JP2008302428A - アーク溶接品質検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビート形状の計測誤差が小さく、しかも、レーザー変位計により照射されるレーザー光線の照射方向が母材表面に対して傾いていても高精度な溶接品質検査を可能とするアーク溶接品質検査方法を提供する。
【解決手段】本発明のアーク溶接品質検査方法は、表面形状を測定するための３次元変位計としての３次元レーザー変位計を用いて、２つの母材５ａ，５ｂが突き合わされ溶接接合されたビード８を含む部分の表面変位ｚを測定し、この変位ｚにより溶接品質を検査するものであって、３次元レーザー変位計により得られたビード８を含む部分の表面変位データに基づいて、溶接母材５ａ，５ｂの表面形状データと、ビード８の表面形状データとを取得して、母材５ａまたは母材５ｂの表面をビード８側に外挿した仮想面（仮想直線Ｌ）を特定して、この仮想面（仮想直線Ｌ）からビード８表面までの変位ｚに基づいて溶接品質検査の合否を判定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザー変位計により溶接ビードの断面形状を捉えて、この断面形状に基づいてアーク溶接の品質検査を行うアーク溶接品質検査方法に関する。

従来から、レーザー変位計により溶接ビードの断面形状を捉えて、この断面形状に基づいてアーク溶接の品質検査を行うアーク溶接品質検査方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１（ａ）において、符号１は品質検査装置のセンサー部、符号２は被溶接体としての母材、符号３は溶接によって母材２，２間に生じるビードである。

センサー部１には、スリット光を放射するレーザー光源と被検査体の像を撮像するＣＣＤカメラとが備えられている。

図１（ａ）に示すように、母材２の表面に対してスリット光の放射方向が略垂直になるようにし、センサー部１をビード３に略平行にかつ母材２と略一定の距離を保ってロボット（図示省略）により移動させ、スリット光のビード３による反射光をＣＣＤカメラによって受光して、ビード３の断面プロファイル（断面外形線）を測定する。

特許文献１のアーク溶接品質検査方法では、断面プロファイルのデータに基づいて断面プロファイルの屈曲点や断面プロファイルの凹状部の面積などを算出して、これらの屈曲点や面積などにより溶接品質の検査を行う。

図１（ｂ）に示すように、例えば、ビード３の上にピット３ａ（溶接欠陥として生じるビード上の穴）などが発生していると、断面プロファイルの凹状部の面積が所定値より大きくなり、これによりピット３ａが検出されて溶接品質が不良であると判断される。
特開平６−９４６４０号公報

ところで、従来例のアーク溶接品質検査方法では、図１（ａ）に示すように、屈曲点の位置や凹部の面積を正確に得るために、センサー部１の移動中、常にスリット光の照射方向を母材２に対して可能な限り垂直に保つ必要がある。

仮に、スリット光の照射方向を母材２に対して垂直に保って移動させないと、測定される断面プロファイルの形状に歪みが生じてしまう可能性があった。

また、同様に、センサー部１と母材２との距離を正確に一定に保って移動させないと、定される断面プロファイルの形状に歪みが生じてしまう可能性があった。

従来例のアーク溶接品質検査方法では、ロボットアーム等によってセンサー部１を直線移動させるので、ロボットアームの加速・減速やセンサー部１の姿勢などにより、得られるビード形状に誤差が生じるおそれがあった。

例えば、図１（ｂ）に示すように、センサー部１をロボットアーム等によって、高速に移動させた場合、始端・終端では、それぞれ加速・減速が行われるために、図１（ｃ）に示すように、取得されるピット３ａの像３ａ’の形状が間延びした形となり、定速状態で走行している部分に比べて歪みが生じる。

特に、裏波の検査を行う場合には、裏波の幅は表ビードの幅に比べて一般に細いので、この細い裏波にセンサー部１を正確に平行に移動させるのは困難であり、従来例のアーク溶接品質検査方法では、十分な検査精度を得るのが困難であった。

ところで、アーク溶接では、溶接の入熱により母材中の亜鉛の温度が沸点（約９００℃）を超えるので、亜鉛が気化されて、周囲に存在する空気中の酸素と結合し、酸化亜鉛粉として母材およびビードに付着し堆積する。

アーク溶接においては、図２（ａ）に示すように、溶接トーチ４からＣＯ_２ガスが放出されているので、溶接の表側では、このＣＯ_２ガスにより周辺空気が遮断されており、ビード３の表側には酸化亜鉛粉が堆積しにくくなっているが、ビード３の裏側には、溶接トーチ４からのＣＯ_２ガスが届かないために、図２（ｂ）に示すように発生した酸化亜鉛粉が母材２，２および裏波（裏ビード）の表面に付着する。

裏波の表面形状により溶接品質を検査する場合には、裏波の表面に付着した酸化亜鉛粉を人手で除去するなど、なんらかの手間が必要になり、しかも、母材の溶接部の裏側形状が入り組んでいる場合には、酸化亜鉛粉の除去自体が非常に困難な場合もある。

このように、母材２に酸化亜鉛粉が付着・堆積した状態で母材２から裏波表面までの変位を検査しようとすると、酸化亜鉛粉の分だけ表面変位が増加した状態で計測することになるので、図２（ｃ）に示すように、裏波上面に堆積した酸化亜鉛粉により精密な断面プロファイルが得られないという問題があった。

そこで、本発明では、ビート形状の計測誤差が小さく、しかも、レーザー変位計により照射されるレーザー光線の照射方向が母材表面に対して傾いていても高精度な溶接品質検査を可能とするアーク溶接品質検査方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために請求項１に記載された発明は、表面形状を測定するための３次元変位計を用いて、２つの溶接母材が突き合わされ溶接接合された溶接部を含む部分の表面変位を測定し、この表面変位により溶接品質を検査する溶接品質検査方法であって、 ３次元変位計により得られた溶接部を含む部分の表面変位データに基づいて、少なくとも一方の溶接母材の表面形状データと溶接部の表面形状データとを取得して、少なくとも一方の溶接母材の表面を溶接部側に外挿した仮想面を特定して、この仮想面から溶接部表面までの変位を取得して、
取得された変位に基づいて溶接品質検査の合否を判定するアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

そして、請求項２に記載された発明は、表面形状を測定するための３次元変位計を用いて、２つの溶接母材が突き合わされ溶接接合された溶接部を含む部分の表面変位を測定し、この表面変位により溶接品質を検査する溶接品質検査方法であって、
３次元変位計で捉えた溶接部の裏波形状の３次元変位データに基づいて溶接部の延びる方向に垂直な断面に関する一定ピッチの断面外形線のデータを生成し、
断面外形線のデータに基づいて断面外形線の直線部分を抽出し、
抽出された直線を裏波部分まで外挿することによって得られた仮想直線から溶接部表面上の任意の点までの変位を取得して、
取得された変位に基づいて溶接品質を判定するアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

また、請求項３に記載された発明は、各断面外形線のデータに基づいて、一方の母材の裏側表面に対応する第１の仮想線と、他方の母材の裏側表面に対応する第２の仮想線とを抽出し、抽出された２つの仮想線を溶接部まで外挿し、第１の仮想線と第２の仮想線との交点を特定して、この交点から溶接部表面上の任意の点までの変位によって溶接品質を判定する請求項２に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

さらに、請求項４に記載された発明は、母材が湾曲している場合に、その母材断面の曲率などのデータを予め設定しておく請求項３に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

そして、請求項５に記載された発明は、母材が湾曲している場合に、その母材断面の曲率などのデータを３次元変位データにより測定した点群データから特定する請求項３に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

また、請求項６に記載された発明は、各断面外形線毎に溶接部裏側部の重心点を抽出し、それらの重心点を溶接部の延びる方向に結んで得られる重心線と、第１の仮想線と第２の仮想線との交点を結んだ仮想交線とを求め、各断面外形線毎の重心線と仮想交線との距離によって溶接部裏側部の蛇行を検査して溶接品質を判定する請求項３ないし請求項５のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

さらに、請求項７に記載された発明は、３次元変位データから前記合否判定の基準となる溶接部と母材との境界点を検索するために、該検索の検索方向を溶接部から外側に向かって検索する請求項１ないし請求項６のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

そして、請求項８に記載された発明は、３次元変位計の投射角度を母材表面に垂直な方向から傾けて投射する請求項１ないし請求項６のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

また、請求項９に記載された発明は、前記溶接部は、２つの母材が突き合わされた被溶接部の裏面側をバックシールド治具によって覆い、２つの母材とバックシールド治具とによって囲われかつシールドされた空間にＣＯ_２ガスを放出した状態で、溶接トーチにより溶接接合されている請求項１ないし請求項８のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法を特徴としている。

このように構成された本発明の請求項１または請求項２に記載されたものは、３次元変位計としての３次元レーザー変位計により照射されるレーザー光線の照射方向が、被検査対象としての母材表面に対して垂直方向から傾いていても、傾いた状態で捉えた３次元変位データに基づいて仮想直線や、この仮想直線から溶接部表面までの相対的な変位を捉えて溶接状態を判定しているので、レーザー光線の照射方向が母材表面に垂直方向でなくても高精度な溶接品質検査が可能となる。

また、これにより、広い照射角のレーザー光線によっても高精度な溶接品質検査が可能となるので、一度に広範囲の溶接部を検査することができる。

さらに、一度に広範囲の溶接部を検査することが可能となるので、３次元変位計を移動させながら計測する必要がないので、定位置で安定した測定が可能となり、細い溶接部の画像からでも正確に溶接品質を検査することができる。

そして、請求項３に記載されたものは、第１の仮想線と第２の仮想線との交点から溶接部端部までの距離（いわゆる隅肉サイズ）や、交点から溶接部表面上の任意の点までの変位によって溶接品質を判定することにより、一層正確な溶接品質の検査が可能になる。

また、請求項４に記載されたものは、母材が湾曲している場合でも、その曲率などのデータを予め設定することにより、湾曲形状の母材の仮想線を特定でき、これにより仮想線の交点も特定可能となり、第１の仮想線と第２の仮想線との交点から溶接部端部までの距離（隅肉サイズ）や、交点から溶接部表面上の任意の点までの変位によって溶接品質を判定することにより、一層正確な溶接品質が可能になる。

さらに、請求項５に記載されたものは、母材が湾曲している場合に、その母材断面の曲率などのデータを３次元変位データにより測定した点群データから特定するので、検査対象となる母材の曲率が未知であっても高精度の検査が可能となる。

そして、請求項６に記載されたものは、重心曲線と仮想交線とは等距離を保つことが理想的であるので、重心曲線の仮想交線からの変位に基づいて溶接部裏側部の蛇行状態を検査することにより、溶接部裏側部の蛇行状態を正確に検査できる。

また、請求項７に記載されたものは、３次元変位データから合否判定の基準となる溶接部と母材との境界点を検索するために、該検索の検索方向を溶接部から外側に向かって検索するので、溶接部より外側にスパッタがある場合でも、スパッタと母材との境界点を溶接部と母材との境界点と誤認識することがなくなり、一層精度の高い検査が可能になる。

さらに、請求項８に記載されたものは、溶接部の延びる方向に湾曲した母材であっても、母材の曲げ部分を見込む位置からセンサー部によって測定することによって、比較的少ない回数の測定で溶接品質合否を判定することができる。

そして、請求項９に記載されたものは、アーク溶接によって生じる酸化亜鉛粉の付着・堆積を防ぐことができ、酸化亜鉛粉を人手で除去するなどの手間が必要なくなり、しかも、正確な溶接品質検査を行うことができる。

以下、本発明に係る実施の形態を実施例に基づいて説明する。

〈構成・方法〉
図３（ａ）〜図３（ｃ）において、符号５ａ，５ｂは被溶接体としての母材、符号６はバックシールド装置、符号７は溶接トーチ、符号８は溶接によって母材５ａ，５ｂ間に生じるビード（溶接部）、符号９は品質検査装置のセンサー部である。

本実施例のアーク溶接品質検査方法では、母材（亜鉛メッキ鋼板）５ａ，５ｂの溶接を予めバックシールド法により行う。

図３（ａ）に示すように、母材５ａ，５ｂの接合側端部を突き合わせて、突き合わされた被溶接部の裏面側をバックシールド装置６のシールド部６ａによって覆い、母材５ａ，５ｂとバックシールド装置６とによって囲われかつシールドされた空間にＣＯ_２ガスを放出した状態で、溶接トーチ７により被溶接部を溶接する。

このように、溶接中に母材５ａ，５ｂの裏側をバックシールド装置６のシールド部６ａで覆って、ＣＯ_２ガス雰囲気にすることによって、シールド空間内を減酸素状態にして、母材５ａ，５ｂに含まれる亜鉛が酸化するのを防ぎ、酸化亜鉛の形成を抑制するので、結果として、図３（ｂ）に示すように、裏波（溶接部裏側の表面）上への酸化亜鉛粉の付着・堆積が防止される。

このとき、裏波周辺にだけシールドガスの雰囲気をつくればよいので、溶接中のＣＯ_２の供給流量は、溶接線４００ｍｍ当たり５〔リットル／分〕程度の流量があれば十分である。

バックシールド装置６によって覆われたシールド空間にはＣＯ_２が充填され、ＣＯ_２によって正圧になっているので、バックシールド装置６が母材５ａ，５ｂに完全に密着していなくても空気中の酸素はほとんど混入しない。

母材形状が複雑な場合には、シールド部６ａと母材５ａ，５ｂとの密着が不十分となり得るが、ＣＯ_２ガスの流量を増加させることによって、シールド空間の気圧を高めて、空気中の酸素の混入を抑制することが可能である。

そして、溶接が完了した後に溶接部を検査する。

本実施例のアーク溶接品質検査方法では、母材５ａ，５ｂの溶接がバックシールド法により行われるので、酸化亜鉛粉の裏波（裏ビード）表面上への付着・堆積が防止され、図３（ｃ）に示すように、酸化亜鉛粉が堆積していない清浄な裏波が形成された状態で、３次元レーザー変位計を用いて裏波の断面プロファイル（断面外形線）が測定される。

裏波（裏ビード）の幅は表ビードの幅に比べて一般に細いために、裏波の検査では、従来例のように、２次元レーザー変位計のセンサー部を移動して裏波をトレースするよりも、センサー部を固定して測定ができる３次元レーザー変位計の方が精度面で有利である。

そこで、本実施例のアーク溶接品質検査方法では、センサー部を移動する必要がなく、細い裏波を捉えることができる３次元レーザー変位計を用いる。

裏波形状による溶接品質の判定は、まず、３次元レーザー変位計によってビード周辺の母材も含め溶接線の全長にわたってビードの外観形状を計測することにより、図４に示すような３次元レーザー変位計で捉えた３次元変位データとしての点群データを得る。

点群データとは、３次元レーザー変位計の分解能に相当する一定のピッチを持つ３次元空間上の変位を示す点の集合体のデータである。

そして、この点群データに基づいて、溶接線方向（ビードの伸びる方向）に垂直な断面に関する一定ピッチの断面プロファイル（断面輪郭線あるいは断面外形線）のデータを生成し、各断面プロファイルの形状から判定する。

このような断面プロファイルのデータは、３次元変位データに基づいて３次元レーザー変位計と接続されたコンピューターのプログラムなどによって生成される。

なお、後述されるデータの処理などは、このコンピューターによって行われる。

本実施例では、図５（ａ）に示すように、母材５ａ，５ｂ同士が面一に突き合わされて溶接接合された検査対象を使用する。

図５（ａ），図５（ｂ），図６（ａ），図６（ｂ）において、符号Ｅ１，Ｅ２は、ビード８と母材５ａ，５ｂとのそれぞれの境界点であり、符号Ｌは境界点Ｅ１，Ｅ２を結んだ仮想直線を示している。

仮想直線Ｌは、断面プロファイルのデータに基づいて断面プロファイルの直線部分を抽出し、この抽出された直線を裏波部分まで外挿（延長）することによって得られる。

ここで、図５（ａ），図５（ｂ），図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、ビード８の
裏側表面上の任意の点をＰとし、この点Ｐの仮想直線Ｌからの変位をｚとする。ただし、変位ｚは溶接部裏側（センサー部９側）を正とする。

そして、例えば、図５（ａ），図５（ｂ）に示すように、点Ｐの変位ｚが０≦ｚ≦ｈ（ｈは許容されるｚの上限値）を満たしていれば溶接状態は良好と判断し、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、点Ｐの変位ｚが負となれば溶接状態は不良と判断する。ただし、ｈの値は溶接対象によって異なる。

このように、本実施例の溶接品質検査方法では、表面形状を測定するための３次元変位計としての３次元レーザー変位計を用いて、２つの溶接母材が突き合わされ溶接接合された溶接部を含む部分の表面変位を測定し、この表面変位により溶接品質を検査する溶接品質検査方法であって、
３次元変位計により得られた溶接部を含む部分の表面変位データに基づいて、少なくとも一方の溶接母材の表面形状データと溶接部の表面形状データとを取得して、少なくとも一方の溶接母材の表面を溶接部側に外挿した仮想面を特定して、この仮想面から溶接部表面までの変位を取得して、取得された変位に基づいて溶接品質検査の合否を判定する。

〈作用効果〉
３次元変位計としての３次元レーザー変位計により照射されるレーザー光線の照射方向が、被検査対象としての母材表面に対して垂直方向から傾いていても、傾いた状態で捉えた３次元変位データに基づいて仮想直線や、この仮想直線から溶接部表面までの相対的な変位を捉えて溶接状態を判定しているので、レーザー光線の照射方向が母材表面に垂直方向でなくても高精度な溶接品質検査が可能となる。

また、これにより、広い照射角のレーザー光線によっても高精度な溶接品質検査が可能となるので、一度に広範囲の溶接部を検査することができる。

さらに、一度に広範囲の溶接部を検査することが可能となるので、３次元レーザー変位計を移動させながら計測する必要がないので、定位置で安定した測定が可能となり、細い溶接部の画像からでも正確に溶接品質を検査することができる。

さらに、仮想直線Ｌから溶接部表面上の任意の点Ｐまでの変位ｚによって溶接品質を判定することにより、一層正確な溶接品質の検査が可能になる。

しかも、アーク溶接によって生じる酸化亜鉛粉の付着・堆積を防ぐことができ、酸化亜鉛粉を人手で除去するなどの手間が必要なくなり、しかも正確な溶接品質検査を行うことができる。

以下、実施例２について、実施例１とは異なる部分を中心に説明し、実施例１と同一ないし均等な部分については説明を省略する。なお、図面の符号については、実施例１と同一ないし均等な部分には同一の符号を付すものとする。

〈構成・方法〉
本実施例では、図７（ａ）に示すように、母材５ａ，５ｂのそれぞれの端縁が垂直に突き合わされて溶接接合された検査対象を使用する。

図７（ａ），図７（ｂ），図８（ａ），図８（ｂ）において、符号Ｅ１，Ｅ２はビード８と母材５ａ，５ｂとのそれぞれの境界点であり、各断面プロファイルのデータに基づいて、これらの境界点Ｅ１，Ｅ２を抽出し、母材５ａの裏側表面に対応する仮想直線Ｌ１と、母材５ｂの裏側表面に対応する仮想直線Ｌ２とを抽出し、抽出された直線を裏波部分まで外挿（延長）し、仮想直線Ｌ１と仮想直線Ｌ２との交点Ｃを特定して、仮想直線Ｌ１，Ｌ２よりセンサー部９側にある部分を裏波と特定する。

ここで、図７（ａ），図７（ｂ），図８（ａ），図８（ｂ）に示すように、ビード８の裏側表面上の任意の点をＰとし、この点Ｐの仮想交点Ｃからの変位を（ｘ，ｙ）とする。ただし、変位ｘ，ｙは、仮想直線Ｌ１，Ｌ２よりセンサー部９側を正とする。

そして、例えば、図７（ａ），図７（ｂ）に示すように、点Ｐの変位（ｘ，ｙ）について、０≦ｘ≦Ｘ，０≦ｙ≦Ｙ（Ｘ，Ｙは許容されるｘ，ｙの上限値）を満たしていれば溶接状態は良好と判断し、図８（ａ），図８（ｂ）に示すように、点Ｐの変位（ｘ，ｙ）について、ｘ，ｙのうちいずれかが負値となる場合には溶接状態は不良と判断する。ただし、Ｘ，Ｙの値は溶接対象によって異なる。

〈作用効果〉
仮想直線Ｌ１と仮想直線Ｌ２との交点Ｃから境界点Ｅ１，Ｅ２までの距離（いわゆる隅肉サイズ）や、交点Ｃから溶接部表面上の任意の点Ｐまでの変位（ｘ，ｙ）によって溶接品質を判定することにより、一層正確な溶接品質の検査が可能になる。

以下、実施例３について、実施例１または実施例２とは異なる部分を中心に説明し、実施例１または実施例２と同一ないし均等な部分については説明を省略する。なお、図面の符号については、実施例１または実施例２と同一ないし均等な部分は同一の符号を付すものとする。

〈構成・方法〉
本実施例では、図９（ａ）に示すように、母材５ａの湾曲部と母材５ｂの端縁とが突き合わされて溶接接合された検査対象を使用する。なお、母材５ａの湾曲部断面の曲率Ｒなどのデータは、予め上述のコンピューターに設定しておくものとする。

図９（ａ），図９（ｂ），図１０（ａ），図１０（ｂ）において、符号Ｅ１，Ｅ２はビード８と母材５ａ，５ｂとのそれぞれの境界点であり、各断面プロファイルの一定曲率Ｒの曲線部分のデータと直線部分のデータとに基づいて、これらの境界点Ｅ１，Ｅ２を抽出し、母材５ａの裏側表面に対応する仮想曲線Ｌ１と、母材５ｂの裏側表面に対応する仮想直線Ｌ２とを抽出し、仮想曲線Ｌ１と仮想直線Ｌ２との交点Ｃを特定して、仮想曲線Ｌ１，仮想直線Ｌ２よりセンサー部９側にある部分を裏波と特定する。

図９（ａ），図９（ｂ）に示すように、母材５ａの断面が湾曲形状の場合には、演算を行う上での基礎データとなる、その断面の曲率半径Ｒを予め設定しておくことによって、設計上特定可能なＲ部の始点位置と曲率中心とから母材の仮想曲線が特定でき、母材が平坦な場合と同様に、仮想交点Ｃからの裏波の大きさが計算できる。

ここで、図９（ａ），図９（ｂ），図１０（ａ），図１０（ｂ）に示すように、ビード８の裏側表面上の任意の点をＰとし、この点Ｐの仮想交点Ｃからの変位を（ｘ，ｙ）とする。ただし、変位ｘ，ｙは、仮想曲線Ｌ１，仮想直線Ｌ２よりセンサー部９側の変位を正とする。

そして、例えば、図９（ａ），図９（ｂ）に示すように、点Ｐの変位（ｘ，ｙ）について、０≦ｘ≦Ｘ，０≦ｙ≦Ｙ（Ｘ，Ｙは許容されるｘ，ｙの上限値）を満たしていれば溶接状態は良好と判断し、図１０（ａ），図１０（ｂ）に示すように、点Ｐの変位（ｘ，ｙ）について、ｘ，ｙのうちいずれかが負値となる場合には溶接状態は不良と判断する。ただし、Ｘ，Ｙの値は溶接対象によって異なる。

〈作用効果〉
母材が湾曲している場合でも、その曲率Ｒなどのデータを予め設定することにより、湾曲形状の母材の仮想曲線Ｌ１を特定でき、これにより仮想曲線Ｌ１と仮想直線Ｌ２との交点Ｃも特定可能となり、交点Ｃから境界点Ｅ１，Ｅ２までの距離（隅肉サイズ）や、交点Ｃから溶接部表面上の任意Ｐの点までの変位（ｘ，ｙ）によって溶接品質を判定することにより、一層正確な溶接品質が可能になる。

以下、実施例４について、実施例１ないし実施例３とは異なる部分を中心に説明し、実施例１ないし実施例３と同一ないし均等な部分については説明を省略する。なお、図面の符号については、実施例１ないし実施例３と同一ないし均等な部分は同一の符号を付すものとする。

〈構成・方法〉
本実施例では、図１１（ａ）に示すように、母材５ａ，５ｂのそれぞれの端縁が垂直に突き合わされて溶接接合された検査対象を使用する。

図１１（ａ），図１１（ｂ），図１１（ｃ）において、符号Ｌ１は母材５ａの裏側表面に対応する仮想直線、符号Ｌ２は母材５ｂの裏側表面に対応する仮想直線、符号Ｃは仮想直線Ｌ１と仮想直線Ｌ２との交点Ｃであり、符号Ｇは各断面プロファイルにおける抽出されたビード部分の重心点である。

裏波の蛇行を検査するには、裏波の各断面プロファイル毎に裏ビードの重心点Ｇを抽出し、図１１（ａ）に示すように、例えば、それらの重心点Ｇを溶接線方向に結んだ重心曲線ＬＧと、仮想直線Ｌ１と仮想直線Ｌ２と交点Ｃを結んだ仮想交線ＬＣとを求め、各断面プロファイル毎の重心曲線ＬＧと仮想交線ＬＣの距離をｂとし、ｂが溶接品質基準０≦ｂ≦Ｂ（Ｂは許容されるｂの上限値）に適合しているかどうかによって品質の合否を判断する。ただし、Ｂの値は溶接対象によって異なる。

〈作用効果〉
重心曲線ＬＧと仮想交線ＬＣとは等距離を保つことが理想的であるので、各断面プロファイル毎の重心曲線ＬＧの仮想交線ＬＣからの変位ｂに基づいて溶接部裏側部の蛇行状態を検査することにより、溶接部裏側部の蛇行状態を正確に検査できる。

以下、実施例５について、実施例１ないし実施例４とは異なる部分を中心に説明し、実施例１ないし実施例４と同一ないし均等な部分については説明を省略する。なお、図面の符号については、実施例１ないし実施例４と同一ないし均等な部分は同一の符号を付すものとする。

上述した実施例１〜実施例４では、仮想直線および仮想曲線の決定方法、ビードと母材との境界点の決定方法については、具体的には述べていない。

以下、これらの方法について具体的に述べる。

〈構成・方法〉
〈基準平面の決定方法〉
図１２は、突き合わされた母材５ａ，５ｂの被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビードの裏波部と、その両側の母材５ａ，５ｂとを示した図である。

図面中では、溶接線に沿う方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直かつ母材５ａの検査される表面に沿う方向をＹ軸方向、母材５ａの検査される表面に垂直な方向（法線方向）かつ裏波側の向きをＺ軸方向としている。

図１２に示すように、母材５ａ，５ｂの各表面部分Ｒａ，Ｒｂに対応する点群データのデータ空間内に適当な仮の参照平面Ｐａ，Ｐｂをそれぞれ設定する。

ここで点群とは、３次元レーザー変位計によって測定される検査対象の表面に対応する点の集合であり、本発明のアーク溶接品質検査方法では、上述のコンピューターによって、これらの多数の点に対応する座標（あるいは基準点からの変位）のデータとして扱われる。

また、点群データのデータ空間とは、３次元レーザー変位計によって測定される多数の点に対応する座標（あるいは基準点からの変位）のデータによって構成される数学的な意味での抽象的な空間を示している。

図１３は、図１２のＡ−Ａ断面における母材５ａの表面Ｒａおよび、その近傍に仮定された参照平面Ｐａ、この参照平面Ｐａ近傍の点群Ｐ１〜Ｐ３，Ｐｅ，Ｐ４，…の一例を示した概念図である。

なお、図１３（ａ）に示すように、これらの点群Ｐ１〜Ｐ３，Ｐｅ，Ｐ４，…の参照平面Ｐａからの変位（参照平面Ｐａを基準とした法線方向の変位）をそれぞれｚ１〜ｚ３，ｚｅ，ｚ４，…としている。

本発明のアーク溶接品質検査方法では、点群Ｐ１〜Ｐ３，Ｐｅ，Ｐ４，…に対応する変位ｚ１〜ｚ３，ｚｅ，ｚ４，…の何れかが、予め設定された規定値以上となっている場合には、その点のデータを除外するようになっている。

図１３（ａ）中では、点Ｐｅが、そのような点であるとし、点Ｐｅのデータをエラーデータとして除外する。

そして、図１３（ｂ）に示すように、点Ｐｅ以外の各点群Ｐ１〜Ｐ３，Ｐ４，…について、参照平面Ｐａからの変位ｚ１〜ｚ３，ｚ４，…の平均値を求め、この平均値が０となるような参照平面Ｐａを決定する。

この決定された参照平面Ｐａを基準平面Ａとする。また、参照平面Ｐｂについても同様にして対応する基準平面Ｂを決定する。

なお、図１２における符号Ｌは、基準平面Ａ，Ｂに含まれかつＸ軸に垂直な仮想直線である。

〈基準曲面の決定方法〉
図１４（ａ）は、直角に湾曲した母材５ａと、母材５ａの角部に溶接された母材５ｂとの被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビードの裏波部と、その両側の母材５ａ，５ｂとを示した図である。

図面中では、溶接線に沿う方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直かつ母材５ａの検査される表面に沿う方向をＹ軸方向、母材５ａの検査される表面に垂直な方向（法線方向）かつ裏波側の向きをＺ軸方向としている。

図１４（ａ）に示すように、まず、上述した基準平面の決定方法によって、一対の母材５ａ，５ｂの表面に対応する各基準平面Ａ，Ｂを決定する。

次に、図１４（ｂ）に示すように、決定された一組の基準平面Ａ，Ｂのデータに基づいて、これらの交線ＣＬを求める。

なお、図１４における符号Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ基準平面Ａ，Ｂに含まれかつＸ軸に垂直な仮想直線であり、仮想直線Ｌ１，Ｌ２の交点を点Ｃとしている。

図１５は、図１４（ａ）のＢ−Ｂ断面の断面図である。

図１５に示すように、本発明のアーク溶接品質検査方法では、一定曲率Ｒを有する母材５ａの表面Ｒａ上の点群について、基準平面Ａ側から交線ＣＬ側に向かって（Ｙ軸方向の正の向きに向かって）、母材５ａの湾曲面上の点群Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，…と基準平面Ａとの各変位ｚ１，ｚ２，ｚ３，…をＹ方向に変位Δｙ移動しながら順次取得する。

通常、本実施例のようなＲ鋼材と平鋼材との溶接部の裏波部では、図１５に示すように、仮想直線Ｌ１（基準平面Ａ）からの変位ｚは負値となり、交点Ｃ（交線ＣＬ）に近づくにしたがい、次第にその絶対値が増大する。

ここで、Ｚ方向の変位ｚについて、基準値Δｚ（＞０）を設定する。

データ空間中の点群Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，…の各変位をＹ方向に１ステップずつ（変位Δｙ毎に）検索して変位ｚ１，ｚ２，ｚ３，…を取得し、変位ｚの絶対値｜ｚ｜が｜ｚ｜＜Δｚであれば、その近傍の母材５ａ表面は平坦面であると判定し、｜ｚ｜≧Δｚであれば湾曲面であると判定する。

図１５中では、点Ｐ１と点Ｐ２との間は平坦面であると判定され、点Ｐ３は湾曲面上にあると判定される。

そして、Ｙ方向の１ステップの移動量Δｙと点Ｐ３の変位ｚ３の値などから、これらの点を通過する仮想円筒面Ｓａが決定される。

図１６は、図１５のＥ部分の拡大図である。

仮想円筒面Ｓａの決定方法は、具体的には、図１６に示すように、点Ｐ３のｚ方向の変位ｚ３が−Δｚと一致するか否かを判定し、ｚ３＝−Δｚならば点Ｐ２でＬ１に接しかつ点Ｐ３（Δｙ，−Δｚ）を通過する曲率半径Ｒ１の仮想円筒面Ｒ１を選択し、ｚ３≠−Δｚならば、今度は、変位ｚ３が−２Δｚと一致するか否かを判定し、ｚ３＝−２Δｚならば点Ｐ２でＬ１に接しかつ点Ｐ３（Δｙ，−２Δｚ）を通過する曲率半径Ｒ２の仮想円筒面Ｒ２を選択する。このような判定を繰り返し、点Ｐ３を通過する仮想円筒面を検索する。

図１６中では、ｚ３＝−３Δｚであるので、点Ｐ２でＬ１に接しかつ点Ｐ３（Δｙ，−３Δｚ）を通過する曲率半径Ｒ３の仮想円筒面Ｒ３を選択し、この仮想円筒面を仮想円筒面Ｓａとする。

ただし、上述の点Ｐ３の括弧による表示は、点Ｐ２を基準としたＹ方向およびＺ方向の変位を示している。

実施例３などでは、母材５ａが湾曲しているときには、この仮想円筒面Ｓａを基準曲面とする。

なお、本発明のアーク溶接品質検査方法では、基準値Δｚを３次元レーザー変位計のＺ方向の分解能（最小の測定限界値）δに設定する。

母材５ａの平坦部の変位ｚを計測する際に、変位ｚは分解能δ程度の統計誤差をもって測定されるので、基準値Δｚを分解能δに設定すると、変位ｚがｚ＜δ（分解能）となる点は平坦部上の点と認識でき、一方、変位ｚがｚ≧δ（分解能）となる場合は、平坦部の単なる統計誤差による変位ではないものと判定できるからである。

このように、本発明のアーク溶接品質検査方法では、分解能δを、点群の測定変位ｚから統計誤差を除外するための閾値としている。

〈作用効果〉
本発明のアーク溶接品質検査方法では、母材５ａが湾曲している場合に、その母材５ａ断面の曲率Ｒなどのデータを３次元変位データにより測定した点群データから特定するので、検査対象となる母材５ａの曲率が未知であっても高精度の検査が可能となる。

以下、実施例６について、実施例１ないし実施例５とは異なる部分を中心に説明し、実施例１ないし実施例５と同一ないし均等な部分については説明を省略する。なお、図面の符号については、実施例１ないし実施例５と同一ないし均等な部分は同一の符号を付すものとする。

図１７（ａ）は、互いに垂直に突き合わされた母材５ａ，５ｂの端縁同士の被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビード８の裏波部と、その両側の母材５ａ，５ｂとを示した図である。また、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＦ部分の拡大図である。

図１８（ａ）は、互いに垂直に突き合わされた母材５ａ，５ｂの端縁同士の被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビード８の裏波部と、その両側の母材５ａ，５ｂとを示した図である。また、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のＧ部分の拡大図である。

ただし、図１８に示す被溶接部裏側には、ビード８の近傍に溶接時のスパッタＳが形成されている。

図１７（ａ）に示すように、まず、上述した基準平面の決定方法によって、一対の母材５ａ，５ｂの表面に対応する各基準平面Ａ，Ｂを決定する。

ビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１を検索するのに、母材５ａの表面からビード８の表面に至る点群を、仮に基準平面Ａ側から交線ＣＬ側に向かって（Ｙ軸方向の正の向きに向かって）検索するならば、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の変位ｙは０であり、Ｐ４の変位が正値となるので、Ｐ３をビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１に設定することができる。

しかしながら、図１８（ａ）に示すように、ビード８の近傍にスパッタＳが形成されている場合には、ビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１を検索するのに、母材５ａの表面からビード８の表面に至る点群を、基準平面Ａ側から交線ＣＬ側に向かって（Ｙ軸方向の正の向きに向かって）検索すると、スパッタＳの表面上の点Ｐ４で、最初に変位ｙが０から正値になるので、スパッタＳと母材５ａとの境界点Ｐ３がビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１と誤認識される問題が生じる。

〈構成・方法〉
〈ビードと母材との境界点の検索方法〉
本実施例のアーク溶接品質検査方法では、ビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１を検索するのに、検索方向を、交線ＣＬ側から基準平面Ａ側に向かって、すなわちビード８から外側に向かって検索する。

図１９に示すように、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，…の順に検索すると、…Ｐ８まで正値をとっていた変位ｙが点Ｐ９，Ｐ１０，Ｐ１１で一旦０になり、スパッタＳの表面上で、再び変位ｙが正値になる。

このとき、変位ｙが正値から最初に０になる点Ｐ９を、ビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１とする。

〈作用効果〉
交線ＣＬ側から基準平面Ａ側に向かって、すなわちビード８から外側に向かって検索して、変位ｙが正値から最初に０になる点Ｐ９を、ビード８と母材５ａとの境界点Ｅ１とすることにより、スパッタＳと母材５ａとの境界点をビード８と母材５ａとの境界点と誤認識することがなくなり、一層精度の高い検査が可能になる。

以下、実施例７について、実施例１ないし実施例６とは異なる部分を中心に説明し、実施例１ないし実施例６と同一ないし均等な部分については説明を省略する。なお、図面の符号については、実施例１ないし実施例６と同一ないし均等な部分は同一の符号を付すものとする。

〈構成・方法〉
図２０（ａ），図２０（ｂ），図２０（ｃ）において、符号５は被溶接体としての母材、符号８は母材５，５間にビード、符号９は品質検査装置のセンサー部である。

本実施例では、図２０（ａ）に示すように、Ｌ型の母材５，５のそれぞれの端縁が突き合わされて溶接接合された検査対象を使用する。

本発明のアーク溶接品質検査方法では、断面プロファイルのデータに基づいて母材表面を検出して、裏波表面の母材表面からの変位により溶接品質検査の合否を判定しているので、レーザー変位計により照射されるレーザー光線の照射方向が被検査対象の母材表面に対して傾いていても高精度な溶接品質検査が可能となる。

したがって、必ずしも、図２０（ｂ）に示すように、溶接線（ビード８）および母材５，５の表面に対して垂直な方向（図２０（ｂ）の（１），（２），（３）の方向）からレーザー変位計のレーザー光線を照射する必要がない。

このため、本実施例の母材５，５のように、溶接線（ビード８）方向に湾曲した母材５，５についても、母材５，５の曲げ部分を見込む位置からセンサー部９によって測定することによって、曲げ部分であっても一度の測定で溶接品質合否を判定することができる。

本実施例では、検査精度を高めるために、図２０（ｃ）に示すように、母材５，５の表面に垂直な方向から角方向に１０°〜２０°だけ傾けた方向（図２０（ｃ）の（１），（２）の方向）からレーザー変位計のレーザー光線を照射して検査する。

〈作用効果〉
溶接部の延びる方向に湾曲した母材５，５であっても、母材の曲げ部分を見込む位置からセンサー部によって測定することによって、比較的少ない回数の測定で溶接品質合否を判定することができる。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は本発明に含まれる。

なお、実施例１〜実施例７のアーク溶接品質検査方法では、溶接部の延びる方向に垂直な断面に関する一定ピッチの断面プロファイルのデータに基づいて溶接品質を判定したが、必ずしも、断面プロファイルに基づく必要はなく、溶接母材の表面形状データと溶接部の表面形状データとを取得して、溶接母材の表面を溶接部側に外挿した仮想面を特定して、この仮想面から溶接部表面までの変位を取得し、この変位に基づいて溶接品質検査の合否を判定するものであれば何でもよい。

例えば、溶接母材の表面を溶接部側に外挿した仮想面を断面プロファイルのデータを用いずに特定して、この仮想面から溶接部表面までの変位に基づいて溶接品質検査の合否を判定してもよい。

また、実施例１〜実施例７では、溶接母材の形状や溶接母材の突き合わせ角度を限定したが、本発明では、これらを限定するものではない。

従来例の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は溶接された母材を溶接部の延びる方向から見た断面図とそれに垂直な断面図、（ｂ）は溶接された母材を裏波側から見た斜視図、（ｃ）は溶接された母材の裏波側表面の画像データを示す図である。 従来例の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は溶接前の母材と溶接トーチとを示す図、（ｂ）は溶接後の母材の溶接部裏面側に酸化亜鉛粉が付着した様子を示す図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図と断面プロファイルとを示す図である。 本発明の溶接品質検査方法に係る溶接方法を説明する概念図であり、（ａ）は母材の被接合部の裏面側にバックシールド装置を装着した様子を示した図、（ｂ）は溶接後の母材の溶接部の様子を示す図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図と断面プロファイルとを示す図である。 ３次元レーザー変位計で捉えた３次元変位データとしての点群データの斜視図である。 実施例１の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は正常に溶接が行われた場合の溶接部の断面を示す図、（ｂ）は（ａ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 実施例１の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は正常に溶接が行われなかった場合の溶接部の断面を示す図、（ｂ）は（ａ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 実施例２の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は正常に溶接が行われた場合の溶接部の断面を示す図、（ｂ）は（ａ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 実施例２の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は正常に溶接が行われなかった場合の溶接部の断面を示す図、（ｂ）は（ａ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 実施例３の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は正常に溶接が行われた場合の溶接部の断面を示す図、（ｂ）は（ａ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 実施例３の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は正常に溶接が行われなかった場合の溶接部の断面を示す図、（ｂ）は（ａ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 実施例３の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は溶接された母材の溶接部の斜視図、（ｂ）は（ａ）のビード長手方向の横断面の断面図、（ｃ）は（ｂ）における裏波の断面プロファイルを示す図である。 突き合わされた一対の母材の被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビードの裏波部と、その両側の母材とを示した図である。 図１２のＡ−Ａ断面における母材の表面および、その近傍に仮定された参照平面、この参照平面近傍の点群の一例を示した概念図である。 図（ａ）は、直角に湾曲した母材と、この母材の角部に溶接された母材との被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビードの裏波部と、その両側の母材とを示した図である。また、図（ｂ）は、一対の基準平面と、これら交線を示す概念図である。 図１４（ａ）のＢ−Ｂ断面の断面図である。 図１５のＥ部分の拡大図である。 図（ａ）は、互いに垂直に突き合わされた一対の母材の端縁同士の被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビードの裏波部と、その両側の母材とを示した図である。また、図（ｂ）は、図（ａ）のＦ部分の拡大図である。 図（ａ）は、互いに垂直に突き合わされた一対の母材の端縁同士の被溶接部裏側の部分破断図であり、溶接ビードの裏波部と、その両側の母材とを示した図である。また、図（ｂ）は、図（ａ）のＧ部分の拡大図である。なお、本図には、ビードの近傍に溶接時のスパッタが形成されている。 ビードと母材との境界点の検索方法を説明するための図である。 実施例７の溶接品質検査方法を説明する概念図であり、（ａ）は端縁が突き合わされて溶接接合された検査対象としての一対のＬ型の母材の斜視図、（ｂ）は従来の測定方向を示す図、（ｃ）は実施例７の測定方向を示す図である。

符号の説明

５ａ，５ｂ 母材（溶接母材）
６ バックシールド装置（バックシールド治具）
７ 溶接トーチ
８ ビード（溶接部）
９ センサー部
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ 仮想直線（仮想線），仮想曲線（仮想線）
Ｐ ビード（溶接部）表面上の任意の点
Ｒ 母材（溶接母材）断面の曲率半径
Ｇ ビード（溶接部）裏側部の重心点
Ｃ 第１の仮想線（Ｌ１）と第２の仮想線（Ｌ２）との交点
ＬＧ 重心曲線（重心線）
ＬＣ 仮想交線
ｂ 断面プロファイル（断面外形線）毎の重心線と仮想交線との距離
ｘ，ｙ，ｚ 変位

Claims (9)

1. 表面形状を測定するための３次元変位計を用いて、２つの溶接母材が突き合わされ溶接接合された溶接部を含む部分の表面変位を測定し、この表面変位により溶接品質を検査する溶接品質検査方法であって、
   ３次元変位計により得られた溶接部を含む部分の表面変位データに基づいて、少なくとも一方の溶接母材の表面形状データと溶接部の表面形状データとを取得して、少なくとも一方の溶接母材の表面を溶接部側に外挿した仮想面を特定して、この仮想面から溶接部表面までの変位を取得して、
   取得された変位に基づいて溶接品質検査の合否を判定することを特徴とするアーク溶接品質検査方法。
2. 表面形状を測定するための３次元変位計を用いて、２つの溶接母材が突き合わされ溶接接合された溶接部を含む部分の表面変位を測定し、この表面変位により溶接品質を検査する溶接品質検査方法であって、
   ３次元変位計で捉えた溶接部の裏波形状の３次元変位データに基づいて溶接部の延びる方向に垂直な断面に関する一定ピッチの断面外形線のデータを生成し、
   断面外形線のデータに基づいて断面外形線の直線部分を抽出し、
   抽出された直線を裏波部分まで外挿することによって得られた仮想直線から溶接部表面上の任意の点までの変位を取得して、
   取得された変位に基づいて溶接品質を判定することを特徴とするアーク溶接品質検査方法。
3. 各断面外形線のデータに基づいて、一方の母材の裏側表面に対応する第１の仮想線と、他方の母材の裏側表面に対応する第２の仮想線とを抽出し、抽出された２つの仮想線を溶接部まで外挿し、第１の仮想線と第２の仮想線との交点を特定して、この交点から溶接部表面上の任意の点までの変位によって溶接品質を判定することを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接品質検査方法。
4. 母材が湾曲している場合に、その母材断面の曲率などのデータを予め設定しておくことを特徴とする請求項３に記載のアーク溶接品質検査方法。
5. 母材が湾曲している場合に、その母材断面の曲率などのデータを３次元変位データにより測定した点群データから特定することを特徴とする請求項３に記載のアーク溶接品質検査方法。
6. 各断面外形線毎に溶接部裏側部の重心点を抽出し、それらの重心点を溶接部の延びる方向に結んで得られる重心線と、第１の仮想線と第２の仮想線との交点を結んだ仮想交線とを求め、各断面外形線毎の重心線と仮想交線との距離によって溶接部裏側部の蛇行を検査して溶接品質を判定することを特徴とする請求項３ないし請求項５のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法。
7. ３次元変位データから合否判定の基準となる溶接部と母材との境界点を検索するために、該検索の検索方向を溶接部から外側に向かって検索することを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法。
8. ３次元変位計の投射角度を母材表面に垂直な方向から傾けて投射することを特徴とする請求項１ないし請求項７のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法。
9. 前記溶接部は、２つの母材が突き合わされた被溶接部の裏面側をバックシールド治具によって覆い、２つの母材とバックシールド治具とによって囲われかつシールドされた空間にＣＯ_２ガスを放出した状態で、溶接トーチにより溶接接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のうちいずれか一項に記載のアーク溶接品質検査方法。

Images