JP2010223653A - Device and method for measuring internal state of structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造物の内部状態を測定する測定装置及び測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring an internal state of a structure.
従来から超音波を用いて構造物内部の組織や構造を測定する測定装置が用いられている。例えば、2つの金属部材を重ね合わせて通電加熱することによって金属部材を溶融・再凝固させて金属部材同士を溶接したスポット溶接部の構造を超音波で測定することが行われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a measuring apparatus that measures the structure and structure inside a structure using ultrasonic waves has been used. For example, the structure of a spot welded portion in which two metal members are superposed and heated by energization to melt and resolidify the metal members and weld the metal members together is measured with ultrasonic waves.
溶接部分の構造は、図12に示すように、ナゲット部10と呼ばれる部分と熱影響部12と呼ばれる部分とに分けられる。ナゲット部10は、溶接部分の最も内側に位置する部分であり、通電加熱によって溶融と再凝固された部分である。ナゲット部10は、母材14である金属に対して粒界が大きく、密度が小さい。したがって、母材14に比べて超音波の伝搬速度が遅く、減衰も大きい。熱影響部12は、ナゲット部10の外側を覆う部分であり、通電によって加熱されたが、溶融までは至らなかった部分である。熱影響部12では、母材14である金属部材は密着状態となっており、その粒界は母材14より大きく、ナゲット部10より小さい。また、その密度は母材14より小さく、ナゲット部10より大きい。したがって、超音波の伝搬速度は母材14より遅いが、ナゲット部10より早くなる。また、超音波の減衰量は母材14より大きいが、ナゲット部10より小さい。この特性を利用して溶接部分の組織や構造を測定する。
As shown in FIG. 12, the structure of the welded part is divided into a part called a
なお、溶接部は、金属部材を重ね合わせて、電極チップで押圧しながら溶接されるので、溶接後の厚さは溶接部の中央部が周囲部に比べて薄くなる。 The welded portion is welded while overlapping metal members and pressed with an electrode tip, so that the thickness after welding is thinner at the center of the welded portion than at the surrounding portion.
例えば、特許文献1には、溶接部の組織変化、熱処理、表面改質等の組織変化を検出するための超音波検出方法が開示されている。探触子から超音波を試験体に送信すると共に後方散乱波を受信することにより組織変化を検出する。試験体の基準部において後方散乱波を含む基準波を受信する。試験体の検査部において受信した検査波を基準波で除し又は検査波と基準波との差分を求めることにより基準化する。基準化された表示に基づいて溶接部、熱処理、表面改質等の組織変化を検出することが可能としている。
For example,
また、特許文献2には、レーザ式超音波発振受信装置を用いて溶接部の断面を可視化して、溶接部の被溶接材と接合材との溶融状態を測定する技術が開示されている。レーザ式超音波発振受信装置にて、可視化しようとする溶接部の断面に含まれる溶接部表面に、超音波レーザを照射して溶接部表面に超音波を発生させ、溶接部表面の変位を検出して信号強度の経時変化として出力する。測定された表面変位の検出信号に基づいて、溶接部の断面を画像化するための演算処理を行い、溶接部の断面を可視化する。溶接部表面の変位の測定は、同一箇所に対して複数回繰り返し、この測定結果を加算演算して画像化処理に利用する。また、溶接部表面に発生した50MHz以上の周波数を有する超音波振動のみを利用する。
単一プローブを用いる測定方法では、センサプローブの直径よりもナゲット部や熱影響部が大きいか否かの定性的な情報しか得られない。これは、測定の空間的な分解能がセンサプローブのサイズと同程度であるからである。 In the measurement method using a single probe, only qualitative information on whether the nugget part or the heat affected part is larger than the diameter of the sensor probe can be obtained. This is because the spatial resolution of the measurement is comparable to the sensor probe size.
また、50MHz以上の周波数の超音波を用いる測定方法では、超音波発生装置や超音波による測定対象物の変位測定のセンサが大型化及び複雑化してしまう問題がある。したがって、装置の製造コストが高く、測定に掛かる費用も増大してしまう。 In addition, in the measurement method using ultrasonic waves having a frequency of 50 MHz or more, there is a problem that the ultrasonic generator and the sensor for measuring the displacement of the measurement object using the ultrasonic waves become large and complicated. Therefore, the manufacturing cost of the apparatus is high, and the cost for measurement increases.
また、金属組織界面からの反射を利用する測定方法では、ナゲット部境界面からの反射が弱く、測定される信号のS/N比が低い。そのため、測定を繰り返して信号を累積的に蓄積する必要があり、測定時間が長くなるという問題がある。 Moreover, in the measurement method using the reflection from the metal structure interface, the reflection from the nugget interface is weak and the S / N ratio of the signal to be measured is low. Therefore, it is necessary to accumulate signals by repeating measurement, and there is a problem that measurement time becomes long.
また、測定物の厚さの情報を用いない測定方法では、超音波を用いた測定で得られる信号に測定対象物の厚さによる誤差が含まれたままであり、内部構造の形状や組織組成を正確に求めることができない。 In addition, in measurement methods that do not use information on the thickness of the measurement object, errors due to the thickness of the measurement object remain included in the signal obtained by measurement using ultrasonic waves, and the shape and tissue composition of the internal structure It cannot be determined accurately.
さらに、センサプローブが大型である場合、狭小部の構造物内部の測定は困難である。 Furthermore, when the sensor probe is large, it is difficult to measure the inside of the narrow structure.
本発明の1つの態様は、測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波励起部と、前記測定物の内部を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部と、を備えることを特徴とする構造物内部の測定装置である。 One aspect of the present invention includes an ultrasonic excitation unit that generates ultrasonic waves by supplying light energy or electrical energy to or near the surface of a measurement object, and a signal generated by the ultrasonic wave that has propagated through the measurement object. And an internal measurement unit for measuring the inside of the structure.
また、本発明の別の態様は、測定物の表面又は表面近傍に光エネルギー又は電気エネルギーを供給して超音波を発生させる超音波発生ステップと、前記超音波発生ステップによって発生した超音波を前記測定物に供給し、前記測定物を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定ステップと、を備えることを特徴とする構造物内部の測定方法である。 In another aspect of the present invention, an ultrasonic wave generation step for generating an ultrasonic wave by supplying light energy or electric energy to or near the surface of a measurement object, and an ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generation step are described above. An internal measurement step of measuring a signal generated by the ultrasonic wave supplied to the measurement object and propagated through the measurement object.
ここで、前記超音波励起部は、前記測定物の表面にレーザ光を照射する放射用レーザ発生部を備え、前記レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることが好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることが好適である。 Here, the ultrasonic excitation unit may include a radiation laser generating unit that irradiates the surface of the measurement object with laser light, and generates ultrasonic waves by irradiating the surface of the measurement object with the laser light. Is preferred. As a measurement method, it is preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by irradiating the surface of the measurement object with a laser beam.
また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部を備え、前記レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることも好適である。 In addition, the ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light near the surface of the measurement object, and ultrasonic waves are generated by ionizing a gas near the surface of the measurement object by the laser light. It is also preferable to generate it. As a measurement method, it is also preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by ionizing a gas near the surface of the measurement object with a laser beam.
また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部と、前記レーザ光が照射されるターゲット部材と、を備え、前記レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることも好適である。 In addition, the ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light in the vicinity of the surface of the measurement object, and a target member that is irradiated with the laser light, and the laser light is supplied to the target member. It is also preferable to generate an ultrasonic wave by irradiating the film. As a measuring method, it is also preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by irradiating the target member with a laser beam.
また、前記超音波励起部は、前記測定物の表面との間で放電を発生させる放電電極と、前記放電電極に電圧を印加する放電電圧印加部と、を含む放電発生部を備え、前記測定物の表面と前記放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることも好適である。測定方法としては、前記超音波発生ステップは、前記測定物の表面と放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることも好適である。 In addition, the ultrasonic excitation unit includes a discharge generation unit including a discharge electrode that generates a discharge with the surface of the measurement object, and a discharge voltage application unit that applies a voltage to the discharge electrode. It is also preferable to generate ultrasonic waves by causing a discharge between the surface of the object and the discharge electrode. As a measuring method, it is preferable that the ultrasonic wave generation step generates an ultrasonic wave by causing a discharge between the surface of the measurement object and the discharge electrode.
また、前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、前記内部測定部で測定された信号と、前記表面形状測定部で測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求める演算部と、を備えることが好適である。測定方法としては、前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定ステップと、前記内部測定ステップで測定された信号と、前記表面形状測定ステップで測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求めることが好適である。 In addition, based on the surface shape measurement unit that measures the surface shape of the measurement object, the signal measured by the internal measurement unit, and the surface shape measured by the surface shape measurement unit, the inside of the measurement object It is preferable to include a calculation unit that obtains a structure or a structure. As a measuring method, based on the surface shape measurement step for measuring the surface shape of the measurement object, the signal measured in the internal measurement step, and the surface shape measured in the surface shape measurement step, the measurement object It is preferred to determine the internal structure or organization of the.
また、前記超音波励起部、前記内部測定部及び前記測定物の少なくとも1つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を励起する位置、超音波によって発生する信号の検出位置及び測定物の少なくとも1つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。 In addition, it is preferable to include a scanning unit that changes the measurement target position of the measurement object by spatially moving at least one of the ultrasonic excitation unit, the internal measurement unit, and the measurement object. As a measurement method, it is preferable to change the measurement target position of the measurement object by spatially moving at least one of the position where the ultrasonic wave is excited, the detection position of the signal generated by the ultrasonic wave, and the measurement object. is there.
また、前記放射用レーザ発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を発生させるためのレーザ発生部及び内部測定を行う内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。また、前記放電発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることが好適である。測定方法としては、超音波を発生させるための放電発生部及び内部測定を行う内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更することが好適である。 In addition, it is preferable to include scanning means for changing the measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the radiation laser generation unit and the internal measurement unit. As a measurement method, it is preferable to change the measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the laser generator for generating ultrasonic waves and the internal measurement unit for performing internal measurement. is there. In addition, it is preferable that scanning means for changing a measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the discharge generation unit and the internal measurement unit is preferable. As a measurement method, it is preferable to change the measurement target position of the measurement object by spatially moving only one of the discharge generation unit for generating ultrasonic waves and the internal measurement unit for performing internal measurement. is there.
また、前記内部測定部は、前記測定物にレーザ光を照射する検出用レーザ発生部と、前記検出用レーザ発生部から前記測定物に照射され、前記測定物から反射したレーザ光を検出する検出部と、を含むレーザ干渉計を備えることが好適である。測定方法としては、前記測定部にレーザ光を照射し、前記測定部から反射してきたレーザ光を検出し、照射されたレーザ光と反射されたレーザ光との干渉により前記測定物の変形を検出することが好適である。 In addition, the internal measurement unit detects a laser beam that is emitted from the detection laser generator to detect the laser beam reflected from the measurement object. And a laser interferometer including the unit. As a measurement method, the measurement unit is irradiated with a laser beam, the laser beam reflected from the measurement unit is detected, and deformation of the measurement object is detected by interference between the irradiated laser beam and the reflected laser beam. It is preferable to do.
また、前記放射用レーザ発生部と、前記検出部と、が前記測定物を挟んで対向する位置に配置されていることが好適である。 In addition, it is preferable that the radiation laser generation unit and the detection unit are arranged at positions facing each other with the measurement object interposed therebetween.
本発明によれば、高い空間分解能で構造体内部の測定が可能となる。 According to the present invention, the inside of a structure can be measured with high spatial resolution.
図1に、本発明の実施の形態における構造物内部の測定装置100の基本構成を示す。測定装置100は、図1に示すように、超音波励起部20、内部測定部22、スキャニング部24及びコントローラ26を含んで構成される。
FIG. 1 shows a basic configuration of a measuring
超音波励起部20は、測定対象物102に対して入力する超音波を発生させる構成要素である。超音波励起部20は、例えば、放射用レーザ又は直流放電部を含んで構成することができる。
The
図2に、放射用レーザを用いる場合についてのシステム構成を示す。放射用レーザを用いたシステムでは、図2に示すように、レーザ本体30、ハーフミラー32、パワーメータ34、集光レンズ36及びプリズム38を含んで構成される。
FIG. 2 shows a system configuration when a radiation laser is used. As shown in FIG. 2, the system using the radiation laser includes a laser
レーザ本体30は、YAGレーザ、エキシマレーザ、半導体レーザ等を適用することができる。例えば、波長532nmでパルス幅6nsのYAGレーザを用いることができる。レーザ本体30はコントローラ26により出力制御される。ハーフミラー32は、レーザ本体30から出力されたレーザ光Aの一部を反射して、一部を透過する。ハーフミラー32で反射又は透過されたレーザ光Aの一方はパワーメータ34へ入力され、他方は集光レンズ36へ入力される。パワーメータ34は、入力されたレーザ光Aのパワーを計測する。計測されたパワー値はコントローラ26へ出力され、コントローラ26によってレーザ本体30から出力されるレーザ光Aのパワーが制御される。一方、集光レンズ36に入力されたレーザ光Aは集光レンズ36のレンズ効果により、プリズム38を介して、超音波発生部に集光される。
For the laser
なお、放射用レーザを用いる場合のシステム構成はこれに限定されるものではなく、レーザ光Aを超音波発生部に集光させることができる制御手段及び光学系システムを含むものであればよい。また、超音波励起部20、内部測定部22及び測定対象物102は、気相中はもちろん水等の液相中にあってもよい。
In addition, the system configuration in the case of using a radiation laser is not limited to this, and any system may be used as long as it includes a control unit and an optical system that can focus the laser beam A on the ultrasonic wave generation unit. Further, the
図3に、放射光レーザを用いた第1の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、表面ブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体30から出力されたレーザ光Aは、ハーフミラー32、集光レンズ36及びプリズム38等の光学系システムを介して、測定対象物102の測定対象領域の表面に集光照射される。これにより、測定対象物102の表面がプラズマ化し、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物102の測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物102の変化が内部測定部22にて測定される。
FIG. 3 shows a first ultrasonic wave generation method using a synchrotron radiation laser. This ultrasonic generation method is called a surface breakdown method. The laser beam A output from the laser
表面ブレークダウン法の特徴は、100MHz以上の高周波数帯域の超音波を供給することが可能な点にある。 The feature of the surface breakdown method is that ultrasonic waves in a high frequency band of 100 MHz or higher can be supplied.
図4に、放射光レーザを用いた第2の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、エアブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体30から出力されたレーザ光Aは、ハーフミラー32、集光レンズ36及びプリズム38等の光学系システムを介して、測定対象物102の測定対象領域の表面から離れた空間Bに集光される。これにより、レーザ光Aが集光された空間Bの大気がブレークダウンし、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物102の測定対象物102との間の空間を伝搬し、測定対象物102の測定対象領域へ入力される。測定対象物102に入力された超音波は測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物102の変化が内部測定部22にて測定される。
FIG. 4 shows a second ultrasonic wave generation method using a synchrotron radiation laser. This ultrasonic generation method is called an air breakdown method. The laser light A output from the laser
エアブレークダウン法の特徴は、測定対象物102の表面に損傷が生ずることがない点にある。また、超音波の伝搬時間により測定物までの距離が測定可能である。また、発生可能な超音波の周波数は8MHz程度である。
The feature of the air breakdown method is that the surface of the
図5に、放射光レーザを用いた第3の超音波発生方法を示す。この超音波発生方法は、ターゲットブレークダウン法と呼ばれる。レーザ本体30から出力されたレーザ光Aは、ハーフミラー32、集光レンズ36及びプリズム38等の光学系システムを介して、測定対象物102の測定対象領域の表面から離れた位置に配置されたターゲットCに集光される。これにより、レーザ光Aが集光されたターゲットCがプラズマ化され、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物102の測定対象物102との間の空間を伝搬し、測定対象物102の測定対象領域へ入力される。測定対象物102に入力された超音波は測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物102の変化が内部測定部22にて測定される。ターゲットCとしては、金属、セラミック等が用いられる。
FIG. 5 shows a third ultrasonic wave generation method using a synchrotron radiation laser. This ultrasonic generation method is called a target breakdown method. The laser light A output from the laser
ターゲットブレークダウン法の特徴は、測定対象物102の表面に損傷が生ずることがない点にある。また、超音波の伝搬時間により測定物までの距離が測定可能である。また、発生可能な超音波の周波数は10MHz程度である。
The feature of the target breakdown method is that no damage occurs on the surface of the
なお、測定対象物102等に照射されたレーザ光Aを安全に拡散させるディフューザを用いてもよい。
Note that a diffuser that safely diffuses the laser beam A irradiated to the
図6Aに、直流放電を用いる場合についてのシステム構成を示す。直流放電を用いるシステムでは、図6Aに示すように、電源40、スイッチ42及び電極44を含んで構成される。
FIG. 6A shows a system configuration in the case of using DC discharge. As shown in FIG. 6A, the system using DC discharge includes a
電源40は、数100Vから数kVの直流電圧を発生させて出力する。電源40はコントローラ26により出力制御される。スイッチ42は、電源40から出力される電圧をオン/オフ制御し、電圧の電極44への供給を制御する。電極44は、測定対象物102の表面から離れた位置に配置される先端が尖った電極先端部44aを有する。
The
電源40からスイッチ42を介して電極44へ供給された電圧により、電極先端部44aと測定対象物102との間で放電が発生し、それに伴って超音波が発生する。発生した超音波は測定対象物102の測定対象領域を伝搬する。そして、超音波の伝搬に応じた測定対象物102の変化が内部測定部22にて測定される。
Due to the voltage supplied from the
直流放電を用いる方法の特徴は、放電発生時の電源電圧により電極先端部44aと測定対象物102との距離が求められる点ある。
A feature of the method using DC discharge is that the distance between the
なお、直流放電を用いる場合のシステム構成はこれに限定されるものではなく、直流放電により超音波を発生させることができるものであればよい。例えば、図6Bに示すように、測定対象物102の表面から離して配置した電極44aとターゲットCとの間で放電を起こし、それによって発生する超音波を測定対象物102の表面に供給するような方法であってもよい。
Note that the system configuration in the case of using DC discharge is not limited to this, and any system configuration that can generate ultrasonic waves by DC discharge is acceptable. For example, as shown in FIG. 6B, a discharge is caused between the
内部測定部22は、超音波励起部20により発生させられ測定対象物102へ供給された超音波によって測定対象物102に生じた変化を信号として取得する。内部測定部22は、例えば、光干渉計(レーザ干渉計)や圧電素子等を含んで構成することができる。 内部測定部22により測定対象物102から得られた信号はコントローラ26へ出力される。
The
光干渉計(レーザ干渉計)は、光源から出た光をハーフミラー等で2つ以上の光に分割し、別々の光路を通して再び重ね合わせ、その光路差により発生する干渉縞を信号として捉えて、その光路差に基づいて測定対象物102の表面形状や透過波面形状の変化を求めるものである。光干渉計は、光源(レーザ本体)、光の分割手段(ハーフミラー等)、光の重ね合わせ手段(ハーフミラー等)、検出手段(光電変換素子)を含んで構成することができる。なお、光干渉計については、周知技術であるので詳しい説明は省略する。
An optical interferometer (laser interferometer) divides light emitted from a light source into two or more lights by a half mirror, etc., and superimposes them again through separate optical paths, and captures interference fringes generated by the optical path difference as a signal. Based on the optical path difference, a change in the surface shape or transmitted wavefront shape of the
圧電素子は、外部から加えられる機械的振動を圧電効果(ピエゾ効果)により電圧に変換することで、測定対象物102の機械的な変動振動を電気的に検出するものである。圧電素子としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)等が挙げられる。また、複数の圧電素子を1次元のアレイ状又は2次元のマトリックス状に配置した圧電プローブを用いてもよい。なお、圧電素子については、周知技術であるので詳しい説明は省略する。
The piezoelectric element electrically detects mechanical fluctuation vibration of the
図7に、超音波励起部20と内部測定部22との配置の関係の一例を示す。図7に示す例では、超音波励起部20として放射用レーザを用い、内部測定部22としてレーザ干渉計を用いた場合を示している。放射用レーザによる超音波の発生位置とレーザ干渉計による測定位置とは測定対象物102を挟んで対向するように配置している。このような配置では、超音波励起部20により測定対象物102に与えられた超音波は測定対象物102の表面から裏面へと伝搬し、測定対象物102の裏面に現れる変化を内部測定部22によって測定する。
FIG. 7 shows an example of an arrangement relationship between the
図8に、超音波励起部20と内部測定部22との配置の関係の一例を示す。図8に示す例では、超音波励起部20として放射用レーザを用い、内部測定部22としてレーザ干渉計を用いた場合を示している。放射用レーザによる超音波の発生位置とレーザ干渉計による測定位置とは測定対象物102の表面側に配置している。このような配置では、超音波励起部20により測定対象物102に与えられた超音波は測定対象物102の表面から裏面へと伝搬し、さらに裏面で反射して表面へ伝搬し、測定対象物102の表面に現れる変化を内部測定部22によって測定する。
FIG. 8 shows an example of an arrangement relationship between the
なお、図7及び図8の超音波励起部20は直流放電方式等の他の方式に置き換えてもよい。また、図7及び図8の内部測定部22は圧電素子等の他の方式に置き換えてもよい。圧電素子を用いる場合には測定対象物102の表面又は裏面に圧電素子を接触させる構成とすればよい。
In addition, you may replace the
スキャニング部24は、測定対象物102における測定部位を変更する手段を含んで構成される。スキャニング部24は、コントローラ26によって制御され、測定対象物102の1つの測定部位の測定が終了すると、他の測定部位が測定可能となるように超音波励起部20、内部測定部22及び測定対象物102の少なくとも1つを他に対して相対的に移動させる。例えば、超音波励起部20及び内部測定部22を一体的に測定対象物102に対して相対的に移動させる機械的な機構を設けることによって測定部位を変更することができる。また、超音波励起部20及び内部測定部22の位置を固定し、測定対象物102を相対的に移動させる機械的な機構を設けることによって測定部位を変更することができる。さらに、超音波励起部20と内部測定部22とを分離して、少なくとも一方を測定対象物102に対して相対的に移動させる機械的な構成を設けてもよい。この場合、超音波励起部20と内部測定部22との相対的な位置も変更されるので、以下に述べる測定対象物102の内部の解析において信号を補正する必要がある。
The scanning unit 24 is configured to include means for changing a measurement site in the
コントローラ26は、測定装置100に含まれる超音波励起部20、内部測定部22及びスキャニング部24を統合的に制御する。また、内部測定部22から受信した信号に基づいて測定対象物102の構造や組成について解析する。解析方法については後述する。
The
なお、図9に示すように、測定装置100に表面形状測定部28及び裏面形状測定部29を設けることが好適である。表面形状測定部28及び裏面形状測定部29は、例えば、接触針をプローブとして用いる段差計やレーザ光をプローブとして用いるレーザ干渉計等を適用することができる。また、超音波励起部20又は内部測定部22にレーザ光を用いている場合には、表面形状測定部28及び裏面形状測定部29としてレーザ光を併用してもよい。なお、段差計やレーザ干渉計等の測定技術は周知であるので詳しい説明は省略する。表面形状測定部28及び裏面形状測定部29で測定された信号はコントローラ26に入力される。
As shown in FIG. 9, it is preferable to provide the surface
表面形状測定部28及び裏面形状測定部29を設けた場合、スキャニング部24は、表面形状測定部28及び裏面形状測定部29も測定対象物102に対して相対的に移動可能とすることが好適である。
When the front surface
超音波励起部20及び内部測定部22の配置と表面形状測定部28及び裏面形状測定部29の配置との空間的なずれがある場合は、コントローラ26は、測定部位と超音波励起部20及び内部測定部22によって測定される測定対象物102の内部の状態を示す信号と、表面形状測定部28及び裏面形状測定部29によって測定される測定対象物102の表面及び裏面の形状を示す信号と、の位置を補正して同一の測定部位から得られた信号を互いに対応付けする。
When there is a spatial deviation between the arrangement of the
<測定対象物の内部解析処理>
図10に、本発明の実施の形態における測定装置100で測定した超音波信号の測定例を示す。図10は、厚さ1.2mmの2枚の鋼をスポット溶接した部材を測定対象物102として、入射エネルギー4mJ及びパルス幅6nsのレーザ光を用いた表面ブレークダウン法において発生させた超音波を与え、測定対象物102を挟んで超音波発生部に対向する位置に配置した接触式圧電素子(帯域10MHz)を用いて測定対象物102の裏面の変形を測定したものである。
<Internal analysis processing of measurement object>
FIG. 10 shows a measurement example of an ultrasonic signal measured by the
図10の横軸は時間を示し、縦軸は圧電素子の出力電圧を示す。実線は測定対象物102にスポット溶接により形成されたナゲット部の中央近傍で測定を行った結果を示し、破線はナゲット部の周囲部で測定を行った結果を示す。また、測定対象物102の裏面に超音波が最初に到達した時刻を基準(0)としている。
The horizontal axis of FIG. 10 indicates time, and the vertical axis indicates the output voltage of the piezoelectric element. The solid line indicates the result of measurement performed near the center of the nugget portion formed by spot welding on the
ナゲット部が厚い中央近傍では、測定対象物102の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までは時間t1(0.85μ秒)となる。一方、ナゲット部が薄い周辺部では、測定対象物102の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までは時間t2(0.75μ秒)となる。すなわち、ナゲット部はナゲット部以外(母剤や熱影響部)よりも超音波の伝搬速度は遅く、ナゲット部がより厚い中央近傍の時間t1はナゲット部がより薄い周辺部の時間t2よりも長くなる。
In the vicinity of the center where the nugget portion is thick, the time t1 (0.85 μm) from the time when the ultrasonic wave first reaches the back surface of the
図11に、測定対象物102のナゲット部を通る直線上において測定位置を変えながら、各測定位置において測定対象物102の裏面に超音波が最初に到達した時刻から、裏面反射及び表面反射を経て次に裏面に超音波が到達する時刻までの時間txを測定した結果を破線で示す。なお、図11では、最も時間txが長い測定位置(ナゲット部の中央に相当)の時間txを1として、各位置の時間txを規格化している。また、表面形状測定部28及び裏面形状測定部29によって測定された表面及び裏面の形状に基づいて、測定対象物102の各測定位置の厚さの変化を算出した結果を一点鎖線で示す。なお、図11では、最も時間txが長い測定位置(ナゲット部の中央に相当)の厚さを1として、各測定位置の厚さの変化率を示している。
In FIG. 11, while changing the measurement position on a straight line passing through the nugget portion of the
コントローラ26は、各測定位置における時間txを厚さの変化率で補正する。すなわち、時間txは各測定位置におけるナゲット部とナゲット部以外(母剤や熱影響部)との厚さの比だけでなく、各測定位置における測定対象物102の厚さ自体にも影響を受ける。したがって、各測定位置における時間txを厚さの変化率で除算することにより時間txを厚さで規格化している。補正された時間txを実線で示す。
The
このようにして求めた厚さの変化率で補正した時間txが、時間txの最大値から所定の割合の範囲をナゲット部と判定する。所定の割合は、母材の材質、溶接の方法等の条件によって異なる。例えば、厚さの変化率で補正した時間txの変化が時間txの最大値から10%以下の範囲をナゲット部と判定する。 The time tx corrected by the thickness change rate thus determined is determined to be a nugget portion within a predetermined ratio from the maximum value of the time tx. The predetermined ratio depends on conditions such as the material of the base material and the welding method. For example, a range in which the change in the time tx corrected by the change rate of the thickness is 10% or less from the maximum value of the time tx is determined as the nugget portion.
また、図10に示すように、ナゲット部が厚い中央近傍ではナゲット部の薄い周辺部よりも超音波の減衰が大きく、中央部の信号の振幅は周辺部の信号の振幅よりも小さくなる。したがって、信号の振幅に基づいて測定対象物102の内部構造を解析することもできる。例えば、測定対象物102のナゲット部を通る直線上において測定位置を変えながら、各測定位置において測定対象物102の裏面に超音波が最初に到達した信号の振幅を測定し、その信号が小さいほど測定対象物102の厚さに対するナゲット部の厚さの比が大きく、その信号が大きいほど測定対象物102の厚さに対するナゲット部の厚さの比が小さいとして解析すればよい。
Further, as shown in FIG. 10, near the center where the nugget part is thick, the attenuation of the ultrasonic wave is larger than the peripheral part where the nugget part is thin, and the amplitude of the signal in the central part is smaller than the amplitude of the signal in the peripheral part. Therefore, the internal structure of the measuring
この場合も、コントローラ26は、各測定位置における信号の振幅値を厚さの変化率で補正することが好適である。すなわち、各測定位置における信号の振幅値を厚さの変化率で乗算することにより振幅値を厚さで規格化する。
Also in this case, the
なお、信号の振幅を利用する場合には、超音波励起部20から出力されるレーザ光のパワー値をパワーメータ34で測定し、コントローラ26はそのパワー値により信号の振幅を補正することが好適である。
When using the amplitude of the signal, it is preferable that the power value of the laser beam output from the
また、厚さの変化率に応じて時間txや振幅値の補正を行わなくとも数%の測定精度の低下がみられるだけであるので、高い解析精度を必要としない場合には補正処理は必ずしも行う必要はない。特に、測定対象物102の厚さの変化が小さい場合には必要性は低い。
Further, since only a few percent of the measurement accuracy is reduced without correcting the time tx and the amplitude value according to the rate of change in thickness, the correction process is not necessarily performed when high analysis accuracy is not required. There is no need to do it. In particular, when the change in the thickness of the
以上のように、本実施の形態によれば、溶接部のナゲット部等の測定対象物の内部の構造や組成を定量的に解析することができる。特に、レーザ光や直流放電を用いて超音波を発生させるので、測定の空間的分解能が高い。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to quantitatively analyze the internal structure and composition of the measurement object such as the nugget portion of the welded portion. In particular, since ultrasonic waves are generated using laser light or direct current discharge, the spatial resolution of measurement is high.
また、周波数帯域10MHz以下の超音波を用いるので、超音波励起部や内部測定部を小型化及び簡素化することができ、装置の製造コストや測定に掛かる費用を低減することができる。 Further, since ultrasonic waves having a frequency band of 10 MHz or less are used, the ultrasonic excitation unit and the internal measurement unit can be reduced in size and simplified, and the manufacturing cost of the apparatus and the cost required for measurement can be reduced.
また、金属組織界面からの反射を利用する測定方法よりも得られる信号のS/N比が大きく、測定を繰り返して信号を累積的に蓄積する必要がなく、測定時間を短縮することができる。 Further, the S / N ratio of the signal obtained is larger than that of the measurement method using reflection from the metal structure interface, and it is not necessary to accumulate the signal repeatedly by repeating the measurement, and the measurement time can be shortened.
10 ナゲット部、12 熱影響部、20 超音波励起部、22 内部測定部、24 スキャニング部、26 コントローラ、28 表面形状測定部、29 裏面形状測定部、30 レーザ本体、32 ハーフミラー、34 パワーメータ、36 集光レンズ、38 プリズム、40 電源、42 スイッチ、44 電極、44a 電極先端部、100 測定装置、102 測定対象物。 10 Nugget part, 12 Heat affected part, 20 Ultrasonic excitation part, 22 Internal measurement part, 24 Scanning part, 26 Controller, 28 Surface shape measurement part, 29 Back face shape measurement part, 30 Laser body, 32 Half mirror, 34 Power meter , 36 condenser lens, 38 prism, 40 power supply, 42 switch, 44 electrode, 44a electrode tip, 100 measuring device, 102 measuring object.
Claims (11)
前記測定物の内部を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定部と、
を備えることを特徴とする構造物内部の測定装置。 An ultrasonic excitation unit that generates ultrasonic waves by supplying light energy or electrical energy to the surface of the measurement object or in the vicinity of the surface; and
An internal measurement unit for measuring a signal generated by the ultrasonic wave propagated inside the measurement object;
A measuring device inside a structure, comprising:
前記超音波励起部は、前記測定物の表面にレーザ光を照射する放射用レーザ発生部を備え、
前記レーザ光を前記測定物の表面に照射することによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that irradiates the surface of the measurement object with laser light,
An apparatus for generating ultrasonic waves by irradiating the surface of the object with the laser light.
前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部を備え、
前記レーザ光により前記測定物の表面近傍の気体を電離させることによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light near the surface of the measurement object,
A measuring apparatus that generates ultrasonic waves by ionizing a gas near the surface of the measurement object with the laser light.
前記超音波励起部は、前記測定物の表面近傍にレーザ光を集光させる放射用レーザ発生部と、前記レーザ光が照射されるターゲット部材と、を備え、
前記レーザ光を前記ターゲット部材に照射することによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a radiation laser generating unit that condenses laser light near the surface of the measurement object, and a target member that is irradiated with the laser light,
A measuring apparatus that generates ultrasonic waves by irradiating the target member with the laser light.
前記超音波励起部は、前記測定物の表面との間で放電を発生させる放電電極と、前記放電電極に電圧を印加する放電電圧印加部と、を含む放電発生部を備え、
前記測定物の表面と前記放電電極との間に放電を起こさせることによって超音波を発生させることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 1,
The ultrasonic excitation unit includes a discharge generation unit including a discharge electrode that generates a discharge with the surface of the measurement object, and a discharge voltage application unit that applies a voltage to the discharge electrode.
A measuring apparatus for generating an ultrasonic wave by causing a discharge between a surface of the measurement object and the discharge electrode.
前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、
前記内部測定部で測定された信号と、前記表面形状測定部で測定された表面形状と、に基づいて前記測定物の内部の構造又は組織を求める演算部と、
を備えることを特徴とする測定装置。 It is a measuring device according to any one of claims 1 to 5,
A surface shape measuring unit for measuring the surface shape of the measurement object;
A calculation unit for obtaining an internal structure or tissue of the measurement object based on the signal measured by the internal measurement unit and the surface shape measured by the surface shape measurement unit;
A measuring apparatus comprising:
超音波を励起する位置、超音波によって発生する信号の検出位置及び測定物の少なくとも1つを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることを特徴とする測定装置。 A measuring device according to any one of claims 1-6,
Scanning means for changing the measurement target position of the measurement object by spatially moving at least one of a position for exciting the ultrasonic wave, a detection position of a signal generated by the ultrasonic wave, and the measurement object is provided. measuring device.
前記放射用レーザ発生部及び前記内部測定部のいずれか一方のみを空間的に移動させることによって前記測定物の測定対象位置を変更するスキャニング手段を備えることを特徴とする測定装置。 The measurement apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A measuring apparatus comprising: scanning means for changing a measurement target position of the object to be measured by spatially moving only one of the radiation laser generation unit and the internal measurement unit.
前記内部測定部は、前記測定物にレーザ光を照射する検出用レーザ発生部と、前記検出用レーザ発生部から前記測定物に照射され、前記測定物から反射したレーザ光を検出する検出部と、を含むレーザ干渉計を備えることを特徴とする測定装置。 A measuring apparatus according to any one of claims 1 to 8,
The internal measurement unit includes a detection laser generation unit that irradiates the measurement object with laser light, and a detection unit that detects the laser beam irradiated from the detection laser generation unit and reflected from the measurement object. A measurement apparatus comprising: a laser interferometer including:
前記放射用レーザ発生部と、前記検出部と、が前記測定物を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする測定装置。 The measuring device according to claim 9,
The measurement apparatus, wherein the radiation laser generation unit and the detection unit are arranged at positions facing each other with the measurement object interposed therebetween.
前記超音波発生ステップによって発生した超音波を前記測定物に供給し、前記測定物を伝搬した超音波によって生じた信号を測定する内部測定ステップと、
を備えることを特徴とする構造物内部の測定方法。 An ultrasonic generation step of generating ultrasonic waves by supplying light energy or electric energy to the surface of the measurement object or in the vicinity of the surface;
An internal measurement step of supplying the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generation step to the measurement object and measuring a signal generated by the ultrasonic wave propagated through the measurement object;
A method for measuring the inside of a structure, comprising:
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