(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象となる構造物間に設けられた溶接部の開先面と、前記溶接部から所定距離離間して前記構造物の表面及び／又は側面に設けられた少なくとも１つの冷却チェンバーと、前記冷却チェンバーに制御弁を介して冷媒を供給する冷媒貯蔵タンクと、前記溶接部を溶接する溶接具と、を備えた溶接装置において、
前記冷却チェンバーは相互に区画された複数の室を有し、前記各室に冷媒温度の異なる冷媒が前記冷媒貯蔵タンクから供給されるとともに、前記溶接部に最も近い前記室から最も遠い前記室に向けて前記冷媒温度を低くしたことを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記冷媒を冷却する冷却装置と、前記構造物の表面温度を監視する温度監視装置と、前記冷却装置及び前記制御弁を制御する制御部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の溶接装置を用いて、前記溶接部の開先面を略均一な温度に冷却することを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
前記溶接部に形成される複数のデンドライト組織を前記開先面に対して略垂直に形成することを特徴とする請求項３記載の溶接方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の溶接方法によって形成された溶接部の上部に超音波探触子を設置し、当該超音波探触子により前記溶接部の欠陥検査を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
前記超音波探触子は電磁超音波探触子であることを特徴とする請求項５記載の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、溶接部の超音波探傷試験を高精度で行うための溶接装置、溶接方法及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接部の体積検査手段として、放射線透過試験（RT： Radiographic Testing）や超音波探傷試験（UT： Ultrasonic Testing）等の非破壊検査手段を用いて内部欠陥の検査が実施されているが、どのような非破壊検査手段を用いるかは、対象となる材質や板厚、検出すべき欠陥の性状等を考慮した上で選定している。
【０００３】
超音波探傷試験については、近年、フェーズドアレイ（多素子プローブ）技術の進展により、フェーズドアレイシステムを用いて探傷するケースも増えてきてはいるが、基本的には超音波の周波数や屈折角、又は検査対象物上を伝播させる波のモード等を考慮して超音波探傷試験を実施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３２８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、厚板の溶接法として狭開先を用いた溶接技術が広く用いられている。この狭開先溶接技術により溶接された溶接部を超音波探傷法により検査する場合、探傷対象とする構造物の板厚や構造上の形状等により、超音波を理想的な角度、方位で検査対象物に導入することができないケースがあり、その場合は的確な超音波探傷試験を実施できない可能性がある。
【０００６】
特に、狭開先溶接技術では、狭開先の形状に制約されるため、狭開先面に沿った融合不良や縦割れ等の溶接欠陥を検出することは困難である。例えば、斜角探傷にて狭開先面の超音波探傷試験を実施する場合、狭開先面に対して７０°以上の屈折角度が必要となることから、超音波探傷素子の設置箇所の選定が困難になる。また、超音波の伝播距離が長くなり反射波の減衰も顕著となることから、精度の高い超音波探傷試験を実施できないという課題がある。
【０００７】
また、板厚が３００ｍｍを超えるものとなると、さらに超音波探触子の走査範囲が広範囲に及ぶとともに、反射波の波高値も小さくなることから、溶接欠陥の検出効率が低下するという課題がある。
【０００８】
また、溶接対象物がオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金等の超音波探傷試験では、溶接部内に形成されたデンドライト組織に沿って超音波が曲げられるため、溶接欠陥の検出が困難になるという課題がある。
【０００９】
本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたもので、狭開先溶接によって溶接された溶接部の溶接欠陥を高精度で検出することができる溶接装置、溶接方法及び超音波探傷方法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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本実施形態に係る溶接装置は、溶接対象となる構造物間に設けられた溶接部の開先面と、前記溶接部から所定距離離間して前記構造物の表面及び／又は側面に設けられた少なくとも１つの冷却チェンバーと、前記冷却チェンバーに制御弁を介して冷媒を供給する冷媒貯蔵タンクと、前記溶接部を溶接する溶接具と、を備えた溶接装置において、前記冷却チェンバーは相互に区画された複数の室を有し、前記各室に冷媒温度の異なる冷媒が前記冷媒貯蔵タンクから供給されるとともに、前記溶接部に最も近い前記室から最も遠い前記室に向けて前記冷媒温度を低くしたことを特徴とする。
【００１１】
また、本実施形態に係る溶接方法は、本実施形態に係る溶接装置を用いて、溶接部の開先面の温度を略均一に冷却することを特徴とする。
また、本実施形態に係る超音波探傷方法は、本実施形態に係る溶接方法によって形成された溶接部の上部に超音波探触子を設置し、当該超音波探触子により前記溶接部の欠陥検査を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、溶接部の溶接欠陥を高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る溶接装置の構成図。
【図２】第１の実施形態の変形例に係る溶接装置の構成図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る冷却チェンバーの構成図、及びその作用を示す概念図。
【図４】第１の実施形態に係る溶接部におけるデンドライト組織の模式図。
【図５】（ａ）は第１の実施形態に係る超音波探傷方法の概念図、（ｂ）はその一部拡大図。
【図６】第２の実施形態に係る超音波探傷方法の概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る溶接装置、溶接方法及び超音波探傷方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る溶接装置、溶接方法及び超音波探傷方法を、図１〜図４を用いて説明する。
【００１５】
なお、本実施形態では、溶接対象物として２枚の厚板からなる構造物を狭開先溶接手段で溶接する例について説明するが、溶接対象物は厚板に限定されず、管、ノズル、容器等の構造物であってもよく、また、溶接手段は狭開先溶接に限定されず、通常の開先溶接にも適用可能である。
【００１６】
（全体構成）
本実施形態に係る溶接装置１は、図１に示すように、溶接部８の両隣に配置された厚板の鋼板等からなる構造物１０（溶接対象物）の表面に設けられた冷却チェンバー２ａ、２ｂと、冷媒貯蔵タンク３と、冷媒貯蔵タンク３内の冷却媒体（以下、「冷媒」という）４を所望の温度に冷却する冷却装置５と、冷媒貯蔵タンク３から冷却チェンバー２ａ、２ｂに冷媒４を循環させるための配管６ａ、６ｂと、配管６ａ、６ｂに設けられ冷媒４の流量を制御する制御弁７ａ、７ｂと、構造物１０及び溶接部８の温度を監視するサーモグラフィ等からなる温度監視装置９ａ、９ｂと、温度監視装置９ａ、９ｂからの信号が入力されるとともに冷却装置５及び制御弁６ａ、６ｂに制御信号を出力する制御部１１ａ、１１ｂと、溶接トーチ、ワイヤ等からなる溶接具１２と、から構成される。
なお、溶接具１２にノズルを併設し、冷媒貯蔵タンク３から冷媒４を溶接部８に直接噴射可能に構成してもよい（図示せず）。
【００１７】
（変形例）
冷却チェンバーは、構造物１０の厚み、材質、開先面の形状等に応じて、冷却チェンバー２ａ、２ｂのほかに、図２に示すように、例えば、構造物１０の下面及び／又は側面に冷却チェンバー２ｃ〜２ｅを設けてもよい。なお、図２の例では、冷却チェンバー２ｃ〜２ｅの配管構成は省略している。
【００１８】
（冷却チェンバー）
冷却チェンバーの構成を、溶接部８の右方の構造物１０の上面（表面）に設けられた冷却チェンバー２ｂを例に説明する。
【００１９】
冷却チェンバー２ｂは、図３（ａ）に示すように、例えば７室からなる複数の室２ｂ１〜２ｂ７に区画され、溶接部８に最も近い室から最も遠い室にいくほど低温の冷媒４で満たされている。すなわち、各室における冷媒４の温度分布は２ｂ１＜・・・＜２ｂ７となる。各室の間は例えば２重壁で区画されており、相互に断熱構造となっている。
なお、左側の構造物１０の上面には冷却チェンバー２ａが設けられ、鏡面対称の構造となっている。
【００２０】
図３（ｂ）は溶接部８の左側の構造物１０の下面に冷却チェンバー２ｃを配置した例であり、右側の構造物１０の下面（表面）には冷却チェンバー２ｄが鏡面対称の構造で設けられている（図２参照）。
【００２１】
図３（ｃ）は構造物１０の側面に９室構成の冷却チェンバー２ｅを配置した例である（図２参照）。この図３（ｃ）の例では、構造物１０の下面から上面に向かうほど各室の冷媒の温度は高くなっている。
【００２２】
これらの冷却チェンバー２ａ〜２ｅの数は適宜増減可能であり、また、溶接部８の場所や溶接の進展に応じて、適宜移動可能に構成されている。
さらに、各チェンバーの室の数も、構造物１０の厚み等に応じて適宜増減可能である。
【００２３】
なお、図１には示されていないが、配管６ａ、６ｂを複数の配管から構成し、それぞれ温度の異なる冷媒４を、制御弁７ａ、７ｂを介して、例えば冷却チェンバー２ｂの各室２ｂ１〜２ｂ７に供給するようにすることが望ましい。また、冷媒貯蔵タンク３も複数の室に区画して、それぞれ温度の異なる冷媒４を収納するようにしてもよい（図示せず）。
【００２４】
（冷却チェンバーの作用及び原理）
冷却チェンバー２ａ〜２ｅの作用及び原理を図３（ａ）〜（ｃ）及び図４を用いて説明する。
【００２５】
一般に、溶接部８では、溶接の進行につれて、図４に示すように、複数のデンドライト状の柱状晶（以下、「デンドライト組織」という）１５が形成される。このデンドライト組織１５の成長方向は溶接部８、特に開先面８ａにおける冷却温度分布に依存することが知られている。
【００２６】
また、溶接部８の超音波探傷試験の際に、超音波は溶接部８内のデンドライト組織１５に沿って曲げられることも知られている。
【００２７】
本発明者等は、これらの知見を前提に、超音波探傷試験を高精度で行うために、すなわち、溶接部８の超音波探傷性を向上させるために、各デンドライト組織１５が溶接部８の開先面８ａにほぼ垂直になるように、デンドライト組織を成長させればよいという新たな知見を得て、本発明に至ったものである。
具体的に説明すると、溶接部８を冷却チェンバー２ａ、２ｂ等により冷却する際に、溶接部８の開先面８ａの冷却温度分布が略均一になるように制御する。
【００２８】
図３（ａ）を例に説明すると、温度分布の異なる複数の室２ｂ１〜２ｂ７を有する冷却チェンバー２ｂからの冷却熱は、それぞれ２ｂ１’〜２ｂ７ ’で示す円形状の形態で構造物１０の内部を経由して開先面８ａへ伝わる。その際、温度が最も低い２ｂ１からの冷却熱は最も大きい円形状の形態２ｂ１’で開先面８ａの方へ伝わり、温度が最も高い２ｂ７からの冷却熱は最も小さい円形状の形態２ｂ７ ’で開先面８ａの方へ伝わる。その結果、溶接部８の開先面８ａへ向かう冷却熱の温度分布は、熱伝導距離に応じた温度上昇を考慮すると、開先面８ａに対し次第に均一な温度分布となる。図３（ａ）の曲線Ａ、Ｂは開先面８ａに伝わる冷却熱の時系列的な温度分布を模式的に示したものである。
【００２９】
したがって、開先面８ａにおける冷却熱の温度分布は略均一になるので、複数のデンドライト組織１５の各々は、成長方向の偏りを生じることなく、開先面８ａに向かって略同一の形状で成長する。具体的には、デンドライト組織１５は、溶接部８の深さ方向に成長した後、開先面８ａの方向に湾曲し、最終的には図４に示すように、開先面８ａに略垂直になるような複数のデンドライト組織１５が形成される。
【００３０】
このデンドライト組織１５の成長態様は、図３（ｂ）、図３（ｃ）の場合も同様であるので、重複説明を省略する。
【００３１】
また、超音波の伝播効率を考慮すると、デンドライト組織は、径が大きく、均一である方が望ましい。開先面８ａの冷却熱の温度分布を略均一化することで、そのような効果が得られるが、さらに、入熱量、溶接速度、溶接パスサイズ又は積層方法の調整、適切な溶接材の選択、サーモグラフィ等の温度監視装置を用いた精密な温度制御等により、均一で大型のデンドライト組織が形成されるように制御する。
【００３２】
（超音波探傷方法）
上述したデンドライト組織１５を有する溶接部８の超音波探傷方法について、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００３３】
図５（ａ）は、本実施形態に係る超音波探傷方法の原理を示す概念図で、図５（ｂ）は図５（ａ）の領域ａの拡大図である。
本実施形態において、超音波探触子１７は溶接部８の上面に設置され、超音波探触子１７から出射された超音波は各デンドライト組織１５に沿って溶接部８の内部を矢印１８のように伝わり、開先面８ａで反射され、反射波は略同経路で超音波探触子１７へ戻り超音波探触子１７により検出される。その際、各デンドライト組織１５の先端は開先面８ａに対し略垂直に形成されているので、超音波の反射効率は高い。
【００３４】
一方、開先面８ａとの間に溶接欠陥１９が存在すれば、超音波は異なる方向に反射するので、超音波探触子１７に溶接欠陥１９からの反射波は検出されず、これにより溶接欠陥１９の存在を検知することが可能となる。
【００３５】
このように、本実施形態では、各デンドライト組織１５が開先面８ａに当接する部分を、開先面８ａに対し略垂直に形成したことで、超音波探傷性能を大幅に向上させることができる。
【００３６】
また、超音波探触子１７は溶接部８の上面に設置可能としたことで、従来の狭開先溶接部に用いられた斜角探傷方法等よりも、超音波の伝播経路を大幅に短くすることができるため、ノイズ等の混入の可能性が低くなり、超音波探傷試験の精度をさらに向上させることができる。
【００３７】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る超音波探傷方法を図６を用いて説明する。
上記図５（ａ）、（ｂ）で示す超音波の伝播態様は、超音波が縦波又は横波であっても、基本的に同様な経路をとる。しかしながら、超音波が横波の場合は、縦波の場合よりも媒体内をより湾曲しやすいことから、本第２の実施形態では、超音波探触子として横波の電磁超音波を発生する電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ：Electromagnetic acoustic transducer）２０を用いる構成としている。
【００３８】
この電磁超音波探触子２０は、図６に示すように、磁石２１、コイル２２から構成され、コイル２２に高周波電流を流すことで、溶接部８にローレンツ力２３を発生させ、溶接部８の表面を水平方向に振動させる。これにより、横波の超音波２４が発生し、溶接部８内を下方に伝播し、デンドライト組織１５に沿って開先面８ａに到達する。
本実施形態によれば、電磁超音波探触子２０を用いることで、超音波の伝播特性が向上することから、溶接部８の超音波探傷性をさらに向上させることができる。
【００３９】
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、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。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。
【符号の説明】
【００４０】
１…溶接装置、２ａ〜２ｅ…冷却チェンバー、３…冷媒貯蔵タンク、４…冷媒、５…冷却装置、６ａ、６ｂ…配管、７ａ、７ｂ…制御弁、８…溶接部、８ａ…開先面、９ａ、９ｂ…温度監視装置、１０…構造物（溶接対象物）、１１ａ、１１ｂ…制御部、１２…溶接具、１５…デンドライト組織（柱状晶）、１７…超音波探触子、１９…溶接欠陥、２０…電磁超音波探触子、２１…磁石、２２…コイル、２３…ローレンツ力、２４…超音波（横波）
【図１】
0006719287.tif 000002
【図２】
0006719287.tif 000003
【図３】
0006719287.tif 000004
【図４】
0006719287.tif 000005
【図５】
0006719287.tif 000006
【図６】
0006719287.tif 000007