JP2009220155A - 溶接品質検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接金属内あるいは裏ビードなどにおける欠陥要素を反映した溶接品質評価を行うことができる溶接品質検査方法および装置、特にパイプ突合せ継手のアーク溶接部における溶接品質評価を溶接施工時に行うことができる溶接品質検査方法および装置を提供する。
【解決手段】 表面形状計測器２０を用いて溶接前の開先表面形状と溶接後のビード表面形状を測定して両者の形状差から溶接部の溶着金属量を算定し、溶接ワイヤ送給量測定器３０により求めた溶接ワイヤ供給量に基づいて溶接金属供給量を推定し、溶着金属量の溶接金属供給量に対する比率を算定して、この比率を溶接品質の指標とする溶着指数として表示器に表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、突合せ継手のアーク溶接に関して溶接品質を指標化して評価する溶接品質検査方法と装置に関する。

従来、溶接施工後にレーザ測定装置により光切断法を用いてビード表面形状を取得して溶接品質を評価する方法があった。
特許文献１には、光切断法により溶接施工後のビード表面形状を求めて、溶接品質を推定する溶接ビード形状検査方法が開示されている。

しかし、溶接後に形成されるビードの形状だけを観察しても、溶接前に存在したギャップ、目違い、開先加工の深さバラツキなどの影響があるときは、必ずしも常に正当な評価を下すことはできない。
たとえば、開先が深すぎでかつ、開先底部に空隙が残ったり、溶接金属内部にブローホールなどの球状溶接欠陥が生じたりした場合でも、標準的な開先で良好に溶接したビードの表面形状と差がなければ、溶接品質は良好とする判定をすることになる。
また、開先形状のバラツキに起因するビード形状のバラツキなどにも対応できない可能性がある。

特許文献２には、溶接施工の前後で溶接部形状を計測する溶接品質検査方法が開示されている。
大型の溶接構造物ではガス切断により開先加工するため寸法精度が悪く、溶接部に不均一なギャップが生じ、画一的な判定基準では溶接品質を評価することができない。
開示方法は、溶接施工前の溶接部形状を測定してギャップの状態を知り、ギャップの大きさを考慮した判定基準を用いることによって、溶接品質の適正な判定が行えるようにしたものである。したがって、開示方法では、溶け込みや裏ビードの状態を反映した品質評価をすることはできない。

特に、パイプの突合せ溶接では、開先加工のバラツキ、目違いと呼ばれる突合せ位置のずれ、パイプ外形真円度の不良、パイプの曲がりなどにより、ビード外観形状が影響され、ビード外観のみでは溶接品質を正しく評価できない場合がある。また、溶接位置によりワイヤ送給量を調整しなければ良好な溶接ができないことから、位置により溶接金属供給量が異なり適正なビード形状も異なるため、単純な形状特徴量の比較だけでは適正な品質推定が難しい。
特開平５−０８７５３９号公報 特開２００１−０３８４６７号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、溶接部の内部における欠陥要素を反映した溶接品質評価を行うことができる溶接品質検査方法および装置を提供することである。特に突合せ継手のアーク溶接部における溶接品質評価を溶接施工時に行うことができる溶接品質検査方法および装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の溶接品質検査方法は、表面形状計測器を用いて溶接前の開先表面形状と溶接後のビード表面形状を測定して両者の形状差から溶接部の溶着金属量を算定し、溶接ワイヤ送給量測定器により求めた溶接ワイヤ供給量に基づいて溶接金属供給量を推定し、溶着金属量の溶接金属供給量に対する比率すなわち溶着指数を算定して、表示器に溶接品質の指標としてその溶着指数を表示することを特徴とする。

また、本発明の溶接品質検査装置は、溶接部の表面形状を計測する表面形状計測器と、溶接ワイヤの送給量を測定する溶接ワイヤ送給量計測装置と、演算装置と、表示装置を備え、溶接前の開先表面形状と溶接後のビード表面形状を測定して両者の形状差から溶接部の溶着金属量を算定し、溶接ワイヤ送給量測定器により測定した溶接ワイヤ送給量に基づいて溶接金属供給量を推定し、溶着金属量の溶接金属供給量に対する比率すなわち溶着指数を算定して、表示器に比率を表示することを特徴とする。

本発明の溶接品質検査方法および溶接品質検査装置では、溶接施工により開先部分を満たした溶着金属量を溶接前後の表面形状測定結果から求め、得られた溶着金属量と溶接ワイヤの送給量から求まる溶接金属供給量との比を算定して表示するので、溶接金属供給量に対する溶着金属量の増減量を明確にして、開先部分から漏れ出て裏ビードを形成した金属量や、溶接金属内に発生したブローホールなどの空隙部等を掌握した適正な溶接品質評価を行うことができる。

なお、溶接施工時に供給した溶接ワイヤの送給長は、ワイヤ送給装置に付属させたワイヤ送給量計測器によって容易に測定することができるので、ワイヤ径を用いてワイヤ送給量を知ることができる。また、溶接速度を勘案することにより、溶接品質検査位置に供給された溶接ワイヤ量を算定することができる。

さらに、溶接ワイヤのうち溶接部に溶着して残る金属の割合は、溶接ワイヤの種類や溶接法によって異なり、溶着効率として予め評価しておくことができる。たとえば、ティグ溶接など非消耗電極式溶接法では溶着効率は１となり、ミグ溶接などの消耗電極式溶接法ではスパッタで飛散する分を勘定に入れると１より小さい溶着率を示すことになる。
評価位置における単位幅当たりの溶接品質評価では、計測したワイヤ送給量、溶接速度、ワイヤ径、溶着効率を用いて求めた溶接金属供給量が使用される。

ワイヤ送給量などから算定した溶接金属供給量に対する、溶接施工前後の表面形状から算定した溶着金属量の比率すなわち溶着指数が、０．８〜１．０であれば経験上溶接品質は良好であるとしてよいが、１．０以上では溶接金属内部にブローホールなどの空隙がある異常、０．８以下では過大な裏ビードが発生した異常が存在することが推定できる。
このように、本発明の方法により、比較的簡単な演算により溶着指数として定量的に表現され、かつ的確な溶接品質評価ができる。

本発明の溶接品質検査方法または装置は、さらに、予め指定した理想的なビード形状と溶接後のビード形状を比較して、両者の差異を算定した結果を表示するようにしてもよい。
この方法は、溶接金属の内部に欠陥があるときにはビード表面形状に局所的に陥没が生じ、スパッタ粒が付着したときには突起を生じるので、溶接ワイヤの溶接金属供給量に基づく評価に加えてビード表面形状データからビード外観の良否を判定して品質評価を万全なものにするために導入される。

表面形状計測器は、スリット状の光を照射する投光装置と対象物表面に照射されたスリット状の光を撮影する撮像装置と撮像装置により取得された画像からスリット状の光の部分を抽出してその座標を求める画像処理装置で構成され、計測対象にスリット光を照射して表面形状に形成される光切断面輪郭線から表面形状を計測する光切断式表面形状測定器であることが好ましい。また、市販の各種３次元デジタイザーも利用することができる。

本発明の溶接品質検査方法または装置を用いれば、開先加工精度によらず安定した溶接品質評価ができる。また、溶接金属内部に発生したブローホールなどの欠陥を検出することができ、溶け込みや裏ビードの良否をも的確に推定することができる。
さらに、本発明の溶接品質検査方法または装置を用いて品質推定を自動化して、低いコストで安定した検査を行うことができる。

以下、実施例に基づき、図面を用いて、本発明の溶接品質検査方法および装置について詳細に説明する。
図１は本実施例の構成を説明するブロック図、図２は本実施例における測定工程を示すフローチャート、図３は本実施例を適用して測定した適正溶接例を示すグラフ、図４は裏ビードが過大なときの測定例を示すグラフ、図５は外観不良の場合の測定例を示すグラフ、図６は本実施例における測定工程の別例を示すフローチャートである。

図１に示すように、本実施例の溶接品質検査装置は、溶接トーチ１４を把持した汎用ロボット１０と、ロボット１０の制御を行うロボットコントローラ１２と、形状計測器の検出部になるレーザセンサ２０と、レーザセンサ２０の出力を受信して測定結果を出力するレーザセンサコントローラ２２と、溶接トーチ１４に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置１６に附属してワイヤ送給量を測定するワイヤ送給量計測器３０と、ロボットコントローラ１２やレーザセンサコントローラ２２やワイヤ供給量計測器３０から測定結果を入力して各種演算処理を行う計算機４０とから構成される。

本実施例では、汎用ロボット１０に本発明を適用しているが、検査位置とその位置における溶接条件の対応が取れれば自動溶接機に適用することもできることはいうまでもない。
計算機４０では、開先形状データとビード形状データに関するデータ処理、ワイヤ送給計測器３０で収集されたデータの処理、ロボットコントローラ１２などからの溶接条件の収集を行う。

本実施例では、パイプの突合せ開先付きＴＩＧ溶接を対象としている。
図２は、断面積で溶着金属量を算定する場合の検査手順を説明するフローチャートである。
初めに突き合わせたパイプ先端の検査対象位置にレーザセンサ２０を移動する（Ｓ１０）。
続いて、パイプを回転させて１周分の開先形状データを収集する（Ｓ１１）。

レーザセンサ２０は、スリット状のレーザ光を対象物に照射して、表面に現れるスリット光をＣＣＤカメラで撮影し、取得した画像をレーザセンサコントローラ２２に送るように構成されたものである。対象物表面のスリット光は照射方向に平面で切断したときの表面輪郭線を表す光切断線になっている。

レーザセンサコントローラ２２は、レーザセンサ２０から供給される光切断線からレーザ光照射面における開先部分の表面輪郭を求める。測定対象物を移動させ、またはレーザセンサ２０を測定対象物に対して相対的に移動しながら求めた表面輪郭を集積して開先部分の表面形状データとすることができる。
なお、レーザセンサ２０のカメラは、２次元ＣＣＤカメラで直接輪郭線を求めるものであっても良く、また１次元ＣＣＤカメラを溶接線に直交する方向に移動させて２次元画像を得るものであってもよい。

レーザセンサコントローラ２２で収集整理された表面形状データは計算機４０に送信される。
計算機４０は、入出力装置、記憶装置、演算装置、表示装置などを備え、本実施例の溶接品質検査方法を実行するコンピュータプログラムを実行可能に搭載させた汎用コンピュータであってもよい。
計算機４０は、受信した表面形状データから、目違いを補正するようにデータを変換することにより（Ｓ１２）、回転に伴って変化する段差が有る場合にも段差の変動を補償する。目違いの補正は、たとえば、開先の肩部を抽出して、開先を挟んだ両肩を同じ高さにするように補正することにより行うことができる。なお、後にビード表面形状との差を算出して溶接金属量とみなすため、パイプの軸方向表面の傾きをデータ変換により補償しておくことが好ましい。

変換方法には、左右の開先肩が傾いただけ開先形状データを傾角分回転させる方法がある。また、回転角度が十分に小さいときは、左右の開先肩位置を通る直線を引いて、この直線を基準として開先形状における高さ方向座標を算定する方法を使うことができる。

次に、溶接を行い、検査対象位置近傍におけるワイヤ送給量を測定する（Ｓ１３）。ワイヤ送給量は、送給されるワイヤを滑らないローラで挟み込んで、ワイヤ送給により回転するローラの回転数から測定することができる。また、ワイヤ送給量をフィードバックして制御するワイヤ送給装置では、制御装置に対する送給量指令値をもってワイヤ送給量とすることもできる。

ワイヤ送給量と、ワイヤ径と、溶接速度、および溶着効率から、溶接品質検査位置における単位幅当たりの溶接金属供給量を算定する（Ｓ１４）。
溶着効率は、溶接部に供給される溶接ワイヤ全量の内、溶接部に溶着して残る溶接金属量の割合を意味する。たとえば、ティグ溶接など非消耗電極式溶接法では溶着効率は１となる。一方、ミグ溶接などの消耗電極式溶接法ではスパッタで飛散する分を勘定に入れると１より小さい溶着率を示すことになる。
消耗電極式溶接法では、溶接ワイヤの種類や銘柄により溶着効率が異なり、ソリッドワイヤで０．９０〜０．９８、フラックス入りワイヤで０．８５〜０．９５などとされている。このように、溶着効率は溶接ワイヤの種類や溶接法によって異なるが予め与えることができる。

レーザセンサ２０を検査対象位置に移動し（Ｓ１５）、開先表面形状データを取得したときと同じ方法で、検査対象位置のビード表面形状データを取得する（Ｓ１６）。なお、検査位置におけるビード表面形状データは、溶接工程中でも、溶接後でも取得できる。また、溶接終了後に溶接開始位置まで戻る途中で測定して、時間短縮をすることもできる。
溶接によりパイプ突き合わせ部分で変形したりしても、溶接金属量を正確に推量する必要があるので、取得したビード表面形状データに基づいて、目違いを補正する（Ｓ１７）。目違いの補正は、たとえば、左右の溶接止端位置を検出し、左右の溶接止端を結んだ直線を基準線として溶接金属の表面座標を算定することにより行う。なお、パイプの軸方向表面が傾いたときにも、開先形状と整合しなくなり、両形状差に基づいて求める溶接金属量が不正確になるので、軸方向表面の傾きを水平に戻す補償を行うことが好ましい。

上記、ワークの位置ずれや傾き、溶接によるワーク変形を補償した、開先表面形状データとビード表面形状データの差を算出して、検査位置に堆積した溶接金属の断面積を算定する（Ｓ１８）。
図３は、高い溶接品質を有するパイプの突合せ継手について、開先表面形状データＡとビード表面形状データＢを重ねてプロットしたグラフである。溶着した溶接金属は２つの曲線Ａ，Ｂに挟まれた部分に相当する。

次に、先にワイヤ送給量計測器から得られたワイヤ送給量に基づいて求めた単位幅当たりの溶接金属供給量に対する、表面形状の差、すなわち断面積に単位厚さを掛けた値として求めた溶着金属量の比率を算出する（Ｓ１９）。本明細書では、この比率を溶着指数と呼ぶ。
溶着指数が算定されると、経験から決められる値、たとえば０．８と１．０を境として良否を判定することができる（Ｓ２０）。

たとえば、溶着指数が０．８以下であれば裏ビードなどの欠陥が推定される（Ｓ２１）。図４は図３の場合と同じ開先表面形状データＡで表される開先部に同量の溶接金属を供給したにもかかわらずビード表面形状データＢのプロットが図３のときよりも低くなっているケースを表し、溶接金属の溶け込みがあったり、裏に抜けて過大な裏ビードが形成されたりすることが原因と考えられる。
溶着指数が１．０以上であるときはブローホールなど溶接金属内部に溶接欠陥が存在する分だけ表面が盛り上がっているとみることができ、溶接の不良と判定できる（Ｓ２２）。
これらの推定結果は、表示装置に表示される（Ｓ２７）。

また、溶着指数が０．８〜１．０であれば一応良好と考えられるが、表面形状の異常があり得るので、ビード表面形状を検査して、形状欠陥がないかを確認することが好ましい。
そこで、ビード表面形状データを理想形とする基準ビード表面形状データと比較して（Ｓ２３）、差の絶対値を所定の値と比較することで溶接品質の良否を評価する（Ｓ２４）。

開先形状が変わったりギャップが変化したりするとビード形状が変化するので、理想的なビード形状は単一でない。したがって、基準形状をテンプレートとして用意するものとすると、極めて多数の基準形を用意したうえで、検査対象ごとに種々の条件に適合する基準形を選択しなければならない。
本実施例の溶接品質検査方法では、基準ビード表面形状データをテンプレートとして予め用意する必要のない確実な品質推定が行える手順を採用している。

図５は、ビード表面形状を標準形状と比較して評価する方法を説明するグラフである。
開先部を測定することにより開先表面形状データＡが得られ、溶接後に測定してビード表面形状データＢが得られた。
ビード表面形状データＢから、溶接止端を特定し、止端から一定距離の点を左右それぞれ２点ずつ合計４点取り、この丸印で表した４点の座標データから、４点を通るたとえば２次曲線など滑らかな曲線を設定し基準ビード表面形状データＣとする。

測定したビード表面形状データＢと基準ビード表面形状データＣの差Ｄを取って、この差Ｄがたとえば±０．３ｍｍなど所定の値より大きくなる部分が有れば、ピット、アンダカット、余盛過大など表面形状に現れる溶接欠陥が推定される（Ｓ２５）。また、ビード表面形状データＢと基準ビード表面形状データＣの差Ｄの絶対値が０．３ｍｍ以下であれば、溶接の品質は問題がないと判断することができる（Ｓ２６）。
これらの評価結果は表示装置に表示される（Ｓ２７）。

このように、基準ビード表面形状Ｃを測定したビード表面形状データＢに基づいて決定するようにしたので、多数のテンプレートを用意しなくても確実に表面形状異常を検出することができる。
なお、表面形状の測定結果に基づいて基準表面形状データＣを形成する方法は、上記方法に限らず、たとえば適当な間隔で取った３個以上のビード表面形状データＢ上の座標点を使って近似曲線を描くことにより基準表面形状データＣとする方法など適宜の近似方法を利用することができる。
さらに、測定したビード表面形状データＢと基準表面形状データＣとの差Ｄの評価も、両者の偏差を積算する方法や誤差を２乗して積算する方法など、各種の誤差評価方法を利用することができる。

開先に対して溶着したビードの量を測定する方法には、上記のような光切断面から求めた表面形状に基づいて算出する方法の他にも、たとえば光学式３次元デジタイザー（３Ｄデジタイザー）など汎用の立体計測装置を用いて直接的に体積を測定して溶接前後の差を取る方法もある。

３Ｄデジタイザーを使用するときは、検査領域を含む測定領域について溶接後のビード表面形状と溶接前の開先表面形状を計測し、検査領域におけるビード表面形状データと開先表面形状データの差に基づいて検査部分の溶着金属量を算定する。
３Ｄデジタイザーを使う溶接品質検査装置は、図１に表した構成に対して、レーザセンサ２０とレーザセンサコントローラ２２を３Ｄデジタイザーに置換したところだけが異なる構成になる。

溶接品質検査装置の検査手順は、光切断面データから２次元情報として表面形状を求める代わりに、３Ｄデジタイザーの３次元形状測定データを利用して検査領域における溶着金属の体積を直接的に算出するもので、他の手順は先に図２に関して説明したものと変わらない。
図6は、３Ｄデジタイザーを用いた溶接品質検査手順を説明するフローチャートである。

３Ｄデジタイザーを用いた溶接品質検査手順では、初めに検査対象部分に３Ｄデジタイザーを移動し（Ｓ３０）、検査対象領域を含む部分について３次元の開先表面形状データを収集する（Ｓ３１）。
次に、溶接を行い、検査対象領域に対するワイヤ送給量を測定する（Ｓ３２）。ワイヤ送給量は、たとえば、ワイヤ送給により回転するローラの回転数から測定するワイヤ送給量計測器を用いて測定することができる。
ワイヤ送給量と、ワイヤ径と、溶接速度、および溶着効率から、検査対象領域に対する溶接金属供給量を算定する（Ｓ３３）。

３Ｄデジタイザーを検査対象部分に移動し（Ｓ３４）、検査対象位置のビード表面の３次元形状データを取得する（Ｓ３５）。
検査対象領域における３次元開先表面形状データと３次元ビード表面形状データを比較して、検査対象領域に溶着した溶接金属の体積を算出する（Ｓ３６）。
検査対象領域に供給された溶接金属量に対する、溶着した溶接金属の比率を算出して、溶着指数とする（Ｓ３７）。

溶着指数が算定されると、たとえば０．８と１．０など所定の値を閾値として良否を判定する（Ｓ３８）。
たとえば、溶着指数が０．８以下であれば裏ビードが過大である欠陥（Ｓ３９）、溶着指数が０．８〜１．０であれば溶接品質良好（Ｓ４０）、溶着指数が１．０以上であるときは溶接金属内部の溶接欠陥（Ｓ４１）と判定できる。
これらの推定結果は、表示装置に表示される（Ｓ４２）。

なお、本発明の溶接品質検査方法および検査装置は、積層溶接における各層毎に適用することにより、積層溶接における高品質な溶接品質を得ることが可能になる。
また、パイプ突合せ継手の他にも、すみ肉溶接継手や重ね継手などにも適用ができることはいうまでもない。

以上実施例に基づいて詳しく説明した通り、本発明の溶接品質検査方法および検査装置では、開先加工精度によらず安定した溶接品質の評価が可能になる。また、溶接金属内部に発生したブローホールなどの欠陥についても推定することができる。さらに、溶け込みや裏ビードの良否も併せて評価することができる。
また、本発明の溶接品質検査方法および検査装置を適用することにより、品質評価の自動化が可能になって、溶接コスト低減と検査の安定化が可能になる。

本発明の１実施例における溶接品質検査装置の構成を説明するブロック図である。 本実施例における測定工程を示すフローチャートである。 本実施例を適用して測定した適正溶接例における表面形状データを示すグラフである。 本実施例を適用して測定した裏ビードが過大なときの測定例を示すグラフである。 本実施例を適用して測定した外観不良の場合の測定例を示すグラフである。 本実施例における測定工程の別例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ ロボット
１２ ロボットコントローラ
１４ 溶接トーチ
１６ ワイヤ送給装置
２０ レーザセンサ
２２ レーザセンサコントローラ
３０ ワイヤ送給量計測器
４０ 計算機

Claims (8)

1. 突合せ継手のアーク溶接部において、表面形状計測器を用いて溶接前の開先形状と溶接後のビード形状を測定して両者の形状差から溶接部の溶着金属量を算定し、溶接ワイヤ送給量測定器で溶接ワイヤによる溶接金属供給量を測定し、該溶着金属量の該溶接金属供給量に対する比率を算定して、表示器に該比率を表示することを特徴とする溶接品質検査方法。
2. さらに、予め指定した理想的なビード形状と前記溶接後のビード形状を比較して、両者の差異を算定して結果を表示することを特徴とする請求項1記載の溶接品質検査方法。
3. 前記表面形状計測器は、計測対象にスリット光を照射して表面形状に形成される光切断面輪郭線から表面形状を計測する光切断式表面形状測定器であることを特徴とする請求項1または２に記載の溶接品質検査方法。
4. 前記表面形状計測器は、対象物の３次元形状データを出力する３次元デジタイザーであることを特徴とする請求項1または２に記載の溶接品質検査方法。
5. 溶接部の表面形状を計測する表面形状計測器と、溶接ワイヤの送給量を測定する溶接ワイヤ送給量計測装置と、演算装置と、表示装置を備え、表面形状計測器が検査対象部分における溶接前の開先表面形状と溶接後のビード表面形状を測定して、演算装置が両者の形状差から溶接部に溶着した溶着金属量を算定し、溶接ワイヤ送給量測定器により溶接ワイヤの送給量を測定し、演算装置が該溶接ワイヤ送給量に基づいて溶接金属供給量を算定し、さらに、該溶着金属量の該溶接金属供給量に対する比率を算定して、表示器が該比率を表示する溶接品質検査装置。
6. さらに、理想的なビード形状を測定したビード形状と比較できる形態で記憶する記憶装置を備え、前記演算装置が該理想的なビード形状と該測定したビード形状の差異を算定して結果を表示することを特徴とする請求項５記載の溶接品質検査装置。
7. 前記表面形状計測器は、スリット状の光を照射する投光装置と検査対象部分の表面に照射されたスリット状の光を撮影する撮像装置と撮像装置により取得された画像からスリット状の光の部分を抽出してその座標を求める画像処理装置で構成された光切断式表面形状測定器であることを特徴とする請求項５または６に記載の溶接品質検査装置。
8. 前記表面形状計測器は、対象物の３次元形状データを出力する３次元デジタイザーであることを特徴とする請求項５または６に記載の溶接品質検査装置。

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