快速准确地测量焊缝复杂3D形状的方法

焊接是在2个材料（母材）的接合部，使用热量或压力等能量，将两个材料或再添加焊材，接合成一个整体的方法。此时在焊接部分（焊接隆起的部分）形成的焊缝，是与接合强度、产品质量密切相关的重要部位。根据焊缝的形状，可评估焊接是否正确、是否有缺陷和不良。但是，为了准确评估焊缝，需要对其复杂的三维形状实施定量测量，此时存在各种课题。
下面将解说焊缝的基础知识、简单快速准确地测量焊缝3D形状的方法。

何谓焊缝
适合的焊缝尺寸和形状
焊缝形状的缺陷和不良
焊缝形状测量的课题解决方法
总结：对难以准确测量的焊缝形状测量进行飞跃性改善和高效化

何谓焊缝

焊缝是指当通过电弧焊接、激光焊接等各种焊接方法接合母材时，接合部分表面如同年糕条般呈凸起形状的部分。由于焊缝是带状，也称为带状加工。
在配管等金属管的制造中，辊轧成型后通过高频焊接将母材结合，焊接部分会形成焊缝。其它各种方法的焊接中，金属与母材熔融接合的部分即使呈几乎没有起伏的形状，也称为焊缝。

适合的焊缝尺寸和形状

下面将解说较具代表性的一种焊接方法，即电弧焊接形成的焊缝形状。
焊缝应符合尺寸规定，形状正确。

焊缝尺寸的规定和形状

焊缝的尺寸已得到标准化。通过满足这些条件，可获得适合的焊缝形状。除了在开发和设计阶段的考虑之外，还必须注意在工序中是否满足条件。

焊缝的最小厚度“喉厚”、母材熔融部分顶点至母材表面的长度“熔深”等焊接部截面的尺寸均有规定。
而且，可从外观了解的尺寸规定项目有，从接合根部处的焊接根部至焊缝焊趾的最小长度“焊脚长度”。例如下图中的角焊，判断合适的焊缝宽度的基准是，焊脚长度是否达到较薄母材板厚度80％以上。例如，当较薄母材板厚度为20 mm时，焊脚长度必须达到16 mm左右，由此确定焊缝宽度。焊脚长度示例如下图。

焊缝尺寸和电流量

在电弧焊接中，焊接时的电流量是影响焊缝尺寸的因素之一。电流越大，焊缝尺寸越大，当电流小时，形成形状较小的焊缝。若焊缝不满足规定尺寸和形状，则必须重新调整电流量、焊炬移动速度等各种焊接条件。

焊缝形状的缺陷和不良

除尺寸以外，焊缝表面形状（外观）上还需注意缺陷和不良。以下我们将结合图示，解说焊缝的代表性缺陷和不良现象及原因。

搭叠

【现象】: 搭叠是指，溢出到母材表面的熔融金属，在未熔融母材的状态下冷却凝固成焊缝的状态。
【发生原因】: 焊接速度过慢时，导致焊接金属量过大，从而发生该现象。此外，若在角焊中发生，过剩的熔融金属会因重力而向下垂淌。

余高不够

【现象】: 余高定义为“在坡口上或角焊中从表面隆起超过必要尺寸的焊接金属”。
【发生原因】: 原因是焊接条件（电流量和速度）不合适，由此引起该现象。

咬边

【现象】: 咬边定义为“在母材或已焊接部分上方重复焊接时产生的焊趾凹槽”。
【发生原因】: 通常是由于焊接电流过大或焊接速度过快等导致。

凹痕

【现象】

凹痕也被称作“开口缺陷”，是指焊接金属内部产生的气孔在释放到焊缝表面时，形成空洞并凝固的表面缺陷。此外，留在焊缝内部的气孔，则是被称为“气孔”的内部缺陷。

【发生原因】

可能是保护气体不良或脱氧剂不足、母材坡口面的油分、锈蚀、镀层等表面附着剂、材料含水量等。

裂纹（焊缝或母材的表面）

【种类和现象】

裂纹是指受焊接刚结束时的高温影响，在焊接部分产生的裂痕。大致可分为“凝固裂纹”和“液化裂纹”，凝固裂纹是在凝固时产生的裂纹。液化裂纹则是在多层焊接时，上一焊接层在后续焊接中被熔化而导致的裂纹。此外，根据发生位置及形状，还可以分为“纵向裂纹”、“焊趾裂纹”、“横向裂纹”、“环形裂纹”等。

裂纹（焊缝或母材的表面） — A

纵向裂纹

B

焊趾裂纹

C

横向裂纹

D

环形裂纹

除了可从形状和外观了解的缺陷与不良以外，还有影响接合强度的缺陷与不良，例如热量不足导致熔化量相对于必要熔深显得不足的“融入不足”，以及部分熔融金属未熔入母材的“融合不良”等。这些都是内部缺陷，必须用截面样品进行验证等。

焊缝形状测量的课题解决方法

为保证焊缝质量，检测必不可少。通过目视与良品样品或量具相比较需要高水平的技能和大量时间，判断也可能因人而异。此外，在多数情况下，在线自动检测装置在系统和精度方面不适合用于研究开发阶段和焊接条件设定的测试、抽取检测、少量多品种的全数检测等目的。

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