焊接部的組織形狀的圖像化方法及其裝置製造方法

2023-04-26 17:40:41 2

焊接部的組織形狀的圖像化方法及其裝置製造方法
【專利摘要】提供一種焊接部的組織形狀的圖像化方法及其裝置，通過非破壞檢查來迅速且準確(清晰)地將焊接部的組織形狀圖像化。具體而言，該圖像化方法用於一邊利用超聲波束對被檢查體的與焊接方向垂直的截面進行掃描、一邊接收來自被檢查體內部的反射信號並根據接收到的反射信號將已掃描的截面圖像化來檢查焊接部的組織，在被檢查體的相對於焊接方向不同的多個位置，利用會聚的超聲波束對與焊接方向垂直的截面進行掃描，並根據得到的超聲波的接收信號將已掃描的截面圖像化，將在相對於焊接方向的多個位置掃描得到的多個圖像重疊，保持重合像素的最大值，由此強調來自焊接部的組織的反射波。
【專利說明】焊接部的組織形狀的圖像化方法及其裝置
[0001] 本申請是申請日為2011年5月10日，國家申請號為201180023300. 6 (國際申請 號為PCT/JP2011/061132)，發明名稱為"焊接部的組織形狀的圖像化方法及其裝置"的發明 專利申請的分案申請。

【技術領域】
[0002] 本發明涉及焊接部的組織形狀的圖像化方法及裝置，該圖像化方法及裝置適合用 於汽車（automobile)等所用的車輪（wheel)的焊接部、鋼板的對接焊接部（butt weld)、 貼角焊接部（fillet weld)、鋼管的焊接部（welding area of steel pipe)的品質評價 (quality evaluation)，並且可通過非破壞檢查（nondestructive inspection)來迅速且 準確（清晰）地將焊接部的組織形狀（structure form)圖像化（imaging)。

【背景技術】
[0003] 作為檢查焊接部的品質的方法，列舉如下的方法。
[0004] (1)破壞檢查（destructive inspection)
[0005] 從被檢查體（test object)上切取樣本（sample)，對截面（cross-section surface)進行研磨後，用腐蝕液（etching agent)腐蝕而進行觀察、測定。
[0006] (2)間接測定（indirect measurement)
[0007] 例如，作為車輪的焊接部的品質評價方法，有專利文獻1所公開的評價方法。該方 法由如下步驟構成，即：預先求出車輪的焊接部的焊接中的輪緣（rim)外側表面溫度分布 與焊接部的物理性狀（physical nature)(烙化形狀、烙化深度、強度等）之間的關係的步 驟；在對車輪實際焊接時，計測車輪的焊接部在焊接中的輪緣外側表面溫度分布，將該計測 數據（measured data)與先求出的輪緣外側表面溫度分布與焊接部的物理性狀之間的關係 進行比較，從而推定車輪的焊接部的物理性狀。
[0008] (3)非破壞試驗
[0009] 提出有專利文獻2所代表的採用超聲波的焊接截面的圖像化方法。通常，與母材 部分相比，焊接部的組織的粒更粗大。因此，由於結晶粒徑不同，因而在焊接部的組織和母 材部分中，音速（acoustic velocity)上產生極細微的差。若將超聲波的頻率（ultrasonic frequency)提高成為例如20MHz?50MHz，並且一邊利用通過比聲透鏡（acoustic lens) 及陣列探頭（array probe)等更細地集中（會聚）的超聲波束（ultrasonic beam)來對與 焊接方向垂直的截面進行掃描（scan)、一邊接收反射波（reflected wave)並對接收到的 信號進行亮度轉換（brightness conversion)而將其圖像化，則能夠將焊接部的組織與母 材部分之間的邊界面（bounding surface)的形狀可視化。
[0010][現有技術文獻]
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻1 :日本特開平11-101760號公報
[0013] 專利文獻2 :日本特開2008-111742號公報


【發明內容】

[0014] 發明要解決的課題
[0015] 但是，以往的焊接部的品質評價方法（quality evaluation method)存在如下的 問題。
[0016] (1)破壞試驗
[0017] 由於不能破壞產品本身，因此是利用一定量的樣本反覆進行測試（test)、並在與 測試相同的焊接條件（welding condition)下焊接產品來保證品質的方法（method for guarantee the quality),因此沒有進行針對每個產品的檢查。此外，判定需花費時間和費 用。
[0018] ⑵間接測定（專利文獻1)
[0019] 通常，焊接中的被檢查體的表面溫度分布與焊接部的物理性狀之間的關係存在偏 差，有時會將優良品（non-defective product)判定成次品（defective product)、或相反 地將次品判定成優良品。
[0020] (3)非破壞試驗（專利文獻2)
[0021] 來自焊接部的組織的反射波是非常微弱的，對接收到的信號進行放大，並對該放 大的信號進行亮度轉換而將其圖像化。此時，採用會聚（對焦）的超聲波束，因此有時無法 得到來自焊接部的組織的反射波。此外，在對接收信號（received signal)進行放大時，來 自焊接部的組織的反射波以外的信號、例如表面反射波（surface-reflected wave)、發送 波（transmitter pulse)的波尾（ultrasonic tailing)、超聲波探頭內的回聲（echo)等也 被強調，難以得到清晰的圖像。
[0022] 本發明正是鑑於這種問題而完成的，其課題在於，不通過破壞試驗或間接測定地 在非破壞試驗中將焊接部的組織清晰地可視化。
[0023] 用於解決課題的手段
[0024] 本發明提供一種焊接部的組織形狀的圖像化方法，用於一邊利用超聲波束對被檢 查體的與焊接方向垂直的截面進行掃描、一邊接收來自被檢查體內部的反射信號並根據接 收到的反射信號將已掃描的截面圖像化來檢查焊接部的組織，在被檢查體的相對於焊接方 向不同的多個位置，利用會聚的超聲波束對與焊接方向垂直的截面進行掃描，並根據得到 的超聲波的接收信號將已掃描的截面圖像化，將在相對於焊接方向的多個位置掃描得到的 多個圖像重疊，保持重合像素的最大值，由此強調來自焊接部的組織的反射波。
[0025] 在進行所述圖像化時，通過對接收並離散值化後的信號波形（digitized signal wave form)Rb送去按移動平均點數（average score)m進行移動平均後的波形（moving average waveform) Ra，從而除去接收信號的低頻成分（slowly varying component),提取 來自焊接部的組織的反射信號，僅對提取的反射信號進行放大，由此能夠更清晰地強調來 自焊接部的組織的反射波。
[0026] 在計算所述移動平均波形Ra時，可設要提取的頻率的一個波長的長度為Pt [秒]、 設離散值化的採樣頻率（sampling frequency)為Sp [Hz]、將移動平均點數m設為 PtXSp[點]。
[0027] 此外，按預定的頻率反覆進行所述超聲波束的收發，並且與超聲波束的發送同步 地對接收到的反射信號進行加法計算，由此能夠強調來自焊接部的組織的反射波。
[0028] 這裡，在所述超聲波束的最大掃描速度（maximum scan speed)為Vm[mm/秒]、 掃描間距（scan pitch)為D[mm]、同步加法計算的平均點數（number of synchronous addition processing)為K[點]時，可根據算式Kp = VmX (1/D) XK來確定超聲波的反覆 收發步頁率（repeated transmitted and received frequency) Kp [Hz] 〇
[0029] 本發明還提供一種焊接部的組織形狀的圖像化裝置，其用於一邊利用超聲波束對 被檢查體的與焊接方向垂直的截面進行掃描、一邊接收來自被檢查體內部的反射信號並根 據接收到的反射信號將已掃描的截面圖像化來檢查焊接部的組織，所述焊接部的組織形狀 的圖像化裝置的特徵在於，其具備強調來自焊接部的組織的反射波的單元，在被檢查體的 相對於焊接方向不同的多個位置，強調所述反射波的單元利用會聚的超聲波束對與焊接方 向垂直的截面進行掃描，並根據得到的超聲波的接收信號將已掃描的截面圖像化，將在相 對於焊接方向的多個位置掃描得到的多個圖像重疊，保持重合像素的最大值。
[0030] 發明效果
[0031] 在以往的技術中，為了使圖像化得到的截面形狀更清晰，在對亮度進行放大等時 想要強調的信號以外的信號（噪聲（noise))也一同放大，因此很難得到清晰的圖像。例如， 存在這樣的問題：為了更鮮明地看到形狀，當對亮度進行放大來顯示時，表面反射波或發送 波的波尾及探頭內部的回聲也一同被強調。並且，還存在這樣的問題：由於會聚超聲波束， 因此容易受到焊接部的組織形狀的影響，局部地形狀上出現"缺失區（darkness area)"。這 裡，"缺失區"是指在圖像中不清晰的部分。
[0032] 根據本發明，通過在與被檢查體的與焊接方向垂直的截面掃描超聲波束，並通過 移動平均處理（moving-average method)提取在掃描得到的各接收信號中出現的基礎噪聲 (base noise)，將其從接收信號中減去後，對減去後的信號的振幅（amplitude)進行放大， 從而能夠清晰地將焊接部的組織的形狀圖像化。並且，將相對於焊接線（weld line)的長度 方向在多個部位圖像化後的圖像重疊，對於重合的像素，比較振幅並提取像素值的最大值， 從而減少焊接部的組織形狀的"缺失區"，能夠實現更清晰的可視化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1是示出本發明實施方式的包括一部分框圖（block diagram)在內的立體圖 (perspective view)〇
[0034] 圖2是說明上述實施方式的同步加法計算處理（synchronous addition processing)的一個示例的圖。
[0035] 圖3是同樣地說明矩形脈衝信號（rectangular pulse signal)的轉換部的動作 圖像的圖。
[0036] 圖4是說明本發明的從焊接部的組織與母材之間的邊界得到反射的原理的圖。
[0037] 圖5是說明上述實施方式的移動平均信號的減法計算處理（processing to subtract moving average waveform)的圖。
[0038] 圖6是同樣地示出移動平均信號的減法計算處理的效果的圖。
[0039] 圖7是示出本發明的最大亮度的提取處理的必要性的圖。
[0040] 圖8是說明上述實施方式的最大亮度的提取處理的圖。
[0041] 圖9是說明將同樣地測定的波形存儲到存儲器中的方法的圖。
[0042] 圖10是說明上述最大亮度的提取處理中的圖像轉換（image translation)的圖。
[0043] 圖11是示出最大亮度的提取處理前的圖像的示例的圖。
[0044] 圖12是示出最大亮度的提取處理的效果的圖。
[0045] 圖13是示出本發明的實施例的整個圖像化方法的步驟的流程圖。
[0046] 圖14是同樣地示出一個截面圖像化方法和圖像化結果的示例的圖。
[0047] 圖15是同樣地示出最大亮度的提取處理的示例的圖。

【具體實施方式】
[0048] 採用圖1對用於實施本發明的實施方式進行說明。在圖1中，S為被檢查體，1為母 材，2為焊接部的組織，3為超聲波探頭，B為超聲波束（下面，也簡稱為"波束")，4為C方向 (被檢查體的橫斷（交叉）方向）掃描單元，5為L方向（被檢查體的長度方向）掃描單元， 6為超聲波發送單元，7為超聲波接收單元，8為A/D轉換部（analog/digital converter : 模擬/數字轉換部），9為信號處理部（signal processor)，10為移動平均波形的減法計算 部，11為最大亮度的提取處理部，12為輸出部（output part)。
[0049] -邊相對於被檢查體S利用C方向掃描單兀4對超聲波探頭3進行掃描，一邊按預 先設定的測定間距D [mm]利用超聲波發送單元6驅動超聲波探頭3的振子（transducer)而 發送超聲波，利用超聲波接收單元7接收從被檢查體S反射來的超聲波信號，利用A/D轉換 部8進行離散值轉換（discretization)，並將接收信號反覆收入到信號處理部9中。此時， 聲奉禹合方法（acoustic coupling method)也可以是全沒水浸法（immersion method)、局部 水浸法（local immersion method)、直接接觸法（contact method)、薄膜結合法（method using thin film)中的任一方法。
[0050] 超聲波探頭3接收到的反射波通過超聲波接收單元7而被實施初始放大及主放 大、濾除處理，通過A/D轉換部8而被根據模擬信號進行離散值轉換，並被發送到信號處理 部9。
[0051] 與利用通常的探傷捕獲的反射信號相比，來自被檢查體S的焊接部2的組織的反 射波相當微弱，為了相對於電噪聲而提高信號對噪聲比（signal-to-noise ratio)，優選在 離散值轉換前後實施同步加法計算的平均處理。下面，對同步加法計算平均處理的一個示 例進行說明。
[0052] 圖2中示出了用於說明同步加法計算的平均處理的示例的圖。在圖2中，13是用 於控制C方向掃描單元4來向C方向掃描超聲波探頭的C方向掃描單元的控制部，14是檢 測超聲波探頭3的C方向上的位置並按預先設定的間隔D[mm]輸出脈衝信號的C方向位置 的檢測單元，15是對從C方向位置檢測單元14輸入的脈衝信號進行轉換並輸出脈衝信號的 矩形脈衝信號的轉換部。
[0053] 利用C方向掃描單元的控制部13控制C方向掃描單元4來掃描超聲波探頭3。此 時，設C方向掃描單元4的最大掃描速度為Vm[mm/sec]，設掃描間距為D[mm]，設同步加法 計算的平均點數為K[點]。預先設定成按掃描間距D[mm]從C方向位置的檢測單元14輸 出矩形脈衝信號（例如，TTL 電平信號（transistor-transistor logic level signal))。 在利用C方向掃描單元4掃描超聲波探頭3時，按掃描間距D[mm]輸出矩形脈衝信號，該矩 形脈衝信號被輸入到矩形脈衝信號的轉換部15。這裡，掃描間距D(mm)是測定空間分解能。
[0054] 圖3是說明矩形脈衝信號的轉換部15的動作圖像的圖。圖3的㈧是輸入到矩 形脈衝信號的轉換部15中的信號，圖3的（B)是從矩形脈衝信號的轉換部15輸出的信號。 如圖3所示，與輸入到矩形脈衝信號的轉換部15的每D[mm]的脈衝信號同步地按下述算式 所示的反覆頻率（PRF)Kp[Hz]輸出K次矩形脈衝信號。
[0055] Kp = VmX (1/D) XK · · · (1)
[0056] 由於按預先設定的D[mm]輸出K次矩形脈衝信號，因此與該脈衝同步地進行超聲 波的收發，取得Κ個接收信號，並進行同步加法計算的平均點數Κ[點]的同步加法計算的 平均處理。通過這樣，從而能夠與C方向掃描單元4的加減速無關地按預定的D[mm]取得 被進行同步加法計算的平均的接收信號。
[0057] 在利用圖1和圖2中的A/D轉換部8進行離散值化後，既可以利用信號處理部9來 進行同步加法計算的平均處理，也可以利用專用的硬體（hardware)來進行處理並利用A/D 轉換部8收入D/A轉換後的輸出結果，關於該處理步驟，在不脫離本發明的主旨的範圍內可 進行各種變形。
[0058] 在向C方向掃描而收發超聲波時，優選發送的超聲波的波束尺寸（beam size) 小。圖4示出了可得到基於超聲波的來自母材與焊接部的組織之間的邊界的反射的結構 (mechanism)〇
[0059] 與母材1相比，焊接部2的組織的結晶粒粗大，按照每個結晶，音速不同。在波束 尺寸大的情況下，如圖4 (A)所示，基於結晶方位的音速的差異被平均化，在母材1和焊接部 2中，音速大致相同，難以得到來自邊界面的反射波。另一方面，當縮小波束尺寸時，如圖4 的（B)所示，音速的平均化的影響小，在焊接部2和母材1中音速稍微不同，與波束尺寸大 時相比，容易得到反射波。因此，優選超聲波束B的波束尺寸小，優選該波束尺寸集中至焊 接部2的組織的平均粒徑。具體而言，關於優選的波束尺寸，在車輪的輪緣焊接中，大約為 70?100 μ m，在U0E鋼管或電縫焊接管等中大約為300?1000 μ m。作為發送波束尺寸小 的超聲波束的單元，超聲波探頭3也可以採用由單一的振子構成的探頭、或者一維或二維 地配置有多個振子的陣列探頭中的任一個。在採用由單一的振子構成的探頭時，將發送頻 率較高地設定成例如大約50MHz，利用聲透鏡集中超聲波束。在採用陣列探頭時，與採用由 單一的振子構成的探頭時同樣地，提高發送頻率，並控制各振子的發送定時（transmitting timing)，從而集中超聲波束。
[0060] 相對於被檢查體S利用超聲波發送單元6驅動超聲波探頭3的振子並發送超聲 波。由於從焊接部2的組織得到的反射波為非常微弱的信號，因此，相對於電噪聲，為了確 保S/N，優選超聲波的發送電壓在200?300V以上。
[0061] 利用圖1和圖2中的A/D轉換部8而離散值化的信號被發送到移動平均波形的減 法計算部10。當將利用A/D轉換部8而離散值化的波形的振幅直接放大並進行亮度轉換 時，來自焊接部2的組織的反射回聲以外的回聲、例如T脈衝或S回聲的波尾、超聲波探頭 內部的回聲噪聲（echo noise)這樣的低頻的基礎噪聲也同時被放大，結果是，無法得到清 晰的圖像。這裡，T脈衝是直接接觸法中的發送脈衝，S回聲是水浸法中的來自被檢查體表 面的反射回聲。
[0062] 因此，在圖1和圖2中的移動平均波形的減法部10中，如圖5所示，通過相對於接 收並進行A/D轉換後的波形而僅提取基礎噪聲，並從波形形狀減去該基礎噪聲，然後進行 放大，從而僅強調來自被檢查體S內部的反射波。關于波形的移動平均點數m，優選為設發 送波形脈衝的一個波長的長度為Pt [秒]、設離散值的採樣頻率為Sp [Hz]、並通過下述算式 而求出的值。
[0063] m = Pt X Sp · · · (2)
[0064] 事先測定被檢查體S的底面反射波（bottom echo)的回聲，根據所測定的波形形 狀確定發送脈衝的一個波長的長度Pt。在也可以不考慮被檢查體S的組織的頻率的衰減的 情況下，在水浸法（包括全沒水浸法或局部水浸法、水柱法）的情況下，也可以採用被檢查 體S的表面反射波來測定一個波長的長度並根據該波形來確定。此外，也可以在進行一次 圖像化後，任意地選擇想要強調的反射波形，並根據該波形形狀來確定Pt。
[0065] 當進行想要強調的頻率的一個波長長度的移動平均處理時，如圖5所示，僅發送 波形脈衝或提取的頻率成分的波形抵銷而可僅提取基礎噪聲，從原信號中減去該基礎噪 聲，從而能夠除去基礎噪聲。並且，通過實施移動平均波形的減法計算處理，從而可不強調 基礎噪聲而僅對來自焊接部2的組織的反射回聲進行放大。移動平均波形的減法處理也可 以在接收到相當於一個截面的量的超聲波波形後總地進行計算，也可以一邊掃描一邊在每 當收發超聲波時進行計算。
[0066] 圖6示出了移動平均波形的減法計算處理的效果。圖6是採用頻率為50MHz、在焦 點附近的超聲波束尺寸大約為70 μ m的超聲波束來將車輪的輪緣焊接部分圖像化的示例。 將超聲波探頭安裝於可進行XY掃描的掃描儀（scanner)，並一邊向C方向掃描一邊進行超 聲波的收發，利用A/D轉換裝置將接收信號離散值化並收入到計算機（calculator)中，並 進行亮度轉換而顯示。圖6(A)是實施移動平均波形的減法計算處理前的示例，圖6的（B) 是相對於圖6的（A)而實施移動平均波形的減法計算處理的示例。A/D轉換裝置的採樣點 數為500MHz。關於用於移動平均波形的減法計算處理的波形，為了僅留下50MHz的頻率成 分，採用（2)式計算為m= 10點。
[0067] 根據圖6的㈧可知，在焊接部2的組織的反射以外，低頻成分也被放大。但是， 根據實施本發明的圖6的（B)可知，低頻成分被除去，焊接部2的組織被清晰地圖像化。
[0068] 下面，對圖1和圖2中的最大殼度的提取處理部11進行說明。當對超聲波的反射 波形的振幅進行亮度轉換而將截面形狀圖像化時，如圖7所示的示例那樣，會局部地產生 "缺失區"（圖7中的虛線內）。為了解決此問題，實施最大亮度的提取處理。
[0069] 關於最大殼度的提取處理，王要米用圖1和圖8來進彳丁說明。圖8是不出圖1和 圖2中的最大亮度的提取處理部11的詳細情況的圖，16是L方向掃描單元5的控制部，17 是存儲器控制部，18是圖像轉換部，19是最大亮度的計算部。
[0070] 首先，在圖1中，在位置P1處一邊利用C方向掃描單元4掃描超聲波探頭3,一邊 收發超聲波，利用A/D轉換部8對接收到的信號進行離散值轉換並將其發送到信號處理部 9。利用信號處理部9進行前述的同步加法的平均處理及移動平均波形的減法計算處理等 前處理，並存儲到處於最大亮度的提取處理部11的內部的存儲器Ml?Μη中。存儲器控制 部17從L方向掃描單元的控制部16取得通過超聲波計測出的位置的信息，若是在位置Ρ1 計測到的接收信號，則存儲到存儲器Ml中，若是在位置Ρ2計測到的接收信號，則存儲到存 儲器M2中，以這樣的方式將在位置Pn計測到的接收信號存儲到存儲器Μη中。
[0071] 關於將在位置Ps測定到的波形存儲到存儲器Ms中的方法，採用圖9進行說明。在 圖9中，D1?Dm是相對於C方向測定波形的位置。在圖9中，假定相對於C方向在m點的 位置測定波形。在該情況下，利用A/D轉換部8將各波形離散值化，實施上述的移動平均波 形的減法計算處理這樣的前處理，並存儲於存儲器Ms中。利用A/D轉換部8將波形離散值 化成Sd點。存儲器Ms為二維的矩陣。存儲器Ml?Μη分別為二維結構。下面，在位置Ps， C方向的位置D、波形的傳播時間方向t上的離散值化的值標記為Ms (X、t)。

【權利要求】
1. 一種焊接部的組織形狀的圖像化方法，用於一邊利用超聲波束對被檢查體的與焊接 方向垂直的截面進行掃描、一邊接收來自被檢查體內部的反射信號並根據接收到的反射信 號將已掃描的截面圖像化來檢查焊接部的組織， 在被檢查體的相對於焊接方向不同的多個位置，利用會聚的超聲波束對與焊接方向垂 直的截面進行掃描，並根據得到的超聲波的接收信號將已掃描的截面圖像化，將在相對於 焊接方向的多個位置掃描得到的多個圖像重疊，保持重合像素的最大值，由此強調來自焊 接部的組織的反射波。
2. -種焊接部的組織形狀的圖像化裝置，其用於一邊利用超聲波束對被檢查體的與焊 接方向垂直的截面進行掃描、一邊接收來自被檢查體內部的反射信號並根據接收到的反射 信號將已掃描的截面圖像化來檢查焊接部的組織， 所述圖像化裝置具備強調來自焊接部的組織的反射波的單元， 在被檢查體的相對於焊接方向不同的多個位置，強調所述反射波的單元利用會聚的超 聲波束對與焊接方向垂直的截面進行掃描，並根據得到的超聲波的接收信號將已掃描的截 面圖像化，將在相對於焊接方向的多個位置掃描得到的多個圖像重疊，保持重合像素的最 大值。
【文檔編號】G01N29/04GK104111285SQ201410360462
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2011年5月10日 優先權日:2010年5月10日
【發明者】松井穰, 飯塚幸理, 高田一, 尾關孝文 申請人:傑富意鋼鐵株式會社