作成:２０１０年０６月１０日
改訂:２０２０年０４月１３日

日本高圧電気株式会社

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1.背景
従来のスポット溶接の品質管理は、・品質保証：破壊試験
・品質確認：ドライバーチェック(ＤＣ)です。
このドライバーチェック(ＤＣ)に代わる検査方法をご提案。

磁気を使った非破壊検査
ドライバーチェックはタガネ試験（JIS Z3144）を指す。

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2.ナゲットプロファイラーとは重要

磁気を利用したスポット溶接の検査機です。
※ナゲットプロファイラーをNPと表記します。

特徴:① ナゲットを数値化できます。
② ナゲットと圧接の判別が可能です(15ﾍﾟｰｼﾞ)。
③ ジェル、水などの媒体は必要ありません。
（超音波方式はジェルなどの媒体が必要。）④ センサを軽く当てて検査します。
⑤ 検査速度は1打点あたり4秒程度です。
⑥ 結果を電子ファイルに自動保存します(Dataﾌｫﾙﾀﾞ)。

⑦ バッテリ－で駆動します(ライン内に持ち込み可能です)。

簡単にスポット溶接のナゲットを数値化できる検査機です。
⇒同位置の溶接が一定品質を維持しているか確認可能
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3.ナゲットプロファイラーのメリット
・検査物に外傷を与えずに検査が可能
・高張力鋼（ハイテン材）の検査が可能
・トレーサビリティが可能（電子ファイルに自動保存）＜ドライバーチェックの問題点＞
普通鋼材 : 鋼板に曲がりが生じ、金属疲労が発生。
(270MPa,440MPa)

ハイテン材: ナゲットかその周辺に亀裂が生じ、(780MPa以上) 溶接強度が低下。

ドライバーチェックによる亀裂の様子（断面カット）
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重要

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4.ナゲットプロファイラーの導入目的

重要

従来
条件出し
・溶接条件
・チップ交換間隔・溶接ガンティーチング

製造
・溶接実施

出荷

提案

出荷品質の安定化、向上のための PDCAサイクル を構築
条件出し（P:計画)
・溶接条件
・チップ交換間隔・溶接ガンティーチング

製造（D:実行)・溶接実施

検査（C:評価）
・品質の安定度確認

出荷・出荷物の品質向上

不安定箇所の抽出

フィードバック（A:改善）
・条件の改善Copyright © 日本高圧電気株式会社

変動の大きい溶接打点を発見⇒工程を安定させる

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5.運用用途例
5.1.運用用途例 生産ライン
同位置の溶接に対し、溶接品質が保たれているかを確認する事ができます。
⇒スポット溶接によって形成された溶接部を定量化(数値化)し比較が可能※本装置は破壊試験時からの相対検査となります。

破壊試験

破壊試験
･･･

･･･

従来

<項目>
破壊径計測
<基準>
4√t[mm]など<項目>
ドライバーチェック<基準>
剥がれ無い事

<項目>
<項目>
DC
破壊径計測
<基準>
4√t[mm]など

提案

<項目>
破壊径計測
<基準>
4√t[mm]など＋<項目>
NPで数値化<項目>
NPで数値化
<基準>
破壊試験時と数値比較･変動なし⇒品質安定･変動幅で品質低下量把握

<項目>
<項目>
破壊径計測
NP
<基準>
4√t[mm]など＋<項目>
NPで数値化

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5.2.運用用途例 ～前ページの続き～

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検査ファイルをプロット(プロットソフトも同梱)することで下記2項目が分かります。
①値が劣化した場合･･･溶接不良が発生した事が分かります。
②値が激しく変動した場合･･･工程(溶接状態)が不安定だと分かります。
・理由1：鋼板に対し溶接ガンが斜めに入っている ⇒ ティーチング修正で改善
・理由2：鋼板間に隙間が発生⇒ 板合わせ修正で改善
不良品検出に加え、工程の安定性の確認に御利用頂けます。
（ティーチングの作業目安にもご利用できます。）
装置用途例※同一打点を検査し、その打点のn数に対する品質変動を管理※本装置は破壊試験時からの相対検査となります。

120

破壊試験時を100[%]とする。

ﾁｯﾌﾟ成形/交換↓
100

絶対検査ではありませんの
で装置の出力径は実寸径とは異なる場合がございます。

80

溶接品質[%]

品質合否ライン系列1系列260

合否ライン付近へ低下
⇒値の劣化

4020

明らかな溶接不良を検出。
0050

100

150200250

検査n数[数]

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破壊試験時に『本装置が数値化した値』と『実際の溶接径』をパラメータで関連付ける必要があります。

5.3.運用用途例 出荷検査
部品会社での使用が考えられます。
①ロット内の全ての部品を数値化･･･ロット内のバラツキを確認できます。
②その後ロット内から1部品を抜き取り破壊試験する事で品質が保証できます。

※不良部品流出を阻止できます(破壊試験品以外も品質確認ができます）。

破壊試験品

1lot

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5.4.運用用途例 受入検査
受入部門での使用が考えられます。
ロット内比較 ：受入ロット内で品質が同等であることを確認します。
過去ロット比較：過去のロットと品質が同等であることを確認します。

ロット内比較

過去ロット比較

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10/326.装置構成本装置は以下の4点で構成しています。
・本体:ハードウェア制御,および励磁電圧パターン作成機能
・タブレットPC :データ解析,およびマンマシーンIF機能
・センサプローブ:磁束発生およびデータ取得機能
・手元スイッチ :検査データ記録トリガ機能
10mm

センサ
プローブ

本体

100mm

18mm

検査中心4mm

検出アレイセンサ(16個)

20mm

手元
スイッチ

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PCPC

11/327.鋼材の変化7-1.鋼材の焼入れによる相の変化
フェライト相（母材部、溶接前）
・室温結晶構造・体心立方格子・柔らかい・強磁性※磁気抵抗が低い

オーステナイト相
（溶接中）
電流

温度上昇

・高温結晶構造・面心立方格子・靱性、延性に優れる
・非磁性

フェライト・パーライト組織

図7-1.溶接部断面写真
Copyright © 日本高圧電気株式会社重要

マルテンサイト相
（溶接後）
水流

温度
急冷

・緻密な針状結晶構造
・体心立方（正方）格子・硬いが脆い・常磁性（強磁性）※磁気抵抗がやや低い(フェライト相より高い)

12/327-2.鋼材の熱処理に伴う磁気特性の変化

重要表7.試験片諸元－熱処理 鋼種JSC980Y/炭素量0.16[mass%]

FCACWQWTIS

引張強度 全伸び 硬度[MPa]*1[%]*1 [HV]*2585
22.5
15578818.1
17613838.635473015.72291006
14.6295

加工内容
1000度(5分)＋炉冷1000度(5分)＋空冷1000度(5分)＋水冷1000度(5分)＋水冷＋600度(15分)＋空冷
加工無し（初期状態）*1：引っ張り強度試験
図7-2-1.引張強度相関図

8.78.E+00

検査値

9.28.E+00

1,100

検査値

21

全伸び[%]

1,300

実測値

2418

7.20.E+00

380

7.80.E+00

340

8.40.E+00

15
9.00.E+00

硬度[HV]

検査値

9.78.E+00

実測値

検査値

1.54.E+02
1.47.E+02300
1.40.E+02

260

900

8.28.E+00

700

7.78.E+00

99.60.E+00

180

1.26.E+02500

7.28.E+00

6

1.02.E+01

140

1.19.E+02

1.33.E+02220

相関係数値:0.988［機械的特性(青) ］と［磁気特性(赤)］に高い相関がある。

IS

WT

WQ

AC

相関係数値:-0.982

IS

WT

WQ

ACFC

IS

WT

WQ

ACFC

相関係数値:0.98612FC

引張強度[Mpa]

図7-2-3.硬度相関図

図7-2-2.全伸び相関図

検査値

実測値

1,500

*2：ビッカース硬さ試験

検査値

名称

13/32

8.ナゲットと圧接のマクロ写真
マクロ写真

溶接点温度

ナゲット
融点

圧接

溶接時間

圧接

ナゲット（溶融凝固）部は素材の組織が変化します。
これにより金属が硬くなり溶接本来の目的を果たします。
⇒溶融凝固部分は組織がマルテンサイト変態（転移、ラス構造）するため透磁率（磁束密度の発生量）が低下します。
本装置はこの特性を用いて、磁気で検査を行っております。
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ミクロ写真

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9.検査理論概要とセンサ構造

ノウハウ

本磁気センサは二つのコイルで構成されます。
①励磁コイル：磁気を発生させる電磁石②検出コイル：発生した磁束を電気信号に変換し取得するコイル
溶接部と母材部との磁気抵抗の差を検出コイル16個で取得し波形化します。
検査画面

検出アレイコイル

励磁コイル(磁界を発生させる)

セン
サヘ
ッ
ド

16個

[ナゲット(溶融凝固)部]
磁気抵抗 = 高い

磁束11.2mm
ナゲット

側面視図

底面視図
溶接部(ｲﾝﾃﾞﾝﾃｰｼｮﾝ)＋左右2個ずつ(母材部)が必要

コロナボンド図9.原理
Copyright © 日本高圧電気株式会社[ナゲット周辺部(母材)]
磁気抵抗 = 低い

15/3210.溶接品質
10.1.溶接品質と検査値との比較

重要

磁気抵抗の取得部分は下図赤部分(2枚板の1枚目から2枚目の間)です。
溶接品質の変化により、検査波形が下図の様に遷移します。よって検査結果として、径のみではなく波形面積も管理する事が望ましいです。
良品
検査径:6.5mm

取得部分

薄い

波形面積:181

検査径:4.7mm

圧接
検査径:0.0mm

波形面積:108

波形面積:014

波
高が低下

波
高が低下
小径(ナゲット有検査径:3.9mm 波形面積:085り)

波の幅が狭くなる

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図10-1.波形形状

16/3210.2.圧接とナゲットの判別
前ページで得られた検出値を元に、不良品(圧接状態)と良品(ナゲット)を検査した際の解析結果(検査波形)を下表に示します。
下表の一番下の『差分』の項が解析結果です。これは黄波と橙波の差分値となります。
・不良品検査時⇒青波(差分)が平らもしくは低い山状になります。
・ 良品検査時⇒青波(差分)が高い山状になります。
※良品/不良品の判定は破壊試験を元に、パラメータで設定します。
検査画面（良品検査時）（不要）（要・不要）※赤線は表面形状を推測しております。
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○OK品、NG品の比較
項目

17/32
OK品

NG品

溶融凝固変化十分(マルテンサイト)
やや低い(フェライト相より高い)固相接合(圧接=cold joint)
変化不十分
低い

凸高い

凸低い

マクロ写真

状態
組織磁気抵抗検査波形○磁気抵抗が変化する項目
項目
形状変化（曲げ・プレスなど）
加圧（スポット溶接時）
加熱（組織変化を伴わない）
組織変化(マルテンサイト変態)

S/N
ノイズ
ノイズ
ノイズ
シグナル

強磁界(黄波形)
取得
取得
取得
取得

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弱磁界(橙波形)
取得
取得
取得
ほぼ取得不可重要18/32

11.データ解析方法
11.1.データ取得方法

重要

本磁気センサは二つのコイルで構成されます。
①励磁コイル：磁気を発生させる電磁石②検出コイル：発生した磁束を電気信号に変換し取得するコイル
Φ(基準:空気の場合)

磁束から電気信号への変換方法はファラデーの誘導起電力の法則を用いる。

Φette(被検体の磁気抵抗が小さい場合) tt

・磁束φの発生量が多い
・誘導起電力eの値が大きい
被検体＝鋼板Φ(標準:空気の場合)

Φ(被検体の電気抵抗が小さい場合)

ette

ファラデーの誘導起電力の法則
e＝-n（dφ/dt）

図11.1.1. センサ構造と取得データ

・被検体に発生する渦電流が多い
・磁束φの変化が緩やかになる・誘導起電力eの変化が緩やかになり、かつ微分値が小さい

tt

19/32

11.データ解析方法
11.2.センサ概要
本磁気センサの励磁方式は直流遮断方式です。
（弊社オリジナル技術：特許取得済み）
一般的な交流（正弦波）方式に比べ誘導起電力の発生量が多い事が特徴です。

よって、次の性能を実現しております。
①高性能化：鋼鉄の組織変化を検知可能②小型化：約11mm内に16個のアレイセンサを配備

検出アレイコイル

16個

11.2ｍｍ

図11.2.1. センサ底面視図20/32

12.検査理論
12.1.取得信号

磁束密度B[kG]※詳細数値は社外秘

一般的に鋼材に焼入れを行うと、材料の磁性特性が変化する事が知られております。
図は『B-H曲線』と呼ばれる物で、磁界強度に対し発生する磁束密度量を表しております。
発生する磁束密度Bは材料の透磁率により決定され、その透磁率は図に示すように母材,圧接,ナゲットで異なります。
B-H曲線⇒磁束密度Bを取得する事で溶接部位を検出できます。
磁束密度Bを推定する為に、磁束Φを電気信号eに変えて取得しております(ファラデーの電磁誘導の法則)。
(１)磁束密度Bは磁界Hにより発生します。
B=μH
μ：透磁率 [H/m](２)磁束密度Bと磁束Φの関係は次式です。
B=φ/S
S：磁束が垂直に貫く面積(３)本装置の検査取得信号eは次式です。
e=-N×dΦ/dt
N：検出ｱﾚｲｺｲﾙの巻き数(上式がファラデーの電磁誘導の法則式)

母材
圧接状態ナゲット

磁界強度H[Oe]※詳細数値は社外秘

磁束密度B[kG]※詳細数値は社外秘

弱磁界

B-H曲線拡大
強磁界

母材
圧接状態
ナゲット

磁界強度H[Oe]※詳細数値は社外秘

横軸:磁界強度Hは励磁コイルに流れる電流量で決まる。
縦軸:磁束密度Bを検出アレイコイルで取得する。
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21/3212.2.解析方法
励磁コイルに流す電流量で磁界強度を操作できますので、磁界強度が弱い時(以下『弱磁界』)磁界強度が強い時(以下『強磁界』)の2パターンで信号を取得し、ナゲットの定量化、および溶融凝固部の有無を算出しております。
2パターンの磁界強度を使用する理由は、B-H曲線が非線形という点に注目した為です。
・弱磁界：母材に対し、不良品(圧接)と良品(ナゲット)は似た特性を示します。
・強磁界：母材に対し、不良品より良品の方が離れた特性を示します。
※解析波形は母材からの相対値で得られます。母材の磁束密度に対し、溶接部(圧接，ナゲット)の磁束密度が離れている程、検査波形の山は高くなります。
よって弱磁界をベースに強磁界を観察した時、より母材との特性が離れている時は良品(ナゲット)と判断しております。これは検査画面の青波で表現しており、黄波と橙波の差分から算出しております。

B-H曲線拡大強磁界

磁束密度B[kG]※詳細数値は社外秘

弱磁界

母材
圧接状態
ナゲット

磁界強度H[Oe]※詳細数値は社外秘※上表を次ページに図示してありますので参照下さい。

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13.他の検査方法との比較

重要

ナゲット
プロファイラー

超音波方式

ドライバチェック
たがね試験

検出内容

金属組織の変化量

音響ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ変化点までの距離

機械的強度

検査対象物

鉄のみ

鉄、非鉄金属鉄、非鉄金属

検査可能場所〇:検査面周辺に凸が無い箇所(ｾﾝｻ接触面積18x10mm)◎:単一タイプ○:アレイタイプ△
工具の入らない箇所は不可○

×:単一タイプ△:アレイタイプ×○(定量値の比較による)△○ナゲットの定量化
圧接との区別検査物へのダメージ無し

水、ジェルの拭き取りが必要。
⇒金属腐食

曲がりが生じ、叩き戻しが必要。
⇒金属疲労△（表裏から検査）
26,27ページ参照○△（表裏から検査）

ハイテン材への適用○○△(溶接部に亀裂の恐れ有)

検査時間

○△

◎

トレーサビリティ○○

×

3枚板の検査Copyright © 日本高圧電気株式会社

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14.ドライバチェックとの比較
従来検査
ドライバーチェック
2値
検査結果

検査種別

検査記録

※溶接径に関わらず剝がれるか、剝がれないか。
検査対象にダメージあり。
準破壊検査
記録が残らない。
実際に検査が行われたか？
検査結果がどうなのか？の記録が残らない。

提案
ナゲットプロファイラー
傾向※基準品(破壊試験品:品質保証品)に比べ溶接径変動の目安(大小)を表示。
※溶接径を測定する装置ではありません。
検査対象にダメージなし。
非破壊検査（出荷製品で検査可能）
電子ファイルを自動で出力。
検査日時、結果が自動で保存される。
同一打点での安定度を確認。

品質管理記録が無いので管理不可。

作業者負担

高張力鋼板に対し、検査不可。
工具が入らない場所多数。
騒音が大きい。
手首に負担(腱鞘炎)がある。

コスト

高張力鋼板は廃棄。

将来性－

対象拡大

製造工程が不安定かの確認に繋がる。
高張力鋼板でも検査可能。
修練が必要である。
将来的に破壊試験間隔の延長の可能性あり。
将来的にロボットによる自動検査の可能性あり。

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24/3215.推定ナゲット径と破壊検査の相関
テストピースによる検査例

NP検査径270MPa～980MPa

NP検査径(本装置の検査径)はマクロ径を対象としております。
溶接径の大小関係は以下です。
マクロ径 ＜ 引き剥がし径 ＜ ツイスト径

断面マクロ径Copyright © 日本高圧電気株式会社※破壊径はコロナボンド(10ページ参照)を含むため、実際のマクロ径より大きくなります。

25/3216.装置仕様
製品タイプ

可搬型

据置型

型式

NPH03D

NPH03B

NPF02

本体外形(いずれも突起部除く)

230(W)×195(D)×65(H)mm

285(W)×205(D)×70(H)mm

350(W)x255(D)x100(H)mm

重量1.91kg

2.32kg5.40kg

画面表示部

7inch
10inch13.3inch
3mm～7mm [インデテーション径 8mm以下; 有効センサ幅11mm]

検査溶接径

溶接検査部

PC部

（上記範囲外も対応できる可能性有り、要相談）

被検査板厚(検査面1枚の厚さ)0.7mm～2.3mm（左記範囲外も対応できる可能性有り、要相談）

被検査板種

270～1280MPa （左記範囲外も対応できる可能性有り、要相談）

被検査板表面処理

無処理、電気亜鉛メッキ、溶融亜鉛メッキ（アルミメッキは要相談）

被検査板組数

2枚，3枚(両面からの検査を推奨)

センサ先端材質

FR

データ保存

XLS形式

検査条件設定検査画面にて設定（設定内容はファイルに保存可）

判定方法

OK／NG判定、推定ナゲット径

オプション

ナビモード、検査記録管理

OS

Windows10(日本語以外は言語パックで対応)※ソフトウェアは日本語と英語と中国語に対応しております。

動作温度範囲5℃～40℃

動作湿度範囲～80％RH（結露なきこと）
以下2パターンを切替えて使用可能

電源①AC 85V～240V、0.5A②バッテリーAC85V～240V、0.5A(単3型Ni-MH充電池 8本)

商品の仕様は、改良のため予告なく変更することがありますので、予めご了承下さい。

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17.補足資料:磁気抵抗に影響を及ぼす要因

26/32

金属組織

溶接により鋼板の組織が変態します（マルテンサイト変態）。
ナゲット(溶融凝固)部分は磁気抵抗が高くなります。
ナゲット周辺母材)部は磁気抵抗が低いままです。

取得信号からS(信号)とN(ノイズ)を分離する事はできませんが、同じ溶接位置の検査結果を比較する事で、溶接品質の変動を管理できます。
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27/3218.補足資料：3枚板の溶接について

ノウハウ

3枚板を溶接する際、以下のようにナゲットが形成されます。
電極

薄板

厚板
厚板
電極

【 3枚重ね鋼板のナゲット形成順番】
・厚板/厚板間から始まり、薄板/厚板間の順番
・高強度鋼板同士から始まり、軟鋼板‐高強度鋼板の順番→電気抵抗の高い箇所からナゲット形成が始まる。

【引用元】
溶接学論文集第35巻(2017)第1号 他○鋼板厚さと種類の電気抵抗
抵抗値小抵抗値大R=ρ

l
A

鋼板厚さ

薄い

厚い

R＝電気抵抗ρ＝電気抵抗率
l ＝長さ
A=断面積

(長さ)

鋼板種類

軟鋼
(炭素含有量低)高強度鋼板(炭素含有量高)
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電気抵抗
鉄鋼材料の種類(μΩ・cm)炭素鋼(Cが0.1%：S10C相当) … 14.2
炭素鋼(Cが0.2%：S20C相当) … 16.9
炭素鋼(Cが0.4%：S40C相当) … 17.1

28/3218.補足資料：3枚板の溶接についてノウハウ

3枚重ね溶接92点についてカットチェック検査を行い、溶接状態を確認しました。
NG打点内訳

3枚板カットチェック OK-NG打点比率
NG打点,21

薄板側のみ
NG, 7
OK打点,
71

厚板側のみ
NG, 0
両側NG, 14

[カットチェック検査]
カットチェック検査とは実際にサンプルを破壊し、溶接系を測る検査方法。

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29/3219.補足資料：センサ向きを登録する理由
センサを当てる向きによって検査径が変わる理由を以下5点に示します。
検査径への影響の大きさは 理由1＞2＞3＞4＞5 の順です。
※ただし、ナビモード機能により、以下5点の影響を受けないようにします。
理由1.ナゲットが真円でない溶接ガンの接触角度等に依存します(ロボットのティーチングに依存)。
6.2mm

5.0mm
理由2.センサとサンプルの接触具合
サンプルは平らではないため、センサ向きにより当たり方が変わります。
そのため、打点ごとにセンサの当てやすい方向を登録し、検査を行います。
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断面図
上向き右向き左向き

下向き

30/32理由3.プレスの方向（残留応力の方向）
スポット溶接（焼き入れ）により鉄に歪みが発生します。
ナゲットプロファイラーは鉄の歪みの情報を検査します。
また、プレス（鉄を曲げる・引っ張る）も鉄に歪みが生じます。
そのため、プレス方向が検査結果に影響を与えます。
内力

⇒残留応力

焼き入れ

外力
プレスによる残留応力

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31/32
理由4.圧延による影響
鋼板は圧延過程で組織が一定方向に引き伸ばされており、磁気特性もその影響を受けます。

母材部分

溶接部分(良品)

溶接部分(不良品＝圧接)

理由5.鋼板の磁気異方性鋼板の磁気（磁壁）に向きがあります。
磁気の通りやすい方向、通りにくい方向が存在します。

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32/3220.補足資料：ナビモードついてナゲットプロファイラーに打点の位置・センサの向きを登録します。
ナビモードを使用することで、検査時には写真・検査方法を表示します。

・打点の位置・センサ方向を表示

・サンプルごとに設定を登録可能・1タッチで検査を開始

この機能により、前記の理由1.2.3.4.5の影響を受けないようにします。
また、検査作業者が迷うことなく作業できます(図面の確認が不要)。
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