(57)【要約】【課題】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渦流探傷法により検査することができるように工夫すること。【解決手段】表材１と裏材２をレーザ溶接により接合した重ね継手１０の溶接部３を検査する方法を前提として、プローブ５を上記裏材２又は表材１の表面に沿って移動して、上記重ね継手１０の未接合部と接合部における信号高さの変化を検出することである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
渦流探傷センサ（プローブ）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信号高さの変化を検出することを特徴とするレーザ溶接継手の検査方法。
【請求項２】
上記信号高さの変化量から、上記レーザ溶接による接合幅、又は重ね継手の強度を推定す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。
【請求項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渦流探傷センサ（プローブ）と、
上記重ね継手の未接合部と接合部における信号高さを検出する信号高さ検出手段と、
上記信号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信号高さと、接合部での最大信号高さから、信号高さ変化量を算出する演算手段と、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、溶接部の接合度合を渦流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。
【背景技術】
【０００２】
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、反射式超音波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。超音波法についても、探触子の接触媒質を必要とするため現場での適用が困難な場合があり、また、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る。反射式の超音波探傷試験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、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することができなかった。
【０００３】
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、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。
【０００４】
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、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、渦流探傷法においては、表面近傍の欠陥部による抵抗の増加に起因する渦電流の減少を信号変化として検出するが、本発明が検査の対象としている重ね継手においては、検出すべき欠陥は存在しないから、渦流探傷法をレーザ重ね継手の検査に適用した例は見当たらない。
【０００５】
特開２０００−３５１０８０号公報には、「缶胴の溶接状態判定方法およびその装置」であって、ワイヤー電極により電気溶接された缶胴の溶接部について、金属の割れ、異物付着、オーバーウェルド、煤付着、穴あき、アンダーウェルド等の欠陥を渦電流探傷センサ（渦流探傷センサ）により判定することが記載されている。上記渦電流探傷センサは励磁コイル及び受信コイルを備えており、該励磁コイルに電流を流して上記缶胴を通過する磁束を形成するとともに、該缶胴の表面に発生する渦電流と、該渦電流による上記磁束の変化とを検出し、その検出結果に対応する電気信号を出力するものである。
この公開公報に記載されているものは、缶胴溶接部のアンダーウェルド等、欠陥の有無から合否を判定するものであるが、溶接欠陥のような特異点の有無のみを検出するものであり、本来必要とされる継手強度を推定できない上に、多くのセンサを必要とする問題を有しているものである。
【０００６】
また、特開平７−１１６７３２号公報には、金属帯の連続処理ラインにおいて、走行中の金属帯における溶接部の位置を、渦流探傷法を利用することによって正確に検出する溶接部位置検出装置が記載されているが、この検出装置は金属帯における溶接部等の異常部を検出するものであって、重ね継手の溶接部の検査に適用できるものではない。
【特許文献１】特開２０００−３５１０８０号公報
【特許文献２】特開平７−１１６７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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渦流探傷法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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段は、渦流探傷法により重ね継手の未接合部と接合部における信号高さの変化を検出することを基本とするものである。
本発明においては、欠陥による抵抗値の増加に起因する渦電流の減少を検出するのではなく、溶着部分においてインピーダンスが減少することによる渦電流の増加に起因するリアクタンスの増加を検出するものである。
図２には渦流探傷法による検査の測定原理が示されており、励磁コイル６に電流が流されると磁束７が発生し、この磁束７が重ね継手の表材１と裏材２を透過することによって渦電流８が発生する。重ね継手の溶接部３と未溶接部とでは渦電流の大きさが異なり、溶接部３の方が磁束７による渦電流が大きい（図２(ａ)及び(ｂ)参照）。磁束７の密度が増加すると渦電流８も増加して、励磁コイル６のリアクタンスも増加する。この励磁コイル６のリアクタンスの増加を信号高さとして検出するものである。
【０００９】
また、直径が小さい探触子を用いることにより、微小な溶着面積変化を検出することが可能となる。さらに、重ね継手の板厚に応じて励磁コイルに与える電流の周波数を選択することにより、母材表面のビード形状や溶込み形状の影響を受けることなく、接合部位での検査精度を向上することができる。
重ね継手の未接合部と接合部における信号高さの変化量と、接合部での接合幅又は引張り強度との相関関係を予め試験により求めておき、その相関関係を利用することにより、渦流探傷法によって測定される信号高さの変化量から接合幅と引張り強度を推定することができる。
【００１０】
〔解決手段１〕（請求項１に対応）
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、
渦流探傷センサ（プローブ）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信号高さの変化を検出することである。
〔作 用〕
重ね継手の裏材（又は表材）の表面に沿ってプローブを移動すると、インピーダンスは接合部が未接合部より低いため、接合部において渦電流が増加し磁束の密度が増加する。この磁束密度の増加によりリアクタンスも大きくなり、測定される信号高さも大きくなる。この信号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。
また、直径の小さい探触子を使用すれば、微小な溶着面積変化を検出することが可能である。さらに、重ね継手の板厚に応じて周波数を選択すれば、母材表面のビード形状や溶込み形状に影響を受けないので、接合部位での検査精度が向上する。
【００１１】
〔実施態様１〕（請求項２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、信号高さの変化量から、レーザ溶接による接合幅、又は重ね継手の強度を推定することである。
〔作 用〕
この信号高さの変化量と、レーザ溶接による接合部の幅や重ね継手の引張り強度との相関関係を予め試験により求めておき（図５−１及び図５−２参照）、その相関関係を利用することによって、信号高さの変化量から接合部の幅又は引張り強度を推定することができる。
【００１２】
〔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プローブと、上記重ね継手の未接合部と接合部における信号高さを検出する信号高さ検出手段と、上記信号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信号高さと、接合部での最大信号高さから、信号高さ変化量を算出する演算手段と、を備えて成ることである。
〔作 用〕
プローブを裏材（又は表材）の表面に沿って移動させて、信号高さ検出手段により裏材（又は表材）側から信号高さを検出することによって、重ね継手の未接合部での信号高さと、接合部での最大信号高さを検出することができる。演算手段において、上記未接合部での信号高さと接合部での最大信号高さから、信号高さ変化量を算出することができる。そして、この信号高さ変化量によって、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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の効果を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
プローブを用いて信号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作製現場において比較的簡単に検査することができる。
また、直径の小さい探触子を使用すれば、微小な溶着面積変化を検出することが可能である。さらに、重ね継手の板厚に応じて周波数を選択すれば、母材表面のビード形状や溶込み形状に影響されないので、検査精度を向上することができる。
(２) 請求項２に係る発明
信号高さの変化量と、レーザ溶接による接合幅や重ね継手の引張り強度との相関関係を利用して、信号高さの変化量から接合部の幅又は引張り強度を推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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渦流探傷法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信号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。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施例について、図３〜図８を参照しながら説明する。図３はプローブを移動させて信号高さを測定するときの説明図であり、図４−１及び図４−２は接合部・プローブ断面積比と信号変化量との関係を説明する図であり、図５−１及び図５−２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る。また、図６は重ね継手の試験体についての説明図であり、図７は重ね継手の検査装置についての説明図であり、図８は検査装置に関連する周辺機器についての説明図である。
図３(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ている重ね継手１０において、その接合度合を検査するとき、裏材２の表面側にプローブ５を配置する。このプローブ５は、図３(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（図３(ａ)の(i)〜(iii)を参照）。なお、ｗは接合部の幅（接合幅）を表している。
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３(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の表面側にプローブ５を配置しているが、これに限定されることなく、プローブ５を表材１の表面側に配置しても良いことは言うまでもない。
【００１６】
このように、プローブ５が重ね継手１０の溶接線に直交する方向に移動されると、図３(ｂ)に示されているように、左側の未接合部では裏材２と表材１を透過する磁束７はほぼ一定であるので、誘導される渦電流やこの渦電流によるリアクタンスもほぼ一定であり、検出される信号高さもほぼ一定になる（図３(ｂ)の(i)参照）。しかし、接合部（溶接部３）に近づくにつれて、磁束７の透過量が増加することにより誘導される渦電流が増加してリアクタンスも大きくなり、検出される信号高さも大きくなる（図３(ｂ)の(ii)参照）。さらに、プローブ５が移動されて右側の未接合部においては、再び裏材２と表材１を透過する磁束７がほぼ一定となるので、検出される信号高さもほぼ一定となる（図３(ｂ)の(iii)参照）。このとき、未接合部でのほぼ一定の信号高さＨ０と、接合部での最大信号高さＨTとにより信号高さの変化量（ＨT−Ｈ０）を求めることができる。
【００１７】
ここで、検査すべき溶接部の接合幅とプローブ径との関係について、図４−１及び図４−２に基づいて説明する。
図４−１は、接合部・プローブ断面積比とプローブにより検出される信号変化量との関係を計測した結果を示している。その横軸は、接合部・プローブ断面積比、即ち、プローブ断面積（プローブの磁束有効断面積）に対する検査すべき接合部面積（検査有効断面積）の比を表し、縦軸はプローブの信号変化量を表している。
図４−２(ａ)及び(ｂ)は、上記図４−１に示されている関係を計測する手法に関する説明図である。(ａ)は、表材１と裏材２の接合度合を計測するときのプローブ５の配置を示す側面図であり、(ｂ)はその底面図であって、溶接部３、接合部面積３ｅ及びプローブ断面積５ａを示している。この接合部面積３ｅは、上記溶接部３と上記プローブ断面積５ａとが重複する部分の面積である。
図４−１に示された計測結果をみれば明らかなように、接合部・プローブ断面積比が０.１より大きい場合は信号変化量が著しく増大するため、溶接部の接合度合を高精度で計測することができる。
【００１８】
図５−１及び図５−２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、信号高さの変化量と接合幅又は引張り強度との相関関係を求めて、その結果を示したものである。
図５−１は、機械試験（引張り強度試験）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、上述の信号高さの変化量との関係を示したものである。この図５−１に示されているように、接合幅と信号高さの変化量の間には相関関係があり、信号高さの変化量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５−２は、機械試験で求めた引張り強度と信号高さの変化量の関係を示したものである。この図５−２に示されているように、引張り強度と信号高さの変化量の間に相関関係があり、信号高さの変化量から引張り強度を推定することが可能である。
【００１９】
次に、図５−１に示されている重ね継手の接合幅と信号高さの変化量との相関関係、及び図５−２に示されている引張り強度と信号高さの変化量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
渦流探傷法を用いた。
(２) 渦流探傷センサ（プローブ）
渦流探傷センサ（プローブ）は、絶対値（標準比較）式自己誘導型でシールド（磁束抑制）があるもので、次のような特性を有する。
プローブ径：４.４５ｍｍ
（検査する接合部の面積がプローブの断面積に対して１０％程度以上となるプローブ径を選択することが望ましく、プローブ径４．４５ｍｍφ程度では接合幅０．７ｍｍまで精度良く検出できる。更に接合幅が細い場合、例えば接合幅０．４ｍｍ程度であればプローブ径は２．５ｍｍφ程度必要となる。）
周波数：２００ｋＨz
（１００ｋＨz〜５００ｋＨz程度で検出可能であるが、この試験体の板厚の組合せでは２００ｋＨzが最適である。）
【００２０】
(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。）
【００２１】
(４) 探傷方法
探傷方法としては、図３に示されているように、重ね継手の裏材２の表面側にプローブを配置し、信号高さを計測する。接合部では溶込みのため、透磁率が増加して信号高さが大きくなることが予想されるため、未接合部と接合部の信号高さを計測し、その差（信号高さの変化量）を求める。
(５) 引張り強度及び接合幅
上記(４)において渦流探傷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り強度を求めると共に、破断面を観察することにより接合していた幅を求めた。
【００２２】
上記試験方法による試験結果について、図５−１及び図５−２を参照しながら説明する。
図５−１は横軸に接合幅を、縦軸に信号高さの変化量（未接合部の信号高さに対する接合部の信号高さ）を示したものであり、図５−２は横軸に引張り強度を、縦軸に信号高さの変化量を示したものである。図５−１及び図５−２に示されているように、接合幅又は引張り強度が所定の値以上において信号高さの変化量が急激に増加しており、信号高さの変化量を計測することによって、接合幅と引張り強度が所定以上であること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信号高さを測定して、この測定値から信号高さの変化量を算出することによって、重ね継手の接合度合を判定することが可能である。
【００２３】
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７を参照しながら説明する。
この重ね継手の検査装置は、図７に示されているように、プローブ５と、該プローブ５に接続される信号高さ検出手段１１と、該信号高さ検出手段１１に接続される信号高さの変化量を算出する演算手段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。
上記信号高さ検出手段１１は、プローブ５から信号を受けて信号高さを計測する。上記演算手段１２は、該信号高さ検出手段１１により計測された重ね継手の未接合部での信号高さＨ０と、接合部での最大信号高さＨＴに基づいて信号高さの変化量を算出する。また、上記比較判定手段１３は、該演算手段１２により算出された信号高さの変化量としきい値とを比較することにより、重ね継手の接合度合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よって変更すべきしきい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、例えばしきい値選択指令、検査開始又は終了指令等を入力するものである。
【００２４】
次に、上記重ね継手の検査装置に関連して、該検査装置のプローブ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８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８(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８(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８(ｃ)）等がある。
【００２５】
先ず、図８(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に支持されプローブ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。上記プローブ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信号高さを測定すべく走査される。
【００２６】
次に、図８(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プローブ駆動機構４５とから成り、このプローブ駆動機構４５にはプローブ５が取り付けられる。このプローブ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信号高さを測定すべく走査される。
また、図８(ｃ)に示されたものは、上記ロボットアーム４２,４３の先端に、プローブ駆動機構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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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。
【図２】は、薄板の重ね継手の溶接部を渦流探傷法により検査するときの測定原理を説明する模式図であり、(ａ)は未接合部、(ｂ)は接合部での磁束と渦電流との関係を示す。
【図３】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)は重ね継手とプローブとの関係を示し、(ｂ)はプローブの位置と信号高さとの関係を示す。
【図４−１】は、接合部・プローブ断面積比と信号変化量との関係を示す。
【図４−２】は、接合部面積とプローブ断面積を説明する図である。
【図５−１】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、信号高さ変化量と接合幅との関係を示す。
【図５−２】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、信号高さ変化量と引張り強度との関係を示す。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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】
【００２８】
１，１’‥‥表材                            ２，２’‥‥裏材
３，３’‥‥溶接部                          ３ａ‥‥溶接線
３ｅ‥‥接合部面積（検査有効断面積）        ５‥‥渦流探傷センサ（プローブ）
５ａ‥‥プローブ断面積（磁束有効断面積）    ６‥‥励磁コイル
７‥‥磁束                                  ８‥‥渦電流
１０‥‥重ね継手（被検査体）                １１‥‥信号高さ検出手段
１２‥‥信号高さ変化量演算手段              １３‥‥比較判定手段
１４‥‥表示手段                            １５‥‥メモリー部
１６‥‥入力手段
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‥‥プローブ駆動機構
４７‥‥レーザ溶接ヘッド
Ｌ‥‥レーザ光                              Ｔ‥‥試験体
ｗ‥‥接合幅（接合部の幅）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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