焊接检查方法及其设备的制作方法

专利名称：焊接检查方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光超声技术的焊接检查方法及其设备。
背景技术：
焊接是结构制造的不可缺少的技术，随着近年来技术的进步，已能够针对由传统上难以进行焊接的材料制成的对象或具有传统上难以进行焊接的形状的对象进行焊接。同时，常见的情况是，由于利用先进焊接技术制成的结构往往具有特殊的坡口(groove)形状或复杂的表面形状，因而检查本身难以进行。在这种情况下，确保焊接结构可靠性的检查技术的重要性与日俱增。如上所述，当针对技术上有难度的焊接，例如厚板焊接或对于具有复杂形状的结构进行的焊接执行确保焊接部质量的检查时，会出现的情况是待检查的部分进入超声盲区，或者检查装置本身难以触及待检查的部分，由此导致检查失败。此外，如果在焊接期间或刚结束时即进行检查以缩短加工周期，则会发生下述问题。即，在焊接期间进行检查情况下，正被焊接的坡口形状会影响超声波传播到待检查的区域，如果瑕疵检查表面的面积较小，这会明显限制检查方法的可用性。即使在焊接之后立即执行检查的情况下，也需要超过半天的时间来减少热对立即执行检查的影响。因此，浪费了直到检查开始时所花费的时间。日本专利申请公开号2001-71139(专利文献1，此处相关的全部内容以参考的方式引入)提出在焊接操作期间对焊接质量进行检查的工艺，作为解决上述问题的方法。然而，这一系统使用一种探针，该探针接触被检查对象的表面，用以发射超声波至该对象或接收来自该对象的超声波，其难以处理具有窄部或复杂表面的结构。并且，使用该探针需要接触介质，如甘油或水，以便使超声波探针接触到被检查对象的表面，这使得后处理变得复杂。另外，当被检查对象温度较高时，需要特殊机构防止探针受损。日本专利申请公开号2007-17298(专利文献3，此处相关的全部内容以参考的方式引入)提出一种系统，其中，超声波发生机构附接到焊接机构上以监控焊接操作。然而， 在此系统中，必须将超声波产生机构直接设置在焊接机构上，这就需要对现有焊接设备进行改装，并将可适用的焊接方法限制为点焊或其类似方法。因此，在此系统中，其难以执行多样化的焊接，诸如对接焊/坡口焊。这是由于该系统不是直接检测诸如，实际焊接中产生的来自未恰当焊接部的反射回波的指示，而是检测超声波信号的变化，因此无法识别未恰当焊接部。因此，该系统不适于对具体焊接部进行修补。此外，日本无损检查协会，2010春季会议会刊第63到64页(非专利文献1，此处相关的全部内容以参考的方式引入)提出在焊接期间和焊接之后立即利用激光超声波检查的可能性。然而，非专利文献1公开的技术是由TOFD(衍射时差)方法等为代表的双探针法，其中，两个探针横跨在焊接部两侧，因此不能处理超声波传播的几何盲区，例如恰好位于焊接部下方的部分。而且接收激光的照射位置受到结构表面的限制，且孔径合成处理被用于增强灵敏度，因此只有具有平面激光照射区域大于一定尺寸的结构可作为目标。此外，专利文件3公开了一种技术利用超声波而不是表面波，诸如底面回波，作为利用表面波的测量中的参考信号。然而，对于两探针横跨焊接部两侧的配置，或者对于底部不平滑的被检查对象(object)，底面回波强度本身即用作一参数，因此不能起到参考信号的作用。

发明内容
针对上述问题做出本发明，其目的在于，即使被检查部分面积小，并且甚至在被检查对象具有很高温度的焊接操作期间以及刚结束焊接操作之后的情况下，也能以稳定的灵敏度进行焊接检查。根据实施例，提供一种焊接检查方法，包括发射激光照射步骤在焊接操作期间或者焊接操作之后，产生用于生成超声波的发射激光并将所述发射激光传输至被检查对象的预定位置来进行照射；接收激光照射步骤产生用于检测由所述发射激光照射步骤激发的超声波的接收激光并将所述接收激光传输至被检查对象的预定位置来进行照射；光收集步骤收集被检查对象表面上散射和反射的激光；干涉测量步骤对由所述光收集步骤收集的激光进行干涉测量并获得超声信号；以及分析步骤分析由所述干涉测量步骤获得的所述超声信号。将在所述发射激光照射步骤中产生的所述发射激光和在所述接收激光照射步骤中产生的所述接收激光中的至少一个照射到焊接金属部或坡口侧表面上。根据另一实施例，提供一种焊接检查设备，包括发射激光源，产生用于生成超声波的发射激光；发射光学机构，在焊接操作期间或者焊接操作之后，将所述发射激光传输至被检查对象的预定位置进行照射；接收激光源，产生用于检测由所述发射激光激发的超声波的接收激光；接收光学机构，在焊接操作期间或者焊接操作之后，将由所述接收激光源产生的所述接收激光传输至被检查对象的预定照射位置进行照射，并收集被检查对象表面上散射和反射的激光；干涉仪，对所散射和反射的激光进行干涉测量；数据分析机构，测量和分析由所述干涉仪获得的超声信号；所述发射激光和所述接收激光中的至少一个照射到焊接金属部或坡口侧表面上。在下文中，本发明的实施例将参照附图进行描述。在附图中，对相似或相应的元件采用相同的附图标记，并将省略冗余的解释。


图1所示为根据本发明第一实施例的焊接检查设备的配置示意框图；图2所示为根据本发明第一实施例的焊接检查方法中，发射激光、接收激光、散射 /反射激光及激发的超声波的路径的截面图；图3为解释根据本发明第一实施例的焊接检查方法中，在离焦状态下，距离测量机构和焦点控制机构的功能的截面图；图4为解释根据本发明第一实施例的焊接检查方法中，在焦点对准状态下，距离测量机构和焦点控制机构的功能的截面图；图5所示为在比较示例的焊接检查方法中，发射激光、接收激光、散射/反射激光及激发的超声波的路径的截面图；图6所示为根据本发明第二实施例的焊接检查设备的配置示意框图；图7所示为根据本发明第二实施例的焊接检查方法中，发射激光、接收激光、散射/反射激光及激发的超声波的路径的截面图；图8所示为根据本发明第三实施例的焊接检查设备的配置示意框图；图9所示为根据本发明第四实施例的焊接检查设备的配置示意框图；图10所示为根据本发明第五实施例的包括焊接检查设备的焊接系统的配置示意框图；图11所示为根据本发明第五实施例的焊接系统中，焊接部、发射激光照射点及接收激光照射点之间位置关系的平面图；图12所示为根据本发明第五实施例的焊接检查方法的过程的流程图；图13所示为说明执行根据本发明第六实施例的焊接检查方法时的状态的透视图；图14所示为根据本发明第七实施例的焊接检查设备中，焊接部、发射激光照射点及接收激光照射点之间位置关系的平面图；图15所示为根据本发明第七实施例的焊接检查设备中，焊接部、发射激光照射点及接收激光照射点之间位置关系的示意透视图；图16所示为根据本发明第七实施例的焊接检查设备获得的焊接部附近可见的二维截面之间位置关系的示意透视图；图17所示为根据本发明的第七实施例的焊接检查设备获得的焊接部附近可见的三维区域的位置的示意透视图；图18所示为处理图16的可见的二维截面的数据以便显示(在预定方向投影)的情形示意透视图；图19所示为在由根据本发明第八实施例的焊接检查设备应用孔径合成处理的情况下，B扫描结果的示例图；图20为示出使用两个探针设置为横跨焊缝的两接触法的测量结果的示例，作为相对于图19的比较示例的示意图；图21所示为根据本发明第九实施例的焊接检查设备的配置示意框图；图22是放大图21的主要部分的结构框图；图23所示为由图21的焊接检查设备获得的测量结果的示例的曲线图；图M所示为通过直接处理图23的测量结果得到的二维截面数据的示例的视图；图25所示为通过从图23的测量结果取消掉toef得到的结果的示例的曲线图；图沈为从图25的测量结果得到的二维截面数据的示例的视图；图27所示为根据本发明第十实施例的焊接检查设备的配置示意框图；图28为放大图27的主要部分的配置框图；图四为本发明第十一实施例的包括焊接检查设备的焊接系统的示意透视图；图30所示为根据本发明第十二实施例的焊接检查设备中，焊接部、发射激光照射点、参考信号激光照射点及接收激光照射点之间位置关系的示意平面图；以及图31所示为根据本发明第十二实施例的焊接检查设备中，焊接部、发射激光照射点、参考信号激光照射点及接收激光照射点之间位置关系的示意透视图。
具体实施方式
[第一实施例]图1所示为根据本发明第一实施例的焊接检查设备的配置示意框图。图2所示为根据本发明第一实施例的焊接检查方法中，发射激光、接收激光、散射/反射激光及激发的超声波的路径的截面图。图3为解释根据本发明第一实施例的焊接检查方法中，在离焦状态下，距离测量机构和焦点控制机构的功能的截面图。图4为解释根据本发明第一实施例的焊接检查方法中，在焦点对准状态下，距离测量机构和焦点控制机构的功能的截面图。根据本实施例的焊接检查设备包括用于将超声波发射激光Ii (以下仅表述为 “发射激光”)照射到被检查对象4上的发射激光源1 ；用于将发射激光Ii传输到被检查对象4上的指定位置的光学机构9 ；以及用于移动发射激光Ii的照射点Pi的驱动机构11。 该焊接检查设备还包括用于将超声波接收激光Id(以下仅表述为“接收激光”)照射被检查对象4的接收激光源2 ；用于传输该接收激光Id至被检查对象4上的指定位置以照射并收集由于被检查对象4的表面上接收激光Id的散射/反射而获得的散射/反射激光Ir的光学机构10 ；以及用于移动该接收激光Id的照射点Pd的驱动机构12。焊接检查设备还包括用于对已经从反射超声波Ur转换成的反射/散射激光Ir进行干涉测量的干涉仪6 ；用于记录通过干涉测量已转换为电信号的超声信号以便执行数据分析的设备控制/数据记录/分析机构7 ；以及能够显示获得的检查结果或焊接条件的显示机构8。焊接检查设备还包括温度测量机构13、距离测量机构14、焦点控制机构15及保护光学机构免受高温的高温保护机构16。在本配置中，用作发射激光源1和接收激光源2的激光器可以是，例如Nd:YAG激光器、CO2激光器、Er:YAG激光器、钛蓝宝石激光器、绿宝石激光器、红宝石激光器、染料激光器、受激准分子激光器，或其他光源。激光光源能够输出连续波或者脉冲波，并且可以单独或复合使用。在使用多个激光源的情况下，测量超声波所需的其他部件的数量根据需要增加。干涉仪6可以是Michelson干涉仪、零差干涉仪、外差干涉仪、Fizeau干涉仪、 Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪、光折变干涉仪，或其他激光干涉仪。除了干涉测量方法以外，也可采用刀口法。任意以上干涉仪可复合使用。发射光学机构9和接收光学机构10透镜均由透镜、反射镜和光纤组成。特别地，在发射激光Ii照射被检查对象4的表面上的情况下，优选构造发射激光照射点Pi的照射直径落入约0. Imm到30mm范围内的光学系统。或者，可构造圆柱形透镜被用于使照射形状成线形或椭圆形的光学机构。在此情况下，优选地，线长度落入大约Imm到IOOmm的范围内， 且线宽度落入大约0. OOlmm到30mm的范围内。照射形状并不仅局限于上述提到的形状。
光学机构10配置为使得接收激光照射点Pd的照射直径落入大约为0. Imm到IOmm 的范围内。如图1和图2所示，发射激光Ii和接收激光Id分别照射被检查对象4的焊接部W及其外表面上。 高温保护机构16具有保持光学机构9和10的温度低于对它们的功能造成显著影响的温度的功能，所述高温保护装置16由热绝缘体和冷却机构组成。选择热绝缘体是基于假设其是阻燃的，且可以是纤维型热绝缘体、模腔(formed)热绝缘体、真空热绝缘体，或者其他类型的热绝缘体。冷却机构可以是使用空气冷却、水冷却、气体冷却、例如凝胶材料或Peltier元素的冷却剂的冷却技术，或其他冷却技术。当被检查对象4表面温度远低于对光学机构造成显著影响的温度时，冷却机构的功能可中止。设备控制/数据记录/分析机构7具有记录由干涉仪6获得的超声波数据的功能，分析所获得的超声波数据的功能，显示和记录从距离测量机构14获得的光学机构的位置信息的功能，将位置信息反馈至焦点控制机构15以便调整激光照射点的功能，记录从温度测量机构13获得的数据的功能，确定检查结果并将反馈信号传输至焊接机构3的焊接控制机构5的功能等。设备控制/数据记录/分析机构7可以是一个或多个机构，且以上所述的功能可以按照分布方式在多个设备控制/数据记录/分析机构7中实现。驱动机构11和12能够绕一个或多个轴移动或旋转光学机构9和10，由此使它们可以达到(access)诸如焊接坡口窄部和复杂形状的部分。显示机构8具有除了显示检查结果以外的一个或多个功能，当已经确定存在表明缺陷D出现的响应时，显示警报、通过触摸面板界面紧急停止操作等。温度测量机构13可以是，例如非接触式辐射测温仪、诸如电阻测温仪、热敏电阻， 热电偶的接触式测温仪，或根据其他原理测量温度的技术。而且，所设置的温度测量机构13 的数量可以是一个或多个。在使用非接触式的情况下，温度测量机构13优选安装在入射超声波Ui和反射超声波Ur的传播路径上或传播路径附近的部分。在使用接触式的情况下， 温度测量机构13优选安装在入射超声波Ui和反射超声波Ur的传播路径附近的部分，以使得温度测量机构13本身不会成为干扰因素。从发射激光源1发射的发射激光Ii经过光学机构9并照射到被检查对象4的表面上。此时，由于对抗热应力或表层磨损的反作用力而产生入射超声波Ui。产生的入射超声波Ui包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为入射超声波Ui。当产生的入射超声波Ui到达缺陷D或被检查对象的底表面时，传播路径由于超声波的反射、散射和折射而改变，并且入射超声波Ui变成作为来自焊接缺陷D的响应(response)的反射超声波to·。产生的响应包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为反射超声波Ur。同时，从接收激光源2发射的接收激光Id经过光学机构10并照射到被检查对象 4的表面上。此时，当反射超声波Ur到达接收激光照射点Pd，接收激光Id经过幅度调制或相位调制，或者反射角的改变，并作为包含超声信号分量的散射/反射激光Ir被反射。具有超声信号的散射/反射激光Ir由光学机构10再一次收集，而后传输至干涉仪6。带有超声分量的光学信号由干涉仪6转换成电信号，而后由设备控制/数据记录/分析机构7存储作为超声波数据。设备控制/数据记录/分析机构7可对获得的超声信号应用平均处理、移动平均处理、滤波、FFT(快速傅里叶变换)、小波变换、孔径合成处理及其他信号处理。进而，能够使用焊接位置信息、照射位置信息、温度信息等来校正超声信号。以下将描述以传统方法无法检查缺陷的区域现在可由上述系统进行检查的原因。 图5所示为在比较示例的焊接检查方法中，发射激光、接收激光、散射/反射激光及激发的超声波的路径的截面图。图5示出以TOFD-UT为代表的两探针方法，其中两个探针设置为横跨焊接部W。在产品正在被焊接或完成品具有所示形状的情况下，坡口正下方的部分进入了超声盲区Ba，因此如果缺陷D位于这一部分将难以检查。在这种情况下，如果焊接操作还没有完成，则焊接操作将随着产品内部存在缺陷D而进行。因此，当检测到该缺陷时，需要大量时间返回处理。如果焊接操作已经完成，则缺陷D保留在外表面附近的部分，这将导致无法满足所需强度。在本实施例中，如图1和2所示，发射激光照射点Pi位于被检查对象4的焊接金属部(焊珠(welding bead))W的表面上。如图2所示，入射超声波Ui直接进入在入射点正下方的缺陷D，来自缺陷D的反射超声波(散射波 作为体波(bulk wave)，诸如纵向波或横向波在被检查对象4中传播。体波的分量可以由照射到被检查对象4的外表面上的接收激光Id接收。这使得能够对传统方法中的盲区部分进行缺陷检查。在此情况下，发射超声波激发位置比传统配置的情况下更接近于缺陷D，因此可以最小化由于对应于传播距离的衰减而造成的灵敏度降低。获得的超声信号的声速可以通过温度测量机构13校正。一般而言，超声波的声速取决于温度。因此，当由检测到的超声信号来计算焊接缺陷位置时，存在误差。类似地，当进行利用超声信号发射/接收位置信息的信号处理，诸如孔径合成处理时，存在较大的误差。为了避免这一问题，测量在检查时间时被检查对象的温度，并使用预先准备的用于调整由于温度变化而造成的声速变化的校正公式等来校正声速。利用这一配置，可以降低由于温度变化而导致的误差。当被检查对象4和光学机构9之间的距离或被检查对象4和光学机构10之间的距离在焊接期间改变时，包含超声信号的散射/反射激光Ir的收集效率会下降。而且，上述的距离改变会引起如图3所示的发射激光Ii或接收激光Id的照射点的直径改变，或者发射激光照射点Pi或接收激光照射点Pd的位置改变。这导致待产生的超声波的激发效率降低、接收灵敏度降低、在如孔径合成处理的信号处理时执行的使用位置信息的校正处理中的误差，该误差构成影响灵敏度的因素。为了避免这一问题，利用如图4所示的距离测量机构W测量距离改变量，将测量结果反馈给驱动机构11和12及焦点控制机构15，以便将它们之间的距离调整至最优值，从而可以防止灵敏度的降低。如果坡口狭窄，需要使光学机构9和10接近被检查对象4。此时，高温保护机构 16用于保持光学机构9和10的温度低于对它们的功能具有显著影响的温度，从而容许甚至在被检查对象4具有高温的焊接操作期间以及焊接操作结束时立即进行测量。如上所述， 根据第一实施例，即使待检查部分的面积很小，且即使被检查对象具有高温，也能够以稳定的灵敏度进行焊接检查。[第二实施例]图6所示为根据本发明第二实施例的焊接检查设备的配置示意框图。图7所示为根据本发明第二实施例的焊接检查方法中，发射激光、接收激光、散射/反射激光及激发的超声波的路径的截面图。在本实施例中，接收激光Id照射到坡口侧表面。在此情况下，入射超声波Ui直接进入入射点正下方的缺陷D，并且来自缺陷D的反射超声波to作为体波，诸如纵向波或横向波，在被检查对象4内传播。其模式已在坡口部分转换的表面波分量照射在坡口侧表面上的接收激光Id接收。这使得能够对传统方法中的盲区部分进行缺陷检查。在本实施例中，尽管需要使光学机构10接近被检查对象4，高温保护机构16用于保持光学机构10的温度低于对其功能具有显著影响的温度，从而容许甚至在被检查对象4 具有高温的焊接操作期间以及焊接操作结束时立即进行测量。另外，与第一实施例相比，设备的尺寸减小。除了本实施例中上述以外的其他的配置和功能与第一实施例中的相同。[第三实施例]图8所示为根据本发明第三实施例的焊接检查设备的配置示意框图。在本实施例中，将第一实施例中发射激光照射点Pi与接收激光照射点Pd之间的位置关系反置，以使接收激光照射点Pd处于被检查对象4的焊接金属部W的表面上。除此之外，其他的配置与第一实施例相同。即使反置发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd的位置，也能获得系统的效果。[第四实施例]图9所示为根据本发明第四实施例的焊接检查设备的配置示意框图。在本实施例中，提供另一组第一实施例中的发射激光源1及其相关部件或者与光学机构9、驱动机构 11、温度测量机构13、距离测量机构14、焦点控制机构15及高温保护机构16相同的部件。 由附加的发射激光光源Ia和驱动机构Ila设置的发射激光照射点Pi位于被检查对象4的表面上但不是焊接金属部W的表面上。根据本实施例，能够执行与第一实施例中相同的检查。另外，可以执行基于发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd之间传统位置关系(图5)的检查。因而，能够检查从坡口正下方的部分至被检查对象4的底表面的整个范围。此外，通过使用两个或更多的发射激光光源，以便从多个不同发射激光照射点Pi 执行发射激光照射，可以在较宽范围内执行检查。另外，可以构建部件的配置和数量均可在发射和接收端之间互换的系统。[第五实施例]将描述本发明的第五实施例。图10所示为根据本发明第五实施例的包括焊接检查设备的焊接系统的配置示意框图。图11所示为根据第五实施例的焊接系统中，焊接部、 发射激光照射点Pi及接收激光照射点Pd之间位置关系的平面图。图12所示为根据第五实施例的焊接检查方法的过程的流程图。在本实施例中，在根据第一实施例的焊接检查设备上增加焊接机构3和焊接控制机构5。焊接机构3覆盖一般弧焊方法，诸如遮蔽金属弧焊、埋弧焊、惰性气体弧焊、TIG 焊、MAG焊、MIG焊、CO2弧焊、等离子体弧焊和电渣焊；一般电阻焊接方法，诸如点焊和缝焊； 特殊焊接方法，诸如气焊、铝热焊、电子束焊和激光焊；以及以搅拌摩擦粘接为代表的一般金属粘接技术，诸如卷边或钎接。利用以上配置，可以同时进行焊接操作和焊接检查。以下将按照图12的流程图描述焊接操作的过程。执行坡口对准(步骤Si)，预热被焊接对象(步骤S》，并且随后执行焊接(步骤S3)。并行地执行焊接检查(步骤S4)。当焊接检查出现问题，进行局部维护和修补，诸如消除或熔化焊接部W(步骤S5)，接着再次预热(步骤S》和焊接处理(步骤S3)。 当焊接检查(步骤S4)结果表明焊接完成而没有任何问题时，结束焊接(步骤S6)。焊接结束后，加热被焊接对象(步骤S7)并且随后冷却(步骤S8)，从而完成整个操作(步骤S9)。可由设备控制/数据记录/分析机构7基于分析结果(例如，基于超声信号的阀值，基于仿真结果与实际数据的比较等)自动地做出或由操作者基于显示机构8上的显示做出焊接检查(步骤S4)中的焊接缺陷存在/不存在的确定。在局部维护和修补处理(步骤S5)中，在用于重新焊接的焊接操作期间，焊接位置可设定回到未恰当焊接部之前的位置，或在一系列焊接处理结束后仅仅对未恰当焊接部进行重新焊接。而且，可在通过计量(gauging)等部分切除/移除后进行重新焊接。并且，在局部维护和修补处理(步骤期间或之后，为了不产生焊接缺陷，可改变焊接条件。如上所述，在这个处理流程中，检查是在焊接期间进行的，且在根据检查结果检测到焊接缺陷的情况下，仅未恰当焊接部需要在另一焊接前进行维护和修补。在传统处理流程中，检查仅能在焊接完成且施加热处理/冷却处理之后进行，因此在焊道(welding pass)数量大的情况下，直到检查开始时所需的时间非常长。另外，执行再处理成为很大的负担。另一方面，根据本实施例，检查可以针对每个焊道执行或在特定数量的焊道完成后进行，因此如果出现焊接缺陷，重新焊接的再处理负担很小。并且，能够构造尽管发生了焊接缺陷仍可确定在结构强度方面没问题的配置。而且，检查不仅可以在焊接后的硬化状态下进行，也可在熔化状态下进行。以上处理流程可进行以下修改焊接检查(步骤S4)结果检测到微小(minor) 焊接缺陷；由于所检测的焊接缺陷尚可容忍，则不对焊接部W执行局部维护和修补(步骤 S5)；以及在焊接(步骤S； )正在继续的同时改变焊接条件(未图示)。按照如下确定焊接缺陷是否尚可容忍。S卩，由于设备控制/数据记录/分析机构7 执行的分析，当在预定区域中观察到基于阀值确定来表示焊接缺陷的信号预定次数或更多次数，或预定时间长度或更长时间长度时，确定已经发生超出可容忍范围的焊接缺陷，而当观察到表示焊接缺陷的信号少于预定次数，或少于预定时间长度时，确定发生在可容忍范围内的焊接缺陷。同样，在图12的焊接检查(步骤S4)中，当焊接缺陷在可容忍范围内时，处理流程进行到步骤S6，而当焊接缺陷超出可容忍范围时，处理流程进行到步骤S5。如上所述，检查结果可以反馈至焊接控制机构3以使地当前焊接条件变得最优。 而且，检查不仅可以在焊接后的硬化状态下进行，而且可以在熔化状态下进行，可改变当前的焊接条件以优化焊接条件并设定焊接条件以消除下一焊道中的焊接缺陷。这使得即便出现焊接缺陷，也能够减少了焊接操作时间和成本。如上所述，可以在焊接期间实时进行检查而不影响传统的焊接设备，而且进一步地，可根据检查结果暂时停止焊接并将检查结果反馈至当前焊接条件。可以改变图12的处理流程，以在局部维护和修补(步骤SQ中确定在该局部维护和修补之后是否需要进行预热，并在确定不需要预热时，跳过预热(步骤S2)进行焊接处理 (步骤S3)。根据本实施例，在焊接期间进行检查，以及在由检查结果检测到焊接缺陷D的情况下，只有对应于缺陷D的部分需要在另一焊接前切除。在传统处理流程中，仅是在焊接完成并且施加热处理/冷却处理之后进行检查，因此，在焊道数量很大的情况下，直到检查开始时所需的时间非常长。另外，执行再处理成为很大的负担。另一方面，根据本发明实施例，检查可以针对每个焊道进行或在特定数量的焊道完成后进行，因此如果出现焊接缺陷D，重新焊接的再处理负担很小。并且，由于焊接部的表面蒸发(磨损)，发射激光Ii照射的点Pi的形状会改变；然而，在进行多层焊接的情况下， 焊接点Pw经过点Pi，从而能够消除蒸发(磨损)的影响。此时，由发射激光Ii所导致在表面改变的影响足够小且对焊接本身影响很小。[第六实施例]图13所示为执行根据本发明第六实施例的焊接检查方法时的状态的透视图。第六实施例是第五实施例的改进。在第五实施例中，被焊接对象，即被检查对象，由两个平板组成。而在第六实施例中，被焊接对象，即被检查对象由两个在其轴向上彼此对接的圆柱体组成。同样在这种情况下，可以以与第五实施例中相同的方式执行焊接操作，同时对焊接部 W进行检查。[第七实施例]图14所示为根据本发明第七实施例的焊接检查设备中，焊接部W、发射激光照射点Pi及接收激光照射点Pd之间位置关系的平面图。图15所示为根据本发明第七实施例的焊接检查设备中，焊接部W、发射激光照射点Pi及接收激光照射点Pd之间位置关系的示意透视图。图16所示为由根据第七实施例的焊接检查设备获得的焊接部W附近可见的二维截面之间位置关系的示意透视图。图17所示为由根据第七实施例的焊接检查设备获得的焊接部W附近可见的三维区域的位置的示意透视图。图18所示为处理图16的可见的二维截面的数据以便显示在预定方向投影)的情形(的示意透视图。本实施例是例如第五实施例的改进，其中发射激光照射点Pi和接收激光照射点 Pd的位置分别由发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12改变。在焊接部W的检查中，进行数据记录，同时沿与焊接方向平行的方向，即图14和图15的X方向，移动发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12，并显示检查结果，诸如A扫描、B扫描、C扫描和D扫描，以确定存在/不存在缺陷。A扫描、B扫描等是在超声技术领域中使用的术语。例如，A扫描是由时间轴和超声振幅轴定义的波形数据，B 扫描显示将元素数量(或元素位置)描绘在一个轴上而超声振幅(或亮度值变化)描绘在另一个轴上的波形数据。在例如由日本无损检查协会出版的“Nondestructivehspection Technique-Ultrasonic Inspection III” 中描述了具体细节。 当增加沿垂直于焊接方向的方向，即图14和图15的Y方向，移动发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12的操作时，能够通过孔径合成处理来可视化对图15 和图16所示的二维截面17的区域或焊接部W附近的二维截面17的部分区域的检查。孔径合成是合成由位于多个位置的接收器获得的数据以提高分辨能力的技术，并且一般用于孔径合成雷达中。还可以通过孔径合成处理来可视化图17所示的三维区域18。此外，如图18所示的配置也是可行的，其中图16中所示的所获得的二维截面17 的一部分可视化区域进行信号处理，例如最大值检测处理或平均处理而后投影在焊接方向上，以显示为二维截面17a。类似地，二维截面17的部分可视化区域可以在与焊接方向垂直的方向上投影以显示为二维截面17b。检查可以在焊接操作期间进行，并且由以上处理获得的结果显示在显示机构8上 (参见图1)。这一处理是能够显著增强超声波检测灵敏度的技术。利用以上配置，能够提供一种可以防止灵敏度降低并提供高灵敏度检查结果的系统。
[第八实施例]图19所示为由根据本发明第八实施例的焊接检查设备施加孔径合成处理的情况下，B扫描结果的示例图。图20为示出使用两个探针设置为横跨焊缝的两接触法的测量结果的示例，作为相对于图19的比较示例的视图。第八实施例使用通过实现第七实施例的焊接检查设备而获得的设备，并表示仿真测试对象的测量结果。即，在第八实施例中，通过在仿真正在进行厚度焊接的状态下对厚度为150mm、坡口深度Ll为70mm、坡口宽度wl为IOmm的测试对象，在焊点深度d为1. 6mm的位置，增加直径d为1. 6mm的圆形缺陷，而获得被检查对象。图19示出在150个点处接收到超声波并且进行孔径合成处理的情况下的B扫描的结果。图20示出使用两个探针设置为横跨焊缝的传统两探针方法的测量结果，其中坡口正下方的缺陷无法检查。图19示出在本实施例中通过使用发射激光直接照射窄坡口部分获得的测量结果，可以确认坡口正下方的缺陷是可检测的。这一方法不仅可应用于正在进行焊接操作的情况，也可应用于像本测试对象类型的整体结构，且确认可检测出在常规方法盲区部分存在的缺陷。[第九实施例]图21所示为根据本发明第九实施例的焊接检查设备的示意配置框图。图22是图 21的主要部分被放大的配置框图。本实施例是图1和图2所示的第一实施例的改进，而与第一实施例的不同之处在于新提供了参考信号光学机构60和参考信号光学系统驱动机构61。参考信号光学机构60根据由发射激光源1发射的发射激光Ii的一部分产生参考信号激光Iref，并将产生的参考信号激光Iref传输至被焊接对象4的表面上的参考信号激光照射点I^ref。参考信号激光照射点I^ref设置在与发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd均不同的位置。接收激光照射点Pd和参考信号激光照射点I^ref优选设置在相对于焊缝的相同侧。参考信号光学系统驱动机构61驱动参考信号光学机构60，并设计为与发射光学系统驱动机构11和接收光学系统驱动机构12，连同焊接机构3(参见图10) —起在焊接方向上相对于被检查对象4移动。从发射激光源1发射的发射激光Ii透过发射光学机构9并照射到被检查对象4 的表面上的发射激光照射点Pi。此时，由于对抗热应力或表层磨损而产生的反作用力，产生超声波Ui。产生的超声波Ui包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波Ui。当产生的超声波Ui达到未恰当焊接部或被检查对象的底面时，传播路径由于超声波Ui的反射、散射和折射而改变，且超声波Ui从未恰当焊接部作为响应超声波to返回。 产生的响应超声波包括各种模式，诸如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波to·。并且，从发生激光源1发射的发射激光Ii由参考信号光学机构60分离。参考信号光学机构60根据发射激光Ii的一部分产生参考信号激光Iref，并且产生的参考信号激光 Iref照射到被检查对象4的表面上的参考信号激光照射点I^ref。此时，由于对抗热应力或表层磨损而产生的反作用力，产生参考信号toef。所产生的参考信号toef包括各种模式， 比如纵向波、横向波和表面波，在下文统称为超声波toef。同时，从接收激光源2发射的接收激光Id透过接收光学机构10并照射到被检查对象4的表面上的接收激光照射点Pd。此时，当超声波to和toef到达接收激光照射点Pd 时，接收激光Id经过振幅调制或相位调制，或反射角变化，并作为包含超声信号分量的激光Ir被反射。具有超声信号的激光Ir再一次由接收光学机构10收集，并且随后传输至干涉仪 6。具有超声分量的光学信号由干涉仪6转换成电信号并且随后由数据记录机构7存储为超声波数据。数据记录机构7可对所获得的超声信号应用平均处理、移动平均处理、滤波、FFT、 小波变换、孔径合成处理及其他信号处理。利用峰值检测、积分、RMS或其他检测方法能够测量所获得的参考信号toef的强度。并且，利用参考信号toef的信号强度、焊接位置信息、 照射位置信息、温度信息等能够校正超声信号。而且，通过对校正后的信号强度进行归一化并将归一化的信号强度应用到DAC曲线、DGS图、或由校准TP产生的其他校准曲线，可量化地评估所检测的缺陷。可能存在参考信号toef在某待测量区域重叠的情况；然而，在这种情况下，可以将参考信号toef作为出现在已知时间区域的信号取消。在此将描述第九实施例的优点。在上述第一实施例中，没有提供作为用于量化评估缺陷的参考的单独声音源。在上述情况下，在以激光干涉仪为代表的测量系统中出现显著波动，因此尽管可以进行缺陷检查，但难以对其进行量化评估，导致无法对焊接部的有效性进行精确评估。尽管可以考虑使用来自底表面的反射波，但是由于穿透形状的差异并不总是获得均勻的反射波，因此精度降低。在第九实施例中，除了发射激光Ii和接收激光Id的照射以外，参考信号激光Iref 也照射到发射激光照射点Pi附近的参考信号激光照射点I^ref。参考信号toef沿被检查对象4的表面传播，并与超声波Ui —起由激接收激光Id 接收。激光超声波受到测量系统波动的显著影响，特别是受到接收端的灵敏度波动的显著影响。因此，以恒定强度激发并沿固定传播路径传播的参考信号toef的接收使得可以量化接收端的波动并且利用参考信号Uref的强度的归一化可以再次校正测量后的波动。利用这一配置，可以量化表示信号强度，从而实现基于诸如DAC曲线或DGS图的校准曲线执行缺陷的量化评估。图23所示为由根据第九实施例的焊接检查设备(图21和图2 获得的测量结果的示例的曲线图。图对所示为通过直接处理图23的测量结果而获得的二维截面数据的示例视图。如图23和图M所示，在参考信号toef在测量区域附近的情况下，参考信号toef 会在测量结果中作为鬼像出现。此鬼像可弓I起错误检测。为了处理参考信号toef的鬼像出现在已知时间区域的情况，设定取消toef的时间帧，由此可降低鬼像对测量结果的影响。图25所示为通过从图23的测量结果取消toef 得到的结果的示例曲线图。图26为示出由图25的测量结果得到的二维截面数据的示例的视图。在以上描述中，参考信号激光Iref是从发射激光Ii中分离出的；可替代地，作为一种改进，参考信号激光Iref可从与发射激光源1分开提供的参考信号激光源产生。[第十实施例]图27所示为根据本发明第十实施例的焊接检查设备的示意配置框图。图观是图 27的主要部分被放大的配置框图。
本实施例是如图6和图7所示的第二实施例的改进，且与第二实施例的区别在于新提供了根据本第九实施例(图21和图22)的焊接检查设备的参考信号光学机构60和参考信号光学系统驱动机构61。通过结合第二和第九实施例的特征获得第十实施例。因此，根据第十实施例，能够获得第二和第九实施例两者的效果。[第^^一实施例]图四所示为根据本发明第十一实施例的包括焊接检查设备的焊接系统的示意透视图。本实施例是如图10和11所示的第五实施例的改进，且与第五实施例的区别在于新提供了根据第九实施例(图21和图22)的焊接检查设备的参考信号光学机构60和参考信号光学系统驱动机构61。通过结合第五和第九实施例的特征获得第十一实施例。因此，根据第十一实施例， 能够获得第五和第九实施例两者的效果。[第十二实施例]图30所示为根据本发明第十二实施例的焊接检查设备中，焊接部、发射激光照射点、参考信号激光照射点及接收激光发射点之间位置关系的示意平面图。图31所示为图30 的焊接检查设备中，焊接部、发射激光照射点、参考信号激光照射点及接收激光发射点之间位置关系的示意透视图。通过结合第七和第九实施例的特征获得第十二实施例。因此，根据第十二实施例， 能够获得第七和第九实施例两者的效果。[其他实施例]尽管以上已描述了本发明的优选实施例，但是这些实施例仅是示意的并不能限制本发明的范围。这些新颖的实施例可以其他各种形式实施，并且可在本发明的范围内作出各种省略、替代和改变。因此，实施例及其改进包含在本发明的范围或精神内以及所付权利要求及其等同物内。例如，尽管在以上实施例中，发射激光照射点Pi和接收激光照射点Pd中只有一个位于被检查对象4的焊接金属部W的表面上，但是，这两个照射点Pi和Pd可以都位于被检查对象4的焊接金属部W的表面上。另外，不同实施例的特征可以结合。例如，如上所述，分别基于第一、第二、第五和第七实施例，第九、第十、第十一和第十二实施例配置为额外增加包含参考信号光学机构60 和参考信号光学系统驱动机构61。此外，新提供了参考信号光学机构60和参考信号光学系统驱动机构61的配置可以应用于第三、第四、第六和第八实施例中的任意一个。尽管在以上描述中为描述目的而使用了术语“平面图”，但本发明的设备可不考虑重力方向而放置。
权利要求
1.一种焊接检查方法，包括发射激光照射步骤在焊接操作期间或者焊接操作之后，产生用于生成超声波的发射激光并将所述发射激光传输至被检查对象的预定位置来进行照射；接收激光照射步骤产生用于检测由所述发射激光照射步骤激发的超声波的接收激光并将所述接收激光传输至所述被检查对象的预定位置来进行照射；光收集步骤收集在所述被检查对象的表面上散射和反射的激光；干涉测量步骤对由所述光收集步骤收集的激光进行干涉测量并获得超声信号；以及分析步骤分析由所述干涉测量步骤获得的所述超声信号，将在所述发射激光照射步骤中产生的所述发射激光和在所述接收激光照射步骤中产生的所述接收激光中的至少一个照射到焊接金属部或坡口侧表面上。
2.根据权利要求1所述的焊接检查方法，其中，所述发射激光照射步骤和所述接收激光照射步骤与焊接操作同时进行。
3.根据权利要求1所述的焊接检查方法，还包括温度测量步骤，即测量所述发射激光和所述接收激光的传播位置附近部分的温度，其中，所述分析步骤利用由所述温度测量步骤获得的温度下的声速对所述被检查对象进行检查。
4.根据权利要求1所述的焊接检查方法，还包括对在所述发射激光照射步骤、所述接收激光照射步骤和所述光收集步骤中使用的光学机构进行冷却的步骤。
5.根据权利要求1所述的焊接检查方法，其中，所述发射激光照射步骤、所述接收激光照射步骤和所述光收集步骤均包括距离测量步骤，即测量所述光学机构和所述被检查对象之间的距离；以及焦点调整步骤，即根据所测量的距离进行焦点调整，以使得在所述发射激光或所述接收激光照射到所述被检查对象时限定的照射范围的尺寸落入预定范围内。
6.根据权利要求1所述的焊接检查方法，其中，所述分析步骤包括对所述超声信号进行平均处理或孔径合成处理的步骤。
7.根据权利要求1所述的焊接检查方法，还包括参考信号激光照射步骤，即在所述焊接操作期间或者所述焊接操作之后，使用参考信号激光照射参考信号激光照射位置，所述参考信号激光照射位置是位于所述被检查对象的表面上的部分，且所述参考信号激光照射位置与所述发射激光照射的发射激光照射位置和所述接收激光照射的接收激光照射位置均不同，其中，所述光收集步骤收集的激光已经受到由于所述发射激光的照射生成的发射超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制和由于所述参考信号激光的照射生成的参考信号超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制。
8.根据权利要求7所述的焊接检查方法，其中，所述参考信号激光照射步骤包括通过分离所述发射激光的一部分来产生所述参考信号激光的步骤。
9.根据权利要求7所述的焊接检查方法，其中，所述接收激光照射位置和所述参考信号激光照射位置设置在相对于焊缝的同一侧，并且所述发射激光照射位置设置在相对于焊缝的与所述接收激光照射位置和所述参考信号激光照射位置的不同侧。
10.一种焊接检查设备，包括发射激光源，其产生用于生成超声波的发射激光；发射光学机构，其在焊接操作期间或者焊接操作之后将所述发射激光传输至被检查对象的预定位置来进行照射；接收激光源，其产生用于检测由所述发射激光激发的超声波的接收激光；接收光学机构，其在焊接操作期间或者焊接操作之后将由所述接收激光源产生的所述接收激光传输至被检查对象的预定照射位置来进行照射，并收集在所述被检查对象的表面上散射和反射的激光；干涉仪，其对所散射和反射的激光进行干涉测量；数据分析机构，其测量和分析由所述干涉仪获得的超声信号；将所述发射激光和所述接收激光中的至少一个照射到焊接金属部或坡口侧表面上。
11.根据权利要求10所述的焊接检查设备，还包括参考信号光学机构，其将参考信号照射激光传输至参考信号激光照射位置以产生参考信号超声波，所述参考信号激光照射位置是位于所述被检查对象的表面上的部分，且所述参考信号激光照射位置与所述发射激光照射的发射激光照射位置和所述接收激光照射的接收激光照射位置均不同，其中，由所述接收光学机构收集的激光已经受到由于发射超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制和由于所述参考信号超声波的散射/反射而获得的反射超声波给出的调制。
12.根据权利要求11所述的焊接检查设备，其中，所述参考信号光学机构通过分离所述发射激光的一部分来产生所述参考信号激光。
13.根据权利要求11所述的焊接检查设备，其中，所述接收激光照射位置和所述参考信号激光照射位置设置在相对于焊缝的同一侧。
全文摘要
一种焊接检查方法具有步骤在焊接操作期间或者焊接操作之后，产生用于生成超声波的发射激光并将所述发射激光传输至被检查对象来进行照射；产生用于检测超声波的接收激光并将所述接收激光传输至被检查对象来进行照射；收集被检查对象表面上散射和反射的激光；对所述激光进行干涉测量并获得超声信号；以及分析由所述干涉测量获得的所述超声信号。将在所述发射激光照射步骤中产生的所述发射激光和在所述接收激光照射步骤中产生的所述接收激光中的至少一个照射到焊接金属部或坡口侧表面上。
文档编号G01N21/17GK102323216SQ20111023310
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月21日
发明者三浦崇广, 千星淳, 吉田昌弘, 小川刚史, 山本摄, 平野正三, 星岳志, 浅井知, 渡部和美, 落合诚, 藤田善宏, 长井敏 申请人:株式会社东芝