(57)【要約】【課題】溶融池の深さ分布を精度良く測定可能とする超音波による溶接監視装置を提供する。【解決手段】上記目的を達成するための本発明の溶接監視装置は、超音波を使って被検体の溶接部を監視する溶接監視装置において、前記被検体の超音波の反射波信号を受信する超音波送受信部と、前記受信した反射超音波より被検体中を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部と、前記伝搬時間計測部で求めた２つの超音波の伝搬時間どうし、又は、前記伝搬時間計測部で計測した１つ超音波の伝搬時間と基準となる伝搬時間を比較して溶融池深さを求める溶融池深さ測定部を有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を使って被検体の溶接部を監視する溶接監視装置において、
前記被検体の超音波の反射波信号を受信する超音波送受信部と、
前記受信した反射超音波より被検体中を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部と、
前記伝搬時間計測部で求めた２つの超音波の伝搬時間どうし、又は、前記伝搬時間計測部で計測した１つ超音波の伝搬時間と基準となる伝搬時間を比較して溶融池深さを求める溶融池深さ測定部を有することを特徴とする超音波による溶接監視装置。
【請求項２】
請求項１における超音波による溶接監視装置において、
前記求めた溶融池深さから溶融池深さ分布情報を求める溶融池深さ分布測定部を有することを特徴とする超音波による溶接監視装置。
【請求項３】
超音波を使って被検体の溶接部を監視する溶接監視装置において、
前記被検体において異なる２か所以上で超音波の反射波信号を受信する超音波送受信部と、
前記異なる２か所以上で受信した反射波信号から被検体中を伝搬する複数経路の超音波の伝搬時間を求める伝搬時間計測部と、
前記伝搬時間計測部で求めた伝搬時間から前記被検体の溶融池形状を求める溶融池深さ分布測定部を有することを特徴とする超音波による溶接監視装置。
【請求項４】
請求項３における超音波による溶接監視装置において、
前記被検体において異なる２か所以上で前記超音波の反射波を受信するために、複数の超音波素子を有する超音波探触子、レーザー超音波送受信器、又は、単一型の超音波探触子と前記単一型の超音波探触子の位置を制御するスキャナを用いることを特徴とする超音波による溶接監視装置。
【請求項５】
請求項１又は３における超音波による溶接監視装置において、
前記被検体の温度情報を保持する保持部をさらに有することを特徴とする溶接監視装置。
【請求項６】
請求項１又は３における超音波による溶接監視装置において、
前記被検体の表面温度を計測する温度計測部をさらに有することを特徴とする溶接監視装置。
【請求項７】
超音波を使って溶接対象物を監視する溶接監視方法において、
超音波を送信するステップと、
前記送信した超音波の反射波信号を受信するステップと、
被検体を伝搬する前記超音波の伝搬時間を算出するステップと、
固体相と溶融相を通過した伝搬時間と、固相のみを通過した伝搬時間を比較することで溶融池の深さを求めるステップを有することを特徴とする超音波による溶接監視方法。
【請求項８】
請求項７における超音波による溶接監視方法において、
前記固相のみを通過した伝搬時間情報は予め、実験的あるいは解析的に求めておくことを特徴とする超音波による溶接監視方法。
【請求項９】
異なる２か所以上で超音波を送信するステップと、
前記異なる２か所以上で送信した超音波の反射波信号を受信するステップと、
前記異なる２か所以上で送信した超音波の伝搬時間を算出するステップと、
前記異なる２か所以上で送信した超音波から求めた伝搬時間データから溶融池の形状を求めるステップを有することを特徴とする超音波による溶接監視方法。
【請求項１０】
請求項９における超音波による溶接監視方法において、
前記異なる個所で取得した反射信号の強度を評価するステップを有することを特徴とする超音波による溶接監視方法。
【請求項１１】
請求項７又は９における超音波による溶接監視方法において、
溶融池の幅を参照するステップを有することを特徴とする超音波による溶接監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による溶接監視装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接の品質を向上するためには、溶融金属（溶融池）の状態、例えば、溶融池の温度、溶融池の深さ、溶融池内の伝熱流動挙動を把握することが重要である。
【０００３】
溶融池の状態を計測で把握する手段として、赤外線カメラにより溶融池の外観を監視する装置及び方法が特許文献１で開示されている。この文献では、「アーク溶接の周囲を撮像する２つの撮像手段と、赤外線波長領域のバンドパス特性を有していて一方の撮像手段の撮像領域に設けられた第１バンドパスフィルタと、紫外線波長領域のバンドパス特性を有していて撮像手段の撮像領域に設けられた第２バンドパスフィルタと、紫外線波長領域の発光スペクトルを有する照明手段と、両撮像手段で撮像した画像を合成する画像合成手段と、画像合成手段で合成された画像を表示する画像表示手段とを備えている」と記載されている。
【０００４】
溶融池の内部状態を計測により把握する手段としては、超音波により溶接などの相変化箇所の形状を計測する装置が特許文献２で開示されている。この文献では、「計測対象のある部分に非接触で超音波送信手段から超音波を励起し、計測対象中を伝播した超音波を非接触で超音波受信手段により検出する。そして、伝播時間計測手段では、超音波を送信した送信時刻と超音波を受信した受信時刻との時間差から超音波の伝播時間を測定する。速度校正手段では、温度測定手段で測定した測定対象の温度または温度分布から測定対象中の超音波の伝播速度を校正し、伝播経路長測定手段では、伝播時間計測手段で計測した伝播時間と速度校正手段で求められる伝播速度とから超音波の伝播経路長を算出する」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２５７９０号公報
【特許文献２】特開平１１−１０１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、赤外線カメラにより溶融池の外観を監視する装置が記載されている。しかしながら、特許文献１では、溶融池の外観を監視することは可能だが、金属内部の溶融状態である溶融池深さを測定できない問題がある。
【０００７】
特許文献２には、非接触で金属内部に超音波を励起して、超音波の伝搬時間から溶融池の深さを測定する装置が記載されている。しかしながら、特許文献２では、金属の温度によって超音波の伝搬速度が変化するので、熱電対のような金属表面の温度計測手段を別途設けて内部の温度分布を推定して伝搬速度を校正するので、温度推定誤差により溶融池の測定誤差が発生する問題がある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、溶融池の深さ分布を精度良く測定可能とする超音波による溶接監視装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の溶接監視装置は、超音波を使って被検体の溶接部を監視する溶接監視装置において、前記被検体の超音波の反射波信号を受信する超音波送受信部と、前記受信した反射超音波より被検体中を伝搬する超音波の伝搬時間を計測する伝搬時間計測部と、前記伝搬時間計測部で求めた２つの超音波の伝搬時間どうし、又は、前記伝搬時間計測部で計測した１つ超音波の伝搬時間と基準となる伝搬時間を比較して溶融池深さを求める溶融池深さ測定部を有することを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の超音波による溶接監視方法は、超音波を使って溶接対象物を監視する溶接監視方法において、超音波を送信するステップと、前記送信した超音波の反射波信号を受信するステップと、被検体を伝搬する前記超音波の伝搬時間を算出するステップと、固体相と溶融相を通過した伝搬時間と、固相のみを通過した伝搬時間を比較することで溶融池の深さを求めるステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶接溶融部の深さ分布を高い精度で測定可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１による超音波による溶接監視装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１による超音波による溶接監視方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例１による溶接中の温度分布と超音波の伝搬経路を説明する図である。
【図４】ステンレス鋼での温度と縦波音速の関係を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１による超音波受信波形の各時間における音速値を模式的に説明する図である。
【図６】本発明の実施例１による溶融池深さ分布の出力結果を説明する図である。
【図７】表面での溶融池の液相と固相の境界を検出する方法を説明する図である。
【図８】表面での溶融池の液相と固相の境界を検出する他の方法を説明する図である。
【図９】表面での溶融池の液相と固相の境界を検出する他の方法を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例２による超音波による溶接監視装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、金属内部の影響を超音波計測で直接的に補正することで、熱電対等の表面温度測定手段による温度分布推定の誤差を低減し、溶融池の深さ分布を精度良く測定可能とする超音波による溶接監視装置および方法である。別の言い方をすれば、熱電対等の表面温度測定結果に基づいて被検体内部温度分布を推定するのではなく、超音波による測定で被検体内部温度による超音波音速を補正するので、溶接溶融部の深さ分布を高い精度で測定可能になる。
【００１４】
以下、図面を用いて各実施例を説明する。本発明に利用する超音波送受信システムは、異なる位置で超音波を送受信可能なシステムである。このようなシステムの一例としては、超音波素子を有する超音波探触子を操作機構により異なる位置に移動させて超音波を送受信することで実現可能である。すなわち、単一の超音波素子からなる超音波探触子を機械的に走査する超音波送受信システムである。その他の手段として複数の超音波素子を有するアレイ型の超音波探触子を用いて行うことも可能である。送受信するアレイ型の超音波探触子中の超音波素子を変えることで、異なる位置で超音波を送受信するようにしても良い。以下の実施例では、アレイ型の超音波探触子と、アレイ型の超音波探触子を制御し超音波を送受信する超音波送受信器を用いて説明する。なお、本発明は異なる位置で超音波を送受信可能であれば、超音波送信手段としてレーザーを利用した超音波送受信システムでも構わない。
【実施例１】
【００１５】
以下、本発明の一実施例を図１乃至図９を用いて説明する。図１は、本発明による溶接監視装置の全体構成図である。図１の溶接監視装置は、内部に複数の超音波素子１を有する超音波探触子２と、超音波を送受信する超音波探触子２に対して電圧を印加する超音波送受信器５と、超音波送受信器５で受信した超音波信号から超音波の伝搬時間を測定する伝搬時間計測部６と、伝搬時間計測部６で測定した伝搬時間から溶融池深さを求める溶融池深さ測定部７を有する。溶融池深さ測定部７での測定結果を複数用いて、溶融池深さ分布測定部１９では溶融池深さ分布をモニタ８に表示する処理を行なう。また、モニタ８では溶融池深さやその分布を表示する。波形強度計測部２３では受信した波形の強度を算出し、境界位置計測部２４では求めた波形強度より被検体表面での溶融池の液相と固相の境界を検出する。
【００１６】
超音波探触子２の内部の超音波素子１は、被検体９に対して縦波を発生する縦波振動子、或いは被検体９に対して横波を発生させる横波振動子（剪断振動を生ずるもの）であり、被検体９の裏面で溶接トーチ１２により溶融している箇所（以下、溶融池１１）の下側（裏側）に、伝搬媒質３と接触媒質４を介して設置される。ここで、超音波素子１が横波振動子である場合、接触媒質４は剪断振動を伝達できるように粘性の高い媒質を用いる。また、伝搬媒質３は、超音波探触子２が溶接中の温度上昇の影響を受けにくいようにするために、熱伝達率の低い材料（耐熱シュー）を用いるのが望ましい。超音波探触子２の内部の超音波素子１の群の長さは、後述する理由により溶融池１１の幅１１ａよりも長いことが望ましい。超音波送受信器５は、市販の超音波パルサ及びレシーバ等で構成でき、超音波探触子２と同軸ケーブルなどを通じて接続される。伝搬時間計測部６は、市販のオシロスコープやＡ／Ｄコンバータなどで構成でき、超音波送受信器５と同軸ケーブルなどで接続される。溶融池深さ測定部７、溶融池深さ分布測定部１９、波形強度計測部２３、境界位置計測部２４は、市販のコンピュータで構成でき、伝搬時間計測部６とデジタルケーブルで接続される。
【００１７】
次に、図２乃至図９を用いて、本実施例の溶接監視装置を用いた溶接監視方法について説明する。図２は、本実施例による超音波による溶接監視方法を示すフローチャートである。図３乃至図９は、本実施例の溶接監視方法の説明図である。
【００１８】
図２のステップＳ１０１において、超音波送受信器５が超音波探触子２を駆動して超音波を送信する。超音波は、伝搬媒質３を介して被検体９に透過する超音波１０と、伝搬媒質３と被検体９の境界面で反射する超音波１０ｃに分かれる。反射した超音波１０ｃは、逆の経路を辿って超音波探触子２で受信される。透過した超音波１０は、被検体９を伝搬し、被検体９の表面（溶融池１１側）で反射し、逆の経路を辿って超音波探触子２で超音波１０ｃよりも遅れて受信される。ここで、被検体９と溶融池１１の境界面（境界相）で反射する超音波は、反射強度が非常に弱くノイズに埋もれてしまい観測することが難しい。
【００１９】
これは被検体９の固相と溶融池１１の液相との境界面における温度差により、超音波がこの境界面で曲げられてしまい、有効な反射波が得られないことが原因の一つとして挙げられる。また、被検体９の固相と溶融池１１の液相との密度差が小さいため、伝搬速度差も小さく、従って超音波が反射されにくいとの原因も挙げられる。また、溶融池の液相の形状が下に凸の形状をしており、超音波の入射角度に対して傾斜しているため有効な超音波の反射波が得られないことも原因の一つである。これら原因より、被検体９の固相と溶融池１１の液相の境界面（境界相）で反射する超音波の観測は非常に難しいため、本実施例のように被検体９の表面（溶融池１１側）で反射した超音波を用いて計測する必要がある。
【００２０】
ステップＳ１０２において、超音波送受信器５は、超音波探触子２からアナログ波形を受信する。このアナログ波形は、超音波１０ｃと超音波１０が超音波探触子２で電気信号に変換されたものである。超音波送受信器５は、アナログ波形を増幅器で増幅して、増幅したアナログ波形を伝搬時間計測部６に出力する。
【００２１】
ステップＳ１０３において、伝搬時間計測部６は、増幅されたアナログ波形をデジタル波形に変換し、デジタル波形を溶融池深さ測定部７に出力する。また、伝搬時間計測部６は反射超音波より被検体中９の超音波の伝搬時間を算出する。さらに波形強度も算出する。
【００２２】
これらステップＳ１０１からステップＳ１０３の動作を、全ての遅延時間パターンに対して繰り返す。例えば、超音波素子１が３２個あった場合は、初めに端から１６個の超音波素子１で超音波を送信し、１個ずつずらしながら１７通りの遅延時間パターンを繰り返して１７個のデジタル波形を取得する。なお、用いる超音波素子１は１６個に限らす、適宜使用する超音波素子の個数は選択可能である。
【００２３】
ステップＳ１０４において、溶融池深さ測定部７は溶融池深さを算出し、その結果をモニタ８に表示する。溶融池深さ測定部７は、デジタル波形を内部のメモリに保持する。また、異なる計測位置での超音波の伝搬時間を比較することで溶融池の深さを求める。
【００２４】
ステップＳ１０５において、溶融池深さ分布を表示させる。溶融池深さ分布測定部１９は溶融池深さ測定部７で求めた溶融池深さをそれぞれ並べて表示して、溶融池深さ分布情報を作成し、モニタ８へ送信する。
【００２５】
ここで、溶融池深さの算出過程を、図３乃至図９を用いて説明する。図３は、本実施例による溶接中の温度分布と超音波の伝搬経路を説明する図である。溶融池深さを算出するには、まず、溶融池１１と固相の境界部分から反射する超音波１０ａのデジタル波形をメモリから読み出し、被検体９内を伝搬する伝搬時間、すなわち超音波１０ａと超音波１０ｃの時間差を測定する（どのデジタル波形が境界部分であるかの判断は後述する）。次に、溶融池１１の計測したい部分を通過して溶融池１１の表面で反射する超音波１０ｂのデジタル波形をメモリから読み出し、同様に被検体９内（溶融池１１を含む）を伝搬する伝搬時間を測定する。これら処理は伝搬時間計測部６で行われる。
【００２６】
これら２つの伝搬時間が持つ意味を図４と図５を用いて説明する。図４は、ステンレス鋼固相での温度と縦波音速の関係を説明する図である。縦波音速１８は、常温で約５７００ｍ／ｓであるが、温度の上昇とともに低下し、１０００℃で約５０００ｍ／ｓになる。図５は、被検体９に入射する時間を起点（ゼロ）として、超音波受信波形の各時間における音速を示した図である（図３に対応させて縦軸を時間としている）。超音波１０ａの音速１４ａは、被検体９に１３ａや１３ｂで示す温度分布（溶融池１１側が高温で超音波探触子２側が常温に近い）があるため、図４の関係から、底面反射波の時間ｔ０に至るまで、被検体９の超音波探触子側の音速Ｃｓから、固相の融点音速Ｃｂまで時間とともに低下する。一方で、超音波１０ｂは超音波１０ａよりも温度が高い位置を通過するので、その音速１４ｂは、溶融池と固相の境界から反射があった場合の時間ｔｂまで、音速１４ａよりも早い時間に低下し、その後、底面反射波の時間ｔｍに至るまで、一次近似的に一定の溶融池音速を示す。なお、被検体９の固相と溶融池１１の液相との境界面において音速はＣｂからＣｓへ急激に減少する。
【００２７】
ここで、被検体９の厚さは、超音波１０ａが伝搬する位置と、超音波１０ｂが伝搬する位置で、溶融池を含めれば同じであるので、音速１４ａを時間ゼロから時間ｔ０まで積分した値と、音速１４ｂを時間ゼロから時間ｔｍまで積分した値は、いずれも被検体９の厚さであり、同じ値である。
【００２８】
このことから、伝搬時間ｔ０と伝搬時間ｔｍを計測し、音速Ｃｓ、音速Ｃｂ、音速Ｃｍを与えれば、未知数ｔｂを知ることが可能になる。音速Ｃｓは被検体９が厚ければ常温で与えることができる。また、音速Ｃｂは固相の融点の音速値で与えることができる。また、溶融池音速Ｃｍは、その特性を予め測定しておけば良い。結果的に、溶融池１１の計測したい部分の深さｄは、音速１４ａと音速１４ｂがＣｓからＣｂまで直線的に低下すると近似して、単純には音速１４ａ、１４ｂ、Ｃｂで囲まれた部分を三角形と近似して式（１）の関係が成立し、これを整理して式（２）で計算できる。
１／２（Ｃｓ−Ｃｂ）（ｔ０−ｔｂ）＋（Ｃｂ−Ｃｍ）（ｔ０−ｔｂ）
＝Ｃｍ（ｔｍ−ｔ０）…  式（２）
ｄ＝（ｔｍ−ｔ０）（Ｃｓ＋Ｃｂ）Ｃｍ／（２（Ｃｓ＋Ｃｂ−２Ｃｍ））…  式（１）
深さｄは、図５の領域１５が示す面積を意味することになる。なお、本計算式では深さｄは超音波の反射往復時間を表すため１／２としている。これら処理は溶融池深さ測定部７で処理される。
【００２９】
以上の算出過程を、溶融池１１の複数の位置に適用することで、図６の曲線１６に示す溶融池の深さ分布の出力結果を得ることができる。これら処理は溶融池深さ分布測定部１９にて処理される。以上が、ステップＳ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５において、伝搬時間計測部６、溶融池深さ測定部７、溶融池深さ分布測定部１９が溶融池深さを算出する過程の説明である。
【００３０】
次に、表面での溶融池の液相と固相の境界を検出する方法を図７を用いて説明する。図７において、曲線１７は、各位置における底面反射波の振幅を模式的に示したものである。被検体９の表面における溶融池１１の液相と被検体の固相の境界点１１ｂの位置では、底面反射波振幅１７は、急に低下する変化点として現れる。したがって、底面反射波振幅から被検体９の表面における溶融池１１の液相と被検体の固相の境界位置を推定することができる。なお、溶融池１１の中心部では底面反射波振幅１７が極大値をとる。これは、溶融池の下に凸をした液相部分の形状が入射した超音波と直交する位置関係となるため、底面反射波振幅１７が強く検出されるためである。従って、代案として底面反射波振幅１７が極大値をとる位置１７ｂを溶融池の中心として検出し、予め取得しておいた溶融池の幅を参照することで、境界点１１ｂの位置を検出する方法もある。
【００３１】
以上の検出はフローチャートのステップ１０６及びステップ１０７で実施される。ステップ１０６において、全ての計測点の位置と、その位置における波形強度をまずは評価する。波形強度計測部２３にて全ての計測点の位置における波形強度を求める。次に、ステップ１０７において底面反射波振幅１７が急に低下する変化点を被検体９の表面における溶融池１１と固相の境界位置として推定する。境界位置計測部２４において境界位置を求める。例えば、閾値を決めておき、それを超えるような変化がある場所を境界位置とすることで求めることで可能である。ここでステップ１０７の代案として、底面反射波振幅１７が極大値をとる位置１７ｂを溶融池の中心として検出し、溶融池の幅を別途設けたデータベースより参照することで境界位置として推定しても良い。
【００３２】
溶融池の幅を参照するさらに別の方法としては、図８に示すように、別途設けたカメラ２０で溶融池の幅１１ａを直接測定する方法もある。この場合にはステップ１０６は不要となりステップ１０７において、カメラにて観測した溶融池の幅１１ａの情報を参照することになる。また、さらに別の手段として、図９に示すように溶融池の幅１１ａに関して予めデータベース化しておく方法がある。この場合には、ステップ１０６の処理は不要となりステップ１０７において、予め記憶しておいたデータベース２１から溶融池の幅１１ａの情報を参照することになる。
【００３３】
本実施例によれば、熱電対等の表面温度測定結果に基づいて被検体内部温度分布を推定するのではなく、超音波による測定で被検体内部温度による超音波音速を補正するので、溶接溶融部の深さ分布を高い精度で測定可能になる。
【実施例２】
【００３４】
本発明による第２の実施例を図１０を用いて説明する。図１０において、図１と同一符号は同一手段を示すので、再度の説明は省略する。本実施例では、実施例１に対して、温度計測部１８と温度計測センサ２２を追加したのが変更点である。
【００３５】
本実施例の動作は、実施例１とほぼ同等であるので説明を省略するが、式（２）における音速Ｃｓを計測値から与える点で異なる。本実施例によれば、温度計測センサ２２を用いて温度を計測することで、被検体９の厚さが薄く、被検体９の超音波探触子２側の温度が常温にならない場合においても、式（２）に基づき、溶融池の深さｄを算出することが可能である。
【００３６】
なお、温度計測部１８の代わりに、温度情報データベースとして温度情報を保持し、温度計測センサ２２が無くとも、事前に計測体系の温度情報を入力しておくことで、同様の効果が得られることは自明である。
【００３７】
本実施例によれば、実施例１での効果に加えて、被検体の超音波探触子側の温度が常温にならない場合においても、溶接溶融部の深さ分布を高い精度で測定可能になる。
【符号の説明】
【００３８】
１  超音波素子
２  超音波探触子
３  伝搬媒質
４  接触媒質
５  超音波送受信器
６  伝搬時間計測部
７  溶融池深さ測定部
８  モニタ
９  被検体
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  超音波
１１  溶融池
１１ａ  溶融池の幅（溶融池開口）
１１ｂ  境界点（溶融池深さ）
１２  溶接トーチ
１８  温度計測部
１９  溶融池深さ分布測定部
２０  カメラ
２１  データベース
２２  温度計測センサ
２３  波形強度計測部
２４  境界位置計測部
【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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