溶接部の異常検出方法
【課題】溶接部の異常の有無を高い精度で検出することができる溶接部の異常検出方法を提供する。
【解決手段】溶接部５の異常検出方法は、ＡＥ波を発生させる振動発生部１１をスピンドル３におけるテーパ部３ｂの外周面に配置すると共に、ＡＥ波を検出する振動検出部１２をシャフト本体２の外周面に配置する配置工程と、振動発生部１１からＡＥ波を発生させ、スピンドル３から溶接部５を通ってシャフト本体２に伝播したＡＥ波を振動検出部１２によって検出する検出工程と、振動検出部１２からの出力信号に基づいて、溶接部５における異常の有無を判定する判定工程と、を備えている。
【解決手段】溶接部５の異常検出方法は、ＡＥ波を発生させる振動発生部１１をスピンドル３におけるテーパ部３ｂの外周面に配置すると共に、ＡＥ波を検出する振動検出部１２をシャフト本体２の外周面に配置する配置工程と、振動発生部１１からＡＥ波を発生させ、スピンドル３から溶接部５を通ってシャフト本体２に伝播したＡＥ波を振動検出部１２によって検出する検出工程と、振動検出部１２からの出力信号に基づいて、溶接部５における異常の有無を判定する判定工程と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のアクスルにおける溶接部の異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接部の異常の有無を検出する方法が多く開示されている。例えば特許文献１には、音響放出による溶接欠陥の検知方法について記載されており、特に溶接中のアークの後方で冷却中の溶接金属中から生ずる音響放出音を検出することにより、内部欠陥とその位置を検知する方法が開示されている。この検知方法によれば、例えば高温割れといった溶接欠陥について、欠陥の程度および位置を非破壊的に、かつ、リアルタイムで検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−１４３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
検査対象となる溶接部としては、上記文献１に記載された形状の母材の他、例えばトラック等の特装車両のアクスルの溶接部がある。このようなアクスルは、車両の走行に関わる重要な部品のため、溶接部の異常の有無を高い精度で検知することが求められている。しかしながら、上記アクスルの溶接部は、例えば、シャフト本体とスピンドルとの当接部分に形成され、スピンドルにはハブ等を取り付けるためのテーパ部が存在するため、溶接部の異常の有無を精度よく検出するには一定の工夫が必要となる。
【０００５】
本発明は、アクスルにおける溶接部の異常の有無を高い精度で検出することができる溶接部の異常検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の溶接部の異常検出方法は、筒状のシャフト本体の端部にシャフト本体側に向かって大径となるテーパ部を有するスピンドルを溶接してなるアクスルの溶接部の異常の有無を検出する溶接部の異常検出方法であって、固体伝播振動を発生させる振動発生手段をスピンドルにおけるテーパ部の外周面に配置すると共に、固体伝播振動を検出する振動検出手段をシャフト本体の外周面に配置する配置工程と、振動発生手段から固体伝播振動を発生させ、スピンドルから溶接部を通ってシャフト本体に伝播した固体伝播振動を振動検出手段によって検出する検出工程と、振動検出手段からの出力信号に基づいて、溶接部における異常の有無を判定する判定工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この溶接部の検出方法では、溶接部を挟んで振動発生手段と振動検出手段とを配置し、スピンドルから溶接部を通ってシャフト本体に伝播した固体伝播振動を検出する振動検出手段からの出力信号に基づいて溶接部における異常の有無を判定する。ここで、本発明では、振動発生手段が、ハブ等を取り付けるために他の部分に比べて外周面の平坦度が高くなるように処理されたテーパ部に配置される。これにより、スピンドルに固体伝播振動を入力する際の減衰を抑制することができるので、振動検出手段において、スピンドルから溶接部を通ってシャフト本体に伝播した固体伝播振動の減衰状況を鮮明に検出することができる。この結果、アクスルにおける溶接部の異常の有無を高い精度で検出することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動発生手段は、テーパ部における溶接部側の端部に配置されていることが好ましい。これにより、振動発生手段とスピンドルにおける溶接部と反対側の端部との距離が確保されるので、振動検出手段において、振動発生手段から直接伝播する固体伝播振動の検出と、スピンドルにおける溶接部と反対側の端部で反射して伝播する固体伝播振動の検出に時間差が発生する。この結果、上記反射した固体伝播振動を容易に排除することが可能となり、溶接部の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動検出手段の位置を固定し、振動発生手段の位置をテーパ部の外周面の円周方向に沿って変えながら、検出工程を複数回実行することが好ましい。また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動発生手段の位置を固定し、振動検出手段の位置をシャフト本体の外周面の円周方向に沿って変えながら、検出工程を複数回実行することが好ましい。また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動発生手段の位置を固定し、振動検出手段をシャフト本体の外周面の円周方向に沿って複数の箇所に設置し、検出工程を実行することが好ましい。これにより、筒状アクスルの溶接面に沿って複数のデータを取得することが可能となり、溶接部の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００１０】
また、溶接部の異常検出方法では、判定工程は、出力信号の移動平均値の標準偏差に基づく標本線を設定し、出力信号が標本線の値に一致した回数に基づいて、溶接部における異常の有無を判定することが好ましい。これにより、振動検出手段からの出力信号を特徴化することができるので、振動検出手段からの出力信号と、健全な溶接部を計測した場合の信号との差が小さい場合であっても、出力信号が標本線の値に一致した回数に基づいて溶接部における異常の有無を判定できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アクスルにおける溶接部の異常の有無を高い精度で検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法の対象となるアクスルの概略図である。
【図２】図１のアクスルの溶接部近傍を拡大した断面図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法を実行するシステムの機能構成を示したブロック図である。
【図４】図３の振動検出部から出力される信号の一例を示す図である。
【図５】図３の判定部における波形解析を説明する図である。
【図６】本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法を示すフローチャートである。
【図７】図３の振動検出部から出力される信号の一例を示す図である。
【図８】図３の判定部における波形解析結果を説明する図である。
【図９】本発明の他の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法を説明する図である。
【図１０】図９で示す異常検出方法において取得する出力信号および波形解析結果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法について、図１〜図８を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本発明の溶接部の異常検出方法の検査対象となるアクスル１を示す概略図である。
【００１４】
本発明の溶接部の異常検出方法の対象となるアクスル１は、トラック等の特装車両の走行装置における車軸である。このアクスル１は、図１、図２に示すように、筒状のシャフト本体２の端部にシャフト本体２側に向かって大径となるテーパ部３ｂを有するスピンドル３を溶接して形成されている。シャフト本体２は、例えば、９ｍｍの厚みを有する中空円筒状の部材である。スピンドル３は、シャフト本体２と接合される部分である接合部３ａと、筒径がシャフト本体２側に向かって大きくなるように変化するテーパ部３ｂと、外周面にハブを取り付けるための部分である取付部３ｃとを有している。テーパ部３ｂおよび取付部３ｃの外周面は、切削等によって加工され、表面が整形されており、一方で接合部３ａの外周面は、高さ４ｍｍ程度の余盛を有する溶接ビードがグラインダー仕上げされている。このため、両者の表面性状には大きな差のあることが明らかである。
【００１５】
スピンドル３とシャフト本体２との溶接は、例えば、溶接ロボットを用いた自動溶接によって行われる。この溶接は、例えば図２に示すように、スピンドル３の開先部３ｄとシャフト本体２の開先部２ａとを互いに突合わせ、突合わせた位置の内周面側に裏あて部材４を設け、外周面側から溶接ロボットのトーチが当てられる。そして、開先部３ｄ，２ａを互いに突合わせた接合面に沿って、トーチあるいはアクスルを形成する部材を回転させることによって、スピンドル３の端部とシャフト本体２の端部との間に、円周状の溶接部５が形成される。また、スピンドル３とシャフト本体２との溶接は、外周面に沿って２周させることが好ましい。
【００１６】
以下、上述したようなスピンドル３とシャフト本体２とが溶接してなるアクスル１における溶接部５の異常の有無を検出する検査システム１０と、異常の有無を検出する方法とについて、図３〜図８を用いて説明する。
【００１７】
検査システム１０は、図３に示すように、振動入力部（振動発生手段）１１と、振動検出部（振動検出手段）１２と、信号処理部１３と、判定部１５とを含んで構成されている。
【００１８】
振動発生部１１は、スピンドル３におけるテーパ部３ｂの外周面に固定された、固体伝播振動を入力する部分である。振動発生部１１としては、例えば、パルス発生器を採用することができ、その場合、例えば、１００〜５００ｎｓ周期（パルス幅）でＡＥ波を入力する。
【００１９】
振動検出部１２は、スピンドル３と溶接部５を挟んだシャフト本体２における外周面に固定されており、スピンドル３から溶接部５を通ってシャフト本体２に伝播してくる固体伝播振動をシャフト本体２で検出する部分である。振動検出部１２としては、例えば、ＡＥ（Acoustic Emission）センサを採用することができ、その場合、例えば、１５２．３４ｋHｚをピーク周波数（中心出力）とするＡＥ波を検出する。そして、振動検出部１２は、検出したＡＥ波の強度に対応する出力信号を、例えば、帯域周波数が、４０ｋＨｚ〜１．２ＭＨｚであるアンプ（図示せず）を介して信号処理部１３に出力する。
【００２０】
図４は、振動検出部１２から出力される信号の一例を示す図である。振動検出部１２は、溶接部５に異常がない場合（健全な場合）には、溶接部５を伝播するＡＥ波の減衰が小さく、例えば図４（ａ）に示すように、最初に振幅のピークがあって次第に小さくなるような信号を出力する。一方、振動検出部１２は、溶接部５に異常がある場合には、例えば図４（ｂ）に示すように図４（ａ）に比べて振幅が小さい信号を出力する。なお、図４（ｂ）に示す出力信号の波形パターンは、図４（ａ）に示す出力信号の波形パターンと比較すると、振幅のみが減少した略相似形となっている。
【００２１】
信号処理部１３は、振動検出部１２において検出された出力信号から、溶接部５における異常の有無の判定に必要な判定値を抽出する部分である。信号処理部１３は、後述する判定部１５が、溶接部５の異常の有無を判定するにあたって客観的に判定を行えるようにするために、波形処理解析によって出力信号を特徴化する。
【００２２】
以下、信号処理部１３が行う処理の一つである波形処理解析について説明する。この波形処理解析では、まず、図５に示すように、所定抽出幅における出力信号の移動平均値μを求める。次に、移動平均値μの標準偏差σに基づいて標本線を設定する。標本線は、標準偏差σを所定倍することによって得ることができる。例えば、図５に示すように、標準偏差σを、−３．０倍、−１．５倍、＋１．５倍、＋３．０倍することによって、−３σの標本線、−１．５σの標本線、＋１．５σの標本線、＋３．０σの標本線を得ることができる。次に、出力信号が、所定の標本線（例えば、＋３σの標本線）の値に一致する回数を算出する。信号処理部１３は、この回数を判定値とし、判定部１５に出力する。
【００２３】
判定部１５は、信号処理部１３において算出された出力信号が標本線の値に一致した回数に基づいて、溶接部５における異常の有無を判定する部分である。判定部１５は、出力信号が標本線の値に一致した回数が基準データを満たす場合、溶接部５に異常がないと判定し、出力信号が標本線の値に一致した回数が基準データを満たさない場合、溶接部５に異常があると判定する。基準データは、健全な溶接部を伝播するときに得られる時系列波形について波形解析をした結果に基づいて設定されたものであり、データベース部１４に格納されている。
【００２４】
以下、溶接部５における異常の有無の検出方法について説明する。図６に示すように、最初に、検査の対象となるアクスル１に振動発生部１１と振動検出部１２とを配置する（ステップＳ１：設置工程）。この配置工程では、スピンドル３におけるテーパ部３ｂの溶接部５側の端部の外周面に振動発生部１１を配置し、溶接部５を挟んでシャフト本体２の外周面に振動検出部１２を配置する。
【００２５】
次に、振動発生部１１からの固体伝播振動の発生を開始し、スピンドル３から溶接部５を通ってシャフト本体２に伝播したＡＥ波を振動検出部１２によって検出する（ステップＳ２：検出工程）。なお、固体伝播振動の周期は、例えば、１５０ｎｓとする。
【００２６】
次に、振動検出部１２において取得された出力信号から溶接部５における異常の有無の判定に必要な判定値を抽出する（ステップＳ３）。具体的には、まず、所定抽出幅（図７の例では、ＡＥ波の入力周期である１５０ｎｓ）における移動平均値μを求め、移動平均値μに基づく標準偏差σを算出する。次に、算出した標準偏差σを所定倍（図７の例では、標準偏差σの３倍）することによって得られる標本線を設定する。そして、出力信号が当該標本線の値に一致する回数を算出し、図８（ａ）に示すように判定値を取得する。なお、図８（ａ）は、図７に示す時系列波形の中からＭ１に該当する波形（０．０４５ｓ〜０．０６ｓ）のみを波形解析した結果を示している。
【００２７】
次に、判定値に基づいて、溶接部５における異常の有無を判定する（ステップＳ４）。具体的には、図８（ａ）に示すように、＋３σの標本線に対して、出力信号が標本線の値に一致した回数が１回でもあれば、当該溶接部５には異常がないと判定する。一方、図８（ｂ）に示すように、＋３σの標本線に対して、出力信号が標本線の値に一致することがない場合、当該溶接部５には異常があると判定する。なお、ここでは、標本線３σに対して出力信号が標本線の値に一致した回数が１回以上あることを溶接部５における異常の有無の判定基準としたがこれに限定されるものではなく、健全な溶接部を伝播するときに得られる時系列波形を波形解析した結果に基づいて、標本線ごとに値を設定することができる。
【００２８】
以上に示す溶接部５の異常検出方法では、ハブ等を取り付けるために他の部分に比べて外周面の平坦度が高くなるように処理されたテーパ部３ｂに振動発生部１１が配置されるので、振動発生部１１によって固体伝播振動が入力される時の減衰が抑制される。これにより、振動発生部１１は、振幅幅の大きいＡＥ波をスピンドル３に入力することが可能となり、溶接部５を伝播する際のＡＥ波の減衰状況をより明確に検出することが可能となる。この結果、アクスル１における溶接部５の異常の有無を高い精度で検出することが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、金属材料内を多方向に伝播するＡＥ波を使用しているので、超音波探傷における斜角探傷のように、方向性が出てしまう音波等では形成状態（形状、向き）によって検出することが難しいブローホール等も容易に検出することができる。すなわち、超音波探傷では、細長く形成されたブローホールに、長手方向から音波を入射させた場合に精度よく検出できないのに対し、本実施形態の検出方法では、方向性を持たないＡＥ波を使用しているので、アクスル１における溶接部５の異常の有無を容易に検出することができる。また、Ｘ線検査のような特殊な設備を設けることなくアクスル１における溶接部５の異常の有無を簡易に検出することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、テーパ部３ｂの中でも、溶接部５側の端部に振動発生部１１が配置される。これにより、振動発生部１１とスピンドル３における溶接部５と反対側の端部との距離を確保することができるので、振動検出部１２において、振動発生部１１から直接伝播する固体伝播振動の検出と、スピンドル３における溶接部５と反対側端部で反射して伝播する固体伝播振動の検出とに時間差を生じさせることができる。この結果、上記反射した固体伝播振動を容易に排除することが可能となり、溶接部５の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００３１】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。
【００３２】
上記実施形態の溶接部５の異常検出方法では、ステップＳ２の検出工程において、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面における１箇所で固体伝播振動を検出する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ステップＳ２の検出工程では、振動発生部１１を固定し、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面の円周方向に沿って移動させながら複数回、固体伝播振動を検出してもよい。
【００３３】
具体的には、図９に示すように、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面の円周方向に沿って移動させ、４箇所（０度、９０度、１８０度、２７０度）の位置で固体伝播振動を取得する。このとき、振動検出部１２で取得された出力信号から、図１０（ａ）に示すような、横軸を時間（ｓ）、縦軸を電圧（ｖ）とする時系列波形を取得する。そして、上記実施形態と同様に、判定部１５は、所定抽出幅における移動平均値μを求め、標準偏差σを３倍することによって得られる標本線を設定し、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、出力信号がこの標本線の値に一致する回数を算出する。そして、図１０（ａ）に示すように、＋３σの標本線の値に１回でも一致することが各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）において検出された場合には、当該溶接部５には異常がないと判定してもよい。一方、図１０（ｂ）に示すように、＋３σの標本線の値に一致することが各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）において検出されない場合には、当該溶接部５に異常があると判定してもよい。
【００３４】
これにより、アクスルの溶接面に沿って複数のデータを取得することが可能となり、断面において溶接の状態にバラつきのある場合であっても、溶接部５の異常の有無を検出することが可能となる。この結果、溶接部５の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００３５】
さらに、各検出点と減衰状態との組み合わせに基づいて、溶接部５のさらに詳しい異常状況を判定することも可能である。例えば、図１０（ａ）に示すように、一般的には、振動発生部１１と各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）との距離に比例してＡＥ波の減衰が小さくなる。これに対して、各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）におけるＡＥ波の減衰の大きさが、２７０度、１８０度、９０度、０度という順番の場合、振動発生部１１と検出点（２７０度）との間に異常があると判定する。また、多点計測による有効性として、０度、９０度、１８０度、２７０度の位置にＡＥセンサをそれぞれ配置し（計４つ）、それぞれの波形を同時に解析し、波形の変化を捉えることによって、溶接不良の発生位置を９０度刻みで特定することができる。
【００３６】
なお、上記方法では、ステップＳ２（検出工程）において、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面の円周方向に沿って移動させて、複数の箇所で固体伝播振動を検出する例を挙げて説明したが、これに限られるものではなく、各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）にそれぞれ振動検出部１２を設けてもよい。また、振動検出部１２を固定して、振動発生部１１をスピンドル３の外周面の円周方向に沿って移動させながら、固体伝播振動を複数回検出するようにしてもよい。また、各検出点は、上記に示した０度、９０度、１８０度、２７０度の４箇所に限らず、例えば、８箇所、１２箇所等であってもよい。
【００３７】
また、上記実施形態の溶接部５の異常検出方法では、標本線を設定するにあたり標準偏差σを３倍した３σを設定したがこれ限定されるものではなく、例えば、標準偏差σを１．５倍した１．５σや標準偏差σを６倍した６σ等を設定してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…アクスル、２…シャフト本体、２ａ…開先部、３…スピンドル、３ａ…接合部、３ｂ…テーパ部、３ｃ…取付部、３ｄ…開先部、５…溶接部、１０…検査システム、１１…振動入力部、１２…振動検出部、１３…信号処理部、１４…データベース部、１５…判定部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のアクスルにおける溶接部の異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接部の異常の有無を検出する方法が多く開示されている。例えば特許文献１には、音響放出による溶接欠陥の検知方法について記載されており、特に溶接中のアークの後方で冷却中の溶接金属中から生ずる音響放出音を検出することにより、内部欠陥とその位置を検知する方法が開示されている。この検知方法によれば、例えば高温割れといった溶接欠陥について、欠陥の程度および位置を非破壊的に、かつ、リアルタイムで検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−１４３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
検査対象となる溶接部としては、上記文献１に記載された形状の母材の他、例えばトラック等の特装車両のアクスルの溶接部がある。このようなアクスルは、車両の走行に関わる重要な部品のため、溶接部の異常の有無を高い精度で検知することが求められている。しかしながら、上記アクスルの溶接部は、例えば、シャフト本体とスピンドルとの当接部分に形成され、スピンドルにはハブ等を取り付けるためのテーパ部が存在するため、溶接部の異常の有無を精度よく検出するには一定の工夫が必要となる。
【０００５】
本発明は、アクスルにおける溶接部の異常の有無を高い精度で検出することができる溶接部の異常検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の溶接部の異常検出方法は、筒状のシャフト本体の端部にシャフト本体側に向かって大径となるテーパ部を有するスピンドルを溶接してなるアクスルの溶接部の異常の有無を検出する溶接部の異常検出方法であって、固体伝播振動を発生させる振動発生手段をスピンドルにおけるテーパ部の外周面に配置すると共に、固体伝播振動を検出する振動検出手段をシャフト本体の外周面に配置する配置工程と、振動発生手段から固体伝播振動を発生させ、スピンドルから溶接部を通ってシャフト本体に伝播した固体伝播振動を振動検出手段によって検出する検出工程と、振動検出手段からの出力信号に基づいて、溶接部における異常の有無を判定する判定工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この溶接部の検出方法では、溶接部を挟んで振動発生手段と振動検出手段とを配置し、スピンドルから溶接部を通ってシャフト本体に伝播した固体伝播振動を検出する振動検出手段からの出力信号に基づいて溶接部における異常の有無を判定する。ここで、本発明では、振動発生手段が、ハブ等を取り付けるために他の部分に比べて外周面の平坦度が高くなるように処理されたテーパ部に配置される。これにより、スピンドルに固体伝播振動を入力する際の減衰を抑制することができるので、振動検出手段において、スピンドルから溶接部を通ってシャフト本体に伝播した固体伝播振動の減衰状況を鮮明に検出することができる。この結果、アクスルにおける溶接部の異常の有無を高い精度で検出することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動発生手段は、テーパ部における溶接部側の端部に配置されていることが好ましい。これにより、振動発生手段とスピンドルにおける溶接部と反対側の端部との距離が確保されるので、振動検出手段において、振動発生手段から直接伝播する固体伝播振動の検出と、スピンドルにおける溶接部と反対側の端部で反射して伝播する固体伝播振動の検出に時間差が発生する。この結果、上記反射した固体伝播振動を容易に排除することが可能となり、溶接部の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動検出手段の位置を固定し、振動発生手段の位置をテーパ部の外周面の円周方向に沿って変えながら、検出工程を複数回実行することが好ましい。また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動発生手段の位置を固定し、振動検出手段の位置をシャフト本体の外周面の円周方向に沿って変えながら、検出工程を複数回実行することが好ましい。また、本発明の溶接部の異常検出方法では、振動発生手段の位置を固定し、振動検出手段をシャフト本体の外周面の円周方向に沿って複数の箇所に設置し、検出工程を実行することが好ましい。これにより、筒状アクスルの溶接面に沿って複数のデータを取得することが可能となり、溶接部の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００１０】
また、溶接部の異常検出方法では、判定工程は、出力信号の移動平均値の標準偏差に基づく標本線を設定し、出力信号が標本線の値に一致した回数に基づいて、溶接部における異常の有無を判定することが好ましい。これにより、振動検出手段からの出力信号を特徴化することができるので、振動検出手段からの出力信号と、健全な溶接部を計測した場合の信号との差が小さい場合であっても、出力信号が標本線の値に一致した回数に基づいて溶接部における異常の有無を判定できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アクスルにおける溶接部の異常の有無を高い精度で検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法の対象となるアクスルの概略図である。
【図２】図１のアクスルの溶接部近傍を拡大した断面図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法を実行するシステムの機能構成を示したブロック図である。
【図４】図３の振動検出部から出力される信号の一例を示す図である。
【図５】図３の判定部における波形解析を説明する図である。
【図６】本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法を示すフローチャートである。
【図７】図３の振動検出部から出力される信号の一例を示す図である。
【図８】図３の判定部における波形解析結果を説明する図である。
【図９】本発明の他の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法を説明する図である。
【図１０】図９で示す異常検出方法において取得する出力信号および波形解析結果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の好適な一実施形態に係る溶接部の異常検出方法について、図１〜図８を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本発明の溶接部の異常検出方法の検査対象となるアクスル１を示す概略図である。
【００１４】
本発明の溶接部の異常検出方法の対象となるアクスル１は、トラック等の特装車両の走行装置における車軸である。このアクスル１は、図１、図２に示すように、筒状のシャフト本体２の端部にシャフト本体２側に向かって大径となるテーパ部３ｂを有するスピンドル３を溶接して形成されている。シャフト本体２は、例えば、９ｍｍの厚みを有する中空円筒状の部材である。スピンドル３は、シャフト本体２と接合される部分である接合部３ａと、筒径がシャフト本体２側に向かって大きくなるように変化するテーパ部３ｂと、外周面にハブを取り付けるための部分である取付部３ｃとを有している。テーパ部３ｂおよび取付部３ｃの外周面は、切削等によって加工され、表面が整形されており、一方で接合部３ａの外周面は、高さ４ｍｍ程度の余盛を有する溶接ビードがグラインダー仕上げされている。このため、両者の表面性状には大きな差のあることが明らかである。
【００１５】
スピンドル３とシャフト本体２との溶接は、例えば、溶接ロボットを用いた自動溶接によって行われる。この溶接は、例えば図２に示すように、スピンドル３の開先部３ｄとシャフト本体２の開先部２ａとを互いに突合わせ、突合わせた位置の内周面側に裏あて部材４を設け、外周面側から溶接ロボットのトーチが当てられる。そして、開先部３ｄ，２ａを互いに突合わせた接合面に沿って、トーチあるいはアクスルを形成する部材を回転させることによって、スピンドル３の端部とシャフト本体２の端部との間に、円周状の溶接部５が形成される。また、スピンドル３とシャフト本体２との溶接は、外周面に沿って２周させることが好ましい。
【００１６】
以下、上述したようなスピンドル３とシャフト本体２とが溶接してなるアクスル１における溶接部５の異常の有無を検出する検査システム１０と、異常の有無を検出する方法とについて、図３〜図８を用いて説明する。
【００１７】
検査システム１０は、図３に示すように、振動入力部（振動発生手段）１１と、振動検出部（振動検出手段）１２と、信号処理部１３と、判定部１５とを含んで構成されている。
【００１８】
振動発生部１１は、スピンドル３におけるテーパ部３ｂの外周面に固定された、固体伝播振動を入力する部分である。振動発生部１１としては、例えば、パルス発生器を採用することができ、その場合、例えば、１００〜５００ｎｓ周期（パルス幅）でＡＥ波を入力する。
【００１９】
振動検出部１２は、スピンドル３と溶接部５を挟んだシャフト本体２における外周面に固定されており、スピンドル３から溶接部５を通ってシャフト本体２に伝播してくる固体伝播振動をシャフト本体２で検出する部分である。振動検出部１２としては、例えば、ＡＥ（Acoustic Emission）センサを採用することができ、その場合、例えば、１５２．３４ｋHｚをピーク周波数（中心出力）とするＡＥ波を検出する。そして、振動検出部１２は、検出したＡＥ波の強度に対応する出力信号を、例えば、帯域周波数が、４０ｋＨｚ〜１．２ＭＨｚであるアンプ（図示せず）を介して信号処理部１３に出力する。
【００２０】
図４は、振動検出部１２から出力される信号の一例を示す図である。振動検出部１２は、溶接部５に異常がない場合（健全な場合）には、溶接部５を伝播するＡＥ波の減衰が小さく、例えば図４（ａ）に示すように、最初に振幅のピークがあって次第に小さくなるような信号を出力する。一方、振動検出部１２は、溶接部５に異常がある場合には、例えば図４（ｂ）に示すように図４（ａ）に比べて振幅が小さい信号を出力する。なお、図４（ｂ）に示す出力信号の波形パターンは、図４（ａ）に示す出力信号の波形パターンと比較すると、振幅のみが減少した略相似形となっている。
【００２１】
信号処理部１３は、振動検出部１２において検出された出力信号から、溶接部５における異常の有無の判定に必要な判定値を抽出する部分である。信号処理部１３は、後述する判定部１５が、溶接部５の異常の有無を判定するにあたって客観的に判定を行えるようにするために、波形処理解析によって出力信号を特徴化する。
【００２２】
以下、信号処理部１３が行う処理の一つである波形処理解析について説明する。この波形処理解析では、まず、図５に示すように、所定抽出幅における出力信号の移動平均値μを求める。次に、移動平均値μの標準偏差σに基づいて標本線を設定する。標本線は、標準偏差σを所定倍することによって得ることができる。例えば、図５に示すように、標準偏差σを、−３．０倍、−１．５倍、＋１．５倍、＋３．０倍することによって、−３σの標本線、−１．５σの標本線、＋１．５σの標本線、＋３．０σの標本線を得ることができる。次に、出力信号が、所定の標本線（例えば、＋３σの標本線）の値に一致する回数を算出する。信号処理部１３は、この回数を判定値とし、判定部１５に出力する。
【００２３】
判定部１５は、信号処理部１３において算出された出力信号が標本線の値に一致した回数に基づいて、溶接部５における異常の有無を判定する部分である。判定部１５は、出力信号が標本線の値に一致した回数が基準データを満たす場合、溶接部５に異常がないと判定し、出力信号が標本線の値に一致した回数が基準データを満たさない場合、溶接部５に異常があると判定する。基準データは、健全な溶接部を伝播するときに得られる時系列波形について波形解析をした結果に基づいて設定されたものであり、データベース部１４に格納されている。
【００２４】
以下、溶接部５における異常の有無の検出方法について説明する。図６に示すように、最初に、検査の対象となるアクスル１に振動発生部１１と振動検出部１２とを配置する（ステップＳ１：設置工程）。この配置工程では、スピンドル３におけるテーパ部３ｂの溶接部５側の端部の外周面に振動発生部１１を配置し、溶接部５を挟んでシャフト本体２の外周面に振動検出部１２を配置する。
【００２５】
次に、振動発生部１１からの固体伝播振動の発生を開始し、スピンドル３から溶接部５を通ってシャフト本体２に伝播したＡＥ波を振動検出部１２によって検出する（ステップＳ２：検出工程）。なお、固体伝播振動の周期は、例えば、１５０ｎｓとする。
【００２６】
次に、振動検出部１２において取得された出力信号から溶接部５における異常の有無の判定に必要な判定値を抽出する（ステップＳ３）。具体的には、まず、所定抽出幅（図７の例では、ＡＥ波の入力周期である１５０ｎｓ）における移動平均値μを求め、移動平均値μに基づく標準偏差σを算出する。次に、算出した標準偏差σを所定倍（図７の例では、標準偏差σの３倍）することによって得られる標本線を設定する。そして、出力信号が当該標本線の値に一致する回数を算出し、図８（ａ）に示すように判定値を取得する。なお、図８（ａ）は、図７に示す時系列波形の中からＭ１に該当する波形（０．０４５ｓ〜０．０６ｓ）のみを波形解析した結果を示している。
【００２７】
次に、判定値に基づいて、溶接部５における異常の有無を判定する（ステップＳ４）。具体的には、図８（ａ）に示すように、＋３σの標本線に対して、出力信号が標本線の値に一致した回数が１回でもあれば、当該溶接部５には異常がないと判定する。一方、図８（ｂ）に示すように、＋３σの標本線に対して、出力信号が標本線の値に一致することがない場合、当該溶接部５には異常があると判定する。なお、ここでは、標本線３σに対して出力信号が標本線の値に一致した回数が１回以上あることを溶接部５における異常の有無の判定基準としたがこれに限定されるものではなく、健全な溶接部を伝播するときに得られる時系列波形を波形解析した結果に基づいて、標本線ごとに値を設定することができる。
【００２８】
以上に示す溶接部５の異常検出方法では、ハブ等を取り付けるために他の部分に比べて外周面の平坦度が高くなるように処理されたテーパ部３ｂに振動発生部１１が配置されるので、振動発生部１１によって固体伝播振動が入力される時の減衰が抑制される。これにより、振動発生部１１は、振幅幅の大きいＡＥ波をスピンドル３に入力することが可能となり、溶接部５を伝播する際のＡＥ波の減衰状況をより明確に検出することが可能となる。この結果、アクスル１における溶接部５の異常の有無を高い精度で検出することが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施形態では、金属材料内を多方向に伝播するＡＥ波を使用しているので、超音波探傷における斜角探傷のように、方向性が出てしまう音波等では形成状態（形状、向き）によって検出することが難しいブローホール等も容易に検出することができる。すなわち、超音波探傷では、細長く形成されたブローホールに、長手方向から音波を入射させた場合に精度よく検出できないのに対し、本実施形態の検出方法では、方向性を持たないＡＥ波を使用しているので、アクスル１における溶接部５の異常の有無を容易に検出することができる。また、Ｘ線検査のような特殊な設備を設けることなくアクスル１における溶接部５の異常の有無を簡易に検出することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、テーパ部３ｂの中でも、溶接部５側の端部に振動発生部１１が配置される。これにより、振動発生部１１とスピンドル３における溶接部５と反対側の端部との距離を確保することができるので、振動検出部１２において、振動発生部１１から直接伝播する固体伝播振動の検出と、スピンドル３における溶接部５と反対側端部で反射して伝播する固体伝播振動の検出とに時間差を生じさせることができる。この結果、上記反射した固体伝播振動を容易に排除することが可能となり、溶接部５の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００３１】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。
【００３２】
上記実施形態の溶接部５の異常検出方法では、ステップＳ２の検出工程において、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面における１箇所で固体伝播振動を検出する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ステップＳ２の検出工程では、振動発生部１１を固定し、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面の円周方向に沿って移動させながら複数回、固体伝播振動を検出してもよい。
【００３３】
具体的には、図９に示すように、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面の円周方向に沿って移動させ、４箇所（０度、９０度、１８０度、２７０度）の位置で固体伝播振動を取得する。このとき、振動検出部１２で取得された出力信号から、図１０（ａ）に示すような、横軸を時間（ｓ）、縦軸を電圧（ｖ）とする時系列波形を取得する。そして、上記実施形態と同様に、判定部１５は、所定抽出幅における移動平均値μを求め、標準偏差σを３倍することによって得られる標本線を設定し、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、出力信号がこの標本線の値に一致する回数を算出する。そして、図１０（ａ）に示すように、＋３σの標本線の値に１回でも一致することが各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）において検出された場合には、当該溶接部５には異常がないと判定してもよい。一方、図１０（ｂ）に示すように、＋３σの標本線の値に一致することが各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）において検出されない場合には、当該溶接部５に異常があると判定してもよい。
【００３４】
これにより、アクスルの溶接面に沿って複数のデータを取得することが可能となり、断面において溶接の状態にバラつきのある場合であっても、溶接部５の異常の有無を検出することが可能となる。この結果、溶接部５の異常の有無を検出する精度をさらに向上させることができる。
【００３５】
さらに、各検出点と減衰状態との組み合わせに基づいて、溶接部５のさらに詳しい異常状況を判定することも可能である。例えば、図１０（ａ）に示すように、一般的には、振動発生部１１と各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）との距離に比例してＡＥ波の減衰が小さくなる。これに対して、各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）におけるＡＥ波の減衰の大きさが、２７０度、１８０度、９０度、０度という順番の場合、振動発生部１１と検出点（２７０度）との間に異常があると判定する。また、多点計測による有効性として、０度、９０度、１８０度、２７０度の位置にＡＥセンサをそれぞれ配置し（計４つ）、それぞれの波形を同時に解析し、波形の変化を捉えることによって、溶接不良の発生位置を９０度刻みで特定することができる。
【００３６】
なお、上記方法では、ステップＳ２（検出工程）において、振動検出部１２をシャフト本体２の外周面の円周方向に沿って移動させて、複数の箇所で固体伝播振動を検出する例を挙げて説明したが、これに限られるものではなく、各検出点（０度、９０度、１８０度、２７０度）にそれぞれ振動検出部１２を設けてもよい。また、振動検出部１２を固定して、振動発生部１１をスピンドル３の外周面の円周方向に沿って移動させながら、固体伝播振動を複数回検出するようにしてもよい。また、各検出点は、上記に示した０度、９０度、１８０度、２７０度の４箇所に限らず、例えば、８箇所、１２箇所等であってもよい。
【００３７】
また、上記実施形態の溶接部５の異常検出方法では、標本線を設定するにあたり標準偏差σを３倍した３σを設定したがこれ限定されるものではなく、例えば、標準偏差σを１．５倍した１．５σや標準偏差σを６倍した６σ等を設定してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…アクスル、２…シャフト本体、２ａ…開先部、３…スピンドル、３ａ…接合部、３ｂ…テーパ部、３ｃ…取付部、３ｄ…開先部、５…溶接部、１０…検査システム、１１…振動入力部、１２…振動検出部、１３…信号処理部、１４…データベース部、１５…判定部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のシャフト本体の端部に前記シャフト本体側に向かって大径となるテーパ部を有するスピンドルを溶接してなるアクスルの溶接部の異常の有無を検出する溶接部の異常検出方法であって、
固体伝播振動を発生させる振動発生手段を前記スピンドルにおける前記テーパ部の外周面に配置すると共に、前記固体伝播振動を検出する振動検出手段を前記シャフト本体の外周面に配置する配置工程と、
前記振動発生手段から前記固体伝播振動を発生させ、前記スピンドルから前記溶接部を通って前記シャフト本体に伝播した前記固体伝播振動を前記振動検出手段によって検出する検出工程と、
前記振動検出手段からの出力信号に基づいて、前記溶接部における異常の有無を判定する判定工程と、
を備えることを特徴とする溶接部の異常検出方法。
【請求項２】
前記振動発生手段は、前記テーパ部における前記溶接部側の端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項３】
前記振動検出手段の位置を固定し、前記振動発生手段の位置を前記テーパ部の外周面の円周方向に沿って変えながら、前記検出工程を複数回実行することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項４】
前記振動発生手段の位置を固定し、前記振動検出手段の位置を前記シャフト本体の外周面の円周方向に沿って変えながら、前記検出工程を複数回実行することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項５】
前記振動発生手段の位置を固定し、前記振動検出手段を前記シャフト本体の外周面の円周方向に沿って複数の箇所に設置し、前記検出工程を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項６】
前記判定工程は、前記出力信号の移動平均値の標準偏差に基づく標本線を設定し、前記出力信号が前記標本線の値に一致した回数に基づいて、前記溶接部における異常の有無を判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項１】
筒状のシャフト本体の端部に前記シャフト本体側に向かって大径となるテーパ部を有するスピンドルを溶接してなるアクスルの溶接部の異常の有無を検出する溶接部の異常検出方法であって、
固体伝播振動を発生させる振動発生手段を前記スピンドルにおける前記テーパ部の外周面に配置すると共に、前記固体伝播振動を検出する振動検出手段を前記シャフト本体の外周面に配置する配置工程と、
前記振動発生手段から前記固体伝播振動を発生させ、前記スピンドルから前記溶接部を通って前記シャフト本体に伝播した前記固体伝播振動を前記振動検出手段によって検出する検出工程と、
前記振動検出手段からの出力信号に基づいて、前記溶接部における異常の有無を判定する判定工程と、
を備えることを特徴とする溶接部の異常検出方法。
【請求項２】
前記振動発生手段は、前記テーパ部における前記溶接部側の端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項３】
前記振動検出手段の位置を固定し、前記振動発生手段の位置を前記テーパ部の外周面の円周方向に沿って変えながら、前記検出工程を複数回実行することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項４】
前記振動発生手段の位置を固定し、前記振動検出手段の位置を前記シャフト本体の外周面の円周方向に沿って変えながら、前記検出工程を複数回実行することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項５】
前記振動発生手段の位置を固定し、前記振動検出手段を前記シャフト本体の外周面の円周方向に沿って複数の箇所に設置し、前記検出工程を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の異常検出方法。
【請求項６】
前記判定工程は、前記出力信号の移動平均値の標準偏差に基づく標本線を設定し、前記出力信号が前記標本線の値に一致した回数に基づいて、前記溶接部における異常の有無を判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接部の異常検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−５３１８８（Ｐ２０１１−５３１８８Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０４８９７（Ｐ２００９−２０４８９７）
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月４日（２００９．９．４）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
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