JP2005084036A

JP2005084036A - 超音波探傷方法

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Publication number: JP2005084036A
Application number: JP2003320139A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kato; 恵之加藤; Toshiro Kobayashi; 敏郎小林
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JP4298444B2

Abstract

【課題】要求品質を満足する丸棒材Ｓを効率よく選別できる超音波探傷方法の提供。
【解決手段】探触子１４は、多数の振動子１６、第一レンズ１８及び第二レンズ２０を備えている。第一レンズ１８の下面は、横断面において上方へと凹陥している。第一レンズ１８の下面は、縦断面において平坦である。第二レンズ２０の下面は、横断面において平坦である。第二レンズ２０の下面は、縦断面において上方へと凹陥している。探触子１４から超音波Ｕが発せられており、この超音波Ｕは丸棒鋼Ｓに入射している。横断面において超音波Ｕは、第一レンズ１８によって集束点Ｆａに集束されている。縦断面において超音波Ｕは、第二レンズ２０によって集束点Ｆｂに集束されている。集束点Ｆａの深さＤａと集束点Ｆｂの深さＤｂとは、実質的に同一である。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属製丸棒材の内部疵の有無が、超音波が利用されて検査される方法に関する。

特殊鋼からなる丸棒鋼は、鋼塊又は鋼片が圧延されることで得られる。通常は、タンデムに並べられた粗列圧延機、中間列圧延機及び仕上列圧延機による多段圧延が施される。この圧延によってビレットは徐々に細径化し且つ長尺化して、丸棒鋼が得られる。鋼塊及び鋼片に存在する介在物は、長尺化に伴い、丸棒鋼の長手方向に延在する。この介在物は、円柱状を呈する。介在物がアルミナ等の高硬度物質である場合は、圧延によっても変形せず、粒状を呈することがある。これらの介在物は、内部疵である。内部疵の程度によっては、この内部疵が丸棒鋼の品質を低下させ、使用に支障を来すこともある。

鋼材メーカーは、内部疵の原因となる介在物の低減の目的で、精錬段階で種々の対策を施している。しかし、内部疵を完全に防止することは、不可能である。鋼材メーカーは丸棒鋼の内質を検査し、大きな疵が検出されなかった丸棒鋼のみを出荷している。検査には、超音波探傷方法が採用される。超音波探傷方法では、その周波数が２ＭＨｚから５ＭＨｚ程度である超音波が用いられる。超音波探傷方法に用いられうる探触子が、特開平１０−３１１８２３号公報に開示されている。

図４は、従来の超音波探傷方法で丸棒鋼Ｓが検査される様子が示された説明図である。図４（ａ）には丸棒鋼Ｓの横断面が示されており、図４（ｂ）には丸棒鋼Ｓの縦断面が示されている。この図４において符号２で示されているのは、探触子である。探触子２は、振動子４と凹面レンズ６とを備えている。凹面レンズ６の下面は、図４（ａ）において凹陥しており、図４（ｂ）において平坦である。振動子４からは、超音波Ｕが発せられる。超音波Ｕは、凹面レンズ６を通過し、丸棒鋼Ｓに入射する。丸棒鋼Ｓに内部疵がある場合は、この内部疵で超音波Ｕが反射される。この反射波が探触子２で感知されることで、内部疵が検出される。探触子２が丸棒鋼Ｓの周りを相対的に回転することで、丸棒鋼Ｓの横断面全領域にわたって検査が行われる。丸棒鋼Ｓが図中矢印Ａで示される方向に進行することで、丸棒鋼Ｓの長さ方向全領域にわたって検査が行われる。

丸棒鋼Ｓの横断面においては、超音波Ｕは集束点Ｆに集束している。一方、丸棒鋼Ｓの縦断面においては、超音波Ｕは集束せずに分散している。この探傷方法では、集束点Ｆの近傍における超音波Ｕの音圧は、縦断面において小さい。従って、振動子４よりも短い内部疵からの反射波のエネルギーは小さく、この内部疵の検出精度は不十分である。この超音波探傷方法では、直径が０．１５ｍｍ以下である粒状の内部疵は検出されにくい。

二次元凹面レンズが用いられることで、縦断面においても超音波が集束されうる。図５は、この二次元凹面レンズ８が用いられた超音波探傷方法で丸棒鋼Ｓが検査される様子が示された説明図である。図５（ａ）には丸棒鋼Ｓの横断面が示されており、図５（ｂ）には丸棒鋼Ｓの縦断面が示されている。探触子１０は二次元凹面レンズ８と共に振動子１２を備えている。振動子１２からは、超音波Ｕが発せられている。上面が平坦な金属材料がこの探触子１０で検査された場合は、超音波Ｕは一点に集束する。しかし、横断面における丸棒鋼Ｓの表面は湾曲しているので、スネルの法則に従い、図５（ａ）に示された集束点Ｆａの深さＤａと、図５（ｂ）に示された集束点Ｆｂの深さＤｂとが異なる。この超音波探傷方法でも、集束点Ｆａ、Ｆｂの近傍の超音波Ｕの音圧が小さいので、振動子１２よりも短い内部疵からの反射波のエネルギーは小さい。この超音波探傷方法でも、内部疵の検出精度は不十分である。
特開平１０−３１１８２３号公報

特殊鋼からなる丸棒鋼Ｓは、重要部品（例えば自動車ステアリングの軸）に使用されることが多い。この用途では、丸棒鋼Ｓに高い強度と靱性とが要求される。この用途では、従来の超音波探傷方法では検出され得ない程度の内部疵であっても、使用に支障を来すことがある。顕微鏡観察によって微小な内部疵が検出されうるが、顕微鏡観察の効率は悪い。顕微鏡観察は、実験室レベルでは可能であるが、大量生産を行う工場においては実用性に欠ける。本発明の目的は、要求品質を満足する丸棒材Ｓを効率よく選別できる超音波探傷方法の提供にある。

本発明に係る超音波探傷方法では、探触子から発せられた超音波が、金属製丸棒材にその側面から入射される。超音波は丸棒材の内部で集束させられ、反射波によって内部疵の有無が検査される。丸棒材の横断面における超音波の集束点と、丸棒材の縦断面における超音波の集束点とは、実質的に一致している。

好ましくは、探触子が備える振動子の有効面積がＡｅ（ｍｍ^２）とされ、振動子と内部疵との距離がｘｍｍとされたとき、（Ａｅ／ｘ^２）の値は０．０３以上である。好ましくは、超音波の周波数は、６ＭＨｚ以上である。

本発明に係る超音波探傷方法は、直径が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である粒状の内部疵の検出に好適である。本発明に係る超音波探傷方法は、探触子が備える振動子の長さよりも短い内部疵の検出にも好適である。

この超音波探傷方法では、集束点近傍における超音波の音圧が大きい。従って、内部疵によって生じる反射波のエネルギーが大きい。この超音波探傷方法では、微小な内部疵が検出されうる。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法で丸棒鋼Ｓが検査される様子が示された説明図である。この方法には、探触子１４が用いられている。探触子１４は、多数の振動子１６、第一レンズ１８及び第二レンズ２０を備えている。振動子１６は、丸棒鋼Ｓの長手方向に並列されている。振動子１６は第一レンズ１８の上方に位置しており、第一レンズ１８と積層されている。第二レンズ２０は第一レンズ１８と離間しており、第一レンズ１８の下方に位置している。

図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面矢視図である。図２（ａ）には丸棒鋼Ｓの横断面が示されており、図２（ｂ）には丸棒鋼Ｓの縦断面が示されている。

図２から明らかなように、第一レンズ１８は凹面レンズである。第一レンズ１８の下面は、横断面において上方へと凹陥している。第一レンズ１８の下面は、縦断面において平坦である。第二レンズ２０も、凹面レンズである。第二レンズ２０の下面は、横断面において平坦である。第二レンズ２０の下面は、縦断面において上方へと凹陥している。

探触子１４からは図２中下方に向かって超音波Ｕが発せられており、この超音波Ｕは丸棒鋼Ｓに入射している。図２（ａ）において超音波Ｕは、第一レンズ１８によって集束点Ｆａに集束されている。図２（ｂ）において超音波Ｕは、第二レンズ２０によって集束点Ｆｂに集束されている。図２（ａ）と図２（ｂ）との対比から明らかなように、集束点Ｆａの深さＤａと集束点Ｆｂの深さＤｂとは、実質的に同一である。換言すれば、集束点Ｆａと集束点Ｆｂとは、実質的に同一である。本発明においては、深さＤａと深さＤｂとの差（Ｄａ−Ｄｂ）の絶対値が丸棒鋼Ｓの半径の２５％以下、さらには１５％以下、特には１０％以下の場合に、「集束点Ｆａと集束点Ｆｂとが実質的に同一である。」と称される。

丸棒鋼Ｓに内部疵が存在する場合、超音波Ｕがこの内部疵に衝突し、反射波が生じる。反射波は図２中上方に向かい、探触子１４に受信される。反射波のエネルギーがノイズと区別されうる程度に大きい場合は、内部疵の存在が探触子１４によって検出される。図１及び図２に示された超音波探傷方法では、集束点近傍の超音波Ｕの音圧が高い。従って、集束点の近傍に存在する内部疵からの反射波のエネルギーは大きい。よって、集束点の近傍に存在する内部疵が微小であっても、検出が可能である。例えば、直径が１００μｍである粒状の疵や、直径が２５μｍであって長さが４００μｍである円柱状の疵が検出されうる。

丸棒鋼Ｓは、図２（ａ）において矢印Ｒで示される方向に回転する。この回転により、横断面の全体にわたる探傷がなされうる。丸棒鋼Ｓが回転せず、探触子１４が丸棒鋼Ｓの周りを回転してもよい。丸棒鋼Ｓは、図２（ｂ）において矢印Ａで示される方向に進行する。この進行により、長さ方向の全体にわたる探傷がなされうる。

探触子１４で受信される反射波の音圧ＰＦは、下記数式（Ｉ）で表される。
ＰＦ＝Ｋ_１・（Ｐｏ・Ａｅ・ＡＦ／（λ^２・ｘ^２））／（ａ・ｂ）（Ｉ）
この数式においてＰｏは振動子１６で発生した超音波Ｕの音圧を表し、Ａｅは振動子１６の有効面積を表し、ＡＦは内部疵の面積を表し、λは超音波Ｕの波長を表し、ｘは振動子１６と内部疵との間の距離を表し、ａは集束点Ｆａにおける超音波群の幅を表し、ｂは集束点Ｆｂにおける超音波群の長さを表す。上記数式（Ｉ）において、Ｋ_１は係数である。有効面積Ａｅは、振動子１６の幅（図２において両矢印Ｗで表されている）と全長（図２において両矢印Ｌで表されている）との積（Ｗ・Ｌ）である。検知の精度と効率とのバランスの観点から、ａ及びｂは１．０ｍｍ程度とされる。

鋼中には結晶粒が存在する。探触子１４は、結晶散乱エコーに起因するノイズをも受信する。ノイズの音圧ＰＮは、下記数式（II）で表される。
ＰＮ＝（Ｋ_２・Ｇｓ）／λ （II）
この数式においてＧｓは鋼材の結晶粒径をあらわす。上記数式（II）において、Ｋ_２は係数である。

内部疵からの反射波がノイズよりも十分大きい場合に、内部疵が検出されうる。検出能は、（ＰＦ／ＰＮ）と相関する。上記数式（Ｉ）及び数式（II）より、検出能は下記数式（III)で表される。
（ＰＦ／ＰＮ）＝Ｋ_３・Ｐｏ・Ａｅ・ＡＦ／（Ｇｓ・λ・ｘ^２・ａ・ｂ）（III)

上記数式（III)から明らかなように、内部疵の面積ＡＦが小さくても、振動子１６の有効面積Ａｅが十分大きい場合、又は距離ｘが十分小さい場合は、内部疵が検出されうる。検出精度の観点から、（Ａｅ／ｘ^２）は０．０３以上が好ましく、０．０５以上がより好ましく、０．０７以上が特に好ましい。（Ａｅ／ｘ^２）が大きすぎる場合は装置が大がかりとなるので、（Ａｅ／ｘ^２）は１．０以下が好ましい。

上記数式（Ｉ）から明らかなように、超音波Ｕの波長λが十分小さければ、内部疵の面積ＡＦが小さくても、この内部疵が検出されうる。波長λは、超音波Ｕの媒質における音速がＣとされ、超音波Ｕの周波数がｆとされたとき、（Ｃ／ｆ）で表される。換言すれば、周波数ｆが十分大きければ、検出精度が高い。検出精度の観点から、周波数ｆは６ＭＨｚ以上が好ましく、８ＭＨｚ以上がより好ましく、１０ＭＨｚ以上が特に好ましい。周波数ｆは通常、３０ＭＨｚ以下である。

図３は、本発明の他の実施形態に係る超音波探傷方法で丸棒鋼Ｓが検査される様子が示された説明図である。図示されていないが、この方法にも探触子が用いられている。この探触子も、図２に示された探触子１４と同様の第二レンズ２０を備えている。この探触子でも、横断面における集束点Ｆの深さＤａと縦断面における集束点Ｆの深さＤｂとは、実質的に同一である。この探触子では、焦点距離が可変である。丸棒鋼Ｓは、周方向に回転しつつ、長手方向に進行する。

図３（ａ）では、超音波Ｕの集束点Ｆは丸棒鋼Ｓの中心である。この図３（ａ）では、仮想円Ｃ１の内側において超音波Ｕの密度が特に高い。この図３（ａ）では、仮想円Ｃ１の内側に存在する内部疵の検出精度が特に高い。

図３（ｂ）では、超音波Ｕの集束点Ｆは丸棒鋼Ｓの中心よりも上方である。集束点Ｆと丸棒鋼Ｓの中心との距離は、丸棒鋼Ｓの半径ｒの約２８％である。この図３（ｂ）では、仮想円Ｃ１と仮想円Ｃ２とに囲まれた領域において、超音波Ｕの密度が特に高い。この図３（ｂ）では、仮想円Ｃ１と仮想円Ｃ２とに囲まれた領域に存在する内部疵の検出精度が特に高い。

図３（ｃ）では、超音波Ｕの集束点Ｆは丸棒鋼Ｓの中心よりもさらに上方である。集束点Ｆと丸棒鋼Ｓの中心との距離は、丸棒鋼Ｓの半径ｒの約５７％である。この図３（ｃ）では、仮想円Ｃ２と仮想円Ｃ３とに囲まれた領域において、超音波Ｕの密度が特に高い。この図３（ｃ）では、仮想円Ｃ２と仮想円Ｃ３とに囲まれた領域に存在する内部疵の検出精度が特に高い。

図３（ｄ）では、超音波Ｕの集束点Ｆは丸棒鋼Ｓの中心よりもさらに上方である。集束点Ｆと丸棒鋼Ｓの中心との距離は、丸棒鋼Ｓの半径ｒの約８６％である。この図３（ｄ）では、仮想円Ｃ３と丸棒鋼Ｓの表面とに囲まれた領域において、超音波Ｕの密度が特に高い。この図３（ｄ）では、仮想円Ｃ３と丸棒鋼Ｓの表面とに囲まれた領域に存在する内部疵の検出精度が特に高い。

焦点距離が可変である振動子１６が用いられることで、図３に示されるように、丸棒鋼Ｓの中心近傍から表面近傍まで、きわめて精度よく内部疵の検出がなされうる。図３の例では、４カ所の集束点Ｆが採用されている。集束点Ｆの数は、丸棒鋼Ｓの直径及び要求精度に応じて決定される。半径がｒ（ｍｍ）である丸棒鋼Ｓの場合、集束点Ｆの数は、（ｒ／１５）以上が好ましく、（ｒ／１０）以上が特に好ましい。中心近傍から表面近傍までの全ての領域にわたって検査が行われる必要はない。例えば、中心がくり抜かれてパイプとして使用される丸棒鋼Ｓの場合は、中心近傍の検査が省略される。省略により、中心近傍の内部疵が許容される用途であるにもかかわらず、中心近傍に内部疵が存在することによってその丸棒鋼Ｓが不良と判定されること（いわゆる虚報）が防止される。

探触子として、多数の励振素子が用いられてもよい。励振素子には、励振パルス遅延回路が接続される。励振パルス遅延回路からは、それぞれの励振素子に向けて励振パルスが発せられる。励振パルスを受信すると、励振素子は超音波Ｕを発する。励振素子間の励振パルス受信タイミングがずらされることで、超音波Ｕの群が集束される。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

下記表１に示される３種の探触子を用意した。いずれの探触子においても、振動子の有効面積は６００ｍｍ^２であり、超音波の振動数は５ＭＨｚである。

まず実施例の探触子を用い、半径が７０ｍｍであり材質がである丸棒鋼に対して超音波探傷を行って、内部疵を有する丸棒鋼を見つけた。この丸棒鋼に対し、比較例１及び２の探触子を用いて超音波探傷を行ったが、内部疵は検出されなかった。この丸棒鋼の、実施例の探触子で内部疵が見出された箇所近傍を切り出して試験片を作成し、この試験片を少しずつ研磨しながら内部疵のサイズを顕微鏡で観察した。顕微鏡観察により、この内部疵はほぼ粒状であり、その直径が約１００μｍであることが解った。この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。

本発明は、丸棒鋼のみならず、断面が円形である種々の棒材に適用されうる。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷方法で丸棒鋼が検査される様子が示された説明図である。図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面矢視図である。図３は、本発明の他の実施形態に係る超音波探傷方法で丸棒鋼が検査される様子が示された説明図である。図４は、従来の超音波探傷方法で丸棒鋼が検査される様子が示された説明図である。図５は、従来の他の超音波探傷方法で丸棒鋼が検査される様子が示された説明図である。

符号の説明

１４・・・探触子
１６・・・振動子
１８・・・第一レンズ
２０・・・第二レンズ
Ｆ・・・集束点
Ｓ・・・丸棒鋼
Ｕ・・・超音波

Claims

探触子から発せられた超音波を金属製丸棒材にその側面から入射させてこの金属製丸棒材の内部で集束させ、反射波によって内部疵の有無が検査される超音波探傷方法であって、
丸棒材の横断面における超音波の集束点と、丸棒材の縦断面における超音波の集束点とが実質的に一致していることを特徴とする超音波探傷方法。
上記探触子が振動子を備えており、この振動子の有効面積がＡｅ（ｍｍ^２）とされ、振動子と内部疵との距離がｘｍｍとされたとき、（Ａｅ／ｘ^２）の値が０．０３以上である請求項１に記載の超音波探傷方法。
上記超音波の周波数が６ＭＨｚ以上である請求項１又は２に記載の超音波探傷方法。
上記探触子によって、直径が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である粒状の内部疵が検出される請求項１から３のいずれかに記載の超音波探傷方法。
上記探触子によって、この探触子が備える振動子の長さよりも短い内部疵が検出される請求項１から３のいずれかに記載の超音波探傷方法。