JP4614219B2 - レーザ溶接継手の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接継手の検査に関するものであり、さらに詳細には、レーザ溶接により接合された薄板の重ね継手について、溶接部を超音波垂直探傷法により検査する非破壊検査方法及び検査装置に関するものである。

板厚数ｍｍの薄板を溶接して作製される重ね継手において、溶接部に溶込み不良等の溶接欠陥があれば、所定の機械的強度を得ることができないので、溶接部の機械的強度を保証するために、溶込み不良等の溶接欠陥について検査が行われている。
一般に、板厚数ｍｍの薄板の検査方法としては、放射線透過試験、超音波探傷試験（透過法）、磁粉探傷試験、渦流探傷試験などが用いられている。しかし、放射線透過試験は被爆の問題があるので、現場での適用は制約を受ける。透過式の超音波探傷試験については、比較的大型の構造物の場合、送受信用の探触子を対向させて配置することが難しいため、このような構造物の製作現場での適用は困難である。また、磁粉探傷試験は非磁性体への適用は不可能であり、渦流探傷試験は板厚が１ｍｍ以下でないと適用することが困難である。

図１に示されているように、重ね合わせた２枚の金属薄板（表材１と裏材２）にレーザ光Ｌを照射することにより、これらの金属薄板を接合して重ね継手１０を作製する場合、溶接部３の溶込み深さを裏材２の途中までとすることにより、レーザ溶接による溶接線が裏材２の表面（図１の下側表面）に形成されないようにして、裏材２側からの外観を損なわないようにすることが行われている。
このような重ね継手１０においては、溶接部３の溶込み深さが所定値以上であって、所望する機械的強度が必要なことは言うまでもないが、レーザ溶接による溶接線が裏材２の表面に露出しないため、溶接部３における溶込み深さを簡単に確認することができない。

この検査対象である重ね継手１０が、例えば板厚が２ｍｍ〜３ｍｍのステンレス鋼製であり、比較的大型の構造物、例えば鉄道車両、バス又はトラック等の車体に利用される場合であって、その製作現場で検査されるときは、上述した従来手法による薄板の検査方法を適用することは、きわめて困難である。
また、反射式の超音波探傷試験法は一般に用いられている方法であるが、薄板のようにビーム路程が短い場合には、検出すべき信号が探触子の不感帯に埋もれてしまうため、薄板のレーザ重ね継手の検査に適用できなかった。

重ね継手の溶接部の溶着状態を検査する検査装置としては、特開平６−５０９４４号公報に記載されたものがある。この検査装置は、透過式の超音波探傷法を適用したものであって、溶接ビードの鋭利な箇所があっても、超音波探触子がシーム溶接線上を安定した状態で走行し得るように、重ね継手溶接した重ね合わせ部の溶接線を挟んでその両側に１対のタイヤ型超音波探触子（送信側探触子と受信側探触子）を設けたものである。
この従来の超音波探傷法による検査装置は、送受信用の各探触子を容易に対向させて配置することができる比較的小型の構造物を対象とするものであり、大型の構造物の場合は、送受信用の各探触子を対向させて配置することがきわめて難しいため、適用することが困難である。

また、特開昭５９−１５３１６７号公報には、多層接合構造体の溶接部（構造体の重ね継手）を超音波により検査する方法が記載されているが、この検査方法は薄板の重ね継手における溶接部の検査に適用し得るものではない。
特開平６−５０９４４号公報 特開昭５９−１５３１６７号公報

本発明の課題は、レーザ溶接による薄板の重ね継手について、作製現場においてその溶接部を超音波により検査することができるように工夫することである。

上記課題を解決するための手段は、重ね継手の未接合部と接合部における底面エコー高さの変化を検出することを基本とするものである。
〔解決手段１〕
上記課題を解決するために講じた解決手段１は、表材と裏材をレーザ溶接により接合した重ね継手の溶接部を検査する方法を前提として、
超音波垂直探触子を上記裏材又は表材の表面に沿って移動して、上記重ね継手の未接合部と接合部における裏材又は表材の底面エコー高さの変化を検出することである。
〔作 用〕
裏材（又は表材）の表面側からの探傷によって、重ね継手の未接合部では裏材（又は表材）の底面エコーが検出されるが、接合部では超音波の一部が溶接金属中を伝搬して表材（又は裏材）に透過するため、裏材（又は表材）の底面エコー高さが低下する。この底面エコー高さの変化を検出することにより、重ね継手の溶接部における接合度合を検査することができる。

〔実施態様１〕（請求項１に対応）
実施態様１は、上記解決手段１の検査方法において、未接合部での底面エコー高さと接合部での最小底面エコー高さから、相対エコー高さを算出し、この算出された相対エコー高さと、レーザ溶接による接合幅、又は重ね継手の引張強度との相関関係に基づいて、上記相対エコー高さから重ね継手の接合幅又は引張強度を推定することである。
〔作 用〕
この相対エコー高さは、レーザ溶接による接合部の幅や重ね継手の引張強度と、図３及び図４に示されているような相関関係があるので、その関係を利用することによって、相対エコー高さから接合部の幅又は引張強度を推定することができる。

〔実施態様２〕（請求項２に対応）
実施態様２は、上記実施態様１の検査方法において、超音波垂直探触子として、二振動子垂直探触子又はフェイズドアレイ探触子を用いることである。
〔作 用〕
超音波垂直探触子として二振動子垂直探触子を用いることにより、不感帯が非常に短くなるので、ビーム路程が短い探傷が可能である。また、二振動子垂直探傷の特長である超音波ビームの集束効果を利用して、探傷部位に超音波を集束することができる。
一方、超音波垂直探触子としてフェイズドアレイ探触子を用いることにより、電子的に超音波を集束させて使用することも可能である。その場合には、不感帯の影響があるため、くさびの使用や探触子と被検査体間に距離を設ける方法（ギャップ法）を利用することにより、不感帯の影響を受けないようにすることができる。
また、フェイズドアレイ探触子を用いる場合には、物理的に移動することなく走査（電子スキャン）が可能であるため、超音波垂直探触子を用いるときのように、裏材又は表材の表面に沿って探触子を移動（走査）させる必要はない。

〔解決手段２〕（請求項３に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段２は、表材と裏材をレーザ溶接により接合した重ね継手の溶接部を検査する装置を前提として、
上記裏材又は表材の表面に沿って移動される超音波垂直探触子と、上記裏材又は表材の底面エコー高さを検出するエコー高さ検出手段と、上記エコー高さ検出手段により検出される上記重ね継手の未接合部での底面エコー高さと、接合部での最小底面エコー高さから、相対エコー高さを算出する演算手段と、上記算出された相対エコー高さと、レーザ溶接による接合幅、又は重ね継手の引張強度との相関関係に基づいて、上記相対エコー高さから重ね継手の接合度合を判定する比較判定手段を備えて成ることである。
〔作 用〕
超音波垂直探触子を裏材（又は表材）の表面に沿って移動させて、エコー高さ検出手段によって裏材（又は表材）からの底面エコー高さを検出することにより、重ね継手の未接合部での底面エコー高さと、接合部での最小底面エコー高さを検出することができる。演算手段において、この未接合部での底面エコー高さと、接合部での最小底面エコー高さから、相対エコー高さを算出することができ、この相対エコー高さによって重ね継手の溶接部における接合度合を検査することができる。

〔実施態様３〕（請求項４に対応）
実施態様３は、上記解決手段２の検査装置において、超音波垂直探触子として、二振動子垂直探触子又はフェイズドアレイ探触子を用いることである。
〔作 用〕
上記実施態様２の作用と同じである。

本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次のとおりである。
(１) 請求項１及び請求項３に係る発明
超音波垂直探触子を用いて、裏材（又は表材）の底面エコー高さの変化を検出することにより、重ね継手の溶接部における接合度合を検査することができる。
そして、非磁性体材料から成る比較的大型の構造物における薄板の重ね継手についても、その作製現場において溶接部を比較的簡単に検査することができる。
また、相対エコー高さと、レーザ溶接による接合幅や重ね継手の引張強度との相関関係を利用して、相対エコー高さから接合部の幅又は引張強度を推定することができる。

(２) 請求項２及び請求項４に係る発明
二振動子垂直探触子を用いることにより、不感帯が非常に短くなりビーム路程の短い探傷が可能であるので、板厚数ｍｍの重ね継手も精度良く検査することができる。また、二振動子垂直探傷を利用しているので、探傷部位に超音波を集束することができ、検査精度を向上することが可能である。
そして、超音波垂直探触子としてフェイズドアレイ探触子を用いることにより、電子的に超音波を集束させて使用することが可能であり、検査精度を向上することができる。また、上記超音波垂直探触子を用いるときのように、裏材（又は表材）の表面に沿って探触子を移動させる必要がない。

レーザ溶接による薄板の重ね継手について、作製現場においてその溶接部を超音波により検査することができるようにするという目的を、重ね継手の未接合部と接合部における裏材（又は表材）の底面エコー高さの変化を検出するという比較的簡単な手法により実現している。

本発明の実施例について、図２〜図９を参照しながら説明する。図２は超音波探触子を移動させて底面エコー高さを測定するときの説明図であり、図３及び図４は重ね継手の試験体について試験した結果を示す図であり、図５は重ね継手について接合幅と引張強度との関係を示す図であり、図６は重ね継手の試験体についての説明図である。また、図７−１及び図７−２は重ね継手の試験体に関する底面エコー高さ分布についての図であり、図８は重ね継手の検査装置についての説明図であり、図９は検査装置の周辺機器についての説明図である。
図２(ａ)に示されているように、表材１と裏材２がレーザ溶接により接合され、接合幅ｗの溶接部３を有する重ね継手１０において、裏材２の表面上に超音波探触子５（例えば、二振動子垂直探触子）を配置する。その際、二振動子垂直探触子を用いる場合は、音響分割板が溶接線に対して平行（図２(ａ)において紙面に垂直）になるように配置する。この超音波探触子５は、図２(ａ)に示されている矢印のように、左側の未接合部から溶接部３（接合部）を経て右側の未接合部まで移動（走査）される。
重ね継手１０を形成する表材１及び裏材２としては、ステンレス鋼、鉄又はアルミニウム等が使用される場合が多い。また、図２(ａ)に示されている実施例においては、重ね継手１０の裏材２の表面上に超音波探触子５を配置しているが、これに限定されることなく、超音波探触子５を表材１の表面上に配置しても良いことは言うまでもない。

このように超音波探触子５が、重ね継手１０の表面上において溶接線と直交する方向に移動されることにより、図２(ｂ)に示されているように、左側の未接合部では裏材２の底面からの底面エコーが検出され、その値（底面エコー高さ）Ｈ_０は超音波探触子５を移動させてもほぼ一定である。しかし、溶接部３（接合部）に近づくにつれて、裏材２の底面で反射されていた超音波の一部が表材１側に透過することにより、裏材２の底面からの底面エコー高さが低下する。このとき、底面エコー高さの最小値Ｈ_Ｌと未接合部での底面エコー高さＨ_０の比（相対エコー高さ：２０ｌｏｇＨ_Ｌ／Ｈ_０ｄＢ）を求めることができる。

図３及び図４は、下記に説明する試験方法によって、試験体として作製した重ね継手について、相対エコー高さと、接合幅又は引張強度との相関関係を求めた結果を示すものである。
図３は、機械試験（引張強度試験）後の破面を観察して求めた重ね継手の溶接部の接合幅（接合部の面積を求め、接合長で除した値；平均接合幅）と、上述の相対エコー高さとの関係を示したものである。図３に示されているように、接合幅と相対エコー高さの間には相関関係があり、相対エコー高さを計測することにより接合幅を推定することが可能である。
また、図４は、機械試験で求めた引張強度と相対エコー高さの関係を示したものである。図４に示されているように、引張強度と相対エコー高さの間に相関関係があり、相対エコー高さから引張強度を推定することが可能である。
そして、図５は、接合幅と引張強度との関係を求めたもので、図３の結果から図４を求める際に用いたものである。

次に、図３に示されている重ね継手の接合幅と相対エコー高さとの相関関係、及び図４に示されている引張強度と相対エコー高さとの相関関係を求める試験方法について説明する。
(１) 手 法
検査対象が薄板であるため、不感帯の短い二振動子垂直超音波法を用いた。
(２) 探触子
探触子は二振動子垂直探触子であり、次のような特性を有する。
周波数：１０ＭＨz
振動子寸法：３.５×１０ｍｍ
集束範囲：０.８ｍｍ〜３.３ｍｍ

(３) 試験体
試験体Ｔは７種類作製されるが、各試験体毎に溶接速度を変えて入熱量を変えることによって、それぞれ溶込み量を異ならせている。各試験体の板厚は７種類とも同じであり、表材１’が１.０ｍｍ、裏材２’が１.５ｍｍである。（図６に試験体Ｔの一例を示す。）

(４) 探傷方法
探傷方法としては、図２に示されているように、重ね継手の裏材の表面側に探触子を配置し、裏材の底面エコーを計測する。接合部では溶込みのため、超音波が表材側に透過して、該底面エコー高さが低下することが予想されるため、未接合部と接合部の底面エコー高さを計測し、その差（相対エコー高さ）を求める。
上記(３)において作製した試験体を上記探傷方法により底面エコー高さを計測し、相対エコー高さを求めた。
(５) 引張強度及び接合幅
上記(４)において超音波探傷方法により計測した試験片について、機械試験をすることにより引張強度を求めると共に、破断面を観察することにより接合幅を求めた。

上記試験方法による試験結果について、図３及び図４を参照しながら説明する。
図３は横軸に接合幅を、縦軸に相対エコー高さ（底面エコー高さに対する接合部のエコー高さ）を示したものであり、図４は横軸に引張強度を、縦軸に相対エコー高さを示したものである。図３及び図４に示されているように、接合幅が大きいほど、あるいは引張強度が高いほど相対エコー高さは低下しており、相対エコー高さを計測することによって、接合幅と引張強度を推定することが可能である。
したがって、重ね継手について、未接合部と接合部における裏材（又は表材）の底面エコー高さを測定して、この測定値から相対エコー高さを算出することによって、重ね継手の健全性を判定することが可能である。

次に、超音波探触子としてフェイズドアレイ探触子を用いて試験又は検査する場合について、図７−１及び図７−２を参照しながら説明する。
フェイズドアレイ探触子は、多数（例えば、６４個）の振動子が一列に連続して配列されているものであって、電子的に超音波を集束させたり、物理的に移動することなく走査（電子スキャン）することができるものであるから、このフェイズドアレイ探触子を用いて重ね継手（試験体）の溶接部を試験又は検査する場合には、溶接線を横切る方向への走査は電子スキャンにより行うことができる。
図７−１は、フェイズドアレイ探触子による電子スキャンにより、溶接線と直交する方向に走査したときの超音波エコー高さ分布図であり、また図７−２は、フェイズドアレイ探触子により溶接線と直交する方向に走査（電子スキャン）しながら、且つ、フェイズドアレイ探触子を溶接線と平行する方向に走査（物理的に移動）したときの裏材底面波の超音波エコー高さ分布図である。そして、図７−１及び図７−２における(ａ)は、前述の７種類の試験体のうち溶接速度が１番遅い（入熱量が最も大きい）ものの超音波エコー高さ分布図であり、また同じく(ｂ)は、溶接速度が１番速い（入熱量が最も小さい）ものの超音波エコー高さ分布図である。

図７−１(ａ)及び(ｂ)において、その横軸は重ね継手の溶接線に直交する方向（フェイズドアレイ探触子の電子スキャン方向）を表しており、その縦軸は重ね継手の板厚方向を表している。そして、２段の帯状灰色部分２１,２２のうち、上側の帯状灰色部分２１は重ね継手の裏材表面部分からの表面エコーによるものであり、下側の帯状灰色部分２２は裏材裏面からの底面エコーによるものである。また、該下側の帯状灰色部分２２の中心部には、底面エコーが減衰して黒っぽく表れている部分２０があり、この部分２０が接合部（溶接部３’）に対応することが分かる。特に、溶接速度が遅い(ａ)においては、底面エコーが極めて低い黒い部分２０として接合部が明確に表れている。

また、図７−２(ａ)及び(ｂ)において、その横軸は重ね継手の溶接線に直交する方向を表しており、その縦軸は溶接線に平行する方向を表している。そして、縦軸方向の中心線付近を除く左右両側の灰色部分２６,２７は、裏材の底面エコーによるものであり、上記中心線付近の濃い灰色又は黒に近い帯状部分２５は、底面エコーが減衰している部分である。この濃い灰色又は黒に近い帯状部分２５は、接合部であることが分かる。特に、溶接速度が遅い(ａ)においては、底面エコーが広い範囲で減衰して黒い帯状部２５として接合部が明確に表れている。

以上、図７−１及び図７−２に基づいて説明したように、超音波探触子としてフェイズドアレイ探触子を用いた場合においても、重ね継手の試験体における接合度合（溶込み量）に対応して裏材の底面エコーを測定し得ることが明らかである。
したがって、重ね継手の接合幅と相対エコー高さとの相関関係（図３）、又は引張強度と相対エコー高さとの相関関係（図４）を求める試験において、また、重ね継手の溶接部の検査において、超音波探触子としてフェイズドアレイ探触子を用いることができる。

ここまでは、重ね継手の検査方法について説明してきたが、以下に、この検査方法を適用した重ね継手の検査装置について、図８を参照しながら説明する。
この重ね継手の検査装置は、図８に示されているように、超音波探触子５と、該超音波探触子５に接続されるエコー高さ検出手段１１と、該エコー高さ検出手段１１に接続される相対エコー高さ演算手段１２と、該演算手段１２に接続される比較判定手段１３と、該比較判定手段１３に接続される入力手段１６、メモリー部１５及び表示手段１４とから構成される。
上記エコー高さ検出手段１１は、超音波探傷子５の受信部から信号を受けて、表材（又は裏材）の底面エコー高さを計測する。上記相対エコー高さ演算手段１２は、該エコー高さ検出手段１１により計測された重ね継手の未接合部での底面エコー高さと、接合部での最小底面エコー高さに基づいて相対エコー高さを算出する。また、上記比較判定手段１３は、該演算手段１２により算出された相対エコー高さと閾値（合否の判定基準）とを比較することにより、重ね継手の接合度合について合否を判定して、その結果を表示手段１４に表示するものである。さらに、メモリー部１５は、被検査体である重ね継手の板厚や材質等に応じて変更すべき閾値を記憶しているものであり、入力手段１６は検査において必要な情報、例えば閾値選択指令、検査開始又は終了指令等を入力するものである。

次に、上記重ね継手の検査装置に関連して、該検査装置の超音波探触子を被検査体である重ね継手の検査位置において走査する操作機器について、図９を参照しながら説明する。このような操作機器としては、単純形状の検査を行う場合のリニアガイドによるもの（図９(ａ)）、複雑形状の検査を行う場合の多関節ロボットによるもの（図９(ｂ)）、及びレーザ溶接と同時に検査を行う場合の多関節ロボットによるもの（図９(ｃ)）等がある。

先ず、図９(ａ)に基づいて、リニアガイドによる操作機器３０について説明する。
この操作機器３０は、吸盤又は磁石等のリニアガイド固定治具３１により溶接線３aの方向に沿って固定される第１のリニアガイド３２と、この第１のリニアガイド３２に支持され該第１のリニアガイド３２に沿って移動される駆動装置３３と、この駆動装置３３に支持され超音波探触子５を上記溶接線３aに直交する方向に移動する第２のリニアガイド３４とから成る。上記超音波探触子５は、駆動装置３３の動作によって、被検査体である重ね継手１０の溶接線３aに沿うＸ方向と、該溶接線３aに直交するＹ方向に移動され、所定の検査位置において底面エコー高さを測定すべく走査される。

次に、図９(ｂ)及び(ｃ)に基づいて、多関節ロボットによる操作機器４０について説明する。
この操作機器４０は、ロボットアーム４２,４３を備える多関節ロボット４１と、このロボットアーム４２,４３の先端に取り付けられ衝撃吸収機能や位置検出機能を備える探触子駆動機構４５とから成り、この探触子駆動機構４５には超音波探触子５が取り付けられる。この超音波探触子５は、上記多関節ロボット４１の動作によって、被検査体である重ね継手１０の溶接線３aに対して移動され、所定の検査位置において底面エコー高さを測定すべく走査される。
また、図９(ｃ)に示されたものは、上記ロボットアーム４２,４３の先端に、探触子駆動機構４５と共にレーザ溶接ヘッド４７が一緒に取り付けられており、該レーザ溶接ヘッド４７でレーザ溶接をした直後にその溶接部の検査を行うことができるようにしたものである。

は、レーザ溶接によって薄板の重ね継手を作製するときの模式的な説明図であり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は側面図である。 は、本発明の実施例である薄板の重ね継手の検査方法の説明図であり、(ａ)は重ね継手と超音波探触子との関係を示し、(ｂ)は超音波探触子の位置と底面エコー高さとの関係を示す。 は、重ね継手の試験体について試験した結果を示す図であり、相対エコー高さと接合幅との関係を示す。 は、重ね継手の試験体について試験した結果を示す図であり、相対エコー高さと引張強度との関係を示す。 は、重ね継手の接合幅と引張強度との関係を示す図である。 は、重ね継手の試験体と試験片について説明する斜視図である。 は、フェイズドアレイ探触子を用いて、溶接線と直交する方向に走査（電子スキャン）した場合の超音波エコー高さ分布についての図である。 は、フェイズドアレイ探触子を用いて、溶接線と平行する方向に走査した場合の超音波エコー高さ分布についての図である。 は、本発明の実施例である薄板の重ね継手の検査装置についての説明図である。 は、検査装置に関連する周辺機器の説明図であり、(ａ)はリニアガイドによる操作機器を示し、(ｂ)及び(ｃ)は多関節ロボットによる操作機器を示す。

符号の説明

１，１’‥‥表材 ２，２’‥‥裏材
３，３’‥‥溶接部 ３a‥‥溶接線
５‥‥超音波探触子
１０‥‥重ね継手（被検査体） １１‥‥エコー高さ検出手段
１２‥‥相対エコー高さ演算手段 １３‥‥比較判定手段
１４‥‥表示手段 １５‥‥メモリー部
１６‥‥入力手段
２０,２５‥‥裏材底面エコー高さの低い部分（接合部）
２１‥‥重ね継手の裏材表面からの表面エコー高さ分布
２２‥‥重ね継手の裏材裏面からの底面エコー高さ分布
２６,２７‥‥裏材底面エコー高さの高い部分（未接合部）
３０‥‥リニアガイドによる操作機器 ３１‥‥リニアガイド固定治具
３２,３４‥‥リニアガイド ３３‥‥駆動装置
４０‥‥多関節ロボットによる操作機器 ４１‥‥多関節ロボット
４２,４３‥‥ロボットアーム ４５‥‥探触子駆動機構
４７‥‥レーザ溶接ヘッド
Ｌ‥‥レーザ光 Ｔ‥‥試験体
ｗ‥‥接合幅

Claims (4)

1. 表材と裏材をレーザ溶接により接合した重ね継手の溶接部を検査する方法において、
   超音波垂直探触子を上記裏材又は表材の表面に沿って移動して、上記重ね継手の未接合部と接合部における裏材又は表材の底面エコー高さを検出し、
   上記未接合部での底面エコー高さと上記接合部での最小底面エコー高さから、相対エコー高さを算出し、
   上記算出された相対エコー高さと、レーザ溶接による接合幅、又は重ね継手の引張強度との相関関係に基づいて、上記相対エコー高さから重ね継手の接合幅又は引張強度を推定することを特徴とするレーザ溶接継手の検査方法。
2. 上記超音波垂直探触子として、二振動子垂直探触子又はフェイズドアレイ探触子を用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接継手の検査方法。
3. 表材と裏材をレーザ溶接により接合した重ね継手の溶接部を検査する装置において、
   上記裏材又は表材の表面に沿って移動される超音波垂直探触子と、
   上記裏材又は表材の底面エコー高さを検出するエコー高さ検出手段と、
   上記エコー高さ検出手段により検出される上記重ね継手の未接合部での底面エコー高さと、接合部での最小底面エコー高さから、相対エコー高さを算出する演算手段と、
   上記算出された相対エコー高さと、レーザ溶接による接合幅、又は重ね継手の引張強度との相関関係に基づいて、上記相対エコー高さから重ね継手の接合度合を判定する比較判定手段を備えて成ることを特徴とするレーザ溶接継手の検査装置。
4. 上記超音波垂直探触子として、二振動子垂直探触子又はフェイズドアレイ探触子を用いることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接継手の検査装置。