(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット溶接部の主面上を横断するように縦波超音波を相対的に走査しながら入射させ、当該縦波超音波が前記スポット溶接部の下板底面で反射する際にモード変換により生じる横波超音波を所定変位毎に取り込み、この横波超音波のレベルに基づいて前記スポット溶接部を検査するスポット溶接の検査方法において、
前記横波超音波の焦点をコロナボンド部の接合界面に合わせた状態で、
開口角が３７ｄｅｇ以上の前記縦波超音波を前記スポット溶接部の主面に出射させ、
前記取り込まれた横波超音波のレベルが、予め決められた基準レベルよりも高い場合をナゲット部と、前記基準レベルよりも低い場合をコロナボンド部と判定することを特徴とするスポット溶接の検査方法。
【請求項２】
前記ナゲット部と判定された領域の走査変位量をナゲット径として求めることを特徴とする請求項１記載のスポット溶接の検査方法。
【請求項３】
前記開口角が５６ｄｅｇ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のスポット溶接の検査方法。
【請求項４】
前記スポット溶接部の主面に出射される縦波超音波の周波数が２５±５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のスポット溶接の検査方法。
【請求項５】
前記スポット溶接部の主面に対する縦波超音波の相対的走査は、前記スポット溶接部が形成された被検査物と前記縦波超音波を生成する超音波探触子とを相対的に移動させ、所定の変位毎に反射を取り込むことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のスポット溶接の検査方法。
【請求項６】
前記スポット溶接部の主面に対する縦波超音波の相対的走査は、前記縦波超音波を生成する複数の超音波探触子を前記スポット溶接部の主面上に設け、これら複数の超音波探触子のそれぞれから所定ピッチ毎に反射波を取り込むことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のスポット溶接の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スポット溶接の検査方法に関し、特に超音波を用いて非破壊でスポット溶接部を検査する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１９に示すように、スポット溶接部３０において、正常に溶接された場合には上板１０と下板２０との一部が溶融して一体的に凝固し、その部分にナゲット（以下、ナゲット部３２ともいう）と称される、断面が碁石状の溶融−再凝固部分が形成される。このナゲット部３２のナゲット径ｒは、溶接強度との相関関係が強いのでスポット溶接の品質管理項目としてナゲット径ｒの下限値を管理することが従来より行われている。そして、測定されたナゲット径ｒが下限値よりも小さい場合には溶接強度が不足するとして「不良」との判定を下し、下限値以上ならば「合格」と判定する。
【０００３】
このようにスポット溶接部３０を検査するためには品質管理項目であるナゲット径ｒを測定する必要があるが、スポット溶接部３０においては、上板１０の一部と下板２０の一部とが溶融−再凝固したナゲット部３２の周囲が、直ちに非溶接部４０に相当するのではなく、同図に示されるようにナゲット部３２の周囲には上板１０と下板２０とが固相接合されたコロナボンド部３４と称される部分が存在し、このコロナボンド部３４の外側が非溶接部４０となっている。
【０００４】
このコロナボンド部３４は、ナゲット部３２に比べて接合強度が低いので、溶接検査を行うにあたっては、コロナボンド部３４とナゲット部３２とを識別してナゲット径ｒのみを測定する必要がある。
【０００５】
超音波を用いた従来のスポット溶接部の検査方法として、スポット溶接部３０を通過する超音波の伝播時間の差異を測定するパルスエコー法が知られているが、コロナボンド部３４に超音波を入射させると、ナゲット部３２と同様に下板２０の底面２０ａまで透過してしまうので、かかるパルスエコー法によっては溶接部３０からナゲット部３２のみを識別してナゲット径ｒを測定することはできなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、パルスエコー法以外の検査方法が幾つか提案されている。
１）超音波縦波多重反射波の減衰度の差異を利用した検査方法
たとえば、特開平２−８７０６０号公報、特開平３−２３３５２号公報、特開平４−２６５８５４号公報には、ナゲット部とコロナボンド部とを伝播する超音波縦波多重反射波の減衰度の差異を測定することによって、これらナゲット部とコロナボンド部とを識別する方法が開示されている。
【０００７】
この方法は、ナゲット部とコロナボンド部とを伝播する超音波多重反射波の高さが減衰していく過程において、ナゲット部の方がコロナボンド部よりも多重反射波の減衰が早く、この減衰度の差異に着目してナゲット部とコロナボンド部とを識別し、これによりナゲット径を求めるものである。
【０００８】
ここでは、一般的に金属中における超音波の減衰原因は、▲１▼超音波の波頭面が広がるための拡散損失、▲２▼結晶粒界および組織粒界による散乱減衰、▲３▼内部摩擦に基づく粘性減衰、および▲４▼転位の運動による減衰であり、このうちのナゲット部とコロナボンド部との金属組織差（上記▲２▼の結晶粒界および組織粒界による散乱減衰）が、ナゲット部の方がコロナボンド部よりも多重反射波の減衰度が大きい要因としている。
【０００９】
すなわち、ナゲット部は溶融−再凝固した樹枝状結晶を主体とした金属組織であるのに対し、コロナボンド部は固相接合のみの、組織に著しい変化がない、焼きならし状態を主体とした金属組織であるため、これが減衰度の差異として現れるとしている。
【００１０】
しかしながら、超音波の減衰原因については、上述した▲１▼〜▲４▼の原因以外にもスポット溶接部の表面の凹凸による超音波の乱反射がある。すなわち、スポット溶接面は平らではなく、超音波探触子から発生する超音波の入射方向は、反射面に対して必ずしも垂直になるとはいえない。
【００１１】
したがって、図２０（ａ）に示すように入射方向に対して垂直な面Ｓ１においては、超音波探触子５０から発せられた超音波のうちのかなりの量の超音波が反射波として超音波探触子５０に戻ってくるが、同図（ｂ）に示すように表面の凹凸によって垂直とはならない凹凸面Ｓ２においては、反射波は超音波探触子５０の軸線に対してある角度をもって反射するので、超音波探触子５０に戻ってくる超音波の量が少なくなり、超音波が伝播する経路の金属組織に拘わらず、減衰度の差異が現れてしまうといった問題がある。
【００１２】
これにより、ナゲット部とコロナボンド部における金属組織の違いによる減衰度に大きな差異があれば凹凸の影響を吸収することができるものの、金属組織の差異がさほど大きくない場合には、凹凸の影響によって減衰度が逆転するおそれがある。
【００１３】
この点について本発明者らは確認実験を行った。まず、図２１に示す３つのテストピースＴＰ１〜ＴＰ３を作成した。第１のテストピースＴＰ１は、ナゲット部３２およびコロナボンド部３４を有する通常のスポット溶接を行ったもので、電極チップによる凹部３６をそのままにしたものである。第２のテストピースＴＰ２は、第１のテストピースＴＰ１と同様にナゲット部３２およびコロナボンド部３４を有する通常のスポット溶接を行ったのち、上板１０の上面と下板２０の底面とに切削加工を施して電極チップの凹部を除去したものである。また第３のテストピースＴＰ３は、溶接部３０の全面がコロナボンド部３４となるようにスポット溶接を行ったもので、電極チップによる凹部３６は存在するが比較的浅い凹部である。
【００１４】
これら３つのテストピースＴＰ１〜ＴＰ３のそれぞれに対し、スポット溶接部３０を横断するように超音波探触子５０（縦波２０ＭＨｚ）を走査し、図示する５つの測定点１〜５における反射波Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…の出力電圧を超音波探触子５０およびデジタルオシロスコープにて測定した。
【００１５】
ちなみに、測定点１は反射波形の変化が止まりテストピースの厚い部分の反射波形となる点、測定点２は測定点１と３との中点、測定点３はナゲット部３２又はコロナボンド部３４の中点、測定点４は測定点５と３との中点、測定点５は反射波形の変化が止まりテストピースの厚い部分の反射波形となる点である。
【００１６】
超音波探触子５０により検出された反射波Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…の出力電圧をデジタルオシロスコープを用いて計測し、これらの値が指数関数的に減衰すると仮定して、下記の式より減衰係数μを求めた。
【００１７】
【数１】
ａｎ＝ａ・ｅｘｐ（−μｔ）
ただし、ａ：反射波Ｂ１の出力電圧
ａｎ：ｎ番目の反射波の出力電圧
ｔ：反射波間の時間
μ：減衰係数
求められた減衰係数μを測定点（１〜５）別にプロットした結果を図２２に示す。これによれば、コロナボンド部３４はナゲット部３２に比べて減衰係数μが小さい傾向があることは認められたが、この減衰係数μのバラツキは大きく、コロナボンド部３４とナゲット部３２とが逆転するところも見られた。特にこのバラツキは、ナゲット部３２の周辺（測定点１および５）で認められ、逆にテストピースＴＰ２のように平面加工を施したものでは認められなかったことから考えると、表面の凹凸による乱反射の減衰が材料組織による減衰にランダムに上乗せされているものと思われる。
【００１８】
したがって、上述した超音波縦波多重反射波の減衰度の差異を利用した検査方法では、正確にナゲット部３２とコロナボンド部３４とを識別することは実用上困難である。
【００１９】
２）超音波縦波多重反射波の第一反射波のピークレベルの差異を利用した検査方法
その他の方法として、ナゲット部とコロナボンド部とを伝播する超音波縦波多重反射波のうち特に第一反射波（Ｂ１）のピークレベルの差異によって、これらナゲット部とコロナボンド部とを識別する方法が提案されている。
【００２０】
この方法は、水浸式集束超音波探触子を用い、この探触子とスポット溶接部との距離（水距離）を、この探触子の焦点距離よりも短く設定したときに生じる多重反射波のうち、第一反射波（Ｂ１）のピークレベルに着目したものである。
【００２１】
これによると、ナゲット部の境界は、コロナボンド部を含む溶接部の第一反射波のピークレベルの推移グラフにおいて当該グラフが盛り上がった領域の周辺部であって第一反射波のピークレベルが若干低下し始める位置によって与えられるとされている。また、ナゲット部中央の第一反射波のピークレベルは、やや高くなるとされている。
【００２２】
この要因は、ナゲット部の結晶粒の成長方向にあり、▲１▼ナゲット部中央は、結晶粒の成長方向がスポット溶接部の表面に対して垂直方向となり、超音波が伝播する方向とほぼ一致するため、結晶粒界における超音波散乱による減衰が少なくなって、第一反射波のピークレベルは周囲に比べて高くなるのに対し、▲２▼ナゲット部の周囲は、結晶粒の成長方向がスポット溶接部の表面に対して平行方向となり、超音波の伝播を遮るような方向となるため、結晶粒界において超音波は散乱・減衰し、これにより第一反射波のピークレベルは低くなるとされている。
【００２３】
ところが、本発明者らがこのナゲット部とコロナボンド部との識別方法を検証する実験を行ったところ、ナゲット部が形成されていない溶接部（溶接部全面がコロナボンド部になっている）であってもナゲット部が形成されている溶接部と同じようなピークレベルになることが判明した。したがって、この方法では、ナゲット部が形成されていないものについても、あたかもナゲット部が形成されているかのように判断されてしまうおそれがある。この実験結果は後述する。
【００２４】
３）横波超音波の受信量を利用した検査方法
その他の検査方法として、横波超音波の受信量を利用した検査方法が知られている。この方法では、横波超音波はナゲット部を透過するものの、コロナボンド部を透過し難くくコロナボンド面（固相接合面）で反射する特性があることに着目したものである。すなわち、▲１▼ナゲット部が存在する場合には、斜角方式超音波探触子の送信部から発生する横波超音波は、ナゲット部を通過して下板の方へ伝播し、その伝播角度から斜角方式超音波探触子の受信部に受信され難くなり、これはナゲット径が大きいほど受信量が低下するのに対し、▲２▼ナゲット部が存在せずほとんどがコロナボンド部である場合には、横波超音波は、コロナボンド面で反射してそのほとんどが斜角方式超音波探触子の受信部で受信され、これはナゲット径が小さいほど受信量が増加するといった考察に基づくものである。
【００２５】
そして、ナゲット径と斜角方式超音波探触子の受信部への横波超音波の受信量との関係を予め実験的に求めておき（検量線を作成する。）、この関係からナゲット径を求める。
【００２６】
しかしながら、この検査方法では、ナゲット径と横波超音波の受信量との関係を予め検量線として実験的に求めておく必要があるため、▲１▼計測対象の板厚に応じて幾つもの検量線を求めておく必要があること、▲２▼計測対象の形状、たとえばスポット溶接されている部分は平らな面か曲面かによっても検量線が異なること、および▲３▼スポット溶接部は、必ずしも丸いとはいえないが、本方法はスポット溶接部が円形であることを前提として検量線に基づいてナゲット径を求めるので、異常な溶接形状を「合格」と判断してしまうおそれがある。
【００２７】
また、送受信一対の斜角方式超音波探触子をスポット溶接部の周囲に設置する方法であるため、▲４▼探触子の形状が大きくなるので狭い部分では使用できない、▲５▼計測対象の形状が曲面の場合にはその曲面に対応させることが困難であるといった問題があった。
【００２８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ナゲット部とコロナボンド部とを定量的かつ確実に、しかも再現性良く識別し、検量線などを作成することなくナゲット径を求めることができるスポット溶接の検査方法を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載のスポット溶接の検査方法は、
スポット溶接部の主面上を横断するように縦波超音波を相対的に走査しながら入射させ、当該縦波超音波が前記スポット溶接部の下板底面で反射する際にモード変換により生じる横波超音波を所定変位毎に取り込み、この横波超音波のレベルに基づいて前記スポット溶接部を検査するスポット溶接の検査方法において、
前記横波超音波の焦点をコロナボンド部の接合界面に合わせた状態で、
開口角が３７ｄｅｇ以上の前記縦波超音波を前記スポット溶接部の主面に出射させ、
前記取り込まれた横波超音波のレベルが、予め決められた基準レベルよりも高い場合をナゲット部と、前記基準レベルよりも低い場合をコロナボンド部と判定することを特徴とする。
【００３０】
請求項２記載のスポット溶接の検査方法は、前記ナゲット部と判定された領域の走査変位量をナゲット径として求めることを特徴とする。
【００３２】
請求項３記載のスポット溶接の検査方法は、前記開口角が５６ｄｅｇ以下であることを特徴とする。
【００３３】
請求項４記載のスポット溶接の検査方法は、前記スポット溶接部の主面に出射される縦波超音波の周波数が２５±５ＭＨｚであることを特徴とする。
【００３４】
請求項５記載のスポット溶接の検査方法は、前記スポット溶接部の主面に対する縦波超音波の相対的走査は、前記スポット溶接部が形成された被検査物と前記縦波超音波を生成する超音波探触子とを相対的に移動させ、所定の変位毎に反射を取り込むことを特徴とする。
【００３５】
請求項６記載のスポット溶接の検査方法は、前記スポット溶接部の主面に対する縦波超音波の相対的走査は、前記縦波超音波を生成する複数の超音波探触子を前記スポット溶接部の主面上に設け、これら複数の超音波探触子のそれぞれから所定ピッチ毎に反射波を取り込むことを特徴とする。
【００３６】
【作用】
スポット溶接部において、ナゲット部では上板と下板とが溶融−再凝固して一体になっているのに対し、コロナボンド部では上板と下板との面が熱影響によって部分的に圧接又は圧着した固相接合となっている。したがって、剪断方向、すなわち超音波の伝播方向に対して垂直方向に振動しながら伝播する横波は、不連続性のある固相接合面において接合している相手の面に伝わり難いと考えられる。つまり、ナゲット部とコロナボンド部とを比較すると、ナゲット部の方が横波超音波の透過性が良いといえる。
【００３７】
本発明のスポット溶接の検査方法ではこの特性を利用し、縦波超音波が下板底面で反射する際に生じる横波を超音波探触子で検出し、この横波超音波のレベルが、予め決められた基準レベルよりも高い場合をナゲット部と、基準レベルよりも低い場合をコロナボンド部と判定する。
【００３８】
また、上記工程にてナゲット部と判定された領域の一方の端部から他方の端部までの走査変位量をナゲット径として求める。
【００３９】
上記発明において、ナゲット部とコロナボンド部との境界を明確に識別するためには、下板底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面（接合界面）に合わせて空間分解能を向上させることが必要とされる。
【００４０】
そのため、本発明では上板および下板の板厚に拘わらず、幾何学的に下板底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面に合わせることとし、さらにこの状態で超音波探触子の開口角を大きくし、反射直前の縦波（モード変換によって下板底面反射横波になる前の縦波）の入射角をより鋭くすることで反射横波の強度アップを図ることとした。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１，５および６記載の発明によれば、反射時に生成される横波超音波の焦点をコロナボンド部の接合界面に合わせるので、空間分解能が向上する。また、開口角を大きくした縦波超音波をスポット溶接部の主面に出射させるので、反射横波の強度がアップする。これにより、ナゲット部とコロナボンド部とを明確に識別することができ、溶接品質の合否判定の信頼性を高めることができる。
また請求項１記載の発明によれば、スポット溶接部の主面に出射される縦波超音波の開口角が３７ｄｅｇ以上と充分に大きいので、反射横波の強度がアップし、これにより反射横波のＳ／Ｎ比が向上する。
【００４２】
これに加えて請求項２記載の発明によれば、溶接品質の合否判定に直接的に用いられるナゲット径を迅速かつ容易に求めることができる。
【００４４】
請求項３記載の発明によれば、スポット溶接部の主面に出射される縦波超音波の開口角を５６ｄｅｇ以下とするので、反射横波のＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。
【００４５】
請求項４記載の発明によれば、スポット溶接部の主面に出射される縦波超音波の周波数が２５±５ＭＨｚであるので、ナゲット部とコロナボンド部との識別能がより向上し、また水中における減衰も抑制される。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず最初に図１〜図１３を参照しながら、本発明のスポット溶接の検査方法の原理を詳細に説明する。
【００４７】
図１〜図４は本発明のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図およびグラフ、図５は本発明のスポット溶接の検査方法によるスポット溶接部の判別方法を説明するためのグラフ、図６は水距離を変えたときの縦波および底面反射横波の伝播経路と集束の有無を説明するための断面図、図７は水距離に対する縦波および底面反射横波の強度の関係を示すグラフ、図８〜図１０は本発明において底面反射横波をコロナボンド面でフォーカスさせるための水距離の求め方を説明するための断面図、図１１は本発明で用いられる超音波探触子の一例を示す断面図、図１２は図１１に示す超音波探触子により得られる底面反射横波強度のグラフ、図１３は超音波探触子の開口角と底面反射横波強度のＳ／Ｎ比との関係を示すグラフである。
【００４８】
図１９に示すスポット溶接部３０においてナゲット部３２とコロナボンド部３４とを比較すると、ナゲット部３２の方が横波超音波の透過性が良い。これは、ナゲット部３２が溶融−再凝固して一体になっているのに対し、コロナボンド部３４では上板１０と下板２０との界面が熱影響によって部分的に圧接又は圧着した固相接合であるため、剪断方向（超音波の伝播方向に対して垂直方向）に振動しながら伝播する横波は、不連続性のある固相接合面において接合している相手の面に伝わり難いと考えられるからである。
【００４９】
ただし、一般的には横波を固体中に入射させることは困難であり、垂直横波探触子を用いて固体中に横波を入射させる場合には、かなり粘性の高い超音波接触媒質を介在させ、しかも入射する相手の面に探触子面を強く押し付ける必要もある。
【００５０】
従来の超音波を応用したスポット溶接の検査方法では、そのほとんどが縦波超音波を用いたものであるが、縦波は、その伝播方向が粗密振動方向と同じ方向であり、伝える相手を圧縮しながら伝播していく形態であるため、コロナボンド部３４の固相接合面における伝播とナゲット部３２のそれとの間に明確な差が現れなかった。
【００５１】
このため、横波超音波を応用した例も報告されているが、既述したように、横波は固体中へ入射し難く、スポット溶接部３０に対して横波を容易に入射させるためには、斜角方式超音波探触子を用いるしか方法がないと考えられていた。しかしながら、斜角方式超音波探触子では、既述したように実用的な検査装置として実現することが困難であった。
【００５２】
そこで、本発明者らは、横波を用い、かつ実用的な検査装置に具現化できる検査方法を検討したところ、初めは縦波としてスポット溶接部３０に入射し、下板２０の底面２０ａで反射するときにモード変換により発生する横波超音波（以下、下板底面反射横波ともいう）を利用することに着目し、超音波探触子５０（超音波センサともいう）に戻ってくるこの下板底面反射横波のレベル差から、ナゲット部３２とコロナボンド部３４とを明確に識別する本発明を完成した。
【００５３】
ナゲット部３２とコロナボンド部３４における下板底面反射横波のレベル差は充分大きく、スポット溶接面の凹凸の影響によっても逆転することがないことも確認された。
【００５４】
本発明のスポット溶接の検査方法による識別手順について、図１〜図４を参照しながら説明する。これらの図の左には本発明のスポット溶接の検査方法の原理図を示し、右には横軸が時間、縦軸が超音波探触子５０にて検出された出力電圧のグラフを示す。
【００５５】
まず、図１に示すように非溶接部４０に超音波探触子５０を当て、そのときのＳ波（上板１０の上面からの反射波）と上板１０の第一反射波（縦波）との時間間隔ｔ１を測定する。
【００５６】
次いで、上板１０の第一反射波（縦波）のモード変換によって発生する上板底面反射横波を捉えるためのゲートＧを設け、その横波のレベル、たとえば波高値を測定する。このゲートＧは、たとえば先に測定した時間間隔ｔ１をもとに、第一反射波（縦波）から適当な遅延時間（たとえばｔ／３）をおき、上板底面反射横波を捉えることができる適当な間隔（たとえばｔ／３）で設定する。これらは、超音波探触子５０の微小走査変位毎に超音波波形をＡ／Ｄ変換して記録したのち、信号処理プログラムにより実行する。
【００５７】
こうしてスポット溶接部３０を横断するように超音波探触子５０を走査させたとき、ゲートＧによって捉えられた上板底面反射横波のレベルに変化がなければ、その部分は非溶接部４０であると判断することができる。
【００５８】
次に、図２に示すように超音波探触子５０が溶接部３０と非溶接部４０との境界にくると、上板１０の第一反射波（縦波）と、それによる上板底面反射横波は、境界部における乱反射によって減衰し、波高値が小さくなる。これとともに、下板２０からの第一反射波（縦波）が成長し、ここが上板１０の第一反射波レベルと逆転するポイントである。
【００５９】
図３に示すように、超音波探触子５０が溶接部３０に入ったら、換言すれば下板２０の第一反射波（縦波）のレベルが上板１０の第一反射波（縦波）のレベルよりも大きくなったら、Ｓ波と下板２０の第一反射波（縦波）との時間間隔ｔ２をもとにして、下板底面反射横波にゲートＧをかける。このゲートＧも既述した方法で行い、全て信号処理プログラムにて実行する。そして、超音波探触子５０の微小走査変位毎に下板底面反射横波のレベルを測定する。
【００６０】
ここで得られる下板底面反射横波のレベルは、図３に示すようにコロナボンド部３４では小さく、図４に示すようにナゲット部３２では大きい。
【００６１】
以上のことから、溶接部３０を横断するように超音波探触子５０を走査させて得られる下板底面反射横波のレベルが、図５（ａ）に示すように何らの変化もない場合には、その部分は非溶接部４０であると判断することができる。また、下板底面反射横波のレベルが、同図（ｂ）に示すように一旦下がるものの、その後の上昇が僅かである場合には、溶接部３０は存在するもののナゲット部３２が形成されておらず全てコロナボンド部３４となっていると判断することができる。さらに、下板底面反射横波のレベルが、同図（ｃ）に示すように一旦下がり、その後の上昇も著しく大きい場合には、溶接部３０にはナゲット部３２が形成されていると判断することができる。この場合、予め設定しておいた基準値以上の範囲をナゲット径ｒとすることができ、このナゲット径ｒが品質管理値以上であれば、そのスポット溶接部３０は合格であると判定することができる。
【００６２】
ところで、こうしたナゲット部３２とコロナボンド部３４との境界を明確に識別するためには、下板底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面（接合界面）に合わせ、空間分解能を向上させることが必要とされる。しかしながら、仮にコロナボンド面がテストピースの厚さ方向の中央に存在するとすれば、図６（ｃ）に示す水距離をＣ（＜Ｂ）まで短くする必要がある。ところがこうすると、図７に示すように下板底面反射横波の強度が低下してＳ／Ｎ比が悪化するので、空間分解能とＳ／Ｎ比とを両立させる超音波探触子が求められる。
【００６３】
すなわち、図６（ａ）は入射する縦波超音波のフォーカスポイントを下板底面２０ａに合わせた場合、同図（ｂ）は同じく縦波超音波のフォーカスポイントを下板底面２０ａの少し上側に合わせた場合、同図（ｃ）は同じく縦波超音波のフォーカスポイントを上板１０と下板２０との界面に合わせた場合をそれぞれ示し、それぞれの水距離をＡ，Ｂ，Ｃとする。それぞれの場合において、縦波超音波を入射したときの縦波反射波Ｂ１と、縦波反射波Ｂ１による底面反射横波との強度を測定した結果、図７右に示すグラフが得られた。
【００６４】
これによれば、最初に入射する縦波超音波のフォーカスポイントを下板底面２０ａの少し上側に合わせることで（同図（ｂ））、底面反射横波の強度が最も強く得られ、Ｓ／Ｎ比が最も向上するものの、同図（ｂ）示すように底面反射横波がポイント集束しないので、高分解能は得られないという欠点がある。
【００６５】
ナゲット部３２およびコロナボンド部３４の境界を識別するためには、分解能を高める必要があり、そのためには底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面に合わせる必要がある。しかしながら、同図（ｃ）に示すように底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面に合わせると、図７右に示すように底面反射横波の強度が低下し、Ｓ／Ｎ比が悪化する。
【００６６】
要するに、従来の超音波探触子では、底面反射横波の空間分解能と強度とは相反する関係にある。
【００６７】
この点につき本発明では、まず空間分解能を向上させるために、下板底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面（接合界面）に合わせることとし（図６（ｃ））、その手法として以下の幾何学的演算手法を採用した。
【００６８】
すなわち、図８に示すように、下板底面反射横波を接合界面でフォーカスさせたときの水距離をＷＰ、水浸式超音波探触子５０の振動子の半径をＲ、水浸式超音波探触子５０の水中フォーカス距離をＦＰ、振動子の最外周から発信する超音波と上板１０の表面との交点を▲１▼、中心軸▲３▼から交点▲１▼までの距離▲３▼−▲１▼をＲＬ＋αＲＳとすると、水距離ＷＰは、幾何学的に以下の式により求めることができる。
【００６９】
【数２】
（ＦＰ−ＷＰ）／（ＲＬ＋αＲＳ）＝（ＦＰ２  −Ｒ２  ）０．５  ／Ｒ
∴ＷＰ＝ＦＰ−（ＲＬ＋αＲＳ）・（ＦＰ２  −Ｒ２  ）０．５  ／Ｒ
ここで、ＲＬは、図９に示すように、超音波縦波第一入射波が下板２０の底面でフォーカスを結ぶときの距離▲３▼−▲１▼の値であり、超音波縦波第一入射波をテストピースの下板２０の底面でフォーカスさせたときの水距離をＷＰＬ、水中での音速をＶ１、計測対象の縦波音速をＶ２とすると、ＷＰＬは下記式により求めることができる。
【００７０】
【数３】
ＷＰＬ＝ＦＰ−（Ｖ２／Ｖ１）・（計測対象の厚さ）
また、ＲＬは下記式により求めることができる。
【００７１】
【数４】
（ＦＰ−ＷＰＬ）／ＲＬ＝（ＦＰ２  −Ｒ２  ）０．５  ／Ｒ
∴ＲＬ＝（ＦＰ−ＷＰＬ）・Ｒ／（ＦＰ２  −Ｒ２  ）０．５
この式において、ＦＰおよびＲは探触子５０の仕様による既知の値、Ｖ１およびＶ２および計測対象の厚さも既知の値であることから、ＲＬを求めることができる。
【００７２】
また、ＲＳは、図１０に示すように、モード変換した超音波横波第一入射波がテストピースの下板２０の底面でフォーカスを結ぶときの距離▲３▼−▲１▼の値であり、モード変換した超音波横波第一入射波をテストピースの下板２０の底面でフォーカスさせたときの水距離をＷＰＳ、水中での音速をＶ１、計測対象の横波音速をＶ３とすると、ＷＰＳは下記式により求めることができる。
【００７３】
【数５】
ＷＰＳ＝ＦＰ−（Ｖ３／Ｖ１）・（計測対象の厚さ）
また、ＲＳは下記式により求めることができる。
【００７４】
【数６】
（ＦＰ−ＷＰＳ）／ＲＳ＝（ＦＰ２  −Ｒ２  ）０．５  ／Ｒ
∴ＲＳ＝（ＦＰ−ＷＰＳ）・Ｒ／（ＦＰ２  −Ｒ２  ）０．５
この式において、ＦＰおよびＲは探触子５０の仕様による既知の値、Ｖ１およびＶ３および計測対象の厚さも既知の値であることから、ＲＳを求めることができる。
【００７５】
なお、αは、テストピース全体の厚さに対する接合界面下の厚さ比率、たとえば上板１０と下板２０とが同じ厚さならα＝０．５であり、接合される２枚の板厚によって決まる値である。
【００７６】
以上の関係を用いることで、下板底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面（接合界面）に合わせることができ、空間分解能の向上を図ることができる。
【００７７】
こうして、下板底面反射横波のフォーカスポイントをコロナボンド面（接合界面）に合わせた状態で、下板底面反射横波の強度を上げるため、本発明では従来の超音波探触子に比べて振動子径２Ｒを大きく及び／又はフォーカス距離ＦＰを短くすることで超音波探触子５０の開口角θを広げ、反射直前の縦波（モード変換によって下板底面反射横波になる前の縦波）の入射角をより鋭くした（図１１参照）。
【００７８】
これにより、モード変換によって発生する下板底面反射横波の強度がアップし、図１２（ａ）に示すように従来の探触子では観察できなかったコロナボンド部３４に相当する横波強度の推移が観察できるようになった。また、開口角θを大きくした本発明に係る超音波探触子５０を用いると、同図（ｂ）に示すように横波強度の弱い部分（コロナボンド部３４に相当する）で一旦山のように盛り上がる点が観察され、スポット溶接部３０の断面写真と照らし合わせたところナゲット部３２の端部であることが判明した。これにより、ナゲット径を高精度で測定することができる。
【００７９】
この場合特に限定はされないが、スポット溶接の母材が鋼板である場合、超音波探触子５０の開口角θは、３７ｄｅｇ〜５６ｄｅｇであることが好ましい。なかでも、横波への変換効率が最大になり、底面反射横波強度のＳ／Ｎ比が最も良くなる５０ｄｅｇ前後が最も好ましい。
【００８０】
開口角θの最適範囲を３７ｄｅｇ以上としたのは、底面反射横波をその他のノイズから識別し、その強度の高低を用いてナゲット部３２の有無やコロナボンド面３４の存在を判断するためには、図１３に示す底面反射横波の強度のＳ／Ｎ比が１０ｄＢ以上であることが必要とされ、したがって、同図の結果からＳ／Ｎ比が１０ｄＢ以上となる開口角θ＝３７ｄｅｇとして求められた。
【００８１】
また開口角θの最適範囲を５６ｄｅｇ以下としたのは、開口角θが５６ｄｅｇを越えると、超音波探触子５０の最外周から発振する縦波の被試験物に対する入射角が臨界角（縦波が被試験物へ入射し得る角度）を越えてしまい、超音波探触子５０の振動子の全ての面から発振する超音波を有効に使用できなくなる。このため、開口角θが５６ｄｅｇを越えると、逆に底面反射横波の強度のＳ／Ｎ比が低下するからである。
【００８２】
ちなみに、被検査物に入射させる縦波超音波の周波数は、特に限定されないが２５ＭＨｚ近傍が最適である。
【００８３】
縦波超音波の周波数を１０ＭＨｚと２５ＭＨｚとで比較したところ、コロナボンド部３４での底面反射横波の強度は、ナゲット部３２での底面反射横波の強度に対し、１０ＭＨｚのときは約５０％減、２５ＭＨｚのときは約８３％減となり、入射させる縦波超音波の周波数が高い方がナゲット部３２とコロナボンド部３４との識別能力が高いことが判明した。このことは不完全結合モデルを用いたシミュレーション計算によっても裏付けられた。
【００８４】
ただし、周波数がより高い５０ＭＨｚで検証したところ、水中で減衰し周波数が低下し易いこと、および２５ＭＨｚに比べて理論上期待するほどスポット溶接画像の分解能の向上が認められなかったことから、入射させる縦波超音波の最適範囲は２５ＭＨｚ近傍である。
【００８５】
次に上述した本発明のスポット溶接の検査方法を応用した検査装置の実施形態を説明する。図１４は本発明のスポット溶接の検査方法を用いた検査装置の実施形態を示す概念図、図１５は同実施形態の検査装置で用いられる超音波探触子の他の例を示す断面図である。
【００８６】
まず本実施形態の検査装置１は、水浸式超音波探触子５０が用いられ、スポット溶接が施された被試験物は、水槽２内の固定治具３上に固定される。超音波探触子５０は、固定治具３上に固定された被試験物のスポット溶接部３０を横断するように図外の移動装置によって移動する。
【００８７】
なお、本発明に係る超音波探触子５０は図１４に示す水浸式以外にも、たとえば図１５（ａ）（ｂ）に示す接触式も用いることができる。図１５（ａ）の超音波探触子５０は、水槽２を用いる代わりに、キャップ５１を探触子５０に被せてここに水を供給しながら走査するものである。また、同図（ｂ）に示す超音波探触子５０は、超音波媒質として水の代わりに遅延材５２を採用し、これを探触子５０の先端に設けたものである。
【００８８】
こうした超音波探触子５０にて検出された音波は、パルサーレシーバ／反射波ピークディテクタ４に送出されるとともに、移動装置による超音波探触子の移動量（変位量）は移動量測定装置５にて検出される。
【００８９】
これらパルサーレシーバ／反射波ピークディテクタ４に送出された出力電圧値（反射波ピーク）と、移動量測定装置５にて検出された超音波探触子５０の移動量とは、記憶装置６に対のデータとして記憶され、スポット溶接部３０の走査全域に対してこうしたデータが記憶される。
【００９０】
ナゲット径演算記録装置７では、記憶装置６に記憶されたデータ群に基づき、図１〜図５に示す手法を用いて非溶接部４０、ナゲット部３２およびコロナボンド部３４の判別を行い、ナゲット径を求める。そして、合否判定装置８にて予め入力されたナゲット径の基準値と実測値とを比較し、実測されたナゲット径が基準値以上である場合は合格、基準値未満である場合は不合格との判定を下す。また、表示部９に合格／不合格の判定と実測されたナゲット径を数値で表示する。この場合、ランプの色やブザーなどの警告音を用いて検査者に喚起する。
【００９１】
ちなみに、図１５（ｂ）に示す遅延材５２を用いた接触式超音波探触子５０において、下板底面反射横波のフォーカス位置をコロナボンド面に合わせる場合は、図１６に示す幾何学的関係を用いる。
【００９２】
すなわち、同図に示すカプラント液はパナメトリクスＡ液で、縦波音速Ｖ１＝１５５０ｍ／ｓｅｃ、同じくディレイ材はポリスチレンで、縦波音速Ｖ２＝２３３０ｍ／ｓｅｃ、被検査物は鋼板で、縦波音速Ｖ３＝６２００ｍ／ｓｅｃ、横波音速Ｖ４＝３０１０ｍ／ｓｅｃである。ここで図示するように、
【００９３】
【数７】
sinθ２＝sinθ１・（Ｖ２／Ｖ１）＝（Ｓ／Ｒ）（Ｖ２／Ｖ１）
sinθ３＝sin（θ２−θ１）・（Ｖ３／Ｖ２）
sinθ４＝sinθ３・（Ｖ４／Ｖ３）
ここで、鋼板中の仮想縦波フォーカス距離をＸ’とすると、
【００９４】
【数８】
Ｘ’＝（Ｓ−Ｌ・tan（θ２−θ１））／tanθ３
Ｓ’＝（Ｘ’−板厚）tanθ３
Ｘ＝Ｓ’／tanθ４
図１７には、上述した検査装置を用いて測定した結果を示す。また比較例として、図１８にスポット溶接部３０のＢ１反射波（縦波）のレベルを検出することでナゲットの検査を行う従来例による測定結果を示す。
【００９５】
これらの結果から明らかなように、図１８に示す比較例では良品（ナゲットが存在するテストピース）と不良品（コロナボンドのみのテストピース）とは、反射波レベルの大きさや推移に大きな差異が見られず、この手法ではナゲット部とコロナボンド部とを明確に識別することは困難である。
【００９６】
これに対して、図１７に示す本発明では、良品（ナゲットが存在するテストピース）と不良品（コロナボンドのみのテストピース）との間に大きな出力差が現れ、ナゲット部とコロナボンド部とを明確に識別することができる。
【００９７】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図およびグラフである。
【図２】本発明のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図およびグラフである。
【図３】本発明のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図およびグラフである。
【図４】本発明のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図およびグラフである。
【図５】本発明のスポット溶接の検査方法によるスポット溶接部の判別方法を説明するためのグラフである。
【図６】水距離を変えたときの縦波および底面反射横波の伝播経路と集束の有無を説明するための断面図である。
【図７】水距離に対する縦波および底面反射横波の強度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明において底面反射横波をコロナボンド面でフォーカスさせるための水距離の求め方を説明するための断面図である。
【図９】本発明において底面反射横波をコロナボンド面でフォーカスさせるための水距離の求め方（ＲＬ）を説明するための断面図である。
【図１０】本発明において底面反射横波をコロナボンド面でフォーカスさせるための水距離の求め方（ＲＳ）を説明するための断面図である。
【図１１】本発明で用いられる超音波探触子を示す断面図である。
【図１２】図１１に示す超音波探触子により得られる底面反射横波強度のグラフである。
【図１３】超音波探触子の開口角と底面反射横波強度のＳ／Ｎ比との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明のスポット溶接の検査方法を用いた検査装置の実施形態を示す概念図である。
【図１５】図１４に示す検査装置で用いられる超音波探触子の他の例を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態を示す要部断面図である。
【図１７】本発明のスポット溶接の検査方法を用いて得られた下板底面反射横波の強度グラフである。
【図１８】従来のスポット溶接の検査方法を用いて得られた縦波反射波の強度グラフである。
【図１９】スポット溶接部を模式的に示す断面図である。
【図２０】従来のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図である。
【図２１】従来のスポット溶接の検査方法を説明するための断面図である。
【図２２】図２１に示す従来のスポット溶接の検査方法を用いて得られた減衰係数を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…上板
２０…下板
２０ａ…下板底面
３０…スポット溶接部
３２…ナゲット部
３４…コロナボンド部
４０…非溶接部
【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７】
0004067203.tif 000008
【図８】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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