JPH09105614A - 表面形状評価装置および表面形状評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種製品の溶接ビード部分を切断することな
く直接測定し、溶接ビード形状の良否を精度よく判別す
る。 【解決手段】 Ｘ軸方向に移動可能な光源１２ａと、Ｙ
軸方向に移動可能な光源１２ｂと、Ｘ軸方向に配置され
たラインセンサ１３ａと、Ｙ軸方向に配置されたライン
センサ１３ｂとを備え、Ｚ軸方向に移動可能とされる検
出器４により、溶接ビード表面の三次元方向の形状を検
出する。検出器４内部の各ラインセンサの出力は信号線
Ｌおよび測定演算制御装置を介して解析装置８に送ら
れ、解析装置８は溶接ビード表面の三次元方向の形状を
測定するとともに、ビード止端部における応力集中係数
や切欠係数を求めて溶接ビードの寿命評価等を行い、解
析結果をプリンタ９に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、すみ肉溶接ビード
や突き合わせ溶接ビード等の各種溶接ビードの表面形状
を測定し、溶接ビードの良否を判断する表面形状評価装
置および表面形状評価方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】建設機械構造物の分野では、近年の工事
規模の拡大、運搬車両の大型化などに伴って油圧ショベ
ルを初めとする各種建設機械が大型化および大容量化す
る傾向にある。それに伴って、操作性や機能性の向上
や、このところクローズアップされている環境に関する
諸問題とともに、軽量化および信頼性の向上に対する要
求がますます高まりつつある。

【０００３】油圧ショベルは、前部フロントアタッチメ
ント（以下、フロント部と略する）、上部旋回体、およ
び下部走行体（足回り）によって構成されており、フロ
ント部は、バケット、アーム、ブーム、各種リンクおよ
び各油圧シリンダから成り、それぞれピン結合されてい
る。バケット、アームおよびブームは薄板溶接構造とさ
れ、アームおよびブームはほぼ完全なボックス構造とさ
れている。ブームのボックス構造は、機種によって異な
るものの、三つのボックスを裏当金付きの突き合わせ溶
接とした溶接継手で固定し、かつ補強のために隔壁をす
み肉溶接している。また、操作性および軽量化のために
先端に行くほど板厚を薄くする施工方法を取っている。

【０００４】溶接構造物の設計に際して、施工方法と板
厚を考慮に入れて疲労強度を評価するには、施工方法別
および板厚別のＳ−Ｎ線図が必要となる。しかし、それ
ぞれの条件でのＳ−Ｎ線図を求めるためには、かなりの
労力と時間を要する。したがって、疲労試験を行わなく
ても既存の実験結果から疲労強度の評価を行えることが
望ましい。

【０００５】溶接継手の疲労強度は溶接ビードの幾何学
形状に支配され、溶接ビードの幾何学形状を表すフラン
ク角、ビード高さ、脚長および溶接止端半径等の各パラ
メータを求めることが重要であり、これら各パラメータ
を求めることで、応力集中係数および切欠係数を有限要
素法計算や実験式により演算できる。また、応力集中係
数に公称応力を乗じた結果と材料のＳ−Ｎ線図を利用す
れば、溶接部の寿命を予測演算できる。すなわち、溶接
ビード形状の測定結果を用いて応力集中係数および切欠
係数を算出することで、溶接部の疲労強度の予測評価を
行える。

【０００６】従来は溶接ビードの形状を測定する際、レ
プリカキットで溶接ビードの複製を取るか、溶接部を溶
接線（溶接箇所の長手方向）に対して直角に切断し、そ
の切断面を万能投影機で約１０倍に拡大トレースし、こ
のトレースから定規と分度器を用いて、フランク角、ビ
ード高さ、脚長および溶接止端半径を測定していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
溶接ビード測定方法は、溶接部の複製を取るための前準
備や後処理にかなりの労力と時間を要するという問題が
あった。また、処理の仕方によっては複製物に歪みが生
じて実際とは異なる形状になったり、拡大した切断面の
測定は一般に定規を使って行うことから個人差が出るお
それ等が大きく、精度を上げることができない。さら
に、溶接部を切り出して測定する方法は、製品から切り
出せる場合は希であることから、予め製品と同一条件で
試験片に溶接を行って、その試験片を切断して評価する
ことが多く、結果が得られるまでに労力と時間がかか
り、その評価も、製品を直接評価できるわけではなく、
試験片を用いた仮の評価しかできなかった。

【０００８】本発明の目的は、各種製品の溶接ビード部
分を切断せずに直接測定でき、かつ溶接ビード形状の良
否を精度よく判別できる表面形状評価装置および評価方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

−溶接ビードの寿命評価試験の原理− 以下では、図１４のすみ肉溶接継手の寿命評価試験を行
う例について説明する。図１４の主板５１と副板５２は
すみ肉溶接により固定されている。図１４では、すみ肉
溶接ビード５３のフランク角をθ、ビード高さをｈ、す
み肉溶接ビードのビード止端半径（ビード端部の曲率半
径）をＲ、主板の板厚をｔ、ビート幅をＢとしている。

【００１０】今、主板５１に公称応力範囲Δσの応力が
かかると、ビード止端部５４に応力集中が起こり、ビー
ド止端部に最大の局部応力σlocが作用する。このた
め、ビード止端部における応力集中係数と切欠係数を求
めることが溶接部の寿命評価を行うために特に重要であ
り、応力集中係数Ｋｔと切欠係数Ｋｆはそれぞれ
（１），（２）式で表される。

【数１】

【００１１】また、（３）式のように、応力集中係数Ｋ
ｔにビード止端部の公称応力範囲Δσを乗じることによ
り、ビード止端部における局部応力σlocが求まる。

【数２】σloc＝Δσ×Ｋｔ …（３）

【００１２】（３）式で求めた局部応力σlocと図１５
に示す溶接材料のＳ−Ｎ線図とにより、溶接部の寿命評
価を行える。なお、応力集中係数Ｋｔと切欠係数Ｋｆを
算出するためには、溶接ビード形状に関連するフランク
角θ、ビード高さｈ、ビード幅Ｂおよびビード止端半径
Ｒの測定が不可欠である。そこで、本発明は、以下の構
成によりフランク角θやビード高さｈ等を簡易かつ正確
に測定できるようにしている。

【００１３】−本発明の構成− 発明の一実施の形態を示す図１，２，９，１２に対応づ
けて本発明を説明すると、本発明は、溶接ビード表面に
所定のビーム口径の照明光を照射可能な照明光源１２
ａ，１２ｂと、照明光を溶接ビード表面の所定方向に沿
って走査させる第１の走査手段１１ａ，１１ｂと、溶接
ビード表面から所定の角度範囲の方向に反射された照明
光を受光する受光手段１３ａ，１３ｂと、受光手段１３
ａ，１３ｂにより受光された照明光に基づいて溶接ビー
ド表面の二次元形状を評価する表面評価手段８と、を備
えることにより、上記目的は達成される。請求項１に記
載の発明では、照明光を溶接ビード表面の所定方向に沿
って走査させ、溶接ビード表面で反射された照明光のう
ち、所定の角度範囲の方向に反射された照明光を受光手
段１３ａ，１３ｂにより受光する。溶接ビード表面に凹
凸や溶接不良箇所が存在すると、照明光の反射方向が不
規則になるため、表面評価手段８は照明光の反射方向に
より、溶接ビード表面の二次元形状を測定および評価す
る。

【００１４】請求項２に記載の発明は、照明光を溶接ビ
ード表面の所定方向とは異なる方向に走査させる第２の
走査手段６ａを備え、第１および第２の走査手段１１
ａ，１１ｂ，６ａにより照明光を走査させたときに受光
手段１３ａ，１３ｂにより受光される照明光に基づい
て、溶接ビード表面の三次元形状を評価するように表面
評価手段８を構成するものである。請求項２に記載の発
明では、照明光を溶接ビード表面の所定方向とは異なる
方向に走査させて溶接ビード表面の三次元形状を評価す
る。

【００１５】請求項３に記載の発明は、照明光源１２
ａ，１２ｂから溶接ビード表面に向けて所定のビーム口
径の照明光を照射し、照明光を溶接ビード表面の第１の
方向に沿って走査させて溶接ビード表面から所定の角度
範囲の方向に反射された照明光を受光手段１３ａ，１３
ｂにより受光し、照明光を溶接ビード表面の第２の方向
に沿って所定量ずつ走査させて各走査位置で第１の方向
への走査を行い、受光手段１３ａ，１３ｂによる受光結
果に基づいて溶接ビード表面の三次元形状を評価するも
のである。請求項３に記載の発明では、照明光を溶接ビ
ード表面の第２の方向に沿って所定量ずつ走査させ、そ
れぞれの第２の方向における走査位置ごとに、照明光を
溶接ビード表面の第１の方向に沿って走査させて、溶接
ビード表面で反射された照明光を受光手段１３ａ，１３
ｂにより受光し、その受光結果により溶接ビードの三次
元形状を評価する。

【００１６】請求項４に記載の発明は、溶接ビード表面
に所定のビーム口径の照明光を照射可能な照明光源１２
ａ，１２ｂと、照明光を第１の方向に走査させて溶接ビ
ード表面での照明光の照射位置を変更する第１の走査手
段１１ａと、照明光を第２の方向に走査させて溶接ビー
ド表面での照明光の照射位置を変更する第２の走査手段
１１ｂと、少なくとも第１の方向に並べて配置された複
数の光電変換素子から成り、溶接ビード表面で反射され
た照明光の少なくとも一部を受光して電気信号に変換す
る第１の撮像装置１３ａと、少なくとも第２の方向に並
べて配置された複数の光電変換素子から成り、溶接ビー
ド表面で反射された照明光の少なくとも一部を受光して
電気信号に変換する第２の撮像装置１３ｂと、第１およ
び第２の撮像装置１３ａ，１３ｂから出力された電気信
号に基づいて溶接ビード表面の二次元形状を評価する表
面評価手段８と、を備えることにより、上記目的は達成
される。請求項４に記載の発明では、例えば図２に示す
ように、照明光を第１および第２の方向に走査させ、溶
接ビード表面で反射された照明光を、異なる二方向に光
電変換素子が配置されている第１および第２の撮像装置
１３ａ，１３ｂで受光して溶接ビードの二次元形状を評
価する。

【００１７】請求項５に記載の発明は、照明光を第３の
方向に走査させて溶接ビード表面での照明光の照射位置
を変更する第３の走査手段６ａを備え、第１、第２およ
び第３の方向に照明光を走査させたときに第１および第
２の撮像装置１３ａ，１３ｂにより受光される照明光に
基づいて、溶接ビード表面の三次元形状を評価するよう
に表面評価手段８を構成するものである。請求項５に記
載の発明では、溶接ビードの三次元形状を評価できるよ
うに、さらに第３の方向に照明光を走査させる。

【００１８】請求項６に記載の発明は、溶接ビード表面
に所定のビーム口径の照明光を照射可能な照明光源１２
と、照明光を溶接ビード表面の所定方向に沿って走査さ
せる第１の走査手段１１と、曲線状または曲面状に配置
された複数の光電変換素子から成り、溶接ビード表面か
ら所定の角度範囲の方向に反射された照明光を受光して
電気信号に変換する撮像装置１３と、撮像装置１３から
出力された電気信号に基づいて溶接ビード表面の二次元
形状を評価する表面評価手段８と、を備えるものであ
る。請求項６に記載の発明では、例えば図９に示すよう
に、照明光を溶接ビード表面の所定方向に沿って走査さ
せ、溶接ビード表面で反射された照明光を、曲線状また
は曲面状に配置された複数の光電変換素子１３で受光し
て溶接ビードの二次元形状を評価する。

【００１９】請求項７に記載の発明は、溶接ビード表面
に所定のビーム口径の照明光を照射可能な照明光源１２
と、照明光を所定方向に走査させて溶接ビード表面での
照明光の照射位置を変更する第１の走査手段１１と、所
定方向に沿って直線状または平面状に配置された複数の
光電変換素子から成り、溶接ビード表面から所定の角度
範囲の方向に反射された照明光を受光して電気信号に変
換する撮像装置１３と、撮像装置１３から出力された電
気信号に基づいて溶接ビード表面の形状を評価する表面
評価手段８と、を備えるものである。請求項７に記載の
発明では、例えば図１２に示すように、照明光を所定方
向に走査させ、溶接ビード表面で反射された照明光を、
所定方向に沿って直線状または平面状に配置された複数
の光電変換素子で受光して溶接ビードの二次元形状を評
価する。

【００２０】請求項８に記載の発明は、照明光を溶接ビ
ード表面の所定方向とは異なる方向に沿って走査させる
第２の走査手段６ａを備え、第１および第２の走査手段
１１，６ａの走査により照明光を走査させたときに撮像
装置１３により受光される照明光に基づいて、溶接ビー
ド表面の三次元方向の形状を評価するように表面評価手
段８を構成するものである。請求項８に記載の発明で
は、請求項６または７の発明において、溶接ビードの三
次元形状を評価できるように、さらに所定方向とは異な
る方向に沿って照明光を走査させる。請求項９に記載の
発明は、溶接ビードの溶接止端部における応力集中係数
および切欠係数を演算するように表面評価手段８を構成
するものである。請求項９，１１に記載の発明では、溶
接止端部における応力集中係数および切欠係数を演算す
るため、これら演算結果より溶接止端部における局部応
力を演算でき、局部応力を演算することで、溶接ビード
の良否を判断可能となる。請求項１０に記載の発明は、
演算された応力集中係数および切欠係数を表示可能な表
示装置８を備えるものである。請求項１０に記載の発明
では、演算した応力集中係数および切欠係数を表示装置
８に表示し、演算結果をさまざな目的で利用可能とす
る。請求項１１に記載の発明は、演算された応力集中係
数および切欠係数に基づいて溶接ビードの良否を評価す
るように表面評価手段８を構成するものである。請求項
１２に記載の発明は、主に小型化のために照明光源１２
を半導体レーザで構成したものである。

【００２１】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために本発明の一実施の形態の図を用いたが、これによ
り本発明が一実施の形態に限定されるものではない。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜１３を用いて本発明
の第１および第２の実施の形態について説明する。 −第１の実施の形態− 図１は本発明による表面形状評価装置の第１の実施の形
態の概略構成を示す図であり、主板１と副板２との間の
すみ肉部に形成されたすみ肉溶接ビード３の表面形状を
測定および評価する例を示している。図１において、符
号４はすみ肉溶接ビード３の二次元方向（図示のＸＹ方
向）の表面形状を測定する検出器である。

【００２３】図２は検出器４内部の具体的構成を示す図
である。図示のように、光源ガイド部１１ａに沿ってＸ
軸方向に移動可能な光源１２ａと、光源ガイド部１１ｂ
に沿ってＹ軸方向に移動可能な光源１２ｂと、光源ガイ
ド部１２ａ，１２ｂの内側領域内のＸ軸方向に複数の光
電変換素子を配置したラインセンサ１３ａと、ラインセ
ンサ１３ａに一端が接続されＹ軸方向に複数の光電変換
素子を配置したラインセンサ１３ｂとで構成される。こ
のように、ＸＹ二次元方向に光源１２ａ，１２ｂを移動
可能とし、かつ二次元方向にラインセンサ１３ａ，１３
ｂを配置する理由は、測定対象である溶接ビード３の表
面が平面とは限らないことを考慮に入れ、表面形状を精
度よく測定するためである。

【００２４】図１に戻って、検出器４の後端部には、検
出器４を図示のＺ軸方向に移動させる駆動部材５が一体
に取り付けられている。駆動部材５は、検出器４が不用
意に移動するのを防止するため、マグネットスタンド６
のＺ軸方向に延びる係合部材６ａに係合されている。

【００２５】検出器４内部の光源１２ａ，１２ｂおよび
駆動部材５を制御することで、溶接ビード３の三次元方
向の表面形状が測定され、その測定結果は信号線Ｌおよ
び測定演算制御装置７を介して解析装置８に送られる。
解析装置８は、溶接ビード形状に関する各種データ、例
えばフランク角、ビード高さ、脚長および溶接止端半
径、応力集中係数Ｋｔおよび切欠係数Ｋｆ等を算出して
溶接ビード形状の良否を判定し、その判定結果をプリン
タ９により出力する。また、解析装置８にはディスプレ
イが設けられており、解析結果が表示される。

【００２６】図３は検出器４の光源１２ａ，１２ｂから
放射される照明光の光路を説明する図であり、図３では
溶接ビード３のフランク角をθで、溶接ビード表面の法
線方向を点線で示している。図３において、法線方向に
対して角度θ傾いた方向（図示の一点鎖線の方向）から
入射された照明光が、入射方向に対して角度２θ傾いた
方向（図示の一点鎖線の方向）に反射される場合、光源
１２ａのＸ軸方向の移動量Δｘと、反射光のＹ軸方向の
移動量Δｙとの間には（４）式の関係が成り立つ。

【数３】Δｙ／Δｘ＝ｔａｎθ …（４） このため、フランク角θは（５）式で表される。

【数４】θ＝ｔａｎ_-1（Δｙ／Δｘ） …（５）

【００２７】また、溶接ビード表面上の照明光の照射位
置（α，β）は、図３から（６）式のようになる。

【数５】α＝ｘ、 β＝ｙ−ｌ₂ …（６） したがって、ラインセンサ上の反射光の受光位置のＹ軸
座標ｙと、溶接ビード上の照射位置のＹ軸座標βとの偏
差ｌ₂は、（７）式のようになる。

【数６】 ｌ₂＝（Ｌ₁−ｘ）・ｔａｎ（９０−２θ） …（７）

【００２８】また、図３の光源１２ａのＸ軸座標ｘとラ
インセンサ１３ｂ上の反射光の受光位置のＹ軸座標ｙと
は図４に示す関係があり、この図はプリンタ９に出力さ
れる。図４により溶接ビード３の表面形状を検出でき
る。

【００２９】図５は溶接ビード３のフランク角θが４５
度未満の場合の照明光の光路を示す図である。図５
（ａ）では、光源１２ａのＸ軸方向の座標位置をｘ₀、
ラインセンサ１３ａ上の反射光のＸ軸方向の受光位置を
ｘ₁、照明光の開き角を２θとしている。光源１２ａの
位置と溶接ビード表面の照明光の照射位置とのＹ軸方向
の偏差ｌ₃は（８）式のようになる。

【数７】ｌ₃＝（ｘ₁−ｘ₀）／ｔａｎ２θ …（８）

【００３０】また、光源１２ａをＸ軸方向に所定量ａ移
動させたときのラインセンサ１３ａ上の反射光の移動距
離ｂは、図５（ｂ）に示すように（９）式のようにな
る。

【数８】 ｂ＝ａ＋ｌ₁＝ａ＋ａ・ｔａｎθ・ｔａｎ２θ …（９） （９）式より、光源１２ａの位置ａおよびラインセンサ
１３ａの受光位置ｂを検出することで、フランク角θが
求まることがわかる。

【００３１】一方、図６は溶接ビード３のフランク角が
４５度以上の場合の照明光の光路を示す図である。この
場合、光源１２ａからの照明光の開き角はπ−２θで表
され、光源１２ｂからの照明光の開き角は２θで表され
る。また、光源１２ａからの照明光の反射光をラインセ
ンサ１３ｂによって受光するための開き角の上限角度γ
は、図６（ｂ）に示すように、溶接ビード３で反射され
た照明光が溶接ビード表面（図示の矢印方向）に沿って
進む場合に求められ、（１０）式の関係が成り立つ。な
お、座標（ｘ₀，ｙ₀）は照明光の照射位置を示し、Ｌ₀
はビード幅を示す。

【数９】 ｙ₀・ｔａｎ（π−２γ）＝Ｌ₀−ｘ₀ …（１０） （１０）式を変形すると、開き角の上限角度γは（１
１）式により求められる。

【数１０】

【００３２】以上に説明した各式の演算を行うことによ
り、フランク角やビード高さなど、溶接ビード３の寿命
評価を行うために必要となる各種パラメータを求めるこ
とができ、溶接ビードの形状を正確に把握可能となる。

【００３３】図７は第１の実施の形態における溶接ビー
ド３の表面形状の評価試験処理を示すフローチャートで
あり、図７に基づいて第１の実施の形態の動作を説明す
る。図７のステップＳ１では、Ｚ軸座標がゼロの位置に
検出器４を位置合わせする。ステップＳ２では、図２に
示す光源１２ａをＸ軸方向に走査し、溶接ビード３から
の反射光をラインセンサ１３ａ，１３ｂにより受光して
光電変換を行い、その結果を信号線Ｌおよび測定演算制
御装置７を介して解析装置８に送る。ステップＳ３で
は、図２に示す光源１２ｂをＹ軸方向に走査し、ステッ
プＳ２と同様に溶接ビード３からの反射光を電気信号に
変換して解析装置８に送る。

【００３４】ステップＳ４では、ステップＳ２，Ｓ３の
処理結果に基づいて解析装置８により溶接ビード３の表
面形状を測定する。具体的には、（６）式に基づいて溶
接ビード３上の照明光の照射位置を求め、（５）式に基
づいて溶接ビード３のフランク角θを求める。また、上
述した（７）〜（１０）式の演算を行って、溶接ビード
３のビード高さ、脚長および溶接止端半径等を求め、そ
の結果をプリンタ９または解析装置８のディスプレイに
出力する。

【００３５】ステップＳ５では、検出器４をＺ軸方向に
所定量移動させてステップＳ２に戻り、再度Ｘ軸方向お
よびＹ軸方向に光源を走査して溶接ビード３からの反射
光を検出する。Ｚ軸の終端まで検出器４を走査した場合
にはステップＳ６に進み、溶接ビード３の総合評価を行
う。

【００３６】図８はステップＳ６の処理の詳細を説明す
る図であり、図８（ａ）は溶接ビード３が良品と判断さ
れる場合、図８（ｂ）は不良品と判断される場合を示し
ている。図示のように、光源１２ａから照射された照明
光が溶接ビード表面で反射されてラインセンサ１３ａま
たは１３ｂにより受光された場合にはディスプレイに
「ＯＫ」の文字等を表示する。例えば、図８（ａ）の場
合、位置Ａまたは位置Ｂに光源１２ａが位置する場合に
は双方とも「ＯＫ」の文字等が表示される。ところが、
溶接ビード３がオーバーハングや溶け込み不良等の溶接
不良部分を有する場合には、図８（ｂ）のように溶接不
良部分からは照明光が反射されないことから、解析装置
８は不良箇所があると判断してエラー表示を行う。

【００３７】−第２の実施の形態− 第２の実施の形態は、検出器の内部構造が第１の実施の
形態と異なるものであり、検出器を除いた構成は第１の
実施の形態と共通するため、以下では検出器の内部構造
を中心に説明する。図９は第２の実施の形態の検出器４
ａの内部構造を示す図であり、図１と共通する構成部分
には同一符号を付している。図示のように、第２の実施
の形態の検出器４ａは、略４分の１円周の長さの光源ガ
イド部１１に沿って１個の光源１２を移動可能とし、光
源ガイド部１１の内側に、光源ガイド部１１と同心の円
周に沿って複数の光電変換素子から成るラインセンサ１
３を配置している。

【００３８】図１０は図９に示す光源１２から放射され
る照明光の光路を説明する図である。図１０では、光源
１２からの照明光の入射角度をδ、溶接ビード３上の照
明光の照射位置をＰ、照明光の反射角度（開き角）を２
η、ラインセンサ上での反射光の受光位置をＱ、線分Ｐ
Ｑと光源ガイド部との交点をＲ、∠ＰＯＹ＝α、∠ＰＱ
Ｏをβ₁、∠ＰＲ０をβ₂、∠ＰＯＱ＝γとしている。

【００３９】図１０において、入射角δは（１２）式で
表される。

【数１１】 δ＝π−（π／２−α）−θ＝π／２＋α−θ …（１２） 反射角２ηは、（１２）式を用いると（１３）式のよう
になる。

【数１２】 ２η＝π−２δ＝２（θ−α） …（１３） 角度β₁は（１２）式を用いると（１４）式のようにな
る。

【数１３】 β₁＝π−（γ＋２δ）＝２（θ−α）−γ …（１４）

【００４０】また、図１０の三角形ＰＱＯおよび三角形
ＰＲＯに正弦定理を適用すると、（１５），（１６）式
の関係が成り立つ。

【数１４】 ｓｉｎ２σ／Ｌ₁＝ｓｉｎβ₁／γ₀ …（１５） ｓｉｎ２σ／Ｌ₂＝ｓｉｎβ₂／γ₀ …（１６） （１５），（１６）式より、（１７）式の関係が得られ
る。

【数１５】 Ｌ₁ｓｉｎβ₁＝Ｌ₂ｓｉｎβ₂ …（１７）

【００４１】図１０の∠ＱＯＲをΔγとすると、角度β
₁とβ₂との間には、β₂≒β₁−Δγの関係が成り立つた
め、（１７）式は（１８）式のように変形される。

【数１６】 Ｌ₁・ｓｉｎβ₁＝Ｌ₂・ｓｉｎ（β₁−Δγ） …（１８） （１８）式の右辺を変形すると、（１９）式のようにな
る。

【数１７】 Ｌ₁・ｓｉｎβ₁＝Ｌ₂（ｓｉｎβ₁・ｃｏｓΔγ−ＣＯＳβ₁・ｓｉｎΔγ） ＝Ｌ₂（ｓｉｎβ₁−Δγ・ｃｏｓβ₁） …（１９） （１９）式を変形すると（２０）式のようになり、角度
β₁は（２１）式で表される。

【数１８】 ｔａｎβ₁＝Ｌ₂・Δγ／（Ｌ₂−Ｌ₁） …（２０） β₁＝ｔａｎ_-1Δγ・Ｌ₂／（Ｌ₂−Ｌ₁） …（２１） （２１）式のΔγは光源１２の走査量から求めることが
できるため、（２１）式よりβ₁を求めて（１４）式に
代入することで、フランク角θを求めることができる。

【００４２】図１１は第２の実施の形態における溶接ビ
ード３の表面形状の評価試験処理を示すフローチャート
であり、図１１に基づいて第２の実施の形態の動作を説
明する。図１１のステップＳ１１では、Ｚ軸座標がゼロ
の位置に検出器４ａを位置合わせする。ステップＳ１２
では、光源１２を光源ガイド部１１に沿って走査させ
る。すなわち、図１０の角度φが０度から９０度の間で
円周方向（π方向）に光源１２を走査し、各走査位置で
照明光を溶接ビード３に向けて放射する。ステップＳ１
３では、溶接ビード３からの反射光をラインセンサ１３
により受光し、ラインセンサ１３により光電変換した電
気信号を解析装置８に送る。解析装置８では、上記の各
式に基づく演算を行って溶接ビード３の表面形状を解析
し、解析結果をプリンタ９に送って印字する。π方向へ
の走査が終了するとステップＳ１４に進み、Ｚ軸方向に
検出器を所定量移動させ、以後検出器がＺ軸方向の終端
位置に達するまでステップＳ１２〜Ｓ１４の処理を繰り
返す。検出器がＺ軸方向の終端位置に達するとステップ
Ｓ１５に進み、溶接ビード３の総合評価を行って処理を
終了する。

【００４３】なお、検出器４ａの内部構造は上記第１お
よび第２の実施の形態に限定されるものではなく、種々
の変更が可能である。例えば、図１２は主にすみ肉溶接
ビード３の測定評価を目的とする検出器４ｂの内部構造
を示す図である。図１２の検出器４ｂは、主板１と副板
２とに架け渡される直線状の光源ガイド部１１と、光源
ガイド部１１に沿って移動可能な光源１２と、光源ガイ
ド部１１の内側に配置される直線状のラインセンサ１３
とで構成される。

【００４４】図１２の検出器４ｂでは、光源１２を光源
ガイド部１１に沿って移動させながら照明光を溶接ビー
ド３に向けて放射し、溶接ビード３で反射された照明光
をラインセンサ１３により受光する。図１２の検出器４
ｂは図２よりも構造が単純であり、また光源を２方向に
走査制御する必要もないことから、第１の実施の形態よ
りも高速度に溶接ビード３の表面形状を評価できる。

【００４５】一方、図１３は主に突き合わせ溶接ビード
３の測定を目的とした検出器４ｃの内部構造を示す図で
ある。図１３の検出器４ｃは、第１の実施の形態の検出
器４と同様に２方向に延びる光源ガイド部１１ａ，１１
ｂを有し、各光源ガイド部１１ａ，１１ｂに沿ってそれ
ぞれ光源１２ａ，１２ｂが移動可能とされている。ま
た、光源ガイド部１１ａ，１１ｂの内側には、各光源ガ
イド部１１ａ，１１ｂに平行にラインセンサ１３ａ，１
３ｂが配置されている。図１３の検出器４ｃを用いた測
定方法は基本的には第１の実施例と同じであり、光源を
それぞれ光源ガイド部に沿って移動させながら照明光を
溶接ビード３に向けて放射し、その反射光をラインセン
サにより受光する。

【００４６】第１および第２の実施の形態では、すみ肉
溶接ビード３の評価を行う例を説明したが、検出器４ま
たは４ａの向きを変えることで図１３のような突き合わ
せ溶接ビードの評価を行うこともできる。また、第１の
実施の形態では、互いに直交する方向に２種類のライン
センサ１３ａ，１３ｂを配置したが、異なる２方向（互
いに直交させる必要はない）に２種類のラインセンサを
配置し、かつ異なる２方向に光源を走査させれば第１の
実施の形態と同様の効果が得られる。

【００４７】第２の実施の形態では、光源ガイド部の全
長を円周の略４分の１の長さにしているが、４分の１円
周に限定されるものではなく、例えば半周分の長さにし
てもよい。半周分の長さにすれば、図１３のような突き
合わせ溶接ビード３の評価を行いやすくなる。

【００４８】第１および第２の実施の形態では、溶接ビ
ード表面で反射された照明光をラインセンサで受光する
例を説明したが、二次元方向に光電変換素子が配列され
たＣＣＤ等の撮像装置を用いてもよい。また、光源１２
を半導体レーザにすれば、装置全体を小型化できるた
め、都合がよい。また、図１の検出器４の内部構成は図
２，９，１２，１３に限定されるものではなく、溶接ビ
ード表面に沿って照明光を走査可能とし、かつ溶接ビー
ド表面で反射された照明光のうち、所定範囲の角度方向
に反射された照明光を受光可能な撮像装置を設けた検出
器であれば、本発明の効果を得ることができる。上記各
実施の形態では、光源を光源ガイド部に沿って移動させ
る例を説明したが、光源の位置を固定にする代りに、光
源と溶接ビード表面との間に、光源からの照明光の反射
角度を変更可能なミラーを設け、このミラーを回転させ
て照明光の反射角度を変えて照射位置を変更してもよ
い。また、第２の実施の形態では、光源ガイド部を円環
状に形成したが、楕円、凸曲線、凸曲面、凹曲線および
凹曲面状に形成してもよい。

【００４９】このように構成した一実施の形態にあって
は、光源１２ａ，１２ｂが照明光源に、光源ガイド部１
１ａ，１１ｂが第１の走査手段に、ラインセンサ１３
ａ，１３ｂが受光手段に、解析装置８８が表面評価手段
に、ラインセンサ１３ａが第１の撮像装置に、ラインセ
ンサ１３ｂが第２の撮像装置に、それぞれ対応する。

【００５０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、照明光を溶接ビード表面の所定方向に沿って走査
させ、溶接ビード表面から所定の角度範囲の方向に反射
された照明光を受光して溶接ビード表面の二次元形状を
評価するため、溶接ビードを切断することなく、非接触
で溶接ビード表面の形状を測定できる。したがって、従
来のようにダミーの試験片を検査するのではなく、各種
製品の溶接ビード部分を直接検査できるため、検査精度
が向上する。また、溶接ビード表面に凹凸があったり、
溶接不良箇所があると、照明光の反射角度が変化するこ
とに着目し、照明光の反射方向を検出するようにしたた
め、溶接ビードの表面形状を精度よく測定できる。請求
項２に記載の発明によれば、溶接ビード表面の所定方向
とは異なる方向にも照明光を走査可能としたため、溶接
ビード表面の三次元方向の形状を測定および評価でき
る。請求項４，５に記載の発明によれば、異なる二方向
に光電変換素子を並べて配置するため、溶接ビード表面
で反射された照明光の反射方向を正確に検出できる。ま
た、光電変換素子の配置方向に略平行に照明光を走査さ
せるため、溶接ビードの表面形状を精度よく測定でき
る。請求項６に記載の発明によれば、曲線状または曲面
状に光電変換素子を並べて配置するため、溶接ビード表
面で反射された照明光を漏れなく受光できる。請求項７
に記載の発明によれば、所定方向に沿って直線状または
平面状に光電変換素子を並べて配置して溶接ビード表面
からの反射光を受光するため、一般に市販されているラ
インセンサやＣＣＤをそのまま利用でき、コストを削減
できる。請求項９，１１に記載の発明によれば、溶接ビ
ードの溶接止端部における応力集中係数と切欠係数を演
算するため、これら演算結果を用いて溶接ビードの寿命
評価を精度よく行うことができる。請求項１０に記載の
発明によれば、応力集中係数と切欠係数を表示可能な表
示装置を設けるため、溶接ビードの特性を視覚的に把握
できる。請求項１２に記載の発明によれば、照明光源を
半導体レーザで構成するため、装置全体を小型化でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による表面形状評価装置の第１の実施の
形態の概略構成を示す図。

【図２】検出器内部の具体的構成を示す図。

【図３】検出器の光源から放射される照明光の光路を説
明する図。

【図４】光源１２ａのＸ軸座標ｘとラインセンサ１３ｂ
上の反射光の受光位置ｙとの関係を示す図。

【図５】溶接ビードのフランク角θが４５度未満の場合
の照明光の光路を示す図。

【図６】溶接ビードのフランク角θが４５度以上の場合
の照明光の光路を示す図。

【図７】第１の実施の形態における溶接ビードの表面形
状の評価試験処理を示すフローチャート。

【図８】ステップＳ６の処理の詳細を説明する図。

【図９】第２の実施の形態の検出器の内部構造を示す
図。

【図１０】図９に示す光源から放射される照明光の光路
を説明する図。

【図１１】第２の実施の形態における溶接ビードの表面
形状の評価試験処理を示すフローチャート。

【図１２】主にすみ肉溶接ビードの測定評価を目的とす
る検出器の内部構造を示す図。

【図１３】主に突き合せ肉溶接ビードの測定評価を目的
とする検出器の内部構造を示す図。

【図１４】すみ肉溶接継手の寿命評価試験を行う例を説
明する図。

【図１５】溶接材料のＳ−Ｎ線図。

【符号の説明】

１ 主板 ２ 副板 ３ 溶接ビード ４ 検出器 ５ 駆動部材 ６ マグネットスタンド ７ 測定演算制御装置 ８ 解析装置 ９ プリンタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下平 貴之 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 宇田川 次男 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ビード表面に所定のビーム口径の照
   明光を照射可能な照明光源と、 前記照明光を前記溶接ビード表面の所定方向に沿って走
   査させる第１の走査手段と、 前記溶接ビード表面から所定の角度範囲の方向に反射さ
   れた前記照明光を受光する受光手段と、 前記受光手段により受光された照明光に基づいて前記溶
   接ビード表面の二次元形状を評価する表面評価手段と、
   を備えたことを特徴とする表面形状評価装置。
2. 【請求項２】 前記照明光を前記溶接ビード表面の前記
   所定方向とは異なる方向に走査させる第２の走査手段を
   備え、 前記表面評価手段は、前記第１および第２の走査手段に
   より前記照明光を走査させたときに前記受光手段により
   受光される照明光に基づいて、前記溶接ビード表面の三
   次元形状を評価することを特徴とする請求項１に記載さ
   れた表面形状評価装置。
3. 【請求項３】 照明光源から溶接ビード表面に向けて所
   定のビーム口径の照明光を照射し、前記照明光を前記溶
   接ビード表面の第１の方向に沿って走査させて前記溶接
   ビード表面から所定の角度範囲の方向に反射された前記
   照明光を受光手段により受光し、前記照明光を前記溶接
   ビード表面の第２の方向に沿って所定量ずつ走査させて
   各走査位置で前記第１の方向への走査を行い、前記受光
   手段による受光結果に基づいて前記溶接ビード表面の三
   次元形状を評価することを特徴とする表面形状評価方
   法。
4. 【請求項４】 溶接ビード表面に所定のビーム口径の照
   明光を照射可能な照明光源と、 前記照明光を第１の方向に走査させて前記溶接ビード表
   面での前記照明光の照射位置を変更する第１の走査手段
   と、 前記照明光を第２の方向に走査させて前記溶接ビード表
   面での前記照明光の照射位置を変更する第２の走査手段
   と、 少なくとも前記第１の方向に並べて配置された複数の光
   電変換素子から成り、前記溶接ビード表面で反射された
   前記照明光の少なくとも一部を受光して電気信号に変換
   する第１の撮像装置と、 少なくとも前記第２の方向に並べて配置された複数の光
   電変換素子から成り、前記溶接ビード表面で反射された
   前記照明光の少なくとも一部を受光して電気信号に変換
   する第２の撮像装置と、 前記第１および第２の撮像装置から出力された電気信号
   に基づいて前記溶接ビード表面の二次元形状を評価する
   表面評価手段と、を備えたことを特徴とする表面形状評
   価装置。
5. 【請求項５】 前記照明光を第３の方向に走査させて前
   記溶接ビード表面での前記照明光の照射位置を変更する
   第３の走査手段を備え、 前記表面評価手段は、前記第１、第２および第３の方向
   に前記照明光を走査させたときに前記第１および第２の
   撮像装置により受光される照明光に基づいて、前記溶接
   ビード表面の三次元形状を評価することを特徴とする請
   求項４に記載された表面形状評価装置。
6. 【請求項６】 溶接ビード表面に所定のビーム口径の照
   明光を照射可能な照明光源と、 前記照明光を前記溶接ビード表面の所定方向に沿って走
   査させる第１の走査手段と、 曲線状または曲面状に配置された複数の光電変換素子か
   ら成り、前記溶接ビード表面から所定の角度範囲の方向
   に反射された前記照明光を受光して電気信号に変換する
   撮像装置と、 前記撮像装置から出力された前記電気信号に基づいて前
   記溶接ビード表面の二次元形状を評価する表面評価手段
   と、を備えたことを特徴とする表面形状評価装置。
7. 【請求項７】 溶接ビード表面に所定のビーム口径の照
   明光を照射可能な照明光源と、 前記照明光を所定方向に走査させて前記溶接ビード表面
   での前記照明光の照射位置を変更する第１の走査手段
   と、 前記所定方向に沿って直線状または平面状に配置された
   複数の光電変換素子から成り、前記溶接ビード表面から
   所定の角度範囲の方向に反射された前記照明光を受光し
   て電気信号に変換する撮像装置と、 前記撮像装置から出力された前記電気信号に基づいて前
   記溶接ビード表面の形状を評価する表面評価手段と、を
   備えたことを特徴とする表面形状評価装置。
8. 【請求項８】 前記照明光を前記溶接ビード表面の前記
   所定方向とは異なる方向に沿って走査させる第２の走査
   手段を備え、 前記表面評価手段は、前記第１および第２の走査手段の
   走査により前記照明光を走査させたときに前記撮像装置
   により受光される照明光に基づいて、前記溶接ビード表
   面の三次元方向の形状を評価することを特徴とする請求
   項６または７に記載された表面形状評価装置。
9. 【請求項９】 前記表面評価手段は、前記溶接ビードの
   溶接止端部における応力集中係数および切欠係数を演算
   することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記
   載された表面形状評価装置。
10. 【請求項１０】 前記演算された応力集中係数および切
    欠係数を表示可能な表示装置を備えることを特徴とする
    請求項９に記載された表面形状評価装置。
11. 【請求項１１】 前記表面評価手段は、前記演算された
    応力集中係数および切欠係数に基づいて前記溶接ビード
    の良否を評価することを特徴とする請求項９または１０
    に記載された表面形状評価装置。
12. 【請求項１２】 前記照明光源は半導体レーザで構成さ
    れることを特徴とする請求項４〜１１のいずれか１項に
    記載された表面形状評価装置。