JP7332821B1 - 溶接部の検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

実際の溶接部形状に対する検査範囲の決定を検査者の技量と経験に依らず、短時間で簡易に、かつ正確に行うことが可能な溶接部の検査方法および検査装置を提供する。検査装置を用いて管状部品の溶接部を検査する溶接部の検査方法は、溶接施工後に前記管状部品の３次元形状を計測し、前記管状部品の３次元形状データを取得する第１工程と、前記管状部品の設計形状及び前記溶接部の施工位置に関する３次元位置情報を含む３次元ＣＡＤデータを取得する第２工程と、前記３次元ＣＡＤデータと前記３次元形状データとを対応付けるようにデータ処理を行うとともに、前記溶接部の施工位置に関する３次元位置情報に基づいて、検査範囲を決定する第３工程と、前記決定された検査範囲に基づいて、前記検査装置により前記管状部品の溶接部を検査して検査データを取得する第４工程と、を有する。

Description

本発明は、溶接部の検査方法および検査装置に関する。

超音波探傷（以下、ＵＴと略記する）は、鋳鋼品や溶接部の内部に存在する欠陥の検出に用いられる代表的な非破壊検査手法であるが、欠陥検出だけでなく接着や剥離の検査等、様々な用途で使用されている。ＵＴは基本的には、センサ（探触子、プローブ、トランスデューサとも呼ばれる）から発信された超音波が、内部の傷等の欠陥にて反射し、再度、センサに戻ってくるまでの時間（伝播時間）と、その際の信号強度を測定し、測定された時間と信号強度とに基づいて欠陥の位置や大きさを評価するものである。

欠陥の評価方法としては、Ａスコープと呼ばれる波形に現れるピーク信号（エコー）を用いて評価する方法や、送受信の位置やタイミングをずらした複数のＡスコープから探傷画像を生成し、画像から欠陥を評価する方法があり、これらはＵＴの主力技術となっている。画像から欠陥を評価する方法ではフェーズドアレイ（ＰＡ）法が代表的な手法となっており、既に様々な産業分野で用いられている。また、近年はフルマトリクスキャプチャー（Ｆｕｌｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃａｐｔｕｒｅ: ＦＭＣ）法と呼ばれる新たな手法も注目されており、適用が広がりつつある。

ＰＡ法とＦＭＣ法では、超音波を送受信するための素子が複数内蔵されたアレイセンサが用いられる。素子には、電圧を力に変換する、もしくは加えられた力を電圧に変換する圧電効果を利用した圧電素子が通常用いられる。素子の数、寸法、配列方法は用途に応じて様々であるが、例えば、鋼材中の１ｍｍ程度の欠陥を検出する目的では、数十から百数十個の素子を一列に配列したリニアアレイセンサが用いられる。配列方向の素子の寸法とピッチは概ね１ｍｍ以下である。

ＰＡ法は、アレイセンサの各素子から発振される超音波の位相を制御することにより、その合成波である超音波ビームを任意方向に走査したり、焦点の位置を変化させたりすることができる技術である。ＦＭＣ法はアレイセンサの各素子の送受信の組合せに対応する波形を個別に全て収録し、送受信素子の位置に対応した波形合成処理をソフトウェア上で施すことにより、高精細な画像を得る技術である。ＦＭＣ法については、例えば特開２０１９－１５８８７６号公報に記載されている。

これらのアレイセンサを用いる検査手法では、探傷面は必ずしも平面である必要はない。探傷面が任意形状であっても各素子の座標が既知であれば、原理的にこれらの手法を適用することは可能である。この場合、ＰＡ法では位相制御が複雑になるため現実的ではないが、ＦＭＣ法の場合は座標を計算に用いることで容易に画像を生成することが可能である。

このような理由から、近年はフレキシブルアレイセンサと呼ばれる探傷面が曲面でも追従可能な柔軟性のあるアレイセンサが実用化され、ＦＭＣ法と共に用いられる事例が増えている。フレキシブルアレイセンサを用いると、例えば、配管のような曲面を有する部品の表面にセンサを沿わせて直接接触させ、部品の母材や溶接部等を探傷して結果を容易に映像化することが可能である。

ここで、管状部品の代表的な例として、鉄道車両の台車枠の例を挙げる。鉄道車両の台車枠は一般的に、横梁と呼ばれる管状の長尺部材（長さ数メートル、直径数十センチメートル）と、側梁と呼ばれる長尺部材を直交方向に溶接した構造を骨格としており、これに艤装品を固定するブラケットと呼ばれる板材が複数個所に溶接された構造を有している。これらの溶接部は重量部品を支持する重要な役割を担っているため、安全性の観点から高い健全性が求められており、工場出荷時に超音波検査が行われている場合が多い。横梁の溶接部は、横梁内面からも外面からも超音波検査が可能であるが、内面にはセンサを接触させる際の障害物が無いため、前述のフレキシブルアレイセンサを横梁内面に沿わせて直接接触させれば、容易に横梁溶接部の検査が可能となる。

この際、フレキシブルアレイセンサを横梁内面に接触させたまま、管軸方向に機械的に自動走査可能な自動走査装置（マニピュレータ）が用いられることが多い。センサと接触面の間には超音波の伝播を抑制する空気が入り込まないように、通常は液状の接触媒質（カプラント）を介在させる。接触媒質としてはグリセリンペーストや水を用いる場合が多い。

マニピュレータは一般的に複数の回転軸があり、それぞれサーボモータと減速機に連結されており、これらの組み合わせによってアーム先端に取り付けられたセンサの三次元空間上の位置（座標）と姿勢（角度）が制御される。これらの制御はコンピュータを通して行われるため、横梁管の径や長さ、検査対象となる溶接部の位置が入力されれば、自動的にセンサの押し付け走査が可能となる。溶接部の位置は通常は設計図面に記載されているため、実物と図面を対比させて、コンピュータへ数値入力がなされる。この際の数値入力は検査者が手動で行う。

ところで、近年は紙図面ではなく、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）を用いて鉄道車両の設計を行うことが多い。ＣＡＤデータには、一般的に各部品の構造情報とともに溶接指示位置（溶接予定位置）が示されており、この情報に基づいて自動溶接機や溶接作業員が各部品を溶接する。溶接施工後には、溶接部にブローホールや溶け込み不良に代表される溶接欠陥が存在しないかを、前述の超音波による装置や手法を用いて検査される。

しかしながら、一般に、実際の溶接部位置は図面上の溶接指示位置とは差異があるため、検査範囲は単純に図面上の溶接指示範囲とは一致しないことが多い。その理由は、実際の溶接領域が、開先を中心として数ミリから数十ミリの広がりを持っているためである。さらに検査の対象となるブローホールや溶け込み不良、割れ等の欠陥も、溶接部や、熱影響部と呼ばれる溶接部近傍域に発生するため、結果的に検査対象となる範囲も図面上の溶接指示位置よりも広い範囲となってしまう。しかしながら、このような検査範囲の決定は現状では検査者が行っているため、検査の精度は、検査者の技量と経験により影響を受けることが多い。

特許文献１には、原子炉圧力容器の溶接補修箇所を補修前後に三次元測定装置で測定し、得られた点群データをＣＡＤデータに変換し、補修前後で比較する方法が開示されている。かかる技術によれば、研削や溶接ビードによる凹凸を含む補修後の実形状を把握することが可能になる。

特開２０１３－１４５２０２号公報

しかしながら、実際に補修を行う時の施工指示範囲および装置動作範囲は、補修作業支援システムによって得られた施工図に従って補修装置に施工指示されるため、施工範囲の決定は補修装置のオペレータの技量と経験に影響される。また、補修後の検査方法については特許文献１には開示されておらず、したがって補修後に検査を行う場合、検査範囲の決定は施工範囲の決定と同様に、検査装置のオペレータの技量と経験に影響される。

本発明は、実際の溶接部形状に対する検査範囲の決定を検査者の技量と経験に依らず、短時間で簡易に、かつ正確に行うことが可能な溶接部の検査方法および検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の溶接部の検査方法の一つは、検査装置を用いて管状部品の溶接部を検査する溶接部の検査方法であって、
溶接施工後に前記管状部品の３次元形状を計測し、前記管状部品の３次元形状データを取得する第１工程と、
前記管状部品の設計形状及び前記溶接部の施工位置に関する３次元位置情報を含む３次元ＣＡＤデータを取得する第２工程と、
前記３次元ＣＡＤデータと前記３次元形状データとを対応付けるようにデータ処理を行うとともに、前記溶接部の施工位置に関する３次元位置情報に基づいて、検査範囲を決定する第３工程と、
前記決定された検査範囲に基づいて、前記検査装置により前記管状部品の溶接部を検査して検査データを取得する第４工程と、を有することにより達成される。

本発明によれば、実際の溶接部形状に対する検査範囲の決定を検査者の技量と経験に依らず、短時間で簡易に、かつ正確に行うことが可能な溶接部の検査方法および検査装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の実施形態における検査対象である鉄道台車枠の構造を示した平面図である。 図２は、横梁を軸線方向に見た図であり、横梁の内面にフレキシブルアレイセンサを周方向に沿わせて設置した状態を示している。 図３は、フレキシブルアレイセンサの斜視図である。 図４は、フレキシブルアレイセンサを用いて鉄道台車枠横梁溶接部を検査する処理フローを示す図である。 図５は、横梁管の実形状点群データを、破線で模式的に示した図である。 図６は、横梁の３次元ＣＡＤデータを抽出して、それに基づき形状を表わした図である。 図７は、検査装置のセンサ部に関する３次元ＣＡＤデータを可視化して示す図である。 図８は、横梁の３次元ＣＡＤデータ、検査装置のセンサ部のＣＡＤデータ、および実形状点群データが仮想空間上で重ねあわされている状態を示す図である。 図９は、デジタルデータの保存されるフォーマットの一例を、例えば表示部により可視化された状態で示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態における検査対象である鉄道台車枠の構造を示した図である。台車枠１は、二本の管状長尺部材（管状部品）である横梁（横梁管ともいう）２と、同じく長尺部材である２本の側梁３を直交方向に組み合わせた構造を骨格としている。横梁２と側梁３は溶接で結合されている。さらに、横梁２には様々な艤装品を固定するための上板４や、ブレーキ装置を取り付けるためのブレーキ装置取り付け座５が溶接されている。一般的にはこの他にも多くの部材が台車枠１に溶接されているが、ここでは省略する。

横梁２は管状の長尺部材となっており、一般的に、その直径は数十センチメートルで、長さは数メートルである。本実施形態では、フレキシブルアレイセンサを用いて横梁内面から探傷を行う。前述のように、横梁内面には探傷の際に障害となる物体が存在しないため探傷を効率よく行うことが可能である。

横梁２の内面にフレキシブルアレイセンサ２００を周方向に沿わせて設置した状態を、図２に示す。図２は横梁２を軸方向から見た図であり、横梁２と側梁３の溶接部２０１を検査対象とした例を示している。フレキシブルアレイセンサ２００は、内部に複数の圧電素子２０２を内蔵しており、各圧電素子２０２から所望のタイミングで超音波が発信される。複数の圧電素子２０２は、隣接する素子面同士が傾動可能に連結されているため、横梁２の内面２０４の曲率に倣うようにして複数の素子面を内面２０４に正対させることができる。

アレイセンサの型式としては、コンポジット型が好ましい。コンポジット型のセンサは、格子状にカットされた複数の圧電材料の隙間にエポキシ樹脂を充填してブロック状に固め、その後、ブロックの底面を研磨してエポキシ格子の中に複数の小さな圧電素子が残るようにして作製することができる。ブロックの両面は電気接続用にメッキされ、組み込まれるセンサの型に合わせて正方形、長方形、または円形などの形状に切断される。

これらの複数の圧電素子２０２は、送受信部２０５から送られる電圧信号で個別に制御されており、電圧信号に対応したタイミングで各素子が変形して振動し、素子に接触している物質を加振し、その結果として超音波を発生して送信することが可能となる。また、受信過程においては、送信と逆の過程であり、超音波による素子の変位が電圧信号に変換され、その信号が送受信部２０５に送られることにより、受信波形が収録・信号処理部２０６で収録され、適切な信号処理が施され、その結果が表示部２０７に表示される。また図２では省略したが、送受信処理は圧電素子２０２の素子ごとに行われるため、受信波形も素子ごとに収録される。

ここで適切な信号処理とは、たとえば、前述のフルマトリクスキャプチャー法で、全素子の組み合わせに対応する受信波形を収録し、それらの受信波形をトータルフォーカシングメソッド法（ＴＦＭ法）や開口合成法などで映像化する処理のことである。これらの処理により、フレキシブルアレイセンサ２００の素子並び方向に平行な平面での断層像に相当する超音波探傷画像が得られ、その画像が表示部２０７に表示される。近年の計算機を用いれば、これらの処理は十分に短い時間で行われるため、フレキシブルアレイセンサ２００の位置に応じて、即時に画像が更新されて表示部２０７に表示される。

もちろん、これ以外の映像化手法で受信波形を映像化しても構わない。また、各素子の受信波形を個別に収録するのではなく、適切な遅延時間パターンに従いフェーズドアレイ法で収録し、映像化した画像を表示させても構わない。

図３に、フレキシブルアレイセンサ２００を含む検査装置を図示する。フレキシブルアレイセンサ２００において、素子面３０３の幅方向両側に横梁２の曲率と同じ曲率を持つガイド片２０３ａ、２０３ｂが設けられており、容易に脱着可能な構造となっている。構造の詳細については後で述べる。図示はしないが、素子面３０３の表面には樹脂やゲルで構成される薄い保護材が設けられている。

フレキシブルアレイセンサ２００は、バネ等を内蔵した押付け機構３０４により素子面３０３の背面から付勢され、横梁２の内面２０４(図２)に密着して設置される。フレキシブルアレイセンサ２００は、押付け機構３０４を介して移動機構３０５に接続されており、移動機構３０５は、収録・信号処理部２０６からの制御信号に応じて、移動用軌道も兼ねた延伸アーム３０６に沿って、フレキシブルアレイセンサ２００を横梁２の軸線方向に走査させることが可能となっている。

フレキシブルアレイセンサ２００と、押付け機構３０４と、移動機構３０５と、延伸アーム３０６とによりセンサ部を構成し、また送受信部２０５と、収録・信号処理部２０６と、表示部２０７とにより信号制御部を構成し、該センサ部と該信号制御部とにより検査装置を構成する。

ガイド２０３は一体型でも複数に分かれていても構わない。本実施形態では、ガイド２０３は、一対のガイド片２０３ａ、２０３ｂを含んでいる。ガイド片２０３ａ、２０３ｂは、素子２０２の並び方向に垂直な断面を示している。ガイド片２０３ａ、２０３ｂには、それぞれ溝４０１ａ(片方の溝のみ図示)が対向して加工されており、これら溝に、ガイド片２０３ａ、２０３ｂに接続されていないフレキシブルアレイセンサ２００の幅方向両縁が挿入されて挟み込まれ、フレキシブルアレイセンサ２００の湾曲した形状が保持される構造となっている。

この時、フレキシブルアレイセンサ２００を組み付けた状態で、ガイド２０３の外面は、素子面３０３よりも僅かに外方に突出しており、それによりガイド２０３が横梁２の内面２０４に接触したときに、素子面３０３は内面２０４に直接接触しない構造となっている。素子面３０３と内面２０４との間には概ね１ｍｍから数ｍｍ程度の隙間が確保されることが望ましい。

また、図３に示すようにガイド片２０３ａには、接触媒質を素子面３０３と内面２０４の隙間に供給する接触媒質供給孔３０１ａ、３０１ｂおよび３０１ｃが設けられている。接触媒質供給孔３０１ａ、３０１ｂおよび３０１ｃは、ガイド片２０３ａの内部通路(不図示)を介して、接触媒質供給チューブ３０２に連通している。

接触媒質供給チューブ３０２を通じて外部から空気圧等を利用して供給された接触媒質が、接触媒質供給孔３０１ａ、３０１ｂおよび３０１ｃから供給される。素子面３０３と内面２０４の隙間に供給された接触媒質は、内面２０４に当接したガイド片２０３ａ、２０３ｂにより両側から保持されて残存する。

ここでは接触媒質供給孔は、代表的な位置に３つ配置するものとして示しているが、接触媒質供給孔の数や位置は、横梁管の径やフレキシブルアレイセンサ２００の寸法等に応じて適用に選択するのが好ましい。接触媒質としてはグリセリンペーストや水を用いるが、一般的に超音波探傷に用いられている物質を用いることができる。

ガイド２０３の素材は、柔軟性を有する樹脂であることが望ましく、特に、耐摩耗性に優れるポリオキシメチレンを材料とするエンジニアリングプラスチックであることが望ましい。ただし、ガイド２０３の素材は、必ずしも樹脂である必要はなく、金属やその他の材料を用いても本実施形態の効果は同様に得られるため、それでもかまわない。

押付け機構３０４は、移動機構３０５に対して回転できるようになっており、延伸アーム３０６に対するフレキシブルアレイセンサ２００の向きを自由に変えることが可能であってもよい。例えば、図３ではフレキシブルアレイセンサ２００の圧電素子２０２の並び方向は移動用軌道３０６と直交するように描いており、この状態で移動用軌道３０６を横梁管の軸方向に合わせることにより、フレキシブルアレイセンサ２００を横梁管の内面に押し付けながら周方向探傷を行いつつ、横梁管の軸方向に探傷位置を移動させながら検査する。

これにより、長尺な横梁管の溶接部を効率良く検査することが可能となる。また、横梁管内の軸方向の任意の位置において、フレキシブルアレイセンサ２００を移動用軌道３０６ごと移動用軌道３０６の軸回りに回転させることで、フレキシブルアレイセンサ２００で横梁管の周方向探傷を行いながら、さらに横梁管の周方向に探傷位置を移動させながら検査することが可能である。図には示していないが、軸回りの回転は手動で行ってもよいし、回転装置に移動用軌道３０６を接続させ、電子制御で回転させても構わない。

以下に、本実施形態のフレキシブルアレイセンサ２００を含む検査装置を用いて、鉄道台車枠横梁の溶接部を検査するための検査方法を、具体的に述べる。なお、超音波センサとしてフレキシブルアレイセンサを用いた例を以下に説明するが、フレキシブルアレイセンサ以外の超音波センサを用いても構わない。さらに、超音波センサ以外の非破壊検査用センサ、たとえば渦電流探傷用のセンサを用いても全く同様な手法で適用できる。また、検査対象も鉄道台車枠横梁以外の部材であってもよく、同様の手法で適用可能である。

図４と図５を用いて、代表例としてフレキシブルアレイセンサ２００を用いて鉄道台車枠横梁溶接部を検査する場合の処理フロー及び処理内容を示す。図４におけるステップ３～ステップ１０の処理は、収録・信号処理部２０６により自律的に実行されると好ましいが、収録・信号処理部２０６に接続された外部のパソコン等により実行してもよい。以下、収録・信号処理部２０６により実行される例を示す。

（ステップ１）
横梁２の内部における所定の位置に、作業者の手でフレキシブルアレイセンサ２００を設置する。所定の位置は、検査する製品や検査装置によって異なるが、ここではフレキシブルアレイセンサ２００が走査移動される際の初期位置に設置される。

（ステップ２：第１工程）
さらに３次元計測機を用い、横梁２の所定の位置（計測位置）にフレキシブルアレイセンサ２００を設置した状態での横梁２及びフレキシブルアレイセンサ２００の３次元形状データを得て、これを収録・信号処理部２０６に記憶する。３次元計測機は、立体物の形状を３次元データ化する装置であり、センサで実際に対象物に触れながら座標を取得する接触式と、対象物に触れずに３次元形状を取得する非接触式がある。接触式はプローブを対象物に押し当てて、その接触点の位置を測定し座標として取得する方式であり、一般に測定には時間がかかる。一方、非接触式はレーザーなどの光線を対象物に当てて反射する時間差や照射角度を解析して３次元形状を取得する方式であり、縞パターンを投影して計測する光（格子パターン）投影法やスリットレーザー光で対象物をスキャンするレーザー光切断方式などの方式がある。本実施形態の検査対象である鉄道台車枠のような大型構造物に対しては、非接触式の３次元計測機を用いるのが好ましい。

（ステップ３）
収録・信号処理部２０６は、ステップ２で得られた３次元形状データを、３次元空間座標における点群（点ごとに３次元位置座標を有する）に変換する。ただし、ステップ２の３次元計測機からの出力が最初から点群である３次元計測機を使用する場合は、ステップ３はステップ２と同時に実行される。以上のステップにより、検査装置を設置した状態における３次元の実形状点群データ（管状部品の３次元形状データ）５００が得られる。

図５は、横梁管の実形状点群データ５００を、破線で模式的に示した図である。横梁２の点群データに相当する横梁の点群データ５０１の他に、横梁２に溶接されている部品の点群データ５０２や検査装置の点群データ５０４が示されており、また、溶接ビードによる凹凸部の点群データ５０３も示されている。ただし、点群の各点は単なる座標情報しか持たず、その点がどの部品に帰属するかの情報は持っていない。

さらに図５には、横梁管の内部には延伸アームの点群データ５０５と、その先端に取り付けられているセンサの点群データ５０６も示されているが、横梁２の内部であるため３次元計測ができない場合もあり得る。その場合は、３次元計測が可能な検査装置の本体等の一部のみの点群データでも構わない。

（ステップ４：第２工程及び第３工程）
次に、収録・信号処理部２０６は、予め記憶されていた横梁管の設計に用いた３次元ＣＡＤデータを取得し、実形状点群データ５００に位置合わせしてコンピュータの仮想空間上で重ね合わせる。なお、実形状点群データ５００の取得（第１工程）と、３次元ＣＡＤデータ６０１の取得（第２工程）は、いずれを先に行ってもよい。

図６は、横梁２の３次元ＣＡＤデータを抽出して、それに基づき形状を表わした図である。横梁２の３次元ＣＡＤデータ６０１には、横梁２の直径や長さなどの形状に関する３次元位置情報が含まれており、さらに横梁２に溶接する部品との溶接予定位置６０２の３次元位置情報が、軸方向長さ範囲と周方向角度範囲とにより示されている。

３次元ＣＡＤデータ６０１と実形状点群データ５００の位置合わせ（対応付け）は、たとえば３次元ＣＡＤデータ６０１に含まれる位置合わせ用マーカ（位置合わせ用マーカの設計データ）６０３と、実形状点群データ５００に含まれる位置合わせ用マーカの点群データ（マーカ形状データ）５０７とが重なるようにデータ処理することで行われる。横梁２に実際に付与されている位置合わせ用マーカには製品の性能を損なわない程度に固有の凹凸形状があり、実形状点群データ５００から該凹凸形状を十分認識できるため、マーカ形状データを容易に抽出できる。また、位置合わせには、位置合わせ用マーカ６０３や位置合わせ用マーカの点群データ５０７以外に、マーカの代わりとなるような特徴的な形状部、例えば横梁の端部等を用いても構わない。

（ステップ５）
さらに、収録・信号処理部２０６は、検査装置のＣＡＤデータを実形状点群データ５００に位置合わせして、コンピュータの仮想空間上で重ね合わせる。ここで、図７には検査装置のセンサ部に関する３次元ＣＡＤデータ７０１が示されており、検査装置の３次元ＣＡＤデータ７０１には検査装置の形状に関する３次元位置情報が含まれている。図７（ａ）は、延伸アーム３０６が縮んだ状態の検査装置の３次元ＣＡＤデータ７０１ａを示し、図７（ｂ）は、延伸アーム３０６が伸びた状態の検査装置の３次元ＣＡＤデータ７０１ｂを示しているが、延伸アーム３０６以外の部分は共通の形状であるため、位置合わせは延伸アーム３０６以外の検査装置のＣＡＤデータを用いて行う。

ステップ４で横梁２の３次元ＣＡＤデータ６０１も実形状点群データ５００に位置合わせして重ね合わせているため、この時点では横梁２の３次元ＣＡＤデータ６０１、検査装置の３次元ＣＡＤデータ７０１、および実形状点群データ５００が仮想空間上で重ね合わされている状態である（図８参照）。

（ステップ６）
次に、収録・信号処理部２０６は、横梁２の３次元ＣＡＤデータ６０１と実形状点群データ５００の差分Δを算出する。差分Δは、実形状点群データ５００の各点について求める。具体的には、実形状点群データ５００の各点と、横梁２の３次元ＣＡＤデータ６０１を構成する最近接平面との距離を算出することで求める。求めた差分Δにより、溶接ビードや溶接ひずみ等による空間的な変形量の分布が把握でき、したがって差分Δが所定値より大きい範囲を、溶接範囲として決定することができる。

３次元ＣＡＤデータ６０１には通常、平面や円筒面、球面といった形状情報が含まれているため、それらの局所的な幾何形状と、対応する実形状点群データ５００との距離を算出する。または、３次元ＣＡＤデータ６０１を一度、ＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）形式と呼ばれる、３次元立体形状を三角形の集合体で表現するフォーマットに変換し、点群の各点と、それらに最近接する三角形平面（三角領域を含む平面）との距離を算出してもよい。算出した距離が閾値より大きい範囲を、溶接範囲として決定することができる。ＳＴＬ形式は多くのＣＡＤソフトで採用されている汎用的なファイル形式である。

（ステップ７）
次に、収録・信号処理部２０６は、ステップ６で求めた差分Δが所定値を上回る領域８０１を抽出し、さらに３次元ＣＡＤデータ６０１に付随する溶接予定位置（溶接施工位置）６０２の３次元位置情報と照合することにより、実際の検査範囲８０２を決定する。実形状点群データ５００において所定値を上回る差分Δがあれば、それは溶接が行われた部位と推認できるからである。ただし、差分Δが所定値を上回る領域であっても、３次元ＣＡＤデータ６０１に付随しており３次元位置情報が既知である溶接予定位置６０２との距離が、規定距離を超えていれば、当該差分Δは溶接に起因するものではないと判断できるため、検査範囲の候補から除外する。すなわち、当該差分Δが所定値を上回る領域であって且つ溶接予定位置６０２から規定距離以内である範囲を、溶接範囲として決定し、検査対象とすべき検査範囲８０２とする。これによりフレキシブルアレイセンサ２００の走査範囲ＲＳが決定され、精度よく溶接範囲を走査することができる。

（ステップ８）
ステップ７で求めた検査範囲８０２を、検査装置の信号制御部（収録・信号処理部２０６）に記憶する。ただし検査範囲８０２を外部のパソコン等により求めた場合には、これを収録・信号処理部２０６に入力する。入力は作業者が手動で行っても構わないし、システム上で自動的にデータが転送されても構わない。検査範囲８０２に応じて、収録・信号処理部２０６は、検査装置の３次元ＣＡＤデータ７０１に基づき、検査装置を基準として仮想空間上におけるセンサ部の走査範囲ＲＳを算出する。

（ステップ９）
ステップ８で設定された検査範囲（算出された走査範囲ＲＳ）に基づき、収録・信号処理部２０６の制御信号に応じて、検査装置のセンサ部を横梁２内で軸方向に移動させて探傷検査を行い（第４工程）、検査範囲内で得られた検査データＤ（受信波形）をデジタル値として、収録・信号処理部２０６内のメモリに収録する。

（ステップ１０）
ここまでに得られた、横梁２の３次元ＣＡＤデータ６０１、検査装置の３次元ＣＡＤデータ７０１、実形状点群データ５００、および検査データＤをすべてセットとして、収録・信号処理部２０６に保存し、必要に応じて表示部２０７を介して可視化することができる。各製品の各溶接部についてこの処理を行うことにより、各製品のトレーサビリティの保存が確保される。

図９には、これらのデジタルデータの保存されるフォーマットの一例を、例えば表示部２０７により可視化された状態で示す。表示部２０７の表示画面９０１には、横梁２の３次元ＣＡＤデータに基づき表示された画像９０６が、溶接部位９０２と共に表示され、また探傷解析画像９０７が表示される。例として探傷解析画像９０７中に、内部欠陥９０３ａ、９０３ｂ、９０３ｃを囲む領域９０４が示される。また、デジタルデータに対応づけて入力される検査に関する情報９０５（検査対象名、検査ロット番号、検査対象溶接部名、検査日、検査員コード、検査結果等）も、表示画面９０１に表示される。これらのデータおよび情報は、相互に対応付けられた状態で、収録・信号処理部２０６に保存される。

以上説明したように、本実施形態の処理により、実際の溶接部形状に対する検査範囲の決定を検査者の技量と経験に依らず、短時間で簡易に、かつ正確に行うことが可能な溶接部の検査方法および検査装置を提供することできる。

１：台車枠、２：横梁、３：側梁、４：上板、５：ブレーキ装置取り付け座、２００：フレキシブルアレイセンサ、２０１：溶接部、２０２：圧電素子、２０３：ガイド、２０３ａ、２０３ｂ：ガイド片、２０４：横梁内面、２０５：送受信部、２０６：収録・信号処理部、２０７：表示部、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ：接触媒質供給孔、３０２：接触媒質供給チューブ、３０３：素子面、３０４：押付け機構、３０５：移動機構、３０６：延伸アーム、５００：実形状点群データ、５０１：横梁の点群データ、５０２：部品の点群データ、５０３：溶接ビードによる凹凸部の点群データ、５０４：検査装置の点群データ、５０５：延伸アームの点群データ、５０６：センサの点群データ、５０７：位置合わせ用マーカの点群データ、６０１：３次元ＣＡＤデータ、６０２：溶接予定位置、６０３：位置合わせ用マーカ、７０１、７０１ａ、７０１ｂ：検査装置のＣＡＤデータ、８０１：領域、８０２：検査範囲

Claims (10)

1. 検査装置を用いて管状部品の溶接部を検査する溶接部の検査方法であって、
   溶接施工後に前記管状部品の３次元形状を計測し、前記管状部品の３次元形状データを取得する第１工程と、
   前記管状部品の設計形状及び前記溶接部の施工位置に関する３次元位置情報を含む３次元ＣＡＤデータを取得する第２工程と、
   前記３次元ＣＡＤデータと前記３次元形状データとを対応付けるようにデータ処理を行うとともに、前記溶接部の施工位置に関する３次元位置情報に基づいて、検査範囲を決定する第３工程と、
   前記決定された検査範囲に基づいて、前記検査装置により前記管状部品の溶接部を検査して検査データを取得する第４工程と、を有することを特徴とする溶接部の検査方法。
2. 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、
   前記３次元ＣＡＤデータが、前記管状部品の設計形状における位置合わせ用マーカの設計データを含み、
   前記３次元形状データから、前記管状部品の位置合わせ用マーカに対応するマーカ形状データを抽出し、
   前記第３工程において、前記３次元ＣＡＤデータの位置合わせ用マーカの設計データと、前記３次元形状データのマーカ形状データとが重なるように、前記３次元ＣＡＤデータと前記３次元形状データとを対応付けることを特徴とする溶接部の検査方法。
3. 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、
   前記３次元形状データが、それぞれ３次元位置情報を含む点群データであることを特徴とする溶接部の検査方法。
4. 請求項３に記載の溶接部の検査方法において、
   前記第３工程において、前記３次元ＣＡＤデータに基づく形状と、前記点群データに基づく形状とを重ね合わせることによって形状の差分を求め、前記差分が所定値を超える範囲であって且つ前記溶接部の施工位置から規定距離以内である範囲を前記検査範囲として決定する、ことを特徴とする溶接部の検査方法。
5. 請求項３に記載の溶接部の検査方法において、
   前記第３工程において、前記３次元ＣＡＤデータをＳＴＬ形式のデータに変換し、前記点群データを構成する各点と、前記ＳＴＬ形式のデータを構成する各三角領域を含む平面との距離を算出し、前記距離が閾値を超える範囲であって且つ前記溶接部の施工位置から規定距離以内である範囲を前記検査範囲として決定することを特徴とする溶接部の検査方法。
6. 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、
   前記３次元ＣＡＤデータは、前記検査装置の設計形状に関する３次元位置情報を含み、
   前記３次元形状データは、前記管状部品の計測位置に設置された前記検査装置の形状データを含む、ことを特徴とする溶接部の検査方法。
7. 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、
   前記検査データと、前記３次元ＣＡＤデータと、前記３次元形状データとを対応付けて保存することを特徴とする溶接部の検査方法。
8. 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、
   前記管状部品が鉄道車両の台車枠の横梁であることを特徴とする溶接部の検査方法。
9. 請求項１に記載の溶接部の検査方法に用いる溶接部の検査装置において、
   前記第１工程乃至前記第３工程を実行する信号制御部と、
   前記第４工程を実行するセンサ部と、を有することを特徴とする溶接部の検査装置。
10. 請求項９に記載の溶接部の検査装置において、
    前記センサ部は、非破壊検査用センサと、前記非破壊検査用センサを前記管状部品の内面における前記検査範囲にわたって走査させる移動機構とを有する、ことを特徴とする溶接部の検査装置。

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