JP2006084305A

JP2006084305A - 材料欠陥検出方法および装置

Info

Publication number: JP2006084305A
Application number: JP2004268854A
Authority: JP
Inventors: Ryuzo Yamada; 龍三山田; Koichiro Kawashima; 紘一郎川嶋; Fumio Fujita; 文雄藤田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Sonix Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Sonix Co Ltd
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】材料の内部に存在する微小欠陥を検出するとともに、その検出結果を用いて材料の品質を評価する材料欠陥検出方法および装置を提供する。
【解決手段】バースト超音波発生器１と、２軸方向にスキャン可能とされた送受信探触子２と、増幅器３と、受信機４と、コンピュータ５とを備え、前記コンピュータ５が、周波数解析手段５１と、評価処理手段５２とを有してなる装置Ｋにより、検査対象の端面にバースト超音波をスキャンしながら照射し、照射されたバースト超音波の反射波または透過波を受信し、受信された全波形を記録し、記録された全波形に対して周波数解析を行いその基本波および高調波信号の強度を算出し、算出された基本波および高調波信号の強度に基づいて検査対象の評価をなす。
【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆる非線形超音波法を用いて、金属接合材の接合界面を含む、材料の内部欠陥を検出し、当該材料の品質を評価するための材料欠陥検出方法および装置に関する。

従来より、金属接合材の内部欠陥検出は、微小振幅超音波を材料に入射し、内部欠陥からの反射波強度、背面散乱波強度などを測定することにより非破壊で行なわれてきている。こうした接合強度等の接合特性を非破壊で推定することを可能とする接合材の超音波検査方法として、例えば特開平１１−２０１９４９号公報(特許文献１)に記載されたものなどが知られている。

この公報に記載された超音波検査方法について図９を参照して簡単に説明すると、図中、１０１は鋼管、１０２、１０３が管端面において接合された接合材であり、接合界面１０４を挟んで、超音波発振探触子１０５及び受信探触子１０６が配置されている。

図示しない同期制御部において高周波パルスを発生させ、この高周波パルスを高周波ケーブルを介して超音波発振探触子１０５に送る。超音波発振探触子１０５に送られた高周波パルスは、超音波発振探触子１０５内の振動子の両面に張り付けられた電極に印加され、これにより振動子が厚さ方向に伸縮し、超音波が発生する。発生した超音波は、鋼管１０３に入射し、鋼管１０３の内周面および外周面で反射を繰り返しながら、鋼管１０２に向かって伝搬する。その過程で、超音波は接合界面１０４を透過することになる。

予め定められた回数の反射が行われたところで、鋼管１０２上に配置された受信探触子１０６に超音波が受信される。受信された超音波は、受信探触子１０６に備えられた振動子に伝えられ、振動子を厚さ方向に伸縮させる。この機械的振動は、該振動子により電気信号に変換され、高周波ケーブルを介して図示しない検査装置の受信部に送られる。そして、超音波発振探触子１０５に投入した電気エネルギーに対する受信探触子１０６により受信された電気エネルギーの比から超音波の減衰量を測定する。この測定値に基づいて予め測定される既知の接合条件により、接合された標準接合体の超音波減衰量と接合特性との相関関係より、前記被測定接合材の接合特性を検査するものである。

しかしながら、このような従来の超音波探傷あるいは材料評価では、通常振幅が１ｎｍ程度の微小振幅で低出力の超音波を利用しているため、超音波振幅と同程度の開口量の微小亀裂、微視的レベルで部分的に接触或いは結合している界面の健全性を評価できない。このため、例えばキッシングボンドと呼ばれる見かけ上結合しているがほとんど結合強度のない部分を不健全部として検出できない。

こうした背景の中で、最近、微小亀裂を検出する方法として非線形超音波法が注目されている。この方法は、入射超音波振幅と同程度の開口を持つ亀裂に平面波を入射すると、圧縮側の成分は亀裂の一部を閉口させて部分的に透過する一方、引張側の成分は亀裂面で反射される。この非線形性により透過波形の振幅は引張側と圧縮側とで異なり、その差異は入射波振幅に依存する。この関係を定量化することにより内部微少亀裂の検出を行うものである。

発明者等は、この非線形超音波法を用いた内部微少亀裂検出方法について、特開２００１−３０５１０９号公報(特許文献２)に記載されているように、バースト超音波を同種固体接合界面あるいは界種材料接合界面に入射することにより、界面に存在する微小剥離あるいは亀裂を圧縮相で部分的あるいは完全に閉口させ、これにより部分的に圧縮相の波を透過させることにより透過波形に現れる非線形性、あるいはこの閉口に伴う引張相での部分的波の透過に伴う引張相反射波形に現れる非線形性をデジタル信号処理により定量化し、接合界面強度および界面の健全性を非破壊的に評価するという趣旨の提案をしている。

しかしながら、前記提案は、注目点に欠陥が存在するか否かを判定することのみを目的としてなされたものであるため、例えば２次元平面を有する接合面などの実際の材料の欠陥の有無を検出するためには充分でないという問題がある。
特開平１１−２０１９４９号公報特開２００１−３０５１０９号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、材料の内部に存在する微小欠陥を検出するとともに、その検出結果を用いて材料の品質を評価する材料欠陥検出方法および装置を提供することを主たる目的としている。

本発明の材料欠陥の検出方法は、非線形超音波を用いた材料欠陥の検出方法であって、検査対象の端面にバースト超音波を探触子から照射する手順と、前記照射されたバースト超音波の反射波または透過波を受信する手順と、前記受信された反射波または透過波を記録する手順と、探触子をスキャンする手順と、前記記録された全波形に対して欠陥領域に対する周波数解析を行って、基本波および高調波信号の強度を算出する手順と、前記算出された基本波および高調波信号の強度に基づいて、検査対象の評価をなす手順とを含んでいることを特徴とする。

本発明の材料欠陥の検出方法においては、基本波および高調波信号の強度に基づいてＣスコープデータを作成し、該Ｃスコープデータ中の欠陥部分の割合により欠陥の評価をなすのが好ましい。

また、本発明の材料欠陥の検出方法においては、材料欠陥が金属接合材の接合界面であるのが好ましい。

本発明の材料欠陥の検出装置は、非線形超音波を用いた材料欠陥の検出装置であって、バースト超音波発生器と、２軸方向にスキャン可能とされた送信探触子と、受信探触子と、増幅器と、受信機と、コンピュータとを備え、前記コンピュータが、周波数解析手段と、評価処理手段とを有してなることを特徴とする。

本発明によれば、従来の超音波探傷では検出できなかった、微細な亀裂などの欠陥の検出もなし得るという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る材料欠陥検出方法が適用された検出装置の概略構成を示す。

検出装置Ｋは、試料としての金属接合材Ｎを水槽Ｍ内に浸漬させた状態で欠陥の有無、ここではその接合界面Ｑにおける微少剥離および亀裂の有無を検査し、その検査結果により金属接合材Ｎの接合品質を評価するための装置とされる。

検出装置Ｋは、図１に示すように、バースト波発生器１、送受信探触子２、増幅器３、受信機４およびコンピュータ５を主要構成要素として備えてなる。

バースト波発生器１は、大振幅のバースト波を発生し、送受信探触子２に入力する。

送受信探触子２は、図示しないスキャナにより金属接合材Ｎの接合界面Ｑと平行な２軸方向に走査され、接合界面Ｑ全体について欠陥の有無を検査するよう、バースト波発生器１から入力される超音波Ｐを金属接合材Ｎに向けて放射するとともに、その反射波を受信し、その受信波に対応する信号（受信波信号と称する）を増幅器３に送出する。

増幅器３は、受信波信号を増幅して受信機４に送出するものとされる。

受信機４は、増幅器３により増幅された波形をコンピュータ５に送出する。

コンピュータ５は周波数解析手段５１および評価処理手段５２を有し、受信機４から入力される信号に対して周波数解析、ここではＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行するとともに、接合品質を評価するための評価処理を行う。すなわち、コンピュータ５は、全信号を記録するとともに、周波数解析手段５１によりその記録された信号データにおける任意の時間領域について周波数解析を行って、基本波および高調波の信号強度を算出し、評価処理手段５２によりその算出された信号強度に基づいてＣスコープデータを作成して接合部の良否を判定する。

次に、非線形超音波法による検査原理を説明する。

図２は、一定周波数のバースト超音波の入射波振幅Ａと亀裂の開口量Ｗの関係を示した図である。図において、（１）は完全結合界面であり開口の無い領域、（２）は入射波振幅Ａより小さいか、あるいは同程度の開口を持つ剥離または亀裂の領域、（３）は入射波振幅Ａよりはるかに大きな開口Ｗの剥離あるいは亀裂となっている領域である。

図４は、亀裂の開口量Ｗと透過波形の関係を示す図である。前述したような亀裂にバースト超音波を入射すると、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、領域（１）（Ｗ＝０）では、入射波はそのまま透過する。領域（２）（Ｗ＜Ａ）では、入射波の圧縮相の波は部分的に亀裂を閉口させ、閉口後圧縮相の波は一部透過するが、引張相の波はほとんど透過しないか極わずか透過する。領域（３）（Ｗ＞Ａ）では、入射波は完全に反射し透過しない。

ところで、実際の損傷領域は、図４（ｄ）に示すように、これら３領域の組み合わせである。超音波振幅より小さな開口の亀裂が存在すると圧縮側の波が部分的に透過し、領域（１）と（２）の圧縮側透過波の振幅の和は引張側より大きくなる。この波形のひずみが高調波を生成する。すなわち、入射波振幅が増大すれば、圧縮側の波の透過率が高くなり高調波振幅が大きくなり、また内部微小亀裂が増加すると、領域（１）が減少し領域（２）が増大するため、高調波振幅が大きくなると考えられる。図４（ｅ）に、高調波の周波数と強度との関係を示す。

図３（ａ）〜（ｃ）に、各状態の界面における垂直変位εと対応する力σの関係を示す。これらの総和としての界面における垂直変位εと対応する力σの関係は、図３（ｄ）に模式的に示すように非線形となる。

引張および圧縮側の力−変位関係は、前記３種の状態の割合、つまり界面の微視幾何学的および界面特性に依存して変化する。図３（ｄ）に示す非線形特性に対応し、圧縮側の弾性係数は引張側のそれより大きく、そのため前者の波の速度は後者のそれより速い。これにより、入射波が正弦波であるとき、透過波および反射波波形はそれからひずむ。同様な関係が微視的に方向性を持つ界面にせん断応力が作用した場合にも成り立つ。

かかる現象を利用することにより、統計的意味で入射波振幅と同程度の開口を持つ微小亀裂の非破壊評価ができる。具体的には、高調波と亀裂の関係を既知の接合条件より実験的に求めておき、測定値を既知の接合条件と比較して被測定接合材の接合部の評価を行う。例えば、亀裂の平均密度、亀裂部の面積割合を測定してその評価を行う。例えば、亀裂の有無、破断の可能性を評価する。

以上、透過波を利用する場合を例に採り説明してきたが、反射波を利用する場合についても同様のことが言える。図５（ａ）〜（ｅ）に、反射波を利用した場合における開口量と反射波形との関係を示す。図５（ａ）は開口がない場合を示し、同（ｂ）は開口量が入射波振幅の振幅より小さい場合を示し、同（ｃ）は開口量が入射波振幅の振幅より大きい場合を示し、同（ｄ）はそれらの合成波形を模式的に示し、図５（ｅ）は高調波の周波数と強度との関係を示す。

以下、本発明の検査方法の手順を実施例により具体的に説明する。なお、実施例では、試験片として１６ｍｍφｘ９ｍｍＬのγ−チタンアルミ材（引張強度：５００ＭＰａ；融点：１５００℃；音速：７１１１ｍ／ｓ；密度：３．７ｇ／ｃｍ３）と、１６ｍｍφｘ９ｍｍＬのクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）材（引張強度：９３２ＭＰａ；融点：１５５０℃；音速：５６６７ｍ／ｓ；密度：７．８ｇ／ｃｍ３）とをニッケル系アモルファスシート（引張強度：８０４ＭＰａ；融点：１０４０℃；音速：５６３０ｍ／ｓ；密度：８．８ｇ／ｃｍ３）により接合したものを用いた。この接合は模擬欠陥を発生させるため、接合面にマシン油を塗布して行った。

図６に、試験片の断面の顕微鏡写真を示す。図より、数ミクロンのボイドやサブミクロンオーダの開口が発生しているのがわかる。

手順１：スキャナを用いて送受信探触子２を走査させ、試験片各部位に前述した超音波を入射し、全ての部位についての反射信号を記録する。なお、探触子２には４波、３．５ＭＨｚ、３００Ｖｐｐのバースト波を加えた。

例えば、０．１ｍｍピッチで送受信探触子２を接合界面Ｑと平行な２軸方向つまりｘ−ｙ軸方向に走査させ、各部位について図８（ａ）に示すような信号を得る。同図において、横軸は超音波の記録を開始してからの時間を示し、縦軸は受信波の強度を示す。

手順２：コンピュータ５により手順１で受信した信号の接合界面Ｑに相当する位置の信号を抽出し、ついで周波数解析手段５１によりＦＦＴによる周波数解析を行う。

ここで、図７（ａ）において、記録開始直後（０〜１μｓ）の大振幅は、金属接合材Ｎ前端面で反射した超音波に対応している。それに続く期間（２〜３μｓ）の波形が接合界面Ｑにおける反射波に対応し、その後（４〜５μｓ）の波形が金属接合材Ｎの後端面における反射波に対応している。

また、図７（ｂ）に、金属接合材Ｎ中心部の周波数解析結果を示す。図７（ｂ）より周波数７．０Ｈｚの２次高調波成分が生成されているのが認められる。

手順３：周波数解析手段５１により接合界面Ｑ全体について、各部における基本波および高調波成分（２次、３次、・・・）の信号強度を求める。

手順４：評価処理手段５２により２次元平面での信号強度グラフ（Ｃスコープデータ）を作成する。

例えば、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、各周波数帯域毎（例えば、２〜５ＭＨｚ（基本波）および５．５ＭＨｚ〜８．５ＭＨｚ（２次高調波））に、接合界面Ｑの信号強度の分布を表すように各部を着色したグラフを作成する。

手順５：評価処理手段５２により、しきい値を超えた部位の面積により金属接合材Ｎの接合品質を評価する。

例えば、各周波数帯域毎（例えば、２〜５ＭＨｚおよび５．５ＭＨｚ〜８．５ＭＨｚ）に、しきい値を設定し、信号強度がしきい値を超えている部位は空隙が存在するものとして、その面積に応じて金属接合材Ｎの接合品質を評価する。

ここで、高調波成分では微少な空隙に対する検出感度が高く、逆に大きな空隙に対する検出感度は低くなるため、基本波および高調波成分を用いることによって、大きさの異なる空隙を識別することが可能となる。例えば、図８（ｂ）に示すように、数ミクロンのボイドやサブミクロンオーダの開口亀裂が発生している部位において、２次高調波成分の信号強度が図８（ａ）に示すものより高いのがわかる。つまり、２次高調波成分により数ミクロンのボイドやサブミクロンオーダの開口を有する亀裂が検出できる。

以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態および実施例では、金属同士の接合面の欠陥を検出する場合を例に採り説明されているが、本発明の適用は金属同士の接合面の欠陥を検出に限定されるものではなく、金属そのものの欠陥の検出にも適用できる。また、金属以外の材料、例えば合成樹脂の欠陥の検出にも適用できる。

本発明は、数ミクロンのボイドやサブミクロンオーダの開口を有する亀裂の検出に適用できる。

本発明の一実施形態に係る材料欠陥検出方法が適用されてなる検出装置の概略図である。一定周波数のバースト超音波の入射振幅と亀裂の開口量との関係を示す模式図である。各状態の界面における垂直変位と力の関係を示す模式図である。亀裂の開口量Ｗと透過波形の関係を示す模式図である。亀裂の開口量Ｗと反射波形の関係を示す模式図である。試験片断面の顕微鏡写真である。試験片からの反射波のグラフ図である。同反射波のスペクトル強度のグラフ図である。従来の超音波検査方法についての説明図である。

符号の説明

１バースト波発生器
２送受信探触子
３増幅器
４受信機
５コンピュータ
５１周波数解析手段
５２評価処理手段
Ｋ材料欠陥検出装置
Ｎ金属接合材
Ｑ接合界面
Ｍ水槽

Claims

非線形超音波を用いた材料欠陥の検出方法であって、
検査対象の端面にバースト超音波を探触子から照射する手順と、
前記照射されたバースト超音波の反射波または透過波を受信する手順と、
前記受信された反射波または透過波を記録する手順と、
前記探触子をスキャンする手順と、
前記記録された全波形に対して欠陥領域に対する周波数解析を行って、基本波および高調波信号の強度を算出する手順と、
前記算出された基本波および高調波信号の強度に基づいて、検査対象の評価をなす手順
とを含んでいることを特徴とする材料欠陥の検出方法。
基本波および高調波信号の強度に基づいてＣスコープデータを作成し、該Ｃスコープデータ中の欠陥部分の割合により欠陥の評価をなすことを特徴とする請求項１記載の材料欠陥の検出方法。
材料欠陥が金属接合材の接合界面であることを特徴とする請求項１または２記載の材料欠陥の検出方法。
非線形超音波を用いた材料欠陥の検出装置であって、
バースト超音波発生器と、２軸方向にスキャン可能とされた送信探触子と、受信探触子と、増幅器と、受信機と、コンピュータとを備え、
前記コンピュータが、周波数解析手段と、評価処理手段とを有してなることを特徴とする材料欠陥の検出装置。