专利名称：焊接部的组织形状的图像化方法及其装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及焊接部的组织形状的图像化方法及装置，该图像化方法及装置适合用于汽车(automobile)等所用的车轮(wheel)的焊接部、钢板的对接焊接部(butt weld)、贴角焊接部(fillet weld)、钢管的焊接部(welding area ofsteel pipe)的品质评价(qualityevaluation),并且可通过非破坏检查(nondestructive inspection)来迅速且准确(清晰)地将焊接部的组织形状(structure form)图像化(imaging)。
背景技术：
作为检查焊接部的品质的方法，列举如下的方法。(I)破坏检查(destructive inspection) 从被检查体(testobject)上切取样本(sample),对截面(cross-sectionsurface)进行研磨后,用腐蚀液(etching agent)腐蚀而进行观察、测定。(2)间接测定(indirect measurement)例如，作为车轮的焊接部的品质评价方法，有专利文献I所公开的评价方法。该方法由如下步骤构成，即预先求出车轮的焊接部的焊接中的轮缘(rim)外侧表面温度分布与焊接部的物理性状(physical nature)(熔化形状、熔化深度、强度等)之间的关系的步骤；在对车轮实际焊接时，计测车轮的焊接部在焊接中的轮缘外侧表面温度分布，将该计测数据(measured data)与先求出的轮缘外侧表面温度分布与焊接部的物理性状之间的关系进行比较，从而推定车轮的焊接部的物理性状。(3)非破坏试验提出有专利文献2所代表的采用超声波的焊接截面的图像化方法。通常，与母材部分相比，焊接部的组织的粒更粗大。因此，由于结晶粒径不同，因而在焊接部的组织和母材部分中，音速(acoustic velocity)上产生极细微的差。若将超声波的频率(ultrasonicfrequency)提高成为例如20MHz 50MHz,并且一边利用通过比声透镜(acoustic lens)及阵列探头(array probe)等更细地集中(会聚)的超声波束(ultrasonicbeam)来对与焊接方向垂直的截面进行扫描(scan)、一边接收反射波(reflectedwave)并对接收到的信号进行亮度转换(brightness conversion)而将其图像化,则能够将焊接部的组织与母材部分之间的边界面(bounding surface)的形状可视化。[现有技术文献]专利文献专利文献I :日本特开平11-101760号公报专利文献2 :日本特开2008-111742号公报
发明内容
发明要解决的课题但是，以往的焊接部的品质评价方法(quality evaluation method)存在如下的问题。(I)破坏试验由于不能破坏产品本身，因此是利用一定量的样本反复进行测试(test)、并在与测试相同的焊接条件(welding condition)下焊接产品来保证品质的方法(methodforguarantee the quality),因此没有进行针对每个产品的检查。此外,判定需花费时间和费用。(2)间接测定(专利文献I)通常，焊接中的被检查体的表面温度分布与焊接部的物理性状之间的关系存在偏差，有时会将优良品(non-defective product)判定成次品(defective product)、或相反 地将次品判定成优良品。(3)非破坏试验(专利文献2)来自焊接部的组织的反射波是非常微弱的，对接收到的信号进行放大，并对该放大的信号进行亮度转换而将其图像化。此时，采用会聚(对焦)的超声波束，因此有时无法得到来自焊接部的组织的反射波。此外，在对接收信号(received signal)进行放大时,来自焊接部的组织的反射波以外的信号、例如表面反射波(surface-ref lectedwave )、发送波(transmitter pulse)的波尾(ultrasonic tailing)、超声波探头内的回声(echo)等也被强调，难以得到清晰的图像。本发明正是鉴于这种问题而完成的，其课题在于，不通过破坏试验或间接测定地在非破坏试验中将焊接部的组织清晰地可视化。用于解决课题的手段本发明通过在如下所述的焊接部的组织形状的图像化方法中强调来自焊接部的组织的反射波，从而解决上述课题，上述图像化方法用于一边利用超声波束对被检查体的与焊接方向垂直的截面进行扫描、一边接收来自被检查体内部的反射信号(reflectedsignal)并根据接收到的反射信号将已扫描的截面图像化来检查焊接部的组织。在进行所述图像化时，通过对接收并离散值化后的信号波形(digitizedsignal waveform) Rb送去按移动平均点数(average score) m进行移动平均后的波形(movingaverage waveform) Ra,从而除去接收信号的低频成分(slowly varyingcomponent)，提取来自焊接部的组织的反射信号，仅对提取的反射信号进行放大，由此能够更清晰地强调来自焊接部的组织的反射波。在计算所述移动平均波形Ra时，可设要提取的频率的一个波长的长度为Pt [秒]、设离散值化的采样频率(sampling frequency)为Sp [Hz]、将移动平均点数m设为PtXSp[点]。此外，在被检查体的相对于焊接方向不同的多个位置，利用会聚的超声波束对与焊接方向垂直的截面进行扫描，并根据得到的超声波的接收信号将已扫描的截面图像化，将在相对于焊接方向的多个位置扫描得到的多个图像重叠，保持重合的像素的最大值，由此强调来自焊接部的组织的反射波。此外，按预定的频率反复进行所述超声波束的收发，并且与超声波束的发送同步地对接收到的反射信号进行加法计算，由此能够强调来自焊接部的组织的反射波。这里，在所述超声波束的最大扫描速度(maximum scan speed)为Vm[mm/秒]、扫描间距(scan pitch)为D[mm]、同步加法计算的平均点数(number ofsynchronousaddition processing)为 K[点]时，可根据算式 Kp=VmX (1/D)XK 来确定超声波的反复收发频率(repeated transmitted and received frequency) Kp [Kz]。本发明还提供一种焊接部的组织形状的图像化装置，其用于一边利用超声波束对被检查体的与焊接方向垂直的截面进行扫描、一边接收来自被检查体内部的反射信号并根据接收到的反射信号将已扫描的截面图像化来检查焊接部的组织，所述焊接部的组织形状的图像化装置的特征在于，其具备强调来自焊接部的组织的反射波的单元。发明效果在以往的技术中，为了使图像化得到的截面形状更清晰，在对亮度进行放大等时想要强调的信号以外的信号(噪声(noise))也一同放大，因此很难得到清晰的图像。例如，存在这样的问题为了更鲜明地看到形状，当对亮度进行放大来显示时，表面反射波或发送波的波尾及探头内部的回声也一同被强调。并且，还存在这样的问题由于会聚超声波束， 因此容易受到焊接部的组织形状的影响，局部地形状上出现“缺失区(darkness area)”。这里，“缺失区”是指在图像中不清晰的部分。根据本发明，通过在与被检查体的与焊接方向垂直的截面扫描超声波束，并通过移动平均处理(moving-average method)提取在扫描得到的各接收信号中出现的基础噪声(base noise),将其从接收信号中减去后,对减去后的信号的振幅(amplitude)进行放大，从而能够清晰地将焊接部的组织的形状图像化。并且，将相对于焊接线(weld line)的长度方向在多个部位图像化后的图像重叠，对于重合的像素，比较振幅并提取像素值的最大值，从而减少焊接部的组织形状的“缺失区”，能够实现更清晰的可视化。
图I是示出本发明实施方式的包括一部分框图(block diagram)在内的立体图(perspective view)。图2是说明上述实施方式的同步加法计算处理(synchronous additionprocessing)的一个示例的图。图3是同样地说明矩形脉冲信号(rectangular pulse signal)的转换部的动作图像的图。图4是说明本发明的从焊接部的组织与母材之间的边界得到反射的原理的图。图5是说明上述实施方式的移动平均信号的减法计算处理(processing tosubtractmoving average waveform)的图。图6是同样地示出移动平均信号的减法计算处理的效果的图。图7是示出本发明的最大亮度的提取处理的必要性的图。图8是说明上述实施方式的最大亮度的提取处理的图。图9是说明将同样地测定的波形存储到存储器中的方法的图。图10是说明上述最大亮度的提取处理中的图像转换(image translation)的图。图11是示出最大亮度的提取处理前的图像的示例的图。图12是示出最大亮度的提取处理的效果的图。图13是示出本发明的实施例的整个图像化方法的步骤的流程图。
图14是同样地示出一个截面图像化方法和图像化结果的示例的图。图15是同样地示出最大亮度的提取处理的示例的图。
具体实施例方式采用图I对用于实施本发明的实施方式进行说明。在图I中，S为被检查体，I为母材，2为焊接部的组织，3为超声波探头，B为超声波束(下面，也简称为“波束”)，4为C方向(被检查体的横断(交叉)方向)扫描单元，5为L方向(被检查体的长度方向)扫描单元，6为超声波发送单元，7为超声波接收单元，8为A/D转换部(analog/digital converter :模拟/数字转换部)，9为信号处理部(signal processor), 10为移动平均波形的减法计算部，11为最大亮度的提取处理部，12为输出部(outputpart)。—边相对于被检查体S利用C方向扫描单兀4对超声波探头3进行扫描,一边按预先设定的测定间距D[mm]利用超声波发送单元6驱动超声波探头3的振子(transducer)而发送超声波，利用超声波接收单元7接收从被检查体S反射来的超声波信号，利用A/D转换部8进行离散值转换(discretization),并将接收信号反复收入到信号处理部9中。此时，·声率禹合方法(acoustic coupling method)也可以是全没水浸法(i_ersion method)、局部水浸法(local immersion method)、直接接触法(contact method)、薄膜结合法(methodusing thin film)中的任一方法。超声波探头3接收到的反射波通过超声波接收单元7而被实施初始放大及主放大、滤除处理，通过A/D转换部8而被根据模拟信号进行离散值转换，并被发送到信号处理部9。与利用通常的探伤捕获的反射信号相比，来自被检查体S的焊接部2的组织的反射波相当微弱，为了相对于电噪声而提高信号对噪声比(signal-to-noise ratio),优选在离散值转换前后实施同步加法计算的平均处理。下面，对同步加法计算平均处理的一个示例进行说明。图2中示出了用于说明同步加法计算的平均处理的示例的图。在图2中，13是用于控制C方向扫描单元4来向C方向扫描超声波探头的C方向扫描单元的控制部，14是检测超声波探头3的C方向上的位置并按预先设定的间隔D[mm]输出脉冲信号的C方向位置的检测单元，15是对从C方向位置检测单元14输入的脉冲信号进行转换并输出脉冲信号的矩形脉冲信号的转换部。利用C方向扫描单元的控制部13控制C方向扫描单元4来扫描超声波探头3。此时，设C方向扫描单元4的最大扫描速度为Vm[mm/sec],设扫描间距为D [mm],设同步加法计算的平均点数为K[点]。预先设定成按扫描间距D[mm]从C方向位置的检测单元14输出矩形脉冲信号(例如，TTL 电平信号(transistor-transistor logic Ievelsignal ))。在利用C方向扫描单元4扫描超声波探头3时，按扫描间距D[mm]输出矩形脉冲信号，该矩形脉冲信号被输入到矩形脉冲信号的转换部15。这里，扫描间距D (mm)是测定空间分解能。图3是说明矩形脉冲信号的转换部15的动作图像的图。图3的(A)是输入到矩形脉冲信号的转换部15中的信号，图3的(B)是从矩形脉冲信号的转换部15输出的信号。如图3所示，与输入到矩形脉冲信号的转换部15的每D[mm]的脉冲信号同步地按下述算式所示的反复频率(PRF) Kp[Hz]输出K次矩形脉冲信号。
Kp=VmX (1/D) XK... (I)由于按预先设定的D[mm]输出K次矩形脉冲信号，因此与该脉冲同步地进行超声波的收发，取得K个接收信号，并进行同步加法计算的平均点数κ[点]的同步加法计算的平均处理。通过这样，从而能够与C方向扫描单元4的加减速无关地按预定的D[mm]取得被进行同步加法计算的平均的接收信号。在利用图I和图2中的A/D转换部8进行离散值化后，既可以利用信号处理部9来进行同步加法计算的平均处理，也可以利用专用的硬件(hardware)来进行处理并利用A/D转换部8收入D/A转换后的输出结果，关于该处理步骤，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变形。在向C方向扫描而收发超声波时,优选发送的超声波的波束尺寸(beam size)小。图4示出了可得到基于超声波的来自母材与焊接部的组织之间的边界的反射的结构(mechanism)。 与母材I相比，焊接部2的组织的结晶粒粗大，按照每个结晶，音速不同。在波束尺寸大的情况下，如图4 (A)所示，基于结晶方位的音速的差异被平均化，在母材I和焊接部2中，音速大致相同，难以得到来自边界面的反射波。另一方面，当缩小波束尺寸时，如图4的(B)所示，音速的平均化的影响小，在焊接部2和母材I中音速稍微不同，与波束尺寸大时相比，容易得到反射波。因此，优选超声波束B的波束尺寸小,优选该波束尺寸集中至焊接部2的组织的平均粒径。具体而言，关于优选的波束尺寸，在车轮的轮缘焊接中，大约为70 100 μ m，在UOE钢管或电缝焊接管等中大约为300 1000 μ m。作为发送波束尺寸小的超声波束的单元，超声波探头3也可以采用由单一的振子构成的探头、或者一维或二维地配置有多个振子的阵列探头中的任一个。在采用由单一的振子构成的探头时，将发送频率较高地设定成例如大约50MHz，利用声透镜集中超声波束。在采用阵列探头时，与采用由单一的振子构成的探头时同样地，提高发送频率，并控制各振子的发送定时(transmittingtiming),从而集中超声波束。相对于被检查体S利用超声波发送单元6驱动超声波探头3的振子并发送超声波。由于从焊接部2的组织得到的反射波为非常微弱的信号，因此，相对于电噪声，为了确保S/N，优选超声波的发送电压在200 300V以上。利用图I和图2中的A/D转换部8而离散值化的信号被发送到移动平均波形的减法计算部10。当将利用A/D转换部8而离散值化的波形的振幅直接放大并进行亮度转换时，来自焊接部2的组织的反射回声以外的回声、例如T脉冲或S回声的波尾、超声波探头内部的回声噪声(echo noise)这样的低频的基础噪声也同时被放大，结果是，无法得到清晰的图像。这里，T脉冲是直接接触法中的发送脉冲，S回声是水浸法中的来自被检查体表面的反射回声。因此，在图I和图2中的移动平均波形的减法部10中，如图5所示，通过相对于接收并进行A/D转换后的波形而仅提取基础噪声，并从波形形状减去该基础噪声，然后进行放大，从而仅强调来自被检查体S内部的反射波。关于波形的移动平均点数m，优选为设发送波形脉冲的一个波长的长度为Pt [秒]、设离散值的采样频率为Sp [Hz]、并通过下述算式而求出的值。m=PtXSp…(2)
事先测定被检查体S的底面反射波(bottom echo)的回声,根据所测定的波形形状确定发送脉冲的一个波长的长度Pt。在也可以不考虑被检查体S的组织的频率的衰减的情况下，在水浸法(包括全没水浸法或局部水浸法、水柱法)的情况下，也可以采用被检查体S的表面反射波来测定一个波长的长度并根据该波形来确定。此外，也可以在进行一次图像化后，任意地选择想要强调的反射波形，并根据该波形形状来确定Pt。当进行想要强调的频率的一个波长长度的移动平均处理时，如图5所示，仅发送波形脉冲或提取的频率成分的波形抵销而可仅提取基础噪声，从原信号中减去该基础噪声，从而能够除去基础噪声。并且，通过实施移动平均波形的减法计算处理，从而可不强调基础噪声而仅对来自焊接部2的组织的反射回声进行放大。移动平均波形的减法处理也可以在接收到相当于一个截面的量的超声波波形后总地进行计算，也可以一边扫描一边在每当收发超声波时进行计算。图6示出了移动平均波形的减法计算处理的效果。图6是采用频率为50MHz、在焦点附近的超声波束尺寸大约为70 μ m的超声波束来将车轮的轮缘焊接部分图像化的示例。 将超声波探头安装于可进行XY扫描的扫描仪(scanner),并一边向C方向扫描一边进行超声波的收发，利用A/D转换装置将接收信号离散值化并收入到计算机(calculator)中，并进行亮度转换而显示。图6 (A)是实施移动平均波形的减法计算处理前的示例，图6的(B)是相对于图6的(A)而实施移动平均波形的减法计算处理的示例。A/D转换装置的采样点数为500MHz。关于用于移动平均波形的减法计算处理的波形，为了仅留下50MHz的频率成分，采用(2)式计算为m=10点。根据图6的(A)可知，在焊接部2的组织的反射以外，低频成分也被放大。但是，根据实施本发明的图6的(B)可知，低频成分被除去，焊接部2的组织被清晰地图像化。下面，对图I和图2中的最大売度的提取处理部11进行说明。当对超声波的反射波形的振幅进行亮度转换而将截面形状图像化时，如图7所示的示例那样，会局部地产生“缺失区”(图7中的虚线内)。为了解决此问题，实施最大亮度的提取处理。关于最大売度的提取处理，王要米用图I和图8来进彳丁说明。图8是不出图I和图2中的最大亮度的提取处理部11的详细情况的图，16是L方向扫描单元5的控制部，17是存储器控制部，18是图像转换部，19是最大亮度的计算部。首先，在图I中，在位置Pl处一边利用C方向扫描单元4扫描超声波探头3，一边收发超声波，利用A/D转换部8对接收到的信号进行离散值转换并将其发送到信号处理部
9。利用信号处理部9进行前述的同步加法的平均处理及移动平均波形的减法计算处理等前处理，并存储到处于最大亮度的提取处理部11的内部的存储器Ml Mn中。存储器控制部17从L方向扫描单元的控制部16取得通过超声波计测出的位置的信息，若是在位置Pl计测到的接收信号，则存储到存储器Ml中，若是在位置P2计测到的接收信号，则存储到存储器M2中，以这样的方式将在位置Pn计测到的接收信号存储到存储器Mn中。关于将在位置Ps测定到的波形存储到存储器Ms中的方法，采用图9进行说明。在图9中，Dl Dm是相对于C方向测定波形的位置。在图9中，假定相对于C方向在m点的位置测定波形。在该情况下，利用A/D转换部8将各波形离散值化，实施上述的移动平均波形的减法计算处理这样的前处理，并存储于存储器Ms中。利用A/D转换部8将波形离散值化成Sd点。存储器Ms为二维的矩阵。存储器Ml Mn分别为二维结构。下面，在位置Ps，C方向的位置D、波形的传播时间方向t上的离散值化的值标记为Ms (X、t)。如图8所示，存储于存储器Ml Mn中的波形数据经图像转换部18而转换成图像数据BI Bn。如图9的(A)所示，超声波的接收信号以及被进行同步加法计算的平均处理或移动平均波形的减法计算处理等前处理的超声波的接收信号呈具有正负振幅的波形形状。为了利用图像转换部18从超声波的接收信号转换成图像，如图10的(A)所示，相对于正负地具有振幅的波形而进行全波整流，一次转换成图10的(B)中所示的将负的振幅向正侧折回的形状。然后，向全波整流后的波形的振幅分配亮度。将分配的关系表示为下述算式。
权利要求
1.一种焊接部的组织形状的图像化方法，用于一边利用超声波束对被检查体的与焊接方向垂直的截面进行扫描、一边接收来自被检查体内部的反射信号并根据接收到的反射信号将已扫描的截面图像化来检查焊接部的组织， 所述图像化方法强调来自焊接部的组织的反射波。
2.根据权利要求I所述的焊接部的组织形状的图像化方法，其中， 在进行所述图像化时，通过对接收并离散值化后的信号波形Rb减去按移动平均点数m进行移动平均后的波形Ra，从而除去接收信号的低频成分，提取来自焊接部的组织的反射信号，仅对提取的反射信号进行放大，由此强调来自焊接部的组织的反射波。
3.根据权利要求2所述的焊接部的组织形状的图像化方法，其中， 在计算所述移动平均波形Ra时，设想要提取的频率的一个波长的长度为Pt [秒]，设离散值化的采样频率为Sp [Hz]，将移动平均点数m设为Pt X Sp [点]。
4.根据权利要求I所述的焊接部的组织形状的图像化方法，其中， 在被检查体的相对于焊接方向不同的多个位置，利用会聚的超声波束对与焊接方向垂直的截面进行扫描，并根据得到的超声波的接收信号将已扫描的截面图像化，将在相对于焊接方向的多个位置扫描得到的多个图像重叠，保持重合像素的最大值，由此强调来自焊接部的组织的反射波。
5.根据权利要求I所述的焊接部的组织形状的图像化方法，其中， 按预定的频率反复进行所述超声波束的收发，并且与超声波束的发送同步地对接收到的反射信号进行加法计算，由此强调来自焊接部的组织的反射波。
6.根据权利要求5所述的焊接部的组织形状的图像化方法，其中， 在所述超声波束的最大扫描速度为Vm[mm/秒]、扫描间距为D [mm]、同步加法计算的平均点数为K[点]时，根据算式Kp=VmX (1/D) XK来确定超声波的反复收发频率Kp[Kz]。
7.一种焊接部的组织形状的图像化装置，其用于一边利用超声波束对被检查体的与焊接方向垂直的截面进行扫描、一边接收来自被检查体内部的反射信号并根据接收到的反射信号将已扫描的截面图像化来检查焊接部的组织， 所述图像化装置具备强调来自焊接部的组织的反射波的单元。
8.根据权利要求7所述的焊接部的组织形状的图像化装置，其中， 在进行所述图像化时，通过强调所述反射波的单元对接收并离散值化后的信号波形Rb减去按移动平均点数m进行移动平均后的波形Ra，从而除去接收信号的低频成分，提取来自焊接部的组织的反射信号，仅对提取的反射信号进行放大，由此来强调来自焊接部的组织的反射波。
9.根据权利要求8所述的焊接部的组织形状的图像化装置，其中， 在计算所述移动平均波形Ra时，设想要提取的频率的一个波长的长度为Pt [秒]，设离散值化的采样频率为Sp [Hz]，将移动平均点数m设为Pt X Sp [点]。
10.根据权利要求7所述的焊接部的组织形状的图像化装置，其中， 在被检查体的相对于焊接方向不同的多个位置，强调所述反射波的单元利用会聚的超声波束对与焊接方向垂直的截面进行扫描，并根据得到的超声波的接收信号将已扫描的截面图像化，将在相对于焊接方向的多个位置扫描得到的多个图像重叠，保持重合像素的最大值。
11.根据权利要求7所述的焊接部的组织形状的图像化装置，其中， 强调所述反射波的单元按预定的频率反复进行所述超声波束的收发，并且与超声波束的发送同步地对接收到的反射信号进行加法计算。
12.根据权利要求11所述的焊接部的组织形状的图像化装置，其中， 在所述超声波束的扫描的最大扫描速度为Vm[mm/秒]、扫描间距为D[mm]、同步加法计算的平均点数为K[点]时，通过算式Kp=VmX (1/D) XK来确定超声波的反复收发频率Kp[Ηζ]ο
全文摘要
通过非破坏检查来迅速且准确(清晰)地将焊接部的组织形状图像化。具体而言，在进行如下所述的焊接部的组织形状的图像化时，通过减去按平均点数(m)进行移动平均后的波形(Ra)，从而除去接收信号的低频成分而提取来自焊接部的组织的反射信号，仅对提取的反射信号进行放大、或在被检查体的相对于焊接方向不同的多个位置利用会聚的超声波束对与焊接方向垂直的截面进行扫描，并根据得到的超声波的接收信号来将扫描到的截面图像化，将在相对于焊接方向的多个位置扫描得到的多个图像重叠，保持重合的像素的最大值，由此强调来自焊接部的组织的反射波，上述焊接部的组织形状的图像化用于一边利用超声波束(B)对被检查体(S)的与焊接方向垂直的截面进行扫描、一边接收来自被检查体内部的反射信号并根据接收到的反射信号将已扫描的截面图像化来检查焊接部(2)的组织。
文档编号G01N29/06GK102893145SQ201180023300
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者松井穰, 饭塚幸理, 高田一, 尾关孝文 申请人:杰富意钢铁株式会社