JP2006035237A - スポット溶接評価方法及びスポット溶接評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】 非破壊検査によりスポット溶接の評価が行なえるスポット溶接評価方法
【解決手段】 本発明に係るスポット溶接評価方法は、複数の金属体を重ね合わせ、第１電極と第２電極とからなる一対の電極で挟持し、加圧通電して接合するスポット溶接を非破壊で検査するスポット溶接評価方法において、第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いてスポット溶接を行ない、凹部が形成された電極により、スポット溶接部に形成される凸部の高さに基づいてスポット溶接の良否を評価するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明はスポット溶接の評価方法及びスポット溶接評価システムに関するものである。

スポット溶接の評価方法は、ナゲット径でスポット溶接の強度を評価することが知られている。具体的手法としては、スポット溶接された２枚の鋼板の間にタガネを圧入してスポット溶接部を剥がし、ナゲット径を直接計測するいわゆるタガネ検査や、スポット溶接部を切断してナゲット径を直接計測する切断検査などの個別破壊計測が行なわれている。

また、スポット溶接に関する非破壊計測技術としては超音波を利用したもの（特開昭６２−１１９４５３号、特開平４−２６５８５４号）、振動を利用したもの（特開平９−１７１００７号）、断続光照射に伴う音波を検出するもの（特開平３−２６５９号）、溶接電極から発した弾性波の反射波を検出するもの（特開平４−４０３５９号）など各種提案されている。また、特開２００１−１６５９１１号公報には、ポット溶接部に磁力線を貫通させたときに測定されるスポット溶接部のナゲット周縁での環状高インダクタンス部分の直径と、前記高インダクタンス部分とナゲット中央部における低インダクタンス部分とのインダクタンス高低落差の２つの変数を用いて、ナゲット直径の予測値としての各変数を判別式で表し、ナゲット直径の良否を区別する閾値を設定するものが開示されている。
特開２００１−１６５９１１号公報

タガネ検査は、破壊計測したものについて、スポット溶接の強度を評価することができるが、破壊計測していないものはスポット溶接の強度を直接評価することができない。また、近年、自動車のボディー等には軽量化を図るためハイテン（高張力鋼）材が多く用いられつつあるが、ハイテン材をスポット溶接した部位は通常の鋼板を溶接した部位に比べて硬いため、製造ラインで抜き打ちによるタガネ検査を行なうには不向きであった。

従って、非破壊検査によるスポット溶接の個別評価を行なえるスポット溶接評価手法を確立することが望まれている。非破壊検査は特開２００１−１６５９１１号公報などに開示されているが、設備コストや作業性の面を考慮すれば、より簡単な設備でより簡単に検査でき、信頼性が高い検査方法が望ましい。

本発明に係るスポット溶接評価方法では、第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いる。なお、一対の電極は、何れの電極に凹部を形成するか、電極の表面に形成する凹部の形状、大きさは任意である。斯かる一対の電極を用い、図２に示すように、複数の金属体（図示例では、２枚の金属体１、２）を重ね合わせ、斯かる一対の電極３、４で挟持し、加圧通電して接合するスポット溶接を行なうと、上側の電極３の表面に形成した凹部５に対応して、上側の金属体１の上面に凸部６が形成される。

本発明者らは、図１に示すように、この凸部６に着目し、ナゲット７の直径（ナゲット径）、引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係を調べた。その結果、これらには相関関係が見られ、凸部６の高さからナゲット径及び引張せん断強度（ＴＳＳ）が推定できるとの知見を得た。

本発明に係るスポット溶接評価方法は、ここで得られた知見を基に考案されたものである。すなわち、複数の金属体を重ね合わせ、第１電極と第２電極とからなる一対の電極で挟持し、加圧通電して接合するスポット溶接を非破壊で検査するスポット溶接評価方法において、第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いてスポット溶接を行ない、凹部が形成された電極により、スポット溶接部に形成された凸部の高さに基づいてスポット溶接の良否を評価するものである。

本発明に係るスポット溶接評価方法によれば、凹部が形成された電極により、スポット溶接部に形成される凸部の高さに基づいてスポット溶接の良否を評価するので、非破壊検査によりスポット溶接の評価が行なえる。また、ハイテン材を接合した部位に対しても、スポット溶接部に形成される凸部の高さを計測するだけでスポット溶接の良否を評価することができるので、スポット溶接評価作業が容易になる。また、スポット溶接評価作業が容易であるから、抜き打ち検査によらず、全ての製品のスポット溶接を個別に評価しても作業効率を阻害せず、製品の品質をより高精度に管理することが可能になる。また、このスポット溶接評価方法を利用するには、第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いることになるが、斯かる電極によれば、スパッタが発生するのを防止できる。

以下、本発明の一実施形態に係るスポット溶接評価方法を図面に基づいて説明する。

このスポット溶接評価方法では、図２に示すように、第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部５が形成された一対の電極３、４を用いる。斯かる一対の電極３、４で挟持し、加圧通電して接合するスポット溶接を行なうと、図２に示すように、上側の電極３の表面に形成した凹部５内に金属体１が隆起して、金属体１の上面に凸部６が形成される。

このスポット溶接評価方法は、斯かるスポット溶接により形成される凸部６の高さと、ナゲット径と、引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係に基づいて、スポット溶接の良否を判断するものである。この実施形態では、スポット溶接の良否判定のため、予め凸部６の高さと、ナゲット径と、引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係に関する基礎データを用意している。基礎データは、実際の製造ラインに応用するために、実際の製造ラインで行なわれるスポット溶接に合わせて、実際の製造ラインで用いる電極と同じものを用意し、実際の製造ラインで使うスポット溶接機と同じか又はこれと同じ機能を備えたスポット溶接機を用い、実際に製造する製品と同じ材質で同じ厚さの金属板を重ねてスポット溶接した試料に基づいて作成した。

基礎データの作成は、まず条件（電流、通電時間、加圧力）を変えて、それぞれ複数個ずつ試料を作成する。次に、各試料についてそれぞれ、図１に示すように、金属体の表面に形成された凸部６の高さを測る。そして、同じ条件で作成した試料のうちいくつかは溶接した金属体を互いに反対方向に引っ張りせん断強度を調べて引張せん断強度（ＴＳＳ）を測り、他のいくつかはタガネ検査又は切断検査によりナゲット径を測る。これにより、同じ条件で作成した試料間で、凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係、凸部の高さとナゲット径との相関関係、及び、引張せん断強度（ＴＳＳ）とナゲット径の相関関係をそれぞれ得る。

図３は、凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータの一例を、図４は凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係を示すデータの一例を、図５はナゲット径と引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係を示すデータの一例をそれぞれ示している。

この実施形態では、図２に示すように、上下一対の電極３，４のうち、上側の電極３の表面に凹部５として、所定直径（３ｍｍと５ｍｍ）の円筒形状の窪みを形成した電極を用いている。図３〜図５の相関関係図は、電極３の表面に凹部５として形成した円筒形状の窪みの直径が３ｍｍのものと、５ｍｍのもので２種類の電極でデータを取った。それぞれ加圧力は２５０ｋｇｆ（約２．４５ｋＮ）と１５０ｋｇｆ（約１．４７ｋＮ）の２通り、また電流値は５ｋＡ〜１３ｋＡの間で変え、通電時間は４cycle〜１０cycleの間で変えてスポット溶接のエネルギーを変え、凸部の高さやナゲット径、引張せん断強度（TSS）が異なる試料を作成した。また異なる条件毎に複数個ずつ試料を作成した。なお、この実施形態では、周波数６０Hzの交流でスポット溶接を行なっており、cycleは通電時間を設定する単位であり、１cycleは１/６０secである。

次に、各試料についてそれぞれ金属体の表面に形成された凸部６の高さを測り、同じ条件で作成した試料のうちいくつかは引張せん断強度（ＴＳＳ）を測り、他のいくつかはタガネ検査又は切断検査によりナゲット径を測ることにより、同じ条件で作成した試料間で、凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係、凸部の高さとナゲット径との相関関係、及び、引張せん断強度（ＴＳＳ）とナゲット径の相関関係をそれぞれ得たものである。図３〜図５の相関関係図は、同じ条件で作成した試料間で、凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係、凸部の高さとナゲット径との相関関係、及び、引張せん断強度（ＴＳＳ）とナゲット径の相関関係を算出し、それぞれの座標に示したものである。

この結果、スポット溶接部に形成される凸部の高さ、ナゲット径、及び、引張せん断強度（ＴＳＳ）は、溶接の条件を変えることにより異なること、および、凸部の高さ、ナゲット径、及び、引張せん断強度（ＴＳＳ）にそれぞれ相関関係があることがわかった。

実際の製造ラインでは、製品のスポット溶接部に形成される凸部の高さを測定して、測定結果を上記の相関関係に照らし合わせることより、凸部の高さからナゲット径及び引張せん断強度（ＴＳＳ）を推定し、スポット溶接の良否を評価することができる。

このスポット溶接評価方法によれば、実際の製造ラインで、第１電極３と第２電極４の何れか一方の電極３の表面に凹部５が形成された一対の電極３、４を用い、凹部５が形成された電極により、スポット溶接部に形成される凸部６の高さに基づいてスポット溶接の良否を評価するので、非破壊検査によるスポット溶接の個別評価が行なえる。また、ハイテン材を接合した部位に対しても、スポット溶接部に形成される凸部６の高さを計測するだけで、スポット溶接の良否を評価することができるので、スポット溶接評価作業が容易になる。また、このスポット溶接評価方法を利用するには、第１電極３と第２電極４の何れか一方の電極３の表面に凹部５が形成された一対の電極３、４を用いることになるが、斯かる電極によれば、スパッタが発生するのを防止できる。

以上、本発明の一実施形態に係るスポット溶接評価方法を説明したが、本発明に係るスポット溶接評価方法は上記に限定されるものではない。

上述した凸部６の高さとナゲット径との相関関係、凸部６の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係、及び、ナゲット径と引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係を示す基礎データの取り方、そのデータの表示方法は、上記の例に限定されるものではない。

また、製品に用いる金属体の材質や厚さなどが異なれば、それに対応した上記の相関関係に関する基礎データを取り、斯かる基礎データに基づいてスポット溶接の良否を判定するとよい。

また、ナゲット径と引張せん断強度（TSS）との相関関係は一般的に知られているので、スポット溶接の良否判定に用いる基礎データは、凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータだけを用いてもよいし、凸部の高さとスポット溶接部の引張せん断強度（TSS）との相関関係を示すデータだけを用いてもよい。

また、上記のスポット溶接評価方法は、コンピュータを利用したスポット溶接評価システムとして具現化することができる。例えば、斯かるスポット溶接評価システムは、第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いてスポット溶接を行って作成した試料において、凹部が形成された電極によりスポット溶接部に形成された凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータ、又は、試料のスポット溶接部に形成された凸部の高さとスポット溶接部の引張せん断強度との相関関係を示すデータの少なくとも一方を記憶した記憶部と、一対の電極を用いてスポット溶接を行なって製品のスポット溶接部に形成された凸部の高さ情報を入力する入力部と、入力部に入力された凸部の高さ情報を、記憶部に記憶した凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータ、又は、凸部の高さとスポット溶接部の引張せん断強度との相関関係を示すデータに基づいて、スポット溶接の良否を判定する判定部とを備えたものにすることができる。

斯かるスポット溶接評価システムによれば、一対の電極を用いてスポット溶接を行なって製品のスポット溶接部に形成された凸部の高さを測定し、その測定結果を入力するだけで、スポット溶接の良否を判定でき、判定作業を簡易化できる。

スポット溶接部に形成された凸部の高さを測定する方法としては、ノギスで測定するとよいが、例えば、図６に示すような、専用の測定器１０を用いて測定してもよい。この測定器１０を示す図６中、１１は溶接した金属体の表面に当接し、測定器１０の基準位置を設定する位置決め部、１２は位置決め部１１に対して相対的に進退する接触式の変位センサ部、１３は位置決め部１１により定まる基準位置と変位センサ部１２の先端の位置との相対変位量を測定する測定部をそれぞれ示している。この測定器１０は、図６に示すように、位置決め部１１を金属体の表面に当接させ、変位センサ部１２をスポット溶接部に形成された凸部６の頂部に当てることにより、測定部１３で凸部６の高さが測定されるようになっている。

また、さらに一対の電極を用いてスポット溶接を行なって製品のスポット溶接部に形成された凸部の高さ測定し、その測定結果を入力する作業に、コンピュータを利用した公知の形状認識手段を組み合わせ、一対の電極を用いてスポット溶接を行なって製品のスポット溶接部に形成された凸部の高さが自動的に測定され、その測定結果が自動入力されるように構成することにより、スポット溶接の良否判定作業をさらに簡易化することができる。

例えば、図６に示す測定器１０において、測定器１０により測定された測定結果が自動的に凸部６の高さ情報として測定部１３からコンピュータの入力部１４に自動的に入力されるように構成するとよい。なお、公知の形状認識手段としては、レーザー変位センサを利用したものや、画像処理測定などを利用したものが知られている。レーザー変位センサは、例えば、スポット溶接部に形成された凸部を横断又は縦断するようにレーザー光を照射し、スポット溶接部及び金属体の表面から反射した反射光を受信するものである。レーザー変位センサにより受信した反射光を解析して、スポット溶接部に形成された凸部の高さ（金属体表面の変位）を測定する変位測定装置を組み合わせることにより、スポット溶接部に形成された凸部の高さ情報を得るようにしてもよい。また、画像処理測定は、スポット溶接部に形成された凸部を撮影した画像を基に、凸部の高さ情報を得るものである。

スポット溶接部の断面図である。 本発明の一実施形態に係るスポット溶接評価方法におけるスポット溶接の工程を示す縦断側面図である。 スポット溶接により形成される凸部の高さとナゲット径との相関関係の一例を示す図である。 スポット溶接により形成される凸部の高さと引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係の一例を示す図である。 ナゲット径と引張せん断強度（ＴＳＳ）との相関関係の一例を示す図である。 スポット溶接部に形成された凸部の高さを測定する測定器の一例を示す図である。

符号の説明

１、２ 金属体
３、４ 電極
５ 凹部
６ 凸部
７ ナゲット

Claims (3)

1. 複数の金属体を重ね合わせ、第１電極と第２電極とからなる一対の電極で挟持し、加圧通電して接合するスポット溶接の良否を非破壊で検査するスポット溶接評価方法において、
   第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いてスポット溶接を行ない、前記凹部が形成された電極により、スポット溶接部に形成された凸部の高さに基づいてスポット溶接の良否を評価するスポット溶接評価方法。
2. 前記スポット溶接の良否の評価は、前記一対の電極を用いて予めスポット溶接を行なって作成した試料のスポット溶接部に形成された凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータ、又は、前記試料のスポット溶接部に形成された凸部の高さとスポット溶接部の引張せん断強度との相関関係を示すデータに基づいて判定するものであることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接評価方法。
3. コンピュータを利用したスポット溶接評価システムであって、
   第１電極と第２電極の何れか一方の電極の表面に凹部が形成された一対の電極を用いてスポット溶接を行なって作成した試料において、前記凹部が形成された電極によりスポット溶接部に形成された凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータ、又は、前記試料のスポット溶接部に形成された凸部の高さとスポット溶接部の引張せん断強度との相関関係を示すデータの少なくとも一方を記憶した記憶部と、
   前記一対の電極を用いてスポット溶接を行なって製品のスポット溶接部に形成された凸部の高さ情報を入力する入力部と、
   前記入力部に入力された凸部の高さ情報を、前記記憶部に記憶した凸部の高さとナゲット径との相関関係を示すデータ、又は、凸部の高さとスポット溶接部の引張せん断強度との相関関係を示すデータに基づいて、スポット溶接の良否を判定する判定部とを備えていることを特徴とするスポット溶接評価システム。

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