JP4187818B2

JP4187818B2 - 溶接状態の検査方法

Info

Publication number: JP4187818B2
Application number: JP04383698A
Authority: JP
Inventors: 弘一石原; 利雄小播
Original assignee: Sanyo Machine Works Ltd
Current assignee: Sanyo Machine Works Ltd
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JPH10296481A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接やアーク溶接により板状の材料を突合せ溶接したときの溶接部の状態を検査する方法に関する。より詳しくは、溶込み等の溶接状態の良否を判定する目安となるべき溶接方向に直交する断面における溶接ビードの有効な幅寸法を求める方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
一対のワークをレーザ溶接法やアーク溶接法で突合せ溶接したときに形成されるビードの形状から溶接状態の良否を判定するための項目には様々なものがあるが、最も良く知られているものはビード裏側の状態を観察するものである。これは板状の材料の突合せ溶接においては、溶接状態の良否を決める特性の最重要なものの一つにビードの溶け込み深さがあり、板厚方向への貫通状況を裏面のビードの幅を目視あるいは何らかの方法で観察をして判定しようとするものである。しかし、突合せ溶接においては通常は板状のワークを裏面側からクランプして溶接することから、ビードの裏面を観察することは同一の工程においては困難な場合が多い。多くの場合にビードの溶込み深さはビードの幅と正の相関関係を示すことが知られており、ビードの幅を管理することができれば溶込みの異常を検知することが可能であることが類推される。
【０００３】
例えば、溶接にレーザを用いる場合、レーザ出力が適正値より低出力であるとビードの溶込み深さが不十分となるが、この場合にはビードの幅が小さくなることが多く、更にはレーザ出力以外にも、レーザ溶接時に発生するプラズマの影響によるエネルギー損失やトーチ角度の不正等による溶接不良などもビードの幅に影響を及ぼすことが経験的に分かっている。
【０００４】
ビード幅の測定にはいろいろな方法が考えられるが、正確にその値を出すことは容易ではない。例えば、目視観察や撮影された画像のコントラストによりビード幅を得ようとしても、溶接部周辺は変色やスス、微細粒子等の付着により母材と溶接部の境界が明らかではない。よって、断面の形状プロファイルを用いて何らかの値を得ようとする試みがなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ビードの溶接方向に直交する断面の形状は、ビードにスリット光を照射してその反射光を観察する光切断法（特開昭４９−３９４４５号等）や、スポット光をビードに直角方向に走査させて距離センサで計測する方法等によって測定することが可能である。しかし、このようにして測定されたビードの断面形状から、溶込みと相関関係を持った値としてのビード幅を正確に割り出すことは難しい。
【０００６】
すなわち、ワークの表面に形成されたビードの表面は不定形な曲面であって、母材と溶接部の境界が必ずしも明確ではなく、そのため、ビード幅の両端の位置を特定することが容易ではなく、ビードの断面形状を光学的に測定した測定データからビード幅を正確に求めることが非常に難しい。板厚の異なるワーク同士を突合せ溶接したときに形成されるビードの表面は、厚板ワークの側から薄板ワークの側へと傾斜する曲面となって、とくにビードの端に近づくに従って傾斜が緩やかになるためにビード幅の両端とワークとの境界が非常に不明確となり、正確なビード幅を求めることが容易でない場合が多い。そのため、板厚差のあるワーク同士の突合せ溶接の場合、ビードの溶込み深さ等の溶接状態の良否判定をビード幅測定によって行うことには、その信頼性に問題が残されていた。
【０００７】
そこで、本発明の一つの目的は、一対のワークを突合せ溶接したときの溶接部について、ビードの幅に基づき溶接状態の良否を高い信頼度で判定することのできる検査方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一対のワークを突合せ溶接したときの溶接方向に直交する断面におけるビードの幅と溶込みが正の相関関係にあることを前提として、ビードの幅に基づいて溶接状態の良否を判定する検査方法であって、溶接部の溶接方向に直交する断面の形状プロファイルを測定し、ワークの上面を含む平面の座標データと、ビードの表面を表す形状曲線の座標データとに基づいて、溶込みに対応する有効なビード幅を数値演算処理により算出するようにしたものである。
【０００９】
具体的には、ビードの断面形状に応じて溶込みに対応する有効ビード幅を次のように定義付けする。これらの３つの定義付けは、材料や溶接条件によって決まるビードの形状に応じて使い分けてもよく、あるいは、形状データから判断してその場合に最も適した方法を自動的に選ぶようなソフトウエアを検査装置内に導入することもできる。
【００１０】
（１）各ワークの上面からビード側に所定のマージン分だけ離れた位置に各ワークの上面と平行な仮想平面を設定し、各仮想平面とビードの表面を表す形状曲線との交点を有効ビード幅の両端とする。
【００１１】
（２）ビードの形状曲線が厚板ワーク側で最も大きく変化する点（変曲点）と薄板ワーク側で最も大きく変化する点（変曲点）とを結ぶ直線の延長線が、各ワークの上面を含む平面と交わる点を有効ビード幅の両端とする。
【００１２】
（３）ビードの形状曲線の傾きが厚板ワーク側で最も大きく変化する点（変曲点）に接する直線と厚板ワーク上面を含む平面との交点と、ビードの形状曲線の傾きが薄板ワーク側で最も大きく変化する点（変曲点）に接する直線と薄板ワーク上面を含む平面との交点を有効ビード幅の両端とする。
【００１３】
上の（２）（３）において、変曲点は形状曲線の二次微分が０となる点として求めることができる。ただし、実際の溶接では、突合せギャップの大きさにより時として薄板側にアンダーフィルが生じることがある。その場合には薄板寄りの変曲点を取るよりもアンダーフィルの最下点すなわち形状曲線の一次微分が０となる点を採用した方が実際のビード幅に近いことがある。それゆえ、薄板側に関しては、アンダーフィルの有無および程度に応じて、上記変曲点を用いて得られた交点か、アンダーフィルの最下点かを、選択的に採用するようにしてもよい。かかる選択は、制御プログラムのソフトウエア上の処理として自動的に実行できる事項である。
【００１４】
このような定義付けに従う有効ビード幅は、実際のビード幅より若干小さくなるのが通常であるが、実際のビード幅と正の相関関係にある。したがって、この有効ビード幅から溶込み等の溶接状態の良否を高い信頼度でもって判定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、厚さの異なる一対の板状のワーク１，２を突合せ溶接したときのビード３を含む溶接部の断面を示す。この場合、ワーク１，２の上面１ａ，２ａ側から例えばレーザ溶接により突合せ溶接したもので、溶接方向は紙面に垂直な方向である。符号Ｔは板厚差を表している。ビード３の紙面の上側の表面は厚板ワーク１側から薄板ワーク２側に向かって下り勾配の不定形な曲面を呈しており、ビード３の実際の幅を特定することが難しい。
【００１６】
そこで、光切断法等によりビード３を含む溶接部の断面プロファイルを測定して各ワーク１，２の上面１ａ，２ａを含む平面の座標データと、ビード表面の形状曲線の座標データを得、これらの座標データに基づいて数値演算処理により仮想的な有効ビード幅を算出する。その際、溶接部の断面プロファイルの大まかな特徴によって上述の３通りの定義付けのうち適当なものを選択して適用する。すなわち、ビード３の表面の断面形状は、例えばレーザ溶接の場合には溶接の熱源であるレーザ光等の入熱量やワーク材質、板厚差Ｔの大小等の様々な溶接条件で変わり、通常、図２に示すようにビード断面の傾斜部分がやや直線的になる傾向のものと、図３や図４に示すようにビード断面の傾斜部分が直線的でなく上部と下部で大きく変化する傾向のものに大別される。図２のような断面形状の場合には（１）の定義付けに従い有効ビード幅を求め、図３、図４のような断面形状の場合には（２）または（３）の定義付けに従って有効ビード幅を求める。
【００１７】
図２はワーク１，２の上面１ａ，２ａと平行な方向すなわちビード３の幅方向をＹ軸、上面１ａ，２ａに垂直な方向すなわちビードの深さ方向をＺ軸として溶接部の断面プロファイルを図示したものである。同図において、ビード３の表面を表す形状曲線Ａは、厚板ワーク１側から薄板ワーク２側にやや直線的に傾斜している。断面プロファイルがこのような傾向を示すビード３に対しては、ワーク１，２の上面１ａ，２ａを含む平面Ａ1 ，Ａ2 からビード３側に所定のマージンｍ，ｍ’分だけ離れた位置に各上面１ａ，２ａと平行な仮想平面Ａ3 ，Ａ4 を設定し、形状曲線Ａの直線的な傾斜部分と仮想平面Ａ3 ，Ａ4 との交点Ｐ1 ，Ｐ2 間のＹ軸方向の距離Ｗａを有効ビード幅として測定する。有効ビード幅Ｗａは、溶接部の断面プロファイルを光切断法等で測定してその座標データを得、数値演算処理を行うことによって算出することができる。仮想平面Ａ3 ，Ａ4 を求めるために予め設定したマージンｍ，ｍ’は、板厚差Ｔの３〜１０％、好ましくは５から７％程度が適当である。
【００１８】
このようにして算出された有効ビード幅Ｗａは、ビード３の形状曲線Ａの傾斜部分が直線的である場合において、実際のビード幅よりやや小さいものの、実際のビード幅と正の相関関係にあることが実験により確認されている。したがって、有効ビード幅Ｗａの値からビード３の溶込み等の溶接状態の良否を判断することが可能であり、この判断は信頼に足るものであることが分かっている。
【００１９】
図３（Ａ）に示される溶接部の断面プロファイルでは、ビード３の表面を表す形状曲線Ｂが、厚板ワーク１側から薄板ワーク２側に向かって下り勾配となった傾斜部分の上部と下部で大きく変化している。形状曲線がこのような傾向を示すビード３の場合、厚板ワーク１側で形状曲線Ｂが最も大きく変化する点すなわち変曲点Ｑ1 と、薄板ワーク２側で形状曲線Ｂが最も大きく変化する点すなわち変曲点Ｑ2 とを結ぶ直線Ｌを求める。そして、図２の場合と同様にしてワーク１，２の上面１ａ，２ａを含む平面Ａ1 ，Ａ2 と直線Ｌの延長線との交点Ｑ3 ，Ｑ4 を求め、交点Ｑ3 ，Ｑ4 間のＹ軸方向の距離を有効ビード幅Ｗｂとして測定する。有効ビード幅Ｗｂは図２の場合と同様に光切断法等により溶接部の断面プロファイルを測定して得た座標データを数値演算処理することによって算出することができる。たとえば、変曲点Ｑ1 ，Ｑ2 は形状曲線Ｂの二次微分が０となる点として数値演算で求められ、直線Ｌの方程式も数値演算で求められる。交点Ｑ3 ，Ｑ4 間の距離もそれらのＹ軸座標値から求められる。
【００２０】
図３（Ｂ）に示すように、薄板側にアンダーフィルが生じた場合には、薄板ワーク側の有効ビード幅の端として、上に述べた薄板寄りの変曲点Ｑ2 に代えてアンダーフィルの最下点すなわち形状曲線Ｂの一次微分が０となる点Ｑ'2を採用してもよい。そこで、プロファイルを測定した後、薄板側に関してはアンダーフィルの有無あるいはその程度に応じて、アンダーフィルがないか、あっても設定値より小さいときは近傍の変曲点Ｑ2 を、逆に設定値を越えるアンダーフィルがあるときはその最下点Ｑ'2を、選択的に採用するように制御プログラムを組むことも可能である。
【００２１】
このようにして算出された有効ビード幅Ｗｂにおいても実際のビード幅と正の相関関係が認められ、有効ビード幅Ｗｂの値からビード３の溶込み等の溶接状態に良否を高い信頼度で判断することが可能であることが分かっている。なお、図３のような形状曲線Ｂのビードについて、図２のものに適用した（１）の定義付けを適用することも可能であるが、図３の場合は形状曲線の傾斜部分が比較的大きく変化するがゆえに、形状曲線の傾斜部分がほぼ直線的であるようなビードに適する（１）の定義付けを採用するときは多少の補正が必要となる。
【００２２】
図４（Ａ）に示されるビード３の形状曲線Ｃは、図３の形状曲線Ｂと同様なものであるが、ここでは、形状曲線Ｃの傾きが厚板ワーク１側で大きく変化する点すなわち変曲点Ｑ1 に接する直線Ｌａと、形状曲線Ｃの傾きが薄板ワーク２側で大きく変化する点すなわち変曲点Ｑ2 に接する直線Ｌｂを求める。そして、厚板ワーク１の上面１ａを含む平面Ａ1 と直線Ｌａとの交点Ｒ1 、および、薄板ワーク２の上面２ａを含む平面Ａ2 と直線Ｌｂとの交点Ｒ2 を求めて、これらの交点Ｒ1 ，Ｒ2 間のＹ軸方向の距離Ｗｃを有効ビード幅として測定する。
【００２３】
変曲点Ｑ1 ，Ｑ2 は形状曲線Ｃの二次微分が０となる点として求められるが、図４（Ｂ）に示すように、薄板側にアンダーフィルが生じた場合には、有効ビード幅Ｗｃを測定するにあたり、上に述べた薄板寄りの変曲点Ｑ2 に代えてアンダーフィルの最下点すなわち形状曲線Ｃの一次微分が０となる点Ｑ'2を採用してもよい。そこで、プロファイルを測定した後、薄板側に関してはアンダーフィルの有無あるいはその程度に応じて、アンダーフィルがないか、あっても設定値より小さいときは近傍の変曲点Ｑ2 を、逆に設定値を越えるアンダーフィルがあるときはその最下点Ｑ'2を、選択的に採用するように制御プログラムを組むことも可能である。
【００２４】
さらにはアンダーフィル幅が大きい場合には、図５に示すようにアンダーフィルの最下点より薄板ワーク側の上面２ａに向かって傾きが大きくなるが、その曲面の変曲点、すなわち図５における紙面に対して右側の変曲点Ｑ"2と薄板ワーク上面２ａを含む平面Ａ2 との交点Ｒ"2を有効ビード幅Ｗｃの薄板側の端として採用することもできる。
【００２５】
この有効ビード幅Ｗｃにおいても実際のビード幅と正の相関関係にあって、有効ビード幅Ｗｃの値からビード３の溶込み等の溶接状態の良否が高信頼度で判断できることが分かっている。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、突合せ溶接したワークの溶接部の断面プロファイルを測定して得た座標データから実際のビード幅と正の相関関係にある仮想的な有効ビード幅を求めることにより、この有効ビード幅に基づいてビードの溶込み等の溶接状態を高い信頼度で判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】板材を突合せ溶接したときの溶接部の横断面図である。
【図２】溶接部の断面プロファイルを示す線図である。
【図３】（Ａ）は溶接部の断面プロファイルを示す線図、（Ｂ）はその変形例を示す線図である。
【図４】（Ａ）は溶接部の断面プロファイルを示す線図、（Ｂ）はその変形例を示す線図である。
【図５】図４（Ｂ）のさらなる変形例を示す線図である。
【符号の説明】
１ワーク（厚板ワーク）
２ワーク（薄板ワーク）
３ビード
４レーザ光
５スリット光
６測定装置
Ｔ板厚差

Claims

厚さの異なる一対の板状のワーク（１）、（２）を板厚差（Ｔ）のある上面（１ａ）、（２ａ）側から突合せ溶接したときのビード（３）を含む溶接部の溶接状態の良否を、溶接方向に直交する前記溶接部の断面におけるビード（３）の幅に基づいて判定するにあたり、前記溶接部の断面プロファイルを測定して各ワーク（１）、（２）の上面（１ａ）、（２ａ）を含む平面の座標データとビード（３）の前記厚板ワーク（１）側から前記薄板ワーク（２）側に向かって下り勾配の曲面を呈する表面の形状曲線の座標データを求め、これらの座標データから数値演算処理により有効ビード幅を算出し、
前記厚板ワーク（１）の上面（１ａ）を含む平面（Ａ1）から前記ビード（３）の深さ方向側に前記板厚差（Ｔ）の３〜１０％の所定のマージン分だけ離れた位置に前記平面（Ａ1）と平行な仮想平面（Ａ3）を設定し、前記薄板ワーク（２）の上面（２ａ）を含む平面（Ａ2）から前記ビード（３）の深さ方向と逆方向側に前記板厚差（Ｔ）の３〜１０％の所定のマージン分だけ離れた位置に前記平面（Ａ2）と平行な仮想平面（Ａ4）を設定し、前記仮想平面（Ａ3）、（Ａ4）のそれぞれとビード（３）の表面の形状曲線との交点を前記有効ビード幅の両端としたことを特徴とする溶接状態の検査方法。
厚さの異なる一対の板状のワーク（１）、（２）を板厚差（Ｔ）のある上面（１ａ）、（２ａ）側から突合せ溶接したときのビード（３）を含む溶接部の溶接状態の良否を、溶接方向に直交する前記溶接部の断面におけるビード（３）の幅に基づいて判定するにあたり、前記溶接部の断面プロファイルを測定して各ワーク（１）、（２）の上面（１ａ）、（２ａ）を含む平面の座標データとビード（３）の前記厚板ワーク（１）側から前記薄板ワーク（２）側に向かって下り勾配の曲面を呈する表面の形状曲線の座標データを求め、これらの座標データから数値演算処理により有効ビード幅を算出し、
前記形状曲線の前記厚板ワーク（１）の上面（１ａ）寄りの変曲点（Ｑ1）と前記形状曲線の前記薄板ワーク（２）の上面（２ａ）寄りの変曲点（Ｑ2）とを結ぶ直線の延長線が、各ワーク（１）、（２）の上面（１ａ）、（２ａ）を含む平面（Ａ1）、（Ａ2）と交わる点を前記有効ビード幅の両端としたことを特徴とする溶接状態の検査方法。
厚さの異なる一対の板状のワーク（１）、（２）を板厚差（Ｔ）のある上面（１ａ）、（２ａ）側から突合せ溶接したときのビード（３）を含む溶接部の溶接状態の良否を、溶接方向に直交する前記溶接部の断面におけるビード（３）の幅に基づいて判定するにあたり、前記溶接部の断面プロファイルを測定して各ワーク（１）、（２）の上面（１ａ）、（２ａ）を含む平面の座標データとビード（３）の前記厚板ワーク（１）側から前記薄板ワーク（２）側に向かって下り勾配の曲面を呈する表面の形状曲線の座標データを求め、これらの座標データから数値演算処理により有効ビード幅を算出し、
前記形状曲線の前記厚板ワーク（１）の上面（１ａ）寄りの変曲点に接する直線と、前記形状曲線の前記薄板ワーク（２）の上面（２ａ）寄りの変曲点に接する直線が、各ワーク（１）、（２）の上面（１ａ）、（２ａ）を含む平面（Ａ1）、（Ａ2）と交わる点を前記有効ビード幅の両端としたことを特徴とする溶接状態の検査方法。
前記形状曲線の前記薄板ワーク（２）の上面寄りの変曲点に代えて前記形状曲線の一次微分が0となる点を採用したことを特徴とする請求項２または３の溶接状態の検査方法。