JP2023052800A - 内部欠陥の検出方法及び内部欠陥の検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工材に、空洞のない未溶着部等の内部欠陥が存在する場合に、その存在を非破壊で検出できるようにすることを目的とする。【解決手段】内部欠陥の検出方法は、溶接された接合材１４（加工材）の既知の固有ひずみ分布から、接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を算出する算出ステップＳ１と、内部欠陥の検出の対象物である接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を計測する計測ステップＳ２と、算出ステップＳ１で算出した残留応力分布の計算値と、計測ステップＳ２で計測した残留応力分布の実測値とを比較し、内部欠陥の有無を判定する判定ステップＳ３と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内部欠陥の検出方法及び内部欠陥の検出装置に関する。

従来の非破壊検査方法を示すものとして、超音波探傷装置（特許文献１参照）や、放射線を用いた検査システム（特許文献２参照）が開示されている。

特開２０１６－６１７６０号公報 特開２０１７－２１９３８２号公報

上記した特許文献に係る非破壊検査方法は、検査対象の内部の空洞を特定する方法である。

しかしながら、溶接による接合時に生じる未溶着部のような欠陥で空洞が生じない場合は、従来の非破壊検査方法により検出することは困難であった。

本発明は、加工材に、空洞のない未溶着部等の内部欠陥が存在する場合に、その存在を非破壊で検出できるようにすることを目的とする。

第１の態様に係る内部欠陥の検出方法は、加工材の既知の固有ひずみ分布から、前記加工材の表面の残留応力分布を算出する算出ステップと、内部欠陥の検出の対象物である前記加工材の表面の残留応力分布を計測する計測ステップと、前記算出ステップで算出した残留応力分布の計算値と、前記計測ステップで計測した残留応力分布の実測値とを比較し、内部欠陥の有無を判定する判定ステップと、を有する。

この内部欠陥の検出方法は、力学的境界条件、幾何学的境界条件、材料特性のうち、どれか１つが未知である場合に、その未知の情報を他の情報を元に推定する方法である。具体的には、力学的境界条件として、残留応力の原因である固有ひずみが既知であり、材料特性（材質）がわかっている場合、加工材の残留応力分布は幾何学的境界条件に依存する。本方法は、計測した残留応力の値から未溶着部等の内部欠陥の有無を推定する。

加工材が、溶接された接合材である場合において、溶接揺動のない接合により固有ひずみ分布が溶接線方向に均一となる場合には、溶接時に接合材の端の一部を抜き取って固有ひずみ分布を調べることにより、接合材全体の固有ひずみ分布が明らかとなる。このため、接合材全域の残留応力分布を知ることができる。また、各種溶接方法と固有ひずみ分布との関係がデータベースとして得られている場合は、溶接条件に対する固有ひずみ分布がわかる。算出ステップでは、このような既知の固有ひずみ分布から、加工材の表面の残留応力分布を得ることができる。

計測ステップにおいて、内部欠陥の検出の対象物である加工材の表面の残留応力分布は、例えば市販の可搬型Ｘ線回折装置を用いることで、例えば溶接の現場でも非破壊に計測することができる。

判定ステップでは、既知である固有ひずみ分布から求めた加工材の表面の残留応力分布の計算値と、計測した残留応力分布の実測値が等しい場合に、加工材に未溶着部等の内部欠陥がなく、正しく接合されていると判定できる。また、既知である固有ひずみ分布から求めた加工材の表面の残留応力分布の計算値と、計測した残留応力分布の実測値にギャップがある場合には、どこかに未溶着部などの内部欠陥があると判定できる。

このように、この内部欠陥の検出方法によれば、内部欠陥の有無の判定を非破壊に行うことができる。

第２の態様は、第１の態様に係る内部欠陥の検出方法において、前記算出ステップでは、前記加工材の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した前記加工材の表面の残留応力分布を算出し、前記判定ステップでは、更に、前記算出ステップで算出した残留応力分布の中から、前記計測ステップで計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、前記内部欠陥の位置及び大きさを推定する。

この内部欠陥の検出方法では、算出ステップにおいて、加工材の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した加工材の表面の残留応力分布を算出する。

判定ステップでは、算出ステップで算出した残留応力分布の中から、計測ステップで計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算を行う。これにより、内部欠陥の位置及び大きさを推定することができる。

第３の態様に係る内部欠陥の検出装置は、加工材の既知の固有ひずみ分布から、前記加工材の表面の残留応力分布を算出する算出部と、内部欠陥の検出の対象物である前記加工材の表面の残留応力分布を計測する計測部と、前記算出部で算出した残留応力分布の計算値と、前記計測部で計測した残留応力分布の実測値とを比較し、内部欠陥の有無を判定する判定部と、を有する。

この内部欠陥の検出装置は、力学的境界条件、幾何学的境界条件、材料特性のうち、どれか１つが未知である場合に、その未知の情報を他の情報を元に推定する。具体的には、力学的境界条件として、残留応力の原因である固有ひずみが既知であり、材料特性（材質）がわかっている場合、加工材の残留応力分布は幾何学的境界条件に依存する。本検出装置は、計測した残留応力分布の実測値から未溶着部等の内部欠陥の有無を推定する。

加工材が、溶接された接合材である場合において、溶接揺動のない接合により固有ひずみ分布が溶接線方向に均一となる場合には、溶接時に接合材の端の一部を抜き取って固有ひずみ分布を調べることにより、接合材全体の固有ひずみ分布が明らかとなる。このため、接合材全域の残留応力分布を知ることができる。また、各種溶接方法と固有ひずみ分布との関係がデータベースとして得られている場合は、溶接条件に対する固有ひずみ分布がわかる。算出部では、このような既知の固有ひずみ分布から、加工材の表面の残留応力分布を得ることができる。

計測部としては、例えば市販の可搬型Ｘ線回折装置を用いることができる。この計測部により、内部欠陥の検出の対象物である加工材の表面の残留応力分布を非破壊に計測することができる。

判定部では、既知である固有ひずみ分布から求めた加工材の表面の残留応力分布の計算値と、計測した残留応力分布の実測値が等しい場合に、加工材に未溶着部等の内部欠陥がなく、正しく接合されていると判定できる。また、既知である固有ひずみ分布から求めた加工材の表面の残留応力分布の計算値と、計測した残留応力分布の実測値にギャップがある場合には、どこかに未溶着部などの内部欠陥があると判定できる。

このように、この内部欠陥の検出装置によれば、内部欠陥の有無の判定を非破壊に行うことができる。

第４の態様は、第３の態様に係る内部欠陥の検出装置において、前記算出部では、前記加工材の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した前記加工材の表面の残留応力分布を算出し、前記判定部では、更に、前記算出部で算出した残留応力分布の中から、前記計測部で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、前記内部欠陥の位置及び大きさを推定する。

この内部欠陥の検出装置では、算出部において、加工材の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した加工材の表面の残留応力分布を算出する。

判定部では、算出部で算出した残留応力分布の中から、計測部で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算を行う。これにより、内部欠陥の位置及び大きさを推定することができる。

本発明によれば、加工材に、空洞のない未溶着部等の内部欠陥が存在する場合に、その存在を非破壊で検出できるようにすることができる。

内部欠陥の検出装置を示すブロック図である。 （Ａ）は、表面側に余盛が形成された接合材を示す斜視図である。（Ｂ）は、余盛が削り落とされ、表面側が平坦に加工された接合材を示す斜視図である。（Ｃ）は、図２（Ｂ）の接合材を溶接部の中心で切断した片側を示す斜視図である。 図２（Ｃ）に示される接合材のＦＥＭモデル図である。 接合材における表面の残留応力の計測位置を示す平面図と、接合材の端面を示すＦＥＭモデル図である。 図４の各計測点における、残留応力分布の実測値と計算値との差の二乗平均平方根を示す線図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。図面において、矢印ＦＲは車両前方を示し、矢印ＵＰは車両上方を示し、矢印ＲＨは車両右方向を示している。

図１において、本実施形態に係る内部欠陥の検出装置１０は、算出部１１と、計測部１２と、判定部１３とを有している。

算出部１１は、加工材の一例としての溶接された接合材１４の既知の固有ひずみ分布から、接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を算出する、例えばコンピュータである。算出部１１は、例えば有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、接合材１４に内部欠陥の一例としての溶接欠陥がない場合の残留応力分布を算出する。これだけでなく、算出部１１は、任意の位置及び大きさの溶接欠陥を想定した接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布の計算値を算出可能とされている。この場合、算出部１１は、溶接欠陥の位置及び大きさを変化させながら、それぞれの条件での残留応力分布を求める。

接合材１４の固有ひずみ分布は、例えば、溶接欠陥がない接合材１４の端の一部１４Ｂ（図２（Ｂ））を抜き取って調べることで得ることができる。各種溶接方法と固有ひずみ分布との関係がデータベースとして得られている場合は、溶接条件に対する固有ひずみ分布を容易に得ることができる。

図２において、本実施形態における接合材１４は、例えば２枚の金属板１６，１８が突合せ溶接されたものである。図２（Ａ）では、溶接部２０に直線状に延びる溶接ビードが形成され、接合材１４の表面１４Ａ側に余盛が形成されている。図２（Ｂ）は、この余盛が削り落とされ、接合材１４の表面１４Ａ側が平坦に加工された状態を示している。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の接合材１４が溶接部２０の中心（一点鎖線Ｌ）で切断された片側、例えば金属板１８側を示している。

なお、溶接された接合材１４には、溶融溶接材、抵抗スポット溶接材、レーザースポット溶接材、プロジェクション溶接材、シーム溶接材が含まれる。

溶接欠陥とは、内部欠陥の一例であり、例えば溶接部２０に空洞を伴わずに形成される未溶着部や、溶接部２０に生じた空洞（空隙）等の溶接が不十分な部位である。本実施形態では、溶接欠陥の一例を未溶着部として説明する。

計測部１２は、接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を計測する部位である。計測部１２は、例えば市販の可搬型Ｘ線回折装置であってもよいし、固定型のＸ線回折装置であってもよい。

判定部１３は、算出部１１で算出した残留応力分布の計算値と、計測部１２で計測した残留応力分布の実測値とを比較し、溶接欠陥の有無を判定する、例えばコンピュータである。判定部１３は、更に、算出部１１で溶接欠陥の位置及び大きさを変化させながら算出した多くの残留応力分布の中から、計測部１２で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、溶接欠陥の位置及び大きさを推定してもよい。

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。本実施形態に係る内部欠陥の検出装置１０は、力学的境界条件、幾何学的境界条件、材料特性のうち、どれか１つが未知である場合に、その未知の情報を他の情報を元に推定する。具体的には、力学的境界条件として、残留応力の原因である固有ひずみが既知であり、材料特性（材質）がわかっている場合、接合材１４の残留応力分布は幾何学的境界条件に依存する。本検出装置は、計測した残留応力分布の実測値から、未溶着部等の溶接欠陥の有無を推定する。

溶接揺動のない接合材１４においては、固有ひずみ分布が溶接線方向に概ね均一となることがあるため、この場合には溶接時に接合材１４の端の一部１４Ｂ（図２（Ｂ））を抜き取って固有ひずみ分布を調べることにより、接合材１４全体の固有ひずみ分布が明らかとなる。このため、接合材１４全域の残留応力分布を知ることができる。また、各種溶接方法と固有ひずみ分布との関係がデータベースとして得られている場合は、溶接条件に対する固有ひずみ分布を容易に得ることができる。算出部１１では、このような既知の固有ひずみ分布から、接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を得ることができる。

計測部１２としては、例えば市販の可搬型Ｘ線回折装置を用いることができる。可搬型Ｘ線回折装置は、溶接の現場で計測を行う場合に好適である。なお、固定式のＸ線回折装置を用いてもよい。この計測部１２により、接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を非破壊に計測することができる。

判定部１３では、既知である固有ひずみ分布から求めた接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布の計算値と、計測した残留応力分布の実測値が等しい場合に、接合材１４に未溶着部等の欠陥がなく、正しく接合されていると判定できる。また、既知である固有ひずみ分布から求めた接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布の計算値と、計測した残留応力分布の実測値にギャップがある場合には、どこかに未溶着部などの溶接欠陥があると判定できる。

なお、算出部１１において、接合材１４の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの溶接欠陥を想定した接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を算出してもよい。この場合、溶接欠陥の位置及び大きさを変化させながら、それぞれの条件での残留応力分布を求める。

また、判定部１３では、算出部１１で溶接欠陥の位置及び大きさを変化させながら算出した多くの残留応力分布の中から、計測部１２で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算を行ってもよい。これにより、溶接欠陥の有無だけでなく、その位置及び大きさを推定することができる。

このように、内部欠陥の検出装置１０によれば、接合材１４における溶接欠陥の有無の判定を非破壊に行うことができる。一例として、スポット溶接材は、溶接面の反対側から見た際、目視では適切に溶着されているかどうかわからない場合がある。しかしながら、本実施形態によれば、スポット溶接材についても、適切に溶着されているかどうか非破壊で検査することができ、未溶着部がある場合にその位置及び大きさまで推定できる。

（内部欠陥の検出方法）
図１において、内部欠陥の検出方法は、溶接された接合材１４の既知の固有ひずみ分布から、接合材１４の表面１４Ａ（図２）の残留応力分布を算出する算出ステップＳ１と、接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を計測する計測ステップＳ２と、算出ステップＳ１で算出した残留応力分布の計算値と、計測ステップＳ２で計測した残留応力分布の実測値とを比較し、内部欠陥の有無を判定する判定ステップＳ３と、を有する。

算出ステップＳ１では、接合材１４の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した接合材１４の表面１４Ａの残留応力分布を算出してもよい。また、判定ステップＳ３では、更に、算出ステップＳ１で算出した残留応力分布の中から、計測ステップＳ２で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、内部欠陥の位置及び大きさを推定してもよい。

（試験例）
図３は、図２（Ｃ）に示される接合材１４のＦＥＭモデルを示している。図４は、接合材１４の表面１４Ａにおける残留応力の計測位置２２と、接合材１４の端面のＦＥＭモデルを示している。接合材１４は、長さが110mm、片側の幅が40mm、厚さが5mmである。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の原点が接合材１４の底面側、左側、手前側の角に設定されるとして、表面１４Ａから見て0≦y≦8mmの範囲が溶接部２０に相当する。これらの図に基づいて、内部欠陥の検出方法の具体例について述べる。

ここで、未溶着部２４（図４）が25mm≦x≦30mm、y=8mm、3mm≦z≦4mmの位置に生じていることが未知であるとする。接合材１４の固有ひずみ分布は既知である。算出ステップＳ１（図１）において、例えばy=8mm、3mm≦z≦4mm、15mm≦x≦100mm（5mm刻み）の位置に未溶着部が生じている場合の接合材１４の表面１４Ａ（y=10mm、z=5mm）の残留応力分布をそれぞれ算出する。この残留応力は、ｘ方向の複数の計測位置２２で算出する。具体的には、x=10mm、x=20mm、x=30mm、x=40mm、x=50mm、x=60mm、x=70mm、x=80mm、x=90mm及びx=100mmの位置で、残留応力を算出する。その計算値は、表１及び表２に示される通りである。表１及び表２においてσxはｘ軸方向の残留応力を示し、σyはｙ軸方向の残留応力を示している。

一方、計測ステップＳ２（図１）において、残留応力分布を測定し、各々の計測位置２２の実測値を求める。残留応力の計算値と実測値とは、互いに比較することができる。判定ステップＳ３において、実測値が未溶着部なしの計算値と異なっていれば、接合材１４に未溶着部が存在することが推定できる。また、判定ステップＳ３において、計算値と実測値の差の二乗平均平方根（ＲＭＳ：Root Mean Square）を得ることも可能である。算出ステップＳ１（図１）において、未溶着部が生じていると考えられる箇所を変えた場合、つまり未溶着部の位置条件を変えた場合の残留応力分布を多数計算しておき、実測値との違い（ＲＭＳ）が一番小さい位置条件を選ぶことにより、未溶着部の位置を推定することができる。

図５には、未溶着部の位置を15mm≦x≦20mm（x=17.5mm）、20mm≦x≦25mm（x=22.5mm）、25mm≦x≦30mm（x=27.5mm）、30mm≦x≦35mm（x=32.5mm）、35mm≦x≦40mm（x=37.5mm）、40mm≦x≦45mm（x=42.5mm）のように変化させた際のy=10mm、z=5mmの位置における残留応力分布の実測値と計算値との差のＲＭＳが示されている。この図では、25mm≦x≦30mm（x=27.5mm）において、ＲＭＳが 0 MPaとなっている。つまり、25mm≦x≦30mm、y=8mm、3mm≦z≦4mmの位置に未溶着部が生じているとした場合の計算値が、実測値に最も近いことになる。これより、未溶着部２４の位置は、25mm≦x≦30mm（x=27.5mm）、y=8mm、3mm≦z≦4mmであることがわかる。

このように、算出部１１で溶接欠陥の位置及び大きさを変化させながら算出した多くの残留応力分布の中から、計測部１２で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、溶接欠陥の位置及び大きさを推定することができる。

本実施形態は、幾何学的境界条件を決定するアプローチであるため、必ずしも未溶着部の検出だけに留まるものではなく、内部形状の未知な構造物の寸法評価にも応用することができる。例えば、次の通りである。

（溶接構造物の品質評価）
新幹線の台車や航空機材料など、人命に直結する分野では安全性に対する要求が高い。そのため、比較的高度な品質保証が要求される。溶接部に未溶着部が存在すると、未溶着部は一種のき裂とみなすことができるため、き裂により応力が拡大され、き裂進展速度が比較的大きくなるという問題がある。本実施形態により、品質を非破壊に評価することができることで、新幹線や自動車などの高度な安全性が要求される構造物に対して、より一層の信頼性を確保することができる。

（工業製品の内部欠陥の非破壊検出）
本実施形態は、残留応力の原因となる非弾性ひずみ分布が既知の場合に、対象物の幾何学境界条件を求める方法であり、内部形状についても特定することができる。また、本実施形態によれば、接合材の形状に依存せずに溶接欠陥を検出可能であるので、超音波計測が比較的困難な形状であっても、検査が可能である。更に、部材の表面からはわからない内部の剥離についても、超音波計測は難しいと考えられるが、本実施形態によればその検出が可能である。また、溶接部に生じた空隙についても特定することも可能である。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

加工材は溶接された接合材１４に限られず、圧接材、表面改質材、塑性加工材、局所入熱加工材（撓鉄）、熱処理材、強加工材等も含まれる。圧接材には、摩擦攪拌接合材、重ね抵抗溶接材、突き合わせ抵抗溶接材が含まれる。表面改質材には、ピーニング加工材、浸炭材、窒化材、溶射材、スパッタ皮膜材が含まれる。塑性加工材には、冷間加工材、熱間加工材が含まれる。そして、熱処理材には、焼き入れ材、焼き戻し材、焼きなまし材が含まれる。上記実施形態では、このような各種加工材の内部欠陥を検出することが可能である。

１０ 内部欠陥の検出装置
１１ 算出部
１２ 計測部
１３ 判定部
１４ 接合材（加工材）
１４Ａ 表面
２４ 未溶着部（内部欠陥）
Ｓ１ 算出ステップ
Ｓ２ 計測ステップ
Ｓ３ 判定ステップ

Claims (4)

1. 加工材の既知の固有ひずみ分布から、前記加工材の表面の残留応力分布を算出する算出ステップと、
   内部欠陥の検出の対象物である前記加工材の表面の残留応力分布を計測する計測ステップと、
   前記算出ステップで算出した残留応力分布の計算値と、前記計測ステップで計測した残留応力分布の実測値とを比較し、内部欠陥の有無を判定する判定ステップと、
   を有する内部欠陥の検出方法。
2. 前記算出ステップでは、前記加工材の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した前記加工材の表面の残留応力分布を算出し、
   前記判定ステップでは、更に、前記算出ステップで算出した残留応力分布の中から、前記計測ステップで計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、前記内部欠陥の位置及び大きさを推定する請求項１に記載の内部欠陥の検出方法。
3. 加工材の既知の固有ひずみ分布から、前記加工材の表面の残留応力分布を算出する算出部と、
   内部欠陥の検出の対象物である前記加工材の表面の残留応力分布を計測する計測部と、
   前記算出部で算出した残留応力分布の計算値と、前記計測部で計測した残留応力分布の実測値とを比較し、内部欠陥の有無を判定する判定部と、
   を有する内部欠陥の検出装置。
4. 前記算出部では、前記加工材の既知の固有ひずみ分布から、任意の位置及び大きさの内部欠陥を想定した前記加工材の表面の残留応力分布を算出し、
   前記判定部では、更に、前記算出部で算出した残留応力分布の中から、前記計測部で計測した残留応力分布の実測値に近いものを見つけ出す最適計算により、前記内部欠陥の位置及び大きさを推定する請求項３に記載の内部欠陥の検出装置。
   

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