JP2017116285A - レーザ超音波検査方法、接合方法、レーザ超音波検査装置、および接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異材溶接を行う際に、欠陥を確実に精度良く検出することのできるレーザ超音波検査方法、接合装置、レーザ超音波検査装置、および接合装置を提供する。【解決手段】第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材との溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起工程と、前記第１部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第１受信信号を得る第１受信工程と、前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第２受信信号を得る第２受信工程と、前記第１受信信号と、前記第２受信信号とから、前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析工程とを具備している。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ超音波検査方法、接合方法、レーザ超音波検査装置、および接合装置に関する。

例えば、大型の金属構造物を、多層溶接により接合して製造する場合、溶接部に発生する欠陥を施工中に検出し、その場で補修することにより、施工後に欠陥を発見した場合に生じる後戻りを未然に防ぐことが可能となる。

金属構造物を溶接により接合する際に、溶接部に発生する欠陥を施工中にモニタリングする方法として、高温の対象を非接触で検査することが可能なレーザ超音波法を適用することが考えられる。この方法では、対象に超音波を励起させるためのレーザ(送信レーザ)と、発生した超音波を計測するレーザ(受信レーザ)および干渉計を用いることで欠陥を検出する（例えば、特許文献１参照）。

特許第５６５１５３３号公報

高温環境下で使用される金属構造物の耐熱性を高めるために、溶接する母材、溶接金属にＮｉ基合金を使用する場合がある。しかし、Ｎｉ基合金は組織中に柱状晶が生成する等、内部組織が不均一になりやすく、また結晶粒が存在すると、レーザの照射により励起された超音波が結晶粒の粒界において散乱され、最終的に得られる信号の強度が低下する。そのため、レーザ超音波法による欠陥の検出あるいは欠陥サイズの評価が困難になるという課題がある。

また、金属構造物を溶接する母材として同一の組成の材料を用いる場合（共材溶接）と、例えば低合金鋼とＮｉ基合金のように異なる材料を用いる場合（異材溶接）が考えられる。異材溶接を行う場合、超音波の伝搬特性がそれぞれの母材で異なる可能性がある。このため、送信レーザによって発生させた超音波を受信レーザで受信する際に、どちらの母材側で受信するかによって計測結果が異なり、欠陥検出性およびサイジング精度が低下する可能性がある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、異材溶接を行う際に、欠陥を確実に精度良く検出することのできるレーザ超音波検査方法、接合方法、レーザ超音波検査装置、および接合装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るレーザ超音波検査方法の一態様は、第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材との溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起工程と、前記第１部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第１受信信号を得る第１受信工程と、前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第２受信信号を得る第２受信工程と、前記第１受信信号と、前記第２受信信号とから、前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析工程とを具備したことを特徴とする。

本発明の実施形態に係る接合方法の一態様は、第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材とを溶接部において溶接する工程と、前記溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起工程と、前記第１部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第１受信信号を得る第１受信工程と、前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第２受信信号を得る第２受信工程と、前記第１受信信号と、前記第２受信信号とから、前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析工程とを具備したことを特徴とする。

本発明の実施形態に係るレーザ超音波検査装置の一態様は、第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材との溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる送信レーザ機構と、前記第１部材及び前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光する受信レーザ機構と、前記受信レーザ機構によって受光された受信レーザ光を干渉計測し前記超音波の受信信号を得る受信干渉計と、前記受信干渉計により得られた、前記第１部材からの第１受信信号と、前記第２部材からの第２受信信号とから前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析機構とを具備したことを特徴とする。

本発明の実施形態に係る接合装置の一態様は、第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材とを溶接部にて溶接する溶接装置と、前記溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる送信レーザ機構と、前記第１部材及び前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光する受信レーザ機構と、前記受信レーザ機構によって受光された受信レーザ光を干渉計測し前記超音波の受信信号を得る受信干渉計と、前記受信干渉計により得られた、前記第１部材からの第１受信信号と、前記第２部材からの第２受信信号とから前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析機構とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、異材溶接を行う際に、欠陥を確実に精度良く検出することのできるレーザ超音波検査方法、接合方法、レーザ超音波検査装置、および接合装置を提供することができる。

第１実施形態に係るレーザ超音波検査装置の概略構成を示す図。 第２実施形態に係るレーザ超音波検査装置の概略構成を示す図。 第３実施形態に係るレーザ超音波検査装置の概略構成を示す図。 実施形態に係る工程を説明するためのフロー図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態に係るレーザ超音波検査装置１００の概略構成を示す図である。本実施形態では、異材溶接を行う場合について、Ｎｉ基合金製部材（母材）１１２と、低合金鋼製部材（母材）１１３とを溶接部１１１において接合する場合について説明する。本実施形態では、溶接部１１１に発生する欠陥を、レーザ超音波法によりモニタリングし、補修が必要な欠陥が検出された場合は、溶接を中断して欠陥の補修を行う。これによって、施工後に欠陥を発見した場合に生じる後戻りを未然に防ぐことができる。

図１に示すように、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３は、略円柱状に形成されている。そして、これらの端部を突き合わせ、溶接部１１１において多層溶接により接合する開先溶接を行う。溶接は、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３と、溶接機（図示せず）とを相対的に回転させながら行う。以下では、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３を回転させながら溶接を行う場合について説明する。このように溶接して得られた部材は、例えば、タービンロータ等として用いることができる。タービンロータの場合、直径が例えば５０ｃｍ〜１００ｃｍ程度であり、例えば数十分で１回転させつつ多層溶接を行う。

図１に示すように、レーザ超音波検査装置１００は、検査対象に送信レーザ光１０２を照射して超音波を励起させるための送信レーザ機構１１５を具備している。送信レーザ機構１１５は、送信レーザ光源１０１と、この送信レーザ光源１０１と光ファイバ１２０を介して接続され、送信レーザ光１０２を検査対象の所定の位置（本実施形態では溶接部１１１（溶接ビード））に照射するための送信用光学機構１０３とを有する。

また、レーザ超音波検査装置１００は、励起された超音波を受信するための受信レーザ光１０５を検査対象の所定の位置に照射し、検査対象から反射及び散乱されて戻る受信レーザ光１０５（戻り光）を受光するための受信レーザ機構１１４を具備している。受信レーザ機構１１４は、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３のいずれにも、受信レーザ光１０５を照射可能とされており、これらのいずれからも超音波を検出できるように構成されている。

さらに、レーザ超音波検査装置１００は、検査対象からの反射及び散乱されて戻る受信レーザ光１０５から超音波を検出する受信干渉計１０８と、検出された超音波信号のデータを収録して解析する信号解析装置１０９と、信号解析装置１０９の解析結果から検査対象内部の欠陥を画像化する画像化装置１１０とを具備している。

送信レーザ光１０２及び受信レーザ光１０５に用いるレーザとしては、検査対象に応じて、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、 ＣＯ_２レーザ、 エキシマレーザ等を使用することができるが、これら以外のものを用いても良い。

また、受信干渉計としては、例えばマイケルソン干渉計、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等を使用することができるが、これら以外のものを用いても良い。

上記構成のレーザ超音波検査装置１００を用いて溶接部１１１の検査を行う場合、まず、検査対象の所定の位置（例えば、溶接部１１１）に送信レーザ光１０２が照射されるように送信レーザ機構１１５を調整し、送信レーザ光１０２を照射して超音波を励起させる。

これとともに、検査対象の所定の位置に、受信レーザ光１０５が照射されるように受信レーザ機構１１４を調整し、受信レーザ光１０５を照射する。本実施形態では、受信レーザ光１０５を、Ｎｉ基合金製部材１１２と、低合金鋼製部材１１３に照射する。

送信レーザ光１０２の照射により超音波が発生し、受信レーザ光１０５、受信干渉計１０８を用いて超音波信号を取得する。送信レーザ光１０２の照射によって発生する超音波として、表面波、縦波、横波、モード変換波などがある。本実施形態では、施工中の欠陥検出に超音波の縦波を利用する場合について説明するが、表面波、横波、モード変換波を用いても良い。

超音波の縦波が伝播する領域に欠陥があった場合、欠陥から反射したエコーを受信レーザ光１０５により受信する。欠陥から反射したエコーが、受信レーザ光１０５の照射点に到達すると、受信レーザ光１０５は、振幅変調や位相変調、反射角度の変化などを受けるので、反射及び散乱して戻る受信レーザ光１０５には、超音波信号が含まれる。この超音波信号を含む受信レーザ光１０５（戻り光）を受光し、受信干渉計１０８によって超音波信号を含む光信号が電気信号に変換される。従来のレーザ超音波法による溶接モニタリングでは、２つの部材の開先溶接を行う場合、片側の部材（母材）のみでエコーを受信していた。しかし、本実施形態では、溶接部１１１を挟んで両側のＮｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３においてエコーを受信レーザ光１０５により受信する。そして、これらの信号を信号解析装置１０９にて収集し、解析して欠陥を検出し、画像化装置１１０によって画像化する。信号解析装置１０９では、例えば、これらの受信信号について重ね合わせ処理を行うことにより、信号雑音比を改善することができる。

溶接部１１１に発生した欠陥の欠陥サイズの評価は、溶接部１１１内部の欠陥から得られた超音波の信号強度を、標準試験体に付与した人工欠陥から得られる超音波の信号強度と比較することにより行うことができる。この場合、Ｎｉ基合金よりも低合金の方が超音波の透過性が高いため、低合金鋼製部材１１３側でエコー受信する方が高い信号強度を得ることができ、欠陥検出において有利になる。

反対に、Ｎｉ基合金製部材１１２側では、超音波の透過性が低くなるが、Ｎｉ基合金中の結晶粒の方位の影響により、特定の受信位置での信号雑音比が向上することがある。このため、低合金鋼製部材１１３側での受信結果における信号強度及び信号雑音比と、Ｎｉ基合金製部材１１２側での受信結果における信号強度及び信号雑音比の情報を組み合わせることにより、従来の片側だけで受信を行っていた場合と比較して、欠陥の検出性、欠陥の検出位置、欠陥サイズの定量性を向上させることが可能になる。

例えば、低合金鋼製部材１１３側の受信信号で欠陥を検出し、その欠陥の位置をＮｉ基合金製部材１１２側の受信結果からも確認する。さらに、欠陥サイズを評価する場合は、低合金鋼製部材１１３側における欠陥からの受信信号強度の情報と、Ｎｉ基合金製部材１１２側における信号雑音比の情報を合わせて判断すること等が可能である。

また、Ｎｉ基合金製部材１１２と低合金鋼製部材１１３に受信レーザ光１０５を照射した際に、表面で反射及び散乱して受光される受信レーザ光１０５やその戻り光の強度が異なる場合は、信号強度を受光される受信レーザ光１０５の強度により補正することを行っても良い。また、それぞれの部材の底面で反射する超音波の信号強度により、欠陥からの信号強度を補正することも可能である。

次に、第２実施形態のレーザ超音波検査装置２００について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、レーザ超音波検査装置２００では、受信レーザ機構１１４が、受信レーザ光源１０４と、この受信レーザ光源１０４と光ファイバ１２２を介して接続された受信用光学機構１０６と、受信用光学機構１０６を移動させる移動機構１０７とから構成されている。受信用光学機構１０６は、受信レーザ光１０５を集光して照射するための光学系及び検査対象から戻る受信レーザ光１０５を受光して集光する光学系等を具備している。また、移動機構１０７は、受信用光学機構１０６の位置を検出するエンコーダ等の位置検出機構を具備しており、図示しない制御装置によって、受信用光学機構１０６を、所望位置に所望速度で移動できるよう構成されている。

そして、受信用光学機構１０６を、Ｎｉ基合金製部材１１２の上方の所定位置と、低合金鋼製部材１１３の上方の所定位置に移動させ、受信レーザ光１０５を照射及び受光することにより、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３の双方からの受信信号を得ることができる。なお、他の部分については、図１に示したレーザ超音波検査装置１００と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

本実施形態では、例えば、移動機構１０７よって、受信用光学機構１０６を一定周期で走査し、溶接部１１１を跨いで、Ｎｉ基合金製部材１１２側及び低合金鋼製部材１１３側において、超音波を検出する。この場合、受信用光学機構１０６を走査する際に複数の照射点からの受信信号を得ることができるため、得られた受信信号について重ね合わせ処理を行うことにより、信号雑音比を改善することもできる。

受信用光学機構１０６を一定周期で走査する場合、例えば１周期を１０秒程度として走査する。一方、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３の回転周期は、例えば数十分／１回転とする。これによって、１回の走査期間中の回転量が僅かになるため、１回の走査によって得られる受信信号は、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３の周方向の同一の位置で得られた信号として取り扱うことができる。

また、受信用光学機構１０６を、Ｎｉ基合金製部材１１２側及び低合金鋼製部材１１３側まで一定周期で走査するのではなく、例えば、通常時は低合金鋼製部材１１３側において超音波を検出し、欠陥が検出された際にのみ受信用光学機構１０６を移動させてＮｉ基合金製部材１１２側で超音波を検出するようにしても良い。

本実施形態のレーザ超音波検査装置２００では、移動機構１０７を用いることによって、１つの受信レーザ光源１０４及び１つの受信用光学機構１０６によって、Ｎｉ基合金製部材１１２及び低合金鋼製部材１１３の双方からの受信信号を得ることができる。

次に、第３実施形態のレーザ超音波検査装置３００について、図３を参照して説明する。

図３に示すように、第３実施形態のレーザ超音波検査装置３００では、受信レーザ光１０５を照射するための受信レーザ機構１１４は、２つの受信レーザ光源１０４ａ，１０４ｂと、これらの受信レーザ光源１０４ａ，１０４ｂに、光ファイバ１２２を介して接続された２つの受信用光学機構１０６ａ，１０６ｂとを具備している。また、干渉計についても、光ファイバ１２１を介して受信用光学機構１０６ａに接続された受信干渉計１０８ａと、光ファイバ１２１を介して受信用光学機構１０６ｂに接続された受信干渉計１０８ｂの２つを具備している。なお、受信レーザ光１０５の光源としては、１つの受信レーザ光源からのレーザ光を分岐させて２つの受信用光学機構１０６ａ，１０６ｂに入射させても良い。

受信レーザ光源１０４ａ、受信用光学機構１０６ａ、受信干渉計１０８ａは、低合金鋼製部材１１３に受信レーザ光１０５を照射して低合金鋼製部材１１３側におけるエコーの受信信号を得る。一方、受信レーザ光源１０４ｂ、受信用光学機構１０６ｂ、受信干渉計１０８ｂは、Ｎｉ基合金製部材１１２に受信レーザ光１０５を照射してＮｉ基合金製部材１１２側におけるエコーの受信信号を得る。

なお、送信レーザ光１０２は、第１実施形態と同様に溶接部１１１に照射する。受信干渉計１０８ａ，１０８ｂからの信号は、信号解析装置１０９にて収集され解析された後、画像化装置１１０に入力され、探傷画像として示される。なお、他の部分については、前述した第１実施形態と同様であるので、対応する部分に同一の符号を付して重複した説明は省略する。

本第３実施形態においても、第１実施形態において説明したように、例えば、低合金鋼製部材１１３の受信信号で欠陥を検出し、その欠陥の位置をＮｉ基合金製部材１１２側の受信結果からも確認する等の処理を行う。

また、欠陥サイズを定量化する場合は、低合金鋼製部材１１３側の欠陥からの受信信号強度の情報と、Ｎｉ基合金製部材１１２側で得た信号雑音比の情報を合わせて判断することができる。

次に、図４を参照して、通常のモニタリングは片側の部材から受信信号を取得することにより行い、この片側の部材におけるモニタリングによって欠陥が検出された際に、もう一方の部材にて受信信号取得する場合の工程について説明する。

図４に示す通常モニタリング（３０１）は、異材溶接を行う２種類の部材のうち超音波の透過性が高い部材、例えば、図１等に示した場合では、低合金鋼製部材１１３側で行う。そして、モニタリング中に得られる信号強度が、予め規定した閾値を超えた場合、欠陥検出（３０２）とみなし、一時溶接を停止する（３０３）。

次に、受信レーザ機構１１４において、Ｎｉ基合金製部材１１２側で超音波を受信するために機械的な変更が必要な場合、例えば、第２実施形態のレーザ超音波検査装置２００のような場合は、Ｎｉ基合金製部材１１２側で超音波を受信できる状態に変更する。この時、第２実施形態で示したような移動機構１０７を用いて受信用光学機構１０６を移動させても良いし、手動で受信用光学機構１０６を設置し直しても良い。そして、低合金鋼製部材１１３側での受信で欠陥が検出された領域について、検証のためにＮｉ基合金製部材１１２側で検証計測を行う（３０４）。

次に、欠陥の位置およびサイズを評価する欠陥評価を行う（３０５）。この場合、前述したように、低合金鋼製部材１１３側で得られた欠陥からの受信信号強度、信号雑音比の情報と、Ｎｉ基合金製部材１１２側で得られた受信信号強度、信号雑音比の情報を合わせて判断することが可能である。

上記の欠陥評価の結果から欠陥の補修が必要か否かを判断し（３０６）、補修が必要な場合は、補修を実施して（３０７）、その後溶接を再開する（３０８）。一方、欠陥の補修が必要無い場合は、溶接を再開する（３０８）。

なお、以上の実施形態では、低合金鋼とＮｉ基合金の異材溶接の場合について説明したが、組成の異なる２種の低合金鋼、または組成の異なる２種のＮｉ基合金の溶接の場合にも、同様にして適用可能である。また、溶接施工中の溶接部の欠陥検査を例として説明したが、溶接後の構造物を検査対象としても良い。

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。

１００，２００，３００……レーザ超音波検査装置、１０１……送信レーザ光源、１０２……送信レーザ光、１０３……送信用光学機構、１０４……受信レーザ光源、１０５……受信レーザ光、１０６……受信用光学機構、１０７……移動機構、１０８……受信干渉計、１０９……信号解析装置、１１０……画像化装置、１１１……溶接部、１１２……Ｎｉ基合金製部材、１１３……低合金鋼製部材、１１４……受信レーザ機構、１１５……送信レーザ機構。

Claims (9)

1. 第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材との溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起工程と、
   前記第１部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第１受信信号を得る第１受信工程と、
   前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第２受信信号を得る第２受信工程と、
   前記第１受信信号と、前記第２受信信号とから、前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析工程と
   を具備したことを特徴とするレーザ超音波検査方法。
2. 前記第２受信工程は、前記第１受信工程の後で行われる
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波検査方法。
3. 前記第１受信工程と前記第２受信工程を同時に行う
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ超音波検査方法。
4. 前記信号解析工程では、前記第１受信信号及び前記第２受信信号の、信号強度及び信号雑音比のデータを比較して、前記溶接部の内部の欠陥のサイズ及び／又は前記溶接部の内部の欠陥の位置を求める
   ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のレーザ超音波検査方法。
5. 第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材とを溶接部において溶接する工程と、
   前記溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる超音波励起工程と、
   前記第１部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第１受信信号を得る第１受信工程と、
   前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光して前記超音波の第２受信信号を得る第２受信工程と、
   前記第１受信信号と、前記第２受信信号とから、前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析工程と
   を具備したことを特徴とする接合方法。
6. 第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材との溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる送信レーザ機構と、
   前記第１部材及び前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光する受信レーザ機構と、
   前記受信レーザ機構によって受光された受信レーザ光を干渉計測し前記超音波の受信信号を得る受信干渉計と、
   前記受信干渉計により得られた、前記第１部材からの第１受信信号と、前記第２部材からの第２受信信号とから前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析機構と
   を具備したことを特徴とするレーザ超音波検査装置。
7. 前記受信レーザ機構は、前記第１部材に照射した前記受信レーザ光を受光する第１の位置と、前記第２部材に照射した前記受信レーザ光を受光する第２の位置の間で移動可能に構成されることを特徴とする請求項６記載のレーザ超音波検査装置。
8. 前記受信レーザ機構は、前記第１部材に照射した前記受信レーザ光を受光するための第１受信用光学機構と、前記第２部材に照射した前記受信レーザ光を受光するための第２受信用光学機構を備えることを特徴とする請求項６記載のレーザ超音波検査装置。
9. 第１部材と、前記第１部材とは異種の材料からなる第２部材とを溶接部にて溶接する溶接装置と、
   前記溶接部に送信レーザ光を照射して超音波を励起させる送信レーザ機構と、
   前記第１部材及び前記第２部材に照射した受信レーザ光を受光する受信レーザ機構と、
   前記受信レーザ機構によって受光された受信レーザ光を干渉計測し前記超音波の受信信号を得る受信干渉計と、
   前記受信干渉計により得られた、前記第１部材からの第１受信信号と、前記第２部材からの第２受信信号とから前記溶接部の内部の欠陥を検出する信号解析機構と
   を具備したことを特徴とする接合装置。

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