JP2005345307A

JP2005345307A - スポット溶接部の断面形状測定方法

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Publication number: JP2005345307A
Application number: JP2004166247A
Authority: JP
Inventors: Hajime Murayama; 元村山; Hatsuhiko Oikawa; 初彦及川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】静磁場を発生させてスポット溶接部およびその近傍を磁化し、静磁場を遮断した後、スポット溶接部およびその近傍の複数位置における磁束密度の時間的変化からスポット溶接部の断面形状を測定する方法。
【解決手段】計測センサに赤外線距離センサを設け、計測センサとともに赤外線距離センサをスポット溶接継手の測定試料表面に対して平行なＸ−Ｙ平面上のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させながら赤外線距離センサにより測定試料表面までの距離を測定し、該測定値から測定試料の表面形状（凹凸高さ）データを求め、該データを基にＸ−Ｙ平面上の前記スポット溶接部におけるナゲット中心点を特定した後、該ナゲット中心点に前記計測センサのアレーセンサ長手方向の中心位置を合わせて該計測センサによりスポット溶接部の断面形状を測定する。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車、家電などを組み立てる際に用いられるスポット溶接における溶接部の非破壊測定方法に関し、特にスポット溶接部近傍における磁化特性の変化を利用した非破壊測定方法に関する。

スポット溶接は、抵抗溶接法の一種であり、一般に自動車、家電などを組み立てる際の薄鋼板の重ね合わせ溶接に多く適用されている。通常のスポット溶接は、図１に示すように、先ず２枚の鋼板１、２を重ね合わせて、これらの上下に配置された電極３、４により重ね合わせ面を加圧しつつ通電し、抵抗発熱により重ね合わせ面に溶融金属を形成させ、冷却、凝固させることで鋼板同士を点接合することで行なわれる。

スポット溶接部の表面は、通電時の加圧により断面形状がほぼ円形の電極圧痕部７（凹部）が形成される。また、その内部は、鋼板の重ね合わせ面近傍の溶融金属が凝固した断面形状がほぼ円形のナゲット５と、その周囲の未溶融温度域で加熱され、相変態や結晶粒成長等の組織上の影響を受けた熱影響部６（以下、HAZ：Heat affect zoneともいう）が形成される。

溶接部における鋼板同志の接合形態は、ナゲット５では溶着、その周囲の熱影響部６では圧着であるが、溶接継手の強度は接合強度が高いナゲット５の大きさによってほぼ決められる。そのため、従来から重ね合わせ面におけるナゲット５の平均円相当径をナゲット径ｄnとし、例えば、（１）式に示すHeuschkelらの推定式などを用いてスポット溶接部の接合強度を推定し評価することが行なわれている。
ＴＴＳ＝Ｆ・ｔ・ＴＳ・ｄn ・・・（１）
但し、ＴＴＳは溶接継手のせん断方向に引張荷重を負荷した引張試験で測定されるスポット溶接継手の引張せん断強さ（ｋＮ）、Ｆは係数、ｔは鋼板（被溶接材）の厚み（ｍｍ）、ＴＳは鋼板（被溶接材）の引張強さ（ＭＰa）、ｄnはナゲット径（ｍｍ）を示す。

また、従来からスポット溶接部の熱影響部６は、加熱による相変態や結晶粒成長などの組織変化をもたらし、特にベイナイト相又はマルテンサイト相等の硬質相とフェライト相の軟質相との複合組織鋼板、微細結晶鋼板などの高強度鋼板では熱影響部６の軟化が生じやすく、溶接継手強度が熱影響部６に影響することが知られている。このため、特に熱影響部６の軟化が生じやすい鋼種の鋼板(被溶接材)をスポット溶接して得られた継手強度の評価には熱影響部６の範囲も考慮する必要がある。

従来、スポット溶接部のナゲット径の測定方法としては、溶接部の試験片を採取し、ピールテストなどの方法により鋼板の重ね合わせ面で溶接部を剥離し、ボタン状突起物として鋼板表面に現れるナゲット外径を直接ノギスなどにより計測する方法が行なわれていた。

しかし、このような溶接部の破壊検査は非常に作業効率が悪く、溶接部品などの生産性や歩留を低下させ、コスト増加を招く原因になっていた。
このような現状を踏まえ、近年、非破壊でナゲット径を測定する方法も検討され、提案されている。

例えば、高周波交流電流を流した励磁コイル（一次コイル）で発生した交流磁場をスポット溶接部に印加し、交流磁場内のインダクタンスの変化（磁気抵抗）を一対の二次コイル間の差動電圧（各二次コイルで発生した誘導起電圧間の電圧差）として検知するナゲットの非破壊測定方法が知られている（特許文献１、参照）。この方法によれば、ナゲット部（溶着部）とそれ以外（熱影響部（圧着部）や未溶接部）での透磁率の変化を交流磁場内のインダクタンスの変化として検出し、ナゲット径を測定することが可能となる。しかし、この方法では、交流磁場を発生させるために励磁コイル（一次コイル）に流す交流電流の周波数の変動により基準側二次コイルの誘導起電圧も変動しナゲット径の測定精度に影響するため、これを抑制するための複雑な制御が必要となる。また、この方法ではナゲット径（溶着部）の測定は可能であるが、熱影響部（圧着部）の範囲を測定することができないという技術的課題があった。

最近、スポット溶接部のナゲット径に限らず、熱影響部（圧着部）を含む内部構造を非破壊で測定できる方法が提案された（特許文献２、参照）。この方法は、励磁部（励磁コイル）で静磁場（直流磁場）を発生させてスポット溶接部およびその近傍を磁化し、静磁場を遮断してスポット溶接部およびその近傍の複数位置における局所的な磁束密度の時間的変化を複数の磁気センサを直列配置したアレーセンサの各磁気センサを用いてそれぞれ測定するものである。この方法は、磁化されたスポット溶接部およびその近傍における磁束密度の時間的減衰を、磁気エネルギーの減衰（磁束密度の単調減少）特性と、磁束密度の時間的変化により誘起される渦電流の損失による減衰特性とに分けて考える。この場合、磁気エネルギーの減衰時の時定数τ１はナゲット部（溶着部）とそれ以外の未溶着部分とで透磁率μ（磁束のインダクタンスＬに依存）が違うため変化し、渦電流損失による減衰時の時定数τ２は接合部（溶着部＋圧着部（熱影響部））と未接合部とで磁束が通過する場合の磁路長ｌが違うため変化する。したがって、この方法によりスポット溶接部およびその近傍の複数位置における磁束密度の時間的変化を複数の磁気センサによりそれぞれ電圧値として測定し、上記時定数τ１及びτ２が変化する位置を基にナゲット径および接合径をそれぞれ求めることができる。

この方法によれば、従来の交流磁場の印加を前提とするナゲット径の測定方法において課題であった交流電流の周波数変動による測定精度の低下問題は生じない。また、アレーセンサを構成する複数の磁気センサを用いてスポット溶接部およびその近傍の複数位置における局所的な磁束密度の時間的変化を一度に測定でき、ナゲット径だけでなく接合径も求めることができる点でも従来法より優れている。

しかし、この方法をスポット溶接部の測定に適用し、継手強度などの継手の品質保証をするナゲット径の測定精度を維持するためには、ナゲット部の中心を通る直径方向での測定を１つのナゲット当たり複数回行い、これらの測定値の平均値からナゲット径を求める必要がある。この際、ナゲットは必ずしも真円ではないため、複数の磁気センサを直列配置したアレーセンサの長手方向をナゲットの中心を通る適正な位置に合せなければ、信頼性のある適正なナゲット径は測定できない。したがって、従来は、このような測定を作業者が目視により経験に基づいて行う必要があり、測定値から求められるナゲット径の信頼性および測定の作業効率の点から課題があった。

特開平５−１４９９２３号公報特開平１０−２６６０９号公報

本発明は、上記従来技術の現状に鑑みて、静磁場を発生させてスポット溶接部およびその近傍を磁化し、静磁場を遮断した後、スポット溶接部およびその近傍の複数位置における磁束密度の時間的変化からスポット溶接部の断面形状を測定する方法において、良好な測定精度を維持しつつ従来に比べて測定時間の短縮などの測定効率を改善できるナゲット径および接合径などのスポット溶接部の断面形状測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下の通りである。

（１）励磁部と複数の磁気センサを直列配置したアレーセンサからなる計測センサを用い、前記励磁部で静磁場を発生させてスポット溶接部およびその近傍を磁化し、静磁場を遮断した後、前記スポット溶接部およびその近傍の直径方向の複数位置における磁束密度の時間的変化を前記複数の磁気センサによりそれぞれ測定し、前記スポット溶接部の断面形状を測定する方法において、計測センサに赤外線距離センサを設け、計測センサとともに赤外線距離センサをスポット溶接継手の測定試料表面に対して平行なＸ−Ｙ平面上のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させながら赤外線距離センサにより測定試料表面までの距離を測定し、該測定値から測定試料の表面形状（凹凸高さ）データを求め、該データを基にＸ−Ｙ平面上の前記スポット溶接部におけるナゲット中心点を特定した後、該ナゲット中心点に前記計測センサのアレーセンサ長手方向の中心位置を合わせて該計測センサによりスポット溶接部の断面形状を測定することを特徴とするスポット溶接部の断面形状測定方法。

（２）前記測定試料の表面形状（凹凸高さ）データのＸ−Ｙ平面上のＸ軸方向における２つの変化点のＸ座標間の中心から前記ナゲット中心点のＸ座標を求め、前記測定試料の表面形状（凹凸高さ）データの前記ナゲット中心点のＸ座標を通り、かつＸ−Ｙ平面上のＹ軸方向に平行な方向における２つの変化点のＹ座標間の中心から前記ナゲット中心点のＹ座標を求め、Ｘ−Ｙ平面上の前記スポット溶接部におけるナゲット中心点を特定することを特徴とする上記（１）記載のスポット溶接部の断面形状測定方法。

（３）前記計測センサによるスポット溶接部の断面形状の測定は、最初の測定位置方向を基準とし、計測センサのアレーセンサ長手方向が所定角度をなすように、アレーセンサ長手方向の中心位置を通り、かつＸ−Ｙ平面の法線方向（Ｚ軸方向）を回転軸として前記計測センサを回転させて測定する操作を繰り返して行うことを特徴とする上記（１）または（２）記載のスポット溶接部の断面形状測定方法。

（４）前記スポット溶接部の断面形状が、鋼板重ね合わせ面における溶着部の平均円相当径であナゲット径、または、鋼板重ね合わせ面における溶着部および圧着部からなる接合部の平均円相当径である接合径の何れかまたは両方であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載のスポット溶接部の断面形状測定方法。

本発明によれば、静磁場を発生させてスポット溶接部およびその近傍を磁化した後、静磁場を遮断してスポット溶接部およびその近傍の複数位置における磁束密度の時間的変化からナゲット径および接合径などのスポット溶接部の断面形状を測定する方法において、良好な測定精度を維持しつつ従来に比べて測定時間の短縮などの測定効率を改善できるスポット溶接部の断面形状測定方法を提供できる。

そのため、本発明法を適用することにより、自動車用部品および車体などの組立で多く用いられるスポット溶接において、非破壊でかつ高精度及び高効率で継手強度などのスポット溶接継手の品質保証が可能となり、生産性を維持しつつ自動車の安全性及び信頼性を向上させる点からその産業上の貢献度は多大である。

以下に本発明の実施形態について説明する。

先ず、本発明のスポット溶接部の断面形状測定方法における前提となる、スポット溶接部構造、スポット溶接部の断面形状を測定するための計測センサおよびこれを用いたナゲット径および接合径の測定原理について、図２から図４により説明する。
スポット溶接部は、図２に示されるように重ね合わせた鋼板１、２の鋼板表裏面には溶接（通電加圧）時に形成された断面がほぼ円形の電極圧痕部７（凹部）が存在する。また、その鋼板内部は、鋼板重ね合わせ面近傍に溶接時の溶融金属が凝固して形成された断面がほぼ円形のナゲット５と、その周囲に溶接時の未溶融温度未満の加熱温度で相変態や結晶粒成長等の組織的影響を受けた熱影響部６（以下、HAZ：Heat affect zoneともいう）が存在し、重ね合わせ面はナゲット５で溶着され、その周囲の熱影響部６で圧着されている。ここで、本発明では、重ね合わせ面におけるナゲット５（溶着部）の平均円相当径ｄnをナゲット径とし、同ナゲット５（溶着部）とその周囲の熱影響部６（圧着部）からなる接合部の平均円相当径ｄｐを接合径と定義する。なお、図２中、８は未接合部（間隙部）を示す。

本発明では、ナゲット径および接合径などのスポット溶接部の断面形状を測定する手段として特許文献２で開示する、励磁部（励磁コイル）１０と複数の磁気センサ１１が直列配置されたアレーセンサ１２とからなる計測センサ９を用いることを前提とする。
図３は計測センサの動作とスポット溶接部の断面形状の測定原理を説明するための概念図である。

計測センサ９は励磁部（励磁コイル）１０及び励磁部駆動回路（電源Ｖ、スイッチＳＷ、抵抗Ｒ）１５と、鋼板１近傍の磁束密度の時間的変化を電圧として検知する複数の磁気センサ（磁気感応素子）１１が直列配置されたアレーセンサ１２とで構成される。

図３（ａ）は計測センサ９を鋼板１表面接触または所定距離に近付けた状態で、励磁部駆動回路１５のスイッチＳＷを「ＯＮ」にし、励磁部（励磁コイル）１０に静磁場を発生させ、鋼板１に静磁場を印加させた状態を示す。これにより鋼板１内部の磁束１６通過部分は磁場強さに応じて磁化される。図３（ｂ）は計測センサ９の位置は同じ状態で、励磁部駆動回路１５のスイッチＳＷを「ＯＦＦ」にすることで静磁場を遮断した後の状態を示す。静磁場を遮断すると、励磁部（励磁コイル）１０の周辺の磁束１６は急速に消失するが、磁化された鋼板１表面近傍の磁束は鋼板に蓄積された磁気エネルギーの減衰（磁束密度の単調減少）特性と、鋼板内の磁化変化によって誘起される渦電流の損失による減衰特性に従って徐々に減衰し、消失する。この際、鋼板１表面近傍の複数位置における局所的な磁束密度の時間的変化を複数の磁気センサ（磁気感応素子）１１でそれぞれ電圧として検知する。

アレーセンサ１２の特定位置の磁気センサ（磁気感応素子）１１で電圧として測定された磁束密度の時間的変化（ｄＩ／ｄｔ）と磁気エネルギーの減衰時の時定数τ１および渦電流損失による減衰時の時定数τ２の関係は例えば下記（１）〜（３）式のように示される。
ｄＩｉ／ｄｔ＝−Ｉ_０／τ１（ｅｘｐ（−ｔ／τ１）−ｅｘｐ（−ｔ／τ２））
・・・（１）
τ１＝Ｌ１／Ｒ１＝Ｋ×μ／Ｒ１・・・（２）
τ２＝Ｌ２／Ｒ２＝ｌ×ｄｓ／Ｒ２・・・（３）
但し、Ｉｉ：特定位置での磁束密度、Ｉ_０：静磁場遮断時（ｔ＝０）の磁束密度、τ１：磁気エネルギーの減衰時の時定数、τ２：渦電流損失による減衰時の時定数、ｔ：静磁場遮断時からの経過時間、Ｌ１：磁束のインダクタンス（磁束密度Φを保持している空間体積に比例）、Ｒ１：磁束の戻り難さ、μ：鋼板の透磁率、Ｋ：係数、Ｌ２：渦電流のインダクタンス（渦電流の磁化空間体積に比例）、Ｒ２：渦電流の電気抵抗、ｌ：鋼板内の磁路長、ｄｓ：鋼板内の磁束通過面積をそれぞれ示す。

上記の磁気エネルギーの減衰時の時定数τ１はナゲット５部（溶着部）とそれ以外の未溶着部分とで透磁率μ（磁束のインダクタンスＬに依存）が違うため変化し、渦電流損失による減衰時の時定数τ２は接合部（溶着部（ナゲット５部）＋圧着部（熱影響部６））と未接合部８とで磁束が通過する場合の磁路長ｌが違うため変化する。したがって、スポット溶接部およびその近傍の直径方向の複数位置における磁束密度の時間的変化を複数の磁気センサ１１によりそれぞれ電圧値として測定し、測定値から求められる上記時定数τ１及びτ２が変化する位置からナゲット径ｄｎおよび接合径ｄｐなどスポット溶接部の形状を測定することができる。

図４にスポット溶接部及びその近傍の直径方向における磁束密度の時間的変化（測定値）から算出される時定数τ１の変化を示すグラフを示す。スポット溶接部においてナゲット５の透磁率μｎは熱影響部６の透磁率μｈに比べて大きい。このため、スポット溶接部およびその近傍の直径方向の複数位置において複数の各磁気センサ（磁気感応素子）１１により測定された磁束密度の時間的変化から算出された磁気エネルギーの減衰時の時定数τ１はナゲット５および熱影響部６の透磁率に依存して変化する。したがって、図４に示すようにスポット溶接部及びその近傍の直径方向（磁気センサ１１が直列配置されたアレーセンサ１２の長手方向）における上記時定数τ１の変化点１３、１４からナゲット径ｄｎを測定することができる。また、これと同様な方法で、接合部（溶着部（ナゲット５部）＋圧着部（熱影響部６））と未接合部８とで磁路長ｌが違うことを利用し、スポット溶接部及びその近傍の直径方向（磁気センサ１１が直列配置されたアレーセンサ１２の長手方向）における上記時定数τ２の変化点からナゲット径ｄｐを測定することができる。

次に、上記計測センサ９を用いてナゲット径ｄｎ、結合径ｄｐなどのスポット溶接部の断面形状を測定するための本発明の実施形態について以下に説明する。

図５は、本発明の実施形態の一例として使用する装置の構成図を示す。

本発明の実施形態で使用する装置は、例えば、図５に示すように、スポット溶接継手の測定試料１８を固定するための試料台１９と、測定試料１８のナゲット径ｄｎ、接合径ｄｐなどのスポット溶接部の断面形状を測定するための計測センサ９と、計測センサ９に設けられ、測定試料１８表面までの高さ方向（Ｚ軸方向）の距離を測定するための赤外線距離センサ２０と、計測センサ９を回転駆動部２４を介して、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に移動可能なように支持するためのＸ軸方向支持部材２１、Ｙ軸方向支持部材２２、Ｚ軸方向支持部材２３と、各駆動系の制御および各測定情報の記憶、演算処理、出力のためのパーソナルコンピュータ２５とからなる。計測センサ９は、図２、３に示されるように、励磁部１０及び励磁部駆動回路１５と、複数の磁気センサ１１が直列配置されたアレーセンサ１２とで構成される。パーソナルコンピュータ２５からの指令により励磁部駆動回路１５のＳＷが「ＯＮ」、「ＯＦＦ」され、それにより励磁部１０での静磁場の発生、遮断を行う。静磁場の印加（励磁部駆動回路１５のＳＷが「ＯＮ」状態）によりスポット溶接部を磁化し、静磁場の遮断後（励磁部駆動回路１５のＳＷが「ＯＦＦ」状態）のスポット溶接部及びその近傍の複数位置における減衰する磁束密度の時間的変化（ｄＩ／ｄｔ）をアレーセンサ１２の各磁気センサ（磁気感応素子）を用いて電圧としてそれぞれ測定する。その測定データはパーソナルコンピュータ２５に入力され、スポット溶接部の断面形状を求めるための演算処理が実行される。計測センサ９の先端部には赤外線距離センサ２０が設けられており、回転駆動部２４およびラック・ピニオンギヤ（図示せず）を介してＸ軸方向支持部材２１に支持されている。計測センサ９は、駆動モータ（図示せず）によりアレーセンサ１２の長手方向の中心を通るＺ軸方向回転軸を中心として回転可能であると共に、Ｘ軸方向支持部材２１に沿ってＸ軸方向に移動可能である。Ｘ軸方向支持部材２１はＺ軸方向支持部材２３にラック・ピニオンギヤ（図示せず）を介してＺ軸方向に移動可能なように支持されている。Ｚ軸方向支持部材２３はＹ軸方向支持部材２２にラック・ピニオンギヤ（図示せず）を介してＹ軸方向に移動可能なように支持されている。Ｚ軸方向回転軸を中心とする回転、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の移動は、それぞれ個別に設けられた駆動モータ（図示せず）により行なわれ、計測センサ９及び赤外線距離センサ２０はＺ軸方向回転軸を中心とする回転や、Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元座標上で位置を変えられる。パーソナルコンピュータ２５は、記憶部（メモリー）、演算部（ＣＰＵ）、表示部（モニタ）からなる一般的なものが用いられる。パーソナルコンピュータ２５はＵＳＢなどで計測センサ９、赤外線距離センサ２０、回転駆動部２４、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の各駆動モータ（図示せず）に接続され、駆動回路または駆動モータ（図示せず）の制御を指令するとともに、計測センサ９による測定データ、赤外線距離センサ２０による測定データ、および、各駆動モータによる位置測定データを記憶し、これらの測定データを演算処理し、ナゲット径ｄｎ、接合径ｄｐなどのスポット溶接部の断面形状を出力する。

先ず、計測センサ９に設けられた赤外線距離センサ２０を用いてナゲット５に対する位置合せを行う方法について説明する。

計測センサ９の検出部であるアレーセンサ１２は、直列配置された複数の磁気センサ（磁気感応素子）１１によりスポット溶接部（ナゲット５及び熱影響部６）およびその近傍の全範囲を測定できるようにその直列方向の長さは、スポット溶接部の直径に比べて充分に長くなっている。このアレーセンサ１２を用いてナゲット径を精度良く測定するためには、アレーセンサ１２の長手方向の位置をナゲット５の中心を通る直径方向に合せる必要がある。そのため、最初にスポット溶接継手の測定試料１８をサンプル台１９に固定した後、計測センサ９を図６に示される待機位置ａから位置ｂまでＸ軸方向に予め定められた所定距離ΔＸａ−ｂだけ駆動モータを用いて移動させながら計測センサ９に設けられた赤外線距離センサ２０により測定試料１８表面までの高さ方向（Ｚ軸方向）の距離ｈを測定する。この高さ方向の距離ｈの測定値から、パーソナルコンピュータ２５により、予め入力された試料台１９上面の高さｄ及び測定試料１８の厚さtを基に測定方向における測定試料１８の表面形状（凹凸高さ）に関するデータＨｘ=ｉが求められ、スポット溶接部の鋼板表面に形成された電極圧痕７部の２箇所の周縁部位置が特定される。

測定試料１８の表面形状（凹凸高さ）に関するデータＨｘ=ｉは、予め入力された試料台１９上面の高さｄを基準（Ｚ軸方向の０点）として図７のように示される。

例えば、図７（ａ）に示されるように上記待機位置ａから位置ｂまでのＸ軸方向の表面形状（凹凸高さ）関するデータＨｘ=ａ〜ｂが測定試料１８の厚さtとほぼ同じ値で一定である（Ｈ＝ｈ）場合には、測定方向領域（位置ａ〜ｂ間）にスポット溶接部の電極圧痕７は存在しないと判断される。この場合は、さらに赤外線距離センサ２０を図６に示されるように位置ｂから位置ｃまでＹ軸方向に予め定められた所定距離ΔＹｂ−ｃだけ駆動モータを用いて移動後、上記位置ａから位置ｂまでのＸ軸方向の測定要領と同様に赤外線距離センサ２０を用いて位置ｃから位置ｄまでのＸ軸方向の表面形状（凹凸高さ）関するデータＨｘ=ｃ〜ｄを求める。なお、上記所定距離ΔＹｂ−ｃは、予め入力された測定試料１８のサイズ及びＸ−Ｙ座標状上の位置から選定することにより、測定方向領域（位置ｃ〜位置ｄ間）にスポット溶接部の電極圧痕７を位置させることができる。

位置ｃ〜ｄ間のＸ軸方向の測定範囲にスポット溶接部の電極圧痕７が存在する場合は、例えば、図７（ｂ）に示されるようにＸ軸方向の表面形状（凹凸高さ）関するデータＨｘ=ｃ〜ｄの特定範囲が測定試料１８の厚さtより低い値（Ｈ＜ｈ）となって示される。また、図７（ｂ）を基に位置ｃ〜位置ｄのＸ軸方向に存在する電極圧痕７の２箇所の周縁部（Ｘ座標：Ｘ＝ｘ１、Ｘ＝ｘ２）間の中心のＸ座標：Ｘｃ＝（ｘ１＋ｘ２）／２が求められる。ここで、ナゲット５の中心位置と電極圧痕７の中心はほぼ同じ位置であるため、ナゲット５の中心は、上記Ｘｃ＝（ｘ１＋ｘ２）／２を通るＹ軸方向に平行な直線上に存在すると判断される。

次に、計測センサ９及び赤外線距離センサ２０を、上記Ｘｃ＝（ｘ１＋ｘ２）／２を通るＹ軸方向に、予め定められた所定距離ΔＹｅ−ｆだけ駆動モータを用いて移動させながら上記の測定要領と同じ要領で赤外線距離センサ２０により測定試料１８表面までの高さ方向（Ｚ軸方向）の距離ｈを測定し、図７（ｃ）に示されるような測定試料１８の位置ｅから位置ｆまでのＹ軸方向の表面形状（凹凸高さ）に関するデータＨｙ=ｅ〜ｆを求める。また、図７（ｃ）を基に位置ｅ〜位置ｆのＹ軸方向に存在する電極圧痕７の２箇所の周縁部（Ｙ座標：Ｙ＝ｙ１、Ｙ＝ｙ２）間の中心のＸ座標：Ｙｃ＝（ｙ１＋ｙ２）／２が求められ、ナゲット５の中心のＹ座標位置：Ｙｃ＝（ｙ１＋ｙ２）／２が求められる。また、同時に図７（ｃ）からナゲット５の中心のＺ座標位置はＺ＝Ｈｃ（但し、測定試料１８表面をＺ軸座標の基準（０点）とする）となる。

以上の測定結果から、ナゲット５の中心のＸ座標位置：Ｘ＝（ｘ１＋ｘ２）／２、Ｙ座標位置：Ｙ＝（ｙ１＋ｙ２）／２がそれぞれ求められ、ナゲット中心位置Ｏ（（ｘ１＋ｘ２）／２，（ｙ１＋ｙ２）／２）が特定される。

次に、計測センサ９を用いたナゲット径ｄｎの測定方法について説明する。
計測センサ９をそのアレーセンサ１２の長手方向の中心位置がナゲット中心位置Ｏ（（ｘ１＋ｘ２）／２，（ｙ１＋ｙ２）／２）一致するように駆動モータを用いてＸ軸方向及びＸ軸方向に移動し、さらに計測センサ９をその先端部が測定試料１８表面から予め設定された所定間隔以内になるように駆動モータを用いてＺ軸方向に下降させる。この際、計測センサ９のＺ軸方向の位置制御は、パーソナルコンピュータ２５に予め入力された試料台１９上面の高さｄ及び測定試料１８の厚さtと、図７（ｃ）に示される測定試料１８の表面形状（凹凸高さ）に関するデータＨｙ=ｅ〜ｆを基に行なわれる。

上記のように計測センサ９のアレーセンサ１２長手方向の中心位置をナゲット５に合せた後、パーソナルコンピュータ２５により、計測センサ９の励磁部駆動回路１５のスイッチＳＷを「ＯＮ」にし、励磁部（励磁コイル）１０に静磁場を発生させ、スポット溶接部及びその近傍に対して静磁場を予め所定時間だけ印加させた後、同スイッチＳＷを「ＯＦＦ」にし、静磁場を遮断する。その後、磁化されたスポット溶接部およびその近傍で減衰する局所的な磁束密度（時間的変化をアレーセンサ１２の長手方向に直列配置された複数の各磁気センサ（磁気感応素子）１１によりそれぞれ電圧として検知し、それぞれアレーセンサ１２の長手方向の位置情報とともにパーソナルコンピュータ２５に入力、記憶される。前述したように、図３に示すように、静磁場遮断後、磁化されたスポット溶接部及びその近傍の磁束は鋼板に蓄積された磁気エネルギーの減衰（磁束密度の単調減少）特性と、鋼板内の磁化変化によって誘起される渦電流の損失による減衰特性に従って徐々に減衰し、この減衰する磁束密度の時間的変化（ｄＩ／ｄｔ）の測定値（電圧）から磁気エネルギーの減衰時の時定数τ１および渦電流損失による減衰時の時定数τ２が求められる。上記時定数τ１はナゲット部（溶着部）とそれ以外の未溶着部分とで透磁率μ（磁束のインダクタンスＬに依存）の違いにより変化する。パーソナルコンピュータ２５に入力されたスポット溶接部およびその近傍の直径方向複数位置における磁束密度の時間的変化（ｄＩ／ｄｔ）の測定値（電圧）から上記時定数τ１をそれぞれ求め、図４に示されるようにスポット溶接部およびその近傍の直径方向におけるτ１が変化する位置１３、１４からナゲットの直径ｄｉが求められる。

通常のナゲット５の断面形状は完全な真円状ではなく、楕円形状のように測定位置によって外周部間の長さが異なることが多いため、信頼できるナゲット径ｄｎを測定するためには、以下のように一つのナゲット５に対して３６０°全方位の異なる直径方向位置で上記と同様なナゲット直径ｄの測定を所定回数繰り返して行い、これらの測定値の平均からナゲット径ｄｎを求める。

異なる直径方向位置におけるナゲット直径ｄの測定は、例えば、図８（ａ）に示す最初のナゲット直径測定時のアレーセンサ１２長手方向（Ｙ軸方向）位置を基準とし、計測センサ９をそのアレーセンサ１２長手方向中心位置を通るＺ軸方向回転軸を中心として時計回りに予め設定された所定回転角度θだけ駆動モータを用いて回転した後、上記と同様なナゲット直径ｄｉの測定が行われる。これらのナゲット直径ｄｉの測定は、最初のナゲット直径測定時のアレーセンサ１２長手方向（Ｙ軸方向）位置に対する回転角度が１８０°になるまで繰り返して行った後、測定回数ｎの平均値（Σ^ｎ _ｉ＝１ｄｉ／ｎ）からナゲット径ｄｎが求められる。なお、所定回転角度θは、異なる直径方向位置におけるナゲット直径ｄｉの測定回数ｎにより決められ、特に限定する必要はないが、ナゲット径ｄｎの信頼性および作業効率から所定回転角度θは５°〜１５°程度、測定回数ｎは３６〜１２回程度が好ましい。

以上の本発明の実施形態は、スポット溶接継手の測定試料１８におけるナゲット径ｄｎを測定する場合の実施形態を説明するものである。しかし、接合径ｄｐを測定する場合の実施形態も、パーソナルコンピュータ２５に入力されたスポット溶接部およびその近傍の直径方向複数位置における磁束密度の時間的変化（ｄＩ／ｄｔ）の測定値（電圧）から渦電流損失による減衰時の時定数τ２をそれぞれ求め、スポット溶接部およびその近傍の直径方向におけるτ２が変化する位置から接合径を求める演算処理が異なる他は、上記を同じ要領で実施できる。

従来の測定は、作業者が目視によりスポット溶接部表面の電極圧痕部を目安にアレーセンサを接触させながら測定位置を移動させて測定していたため、アレーセンサの位置決めが困難であり、信頼性を維持するためには測定回数を必要とするため、測定精度が作業者によってばらつき、測定時間がかかるなど測定精度および測定効率の点で課題があった。上記本発明法の適用により、従来に比べて、スポット溶接部の品質評価のために前提となるナゲット径などのスポット溶接部形状の測定精度を向上し、かつ測定効率を改善することが可能となる。

本発明者らは、上記本発明法を用いて３００個のスポット溶接継手の測定試料に対して１ナゲット当たりのナゲット直径ｄｉの測定回数ｎ＝３６回の条件で３００点のスポット溶接部のナゲット径を測定する場合に、延べ測定時間が約６０分で測定できることを確認した。これは、従来の作業者による測定時間（１５０分程度）に比べて１／３程度の測定時間が短縮が可能となることを示すものである。

また、発明者らは、同じ溶接条件で作成したスポット溶接継手の測定試料を用いて、ピールテストにより鋼板重ね合わせ面で溶接部を剥離し、鋼板表面に現れるナゲット外径を直接ノギスで計測したナゲット径と比較した結果、本発明法で測定したナゲット径はピールテストの結果とほぼ同等であることを確認している。

上述したように、従来から前記（１）式に示すＨｅｕｓｃｈｋｅｌらの推定式などを用いてスポット溶接継手の継手強度をナゲット径ｄnで評価することが行なわれている。

上記本発明法を用いることによりスポット溶接継手をピールテストなどの破壊法を用いることなく、被破壊で信頼性の高いナゲット径ｄnを高い測定効率で測定することができる。

また、従来のピールテストなどでは測定できなかった継手強度などの品質に影響する接合径や熱影響部の範囲を本発明法により測定することが可能となる。

通常のスポット溶接法を説明するための模式図である。スポット溶接部構造及びこの断面形状を測定するための計測センサを示す模式図である。計測センサの動作とスポット溶接部の断面形状の測定原理を説明するための概念図である。スポット溶接部及びその近傍の直径方向における磁束密度の時間的変化（測定値）から算出される時定数τ１の変化を示すグラフである。本発明の実施形態の一例として使用する装置の構成図である。赤外線距離センサによるナゲットに対する位置合せ方法を説明するための模式図である。赤外線距離センサを用いてスポット溶接部及び近傍の表面形状を測定した結果と示すグラフである。計測センサによるスポット溶接部の断面形状測定方法を説明するための模式図である。

符号の説明

１：鋼板（上）
２：鋼板（下）
３：電極（上）
４：電極（下）
５：ナゲット
６：熱影響部
７：電極圧痕部
８：未接合部（間隙部）
９：計測センサ
１０：励磁部
１１：磁気センサ（磁気感応素子）
１２：アレーセンサ
１３：τ１変化位置（ナゲット周縁部）
１４：τ１変化位置（ナゲット周縁部）
１５：励磁部駆動回路
１６：磁束
１７：磁化
１８：測定試料
１９：試料台
２０：赤外線距離センサ
２１：Ｘ軸方向支持部材
２２：Ｙ軸方向支持部材
２３：Ｚ軸方向支持部材
２４：回転駆動部
２５：パーソナルコンピュータ
Ｖ：電圧源
Ｒ：抵抗
ＳＷ：スイッチ
ｌ：磁路長
ｄｓ：鋼板内の磁束通過面積
θ：回転角度
ｄ：試料台高さ
ｔ：測定試料厚さ

Claims

励磁部と複数の磁気センサを直列配置したアレーセンサからなる計測センサを用い、前記励磁部で静磁場を発生させてスポット溶接部およびその近傍を磁化し、静磁場を遮断した後、前記スポット溶接部およびその近傍の直径方向の複数位置における磁束密度の時間的変化を前記複数の磁気センサによりそれぞれ測定し、前記スポット溶接部の断面形状を測定する方法において、計測センサに赤外線距離センサを設け、計測センサとともに赤外線距離センサをスポット溶接継手の測定試料表面に対して平行なＸ−Ｙ平面上のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させながら赤外線距離センサにより測定試料表面までの距離を測定し、該測定値から測定試料の表面形状（凹凸高さ）データを求め、該データを基にＸ−Ｙ平面上の前記スポット溶接部におけるナゲット中心点を特定した後、該ナゲット中心点に前記計測センサのアレーセンサ長手方向の中心位置を合わせて該計測センサによりスポット溶接部の断面形状を測定することを特徴とするスポット溶接部の断面形状測定方法。
前記測定試料の表面形状（凹凸高さ）データのＸ−Ｙ平面上のＸ軸方向における２つの変化点のＸ座標間の中心から前記ナゲット中心点のＸ座標を求め、前記測定試料の表面形状（凹凸高さ）データの前記ナゲット中心点のＸ座標を通り、かつＸ−Ｙ平面上のＹ軸方向に平行な方向における２つの変化点のＹ座標間の中心から前記ナゲット中心点のＹ座標を求め、Ｘ−Ｙ平面上の前記スポット溶接部におけるナゲット中心点を特定することを特徴とする請求項１記載のスポット溶接部の断面形状測定方法。
前記計測センサによるスポット溶接部の断面形状の測定は、最初の測定位置方向を基準とし、計測センサのアレーセンサ長手方向が所定角度をなすように、アレーセンサ長手方向の中心位置を通り、かつＸ−Ｙ平面の法線方向（Ｚ軸方向）を回転軸として前記計測センサを回転させて測定する操作を繰り返して行なう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部の断面形状測定方法。
前記スポット溶接部の断面形状が、鋼板重ね合わせ面における溶着部の平均円相当径であナゲット径、または、鋼板重ね合わせ面における溶着部および圧着部からなる接合部の平均円相当径である接合径の何れかまたは両方であることを特徴とする前記請求項１〜３の何れかに記載のスポット溶接部の断面形状測定方法。