JP2004212308A - 溶接部の検査方法及び検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接構造体の溶接部の検査において、接触媒質で検査対象の周辺を汚染せず、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることである。
【解決手段】超音波探触子１は超音波送受信面に接触媒質１０と薄くて且つ柔軟性のあるシート１５を有している。応力を付加する手段２７により超音波探触子に応力を付加しながら、垂直超音波が対抗面で反射した垂直反射波の信号強度と応力の相関を得る。応力の増加に伴う信号強度の増加の程度が緩やかになった時点の応力を維持して、ＳＨ波の送受信を行う。溶接部１３に存在する空隙１４で反射したＳＨ反射波の信号検出の有無から空隙１４の有無を知り、空隙が有れば溶接不良、無ければ健全であると判断する。
【選択図】 図１
【解決手段】超音波探触子１は超音波送受信面に接触媒質１０と薄くて且つ柔軟性のあるシート１５を有している。応力を付加する手段２７により超音波探触子に応力を付加しながら、垂直超音波が対抗面で反射した垂直反射波の信号強度と応力の相関を得る。応力の増加に伴う信号強度の増加の程度が緩やかになった時点の応力を維持して、ＳＨ波の送受信を行う。溶接部１３に存在する空隙１４で反射したＳＨ反射波の信号検出の有無から空隙１４の有無を知り、空隙が有れば溶接不良、無ければ健全であると判断する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波の送受信により金属構造体の溶接部に存在する亀裂や金属部材間の隙間等の空隙を検査する技術に関する。具体的には、化学プラント等に設置された大型のタンク並びに長距離に渡って敷設された配管で代表される複数の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部に存在する空隙の有無から溶接部の健全性を評価する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波の送受信により金属構造体の溶接部に存在する亀裂や金属部材間の隙間等の空隙を検査する際に利用できる超音波として、超音波の振動方向が超音波の伝播方向に一致している超音波、即ち縦波、若しくは超音波の振動方向が超音波の伝播方向に垂直、且つ検査対象物の表面に垂直である超音波、即ちＳＶ波、若しくは超音波の振動方向が超音波の伝播方向に垂直、且つ検査対象物の表面に平行である超音波、即ちＳＨ波が知られている。この中でＳＨ波は、振動方向が検査対象の表面に沿っているため、検査対象が水中等にあっても超音波のエネルギーが外部へ散逸しにくいこと、空隙等で反射した際に超音波の種類が変換しないという特徴を有しており、長距離に渡って伝播させることができる。従って、大型のタンクや長い配管等の超音波探傷に好適と考えられる。しかしながら、ＳＨ波は、超音波探触子から構造体内部に伝達しにくい、という欠点を有しており、従来は実用に供せられることは少なかった。
【０００３】
実用化されたＳＨ波を利用した検査技術として、図２に示した金属配管の表面腐食を検査する方法と装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。超音波探触子１の内部に設けられたＳＨ波振動子３で金属配管２の表面を伝播するＳＨ波を送信し、配管支持部４等で表面が覆われて目視できない位置に存在する腐食部からの反射波を、超音波探触子１で受信する。反射波の検出の有無から腐食の有無、反射波の信号強度から腐食程度を知ることができる。金属配管２の任意の位置に超音波探触子１が取り付けられるように、超音波探触子１はバネ９及び支持体８を介して移動体７に連結しており、移動体７は金属配管２の外周に設けられたリング５で金属配管２に磁石６で固定される。従来技術では、反射波の検出性能から使用するＳＨ波の周波数の下限は０．５ＭＨｚ 、ＳＨ波の伝播距離から使用するＳＨ波の周波数の上限は５ＭＨｚとされ、好ましい周波数は０．５ 〜５ＭＨｚとされている。検査対象の腐食は金属配管２の表面、即ち超音波探触子を接している側の表面であることから、ＳＨ波のうち表面ＳＨ波、即ち超音波探触子が接している側の表面のみが部分的に振動するＳＨ波が望ましいことから、
ＳＨ波が金属配管表面に入射する際の屈折角は８０〜９０度であることが好ましい、とされている。更に、超音波探触子を支持体８とバネ９で構成された荷重付与機構を用いて一定荷重で金属配管表面に押し付けることが好ましい、とされているが具体的に如何なる荷重で押し付けるかは記載がない。また、超音波探触子１と金属配管２の表面との間に接触媒質１０を挟むことで、超音波を良好に金属配管内に伝達できる、とされているがその詳細については記載がない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２４３７０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
溶接部に存在する空隙の有無から溶接部の健全性を評価する方法と装置化学プラント等に設置された大型のタンク並びに長距離に渡って敷設された配管で代表される複数の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部を検査対象とする場合、検査は大気中ばかりでなく水中で行われる場合も多い。また、人が用意にアクセス出来ない位置に検査装置を設置しなければならないこともある。従って、接触媒質を超音波探触子の超音波送受信面に単に塗布して構造体の表面に押し付ければ、接触媒質が水中へ溶け出して環境を汚染したり、構造体の表面に付着した接触媒質を後で清掃あるいは回収したりすることは容易でない。また、複数の位置を検査する場合には、超音波探触子に接触媒質を塗布するのに手間が掛かる。
【０００６】
上記従来技術は、超音波探触子と構造体の表面との間に挟む接触媒質の挟み方ついては具体的に記載されていない、という問題があった。従って、本発明の第１の目的は、検査対象である構造体の表面に接触媒質が付着しない接触媒質の保持方法について提供することにある。
【０００７】
次に、本発明の第２の目的について以下記載する。
【０００８】
図３（ａ）に示すように金属部材１２の表面から進行する腐食１１を検査する場合は、上記従来技術のようにＳＨ波を検査対象の表層を伝播させれば良いが、金属部材の溶接部の検査では、図３（ｂ），（ｃ）に示すように溶接不良に伴う金属部材１２と１２′の接合不良として存在する空隙１４は、溶接を施した表面に対向する側の表面並びに内部に生じているため、ＳＨ波は検査対象の表層だけでなく金属部材１２の断面全体に渡って伝播していることが望ましい。
【０００９】
上記従来技術は、ＳＨ波の伝播領域をなるべく表層に限定することで表面に発生した腐食を検出することを目的としているので、金属部材の断面全体に渡って存在する空隙の有無を検査する必要のある溶接部の検査については考慮されていない。また、腐食の発生位置と近接した位置に超音波探触子を設置できるため、利用する超音波の周波数が０．５ 〜５ＭＨｚと比較的高いという問題があった。
【００１０】
従って、本発明の第２の目的は、複数の板状の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部の検査を行うために、ＳＨ波を表層だけでなく構造体の断面全体に渡って伝播させ、構造体の表面であって溶接部から離れた位置に押し付けた超音波探触子からＳＨ波を送信及び受信する溶接部の検査方法と検査装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明に依れば、超音波探触子の超音波送受信面と構造体の表面との間に接触媒質並びに接触媒質を包むシートを挟み、超音波探触子を構造体の表面に押し付けながらＳＨ波の送受信を行い、構造体の内部を伝播したＳＨ波が溶接部に存在する空隙から反射して来たＳＨ反射波の信号の有無から溶接部の空隙の有無を定め、空隙が有れば溶接部は不良であり、空隙が無ければ溶接部は健全であると評価する溶接部の検査方法が提供される。この方法を用いて溶接部に存在する空隙の有無を検査する装置として、超音波探触子の超音波送受信面と前記構造体の表面との間に接触媒質並びに当該接触媒質を包むシートを有しており、且つ超音波探触子に応力を付加する手段と、超音波探触子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、超音波探触子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有している溶接部の検査装置が提供される。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、本発明に依れば、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を０．１ＭＰａ 以上の応力で構造体の表面に押し付けながらＳＨ波の送信と反射波の受信を行う溶接部の検査方法が提供される。
【００１３】
更に、上記第２の目的を達成するために、ＳＨ波を送受信する超音波探触子はＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子と構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する垂直波振動子とを備えており、垂直波振動子を用いて垂直超音波を構造体に入射し、構造体の対向面から反射して来た垂直反射波を垂直波振動子で検出し、垂直反射波の信号強度と超音波探触子を構造体の表面に押し付ける応力との相関を求め、応力の増加に伴い垂直反射波の信号強度が増加する程度が緩やかになった際の応力を維持しながらＳＨ波振動子を用いてＳＨ波の送受信を行う溶接部の検査方法が提供される。この方法を用いて溶接部に存在する空隙の有無を検査する装置として、ＳＨ波を送受信する超音波探触子は、超音波探触子の内部にＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子と構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する垂直波振動子とを備えており、且つ垂直波振動子を用いて垂直波を送信する垂直波送信回路と、垂直波振動子を用いて垂直波を受信する垂直波受信回路と、受信した垂直波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示する垂直波信号処理手段と、ＳＨ波振動子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、ＳＨ波振動子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有している溶接部の検査装置が提供される。
【００１４】
更に、上記第２の目的を達成するために、ＳＨ波を送受信する超音波探触子と超音波探触子に隣接している構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する他の超音波探触子とが共に同じ応力で構造体の表面に押し付けられており、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直超音波を構造体に入射し、構造体の対向面から反射して来た垂直反射波を超音波探触子で検出し、垂直反射波の信号強度と超音波探触子を構造体の表面に押し付ける応力との相関を求め、応力の増加に伴い垂直反射波の信号強度が増加する程度が緩やかになった際の応力を維持しながら、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波の送受信を行う溶接部の検査方法が提供される。この方法を用いて溶接部に存在する空隙の有無を検査する装置として、ＳＨ波を送受信する超音波探触子及び構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する他の超音波探触子の超音波送受信面と構造体の表面との間に接触媒質並びに接触媒質を包むシートを有しており、且つ二つの超音波探触子に同じ応力を付加する手段と、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直波を送信する垂直波送信回路と、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直波を受信する垂直波受信回路と、受信した垂直波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示する垂直波信号処理手段と、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有している溶接部の検査装置が提供される。
【００１５】
以上の検査方法若しくは検査装置において、好ましくは、ＳＨ波の周波数は、周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］の関係を満たすことが望ましい。
【００１６】
上記本発明の手段が本発明の目的に適う理由を以下に説明する。
【００１７】
超音波探触子の超音波送受信面に、薄くて柔軟性のある材質で形成された接触媒質を保持するシートを有しており、シートの内部に接触媒質を包含しているので、接触媒質は構造体の表面に付着することがなく、水中で検査する場合には水を汚染することが無い。更に、構造体の表面を清掃したり、後で接触媒質を回収したりする手間が要らない。シートは、接触媒質が浸透しない材質であれば良く、ポリイミドフィルム，ポリエチレンビニールシート等が適しているが、これに限定されるものではなく、例えばアルミ箔等の薄い金属箔であっても良い。また、シートは接触媒質により超音波探触子の超音波送受信面に粘着しているので、一旦、取り付ければ超音波探触子を設置する場所を替える際にもそのまま使用でき、改めて接触媒質を超音波送受信面に塗布する手間を要しない。
【００１８】
しかしながら、シートを介しているので超音波探触子に応力を付加しながら
ＳＨ波の送受信を行わないと、超音波探触子と構造体との間でＳＨ波が効率良く伝達されない。図４は、図３（ｂ）に示したような空隙を模擬した試験片にＳＨ波を伝播させた際の、超音波探触子に与える応力と空隙からのＳＨ反射波の信号強度の相関を示している。この例では、シートは２５μｍの厚みのポリイミドフィルムを用い、接触媒質は高粘性の物質である。また、試験片はＳＵＳで、その板厚みは４ｍｍである。図４では、シートのない場合の信号強度を１として表示している。シートがない場合、一旦応力を掛けた後は応力をゼロにしても反射波の信号強度は変わらないが、シートのある場合は応力を付加しなければ反射波の信号は検出されない。これは、シートと構造体の表面とは粘着されていないためである。シートのある場合、応力の増加に従い反射波の信号強度は増加していくが、増加の程度は徐々に鈍り、ほぼ一定値に飽和する。従って、超音波探触子に付加する応力はＳＨ反射波の信号強度の増加の程度が緩やかになったことを以って、ＳＨ波の送受信に適した応力が付加されていることを知ることができる。
【００１９】
更に、超音波探触子に与える応力と空隙から反射して来たＳＨ反射波の信号強度の相関は、構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波でも同じ結果が得られることが判った。その際に、利用する超音波としてはＳＨ波が横波の一種であることから横波であることが望ましい。即ち、超音波探触子に与える応力と構造体の対向面から反射して来た垂直反射波の信号強度の相関も、シートの無い場合の垂直反射波の信号強度を１とすれば、図４で示される。従って、溶接部の検査をＳＨ波を利用して検査する前に、ＳＨ波の送受信に適した応力を垂直超音波の送受信により定めることができる。
【００２０】
次に、溶接部の検査に適したＳＨ波の周波数を定める方法について図５を用いて説明する。
【００２１】
図５は、０次モードのＳＨ波と高次モードのＳＨ波の音速と周波数×板厚みとの相関を示している。図では高次モードとして１次と２次のみを示している。より高次のモードも存在するが、それらの音速を示す曲線は２次の音速を示す曲線より右側、即ち図のグラフの横軸、周波数Ｆ（ＭＨｚ）×板厚み（ｍｍ）、の値がより大きな領域に現れるので割愛している。
【００２２】
超音波探触子から特定の板厚みである構造体にＳＨ波を入射する場合を考えると、送信したＳＨ波の周波数により、構造体の内部に誘起されるＳＨ波のモードが決まる。例えば、板厚み４ｍｍの場合には、周波数０．３ＭＨｚ のＳＨ波を入射すると、ＦＤ＝１．２ であるため構造体の内部に誘起されるＳＨ波は０次モードのみとなる。また、周波数０．５ＭＨｚ のＳＨ波を入射すれば、ＦＤ＝２であるため構造体の内部に誘起されるＳＨ波は０次と１次モードとなる。更に、周波数１ＭＨｚのＳＨ波を入射すれば、ＦＤ＝４であるため構造体の内部に誘起されるＳＨ波は０次，１次及び２次モードとなる。更に高い周波数のＳＨ波を入射すれば、更に高次モードのＳＨ波も誘起される。
【００２３】
複数のモードのＳＨ波が構造体の内部を伝播していると、それらは音速が異なるので空隙で反射してきたＳＨ反射波を受信する時刻が異なり、ＳＨ反射波の信号強度から空隙の存在並びに位置を知る上でノイズとなり、検査精度を低下させる。従って、構造体の内部を伝播するＳＨ波のモードを限定するのが良く、そのために２次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低い周波数のＳＨ波を送信して、構造体の内部には０次と１次モードしか誘起されないようにすることが望ましい。ｎ次のモードのＳＨ波が誘起されないためのカットオフ周波数Ｆ（ＭＨｚ）は、板厚みＤ（ｍｍ）と０次モードのＳＨ波の音速Ｕ（ｋｍ／ｓ）とを用いて、ＦＤ＝ｎＵ／２で表される。従って、２次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低い周波数のＳＨ波を送信する場合には、ＦＤ≦Ｕを満たすようにすれば良い。図５の例では金属材料はＳＵＳなので０次モードのＳＨ波の音速は約３ｋｍ／ｓであり、ＦＤ≦３となる。
【００２４】
ＦＤ≦Ｕ／２となるような更に低い周波数のＳＨ波を送信すれば、構造体の内部に０次モードしか誘起されないようにすることも出来る。但し、受信される反射波の信号強度は周波数に比例するため、周波数が低くなるとＳＨ反射波の信号強度は弱くなり、小さな空隙を見逃す可能性がある。ＳＨ波を伝播させる距離、即ち超音波探触子を設置可能な場所と溶接部との距離、によるＳＨ波の減衰もあるため、受信される反射波の信号強度の強いＵ／２＜ＦＤ≦Ｕである周波数のＳＨ波と、ノイズの少ないＦＤ≦Ｕ／２である周波数のＳＨ波とを併用して検査を行うことも有効である。
【００２５】
なお通常は、検査対象である構造体の板厚みは、その設計図等から判っていることが多いので、送信するＳＨ波の周波数は事前に知ることが出来る。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ説明する。本発明の第１の実施例を図１及び図６から図８を用いて説明する。図１は板状の金属部材１２と１２′とが溶接されて一体となった構造体の溶接部を検査する装置の全体構成を示している。溶接部１３の下方に存在する空隙１４の有無を溶接部１３から離れた位置で超音波探触子１を設置可能な金属部材１２の表面から検査する。
【００２７】
超音波探触子１は超音波送受信面に接触媒質１０と薄くて且つ柔軟性のあるシート１５を有している。接触媒質１０はシート１５に包含されているので、金属部材１２の表面と直接接していない。本実施例では、シート１５として約２５μｍの厚みのポリイミドフィルムを用いたが、これに限定されるものではなく１００μｍ以下の厚みで柔軟性のある材質のものであれば良い。接触媒質１０は浸透しないので検査対象が設置されている環境を汚すこと無く、且つ接触媒質１０を繰り返し使用することが出来る。
【００２８】
超音波探触子１に応力を付加する手段２７が設けられており、本実施例における機能は以下のようになる。ステッピングモータ支持体２５に支えられたステッピングモータ２２の回転シャフト２３の回転を回転制御回路２６で制御する。回転シャフト２３と雄ネジ部を有した押し出し棒１８をネジ等により連結リング２４で連結する。雌ネジの切られた支持体１９に押し出し棒１８の雄ネジ部を通すことにより、回転運動に連動して押し出し棒１８は上下に駆動できるので、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付けることができる。その際、超音波探触子１自体が回転しないように、押し出し棒１８と超音波探触子保持体１７は固着せず、単に接触させるだけに留めておく。異なる方法としては、超音波探触子保持体１７を上下方向にのみ動くことが可能なように固定しておくか、押し出し棒１８の雄ネジ部の下側にベアリング等を入れて、押し出し棒１８の下部は自由に回転できるようにして上部の回転運動を下部に伝達しないようにすることも有効である。また、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付ける力の反力で支持体１９は押し返されるので、この反力より十分大きな吸着力を持つ吸着盤２０により支持体１９を金属部材１２の表面に固定する。以上の、応力を付加する手段２７により超音波探触子１に付加する応力を制御できる。
【００２９】
勿論、応力を付加する手段は応力を制御可能なものであれば上述した本実施例に限定されるものではない。例えば、ネジによる回転を上下方向の駆動に変化するものに代えて、バネを用いて押さえつけても良いし、シリンダ，エアーポンプ等で押さえつけても良い。また、支持体１９を金属部材１２の表面に固定する方法も吸着盤に限定されるものではない。金属部材１２の材質が磁性体であれば、電磁式の磁石を用いても良い。
【００３０】
本実施例の超音波探触子１は、内部にＳＨ波振動子３と垂直波振動子２１とを有している。これらの制御のために、垂直波送信回路２８，垂直波受信回路２９，ＳＨ波送信回路３０，ＳＨ波受信回路３１，垂直波信号処理装置３２，ＳＨ波信号処理装置３３及び信号表示装置３４が設けられている。垂直波信号処理装置３２，ＳＨ波信号処理装置３３及び信号表示装置３４はパソコン３５等を用いて一つの装置で信号処理と信号表示を行っても良い。
【００３１】
本実施例における溶接部の検査は、以下のようになる。
【００３２】
まず、検査に適した応力を定める手順を図６を用いて説明する。超音波探触子に回転制御機構２７によりステッピングモータ２２の回転ステップ数をＣ１回だけ動かして回転軸２３を回転させ、押し出し棒１８を下方向に駆動する。その状態で、垂直波送信回路２８によりバーストパルス信号を垂直波振動子２１に送信して振動させ、同時に、垂直波送信回路２８から垂直波受信回路２９にトリガ信号を送信する。このトリガ信号を受けて垂直波受信回路２９は、垂直波振動子２１の振動運動に起因して回路に流れる過渡電流の検出を開始し、その電流信号はＡ／Ｄコンバータ等によりデジタル信号に変換され、垂直波の信号強度の時間経過が垂直波信号処理装置３２に記録される。表示装置３４には受信した垂直波の信号強度の時間経過が図６（ａ）のように表示される。本実施例では、板厚み４ｍｍのＳＵＳに垂直超音波として横波を送信したので、対抗面で反射された垂直反射波が検出される時刻は、板厚み４ｍｍとＳＵＳ中での横波の音速３２００ｍ／ｓより、垂直超音波を送信した２．５μｓ 後になる。図６（ａ）の枠の内側の図は、垂直反射波の部分を拡大表示したもので、バーストパルス信号が受信される。この結果から、回転ステップ数Ｃ１における垂直反射波の最大振幅Ｖ１が得られる。同様に、図６（ｂ）に示すように回転ステップ数を増してＣ２とした時の垂直反射波の最大振幅Ｖ２を得る。順次、回転ステップ数を増しながら、垂直反射波の最大振幅を得て、垂直反射波の最大振幅を縦軸、回転ステップ数を横軸にとってグラフを描けば図６（ｃ）が得られるので、垂直反射波の最大振幅の増加が回転ステップ数に伴い増加するのを確認して行き、増加の程度が緩やかになった時点でステッピングモータ２２は、それ以上の操作はしないことにすれば良い。本実施例では、超音波探触子１に付加されている応力の値そのものは知ることが出来ないが、応力に対応する回転ステップ数で代用できるので以降の溶接部の検査には何ら問題が生じない。
【００３３】
上述した手順で定めた超音波探触子１に加える応力を維持しながら、ＳＨ波の送受信により溶接部の検査を行う。ＳＨ波送信回路３０によりバーストパルス信号をＳＨ波振動子３に送信して振動させ、同時に、ＳＨ波送信回路３０からＳＨ波受信回路３１にトリガ信号を送信する。このトリガ信号を受けてＳＨ波受信回路３１は、ＳＨ波振動子３の振動運動に起因して回路に流れる過渡電流の検出を開始し、その電流信号はＡ／Ｄコンバータ等によりデジタル信号に変換され、ＳＨ波の信号強度の時間経過がＳＨ波信号処理装置３３に記録される。
【００３４】
図７は、複数の板状の金属部材１２と１２′とが溶接されて一体となった構造体の表面の平面を示している。本実施例では、図中下側の水平な溶接部に空隙
１４が約３０ｃｍに渡って存在する。これを検査するには上側の丸数字で示した位置のそれぞれで、超音波探触子１に加える応力を定め、ＳＨ波の送受信を行う。勿論、超音波探触子１の位置を変えながら検査しても良いし、複数の超音波探触子を用いて同時に検査を行っても良い。
【００３５】
図８は、送受信するＳＨ波の周波数が０．３ＭＨｚ の場合に図７に示した丸数字の位置で受信したＳＨ波の信号強度の時間経過を示している。この場合、周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］＝１．２＜１．５（音速３ｋｍ／ｓ÷２）となり、１次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低いので、０次のＳＨ波しか構造体に誘起されない場合である。溶接部１３と超音波探触子１との距離、金属部材１２′の端と超音波探触子１との距離が判っているので、ＳＨ波の音速から溶接部１３の空隙１４で反射したＳＨ反射波が検出される時間Ａ，金属部材の端で反射したＳＨ反射波が検出される時間Ｂを明示している。超音波探触子の位置▲１▼から▲４▼では、溶接部１３の空隙１４で反射したＳＨ反射波のバーストパルス信号が存在する。位置▲１▼と▲４▼のバーストパルス信号強度が、位置▲２▼と▲３▼の信号強度より弱いのは、空隙１４の両端からの反射波であるため反射率が低いことに対応している。更に、空隙１４の存在しない溶接部にＳＨ波を送信した位置▲５▼から▲７▼では、時刻ＡではＳＨ反射波のバーストパルス信号は認められない。一方、時刻Ｂでは、位置▲１▼から▲７▼の全てにおいて、金属部材の端からの反射波が検出される。
【００３６】
比較のために、送受信するＳＨ波の周波数が０．５ＭＨｚ の場合のＳＨ波の信号強度の時間経過を図９に示す。１．５（音速３ｋｍ／ｓ÷２）＜周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］＝２＜３（音速３ｋｍ／ｓ）となり、１次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より高く、２次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低いので、０次と１次のモードのＳＨ波が構造体に誘起される。
【００３７】
図８と図９の結果を比べれば容易に分かるように、図８の０次のＳＨ波しか構造体に誘起されない場合の方が、図９の０次と１次のモードのＳＨ波が構造体に誘起される場合に比べてノイズが少なく、空隙１４を精度良く検査できている。但し、空隙１４で反射したＳＨ反射波の最大振幅は周波数に比例するので、図９の０次と１次のモードのＳＨ波が構造体に誘起される場合の方がＳＨ反射波の最大振幅は大きい。また、検出感度が良いので、溶接部１３で反射したＳＨ反射波（図９の位置▲５▼から▲７▼の時刻Ａに存在するバーストパルス信号）が検出される。本実施例では予め超音波探触子１と溶接部１３との距離が分かっていたが、分からない場合も考えられる。その場合には、溶接部１３で反射したＳＨ反射波も検出可能な音速［単位：ｋｍ／ｓ］／２＜周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］を満足する周波数のＳＨ波を用いて超音波探触子１と溶接部１３との距離を知り、次に周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］／２を満足する周波数のＳＨ波を用いて溶接部１３に存在する空隙１４の有無を知るのが良い。
【００３８】
以上のことから、本実施例の溶接部の検査装置に依れば、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子に付加する応力を適切に定め、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【００３９】
本発明の第２の実施例を図１０により説明する。本実施例が第１の実施例と異なる点は、ＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子３のみを内部に持つ超音波探触子１と垂直超音波を送受信する垂直波振動子２１のみを内部に持つ超音波探触子１６とを備えていることである。従って、本実施例の溶接部の検査装置に依れば、第１の実施例と同様に、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子に付加する応力を適切に定め、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【００４０】
本発明の第３の実施例を図１１により説明する。本実施例が第１並びに第２の実施例と異なる点は、ＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子３しか備えていないことにある。このため、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付ける応力が０．１ＭＰａ 以上となるように回転機構制御回路２６によりステッピングモータ２２を制御する。回転ステップ数と応力の関係を予め測定しておき、回転ステップ数を応力に換算すれば良い。若しくは、図１２に示すように、応力測定子３６を超音波探触子１と超音波探触子保持体１７との間に挟み、超音波探触子１に付加されている応力を直接、計測しても良い。図４に示したように、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付ける応力が０．１ＭＰａ 以上であれば、反射波の信号強度が応力に対して増加しなくなり飽和する値の１／２以上の強度が得られる。
【００４１】
従って、本実施例の溶接部の検査装置に依れば、第１並びに第２の実施例と同様に、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子を金属部材の表面面に押し付ける応力を予め定めているので、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子に付加する応力を適切に定め、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における溶接部の検査装置の全体構成を表す図である。
【図２】従来の腐食検査装置の構成を表す図である。
【図３】腐食検査と溶接部の検査の原理を表す図である。
【図４】超音波探触子に付加する応力と反射波の信号強度の相関を表す図である。
【図５】ＳＨ波の音速と周波数×板厚みの相関を表す図である。
【図６】垂直超音波を用いて超音波探触子に適切な応力を付加できることを表す図である。
【図７】本発明の第１の実施例における検査対象の平面図と検査位置を表す図である。
【図８】本発明の第１の実施例における周波数０．３ＭＨｚ のＳＨ波を用いた際に受信したＳＨ波の信号強度の時間経過を表す図である。
【図９】本発明の第１の実施例における周波数０．５ＭＨｚ のＳＨ波を用いた際に受信したＳＨ波の信号強度の時間経過を表す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例における溶接部の検査装置の全体構成を表す図である。
【図１１】本発明の第３の実施例における溶接部の検査装置の全体構成を表す図である。
【図１２】本発明の第３の実施例における超音波探触子に付加されている応力を測定する際の構成を表す図である。
【符号の説明】
１…超音波探触子、２…金属配管、３…ＳＨ波振動子、４…配管支持部、５…リング、６…磁石、７…移動体、８…支持体、９…バネ、１０…接触媒質、１１…腐食、１２…金属部材、１３…溶接部、１４…空隙、１５…シート、１６…垂直超音波を送受信する超音波探触子、１７…超音波探触子保持体、１８…押し出し棒、１９…支持体、２０…吸着盤、２１…垂直波振動子、２２…ステッピングモータ、２３…回転シャフト、２４…連結リング、２５…ステッピングモータ支持体、２６…回転制御回路、２７…応力を付加する手段、２８…垂直波送信回路、２９…垂直波受信回路、３０…ＳＨ波送信回路、３１…ＳＨ波受信回路、３２…垂直波信号処理装置、３３…ＳＨ波信号処理装置、３４…表示装置、３５…パソコン、３６…応力測定子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波の送受信により金属構造体の溶接部に存在する亀裂や金属部材間の隙間等の空隙を検査する技術に関する。具体的には、化学プラント等に設置された大型のタンク並びに長距離に渡って敷設された配管で代表される複数の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部に存在する空隙の有無から溶接部の健全性を評価する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波の送受信により金属構造体の溶接部に存在する亀裂や金属部材間の隙間等の空隙を検査する際に利用できる超音波として、超音波の振動方向が超音波の伝播方向に一致している超音波、即ち縦波、若しくは超音波の振動方向が超音波の伝播方向に垂直、且つ検査対象物の表面に垂直である超音波、即ちＳＶ波、若しくは超音波の振動方向が超音波の伝播方向に垂直、且つ検査対象物の表面に平行である超音波、即ちＳＨ波が知られている。この中でＳＨ波は、振動方向が検査対象の表面に沿っているため、検査対象が水中等にあっても超音波のエネルギーが外部へ散逸しにくいこと、空隙等で反射した際に超音波の種類が変換しないという特徴を有しており、長距離に渡って伝播させることができる。従って、大型のタンクや長い配管等の超音波探傷に好適と考えられる。しかしながら、ＳＨ波は、超音波探触子から構造体内部に伝達しにくい、という欠点を有しており、従来は実用に供せられることは少なかった。
【０００３】
実用化されたＳＨ波を利用した検査技術として、図２に示した金属配管の表面腐食を検査する方法と装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。超音波探触子１の内部に設けられたＳＨ波振動子３で金属配管２の表面を伝播するＳＨ波を送信し、配管支持部４等で表面が覆われて目視できない位置に存在する腐食部からの反射波を、超音波探触子１で受信する。反射波の検出の有無から腐食の有無、反射波の信号強度から腐食程度を知ることができる。金属配管２の任意の位置に超音波探触子１が取り付けられるように、超音波探触子１はバネ９及び支持体８を介して移動体７に連結しており、移動体７は金属配管２の外周に設けられたリング５で金属配管２に磁石６で固定される。従来技術では、反射波の検出性能から使用するＳＨ波の周波数の下限は０．５ＭＨｚ 、ＳＨ波の伝播距離から使用するＳＨ波の周波数の上限は５ＭＨｚとされ、好ましい周波数は０．５ 〜５ＭＨｚとされている。検査対象の腐食は金属配管２の表面、即ち超音波探触子を接している側の表面であることから、ＳＨ波のうち表面ＳＨ波、即ち超音波探触子が接している側の表面のみが部分的に振動するＳＨ波が望ましいことから、
ＳＨ波が金属配管表面に入射する際の屈折角は８０〜９０度であることが好ましい、とされている。更に、超音波探触子を支持体８とバネ９で構成された荷重付与機構を用いて一定荷重で金属配管表面に押し付けることが好ましい、とされているが具体的に如何なる荷重で押し付けるかは記載がない。また、超音波探触子１と金属配管２の表面との間に接触媒質１０を挟むことで、超音波を良好に金属配管内に伝達できる、とされているがその詳細については記載がない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２４３７０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
溶接部に存在する空隙の有無から溶接部の健全性を評価する方法と装置化学プラント等に設置された大型のタンク並びに長距離に渡って敷設された配管で代表される複数の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部を検査対象とする場合、検査は大気中ばかりでなく水中で行われる場合も多い。また、人が用意にアクセス出来ない位置に検査装置を設置しなければならないこともある。従って、接触媒質を超音波探触子の超音波送受信面に単に塗布して構造体の表面に押し付ければ、接触媒質が水中へ溶け出して環境を汚染したり、構造体の表面に付着した接触媒質を後で清掃あるいは回収したりすることは容易でない。また、複数の位置を検査する場合には、超音波探触子に接触媒質を塗布するのに手間が掛かる。
【０００６】
上記従来技術は、超音波探触子と構造体の表面との間に挟む接触媒質の挟み方ついては具体的に記載されていない、という問題があった。従って、本発明の第１の目的は、検査対象である構造体の表面に接触媒質が付着しない接触媒質の保持方法について提供することにある。
【０００７】
次に、本発明の第２の目的について以下記載する。
【０００８】
図３（ａ）に示すように金属部材１２の表面から進行する腐食１１を検査する場合は、上記従来技術のようにＳＨ波を検査対象の表層を伝播させれば良いが、金属部材の溶接部の検査では、図３（ｂ），（ｃ）に示すように溶接不良に伴う金属部材１２と１２′の接合不良として存在する空隙１４は、溶接を施した表面に対向する側の表面並びに内部に生じているため、ＳＨ波は検査対象の表層だけでなく金属部材１２の断面全体に渡って伝播していることが望ましい。
【０００９】
上記従来技術は、ＳＨ波の伝播領域をなるべく表層に限定することで表面に発生した腐食を検出することを目的としているので、金属部材の断面全体に渡って存在する空隙の有無を検査する必要のある溶接部の検査については考慮されていない。また、腐食の発生位置と近接した位置に超音波探触子を設置できるため、利用する超音波の周波数が０．５ 〜５ＭＨｚと比較的高いという問題があった。
【００１０】
従って、本発明の第２の目的は、複数の板状の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部の検査を行うために、ＳＨ波を表層だけでなく構造体の断面全体に渡って伝播させ、構造体の表面であって溶接部から離れた位置に押し付けた超音波探触子からＳＨ波を送信及び受信する溶接部の検査方法と検査装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明に依れば、超音波探触子の超音波送受信面と構造体の表面との間に接触媒質並びに接触媒質を包むシートを挟み、超音波探触子を構造体の表面に押し付けながらＳＨ波の送受信を行い、構造体の内部を伝播したＳＨ波が溶接部に存在する空隙から反射して来たＳＨ反射波の信号の有無から溶接部の空隙の有無を定め、空隙が有れば溶接部は不良であり、空隙が無ければ溶接部は健全であると評価する溶接部の検査方法が提供される。この方法を用いて溶接部に存在する空隙の有無を検査する装置として、超音波探触子の超音波送受信面と前記構造体の表面との間に接触媒質並びに当該接触媒質を包むシートを有しており、且つ超音波探触子に応力を付加する手段と、超音波探触子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、超音波探触子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有している溶接部の検査装置が提供される。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、本発明に依れば、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を０．１ＭＰａ 以上の応力で構造体の表面に押し付けながらＳＨ波の送信と反射波の受信を行う溶接部の検査方法が提供される。
【００１３】
更に、上記第２の目的を達成するために、ＳＨ波を送受信する超音波探触子はＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子と構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する垂直波振動子とを備えており、垂直波振動子を用いて垂直超音波を構造体に入射し、構造体の対向面から反射して来た垂直反射波を垂直波振動子で検出し、垂直反射波の信号強度と超音波探触子を構造体の表面に押し付ける応力との相関を求め、応力の増加に伴い垂直反射波の信号強度が増加する程度が緩やかになった際の応力を維持しながらＳＨ波振動子を用いてＳＨ波の送受信を行う溶接部の検査方法が提供される。この方法を用いて溶接部に存在する空隙の有無を検査する装置として、ＳＨ波を送受信する超音波探触子は、超音波探触子の内部にＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子と構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する垂直波振動子とを備えており、且つ垂直波振動子を用いて垂直波を送信する垂直波送信回路と、垂直波振動子を用いて垂直波を受信する垂直波受信回路と、受信した垂直波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示する垂直波信号処理手段と、ＳＨ波振動子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、ＳＨ波振動子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有している溶接部の検査装置が提供される。
【００１４】
更に、上記第２の目的を達成するために、ＳＨ波を送受信する超音波探触子と超音波探触子に隣接している構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する他の超音波探触子とが共に同じ応力で構造体の表面に押し付けられており、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直超音波を構造体に入射し、構造体の対向面から反射して来た垂直反射波を超音波探触子で検出し、垂直反射波の信号強度と超音波探触子を構造体の表面に押し付ける応力との相関を求め、応力の増加に伴い垂直反射波の信号強度が増加する程度が緩やかになった際の応力を維持しながら、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波の送受信を行う溶接部の検査方法が提供される。この方法を用いて溶接部に存在する空隙の有無を検査する装置として、ＳＨ波を送受信する超音波探触子及び構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する他の超音波探触子の超音波送受信面と構造体の表面との間に接触媒質並びに接触媒質を包むシートを有しており、且つ二つの超音波探触子に同じ応力を付加する手段と、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直波を送信する垂直波送信回路と、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直波を受信する垂直波受信回路と、受信した垂直波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示する垂直波信号処理手段と、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有している溶接部の検査装置が提供される。
【００１５】
以上の検査方法若しくは検査装置において、好ましくは、ＳＨ波の周波数は、周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］の関係を満たすことが望ましい。
【００１６】
上記本発明の手段が本発明の目的に適う理由を以下に説明する。
【００１７】
超音波探触子の超音波送受信面に、薄くて柔軟性のある材質で形成された接触媒質を保持するシートを有しており、シートの内部に接触媒質を包含しているので、接触媒質は構造体の表面に付着することがなく、水中で検査する場合には水を汚染することが無い。更に、構造体の表面を清掃したり、後で接触媒質を回収したりする手間が要らない。シートは、接触媒質が浸透しない材質であれば良く、ポリイミドフィルム，ポリエチレンビニールシート等が適しているが、これに限定されるものではなく、例えばアルミ箔等の薄い金属箔であっても良い。また、シートは接触媒質により超音波探触子の超音波送受信面に粘着しているので、一旦、取り付ければ超音波探触子を設置する場所を替える際にもそのまま使用でき、改めて接触媒質を超音波送受信面に塗布する手間を要しない。
【００１８】
しかしながら、シートを介しているので超音波探触子に応力を付加しながら
ＳＨ波の送受信を行わないと、超音波探触子と構造体との間でＳＨ波が効率良く伝達されない。図４は、図３（ｂ）に示したような空隙を模擬した試験片にＳＨ波を伝播させた際の、超音波探触子に与える応力と空隙からのＳＨ反射波の信号強度の相関を示している。この例では、シートは２５μｍの厚みのポリイミドフィルムを用い、接触媒質は高粘性の物質である。また、試験片はＳＵＳで、その板厚みは４ｍｍである。図４では、シートのない場合の信号強度を１として表示している。シートがない場合、一旦応力を掛けた後は応力をゼロにしても反射波の信号強度は変わらないが、シートのある場合は応力を付加しなければ反射波の信号は検出されない。これは、シートと構造体の表面とは粘着されていないためである。シートのある場合、応力の増加に従い反射波の信号強度は増加していくが、増加の程度は徐々に鈍り、ほぼ一定値に飽和する。従って、超音波探触子に付加する応力はＳＨ反射波の信号強度の増加の程度が緩やかになったことを以って、ＳＨ波の送受信に適した応力が付加されていることを知ることができる。
【００１９】
更に、超音波探触子に与える応力と空隙から反射して来たＳＨ反射波の信号強度の相関は、構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波でも同じ結果が得られることが判った。その際に、利用する超音波としてはＳＨ波が横波の一種であることから横波であることが望ましい。即ち、超音波探触子に与える応力と構造体の対向面から反射して来た垂直反射波の信号強度の相関も、シートの無い場合の垂直反射波の信号強度を１とすれば、図４で示される。従って、溶接部の検査をＳＨ波を利用して検査する前に、ＳＨ波の送受信に適した応力を垂直超音波の送受信により定めることができる。
【００２０】
次に、溶接部の検査に適したＳＨ波の周波数を定める方法について図５を用いて説明する。
【００２１】
図５は、０次モードのＳＨ波と高次モードのＳＨ波の音速と周波数×板厚みとの相関を示している。図では高次モードとして１次と２次のみを示している。より高次のモードも存在するが、それらの音速を示す曲線は２次の音速を示す曲線より右側、即ち図のグラフの横軸、周波数Ｆ（ＭＨｚ）×板厚み（ｍｍ）、の値がより大きな領域に現れるので割愛している。
【００２２】
超音波探触子から特定の板厚みである構造体にＳＨ波を入射する場合を考えると、送信したＳＨ波の周波数により、構造体の内部に誘起されるＳＨ波のモードが決まる。例えば、板厚み４ｍｍの場合には、周波数０．３ＭＨｚ のＳＨ波を入射すると、ＦＤ＝１．２ であるため構造体の内部に誘起されるＳＨ波は０次モードのみとなる。また、周波数０．５ＭＨｚ のＳＨ波を入射すれば、ＦＤ＝２であるため構造体の内部に誘起されるＳＨ波は０次と１次モードとなる。更に、周波数１ＭＨｚのＳＨ波を入射すれば、ＦＤ＝４であるため構造体の内部に誘起されるＳＨ波は０次，１次及び２次モードとなる。更に高い周波数のＳＨ波を入射すれば、更に高次モードのＳＨ波も誘起される。
【００２３】
複数のモードのＳＨ波が構造体の内部を伝播していると、それらは音速が異なるので空隙で反射してきたＳＨ反射波を受信する時刻が異なり、ＳＨ反射波の信号強度から空隙の存在並びに位置を知る上でノイズとなり、検査精度を低下させる。従って、構造体の内部を伝播するＳＨ波のモードを限定するのが良く、そのために２次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低い周波数のＳＨ波を送信して、構造体の内部には０次と１次モードしか誘起されないようにすることが望ましい。ｎ次のモードのＳＨ波が誘起されないためのカットオフ周波数Ｆ（ＭＨｚ）は、板厚みＤ（ｍｍ）と０次モードのＳＨ波の音速Ｕ（ｋｍ／ｓ）とを用いて、ＦＤ＝ｎＵ／２で表される。従って、２次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低い周波数のＳＨ波を送信する場合には、ＦＤ≦Ｕを満たすようにすれば良い。図５の例では金属材料はＳＵＳなので０次モードのＳＨ波の音速は約３ｋｍ／ｓであり、ＦＤ≦３となる。
【００２４】
ＦＤ≦Ｕ／２となるような更に低い周波数のＳＨ波を送信すれば、構造体の内部に０次モードしか誘起されないようにすることも出来る。但し、受信される反射波の信号強度は周波数に比例するため、周波数が低くなるとＳＨ反射波の信号強度は弱くなり、小さな空隙を見逃す可能性がある。ＳＨ波を伝播させる距離、即ち超音波探触子を設置可能な場所と溶接部との距離、によるＳＨ波の減衰もあるため、受信される反射波の信号強度の強いＵ／２＜ＦＤ≦Ｕである周波数のＳＨ波と、ノイズの少ないＦＤ≦Ｕ／２である周波数のＳＨ波とを併用して検査を行うことも有効である。
【００２５】
なお通常は、検査対象である構造体の板厚みは、その設計図等から判っていることが多いので、送信するＳＨ波の周波数は事前に知ることが出来る。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ説明する。本発明の第１の実施例を図１及び図６から図８を用いて説明する。図１は板状の金属部材１２と１２′とが溶接されて一体となった構造体の溶接部を検査する装置の全体構成を示している。溶接部１３の下方に存在する空隙１４の有無を溶接部１３から離れた位置で超音波探触子１を設置可能な金属部材１２の表面から検査する。
【００２７】
超音波探触子１は超音波送受信面に接触媒質１０と薄くて且つ柔軟性のあるシート１５を有している。接触媒質１０はシート１５に包含されているので、金属部材１２の表面と直接接していない。本実施例では、シート１５として約２５μｍの厚みのポリイミドフィルムを用いたが、これに限定されるものではなく１００μｍ以下の厚みで柔軟性のある材質のものであれば良い。接触媒質１０は浸透しないので検査対象が設置されている環境を汚すこと無く、且つ接触媒質１０を繰り返し使用することが出来る。
【００２８】
超音波探触子１に応力を付加する手段２７が設けられており、本実施例における機能は以下のようになる。ステッピングモータ支持体２５に支えられたステッピングモータ２２の回転シャフト２３の回転を回転制御回路２６で制御する。回転シャフト２３と雄ネジ部を有した押し出し棒１８をネジ等により連結リング２４で連結する。雌ネジの切られた支持体１９に押し出し棒１８の雄ネジ部を通すことにより、回転運動に連動して押し出し棒１８は上下に駆動できるので、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付けることができる。その際、超音波探触子１自体が回転しないように、押し出し棒１８と超音波探触子保持体１７は固着せず、単に接触させるだけに留めておく。異なる方法としては、超音波探触子保持体１７を上下方向にのみ動くことが可能なように固定しておくか、押し出し棒１８の雄ネジ部の下側にベアリング等を入れて、押し出し棒１８の下部は自由に回転できるようにして上部の回転運動を下部に伝達しないようにすることも有効である。また、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付ける力の反力で支持体１９は押し返されるので、この反力より十分大きな吸着力を持つ吸着盤２０により支持体１９を金属部材１２の表面に固定する。以上の、応力を付加する手段２７により超音波探触子１に付加する応力を制御できる。
【００２９】
勿論、応力を付加する手段は応力を制御可能なものであれば上述した本実施例に限定されるものではない。例えば、ネジによる回転を上下方向の駆動に変化するものに代えて、バネを用いて押さえつけても良いし、シリンダ，エアーポンプ等で押さえつけても良い。また、支持体１９を金属部材１２の表面に固定する方法も吸着盤に限定されるものではない。金属部材１２の材質が磁性体であれば、電磁式の磁石を用いても良い。
【００３０】
本実施例の超音波探触子１は、内部にＳＨ波振動子３と垂直波振動子２１とを有している。これらの制御のために、垂直波送信回路２８，垂直波受信回路２９，ＳＨ波送信回路３０，ＳＨ波受信回路３１，垂直波信号処理装置３２，ＳＨ波信号処理装置３３及び信号表示装置３４が設けられている。垂直波信号処理装置３２，ＳＨ波信号処理装置３３及び信号表示装置３４はパソコン３５等を用いて一つの装置で信号処理と信号表示を行っても良い。
【００３１】
本実施例における溶接部の検査は、以下のようになる。
【００３２】
まず、検査に適した応力を定める手順を図６を用いて説明する。超音波探触子に回転制御機構２７によりステッピングモータ２２の回転ステップ数をＣ１回だけ動かして回転軸２３を回転させ、押し出し棒１８を下方向に駆動する。その状態で、垂直波送信回路２８によりバーストパルス信号を垂直波振動子２１に送信して振動させ、同時に、垂直波送信回路２８から垂直波受信回路２９にトリガ信号を送信する。このトリガ信号を受けて垂直波受信回路２９は、垂直波振動子２１の振動運動に起因して回路に流れる過渡電流の検出を開始し、その電流信号はＡ／Ｄコンバータ等によりデジタル信号に変換され、垂直波の信号強度の時間経過が垂直波信号処理装置３２に記録される。表示装置３４には受信した垂直波の信号強度の時間経過が図６（ａ）のように表示される。本実施例では、板厚み４ｍｍのＳＵＳに垂直超音波として横波を送信したので、対抗面で反射された垂直反射波が検出される時刻は、板厚み４ｍｍとＳＵＳ中での横波の音速３２００ｍ／ｓより、垂直超音波を送信した２．５μｓ 後になる。図６（ａ）の枠の内側の図は、垂直反射波の部分を拡大表示したもので、バーストパルス信号が受信される。この結果から、回転ステップ数Ｃ１における垂直反射波の最大振幅Ｖ１が得られる。同様に、図６（ｂ）に示すように回転ステップ数を増してＣ２とした時の垂直反射波の最大振幅Ｖ２を得る。順次、回転ステップ数を増しながら、垂直反射波の最大振幅を得て、垂直反射波の最大振幅を縦軸、回転ステップ数を横軸にとってグラフを描けば図６（ｃ）が得られるので、垂直反射波の最大振幅の増加が回転ステップ数に伴い増加するのを確認して行き、増加の程度が緩やかになった時点でステッピングモータ２２は、それ以上の操作はしないことにすれば良い。本実施例では、超音波探触子１に付加されている応力の値そのものは知ることが出来ないが、応力に対応する回転ステップ数で代用できるので以降の溶接部の検査には何ら問題が生じない。
【００３３】
上述した手順で定めた超音波探触子１に加える応力を維持しながら、ＳＨ波の送受信により溶接部の検査を行う。ＳＨ波送信回路３０によりバーストパルス信号をＳＨ波振動子３に送信して振動させ、同時に、ＳＨ波送信回路３０からＳＨ波受信回路３１にトリガ信号を送信する。このトリガ信号を受けてＳＨ波受信回路３１は、ＳＨ波振動子３の振動運動に起因して回路に流れる過渡電流の検出を開始し、その電流信号はＡ／Ｄコンバータ等によりデジタル信号に変換され、ＳＨ波の信号強度の時間経過がＳＨ波信号処理装置３３に記録される。
【００３４】
図７は、複数の板状の金属部材１２と１２′とが溶接されて一体となった構造体の表面の平面を示している。本実施例では、図中下側の水平な溶接部に空隙
１４が約３０ｃｍに渡って存在する。これを検査するには上側の丸数字で示した位置のそれぞれで、超音波探触子１に加える応力を定め、ＳＨ波の送受信を行う。勿論、超音波探触子１の位置を変えながら検査しても良いし、複数の超音波探触子を用いて同時に検査を行っても良い。
【００３５】
図８は、送受信するＳＨ波の周波数が０．３ＭＨｚ の場合に図７に示した丸数字の位置で受信したＳＨ波の信号強度の時間経過を示している。この場合、周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］＝１．２＜１．５（音速３ｋｍ／ｓ÷２）となり、１次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低いので、０次のＳＨ波しか構造体に誘起されない場合である。溶接部１３と超音波探触子１との距離、金属部材１２′の端と超音波探触子１との距離が判っているので、ＳＨ波の音速から溶接部１３の空隙１４で反射したＳＨ反射波が検出される時間Ａ，金属部材の端で反射したＳＨ反射波が検出される時間Ｂを明示している。超音波探触子の位置▲１▼から▲４▼では、溶接部１３の空隙１４で反射したＳＨ反射波のバーストパルス信号が存在する。位置▲１▼と▲４▼のバーストパルス信号強度が、位置▲２▼と▲３▼の信号強度より弱いのは、空隙１４の両端からの反射波であるため反射率が低いことに対応している。更に、空隙１４の存在しない溶接部にＳＨ波を送信した位置▲５▼から▲７▼では、時刻ＡではＳＨ反射波のバーストパルス信号は認められない。一方、時刻Ｂでは、位置▲１▼から▲７▼の全てにおいて、金属部材の端からの反射波が検出される。
【００３６】
比較のために、送受信するＳＨ波の周波数が０．５ＭＨｚ の場合のＳＨ波の信号強度の時間経過を図９に示す。１．５（音速３ｋｍ／ｓ÷２）＜周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］＝２＜３（音速３ｋｍ／ｓ）となり、１次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より高く、２次モードのＳＨ波のカットオフ周波数より低いので、０次と１次のモードのＳＨ波が構造体に誘起される。
【００３７】
図８と図９の結果を比べれば容易に分かるように、図８の０次のＳＨ波しか構造体に誘起されない場合の方が、図９の０次と１次のモードのＳＨ波が構造体に誘起される場合に比べてノイズが少なく、空隙１４を精度良く検査できている。但し、空隙１４で反射したＳＨ反射波の最大振幅は周波数に比例するので、図９の０次と１次のモードのＳＨ波が構造体に誘起される場合の方がＳＨ反射波の最大振幅は大きい。また、検出感度が良いので、溶接部１３で反射したＳＨ反射波（図９の位置▲５▼から▲７▼の時刻Ａに存在するバーストパルス信号）が検出される。本実施例では予め超音波探触子１と溶接部１３との距離が分かっていたが、分からない場合も考えられる。その場合には、溶接部１３で反射したＳＨ反射波も検出可能な音速［単位：ｋｍ／ｓ］／２＜周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］を満足する周波数のＳＨ波を用いて超音波探触子１と溶接部１３との距離を知り、次に周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］／２を満足する周波数のＳＨ波を用いて溶接部１３に存在する空隙１４の有無を知るのが良い。
【００３８】
以上のことから、本実施例の溶接部の検査装置に依れば、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子に付加する応力を適切に定め、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【００３９】
本発明の第２の実施例を図１０により説明する。本実施例が第１の実施例と異なる点は、ＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子３のみを内部に持つ超音波探触子１と垂直超音波を送受信する垂直波振動子２１のみを内部に持つ超音波探触子１６とを備えていることである。従って、本実施例の溶接部の検査装置に依れば、第１の実施例と同様に、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子に付加する応力を適切に定め、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【００４０】
本発明の第３の実施例を図１１により説明する。本実施例が第１並びに第２の実施例と異なる点は、ＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子３しか備えていないことにある。このため、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付ける応力が０．１ＭＰａ 以上となるように回転機構制御回路２６によりステッピングモータ２２を制御する。回転ステップ数と応力の関係を予め測定しておき、回転ステップ数を応力に換算すれば良い。若しくは、図１２に示すように、応力測定子３６を超音波探触子１と超音波探触子保持体１７との間に挟み、超音波探触子１に付加されている応力を直接、計測しても良い。図４に示したように、超音波探触子１を金属部材１２の表面に押し付ける応力が０．１ＭＰａ 以上であれば、反射波の信号強度が応力に対して増加しなくなり飽和する値の１／２以上の強度が得られる。
【００４１】
従って、本実施例の溶接部の検査装置に依れば、第１並びに第２の実施例と同様に、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子を金属部材の表面面に押し付ける応力を予め定めているので、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、接触媒質をシートで包含したので、接触媒質が金属部材の表面に付着せず、検査対象が設置されている環境を汚すことが無く、接触媒質を繰り返し使用することが出来る。また、超音波探触子に付加する応力を適切に定め、溶接部の空隙の有無を精度良く知ることができるので、空隙が有れば溶接不良、空隙が無ければ溶接部は健全、と評価することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における溶接部の検査装置の全体構成を表す図である。
【図２】従来の腐食検査装置の構成を表す図である。
【図３】腐食検査と溶接部の検査の原理を表す図である。
【図４】超音波探触子に付加する応力と反射波の信号強度の相関を表す図である。
【図５】ＳＨ波の音速と周波数×板厚みの相関を表す図である。
【図６】垂直超音波を用いて超音波探触子に適切な応力を付加できることを表す図である。
【図７】本発明の第１の実施例における検査対象の平面図と検査位置を表す図である。
【図８】本発明の第１の実施例における周波数０．３ＭＨｚ のＳＨ波を用いた際に受信したＳＨ波の信号強度の時間経過を表す図である。
【図９】本発明の第１の実施例における周波数０．５ＭＨｚ のＳＨ波を用いた際に受信したＳＨ波の信号強度の時間経過を表す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例における溶接部の検査装置の全体構成を表す図である。
【図１１】本発明の第３の実施例における溶接部の検査装置の全体構成を表す図である。
【図１２】本発明の第３の実施例における超音波探触子に付加されている応力を測定する際の構成を表す図である。
【符号の説明】
１…超音波探触子、２…金属配管、３…ＳＨ波振動子、４…配管支持部、５…リング、６…磁石、７…移動体、８…支持体、９…バネ、１０…接触媒質、１１…腐食、１２…金属部材、１３…溶接部、１４…空隙、１５…シート、１６…垂直超音波を送受信する超音波探触子、１７…超音波探触子保持体、１８…押し出し棒、１９…支持体、２０…吸着盤、２１…垂直波振動子、２２…ステッピングモータ、２３…回転シャフト、２４…連結リング、２５…ステッピングモータ支持体、２６…回転制御回路、２７…応力を付加する手段、２８…垂直波送信回路、２９…垂直波受信回路、３０…ＳＨ波送信回路、３１…ＳＨ波受信回路、３２…垂直波信号処理装置、３３…ＳＨ波信号処理装置、３４…表示装置、３５…パソコン、３６…応力測定子。
Claims (9)
- 複数の板状の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部に存在する空隙の有無を超音波の一種であるＳＨ波の送受信により検査する方法において、超音波探触子の超音波送受信面と前記構造体の表面との間に接触媒質並びに当該接触媒質を包むシートを挟み、当該超音波探触子を前記構造体の表面に押し付けながらＳＨ波の送受信を行い、前記構造体の内部を伝播したＳＨ波が溶接部に存在する空隙から反射して来たＳＨ反射波の信号の有無から溶接部の空隙の有無を定め、空隙が有れば溶接部は不良であり、空隙が無ければ溶接部は健全であると評価することを特徴とした溶接部の検査方法。
- 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、ＳＨ波を送受信する前記超音波探触子を０．１ＭＰａ 以上の応力で前記構造体の表面に押し付けながらＳＨ波の送受信を行うことを特徴とした溶接部の検査方法。
- 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、ＳＨ波を送受信する前記超音波探触子はＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子と前記構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する垂直波振動子とを備えており、前記垂直波振動子を用いて垂直超音波を前記構造体に入射し、前記構造体の対向面から反射して来た垂直反射波を前記垂直波振動子で検出し、当該垂直反射波の信号強度と超音波探触子を前記構造体の表面に押し付ける応力との相関を求め、応力の増加に伴い垂直反射波の信号強度が増加する程度が緩やかになった際の応力を維持しながらＳＨ波振動子を用いてＳＨ波の送受信を行うことを特徴とした溶接部の検査方法。
- 請求項１に記載の溶接部の検査方法において、ＳＨ波を送受信する前記超音波探触子と当該超音波探触子に隣接している前記構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する他の超音波探触子とが共に同じ応力で前記構造体の表面に押し付けられており、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直超音波を前記構造体に入射し、前記構造体の対向面から反射して来た垂直反射波を当該超音波探触子で検出し、当該垂直反射波の信号強度と超音波探触子を前記構造体の表面に押し付ける応力との相関を求め、応力の増加に伴い垂直反射波の信号強度が増加する程度が緩やかになった際の応力を維持しながら、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波の送受信を行うことを特徴とした溶接部の検査方法。
- 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の溶接部の検査方法において、送受信を行うＳＨ波の周波数は、当該ＳＨ波の音速と前記構造体の板厚みとを用いて、周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］の関係を満足するような周波数であることを特徴とした溶接部の検査方法。
- 複数の板状の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部に存在する空隙の有無を超音波の一種であるＳＨ波の送受信により検査する装置において、超音波探触子の超音波送受信面と前記構造体の表面との間に接触媒質並びに当該接触媒質を包むシートを有しており、且つ当該超音波探触子に応力を付加する手段と、当該超音波探触子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、当該超音波探触子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有していることを特徴とした溶接部の検査装置。
- 請求項６記載の溶接部の検査装置において、ＳＨ波を送受信する前記超音波探触子は、当該超音波探触子の内部にＳＨ波を送受信するＳＨ波振動子と前記構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する垂直波振動子とを備えており、且つ前記垂直波振動子を用いて垂直波を送信する垂直波送信回路と、前記垂直波振動子を用いて垂直波を受信する垂直波受信回路と、受信した垂直波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示する垂直波信号処理手段とを有していることを特徴とした溶接部の検査装置。
- 複数の板状の金属部材が溶接されて一体となった構造体の溶接部に存在する空隙の有無を超音波の一種であるＳＨ波の送受信により検査する装置において、
ＳＨ波を送受信する超音波探触子及び前記構造体の厚み方向に伝播する垂直超音波を送受信する他の超音波探触子の超音波送受信面と前記構造体の表面との間に接触媒質並びに当該接触媒質を包むシートを有しており、且つ当該二つの超音波探触子に同じ応力を付加する手段と、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直波を送信する垂直波送信回路と、垂直超音波を送受信する超音波探触子を用いて垂直波を受信する垂直波受信回路と、受信した垂直波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示する垂直波信号処理手段と、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波を送信するＳＨ波送信回路と、ＳＨ波を送受信する超音波探触子を用いてＳＨ波を受信するＳＨ波受信回路と、受信したＳＨ波の信号強度を時刻と伴に記録並びに表示するＳＨ波信号処理手段とを有していることを特徴とした溶接部の検査装置。 - 請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載の溶接部の検査装置において、送受信を行うＳＨ波の周波数は、当該ＳＨ波の音速と前記構造体の板厚みとを用いて、周波数［単位：ＭＨｚ］×板厚み［単位：ｍｍ］≦音速［単位：ｋｍ／ｓ］の関係を満足するような周波数であることを特徴とした溶接部の検査装置。
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