JP2002122573A - 丸材の欠陥検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、熟練した技能や管理を要することな
く、超音波を用いて丸材の欠陥を精度高く、且つ、検査
コストも安価にできる検査方法を提供する。 【解決手段】本発明による検査設備は、水の入った検査
槽１の中で丸材４を回転させる回転ローラ２および丸材
４の軸方向へ移動可能な一対の超音波発信子３ａ、超音
波受信子３ｂを備えており、超音波発信子３ａからフォ
ーカスさせた超音波を丸材４の軸に直角に発信し、丸材
４の反対側の超音波受信子３ｂで透過した超音波を受信
する。そして、丸材４の回転速度と超音波の発信間隔で
決まる丸材４の１回転当たりのデータ数に基づいて、丸
材４の全長・全周分の超音波強度データを２次元展開
し、丸材４の周方向および軸方向に超音波強度データを
連結する。その連結した超音波強度データの周方向およ
び軸方向の大きさを計測し、欠陥の有無を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、丸材の表面及び内
部に発生している欠陥を超音波により検査する方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、丸材の非破壊検査としては、丸材
の表面欠陥は渦流探傷法、漏洩磁束探傷法、磁粉探傷法
等によって、また内面欠陥は垂直式の超音波探傷法によ
って検査するのが一般的であった。一方、丸材に対する
品質向上と同時に、検査コスト低減要望もあり、丸材に
対する色々な検査方法が開発されてきた。 即ち、丸材
を回転させながら、超音波で丸材の軸方向に検査する技
術であり、特開平６―２７３３８９号公報、特開昭５８
―１４４７４２号公報等に開示されている。

【０００３】特開平６―２７３３８９号公報の技術は、
回転している丸材に対し、超音波探触子を丸材の軸方向
に移動させながら超音波を発信する。そして、丸材から
反射された超音波強度の履歴データを収集し、この履歴
データについて予め設定したしきい値を超えた超音波強
度の継続時間より丸材の欠陥を検査する方法である。

【０００４】また、特開昭５８―１４４７４２号公報の
技術は、スパイラル送りされる検査ライン上の丸材に対
して、超音波の垂直探触子と斜角探触子を設け、垂直探
触子により内部欠陥を検出し、斜角探触子により表面欠
陥と表皮下近傍の欠陥を検査する方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平６―２７３３８
９号公報、特開昭５８―１４４７４２号公報に開示され
る技術は、いずれも検査対象の丸材に向けて発信した超
音波の反射波を受信して欠陥を検出する方法であるが、
次の難点がある。即ち、丸材に向けて直角に発信された
超音波は丸材の表面と反対側の底面から各々反射され
る。一方、丸材の表面および表面近傍３ｍｍ以内に欠陥
があった場合、その欠陥から反射される反射波は、前記
の丸材の表面および底面から反射される反射波に埋もれ
て検出が不可能となる。

【０００６】このため、特開昭５８―１４４７４２号公
報の技術では、垂直探触子以外に斜角探触子を別に設け
て丸材の表面および表面近傍３ｍｍ以内の欠陥を検出し
ようとしている。しかし、この方法では超音波探触子の
数も多く必要とするし、検査対象の丸材の径が変わる度
に、超音波の垂直探触子および斜角探触子双方の位置や
角度を調整する必要があり、熟練した技能や管理を要す
る。

【０００７】また、特開平６―２７３３８９号公報に開
示される技術は、欠陥の周方向の大きさしか計測できな
いため、周方向には微小で良好だが、軸に平行な方向に
は大きく欠陥と判定すべきものを良好と判定することが
ある。そこで、本発明は熟練した技能や管理を要するこ
となく、丸材の欠陥を超音波を用いて精度高く、且つ、
安価なコストで検査できる方法を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による検査設備
は、水の入った検査槽の中で丸材を回転させる機構およ
び軸方向へ移動可能な一対の超音波探触子を備えてい
る。この設備で以下の検査を実施する。丸材を回転させ
ながら丸材に対し一対の超音波探触子を軸方向へ相対的
に移動し、１つの超音波探触子からフォーカスさせた超
音波を丸材の軸に直角に発信し、丸材の反対側に位置す
るもう１つの超音波探触子で透過した超音波を受信す
る。尚、この場合は、超音波探触子を軸方向に移動させ
るとしたが、逆に、超音波探触子を固定して丸材をスパ
イラル送りする方式でも構わない。

【０００９】そして、丸材の回転速度と超音波の発信間
隔で決まる丸材の１回転当たりのデータ数に基づいて、
丸材全長・全周分の超音波強度データを２次元展開し、
周方向および軸方向に超音波強度データを連結する。そ
の連結した超音波強度データの周方向および軸方向サイ
ズを測定し、欠陥の大きさを判定する。

【００１０】丸材全長を検査する場合、丸材の両端面を
認識する必要があるが、その方法は超音波の発信から受
信までの時間が、水中のみを透過する場合と、水中―丸
材―水中を透過する場合とで異なることを利用する。

【００１１】

【発明の実施の形態】従来の技術は、検査対象の丸材に
向けて発信した超音波の反射波を受信して欠陥を検出す
る方法であるため、 丸材の表面および底面からの反射
波と丸材の表面および表面近傍３ｍｍ以内の欠陥からの
反射波と判別できなかった。これに対して本発明は、発
信した超音波が検査対象の丸材を透過し、その透過した
超音波を受信して欠陥を検出するので、丸材の表面、 表
面近傍３ｍｍ以内、内部、の全ての欠陥を検出できる。
即ち、丸材に欠陥が存在するとその欠陥を透過した超音
波は減衰するので、その減衰度で欠陥有無を判定するの
である。

【００１２】本発明で表現する丸材は断面中実の円柱を
指し、断面中空の円筒は本検査対象に適さない。これは
中空部分での超音波の減衰が大きく欠陥との識別が難し
いからである。尚、超音波検査対象の丸材の材質は、主
に鉄鋼材料、非鉄金属材料であり、丸材の外径は凡そφ
３〜２０ｍｍくらいが好ましい。

【００１３】以下、図１に基づいて説明する。まず、丸
材の表面に付着した異物等による欠陥の誤検出を防止す
るため、超音波洗浄槽にて丸材を洗浄する。(図示せず)
検査設備は、検査槽１と、一対の回転ローラ２と、丸材
の軸方向へ移動可能な一対の超音波発信子３ａと超音波
受信子３ｂを備えており(以後、一対の超音波探触子を
各々超音波発信子、超音波受信子と称す)、超音波発信
子３ａが水没する位置まで水が入っている。これは、超
音波は空気中では減衰が非常に大きく超音波探傷として
の役をなさないので、超音波の減衰が小さく送受信に安
定な水中で実施するのである。

【００１４】洗浄の終わった丸材４を一対の回転ローラ
２の上に搬送する。そして、決められた回転数で回転し
ている丸材４に対し、決められた速度で軸方向に移動す
る超音波発信子３ａからフォーカスさせた超音波を発信
し、丸材４を透過した超音波を超音波受信子３ｂで受信
する。 そして、超音波の発信、受信を繰り返し行うこ
とにより、丸材４に対してスパイラル状に超音波をあて
ることができる。尚、フォーカスさせた超音波を発信す
るのは、ビームが細いと小さな欠陥でも超音波の減衰が
大きいので感度良く検査が出来るからである。

【００１５】このように丸材４を透過した超音波の強度
により欠陥を検出するため、丸材４の径のバラツキに対
しても従来技術の斜角探触子法に比べ安定した検出が可
能である。即ち、斜角探触子法では、丸材表面での超音
波の屈折を計算して超音波探触子の位置、角度を決めて
いるが、径のバラツキにより検出感度が変わる。また、
検査対象の丸材の径が変われば、その径に応じて超音波
探触子の位置、 角度を再調整する必要がある。

【００１６】受信した超音波強度は電圧値に変換され、
パソコン５にデータとして順次取り込まれる。そして、
パソコン５は丸材４の回転数、超音波発信子３ａと超音
波受信子３ｂの移動速度、超音波の発信間隔から算出し
た１回転当たりのデータ数に基づいて、データを２次元
展開し、長手方向のつながりを認識する。このように、
周方向のデータのつながりだけでなく、軸方向のデータ
のつながりも計測できるため、より正確に欠陥の検出が
可能となる。

【００１７】下記条件で、φ１５ｍｍ(外径)＊４０ｍｍ
(全長)の丸材を検査したデータの一例を示す。 丸材の回転速度 ； ２０回転／ｓｅｃ (ａ)超音波探触子の送り 速度 ； ２０ｍｍ／ｓｅｃ (ｂ) 超音波の発信間隔 ； ８０００パルス／ｓｅｃ (ｃ) 上記条件より、 ・検査時の丸材の回転数 ＝ ４０回転 (ａ×４０ｍｍ／ｂ)・ 丸材１回転中の発信(受信)超音波 ＝ ４００パルス (ｃ／ａ) ・全データ数 ＝ １６０００ （ｃ×４０ｍｍ／ｂ） 即ち、２次元展開図は、横軸に４０(丸材４０ｍｍ分４
０回転)、縦軸に４００(丸材１回転３６０ー分)、の１６
０００を展開したものである。展開図を図７に示す。
(後で、詳しく述べる。)尚、丸材の回転速度、超音波の
発信間隔、超音波探触子の送り速度は、概ね上記に記載
した数値に近似の条件で実施するのが通常である。

【００１８】この受信した超音波に対する欠陥検出ロジ
ックを図２(丸材４に欠陥のない場合)、図３（丸材４に
欠陥のある場合）により説明する。各図の上部は超音波
発信子３ａから超音波が発信され、丸材１を透過した超
音波を超音波受信子３ｂが受信する模式図を示し、下部
のグラフは超音波発信子３ａから発信された超音波を横
軸に示す時間経過後、超音波受信子３ｂが受信する超音
波の強さを示す。

【００１９】図２の丸材４に欠陥がなければ、超音波発
信子３ａから発信された超音波６は丸材４を透過した
後、その強度の減衰が小さいので、図２の７に示すよう
に超音波強度は大きい。それに対して図３の丸材４に欠
陥８がある場合、欠陥８で超音波６が反射、拡散される
ため、超音波受信子３ｂに入る超音波９の強度は減衰
し、図３の１０に示すように超音波強度は小さい。従っ
て、このように受信される超音波の強度を調べること
で、欠陥の有無を検査することが可能となる。

【００２０】次に、丸材４の両端面の検出ロジックを図
４(検査対象物の丸材がない場合)、図５(検査対象物の
丸材がある場合)により説明する。図４に示すように検
査対象物の丸材がない場合、超音波発信子３ａから発信
された超音波６は水中のみを通って超音波受信子３ｂに
入り減衰が小さいので、１１に示す強度の大きい超音波
である。一方、図５に示すように検査対象物の丸材４が
ある場合、超音波発信子３ａから発信された超音波は、
水中―丸材―水中を通って超音波受信子３ｂに入るの
で、図４の１１に示す時間位置より早い時間位置で(超
音波の音速は水中より丸材の方が速い)、１２に示す超
音波強度となる。

【００２１】前述のように、丸材と水とでは超音波の透
過する速度が違うため、図４の１１(検査対象物の丸材
がない場合)と、図５の１２(検査対象物の丸材がある場
合)では超音波を受信する時間がずれる。従って、水中
のみを通った超音波が受信される図４の１１の時間位置
の超音波強度を計測しておき、図６に示すように超音波
発信子３ａと超音波受信子３ｂを点線の矢印のように移
動させ、図４の１１の時間位置の超音波強度が低下した
時を丸材４の端面として検出できる。このように、端面
検出に超音波探触子を利用するため、特開平６―２７３
３８９号公報で開示されている画像処理装置のような端
面検出のための装置を別途設置する必要はない。

【００２２】ここで、 図７に示す２次元展開した超音
波強度データと、図８の欠陥を検出するための処理手順
をもとに、欠陥を検出する方法を説明する。まず、ある
定めたしきい値で図７に示すように超音波強度データを
２値化する。そして、これをラベリング処理し、しきい
値を超えてラベリングされた１個１個のかたまりについ
て、縦・横の長さを計測する。 縦の大きさ：周方向の角度 横の大きさ：軸方向の長さ 但し、欠陥の存在個所については、軸方向位置は分かる
が、丸材の表面または内部かについては分からない。

【００２３】縦の大きさ、横の大きさ各々に対し、欠陥
か否かのしきい値を設定しておけば、 丸材の良品・不
良品の判定ができる。勿論、縦の大きさ×横の大きさ、
で面積を計算し、面積で定めたしきい値で良品・不良品
の判定をしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、発信した超音波が検査対象の
丸材を透過し、その透過した超音波を受信して欠陥を検
出する方式とした。このため、斜角探触子法のように丸
材の径のバラツキによる欠陥検出感度の変化もなく、径
の変わった丸材を検査する時も超音波探触子の位置、角
度調整をする必要が無い。また、丸材両端面の検出も超
音波探触子を用いて可能である。

【００２５】従って、丸材の検査のための熟練した技能
や特別な管理を必要とせず精度の高い検査ができる。ま
た、検査も丸材の両端面検出のための画像処理等を必要
としないので安価にでき、検査コストも有利なものとな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の検査方法の概要を示す図である。

【図２】本発明による超音波で欠陥のない丸材を検査す
る時の図である。

【図３】本発明による超音波で欠陥のある丸材を検査す
る時の図である。

【図４】水中のみを透過した場合の超音波強度を示す図
である。

【図５】水中―丸材―水中を透過した場合の超音波強度
を示す図である。

【図６】本発明による丸材両端面の認識を説明する図で
ある。

【図７】本発明の検査結果データの一例を示す図であ
る。

【図８】本発明による丸材の欠陥検出の処理手順を示す
図である。

【符号の説明】

１．検査槽 ２．回転ローラ ３ａ．超音波発信子 ３ｂ．超音波受信子 ４．丸材 ５．パソコン ６．超音波 ７．超音波強度 ８．欠陥 ９．超音波 １０．超音波強度 １１．超音波強度 １２．超音波強度

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】丸材を回転させながら前記丸材に対し一対
   の超音波探触子を軸方向へ相対的に移動し、１つの超音
   波探触子からフォーカスさせた超音波を丸材の軸に直角
   に間隔をあけて発信し、前記丸材を透過した超音波を他
   の超音波探触子で受信し、その受信強度により丸材の欠
   陥の有無を判断することを特徴とする丸材の欠陥検査方
   法。
2. 【請求項２】前記丸材の回転速度と超音波の発信間隔で
   決まる丸材１回転当たりのデータ数に基づいて、丸材全
   長・全周分の超音波強度データを２次元展開し、丸材の
   周方向および軸方向に超音波強度データを連結すること
   を特徴とする請求項１に記載の丸材の欠陥検査方法。
3. 【請求項３】前記２次元展開した超音波強度データの周
   方向および軸方向サイズを測定し、その大きさで丸材の
   良否の検査を行うことを特徴とする請求項２に記載の丸
   材の欠陥検査方法。
4. 【請求項４】前記超音波の発信から受信までの時間が、
   水中のみを透過する場合と、水中―丸材―水中を透過す
   る場合とで異なることを利用し、丸材の端面を認識する
   ことを特徴とする請求項１に記載の丸材の欠陥検査方
   法。
5. 【請求項５】前記丸材の回転機構と、丸材に対し一対の
   超音波探触子を軸方向へ相対的に移動する機構と、一対
   の超音波探触子と、これらを収容する水槽と、受信した
   超音波信号を２次元展開するためのパソコンを備えたこ
   とを特徴とする丸材の欠陥検査装置。