電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法…
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…低空頭・低騒音杭打機工法（COMASA）
P1507-07

1342-9825/15/¥500/論文/JCOPY

特集

柱柱柱柱柱…
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柱…
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溶接部検査で活用される製品と技術①

電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法
Potentiometric based non-destructive evaluation method for spot welding

焼入れ判定器WT-4102の応用編

電子磁気工業㈱1．はじめに岩田

成弘

鋼の代わりに高張力鋼が採用され始め、高張力鋼のスポット溶接部は軟鋼と比較して硬く接合

抵抗溶接は高温圧接の一種で、各種圧接法の力が強く、作業者は容易にたがね試験ができななかで最も多く用いられている代表的技法であい。このように破壊試験は廃棄品を発生させ製る。抵抗溶接は、接合すべき部分に直接高電流品ロスを生み多大な費用を損失させ、その作業を通じて、その電流による抵抗発熱で溶接部のに携わる作業者負担も大きいため、これらを改温度を上昇させ溶接を行うため、極めて短時間善可能な非破壊検査法が強く求められている。

で溶接でき、高速・高能率という点から、特にスポット溶接の非破壊評価法には従来から超多量生産品に適している。抵抗溶接には板を重音波法、磁気法、渦電流法等が研究・開発されね合わせて点状や線状に接合する重ね抵抗溶接ている。しかし、広く利用されていないのが現があり、主として薄板用の技術で、自動車、家状である。この理由として、評価精度が十分で電製品その他板金量産製品に多彩な用途を有しないことに加え、原理的な評価精度が明らかにている。さらに重ね抵抗溶接には抵抗溶接の主されていないこと、作業性が現場の要求を満た流をなすスポット溶接があり、自動車産業を支さないこと等によると考えられる。以上を鑑みえる重要な技術となっている。て、本稿では電位差法を用いたスポット溶接の一般的には車両当たり5,000点以上のスポット溶接が施されており、車体をはじめドアフレームやマフラー、シートなど様々な部位にスポット溶接が施されている。従来のスポット溶接非破壊評価法を提案する。以下、その概要を紹介する。

2．評価原理部の主な検査には、溶接部の板間にハンマでたがねを打ち込み、溶接部の強さを判断するたが本稿ではスポット溶接の評価方法として直流ね試験、スポット溶接の中心を通るように切断電位差法を用いる。一般的に、物質固有の電気し、その断面からナゲット径、溶込み、割れな抵抗率ρと導体の電気抵抗の間には「電気抵抗どの内部欠陥を検査する断面試験が行われていRは、導体の長さLに比例し、断面積Sに反比例るが、いずれも破壊検査であり検査時間や経済する」（式⑴）の関係が成り立ち、このときの的（検査費）なロスが多いものである。また、比例定数が固有抵抗率ρである。

近年は強度を維持して軽量化を行うために、軟70

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電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法…（2）…⑴式⑴をスポット溶接に適用すると、導体の長さLは電位差探針間隔であるためプローブ固有の定数と考えられ、固有抵抗率ρは物質固有の定数である。従って電気抵抗Rは断面積Sのみに影響されることになる。

第２図

板厚t1の鋼板のスポット溶接において、１枚試験片形状の未溶接、２枚溶接、３枚溶接は溶接枚数が多くなるにつれて断面積Sが大きくなる。この結果、電位差測定においてスポット溶接の評価を行うと、溶接された箇所のみの電気抵抗Rが減少し、ナゲット径を容易に測定できる。評価に使用した４探針プローブの概略図を第１図に示す。本稿で使用した４探針プローブは電流探針間隔が5mm、電位差探針間隔が1mmのものを使用し、通電電流は1A一定とした。

第３図

スポット溶接の評価

ローブをスポット溶接の中心を通るように繰返し位置をずらして電位差測定を行い、図中の測1mm
5mm

第１図

評価概略と４探針プローブ

本稿で用いた試験片の材質は冷間圧延鋼板（SPCC）で、形状は第２図に示す。試験片は板厚0.5mmと板厚2.0mmの２枚溶接で、スポット溶接部のナゲット径をφ2、３、４、５、6mm狙いとして作製した。

定線における電位差分布を取得し、得られた電位差分布よりナゲット径を算出し、スポット溶接の評価とする。

3．評価結果本評価法を検証するうえで有限要素法によりスポット溶接（２枚溶接）の解析をした。
解析を行ったFEMモデル（メッシュ）を第４図に示す。
解析条件としては、上板、下板は同材質とし、この４探針プローブを用いた評価方法の概略

前項までの４探針プローブおよび試験片形状に図を第３図に示す。評価方法としては４探針プよる解析を行った。ナゲット径φ5mmにおけ検査技術 2015.10． 71

電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法…（3）

測定結果より、有限要素法の解析結果と電位分布測定結果を比較すると、同様の結果が得ら

第４図

スポット溶接FEMモデル

る解析結果を第５図～第７図に示す。解析結果
より、スポット溶接の電位分布は溶接中心で最小値を示し、溶接境界において最大値を示す傾向があることが分かった。
次に前述した溶接境界において最大値を示すことを検証するために、溶接中心における断面の電位分布を有限要素法により解析をした。解析を行ったFEMモデル（メッシュ）を第８図

第５図

電位分布解析結果（3D）に示す。解析は４探針プローブが未溶接部にある場合、プローブの中心が溶接境界にある場合、プローブが溶接内にある場合の３タイプを行った。各々の解析結果を第９図～第11図に示す。
解析結果から、４探針プローブが未溶接部にある場合および溶接内にある場合は、プローブを中心にして試験片内部において左右対称の電位分布になっていることが分かる。４探針プローブの中心と溶接境界が一致したときにおいては、電位分布がプローブの左右で大きく異なり、最も電位差が生じることが判明した。この結果から、電位分布の最大値を検出することにより溶接の境界を検出でき、ナゲット径の測定が行

第６図

電位分布解析結果（断面）えることが明らかになった。前項の有限要素法
解析の妥当性を検証するために、試験片において実際に電位差測定を行った。測定方法を第12図に示す。
測定においては、プローブをＸ軸方向に設置し、0.5mm間隔で位置をずらし、31回（15mmの範囲）の測定を行い、これをライン１とする。
次にＹ軸方向に0.5mm移動して、同様に測定を行いライン２とする。これを31回（15mmの範囲）行い、15mm×15mmの電位分布を取得する。
ナゲット径φ5において取得した電位分布を第13図～第15図に示す。

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第７図

電位分布解析結果（上面）電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法…（4）れたことが分かる。ただし、有限要素法解析に値が電位分布測定結果では判別が困難になっておいて見られた溶接境界においての最大電位差いる。これは、最大電位差値はプローブの中心

第８図 スポット溶接2Dモデル

第９図

電位分布（未溶接部）

第10図

電位分布（溶接境界部）

第11図

電位分布（溶接中心部）

第12図

電位分布の測定方法

第13図

電位分布測定結果（3D）

第14図

電位分布測定結果（断面）第15図

電位分布測定結果（上面）検査技術 2015.10． 73

電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法…（5）が溶接境界と一致したときに生じること、μVの測定を行っているために測定誤差が最大電位差値に影響を与えていること等の原因が考えられる。また、実際の測定において溶接の境界とプローブの中心を一致させることは困難である。ナゲット径φ2、φ3、φ4、φ5、φ6mmの試験片について、スポット溶接中心の電位分布測定結果を第16図に示す。
第16図よりナゲット径が大きくなるにつれて、電位分布の幅も増加していることが分かる。
また、電位分布中心の最小値においてもナゲット径が大きくなるにつれて減少していることが第17図

各ナゲット径と電位分布中心の最小値分かる。

4．評価装置前述①の評価を行うためには、電位差測定を繰返し行い、電位分布を取得する必要がある。
現状の電位差測定には１測定0.5秒の時間がかかる。本稿での電位分布を取得するとなると31測定必要のため、約15秒の測定時間となる。実

第16図 各径の電位分布測定結果

第17図に各ナゲット径と電位分布中心の最小値の関係を示す。第17図よりナゲット径が大きくなるにつれて電位差の最小値が減少していることが分かる。これらの結果を鑑みて、本評価法においてナゲット径を算出するためには、① 電位分布を取得し、電位差値のしきい値

写真１

焼入れ判定器WT-4102を設けて、ナゲット径を算出する② ナゲット径と電位差最小値との相関関係（検量線）をあらかじめ取得し、ナゲット径を算出する
ことが考えられ、いずれにしろ本評価法はスポット溶接の非破壊評価法として利用できると考える。

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写真２

４探針プローブ

電位差法を用いたスポット溶接の非破壊評価法…（6）

現場においてプローブを数十秒固定して測定す

電位差法を用いて鋼材の電気抵抗率変化を捉えることは困難であり、測定の安定性にも影響することで焼入れ深さを簡易に測定できる。同様る。そこで本稿では前述②のナゲット径と電位にスポット溶接の評価についても電気抵抗率の差最小値との相関関係（検量線）をあらかじめ変化を捉え、ナゲット径を簡易に測定できる。

取得し、スポット溶接の中心を１点測定するこ

そのほか、直流電位差法は亀裂深さ測定にも適とで得られる電位差値からナゲット径を算出す用できるなど、直流電位差法を用いた非破壊検ることが、測定時間0.5秒と短時間で測定でき査機器として焼入れ判定器WT-4102の応用をるため推奨する。

これからも提案していきたいと考える。

写真１、写真２に電位差測定器である焼入れ判定器および４探針プローブを示す。

5．おわりに焼入れ判定器WT-4102によるスポット溶接の非破壊評価法は、スポット溶接の品質管理に十分に適用できることを確認できた。今後はスポット溶接の新たな検査法として提案していきたい。
焼入れ判定器WT-4102は焼入れ鋼材の焼入れ深さ測定を目的に開発した製品である。直流【筆者紹介】
岩田成弘

電子磁気工業㈱ 開発部 開発課 課長＜会社の主な事業内容＞
経営理念として“世界に提供する安全と安心”を掲
げ、非破壊検査機器の総合サプライヤーとして各種業界の品質検査に寄与している。磁気計測機器は豊富なラインアップを持ち、研究分野から生産分野まで広く愛されている。

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