JPH08206833A

JPH08206833A - 溶接現象観察装置

Info

Publication number: JPH08206833A
Application number: JP7037800A
Authority: JP
Inventors: Yukiyoshi Kitamura; 征義北村; Koichi Shinada; 功一品田; Yukihiko Horii; 行彦堀井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1996-08-13

Abstract

(57)【要約】【目的】３０００Ａ〜６０００Ａの高溶接電流のもと
で、Ｘ線透視法を用いて溶接現象観察する際、磁気によ
って生じる画像劣化や、画質不良を解決する装置、及び
方法を提供することを目的とする。【構成】蛍光増倍管２、及びその後方に配設するテレ
ビカメラ６の周囲に板厚０．５〜１．５ｍｍのパーマロ
イ１３を４〜１２枚重ね、かつその総厚が６ｍｍ以上と
すること、蛍光増倍管２前面に受光面をくり抜いた板厚
０．５〜２ｍｍの鋼鈑、透過性の良い材料を用いた冷却
装置、遠隔操作可能な上下左右４枚独立駆動のＸ線透過
量制御用絞り板を配備し、かつその上板を着脱交換容易
な構造とする溶接現象観察装置を用い、Ｘ線を照射しつ
つ溶接状況をテレビ観察、またはビデオ収録、シネカメ
ラ撮影記録する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はサブマージアーク溶接
（以下ＳＡＷと略称）など溶接部が直接肉眼で観察でき
ない溶接方法において、Ｘ線を用い、該Ｘ線の透過量を
光の強弱に変換する蛍光増倍管を通してその溶接現象を
観察する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】生産性向上は、すべての生産分野におい
て常に永遠の課題である。近年低コストで、国内シェア
ーへの参入を図る中進国に対抗して、各企業はコストダ
ウンを強力に推し進めている。コストダウン実現の一つ
は生産能率の向上であり、溶接工程で考えると溶接速度
向上が最も効果的な手段である。また環境汚染防止のた
め造船界ではタンカーの二重底化（ダブルボトム、ダブ
ルハル）を進めつつある。これによって大板継ぎや、す
み肉溶接工程が増えるため、ここで使用されるＳＡＷの
高速化技術が切望されている。しかしながら、単に溶接
速度に見合うワイヤ溶融量となるよう溶接電流を高めて
高速溶接をしてもアンダカットやスラグ巻き込みといっ
た溶接欠陥が発生するため、容易に高速溶接を実現する
ことは困難である。

【０００３】これはＳＡＷにおいては、溶接部がフラッ
クスで覆われているため、溶接状況が直接観察できず、
内部でどのような現象が生じているか全く分からず、何
をどうすれば溶接欠陥を防止できるかという手掛かりを
つかむことができないことが大きな障害となっていた。

【０００４】そこで、このＳＡＷの溶接現象観察手段と
して、図２に示すＸ線透視法による観察（例えば、［サ
ブマージアーク溶接の溶融池現象］溶接学会誌ｖｏｌ．
５１（１９８２）Ｎｏ．９、［サブマージアーク溶接に
おけるアークの発生状況と溶接条件の関連］溶接学会誌
ｖｏｌ．５０（１９８１）Ｎｏ．５など）が行なわれ、
これまで多くの有用な知見が得られている。この方法は
Ｘ線管１と照射したＸ線を受ける蛍光増倍管２との間に
試験片３を置き、その上にフラックス４を散布し、アー
ク５を点孤してＳＡＷを行うものである。このときＸ線
管１より照射されたｘ線は溶接部を通過する際、アーク
で掘り込まれた部分と溶融金属が充填された部分とでは
透過量が異なり、このＸ線強度差を蛍光増倍管２で光の
強弱に変換し、影絵像としてそれをテレビカメラ６で撮
影し、テレビ７で観察、ビデオ８に収録、又はシネカメ
ラで撮影して溶接現象を解析するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ただ、この蛍光増倍管
を利用したＸ線透視法においては、胃のレントゲン検査
で知られるように、時計など帯磁する金属物は取り去っ
て観察するほどの配慮がなされ、一般には磁気のない環
境下で観察に共されている。しかしながら、溶接現象を
Ｘ線透視で観察する際には溶接電流によって発生する磁
気を避けることができない。そして、例えば２ｍ／分以
上という高速溶接になると使用する溶接電流値も大きく
なり、これによって生じる溶接部近傍の磁気も強力にな
る。この磁気は蛍光増倍管２及びその後方には配置され
るテレビカメラ６の結像に悪影響を与える。

【０００６】この磁気をシールドする技術に関しては従
来、明快に開示したものは見あたらず、使用する溶接電
流の強さや観察する距離などによって経験的にパーマロ
イなどの材料で蛍光増倍管やテレビカメラをカバーし、
観察できる条件を探索して溶接現象解析を行っていた。
溶接電流値の和が３０００Ａ未満であれば、このような
方法で従来装置で観察することが可能であったが、３０
００Ａ以上の高溶接電流の下では磁気による画像歪みを
抑えきれず、解析するには耐えられないほど画質が劣化
してしまっていた。特に溶接電流に交流を用いた場合に
は、交番磁場が発生するため、観察不能なレベルに低下
していた。

【０００７】また、試験片母材側の溶け込み、溶融プー
ル状況を観察するためには強いＸ線を照射する必要があ
る。しかしながら、試験片上部のフラックス側は過剰な
Ｘ線が照射されることとなり、蛍光増倍管に焼き付きを
生じ、以後の観察が不能となることがある。さらに、試
験片の厚さや、使用するフラックス組成によって透過す
るＸ線量が異なるため、常に全体を見やすいコントラス
トに維持することが困難であった。

【０００８】このコントラストを調整するＸ線絞りに関
しては、特開昭５７−６９６９７号公報に開示された技
術があるが、これは溶接シームを検査する方法に関する
ものであり、試験片上部高さ位置が微妙に変化したり、
フラックスによって透過Ｘ線量が異なる状況を調整する
ことはできないため、本用途には適用できない。また、
Ｘ線管と蛍光増倍管をレールを介して走行装置に搭載
し、溶接部を検査する特開昭５８−１５５３４４号公報
があるが、これも検査法に関わるものであり、本発明が
目指す溶接現象観察のための画像、画質向上に関する知
見はほとんど見あたらないのが現状である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は高溶接電流のも
とで、Ｘ線透視法を用いて溶接現象観察する際、磁気に
よって生じる画像劣化や、画質不良を解決する装置を提
供することを目的とする。上述の画像劣化、画質不良を
解決するため、本発明の要旨とするところは、（１）溶接電流の和が３０００Ａ〜６０００Ａの条件の
溶接現象を観察する装置において、溶接方向に対して直
角に溶接部にＸ線を照射するＸ線管と、試験片に対して
当該Ｘ線管と対向する位置に配設され、照射した前記Ｘ
線を受ける蛍光増倍管と、当該蛍光増倍管の後方に配設
されたテレビカメラと、当該テレビカメラの周囲を包囲
する板厚０．５〜１．５ｍｍ、枚数４〜１２枚で、かつ
総厚が６〜８ｍｍのパーマロイからなることを特徴とす
る溶接現象観察装置。（２）前記蛍光増倍管前面に開口部を有する板厚０．５
〜２ｍｍの軟鋼板を配設することを特徴とする前記
（１）に記載の溶接現象観察装置。（３）前記軟鋼板前面にアルミニュウム又はアルミニュ
ウム合金からなる冷却装置を配設することを特徴とする
前記（２）に記載の溶接現象観察装置。（４）前記冷却装置前面に電気信号で駆動するモータに
よって、独立して上下左右４枚の絞り板位置を制御する
Ｘ線透過量制御用絞り装置を配備することを特徴とする
前記（３）に記載の溶接現象観察装置。（５）前記Ｘ線透過量制御用絞り板のうち、上側絞り板
は電気信号とモータによって駆動する２つの型枠に狭持
される構造とし、当該型枠により上絞り板の着脱交換を
容易にすることを特徴とする（４）に記載の溶接現象観
察装置にある。

【００１０】

【作用】図１は本発明の実施態様を表わす装置の側面断
面模式図である。以下、本図を参照しながら詳述する。
Ｘ線管１、Ｘ線を受ける蛍光増倍管２の間に、台車１０
に搭載した試験片３をセットする。次に該試験片上にフ
ラックス４を散布し、Ｘ線を照射しつつ、給電された溶
接トーチのワイヤ１１との間にアーク５を点孤する。そ
して、同時に所定の溶接速度で台車１０を移動させる。
すると移動しつつある溶接部を透過したＸ線は蛍光増倍
管２で光の強弱に変換され、これをテレビカメラ６で撮
影し、テレビ７、ビデオ８で観察、記録するものであ
る。

【００１１】このとき、溶接電流が流れる溶接ワイヤ１
１や溶接ケーブル１２の周囲には磁界Ｇが発生する。こ
の磁界の強さは溶接電流の強さに比例し、図３に示すよ
うに溶接ワイヤ１１や溶接ケーブル１２と蛍光増倍管
２、テレビカメラ６、テレビ７、ビデオ８との距離に反
比例する。同図からわかるように、溶接電流が流れてい
る溶接ワイヤ１１から離れるほど磁気は小さくなってい
る。従って、実用上観察し得る磁気レベル（１ガウス以
下）となるよう溶接ワイヤ１１と蛍光増倍管２との距離
ｘを離せば高溶接電流を用いても画像の磁気歪みは小さ
くなるが、観察範囲は狭くなり、且つ、像もぼけて解析
が困難になるので、極力接近させ観察することが好まし
い。

【００１２】しかしながら、総溶接電流が３０００Ａ以
上では、従来のままでは不十分で画像歪みが発生してい
た。本発明者らはこの画像歪みを防止する手段を種々検
討した結果、ここで使用する蛍光増倍管２、及びその後
方に配設したテレビカメラ６の周囲に板厚０．５〜１．
５ｍｍのパーマロイ１３を４〜１２枚重層し、且つ該重
層板の総厚が６〜８ｍｍとなるようにした装置と、蛍光
増倍管２受光面前面に受光面をくり抜いた板厚０．５〜
２ｍｍの軟鋼鈑１４を配設した装置で溶接電流６０００
Ａまで画像歪みを防止できることを見いだした。総溶接
電流が６０００Ａを超えると本発明の装置でも画像歪み
を防ぎきれず、解析精度が劣化するので６０００Ａ以下
で使用することが好ましい。

【００１３】重層するパーマロイは図１から分かるよう
に、蛍光増倍管２受光面、及び背面を除きその周囲を覆
っている。また、テレビカメラも前面を除いた面がパー
マロイで覆われている。磁気シールド効果の面から考え
れば全てを包囲するのが好ましいが、受光面を覆うと透
過像のコントラストを低下させるため避けなければなら
ず、又、引き込み信号ケーブル線、蛍光増倍管後面とテ
レビカメラ前面は画像の受け渡しのため遮断することは
できないなど不可避部分が存在する。しかし、画像歪み
の最大原因は蛍光増倍管２のＸ線入力面ａから出力面ｂ
への電子線が磁気により上下左右振動するためであり、
側面のシールドが特に重要である。この部分は引き込み
信号ケーブル線の開放部を含めて８０％以上を覆う必要
があり、これ未満では画像歪み抑制効果が損なわれる。

【００１４】次に、パーマロイの板厚を規定したのは、
０．５ｍｍ未満で重層板の総厚を６ｍｍ以上にするに
は、１３枚以上のパーマロイの成形加工が必要となり、
加工精度の確保、作業の煩雑さ、コストアップなどから
好ましくない。一方、１．５ｍｍを超えると加工性が低
下したり、重層数を確保すると重量アップし装置への負
担が大きくなるため好ましくない。また、総厚を６〜８
ｍｍとしたのは、重層数が４枚以上でも６ｍｍ未満では
磁気の影響を問題ないレベルまで抑えることが難しいか
らである。総厚の上限８ｍｍは、上述した重量アップに
つながる理由と、これ以上厚くしても６０００Ａを超え
る溶接電流に対しては、シールド効果があまり期待でき
ないために限定したものである。

【００１５】さらに蛍光増倍管前面に受光面をくり抜
き、開口部を有する板厚０．５〜２ｍｍの鋼鈑１４を配
設するのは以下の理由である。上述したように、最も強
い影響を与えるのは蛍光増倍管側面からの磁気である
が、前面側からの影響も無視できないからである。しか
しながら、前面に鋼鈑を配設すると透過像全体のコント
ラスト低下が大きくなるので好ましくなく、受光面のみ
をくり抜いた鋼鈑を使用し、画質を低下することなくシ
ールド効果を発揮させるものである。ただ、ここでの磁
気の影響はさほど大きくなく、材料に高価なパーマロイ
を用いなくとも一般の鋼鈑で十分である。しかし、厚さ
が０．５ｍｍ未満ではほとんど効果がない。一方、２ｍ
ｍ超では効果は変わらず、装置重量がかさんでくるので
不要に厚くするのは好ましくない。また、開口部の大き
さは受光面のみをくり抜いた大きさとすることが好まし
い。

【００１６】Ｘ線による溶接現象観察はＳＡＷ、エレク
トロスラグ溶接のような溶接部が直接観察できないもの
のほか、被覆溶接、ガスシールドアーク溶接のごとき可
視アーク現象観察でもその効果は発揮できる。例えば被
覆アーク溶接では溶接中、被覆筒が形成し、その内部で
心線が溶融して溶滴を形成し、母材溶融プールに移行す
る。この被覆筒内部の現象は外から直接観察できない
が、Ｘ線ではその生成挙動観察が可能である。しかしな
がら、可視アークの輻射熱、スパッタの付着などは蛍光
増倍管故障の原因となる。そこで、本発明ではアルミニ
ュウムやアルミニュウム合金を用い、図１に示すように
鋼鈑前面に冷却装置１６を配設したものである。

【００１７】図４に冷却装置の側面断面図の例を示す。
冷却部２０は中空であり、これを構成するアルミ板１
８、１９の厚さ（１．５〜３ｍｍ）、及び冷却部２０の
中空厚さｔ（２〜５ｍｍ）変動は０．５ｍｍ以下が望ま
しい。これにより大きな変動がＸ線透過方向にあると蛍
光増倍管２に到達するＸ線量が不均一となり画像ムラが
生じる。また、アルミ板１８、１９及び冷却部２０の中
空厚は構造・製作上許される限り薄い方が画像コントラ
ストに対して有利となることはいうまでもないが、アル
ミ板は強度上１．５〜３ｍｍが望ましい。さらに冷却部
２０の中空に充填・循環させる冷媒は上に抜ける構造と
することが好ましい。もし、冷却部２０に空気が残った
状態になるとその部分のＸ線透過量が多くなり、像に空
気層が残ってしまい解析がしにくくなる。ここで用いる
冷媒とは、水、油、ガスその他有機溶剤など種類は問わ
ないが、上記の理由から異物混入や密度差を生じないも
のを使用すべきである。

【００１８】ＳＡＷにおいては試験片表面より下側の母
材のガウジングや溶融プール挙動を観察すると共に、フ
ラックス側のスラグやガス挙動、アーク長変化なども同
時に観察できることが望ましい。しかしながら、母材側
を透過するＸ線量とフラックスを透過するＸ線量とでは
大きな差があり、母材の溶け込み、溶融プール状況観察
のため強いＸ線照射した場合には、フラックス側は過剰
のＸ線が照射されることとなり、ハレーションを生じて
画像が見にくくなる。さらにひどい場合には高価な蛍光
増倍管２に焼き付きを生じることがある。さらに試験片
の厚さや、使用するフラックス組成によっても透過する
Ｘ線量が異なるため、全体を見やすいコンストラストに
することが困難であった。

【００１９】そこで本発明では図１に示すように、冷却
装置前面に上下左右４枚の絞り板を有するＸ線透過量制
御装置１７を配備した。図５、図６はその詳細図で、図
５は正面図、図６は側面図である。図５において２１は
左、２２は右、２３は下、２４は上側絞り板である。各
板はそれぞれ電気信号によって駆動するモータ３０に連
結されたワイヤ２７による牽引機構で移動する構造とし
ている。そして、図６に示すように、これらの絞り板は
夫々が独立して重なりある４重構造としている。さら
に、上板２４のみはフラックス種類、母材板厚によって
異なるフラックス側の透過Ｘ線量を制御するため、絞り
板厚を変更できる構造としている。即ち、図６において
上側絞り板２４を挿入する型枠２９が設けられている。
そして各種厚みの鉛板を貼り付けた絞り板２４をこの型
枠にセットすることで母材側Ｘ線撮影条件にマッチした
上側絞り板に調節できるのである。具体的には交換用把
手２５を用いて絞り板を引き抜き、最適な絞り板に差し
替えることにより画像全体のコントラストを調整する。
また、下、左、右側の絞り板は主として溶接終始端で生
じる不要の過剰Ｘ線をカットする目的であり、出力３０
０ＫＶクラスのＸ線管では厚さ５ｍｍ程度の鉛板を絞り
板として用いればよい。

【００２０】

【実施例】図１に示すように板厚３０ｍｍ、幅１００ｍ
ｍ、長さ１５００ｍｍのＳＭ４００Ａの鋼鈑を逆Ｔ型に
組み立て、試験片３として台車１０にセットした。次に
その試験片３を挟んで蛍光増倍管２、Ｘ線管１を配置
し、試験片３の両側に２ｍｍ厚さのアルミニュウム板を
試験片３との間隔を各５ｍｍづつ離して立て、試験片上
部にフラックス４を散布し、溶接ワイヤ１１と試験片３
との間にアーク５を発生させ、台車１０を移動させ溶接
開始した。そしてこれと同時にＸ線管１から蛍光増倍管
２に向けてＸ線を照射し、受光面に生じた溶接部の影絵
をテレビカメラ６で撮影し、又はビデオ８、テレビ７で
その現象を観察した。

【００２１】表１に実施した４電極サブマージアーク溶
接条件を示す。フラックスはＪＩＳＺ３３５２のＦ
Ｓ−ＦＧ３相当の溶融フラックス、ワイヤはＪＩＳＺ
３３５１のＹＳ−Ｓ６相当で径は４．０ｍｍを使用し
た。使用したＸ線管１は焦点１．０×１．０ｍｍ、管電
圧能力最大３００ｋＶ、管電流最大１０ｍｍＡのもの
で、照射条件は各試験ともＸ線管電圧２８０ｋｖ、管電
流２ｍｍＡ、上絞り板は１．５ｍｍ厚の鉛板を使用し
た。なお、試験片３中心と蛍光増倍管２との距離ｘは３
５０ｍｍである。

【００２２】

【表１】

【００２３】表２にテレビによる観察、及びビデオ録画
結果を示す。パーマロイ厚さ０．５〜１．５ｍｍで４層
以上積層して総厚６ｍｍを確保し、蛍光増倍管２前面に
２ｍｍの鋼鈑、４枚のＸ線絞り板を配置した本発明の試
験ＮＯ．Ａ、Ｂ、Ｃではいずれも安定したテレビ画像が
得られ、かつ、画像コントラストも十分解析に耐えるも
のが得られた。また、ビデオになんら問題なく収録でき
た。一方、比較例の試験ＮＯ．Ｄではパーマロイの総厚
不十分や、蛍光増倍管２前面のシールド鋼鈑不使用でテ
レビ画面歪みが発生し、観察には耐えられなかった。ま
た、Ｘ線絞り板がないため画像にハレーションが発生し
た。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】上述したように本発明法によれば、従来
法では不能であった３０００Ａから６０００Ａという高
溶接電流下でも安定したＸ線透過画像観察が可能とな
り、高能率溶接技術開発の核となる溶接現象解析に重要
な情報を与えることができる。従って、溶接高能率化技
術開発期間の大幅短縮や、新知見から新たな新技術創出
による生産性向上も可能となり、本発明が産業上に与え
るメリットは大きいものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＸ線を用いたＳＡＷ溶接現象観察方法
を示す一実施態様の模式図。

【図２】従来のＸ線を用いたＳＡＷ溶接現象観察方法を
示す模式図。

【図３】溶接ワイヤーと蛍光増倍管との距離ｘと磁気の
強さとの関係を示す図。

【図４】本発明の冷却装置の側面断面図。

【図５】本発明の上下左右４枚独立駆動のＸ線透過量制
御装置の正面図。

【図６】本発明の上下左右４枚独立駆動のＸ線透過量制
御装置の側面図。

【符号の説明】

１Ｘ線管２蛍光増倍管３試験片４フラックス５アーク６テレビカメラ７テレビ８ビデオ９溶接電源１０台車１１ワイヤ１２溶接ケーブル１３パーマロイ１４鋼鈑１５溶接トーチ１６冷却装置１７Ｘ線透過量制御装置１８、１９アルミ板２０冷却部２１左側絞り板２２右側絞り板２３下側絞り板２４上側絞り板２５交換用把手２６シリンダー２７牽引ワイヤ２８ローラー２９形枠３０モータａＸ線入力面ｂ画像出力面Ｇ磁界ｔ冷却部中空厚さｘ試験片と蛍光増倍管との距離Ｉ溶接電流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接電流の和が３０００Ａ〜６０００Ａの
条件の溶接現象を観察する装置において、溶接方向に対
して直角に溶接部にＸ線を照射するＸ線管と、試験片に
対して当該Ｘ線管と対向する位置に配設され、照射した
前記Ｘ線を受ける蛍光増倍管と、当該蛍光増倍管の後方
に配設されたテレビカメラと、当該テレビカメラの周囲
を包囲する板厚０．５〜１．５ｍｍ、枚数４〜１２枚
で、かつ総厚が６〜８ｍｍのパーマロイからなることを
特徴とする溶接現象観察装置。
【請求項２】前記蛍光増倍管前面に開口部を有する板厚
０．５〜２ｍｍの軟鋼板を配設することを特徴とする請
求項１に記載の溶接現象観察装置。
【請求項３】前記軟鋼板前面にアルミニュウム又はアル
ミニュウム合金からなる冷却装置を配設することを特徴
とする請求項２に記載の溶接現象観察装置。
【請求項４】前記冷却装置前面に電気信号で駆動するモ
ータによって、独立して上下左右４枚の絞り板位置を制
御するＸ線透過量制御用絞り装置を配備することを特徴
とする請求項３に記載の溶接現象観察装置。
【請求項５】前記Ｘ線透過量制御用絞り板のうち、上側
絞り板は電気信号とモータによって駆動する２つの型枠
に狭持されていることを特徴とする請求項４に記載の溶
接現象観察装置。