JP2003344364A

JP2003344364A - 中実軸の超音波探査方法

Info

Publication number: JP2003344364A
Application number: JP2002157601A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Nishino; 英昭西野
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】中実軸の段付部から生じる欠陥を超音波で探
傷するに当り、欠陥の検出感度を高めることのできる中
実軸の超音波探傷方法を提供すること。【解決手段】段付部１２を有する中実軸１の段付部表
面から生じる欠陥を超音波により検査する中実軸の超音
波探傷方法において、中実軸１の軸端面１０ａから縦波
超音波を入射するに際して、入射角を変化可能な可変角
探触子１４を使用するものであり、屈折角αが下記条件
式を満足する。 α₁ ≦α≦α₂ α₁ ＝ｔａｎ^-1［（Ｄ／２）×（１／Ｌ）］ α₂ ＝ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ）ただし、Ｌは軸端面から段付部までの長さ、Ｄは軸端面
から段付部までの軸部分の直径である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、段付部を有する中
実軸に生じる欠陥の検査を超音波探傷により行う中実軸
の超音波探傷方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】中実軸の内部に生じる欠陥を軸端面から
超音波を入射させて検査する方法として、超音波垂直探
傷法と超音波斜角探傷法とがある。超音波垂直探傷法で
は、超音波探触子を軸端面に当てて探傷する。また、超
音波斜角探傷法では、一般的に横波を用いており、超音
波探触子を中実軸の側面から当てて、欠陥から直接反射
してくるエコーにより探傷する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
垂直探傷法の場合は、通常、平面状の欠陥で５ｍｍ程度
以上の幅と深さがなければ、検出が困難である。また、
曲面状の欠陥に対しては、検出感度が低く実質上は検出
不可能である。

【０００４】また、超音波斜角探傷法の場合は、深さ１
ｍｍ程度の欠陥を検出できる場合もあるが、中実軸の直
径Ｄと軸端面から段付部までの長さＬの比（Ｄ／Ｌ）が
１以下の場合は、超音波が１回以上内部で反射されるた
め、超音波の減衰が大きく、エコーの解析も難しくな
る。よって、欠陥の検出精度が著しく低くなり、実質上
は検査方法としては採用しがたいものであった。

【０００５】なお、超音波探傷以外の方法として、段付
部の表面から発生する欠陥の有無を直接判定する磁粉探
傷検査や浸透探傷検査という方法もある。しかし、これ
らの方法は、検査を行うために中実軸の段付部を露出さ
せる必要があり、検査を行える程度に機器を解体しなけ
ればならないという欠点がある。従って、検査の準備の
ために大掛かりな作業が伴うことが多く、多大な費用と
時間を要する。その点、超音波探傷法は、軸端面を露出
させれば探傷できるので、そのような問題点はない。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、その課題は、中実軸の段付部から生じる欠陥を超
音波で探傷するに当り、欠陥の検出感度を高めることの
できる中実軸の超音波探傷方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明に係る中実軸の超音波探傷方法は、段付部を有す
る中実軸の段付部表面から生じる欠陥を超音波により検
査する中実軸の超音波探傷方法において、中実軸の軸端
面から縦波超音波を入射するに際して、入射角を変化可
能な可変角探触子を使用することを特徴とするものであ
る。

【０００７】この構成によると、中実軸の軸端面から縦
波超音波を入射するに際して、入射角が変化可能な可変
角探触子を用いる。従って、曲面状の欠陥であって、垂
直探傷法では検出できないような欠陥であっても、検出
することができる。また、平面状の欠陥でも、垂直探傷
法よりも検出感度が向上することが実験的に確認でき
た。その結果、中実軸の段付部から生じる欠陥を超音波
で探傷するに当り、欠陥の検出感度を高めることのでき
る中実軸の超音波探傷方法を提供することができる。

【０００８】本発明の好適な実施形態として、中実軸の
内部に侵入する超音波の屈折角αが下記条件式を満足す
るものがあげられる。 α₁ ≦α≦α₂ α₁ ＝ｔａｎ^-1［（Ｄ／２）×（１／Ｌ）］ α₂ ＝ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ）ただし、Ｌは軸端面から段付部までの長さ、Ｄは軸端面
から段付部までの軸部分の直径である。

【０００９】屈折角を上記のように設定して検査を行う
ことで、効率良く探傷を行うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る中実軸の超音波探傷
方法の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１
は、本発明に係る超音波検査方法の構成を示す模式図で
ある。

【００１１】図１（ａ）は、中実軸１の形状及び探触子
の取り付け位置を示す図である。中実軸１は、第１円筒
部１０と第２円筒部１１とが形成され、第１円筒部１０
の直径よりも第２円筒部１１の直径の方が大きく、第１
円筒部１０と第２円筒部１１の境界には段付部１２が形
成される。段付部１２は、構造的に応力集中が起こりや
すく、表面から割れなどの欠陥が生じやすい。また、そ
の欠陥は、表面に対して垂直（軸端面に対して平行）に
生じるとは限らず、中実軸１に作用する応力との関係か
ら、ある角度を持って生じることが多い。この欠陥を検
出するために、超音波探触子を用いた探傷を行う。

【００１２】第１円筒部１０の軸端面１０ａに、超音波
探触子１４が設けられる。超音波探触子１４は、縦波超
音波の入射角αが傾斜しており、かつ、この入射角αを
変化可能なものを利用する。また、本発明による探傷方
法の効果を確かめるために、段付部１２に人口きず１３
を形成した。垂直探触子１４’（破線で示す）の場合
は、きずに軸線と平行な方向で向かい合っていないと、
きずを検出できない可能性が高い。一方、本発明のよう
に入射角を可変な探触子を用いることで、きずを検出す
る検出感度が高まる。

【００１３】図１（ｂ）には、入射角θと中実軸内部で
の屈折角αの関係が示されている。軸端面１０ａにて、
超音波が屈折するため、入射角θと屈折角αは異なる。
入射角θが可変であるため、それに連動して屈折角α
も可変である。また、中実軸１の側端面から探触子１４
の中心までの距離をＹ（ただし、Ｙは最短距離を示す）
で表わし、中実軸内部での超音波ビームの路程をＷで表
わし、軸端面１０ａから段付部１２までの長さ（第１円
筒部１０の軸線に沿った長さ）をＬで表わし、第１円筒
部１０の直径をＤで表わしている。

【００１４】図１（ｃ）（ｄ）は、探触子１４の入射角
を変更するための機構を示す。超音波探触子１４は、一
対の支持部材１５の間に支点Ｏ周りに回動可能に支持さ
れている。探触子１４を支点Ｏ周りに回動させること
で、入射角を変更することができる。

【００１５】＜入射角（屈折角）の設定＞次に、超音波
探触子を用いる場合の超音波の入射角及び屈折角に関し
て図２により説明する。実際に試験体の内部に入射され
る超音波の屈折角αの設定範囲は、下記式（１）と
（２）で表わされるα₁ とα₂ との間で可変すればよ
い。なお、角度の単位は「゜」である。

【００１６】 α₁ ≦α≦α₂ α₁ ＝ｔａｎ^-1［（Ｄ／２）×（１／Ｌ）］・・・（１） α₂ ＝ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ）・・・（２）ただし、Ｌは軸端面から段付部までの長さ、Ｄは軸端面
から段付部までの軸部分の直径である。

【００１７】探触子による探傷を行う場合は、探触子を
軸端面の上で全面に亙って任意に移動させる。すなわち
_、図１（ｂ）に示すＹの値を様々に変化させる。そし
て、それぞれのＹの位置において、入射角を変化させて
探傷するので、入射角を可変する範囲は、できるだけ小
さくした方が検査効率がよい。そこで、上記のようにα
を設定して探傷を行えば、効率良く探傷を行うことがで
きる。図２からも分かるように、α₁ は、軸端面の中心
Ｑと、段付面と第１円筒部の軸側面との交点Ｐとを結ん
だ線分が、軸線となす角度である。α₂ は、軸端面の側
端点Ｒと前記交点Ｐとを結んだ線分（第１円筒部を平面
座標に投影した時にできる長方形の対角線に相当す
る。）が、軸線となす角度である。

【００１８】また、中実軸の外部における入射角θの設
定範囲は、下記式（３）と（４）で表わされるθ₁ とθ
₂ との間で可変すればよい。

【００１９】 θ₁ ≦θ≦θ₂ θ₁ ＝ｓｉｎ^-1［（ｖ₁ ／ｖ₂ ）×ｓｉｎα₁ ］・・・（３） θ₂ ＝ｓｉｎ^-1［（ｖ₁ ／ｖ₂ ）×ｓｉｎα₂ ］・・・（４）ただし、ｖ₁ は探触子シュー材質内部での音速、ｖ₂ は
試験体内部での音速であり、α₁ とα₂ は式（１）
（２）により求められるものである。

【００２０】以上のようにすれば、入射角（屈折角）を
変更するに際して、必要な範囲のみ変更させることがで
き、探傷検査を効率良く行うことができる。

【００２１】＜実験方法＞次に、本発明による探傷方法
の効果を確認するために、中実軸に種々の人口きずを形
成し、検査を行った。試験体として、２種類を用意し
た。図３は、第１の試験体を示し、図４は第２の試験体
を示す。

【００２２】第１・第２の試験体は、軸の形状は同じで
ある。すなわち、第１円筒部１０は、長さＬが２１５
ｍｍで直径Ｄが１２０ｍｍである。第２円筒部１１は、
長さが３７２ｍｍで直径が１５０ｍｍである。

【００２３】また、第１の試験体に形成する人口きず１
３は、ドリルホールにより形成されたものであり（図３
（ｃ）参照）、断面が円形である。また、人口きず１３
は、図３（ａ）に示すように、軸端面に対して２０゜傾
斜させて形成した。さらに、人口きず１３は、図３
（ｂ）に示すように、円周方向に等間隔に(1) から(12)
までの１２箇所に形成しており、それぞれ、きずの形状
を異ならせている。これらの人口きず１３の形状は、図
３（ｄ）に一覧表にして示している。一覧表からも分か
るように、人口きずの径はφ１，２，３，５ｍｍの４通
り、深さｄは５，１０，２０ｍｍの３通りであり、これ
らを適宜組み合わせた。

【００２４】第２の試験体に形成する人口きず１３は、
スリットであり (図４（ｃ）参照)、断面が矩形であ
る。人口きず１３は、第１の試験体と同様に、軸端面に
対して２０゜傾斜させている。また、人口きず１３は図
３（ｂ）に示すように、円周方向に等間隔に(2) から(1
2)までの１１箇所に形成されており、それぞれ、きずの
形状を異ならせている。これらの人口きず１３の形状
は、図４（ｄ）に一覧表にして示している。一覧表から
も分かるように、人口きずの長さａは、５，１０，１
５，２０ｍｍの４通り、深さｄは、５，１０，２０ｍｍ
の３通り、幅ｂはすべて１ｍｍである。なお、長さａと
は円周方向に沿った長さである (図４（ｂ）参照) 。幅
ｂは、中実軸の軸線方向に沿った長さである。

【００２５】次に、その他の試験条件について説明す
る。まず、第１・第２の試験体は、共に材質はＳ２５Ｃ
である。使用した探傷器は、パナメトリクス (株) 製の
エポックIII である。使用した超音波探触子は、垂直探
触子として、三菱電機 (株) 製の２Ｚ２０Ｎを使用し、
可変入射角の縦波斜角探触子として、ジャパンプローブ
(株) 製のものを使用した。超音波の周波数は、２ＭＨ
ｚとした。

【００２６】基準感度Ｂとしては、以下のように設定し
た。（１）第１試験体垂直探触子・・・Ｂ＝１００％＋１２ｄＢ斜角探触子・・・Ｂ＝８０％＋６ｄＢ（２）第２試験体垂直探触子・・・Ｂ＝１００％＋１２ｄＢ斜角探触子・・・Ｂ＝８０％なお、１００％とあるのは、試験体の底面からの底面エ
コーを探傷器の表示画面に表示させた場合、エコー高さ
が１００％になるように合わせることを意味する。また
＋１２ｄＢとあるのは、上記のように底面エコーの高さ
を調整した後、さらに感度を＋１２ｄＢだけ探傷器で調
整することを意味するものである。もちろん、基準感度
の設定の仕方は、適宜行うことができるものである。

【００２７】また、測定を行うに際して、探触子を中実
軸の軸端面の全体を動かしながら探傷を行う。探触子の
移動は、人手により行うが、機械により動かすようにし
ても良い。探触子を軸端面の面全体を動かすことによ
り、段付部の全周を探傷することができる。また、実験
は、１つの入射角で１通り探傷した後、他の角度に設定
して同様の探傷を行う。入射角の変更は、人手で行って
もよいし、機械で自動的に行っても良い。

【００２８】＜実験結果＞次に実験結果を説明する。図
５、図７は、第１の試験体における実験結果であり、図
５は本発明による斜角探触子の実験結果、図７は比較例
である垂直探触子の実験結果である。図６、図８は、第
２の試験体における実験結果であり、図６は本発明によ
る斜角探触子の実験結果、図８は比較例である垂直探触
子の実験結果である。

【００２９】図７に示すように、第１の試験体の場合、
垂直探触子（入射角＝０゜）はエコーを検出できず、ド
リルホールによる人口きずを検出できなかった。図５で
は、入射角を設定することで、すべての人口きずに対し
てではないが、エコー高さを検出することができた。な
お、エコー高さを判別しがたい等のケースは、探傷結果
の欄に「−」を記入している。エコー高さの記録は、最
もエコー高さが高くなる場合の数値を記録している。

【００３０】図８に示すように、第２の試験体の場合
は、垂直探触子を使用しても、エコー高さを検出でき
た。しかし、図６に示すように、入射角を８゜に設定す
ると、斜角探触子のほうがエコー高さが大きくなってい
る。すなわち、入射角を適切に設定すれば、垂直探触
子よりも斜角探触子のほうが、検出感度が高いと言うこ
とができる。

【００３１】図９は、第１試験体における代表波形図を
示すものである。図１０は、底面エコーを示す波形図で
ある。図１０は、基準感度の設定を示す図である。横軸
において「Ｂ１」とあるのは、試験体の底面からの１回
目の反射エコーを示す。ＦＳ１０００とあるのは、画面
上のフルスケールを距離１０００ｍｍに合わせているこ
とを示す。斜角探触子の入射角の設定を０゜とした場合
の、底面エコーを画面上８０％に合わせ、更に６ｄＢ感
度を高めたものを基準感度としている。

【００３２】図９は、それぞれグラフ上に示されるサイ
ズのドリルホールにおける代表的な波形図である。図中
「Ｆ１」とあるのは、人口きずからの１回目の反射エコ
ーである。「ＦＳ５００」とあるのは、フルスケールを
５００ｍｍに合わせたことを意味するものである。ま
た、このグラフから、欠陥の有無の検出のみならず、欠
陥の位置も検出可能である。グラフの横軸の読みと、軸
端面における探触子の位置（Ｙ）から三角関数により求
めることができる。そのため、きずが内部まで進行して
いる場合は、その点についても検出可能である。なお、
グラフ中に１８％のあたりに横線が表示されている。こ
れは、オペレータがキズか否かを画面上で判断しやすい
ようにするためである。

【００３３】以上の実験結果からも分かるように、第１
の試験体の場合は、垂直探触子では検出できないドリル
ホールであっても、入射角を可変な斜角探触子だと、最
適な入射角（本試験体の場合は８゜）を設定することで
検出可能である。従って、垂直探触子では検出できない
ような、曲面状の欠陥に対しては有効である。また、第
２の試験体のような平面状の欠陥に対しても検出感度が
向上することが分かった。

【００３４】＜別実施形態＞本発明が適用可能な中実軸
の形状は、本実施形態で説明したものに限定されない。
中実軸の材質についても、Ｓ２５Ｃ以外の種々の材質に
対して適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】中実軸の超音波探傷方法の構成を示す模式図

【図２】超音波探触子を用いる場合の超音波の入射角の
設定を説明する図

【図３】第１の試験体の形状を示す図

【図４】第２の試験体の形状を示す図

【図５】第１の試験体における実験結果を示す図（実施
例）

【図６】第２の試験体における実験結果を示す図（実施
例）

【図７】第１の試験体における実験結果を示す図（比較
例）

【図８】第２の試験体における実験結果を示す図（比較
例）

【図９】第１の試験体において検出された代表波形図

【図１０】第１の試験体における底面エコーの波形図

【符号の説明】

１中実軸１０第１円筒部１０ａ軸端面１１第２円筒部１２段付部１３人口きず１４探触子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】段付部を有する中実軸の段付部表面から
生じる欠陥を超音波により検査する中実軸の超音波探傷
方法であって、中実軸の軸端面から縦波超音波を入射するに際して、入
射角を変化可能な可変角探触子を使用することを特徴と
する中実軸の超音波探傷方法。
【請求項２】中実軸の内部に侵入する超音波の屈折角
αが下記条件式を満足することを特徴とする請求項１に
記載の中実軸の超音波探傷方法。 α₁ ≦α≦α₂ α₁ ＝ｔａｎ^-1［（Ｄ／２）×（１／Ｌ）］ α₂ ＝ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ）ただし、Ｌは軸端面から段付部までの長さ、Ｄは軸端面
から段付部までの軸部分の直径である。