JP2008151763A - 溶接部測定方法及び溶接部測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非破壊、非接触での測定が可能で、且つ適用性が高い溶接部の溶込み深さ測定方法及び溶込み深さ測定装置を提供する。
【解決手段】送信用レーザビームを照射して溶接部６に超音波を励起させて、溶接部６の底面６ａで反射した反射波を、溶接部６に照射した受信用レーザビームによって受信して、受信した反射波のパルス幅Hに基き溶接部６の溶込み深さを測定するので、溶接部６の溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、従来技術の超音波を用いた測定のように超音波センサと溶接部とを液体媒質を介して接触させることがないので、溶接部６が狭小であったり複雑な形状であったりしても適用が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接部測定方法及び溶接部測定装置に関するもので、特に、溶接部の溶込み深さを測定する方法及び装置に関する。

一般に、溶接部の溶込み深さを測定する場合、切断された溶接部の断面が計測されている。この場合、溶接部の切断に手間と時間とを要すると共に、測定対象として使用された部品は廃棄されて無駄になるため、測定対象物を破壊することなく溶接部の溶込み深さを測定することが要望されていた。そこで、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部に接触させることで溶接部に超音波信号を送受信し、受信した超音波信号（エコー）に基き溶接部の溶込み深さを測定する溶接部の検査方法が従来知られている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、この検査方法は、超音波信号が気体を介すると測定精度が著しく低下するため、測定を液体中（水中）で行う必要があった。したがって、従来の検査方法では、測定対象物並びに超音波センサを収容するための水槽が必要であり、装置が大型化されると共に水を使用することで段取り作業に手間と時間とを要する。そこで、超音波センサと溶接部とをジェル状のカプラント（液体媒質）を介して接触させることで水槽を廃止することができるが、溶接部が狭小であったり、溶接部の形状が複雑である場合、当該溶接部に超音波センサを適切に接触させるのが難しく、適用性に問題がある。
特開２００２−２１４２０７号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、非破壊、非接触での測定が可能で、且つ適用性が高い溶接部測定方法及び溶接部測定装置を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明の溶接部測定方法は、測定対象物の溶接部を測定する方法であって、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させて、溶接部の底面で反射した超音波の反射波を溶接部に照射した受信用レーザビームによって受信して、該受信用レーザビームによって受信された反射波に基き、溶接部の溶込み深さを測定することを特徴とする。
本発明の溶接部測定方法によれば、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させる。溶接部の内部を透過した超音波は、溶接部の底面で反射して受信用レーザビームによって受信される。そして、本測定方法では、この受信した反射波に基き溶接部の溶込み深さが測定される。これにより、溶接部の溶込み深さを非破壊、非接触にて測定することができる。また、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部に接触させる従来技術と比較して、水槽を必要とせず装置を小型化することができると共に、溶接部が狭小である場合等への適用性を高めることができる。

上記課題を解決するために、本発明の溶接部測定装置は、測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させる送信部と、溶接部に受信用レーザビームを照射して溶接部の底面で反射した超音波の反射波を受信する受信部と、受信部によって受信した超音波の反射波を解析して該反射波のパルス幅に基き溶接部の溶込み深さを導出する導出部と、を具備することを特徴とする。
本発明の溶接部測定装置によれば、送信部は、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させる。溶接部の内部を透過した超音波は、溶接部の底面で反射する。受信部は、この溶接部の底面で反射した反射波を溶接部に照射した受信用レーザビームによって受信する。そして、本測定装置の導出部は、受信部で受信した反射波に基き、溶接部の溶込み深さを導出する。これにより、溶接部の溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部に接触させる従来技術と比較して、水槽を必要とせず装置を小型化することができると共に、溶接部が狭小である場合等への適用性を高めることができる。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、請求可能発明と称する）の態様を例示し、例示された各態様について説明する。ここでは、各態様を、特許請求の範囲と同様に、項に区分すると共に各項に番号を付し、必要に応じて他の項の記載を引用する形式で記載する。これは、請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施形態の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得る。
なお、以下の各項において、（１）〜（１０）項の各々が、請求項１〜１０の各々に相当する。

（１）測定対象物の溶接部を測定する方法であって、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させて、溶接部の底面で反射した超音波の反射波を溶接部に照射した受信用レーザビームによって受信して、該受信用レーザビームによって受信された反射波に基き、溶接部の溶込み深さを測定することを特徴とする溶接部測定方法。
本項に記載の溶接部測定方法は、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させて、溶接部の内部を透過して溶接部の底面で反射した反射波を、当該溶接部に照射した受信用レーザビームによって受信して、この受信した反射波に基き溶接部の溶込み深さを測定するので、溶接部の溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部に接触させる従来技術と比較して、水槽を必要としないので装置を小型化することができると共に、溶接部が狭小であったり複雑な形状であっても適用することができる。
本項の態様において、送信用レーザビームは、例えば、高エネルギ、ショートパルス発振のQスイッチNd：YAGレーザを用いる。送信用レーザビームは、レーザ光源から送信用光ファイバを介して送信用照射ヘッドに伝送されて、該送信用照射ヘッドから溶接部に向けて照射される。また、受信用レーザビームは、例えば、連続発振又はロングパルス発振のNd：YAGレーザを用いる。受信用レーザビームは、レーザ光源から受信用光ファイバを介して受信用照射ヘッドに伝送されて、該受信用照射ヘッドから溶接部に向けて照射される。溶接部の表面での反射成分（反射波）を受信した受信用レーザビームは、同じ経路（受信用光ファイバ）を経由して光干渉計（ファブリ・ペロー干渉計）に入射されて、該光干渉計を透過して光検出器によって電気信号に変換される。そして、この電気信号に基き溶接部の溶込み深さが測定される。

（２）受信用レーザビームによって受信された超音波の反射波のパルス幅に基き、溶接部の溶込み深さを測定する（１）に記載の溶接部測定方法。
溶接部はデントライト組織であることから、超音波は溶接部における減衰が測定対象物の母材部分における減衰と比較して大きくなる。したがって、溶接部を透過した超音波は低周波成分が支配的になり、測定対象物の母材部分を透過した超音波と比較して、反射波のパルス幅が大きくなる。本項の態様では、この現象を利用して、反射波のパルス幅と溶接部の溶込み深さとの対応に基き、受信用レーザビームによって受信された反射波のパルス幅から溶接部の溶込み深さを測定する。なお、反射波のパルス幅と溶接部の溶込み深さとの対応は予め導出しておく。

（３）受信用レーザビームによって受信された超音波の反射波の減衰量に基き、溶接部の溶込み深さを測定する（１）に記載の溶接部測定方法。
上述したように、溶接部はデントライト組織であることから、超音波は溶接部における減衰が測定対象物の母材部分における減衰と比較して大きくなる。本項の態様は、この現象を利用して溶接部の溶込み深さを測定するものである。本項の態様では、（２）の態様、すなわち、反射波のパルス幅から溶接部の溶込み深さを測定する場合と比較して、より高い精度で溶接部の溶込み深さを測定することができる。
具体的には、反射波の減衰量から以下の（第１式）〜（第２式）を用いて溶接部の溶込み深さを導出する。
Ａ＝２α_ｇ（ｃ＋ｐ）＋２α_ｆ（ｔ−ｐ） （第１式）
ただし、
Ａ ：減衰量（db）
ｐ ：溶接部の溶込み深さ
ｃ ：測定対象物の母材部分の接合面を基準とした溶接部の頂部の高さ
ｔ ：測定対象物の母材部分の板厚
α_ｇ ：溶接部の減衰率
α_ｆ ：測定対象物の母材部分の減衰率
とする。
上記（第１式）を変形することで、以下の（第２式）が求められる。
ｐ＝（Ａ−２α_ｇｃ−２α_ｆｔ）／［２（α_ｇ−α_ｆ）］ （第２式）
ここで、α_ｇ ≫α_ｆ であることから、（第２式）から近似的に以下の（第３式）が求められる。
ｐ＝（Ａ／２α_ｇ）−ｃ （第３式）
ここで、ｃは以下の（第４式）によって求められる。
T1＝２Ｖ_Ｌ（ｔ＋ｃ） （第４式）
ただし、
T1 ：第１反射波の伝搬時間
Ｖ_Ｌ ：縦波の伝搬速度（音速）
である。
また、本項の態様では、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを、例えば、ロボットのティーチング機能を用いて溶接部表面に沿って走査させて、この時のロボットの位置データと溶接部の溶込み深さのプロットデータとに基き、当該溶接部のプロフィールを得ることができる。

（４）測定対象物の溶接部を測定する方法であって、測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面から測定対象物にパルス発振の送信用レーザビームを照射して測定対象物の内部に超音波を励起させて、測定対象物の界面で反射した反射波を測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面に照射した受信用レーザビームによって受信して、溶接部を横切るようにして測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面から送信用レーザビームと受信用レーザビームとを走査させた時の、受信用レーザビームによって受信された超音波の反射波の縦波に基き、溶接部の脚長を測定することを特徴とする溶接部測定方法。
本項に記載の溶接部測定方法では、測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面、すなわち測定対象物の裏面に、パルス発振の送信用レーザビームを照射して測定対象物の内部に超音波を励起させる。これにより、測定対象物の裏面には表面波が伝搬すると共に、測定対象物の内部には縦波と横波とが伝搬する。そして、本項の態様では、測定対象物の界面で反射した反射波を受信部によって受信して、縦波は、横波よりも伝搬速度が高く、さらに、測定対象物の母材部分の界面にて散乱による減衰が小さいことを利用して、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを、溶接部を横切るようにして測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面から走査させて、受信用レーザビームによって受信された反射波の縦波が減衰していた走査量（距離）に基き、溶接部の脚長を測定する。

（５）受信用レーザビームによって受信された反射波の横波に基き、溶接部の溶込み深さを測定する（４）に記載の溶接部測定方法。
本項の態様では、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを、溶接部を横切るようにして測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面、すなわち測定対象物の裏面から走査させて、受信用レーザビームによって反射波における横波（溶接部内部散乱波）に基き、溶接部の溶込み深さを測定する。本項の態様では、反射における横波に基き測定対象物の母材部分と溶接部との界面を検出して、検出した界面に基き溶接部の溶込み深さを測定する。

（６）測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させる送信部と、溶接部に受信用レーザビームを照射して溶接部の底面で反射した超音波の反射波を受信する受信部と、受信部によって受信した超音波の反射波を解析して該反射波のパルス幅に基き溶接部の溶込み深さを導出する導出部と、を具備することを特徴とする溶接部測定装置。
本項に記載の溶接部測定装置は、送信部からパルス発振の送信用レーザビームを溶接部に照射して溶接部の内部に超音波を励起させる。そして、溶接部の内部を透過して溶接部の底面で反射した反射波を、受信部から溶接部に照射した受信用レーザビームによって受信して、この受信した反射波に基き、導出部によって溶接部の溶込み深さを導出する。したがって、溶接部の溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部に接触させる従来技術と比較して、水槽を必要としないので装置を小型化することができると共に、溶接部が狭小であったり複雑な形状であっても適用することができる。
溶接部はデントライト組織であることから、超音波は、溶接部における減衰が測定対象物の母材部分における減衰と比較して大きくなる。したがって、溶接部を透過した超音波は低周波成分が支配的になり、測定対象物の母材部分を透過した超音波と比較して、反射波のパルス幅が大きくなる。導出部は、この現象を利用して、反射波のパルス幅と溶接部の溶込み深さとの対応に基き、受信部によって受信された反射波のパルス幅から溶接部の溶込み深さを測定する。なお、反射波のパルス幅と溶接部の溶込み深さとの対応は予め導出しておく。
本項の態様において、送信部は、例えば、高エネルギ、ショートパルス発振のQスイッチNd：YAGレーザを送信用レーザビームとして用いる。送信用レーザビームは、レーザ光源から送信用光ファイバを介して送信用照射ヘッドに伝送されて、該送信用照射ヘッドから溶接部に向けて照射される。また、受信部は、例えば、連続発振又はロングパルス発振のNd：YAGレーザを受信用レーザビームとして用いる。受信用レーザビームは、レーザ光源から受信用光ファイバを介して受信用照射ヘッドに伝送されて、該受信用照射ヘッドから溶接部に向けて照射される。溶接部の表面での反射成分（反射波）を受信した受信用レーザビームは、同じ経路（受信用光ファイバ）を経由して光干渉計（ファブリ・ペロー干渉計）に入射されて、該光干渉計を透過して光検出器によって電気信号に変換される。そして、導出部は、光検出器によって変換された電気信号に基き溶接部の溶込み深さを導出する。

（７）測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して溶接部の内部に超音波を励起させる送信部と、溶接部に受信用レーザビームを照射して溶接部の底面で反射した超音波の反射波を受信する受信部と、受信部によって受信した超音波の反射波を解析して該反射波の減衰量に基き溶接部の溶込み深さを導出する導出部と、を具備することを特徴とする溶接部測定装置。
本項の態様では、溶接部はデントライト組織であるため、超音波は、溶接部における減衰が測定対象物の母材部分における減衰と比較して大きくなる。導出部は、この現象を利用して、受信部によって受信された反射波の減衰量から上記（第１式）〜（第２式）に基き、溶接部の溶込み深さを測定する。

（８）測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面から溶接部に向けてパルス発振の送信用レーザビームを照射して測定対象物の内部に超音波を励起させる送信部と、測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面に受信用レーザビームを照射して測定対象物の界面で反射した超音波の反射波を受信する受信部と、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを溶接部を横切るようにして走査させた時の、受信部によって受信した超音波の反射波の縦波に基き、溶接部の脚長を導出する導出部と、を具備することを特徴とする溶接部測定装置。
本項に記載の溶接部測定方法では、測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面、すなわち測定対象物の裏面に、送信部によってパルス発振の送信用レーザビームを照射して測定対象物の内部に超音波を励起させる。これにより、測定対象物の裏面には表面波が伝搬すると共に、測定対象物の内部には縦波と横波とが伝搬する。本項の態様では、測定対象物の界面で反射した反射波を受信部によって受信する。そして、縦波は、横波よりも伝搬速度が高く、さらに、測定対象物の母材部分の界面において散乱による減衰が小さいことから、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを溶接部を横切るようにして測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面、すなわち、測定対象物の裏面に走査させて、受信部によって受信された反射波の縦波が減衰していた走査量（距離）に基き、溶接部の脚長を測定する。

（９）導出部は、受信部によって受信した超音波の反射波の横波に基き、溶接部の溶込み深さを導出する（８）に記載の溶接部測定装置。
本項の態様では、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを溶接部を横切るようにして測定対象物の溶接部が形成された側と反対側の面、すなわち測定対象物の裏面に走査させて、受信部によって受信した反射波における横波（溶接部内部散乱波）に基き、導出部は、溶接部の溶込み深さを測定する。本項の態様では、反射における横波に基き測定対象物の母材部分と溶接部との界面を検出して、検出した界面に基き溶接部の溶込み深さを測定する。

（１０）導出部は、反射波の１０ＭＨｚ以上の周波数帯の波形を検出して、該検出波形に基き溶接部を測定する（６）〜（７）のいずれかに記載の溶接部測定装置。
受信部によって受信した反射波は周波数が広帯域（数百kHz〜数百MHz）である。そこで、本項の態様では、得られた検出波形のうち、減衰に差異が明確に表れる１０MHz以上の周波数帯に着目し、この検出波形の着目部分に基き溶接部を測定する。

非破壊、非接触での測定が可能で、且つ適用性が高い溶接部測定方法及び溶接部測定装置を提供することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に基いて説明する。図１に示されるように、第１実施形態の溶接部測定装置１は、測定対象物５の溶接部６における溶込み深さを測定すものであって、溶接部６に送信用レーザビームを照射して溶接部６に超音波を励起させる送信用レーザ２（送信部）と、溶接部６に受信用レーザビームを照射して溶接部６の底面６ａで反射した超音波のエコー（以下、反射波と称する）を受信する受信部３と、該受信部３によって受信された反射波のパルス幅H（図４参照）に基き溶接部６の溶込み深さを導出する導出部４と、によって構成される。送信用レーザ２は、高エネルギ、ショートパルス発振のQスイッチNd：YAGレーザ光源を備えて、該レーザ光源から発せられた送信用レーザビームは、送信用光ファイバ７を介して送信用照射ヘッド８に伝送されて、該送信用照射ヘッド８から溶接部６に向けて照射される。

受信部３は、連続発振のNd：YAGレーザ光源を備える受信用レーザ９を備える。該受信用レーザ９から発せられた受信用レーザビームは、受信用光ファイバ１０を介して受信用照射ヘッド１１に伝送されて、該受信用照射ヘッド１１から溶接部６に向けて照射される。また、受信部３は、溶接部６の表面で反射波（超音波の反射成分）を受信して同じ経路（受信用光ファイバ１０）を経由した受信用レーザビームが入射される光干渉計（ファブリ・ペロー干渉計）１２を備える。該光干渉計１２では、入射された受信用レーザビームの光周波数の変化（反射波を受信したことによる受信用レーザビームの位相の微小変化）が透過光強度の変化として出力される。導出部４は、光干渉計１２から出力された光強度信号を光検出器によって電気信号に変換して、該電気信号に基き検出波形（図２参照）を描出（検出）する波形検出部１３と、該波形検出部１３によって検出された検出波形を解析して該検出波形のパルス幅Hから溶接部６の溶込み深さを測定する測定部１４と、によって構成される。

測定部１４には、検出波形のパルス幅Hと溶接部の溶込み深さとの対応データ（図３参照）が記憶される。測定部１４は、波形検出部１３によって検出された検出波形（図２参照）の１０MHz以上の周波数帯部分を抽出し、抽出された検出波形（図４参照）のパルス幅Hを計測する。そして、測定部１４は、その計測結果を対応データ（図３参照）に照合して溶接部６の溶込み深さを測定する。なお、図１に示される符号１５、１６はそれぞれファイバカップリングであり、符号１７はビームスプリッタである。

次に、溶接部測定装置１を用いて溶接部６の溶込み深さを測定する場合の作用を説明する。図１に示されるように、送信用レーザ２（送信部）から発せられた送信用レーザビームは、送信用光ファイバ７を介して送信用照射ヘッド８に伝送されて、該送信用照射ヘッド８から溶接部６表面に照射される。これにより、溶接部６表面の照射点にアブレーションプラズマが生成され、該アブレーションプラズマが膨張する際の反力が歪源となって溶接部６に超音波が励起される。励起された超音波は、溶接部６を透過して該溶接部６の底面６ａで反射する。一方、受信用レーザ９から発せられた受信用レーザビームは、受信用光ファイバ１０を介して受信用照射ヘッド１１に伝送されて、該受信用照射ヘッド１１から溶接部６に向けて照射される。この受信用レーザビームによって、溶接部６の底面６ａで反射した超音波の反射波が受信される。

受信用レーザビームは、反射波が溶接部６表面に誘起させた振幅がナノメートルオーダの微振動によって位相が微小変化して、同じ経路（受信用光ファイバ１０）を経由して受信部３の光干渉計１２に入射される。光干渉計１２では、入射された受信用レーザビームの光周波数の変化（反射波を受信したことによる受信用レーザビームの位相の微小変化）が透過光強度の変化として出力される。出力された光強度信号は、波形検出部１３の光検出器によって電気信号に変換されて、波形検出部１３は、該電気信号に基き検出波形（図２参照）を描出（検出）する。測定部１４は、波形検出部１３によって検出された検出波形（図２参照）の１０MHz以上の周波数帯部分を抽出して、抽出した検出波形のパルス幅H（図４参照）を計測する。そして、測定部１４は、計測結果（パルス幅H）を対応データ（図３参照）に照合することにより溶接部６の溶込み深さを測定して、該測定結果を所定の出力装置（モニタ、プリンタ等）に出力する。

例えば、板厚Tが２mmの鋼板（母材）を重ねてアーク溶接（ＴＩＧ溶接）した場合に、波形検出部１３によって検出された検出波形が図２に示される波形である。測定部１４は、この検出波形から溶接部６の底面６ａで反射した反射成分（反射波）を抽出して、さらに、この反射成分（反射波）から１０MHz以上の周波数帯部分を抽出する。そして、抽出した検出波形（図４参照）のパルス幅Hを計測して、該計測結果（H＝３９ns）を図３に示す対応データに照合することにより溶接部６の溶込み深さを測定する。この場合、測定値はD＝１mmとなる。なお、当該溶接部測定装置１は、溶接部６の測定を複数回（例えば５０回）行い、各測定値の平均値を測定結果として出力する。

この実施形態では以下の効果を奏する。
第１実施形態の溶接部測定装置１によれば、送信用レーザビームを照射して溶接部６に超音波を励起させて、溶接部６の底面６ａで反射した反射波を溶接部６に照射した受信用レーザビームによって受信して、受信した反射波のパルス幅Hに基き溶接部６の溶込み深さが測定されるので、溶接部６の溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、従来技術では、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部６に接触させる際に水槽が必要であったが、第１実施形態の溶接部測定装置１では、この水槽を必要としないので、装置１を小型化することができる。さらに、送信用レーザビームを溶接部６に照射して超音波を励起させるので、従来技術のように超音波センサと溶接部とをジェル状のカプラント（液体媒質）を介して接触させることがなく、溶接部６が狭小であったり複雑な形状であっても適用が可能である。
また、第１実施形態の溶接部測定装置１では、反射波の減衰に明確な差異が表れる１０ＭＨｚ以上の周波数帯の波形を検出して、該検出波形のパルス幅Hと溶接部６の溶込み深さとの対応に基き、反射波のパルス幅Hから溶接部６の溶込み深さが導出されるので、溶接部６の溶込み深さを検出波形のパルス幅Hに対応させて、当該溶込み深さを可視化することができる。また、反射波の検出波形のパルス幅Hと溶接部６の溶込み深さとの対応は、少ないサンプル数でも高い精度で導出することが可能であり、溶接部６の溶込み深さを簡単に且つ高い精度で測定することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図１、図２、図４に基き説明する。なお、上述した第１実施形態の溶接部測定装置１と同一又は相当する構成要素には、同一の名称及び符号を付与すると共にその詳細な説明を省く。図１に示されるように、第２実施形態の溶接部測定装置２１は、測定対象物５の溶接部６における溶込み深さを測定すものであって、溶接部６に送信用レーザビームを照射して溶接部６に超音波を励起させる送信用レーザ２（送信部）と、溶接部６に受信用レーザビームを照射して溶接部６の底面６ａで反射した超音波の反射波を受信する受信部３と、該受信部３によって受信された反射波の減衰量Ａに基き溶接部６の溶込み深さを導出する導出部４と、によって構成される。導出部４は、光干渉計１２から出力された光強度信号を光検出器によって電気信号に変換して、該電気信号に基き検出波形（図２参照）を描出（検出）する波形検出部１３と、該波形検出部１３によって検出された検出波形を解析して該検出波形の減衰量Ａに基き溶接部６の溶込み深さを測定する測定部１４と、によって構成される。

測定部１４では、反射波の減衰量Ａから溶接部の溶込み深さを算出するための演算処理が実施される。反射波の減衰量Ａから溶接部の溶込み深さｐを求めるロジックは以下の通りである。
Ａ＝２α_ｇ（ｃ＋ｐ）＋２α_ｆ（ｔ−ｐ） （第１式）
ただし、
Ａ ：減衰量（db）
ｐ ：溶接部の溶込み深さ（図５参照）
ｃ ：母材の接合面（表面）を基準とした溶接部の頂部の高さ（図５参照）
ｔ ：母材の板厚（図５参照）
α_ｇ ：溶接部の減衰率
α_ｆ ：母材の減衰率
とする。
上記（第１式）を変形することで、以下の（第２式）が求められる。
ｐ＝（Ａ−２α_ｇｃ−２α_ｆｔ）／［２（α_ｇ−α_ｆ）］ （第２式）
ここで、α_ｇ ≫α_ｆであることから、（第２式）から近似的に以下の（第３式）が求められる。
ｐ＝（Ａ／２α_ｇ）−ｃ （第３式）
ここで、ｃは以下の（第４式）によって求められる。
T1＝２Ｖ_Ｌ（ｔ＋ｃ） （第４式）
ただし、
T1 ：第１反射波の伝搬時間
Ｖ_Ｌ ：縦波の伝搬速度（音速）
である。

次に、溶接部測定装置２１を用いて溶接部６の溶込み深さを測定する場合の作用を説明する。図１に示されるように、送信用照射ヘッド８から溶接部６表面に送信用レーザ２が照射されると、溶接部６に超音波が励起される。励起された超音波は、溶接部６を透過して該溶接部６の底面６ａで反射する。この反射波は、受信用照射ヘッド１１から溶接部６に向けて照射された受信用レーザビームによって受信される。さらに、この受信用レーザビームは、受信部３の光干渉計１２に入射される。光干渉計１２は、入射された受信用レーザビームの光周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。出力された光強度信号は、波形検出部１３の光検出器によって電気信号に変換されて、波形検出部１３は該電気信号に基き検出波形（図２参照）を描出（検出）する。測定部１４は、波形検出部１３によって検出された検出波形（図２参照）の１０MHz以上の周波数帯部分を抽出して、抽出した検出波形（図４参照）の減衰量Ａを計測する。測定部１４は、この計測結果（減衰量Ａ）から上述した（第１式）〜（第２式）に基き溶接部６の溶込み深さを算出して、該測定結果を所定の出力装置（モニタ、プリンタ等）に出力する。なお、第２実施形態の溶接部測定装置２１では、溶込み深さが１mm〜２mmである場合の溶接部６の測定精度は、±0.25mmであった。

この実施形態では以下の効果を奏する。
第２実施形態の溶接部測定装置２１によれば、送信用レーザビームを照射して溶接部６に超音波を励起させると共に、溶接部６の底面６ａで反射した反射波を溶接部６に照射した受信用レーザビームによって受信して、該受信した反射波の減衰量Ａに基き溶接部６の溶込み深さが測定されるので、溶接部６の溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、従来技術では、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部６に接触させる際に水槽が必要であったが、第２実施形態の溶接部測定装置２１では、この水槽を必要としないので、装置２１を小型化することができる。さらに、レーザビームを溶接部６に照射して超音波を励起させるので、従来技術のように超音波センサと溶接部とをジェル状のカプラント（液体媒質）を介して接触させることがなく、溶接部６が狭小であったり複雑な形状であっても適用が可能である。
なお、第２実施形態の溶接部測定装置２１では、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを、例えば、ロボットのティーチング機能を用いて溶接部６表面に沿って走査させて、この時のロボットの位置データと溶接部６の溶込み深さのプロットデータとに基き、当該溶接部のプロフィールを得ることもできる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図６及び図７に基き説明する。なお、上述した第１実施形態の溶接部測定装置１及び第２実施形態の溶接部測定装置２１と同一又は相当する構成要素には、同一の名称及び符号を付与すると共にその詳細な説明を省く。図７に示されるように、第３実施形態の溶接部測定装置３１は、測定対象物５の溶接部６が形成された側と反対側の面５ａ、すなわち、測定対象物５の裏面５ａに、送信用レーザ２によってパルス発振の送信用レーザビームを照射して測定対象物５の内部に超音波を励起させる。これにより、測定対象物５の裏面５ａには表面波が伝搬すると同時に、測定対象物５の内部には縦波と横波とが伝搬する。また、溶接部測定装置３１は、測定対象物５の界面５ｂで反射した反射波（縦波、横波、表面波）を受信部３によって受信する。そして、溶接部測定装置３１は、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを溶接部６を横切るようにして図７における上下方向へ測定対象物５の裏面５ａに走査させた時の、受信部３によって受信した反射波（縦波、横波、表面波）における縦波に基き、溶接部６の脚長が測定されると共に、当該反射波（縦波、横波、表面波）における横波に基き、溶接部６の溶込み深さが測定される構造になっている。

溶接部測定装置３１は、溶接部６（ビード）が水平に配置されるように測定対象物５を保持すると共に保持した測定対象物５を上下方向へ移動及び位置決めさせる保持部を備える。そして、溶接部測定装置３１は、保持部によって保持された測定対象物５の裏面５ａに送信用レーザビーム及び受信用レーザビームが照射されるように、送信用照射ヘッド８及び受信用照射ヘッド１１が配置される。導出部４は、光干渉計１２から出力された光強度信号を光検出器によって電気信号に変換した後、該電気信号を画像処理して反射波の縦波、横波、表面波の各画像（図６参照）を作像する画像処理部１３と、該画像処理部１３によって作像された画像を解析して、縦波の画像に基き溶接部６の脚長を測定すると共に横波の画像に基き溶接部６の溶込み深さを測定する測定部１４と、によって構成される。

次に、溶接部測定装置３１を用いて溶接部６の脚長及び溶込み深さを測定する場合の作用を説明する。送信用レーザビームと受信用レーザビームとを溶接部６を横切るようにして図７における上下方向へ測定対象物５の裏面５ａに走査させて、測定対象物５の裏面５ａに送信用レーザビームを照射して測定対象物５の内部に超音波を励起させると共に測定対象物５の界面５ｂで反射した反射波を受信部３によって受信する。この受信部３によって受信された反射波は、光検出器によって電気信号に変換された後、導出部４の画像処理部１３によって処理される。これにより、図６に示されるように、反射波（縦波、横波、表面波）の画像が作像されて測定部１４及び出力装置（モニタ等）に出力される。次に、測定部１４は、縦波は横波よりも伝搬速度が高く、さらに、測定対象物５の界面５ｂにて散乱による減衰が小さいことから、受信部３によって受信された反射波の縦波が減衰していた走査量（距離）に基き、溶接部６の脚長を測定する。例えば、図６に示されるように、保持部で保持された測定対象物５の下端部を基準（位置が0mm）として測定対象物５の界面５ｂで反射した縦波が得られなかった位置（Position）が3.3mmから8.8mmまでの間であった場合、溶接部６の脚長は5.5mmになる。

一方、測定部１４は、画像処理部１３によって作像された反射波（縦波、横波、表面波）における横波（溶接部内部散乱波）に基き測定対象物５（母材）と溶接部６との界面を検出して、該検出した界面に基き溶接部６の溶込み深さを測定する。

この実施形態では以下の効果を奏する。
第３実施形態の溶接部測定装置３１によれば、送信用レーザビームと受信用レーザビームとを溶接部６を横切るようにして測定対象物５の裏面５ａに走査させて、測定対象物５の裏面５ａに送信用レーザビームを照射して測定対象物５の内部に超音波を励起させると共に、測定対象物５の界面５ｂで反射した反射波を受信部３によって受信して、この受信した反射波における縦波に基き溶接部６の脚長を測定すると同時に、横波に基き溶接部６の溶込み深さを測定する。
したがって、第３実施形態の溶接部測定装置３１では、溶接部６の脚長及び溶込み深さを非破壊、非接触で測定することができる。また、従来技術では、圧電素子等の超音波センサを液体媒質を介して溶接部６に接触させる際に水槽が必要であったが、第３実施形態の溶接部測定装置３１では、この水槽を必要としないので、装置３１を小型化することができる。さらに、レーザビームを溶接部６に照射して超音波を励起させるので、従来技術のように超音波センサと溶接部とをジェル状のカプラント（液体媒質）を介して接触させることがなく、溶接部６が狭小であったり複雑な形状であっても適用が可能である。また、第３実施形態の溶接部測定装置３１では、測定対象物５の裏面５ａに送信用レーザビーム及び受信用レーザビームが照射されるので、レーザビームを溶接部６に直接照射することが難しい測定対象物５の脚長及び溶込み深さの測定にも対応することが可能である。

なお、実施形態は上記第１実施形態から第３実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
送信用レーザ２は、連続発振ではなくロングパルス発振のNd：YAGレーザを用いてもよい。
溶接部６の継手形状は、重ね継手でなくてもよく、突合せ継手、すみ肉継手等であってもよい。
測定対象物５は、鋼板でなくてもよく、検出波形のパルス幅Hと溶接部６の溶込み深さとの対応を明らかにすれば、例えばアルミ板等であってもよい。また、溶接部６の溶接方式もＴＩＧ溶接の他、ＭＩＧ溶接、シーム溶接、或いは抵抗溶接であってもよい。

第１実施形態及び第２実施形態の全体図である。 第１実施形態の検出波形の一例を示す図である。 第１実施形態における検出波形のパルス幅Hと溶接部の溶込み深さとの対応を示す図である。 図３における検出波形の周波数帯が１０ＭＨｚ以上の波形を拡大表示したものである。 第２実施形態における溶込み深さを算出する計算式の説明図である。 第３実施形態において導出部の画像処理部によって作像された反射波の出力画像を示す図である。 第３実施形態の全体図である。

符号の説明

１ 溶接部測定装置、２ 送信用レーザ（送信部）、３ 受信部、４ 導出部、５ 測定対象物、６ 溶接部、６ａ 溶接部底面

Claims (10)

1. 測定対象物の溶接部を測定する方法であって、
   前記溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して前記溶接部の内部に超音波を励起させて、前記溶接部の底面で反射した前記超音波の反射波を前記溶接部に照射した受信用レーザビームによって受信して、該受信用レーザビームによって受信された前記反射波に基き、前記溶接部の溶込み深さを測定することを特徴とする溶接部測定方法。
2. 前記受信用レーザビームによって受信された前記超音波の反射波のパルス幅に基き、前記溶接部の溶込み深さを測定することを特徴とする請求項１に記載の溶接部測定方法。
3. 前記受信用レーザビームによって受信された前記超音波の反射波の減衰量に基き、前記溶接部の溶込み深さを測定することを特徴とする請求項１に記載の溶接部測定方法。
4. 測定対象物の溶接部を測定する方法であって、
   前記測定対象物の前記溶接部が形成された側と反対側の面から前記測定対象物にパルス発振の送信用レーザビームを照射して前記測定対象物の内部に超音波を励起させて、前記測定対象物の界面で反射した反射波を前記測定対象物の前記溶接部が形成された側と反対側の面に照射した受信用レーザビームによって受信して、前記溶接部を横切るようにして前記測定対象物の前記溶接部が形成された側と反対側の面から前記送信用レーザビームと前記受信用レーザビームとを走査させた時の、前記受信用レーザビームによって受信された前記超音波の反射波の縦波に基き、前記溶接部の脚長を測定することを特徴とする溶接部測定方法。
5. 前記受信用レーザビームによって受信された前記反射波の横波に基き、前記溶接部の溶込み深さを測定することを特徴とする請求項４に記載の溶接部測定方法。
6. 測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、
   前記溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して前記溶接部の内部に超音波を励起させる送信部と、
   前記溶接部に受信用レーザビームを照射して前記溶接部の底面で反射した前記超音波の反射波を受信する受信部と、
   前記受信部によって受信した前記超音波の反射波を解析して該反射波のパルス幅に基き前記溶接部の溶込み深さを導出する導出部と、
   を具備することを特徴とする溶接部測定装置。
7. 測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、
   前記溶接部にパルス発振の送信用レーザビームを照射して前記溶接部の内部に超音波を励起させる送信部と、
   前記溶接部に受信用レーザビームを照射して前記溶接部の底面で反射した前記超音波の反射波を受信する受信部と、
   前記受信部によって受信した前記超音波の反射波を解析して該反射波の減衰量に基き前記溶接部の溶込み深さを導出する導出部と、
   を具備することを特徴とする溶接部測定装置。
8. 測定対象物の溶接部の形状を測定する装置であって、
   前記測定対象物の前記溶接部が形成された側と反対側の面から前記溶接部に向けてパルス発振の送信用レーザビームを照射して前記測定対象物の内部に超音波を励起させる送信部と、
   前記測定対象物の前記溶接部が形成された側と反対側の面に受信用レーザビームを照射して前記測定対象物の界面で反射した前記超音波の反射波を受信する受信部と、
   前記送信用レーザビームと前記受信用レーザビームとを前記溶接部を横切るようにして走査させた時の、前記受信部によって受信した前記超音波の反射波の縦波に基き、前記溶接部の脚長を導出する導出部と、
   を具備することを特徴とする溶接部測定装置。
9. 前記導出部は、前記受信部によって受信した前記超音波の反射波の横波に基き、前記溶接部の溶込み深さを導出することを特徴とする請求項８に記載の溶接部測定装置。
10. 前記導出部は、前記反射波の１０ＭＨｚ以上の周波数帯の波形を検出して、該検出波形に基き前記溶接部を測定することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の溶接部測定装置。

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