JP3644958B2 - 溶接接合部の評価方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、溶接動作の評価方法に関し、特に、溶接領域に超音波を衝突させる超音波源を用い、超音波受信機を用いる抵抗溶接に関する。
本発明の方法は、抵抗溶接に適用可能であるのみならず、レーザ溶接、ガス溶接等の多様な大きく異なる諸溶接動作にも適用可能である。
従来の技術
1989年８月の“Materials Evaluation"、第47号、第935−943頁には、溶接領域、即ち溶接スポットを、全抵抗溶接の工程を通じて音響により検査する方法を記述している。
抵抗溶接法は、一般に、３つの段階からなる。第一の段階は、いわゆる予備プレス期間である。この期間には、電流は流れない。電極を閉成し、かくして電極電力１−3KNを上げる。すると、続いて、電流段階が続き、その間シートが加熱される。該電流段階には、後プレス期間即ち冷却段階が続く。この段階において、溶接ナゲットが冷却する。その時になって始めて溶接電極が開成する。これらのすべての段階は、通常、同じ長さである。
上述の方法においては、超音波検査は、電極底部の溶接電極に配される2MHzの周波数範囲の縦波超音波送信器を用いて行われる。超音波検査は、電流が流れない予備プレス期間に開始され、後プレス段階の終了まで続く。特に、溶接スポットの超音波透過度が、後プレス段階中に評価され、冷却の持続期間は、最小超音波透過度が達成されるまで測定され、溶融された溶接ナゲットの体積と関連づけられる。
最小超音波透過度は、この記事に詳説された意見によれば、鉄がオーステナイト状態からフェライト状態に転移する点（キュリー点）で、この転移点において上昇した超音波吸収の結果として生じる。
しかし、この方法の欠点は、溶接ナゲットの評価が行われる時には、溶接工程はすでに終了しており、溶融した溶接ナゲットは冷却していると云う点である。溶接工程はもはや影響を受けることがない。しかし、不良であると検出された溶接は、せいぜい再溶接する事ができるだけである。
抵抗スポット溶接動作を監視する装置は、DE−AS 2655 415から公知であり、該装置においては、溶接スポットは電流が流れている時に内部の電極底部から超音波により検査され、反対側の電極に反映される超音波信号が受信され評価される。
この印刷物は、使用された波の種類については何も言っていない。しかし、超音波透過度の推移は、本質的に使用された波の種類に依存するので、溶接動作中の溶接スポットの音波透過度がまず相対的な極大値に達し、次に、最小値に低下し、次の推移でもう一度第２の極大値に上昇するいう仮定をたどることができない。
超音波透過度の最初の極大値は溶接されるシートの温度が上昇する事により、電極とシート間及びシート間の超音波的接触が向上することにより説明される。次の最小値は、溶接材料が融解した結果であると推測される。溶融鉄は超音波吸収を上昇させ、音波透過度を低減する。溶接動作の次の過程中の超音波透過度の上昇は、本発明以前には、溶接動作の評価の要素であるとは理解されていなかったのであるが、溶接動作の評価にとって必須であるけれども、説明されていない。評価方法においては、超音波透過度の更新された上昇の程度が測定される。溶接ナゲットのサイズは、この測定値から決定される。この原理の物理学的説明は、それ自身矛盾している。この方法は、２つの超音波透過度の値の差の測定に基づくものである。
1967年10月の“Materials Evaluation"、第15号、第226−230頁に提案されている方法も、超音波センサを用いて行うものであるが、これらのセンサは、2MHzの周波数範囲で高周波数縦波超音波信号を発生させ、それを用いて溶接スポットの超音波検査が行われる。
しかし、著者達の意見によれば、溶接スポットは、少なくとも冷却段階中でない超音波検査が行われている最中には、評価できないと言うものであった。この記事の著者たちは、溶接電極と溶接されるシート間に形成される間隙により、このことを説明している。溶接ナゲットが固化すると、材料が収縮して電極とシート間に間隙を生じ、それが超音波透過度を低下させるのである。
さらに、溶接スポットへの給熱の量のみが、溶接の、前、最中、後の超音波透過度の推移から結論づけ得る。
したがって、提案されている方法においては、予備プレス期間から冷却段階に至り且つ該冷却期間を含む全溶接動作の超音波透過度の推移が所定の推移パターンと比較される。しかし、該方法は、電流期間中の超音波透過度の挙動についての分析は行わない。
1990年10月の“Materialprufung"第32号、第311−312頁には、スポット溶接の超音波検査の試験結果が示されている。これらの試験においては、電流の開始前の予備プレス期間中の音波透過度が、電流の終了に続く後プレス期間中の超音波透過度と比較される。
溶接の前の超音波透過度と比較される冷却段階での溶接ナゲットの超音波透過度における縮小は、電極とシート間の間隙の形成により説明されている。この間隙の形成があるために、溶接スポットを超音波により検査して、溶接電極と溶接されるシート間の接着溶接を認識することはまず不可能であると云う意見である。
従来技術において記述されている技術的活動は、電流段階の前及びそれに続く溶接スポットの超音波透過度の比較に限定されている。電流段階中の超音波透過度は、分析されていない。
発明の開示
本発明の目的は、溶接動作、そして特に、抵抗溶接された接合部を、溶接領域に超音波を衝突させる超音波源を用い、超音波受信機を用いて評価する方法であって、溶接された接合部を評価するために溶接動作中に溶接と関連するパラメータの質をオンライン評価できるようにし、且つ、特に、溶融領域が存在する期間中の溶接動作についての情報を提供する方法を提供することである。
さらに、本発明の一要素は、抵抗溶接接合部の分析中の電極底部から離れたところに超音波センサを配置する事を可能にする装置を提供することである。
本発明及びその更なる改良に係るこの課題に対する解決法は、添付の請求の範囲に記載されている。
本発明は、溶接スポットを評価するために、電流段階中の溶接ナゲット、即ち溶接スポットの超音波透過度の温度依存度を利用するという基本的な考えに基づいている。
DE−AS 26 55 415に記載された装置を除いて、従来技術のすべての提案においては、溶接スポットの超音波透過度は、電流段階中には分析されない。
しかし、DE−AS 26 55 415においては、電流段階中の溶接スポットの超音波透過度の評価は、２つの振幅値の差、即ち、電流段階の終了時の超音波透過度と電流段階中の超音波透過度の最小値との差、の測定に限定されている。この作業の物理学的説明は、与えられていない。評価方法自体は、横波即ちねじり波に対する溶接スポットの超音波透過度の温度依存性に関する本発明の教示と矛盾している。
特に、溶接スポットの超音波透過度の時間依存性の本質的な理由は、今までのところ認識されていなかった。このことは、下記において明らかにされる。
即ち、溶接工程の個別の段階中の超音波透過度における変化の様々な原因は、上述の各出版物で論じられている。実例を挙げれば、音波減衰の増大がキュリー温度即ち融点で想定されている。さらに、溶接電極及びシート間での間隙形成が冷却段階中の超音波減衰の原因とされている。
それに対して、本発明は、例えば溶接電極からの溶接スポットの超音波検査を、模範的には平らで平行なプレートの超音波検査とし記述可能であることに基づいており、電極は、音響排出媒体即ち音響そらし媒体としての役割を有し、溶接材は音波により検査されるプレートの役割を有する。このモデルの概念は、例えばレーザ溶接などの他の溶接法用もそれに応じて修正して適用されるが、それについても本発明は使用可能である。
本発明のこの基本的な考えを拡張して、択一的に及び／又は累積的に利用可能な二つの処理方法が、本発明により提案される。累積的利用の場合は、第１の処理方法により得られた結果を第２の処理方法で得られた結果を用いて制御する事ができる。
第１の処理方法においては、本発明の要素は、溶接材の音響抵抗の温度依存性により、溶接材の超音波透過度を、圧縮段階、即ち融点に達する前に測定することを想定している。溶接スポットの温度の推移は、この温度依存性から確かめられる。（おそらくは達成されたであろう）溶接ナゲットの直径は、温度推移及び融点から、溶接動作中に算出される。
本発明によれば、溶接スポットにおけるc₂（ｔ）の音速は、溶接中に決定される音響透過度Ｄ（ｔ）の値から計測される。利用される式（３）及び（４）は（平らな平行プレートの場合の）近似式であり、それらは、適用に依存しており、したがって他の近似式により置き換えてもよい。
（１）Z₁＝σ_１＊c₁（ｔ）
Z₂＝σ_２＊c₂（ｔ）
（２）ｍ（ｔ）＝Z₁/Z₂
（３）Ｄ（ｔ）＝1/｛１＋1/4＊［ｍ（ｔ）−
1/m（ｔ））^２＊sin²（２＊π＊d/λ）｝
式（１）〜（３）中、
Z₁ :電極の音響抵抗
Z₂ :溶接ナゲットの音響抵抗
m :音響抵抗の比Z₁/Z₂
D :超音波透過率
σ₁:溶接電極の密度
σ₂:溶接材の密度
c₁ :溶接電極の音速
c₂ :溶接材の音速
d :溶接ナゲットの厚さ
λ :超音波の波長
である。
式（１）及び（２）を代入し、変形することにより、式（３）から次式（４）が得られる。

式（４）中、ｆは、超音波周波数を表す。
温度Ｔ（ｔ）を、溶接スポットで、各音響透過度の値Ｄ（ｔ）に割り当てることが可能であると云う考察に基づき、本発明の一つの要素は、溶接動作の持続期間の関数としての溶接スポットの温度Ｔ（ｔ）の推移を測定することである。したがって、本発明の一部は、例えば溶接動作中に存在する上記のような困難な条件下で温度を測定する方法である。
この目的のために、溶接スポットにおける音速c₂（ｔ）を所定の温度依存性の音速c₂（ｔ）と比較し、各温度が決定される。
方法の更なる過程においては、溶接スポットの融解時間t_sは、溶接スポットの温度の確認された推移から、実際の温度値Ｔ（ｔ）を溶接材の融点T_sと比較することにより、決定することができる。
確認された溶解時間t_sは、溶融した溶接ナゲット形成の開始の印となり、この時以降供給されるエネルギーが溶接ナゲット形成の機能を担う。
理論的な考察に基づき、式（５）の関係が溶接ナゲットφ^２の直径の平方及び融解時間t_sの関係から導かれる。
（５）φ^２＝φ² _e＊２＊T_s＊Ｂ＊c_s＊（ｔ−t_s）
／（c_v＊（exp（Ｂ＊t_s）−１））
式（５）中、
φ :溶接ナゲットの直径
φ_e:電極の直径
T_s :溶接材の融点
c_s :溶接材の比融解熱
c_v :溶接材の比熱
t_s :融解時間
t :溶接動作の持続時間（ｔ＞ts）
である。
Ｂは、下記の式（６）の定数である。
溶接動作の持続時間（ｔ）の最後に予期される溶接ナゲットφの直径は、式（５）により、融解時間t_sの直後から溶接動作中に決定可能である。このようにして、溶接結果に対しては、溶接動作中に、調整的に、特に、電流の強さＩ又は溶接動作の持続時間（ｔ）を変更することにより、大きく影響を与えることが可能である。
式（６）による関数的関係が、溶接材の温度Ｔ（ｔ）の時間的推移に対して想定可能である。
（６）Ｔ（ｔ）＝Ａ＊（１−exp−（Ｂ＊ｔ））
定数Ａ及びＢは、下記の関係を表す。
（７）Ａ＝J²＊R_o＊d/k
（８）Ｂ＝k/（c_v＊σ＊ｄ）
式（７）及び（８）中、
J :溶接スポットを流れる電流の密度
R_o :溶接材の比電気抵抗
d :シートの厚さ
k :構成シート／電極の熱伝導比
σ :溶接材の密度
c_v :溶接材の比熱
である。
式（７）及び（８）により、電流の密度：
（11）J²＝Ａ＊Ｂ＊cv＊σ/Ro
が得られる。
これにより、溶接スポットを流れる電流の密度は、定数Ａ及びＢの積に正比例することに帰結する。比例定数は、公知の材料定数であり、必要ならば、実験的に決定可能である。
溶接ナゲット中の温度Ｔ（ｔ）の決定されるべき現実の推移は、式（６）により、近似的に求めることができ、式（６）中の定数Ａ及びＢは、例えば、“最適の”工程により決定される。
式（６）ならびに定数Ａ及びＢを利用することにより、“最適融解時間（時点）"t_sを決定することが可能である。“最適融解時間"t_sは超音波透過度Ｄの偶発的測定変動からは、大きく独立している。
溶接ナゲットの直径を確かめるために、電流の強さＩを測定するときに、電極の直径φｅを測定し、決定することができる。
第２の処理方法においては、本発明の要素は、横波又はねじり波（横波と縦波の結合されたもの）などの剪断波は、伝搬できない、即ち少ししか伝搬しないと云う事実の利用である。これらの波の超音波減衰は、融点に達した後の融解溶接ナゲットの体積の大きさにより決まる。溶接ナゲットの直径の大きさは、溶接スポットの融点に達した後の超音波減衰の値から直接決定される。
したがって、本発明によれば、溶接材の融点T_sに達し溶融溶接ナゲットが生じ始める時点t_sは、超音波受信機の出力信号から決定される。
このようにして、溶接ナゲットの体積Ｖは、特に、融点に到着してからの剪断波の減衰から、算出可能である。
溶接ナゲットの現在の体積Ｖは、時間ｔ＞t_sの場合、下記の関係から決定可能である。
（12′）Ｖ＝Ｂ′＊（Ｄ（ｔ）−Ｄ（t_s））＋Ｃ′
式中、
B'、C' ：実験的に決定された定数
Ｄ（ｔ）：時間ｔでの超音波透過度
Ｄ（t_s）：融点に到達したときの超音波透過度
代わりにあるいは追加して、溶接の終了時到達された溶接ナゲットの体積Ｖは融解時点から溶接動作の終了までの期間Δｔから、下記の関係により決定される。
（13）Ｖ＝Ｂ″＊Δｔ＋Ｃ″
B"及びC"も、実験的に決定されるべき定数である。
もう一つの可能な方法においては、融解時点から溶接動作の終了までの期間Δｔの溶接ナゲット達成可能な体積は、下記の関係により決定される：
（14）Ｖ＝Ｂ″′（Δｔ＋Ｄ（t_s）／
（［Ｄ（t_s＋δｔ）−Ｄ（t_s）］／δｔ））＋Ｃ″′
式中、
B"'、C"' :実験的に決定された定数
Ｄ（t_s）：融点に到達したときの超音波透過度
δt :"時間差”、即ち、小さい時間間隔
さらに、伝達レベルが一定に維持される超音波送信信号に対して定義された遅延時間だけ遅れる最初の時間窓ｉ内での超音波受信機からの出力信号Ａ（ｔ）により、溶接電流の各電流半波中（この半波の継続時間をΔt1と する。後記するようにこの半波は、超音波を発生する発 生器５が活性化される時間である。）の単位時間あたりの平均的超音波エネルギーE_1jが下記の式（15）から決定される。

最初の時間窓ｉに先んじて又はそれに続き、その間（つまり、超音波が活性化されていない半波の継続時間 Δt2）、超音波が溶接材に衝突（入力）されてない第２の時間窓内において、溶接工程の結果生じる平均的な音響放出エネルギーE_2j （後記する外乱信号によるエネル ギー）は、下記の式から決定することができる。

その代替物としては、次の方法がある。該方法によれば、伝達レベルが一定に維持される超音波送信信号に対して定義された遅延時間だけ遅れる最初の時間窓ｉ内の超音波受信機からの出力信号Ａ（ｔ）により、溶接電流の各電流半波中の溶接領域の音響透過度Ｄ（ｔ）を決定するために、この時間窓内に生じる最大出力信号Ａ（ｔ）から超音波値E_1iが決定される。最初の時間窓に先んじて又はそれに続き、その間溶接材に超音波が衝突されない第２の時間窓内では、溶接工程により生じる音響放出値E_2jが、該第２の時間窓内で発生する最大出力信号Ａ（ｔ）から決定される。
この処理方法により、連続的に決定される音響放出レベルE_2jが現在の閾値を越えた場合に、超音波透過度Ｄの特殊な測定値を補正することができる。該補正は外乱を受けた音響透過度E_1iを両隣の値の平均値により置き換えることにより行ってよい。
抵抗溶接接合部の分析に超音波を利用する本発明の装置においては、溶接スポットは、音響により、溶接動作中に検査される：超音波信号は、例えば、溶接電極の一方において発信される；超音波信号は、溶接スポット即ち溶接された領域の音波による検査に続いて受信機により受信されるが、評価／制御装置は、その受信機の出力信号を評価、そして、もし必要ならば、溶接工程の調整のために評価する。
従来技術によれば、溶接スポットが高周波縦波状の超音波パルスにより内部溶接電極底部の一つから音波により検査される超音波分析を用いてスポット溶接を評価する方法を記述しているのみである。それに対して、本発明の超音波送信器、そしてもし必要ならば超音波受信機は、電極の電極シャンク又は電極ホルダの外壁に配される。
しかし、その必要条件は、音波による検査のために発生され利用される音波が、電極壁中の良好な伝搬挙動を有していると云うことである。このことは、溶接ナゲットの音波による検査のために縦波を使用しないで、むしろ剪断波、特に横波又はねじり波（横波と縦波の結合されたもの）を使用することにより可能になる。超音波による作動化は、横波又はねじり波が、電極壁において、例えば、電子超音波変換器を用いて発生させられることにより生じる。
実際の態様は、超音波送信器が、溶接機の一方の電極の電極シャンク又は電極ホルダの外壁に配され、それと同様に、他方の溶接電極の外壁に超音波受信機が設けられる。
送信及び受信作業中に作動しうる超音波変換器が利用される場合は、この超音波センサメカニズムは、一方の電極の電極シャンク又は電極ホルダの外壁にのみ取り付けられる。
音波による検査に利用される横波又はねじり波は、50〜500kHzの周波数範囲にあるのが好ましい。
しかし、作動範囲は、1MHzにまで達することが可能である。
水平方向に分極した横波を電極壁中に送信する場合は、分極ベクトルが電極の管の軸に対して垂直になるようにすることが必須である。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面に基づく好ましい態様を用いて、下記においてより一層明らかにされる。
図１は、スポット溶接機の電極構成の模式図である。
図２は、電極の電極壁における横波の推移の模式図である。
好ましい態様の説明
本発明の方法においては、溶接スポットの音速c₂（ｔ）は、溶接動作中に測定される音響透過度Ｄ（ｔ）の値から決定される。
”平坦な平行プレート中の音響通路”という適用にたいして当てはまる下記の近似式は、シートの抵抗溶接に利用することが可能である。
他の構成及び／又は溶接法においては、それぞれの適用に応じて、近似式を変更しなければならない。
（１）Z₁＝σ_１＊c₁（ｔ）
Z₂＝σ_２＊c₂（ｔ）
（２）ｍ（ｔ）＝Z₁/Z₂
（３）Ｄ（ｔ）＝1/｛１＋1/4＊［ｍ（ｔ）−
1/m（ｔ））^２＊sin²（２＊π＊d/λ）｝
式（１）〜（３）中、
Z₁ :電極の音響抵抗
Z₂ :溶接ナゲットの音響抵抗
m :音響抵抗の比Z₁/Z₂
D :超音波透過率
σ₁:溶接電極の密度
σ₂:溶接材の密度
c₁ :溶接電極の音速
c₂ :溶接材の音速
d :溶接ナゲットの厚さ
λ :超音波の波長
式（３）から、透過率Ｄは、電極の音響抵抗Z₁及び溶接材の音響抵抗Z₂の関係ｍに依存することが分かる。電極及び溶接材の音響抵抗Z₁及びZ₂は、式（１）に応じて、密度σ及び各媒体中の音速ｃの積から近似により求められる。
本発明は、溶接スポットの超音波透過度の変化が溶接スポットの音速c₂の温度に応じた変化により生じ、式（１）に応じて溶接スポットにおける音速c₂の変化がある時には、溶接スポットの音響提供Z₂が変化するが、電極の音響抵抗Z₁は一定のままであるということに、基づいている。このようにして、音響抵抗の関係ｍが変化し、式（３）に応じて、透過率Ｄが変化する。sin²（２＊π＊d/λ）の項は、下記においては、一定であるとみなされるべきであり、最初は考慮に入れられるべきではない。
溶接電極が銅製であり、溶接されるシートが鉄製であると云うことが仮定されると、電流段階（室温での）の開始時では、銅（Z₁＝20.1）中の音響抵抗は鉄（Z₂＝25.3）中の音響抵抗よりも小さい。したがって、式（３）によれば、溶接動作の開始時には、透過率Ｄは、Ｄ＜１である。
鉄中の音速は、溶接時に昇音のため低下し、したがって、音響抵抗Z₂も同様である。音響透過度Ｄは、温度に依存するので、式（３）により、特に鉄の音響抵抗Z₂が溶接電極の音響抵抗Z₁の値を執る時点ｔで、最初の極大値に達する。そして、この場合、ｍ＝１であり、かつ式（３）によれば、溶接スポットの透過度Ｄは、その時に極大、即ち、Ｄ＝１になる。
温度がさらに上昇した場合、鉄の音響抵抗は低下し続け、したがって、透過率Ｄも再び縮小し始める。溶接スポットの音響透過度は、式（３）により、融点に達するまで、測定される。融点に達すると、音響透過度はさらに低下するが、しかし、今度は、液体媒体中の剪断波の大きな音響的減衰のためである。横波の減衰の程度は、融点T_sに到達した溶融体積の大きさに直接依存し、既に説明された関係が有効である。
したがって、超音波透過度が上昇方向に更新されたことは、従来技術（DE−AS 26 55 415）中の主張とは食い違って、良好な溶接の徴ではなく、むしろ、溶接工程中の外乱の徴である。特に、従来技術中の主張は、剪断波に関するものではない。
スポット溶接法においては、溶融した溶接材が、例えば、溶接動作中にスパッタ形成又は過小の電極圧により、溶接ナゲットから押し出されると云うことが起きる。この場合、溶接ナゲットは、その中に保存された熱エネルギーを含む液体溶接材を失うことになる。この効果は、透過率Ｄの上昇方向の更新により知ることが可能になる。
超音波透過度Ｄ及び溶接スポットにおける音響抵抗Z₂間の関係に基づいて、式（４）により得られる溶接スポットの音速c₂及び溶接スポットの音響透過度Ｄ間の関係が式（３）から導出可能になる。
★

式（４）中、ｆは、超音波周波数を表す。
したがって、式（４）により、溶接材の音速c₂（ｔ）が、透過率Ｄ（ｔ）に割り当てられる。したがって、本発明の方法は、溶接動作の持続の関数として溶接スポットＴ（ｔ）の温度の推移を決定することを可能にし、溶接スポットの音速c₂（ｔ）が、あらかじめ設定された温度依存性の音速c₂（ｔ）と比較される。
このことは、決定された音速c₂（ｔ）があらかじめ設定された温度依存性の溶接材の音速c₂（Ｔ）と比較されると云う事実により行われる。この好ましい態様においては、下記の想定された線形の関係が、溶接材の音速の時間依存性の模範として利用される。
（４′）Ｔ（ｔ）＝（c_2o−c₂（ｔ））＊T_s/c₂
この式中、
c_2o:室温における溶接材の音速
T_s :溶接材の融点
c₂ :室温と融点間の音速の差
である。
前記関係は、音速の実験的に又は理論的に決定された温度依存性により各適用毎に置き換えられてよい。
さらに、溶接材の融解時間t_sは、鉄の融点T_sを比較することにより、溶接材の温度Ｔ（ｔ）の確認された推移から決定される。確認された融解時間t_sは、溶接ナゲット形成の始まりの徴となる。
確認された融解時間t_sは、溶接ナゲット形成の始まりの印となるが、この時間に続いて供給されるエネルギーは、溶接ナゲットの形成のために利用される。
式（６）による関数的関係は、溶接材の温度Ｔ（ｔ）の時間的推移として想定されてよい。
（６）Ｔ（ｔ）＝Ａ＊［１−exp−（Ｂ＊ｔ）］
定数Ａ及びＢは、下記の関係を表す。
（７）Ａ＝J²＊R_o＊d/k
（８）Ｂ＝k/（c_v＊σ＊ｄ）
式（７）及び（８）中、
J :溶接スポットを流れる電流の密度
R_o :溶接材の比電気抵抗
d :シートの厚さ
k :シート／電極構成の熱伝導比
σ :溶接材の密度
c_v :溶接材の比熱
である。
式（７）及び（８）により、電流の密度に対する下記の関係が得られる。
（11）J²＝Ａ＊Ｂ＊cv＊σ/Ro
このことは、溶接スポットを流れる電流の密度が定数Ａ及びＢの積に正比例することを意味する。比例定数は、公知の材料定数である。
例えば、式（4'）による音速のあらかじめ設定された温度依存性を用いて、溶接ナゲット中の温度値を、式（４）による各透過度値Ｄに割り当てることが可能である。溶接スポットの音響透過度の初期の極小値に到達したとき、超音波透過度の上昇方向の更新は、溶接スポットの温度における低下を意味する。溶接スポットにおける温度が、電流段階で、あらかじめ設定された閾値、例えば、融点以下に低下した場合、これが溶接工程に外乱があるという徴であり、それが表示される。
表示は、超音波透過度の第２の相対極大値に到達し、この透過度極大値があらかじめ設定されたピーク値を超過した場合に生じる。
さらに、溶接ナゲットの直径の訂正も継続的に行われる。もし期間t₃の溶接ナゲットの温度が、融点以下に低下するようにして外乱が表示された場合、溶接ナゲットの直径を決定するために行われる方法は、式（５′）により、溶接ナゲットの直径を算出するために、温度が融点以下のままである期間t₃が溶接動作の全持続期間ｔから減算されるようにして修正される。
（５′）φ＝φ_ｅ＊（−K₁＋（Dt_min）
/D′_ｍ−t_min）＋K₂）
K₁、K₂ ：定数、サンプル溶接により、決定されねばならない。
Ｄ（t_min）：派生の極小時の標準化された超音波透過度の値である。
上記の態様は、溶接スポットにおける超音波透過率の推移が、溶接動作の持続時間の関数として溶接スポットにおける温度の推移により決まると云うことを示している。このことは、融点が溶接材において到達されるまで事実である。これにより、超音波透過率は、溶融溶接ナゲットの体積の大きさにより決定される。溶接電極及び溶接材の材質が知られており、音速の温度依存性が公知であれば、超音波透過率の推移パターンは、溶接動作の持続時間の関数として各溶接電流の各強さ毎に、あらかじめ算出可能であり、あるいはサンプル溶接の範囲において実験的に追跡可能である。
この推移パターンは、溶接スポットにおける温度の推移及び溶接ナゲットのサイズを定める。例えば、最大の透過度及び融点は、あらかじめ設定された時間により到達されねばならない。
実際には、不十分な溶接を防止するために、溶接スポットの評価に加えて、溶接動作を制御することが望ましい。溶接工程の制御は、超音波透過度の推移があらかじめ記述された推移パターン（所望値）と比較されるようにして行われてよい。推移パターンから逸脱した場合は、溶接パラメータ、例えば、電流の強さは、次の透過度値が再び推移パターンと一致するまで、それに応じて変更される。
例えば、送信時間の直前にある第２の測定窓における音響放出の測定は、超音波透過度の値の測定時に、例えばスパッタの形成による外乱を検出する目的に役立つ。外乱信号が第２の測定窓の一つで検出された場合は、続く測定値は、外乱の影響に応じて訂正され、又は該外乱の前後の測定値の平均値により置き換えられる。
（単数又は複数の）超音波送信器及び超音波受信機の選択及び配設は、各適用に応じて行われる。必要ならば、同一のセンサを、超音波送信器及び超音波受信機として利用してもよい。
さらに、超音波は、レーザ光線を用いて、起こしてもよい。
したがって、下記においては、本発明の方法の可能な実現は、単に例として、記述される。
図1.1は、溶接電極上に配されたセンサ機構を有する本発明の好ましい態様の模式図である。溶接機の電極には超音波送信器2.1が設けられる。溶接機の電極１には、超音波変換器が設けられている。第２の電極には、受信プローブ2.2、例えば、圧電超音波変換器がある。
超音波変換器2.1及び受信機2.2は、各電極シャンク３の外壁に配される。溶接ナゲット４の音波による検査は、送信プローブ2.1から、水平方向の分極縦波を用いて行われる。
溶接電流の開始とともに、設定可能な遅延時間に続いて、電気的バースト信号を送信プローブに放出する発生器５は、各電流の半波の開始時に活性化される。これにより、溶接電極１において、溶接スポット、即ち溶接ナゲット４を通って、第２の電極に伝搬する超音波信号を発生させる。この信号は、第２の電極の受信プローブ2.2を用いて受信される。図1.2は、この装置のブロック図である。
受信信号は、周波数フィルタ６により、送信信号の周波数スペクトルに合わせて狭い帯域でフィルタにかけられ、次の増幅器７で約40dBで増幅される。その後に接続される評価装置８においては、超音波信号が記録され、分析される。評価装置８は、溶接動作の制御即ち調整装置として、用いてよい。
図２は、管電極の壁部における水平方向の分極した横波の様々な可能な注入法と推移を示す。図2.1は、縦断面を示し、図2.2は、図2.1のＡ−Ｂの線に沿う横断面を示す。
管の軸に対して角度90゜で配された電気−音響的超音波変換器2.1'により起こされた波は、例えば、シート９間に生じる評価されるべき溶接ナゲット４に100KHzの周波数で達する。利用される波長λは、λ/2が電極１、即ち得られる溶接ナゲット４の直径に略対応するように選択される。
超音波の注入を改善するために、横方向超音波の音響放射を、超音波変換器2.1"により、例えば、45゜の角度で行ってよい（図2.1（右側）参照）。エルボ10も銅製である。この場合、全超音波エネルギーが、電極１の底部に入る。他方、垂直方向の音響放射の間、送信信号の約50％だけが電極の底部に到達し、他の半分は、反対方向に伝搬する（図2.1（左側）参照）。横波の最適の分極方向は、図2.2において与えられる。
音響的に放射された信号は、その放射角度に応じて電極壁で反射し、繰り返される反射により電極壁内をジグザグに伝搬する。記述された（電極表面に水平な）分極方向では、電極壁での反射の場合に、他の種類の波への変換は起きない。電極壁で発生するこれらの種類の波は、業界用語"SH（剪断水平）波”と呼ばれている。
高度の効率を得るために、この種の波の使用は、電極及び溶接ナゲットの音波による検査には、有利である。
さらに、図2.1には、対応するアセンブリの超音波受信機2.2'（直角）及び2.2"（45゜）が示されている。

Claims (6)

1. 溶接動作中に、溶接領域に超音波を衝突させる超音波源と、超音波受信機とを用いて抵抗溶接部を、オンラインで評価する方法であって、下記のステップを備える方法：
   超音波受信機の出力信号を基に測定された超音波透過率Ｄ（ｔ）から、前記溶接領域における前記超音波の音速c₂（ｔ）が決定され；
   溶接領域の温度Ｔ（ｔ）の推移は、溶接材における前記音速c₂（ｔ）とあらかじめ確認された時間依存性を有す る音速c ₂ （ｔ）と比較することにより決定され；
   溶接材の融解時間tsは、溶接領域の温度Ｔ（ｔ）の前記推移から、溶接材の融点Tsと比較することにより決定され、
   溶接ナゲットの容量Ｖを、溶接動作中に、融点Tsに到達後に減衰する超音波の超音波透過率Ｄ（ｔｓ）を基に算出する。
2. 時間ｔ＞ts時の溶接ナゲットの現在の容量Ｖは、下記の関係から決定されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法：
   Ｖ＝Ｂ′＊（Ｄ（ｔ）−Ｄ（ts））＋Ｃ′
   式中、
   Ｂ′、Ｃ′：実験的に決定された定数
   Ｄ（ｔ）：時間ｔでの超音波透過率
   Ｄ（ts）：融点に到達したときの超音波透過率
   である。
3. 溶接動作の終了時に達成される溶接ナゲットの前記容量Ｖは、融解時間tsから溶接動作の終了に至るまでの期間Δｔから、下記の関係により、決定されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法：
   Ｖ＝Ｂ″＊Δｔ＋Ｃ″
   式中、Ｂ″及びＣ″も、実験的に決定されるべき定数である。
4. 融点に到達してから溶接動作の終わりまでの期間Δｔの間に達成される溶接ナゲットの容量Ｖは、下記の関係から決定されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法：
   

   

   式中、
   

   

   そして
   （［Ｄ（ts＋δｔ）−Ｄ（ts）］／δｔ）は、Ｄ（ｔ） のts時の微分値を示す。
5. 前記超音波の速度c₂（ｔ）は、下記の式により、前記超音波透過率Ｄ（ｔ）から算出することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法：
   

   

   式中、
   σ₁:溶接電極即ち超音波源の密度
   σ₂:溶接材の密度
   c₁:溶接電極即ち超音波源の音速
   c₂:溶接材の音速
   d:溶接ナゲットの密度
   f:超音波の周波数
6. 前記超音波は、横波であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項記載の方法。

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