JP2007057485A - Welded portion visualization apparatus and welded portion visualization method - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザー式超音波発振受信装置を用いて溶接部の断面を可視化して、溶接部の被溶接材と接合材との溶融状態を観察し、溶接不良の有無を評価する。
【解決手段】レーザー式超音波発振受信装置２０にて、可視化しようとする溶接部８の断面に含まれる溶接部表面８ａに、超音波レーザーを照射し、該溶接部表面８ａに超音波を発生させ、該溶接部表面８ａの変位を検出して信号強度の経時変化として出力し、溶接部表面８ａの変位を測定する。画像処理装置１９にて、測定された表面変位の検出信号に基づいて、溶接部８の断面を画像化するための演算処理を行い、この処理結果を表示出力して、溶接部の断面を可視化する。上記溶接部表面８ａの変位の測定は、同一箇所に対して複数回繰り返し、この測定結果を加算演算して画像化処理に利用する。また、溶接部表面に発生した５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動のみを画像化する。
【選択図】図１
A laser-type ultrasonic oscillation receiver is used to visualize a cross-section of a welded portion, observe a molten state between a welded material and a joining material of the welded portion, and evaluate the presence or absence of welding failure.
A laser ultrasonic oscillation receiver irradiates an ultrasonic laser to a weld surface 8a included in a cross section of a weld 8 to be visualized to generate ultrasonic waves on the weld surface 8a. The displacement of the weld surface 8a is detected and output as a change in signal intensity with time, and the displacement of the weld surface 8a is measured. Based on the measured surface displacement detection signal, the image processing device 19 performs arithmetic processing for imaging the cross section of the welded portion 8 and displays the processing result to visualize the cross section of the welded portion. To do. The measurement of the displacement of the weld surface 8a is repeated a plurality of times for the same location, and the measurement results are added and used for imaging processing. Further, only ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or more generated on the surface of the weld is imaged.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、溶接部の断面を可視化して、接合材の溶融状態を評価するための技術に関する。 The present invention relates to a technique for visualizing a cross section of a weld and evaluating a molten state of a bonding material.
従来、金属材料から成る被溶接材の溶接部における接合材の溶融状態の検査は、該溶接部を切断して該溶接部の断面を観察することにより行われている。
溶接部の断面を観察することにより、接合材ののど厚、接合材の被溶接材に対するとけ込み深さ及び接合材の脚長の良・不良や、接合材内の空洞（ブローホール）、接合材のビード割れ及び溶接材の母材割れの有無などの、溶接状態の良・不良の評価を行うことができる。
Conventionally, the inspection of the molten state of the bonding material in the welded portion of the welded material made of a metal material is performed by cutting the welded portion and observing the cross section of the welded portion.
By observing the cross section of the welded part, the throat thickness of the joining material, the penetration depth of the joining material with respect to the welded material and the leg length of the joining material, the cavities (blow holes) in the joining material, the joining material It is possible to evaluate whether the welded state is good or bad, such as the presence or absence of bead cracks and cracks in the base metal of the welded material.
また、超音波を用いて金属材料から成る被溶接材の溶接部の非破壊検査を行う方法が知られている。
例えば、特許文献１では、水槽内に被検査対象となる溶接部と、ビームを発生して、そのエコーを受信する集束探触子を配置すると共に、集束探触子を一定のピッチで移動させながら走査グラフを得て、該走査グラフ上でナゲットの有無及び該ナゲットの大きさを判断する、超音波によるスポット溶接部の測定方法が記載されている。
There is also known a method for performing nondestructive inspection of a welded portion of a workpiece made of a metal material using ultrasonic waves.
For example, in Patent Document 1, a welded portion to be inspected in a water tank and a focusing probe that generates a beam and receives the echo is disposed, and the focusing probe is moved at a constant pitch. A method for measuring a spot weld by ultrasonic waves is described, in which a scanning graph is obtained and the presence or absence of a nugget and the size of the nugget are determined on the scanning graph.
一方、従来、金属材料の内部欠陥を検査する非破壊検査法の一つとして、超音波探傷方法がある。この超音波探傷方法では、圧電素子を用いて試料に超音波を与え、その反射波を観測して内部欠陥を発見する。内部組成の変化や、傷・間隙が存在すると、これらの界面で超音波が反射するので、反射する超音波を検出することによって超音波探傷方法では内部欠陥の有無や位置、形状等を知ることができる。 On the other hand, there is an ultrasonic flaw detection method as one of conventional nondestructive inspection methods for inspecting internal defects of metal materials. In this ultrasonic flaw detection method, an ultrasonic wave is applied to a sample using a piezoelectric element, and an internal defect is found by observing the reflected wave. If there is a change in the internal composition or if there are scratches or gaps, the ultrasonic waves will be reflected at these interfaces. By detecting the reflected ultrasonic waves, the ultrasonic flaw detection method will know the presence, position, shape, etc. of internal defects. Can do.
上記のような超音波探傷方法では、圧電素子から試料に超音波を伝播させるために接触媒質が必要であり、試料や計測環境の制約があった。また、圧電素子を利用して試料に接触させて超音波を与えるので、複雑な形状をした試料の測定が困難であった。また、圧電素子の固有周波数により超音波の周波数帯域が制限されるため、受信信号の持つ情報量は少なく、試料中の欠陥の存在を示すことができる程度であった。 In the ultrasonic flaw detection method as described above, a contact medium is necessary for propagating ultrasonic waves from the piezoelectric element to the sample, and there are restrictions on the sample and measurement environment. In addition, since ultrasonic waves are applied by contacting a sample using a piezoelectric element, it is difficult to measure a sample having a complicated shape. In addition, since the frequency band of the ultrasonic wave is limited by the natural frequency of the piezoelectric element, the amount of information held by the received signal is small, and the presence of defects in the sample can be indicated.
そこで、上記超音波探傷方法の課題を解決する非破壊検査法として、接触媒質を不要とするレーザー超音波探傷法が実施されている。このレーザー超音波探傷法では、パルスレーザーを試料表面に照射して、熱収縮あるいは削摩により材料内に超音波を発生させて伝播させ、試料表面の微小振動をレーザー干渉計により受信し表面変位を計測する検査技術である。この手法により、試料に対して非接触での測定が可能となった。
上述の背景技術に記載の通り、溶接部の溶融状態を検査するために、試料を切断してその断面を観察すれば、確実且つ明確に溶融状態を検査することができるが、この検査法では試料の準備のために手間と時間を要する。また、特許文献１のように、溶接部の溶融状態を検査するために超音波を用いて非破壊検査を行うことができるが、水を接触媒質として利用し超音波を伝播させるために、試料及び超音波の発振源を水没させる必要がある。従って、試料が耐水性を有さない場合には測定することができず、また、試料が大きい場合には巨大な装置が必要となるために大きさに制約があるという不具合があった。 As described in the background art above, in order to inspect the molten state of the welded part, if the sample is cut and the cross section is observed, the molten state can be inspected reliably and clearly. It takes time and effort to prepare the sample. In addition, as disclosed in Patent Document 1, a nondestructive inspection can be performed using ultrasonic waves to inspect the molten state of a welded portion, but in order to propagate ultrasonic waves using water as a contact medium, a sample is used. And it is necessary to submerge the ultrasonic oscillation source. Therefore, when the sample does not have water resistance, measurement cannot be performed, and when the sample is large, a huge apparatus is required, and thus there is a problem that the size is limited.
そこで、本発明では、上記背景技術に記載のレーザー超音波探傷方法を応用し、レーザー式超音波発振受信装置を用いて溶接部の溶融状態を可視化して、溶接部の被溶接材と接合材との溶融状態を観察し溶接の良・不良を評価するための溶接部可視化方法を提案する。 Therefore, in the present invention, the laser ultrasonic flaw detection method described in the background art is applied, and the molten state of the welded portion is visualized by using a laser type ultrasonic wave receiving device, so that the welded material and the bonding material of the welded portion are visualized. We propose a method for visualizing welds to evaluate the quality of welds by observing the molten state.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
即ち、請求項１においては、溶接部の表面に超音波レーザーを照射して超音波を発生させるレーザー発振部と、前記超音波に起因して発生する、前記溶接部におけるレーザー照射部位の表面変位を検出し、信号強度の計時変化として検出信号を出力する受信部と、前記受信部からの検出信号に基づき、溶接部におけるレーザー照射部位の断面を画像化するための演算処理を行う演算処理部と、前記演算処理部の処理結果を表示出力する表示出力部とを、備える溶接部可視化装置である。 That is, according to claim 1, a laser oscillation unit that generates ultrasonic waves by irradiating the surface of the welded portion with an ultrasonic laser, and a surface displacement of a laser irradiation portion in the welded portion that is caused by the ultrasonic waves And a calculation processing unit that performs calculation processing for imaging a cross section of the laser irradiation site in the welded portion based on the detection signal from the reception unit. And a welded portion visualizing device comprising a display output unit that displays and outputs a processing result of the arithmetic processing unit.
請求項２においては、前記溶接部可視化装置は、前記レーザー発振部による超音波レーザーの照射と、前記受信部による溶接部の表面変位の検出を、前記溶接部の表面の同一箇所に対して複数回繰り返し、前記演算処理部では前記受信部からの複数回の検出信号を加算演算する処理を行うものである。 According to a second aspect of the present invention, the welded portion visualization apparatus performs a plurality of ultrasonic laser irradiations by the laser oscillating unit and detection of surface displacement of the welded portion by the receiving unit with respect to the same location on the surface of the welded portion. Repeatedly, the arithmetic processing unit performs a process of adding and calculating a plurality of detection signals from the receiving unit.
請求項３においては、前記溶接部可視化装置は、前記受信部からの表面変位の検出信号のうち、５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動に該当する信号のみをフィルタ処理により抽出して、演算処理部による演算処理を行うものである。 In Claim 3, the said weld part visualization apparatus extracts only the signal applicable to the ultrasonic vibration which has a frequency of 50 MHz or more by the filter process among the detection signals of the surface displacement from the said receiving part, and performs arithmetic processing. The arithmetic processing by the unit is performed.
請求項４においては、レーザー発振部と、受信部と、演算処理部と、表示出力部とを少なくとも備えた装置を用いて、前記レーザー発振部にて、溶接部の表面に超音波レーザーを照射し、該溶接部の表面に超音波を発生させるステップＳ１と、前記受信部にて、前記超音波に起因して発生する前記溶接部におけるレーザー照射部位の表面変位を検出し、信号強度の計時変化として該表面変位の検出信号を出力するステップＳ２と、前記演算処理部にて、前記受信部からの表面変位の検出信号に基づいて、溶接部におけるレーザー照射部位の断面を画像化するための演算処理を行うステップＳ３と、前記表示出力部にて、前記演算処理部での演算処理結果を表示出力するステップＳ４とを、実行する溶接部可視化方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, an ultrasonic laser is applied to the surface of the welded portion at the laser oscillating unit using an apparatus including at least a laser oscillating unit, a receiving unit, an arithmetic processing unit, and a display output unit. Then, in step S1 for generating ultrasonic waves on the surface of the welded portion, the receiving unit detects the surface displacement of the laser irradiation site in the welded portion caused by the ultrasonic waves, and measures the signal intensity. Step S2 for outputting the detection signal of the surface displacement as a change, and the calculation processing unit for imaging the cross section of the laser irradiation site in the weld based on the detection signal of the surface displacement from the reception unit The welding portion visualization method executes step S3 for performing calculation processing and step S4 for displaying and outputting the calculation processing result in the calculation processing portion at the display output portion.
請求項５においては、前記ステップＳ１及び前記ステップＳ２を、溶接部表面の同一箇所に対して複数回繰り返し、前記ステップＳ３では、演算処理部にて、前記受信部からの複数回の表面変位の検出信号を加算演算する処理を行うものである。 In Claim 5, said step S1 and said step S2 are repeated in multiple times with respect to the same location on the surface of a welding part, and in said step S3, in the arithmetic processing part, multiple times of surface displacement from the said receiving part are carried out. Processing for adding the detection signals is performed.
請求項６においては、前記ステップＳ３では、前記受信部からの表面変位の検出信号のうち、５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動に該当する信号のみをフィルタ処理により抽出して、演算処理部による演算処理を行うものである。 In Claim 6, in said step S3, only the signal applicable to the ultrasonic vibration which has a frequency of 50 MHz or more is extracted by a filter process among the detection signals of the surface displacement from the receiving unit, and the calculation processing unit Performs arithmetic processing.
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。 As effects of the present invention, the following effects can be obtained.
請求項１においては、レーザーを用いて超音波を発生させるので、可視化対象に対するレーザーの入射角度に制約がなく、通常、溶接部の表面は凹凸しているが、この凹凸形状に左右されることなく該溶接部の断面を可視化することができる。
また、溶接部と該溶接部表面変位の探触子とが非接触であり、溶接部と探触子との間に接触媒質を必要とせず、可視化対象の大きさや形状の制約がない。
さらに、可視化対象である溶接部を切断したり研磨したりする必要が無く、準備に手間を要しない。
In claim 1, since the ultrasonic wave is generated using a laser, there is no restriction on the incident angle of the laser with respect to the object to be visualized, and the surface of the weld is usually uneven, but it depends on this uneven shape. The cross section of the welded portion can be visualized.
Further, the welded portion and the probe for surface displacement of the welded portion are not in contact with each other, and no contact medium is required between the welded portion and the probe, and there is no restriction on the size or shape of the visualization target.
Furthermore, there is no need to cut or polish the welded portion to be visualized, and no effort is required for preparation.
請求項２においては、検出信号を加算演算することで、計測部位による検出信号強度の差異がより明確となり、溶接部の組成境界部や空洞の位置を、より明確に可視化することができる。 According to the second aspect, by adding and calculating the detection signals, the difference in the detection signal intensity depending on the measurement site becomes clearer, and the composition boundary part of the weld and the position of the cavity can be visualized more clearly.
請求項３においては、可視化対象である溶接部の組成界面形状は微細なものであるので、これに相応する波長の溶接部表面変位のみを画像化することで、溶接部を可視化するために適した条件を与えることができる。 In claim 3, since the composition interface shape of the welded portion to be visualized is fine, it is suitable for visualizing the welded portion by imaging only the surface displacement of the welded portion having a wavelength corresponding thereto. Conditions can be given.
請求項４においては、レーザーを用いて超音波を発生させるので、可視化対象に対するレーザーの入射角度に制約がなく、通常、可視化対象である溶接部の表面は凹凸しているが、この凹凸形状に左右されることなく該溶接部の断面を可視化することができる。
また、溶接部と該溶接部表面変位の探触子とが非接触であり、溶接部と探触子との間に接触媒質を必要とせず、可視化対象の大きさや形状の制約がない。
さらに、可視化対象である溶接部を切断したり研磨したりする必要が無く、準備に手間を要しない。
In claim 4, since the ultrasonic wave is generated using the laser, the incident angle of the laser with respect to the object to be visualized is not limited, and the surface of the welded portion to be visualized is usually uneven, but this uneven shape The cross section of the welded portion can be visualized without being influenced.
Further, the welded portion and the probe for surface displacement of the welded portion are not in contact with each other, and no contact medium is required between the welded portion and the probe, and there is no restriction on the size or shape of the visualization target.
Furthermore, there is no need to cut or polish the welded portion to be visualized, and no effort is required for preparation.
請求項５においては、検出信号を加算演算することで、計測部位による検出信号強度の差異がより明確となり、溶接部の組成境界部や空洞の位置を、より明確に可視化することができる。 According to the fifth aspect, by adding and calculating the detection signals, the difference in the detection signal intensity depending on the measurement site becomes clearer, and the composition boundary part and the cavity position of the welded part can be visualized more clearly.
請求項６においては、可視化対象である溶接部の組成界面形状は微細なものであるので、これに相応する波長の溶接部表面変位のみを画像化することで、溶接部を可視化するために適した条件を与えることができる。 In claim 6, since the composition interface shape of the welded portion to be visualized is fine, it is suitable for visualizing the welded portion by imaging only the surface displacement of the welded portion having a wavelength corresponding to this. Conditions can be given.
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係る溶接状態可視化装置の構成を示す図、図２はレーザー式超音波発振受信装置の構成を示すブロック図、図３は発振部による超音波発生及び受信部による受信の仕組みを説明する図、図４は溶接部可視化の流れ図である。
図５は可視化された溶接部の断面の一例を示す図、図６は可視化された溶接部の断面の一例を示す図である。
Next, embodiments of the invention will be described.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a welding state visualization device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a laser-type ultrasonic oscillation reception device, and FIG. 3 is a diagram illustrating an ultrasonic generation by an oscillation unit and a reception unit. FIG. 4 is a flowchart for explaining a receiving mechanism, and FIG. 4 is a flowchart for visualizing a welded portion.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a cross section of the welded portion visualized, and FIG. 6 is a diagram showing an example of a cross section of the welded portion visualized.
図１に示すように、本発明に係る溶接状態可視化方法及び溶接状態可視化装置１８は、金属材料から成る被溶接材１０の溶接部８において、前記被溶接材１０を接合する接合材１１の溶融状態や、被溶接材１０と接合材１１との溶融状態を評価するために、例えば、図５や図６に示すように、該溶接部８の断面を可視化するためのものである。 As shown in FIG. 1, the welding state visualization method and the welding state visualization device 18 according to the present invention melt the joining material 11 that joins the welding material 10 in the welded portion 8 of the welding material 10 made of a metal material. In order to evaluate the state and the molten state of the material to be welded 10 and the bonding material 11, for example, as shown in FIGS. 5 and 6, the cross section of the welded portion 8 is visualized.
溶接部８の断面を可視化することによって、接合材１１ののど厚、接合材１１の被溶接材１０に対するとけ込み深さ、及び、接合材１１の脚長の良・不良など、溶接部８の外観を目視するだけでは検査することのできない溶接不良を検出することができる。
さらに、接合材１１の内部に生じた空洞（ブローホール）、接合材１１のビード割れ、及び、被溶接材１０の母材割れの有無など、溶接部８の外観を目視するだけでは検査することのできない溶接不良を検出することができる。
By visualizing the cross section of the welded portion 8, the appearance of the welded portion 8, such as the throat thickness of the bonding material 11, the penetration depth of the bonding material 11 with respect to the welded material 10, and the leg length of the bonding material 11. It is possible to detect welding defects that cannot be inspected only by visual inspection.
Furthermore, the inspection should be performed only by visually observing the appearance of the welded portion 8 such as the presence or absence of cavities (blow holes) generated in the bonding material 11, bead cracks in the bonding material 11, and cracks in the base material of the material to be welded 10. It is possible to detect welding defects that cannot be performed.
ここで、本発明に係る溶接状態可視化装置１８の構成について説明する。この溶接状態可視化装置１８は、後述する溶接部可視化方法を実現するための装置である。
前記溶接状態可視化装置１８は、大概して、レーザー式超音波発振受信装置２０と、画像処理装置１９とで構成される。
Here, the configuration of the welding state visualization device 18 according to the present invention will be described. The welding state visualization device 18 is a device for realizing a welding portion visualization method described later.
The welding state visualization device 18 is generally composed of a laser-type ultrasonic oscillation reception device 20 and an image processing device 19.
前記レーザー式超音波発振受信装置２０は、可視化対象である溶接部８に超音波レーザーを発振して超音波振動を発生させるとともに、溶接部表面８ａの変位を干渉計の原理に基づき検出する手段である。 The laser type ultrasonic oscillation receiving device 20 generates ultrasonic vibrations by oscillating an ultrasonic laser in the welded portion 8 to be visualized, and detects the displacement of the welded portion surface 8a based on the principle of an interferometer. It is.
上述のように、レーザー式超音波発振受信装置２０では、レーザーを用いて超音波を発生させるので、可視化対象に対するレーザーの入射角度に制約がなく、通常、可視化対象である溶接部８の表面は凹凸しているが、この凹凸形状に左右されることなく該溶接部８の断面を可視化することができる。
また、レーザー式超音波発振受信装置２０は、溶接部８と非接触であるので、溶接部表面８ａの変位を検出する探触子（本実施例では受信部２４）と溶接部８との間に接触媒質を必要とせず、可視化対象の大きさや形状の制約がない。
さらに、溶接部８を切断したり研磨したりする必要が無く、準備に手間を要しない。
As described above, in the laser-type ultrasonic oscillation receiving device 20, since the ultrasonic wave is generated using the laser, there is no restriction on the incident angle of the laser with respect to the visualization target, and the surface of the welded portion 8 that is the visualization target is usually the surface. Although it is uneven, the cross section of the welded portion 8 can be visualized without being affected by the uneven shape.
Further, since the laser-type ultrasonic oscillation receiving device 20 is not in contact with the welded portion 8, there is no contact between the probe (in this embodiment, the receiving portion 24) that detects the displacement of the welded portion surface 8 a and the welded portion 8. No contact medium is required, and there are no restrictions on the size or shape of the object to be visualized.
Furthermore, there is no need to cut or polish the welded portion 8, and no effort is required for preparation.
また、前記画像処理装置１９は、前記レーザー式超音波発振受信装置２０にて検出された溶接部表面８ａの変位に関する情報を受けて、演算処理を行い、この処理結果を表示出力させることにより溶接部８の断面を可視化する手段である。
可視化された溶接部８の断面を観察することによって、前述の通り、該溶接部８の被溶接材１０や接合材１１の溶融状態の良否を評価することができる。
The image processing device 19 receives information on the displacement of the welded portion surface 8a detected by the laser type ultrasonic oscillation receiving device 20, performs calculation processing, and displays and outputs the processing result. It is a means for visualizing the cross section of the part 8.
By observing the visualized cross section of the welded portion 8, as described above, it is possible to evaluate the quality of the molten state of the welded material 10 and the bonding material 11 of the welded portion 8.
次に、上記レーザー式超音波発振受信装置２０について説明する。
レーザー式超音波発振受信装置２０は、一般的に用いられているレーザー式超音波発振受信装置を利用することができる。以下に、一般的なレーザー式超音波発振受信装置の概略構成の一例を、図２に示すブロック図を用いて説明する。
Next, the laser type ultrasonic oscillation receiving device 20 will be described.
As the laser-type ultrasonic oscillation receiving apparatus 20, a commonly used laser-type ultrasonic oscillation receiving apparatus can be used. Hereinafter, an example of a schematic configuration of a general laser-type ultrasonic wave receiving apparatus will be described with reference to a block diagram shown in FIG.
図２に示す励起用レーザー発振器５０は、可視化対象となる溶接部８の表面において超音波を励起させるための励起用レーザー光５１を発振する手段で、比較的大きい出力のパルスレーザー光を発振できるものである。該励起用レーザー発振器５０から発振された励起用レーザー光５１は、ビームスピリッタ５２や、ミラー５３・５３を介して可視化対象である溶接部８の表面に照射される。
なお、励起用レーザー発振器５０からの励起用レーザー光５１の一部はビームスピリッタ５２によって光検出器５６に導かれて検出され、オシロスコープ５７のトリガー信号として用いられる。
The excitation laser oscillator 50 shown in FIG. 2 is means for oscillating excitation laser light 51 for exciting ultrasonic waves on the surface of the welded portion 8 to be visualized, and can oscillate pulse laser light having a relatively large output. Is. The excitation laser beam 51 oscillated from the excitation laser oscillator 50 is irradiated onto the surface of the welded portion 8 to be visualized via a beam spiriter 52 and mirrors 53 and 53.
A part of the excitation laser beam 51 from the excitation laser oscillator 50 is guided to the photodetector 56 by the beam spiriter 52 and detected, and used as a trigger signal for the oscilloscope 57.
溶接部表面８ａに励起用レーザー光５１が照射されると、該溶接部表面８ａの照射部位が瞬間的に蒸発し、その時の熱的応力又は蒸発反力によって、広帯域の超音波が発生する。発生した超音波は、溶接部８の内部に伝播して該溶接部８の裏面や組成界面、内部空洞界面などで反射されたあと、再び超音波エコーとして溶接部表面８ａに戻る。 When the excitation laser beam 51 is irradiated to the welded part surface 8a, the irradiated part of the welded part surface 8a is instantly evaporated, and a broadband ultrasonic wave is generated by the thermal stress or the evaporation reaction force at that time. The generated ultrasonic wave propagates inside the welded portion 8 and is reflected by the back surface, composition interface, internal cavity interface, etc. of the welded portion 8, and then returns to the welded portion surface 8a again as an ultrasonic echo.
一方、溶接部表面８ａに戻ってきた超音波エコーを検出するためのプローブ用レーザー光６１を発振する手段として、前記励起用レーザー発振器５０とは別にプローブ用レーザー発振器６０が設けられる。
前記プローブ用レーザー光６１は、周波数が安定した連続波レーザーである。プローブ用レーザー発振器６０から放射されたプローブ用レーザー光６１は、ミラー６２、偏光ビームスプリッタ６３、１／４波長板６４を介して、溶接部表面８ａのうち、励起用レーザー光５１が照射されている照射領域又はその近傍に照射される。
On the other hand, a probe laser oscillator 60 is provided separately from the excitation laser oscillator 50 as means for oscillating the probe laser light 61 for detecting the ultrasonic echo returned to the weld surface 8a.
The probe laser beam 61 is a continuous wave laser having a stable frequency. The probe laser light 61 emitted from the probe laser oscillator 60 is irradiated with the excitation laser light 51 in the weld surface 8a through the mirror 62, the polarization beam splitter 63, and the quarter wavelength plate 64. Irradiated to or near the irradiated area.
このプローブ用レーザー光６１の反射光６１ａは、１／４波長板６４、偏光ビームスプリッタ６３、レンズ６５を経て、干渉計６６に入射する。干渉計６６を透過した光は、フォトダイオードなどから成る光検出器６７によって電気信号に変換される。この信号は、増幅器６８により増幅され、低周波雑音を除去するためのフィルタ６９を通じて、オシロスコープ１７に伝達される。 The reflected light 61 a of the probe laser beam 61 is incident on the interferometer 66 through the quarter-wave plate 64, the polarizing beam splitter 63, and the lens 65. The light that has passed through the interferometer 66 is converted into an electrical signal by a photodetector 67 that is a photodiode or the like. This signal is amplified by the amplifier 68 and transmitted to the oscilloscope 17 through a filter 69 for removing low frequency noise.
溶接部８内を伝播する超音波エコーによって、溶接部表面８ａが超音波振動すると、該溶接部表面８ａの空間的位置はこの超音波の周期で変位する。従って、プローブ用レーザー光６１は、溶接部表面８ａで反射される際に、ドップラーシフトを受けて、波長が変化する。この溶接部表面８ａからの反射光６１ａの波長の変化が、干渉計６６にて強度の変化に変換され、オシロスコープ５７にて、信号強度の経時変化として出力又は表示出力される。 When the welded part surface 8a is ultrasonically vibrated by the ultrasonic echo propagating in the welded part 8, the spatial position of the welded part surface 8a is displaced at the period of the ultrasonic wave. Accordingly, when the probe laser beam 61 is reflected by the weld surface 8a, the probe laser beam 61 undergoes a Doppler shift and changes its wavelength. The change in the wavelength of the reflected light 61a from the weld surface 8a is converted into an intensity change by the interferometer 66, and is output or displayed as an aging change of the signal intensity by the oscilloscope 57.
なお、図１に示す本実施例に係るレーザー式超音波発振受信装置２０では、励起用レーザー発振部２１と、ドップラーシフト検出部２２及びプローブ用レーザー発振部２３から成る受信部２４とが備えられる。 Note that the laser-type ultrasonic oscillation receiving apparatus 20 according to the present embodiment shown in FIG. 1 includes an excitation laser oscillation unit 21 and a reception unit 24 including a Doppler shift detection unit 22 and a probe laser oscillation unit 23. .
図２に示す、励起用レーザー発振器５０、及びビームスピリッタ５２は、励起用レーザー発振部２１を構成している。
また、図２に示す、偏光ビームスプリッタ６３、１／４波長板６４、レンズ６５、干渉計６６、光検出器６７、増幅器６８、フィルタ６９、光検出器５６、及びオシロスコープ５７は、前記ドップラーシフト検出部２２を構成している。
そして、図２に示す、プローブ用レーザー発振器６０は、前記プローブ用レーザー発振部２３を構成している。
The excitation laser oscillator 50 and the beam spiriter 52 shown in FIG. 2 constitute the excitation laser oscillation unit 21.
Further, the polarization beam splitter 63, the quarter wavelength plate 64, the lens 65, the interferometer 66, the photodetector 67, the amplifier 68, the filter 69, the photodetector 56, and the oscilloscope 57 shown in FIG. The detection part 22 is comprised.
A probe laser oscillator 60 shown in FIG. 2 constitutes the probe laser oscillator 23.
上記レーザー式超音波発振受信装置２０では、図３ａに示すように、励起用レーザー発振部２１から発振された励起用レーザー光５１が、溶接部表面８ａに照射されると、該溶接部表面８ａの照射部位が瞬間的に蒸発し、その時の熱的応力又は蒸発反力によって超音波が発生する。 In the laser-type ultrasonic oscillation receiver 20, as shown in FIG. 3a, when the excitation laser beam 51 oscillated from the excitation laser oscillation unit 21 is irradiated to the weld surface 8a, the weld surface 8a. The irradiated part of the sample instantly evaporates, and ultrasonic waves are generated by the thermal stress or reaction force of evaporation at that time.
この超音波は、表面波及び体積波として溶接部８の内部に伝播され、被溶接材１０と接合材１１との境界面や、被溶接材１０の底面などで反射し、超音波エコーとして溶接部表面８ａに返り、図３ｂに示すように、該溶接部表面８ａを超音波振動させる。 This ultrasonic wave is propagated inside the welded portion 8 as a surface wave and a volume wave, reflected at the boundary surface between the welded material 10 and the bonding material 11, the bottom surface of the welded material 10, etc., and welded as an ultrasonic echo. Returning to the part surface 8a, as shown in FIG. 3b, the welded part surface 8a is ultrasonically vibrated.
そして、受信部２４では、プローブ用レーザー発振部２３から発振されたプローブ用レーザー光６１が前記励起用レーザー光５１の照射部位又はその近傍に照射され、その反射光６１ａがドップラーシフト検出部２２にて受信される。ドップラーシフト検出部２２では、ドップラーシフトによる反射光６１ａの波長の変化が検出され、信号強度の経時変化として画像処理装置１９に出力される。つまり、受信部２４では、溶接部表面８ａの変位が検出され、信号強度の経時変化として出力されることとなる。 In the receiving unit 24, the probe laser light 61 oscillated from the probe laser oscillating unit 23 is applied to the irradiation site of the excitation laser light 51 or the vicinity thereof, and the reflected light 61 a is applied to the Doppler shift detection unit 22. Received. The Doppler shift detection unit 22 detects a change in the wavelength of the reflected light 61a due to the Doppler shift, and outputs the change to the image processing device 19 as a change in signal intensity over time. That is, in the receiving unit 24, the displacement of the welded portion surface 8a is detected and output as a change with time in signal intensity.
続いて、前記画像処理装置１９について説明する。 Next, the image processing device 19 will be described.
画像処理装置１９は、演算処理部２５と、表示出力部２６とで構成される。本実施例においては、前記演算処理部２５として汎用コンピュータを採用し、また、前記表示出力部２６として該汎用コンピュータに接続されたモニタを採用している。
但し、画像処理装置１９の構成は本実施例に限定されるものではなく、演算処理部２５は該演算処理部２５にて行われる各処理を行うことができる手段であれば足り、また、表示出力部２６は、演算処理部２５の演算処理結果を表示出力できる手段であれば足りる。
The image processing device 19 includes an arithmetic processing unit 25 and a display output unit 26. In the present embodiment, a general-purpose computer is employed as the arithmetic processing unit 25, and a monitor connected to the general-purpose computer is employed as the display output unit 26.
However, the configuration of the image processing device 19 is not limited to the present embodiment, and the arithmetic processing unit 25 may be any means capable of performing each processing performed in the arithmetic processing unit 25, and may be displayed. The output unit 26 may be any means that can display and output the calculation processing result of the calculation processing unit 25.
続いて、上記溶接状態可視化装置１８を用いて実施する溶接部可視化方法について、図４に示す流れ図を用いて説明する。 Next, a welding portion visualization method that is performed using the welding state visualization device 18 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
先ず、レーザー式超音波発振受信装置２０の励起用レーザー発振部２１にて、可視化しようとする溶接部８の断面に含まれる溶接部表面８ａに超音波レーザーを照射し該溶接部表面８ａに超音波を発生させる（ステップＳ１）。 First, the excitation laser oscillation part 21 of the laser type ultrasonic oscillation receiver 20 irradiates the weld surface 8a included in the cross section of the weld 8 to be visualized with an ultrasonic laser, and the weld surface 8a is super A sound wave is generated (step S1).
発生した超音波は、溶接部８内を伝播し組成界面において反射する。この超音波エコーに起因して発生する前記溶接部におけるレーザー照射部位の表面変位を、レーザー式超音波発振受信装置２０の受信部２４にて検出し、信号強度の計時変化として該表面変位の検出信号を出力する（ステップＳ２）。 The generated ultrasonic wave propagates through the weld 8 and is reflected at the composition interface. The surface displacement of the laser irradiation site in the welded portion caused by the ultrasonic echo is detected by the receiving unit 24 of the laser ultrasonic wave receiving device 20, and the surface displacement is detected as a time change of the signal intensity. A signal is output (step S2).
上記ステップ１と、ステップ２から成る、溶接部表面８ａの測定は、可視化しようとする溶接部８の断面に含まれる溶接部表面８ａにわたって、測定位置（超音波レーザーの照射位置）を、一定のピッチで移動させて行う。これにより、可視化しようとする溶接部８の断面に含まれる溶接部表面８ａにわたって、組成の境界面の位置を検出することができる。
また、上記ステップ１と、ステップ２から成る、溶接部表面８ａの変位の測定は、溶接部表面８ａの同一箇所に対して、複数回（例えば、３０回）の計測を行う。
The measurement of the weld surface 8a, which comprises the above step 1 and step 2, is carried out over the weld surface 8a included in the cross section of the weld 8 to be visualized with a fixed measurement position (irradiation position of ultrasonic laser). Move by pitch. Thereby, the position of the interface of a composition is detectable over the welding part surface 8a included in the cross section of the welding part 8 which is going to be visualized.
Moreover, the measurement of the displacement of the weld surface 8a consisting of the above step 1 and step 2 is performed a plurality of times (for example, 30 times) at the same location on the weld surface 8a.
そして、画像処理装置１９の演算処理部２５では、前記受信部２４からの検出信号に基づき、溶接部８におけるレーザー照射部位の断面を画像化するための演算処理を行う（ステップＳ３）。 Then, the arithmetic processing unit 25 of the image processing device 19 performs arithmetic processing for imaging the cross section of the laser irradiation site in the welded portion 8 based on the detection signal from the receiving unit 24 (step S3).
受信部２４から演算処理部２５へ伝達された検出信号により、溶接部表面８ａの変位が信号強度の経時変化を示す情報として伝達される。
演算処理部２５では、溶接部表面８ａの同一箇所に対して行った複数回の測定の検出信号の信号強度を、加算演算させる処理を行う。
一回の計測結果では、信号強度が微弱であるため、例えば、被溶接材１０と接合材１１の組成境界部や空洞の位置を明確に可視化することは難しいが、複数回計測してその計測結果を加算演算することで、計測部位による信号強度の差異がより明確となり、溶接部８の組成境界部や空洞の位置を、より明確に可視化することができるのである。
Based on the detection signal transmitted from the receiving unit 24 to the arithmetic processing unit 25, the displacement of the weld surface 8a is transmitted as information indicating a change in signal strength over time.
In the arithmetic processing part 25, the signal intensity | strength of the detection signal of the multiple times measurement performed with respect to the same location on the welded part surface 8a is added and calculated.
Since the signal strength is weak in a single measurement result, for example, it is difficult to clearly visualize the composition boundary and the position of the cavity between the material to be welded 10 and the bonding material 11, but the measurement is performed multiple times. By adding the results, the difference in signal intensity depending on the measurement site becomes clearer, and the composition boundary part and the position of the cavity of the welded part 8 can be visualized more clearly.
上記演算処理部２５では、信号強度の変化の時間間隔に基づいて、溶接部８における組成の境界面の位置を演算により算出する。この演算は、各測定位置において行われる。 In the arithmetic processing unit 25, the position of the boundary surface of the composition in the welded portion 8 is calculated by calculation based on the time interval of change in signal intensity. This calculation is performed at each measurement position.
例えば、溶接部８が均一組成であり且つ内部欠陥が無ければ溶接部８内の音速と溶接部８の厚さによって決まる一定の時間間隔で信号強度が変化することとなる。
しかし、可視化対象である溶接部８では、被溶接材１０と接合材１１とはそれぞれ組成が異なる。また、溶接部８に、接合材１１の内部に空洞や不純物などの欠陥があると、この境界面で組成が変化する。超音波は、これらの組成の境界面で反射する。
このように、溶接部８では、組成の境界面において上記の時間よりも短い時間で信号強度が変化するので、この時間間隔に基づいて、組成の境界面の位置を特定することができる。
For example, if the welded portion 8 has a uniform composition and no internal defects, the signal intensity changes at a constant time interval determined by the speed of sound in the welded portion 8 and the thickness of the welded portion 8.
However, in the welded portion 8 to be visualized, the welded material 10 and the bonding material 11 have different compositions. Further, if the weld 8 has defects such as cavities and impurities inside the bonding material 11, the composition changes at this interface. Ultrasound is reflected at the interface of these compositions.
As described above, in the welded portion 8, the signal intensity changes in the composition boundary surface in a time shorter than the above time, and therefore the position of the composition boundary surface can be specified based on this time interval.
なお、受信部２４で検出される溶接部８におけるレーザー照射部位の表面変位は、表面波及び体積波によるものである。体積波を検出することで、溶接部８の組成の境界面の位置（深さ）を得ることができる。また、表面波を検出することで、溶接部表面８ａの形状を得ることができる。つまり、溶接部８の内面欠陥のみならず、表面欠陥をも検出できることとなる。 In addition, the surface displacement of the laser irradiation site | part in the welding part 8 detected by the receiving part 24 is based on a surface wave and a volume wave. By detecting the volume wave, the position (depth) of the boundary surface of the composition of the welded portion 8 can be obtained. Moreover, the shape of the weld surface 8a can be obtained by detecting the surface wave. That is, not only the inner surface defect of the weld 8 but also the surface defect can be detected.
上述のようにして、順次算出された組成の境界面の位置と、測定位置とが関連づけられて、画像化処理され、この処理画像が前記演算処理部２５の処理結果として表示出力部２６に表示出力される（ステップＳ４）。 As described above, the position of the boundary surface of the composition calculated sequentially and the measurement position are associated with each other and imaged, and this processed image is displayed on the display output unit 26 as the processing result of the arithmetic processing unit 25. Is output (step S4).
但し、溶接状態可視化装置１８の画像処理装置１９では、検出されたレーザー照射部位の表面変位のうち、５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動に該当する信号のみをフィルタ処理により抽出して、演算処理部２５による演算処理が行われる。従って、５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動に該当する溶接部８におけるレーザー照射部位の表面変位に基づく検出信号のみを用いて、組成の境界面の位置が算出され画像化（可視化）される。 However, the image processing device 19 of the welding state visualization device 18 extracts only the signal corresponding to the ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or more from the detected surface displacement of the laser irradiation site, and performs an arithmetic process. Calculation processing by the unit 25 is performed. Therefore, the position of the boundary surface of the composition is calculated and visualized using only the detection signal based on the surface displacement of the laser irradiation site in the weld 8 corresponding to ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or higher.
可視化対象である溶接部８の、接合材１１に発生する空洞、被溶接材１０と接合材１１との界面形状、接合材１１又は被溶接材１０と大気との界面形状などは、小さなものであるので、相応に小さい波長でなければ、検出することができない。
そこで、溶接部８の表面に発生した５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動のみを抽出して、画像化することにより、より溶接部８を可視化するために適した条件を与えることとなる。
The void generated in the bonding material 11 of the welded portion 8 to be visualized, the interface shape between the welding material 10 and the bonding material 11, the interface shape between the bonding material 11 or the welding material 10 and the atmosphere, etc. are small. Therefore, it cannot be detected unless the wavelength is correspondingly small.
Therefore, only ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or more generated on the surface of the welded portion 8 is extracted and imaged, thereby giving a condition more suitable for visualizing the welded portion 8.
表示出力部２６に表示される画像は、例えば、図５、図６に示すような、溶接部８の断面形状を示すものとなる。
表示出力部２６に表示された画像を視認することにより、大気と被溶接材１０又は接合材１１との境界面、又は、被溶接材１０と接合材１１との境界面、被溶接材１０や接合材１１の内部欠陥の、位置や形状を特定し、溶接部８の溶融状態を評価することができる。
The image displayed on the display output unit 26 shows a cross-sectional shape of the welded portion 8 as shown in FIGS. 5 and 6, for example.
By visually recognizing the image displayed on the display output unit 26, the boundary surface between the atmosphere and the welding material 10 or the bonding material 11, or the boundary surface between the welding material 10 and the bonding material 11, the welding material 10 or The position and shape of the internal defect of the bonding material 11 can be specified, and the molten state of the welded portion 8 can be evaluated.
例えば、図５では、溶接部８における被溶接材１０と接合材１１との境界面において、該接合材１１が溶融することにより熱影響を受けた被溶接材１０を観察することができる。この熱影響部の形状によって、接合材１１と被溶接材１０との接合状態を評価することができる。
また、例えば、図６では、溶接部８における被溶接材１０と接合材１１との境界面において、空洞を観察することができる。この空洞は接合材１１が溶融した際に気泡が混入したり接合材１１と被溶接材１０との濡れが悪かったりすることによって発生するものであり、この溶接部８は溶接不良であると判断することができる。
For example, in FIG. 5, the welded material 10 that is affected by heat due to melting of the bonding material 11 can be observed at the boundary surface between the welding material 10 and the bonding material 11 in the welded portion 8. The joining state of the joining material 11 and the material to be welded 10 can be evaluated by the shape of the heat affected zone.
Further, for example, in FIG. 6, a cavity can be observed at the boundary surface between the welded material 10 and the bonding material 11 in the welded portion 8. This cavity is generated when air bubbles are mixed when the bonding material 11 is melted or the wetting between the bonding material 11 and the material to be welded 10 is bad, and it is determined that the weld 8 is poorly welded. can do.
８ 溶接部
１０ 被溶接材
１１ 接合材
１８ 溶接状態可視化装置
１９ 画像処理装置
２０ レーザー式超音波発振受信装置
２１ 励起用レーザー発振部
２２ ドップラーシフト検出部
２３ プローブ用レーザー発振部
２４ 受信部
２５ 演算処理部
２６ 表示出力部
５１ 励起用レーザー光
６１ プローブ用レーザー光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Welding part 10 To-be-welded material 11 Joining material 18 Welding state visualization apparatus 19 Image processing apparatus 20 Laser type ultrasonic oscillation receiver 21 Excitation laser oscillation part 22 Doppler shift detection part 23 Probe laser oscillation part 24 Receiving part 25 Arithmetic processing Unit 26 Display output unit 51 Laser beam for excitation 61 Laser beam for probe
Claims (6)
前記超音波に起因して発生する、前記溶接部におけるレーザー照射部位の表面変位を検出し、信号強度の計時変化として検出信号を出力する受信部と、
前記受信部からの検出信号に基づき、溶接部におけるレーザー照射部位の断面を画像化するための演算処理を行う演算処理部と、
前記演算処理部の処理結果を表示出力する表示出力部とを、備えることを特徴とする、
溶接部可視化装置。 A laser oscillation unit that generates ultrasonic waves by irradiating the surface of the weld with an ultrasonic laser; and
Receiving unit that detects the surface displacement of the laser irradiation site in the welded portion, which occurs due to the ultrasonic wave, and outputs a detection signal as a time change in signal intensity;
Based on the detection signal from the receiving unit, an arithmetic processing unit that performs arithmetic processing for imaging the cross section of the laser irradiation site in the welded part,
A display output unit that displays and outputs the processing result of the arithmetic processing unit,
Welded part visualization device.
前記レーザー発振部による超音波レーザーの照射と、前記受信部による溶接部の表面変位の検出を、前記溶接部の表面の同一箇所に対して複数回繰り返し、
前記演算処理部では前記受信部からの複数回の検出信号を加算演算する処理を行うことを特徴とする、
請求項１に記載の溶接部可視化装置。 The weld visualization device is:
Ultrasonic laser irradiation by the laser oscillator and detection of the surface displacement of the weld by the receiver are repeated a plurality of times for the same location on the surface of the weld,
The arithmetic processing unit performs a process of adding and calculating a plurality of detection signals from the receiving unit,
The welding part visualization apparatus according to claim 1.
前記受信部からの表面変位の検出信号のうち、５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動に該当する信号のみをフィルタ処理により抽出して、演算処理部による演算処理を行うことを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の溶接部可視化装置。 The weld visualization device is:
Of the detection signal of the surface displacement from the receiving unit, only a signal corresponding to ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or more is extracted by filter processing, and arithmetic processing by the arithmetic processing unit is performed.
The welding part visualization apparatus of Claim 1 or Claim 2.
前記レーザー発振部にて、溶接部の表面に超音波レーザーを照射し、該溶接部の表面に超音波を発生させるステップＳ１と、
前記受信部にて、前記超音波に起因して発生する前記溶接部におけるレーザー照射部位の表面変位を検出し、信号強度の計時変化として該表面変位の検出信号を出力するステップＳ２と、
前記演算処理部にて、前記受信部からの表面変位の検出信号に基づいて、溶接部におけるレーザー照射部位の断面を画像化するための演算処理を行うステップＳ３と、
前記表示出力部にて、前記演算処理部での演算処理結果を表示出力するステップＳ４とを、実行することを特徴とする、
溶接部可視化方法。 Using a device including at least a laser oscillation unit, a reception unit, an arithmetic processing unit, and a display output unit,
In the laser oscillating portion, the surface of the welded portion is irradiated with an ultrasonic laser to generate ultrasonic waves on the surface of the welded portion, S1;
Step S2 of detecting a surface displacement of a laser irradiation site in the welded portion generated due to the ultrasonic wave in the receiving unit, and outputting a detection signal of the surface displacement as a time change of signal intensity;
Step S3 for performing calculation processing for imaging the cross section of the laser irradiation site in the welded portion based on the detection signal of the surface displacement from the receiving unit in the calculation processing unit;
The display output unit executes step S4 of displaying and outputting the calculation processing result in the calculation processing unit,
How to visualize welds.
前記ステップＳ３では、
演算処理部にて、前記受信部からの複数回の表面変位の検出信号を加算演算する処理を行うことを特徴とする、
請求項４に記載の溶接部可視化方法。 Step S1 and Step S2 are repeated a plurality of times for the same location on the surface of the welded portion,
In step S3,
In the arithmetic processing unit, a process of adding and calculating a detection signal of a plurality of surface displacements from the receiving unit is performed,
The welding part visualization method according to claim 4.
前記受信部からの表面変位の検出信号のうち、５０ＭＨｚ以上の周波数を有する超音波振動に該当する信号のみをフィルタ処理により抽出して、演算処理部による演算処理を行うことを特徴とする、
請求項４又は請求項５に記載の溶接部可視化方法。 In step S3,
Of the detection signal of the surface displacement from the receiving unit, only a signal corresponding to ultrasonic vibration having a frequency of 50 MHz or more is extracted by filter processing, and arithmetic processing by the arithmetic processing unit is performed.
The welding part visualization method according to claim 4 or 5.
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