JP5733504B2 - 溶接部の欠陥検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、上下に配置される板材同士を両面ＳＡＷ（サブマージアーク溶接）により接合する際に、初層の溶接部における溶け込み不良等の欠陥の有無を確認するのに好適な溶接部の欠陥検出方法に関するものである。

上記したように、上下に配置される板材同士、例えば、ＬＮＧタンクの側板同士を接合するには、ＳＡＷが用いられている。従来において、このＳＡＷによって上下の側板同士を接合する場合、まず、上下の側板間に形成された開先の一方の面側に横向ＳＡＷを施すのに続いて、開先の他方の面側に対して、いわゆる裏はつりと呼ばれる加工を行って、溶接部における溶け込み不良等の欠陥を除去した後、開先の他方の面側に横向ＳＡＷを行うようにしている。
上記したＳＡＷに関しては、例えば、非特許文献１に詳述されている。

社団法人 溶接学会編 第２版 溶接・接合便覧 第２８３頁〜第３００頁

上記したＬＮＧタンクにおける側板の接合作業では、開先の一方の面側に対する横向ＳＡＷ，開先の他方の面側に対する裏はつり及びこの他方の面側に対する横向ＳＡＷの３つの作業を必要とする。

そこで、接合作業における工数の低減を図るうえで、開先の両面側から同時に横向ＳＡＷを行うことが考えられるが、この両面横向ＳＡＷにおいて、片面横向ＳＡＷの場合には裏はつり作業によりできていた溶接部における溶け込み不良等の欠陥の除去を行うことができないことから、両面横向ＳＡＷにおける初層の溶接部の健全性を確認し得る非破壊検査手法の確立が求められている。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、上下に配置される板材同士をＳＡＷにより接合する際の工数の低減を実現したうえで、両面横向ＳＡＷによる初層の溶接部に生じる可能性がある溶け込み不良等の欠陥を高精度で検出することができ、加えて、層が少ない時点で欠陥を検出し得るので、溶接部の厚みが少ない分だけ、手直し時間の短縮化をも実現することが可能である溶接部の欠陥検出方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、上下に配置した板材間に施される両面横向ＳＡＷによる溶接部を対象とした欠陥の検出方法であって、前記上下の板材間に形成される開先に対して前記両面横向ＳＡＷによる初層溶接部を盛った段階で、前記初層溶接部の厚さがあらかじめ設定された必要積層厚さ以上であるか否かの判定を行い、前記初層溶接部の厚さが前記あらかじめ設定された必要積層厚さに満たない場合には、前記両面横向ＳＡＷにより前記初層溶接部上に第２層の溶接部を盛り、この後、前記板材の一方の面側において、前記開先を挟んで送信側探触子及び受信側探触子をそれぞれ配置して、前記送信側探触子から超音波を前記開先に干渉せずに送信し得る最小探傷角度と前記受信側探触子が前記送信側探触子からの超音波を受信し得る最大探傷角度との間の範囲内で且つ前記あらかじめ設定された積層厚さの溶接部に向けて、前記送信側探触子から周波数が５〜１５ＭＨｚの超音波を送信させながら、前記溶接部が盛られる前記開先に沿って移動させると共に、前記溶接部で回折ないし反射した超音波を前記受信側探触子で前記開先に沿って移動させながら受信させるＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法により前記溶接部における欠陥を探り、この欠陥探傷により欠陥が検出されない、ないしは検出されたとしても欠陥の前記開先に沿う方向の長さである欠陥指示長さが規定値を超えない場合には、溶接部を合格として判定する一方で、該欠陥探傷で検出された前記欠陥指示長さが規定値以上である場合には、前記板材の他方の面側において、前記開先を挟んで送信側探触子及び受信側探触子をそれぞれ配置して、前記板材の一方の面側と同じ位置で且つ同様にしてＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行い、この欠陥探傷により欠陥が検出されない、ないしは検出されたとしても前記欠陥指示長さが規定値を超えない場合には、溶接部を合格として判定する一方で、該欠陥探傷で検出された前記欠陥指示長さが規定値以上である場合には、溶接部を不合格として判定する構成としたことを特徴としており、この溶接部の欠陥検出方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

ここで、上下の板材間に形成される開先に盛った初層溶接部に対して、板材の一方の面側でＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行う場合、初層溶接部の積層厚さが薄いと、表面を伝播する波、すなわち、ラテラル波（図１参照）の伝播距離と初層溶接部に欠陥（溶け込み不良）が存在するときの縦波の伝播距離が同程度になり、ラテラル波と思われる連続エコーと初層溶接部の欠陥のエコー位置とが重なって、欠陥指示が判別し難い。

そこで、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法では、ＴＯＦＤ法による欠陥探傷時に、ラテラル波の影響を受け難い初層溶接部の必要積層厚さをあらかじめ設定することとし、初層溶接部の厚さがこのあらかじめ設定した必要積層厚さに満たない場合には、両面横向ＳＡＷにより初層溶接部上に第２層の溶接部を盛ってからＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行うこととした。

この際、図４（ａ）に示すように、探触子（センサ）として波の数が多い狭帯域タイプのものを用いた場合には、反射波同士の距離が近いと互いに干渉しあってピークが判り難いが、図４（ｂ）に示すように、探触子として波の数が少ない広帯域タイプのものを用いた場合には、反射波同士の距離が近くてもピークが判別し易いことから、広帯域タイプの探触子を用いたうえで、超音波が板材の内部を伝播する距離（図１（ｂ）に実線で示す）と板材の表面を伝播する距離（図１（ｂ）に二点鎖線で示す）との差が波長の３倍になるように、必要積層厚さを設定することとした。
例えば、板材が９％Ｎｉのニッケル鋼の場合に広帯域タイプの探触子を用いた際の超音波の波長が約０．７（ｍｍ）であるとすると、必要積層厚さは、超音波が板材の内部を伝播する距離と板材の表面を伝播する距離との差がこの波長の３倍、すなわち、約２ｍｍとなるような表面伝播距離が得られる積層厚さとする。

また、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法において、送信側探触子から超音波を開先に干渉せずに送信し得る最小探傷角度とは、図１（ｂ）に示すように、開先Ｗａ近傍において送信側探触子１を有効測定位置に置いた状態で超音波を送信し得る最小の探傷角度、すなわち、開先Ｗａの上側斜辺の角度αを超える角度であり、一方、最大探傷角度とは、受信側探触子２が送信側探触子１からの信号を拾い得る角度θであり、概ね７０°である。

さらに、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法において、送信側探触子から送信する超音波の周波数を５〜１５ＭＨｚとしているが、欠陥を効率良く検出して確認するうえで、送信側探触子から送信する超音波の周波数を７．５〜１２．５ＭＨｚとすることが望ましく、１０ＭＨｚ程度とすることがより望ましい。

さらに、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法において、初層溶接部上に第２層の溶接部を積層した場合は、これの影響と思われる連続エコーが検出される可能性があるが、板材の他方の面側において、板材の一方の面側と同じ位置で且つ同様にしてＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行うことで、擬似エコーであることを確認できる。

本発明の請求項１に係る溶接部の欠陥検出方法では、上下の板材間に形成される開先に対して両面横向ＳＡＷによる初層溶接部ないし第２層の溶接部を盛って、ラテラル波の影響を受け難い溶接部の必要積層厚さを確保したうえで、板材の一方の面側において、上記した検出条件によるＴＯＦＤ法によって初層の溶接部における欠陥を探り、さらに、板材の他方の面側においても、板材の一方の面側と同じ位置で且つ同様にしてＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行うようにしているので、上下に配置される板材同士を両面横向ＳＡＷで接合したとしても、両面横向ＳＡＷによる初層の溶接部に生じる可能性がある溶け込み不良等の欠陥を高精度で検出し得ることとなる。
加えて、層が少ない初層ないし第２層の時点で欠陥を検出し得るので、溶接部の厚みが少ない分だけ、手直し時間の短縮化も図られることとなる。

本発明に係る溶接部の欠陥検出方法において、板材の板厚が薄い場合には、初層溶接部が開先から大きくはみ出してしまうことが考えられるので、本発明の請求項２に係る溶接部の欠陥検出方法では、前記上下の板材間に形成される開先に対して前記両面横向ＳＡＷによる初層溶接部を盛った段階で、前記板材の板厚が両面２層溶接可能な厚さ、例えば、前記板材の板厚が１０ｍｍ以上であるか否かの判定を行い、前記板材の板厚が両面２層溶接可能な厚さに満たない場合には、前記初層溶接部の余剰分を除去した後、前記板材の一方の面側で前記ＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行う構成としている。

また、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法では、ＴＯＦＤ法による欠陥探傷時において、材料ノイズが多い場合には、ウェーブレット処理等の信号処理のステップを追加して行うことが望ましく、このような信号処理を行うと、欠陥指示長さの測定が容易になる。

本発明に係る溶接部の欠陥検出方法では、上記した構成としているので、上下に配置される板材同士を両面横向ＳＡＷで接合したとしても、両面横向ＳＡＷによる初層の溶接部に生じる可能性がある溶け込み不良等の欠陥を高精度で検出することが可能であり、その結果、上下の板材同士を接合する際の工数低減を実現でき、加えて、層が少ない、すなわち、溶接部の厚みが少ないうちに欠陥を検出し得るので、手直しに要する時間の短縮化をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る溶接部の欠陥検出方法による欠陥検出状況を示す構成説明図（ａ）及びＴＯＦＤ法の検出条件説明図（ｂ）である。 一実施形態に係る溶接部の欠陥検出方法による欠陥検出要領を示すフローチャートである。 一実施形態に係る溶接部の欠陥検出方法による欠陥検出結果を示す説明図である。 本発明に係る溶接部の欠陥検出方法における必要積層厚さを説明するための波形図（ａ），（ｂ）である。

以下、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法の一実施形態を説明する図であり、この実施形態では、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法をＬＮＧタンクの側板同士の接合部分における欠陥検出に用いた場合を例に挙げて説明する。

図１及び図２に示すように、ＬＮＧタンクの上下に配置された側板Ｗｕ，Ｗｌ同士を両面横向ＳＡＷにより接合するには、まず、ステップＳ１において上下の側板Ｗｕ，Ｗｌ間に形成される開先Ｗａに対して、両面横向ＳＡＷによる初層溶接部Ａを盛る。

ここで、上下に配置される側板Ｗｕ，Ｗｌが互いに同じ板厚のパターンと、上側の側板Ｗｕが下側の側板Ｗｌよりも板厚が薄いパターンの２つのパターンがあるが、上側の側板Ｗｕの板厚Ｔが下側の側板Ｗｌよりも薄いと、上記ステップＳ１の段階で、初層溶接部Ａが開先Ｗａから既にはみ出していて必要に応じて施される両面２層溶接を行うことができないことになるので、ステップＳ２において上側の側板Ｗｕの板厚Ｔが両面２層溶接可能な厚さであるか否かの判定を行い、この上側の側板Ｗｕの板厚Ｔが両面２層溶接可能な厚さ、例えば１０ｍｍ以上である（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ３において初層溶接部Ａの厚さｈがあらかじめ設定された必要積層厚さｈｍｉｎ以上であるか否かの判定を行い、初層溶接部Ａの厚さｈが必要積層厚さｈｍｉｎ以上である（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ６に進む。

ステップＳ２において上側の側板Ｗｕの板厚Ｔが両面２層溶接可能な厚さに満たない、例えば１０ｍｍに満たない（Ｎｏ）場合には、ステップＳ５において初層溶接部Ａの余剰分（余盛、はみ出し）を除去した後、ステップＳ６に進み、ステップＳ３において初層溶接部Ａの厚さｈがあらかじめ設定された必要積層厚さｈｍｉｎに満たない（Ｎｏ）場合には、ステップＳ４において両面横向ＳＡＷにより初層溶接部Ａ上に第２層の溶接部を盛って必要積層厚さｈｍｉｎを確保したうえで、ステップＳ６に進んで、側板Ｗｕ，Ｗｌの一方の面側（図示右側：タンク内面側）でＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行う。この実施形態では、初層溶接部Ａの厚さｈが必要積層厚さｈｍｉｎ以上である場合を示している。

ここで、初層溶接部Ａの厚さｈとして必要積層厚さｈｍｉｎをあらかじめ設定したのは、
ステップＳ６においてＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行う場合に、図１（ｂ）に仮想線で示すラテラル波の影響を受け難くするためであり、例えば、側板Ｗｕ，Ｗｌが９％Ｎｉのニッケル鋼である場合に後述する探触子１，２として広帯域タイプのものを用いた際の超音波の波長が約０．７（ｍｍ）であるとすると、必要積層厚さｈｍｉｎを超音波が内部を伝播する距離と表面を伝播する距離との差がこの波長の３倍の約２ｍｍとなるような表面伝播距離が得られる積層厚さに設定する。

次いで、ステップＳ６におけるＴＯＦＤ法による欠陥探傷では、側板Ｗｕ，Ｗｌの一方の面側において、開先Ｗａを挟んで送信側探触子１及び受信側探触子２をそれぞれ配置して、送信側探触子１から超音波を送信させながら受信側探触子２とともに溶接線に沿ってスキャンさせる。

この際、超音波を送信する向き（探傷角度）θは、開先Ｗａに干渉せずに送信し得る最小探傷角度、すなわち、開先Ｗａの上側斜辺の角度αを超える角度と、受信側探触子２が送信側探触子１からの超音波を受信し得る最大探傷角度との間の範囲内であり、この実施形態において概ね７０°である。また、この欠陥探傷において、周波数が５〜１５ＭＨｚの超音波を用いることができ、この実施形態では、送信側探触子１から周波数１０ＭＨｚ程度の超音波を送信するようにしている。

この側板Ｗｕ，Ｗｌの一方の面側におけるＴＯＦＤ法による欠陥探傷後、ステップＳ７において欠陥の指示長さの測定を行う。

次に、上記欠陥探傷により欠陥が検出されない、ないしは検出されたとしても、ステップＳ８において指示長さが規定値を超えない（Ｎｏ）と判定された場合には、ステップＳ９において溶接部Ａを合格として判定する一方で、欠陥探傷で検出された欠陥の指示長さが、ステップＳ８において規定値以上である（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ１０において側板Ｗｕ，Ｗｌの他方の面側（図示左側：タンク外面側）でＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行う。この場合のＴＯＦＤ法による欠陥探傷は、側板Ｗｕ，Ｗｌの一方の面側と同じ位置で且つ同様の条件で行う。

なお、ステップＳ４において初層溶接部Ａ上に第２層の溶接部を積層した場合は、これの影響と考えられる連続エコーが検出される可能性があるが、この側板Ｗｕ，Ｗｌの他方の面側における同一位置でのＴＯＦＤ法による欠陥探傷により、上記連続エコーが擬似エコーであることを確認できる。

上記側板Ｗｕ，Ｗｌの他方の面側におけるＴＯＦＤ法による欠陥探傷後には、そのままステップＳ１１に進んで欠陥の指示長さの測定を行う。

そして、この欠陥探傷により欠陥が検出されない、ないしは検出されたとしても、ステップＳ１２において指示長さが規定値を超えない（Ｎｏ）と判定された場合には、ステップＳ１３において溶接部Ａを合格として判定する一方で、欠陥探傷で検出された欠陥の指示長さが、ステップＳ１２において規定値以上である（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ１４において溶接部Ａを不合格として判定する。なお、溶接部Ａの合否判定を下すステップＳ８，Ｓ１２における規定値は、施工現場毎に規定される値である。

図３は、この実施形態に係る溶接部の欠陥検出方法による欠陥の検出結果を示しており、この結果から、この実施形態に係る溶接部の欠陥検出方法では、図３左側の初層溶接部Ａに存在する欠陥（楕円で囲んだ指示）を精度良く検出し得ることが実証できた。

この検査において、欠陥が生じる箇所（図１（ｂ）におけるルート部Ｒ）が判っており、図３において上記ルート部Ｒに該当する部分に現れた楕円で囲んだ指示以外は無視している。この無視した指示は、ルート部Ｒの欠陥以外の反射源（両探触子１，２とは反対側の側板Ｗｕ，Ｗｌ表面や、初層溶接部Ａと側板Ｗｕ，Ｗｌとの界面Ｉなど）で生じたものである。

この検査において、送信側探触子１から超音波を送信させる際には、焦点をルート部Ｒに合わせるが、超音波は扇状に広がることから、図１（ａ）に示すように、欠陥Ｄの板厚方向の両端で超音波が反射され、２本の伝播路Ｕａ，Ｕｂができる。この両探触子１，２側で反射する超音波の伝播路Ｕａと、両探触子１，２とは反対側で反射する超音波の伝播路Ｕｂとは互いに重なることから、欠陥Ｄの有無を検出することはできても欠陥Ｄの板厚方向のサイズＤｔは検出することができない。しかしながら、両探触子１，２を溶接線に沿って移動させることから、欠陥Ｄのスキャン方向のサイズは検出可能である。

上記したように、この実施形態に係る溶接部の欠陥検出方法では、上下の側板Ｗｕ，Ｗｌ間に形成される開先Ｗａに対して両面横向ＳＡＷによる初層溶接部Ａを盛って、ラテラル波の影響を受け難い溶接部Ａの必要積層厚さｈを確保し、上下の側板Ｗｕ，Ｗｌの一方の面側において、上記した検出条件によるＴＯＦＤ法によって初層溶接部Ａにおける欠陥を探り、加えて、上下の側板Ｗｕ，Ｗｌの他方の面側においても、側板Ｗｕ，Ｗｌの一方の面側と同じ位置で且つ同様にしてＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行うようにしていることから、上下に配置される側板Ｗｕ，Ｗｌ同士を両面横向ＳＡＷで接合したとしても、両面横向ＳＡＷによる初層溶接部Ａに生じる可能性がある溶け込み不良等の欠陥を高精度で検出し得ることとなる。
そして、溶接部Ａの厚みが少ない初層溶接の時点で欠陥を検出し得るので、その分だけ、手直し時間の短縮化が図られることとなる。

なお、上記した実施形態では、本発明に係る溶接部の欠陥検出方法をＬＮＧタンクの側板同士の接合部分における欠陥検出に用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。

１ 送信側探触子
２ 受信側探触子
Ａ 初層溶接部
ｈ 初層溶接部の厚さ
ｈｍｉｎ 必要積層厚さ
Ｗａ 開先
Ｗｕ，Ｗｌ 側板（板材）
θ 探傷角度

Claims (2)

1. 上下に配置した板材間に施される両面横向ＳＡＷによる溶接部を対象とした欠陥の検出方法であって、
   前記上下の板材間に形成される開先に対して前記両面横向ＳＡＷによる初層溶接部を盛った段階で、前記初層溶接部の厚さがあらかじめ設定された必要積層厚さ以上であるか否かの判定を行い、前記初層溶接部の厚さが前記あらかじめ設定された必要積層厚さに満たない場合には、前記両面横向ＳＡＷにより前記初層溶接部上に第２層の溶接部を盛り、
   この後、前記板材の一方の面側において、前記開先を挟んで送信側探触子及び受信側探触子をそれぞれ配置して、前記送信側探触子から超音波を前記開先に干渉せずに送信し得る最小探傷角度と前記受信側探触子が前記送信側探触子からの超音波を受信し得る最大探傷角度との間の範囲内で且つ前記あらかじめ設定された積層厚さの溶接部に向けて、前記送信側探触子から周波数が５〜１５ＭＨｚの超音波を送信させながら、前記溶接部が盛られる前記開先に沿って移動させると共に、前記溶接部で回折ないし反射した超音波を前記受信側探触子で前記開先に沿って移動させながら受信させるＴＯＦＤ法により前記溶接部における欠陥を探り、
   この欠陥探傷により欠陥が検出されない、ないしは検出されたとしても欠陥の前記開先に沿う方向の長さである欠陥指示長さが規定値を超えない場合には、溶接部を合格として判定する一方で、該欠陥探傷で検出された前記欠陥指示長さが規定値以上である場合には、前記板材の他方の面側において、前記開先を挟んで送信側探触子及び受信側探触子をそれぞれ配置して、前記板材の一方の面側と同じ位置で且つ同様にしてＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行い、
   この欠陥探傷により欠陥が検出されない、ないしは検出されたとしても前記欠陥指示長さが規定値を超えない場合には、溶接部を合格として判定する一方で、該欠陥探傷で検出された前記欠陥指示長さが規定値以上である場合には、溶接部を不合格として判定する
   ことを特徴とする溶接部の欠陥検出方法。
2. 前記上下の板材間に形成される開先に対して前記両面横向ＳＡＷによる初層溶接部を盛った段階で、前記板材の板厚が両面２層溶接可能な厚さであるか否かの判定を行い、前記板材の板厚が両面２層溶接可能な厚さに満たない場合には、前記初層溶接部の余剰分を除去した後、前記板材の一方の面側で前記ＴＯＦＤ法による欠陥探傷を行う請求項１に記載の溶接部の欠陥検出方法。