(57)【要約】非破壊検査方法は、検査対象部に第１静磁場を印加することによって検査対象部を磁化する工程と（Ｓ２）、第１静磁場を遮断し（Ｓ３）、磁化された検査対象部を通る第１残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と（Ｓ４）、各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第１時定数として求める工程と（Ｓ５）、検査対象部に第２静磁場を印加することによって検査対象部を磁化する工程と（Ｓ２）、第２静磁場を遮断し（Ｓ３）、磁化された検査対象部を通る第２残留磁場の各測定位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と（Ｓ４）、各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第２時定数として求める工程と（Ｓ５）、測定位置における第１時定数の分布と第２時定数の分布との相違に基づいて、検査対象部の内部構造についての情報を求める工程と（Ｓ７）を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象部に第１静磁場を印加することによって前記検査対象部を磁化する工程と、
前記第１静磁場を遮断し、磁化された前記検査対象部を通る第１残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、
各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第１時定数として求める工程と、
前記検査対象部に第２静磁場を印加することによって前記検査対象部を磁化する工程と、
前記第２静磁場を遮断し、磁化された前記検査対象部を通る第２残留磁場の前記各測定位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、
前記各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第２時定数として求める工程と、
前記測定位置における前記第１時定数の分布と前記第２時定数の分布との相違に基づいて、前記検査対象部の内部構造についての情報を求める情報取得工程と、を含む、非破壊検査方法。
【請求項２】
前記測定位置は、前記検査対象部に対向して一列に配置している、請求項１に記載の非破壊検査方法。
【請求項３】
前記情報取得工程では、前記測定位置を変数とする前記第１時定数の分布関数、および、前記測定位置を変数とする前記第２時定数の分布関数より得られる比関数に基づいて、前記内部構造の情報を求める、請求項１に記載の非破壊検査方法。
【請求項４】
前記情報取得工程では、前記測定位置を変数とする前記第１時定数の分布関数、および、前記測定位置を変数とする前記第２時定数の分布関数より得られる差関数に基づいて、前記内部構造の情報を求める、請求項１に記載の非破壊検査方法。
【請求項５】
前記検査対象部は、２枚の金属板をスポット溶接した接合板材におけるスポット溶接部である、請求項１に記載の非破壊検査方法。
【請求項６】
前記情報取得工程では、前記内部構造の前記情報として、前記スポット溶接部に含まれるナゲット部の形状についての情報を求める、請求項５に記載の非破壊検査方法。
【請求項７】
検査対象部に静磁場を印加することによって前記検査対象部を磁化するステップと、前記静磁場を遮断し、磁化された前記検査対象部を通る残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定するステップと、各測定位置における前記過渡変化の主時定数を求めるステップとを、磁束密度の異なる複数の静磁場について行うスキャン工程と、
前記各測定位置について、前記スキャン工程における前記静磁場の変化に対する前記主時定数の変化を解析する解析工程と、
前記解析工程における解析結果に基づいて、前記検査対象部の内部構造についての情報を求める情報取得工程と、を含む、検査対象部の非破壊検査方法。
【請求項８】
前記解析工程では、前記各測定位置について、前記スキャン工程における前記静磁場の変化に対する前記主時定数の変化が最大となる時定数急変静磁場の磁束密度を求め、前記情報取得工程では、前記測定位置を変数とする時定数急変静磁場の分布関数に基づいて、前記検査対象部の内部構造についての情報を求める、請求項７に記載の非破壊検査方法。
【請求項９】
前記測定位置は、前記検査対象部に対向して一列に配置している、請求項７に記載の非破壊検査方法。
【請求項１０】
前記検査対象部は、２枚の金属板をスポット溶接した接合板材におけるスポット溶接部である、請求項７に記載の非破壊検査方法。
【請求項１１】
前記情報取得工程では、前記内部構造の情報として、前記スポット溶接部に含まれるナゲット部の形状についての情報を求める、請求項１０に記載の非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、スポット溶接部における溶接状態の良否判別などに適用され得る非破壊検査方法に関する。
背景技術
自動車や家電製品などの製造において利用することのできる金属板間の接合技術として、スポット溶接が知られている。スポット溶接に際しては、まず、図１８に示すように、重ね合わせた２枚の金属板１００ａ，１００ｂを一対の電極１５０ａ，１５０ｂで挟む。この状態で、一対の電極１５０ａ，１５０ｂにより金属板１００ａ，１００ｂを局所的に加圧しつつ、電極１５０ａ，１５０ｂの間を通電する。電流は、金属板１００ａ，１００ｂにおいて電極１５０ａ，１５０ｂに挟まれた箇所を集中的に流れてジュール熱を発生させる。このジュール熱により金属板１００ａ，１００ｂの一部を溶融させた後、通電を停止する。金属板１００ａ，１００ｂにおける当該溶融部位が冷却して凝固することによって、金属板１００ａ，１００ｂは溶接されることとなる。
図１９は、上述のようにしてスポット溶接された２枚の金属板１００ａ，１００ｂにおけるスポット溶接部の断面図である。スポット溶接部において、金属板１００ａ，１００ｂの外表面は、電極１５０ａ，１５０ｂによる加圧に起因して凹んでいる。この凹みをインデンテーション１０１といい、その長さＬ１をインデンテーション径という。スポット溶接部には、ナゲット部１０２と、その周辺の圧接部１０３とが形成される。ナゲット部１０２は、金属板１００ａ，１００ｂにおいて、加圧および加熱により一旦溶融した後に凝固した結果、一体化した部位である。ナゲット部１０２についての長さＬ２をナゲット径という。ナゲット径Ｌ２がスポット溶接部における溶接強度を大きく左右する。ナゲット径Ｌ２が長いほど、当該スポット溶接部の溶接強度は大きくなる。圧接部１０３は、金属板１００ａ，１００ｂが圧着する程に加熱および加圧の影響を受けた部位である。ナゲット部１０２および圧接部１０３を合わせた長さＬ３を接合径という。また、圧接部１０３の周囲には、焼きなましを受けた熱影響部（ＨＡＺ）１０４が形成される。ＨＡＺ１０４についての長さＬ４をＨＡＺ径という。ＨＡＺ１０４の周囲の母材１０５は、スポット溶接によっては金属組織に影響を受けていない部位である。
適切に溶接が達成されたスポット溶接部におけるナゲット径Ｌ２や接合径Ｌ３は、一般に１０ミリメートル以下であり、比較的小さい。そのため、スポット溶接部については、溶接強度が充分であるかどうかの検査を必要とする場合が多い。スポット溶接部の溶接強度はナゲット径Ｌ２に大きく左右されるため、スポット溶接部の溶接状態の良否については、ナゲット径Ｌ２に基づいて判断するのが有効である。
特開平１０−２６６０９号公報は、ナゲット径Ｌ２を非破壊で測定し、測定結果に基づいてスポット溶接部の溶接状態の良否を判別することを目的の一つとする検査技術について、開示している。当該公報によると、検査に際して、検査対象部の近傍に励磁コイルを配設するとともに、検査対象部と励磁コイルの間にセンサとしてのループコイルを配設する。この状態で、励磁コイルに直流電流を流すことによって、検査対象部とともにセンサを通過する静磁場を発生させる。次に、静磁場を遮断した後、検査対象部に残留する磁場の消失過程をループコイルを介して追跡することによってループコイルのインダクタンス（またはインダクタンスに比例する物理量）を求める。このインダクタンスには、残留磁場が通過するスポット溶接部を構成するナゲット部１０２や圧接部１０３などの透磁率が反映される。このような測定を検査対象部に対して複数の位置について行うと、得られる複数のインダクタンスに変化が生ずる。インダクタンス変化には、スポット溶接部の内部構造の変化が反映される。したがって、当該非破壊検査技術によると、スポット溶接部の内部構造変化に由来する透磁率変化ひいてはインダクタンス変化を検出することによって、ナゲット径が推定されるのである。
特開平１０−２６６０９号公報によると、非破壊検査において、センサとしてのループコイルは、金属板１００ａまたは金属板１００ｂに対して所定の距離を隔てつつ、スポット溶接部のインデンテーション１０１に対向して配設される。インデンテーション１０１には通常の環境下では空気が存在する。空気の透磁率は、スポット溶接部を構成するナゲット部１０２や圧接部１０３などの透磁率よりも極めて小さい。その結果、検出されるループコイルのインダクタンスには、スポット溶接部の内部構造に由来する透磁率に加えて、インデンテーション１０１に存在する空気の透磁率も反映されてしまう。スポット溶接部の内部構造以外の要素に由来する透磁率が反映されたインダクタンス（またはインダクタンスに比例する物理量）に基づいては、スポット溶接部の非破壊検査においてナゲット径Ｌ２を正確に推定できない場合がある。
発明の開示
本発明は、スポット溶接部における溶接状態の良否判別などの非破壊検査において、信頼性の高い検査結果を得ることが可能な非破壊検査方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の側面によると非破壊検査方法が提供される。この非破壊検査方法は、検査対象部に第１静磁場を印加することによって検査対象部を磁化する工程と、第１静磁場を遮断し、磁化された検査対象部を通る第１残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第１時定数として求める工程と、検査対象部に第２静磁場を印加することによって検査対象部を磁化する工程と、第２静磁場を遮断し、磁化された検査対象部を通る第２残留磁場の各測定位置における微分磁束密度の過渡変化を測定する工程と、各測定位置における当該過渡変化の主時定数を第２時定数として求める工程と、測定位置における第１時定数の分布と第２時定数の分布との相違に基づいて、検査対象部の内部構造についての情報を求める情報取得工程と、を含む。
好ましくは、測定位置は、検査対象部に対向して一列に配置している。
好ましくは、情報取得工程では、測定位置を変数とする第１時定数の分布関数、および、測定位置を変数とする第２時定数の分布関数より得られる比関数に基づいて、内部構造の情報を求める。或は、好ましくは、情報取得工程では、測定位置を変数とする第１時定数の分布関数、および、測定位置を変数とする第２時定数の分布関数より得られる差関数に基づいて、内部構造の情報を求める。
好ましい実施の形態においては、検査対象部は、２枚の金属板をスポット溶接した接合板材におけるスポット溶接部である。この場合、好ましくは、情報取得工程では、内部構造の情報として、スポット溶接部に含まれるナゲット部の形状についての情報を求める。
本発明の第２の側面によると別の非破壊検査方法が提供される。この非破壊検査方法は、検査対象部に静磁場を印加することによって検査対象部を磁化するステップと、静磁場を遮断し、磁化された検査対象部を通る残留磁場の複数の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定するステップと、各測定位置における過渡変化の主時定数を求めるステップとを、磁束密度の異なる複数の静磁場について行うスキャン工程と、各測定位置について、スキャン工程における静磁場の変化に対する主時定数の変化を解析する解析工程と、解析工程における解析結果に基づいて、検査対象部の内部構造についての情報を求める情報取得工程と、を含む。
好ましくは、解析工程では、各測定位置について、スキャン工程における静磁場の変化に対する主時定数の変化が最大となる時定数急変静磁場の磁束密度を求め、情報取得工程では、測定位置を変数とする時定数急変静磁場の分布関数に基づいて、検査対象部の内部構造についての情報を求める。
好ましくは、測定位置は、検査対象部に対向して一列に配置している。
好ましくは、検査対象部は、２枚の金属板をスポット溶接した接合板材におけるスポット溶接部である。この場合、好ましくは、情報取得工程では、内部構造の情報として、スポット溶接部に含まれるナゲット部の形状についての情報を求める。
図１〜図８を参照して、本発明において時定数を求めるための方法の原理を説明する。具体的には、検査対象部に印加されていた静磁場を遮断した後に、磁化された検査対象部を通る残留磁場の所定の位置における微分磁束密度の過渡変化を測定することによって、当該過渡変化の時定数を求めるための方法の原理を説明する。
図１および図２は、静磁場の印加および遮断を利用して非破壊検査を実行するための装置の概略構成と、当該装置の動作とを表す概念図である。非破壊検査装置は、鉄心２に巻き付けられた励磁コイル１と、励磁コイル１を駆動するための駆動回路３と、複数のセンサコイル４とを備える。駆動回路３には、直流電源３ａと、スイッチ３ｂと、抵抗３ｃとが組み込まれている。センサコイル４はループコイルである。検査時においては、この装置は、検査対象部に近接して配設される。図１および図２においては、装置は、２枚の鉄鋼板がスポット溶接されてなる鉄鋼板材１１０におけるスポット溶接部に近接して配設されている。このスポット溶接部の内部には、ナゲット部１０２が存在する。
図１に示すように、スイッチ３ｂをオンにするとスポット溶接部に静磁場Ｆ１が印加される。具体的には、スイッチ３ｂをオンにすると、直流電源３ａから出力される電圧が励磁コイル１に印加されて励磁コイル１に直流電流が流れ、その結果、励磁コイル１の周辺に静磁場Ｆ１が形成される。静磁場Ｆ１の一部は、鉄鋼板材１１０内に形成される。鉄鋼板材１１０における磁場形成箇所すなわち磁束通過箇所は、磁場の強さに応じて磁化される。ナゲット部１０２のサイズに基づいてスポット溶接部の溶接状態の良否を判別するためには、当該非破壊検査装置は、静磁場印加時に磁束がナゲット部１０２を通過するように配置される。
図２に示すように、スイッチ３ｂをオフにすると静磁場Ｆ１は遮断される。具体的には、スイッチ３ｂをオフにすると、それまで励磁コイル１を流れていた直流電流が遮断され、その結果、静磁場Ｆ１は遮断される。静磁場Ｆ１の遮断により、静磁場Ｆ１の磁束のループは、励磁コイル１の周辺の磁束の閉ループＣ１と鉄鋼板材１１０の周辺の磁束の閉ループＣ２とに分離する。閉ループＣ１は急速に減少して消失する。これに対し、閉ループＣ２は、磁性体である鉄鋼板材１１０に磁気エネルギーとして保持される作用が働くため、直ちには消失せずに徐々に消失していく。
閉ループＣ２の消失過程において、鉄鋼板材１１０の表面近傍に配置された各センサコイル４により、鉄鋼板材１１０の近傍における磁束の変化を検出する。静磁場遮断後にセンサコイル４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。しかし、実際には理想的な変化から逸脱する。この逸脱は、鉄鋼板材１１０に蓄えられた磁気エネルギー（残留磁場）の消失過程において、鉄鋼板材１１０内の磁化状態の変化に誘導されて鉄鋼板材１１０に発生する渦電流に起因するものと考えられる。そこで、静磁場遮断後における残留磁場の磁束変化については、以下に述べるモデルを仮定することができる。
図３は残留磁場の消失過程モデルを表す。この消失過程では、図３に示すように、一つのセンサコイル４を通過する磁束Φの密度をＢとする。また、磁束密度Ｂの変化によって鉄鋼板材１１０内に誘導される複数の渦電流をＩｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，・・・とし、これら誘導渦電流についての誘導係数を各々Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，・・・とする。磁束密度Ｂの変化から誘導された渦電流Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，・・・は、相互に独立であると考える。ここで、渦電流Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，・・・は、磁束密度Ｂの変化に応じて誘導係数Ｍ＝ΣＭｉ（ｉ＝１，２，３，・・・）で誘導される単一の渦電流ｉ２に置き換えることができる。したがって、一つのセンサコイル４を通過する磁束Φの消失過程は、磁束密度Ｂと、磁束密度Ｂの変化によって誘導係数Ｍで誘導される渦電流ｉ２で表すことができる。
図４は、図３の等価回路を表す。ここで、Ｒ２は渦電流ｉ２についての電気抵抗を示し、Ｌ２は渦電流ｉ２についてのインダクタンスを示す。
図５は、図４の回路図における磁束Φの閉ループ（図２において単一のセンサコイル４を通過する閉ループＣ２）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（図４におけるＢ）に相当する。Ｒ１は与えられた磁束Φの戻りにくさに相当する。Ｌ１は磁気回路のインダクタンスに相当し、後述するように、磁束Φを保持している全磁束空間の体積に比例する物理量である。また、図５に示す回路図においては、誘導係数Ｍは、磁気回路のインダクタンスＬ１と渦電流回路のインダクタンスＬ２と間の相互インダクタンスに相当することとなる。
図６は、静磁場Ｆ１を遮断した後に単一のセンサコイル４を通過する磁束Φ（磁束密度Ｂ（＝ｉ１））の閉ループＣ２を模式的に表したものである。静磁場遮断後は、静磁場印加中に鉄鋼板材１１０にて蓄えられた磁気エネルギーＷは、上述のように直ちに消失せずに、徐々に消失していく。この磁気エネルギーＷは磁束Φの閉ループ空間に保持され、磁束Φの戻りにくさＲ１に基づいて徐々に消失していくと考えられる。一般に、磁気エネルギーＷについては、式（１）で表すことができる。
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ここで、Ｌは、磁束密度ｉ１の磁束を保持している空間の体積に、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、式（１）は、インダクタンスＬのコイルに電流ｉ１を流したときに蓄積されるエネルギーを表す式と同じ式である。したがって、図５の回路図におけるインダクタンスＬ１は、磁束を保持している全空間の体積に比例することがわかる。
図５に示す等価回路は、式（２）で表すことができる。
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式（２）で表される連立微分方程式をｉ１およびｉ２について解くと、各々の解として、式（３ａ）および式（３ｂ）が得られる。
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ここで、初期条件として、静磁界Ｆ１を遮断した時（ｔ＝０）における磁束密度ｉ１（＝Ｂ）をＢ０として、式（３ａ）および式（３ｂ）の各定数を定める。このとき、誘導係数Ｍが小さくて磁束密度ｉ１の変化から誘導される渦電流ｉ２が極めて小さいとすると、すなわちＬ１・Ｌ２》Ｍ・Ｍとすると、以下の結果を得る。
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式（４ａ）および式（４ｂ）を式（３ａ）に代入するとともに、ｉ１をＢに置き代えると、次の式（５）が得られる。
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式（５）は、静磁場遮断後における、センサコイル４を通る磁束Φの磁束密度Ｂの過渡変化を表す。ここで、式（４ｄ）を考慮すると、式（５）の右辺第２項は無視することができる。したがって、図６に示す閉ループＣ２を構成する磁束Φの磁束密度Ｂの変化は、式（５）の右辺第１項のみで近似することができる。図７ａは、静磁場遮断時（ｔ＝０）以降において、式（５）の右辺第１項のみで与えられる磁束密度Ｂの過渡変化を表す。ｔ＝０以前の磁束密度の値は、静磁場印加時における磁束密度Ｂ０を示す。一方、磁場消失過程においてセンサコイル４によって実際に検知される過渡電圧は、磁束密度Ｂの時間に対する変化の変化率すなわち微分磁束密度ｄＢ／ｄｔに、センサコイル４を通過する磁束の断面積を乗じた値である。そこで、式（５）の両辺を時間ｔで微分し、式（６）すなわち微分磁束密度の式を導出する。
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図７ｂは式（６）で与えられる微分磁束密度の過渡変化を表す。この波形は、磁気センサとしてセンサコイル４を用いて実際に測定したときに得られる波形と略一致することが知られている。したがって、図３〜図６を参照して説明したモデルは、残留磁場の消失過程を正しく反映するものであるといえる。すなわち、式（５）はセンサコイル４を通る磁束Φの磁束密度Ｂの変化を表す式であり、式（６）は、その微分磁束密度ｄＢ／ｄｔの変化を表す式である。
ここで、式（６）の右辺第１項のτ１は、式（４ａ）から理解できるようにＬ１／Ｒ１に等しいことから、図５に示す磁束密度ｉ１（＝Ｂ）の磁気回路の時定数に相当することが解かる。したがって、式（６）の右辺第１項は、静磁場Ｆ１を遮断した後に、鉄鋼板材１１０近傍における磁束の磁束密度Ｂが指数的に減少する理想的な単調減少特性、すなわち磁気エネルギーの理想的な減衰特性を表す項である。式（６）の右辺第１項の時定数であるτ１を、主時定数ということとする。図７ｃは、式（６）の右辺第１項で表される磁気エネルギー（磁束Φの閉ループＣ２）の減衰特性を示す。
主時定数τ１を求めるには、まず、式（６）の右辺第１項で表されるｆ１（ｔ）の両辺の対数をとり、式（７）を得る。式（７）をグラフ化すると、傾き１／τ１の直線を得ることができる。そして、当該傾きよりτ１を求めることができる。
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本発明においては、以上のようにして、静磁場遮断後において消失していく残留磁場の微分磁束密度の過渡変化の主時定数を求める。
一方、式（６）の右辺第２項のτ２は、式（４ｂ）から理解できるようにＬ２／Ｒ２に等しいことから、図５に示す渦電流ｉ２の等価回路の時定数に相当する。したがって、式（６）の右辺第２項は、渦電流損失の減衰特性を表す項である。図７ｄは、式（６）の右辺第２項で表される渦流電流損失の減衰特性を示す。式（６）の右辺第２項の時定数であるτ２を、副時定数ということとする。τ２を求める方法は、τ１に関して上述したのと同様である。
上述のようにして求められる主時定数τ１は、Ｌ１に比例する。一方、Ｌ１は、磁束Φが通過する磁路の透磁率μに比例することが知られている。これらより、主時定数τ１は透磁率μに比例することがわかる。また、スポット溶接部において、ナゲット部１０２、圧接部１０３、およびＨＡＺ１０４は、金属組成が異なるため相互に透磁率μが異なる。具体的には、硬度が増すごとに透磁率μは下がることが知られている。
上掲の特開平１０−２６６０９号公報に開示されている非破壊検査方法においては、以上に説明した測定原理に基づいて、各センサコイル４の位置における磁気エネルギーの減衰特性の主時定数τ１を求め、この主時定数τ１の分布に基づいて、スポット溶接部において最も硬度が高く従って最も透磁率μの低いナゲット部１０２のナゲット径Ｌ２を推定するという方法を採用している。
具体的には、まず、図８ａに示すように、一列に配された例えば１６個のセンサコイル４をスポット溶接部およびその周辺に対向させて、各センサコイル４にて、残留磁場の磁束Φの減衰特性を測定し、当該測定データより、各センサコイル４について主時定数τ１を求める。各センサコイル４について求めたτ１の分布は、図８ｂに示すように、測定位置ｘを変数としてステップ関数として表すことができる。次に、図８ｃに示すように、最小二乗法により当該ステップ関数の近似曲線ｆ（ｘ）（実線）を求める。仮にナゲット部１０２のみが低い透磁率を有し、他の部位は同一の透磁率を有するものとすると、このτ１分布についての近似曲線ｆ（ｘ）における凹み形状は、τ１が透磁率に比例するため、ナゲット部１０２の存在および形態を反映する。そこで、特開平１０−２６６０９号公報の開示の技術においては、このτ１分布についての近似曲線ｆ（ｘ）の凹み形状を基に、例えば図８ｃに示すように、ナゲット径Ｌ２を推定していた。
センサコイル４を通過する磁束Φの減衰特性の主時定数τ１は、上述のようにインダクタンスＬ１に比例し、Ｌ１は透磁率μに比例する。一方、Ｌ１は、磁束Φの通過する体積Ｖにも比例することが知られている。すなわち、主時定数τ１については、式（８）の関係が成立する。
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空気の透磁率は、上述のように、スポット溶接部を構成する磁性体の透磁率よりも極めて小さいので、図１８に示すインデンテーション１０１に対向する測定位置におけるτ１の値は、ナゲット部１０２の有無にかかわらず、インデンテーション１０１の存在が原因で、他の測定位置におけるτ１の値よりも小さい値として算出される。すなわち、図８ｃに示すグラフの凹み箇所には、インデンテーション１０１の存在の寄与成分が含まれている。仮にスポット溶接部にインデンテーション１０１が形成されていなければ、すなわちスポット溶接部の外表面が平坦であれば、τ１分布についての近似曲線ｆ（ｘ）の凹み形状の底部は、例えば図８ｃにおいて破線で示されるような浅い位置に示されるはずなのである。このように、τ１分布についての単一の近似曲線ｆ（ｘ）に基づくスポット溶接部の非破壊検査方法では、インデンテーション１０１の存在がノイズとなるため、正確なナゲット径Ｌ２を推定することが困難である場合がある。
発明を実施するための最良の形態
図９は、本発明に係る非破壊検査方法を実施するための非破壊検査装置Ｘを表す。図１０は、図９の線Ｘ−Ｘに沿った断面図であり、静磁場形成状態を表す。非破壊検査装置Ｘは、静磁場の印加および遮断を伴う上述の測定原理に基づいて非破壊検査を行うための装置として構成されたものである。非破壊検査装置Ｘは、励磁極１１と、これに巻き付けられた励磁コイル１２と、回収極１３と、励磁極１１および回収極１３を接続する連結部１４と、励磁部１１の近傍に配設されたコイルアレイ１５とを備える。
励磁極１１は、励磁コイル１２に電流が流されたときに誘導形成される磁場の磁束密度を高めるための鉄心であり、連結部１４を介して回収極１３と一体である。励磁極１１は、その先端に磁束励出面１１ａを有する。回収極１３は、その先端に回収面１３ａを有する。励磁極１１の磁束励出面１１ａから励出される磁束は、回収面１３ａにて回収される
コイルアレイ１５は、静磁場印加中および遮断後における検査対象部近傍の磁気変化を検知して電圧として出力するためのものであり、本実施形態では、一列に配列した複数のループコイル１５ａよりなる。各ループコイル１５ａは、Ｃｕなどの導体材料よりなり、フレキシブル基板１６にパターン形成されている。コイルアレイ１５は、図９に示すように、磁束励出面１１ａの直下において、磁束励出面１１ａとは所定の間隔をあけて、且つ、一列のループコイル１５ａが磁束励出面１１ａの長手方向に沿うように配設されている。また、コイルアレイ１５は、励磁極１１の磁束励出面１１ａに対してループコイル１５ａが回収極１３の方向へ偏移するように設けられている。このような構成によると、図１０に示すような回収面１３ａに向かう安定した静磁場の磁束、および、当該磁束に由来して静磁場遮断後に生じる残留磁場を効率よく測定することができる。
図１１は、非破壊検査装置Ｘを作動させるためのシステムの構成を表す。当該システムは、センサ操作部２０、制御部３０、およびデータ処理部４０を備える。
センサ操作部２０は、センサ出力切換部２１およびバッファアンプ２２を備える。センサ出力切換部２１は、コイルアレイ１５を構成する複数のループコイル１５ａからの出力のうち一つの出力のみを選択してバッファアンプ２２に出力する回路である。センサ出力切換部２１は、４ビットのセンサ出力切換信号Ｓ１に従って、各ループコイル１５ａの出力を順次選択してバッファアンプ２２に出力する。バッファアンプ２２はセンサ出力切換部２１からの出力信号を、検出信号Ｓ２として制御部３０に出力するバッファ回路である。
制御部３０は、データ処理部４０に汎用バス３８を介して接続される制御回路として構成されたものであり、センサ制御部３０ａおよび信号処理部３０ｂを備える。センサ制御部３０ａは、励磁制御部３１およびセンサ出力制御部３２を備える。信号処理部３０ｂは、波形整形部３３、Ａ／Ｄ変換部３４、デュアルポートメモリ３５、Ａ／Ｄ制御部３４ａ、および、メモリ制御部３５ａを備える。制御部３０は、コンピュータの汎用スロットに接続される制御基板に形成されている。
センサ制御部３０ａの励磁制御部３１は、励磁コイル１２に対して、所定強度の静磁場の発生および遮断を行うための駆動信号Ｓ３を出力する。すなわち、励磁制御部３１は、励磁コイル１２に対して所定の電圧の印加および遮断を行う。センサ出力制御部３２はコイルアレイ１５に含まれる複数のループコイル１５ａからの出力を順次選択するための４ビットのセンサ出力切換信号Ｓ１を、センサ出力切換部２１に出力する。
信号処理部３０ｂの波形整形部３３は、バッファアンプ２２からの検出信号Ｓ２をＡ／Ｄ変換部３４の入力仕様に整合させる。Ａ／Ｄ変換部３４は、入力された検出信号をＡ／Ｄ変換する。デュアルポートメモリ３５は、Ａ／Ｄ変換後のデジタルデータを記憶する。Ａ／Ｄ制御部３４ａは、Ａ／Ｄ変換部３４のタイミングを制御する。メモリ制御部３５ａは、デュアルポートメモリ３５の書き込み／読み出しを制御する。
検出信号Ｓ２の過渡変化特性のうち、渦電流損失の影響が顕著に現れるのは、検査対象が鉄鋼板の場合には、静磁場遮断後１０μｓ程度以下（平均３〜６μｓ程度）である。この事実と、データ処理精度とを考慮すると、Ａ／Ｄ変換部３４は、４Ｍｓｐｓ以上の変換速度、および、１２ビット以上の変換精度を有するのが好ましい。
データ処理部４０は、図示しないＣＰＵやメインメモリを備える一般的なコンピュータにより実現される。データ処理部４０では、センサ操作部２０から出力されて信号処理部３０ｂによって信号処理された検出データを処理することによって、スポット溶接部のナゲット径が求められる。データ処理部４０は、種々の測定波形および測定データテーブルを表示するためのモニタを備える。後述する種々のデータ処理は、データ処理部４０において、メインメモリ（記憶媒体）に記憶されたコンピュータプログラムをＣＰＵが実行することによって実現される。
以上のような構成の非破壊検査装置Ｘおよびその作動システムによって、本発明に係る非破壊検査方法を実施することができる。
図１２は、スポット溶接部の各部位の金属組成について、印加静磁場の磁束密度Ｂの変化に対する主時定数τ１の変化を模式的に表す。具体的には、図１２に示す各変化曲線は、図１９に示したようなスポット溶接部およびその近傍を構成するナゲット部１０２、圧接部１０３、ＨＡＺ１０４、および母材部１０５の各部位に相当する金属組成物を個別に用意して、上述の測定原理に基づいた同一条件下において、印加静磁場の磁束密度Ｂを変化させた場合に得られる主時定数τ１の変化を模式的に表したものである。変化曲線４１，４２，４３，４４は、各々、ナゲット部１０２、圧接部１０３、ＨＡＺ１０４、および母材部１０５に対応する。
図１２に示すように、同一の磁束密度Ｂに対しては、ナゲット部１０２、圧接部１０３、母材部１０５、ＨＡＺ１０４の順に主時定数τ１が大きくなる傾向にある。これは、上述のように、ナゲット部１０２、圧接部１０３、母材部１０５、ＨＡＺ１０４の順に硬度が低下し、硬度の低下に伴って、主時定数τ１と比例関係にある透磁率μが大きくなるという事実を反映している。各部位の主時定数τ１の値は、概ね一定または直線的に緩やかに変化するが、比較的小さな所定の磁束密度領域においては比較的急激に増大する。すなわち、各変化曲線はピークを有する。同一条件下での測定においては、各変化曲線においてピークが表れる磁束密度Ｂの値は、その部位の硬度に応じて固有の値である。また、当該固有磁束密度Ｂは、所定の磁束密度領域においては、硬度が低下するほど高磁束密度側に現れる傾向にある。
本発明の第１の実施形態に係る非破壊検査方法について、図１２および図１４を参照すると共に、図１３のフローチャートに則して説明する。まず、ステップＳ１において、図１４ａに示すように、非破壊検査装置Ｘを、磁気センサとして機能する合計１６個の一列のループコイル１５ａがスポット溶接部およびその周辺に対向するように配置する。一列のループコイル１５ａの配置位置は、測定位置ｘにより表す。次に、ステップＳ２において、非破壊検査装置Ｘにより、静磁場をスポット溶接部に対して印加する。このときの磁束密度はＢ１とする。磁束密度Ｂ１は、理想的には、図１２に示すように、ナゲット部１０２についてのτ１変化曲線のピークを生じさせる磁束密度よりも大きな値であって、圧接部１０３についてのτ１変化曲線のピークを生じさせる磁束密度よりも小さな値とする。次に、ステップＳ３において、静磁場を遮断する。次に、ステップＳ４において、各ループコイル１５ａを介して、スポット溶接部およびその周辺の残留磁場の消失過程を測定する。次に、ステップＳ５において、この測定に基づいて、各測定位置における主時定数τ１を解析する。次に、ステップＳ６において、センサ位置すなわち測定位置ｘに対する主時定数τ１の値をプロットし、プロットデータから最小二乗法により図１４ｂに示すような近似曲線６１を求める。近似曲線６１は、必要に応じてデータ処理部４０のモニタに表示する。
次に、図１３のフローチャートのステップＳ２に戻り、同じ位置に配設したままの非破壊検査装置Ｘにより、静磁場を再びスポット溶接部およびその周辺に印加する。このときの磁束密度はＢ２とする。磁束密度Ｂ２は、理想的には、図１２に示すように、圧接部１０３についての主時定数のピークを生じさせ、且つ、他の部位についての主時定数のピークを生じさせない値とする。次に、ステップＳ３において、静磁場を遮断する。次に、ステップＳ４において、各ループコイル１５ａを介して、スポット溶接部およびその周辺の残留磁場の消失過程を測定する。次に、ステップＳ５において、この測定に基づいて、各測定位置における主時定数τ１を解析する。次に、ステップＳ６において、センサ位置すなわち測定位置ｘに対する主時定数τ１の値をプロットし、プロットデータから最小二乗法により図１４ｂに示すような近似曲線６２を求める。近似曲線６２は、必要に応じてデータ処理部４０のモニタに表示する。
各ループコイル１５ａの位置すなわち各測定位置に対応する磁路には、スポット溶接部を構成する各部位が複合的に存在するが、磁束密度Ｂ１で測定した場合の各測定位置における主時定数τ１と、磁束密度Ｂ２で測定した場合の各測定位置における主時定数τ１とでは、図１２から理解できるように、各測定位置に対応する磁路に圧接部１０３が全く存在しなければ変化しない。これに対し、磁路の主要部が圧接部１０３であれば、当該測定位置における主時定数は、磁束密度Ｂ１で測定する場合よりも、磁束密度Ｂ２で測定する場合に増大することとなる。この相違が、図１４ｃの比曲線６３においてピークとして現れているのである。図１４ｂの各近似曲線６１，６２において、凹み形状には、インデンテーション１０１の寄与成分が含まれているが、これらの比をとって求めた図１４ｃの比曲線６３では、インデンテーション１０１の寄与成分は含まれていない。そのため、本実施形態によると、スポット溶接部の外表面の凹凸状態にかかわらず、内部構造の情報を適切に得ることができるのである。
図１４ｃにおいては、比曲線６３のピークの頂点間の距離をナゲット径Ｌ２と推定する場合を示したが、ピークのどの辺りをナゲット部１０２と圧接部１０３の境界と認定するかは、本実施形態によって得られる比曲線６３のピークデータから推定されるナゲット径Ｌ２と、ナゲット径Ｌ２の実測値との相関データに基づいて予め決定するのが好ましい。
図１６は、比曲線６３のピークの頂点間の距離をナゲット径Ｌ２と推定した値と、ナゲット径Ｌ２の実測値との相関データを表す。当該相関データの相関係数は約０．９２であり、推定値の確度が高いことが示唆されている。
また、本実施形態では、印加静磁場の磁束密度Ｂについて、図１２に示すようなτ１変化曲線データを基に２つの値を適宜選択することによって、他の部位の径などの情報を得ることも可能である。
次に、本発明の第２の実施形態について、図１２および図１７ａ〜図１７ｃを参照すると共に、図１６のフローチャートに則して説明する。まず、ステップＳ１’において、図１７ａに示すように、非破壊検査装置Ｘを、磁気センサとして機能する合計１６個の一列のループコイル１５ａがスポット溶接部およびその周辺に対向するように配置する。一列のループコイル１５ａの配置位置は、測定位置ｘにより表す。次に、ステップＳ２’において、非破壊検査装置Ｘにより、静磁場をスポット溶接部に対して印加する。このときの磁束密度はＢ３とする。磁束密度Ｂ３は、理想的には、図１２に示すように、ナゲット部１０２についての主時定数のピークを生じさせる磁束密度よりも小さく、且つ、他の部位についての主時定数のピークを生じさせない値とする。次に、ステップＳ３’において、印加静磁場を遮断する。次に、ステップＳ４’において、各ループコイル１５ａを介して、スポット溶接部およびその周辺の残留磁場の消失過程を測定する。次に、ステップＳ５’において、この測定に基づいて、各測定位置における主時定数を解析する。このとき、当該主時定数を与えた、ｔ＝０での磁束密度の値も合わせて解析的に算出する。具体的には、データ処理部４０において、図７ｃを与える式（６）の右辺第１項をｔ＝０からｔ＝∞まで積分することによって求める。主時定数およびこれに対応する磁束密度Ｂは、データ処理部４０におけるメインメモリに記憶される。次に、ステップＳ６’において、測定位置ｘに対する主時定数の値をプロットし、プロットデータから最小二乗法により図１７ｂに示すような近似曲線８０を求める。近似曲線８０は、必要に応じてデータ処理部４０のモニタに表示する。ただし、本実施形態では、ステップＳ６’をスキップしてもよい。図１７ｂの近似曲線８０は、図の簡潔化の観点より模式的に表す。
次に、図１６のフローチャートにおいてステップ５’またはステップ６’からステップＳ２’に戻り、ステップＳ２’からステップＳ５’またはステップ６’までの工程を、非破壊検査装置Ｘにより印加する静磁場の磁束密度ＢをΔＢずつ大きくしつつ、ｎ回繰り返す。ｎ回目の印加静磁場の磁束密度はＢ４とする。磁束密度Ｂ４は、理想的には、図１２に示すように、ＨＡＺ１０４についての主時定数のピークを生じさせる磁束密度よりも大きく、且つ、他の部位についての主時定数のピークを生じさせない値とする。このように、本実施形態では、印加静磁場の磁束密度Ｂを変化ないし走査することによって、各測定位置における主時定数の変化をスキャンする。
スキャンが終了した後、ステップＳ７’において、データ処理部４０のメインメモリを参照することによって、測定位置ｘごとに、磁束密度Ｂの変化に対して主時定数が急峻に増大した時定数急変静磁場の磁束密度の値を特定する。スキャン開始磁束密度Ｂ３とスキャン終止磁束密度Ｂ４との間には、図１２から理解できるように、スポット溶接部およびその近傍を構成する各部位について、時定数急変静磁場の磁束密度が存在する。各ループコイル１５ａの位置すなわち各測定位置ｘにおける測定対象である磁路には、スポット溶接部を構成する各部位が複合的に存在するが、各測定位置における主時定数の値の変化には、その磁路において主要部ないし最大体積を占める組織（部位）の寄与が顕著に現れる。図１７ｂには、計１０段階の磁束密度Ｂでスキャンした場合の、各磁束密度における主時定数の波形（近似曲線）を模式的に表す。図中の矢印は、τ１が急峻に増大したと特定された位置ｘを示すものである。
次に、ステップＳ８’において、測定位置ｘに対する、ステップＳ７’で特定された時定数急変静磁場の磁束密度のデータに基づいて、図１７ｃに示すような、測定位置ｘを変数とする磁束密度曲線９０を求める。図１７ｃに示す磁束密度曲線９０には、スポット溶接部の内部構造情報が２次元的に現れている。具体的には、ｘ１−ｘ６がＨＡＺ径Ｌ４を示し、ｘ２−ｘ５が接合径Ｌ３を示し、ｘ３−ｘ４がナゲット径Ｌ２を示す。磁束密度曲線９０は、必要に応じてデータ処理部４０のモニタに表示する。
次に、ステップＳ９’において、図１７ｃの磁束密度曲線９０に関するデータから、ｘ３−ｘ４、ｘ２−ｘ５、ｘ１−ｘ６の長さを算出し、ナゲット径Ｌ２、接合径Ｌ３、ＨＡＺ径Ｌ４を推定的に決定する。次に、ステップＳ１０’において、推定されたナゲット径Ｌ２を予め設定された閾値と比較し、スポット溶接部の溶接状態の良否を判断する。
図１７ｂの各近似曲線８０〜８９には、インデンテーション１０１の寄与成分が含まれているが、これら曲線において急激な変化を与える磁束密度を縦軸にとった図１７ｃの磁束密度曲線９０には、各近似曲線８０〜８９に含まれていたインデンテーション１０１の寄与成分は消失している。そのため、本実施形態によると、スポット溶接部の外表面の凹凸状態にかかわらず、内部構造の情報を適切に得ることができるのである。なお、図１７ｂには、磁束密度Ｂ３〜Ｂ４の間の各磁束密度段階において、ステップＳ５’で算出した各測定位置のｔ＝０での磁束密度の分布データに基づいて求められる磁束密度曲線を破線で示している。この磁束密度曲線は、スポット溶接部の表面波形に対応する。これら磁束密度曲線は、各段階で変化しておらず、したがって、インデンテーション１０１の存在が、図１７ｃの磁束密度曲線９０に影響を与えないことが理解できよう。
図１７ｃにおいては、磁束密度曲線９０における最も低磁束密度に存在する曲点間の距離をナゲット径Ｌ２と推定する場合を示したが、曲線のどの辺りをナゲット部１０２と圧接部１０３の境界と認定するかは、本実施形態によって得られる磁束密度曲線９０の曲点データから推定されるナゲット径Ｌ２と、ナゲット径Ｌ２の実測値との相関データに基づいて予め決定するのが好ましい。
本発明の第１および第２の実施形態のいずれにおいても、測定結果について、インデンテーション１０１の影響を受けることがない。その結果、ナゲット径Ｌ２について、正確に推定することができ、したがって、スポット溶接部の溶接状態の良否について信頼性の高い検査結果を得ることが可能となる。また、スポット溶接部の内部構造について、詳細なデータすなわち接合径Ｌ３やＨＡＺ径Ｌ４の値を得ることも可能である。
以上、本発明について、スポット溶接部の非破壊検査方法を例に挙げて説明した。本発明は、これに限らず、鉄鋼などの磁性体部材の内部欠陥、硬度、作用応力などを非破壊の状態で測定および検査する装置および方法にも適用できる。また、本発明の非破壊検査方法についてグラフを掲げて視覚的な概念を説明したが、種々のデータ処理ないし解析は、各グラフに相当する関数に基づく演算処理によりを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、静磁場の印加および遮断を利用して非破壊検査を実行するための装置の概略構成と、当該装置の動作とを表す概念図である。
図２は、静磁場の印加および遮断を利用して非破壊検査を実行するための装置の概略構成と、当該装置の動作とを表す別の概念図である。
図３は、静磁場遮断後における磁束の閉ループの消失過程モデルを表す。
図４は、図３の渦流電流についての等価回路を表す。
図５は、図４における磁束密度の閉ループを磁気等価回路に置き換えたものである。
図６は、静磁場を遮断した直後に単一のセンサコイルを通過する磁束の閉ループを表す。
図７ａ〜図７ｄは、本発明に係る非破壊検査における各物理量の過渡変化を表す。
図８ａ〜図８ｃは、ナゲット径測定方法の一例の概念を説明するための図である。
図９は、本発明に係る非破壊検査方法を実施することのできる非破壊検査装置を表す。
図１０は、図９の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。
図１１は、図９に示す非破壊検査装置を作動するためのシステムの構成を表す。
図１２は、スポット溶接部の各部位の金属組成について、印加静磁場の磁束密度Ｂの変化に対する主時定数τ１の変化を模式的に表す。
図１３は、第１の実施形態についてのフローチャートである。
図１４ａ〜図１４ｃは、第１の実施形態に係る非破壊検査方法の概念を説明するための図である。
図１５は、本発明により得られる相関データの一例を表す。
図１６は、第２の実施形態についてのフローチャートである。
図１７ａ〜図１７ｃは、第２の実施形態に係る非破壊検査方法の概念を説明するための図である。
図１８は、スポット溶接を表す図である。
図１９は、スポット溶接された２枚の金属板におけるスポット溶接部の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５】
2003027661.tif 000033
【図１６】
2003027661.tif 000034
【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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2003027661.tif 000041
2003027661.tif 000042
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