JPWO2013076850A1 - 溶接溶け込み深さ検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突合せ面の両端側や全周端を溶接する場合に、溶接溶け込み深さの不足及び過剰共に確実に判定でき、溶接部の溶け込み深さの等しい突合せ溶接を可能とする。【解決手段】突合せ面の両端側や全周端を溶接する場合の突合せ溶接の継ぎ手構造において、溶け込み不足判定用、溶け込み超過判定用の第１，第２切欠き２ａ，２ｂを形成する。突合せ溶接後、継ぎ手構造の第１，第２切欠き２ａ，２ｂに各々超音波５を投射して反射波６を測定し、両反射波６に基づいて溶接溶け込み深さの良否を判定する。この判定を、被溶接材１，１の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分に対して実施し、同部分の溶接溶け込み深さの良否を検査する。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ溶接等による溶接部における溶接溶け込み深さ検査方法に関するものである。

従来、溶接部における溶接溶け込み深さを検査する方法として、特許文献１に記載のものがあった。これは、例えば板と管の溶接部の溶接状況について、管内部に探触子を挿入し、溶接部の先端が位置すると予想される部分に超音波を入射させ、その反射波に基づいて、必要とされる溶け込み深さの溶接部が得られたか否かを判定するというものである。
また、溶接溶け込み不良を簡易、確実に判定可能とする突合せ溶接継手として特許文献２に記載のものがあった。これは、被溶接材の突合せ位置の一方側から溶接する突合せ溶接継手において、溶接施工側とは反対側の被溶接材と対向するエッジ部に面取を施し、溶接部へ向けて発振した超音波の反射エコーの大小に基づいて溶け込み不良を判定するというものである。

特開２００１−２８９８２６号公報 特開平６−１６７４７９号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載の従来技術では、溶接の溶け込み深さ不足は判定できても、溶け込み深さ過剰は判定できない。被溶接材の突合せ面の一端側だけの溶接であれば、溶け込み深さ過剰を判定できないことは、溶接強度の観点からはそれほど問題とはならない。しかし、被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分を溶接する場合の溶け込み深さ過剰（全周端部分の溶接においてはその一部の溶け込み深さ過剰）は、溶け込み深さ不足と同様に、溶接強度の観点からは問題となる。
このような溶接においては、溶け込み深さ不足のみならず溶け込み深さ過剰が生じた場合も、被溶接材の突合せ面の両端間や全周端において溶接強度に不平衡が生じる。このため、被溶接材や溶接部に歪みが生じ、溶け込み深さ不足の箇所は勿論のこと、溶け込み深さが適正である箇所まで溶接部の強度や耐久性等を低下させるからである。
したがって、被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分を溶接する場合において、溶け込み深さ不足のみならず、溶け込み深さ過剰についても確実に判定する必要があり、従来、この点の改善が要望されていた。

本発明は、上記のような要望に鑑みなされたもので、被溶接材の突合せ面の両端側各部分や全周端部分を溶接する場合において、溶接の溶け込み深さ不足のみならず、溶け込み深さ過剰についても確実に判定することができ、ひいては溶接部全体に亘って溶け込み深さを等しくし得る溶接溶け込み深さ検査方法を提供することを課題とする。

本発明の溶接溶け込み深さ検査方法は、溶接溶け込みされていない場合に超音波を反射させるための切欠きを被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分に備え、各切欠きは、溶接溶け込み不足を判定するための第１切欠きと、溶接溶け込み超過を判定するための第２切欠きとを備える継ぎ手構造を備えた、被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分の突合せ溶接後において、前記継ぎ手構造の第１切欠き又は第２切欠きに向かって超音波を投射し、その反射波を測定する第１工程と、前記継ぎ手構造の第２切欠き又は第１切欠きに向かって超音波を投射し、その反射波を測定する第２工程と、これら第１工程及び第２工程で測定された反射波に基づいて溶接溶け込み深さの良否を判定する第３工程とを、前記被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分に対して実施し、該部分の溶接溶け込み深さの良否を検査することを特徴とする。

本発明の溶接溶け込み深さ検査方法によれば、突合せ溶接の継ぎ手構造において、溶接溶け込み不足を判定するための第１切欠きと、溶接溶け込み超過を判定するための第２切欠きとを設けて溶接溶け込み深さの適否を判定するようにしたので、溶接溶け込み深さの良否を確実に判定可能である。しかも、このような溶接溶け込み深さの良否の判定を、被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分に対して行うようにしたので、溶接部全体に亘って溶け込み深さを等しくし得る。したがって、溶接部やその周辺における歪みの発生を防止でき、溶接部の強度や耐久性等を高めることができる。
また、溶接溶け込み深さの良否の判定、検査を、２種類の切欠きを設けた継ぎ手構造と超音波を用いた測定技術だけで簡単に行うことができ、特に量産ラインにおける溶接部の全数検査に適用して大なる効果を発揮できる。

本発明方法が適用される継ぎ手構造を例示する側面図である。 図１中の破線で囲んだ部分（脚長部分）の拡大図である。 図１中の継ぎ手構造の上端側部分の拡大図である。 本発明の一実施形態に係る溶接溶け込み深さ検査方法による溶接溶け込み深さ検査の説明図である。 同上検査方法による検査結果が溶け込み深さ適正（脚長適正）とされる場合の超音波の送受信の様子を示す図である。 同じく検査結果が溶け込み深さ不足（脚長不足）とされる場合の超音波の送受信の様子を示す図である。 同じく検査結果が溶け込み深さ過剰（脚長過剰）とされる場合の超音波の送受信の様子を示す図である。 同じく検査結果が溶け込み深さ適正とされる場合の超音波の受信波の様子〔（ａ）図〕と波形〔（ｂ）図〕を示す図である。 同じく検査結果が溶け込み深さ不足とされる場合の超音波の受信波の様子〔（ａ）図〕と波形〔（ｂ）図〕を示す図である。 本発明方法が適用される他の継ぎ手構造を例示する断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明方法が適用される継ぎ手構造（被溶接材の突合せ面部分）を例示する側面図である。
この図に示すように、本発明方法が適用される継ぎ手構造は、一対の被溶接材１，１の突合せ面の上下端側各部分を同一脚長ｄ１に溶接して、その一対の被溶接材１，１同士を接合する突合せ溶接の継ぎ手構造である。
この継ぎ手構造には、溶接溶け込みされていない場合に溶接溶け込み検査用の超音波を反射させるための切欠き２を被溶接材１，１の突合せ面の上下端側各部分に備える。ここでは、被溶接材１，１中、図中右側の被溶接材１に切欠き２を備える。この被溶接材１の切欠き２のうち、上端側の切欠き２を図２に拡大して示す。
図１、図２中、二点鎖線で囲んだ部分αは、適正に溶接された場合の溶接部（溶接溶け込み部分）を示す。

この切欠き２の詳細につき、図３を参照して説明する。なお、図３は被溶接材１，１の突合せ面の上端側の切欠き２について示しているが、同突合せ面の下端側の切欠き２も同様に形成されている（図１参照）。
すなわち、被溶接材１，１の突合せ面の上下端側の各切欠き２は、溶接溶け込み不足を判定するための第１切欠き２ａと、溶接溶け込み超過を判定するための第２切欠き２ｂとを備えてなる。
この場合、第１切欠き２ａは、被溶接材１，１の突合せ面の上端部から下端部側に向かって設定される所望長の溶接部αの脚長ｄ１（図１、図２参照）に沿って、かつその脚長ｄ１の先端位置部分を含んで形成される。本実施形態では、第１切欠き２ａのほぼ全域が脚長ｄ１の先端位置部分に重なるように形成される。
また第２切欠き２ｂは、第１切欠き２ａに連続（連通）して被溶接材１，１の突合せ面の他端部側に向かって所定長形成される。
これら第１切欠き２ａ及び第２切欠き２ｂには、その切欠き２ａ，２ｂに溶接溶け込みがされていない場合に、各切欠き２ａ，２ｂに向けて投射された超音波を投射された方向とはほぼ正反対方向に反射させる斜面２ｃ，２ｄが形成される。
すなわち切欠き２は、被溶接材１，１の突合せ面から離れる方向（図中、右方向）に２段、かつ突合せ面の上端部から下端部側に向かう方向に２段となる形状に形成され、この２段形状内に第１切欠き２ａ及び第２切欠き２ｂを含んで形成されている。そして、この第１切欠き２ａ及び第２切欠き２ｂの被溶接材１上面側に位置する各始端に上記斜面２ｃ，２ｄが形成されてなる。

図３に示す例では、被溶接材１，１の突合せ面及び第１切欠き２ａの上記突合わせ面との対向面間の間隙は、０．２ｍｍに設定されている。この設定値０．２ｍｍは、第１切欠き２ａ内に溶接溶け込みがされる場合の上記間隙への溶け込みを最小限に抑える一方で、溶接溶け込みがされない場合における後述する空気層の有効な形成に足る最小限の間隙値として設定された値である。
また、第１切欠き２ａ及び第２切欠き２ｂの斜面２ｃ，２ｄが被溶接材１，１の突合せ面に対してなす角度（内角）は各々４５°に設定されている。この角度を各々４５°に設定したのは、第１切欠き２ａや第２切欠き２ｂに溶接溶け込みがされていない場合に、後述する第１位置Ｉ及び第２位置IIから各切欠き２ａ，２ｂに向けて投射された超音波が、投射された方向とはほぼ正反対方向に反射させるため等を理由とする。

被溶接材１，１の突合せ面の下端側にも、上記と同様の第１切欠き２ａ及び第２切欠き２ｂが形成される。下端側の第１切欠き２ａ及び第２切欠き２ｂは、上端側の同切欠き２ａ，２ｂに対して、被溶接材厚み方向（図中、上下方向）の中央を真横に貫く線を挟んで対称に、つまり被溶接材１，１の突合せ面の端部からの位置、寸法、形状等を同様にして形成される。
以上のように本発明方法が適用される継ぎ手構造は、超音波を用いた溶接溶け込み深さの良否の判定、検査に好適に構成されている。

次に、図４〜図９を参照しつつ本実施形態に係る溶接溶け込み深さ検査方法を説明する。
まず、図１〜図３に示すように構成された継ぎ手構造を備えた被溶接材１，１の突合せ面の上下端側各部分の突合せ溶接後において、同被溶接材１，１と超音波プローブ３とを、図４に示すように水４中に没入する。被溶接材１，１と超音波プローブ３とを水没させるのは、超音波プローブ３からの超音波（送信波）５を被溶接材１中に入射させ易くし、また、被溶接材１，１からの反射波（受信波）６を超音波プローブ３に入射させ易くするためである。

図４に示す水４中において、被溶接材１，１は固定配置される。
一方、超音波プローブ３は、少なくとも継ぎ手構造の第１切欠き２ａの斜面２ｃ及び第２切欠き２ｂの斜面２ｄに向けて各々超音波５を投射可能に、実線で示す第１位置Ｉ及び二点鎖線で示す第２位置II相互間を移動自在（両方向矢印ロ参照）に配置される。
また超音波プローブ３は、投射された超音波５が第１切欠き２ａ、第２切欠き２ｂの斜面２ｃ，２ｄに各々ほぼ直角に入射されるように、その超音波中心軸を被溶接材１，１の表面、ここでは上面に対して所定の角度傾斜させた状態で配置される。

図４に示す例では、被溶接材１，１と超音波プローブ３が上記のように水４中に配置された状態において、まず、超音波プローブ３を実線で示す第１位置Ｉに移動させ、継ぎ手構造の第１切欠き２ａの斜面２ｃに向けて超音波５を投射する。そして、その反射波６を測定する（第１工程）。
次に、超音波プローブ３を図４中、二点鎖線で示す第２位置ＩＩに移動させ、継ぎ手構造の第２切欠き２ｂの斜面２ｄに向けて超音波５を投射し、その反射波６を測定する（第２工程）。
続いて、上記第１切欠き２ａの斜面２ｃ及び第２切欠き２ｂの斜面２ｄからの各反射波６に基づいて溶接溶け込み深さの良否（溶接部αの脚長ｄの適否）を判定する（第３工程）。
以上で被溶接材１，１の突合せ面の上端側部分についての溶接溶け込み深さの良否判定を終了する。この判定が終了すると、続いて、上記被溶接材１，１の突合せ面の下端側部分に対して上記の第１工程から第３工程を実施する。すなわち、被溶接材１，１の突合せ面の下端側部分についての溶接溶け込み深さの良否判定を行い、溶接溶け込み深さの良否の検査（溶接溶け込み深さ検査）を終了する。なお、上記の第１工程と第２工程の実施の順序は逆にしてもよい。

反射波６に基づく溶接溶け込み深さの良否の判定は次のように行われる。
すなわち超音波は、その進行路中に音響インピーダンスが大きく変化する箇所、例えば空気層がある箇所で大きな反射が生じる。
したがって、空気層を形成する切欠き２（２ａ，２ｂ）中に溶接溶け込みがされていなければ、超音波はその切欠き２位置で大きく反射する。一方、切欠き２中に溶接溶け込みがされていると、切欠き２中に空気層は存在しないので、超音波はその切欠き２位置では殆ど反射することなく、透過する。

いま、図４、図５に示すように、溶接部αにおける溶け込み深さが適正（脚長適正）である場合には、第１位置Ｉで第１切欠き２ａの斜面２ｃに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５は、斜面２ｃで反射することなく、溶接部αを透過する。しかし、第２位置ＩＩで第２切欠き２ｂの斜面２ｄに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５は、斜面２ｄで大きく反射し、超音波プローブ３によって大きな反射波６が検出される。

次に図６に示すように、溶接部αにおける溶け込み深さが不足（脚長不足）である場合には、第１位置Ｉで第１切欠き２ａの斜面２ｃに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５は、斜面２ｃで大きく反射し、超音波プローブ３によって大きな反射波６が検出される。第２位置ＩＩで第２切欠き２ｂの斜面２ｄに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５も斜面、ここでは斜面２ｄで大きく反射し、超音波プローブ３によって大きな反射波６が検出される。

また図７に示すように、溶接部αにおける溶け込み深さが過剰（脚長過剰）である場合には、第１位置Ｉで第１切欠き２ａの斜面２ｃに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５は、斜面２ｃで反射することなく溶接部αを透過する。第２位置ＩＩで第２切欠き２ｂの斜面２ｄに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５も斜面、ここでは斜面２ｄで反射することなく溶接部αを透過する。

すなわち、超音波プローブ３によって反射波６が検出されないか、微弱である場合を反射波なし、大きな反射波６が検出される場合を反射波ありと称すると、超音波５が第１位置Ｉから投射されたときに反射波なし、第２位置IIから投射されたときに反射波ありとされた場合には脚長適正と判定される。つまり、溶接溶け込み深さ良と判定される。
また、超音波５の投射が第１位置Ｉ及び第２位置IIのいずれから行われたときも反射波ありとされた場合には、脚長不足（溶接溶け込み深さ不良）と判定される。
更に、超音波５の投射が第１位置Ｉ及び第２位置IIのいずれから行われたときも反射波なしとされた場合には、脚長過剰（溶接溶け込み深さ不良）と判定される。

ここで、超音波の受信波の様子と波形との関係を図８及び図９に例示する。
図８には、脚長適正と判定される場合の超音波の受信波の様子〔（ａ）図〕と波形〔（ｂ）図〕を示す。また図９には、脚長不足と判定される場合の超音波の受信波の様子〔（ａ）図〕と波形〔（ｂ）図〕を示す。両図において、６ａは被溶接材１の上面からの反射波を示す。
脚長適正と判定される場合には、図８（ａ）に示すように、第１位置Ｉで第１切欠き２ａの斜面２ｃに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５は、斜面２ｃで反射することなく溶接部αを透過する。したがって、同（ｂ）に示すように、受信波の波形中には、被溶接材１の上面からの反射波６ａは現われても上記斜面２ｃからの反射波は現われず、信号強度の小さなノイズＮが現われるだけである。図示を省略するが、超音波５は、第２切欠き２ｂの斜面２ｄでは反射することなり、受信波の波形中には、被溶接材１の上面からの反射波６ａ及び信号強度の小さなノイズＮに続いて、上記斜面２ｄからの大きな信号強度の反射波が現われる。

一方、脚長不足と判定される場合には、図９（ａ）に示すように、第１位置Ｉで第１切欠き２ａの斜面２ｃに向けて投射された超音波プローブ３からの超音波５は、斜面２ｃで大きく反射する。したがって、同（ｂ）に示すように、受信波の波形中には、被溶接材１の上面からの反射波６ａに続いて、上記斜面２ｃからの大きな信号強度Ｓの反射波６が現われる。脚長不足の判定は、上記の斜面２ｃからの反射波６が現われることのみで可能であるが、正確な判定のためには、第２切欠き２ｂの斜面２ｄからも大きな信号強度Ｓの反射波６が現われることを確認してもよい。
なお、脚長過剰と判定される場合は、受信波の波形中には、被溶接材１の上面からの反射波６ａは現われても、上記の斜面２ｃ及び斜面２ｄからの反射波６は現われず、信号強度の小さなノイズＮが続くだけである。

本実施形態によれば、突合せ溶接の継ぎ手構造において、溶接溶け込み不足を判定するための第１切欠きと、溶接溶け込み超過を判定するための第２切欠きとを設けて溶接部の脚長の適否を判定するようにしたので、脚長不足のみならず、脚長過剰も確実に判定できる。すなわち、溶接溶け込み深さの良否を確実に判定可能である。
しかも、このような溶接部の脚長の適否の判定（溶接溶け込み深さの良否の判定）を、被溶接材の突合せ面の両端側各部分に対して行うようにした。ここで、被溶接材の突合せ面の両端側の溶接部の脚長が共に適正であるということは、両端側の溶接部の脚長がほぼ等しいことを表している。このことは、個々の溶接部の強度が適正であることのみならず、被溶接材の突合せ面の両端側各部分の溶接強度のバランスが適正であることをも意味する。したがって、溶接部やその周辺における歪みの発生を防止でき、溶接部の強度や耐久性等を高めることができて、溶接溶け込み深さの不良品を確実に除くことが可能となる。
また、上記のような脚長の適否判定による溶接溶け込み深さの良否の判定、検査を、２種類の切欠きを設けた継ぎ手構造と超音波を用いた測定技術だけで簡単に行うことができる。この溶接溶け込み深さの良否の判定、検査を簡単に行えることによれば、特に量産ラインにおける溶接部の全数検査に適用して大なる効果を発揮できる。

なお、上述した実施形態では、本発明方法に適用される継ぎ手構造として、一対の被溶接材の突合せ面の上下端側各部分を同一脚長に突合せ溶接する継ぎ手構造を例に採って説明したが、これのみに限定されないことは勿論である。例えば、図１０に示すように、自動車のデフケース１１とリングギア１２との突合せ面の全周端部分（３６０°に亘る周端部分）を同一脚長に突合わせ溶接してそれらデフケース１１とリングギア１２とを接合する継ぎ手構造に適用することもできる。

１：被溶接材、２：切欠き、２ａ：第１切欠き、２ｂ：第２切欠き、２ｃ：第１切欠きの斜面、２ｄ：第２切欠きの斜面、５：投射された超音波（送信波）、６，６ａ：反射波（受信波）、ｄ，ｄ１：脚長、α：溶接部（溶接溶け込み部分）。

Claims (2)

1. 溶接溶け込みされていない場合に超音波を反射させるための切欠きを被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分に備え、各切欠きは、溶接溶け込み不足を判定するための第１切欠きと、溶接溶け込み超過を判定するための第２切欠きとを備える継ぎ手構造を備えた、被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分の突合せ溶接後において、
   前記継ぎ手構造の第１切欠き又は第２切欠きに向かって超音波を投射し、その反射波を測定する第１工程と、前記継ぎ手構造の第２切欠き又は第１切欠きに向かって超音波を投射し、その反射波を測定する第２工程と、これら第１工程及び第２工程で測定された反射波に基づいて溶接溶け込み深さの良否を判定する第３工程とを、前記被溶接材の突合せ面の両端側各部分又は全周端部分に対して実施し、該部分の溶接溶け込み深さの良否を検査することを特徴とする溶接溶け込み深さ検査方法。
2. 前記継ぎ手構造は、
   前記第１切欠きが、前記被溶接材の突合せ面の一端部から他端部側に向かって設定される所望長の溶接部の脚長に沿って、かつ該脚長の先端位置部分を含んで形成され、
   前記第２切欠きが、前記第１切欠きに連続して前記被溶接材の突合せ面の他端部側に向かって所定長形成され、
   これら第１切欠き及び第２切欠きには、その各切欠きに溶接溶け込みがされていない場合に、各切欠きに向けて投射された超音波を投射された方向とは反対方向に反射させる斜面が形成され、
   この斜面を含む前記と同様の第１切欠き及び第２切欠きが、前記被溶接材の突合せ面の他端部から一端部側に向かって、該被溶接材の厚み方向中央を貫く線を挟んで対称に形成されてなることを特徴とする請求項１に溶接溶け込み深さ検査方法。

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