JP2014185945A

JP2014185945A - 超音波検査装置、および超音波検査方法

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Publication number: JP2014185945A
Application number: JP2013061142A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Morioka; 友子森岡; Naotada Okada; 直忠岡田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: KR101912972B1; KR20140115966A; US9714924B2; JP6030013B2; US20140283610A1; CN104062358A; CN104062358B

Abstract

【課題】溶接部の寸法を簡易に検出することができる超音波検査装置、および超音波検査方法を提供することである。
【解決手段】実施形態に係る超音波検査装置は、第１の部材にレーザ光を照射して超音波振動を生起させる振動生起部と、溶接部を介し、前記第１の部材より第２の部材に伝播された超音波振動を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記伝播された超音波振動を解析する解析部と、を備えている。
そして、前記解析部は、前記第２の部材の厚み方向の変位が最大となる際の前記検出部により検出された超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかを求め、予め求められた、前記第２の部材の前記第１の部材の側の面の位置における溶接部の断面寸法と、前記超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかと、の相関関係から前記溶接部の断面寸法を求める。
【選択図】図１

Description

後述する実施形態は、概ね、超音波検査装置、および超音波検査方法に関する。

検査対象にレーザ光を照射して検査対象に超音波振動を生起させ、検査対象を伝播する超音波振動を解析することで検査対象の内部状態を検査する超音波検査方法がある。
そして、母材が共振する周波数を予め求めておき、超音波振動を発生させる位置と超音波振動を検出する位置とを走査し、母材が共振する周波数よりも低い周波数で共振する領域の寸法を走査位置から求め、求められた領域の寸法を溶接部の寸法とする技術が提案されている。
しかしながら、超音波検査方法が煩雑となったり、超音波検査装置が複雑となったりするおそれがある。
そのため、溶接部の寸法を簡易に検出することができる技術の開発が望まれていた。

特開２０１１−５８９３７号公報

本発明が解決しようとする課題は、溶接部の寸法を簡易に検出することができる超音波検査装置、および超音波検査方法を提供することである。

実施形態に係る超音波検査装置は、第１の部材にレーザ光を照射して超音波振動を生起させる振動生起部と、溶接部を介し、前記第１の部材より第２の部材に伝播された超音波振動を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記伝播された超音波振動を解析する解析部と、を備えている。
そして、前記解析部は、前記第２の部材の厚み方向の変位が最大となる際の前記検出部により検出された超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかを求め、予め求められた、前記第２の部材の前記第１の部材の側の面の位置における溶接部の断面寸法と、前記超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかと、の相関関係から前記溶接部の断面寸法を求める。

本実施の形態に係る超音波検査装置１を例示するための模式図である。（ａ）〜（ｄ）は、超音波振動が伝播する様子を例示するための模式図である。レーザ光Ｌ２が照射された位置に到達した超音波振動を周波数解析したものの一例を例示するためのグラフ図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る超音波検査装置１を例示するための模式図である。

まず、検査対象１００について説明する。
図１に示すように、検査対象１００は、部材１０１（第１の部材の一例に相当する）と部材１０２（第２の部材の一例に相当する）とを重ね合わせた部分において溶接したものである。例えば、部材１０１と部材１０２とをプラグ溶接（plug weld）またはスロット溶接（slot weld）したものである。
溶接された部分は、溶接部１０３として表している。

また、超音波振動を検出する側の部材（図１に例示をしたものの場合は部材１０２）の超音波振動を発生させる側の部材（図１に例示をしたものの場合は部材１０１）の側の面（図１に例示をしたものの場合は面１０２ａ）の位置における溶接部１０３の断面寸法をＷとしている（以下、単に溶接部１０３の断面寸法Ｗと称する）。

なお、図１においては、部材１０１と部材１０２との間に隙間が設けられているが、部材１０１と部材１０２とが接触していてもよい。
部材１０１および部材１０２の材料には、特に限定はない。部材１０１および部材１０２の材料は、例えば、金属や樹脂などとすることができる。

ここで、溶接部１０３が適正な強度を有するか否かを検査する場合がある。この場合、溶接部１０３のうち、プラグまたはスロットが設けられた部材１０２の側は、溶接の状態を外部から観察することができる。
しかしながら、溶接部１０３のうち、部材１０１と部材１０２との間に形成された部分は、溶接の状態を外部から観察することができない。
そして、外部から観察することができない溶接部１０３の断面寸法Ｗは、溶接強度の適否に大きな影響を及ぼす。
そのため、外部から観察することができない溶接部１０３の断面寸法Ｗを検出することができれば、溶接強度の適否の判定を行うことができる。
本実施の形態に係る超音波検査装置１は、後述するように、溶接部１０３の断面寸法Ｗを簡易に検出することができる。またさらに、検出された溶接部１０３の断面寸法Ｗと、予め求められた閾値と、に基づいて溶接強度の適否を判定することができる。

次に、図１に戻って、超音波検査装置１について例示をする。
超音波検査装置１には、振動生起部２、検出部５、解析部９、および制御部１４が設けられている。
振動生起部２は、部材１０１にレーザ光Ｌ１を照射して部材１０１に超音波振動を生起させる。
振動生起部２には、レーザ光源３と照射ヘッド４が設けられている。

レーザ光源３は、高エネルギーで且つ時間変調されたレーザ光Ｌ１を出射可能なものとすることができる。レーザ光源３は、例えば、パルスレーザ光源とすることができる。レーザ光源３には、例えば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、チタンサファイアレーザ、エキシマレーザなどのパルス発振が可能なレーザを用いることができる。
ただし、レーザ光源３は、例示をしたものに限定されるわけではなく、検査対象１００に超音波振動を生起させることができるものであればよい。

照射ヘッド４は、光ファイバ１３ａを介してレーザ光源３と接続されている。照射ヘッド４は、レーザ光源３から出射されたレーザ光Ｌ１を部材１０１の表面に照射する。照射ヘッド４は、レーザ光Ｌ１を集光させる図示しない光学要素（例えば、レンズなど）を有したものとすることができる。

なお、照射ヘッド４とレーザ光源３とが光ファイバ１３ａを介して接続される場合を例示したが、これに限定されるわけではない。照射ヘッド４とレーザ光源３とが光学的に接続されていればよい。

検出部５は、部材１０１と重ね合わされた部分において部材１０１と溶接された部材１０２に伝播された超音波振動を検出する。すなわち、検出部５は、振動生起部２により生起され、部材１０１から溶接部１０３を介して部材１０２に伝播した超音波振動を検出する。
また、検出部５は、検出された超音波振動を電気信号に変換する。
検出部５は、例えば、レーザ干渉計とすることができる。
検出部５には、レーザ光源６、ヘッド７、および変換部８が設けられている。

レーザ光源６には、例えば、半導体レーザを用いることができる。
ヘッド７は、光ファイバ１３ｂを介してレーザ光源６と接続されている。また、ヘッド７は、光ファイバ１３ｃを介して変換部８と接続されている。なお、光ファイバ１３ｂ、１３ｃによる接続に限定されるわけではなく、光学的に接続されていればよい。

ヘッド７は、レーザ光源６から出射されたレーザ光Ｌ２を部材１０２の表面に照射する。また、ヘッド７は、部材１０２の表面からの反射光Ｌ３を受光する。ヘッド７は、レーザ光Ｌ２、Ｌ３を集光させる図示しない光学要素（例えば、レンズなど）を有したものとすることができる。

部材１０２の表面の位置の変化（部材１０２の厚み方向の変位）により、反射光Ｌ３の光路長が変化する。そのため、レーザ光源６から出射されヘッド７内の反射面（参照面）で反射したレーザ光Ｌ２（参照光）と、部材１０２の表面からの反射光Ｌ３とをヘッド７内において干渉させることで干渉光を生じさせることができる。

干渉光の強度は、ヘッド７内の反射面から部材１０２の表面までの距離により変化する。そのため、干渉光の強度の変化により、部材１０２の厚み方向の変位量を検出することができる。
そして、検出部５は、経過時間に対する干渉光の強度の変化（経過時間に対する部材１０２の厚み方向の変位）を検出することで、部材１０２に伝播された超音波振動を検出する。

変換部８は、検出部５により検出された超音波振動を電気信号に変換する。変換部８は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）などの固体撮像素子を備えたものとすることができる。
なお、検出部５がレーザ干渉計である場合を例示したが、これに限定されるわけではない。部材１０２に伝播された超音波振動を検出できるものであればよい。例えば、検出部５は、圧電素子を備えたものとすることもできる。
ただし、検出部５をレーザ干渉計などの非接触で検出が可能なものとすれば、検査対象に対する適用範囲を拡げることができる。

解析部９は、検出部５により検出された超音波振動を解析する。
例えば、解析部９は、検出部５により検出された超音波振動に基づいて溶接部１０３の断面寸法Ｗを求める。またさらに、解析部９は、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗに基づいて溶接強度の適否を判定する。
解析部９には、演算部１０、判定部１１、および表示部１２が設けられている。

演算部１０は、検出部５により検出された超音波振動に基づいて溶接部１０３の断面寸法Ｗを演算する。
演算部１０は、例えば、レーザ光Ｌ２が照射された位置に到達した超音波振動の周波数解析を行うことで、溶接部１０３の断面寸法Ｗを演算する。超音波振動の周波数解析は、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて行うことができる。

例えば、解析部９に設けられた演算部１０は、部材１０２の厚み方向の変位が最大となる際の検出部５により検出された超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかを求める。そして、予め求められた、溶接部の断面寸法Ｗと、超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかと、の相関関係から溶接部の断面寸法Ｗを求める。
なお、溶接部１０３の断面寸法Ｗの求め方に関する詳細は後述する。

判定部１１は、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗに基づいて溶接強度の適否を判定する。例えば、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗが予め定められた閾値よりも長い場合には、溶接強度が適正であると判定することができる。これに対して、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗが予め定められた閾値よりも短い場合には、溶接強度が不適正であると判定することができる。なお、閾値は、溶接部１０３の断面寸法Ｗと溶接強度との関係を実験やシミュレーションなどを行うことで決定することができる。

表示部１２は、演算部１０により求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗや、判定部１１による溶接強度の判定結果を表示する。表示部１２は、例えば、液晶表示装置などとすることができる。

制御部１４は、レーザ光源３とレーザ光源６を制御する。制御部１４は、例えば、レーザ光源３からのレーザ光Ｌ１の出射や、レーザ光Ｌ１の出射の停止などを制御する。制御部１４は、例えば、レーザ光源６からのレーザ光Ｌ２の出射や、レーザ光Ｌ２の出射の停止などを制御する。

次に、超音波検査装置１の作用とともに、本実施の形態に係る超音波検査方法について例示をする。
まず、制御部１４により、レーザ光源３からレーザ光Ｌ１を出射させる。レーザ光源３から出射したレーザ光Ｌ１は、光ファイバ１３ａを介して照射ヘッド４に入射する。照射ヘッド４に入射したレーザ光Ｌ１は、部材１０１の表面に照射される。部材１０１の表面にレーザ光Ｌ１が照射されると、部材１０１の表面に熱歪みなどが発生し、部材１０１に高周波弾性波（超音波）が発生する。すなわち、超音波振動が発生する。発生した超音波振動は、部材１０１を伝播し、溶接部１０３を介して部材１０２に伝播する。

図２（ａ）〜（ｄ）は、超音波振動が伝播する様子を例示するための模式図である。
図２（ａ）は、図１中のＡ部における超音波振動を例示するための模式図である。
図２（ｂ）は、図１中のＢ部における超音波振動を例示するための模式図である。
図２（ｃ）は、図１中のＣ部における超音波振動を例示するための模式図である。
図２（ｄ）は、図１中のＤ部における超音波振動を例示するための模式図である。

図２（ａ）に示すように、部材１０１におけるレーザ光Ｌ１が照射された位置（図１中におけるＡ部）においては、様々な波長（周波数）を有する超音波振動が発生する。
次に、部材１０１におけるレーザ光Ｌ１が照射された位置において発生した超音波振動は、部材１０１を伝播する。この際、短い波長を有する（高い周波数を有する）超音波振動は、伝播がし難いという性質を有する。

そのため、図２（ｂ）に示すように、部材１０１における溶接部１０３の近傍の位置（図１中におけるＢ部）には、比較的長い波長を有する（比較的低い周波数を有する）超音波振動のみが到達する。

そして、超音波振動が溶接部１０３を通過して部材１０２に到達する際には、長い波長を有する（低い周波数を有する）超音波振動は、溶接部１０３を通過し難いという性質を有する。
そのため、図２（ｃ）に示すように、部材１０２における溶接部１０３の近傍の位置（図１中におけるＣ部）には、部材１０１における溶接部１０３の近傍の位置に到達した超音波振動のうち短い波長を有する（高い周波数を有する）超音波振動のみが到達する。

ここで、本発明者らの得た知見によれば、溶接部１０３の断面寸法Ｗが変化すると、溶接部１０３を通過することができる超音波振動の波長（周波数）が変化することが判明した。すなわち、溶接部１０３の断面寸法Ｗが短くなるほど、溶接部１０３を通過することができる超音波振動の波長が短く（周波数が高く）なることが判明した。

部材１０２における溶接部１０３の近傍の位置に到達した超音波振動は、部材１０２を伝播する。この際、短い波長を有する（高い周波数を有する）超音波振動は、伝播がし難いという性質を有する。

そのため、図２（ｄ）に示すように、部材１０２におけるレーザ光Ｌ２が照射された位置（図１中におけるＤ部）には、溶接部１０３を通過した超音波振動のうち、長い波長を有する（低い周波数を有する）超音波振動のみが到達する。

すなわち、以上に説明したように、溶接部１０３の断面寸法Ｗが変化すると、レーザ光Ｌ２が照射された位置に到達する超音波振動の波長や周波数が変化する。
そのため、レーザ光Ｌ２が照射された位置に到達した超音波振動の波長や周波数を解析することで、溶接部１０３の断面寸法Ｗを求めることができる。また、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗに基づいて、溶接強度の適否を判定することができる。

図３は、レーザ光Ｌ２が照射された位置に到達した超音波振動を周波数解析したものの一例を例示するためのグラフ図である。
図３は、レーザ光Ｌ２が照射された位置に到達した超音波振動を高速フーリエ変換を用いて周波数解析したものである。
図３中のＳ１は溶接部１０３の断面寸法Ｗが１ｍｍの場合、Ｓ２は溶接部１０３の断面寸法Ｗが０．５ｍｍの場合、Ｓ３は溶接部１０３の断面寸法Ｗが０．１ｍｍの場合である。

前述したように、溶接部１０３の断面寸法Ｗが短くなるほど、溶接部１０３を通過することができる超音波振動の周波数が高くなる。
そのため、図３に示すように、溶接部１０３の断面寸法Ｗに応じて周波数特性が変化する。そして、溶接部１０３の断面寸法Ｗが変化すると、部材１０２の厚み方向の変位が最大となる周波数が変化することが分かる。例えば、溶接部１０３の断面寸法Ｗが１ｍｍの場合には、周波数Ｆ１において部材１０２の厚み方向の変位が最大となる。溶接部１０３の断面寸法Ｗが０．５ｍｍの場合には、周波数Ｆ２において部材１０２の厚み方向の変位が最大となる。溶接部１０３の断面寸法Ｗが０．１ｍｍの場合には、周波数Ｆ３において部材１０２の厚み方向の変位が最大となる。

つまり、溶接部１０３の断面寸法Ｗと、部材１０２の厚み方向の変位が最大となる周波数との関係を予め実験やシミュレーションにより求めておけば、部材１０２の厚み方向の変位が最大となる周波数を検出することで溶接部１０３の断面寸法Ｗの寸法を求めることができる。例えば、周波数Ｆ１において部材１０２の厚み方向の変位が最大となれば、溶接部１０３の断面寸法Ｗは１ｍｍであることが分かる。例えば、周波数Ｆ２において部材１０２の厚み方向の変位が最大となれば、溶接部１０３の断面寸法Ｗは０．５ｍｍであることが分かる。例えば、周波数Ｆ３において部材１０２の厚み方向の変位が最大となれば、溶接部１０３の断面寸法Ｗは０．１ｍｍであることが分かる。

そして、この様にして求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗに基づいて溶接強度の適否を判定することができる。例えば、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗが予め定められた閾値よりも長い場合には、溶接強度が適正であると判定することができる。これに対して、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗが予め定められた閾値よりも短い場合には、溶接強度が不適正であると判定することができる。閾値は、溶接部１０３の断面寸法Ｗと溶接強度との関係を実験やシミュレーションなどを行うことで決定することができる。
なお、溶接部１０３の断面寸法Ｗが小さくなれば厚み方向の変位が小さくなることを利用して、ピーク周波数において厚み方向の変位が予め定められた閾値を超える場合には、適正であると判断することもできる。

なお、以上は、周波数に基づいて溶接部１０３の断面寸法Ｗを求めたり、溶接強度の適否を判定したりする場合であるが、例えば、波長に基づいて溶接部１０３の断面寸法Ｗを求めたり、溶接強度の適否を判定したりすることもできる。

以上に例示をしたように、本実施の形態に係る超音波検査方法は、部材１０１にレーザ光を照射して超音波振動を生起させる工程と、部材１０１と重ね合わされた部分において部材１０１と溶接された部材１０２に伝播された超音波振動を検出する工程と、部材１０２の厚み方向の変位が最大となる際の検出された超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかを求め、予め求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗと、超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかと、の相関関係から溶接部Ｗの断面寸法を求める工程と、を備えている。

この場合、部材１０２に伝播された超音波振動を検出する工程において、部材１０１にレーザ光を照射することで生起され、部材１０１から溶接部１０３を介して部材１０２に伝播した超音波振動を検出する。
また、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗと、予め求められた閾値と、に基づいて溶接強度の適否を判定する工程をさらに備えることができる。

また、本発明者らの得た知見によれば、部材１０２の厚み方向の変位が最大となる際の超音波振動の周波数をＦ、溶接部１０３の断面寸法をＷ、伝播する超音波振動の速度をＶとした場合に、Ｖ／５Ｗ≦Ｆ≦Ｖ／Ｗとなることが判明した。

なお、以上においては、部材１０１と部材１０２とをプラグ溶接、またはスロット溶接した場合を例示したが、部材１０１と部材１０２とをスポット溶接した場合にも適用することができる。

本実施の形態に係る超音波検査装置、および超音波検査方法１によれば、部材１０１にレーザ光Ｌ１を照射し、溶接部１０３を介して部材１０２に伝播した超音波振動の周波数や波長を解析することで、溶接部１０３の断面寸法Ｗを求めることができる。また、求められた溶接部１０３の断面寸法Ｗに基づいて溶接強度が適正であるか否かを判定することができる。
すなわち、溶接部１０３の断面寸法Ｗを簡易に検出することができる。またさらに、溶接強度が適正であるか否かを簡易に判定することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１超音波検査装置、２振動生起部、３レーザ光源、４照射ヘッド、５検出部、６レーザ光源、７ヘッド、８変換部、９解析部、１０演算部、１１判定部、１２表示部、１３ａ〜１３ｃ光ファイバ、１４制御部、１００検査対象、１０１部材、１０２部材、１０３溶接部、Ｌ１〜Ｌ３レーザ光、Ｗ断面寸法

Claims

第１の部材にレーザ光を照射して超音波振動を生起させる振動生起部と、
溶接部を介し、前記第１の部材より第２の部材に伝播された超音波振動を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記伝播された超音波振動を解析する解析部と、
を備え、
前記解析部は、前記第２の部材の厚み方向の変位が最大となる際の前記検出部により検出された超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかを求め、予め求められた、前記第２の部材の前記第１の部材の側の面の位置における溶接部の断面寸法と、前記超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかと、の相関関係から前記溶接部の断面寸法を求める超音波検査装置。
前記第２の部材の厚み方向の変位が最大となる際の前記検出部により検出された超音波振動の周波数をＦ、前記溶接部の断面寸法をＷ、伝播する前記超音波振動の速度をＶとした場合に、以下の式を満足する請求項１記載の超音波検査装置。
Ｖ／５Ｗ≦Ｆ≦Ｖ／Ｗ
前記検出部は、前記振動生起部により生起され、前記第１の部材から前記溶接部を介して前記第２の部材に伝播した前記超音波振動を検出する請求項１または２に記載の超音波検査装置。
前記解析部は、求められた前記溶接部の断面寸法と、予め求められた閾値と、に基づいて溶接強度の適否を判定する請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波検査装置。
前記溶接部は、プラグ溶接、スロット溶接、およびスポット溶接からなる群より選ばれた少なくとも１種により形成された請求項１〜４のいずれか１つに記載の超音波検査装置。
第１の部材にレーザ光を照射して超音波振動を生起させる工程と、
溶接部を介し、前記第１の部材より第２の部材に伝播された超音波振動を検出する工程と、
前記第２の部材の厚み方向の変位が最大となる際の前記検出された超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかを求め、予め求められた、前記第２の部材の前記第１の部材の側の面の位置における溶接部の断面寸法と、前記超音波振動の周波数および波長の少なくともいずれかと、の相関関係から前記溶接部の断面寸法を求める工程と、
を備えた超音波検査方法。
前記第２の部材の厚み方向の変位が最大となる際の前記検出された超音波振動の周波数をＦ、前記溶接部の断面寸法をＷ、伝播する前記超音波振動の速度をＶとした場合に、以下の式を満足する請求項６記載の超音波検査方法。
Ｖ／５Ｗ≦Ｆ≦Ｖ／Ｗ
前記溶接部を介し、前記第１の部材より第２の部材に伝播された超音波振動を検出する工程において、
前記第１の部材にレーザ光を照射することで生起され、前記第１の部材から前記溶接部を介して前記第２の部材に伝播した前記超音波振動を検出する請求項６または７に記載の超音波検査方法。
求められた前記溶接部の断面寸法と、予め求められた閾値と、に基づいて溶接強度の適否を判定する工程をさらに備えた請求項６〜８のいずれか１つに記載の超音波検査方法。
前記溶接部は、プラグ溶接、スロット溶接、およびスポット溶接からなる群より選ばれた少なくとも１種により形成された請求項６〜９のいずれか１つに記載の超音波検査方法。