JP4933534B2 - 摩擦撹拌接合物の検査方法および検査装置 - Google Patents

摩擦撹拌接合物の検査方法および検査装置 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、日本国特許出願2006-109071号に基づいて優先権を主張するものであり、前記日本国特許出願の全内容を参照してここに組み入れたものとする。
本発明は、摩擦撹拌接合法を用いて２つの接合部材が接合された接合物について、非破壊検査によって接合領域および接合強度を検査および推定する方法に関する。
図２５は、従来技術の抵抗スポット溶接法によって溶接される溶接物１における溶接領域２の推定方法を説明するための図である。図２５に示すように、溶接物１は、上板３と下板４とが溶接領域２でスポット的に溶接される。溶接領域２では、上板３と下板４との界面部分５が溶融により消滅することで、上板３と下板４とが溶接される。溶接物１のうち、溶接領域２を除く非溶接領域６では、上板３と下板４との間に界面５が残る。
また溶接領域２は、上板３と下板４とを溶融溶接するナゲット部７と、ナゲット部７を覆い上板３と下板４とを僅かに溶融し密着するコロナボンド部８とを含む。また抵抗スポット溶接では、溶接物１の表の面９と、裏の面１０とがほぼ平行な面となる。
従来技術として、超音波を用いた溶接物１の溶接領域２の推定方法がある。従来技術では、溶接領域２上を通過するように、超音波を発する超音波探触子１１を走査させて、走査変位ごとに溶接物１から反射する超音波の反射波１２を取り込む。溶接物１に入射した超音波の反射波１２は、非溶接領域６では上板３の底面１３からの反射波となり、溶接領域２では下板４の底面１４からの反射波となる。従来技術の推定方法では、上板底面１３と、下板底面１４との反射波を比較することで、溶接領域２と非溶接領域６との境界位置１５を推定し、溶接領域２の大きさを推定する。
特許文献１に開示される技術では、溶接物１における溶接領域２の推定として、上板上面１６と下板底面１４とで多重反射する多重反射波の減衰量に基づいて、ナゲット部７を求める。特許文献２に開示される技術では、溶接物１における溶接領域２の推定として、下板底面１４で超音波が反射する際に、モード変換によって生じる横波超音波のレベルに基づいて、ナゲット部７を求める。
また他の従来技術として、超音波を用いた連続摩擦撹拌接合の接合領域の推定方法がある。特許文献３に開示される技術では、接合物の底面から反射する底面エコーの振幅が、理論値よりも小さい場合、接合欠陥である空孔が接合領域に存在することを判断する。また連続摩擦撹拌接合された接合物は、表の面は略平坦となる。
特開平３−２３３３５２号公報 特開２０００−１４６９２８号公報 特開２００４−３１７４７５号公報 接合方法の１つに摩擦撹拌接合を利用した重ね継手接合がある。摩擦撹拌接合によって接合された重ね継手は、上板と下板との界面部分が撹拌されることにより消滅することで、上板と下板とが接合される。従来では、摩擦撹拌接合された重ね継手接合物の接合領域および接合強度は、破壊検査によって求めている。したがって摩擦撹拌接合された重ね継手接合物においても、非破壊検査によって接合領域および接合強度を求める方法および装置が望まれている。
しかしながら摩擦撹拌接合される接合物は、ツール没入面が複雑な凹凸形状を有する非平坦面となる。したがって下板底面１４からの反射波を用いた非破壊検査技術では、ツール没入面の凹凸の影響を受けてしまい、スポット摩擦撹拌接合される接合物について、接合領域および接合強度を求めることが困難である。
したがって本発明の目的は、スポット摩擦撹拌接合される接合物の接合領域または接合強度を推定する推定方法および推定装置を提供することである。
また本発明の他の目的は、破壊検査を行うことなく、スポット摩擦撹拌接合される接合物について、接合領域または接合強度を検査する検査方法および検査装置を提供することである。
本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定方法であって、
前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定方法である。
本発明に従えば、反射波測定工程では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、接合物から反射した超音波を取り込む。接合物のうち、非接合領域では、一方の接合部材と他方の接合部材との間の界面が完全に消滅していないので、一方の接合部材から入射した超音波は、一方の接合部材と他方の接合部材との間の界面で反射する。また接合領域では、一方の接合部材と他方の接合部材とが接合されて界面が消滅しているので、一方の接合部材から入射した超音波は、一方の接合部材で反射せずに他方の接合部材に透過し、２つの接合部材の界面に相当する位置付近から反射する反射波が少なくなるか、又は消滅する。
したがって注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。この注目反射波の特徴値の変化量に基づいて、注目反射波が、予め定める境界条件を満たすか否かを判断することで、超音波入射位置が非接合領域と接合領域とのいずれの上に位置するかを推定することができる。
また本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させる。これによって接合ツール没入面に形成される凹凸の影響を受けずに、超音波を接合物に入射させることができる。また超音波探触子が、接合物のツール没入跡に接触することを防ぐことができ、超音波探触子の破損を防ぐことができる。また本発明では、推定工程で、接合ツール没入面での超音波の反射波を用いずに、２つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。これによって接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなく、接合領域を推定することができる。
このように超音波を用いて接合領域を推定することで、接合物を破壊することなく接合品質を推定することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減することができる。また破壊検査を行うことが困難な大型の接合物についても、接合品質を推定することができる。
また本発明は、前記反射波測定工程では、接合領域上を通過するように、超音波の入射位置を走査させるとともに、走査変位ごとに接合物に入射させた超音波の反射波を取り込むことを特徴とする。
本発明に従えば、超音波入射位置を、接合領域上を通過するように走査させることによって、走査方向に沿う直線上に位置するであろう、接合領域と非接合領域との境界上の位置を推定することができ、接合領域の大略的な大きさを推定することができる。これによって接合強度を求めたり、接合品質を確認したりする作業に必要な情報を得ることができる。
また本発明は、前記境界条件は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合に、２つの接合部材の界面で反射する反射波に基づいて設定されることを特徴とする。
本発明に従えば、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合の注目反射波に基づいて、境界条件を設定する。これによって接合物ごとに境界条件を設定することができ、接合物ごとに境界条件がばらつく場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。
また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波の振幅が、予め定める振幅しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。
本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、接合物に入射した超音波は、一方の接合部材から他方の接合部材に透過するので、２つの接合部材の界面に相当する位置で反射する超音波の振幅は小さい。したがって注目反射波の振幅が、予め定める振幅しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。また注目反射波の振幅に基づくことで、反射波に含まれる波形を周波数分析する必要がなく、接合領域を容易に推定することができる。
また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域の中心となる中心周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。
本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、一方の接合部材から他方の接合部材に超音波が透過しやすい。また反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高いので、超音波入射面側で摩擦撹拌されていない領域と接合領域との境界面が超音波入射面に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。このことから、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、注目反射波の中心周波数が低下する。
したがって注目反射波の中心周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。また周波数分析することによって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが存在する場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。たとえば予め定める周波数しきい値は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合における注目反射波の中心周波数よりも低く設定される。
また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値を示す波形の周波数となるピーク周波数が、予め定める周波数以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。
本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、一方の接合部材から他方の接合部材に超音波が透過しやすい。また反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高いので、超音波入射面側で摩擦撹拌されていない領域と接合領域との境界面が超音波入射面に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。このことから、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、注目反射波のピーク周波数が低下する。
したがって注目反射波のピーク周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。また周波数分析することによって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが存在する場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。たとえば予め定める周波数は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合における注目反射波の中心周波数よりも低く設定される。またピーク周波数から接合領域を推定することで、注目反射波に含まれる各波形の周波数分布が正規分布からずれる場合であっても、接合領域を推定することができる。
また本発明は、前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域幅が、予め定める周波数帯域幅しきい値以上となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする。
本発明に従えば、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、一方の接合部材から他方の接合部材に超音波が透過しやすい。また反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高いので、超音波入射面側で摩擦撹拌されていない領域と接合領域との境界面が超音波入射面に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。このことから、超音波入射位置が、接合領域上に位置する場合には、非接合領域上に位置する場合に比べて、注目反射波に含まれる波形の周波数分布の分散が大きくなり、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域幅が広がる。
したがって注目反射波の周波数分布帯域幅が、予め定める周波数帯域幅しきい値以上となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することができる。たとえば予め定める周波数帯域幅しきい値は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合における周波数帯域幅よりも広く設定される。また周波数分析することによって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが存在する場合であっても、接合領域を精度よく推定することができる。またピーク周波数から接合領域を推定することで、注目反射波に含まれる各波形の周波数分布が正規分布からずれる場合であっても、接合領域を推定することができる。
また本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、
前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する接合領域推定工程と、
接合領域推定工程によって推定した接合領域上の位置に基づいて、接合領域の大きさを推定し、推定した接合領域の大きさに基づいて、接合物の接合強度を求める強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法である。
本発明に従えば、反射波測定工程では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、接合物から反射した超音波を取り込む。注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。この変化量に基づいて、注目反射波が、予め定める境界条件を満たすか否かを判断することで、超音波入射位置が接合領域上に位置するか否かを推定することができる。
また本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させる。これによって接合ツール没入面に形成される凹凸の影響を受けずに、超音波を接合物に入射させることができる。また超音波探触子が、接合物のツール没入跡に接触することを防ぐことができ、超音波探触子の破損を防ぐことができる。また本発明では、接合領域推定工程で、接合ツール没入面での超音波の反射波を用いずに、２つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。このように接合ツール没入面での超音波の反射波を用いることなく接合領域を推定することで、接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなく、接合領域を推定することができる。
強度推定工程では、接合領域推定工程によって推定した推定結果に基づいて、接合領域の大きさを推定する。接合領域の大きさと、接合強度とは、ほぼ一対一の関係となる。したがって接合領域の大きさに基づくことで、接合物の接合強度を推定することができる。
このように超音波を用いて接合物の接合強度を推定することで、接合物を破壊することなく接合強度を推定することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減することができる。また破壊検査を行うことが困難な大型の接合物についても、接合強度を推定することができる。
また本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、
接合物の接合領域上の領域を含む単位範囲について、前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうち、単位範囲について、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波の総合的な特徴値と、前記総合的な特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法である。
本発明に従えば、反射波測定工程では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、接合物から反射した超音波を取り込む。接合領域上の領域を含む単位範囲における、注目反射波の総合的な特徴値は、単位範囲下における接合領域の大きさによって変化する。接合領域の大きさと、接合物との強度とは、一対一の関係を有するので、単位範囲における注目反射波の総合的な特徴値と、予め定める変換関係とに従うことによって、接合物の接合強度を推定することができる。このように、単位範囲における注目反射波の総合的な特徴に基づいて、接合物の接合強度を推定することで、接合領域の大きさを求める必要がなく、接合物の接合強度を簡単に推定することができる。
また本発明は、上述した接合領域の推定方法及び接合強度の推定方法において、前記反射波測定工程において複数の異なる屈折角にて接合物に超音波を入射させることを特徴とする。
本発明に従えば、摩擦撹拌接合に際してフッキング現象が発生した場合でも、フッキング部からの反射エコーを斜角探傷で捕らえることができるので、接合領域及び接合強度の推定精度を高めることができる。
また本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、
前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、垂直振動子を用いて接合径以上の断面寸法を持つ超音波ビームを接合物に入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
反射波測定工程によって得られた反射エコー高さに基づいて、接合物の接合強度を推定する強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法である。
本発明に従えば、簡便且つ安価な方法にて接合物の接合強度を推定することができる。
また本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の検査方法であって、上述する推定方法によって推定した推定結果に基づいて、接合物を検査することを特徴とする接合物の検査方法である。
本発明に従えば、上述する推定方法の推定に基づいて接合物を検査する。これによって接合物を破壊することなく、接合領域または接合強度の検査を行うことができ、検査作業を簡便に行うことができる。
また本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定装置であって、
超音波を接合物に入射可能に構成されるとともに、接合物から反射する反射波を取込み可能に構成される超音波探触子と、
超音波探触子を、前記接合物の接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ツールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、
探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、超音波探触子に接続され、超音波探触子が取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を抽出する抽出手段と、
走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する記憶手段と、
記憶手段に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす注目反射波に対応する走査位置を、接合領域上の位置として推定する推定手段と、
推定手段によって推定される推定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定装置である。
本発明に従えば、超音波探触子によって、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、接合物から反射した超音波を取り込む。この状態で、探触子移動手段が、超音波探触子を、接合物の接合領域上を通過するように走査駆動させる。抽出手段は、探触子移動手段によって超音波探触子を移動させている間に、走査位置ごとに、注目反射波を抽出する。また記憶手段は、走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する。
注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。推定手段は、注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの走査位置を、超音波入射位置が接合領域上の位置であると推定する。出力手段は、推定手段によって推定された推定結果を出力する。
本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、２つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。これによって、接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなく、接合領域を推定することができる。また超音波探触子が、接合物のツール没入跡に接触することを防ぐことができ、超音波探触子の破損を防ぐことができる。また接合領域の推定結果を出力することで、接合物を破壊することなく接合品質を報知することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減させることができる。
また本発明は、スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物を検査する検査装置であって、
超音波を接合物に入射可能に構成されるとともに、接合物から反射する反射波を取込み可能に構成される超音波探触子と、
超音波探触子を、接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ツールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、
探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、
超音波探触子に接続され、超音波探触子が取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を抽出する抽出手段と、
走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する記憶手段と、
記憶手段に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす注目反射波に対応する走査位置を、接合領域上の位置として推定する推定手段と、
推定手段によって推定される推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足するか否かを判定する判定手段と、
判定手段による判定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の検査装置である。
本発明に従えば、超音波探触子によって、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、接合物から反射した超音波を取り込む。この状態で、探触子移動手段が、超音波探触子を、接合物の接合領域上を通過するように走査駆動させる。抽出手段は、探触子移動手段によって超音波探触子を移動させている間に、走査位置ごとに、注目反射波を抽出する。また記憶手段は、走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する。
注目反射波の特徴は、超音波入射位置が、非接合領域上に位置する場合と、接合領域上に位置する場合とで変化する。推定手段は、注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの走査位置を、超音波入射位置が接合領域上の位置であると推定する。判定手段は、推定手段によって推定される推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足するか否かを判定する。出力手段は、判定手段によって判定された判定結果を出力する。
本発明では、接合ツールが没入された没入面と反対側の面から超音波を接合物に入射させるとともに、２つの接合部材の界面に相当する位置付近での超音波の反射波に注目して接合領域を推定する。これによって、接合ツール没入面の凹凸の影響を受けることなく、また接合物を破壊することなく、接合物の品質を検査することができる。
本発明の第１実施形態である接合物２０の接合領域２１の推定方法を説明するための断面図である。 接合領域２１の推定装置３０を示すブロック図である。 探触子移動手段３２によって移動される超音波探触子３１の移動経路を示す図である。 接合物２０から反射した超音波の反射波波形を示す図である。 走査位置変化に対応する反射波波形の変化を示す図である。 走査位置変化に対するエコー高さ変化を説明するための図である。 推定した接合領域２１の直径寸法と、推定後に破断面を観察した接合領域２１の直径寸法との分布を比較したグラフである。 推定した接合領域２１の直径寸法と、推定後に破断面を観察した接合領域２１の直径寸法との分布を比較したグラフである。 推定した接合領域２１の直径寸法と、破壊試験によって測定した接合物の接合強度との分布を示すグラフである。 接合強度の推定方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態である接合物の推定方法を説明する推定結果を示す平面図である。 推定した接合領域２１の面積と、破壊試験によって測定した接合物２０の接合強度との分布を示すグラフである。 注目反射波４５に含まれる波形を周波数分析したグラフである。 本発明の第３実施形態の推定装置１３０を示すブロック図である。 走査位置変化に対するピーク周波数変化を説明するための図である。 走査位置変化に対する帯域幅変化を説明するための図である。 第４実施形態の推定方法を説明するためのグラフである。 第１〜第４実施形態で用いられる超音波探触子３１の一例を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態の超音波探触子２００を示す斜視図である。 走査位置とエコー高さとの関係を示す図である。 相対エコー高さと、接合領域２１の面積との関係を示すグラフである。 上記各実施形態の一変形例として、超音波探触子３００を用いた測定方法を説明するための図である。 本発明の第６実施形態として、超音波探触子４００を用いた測定方法を説明するための図である。 本発明の第６実施形態による測定方法において、接合径とエコー高さとの関係を示すグラフである。 従来技術の抵抗スポット溶接法によって溶接される溶接物１における溶接領域２の推定方法を説明するための図である。
本発明の第１実施形態である接合物の接合領域の推定方法は、図１に示した接合物２０の接合領域２１を推定する方法である。本実施形態では、接合物２０は、摩擦撹拌接合法によって、予め定める基準方向Ｚに重ねられる２つの接合部材２２，２３が、基準方向Ｚに互いに接合されたものである。
スポット摩擦撹拌接合法では、２つの接合部材２２，２３の基準方向一方Ｚ１の接合部材２３の基準方向一方Ｚ１表面となるツール没入面２４から、接合ツールを回転させた状態で基準方向他方Ｚ２に押圧する。接合ツールと一方の接合部材２３とで摩擦熱を発生させ、一方の接合部材２３を軟化させて、接合ツールの先端部を、一方の接合部材２３から他方の接合部材２２に達するまで圧入する。このとき、各接合部材２２，２３のうち軟化部分は、接合ツールによって回転軸線まわりに塑性流動する。各接合部材２２，２３の軟化部分を充分に塑性流動させた後、接合ツールを、接合部材２２，２３から基準方向一方Ｚ１に引抜く。
接合ツールは、略円筒状のピン部と、ピン部の一端部に連なりピン部に同軸に形成される略円筒状のショルダ部とを含んで構成される。ショルダ部の直径は、ピン部の直径に比べて大きく形成される。接合ツールは、先端部となるピン部から一方の接合部材２３のツール没入面２４に没入する。またピン部が一方の接合部材２２を貫通して他方の接合部材２２に没入した状態では、ショルダ部が一方の接合部材２３に没入し、ショルダ部が一方の接合部材２３を押圧する。
各接合部材２２，２３のそれぞれの界面部分が塑性流動されることで、界面付近で２つの接合部材２２，２３が摩擦撹拌されて混ぜ合わされる。これによって２つの接合部材２２，２３の界面２７が消滅して、２つの接合部材２２，２３が冶金的に一体化する。２つの接合部材２２，２３の界面が消滅した部分が、２つの接合部材２２，２３を接合する接合領域２１となる。
接合後の接合物２０は、撹拌部２１ａと、熱影響部２１ｂとを含んで構成される。撹拌部２１ａは、摩擦撹拌時にピン部とともに回転して塑性流動する部分である。撹拌部２１ａは、摩擦撹拌時に接合ツールのピン部に臨む部分となり、接合跡２９の軸線に同軸の略リング状に形成される。撹拌部２１ａは、残余の部分に比べて金属組織における金属結晶粒が微細化した部分である。熱影響部２１ｂは、撹拌部２１ａを覆う略リング状に形成される部分である。熱影響部２１ｂは、摩擦撹拌時に撹拌部２１ａおよび接合ツールから与えられる熱の影響で、摩擦撹拌時に軟化する部分である。
また接合物２０は、接合強度に寄与する接合領域２１が形成される。接合領域２１は、撹拌接合領域２１ｃと、圧着接合領域２１ｄとを含んで構成される。撹拌接合領域２１ｃは、撹拌部２１ａの一部の領域であって、塑性流動による撹拌を主要因として、上板２２と下板２３との界面部分が混ざりあって消滅された領域である。圧着接合領域２１ｄは、熱影響部２１ｂの一部の領域であって、摩擦熱による各板２２，２３の軟化の影響と、接合ツールのショルダ部による押圧を主要因として、上板２２と下板２３との界面部分が圧着されて消滅された領域である。撹拌接合領域２１ｃおよび圧着接合領域２１ｄは、接合前に各板２２，２３の界面が存在していた位置に形成され、接合跡２９の軸線に同軸のリング状形状を有する。このような接合領域２１の大きさは、接合物２０の接合強度に影響する。
接合後の接合物２０には、基準方向一方Ｚ１の接合部材２３の基準方向一方Ｚ１の表面には、接合ツールの接合跡２９が凹凸形状として残る。接合跡２９は、一方に開放される有底筒状の凹部となる。また接合物２０のうちで、接合ツールが没入する没入面２４と反対側の裏当て面２５は、平坦面に保たれる。以下、基準方向他方Ｚ２の接合部材２２を上板２２と称し、基準方向一方Ｚ１の接合部材２３を下板２３と称する。また接合領域２１以外の領域を、非接合領域２８と称する。非接合領域２８では、上板２２と下板２３とが接合されておらず、上板２２と下板２３との間に界面２７が存在する。
図１に示すように本実施形態では、接合物２０のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面２４と反対側となる裏当て面２５から、超音波探触子３１を用いて、接合物２０に超音波を入射させるとともに、接合物２０に入射させた超音波の反射波を取り込む。超音波探触子３１によって発生される超音波は、接合物２０の接合領域２１上を通過するように、超音波入射位置が予め定める走査方向Ｘに走査される。
本実施の形態の推定法方法では、超音波探触子３１によって取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材２２，２３の界面２７に相当する位置付近で反射する注目反射波の振幅の変化量に基づいて、接合領域２１を推定する。以下、注目反射波の振幅を、エコー高さと称する。エコー高さは、注目反射波の最大振幅であって、注目反射波の強度に相当する。本実施形態では、エコー高さが予め定める高さしきい値以下となるときの走査位置を、接合領域２１上の位置として推定する。
図２は、接合領域２１の推定装置３０を示すブロック図である。本実施の形態では、推定装置３０は、接合物２０の継手強度となる接合強度を推定する強度推定装置３０を兼ねて構成される。本実施形態において接合物２０の接合強度は、上板２２と下板２３とを基準方向Ｚに引き剥がす方向に引っ張り力を与えた場合の強度か、または上板２２と下板２３とを基準方向Ｚに垂直な方向にせん断力を与えた場合の強度である。
推定装置３０は、超音波探触子３１と、探触子移動手段３２と、走査位置検出手段３３と、超音波送受信部３４と、コンピュータ３５とを含んで構成される。超音波探触子３１は、電気音響変換素子を含んで構成され、超音波送受信部３４からパルス状の電気信号が与えられることによって、振動して超音波を発生する。また超音波探触子３１は、超音波を受けて振動することで、振動に応じたパルス状の電気信号を発生して、発生した電気信号を超音波送受信部３４に与える。超音波探触子３１は、超音波を接合物２０に入射可能に構成されるとともに、接合物２０の内部から反射する超音波の反射波を取込み可能に構成される。
本実施の形態では、超音波探触子３１は、超音波送受可能な一探触子であって、ビーム径が０．８×０．５ｍｍとなり、１７ＭＨｚの周波数の超音波を発生する探触子である。また超音波探触子３１と接合物２０との間には、超音波の送受を行うための接触媒体が介在される。接触媒体は、水が充満される水袋、水などの液体またはグリセリンなどのゼリー状物質である。
探触子移動手段３２は、超音波探触子３１を変位移動する。本実施の形態では、探触子移動手段３２は、接合物２０の接合領域２１上を通過するように、接合物２０のうちで裏当て面２５について、超音波探触子３１を走査移動させる。探触子移動手段３２は、基準方向Ｚに対して垂直な第１方向と、基準方向Ｚおよび第１方向に垂直な第２方向とについて、超音波探触子３１を変位駆動可能に構成される。探触子移動手段３２は、超音波の入射方向が裏当て面２５に対して垂直な状態を保った状態で、超音波探触子３１を走査移動する。走査位置検出手段３３は、超音波探触子３１の走査位置を検出する。走査位置検出手段３３は、超音波探触子３１の走査位置を示す走査位置信号を、コンピュータ３５に与える。
超音波送受信部３４は、超音波探触子３１を振動駆動させるためのパルス状の電気信号を超音波探触子３１に与える。また超音波送受信部３４は、超音波探触子３１から与えられる反射波に応じたパルス状の電気信号を増幅して、超音波探触子３１が取り込んだ反射波を示す反射波信号に変換して、コンピュータ３５に与える。反射波信号は、超音波探触子３１が取り込んだ超音波振幅の時間変化を示す。
コンピュータ３５は、注目反射波抽出部４２と、エコー高さ計測部３６と、接合領域推定部３７と、接合強度推定部３８と、記憶部３９と、入力部４１と、表示部４０とを含んで実現される。注目反射波抽出部４２は、超音波送受信部３４から与えられる反射波信号に基づいて、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を、超音波探触子３１の走査位置変位ごとに抽出する抽出手段となる。エコー高さ計測部３６は、注目反射波抽出部４２の抽出結果に基づいて、超音波探触子３１の走査位置変位ごとに注目反射波の振幅であるエコー高さを計測し、計測したエコー高さを記憶部３９に順次記憶させる。
記憶部３９は、走査位置検出手段３３から走査位置信号が与えられる。記憶部３９は、走査位置検出手段３３によって検出される超音波探触子３１の走査位置と、前記走査位置に対応してエコー高さ計測部３６によって計測されるエコー高さとを関連付けて記憶する記憶手段となる。接合領域推定部３７は、記憶部３９に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす走査位置を、接合領域２１上の位置として推定する。また接合強度推定部３８は、接合領域推定部３７によって推定された接合領域２１上の位置に基づいて、接合領域２１の大きさを推定し、その大きさに一対一で対応する関係に基づいて、接合強度を推定する推定手段となる。
表示部４０は、記憶部３９に記憶されるエコー高さと、エコー高さに関連付けて記憶される走査位置とを示す情報を表示する出力手段となる。また表示部４０は、接合強度推定部３８によって推定された接合強度を表示する。また入力部４１は、接合領域２１の推定に必要な、予め定める境界条件が入力され、その入力された境界条件を接合領域推定部３７に与える。また入力部４１は、接合強度の推定に必要な、接合領域２１の大きさと、接合強度との関係を示す関係情報が入力され、その入力された関係情報を接合強度推定部３８に与える。本実施の形態では、エコー高さ抽出部３６、接合領域推定部３７および接合強度推定部３８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理回路４３が、予め定められる記憶回路に記憶される演算プログラムを実行することによって実現される。
図３は、探触子移動手段３２によって移動される超音波探触子３１の移動経路を示す図である。図３（１）に示すように、探触子移動手段３２は、接合跡２９の中心位置４３上を通過して基準方向Ｚに垂直な走査方向に、超音波探触子３１を移動させる。具体的には、探触子移動手段３２は、接合領域２１よりも走査方向他方に充分に離間した位置から、接合領域２１よりも走査方向一方に充分に離間した位置まで、走査方向一方に超音波探触子３１を移動させる。言い換えると、探触子移動手段３２は、接合領域２１に対して走査方向一方に隣接する非接合領域２８上から、接合領域２１上を走査方向に通過して、接合領域２１に対して走査方向他方に隣接する非接合領域２８に達するまで、超音波探触子３１を移動させる。ここで非接合領域２８は、２つの接合部材２２，２３の間に界面２７が存在する領域となる。
また図３（２）に示すように、第１の走査方向Ｘと、第２の走査方向Ｙとに超音波探触子３１を移動させてもよい。第１および第２の走査方向Ｘ，Ｙは、接合跡２９の中心位置４３上を通過して基準方向Ｚに垂直な方向であって、互いに直交して延びる。この場合でも、第１走査方向および第２の走査方向に関して、裏当て面２５に沿って、接合領域２１を通過するように、超音波探触子３１を走査移動させる。
また図３（３）に示すように、裏当て面２５に沿って、接合領域２１上の領域を含む予め定められる２次元平面全域を走査するように超音波探触子３１を移動させてもよい。たとえば基準方向Ｚに垂直な主走査方向に超音波探触子３１を移動させた後、主走査方向に対して直交する副走査方向に超音波探触子３１をずらして、再び主走査方向に移動させる。この動作を繰返して、予め定められる２次元平面全域に超音波探触子３１を走査させてもよい。
図４は、接合物２０から反射した超音波の反射波波形を示す図である。図４は、横軸に時間を示し、縦軸に反射波の振幅を示す。走査位置が非接合領域２８上である場合、反射波は、上板２２の上面となる裏当て面２５で反射した反射波４４と、上板２２と下板２３との界面２７で反射した反射波４５とを含む。
注目反射波抽出部４２は、超音波送受信部３４から与えられる反射波信号に基づいて、上板２２の上面２５からの反射波４４が超音波探触子３１に到達してから、上板２２と下板２３との界面２７からの反射波４５が超音波探触子３１に到達する基準時刻Ｔ１を求める。注目反射波抽出部４２は、基準時刻Ｔ１の前後の区間にゲート区間Ｗを設ける。ゲート区間Ｗは、基準時刻Ｔ１よりも予め前の時刻（Ｔ１−Ａ１）から、基準時刻Ｔ１よりも予め後の時刻（Ｔ１＋Ａ２）までの区間である。注目反射波抽出部４２は、ゲート区間Ｗに超音波探触子３１が取り込んだ反射波を、２つの接合部材２２，２３の界面２７に相当する基準方向Ｚ位置付近で反射する注目反射波４５として抽出する。エコー高さ計測部３６は、ゲート区間Ｗにおける注目反射波のうちで、最も高い振幅をエコー高さとして出力する。
図５は、走査位置変化に対応する反射波波形の変化を示す図である。図５（１）は、走査位置が非接合領域２８上に位置するときの反射波波形を示す。図５（２）は、走査位置が接合領域２１上に位置するときの反射波波形を示す。
非接合領域２８では、上面２２と下面２３との界面２７が存在するので、上板２２から入射した超音波は、上板２２と下板２３との界面２７で反射する。また接合領域２１では、上板２２と下板２３との界面２７が消滅しているので、上板２２から入射した超音波は、上板２２で反射せずに下板２３に透過する。
したがって図５（１）に示すように、走査位置が非接合領域２８上に位置する場合には、上板２２と下板２３との界面２７から反射する反射波が大きく、注目反射波４５のエコー高さが大きい。これに対して、図５（２）に示すように、走査位置が接合領域２１上に位置する場合には、上板２２と下板２３との界面２７に相当する基準方向位置から反射する反射波が少なく、注目反射波４５のエコー高さが小さい。
図６は、走査位置変化に対するエコー高さ変化を説明するための図である。図６（１）は、走査位置変化に対するエコー高さ変化を示すグラフであり、図６（２）はグラフに対応する接合物２０の断面図である。図６（１）には、横軸に走査位置を示し、縦軸にエコー高さを示す。具体的には、図６（１）では、基準エコー高さＨ０に対する走査位置毎のエコー高さの割合を縦軸に示す。基準エコー高さＨ０は、非接合領域２８上に走査位置が位置するときのエコー高さである。
図３（１）に示すように接合跡２９の中心を通過する走査方向に超音波探触子３１を走査移動させる場合、図６（１）に示すように、走査位置毎のエコー高さが予め定める高さしきい値Ｃ１以下となる走査位置を接合領域２１上の位置として推定することができる。
また走査位置毎のエコー高さが、高さしきい値Ｃ１よりも高い状態から低い状態に切換る走査位置Ｐ１と、高さしきい値Ｃ１よりも低い状態から高い状態に切換る走査位置Ｐ２とを、接合領域２１と非接合領域２８との境界上の位置として推定する。また境界上の２つの走査位置Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線の長さを、接合領域２１の直径寸法として推定することができる。
走査位置が接合領域２１上に位置するか否かを判定する境界条件である高さしきい値Ｃ１は、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における、注目反射波に基づいて決定される。高さしきい値Ｃ１は、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合におけるエコー高さよりも低く設定される。たとえば高さしきい値Ｃ１は、上板２２の板厚ｔ１と、下板２３の板厚ｔ２と、接合条件に関する因子Ｌ１と、ツール形状に関する因子Ｌ２と、材料に関する因子Ｌ３とを変数とする関数に基づいて決定される（Ｃ１＝ｆ（ｔ１，ｔ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）。高さしきい値Ｃ１は、基準エコー高さＨ０よりも小さく、走査位置が、接合領域２１と、非接合領域２８との境界上に位置するときのエコー高さである。本実施の形態では、高さしきい値Ｃ１は、上板２２の板厚ｔ１と、基準エコー高さＨ０とを変数とする関数に基づいて決定される。この場合、高さしきい値Ｃ１は、基準エコー高さＨ０に対して、−α−２０Ｌｏｇ（ｔ２１／２）デジベル低下した高さに設定される。ここで、ｔ２は、下板２３の板厚に設定される。基準エコー高さＨ０は、上述したように非接合領域２８上に走査位置が位置するときのエコー高さである。またαは、定数であって、本実施の形態では、α＝９に設定される。
また基準エコー高さをＨ０とすると、高さＣ１しきい値は、Ｈ０×βによって設定されてもよい。ここでβは、定数であって、本実施の形態では、たとえば０．３５に設定される。上述した、α，βは、接合材料、接合条件、接合ツールの形状によって適宜変更され、推定前に予め行われる実験によって求めてもよい。
図７および図８は、推定した接合領域２１の直径寸法（実線）と、推定後に破断面を観察した接合領域２１の直径寸法との分布を比較したグラフである。図７および図８には、横軸に破断面を観察した接合領域２１の直径寸法を示し、縦軸に推定した接合領域２１を示す。図７は、各板２２，２３の板厚がそれぞれ１ｍｍである場合を示し、図８は、各板２２，２３の板厚がそれぞれ２ｍｍである場合を示す。図７および図８に示すように、破断面による観察結果と、推定結果とに相関性があることがわかる。したがって上述した推定方法によって、接合物２０を破壊することなく、接合領域２１の直径寸法Ｌを推定することができる。
図９は、推定した接合領域２１の直径寸法と、破壊試験によって測定した接合物の接合強度との分布を示すグラフである。推定した接合領域直径寸法の平均値に基づいて推定した接合強度を実線で示し、推定した接合領域直径寸法の平均値を±２０％した値に基づいて推定した接合強度を破線で示す。図９に示すように、推定した接合領域２１の直径寸法Ｌと、接合強度とには、一対一に対応する相関関係があることがわかる。したがって予め推定した接合領域２１の直径寸法Ｌと、接合強度との関係を表わす演算式またはデータベースを求めておくことで、推定した接合領域２１から、関係式またはデータベースに従って、接合強度を求めることができる。たとえば推定した接合領域２１の直径寸法をＬとすると、接合強度は、大略的には、Ｋ１・Ｌ２で表わされる。ここで、Ｋ１は、予め定める定数であって、実験によって求めることができる。
図１０は、接合強度の推定方法の手順を示すフローチャートである。まずステップａ０で、スポット摩擦撹拌接合された接合物を準備するとともに、推定装置３０を準備する。また基準エコー高さから、高さしきい値Ｃ１を求めるための関係式と、推定した接合領域２１の直径寸法Ｌから、接合強度を推定するための関係式とを予め実験によって求める。また推定強度を推定するか否かを指定する。このように接合物の推定作業に必要な準備が完了すると、ステップａ１に進み、推定作業を開始する。
ステップａ１では、超音波探触子３１によって接合物２０に超音波を入射したときに発生する反射波を測定する反射波測定工程を行う。探触子移動手段３２によって超音波探触子３１を走査移動させながら、反射波の取り込みを行う。このように、超音波探触子３１を走査移動させて、走査位置毎の反射波を測定すると、ステップａ２に進む。
ステップａ２では、注目反射波抽出部４２によって、反射波のうちから、注目反射波を予め定める微小走査位置ごとに抽出する。次にエコー高さ計測部３６によって、走査位置ごとに抽出した注目反射波のエコー高さを計測する。注目反射波抽出部４２は、入力部４１から入力される上板２２の板厚に基づいて、注目反射波を捉えるためのゲート区間Ｗを決定してもよい。このようにして走査位置ごとにエコー高さを計測するエコー高さ計測工程を終えると、ステップａ３に進む。
ステップａ３では、接合領域推定部３７によって、ステップａ２で求めた走査位置毎のエコー高さのうちから、非接合領域２８上に走査位置が位置するときの基準エコー高さＨ０を決定する。たとえば基準エコー高さＨ０は、非接合領域２８を走査移動する間のエコー高さの平均値によって求められる。接合領域推定部３７が、基準エコー高さＨ０を決定すると、ステップａ４に進む。
ステップａ４では、接合領域推定部３７が、基準エコー高さＨ０と、上板２２の板厚ｔ１とを変数とする関数に基づいて、高さしきい値Ｃ１を決定する。高さしきい値Ｃ１を決定すると、高さしきい値Ｃ１と一致するエコー高さとなる２つの走査位置Ｐ１，Ｐ２を抽出する。次にこの２つの走査位置Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線の長さを、接合領域２１の直径寸法Ｌとして推定し、ステップａ５に進む。
ステップａ５では、接合強度を推定することが指定されている場合には、ステップａ６に進み、接合強度を推定しないことが指定されている場合には、ステップａ７に進む。たとえば接合強度を推定する場合、強度推定指令が入力部４１によって予め入力される。演算処理回路４３は、強度推定指令が入力されていることを判断すると、ステップａ６に進み、そうでないとステップａ７に進む。
ステップａ６では、接合強度推定部３８が、推定した接合領域２１の直径寸法Ｌと、予め与えられる接合強度を求める関係式またはデータベースとに基づいて、接合強度を推定する。図９に示すように、推定した接合領域２１の直径寸法Ｌと、接合強度とには、一対一の関係を有するので、その関係に基づくことによって、接合物２０を破壊することなく、接合強度を推定することができる。このように接合強度を推定すると、表示部４０に推定結果を表示させ、ステップａ７に進む。ステップａ７では、接合強度の推定動作を終了する。本実施の形態では、推定手順として、接合強度を推定する工程を含めたが、接合強度を推定せずに、接合領域２１の直径寸法Ｌを推定する工程を終えると、推定作業を終了してもよい。また接合領域推定部３７によって推定される推定結果を表示部４０に表示させてもよい。
以上のように本実施の形態によれば、接合ツール没入面２４と反対側の裏当て面２５から超音波を接合物２０に入射させて、超音波の注目反射波に基づいて、接合領域２１を推定する。これによって接合ツール没入面２４に形成される凹凸の影響を受けることなく、接合物２０の厚み寸法が接合跡２９によって変化しても、接合領域２１および接合強度を推定することができる。
このように超音波を用いて接合領域２１を推定することで、接合物２０を破壊することなく接合品質および接合強度を推定することができ、破壊検査を行う場合に比べて、品質検査に費やすコストを低減することができる。また破壊検査を行うことが困難な大型の接合物についても、接合品質および接合強度を推定することができる。
たとえば接合ツールを没入させる時間が短い場合など、接合条件を同じにしていても、接合領域２１の大きさが安定せず、接合強度がばらつくことがある。このような場合であっても、接合物２０を破壊することなく、超音波を用いて接合強度を推定することができる。したがって破壊検査で用いていたテスト用の接合物を製造する手間と、破壊検査を行う手間とを省くことができ、作業効率を向上することができる。また接合物２０を含んだ製品として製造した後に、製造物を破壊することなく、接合物２０について接合強度を推定する品質検査を行うことができる。
また本実施の形態によれば、超音波探触子３１を走査させることによって、接合領域２１と非接合領域２８との境界上の位置を推定することができるとともに、接合領域２１の大略的な大きさを推定することができる。これによって接合強度を求めたり、接合品質を確認したりする作業に必要な情報を得ることができる。
また超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合の注目反射波に基づいて、境界条件である高さしきい値Ｃ１を決定する。これによって接合物２０ごとに境界条件を決定することができ、接合物２０ごとに境界条件がばらつく場合であっても、接合領域２１を精度よく推定することができる。さらにエコー高さ、すなわち注目反射波の振幅に基づいて、接合領域２１を推定しているので、反射波に含まれる波形を周波数分析する必要がなく、接合領域２１を容易に推定することができる。また非接合領域２８を走査するときに、基準エコー高さを求めることができ利便性を向上することができる。
本実施の形態では、注目反射波のエコー高さに基づいて接合領域２１を推定するとしたが、これに限定されない。注目反射波のエコー高さ以外の特徴が、予め定める境界条件を満たすときの走査位置から、接合領域２１を推定してもよい。たとえば後述する第３実施形態のように注目反射波の周波数に関する特徴に基づいて、接合領域２１を推定してもよい。
本実施の形態では、接合物の接合領域２１および接合強度についての推定方法および推定方法を示したが、このような推定方法を用いた検査方法も本発明に含まれる。検査方法は、上述した推定方法によって推定した推定結果に基づいて、接合物を検査する。たとえば推定した接合領域２１の大きさまたは接合強度が、予め定める許容値よりも大きい場合、接合物の要求される接合品質を満たすことを検査することができる。このように上述した推定方法を用いて接合物を検査することによって、非破壊で接合物を検査することができ、利便性を向上することができる。たとえば接合物について全品検査を行うことができ、接合不良となる製造物を好適に取除くことができる。
また上述した接合物の検査を行う検査装置も本発明に含まれる。検査装置は図２に示す推定装置の構成にさらに接合物の合否を判定する判定部である判定手段を備える。判定部は、推定手段によって推定される推定結果が、予め定められる要求値以上か否かを判定する。たとえば接合領域２１の大きさまたは接合強度が、要求値以上であると判断すると、検査した接合物の品質が予め定める品質を満足することを判断することができる。この場合、表示部４０が判定結果を表示する。判定部は、演算処理回路４３が、予め定められる記憶回路に記憶される演算プログラムを実行することによって実現される。判定部は、入力部によって接合領域２１の許容直径または許容面積、許容強度が入力されることで、入力された許容値と、推定値を比較することができる。
図１１は、本発明の第２実施形態である接合物の推定方法を説明する推定結果を示す平面図である。断面図である。本発明の第１実施形態では、接合領域２１の大きさとして、直径寸法Ｌを推定したが、本発明の第２実施形態では、接合領域２１の大きさとして面積を推定する。その他の構成については、第１実施形態と同一であるので、同一の構成については説明を省略し、同一の参照符号を付する。
図３（２）に示すように、第１の走査方向Ｘと、第２の走査方向Ｙとのそれぞれで超音波探触子３１を走査させる場合、接合領域推定部３７は、第１の走査方向Ｘに超音波探触子３１を走査させた場合に推定される接合領域２１の直径寸法Ｌｘと、第２の走査方向Ｙに超音波探触子３１を走査させた場合に推定される接合領域２１の直径寸法Ｌｙとをそれぞれ求める。接合領域推定部３７は、第１の走査方向Ｘの接合領域２１の直径寸法をＬｘとし、第２の走査方向Ｘの接合領域２１の直径寸法をＬｙとすると、Ｌｘ・Ｌｙ・π／４で求められる値を、接合領域２１の面積として推定する。
また図３（３）に示すように、接合領域２１上の領域を含む予め定められる２次元平面全域を走査する場合、前記高さしきい値Ｃ１以下となる走査位置を総合した面積を、接合領域２１の面積として推定する。図１１には、白く描かれている部分が、高さしきい値Ｃ１以下となる走査位置が存在する部分である。したがって白く描かれている部分の縁内の面積を、接合領域２１の面積として推定する。
図１２は、推定した接合領域２１の面積と、破壊試験によって測定した接合物２０の接合強度との分布を示すグラフである。推定した接合領域面積の平均値に基づいて推定した接合強度を実線で示し、推定した接合領域面積の平均値を±２０％した値に基づいて推定した接合強度を破線で示す。図１２に示すように、推定した接合領域２１の面積と、接合強度とには、一対一に対応する相関関係があることがわかる。したがって予め推定した接合領域２１の面積と、接合強度との関係を表わす演算式またはデータベースを求めておくことで、推定した接合領域２１から、関係式またはデータベースに従って、接合強度を求めることができる。たとえば推定した接合領域２１の面積をＡとすると、接合強度は、大略的には、Ｋ２・Ａで表わされる。ここで、Ｋ２は、予め定める定数であって、実験によって求めることができる。
このように接合領域２１の大きさとして、面積を求める場合についても、図１０と同様の推定方法の手順を用いて、接合強度を推定することができる。この場合、図１０に比べて、ステップａ４の接合領域２１の大きさを推定する工程で、接合領域２１の面積を推定することになる。またステップａ５の接合強度を推定する工程で、接合強度推定部３８が、推定した接合領域２１の面積Ａと、予め与えられる接合強度を求める関係式またはデータベースとに基づいて、接合強度を推定する。そのほかの工程については、図１０に示す手順と同様であるので、説明を省略する。本実施形態によれば、接合領域２１の直径寸法ではなく、接合領域２１の面積によって接合強度を求めることで、接合領域２１が略楕円形に形成される場合であっても、精度よく接合強度を推定することができる。
図１３は、注目反射波４５に含まれる波形を周波数分析したグラフである。横軸は、注目反射波に含まれる波形の周波数分布である。縦軸は、注目反射波に含まれる波形の周波数毎の振幅を示す。また図１３には、走査位置が非接合領域２８上に位置するときの注目反射波に含まれる波形の周波数分布を破線で示す。また走査位置が接合領域２１上に位置するときの注目反射波に含まれる波形の周波数分布を実線で示す。
走査位置が、接合領域２１上に位置する場合には、非接合領域２８上に位置する場合に比べて、上板２２と下板２３との界面２７が消滅しているので上板２２から下板２３に超音波が透過しやすい。反射波に含まれる波形のうちで、低周波域波形に比べて高周波域波形のほうが指向性が高いので、接合領域２１と残余の領域との境界面が裏当て面２５に対して傾斜することで、高周波域波形のほうが反射波として取り込まれる量が小さい。また高周波域波形のほうが低周波域波形に比べて低下しやすい。
したがって、注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値を示す波形の周波数であるピーク周波数ｆｐに関して、接合領域２１上に走査位置が位置するときのピーク周波数ｆｐ１は、非接合領域２８上に走査位置が位置するときのピーク周波数ｆｐ０よりも小さくなる。また注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する周波数分布帯域の中心となる中心周波数ｆｃに関して、接合領域２１上に走査位置が位置するときの中心周波数ｆｃ１は、非接合領域２８上に走査位置が位置するときの中心周波数ｆｃ０よりも小さくなる。本実施の形態では、最大振幅値から一定量低下する振幅値は、ピーク周波数ｆｐの波形の振幅値に対して予め定める割合、たとえば６ｄＢ低く設定される振幅値に設定される。
また注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の注目周波数帯域幅Ｂに関して、接合領域２１上に走査位置が位置するときの注目周波数帯域幅Ｂ１は、非接合領域２８上に走査位置が位置するときの注目周波数帯域幅Ｂ０よりも大きくなる。本実施の形態では、最大振幅値から一定量低下する振幅値は、ピーク周波数ｆｐの波形の振幅値に対して予め定める割合、たとえば６ｄＢ低く設定される振幅値に設定される。
図１４は、本発明の第３実施形態の推定装置１３０を示すブロック図である。本発明の第３実施形態の推定装置１３０は、第１実施形態の推定装置１３０と類似した構成を示し、同様の構成については、第１実施形態と同一の参照符号を付して、説明を省略する。
第３実施形態の推定装置１３０は、第１実施形態の推定装置３０に比べて、エコー高さ計測部３６に代えて、周波数特徴計測部１０１を備える。また推定装置１３０は、周波数変換部１００を新たに備える。周波数変換部１００は、注目反射波抽出部４２によって抽出された注目反射波に含まれる波形を周波数分析して、注目反射波に含まれる波形を周波数成分ごとに分解する。周波数変換部１００は、周波数分析結果を周波数特徴計測部１０１に与える。周波数特徴計測部１０１は、周波数分析結果から、超音波探触子３１の走査位置変位ごとに、接合領域２１を推定するのに必要な特徴量を計測し、計測結果を記憶部３９に順次記憶させる。周波数変換部１００および周波数特徴計測部１０１は、演算処理回路４３が、予め定められる記憶回路に記憶される演算プログラムを実行することによって実現される。また接合領域推定部３７は、周波数特徴計測部１０１によって記憶部３９に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす周波数特徴に対応する走査位置を、接合領域２１上の位置として推定する。この他の構成については、図２に示す第１実施形態の推定装置３０と同様である。
図１５は、走査位置変化に対するピーク周波数変化を説明するための図である。図１５（１）は、走査位置変化に対するピーク周波数変化を示すグラフであり、図１５（２）はグラフに対応する接合物の断面図である。図１５（１）には、横軸に走査位置を示し、縦軸にピーク周波数を示す。図３（１）に示すように接合跡２９の中心を通過する走査方向に超音波探触子３１を走査移動させる場合、図１５（１）に示すように、走査位置毎のピーク周波数ｆｐが予め定めるピーク周波数しきい値Ｃ２以下となる走査位置を接合領域２１上の位置として推定することができる。ピーク周波数しきい値Ｃ２は、走査位置が接合領域２１上に位置するか否かを判定する境界条件の基準となり、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における注目反射波のピーク周波数ｆｐ０よりも低く設定される。
また走査位置毎のピーク周波数ｆｐが、ピーク周波数しきい値Ｃ２よりも高い状態から低い状態に切換る走査位置Ｐ１と、ピーク周波数しきい値Ｃ２よりも低い状態から高い状態に切換る走査位置Ｐ２とを、接合領域２１と被接合領域２８との境界上の位置として推定することができる。また境界上の２つの走査位置Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線の長さを、接合領域２１の直径寸法として推定することができる。
本実施の形態では、境界条件であるピーク周波数しきい値Ｃ２は、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における、注目反射波のピーク周波数ｆｐ０に基づいて決定される。具体的には、ピーク周波数しきい値Ｃ２は、基準ピーク周波数ｆｐ０の平均値Ｄ２から、非接合領域２８の基準ピーク周波数ｆｐ０から算出される基準ピーク周波数ｆｐ０の標準偏差σを超えて低くなる周波数に設定される。
ここで基準ピーク周波数ｆｐ０は、非接合領域２８上に走査位置が位置する場合に、注目反射波を周波数分布ごとに分析した波形のうちで、振幅が最大となる波形の周波数である。基準ピーク周波数ｆｐ０の平均値Ｄ２および標準偏差σは、予め測定しておいてもよく、また周波数特徴計測部４３が周波数特徴を計測する前に、周波数変換部１００から与えられる情報に基づいて計算してもよい。周波数特徴計測部１０１は、注目反射波のピーク周波数ｆｐを計測する。この場合、接合領域推定部３７は、走査位置毎のピーク周波数ｆｐが予め定めるピーク周波数しきい値Ｃ２以下となる走査位置を接合領域２１上の位置として推定する。
同様に、ピーク周波数ｆｐに代えて中心周波数ｆｃを用いた場合でも、接合領域２１を推定することができる。具体的には、図３（１）に示すように接合跡２９の中心を通過する走査方向に超音波探触子３１を走査移動させる場合、走査位置毎の中心周波数ｆｃが予め定める中心周波数しきい値以下となる走査位置を接合領域２１上の位置として推定することができる。中心周波数しきい値は、走査位置が接合領域２１上に位置するか否かを判定する境界条件の基準となり、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における注目反射波の中心周波数ｆｃ０よりも低く設定される。
また走査位置毎の中心周波数ｆｃが、中心周波数しきい値よりも高い状態から低い状態に切換る走査位置Ｐ１と、中心周波数しきい値よりも低い状態から高い状態に切換る走査位置Ｐ２とを、接合領域２１と非接合領域２８との境界上の位置として推定することができる。また境界上の２つの走査位置Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線の長さを、接合領域２１の直径寸法として推定することができる。
本実施の形態では、境界条件である中心周波数しきい値は、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における、注目反射波に基づいて決定される。具体的には、中心周波数しきい値は、基準中心周波数ｆｃ０の平均値から、基準中心周波数ｆｃ０に設定される標準偏差σを超えて低くなる周波数に設定される。
ここで基準中心周波数ｆｃ０は、非接合領域２８上に走査位置が位置する場合に、注目反射波を周波数分布ごとに分析した波形のうちで、予め定める振幅以上の波形のうち、最も高い周波数と最も低い周波数との間の周波数帯域幅の中心となる周波数である。基準中心周波数ｆｃ０の平均値および標準偏差σは、予め測定しておいてもよく、また周波数特徴計測部４３が周波数特徴を計測する前に、周波数変換部１００から与えられる情報に基づいて計算してもよい。周波数特徴計測部１０１は、注目反射波における中心周波数ｆｃを計測する。この場合、接合領域推定部３７は、走査位置毎の中心周波数ｆｃが予め定める中心周波数しきい値以下となる走査位置を接合領域２１上の位置として推定する。
図１６は、走査位置変化に対する帯域幅変化を説明するための図である。図１６（１）は、走査位置変化に対する帯域幅変化を示すグラフであり、図１６（２）はグラフに対応する接合物の断面図である。図１６（１）には、横軸に走査位置を示し、縦軸に帯域幅を示す。図３（１）に示すように接合跡２９の中心を通過する走査方向に超音波探触子３１を走査移動させる場合、図１６（１）に示すように、走査位置毎の注目帯域幅Ｂが予め定める帯域幅しきい値Ｃ３以下となる走査位置を接合領域２１上の位置として推定することができる。帯域幅しきい値Ｃ３は、走査位置が接合領域２１上に位置するか否かを判定する境界条件の基準となり、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における注目反射波の注目帯域幅Ｂ０よりも広く設定される。
また走査位置毎の注目帯域幅Ｂが、帯域幅しきい値Ｃ３よりも狭い状態から広い状態に切換る走査位置Ｐ１と、帯域幅しきい値Ｃ３よりも低い状態から高い状態に切換る走査位置Ｐ２とを、接合領域２１と非接合領域２８との境界上の位置として推定することができる。また境界上の２つの走査位置Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線の長さを、接合領域２１の直径寸法として推定することができる。
本実施の形態では、境界条件である帯域幅しきい値Ｃ３は、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における、注目反射波に基づいて決定される。たとえば帯域幅しきい値Ｃ３は、基準帯域幅Ｂ０の平均値Ｄ３から、非接合領域２８の帯域幅から算出される帯域幅の標準偏差σを超えて大きくなる帯域幅に設定される。またたとえば帯域幅しきい値Ｃ３は、基準帯域幅Ｂ０に対して予め定める設定量広くなる帯域幅に設定され、一例として基準帯域幅Ｂ０に対して約１．２ＭＨｚ広くなる帯域に設定される。ここで基準帯域幅Ｂ０は、基準ピーク周波数ｆｐ０の波形の振幅から予め設定する一定量、たとえば６ｄＢ低下した振幅以上となる波形における周波数帯域である。
また注目帯域幅Ｂは、対応するピーク周波数ｆｐ１となる波形の振幅から前記一定量、たとえば６ｄＢ低下した振幅以上となる波形における周波数帯域である。基準帯域幅Ｂ０は、予め測定しておいてもよく、また周波数特徴計測部４３が周波数特徴を計測する前に、周波数変換部１００から与えられる情報に基づいて計算してもよい。
たとえば周波数特徴計測部１０１は、注目反射波における注目帯域幅Ｂを計測する。この場合、接合領域推定部３７は、走査位置毎の注目帯域幅Ｂが予め定める帯域幅しきい値Ｃ３よりも広くなる走査位置を接合領域２１上の位置として推定することができる。
以上のように、第３実施形態では、エコー高さＨに代えて、注目反射波の周波数特徴に基づいて接合領域２１を推定する。上述したように周波数特徴は、ピーク周波数ｆｐ、中心周波数ｆｃおよび注目帯域幅Ｂのいずれかであってもよい。また、その他の注目反射波の周波数特徴に基づいて、接合領域２１を推定してもよい。また第３実施形態では、接合領域２１を推定するための境界条件が異なるだけで、推定強度を求める方法については、第１実施形態と同様にして推定することができる。また第２実施形態のように接合領域２１の直径寸法を推定するほかに、接合領域２１の面積を求めて、接合強度を推定してもよい。第３実施形態であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
また周波数分析することによって、エコー高さが小さい場合や、ノイズが大きい場合などであっても、接合領域２１および接合強度を精度よく推定することができる。また接合領域２１と非接合領域２８とで変化が大きく、これによっても接合領域２１および接合強度を精度よく推定することができる。さらに不所望な周波数をカットするフィルタを介することによってノイズの影響をさらに小さくすることができる。
またピーク周波数ｆｐまたは周波数帯域幅Ｂから接合領域２１を推定することで、注目反射波に含まれる各波形の周波数分布が正規分布からずれる場合であっても、接合領域２１を推定することができる。さらにピーク周波数ｆｐおよび中心周波数ｆｃの標準偏差σに基づいて、接合領域２１を推定するための境界条件を決定することで、接合物２０ごとにパラメータ、たとえば上板２２の板厚寸法を設定する必要がなく、容易に境界条件を決定することができる。
図１７は、第４実施形態の推定方法を説明するためのグラフである。図１７は、横軸に走査位置を示し、縦軸にエコー高さを示す。具体的には、図１７では、基準エコー高さＨ０に対する走査位置毎のエコー高さの割合を縦軸に示す。
本発明の第１実施形態および第２実施形態では、接合領域２１の大きさを求め、その大きさに基づいて、接合強度を求めた。本発明の第４実施形態として、接合領域２１の大きさを求めずに、注目反射波から抽出されるエコー高さに基づいて、接合強度を直接推測する。第４実施形態では、第１実施形態に対して接合領域推定部３７の演算手順が異なり、残余の構成については、同一であるので、説明を省略する。
第４実施形態では、走査位置毎のエコー高さ１１０から予め定める設定エコー高さＣ４までの距離（差）を、ピン部が没入する走査位置１１１を除いた走査位置範囲１１２にわたって積分した面積１１３を求める。本実施の形態では基準エコー高さＨ０が、設定エコー高さＣ４として設定される。
上板２２と下板２３との界面２７で反射する反射波が小さくなることで、エコー高さが小さくなる。前記面積１１３が大きくなることは、界面２７の消滅度合いが大きく、接合強度が大きくなることを意味する。したがって前記面積１１３と、接合強度とが一対一の関係を有する。この関係に基づいて、接合強度推定部３８が接合強度を求めることができる。本実施形態では、エコー高さの変化を積分したが、そのほか上述したピーク周波数ｆｐ、中心周波数ｆｃ、設定帯域幅Ｂなどの、注目反射波の特徴値変化の積分値に基づいて、接合強度を直接決定してもよい。この場合も特徴値の変化量を、ピン部が没入する走査位置１１１を除いた走査位置範囲１１２にわたって積分した積分値に基づいて、接合強度を直接決定することができる。
また接合強度推定部３８は、走査位置変化に対する注目反射波の変化量に基づいて、接合領域２１の位置を求めてもよい。たとえば走査位置変化に対する注目反射波の特徴値の変化量が急な場合には、その急となる走査位置が、撹拌接合領域２１ｃと圧着接合領域２１ｄとの境界位置上に位置することを推定してもよい。たとえば注目反射波の特徴値変化の傾き、言い換えると特徴値変化を微分した値が予め定める値を超えた走査位置が、撹拌接合領域２１ｃと圧着接合領域２１ｄとの境界位置上に位置することを推定してもよい。このように撹拌接合領域２１ｃと圧着接合領域２１ｄとの形状を求め、接合強度の推定に追加することで、さらに正確な接合強度を求めることができる。
このように接合領域２１上の領域を含む単位範囲について、超音波の反射波を取り込み、単位範囲について注目反射波の総合的な特徴値と、前記特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定してもよい。総合的な特徴値は、超音波入射領域が単位範囲となる場合には、その単位範囲内における注目反射波の特徴値となる。
図１８は、第１〜第４実施形態で用いられる超音波探触子３１の一例を示す斜視図である。本実施形態では、一次元配列アレイ振動子型のフェイズドアレイ超音波探触子３１が用いられる。フェイズドアレイ超音波探触子３１は、微小な振動子を多数配列したアレイ探触子で、各振動子に印加するパルスのタイミングを変えることで、各振動子から発生させる超音波のタイミングをずらすことができ、超音波の集束位置を任意に変えることができる。これによってアレイ配列方向に超音波探触子を走査させる必要がなく、利便性を向上することができる。
また二次元配列アレイ振動子型のフェイズドアレイ超音波探触子についても用いることができる。そのほか、一探触子型の超音波探触子３１を用いることも可能である。また超音波発生用の探触子と、超音波取り込み用の探触子とによって構成される二探触子型の超音波探触子を用いてもよい。また点集束探触子のほか、非集束探触子を用いることもできる。また超音波を裏当て面２５に対して垂直に入射させるほか、裏当て面２５に対して傾斜するように超音波を入射させてもよい。
図１９は、本発明の第５実施形態の超音波探触子２００を示す斜視図である。図２０は、走査位置とエコー高さとの関係を示す図である。図２０（２）は、走査位置変化に対するエコー高さ変化を示すグラフであり、図２０（１）はグラフに対応する接合物２０の断面図である。本発明の第５実施形態では、第１実施形態に比べて超音波探触子２００の構成が異なる。また接合領域推定部３７がなく、接合強度推定部３８が、エコー高さに基づいて接合強度を直接推定可能に構成される。残余の構成については同一であるので、同一な構成については説明を省略する。
超音波探触子２００は、線集束探触子によって実現される。超音波探触子２００は、接合領域２１の直径寸法よりも大きい長さを有する帯状の超音波入射領域２０１が形成され、送信振動子２０２と、受信振動子２０３とが別体に構成される。本実施の形態の超音波探触子２００は、振動子寸法が１０×２ｍｍとなり、１０ＭＨｚの周波数の超音波を発生する。またエコー高さ計測部３６は、帯状の入射領域２０１について、上板２２と下板２３との界面２７に相当する基準方向位置付近で反射する注目反射波の総合的なエコー高さを計測する。
このような超音波探触子２００を用いて、図１９に示すように、超音波入射領域２０１が接合跡２９の中心を通過するように配置したときの総合的なエコー高さを求める。言い換えると、図２０に示すように、超音波探触子２００を走査移動させて、総合的なエコー高さが最小となる超音波走査位置を調べる。
図２１は、引張せん断せん断強度と相対エコー高さの低下量との関係を示すグラフである。図２１には、相対エコー高さの低下量として、非接合領域２８に超音波を入射した場合の総合的な基準エコー高さに対する、エコー高さが最小となる総合的な最小エコー高さの割合を示す。図２１には、横軸に相対エコー高さの低下量を示し、縦軸に破壊検査による接合物の引張せん断強度を示す。図２１に示すように、相対エコー高さの低下量と、接合強度とは、略一対一の関係を有する。したがって総合的な最小エコー高さを求めることで、総合的な最小エコー高さを、接合強度を演算する関係式に代入することで接合強度を直接推定することができる。この関係式は、予め実験等によって求めることができる。
このようにして、接合強度推定部３８は、総合的な最小エコー高さから、接合強度を直接推定することができる。また本実施の形態では、線集束探触子によって探触子が実現されるとしたが、非集束超音波探触子を用いても同様の効果を得ることができる。この場合、非集束超音波探触子の超音波入射領域の面積は、接合領域２１の面積よりも充分大きいことが好ましい。
本実施の形態では、接合物２０の接合領域２１上の領域を含む単位範囲について、接合物２０の裏当て面２５から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込み、単位範囲について、注目反射波の総合的な特徴値と、前記特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定する。これによって接合領域２１の大きさを推定する必要がなく、接合物２０の接合強度を簡単に推定することができる。
また線集束探触子である場合には、超音波探触子を一方向に走査するだけでよい。さらに非集束探触子である場合には、超音波探触子を走査しなくてもよい。これによって推定装置を簡単化することができ、容易に接合強度の推定を行うことができる。また上述する単位範囲について集束探触子を走査移動させて、単位範囲内の注目反射波の総合的な特徴値を求めてもよい。この場合、総合的な特徴値とは、単位範囲内における走査位置ごとの注目反射波の特徴値をたし合わせた値または、単位範囲内における走査位置ごとの注目反射波の特徴値の平均値となる。また本実施形態では、単位範囲にわたるエコー高さの総合的な変化量に基づいて、接合強度を求めたが、そのほか上述したピーク周波数ｆｐ、中心周波数ｆｃ、設定帯域幅Ｂなどの、注目反射波の特徴値変化に基づいて、接合強度を直接決定してもよい。
以上のように、上述した接合領域２１または接合強度の推定方法は、本発明の一例示であって発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば各実施の形態では、注目反射波のうち上述した特徴以外を用いて、接合領域２１を推定してもよい。また上述した注目反射波の特徴を組合せて接合領域２１を推定してもよい。たとえば安全率を高めるために、上述した２つ以上の推定方法で推定される接合強度が最も小さい値を、推定される接合強度として採用してもよい。また本実施形態では、超音波探触子を走査させていたが、これに限定しない。たとえば超音波入射位置が、接合領域２１上であるか否かを推定する場合には、超音波探触子をスポット的に配置すればよい。
また本実施の形態では、接合領域２１を推定するための注目反射波の境界条件が、超音波入射位置が非接合領域２８上に位置する場合における注目反射波に基づいて決定されるとしたが、これに限定しない。たとえば境界条件は、一定値に設定されてもよい。また本実施の形態では、演算式に従って、接合領域２１および接合強度を推定するとしたが、演算式に代えてデータベースを用いて、接合領域２１および接合強度を推定してもよい。
また、変形例としては、上述した各実施の形態における反射波測定工程においては、図２２(１)〜（４）に示したように、超音波探触子３００から複数の異なる屈折角にて接合物に超音波を入射させることもできる。この方法は、摩擦撹拌接合の際に接合部においてフッキング現象が発生するような場合に特に有効である。ここでフッキング現象とは、摩擦撹拌接合の際に接合部材２２，２３が軟化して、接合部材２２と接合部材２３との界面がツール没入面２４の方向に引き寄せられ、図２２（１）に示したような湾曲部（フッキング部）５０が生じる現象である。
このフッキング部５０は、接合部材２２と接合部材２３との間の接合強度に実質的に寄与していない。なお、このフッキング現象は、接合部材の材質等、摩擦撹拌接合の条件によってその発生の程度が異なるものである。
そして、反射波測定工程において、超音波探触子３００から複数の異なる屈折角にて接合物２０に超音波を入射させることにより、接合物２０の内部にフッキング部５０が存在する場合でも、フッキング部５０からの反射エコーを斜角探傷で捕らえることができる。即ち、屈折角が０°（垂直入射）だけでは、湾曲したフッキング部５０からの反射エコーを捕らえることができない。このため、実質的に接合強度に寄与しないフッキング部５０を、接合強度に寄与する部分から区別することができず、その結果、接合物２０の接合強度を実際よりも高めに評価してしまうという問題が生じる。
これに対して本例においては、例えば屈折角２０°若しくは３０°の斜角探傷を行うことにより、フッキング部５０からの反射波を捕らえることができるので、接合物２０内にフッキング部５０が存在する場合でも接合強度を精度良く推定することができる。
図２３は、本発明の第６実施形態による接合強度の推定方法として、垂直振動子から成る超音波探触子４００を用いた測定方法を説明するための図である。図２４は、同測定方法において、接合径とエコー高さとの関係を示すグラフである。
本実施形態においては、垂直振動子から成る超音波探触子４００を用いて、接合径以上の断面寸法を持つ超音波ビームを接合部材２２に入射させるとともに、接合部材２２に入射させた超音波の反射波を取り込む（反射波測定工程）。なお、超音波探触子４００から放射された超音波ビームは、超音波探触子４００と接合部材２２との間に配置された超音波伝播部材４０１を通って接合部材２２に入射する。
そして、本実施形態においては、反射波測定工程によって得られた反射エコー高さに基づいて、接合物２０の接合強度を推定する（強度推定工程）。即ち、図２４に示したように接合物の接合径とエコー高さとの関係を予め測定しておくことにより、未知の接合径を有する接合物２０に対しても、エコー高さを測定することによってその接合径を推定することができる。
このように本実施形態接によれば、接合領域の面積を推定することなく、接合強度を直接的に推定することが可能であり、簡便且つ安価な方法にて接合物２０の接合強度を推定することができる。
また第１実施形態の推定方法を用いた検査方法および検査装置について、本発明に含まれるとともに、第２〜第６実施形態の推定方法を用いた検査方法および検査装置についても本発明に含まれる。第２〜第６実施形態においても、推定した推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足するか否かを判定することで、接合物を破壊することなく、接合物の品質を検査することができる。
また本実施の形態では、接合強度を推定せずに、接合領域２１を推定した推定結果を表示部４０によって表示する場合も含む。２次元平面上に接合領域２１の形状を示す画像を表示することによって、検査者が接合強度などの接合品質を判断してもよい。また本実施の形態では、接合領域２１および接合強度の推定は、推定装置３０，１３０が行うとしたが、これに限らず、上述した工程を人間が行う場合の推定方法も本発明の範囲内である。また本実施の形態では、接合領域２１を推定したが、同様の手順によって、撹拌接合領域２１ｃと圧着接合領域２１ｄとのそれぞれを個別に推定してもよい。本実施の形態では、上板２２および下板２３は、アルミ合金からなるが、摩擦撹拌接合が可能であれば、他の材料によって接合物２０が形成されてもよい。また超音波探触子については汎用品を用いることができる。
以上、本発明の好ましい例についてある程度特定的に説明したが、それらについて種々の変更をなし得ることはあきらかである。従って、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本明細書中で特定的に記載された態様とは異なる態様で本発明を実施できることが理解されるべきである。

Claims (14)

  1. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定方法であって、
    前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
    反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定方法。
  2. 前記反射波測定工程では、接合領域上を通過するように、超音波の入射位置を走査させるとともに、走査変位ごとに接合物に入射させた超音波の反射波を取り込むことを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の接合物の接合領域の推定方法。
  3. 前記境界条件は、超音波入射位置が非接合領域上に位置する場合に、２つの接合部材の界面で反射する反射波に基づいて設定されることを特徴とする請求項１または２記載の接合物の接合領域の推定方法。
  4. 前記推定工程では、前記注目反射波の振幅が、予め定める振幅しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合物の接合領域の推定方法。
  5. 前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域の中心となる中心周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合物の接合領域の推定方法。
  6. 前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値を示す波形の周波数となるピーク周波数が、予め定める周波数しきい値以下となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合物の接合領域の推定方法。
  7. 前記推定工程では、前記注目反射波に含まれる波形の周波数分布帯域において、最大振幅値から一定量低下する振幅値を超える波形の周波数分布帯域幅が、予め定める周波数帯域幅しきい値以上となる超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合物の接合領域の推定方法。
  8. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、
    前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
    反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波が予め定める境界条件を満たすときの超音波入射位置を、接合領域上の位置として推定する接合領域推定工程と、
    接合領域推定工程によって推定した接合領域上の位置に基づいて、接合領域の大きさを推定し、推定した接合領域の大きさに基づいて、接合物の接合強度を推定する強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法。
  9. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、
    接合物の接合領域上の領域を含む単位範囲について、前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、接合物に超音波を入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
    反射波測定工程によって取り込んだ反射波のうち、単位範囲について、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波の総合的な特徴値と、前記総合的な特徴値を接合物の強度に変換するために設定される変換関係とに基づいて、接合物の接合強度を推定する推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法。
  10. 前記反射波測定工程において、複数の異なる屈折角にて接合物に超音波を入射させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の推定方法。
  11. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の接合強度を推定する推定方法であって、
    前記接合物のうちで摩擦撹拌時に接合ツールが没入された没入面と反対側の面から、垂直振動子を用いて接合径以上の断面寸法を持つ超音波ビームを接合物に入射させるとともに、接合物に入射させた超音波の反射波を取り込む反射波測定工程と、
    反射波測定工程によって得られた反射エコー高さに基づいて、接合物の接合強度を推定する強度推定工程とを含むことを特徴とする接合物の接合強度の推定方法。
  12. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物の検査方法であって、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の推定方法によって推定した推定結果に基づいて、接合物を検査することを特徴とする接合物の検査方法。
  13. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物について、接合領域を推定する推定装置であって、
    超音波を接合物に入射可能に構成されるとともに、接合物から反射する反射波を取込み可能に構成される超音波探触子と、
    超音波探触子を、前記接合物の接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ツールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、
    探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、
    超音波探触子に接続され、超音波探触子が取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を抽出する抽出手段と、
    走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する記憶手段と、
    記憶手段に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす注目反射波に対応する走査位置を、接合領域上の位置として推定する推定手段と、
    推定手段によって推定される推定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の接合領域の推定装置。
  14. スポット摩擦撹拌接合法によって、重ねられた２つの接合部材が互いに接合された接合物を検査する検査装置であって、
    超音波を接合物に入射可能に構成されるとともに、接合物から反射する反射波を取込み可能に構成される超音波探触子と、
    超音波探触子を、接合物の接合領域上を通過するように、接合物のうちで接合ツールが没入された没入面と反対側の面について走査移動させる探触子移動手段と、
    探触子の走査位置を検出する走査位置検出手段と、
    超音波探触子に接続され、超音波探触子が取り込んだ反射波のうちで、２つの接合部材の界面に相当する位置付近で反射する注目反射波を抽出する抽出手段と、
    走査位置検出手段によって検出される走査位置と、前記走査位置に対応して抽出手段によって抽出される注目反射波とを関連付けて記憶する記憶手段と、
    記憶手段に記憶される情報を読取り、予め定める境界条件を満たす注目反射波に対応する走査位置を、接合領域上の位置として推定する推定手段と、
    推定手段によって推定される推定結果に基づいて、接合物が予め定められる品質を満足するか否かを判定する判定手段と、
    判定手段による判定結果を出力する出力手段とを含むことを特徴とする接合物の検査装置。
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