(57)【要約】【課題】非接触での溶融部分の大きさを算出することができるものでありながら、熟練を要することなく安定した検査結果を算出することができる溶接幅測定方法を提供する。【解決手段】本発明は、一対の板金を溶接により接合した被検体を挟んで加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０及び表面変位測定装置３０とが対向配置され、表面変位測定装置３０は溶接部分から外れた直近位置で固定すると共に、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０を被検体の溶接部分に跨って一定間隔で変位させつつパルスレーザ光を被検体に向けて照射して衝撃波を生成し、表面変位測定装置３０で被検体の溶接部分を透過した衝撃波を検出した際の加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０の位置を計算機４０で算出することによって被検体に形成された溶融部の溶接幅を測定する。【選択図】      図１
2012021918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の板金を溶接により接合した被検体を挟んで振動発生装置と振動検出装置とを配置し、前記振動検出装置を被検体の他面に対して溶接部分から外れた直近位置で固定すると共に、前記振動発生装置を被検体の一面に対して溶接部分を跨るように間隔を空けて振動を発生させ、前記振動検出装置で振動の透過波を検出した際の前記振動発生装置の位置を計算機で算出することによって被検体に形成された溶融部の溶接幅を測定することを特徴とする溶接幅測定方法。
【請求項２】
一対の板金を溶接により接合した被検体を挟んで加振用Qスイッチパルスレーザ装置及び表面変位測定装置とが対向配置され、前記表面変位測定装置は溶接部分から外れた直近位置で固定すると共に、前記加振用Qスイッチパルスレーザ装置を被検体の溶接部分に跨って一定間隔で変位させつつパルスレーザ光を被検体に向けて照射して衝撃波を生成し、前記表面変位測定装置で被検体の溶接部分を透過した衝撃波を検出した際の前記加振用Qスイッチパルスレーザ装置の位置を計算機で算出することによって被検体に形成された溶融部の溶接幅を測定することを特徴とする溶接幅測定方法。
【請求項３】
前記表面変位測定装置は、被検体の表面に向けてレーザ光を照射し、その反射光との干渉により弾性波を検出することを特徴とする請求項２に記載の溶接幅測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接等の溶融層を非破壊（非接触）で検出する溶接幅測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、スポット溶接等の溶接部は、肉眼では確認が困難な部位に形成されるため、その強度（面積）等を確認する検査方法として、重ねあわせ面にタガネを打ち込み、溶接部から破断するかどうかで、溶接部の健全性を評価している。
【０００３】
しかしながら、このような検査方法では、検査したワークは廃棄しなければならないことから、実際の製品での検査は不可能な場合が多く、あえて検査用のスポット溶接を行ったとしても一部しか実質的には検査することができない。
【０００４】
そこで、非破壊でスポット溶接部位を検査する方法として、スポット溶接部の表面から超音波探触子を走査させ、その反射波から溶融部を検出する手法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−２６５５２９号公報
【特許文献２】特開２０００−１４６９２８号公報
【特許文献３】特開２００２−１３１２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した溶接幅測定方法にあっては、スポット溶接部分の金属表面には窪みが形成されるため、超音波の接触子とワークとの間に水等の接触媒質を充填したり、遅延材を挟むといった工夫が必要となってくる。
【０００７】
また、接触子を溶接部に当接する角度や圧力によって反射波の強度が変化してしまうため、検査作業には熟練を要するうえ、作業者によって測定結果にばらつき画発生する等の問題が生じていた。
【０００８】
そこで、本発明は、非接触での溶融部分の大きさを算出することができるものでありながら、熟練を要することなく安定した検査結果を算出することができる溶接幅測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の溶接幅測定方法は、一対の板金を溶接により接合した被検体を挟んで振動発生装置と振動検出装置とを配置し、前記振動検出装置を被検体の他面に対して溶接部分から外れた直近位置で固定すると共に、前記振動発生装置を被検体の一面に対して溶接部分を跨るように間隔を空けて振動を発生させ、前記振動検出装置で振動の透過波を検出した際の前記振動発生装置の位置を計算機で算出することによって被検体に形成された溶融部の溶接幅を測定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の溶接幅測定方法は、一対の板金を溶接により接合した被検体を挟んで加振用Qスイッチパルスレーザ装置及び表面変位測定装置とが対向配置され、前記表面変位測定装置は溶接部分から外れた直近位置で固定すると共に、前記加振用Qスイッチパルスレーザ装置を被検体の溶接部分に跨って一定間隔で変位させつつパルスレーザ光を被検体に向けて照射して衝撃波を生成し、前記表面変位測定装置で被検体の溶接部分を透過した衝撃波を検出した際の前記加振用Qスイッチパルスレーザ装置の位置を計算機で算出することによって被検体に形成された溶融部の溶接幅を測定することを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の溶接幅測定方法において、前記表面変位測定装置は、被検体の表面に向けてレーザ光を照射し、その反射光との干渉により弾性波を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の溶接幅測定方法は、非接触での溶融部分の大きさを算出することができるものでありながら、熟練を要することなく安定した検査結果を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る溶接幅測定方法に適用される溶接幅測定装置を示し、（Ａ）は被検体の平面図、（Ｂ）は溶接幅測定装置の説明図である。
【図２】表面変位測定装置における測定点ａでの弾性波の検出グラフ図である。
【図３】表面変位測定装置における測定点ｃでの弾性波の検出グラフ図である。
【図４】表面変位測定装置における測定点ｄでの弾性波の検出グラフ図である。
【図５】表面変位測定装置における測定点ｆでの弾性波の検出グラフ図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る溶接幅測定方法に適用される溶接幅測定装置を用いた溶融幅算出を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る溶接幅測定方法における溶接幅のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の一実施形態に係る溶接幅測定方法について、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明の溶接幅測定方法における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００１５】
図１は、本発明に係る測定装置の一実施形態を示し、図１（Ａ）は被検体の平面図、図１（Ｂ）は要部の説明図である。
【００１６】
図１において、本実施形態に係る溶接幅測定装置１０は、被測定対象である溶接済みの被検体５０を挟んで対向配置された加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０及び表面変位測定装置（例えば、レーザ干渉計）３０と、溶融層判定用のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の計算機４０と、を有する。
【００１７】
本実施形態では、被検体５０は、スポット溶接により所定形状に形成された２枚の板金（例えば、鋼板）５１，５２が接合されており、そのスポット溶接による溶融部（界面）５３の大きさ（直径又は面積）を計算機４０で測定することによって、溶接強度を推測する。
【００１８】
加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０は、図示を略する駆動装置によって被検体５０に対してＸＹ方向（水平面内）及びＺ方向（接近・離反方向）で変位可能とされている。また、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０は、その測定中において溶融部５３に対して所定幅（例えば、図１の測定点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ）単位でＸ方向又はＹ方向にインチング駆動・停止し、被検体５０に向けて所定照射強度（エネルギー）のパルスレーザ光を照射する。この際、駆動装置は、被検体５０の界面付近にパルスレーザ光が集光するように焦点距離（又は加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０の離間距離）をフォーカス調整する。さらに、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０によって界面付近にパルスレーザ光が照射されると、ブレークダウン現象により衝撃波が生成される。
【００１９】
ここで、ブレークダウン現象とは、物体にパルス状のエネルギーが与えられた時、そのエネルギーで急速に体積膨張し、直後に急速に収縮する現象をいい、この急速な体積の膨張と収縮とに伴い、周囲に衝撃波が生成される。
【００２０】
表面変位測定装置３０は、図示を略する駆動装置によって被検体５０に対してＸＹ方向（水平面内）及びＺ方向（接近・離反方向）で変位可能とされている。また、表面変位測定装置３０は、その測定中においては溶融部５３の境界付近で位置固定（例えば、図１の測定点ｇ，ｈ）される。さらに、表面変位測定装置３０は、被検体５０に向けて加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０とは異なる波長のレーザ光を板金５１の表面に照射し、その反射光との干渉により弾性波（加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０からの透過波）を検出し、その検出結果を示す信号を計算機４０に出力する。尚、図１（Ａ）に示した測定点ｇ，ｈは、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０の測定点ｂ，ｅとＹ方向にズレて表示しているが、このズレは説明の便宜上のズレである。
【００２１】
上述したように、界面では加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０のパルスレーザ（衝撃波）は反射し、透過波は減衰するということを利用し、表面変位測定装置３０で板金５１の表面変位を測定することで被測定物の界面の有無（溶接部４３の有無）を容易に特定することができる。
【００２２】
上記の構成において、図１に示すように、スポット溶接時に形成される窪み近傍（外周寄り）に表面変位測定装置３０を配置する。この際、表面変位測定装置３０は、基板５１の表面が平らな部位、即ち、窪み部分から外れた位置に配置することで充分な反射光を受光することができ、測定が可能となっている。
【００２３】
一方、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０を板金５２の表面（被検体５０の裏面）スポット溶接部位から離れた位置に配置し、パルスレーザを照射し、アブレーションによる衝撃波を発生させる。この際、板金５２の裏面の凹凸によらず衝撃波を発生させることができるため、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０のみを走査するだけで測定は可能である。
【００２４】
ここで、板厚１．４（ｍｍ）の軟鋼板から板金５１，５２をスポット溶接した後、測定した結果を図２〜図５に示す。尚、図２は測定点ａ（又は測定点ｂ）での波形図、図３は測定点ｃでの波形図、図４は測定点ｄ（又は測定点ｅ）での波形図、図５は測定点ｆでの波形図である。
【００２５】
図２及び図４に示すように、未溶融部の測定点ａ及び測定点ｄでは、透過波Ｐａ１，Ｐｄ１を受光した他、重ね合わせの界面からの反射波Ｐａ２，Ｐｄ２を受光しており、透過波の振幅は減衰する。一方、図３及び図５に示すように、溶融部の測定点ｃ及び測定点ｆでは、透過波Ｐｃ１，Ｐｆ１を受光した他、重ね合わせの界面からの反射波は無く、透過波の減衰は無かった。
【００２６】
尚、図２，図４において、最大ピーク値である透過波Ｐａ１，Ｐｄ１よりも時間軸で遅れた界面からの反射波Ｐａ２，Ｐｄ２は、時間軸と板金５１，５２の板圧との関係から透過波Ｐａ１，Ｐｄ１であると誤認識することは無い。
【００２７】
即ち、時間軸はレーザ発振時のトリガ信号の立ち上がりを原点としている。このため、板金５２に照射される時間は約１５０ｎｓ程度の遅れが発生する。一方、今回の実験では、板圧１．３６ｍｍの板金５１，５２をスポット溶接している。板金（鋼板）５１，５２の超音波縦波（板圧方向）の伝播速度は約６０００ｍ／ｓであり、２枚重ねの板金５１，５２を透過する時間Ｔ０は、
Ｔ０＝（１．３６［ｍｍ］×２［枚］）／６０００［ｍ／ｓ］＝450［ns］
となる。したがって、図２に示した波形図の場合、時間軸６００ｎｓ近傍の最大ピーク値が透過波Ｐａ１であると確認することができる。
【００２８】
一方、図２の時間軸１５００ｎｓ近傍に発生したピーク値Ｐａ２の伝播距離Ｄ２は、
Ｄ２＝６０００［ｍ／ｓ］×（１５００［ｎｓ］−１５０［ｎｓ］）＝８．１［ｍｍ］
となり、１．３６［ｍｍ］厚の板金６枚相当の距離を伝播したことになる。したがって、板金５１，５２の裏面・表面を２回反射し、裏面に到達した透過波（２次波）と推測することができる。
【００２９】
他方、界面からの反射波の伝播距離Ｄ１は、板金５１の裏面で反射した後、界面で反射したと考えられるので、
Ｄ１＝１．３６［ｍｍ］×４＝５．４４［ｍｍ］
となり、界面で反射した波が到達する時間Ｔ１は、
Ｔ１＝５．４４［ｍｍ］／６０００［ｍ／ｓ］＋１５０［ｎｓ］＝９００［ｎｓ］
と推測することができる。
【００３０】
また、測定点ａ，ｂ，ｃは、実際には溶融部５３の内周寄りから外周に向って一定間隔で加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０を移動させながら測定を行う。この際、界面の反射が見られない場合、さらに外周方向に移動して測定の追加を行い、計算機４０で各測定点の透過波と界面での反射波の振幅比（ピーク比）を取り込み、その結果から溶融幅Ｄｘ（ｍｍ）を算出する（図６参照）。
【００３１】
そして、図７に示すように、ピーク比（反射波）が「０」となる測定点（例えば、測定点ｂ）と表面変位測定点ｃとの距離α（ｍｍ）を算出する。同様に、表面変位測定点ｆとの距離β（ｍｍ）を算出する。測定点ｃと測定点ｆとの距離をＬ（ｍｍ）、表面側の板金５１の板厚をｔ１（ｍｍ）、裏面側の板金５２の板厚をｔ２（ｍｍ）とすると、溶融幅Ｄｘ（ｍｍ）は、
Ｄｘ＝（ｔ１／ｔ１＋ｔ２）α＋（ｔ１／ｔ１＋ｔ２）β＋Ｌ
で算出することができる。
【００３２】
尚、ここで算出される溶融幅Ｄｘは、所謂、スポット溶接のナゲット部分とコロナボンド部分とを含めた溶融部全体を示す。また、同様にＹ軸方向にも同様の走査によって溶接幅Ｄｙ（ｍｍ）を求めることができる。
【００３３】
また、測定条件としては、表面変位測定装置３０と加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０とでなす角θは２０°（板厚１．４（ｍｍ）２枚重ねの場合、α，β＝１（ｍｍ））以下が好ましい。尚、θ＞２０°とした場合であっても、横波の板厚方向成分を検出するために、界面の反射と横波とを識別することができれば測定は可能である。即ち、θ＜２０°の場合には、横波の板圧方向の成分は無視できる程度に小さいが、θ＞２０°としてしまうと、横波の板圧方向の成分が検出されてしまうため、これらを識別する必要が生じてくる。また、この場合、Ｌを大きくして、角θを２０°以下として再測定するのが望ましい。
【００３４】
このように、本発明にあっては基準となる位置に表面変位測定装置３０を固定し、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０のみを変位させて測定点ｃと測定点ｆとを決定してその幅Ｌを算出すると共に、測定点ｃから溶融部５３の外側で最初に透過波Ｐａ１を得られた測定点（例えば、ｂ）の幅α（β）から、幅ｘを算出して幅Ｌに加算することで溶接幅Ｄｘ（Ｄｙ）を算出することにより、溶融部５３の幅、大きさ、面積等を容易に算出することができ、溶接強度の確保の確認をすることができる。
【００３５】
この際、ＸＹ方向の幅Ｄｘ，Ｄｙを求めることにより、その幅Ｄｘ≒Ｄｙであれば溶接が適正に処理されているといった溶接の不具合の確認も行うことができる。尚、Ｄｘ≒Ｄｙとしたのは、測定誤差や許容範囲を含めて不具合判断を計算機４０で行うためである。
【００３６】
ところで、本実施の形態では、受信用レーザとして、表面変位測定装置（レーザ干渉計）３０を使用したもので説明したが、例えば、レーザドップラ振動計等、スポット溶接以外の重ね合わせ溶接の強度判定等に応じたものを適用することができる。
【００３７】
また、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０と表面変位測定装置３０との両方に測定用のレーザを使用することにより、大気中でしかも非接触で測定が可能となり、接触媒質を必要とせず、作業者の熟練度も必要としない簡素な溶接幅測定装置１０を提供することができる。
【００３８】
さらに、表面変位測定装置３０の測定点ｇ（ｈ）をスポット溶接部分として目視可能な窪み近傍（外側）で固定することにより、表面が平面のため充分な戻り光が得られ、安定した反射波測定が可能となるうえ、戻り光のバラツキを最小限に抑えることができる。
【００３９】
これにより、加振用Qスイッチパルスレーザ装置２０をＸＹ方向に走査させることによって溶接界面の状況を計算機４０で推測することができる。
【００４０】
したがって、界面では衝撃波が反射することから、透過波は減衰するということを利用し、表面変位測定装置３０で板金５１の表面変位を測定することで被測定物の界面（内部欠陥）の有無を容易に測定することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０…溶接幅測定装置
２０…加振用Qスイッチパルスレーザ装置（振動発生装置）
３０…表面変位測定装置（振動検出装置）
４０…計算機
５０…被検体
５１…板金
５２…板金
５３…溶融部
【図１】
2012021918.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2012021918.tif 000006
【図５】
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【図６】
2012021918.tif 000008
【図７】
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