(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接線に沿って被溶接対象に対して相対的に移動しながら前記被溶接対象を溶接するための溶接機構と、
送信用レーザ光を発生させるための送信用レーザ光源と、
前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、前記送信用レーザ光源で発生した前記送信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に伝送し照射させて、送信用超音波を発生させるための送信用光学機構と、
前記送信用超音波の反射によって得られる反射超音波を検出するために、受信用レーザ光を発生させて前記被溶接対象に照射させるための受信用レーザ光源と、
前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、前記受信用レーザ光源で発生した前記受信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に伝送し照射し、且つ前記被溶接対象表面で散乱・反射したレーザ光を集光させるための受信用光学機構と、
前記散乱・反射したレーザ光を干渉計測するための干渉計と、
前記干渉計にて得られた超音波信号を計測し解析するためのデータ収録・解析機構と、
前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、前記被溶接対象の表面で、前記送信用レーザ光が照射される送信用レーザ光照射位置および前記受信用レーザ光が照射される受信用レーザ光照射位置のいずれとも異なる参照信号用レーザ光照射位置に参照信号用レーザ光を伝送して照射させ、参照信号用超音波を発生させるための参照信号用光学機構と、
を有し、
前記受信用光学機構が集光するレーザ光は、前記送信用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調と前記参照信号用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調の両方の変調の影響を受けたレーザ光であること、
を特徴とする溶接システム。
【請求項２】
前記送信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面および前記受信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面の少なくとも一方の超音波信号に対する感度を向上させるための表面改質機構をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記表面改質機構は、前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動可能であって、送信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面および前記受信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面の少なくとも一方の進行方向前方側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記データ収録・解析機構は、超音波信号の解析結果に基づいて溶接不良の発生を判定し、
前記データ収録・解析機構で溶接不良が発生したと判定された場合に溶接条件を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記データ収録・解析機構は、超音波信号の解析結果に基づいて溶接不良の発生を判定し、
前記データ収録・解析機構で溶接不良が発生したと判定された場合に前記溶接不良の発生箇所に対して一部補修溶接を行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記送信用光学機構および受信用光学機構の少なくとも一方が、前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、それぞれ、前記送信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面または前記受信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面に沿って、前記溶接機構に対して相対的に移動するように駆動する光学系駆動装置をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記データ収録・解析機構は、前記送信用光学機構および受信用光学機構の複数の位置における前記超音波信号に基づいて開口合成処理を行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記送信用レーザ光および前記受信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の位置を含めた前記被溶接対象の所定範囲の表面に直接または間接に視覚認識可能な所定の投影パターンを投影するパターン投影機構をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項９】
前記参照信号用光学機構は前記送信用レーザ光の一部を分岐させて前記参照信号用レーザ光を生成する機能を有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項１０】
前記溶接線に対して、前記受信用レーザ光照射位置および前記参照信号用レーザ光照射位置は同じ側にあり、前記送信用レーザ光照射位置は前記受信用レーザ光照射位置および前記参照信号用レーザ光照射位置と異なる側にあること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項１１】
溶接線に沿って被溶接対象に対して溶接機構を相対的に移動させながら前記被溶接対象を溶接する溶接方法であって、
送信用光学機構を前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動させながら、送信用レーザ光源で発生した送信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に照射させることによって、送信用超音波を発生させる送信用超音波発生ステップと、
受信用光学機構を前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動させながら、受信用レーザ光源で発生した受信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に照射させて、前記被溶接対象表面で散乱・反射したレーザ光を集光させ、それによって、前記送信用超音波の反射によって得られる反射超音波を検出する反射超音波検出ステップと、
前記散乱・反射したレーザ光を干渉計測する干渉計測ステップと、
を有し、
前記送信用超音波発生ステップは、送信用光学機構を前記溶接機構とともに参照信号用光学機構を前記被溶接対象に対して相対的に移動させながら、参照信号用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面で、前記送信用レーザ光が照射される送信用レーザ光照射位置および前記受信用レーザ光が照射される受信用レーザ光照射位置のいずれとも異なる参照信号用レーザ光照射位置に照射させることによって、参照信号を発生させる参照信号発生ステップを含み、
前記反射超音波検出ステップは、前記送信用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調と前記参照信号用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調の両方の変調の影響を受けたレーザ光を集光し、それによって、前記送信用超音波の反射によって得られる反射超音波を検出するステップを含むこと、
を特徴とする溶接方法。
【請求項１２】
前記送信用超音波発生ステップの前に、前記送信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面および前記受信用レーザ光が照射される前記被溶接対象の表面の少なくとも一方の超音波信号に対する感度を向上させる表面改質処理を行なう表面改質処理ステップをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の溶接方法。
【請求項１３】
前記被溶接対象の溶接についてシミュレーション計算を行なうシミュレーション計算ステップと、
前記シミュレーション計算ステップの結果と前記干渉計測ステップの結果とを比較して表示する表示ステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の溶接方法。
【請求項１４】
前記参照信号発生ステップは、送信用レーザ光源で発生した送信用レーザ光の一部を分岐させて前記参照信号用レーザ光を生成するステップを含むこと、を特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の溶接方法。
【請求項１５】
前記溶接線に対して、前記受信用レーザ光照射位置および前記参照信号用レーザ光照射位置は同じ側にあり、前記送信用レーザ光照射位置は前記受信用レーザ光照射位置および前記参照信号用レーザ光照射位置と異なる側にあること、を特徴とする請求項１１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ超音波技術を用いた溶接システムおよび溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接は構造物の製作に欠くことのできない技術であるが、特に近年の技術進歩により、今までは困難であった材料や形状の対象に対しても溶接することができるようになってきている。一方で、溶接技術の向上により製作される構造物は、検査結果から溶接不良と判定しても容易に再溶接することが困難である場合が多い。そのため、溶接不良が生じた場合の工程やコストへのインパクトは大きくなる傾向にある。そのため、溶接後の構造物の信頼性を保証する検査技術（非特許文献１、非特許文献２）に関しても、その重要性は今まで以上に増してきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−７１１３９号公報
【特許文献２】特開２００２−７１６４９号公報
【特許文献３】特開２００７−９０４３５号公報
【特許文献４】特開２００７−５７４８５号公報
【特許文献５】特開平１１−１０１６３２号公報
【特許文献６】特開２００７−１７２９８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＪＩＳ  Ｚ３０６０（鋼溶接部の超音波探傷試験方法）
【非特許文献２】溶接学会誌編「溶接技術の基礎」、１９８６年１２月２０日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、溶接後の品質保証のための検査を実施する場合、特に厚板溶接等に代表される技術的に困難な溶接では、検査結果から溶接不良が発生していると判断された場合には、再溶接に必要なコストおよび工期が莫大となる問題がある。
【０００６】
そこで、溶接施工後に検査を行なうのではなく、溶接施工中に検査を行ない、その検査結果に応じて、溶接条件を変更したり、溶接のやり直しをその場で溶接施工にフィードバックすることができれば、再溶接にかかるコストを大幅に低減することが可能になる。また溶接後に検査する場合でも、大きな被溶接対象の場合、半日以上、冷却に時間が必要な場合もあり、すぐに検査ができない。そのため、検査を行なうまでの時間が無駄になる問題がある。
【０００７】
上記の課題を解決する方法として、たとえば特許文献１や特許文献２では、溶接施工中に溶接品質を検査する技術が提案されている。しかしこれらのシステムでは、超音波の送受信を溶接する被溶接対象表面に接触する探触子を用いている。この方法では、超音波探触子を被溶接対象表面にグリセリンや水などの接触媒質が必要になるため、後処理が煩雑になる問題がある。また、被溶接対象が高温の場合は探触子の損傷を防ぐ特殊な機構が必要になる。
【０００８】
一方、特許文献３では、溶接機構に超音波発生機構を付属させ、溶接動作を監視するシステムを提案している。本システムでは、被溶接対象に超音波探触子を接触させず、溶接装置に設置するため、被溶接対象温度の問題は考慮する必要がない。しかし、本システムでは超音波発生機構を溶接機構に直接設置する必要があることから、既存の溶接装置への改良が必要であり、また適用できる溶接方法もスポット溶接もしくはそれに類する手法に限定される。そのため、突き合わせ開先溶接など、汎用性の高い溶接への適用は困難である。何故なら、実際の溶接で生じた溶接不良からの反射エコーなどの指示を直接検出する訳ではなく、超音波信号変化を検出していることから、溶接のどの位置に溶接不良が生じているか特定することができない。そのため、溶接の特定位置を補修したい場合には不向きである。
【０００９】
上述の問題を克服するために、非接触での検査が可能なレーザ超音波技術の適用も試みられている。たとえば特許文献４では、非接触で計測可能なレーザ超音波法を用い、溶接部の溶接不良やボイドの検出を可能にしている。しかし、あくまで溶接後の検査を想定しており、インプロセスの検査には適用が困難である。また、特許文献５においてはインプロセスの計測を提案しているが、溶接中の対象厚さ、相変化の位置や組成変化を計測する手法による提案であり、溶接不良の検査技術ではない。また、溶接中に溶接装置へフィードバックすることがないため、溶接不良が生じていた場合には再施工が必要となる。
【００１０】
また、特許文献４および特許文献５では、レーザ超音波法において問題となる表面状態の影響に関しては記載がない。溶接時に被溶接対象を過熱すると、被溶接対象が酸化し、レーザ光の照射表面状態が不規則に変化する。また、溶接時のスパッタやヒュームなどの飛散物でも同様に表面状態が変化する。また、特に特許文献４では、溶接金属上へ送受信のレーザ光を照射しているが、たとえば特許文献４で対象例としているスポット溶接のような溶接ビードがほとんどない溶接では、送受信時の感度低下や感度変動は起こりにくいが、走査や多層盛りを行なう溶接においては、溶接ビードが生じ、ビードによる微小な凹凸変化や表面状態変化が超音波の感度低下や感度変動を引き起こす。そのため、レーザ超音波における検出性能に大きな影響を及ぼす課題がある。
【００１１】
さらに、特許文献６には、表面波を用いた測定にあたり表面波以外の底面エコーなどをリファレンス信号として用いる技術が記載されているが、溶接部をまたぐ２探触子法での配置や底面が平滑でない検査対象に関しては、底面エコー強度自体が変数となるためリファレンス信号の役目を果たせない。
【００１２】
すなわち、従来技術の課題として、従来の溶接装置への影響が少なく、被溶接対象が高温状態でも溶接中に安定した送受信感度でリアルタイム検査を行なうことができるようにするという要望がある。
【００１３】
この発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであって、被溶接対象が高温状態でも溶接中に安定した送受信感度でリアルタイム検査を行なうことができる溶接システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る溶接システムは、溶接線に沿って被溶接対象に対して相対的に移動しながら前記被溶接対象を溶接するための溶接機構と、送信用レーザ光を発生させるための送信用レーザ光源と、前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、前記送信用レーザ光源で発生した前記送信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に伝送し照射させて、送信用超音波を発生させるための送信用光学機構と、前記送信用超音波の反射によって得られる反射超音波を検出するために、受信用レーザ光を発生させて前記被溶接対象に照射させるための受信用レーザ光源と、前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、前記受信用レーザ光源で発生した前記受信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に伝送し照射し、且つ前記被溶接対象表面で散乱・反射したレーザ光を集光させるための受信用光学機構と、前記散乱・反射したレーザ光を干渉計測するための干渉計と、前記干渉計にて得られた超音波信号を計測し解析するためのデータ収録・解析機構と、前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動しながら、前記被溶接対象の表面で、前記送信用レーザ光が照射される送信用レーザ光照射位置および前記受信用レーザ光が照射される受信用レーザ光照射位置のいずれとも異なる参照信号用レーザ光照射位置に参照信号用レーザ光を伝送して照射させ、参照信号用超音波を発生させるための参照信号用光学機構と、を有し、前記受信用光学機構が集光するレーザ光は、前記送信用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調と前記参照信号用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調の両方の変調の影響を受けたレーザ光であること、を特徴とする。
【００１５】
また、本発明の実施形態に係る溶接方法は、溶接線に沿って被溶接対象に対して溶接機構を相対的に移動させながら前記被溶接対象を溶接する溶接方法であって、送信用光学機構を前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動させながら、送信用レーザ光源で発生した送信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に照射させることによって、送信用超音波を発生させる送信用超音波発生ステップと、受信用光学機構を前記溶接機構とともに前記被溶接対象に対して相対的に移動させながら、受信用レーザ光源で発生した受信用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面に照射させて、前記被溶接対象表面で散乱・反射したレーザ光を集光させ、それによって、前記送信用超音波の反射によって得られる反射超音波を検出する反射超音波検出ステップと、前記散乱・反射したレーザ光を干渉計測する干渉計測ステップと、を有し、前記送信用超音波発生ステップは、送信用光学機構を前記溶接機構とともに参照信号用光学機構を前記被溶接対象に対して相対的に移動させながら、参照信号用レーザ光を、溶接中もしくは溶接後の前記被溶接対象の表面で、前記送信用レーザ光が照射される送信用レーザ光照射位置および前記受信用レーザ光が照射される受信用レーザ光照射位置のいずれとも異なる参照信号用レーザ光照射位置に照射させることによって、参照信号を発生させる参照信号発生ステップを含み、前記反射超音波検出ステップは、前記送信用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調と前記参照信号用超音波の散乱・反射によって得られる反射超音波による変調の両方の変調の影響を受けたレーザ光を集光し、それによって、前記送信用超音波の反射によって得られる反射超音波を検出するステップを含むこと、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、被溶接対象が高温状態でも溶接中に安定した送受信感度でリアルタイム検査を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る溶接システムの第１の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【図２】図１の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す平面図である。
【図３】図１の溶接システムを用いた溶接方法の第１の実施形態を示すフロー図である。
【図４】図１の溶接システムを用いた溶接方法の第１の実施形態の変形例を示すフロー図である。
【図５】本発明に係る溶接システムの第１の実施形態の変形例における溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す図であって、溶接線方向から見た立断面図である。
【図６】本発明に係る溶接システムの第１の実施形態のさらに他の変形例における溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す図であって、溶接線方向から見た立断面図である。
【図７】本発明に係る溶接システムの第１の実施形態のさらに他の変形例を模式的に示す斜視図である。
【図８】本発明に係る溶接システムの第２の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【図９】図８の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点、表面改質機構などの位置関係を示す平面図である。
【図１０】本発明に係る溶接システムの第２の実施形態における溶接対象の表面改質処理前の送信用レーザ光照射点付近を溶接線の方向から見た立断面図である。
【図１１】本発明に係る溶接システムの第２の実施形態における表面改質機構とその周辺を示す斜視図である。
【図１２】本発明に係る溶接システムの第３の実施形態における表面改質機構とその周辺を溶接線に垂直な方向から見た立断面図である。
【図１３】本発明に係る溶接システムの第３の実施形態における表面改質処理の効果を示すための図であって、溶接方向位置に対する戻り光の強さの分布を示すグラフである。（ａ）は表面改質処理を行なわない場合のグラフであり、（ｂ）は表面改質処理を行なった場合のグラフである。
【図１４】本発明に係る溶接システムの第４の実施形態における溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す平面図である。
【図１５】図１４の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す斜視図である。
【図１６】図１４、図１５の溶接システムによって得られる溶接部近傍で可視化される２次元断面の位置関係を示す模式的斜視図である。
【図１７】図１４、図１５の溶接システムによって得られる溶接部近傍で可視化される３次元領域の位置を示す模式的斜視図である。
【図１８】図１６の可視化される２次元断面のデータを処理して所定の方向に投影して表示する場合の状況を示す模式的斜視図である。
【図１９】図１８において可視化される２次元断面のデータを溶接方向に垂直な方向に投影して表示した実際の具体的計測例を示す図であって、図７の溶接システム（第１の実施形態の一変形例）に適用した結果を示す図である。
【図２０】本発明に係る溶接システムの第５の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【図２１】本発明に係る溶接システムの第６の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【図２２】本発明に係る溶接システムの第７の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【図２３】図２２の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点、溶接対象上の照射パターンなどを示す平面図である。
【図２４】本発明に係る溶接システムの第８の実施形態における保護機構とその周辺を示す斜視図である。
【図２５】本発明に係る溶接システムの第９の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【図２６】図２５の溶接システムによって得られる測定結果の例を示すグラフである。
【図２７】図２６の測定結果をそのまま処理して得られる２次元断面データの例を示す図である。
【図２８】図２６の測定結果からＵｒｅｆをキャンセルした結果の例を示すグラフである。
【図２９】図２８の測定結果から得られる２次元断面データの例を示す図である。
【図３０】本発明に係る溶接システムの第１０の実施形態における溶接部、送信用レーザ光照射点、参照信号用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点、表面改質機構などの位置関係を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は本発明に係る溶接システムの第１の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。図２は、図１の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す平面図である。
【００２０】
この第１の実施形態の溶接システム３０は、被溶接対象（ワーク）２を溶接するための溶接機構１と、溶接機構１を制御する溶接制御機構３とを備えている。ここで、被溶接対象２は、たとえば２枚の平板であって、これらの平板の端部を互いに突き合わせて、多層に肉盛りして溶接するものである。溶接機構１は、溶接線に沿って、被溶接対象２に対して相対的に移動できるように構成されている。すなわち、溶接機構１を固定して被溶接対象２を駆動してもよいし、逆に、被溶接対象２を固定して溶接機構１を駆動してもよい。
【００２１】
溶接機構１は、たとえば、ガス溶接、被覆アーク溶接、エレクトロスラグ溶接、テルミット溶接、サブマージアーク溶接、イナートガスアーク溶接、マグ溶接、炭酸ガスアーク溶接、電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接、レーザ溶接など、またはそれ以外の融接などの溶接を行なう機構のいずれでもよく、さらに、摩擦拡散接合など圧接やろう付けなどの溶接以外の接合を行なう機構であってもよい。
【００２２】
この溶接システム３０はさらに、被溶接対象２へ送信用レーザ光Ｉｉを照射させるための送信用レーザ光源４と、被溶接対象２へ受信用レーザ光Ｉｄを照射させるための受信用レーザ光源５とを備えている。
【００２３】
送信用レーザ光源４および受信用レーザ光源５として使用するレーザは、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザ、エキシマレーザなどが利用可能である。レーザ光源は、連続波またはパルス波のどちらかとなり、１台だけでなく２台以上の複数台から構成することもできる。複数台から構成する場合には、超音波を計測するために必要な他の機能も必要に応じて複数台使用する。
【００２４】
この溶接システム３０はさらに、送信用レーザ光源４で発生した送信用レーザ光Ｉｉを被溶接対象２の任意の送信用レーザ光照射点Ｐｉまで伝送するための送信用光学機構９と、送信用レーザ光照射点Ｐｉの位置を移動させるための送信用光学系駆動機構１１と、受信用レーザ光源５で発生した受信用レーザ光Ｉｄを被溶接対象２の任意の受信用レーザ光照射点Ｐｄまで伝送して照射し、照射した受信用レーザ光Ｉｄの受信用レーザ光照射点Ｐｄからの反射・散乱光Ｉｒを集光するための受信用光学機構１０と、受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置を移動させるための受信用光学系駆動機構１２と、を有する。
【００２５】
送信用光学機構９および受信用光学機構１０は、レンズやミラー、光ファイバから構成される。特に送信用レーザ光Ｉｉを被溶接対象２表面の円形の送信用レーザ光照射点Ｐｉへ照射する場合、受信用レーザ光照射点Ｐｄでの照射直径が約０．１ｍｍから３０ｍｍの範囲となるような光学系を構築するのが好ましい。また、照射形状をライン状とするためにシリンドリカルレンズを用い、光学機構を構築することもできる。この場合、ライン長さは１ｍｍから１００ｍｍ程度の範囲となること、ライン幅は０．００１ｍｍから３０ｍｍ程度の範囲となるように光学系を構築するのが好ましい。なお、照射形状はその他の形状でも適用可能である。
【００２６】
送信用レーザ光照射点Ｐｉと受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置は、たとえば図１および図２に示すように、溶接方向に対して溶接点Ｐｗの後方で溶接部Ｗを跨ぐ位置関係とする。送信用光学機構９および受信用光学機構１０はそれぞれ、送信用光学系駆動機構１１および受信用光学系駆動機構１２によって駆動され、溶接機構１とともに、被溶接対象２に対して相対的に、溶接線の方向に移動するように構成されている。
【００２７】
この溶接システム３０はさらに、超音波Ｕにより変化を受けたレーザ光Ｉｒを干渉計測するための干渉計６を備えている。干渉計６としてはマイケルソン干渉計やホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー・ペロー干渉計、フォトリフラクティブ干渉計や、その他のレーザ干渉計も考えられる。また干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。いずれの干渉計も、１台または複数台を使用することができる。
【００２８】
この溶接システム３０はさらに、干渉計測にて電気信号へ変換した超音波信号を収録し、データ解析を行なうためのデータ収録・解析機構７を備えている。データ収録・解析機構７は、干渉計６にて得られた超音波データを収録する機能と、得られた超音波データを解析する機能、溶接位置や溶接条件を収録する機能、レーザ光の照射位置を調整するための位置制御機能とその位置情報を収録する機能を有する。ここで、本データ収録・解析機構７は１つ以上から構成することとし、前述の機能を複数台のデータ収録・解析機構に分散して搭載することもある。
【００２９】
この溶接システム３０はさらに、データ収録・解析機構７で得られた検査結果や、溶接条件等を表示することができる表示機構８などを備えている。表示機構８は、検査結果を表示する機能、溶接品質に問題があると判断された結果が発生した場合に警告を表示する機能、タッチパネル式にて緊急停止が可能な機能、シミュレーションの結果と実データを比較することが可能な機能、などの機能を１つ以上備えている。
【００３０】
ここで、シミュレーションとは、たとえば被溶接対象の形状が複雑である場合に、形状影響により得られる超音波波形において溶接不良による超音波信号か、形状による超音波信号かの判別が困難な場合に、事前にまたは検査中または検査後に、被溶接対象形状を模擬した超音波伝播シミュレーションを実施することをいう。これにより、計測における欠陥の判別性を向上させることができる。
【００３１】
上記構成の第１の実施形態による作用を説明する。溶接機構１によって、被溶接対象２の溶接点Ｐｗで溶接が施工され溶接部Ｗが形成される。この溶接と同時に、送信用レーザ光源４から出射した送信用レーザ光Ｉｉは、送信用光学機構９を経て被溶接対象２の表面の送信用レーザ光照射点Ｐｉに照射される。ここで、熱ひずみまたは表層がアブレーションすることの反力により、超音波Ｕが発生する。ここで発生する超音波Ｕは縦波、横波、表面波など様々なモードが励起されるが、総称して超音波Ｕとする。発生した超音波Ｕが溶接不良部や被検査対象の底面に到達すると、超音波Ｕの反射、散乱、屈折の影響により伝播経路が変化する。
【００３２】
一方、受信用レーザ光源５から出射した受信用レーザ光Ｉｄは、受信用光学機構１０を経て被溶接対象２の表面の受信用レーザ光照射点Ｐｄに照射される。ここで、超音波Ｕが受信用レーザ光照射点Ｐｄに到達した場合、レーザ光Ｉｄは振幅変調や位相変調、反射角度の変化などを受け、超音波信号成分を含むレーザ光Ｉｒとして反射する。
【００３３】
超音波信号を持つレーザ光Ｉｒは、再び受信用光学機構１０により集光され、干渉計６に伝送される。干渉計６にて超音波成分を持つ光信号が電気信号へ変換された後、データ収録・解析機構７により超音波データとして保存される。ここで、データ収録・解析機構７では、得られた超音波信号に平均化処理、移動平均、フィルタ、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）、ウェーブレット変換、開口合成処理等や、この他の種類の信号処理を行なうことも可能である。また、溶接位置情報や、照射位置情報、温度情報などにより、超音波信号を補正することも可能である。
【００３４】
この実施形態によれば、溶接中にインプロセスで溶接検査を行なうことが可能になる。図３を用いてこの実施形態による溶接システムを用いた溶接方法の手順を説明する。図３は、第１の実施形態の溶接システムを用いた溶接方法の一例を示すフロー図である。
【００３５】
図３に示すように、はじめに開先合わせを行ない（ステップＳ１）、つぎに被溶接対象の予熱を行ない（ステップＳ２）、つぎに溶接を行なう（ステップＳ３）。このとき溶接検査も同時に行なわれる（ステップＳ４）。溶接検査の結果、問題があれば、溶接部の削除や溶かし込みなどの一部補修が行なわれ（ステップＳ５）、再び予熱工程（ステップＳ２）および溶接工程（ステップＳ３）が行なわれる。溶接検査（ステップＳ４）の結果が問題ない状態で溶接が最後まで終了すれば、溶接終了となる（ステップＳ６）。溶接終了の後に熱処理を行ない（ステップＳ７）、冷却して（ステップＳ８）、施工完了となる（ステップＳ９）。
【００３６】
溶接検査（ステップＳ４）で行なう溶接不良の有無の判断については、例えばデータ収録・解析機構７が解析結果に基づいて自動的に判定しても（例えば、超音波信号のしきい値判定、シミュレーション結果と実データの比較による判定等）、表示機構８の表示に基づいてオペレータが判定することとしてもよい。
【００３７】
上記一部補修工程（ステップＳ５）で、たとえば、施工中にいったん不良箇所の手前まで施工位置を戻して再溶接してもよいし、一通り溶接を終えた後に、不良個所のみを再溶接してもよい。また、ガウジングなどによって一部切削・除去を行なったうえで再溶接してもよい。
【００３８】
さらに、一部補修工程（ステップＳ５）の際またはその後に、溶接不良が発生しないように溶接条件を変更してもよい。
【００３９】
以上説明したように、本フローでは、溶接中に検査を行ない、検査結果から溶接不良を検出した場合、溶接不良が生じた部分のみを補修し、再度溶接するフローとなっている。
【００４０】
従来フローでは、溶接が終了し、熱処理と冷却を経てようやく検査を実施することが可能になるが、たとえば溶接のパス数が多い場合などは、検査に至るまでの時間は膨大になる。また、再加工も大きな負荷になる。しかし、本実施形態では、たとえば溶接のパスごと、もしくは規定パス数終了後に検査することが可能になり、溶接不良が生じていても再溶接のための再加工負荷が軽微で行なうことが可能になる。また、溶接不良が発生したが、構造強度的に問題ないと判断することもできる。また、溶接後の硬化した状態だけでなく、溶融中の検査も可能になる。
【００４１】
図４は、第１の実施形態の溶接システムを用いた溶接方法の、図３に示す例とは異なる例を示すフロー図である。図４に示す例では、溶接検査（ステップＳ４）の結果としてわずかな溶接不良が検出されたが、その溶接不良が許容される程度のものである場合に、溶接部の一部補修（ステップＳ５）を行なわず、溶接（ステップＳ３）は継続するものの、溶接条件を変更する（ステップＳ１０）フローとしている。
【００４２】
溶接不良が許容範囲かどうかの判定は、例えばデータ収録・解析機構７の解析結果で、しきい値判定による溶接不良を示す信号が、所定の領域内で所定回数または所定時間以上観測された場合に許容範囲を超える溶接不良と判定し、溶接不良を示す信号が所定回数または所定時間未満であった場合は許容範囲の溶接不良と判定する、というように行なう。
【００４３】
なお、図３の溶接検査（ステップＳ４）においても、溶接不良が許容範囲内であればステップＳ６に、溶接不良が許容範囲を超える場合はステップＳ５に進むこととしてもよい。
【００４４】
このように、図４に示すフローの例では、溶接制御機構３へ、より最適な溶接条件となるようフィードバックすることが可能である。さらに、溶接後の硬化した状態だけでなく、溶融中の検査も可能になるため、溶接条件へフィードバックし、最適溶接条件へ変更することや、次のパスにて溶接不良を除去するような溶接条件とすることが可能になる。そのため、溶接不良が生じた場合を考慮した溶接施工時間およびコストを低減させることが可能になる。
【００４５】
このように、従来の溶接装置への影響がなく、且つ溶接中にリアルタイムで検査を行ない、検査結果に応じて溶接を一時停止させたり、施工中の溶接条件にフィードバックさせることが可能になる。
【００４６】
なお、この図４のフローで、一部補修（ステップＳ５）の際またはその後に溶接条件を変更するようにしてもよい。
【００４７】
また、図３、図４に関して、一部補修工程（ステップＳ５）において、一部補修後に予熱が必要か判定し、予熱不要な場合は予熱（ステップＳ２）ではなく溶接工程（ステップＳ３）に進めるようにしてもよい。
【００４８】
上記第１の実施形態の説明では、溶接部Ｗを挟んでその両側に送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄが配置されるようにしたが、このような位置関係に限らない。その視点からの変形例を図５および図６に示す。図５および図６はそれぞれ、第１の実施形態の変形例における溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点などの位置関係を示す図であって溶接線方向に見た立断面図である。
【００４９】
図５に示す例では、溶接部Ｗの片側に送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄの両方が配置されている。また、図６に示す例では、溶接部Ｗに送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄの両方が配置されている。
【００５０】
上記第１の実施形態の説明では、被溶接対象２が２枚の平板である場合を例示したが、それには限定されない。たとえば、図７に示す変形例のように、被溶接対象２が、２個の同軸・同直径の円筒状であって、これらを軸方向に並べて溶接するものであってもよい。ここで、図７は、溶接システムの第１の実施形態の変形例を模式的に示す斜視図である。
【００５１】
［第２の実施形態］
図８は本発明に係る溶接システムの第２の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。図９は、図８の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点、表面改質機構などの位置関係を示す平面図である。図１０は、この溶接システムにおける溶接対象の表面改質処理前の送信用レーザ光照射点付近を溶接線の方向から見た立断面図である。図１１は、この溶接システムにおける表面改質機構とその周辺を示す斜視図である。
【００５２】
本実施形態の溶接システム３１は、第１の実施形態の溶接システム３０に、表面改質機構として、表面を研削するためのグラインダやワイヤブラシなどの切削機構１４ａを付加したものである。切削機構１４ａは、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄに対して溶接方向の前方の被溶接対象２の表面を改質するように構成されている。
【００５３】
超音波を発生させるために送信用レーザ光Ｉｉを被溶接対象表面の送信用レーザ光照射点Ｐｉに照射するとき、送信用レーザ光Ｉｉが強いエネルギーの場合には、表面がアブレーションする。そのため、図１０に示すように、送信用レーザ光Ｉｉによって、表層に溝５０が掘られる現象が発生する。ここで、多層溶接の場合は同様の経路による施工を複数回行なうため、２層目以降の溶接では送信用レーザ光Ｉｉが溝５０に照射されることになる。この溝５０の深さは一般的に最大で数十〜数百μｍ程度であるが、徐々に励起される超音波Ｕの振幅や周波数特性が劣化し励起効率の低下が生じる。そこで、図１１に示すように、１回以上照射した点に対して、グラインダなどの表面の一部を研削可能な機構により当該部変形部を除去し、常に送信用レーザ光照射点Ｐｉ付近が平面となる状態で送信用レーザ光Ｉｉを照射させる。その結果、超音波Ｕの励起効率の低下、すなわち感度低下を防ぐことが可能になる。また、１層のみの溶接施工であっても、送信用レーザ光Ｉｉが照射される表面の状態が、付着物等により良好でない場合も、切削機構１４ａによって感度低下を防ぐことが可能である。
【００５４】
また、同様な切削機構１４ａを受信用レーザ光照射点Ｐｄへ適用することで、たとえば溶接の予熱による被溶接対象２の表面酸化や、その他のヒュームやスパッタなどの付着物を除去することが可能となる。その結果、受信用レーザ光照射点Ｐｄでの反射率が向上し、結果としてレーザ光Ｉｒの光量が向上する。そのため、得られる超音波信号の感度が向上することになる。
【００５５】
なお、この切削機構１４ａによる切削作業は、検査前または検査中に検査員や溶接作業員が行なってもよい。
【００５６】
［第３の実施形態］
図１２は、本発明に係る溶接システムの第３の実施形態における表面改質機構とその周辺を溶接線に垂直な方向から見た立断面図である。
【００５７】
この第３の実施形態は第２の実施形態の変形であって、ここでは、表面改質機構として、第２の実施形態の切削機構に代えて、塗布機構を用いる。この塗布機構１４ｂは、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄに対して溶接方向の前方の被溶接対象２の表面に、たとえば耐高温用のインクや塗装、若しくは薄膜金属などの塗布材１６を塗布するものである。また、塗布材１６としては、高温に耐えられ、送信用レーザ光Ｉｉによりアブレーションする材料、若しくは高温に耐えられ、使用する受信用レーザ光Ｉｄの波長に対して反射率の高い塗布材でもよい。
【００５８】
なお、この耐高温塗布材１６は、塗布機構１４ｂにて塗布されるだけでなく、検査前または検査中に検査員や溶接作業員が人手によって塗布することでもよい。
【００５９】
また、耐高温用のインクや塗装、薄膜金属などを塗布する塗布機構１４ｂを用いると、送信用レーザ光照射点Ｐｉでは、被溶接対象表面ではなく、塗布材１６がアブレーションすることなる（図１２）。これは、被溶接対象２自体にレーザ照射による傷をつけたくない場合に非常に有効である。さらに、塗布した材料により生じるアブレーションにより発生する超音波は、被溶接対象表面にレーザ光を照射し発生する超音波より大きい場合がある。そのため、最終的に得られる超音波信号の感度が向上する可能性がある。
【００６０】
また、上記の塗布機構により、受信用レーザ光照射点Ｐｄでは、第２の実施形態における研削の効果と同様に、受信感度が向上したり、受信感度の変動を一定にしたりできる。特に受信レーザ光は表面状態の影響を強く受ける。
【００６１】
被溶接対象が高温になったことにより表面が酸化した影響を示す具体的な測定結果のグラフを図１３に示す。図１３は、この第３の実施形態における表面改質処理の効果を示すための図であって、溶接方向位置に対する戻り光の強さの分布を示すグラフである。（ａ）は表面改質処理を行なわない場合のグラフであり、（ｂ）は表面改質処理を行なった場合のグラフである。
【００６２】
図１３は、溶接方向に受信用レーザ光照射点Ｐｄ位置が変化していく際に、戻り光であるレーザ光Ｉｒの変化を計測した結果を示している。図１３（ａ）は表面改質を行なわない場合であって、位置により大きくレーザ光Ｉｒが変化していることがわかる。そのため、超音波の受信感度が検査位置によって大きく変化したり、超音波信号強度が変化したりする。したがって、ある場所では感度が飽和し、ある場所ではほとんど感度がない、という状況も想定されうる。また、感度変化が擬似的な信号変動として欠陥信号と誤判定することも考えられる。そこで、受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置に塗布材１６を使用することで、この変動を抑えることが可能になる。たとえば、塗布材１６が使用するレーザ波長に対して反射率が高い材料である場合には、研削時と同様にレーザ光Ｉｒの光量を向上させることができ、得られる超音波信号の感度を向上させることが可能になる。
【００６３】
また、塗布材１６を使用した後の結果を図１３（ｂ）に示す。戻り光であるレーザ光Ｉｒの変動が抑制することができていることが確認できる。
【００６４】
本構成により、感度低下防止、および高感度な検査結果を提供可能なシステムを提供することが可能になる。
【００６５】
［第４の実施形態］
図１４は、本発明に係る溶接システムの第４の実施形態における溶接部、送信用レーザ光照射点Ｐｉ、受信用レーザ光照射点Ｐｄなどの位置関係を示す平面図である。図１５は、図１４の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点Ｐｉ、受信用レーザ光照射点Ｐｄなどの位置関係を示す斜視図である。図１６は、図１４、図１５の溶接システムによって得られる溶接部近傍で可視化される２次元断面の位置関係を示す模式的斜視図である。図１７は、図１４、図１５の溶接システムによって得られる溶接部近傍で可視化される３次元領域の位置を示す模式的斜視図である。図１８は、図１６の可視化される２次元断面のデータを処理して所定の方向に投影して表示する場合の状況を示す模式的斜視図である。
【００６６】
この実施形態は第１の実施形態の変形であって、送信用光学系駆動機構１１および受信用光学系駆動機構１２によって、それぞれ、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置を変化させることを特徴とする。
【００６７】
溶接部Ｗの検査は、一般的に溶接方向に平行に、すなわち図１４に示すＸ方向に移動させながらデータの収録を行ない、Ａ−ｓｃａｎ、Ｂ−ｓｃａｎ、Ｃ−ｓｃａｎ、Ｄ−ｓｃａｎなどの検査結果を表示し欠陥の有無を判別する。ここで、Ａ−ｓｃａｎ、Ｂ−ｓｃａｎなどは超音波用語で、たとえばＡ−ｓｃａｎは時間軸対超音波振幅軸で表示する波形データであり、Ｂ−ｓｃａｎは、一方の軸を素子数（または位置）とし、他方の軸を超音波振幅（または輝度値変化）として表示する。これらについては、たとえば、社団法人非破壊検査協会出版発行の「非破壊検査技術シリーズ・超音波探傷試験ＩＩＩ」に記載されている。
【００６８】
たとえば溶接方向に垂直な方向、すなわち図１４および図１５に示すＹ方向に移動させる動作を加えると、図１５および図１６に示した２次元断面１７の領域もしくは当該領域の溶接部近傍領域の検査可視化を開口合成処理にて行なうことが可能になる。
【００６９】
ここで開口合成とは、複数位置の受信器によるデータを合成して分解能を向上させる技術であって、開口合成レーダーなどで一般に利用されているものである。
【００７０】
図１７に示す３次元領域１８の可視化も開口合成処理にて行なうことが可能になる。
【００７１】
さらに、図１８に示すように、図１６で得た２次元断面１７の可視化領域の一部分を最大値検出や平均値処理などの信号処置をした後、溶接方向に投影して２次元断面１７ａとして示すこともできる。同様に、溶接方向に垂直な方向に投影して２次元断面１７ｂとして示すこともできる。
【００７２】
これらの結果を表示機構８（図１など参照）に表示し、溶接中の検査を実施することができる。この処理は超音波の検出感度を大幅に向上させることが可能な技術であり、この構成により、感度低下防止、および高感度な検査結果を提供可能なシステムとすることが可能になる。
【００７３】
ここで、溶接方向に垂直な方向に投影した２次元断面１７ｂの具体的な表示例を図１９に示す。図１９は、図１８において可視化される２次元断面のデータを溶接方向に垂直な方向に投影して表示した実際の具体的計測例を示す図であって、図７の溶接システム（第１の実施形態の一変形例）に適用した結果を示す図である。具体的には、図１９は、図７の構成において、厚さ１５０ｍｍ、直径約４２５ｍｍの円筒である被溶接対象２を溶接した際に、図１８の２次元断面１７ｂの計測結果を示すものである。被溶接対象２の温度は約２００℃である。被溶接対象２には、意図的に溶接不良が発生する機構を付与し、表面から４０ｍｍまで溶接を行なっている際に計測を行なった。
【００７４】
図１９で確認できるように、輝度値が高く、欠陥の指示を検出できていることが確認できる。このように、本実施形態により、溶接の施工中に溶接不良を検査することができ、本検査結果により、従来の溶接装置への影響がなく、被溶接対象２が高温状態でも溶接中に安定した送受信感度でリアルタイムで検査を行なうことができ、その検査結果に応じて溶接を一時停止させたり、施工中の溶接条件にフィードバックさせることが可能である。
【００７５】
［第５の実施形態］
図２０は、本発明に係る溶接システムの第５の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【００７６】
この実施形態の溶接システム３２は第１の実施形態の変形であって、第１の実施形態に、被溶接対象２の温度を計測する温度計測機構１３を付加したことを特徴とする。温度計測機構１３は、たとえば、非接触式の放射温度計や、接触式の抵抗温度計、サーミスタ、熱電対などであるが、他の原理の温度を計測する技術を用いてもよい。また、１個または複数個を設置してよい。設置箇所は超音波Ｕの伝播経路もしくはその近傍に設置することが望ましい。
【００７７】
この第５の実施形態により、得られる超音波信号の音速についての温度補正をすることが可能である。一般的に超音波の音速は温度依存性がある。そのため、検出した超音波信号から溶接不良位置を算出する際に誤差を生じることになる。また、超音波の送受信位置情報を用いた開口合成処理などの信号処理を行なう場合に、やはり大きな計測誤差を生じる。そのため、検査時の被溶接対象２の温度を計測しておき、温度による音速変化を校正するための事前に用意した校正式等を利用して音速を補正する。これにより、温度変化による誤差を減らすことが可能になる。このように、本実施形態により、高温環境下で超音波検査が可能な溶接を行なうことができる。
【００７８】
［第６の実施形態］
図２１は、本発明に係る溶接システムの第６の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【００７９】
この実施形態の溶接システム３３は第１の実施形態の変形であって、第１の実施形態に、送信用光学機構９と被溶接対象２の間の距離および受信用光学機構１０と被溶接対象２の間の距離の両方または一方を常時計測する距離計測機構２３を付加したことを特徴とする。
【００８０】
溶接中に、溶接機構１の走査精度や、溶接施工によって試験体に生じるひずみ、あるいは試験体の形状等に起因して被溶接対象２と送信用光学機構９の間の距離または被溶接対象２と受信用光学機構１０の間の距離が変化すると、超音波信号が含まれているレーザ光Ｉｒを集光させる際の集光効率が低下する場合がある。また、送信用レーザ光Ｉｉや受信用レーザ光Ｉｄの照射スポット径が変化することや、送信用レーザ光照射点Ｐｉ、受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置も変化する可能性が生じる。その結果、発生させる超音波の励起効率の低下や、受信感度の低下、開口合成処理等の信号処理時における位置情報を用いた補正における誤差などが生じるため、感度低下要因となる。
【００８１】
この実施形態によれば、距離計測機構２３により距離変化量を計測し、送信用光学系駆動機構１１および受信用光学系駆動機構１２へフィードバックし、最適な距離とすることで、感度低下を防ぐことが可能になる。超音波信号が含まれているレーザ光Ｉｒを集光させる場合、距離変動が大きな感度低下要因となる。そこで、距離変動を計測し、光路調整機能へフィードバックし、最適な照射距離を確保することが可能になる。本実施形態により、感度低下防止、および高感度な検査結果を提供可能なシステムを提供することが可能になる。
【００８２】
［第７の実施形態］
図２２は、本発明に係る溶接システムの第７の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。図２３は、図２２の溶接システムにおける溶接部、送信用レーザ光照射点Ｐｉ、受信用レーザ光照射点Ｐｄ、溶接対象上の照射パターンなどを示す平面図である。
【００８３】
この実施形態は第１の実施形態の変形であって、この実施形態の溶接システム３４は、第１の実施形態にパターン投影機構１５を付加したことを特徴とする。
【００８４】
このパターン投影機構１５はレーザ光源と光学レンズ、ミラーやスリット、回折格子のいずれか、若しくは組み合わせ、または他の手法にて、被溶接対象２の表面にパターンＩｐを投影するものである。投影するパターンＩｐは、図２３では代表的に複数本のラインが並ぶ形状としているが、格子状や、１次元にドットが並ぶ方法、２次元にドットが並ぶ方法、送信用レーザ光照射点Ｐｉと受信用レーザ光照射点Ｐｄの最適照射点にそれぞれ点を照射する等が考えられ、もちろん他のパターンも考えられる。
【００８５】
被溶接対象２は高温であるため、近接が困難、若しくは近接できても危険である場合が多い。超音波を送受信する位置を確認するために、視認できない可視光領域以外のレーザを使用している場合は、一般的にガイド光となる可視光レーザをレーザ照射光路に同軸で入射するが、レーザ光自体が可視であるか、ガイド光により可視にしているかの違いはあるが、被溶接対象の表面に照射点として観測できる。
【００８６】
しかし、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置を計測する場合、たとえば被溶接対象２の開先からの距離や、送信用レーザ光照射点Ｐｉと受信用レーザ光照射点Ｐｄの間の距離を定規等で計測することになる。しかしこれは前述の通り被溶接対象が高温である場合、計測が困難もしくは危険である。そこで、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置を計測する際にガイドとなるパターンＩｐを照射しておくことにより、位置計測が容易になり、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄの位置調整や、データ解析時に使用することができる。このように、本実施形態により、高温環境下で超音波検査を行なうことが可能になる。
【００８７】
なお、たとえば赤外線カメラなどを用いれば、パターンＩｐは必ずしも可視光でなくてもよい。
【００８８】
［第８の実施形態］
図２４は、本発明に係る溶接システムの第８の実施形態における保護機構とその周辺を示す斜視図である。この実施形態は、たとえば第１の実施形態の変形であって、送信用光学機構９、受信用光学機構１０を耐熱性の保護機構１９で覆うことを特徴とする。
【００８９】
保護機構１９には、送信用レーザ光Ｉｉ、受信用レーザ光Ｉｄおよび反射・散乱光Ｉｒが通り抜ける開口４０が設けられている。
【００９０】
溶接を実施する場所は、溶接のヒュームやスパッタなどの影響により、粉塵環境下であることが多い。そのため、粉塵が光学機構に悪影響を及ぼし、感度の低下や装置の不安定性を引き起こす場合があり、さらに装置の故障の原因にもなりうる。また、被溶接対象２が高温であることから、光学機構９、１０にダメージを生じさせる場合がある。そのため、耐熱性を有して、粉塵から光学機構を保護するための保護機構１９を付与することで、上記影響を防ぐことが可能である。よって、本実施形態により、感度低下防止および高感度な検査が可能になる。
【００９１】
［第９の実施形態］
図２５は、本発明に係る溶接システムの第９の実施形態を模式的に示すブロック構成図である。
【００９２】
この実施形態は第１の実施形態の変形であって、その構成は、図１に示す第１の実施形態に比べて、参照信号用光学機構６０および参照信号用光学系駆動機構６１が追加されている。ただし、図２５では、図１に示す溶接機構１および溶接制御機構３とそれに関連する信号線などの図示を省略している。
【００９３】
参照信号用光学機構６０は、送信用レーザ光源４から発せられた送信用レーザ光Ｉｉの一部を分岐して参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆを生成し、参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆを、被溶接対象２の表面上の参照信号用レーザ照射点Ｐｒｅｆまで伝送する。参照信号用レーザ照射点Ｐｒｅｆは、送信用レーザ光照射点Ｐｉおよび受信用レーザ光照射点Ｐｄのいずれとも異なる位置にある。溶接線に対して、受信用レーザ光照射点Ｐｄと参照信号用レーザ照射点Ｐｒｅｆは互いに同じ側にあり、送信用レーザ光照射点Ｐｉは異なる側にあるのが好ましい。
【００９４】
参照信号用光学系駆動機構６１は、参照信号用光学機構６０を駆動するものであって、送信用光学系駆動機構１１および受信用光学系駆動機構１２と連動して、溶接機構１（図１）とともに、被溶接対象２に対して相対的に、溶接線の方向に移動するように構成されている。
【００９５】
送信用レーザ光源４から出射した送信用レーザ光Ｉｉは、送信用光学機構９を経て被検査対象２の表面上の送信用レーザ光照射点Ｐｉへ照射される。ここで、熱ひずみまたは表層がアブレーションすることの反力により超音波Ｕｉが発生する。ここで発生する超音波Ｕｉは縦波、横波、表面波など様々なモードが励起されるが、総称して超音波Ｕｉとする。発生した超音波Ｕｉが欠陥や被検査対象の底面に到達すると、超音波の反射、散乱、屈折の影響により伝播経路が変化し、欠陥からの応答超音波Ｕｒとなる。ここで発生する応答超音波は、縦波、横波、表面波など様々なモードが励起されるが、総称して超音波Ｕｒとする。
【００９６】
また、送信用レーザ光源４から出射した送信用レーザ光Ｉｉは、参照信号用光学機構６０で分岐され、参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆとなって被検査対象２の表面上の参照信号用レーザ照射点Ｐｒｅｆへ照射される。ここで、熱ひずみまたは表層がアブレーションすることの反力により参照信号Ｕｒｅｆが発生する。ここで発生する参照信号Ｕｒｅｆは縦波、横波、表面波など様々なモードが励起されるが、総称して参照信号Ｕｒｅｆとする。
【００９７】
一方、受信用レーザ光源５から出射した受信用レーザ光Ｉｄは、受信用光学機構１０を経て被検査対象２の表面上の受信用レーザ光照射点Ｐｄへ照射される。ここで、超音波ＵｒおよびＵｒｅｆが受信用レーザ光照射点Ｐｄに到達したときに、受信用レーザ光Ｉｄは振幅変調や位相変調、反射角度の変化などを受け、超音波信号成分を含むレーザ光Ｉｒとなる。
【００９８】
超音波信号を持つレーザ光Ｉｒは、再び受信用光学機構１０により集光され、干渉計６に伝送される。干渉計６にて超音波成分を持つ光信号が電気信号へ変換された後、データ収録機構７により超音波データとして保存される。
【００９９】
データ収録機構７では、得られた超音波信号に平均化処理、移動平均、フィルタ、ＦＦＴ、ウェーブレット変換、開口合成処理等や、この他の種類の信号処理を行うことも可能である。また、得られた参照信号Ｕｒｅｆは、ピーク検出、積分、ＲＭＳや、その他の検出手法により、その強度を測定できる。さらに、参照信号Ｕｒｅｆの信号強度や、溶接位置情報や、照射位置情報、温度情報などにより、超音波信号を補正することも可能である。また、補正後の信号強度を規格化し、その強度を校正ＴＰで作成したＤＡＣ曲線、ＤＧＳ線図やその他校正曲線に当てはめることで検出した欠陥を定量的に評価することも可能である。また、測定したい領域によってはＵｒｅｆが重畳する場合があるため、参照信号Ｕｒｅｆを既知の時間領域に現れる信号としてキャンセルすることも可能である。
【０１００】
ここで、この第９の実施形態の効果を説明する。前述の第１の実施形態では、欠陥定量評価のためのリファレンスとなる別個の音源は設けられていない。この場合、レーザ干渉計をはじめとした測定系の揺らぎが大きく欠陥を検出できても定量的な大きさが評価困難であるため、溶接部の健全性が正確に評価できない。底面からの反射波を利用することも考えられるが、溶接の裏波形状の違いなどから必ずしも一定の反射波が得られるとはいえないため、精度は大きく下がる。
【０１０１】
第９の実施形態では、送信用レーザ光Ｉｉおよび受信用レーザ光Ｉｄを照射することに加えて、参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆを受信用レーザ光照射点Ｐｄの近傍の参照信号用光照射点Ｐｒｅｆに照射する。
【０１０２】
参照信号Ｕｒｅｆは、被検査対象２の表面を伝播し、超音波Ｕｉとともに受信用レーザＩｄによって受信される。レーザ超音波は測定系の揺らぎが大きく、特に受信側の感度ゆらぎが大きく影響する。そのため、ほぼ一定の強度で励起され、一定の伝播経路を通る参照信号Ｕｒｅｆを受信することで受信の揺らぎ分が定量化でき、参照信号Ｕｒｅｆの強度で規格化することで揺らぎ分を測定後に再補正することができる。これにより、信号強度に定量性を持たせることができ、ＤＡＣ曲線やＤＧＳ線図などの校正曲線に基づいた欠陥定量評価が可能となる。
【０１０３】
図２６は、この第９の実施形態（図２５）の溶接システムによって得られる測定結果の例を示すグラフである。また、図２７は、図２６の測定結果をそのまま処理して得られる２次元断面データの例を示す図である。図２６および図２７に示すように、参照信号Ｕｒｅｆが測定領域に近い場合は、測定結果にゴーストとして現れる場合があり、このようなゴーストは誤検出を招く可能性がある。
【０１０４】
上述の既知の時間に現れる参照信号Ｕｒｅｆのゴーストへの対応については、Ｕｒｅｆをキャンセルする時間枠を設定してゴーストによる測定への影響を低減することができる。図２８は、図２６の測定結果からＵｒｅｆをキャンセルした結果の例を示すグラフである。図２９は、図２８の測定結果から得られる２次元断面データの例を示す図である。
【０１０５】
上記説明では、参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆは送信用レーザ光Ｉｉから分岐するとしたが、変形例として、送信用レーザ光源４とは別に設けた参照信号用レーザ光源によって参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆを生成してもよい。
【０１０６】
［第１０の実施形態］
図３０は本発明に係る溶接システムの第１０の実施形態における溶接部、送信用レーザ光照射点、参照信号用レーザ光照射点、受信用レーザ光照射点、表面改質機構などの位置関係を示す平面図である。
【０１０７】
この実施形態は、第２の実施形態の溶接システム（図８ないし図１１参照）に、第９の実施形態の溶接システム（図２５）の参照信号用光学機構６０および参照信号用光学系駆動機構６１を追加したものである。
【０１０８】
この第１０の実施形態では、第２の実施形態と同様に、表面改質機構として切削機構１４ａが設けられ、送信用レーザ光Ｉｉ、受信用レーザ光Ｉｄおよび参照信号用レーザ光Ｉｒｅｆによって被検査対象２の表面にできる浅い溝が修復される。そして、第９の実施形態と同様に、参照信号Ｕｒｅｆを受信することにより、被検査対象２の表面の欠陥定量評価が可能となる。
【０１０９】
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１１０】
たとえば、各実施形態の特徴を種々に組み合わせることも可能である。さらに具体的には、たとえば、第２または第３の実施形態の表面改質機構を第４ないし第８の実施形態に付加することもできる。
【０１１１】
また、第９および第１０の実施形態における参照信号用光学機構６０および参照信号用光学系駆動機構６１は、第３ないし第８の各実施形態にも適用可能である。
【０１１２】
なお、上記説明で、「平面図」、「立断面図」などのことばを用いたが、これは単なる便宜上のものであって、この発明では、上下方向や水平方向の限定は特にない。
【符号の説明】
【０１１３】
１・・・溶接機構
２・・・被溶接対象
３・・・溶接制御機構
４・・・送信用レーザ光源
５・・・受信用レーザ光源
６・・・干渉計
７・・・装置制御・データ収録・解析機構
８・・・表示機構
９・・・送信用光学機構
１０・・・受信用光学機構
１１・・・送信用光学系駆動機構
１２・・・受信用光学系駆動機構
１３・・・温度計測機構
１４ａ・・・切削機構
１４ｂ・・・塗布機構
１５・・・パターン投影機構
１６・・・塗布材
１７・・・２次元断面
１８・・・３次元領域
１９・・・保護機構
２３・・・距離計測機構
３０、３１、３２、３３、３４・・・溶接システム
４０・・・開口
５０・・・溝
６０・・・参照信号用光学機構
６１・・・参照信号用光学系駆動機構
Ｉｉ・・・送信用レーザ光
Ｉｄ・・・受信用レーザ光
Ｉｒｅｆ・・・参照信号用レーザ光
Ｉｒ・・・レーザ光
Ｉｐ・・・照射パターン
Ｕ・・・超音波
Ｗ・・・溶接部
Ｐｉ・・・送信用レーザ光照射点
Ｐｄ・・・受信用レーザ光照射点
Ｐｗ・・・溶接点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図３０】
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【図１９】
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【図２７】
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【図２９】
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