板の接合面の隙間が無くなる位置を読み
取ると４．２８ｍｍである。これに対し、図７（ｂ）
の、接合面反射波（Ｂ１）と下板底面反射波（Ｂ２）の
強度分布からナゲット径を読み取ると、まず、下板底面
反射波（Ｂ２）の強度分布は、図のようにスポット溶接
部の中央部で反射波強度が高くなる台形形状になる。そ
の台形形状の両肩において、反射波強度の増加率が夫々
ゼロになる位置（イ）、（ロ）の２点間の距離を読み取
ると４．１４ｍｍとなり、断面写真から読み取った値よ
りやや小さめになる。なお、この強度分布において、
（ホ）及び（ヘ）の外側つまり非接合部側で再び反射波
強度が高くなるのは、前述したように上板底面の２回目
の多重反射波が同じゲートで検出されるためである。

【００３５】次に、接合面反射波（Ｂ１）の強度分布
は、スポット溶接部の中心に向かって、上板２と下板３
の接合度合いが増すに従い隙間が小さくなるため、上板
２の底板の反射波は小さくなり、丁度先程の台形形状と
は逆の鍋底形状になる。この鍋底形状の最大強度の所定
比率になる強度位置、例えば図では、その強度が０．１
５になる（ハ）及び（ニ）の２点間の距離を読み取ると
４．６４ｍｍとなり、断面写真から読み取った値よりや
や大きめになる。両者の平均を取ると、４．３９ｍｍと
なり、断面写真から読み取った値と約０．１ｍｍの差で
評価できる。

【００３６】前述の実施例では、超音波集束ビーム１の
走査は、スポット溶接部の中心を通る１ラインだけであ
ったが、図８に示すように、超音波集束ビーム１をＸ−
Ｙ方向の二次元的に走査することも可能である。この場
合、もちろん、反射波Ｂ２の強度分布をカラー階調化し
た二次元映像として得る手段を設ける。この結果、図９
に示すように、スポット溶接部の全体の様子がカラー映
像で把握でき、ナゲット部の形状やナゲット部に存在す
る欠陥Ｆの有無や、分布まで一目瞭然となる。尚、図９
の二次元映像を横切るＡ−Ａ’上の強度を見れば、前述
と同様の強度分布が得られることは言うまでもない。

【００３７】反射波Ｂ２の強度分布をカラー階調化した
二次元映像において、あるレベル以上の強度の面積率を
算出し、この面積率と正常なスポット溶接部の面積率と
を比較して、スポット溶接部の良否を判定できる。例え
ば、図１０（ａ）に示すように、正常にスポット接合し
た場合の反射波Ｂ２の最大強度の、９５％以上の強度の
面積率ＮＳを“１００”とすると、同図（ｂ）に示すよ
うな、全体的に接合強度にむらがある場合、面積率ＮＳ
は“７０”となり、あるいは、同図（ｃ）に示すよう
に、接合部内部に欠陥がある場合には面積率ＮＳは“９
０”となる。このように、異常がある場合には面積率は
“１００”を下まわることになる。従って、面積率が許
容値以下になった場合には接合不良と判定できる。ま
た、連続的にスポット溶接部の検査を行い、ナゲット部
の形状が図１１に示すように、一定方向に偏っている場
合は、電極消耗や片当り等の溶接条件の不良が考えられ
るので、スポット溶接部の二次元映像を見ながら溶接条
件の管理にも利用できる。

【００３８】図１２（ａ）は、アレイ型超音波探触子１
６を用い超音波集束ビーム１をスポット溶接部に走査す
る実施例を示す図である。本実施例の場合、アレイを配
列したＸ方向には電子走査、また、それと直行するＹ方
向には機械走査を行う。二次元走査の１軸を電子走査化
したことで、走査時間は１／３０に短縮され、短時間で
スポット溶接部の検査が行える。なお、超音波ビームの
集束は、超音波の送受信タイミング制御による電子集束
と、音響レンズ１８による集束を併用している。また、
二次元アレイ探触子を用いることで、２軸とも電子走査
化が可能であり、より高速な検査が実現できる。

【００３９】図１２（ｂ）は、水槽に入れて検査するこ
とができない物の検査例を示し、アレイ型超音波探触子
１６の前面には液体が入った袋１７がとりつけられ、ス
ポット溶接部表面との音響的カプリングをとっている。

【００４０】上述した実施例では、何れも下板の底面反
射波Ｂ２を検出して映像化した例について述べたが、上
板と下板の境界に発生する欠陥を重点に検出する場合に
は、反射波Ｂ１を映像化すれば、より確実にスポット溶
接部内の欠陥を検出できることは言うまでもない。

【００４１】また、スポット溶接部表面の凹凸の影響に
より、強度分布曲線が変形する場合には、強度の補正を
行えば良い。

【００４２】図１３（ａ）は、スポット溶接の通電時間
を４サイクルとして溶接した試験片について、スポット
溶接部中心を径方向に横切る走査ラインについて超音波
集束ビームを走査したときの、上板と下板の接合面から
の反射波Ｂ１と、下板の底面からの反射波Ｂ２の強度分
布を示す図である。図１３（ｂ）〜（ｅ）は、同様に、
通電時間が５，６，７，８サイクルの各試験片から得ら
れた強度分布図である。これ等からわかるように、スポ
ット溶接部では、通電時間が長く（サイクル数が多く）
なるにつれて接合状態が良くなり、反射波Ｂ１の強度は
段々低下し、また、反射波Ｂ２の強度は段々大きくなる
ことがわかる。従って、上板と下板の接合面からの反射
波Ｂ１と、下板の底面からの反射波Ｂ２で囲まれる面積
は、接合状態が良くなるにつれて大きくなる。そこで、
同図各強度分布の両端から見て両曲線が最初に交差する
２点ａ−ｂの間で、両曲線で囲まれる面積Ｓを次の数１
にしたがって、算出すると図１４のようになる。

【００４３】

【数１】

【００４４】また、図１４中の×印で示す４〜６サイク
ルの試験片は、引き剥がし試験の結果簡単に剥がれてし
まい、接合強度が全く得られないものであった。７，８
サイクルの試験片は、引き剥がし試験の結果、接合部が
ボタン状に残り、ある接合強度が得られた。この結果、
例えば上記面積Ｓのしきい値を“３０”〜“４０”に設
定すれば、接合強度が全く得られないものと、接合部が
ボタン状に残るものとが区別でき、面積Ｓから接合状態
の良否が評価できるようになる。

【００４５】図１５は、上述した評価方法をスポット溶
接ラインに適用した実施例を示す図であり、図１６は、
処理手順を示すフロチャートである。スポット溶接対象
部品２４は、ベルトコンベア２３に乗って位置（ａ）ま
で来ると、スポット溶接機２０と超音波検査機２１が組
み込まれた溶接ロボット２２（溶接機２０と検査機２１
は別々に設置しても良い）のスポット溶接機２０が作動
して、所定箇所のスポット溶接を行う。この後、対象部
品２４は位置（ｂ）まで進み、超音波検査機２１によ
り、スポット溶接部の検査を行う。超音波検査機２１の
検出部は、ロボット２２の手先に図１２（ｂ）の電子走
査式超音波探触子を取り付けたものを使用するのが好ま
しい。

【００４６】スポット溶接部の評価結果が良好（ＹＥ
Ｓ）であれば、スポット溶接機２０は次の対象部品のス
ポット溶接を行う。もし、不良（ＮＯ）であれば、ロボ
ット２２は、現在の位置（ｃ）から位置（ｄ）に移動
（ロボット２２は移動せず、上部が回転しても良い）
し、再度不良箇所のスポット溶接を行う。そして、超音
波検査機２１により、スポット溶接部の超音波検査を行
う。再溶接、再検査をＮ回繰返し、それでもまだスポッ
ト溶接部が不良と判定された場合には、一連の作業をス
トップし、スポット溶接機２０の電極消耗具合等、スポ
ット溶接条件のチェックを行う。場合によっては不良の
対象製品を排除する。

【００４７】以上のように、スポット溶接工程の直後に
検査を実施することで、スポット溶接条件の変動を速く
感知できる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、超音波集束ビームの焦
点を、スポット溶接部の上板と下板の接合面と下板底面
との間に合わせるようにしたため、観察対象とする接合
面の方位分解能をあまり低下させず、かつ下板底面反射
波の強度も低下させずにＳ／Ｎ良く下板底面反射波を検
出できる。また、超音波集束ビームを走査して、スポッ
ト溶接部下板の底面反射波強度の増加率から、スポット
溶接部のコロナボンド部の微小な隙間が無くなる位置を
検知できるので、ナゲット部の大きさを正確に評価でき
る。

【００４９】また、透過法によってスポット溶接部の表
面反射波の影響をなくせるので、特に薄板のナゲット部
の大きさを評価できる。

【００５０】また、スポット溶接部の下板の底面反射波
を用いない方法を採用すると、下板底面の凹凸の影響を
受けない、安定したスポット溶接部の評価ができる。

【００５１】また、スポット溶接部の透過波と、スポッ
ト溶接部接合面の反射波とにより、スポット溶接部の同
一個所を２重の情報で評価すると、評価の信頼性が向上
する。更に、両反射波で囲まれる面積からスポット溶接
部の良否判定を行うと、ボイドや全体的な接合状態等の
情報が得られ、簡便な評価ができる。

【００５２】また、アレイ型超音波探触子を用い電子走
査法により超音波集束ビームを高速に走査すると、短時
間でスポット溶接部の評価が行える。

【００５３】さらに、スポット溶接ラインのスポット溶
接工程の直後に検査を実施することで、スポット溶接条
件の変動を速く感知でき、スポット溶接の不良を最小限
に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るスポット溶接部評価方
法における超音波集束ビーム走査方法の説明図である。

【図２】図１の各走査位置での送受信波形図である。

【図３】超音波集束ビームを走査して得られる反射超音
波の強度分布図である。

【図４】本発明の一実施例に係るスポット溶接部評価装
置の回路構成図である。

【図５】図４の増加率演算回路の演算説明図である。

【図６】透過法で超音波集束ビームを走査する説明図で
ある。

【図７】反射波強度分布とナゲット径との対応図であ
る。

【図８】超音波集束ビームを二次元走査する説明図であ
る。

【図９】強度分布の二次元映像図である。

【図１０】各種スポット溶接部の強度分布の二次元映像
図である。

【図１１】電極の片当りの場合の強度分布の二次元映像
図である。

【図１２】アレイ型超音波探触子の使用説明図である。

【図１３】通電時間が異なる試験片で得られる強度分布
図である。

【図１４】通電時間と面積評価値の関係図である。

【図１５】スポット溶接ロボットの説明図である。

【図１６】図１５の溶接ロボットの処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１…超音波集束ビーム、２…上板、３…下板、４…接合
面、５…下板底面、６…Ｘ−Ｙスキャナ、７…水槽、８
…スキャナ駆動部、９…超音波送受信回路、１０…ゲー
ト回路、１１…制御回路、１２…メモリ回路、１３…増
加率演算回路、１４…走査距離演算回路、１５…表示
部、１６…アレイ型超音波探触子、１７…ゴム袋、１８
…音響レンズ、１９…被検査体、２０…スポット溶接
機、２１…超音波検査機、２２…装置、２３…コンベア
ー、Ａ…ナゲット部、Ｂ…コロナボンド部、Ｃ…非接合
部、Ｂ１…接合面反射波、Ｂ２…下板底面反射波。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋文信茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上板と下板とをスポット溶接した板材に
対し上板表面から下板方向に超音波ビームを送信すると
共に反射超音波を受信し、該超音波ビームを板材に対し
て相対的に走査しながら得られる反射超音波の強度変化
からスポット溶接部の走査方向の大きさを検査するスポ
ット溶接部の評価方法において、送信する超音波ビーム
を下板の上板側表面と裏面との間に焦合させながら超音
波ビームを板材に対して相対的に走査し、上板・下板間
接合部からの反射超音波と下板裏面からの反射超音波の
強度変化からスポット溶接部の走査方向の大きさを求め
ることを特徴とするスポット溶接部の評価方法。
【請求項２】上板と下板とをスポット溶接した板材に
対し上板表面から下板方向に超音波ビームを送信すると
共に反射超音波を受信し、該超音波ビームを板材に対し
て相対的に走査しながら得られる反射超音波の強度変化
からスポット溶接部の走査方向の大きさを検査するスポ
ット溶接部評価装置において、送信する超音波ビームを
下板の上板側表面と裏面との間に焦合させる手段と、超
音波ビームを板材に対して相対的に走査し上板・下板間
接合部からの反射超音波と下板裏面からの反射超音波の
強度変化からスポット溶接部の走査方向の大きさを求め
る手段とを備えることを特徴とするスポット溶接部評価
装置。
【請求項３】上板と下板とをスポット溶接した板材に
対し上板表面から下板方向に超音波ビームを送信すると
共に反射超音波を受信し、該超音波ビームを板材に対し
て相対的に走査しながら得られる反射超音波の強度変化
からスポット溶接部の走査方向の大きさを検査するスポ
ット溶接部の評価方法において、送信する超音波ビーム
を下板の上板側表面と裏面との間に焦合させながら超音
波ビームを板材に対して相対的に走査し、該走査がスポ
ット溶接部分に入り下板裏面からの反射超音波の強度増
加後に強度変化率がゼロとなる第１点と、該走査がスポ
ット溶接部分から外れるに際し下板裏面からの反射超音
波の強度変化率がゼロから変化開始する第２点とを求
め、前記第１点と前記第２点との距離を基本にスポット
溶接部の走査方向の大きさを決めることを特徴とするス
ポット溶接部の評価方法。
【請求項４】上板と下板とをスポット溶接した板材に対
し上板表面から下板方向に超音波ビームを送信すると共
に反射超音波を受信し、該超音波ビームを板材に対して
相対的に走査しながら得られる反射超音波の強度変化か
らスポット溶接部の走査方向の大きさを検査するスポッ
ト溶接部評価装置において、送信する超音波ビームを下
板の上板側表面と裏面との間に焦合させる手段と、超音
波ビームの走査がスポット溶接部分に入り下板裏面から
の反射超音波の強度が増加した後に該強度の変化率がゼ
ロとなる第１点を求める手段と、該走査がスポット溶接
部分から外れるに際し下板裏面からの反射超音波の強度
の変化率がゼロから変化開始する第２点を求める手段
と、前記第１点と前記第２点との距離を基本にスポット
溶接部の走査方向の大きさを求める手段とを備えること
を特徴とするスポット溶接部評価装置。
【請求項５】上板と下板とをスポット溶接した板材に
対し上板表面から下板方向に超音波ビームを送信すると
共に反射超音波を受信し、該超音波ビームを板材に対し
て相対的に走査しながら得られる反射超音波の強度変化
からスポット溶接部の走査方向の大きさを検査するスポ
ット溶接部の評価方法において、送信する超音波ビーム
を下板の上板側表面と裏面との間に焦合させながら超音
波ビームを板材に対して相対的に走査し、走査に応じて
得られる上板・下板間接合部からの反射超音波強度曲線
を求め、走査に応じて得られる下板裏面からの反射超音
波強度曲線を求め、両反射波強度曲線に囲まれる面積か
らスポット溶接部の走査方向の大きさを求めることを特
徴とするスポット溶接部の評価方法。
【請求項６】上板と下板とをスポット溶接した板材に
対し上板表面から下板方向に超音波ビームを送信すると
共に反射超音波を受信し、該超音波ビームを板材に対し
て相対的に走査しながら得られる反射超音波の強度変化
からスポット溶接部の走査方向の大きさを検査するスポ
ット溶接部評価装置において、送信する超音波ビームを
下板の上板側表面と裏面との間に焦合させながら超音波
ビームを板材に対して相対的に走査する手段と、走査に
応じて得られる上板・下板間接合部からの反射超音波強
度曲線を求める手段と、走査に応じて得られる下板裏面
からの反射超音波強度曲線を求める手段と、両反射波強
度曲線に囲まれる面積からスポット溶接部の走査方向の
大きさを求める手段とを備えることを特徴とするスポッ
ト溶接部評価装置。
【請求項７】超音波集束ビームを送受信してスポット
溶接部を検査する装置において、前記超音波集束ビーム
の焦点を前記スポット溶接部の上板表面と下板底面との
間に合わせる手段と、前記超音波集束ビームを前記スポ
ット溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、前
記走査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送受
信し各送受信位置毎のスポット溶接部下板の底面反射波
の強度を求める手段と、前記送受信位置に対する反射波
強度分布の両サイドであってスポット溶接部の内側方向
に向かうにつれて増加し前記反射波強度の増加率が最初
にそれぞれゼロになる２点間の走査距離を求める手段
と、前記２点間の走査距離に所定定数を加えた値からス
ポット溶接部を評価する手段とを備えることを特徴とす
るスポット溶接部評価装置。
【請求項８】超音波集束ビームを送受信してスポット
溶接部を検査する装置において、前記超音波集束ビーム
の焦点を前記スポット溶接部の上板表面と下板底面との
間に合わせる手段と、前記超音波集束ビームを前記スポ
ット溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、前
記走査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送受
信し各送受信位置毎のスポット溶接部下板の底面反射波
の強度を求める手段と、前記送受信位置に対する反射波
強度分布の両サイドであってその強度が最大強度の所定
比率になる強度位置の２点間の走査距離を検知する手段
と、前記２点間の走査距離に所定定数を加えた値からス
ポット溶接部を評価する手段とを備えることを特徴とす
るスポット溶接部評価装置。
【請求項９】請求項７または請求項８において、前記
強度分布は、超音波送波子と超音波受波子を、スポット
溶接部の上板と下板を挾むように配置し、前記超音波送
波子あるいは前記超音波受波子の少なくともどちらか一
方の超音波集束ビームの焦点を、前記スポット溶接部の
上板表面と下板底面との間に合わせ、該スポット溶接部
を透過した超音波強度を測定して得た強度分布であるこ
とを特徴とするスポット溶接部評価装置。
【請求項１０】超音波集束ビームを送受信してスポッ
ト溶接部を検査する装置において、前記超音波集束ビー
ムの焦点を前記スポット溶接部の上板表面と下板底面と
の間に合わせる手段と、前記超音波集束ビームを前記ス
ポット溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、
前記走査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送
受信し各送受信位置毎のスポット溶接部接合面からの反
射波強度を求める手段と、前記送受信位置に対する反射
波強度分布の両サイドであってその強度が最大強度の所
定比率になる強度位置の２点間の走査距離を検知する手
段と、前記２点間の走査距離に所定定数を加えた値から
スポット溶接部を評価する手段とを備えることを特徴と
するスポット溶接部評価装置。
【請求項１１】請求項７記載のスポット溶接部評価装
置により得られた評価値と、請求項１０記載のスポット
溶接部評価装置により得られた評価値との平均値からス
ポット溶接部を評価することを特徴とするスポット溶接
部評価装置。
【請求項１２】超音波集束ビームを送受信してスポッ
ト溶接部を検査する装置において、前記超音波集束ビー
ムの焦点を前記スポット溶接部の上板表面と下板底面と
の間に合わせる手段と、前記超音波集束ビームを前記ス
ポット溶接部を径方向に横切るように走査する手段と、
前記走査に伴って前記スポット溶接部に対し超音波を送
受信し各送受信位置毎のスポット溶接部下板底面からの
反射波強度とスポット溶接部の上板と下板の接合面から
の反射波強度を得る手段と、前記送受信位置に対する二
つの強度分布曲線の両サイドであって両曲線がスポット
溶接部の内側方向に向ってそれぞれ最初に交差する２点
間で各送受信位置毎の下板底面の反射波強度から上板と
下板の接合面からの反射波強度を差し引いた値の積分値
からスポット溶接部を評価する手段とを備えることを特
徴とするスポット溶接部評価装置。
【請求項１３】請求項７乃至請求項１２のいずれかに
おいて、スポット溶接部に対して超音波集束ビームを形
成し且つ走査する手段として、アレイ型超音波探触子を
用いたことを特徴とするスポット溶接部評価装置。
【請求項１４】スポット溶接機と、請求項７乃至請求
項１３のいずれかに記載のスポット溶接部評価装置と、
該スポット溶接部評価装置がスポット溶接部不良と判定
したときに同じ箇所に再度スポット溶接を前記スポット
溶接機にフィードバック指示する制御手段と、該制御手
段による同一箇所のスポット溶接指示がＮ回繰返えされ
た後も前記スポット溶接部評価装置が不良と判定したと
き溶接条件の見直しを行う手段または該スポット溶接の
対象製品を排除する手段とを備えることを特徴とするス
ポット溶接ロボット。
【請求項１５】超音波集束ビームを形成し且つ走査す
る手段として電子走査式超音波探触子を用いた請求項７
乃至請求項１２のいずれかに記載のスポット溶接部評価
装置と、前記電子走査式超音波探触子を手先に備えるロ
ボットと、該手先の前記電子走査式超音波探触子を液密
に覆い内部に超音波伝播液体媒質が収納された被検体接
触用の袋体とを備えることを特徴とするスポット溶接検
査ロボット。