JP2007003197A - 超音波材料診断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体材料内の微視組織、介在物、微視き裂などを非破壊的に画像化し、検出・評価できる超音波材料診断装置を提供する。
【解決手段】信号発生器、アンプ、超音波探触子、走査機構、バンドパスフィルタ、デジタル波形記憶部、増幅器、コンピュータを備えた超音波材料診断装置において、1個あるいは2個の焦点型超音波探触子を用いて、信号発生器からの信号をアンプで増幅し、送信超音波探触子を励起し、受信超音波探触子からの信号をバンドパスフィルタを介して増幅後デジタル波形記録手段に同期加算してあるいは加算せずに収録し、パーソナルコンピュータを用いて前記収録波形をデジタル波形解析により処理し、波形の振幅、伝搬時間などを求めそれらを画像化することにより、工業材料等の微視組織、微視き裂などを非破壊的に画像化し、検出・評価することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、焦点型探触子を用いて横波超音波を材料内に入射し、材料内部の微視組織境界、接合界面、介在物、き裂などで散乱された横波を用いて、非破壊的にそれらを検出・画像化・評価する超音波材料診断方法及び装置に関するものである。具体的には、不完全接合部、初期疲労き裂、溶接溶け込み部深さ評価、積層複合材の損傷、パワーIC基盤の熱衝撃割れの検査に利用することができる。

材料の劣化や損傷を非破壊的に検出・評価することは構造物・各種製品の信頼性を確保するために不可欠である。従来から、体積を持つ空洞状欠陥を含む材料に対し超音波を入射し、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欠陥の検出を非破壊的に行ってきた。こうした超音波探傷技術は「超音波探傷法」の出版物（非特許文献１）に記載されている。

上記した非特許文献１に記載される従来超音波法では、その第２頁図１・１記載のように体積を持つ欠陥からの反射波強度と受信時間から欠陥の大きさと位置を評価している。

この方法ではき裂の高さを評価できないため、き裂先端部からの縦波回折波の伝搬時間を測定し画像化する、TOFD(Time-of-Flight- Diffraction) 法(例えば特許文献1)が最近では用いられている。

また、最近では適切に設定した時間遅れを与えて多数の微細な圧電素子を励起することにより任意方向に伝搬する超音波ビームや集束ビームを合成するフェイズドアレイ超音波装置（例えば、特許文献２）も用いられている。

しかし、上記の各方法では、部分的に接触しているき裂面、音響インピーダンスの差が少ない介在物、溶接部と未溶解部の境界など入射超音波が部分的に透過する部分を検出することは極めて困難であった。

また、大振幅縦波超音波を入射して、不完全接合面において発生する高調波を検出する方法が特開２００１−３０５１０９号公報（特許文献３）に記載されている。しかし、この方法は非焦点型超音波探触子を直接被測定物に直接接触させる方式であるため、空間分解能が６mm程度と低く、また探触子を被測定物に対して走査して内部欠陥あるいは微視組織を画像化することができないという問題点を持つ。

更に、上記方法では従来の超音波探傷より振幅で１０倍、エネルギーで１００〜１０００倍程大きい電気信号を超音波探触子に加えるので、その寿命が著しく短くなるという問題がある。
特開２００４−１９１２９５号 特開平０８−０４３３６７号 特開２００１−３０５１０９号 日本学術振興会製鋼第１９委員会編、超音波探傷法 改訂新版（日刊工業新聞社、１９７４年発行）Ｐ２，Ｐ１７３〜１７６

本発明では、上記した事情に鑑み、工業材料内の微視組織、介在物、狭い隙間のき裂などを非破壊的に画像化し、検出・評価することのできる超音波材料診断方法及び装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明が採用した解決手段は、焦点型探触子を用いて、
水あるいは樹脂製楔を介して集束させた超音波を固体試験体表面に斜めに入射しモード変換横波を励起し、材料内微視組織、介在物、狭い隙間のき裂などにより散乱された横波波形を焦点型探触子を用いてデジタル収録し、それに波形処理を施して材料内部微視組織、介在物、狭い隙間のき裂などを画像化して識別することを特徴とする超音波材料診断方法であり、
前記超音波は、広帯域パルス波あるいは一定周波数のバースト波であることを特徴とする超音波材料診断方法であり、
信号発生器及びアンプとからなる超音波発生装置、焦点型送信超音波探触子、走査機構を駆動する同期走査部、焦点型受信超音波探触子、バンドパスフィルタ、増幅器、デジタル波形記憶手段等を備えたパーソナルコンピュータと、からなり、超音波発生装置からの信号により焦点型送信超音波探触子を励起し、該焦点型送信超音波探触子と同一又は別個の焦点型受信超音波探触子で受信した波形から特定の狭い周波数帯域の波形をバンドパスフィルタで抽出し、その抽出した特定の狭い周波数帯域の信号を増幅器で増幅後、デジタル波形記録手段に同期加算してあるいは加算せずに収録し、パーソナルコンピュータを用いてその収録した波形をデジタル波形解析により処理し、超音波横波振幅などの特徴量を求め画像化することを特徴とする超音波材料診断装置である。

本発明により、従来超音波法で検出困難であった、部分的に接触している微少開口き裂、音響インピーダンスの差が少ない介在物、溶接部と未溶解部の境界などを非破壊的に検出することができるようになり、例えば素材内の微小介在物の検出、高信頼性が要求される接合部の健全性評価、溶接部溶け込み深さなどを非破壊的に評価する手段が確立された。

即ち、請求項１に係る発明の方法及び請求項２に係る発明の装置は、水又は樹脂製楔に入射した縦波のモード変換により発生する横波が被測定物内部の微視構造、介在物、微少開口き裂などで散乱された横波の被測定物表面あるいは裏面反射波に対する時間間隔によりそれらの存在位置を同定し、さらに、水又は樹脂性楔と固体材料界面で発生する縦波が受信されないこと、また被測定物の微視構造、介在物、微少開口き裂などで散乱された横波が固体材料界面で発生する横波散乱波と時間領域で分離されるため高感度で散乱波測定ができること、また横波の波長が縦波波長の約半分であるため縦波より高い空間分解能が得られる。

請求項３に係る発明は、広帯域パルス波は多数の周波数成分を含むので、特定微視構造に密接に関連する特定周波数成分を横波散乱波受信波形から抽出することにより、その微視構造を検出し画像化することが出来る。狭帯域バースト波を入射する場合には特定周波数成分の時間領域の重ね合わせにより広帯域パルスはより強く励起することができ、さらにハイパスフィルタを用いて狭帯域成分を検出することによりＳ／Ｎ比の良い信号を受信できる。

請求項４に係る発明は、水中から平面、円筒凸面、円筒凹面、球面あるいは予め定義された曲面を持つ固体試験体表面で屈折して材料内の所定の位置で焦点を結ぶ単一素子からなる焦点型超音波探触子を使用することにより、高感度で微細な欠陥、不完全接合部からの散乱波を受信できる利点がある。

請求項５に係る発明は、焦点型送信超音波探触子として、多数の素子を1次元配列した1次元アレイ探触子、あるいは多数の素子を2次元配列した2次元アレイ探触子を用いることにより、各素子の励起時間の遅れを適切に設定することで、円筒面以外の曲面表面を持つ固体試験体についても材料内の所定の位置で容易に焦点を結ばせることができる。

請求項６に係る発明は、前記走査機構として前記単一素子からなる焦点型送信超音波探触子を試験体に対し機械的に走査することにより、広範な領域の異常部の検出を行うことができ、また、前記走査機構として1次元アレイ探触子あるいは2次元アレイ探触子を用いて超音波ビームを電子的に走査することにより、機械的走査なしで比較的狭い領域の異常部の検出を高速に行うことができる。

請求項７に係る発明は、前記バンドパスフィルタにおいて、特定狭帯域周波数を抽出するバンドパスフィルタを用いること、又は低周波成分を遮断して高周波成分のみを抽出するハイパスフィルタを用いることにより、受信信号の位相差に起因する信号強度の低下を避けることができる。入射および受信の周波数が比較的高い場合は、固体試験体内部での高周波成分の減衰が顕著となるので、バンドパスフィルタの代わりにハイパスフィルタを用いて、受信信号強度の低下を避けることができる。

以下本発明の測定原理を説明した後、本発明に関わる装置の構成、作用、実験結果等を説明する。

[測定原理]
広帯域パルス波あるいは一定周波数のバースト波からなる集束横波超音波を微細凹凸面あるいは音響インピーダンス差異のある微細領域に入射すると、図1右側に示すように各微細領域で横波散乱波が発生し、その信号を焦点型受信超音波探触子で受信した後バンドパスフィルタを用いて特定狭帯域成分を抽出し増幅率を５０−８０ｄＢまで高めるとことにより所望の信号を検出できる。ここで、焦点型の送信超音波探触子は、単一素子で構成され、平面、円筒凸面、円筒凹面、あるいは予め定義された曲面である固体試験体表面で屈折して、材料内の所定の位置で焦点を結ぶようになっている。

これに対し、非焦点型探触子を用いるときには、各微少領域からの少しづつ異なる位相の散乱波が受信されそれらが打ち消しあうため、微細構造からの散乱波を検出できない。これは従来の可視光（波長０．４〜０．８μm）を用いる光学顕微鏡の実効倍率の上限が２０００倍程度に限定されるのに対し、特定波長のレーザー光を使用する顕微鏡では１００００倍程度まで可能であることと類似である。

焦点型探触子を用いても、多くの周波数成分を含む広帯域型の受信超音波探触子で受信しただけの場合にも位相差が連続的に変化する多数の波が受信されるので、微細構造からの散乱波が検出できない。

[装置]
次に、上記の測定原理を応用した超音波材料診断装置について説明する。図２は、水浸反射法による、焦点型超音波探触子からの斜角入射によるモード変換横波散乱波を用いた超音波材料診断装置を示す。試験片（個体試験体）に対し焦点型送信超音波探触子を相対的に機械的に移動させる走査機構を駆動する同期走査部（図２に「同期走査制御部」と表示）と同期して信号発生器から一定間隔でパルス信号を発生させ、それをアンプで増幅し（図２に「超音波信号発生器」と表示）、焦点型送信超音波探触子に送り、電気信号を超音波波動に変換する。発生した超音波は水中及び材料中で集束され、試験片（固体試験体）内の検査対象点に達する。その点が図1に示すように超音波散乱源であるとき前述の理由により横波散乱波が励起される。この散乱波が送信経路と同一の経路を通って受信機能を有する焦点型送信超音波探触子（この意味では、図２に示すものは焦点型送受信超音波探触子である。）で受信され電気信号に変換される。この信号を特定周波数だけを抽出するバンドパスフィルタ及び増幅器（図２に「受信増幅器」と表示）を介して波形デジタル収録部(波形記憶手段)にデジタル収録する。収録波形に対して最大振幅、波形立ち上がり時間、包絡線などの特徴量をデジタル波形処理部(波形処理手段)で求め、その結果をグレイスケール階調あるいはカラー色調で超音波画像化部（画像処理部及び表示手段）で2次元画像を表示する。

上記の超音波材料診断装置において、超音波信号発生器から発せられる超音波の振幅は、従来の超音波探傷において使用される超音波の振幅と同程度であり、大振幅入射波を用いて不完全接合面からの高調波を検出する場合（特許文献３）の約１／１０であるため、そのエネルギーが１／１００〜１／１０００となり、焦点型送信超音波探触子の寿命を長くすることができる。

なお、図2に示す構成のうち、同期走査制御部、波形デジタル収録部、デジタル波形処理部、超音波画像化部はパーソナルコンピュータに備えられる。また超音波画像化部には、ディスプレイ(表示手段)が含まれる。また、上記説明では、集束させる媒体として水を使用する水浸反射法で説明したが、樹脂製楔を用いて超音波を集束させて固体試験体に向けて発生させても良い。更に、上記の装置では、焦点型送信超音波探触子と焦点型受信超音波探触子とを同一の探触子で兼用するもので説明したが、焦点型送信超音波探触子と焦点型受信超音波探触子とを別に設けても良い。また、検出すべき微細構造によっては、焦点型送信超音波探触子で発生させた横波散乱波を焦点型送信超音波探触子と異なる位置、方位に設置した焦点型受信超音波探触子により受信することにより、よりＳ／Ｎ比の良い受信をおこなうことができる。

図2に示した超音波材料診断装置で鋼薄板溶接部の溶け込み深さを水浸モード変換横波により評価した例を図３に示す。図３（A）に示すように一定範囲の斜角入射では水中を伝搬した縦波が固体表面で一部は水中に反射され、一部は固体表面で散乱され焦点型送受信超音波探触子で受信される。残りがモード変換して横波となり固体試験体中を伝搬する。図3（B）に示すように、溶融凝固部と未融解部の境界で散乱された横波Ｄが表面散乱波Ｓとともに受信される。表面散乱波信号を参照信号として、特定時間範囲(図３（Ｅ）に示す横線)にゲートを設定し、そのゲート位置内の最大振幅を画像することで図３（D）の画像が得られ、参照信号からの伝搬時間差に横波速度を乗じ２で割ることにより、固体内の斜めの伝搬距離が分かる。入射角と固体材料の横波音速より屈折角が求まるので、前記の伝搬距離に屈折角の余弦を乗ずることにより、溶融凝固部と未融解部の境界の深さが求められる。従来の超音波法あるいはX線法では、目視で識別できる溶融凝固部と未融解部の境界を識別できなかったが、本発明によりそれが可能となる。

そして、前記の超音波特性と引張試験、破壊靱性試験などの機械的強度試験結果との相関関係を求めることにより、超音波測定で得られた特徴量を用いて、接合部の強度、靭性の推定が可能となる。

次に、図2に示した超音波材料診断装置で、横波散乱波を用いて表面直下に存在する疲労き裂面を検出・画像化した例を図４に示す。図４（Ａ）は表面直下のき裂を含む試験体のスケッチである。図４（Ｃ）に示すように、表面散乱波信号を参照信号として、特定時間範囲にゲートを設定し、そのゲート位置内の最大振幅を画像することで図４（Ｂ）の画像が得られ、参照信号からの伝搬時間差に横波速度を乗じ２で割ることにより、固体内の斜めの伝搬距離が分かる。これによりき裂深さを求めることができる。従来の斜角入射横波法では、き裂の上端あるいは下端からの反射波波形だけを収録し、き裂面全体の形状を表示することができなかったが、本発明により裂面全体の形状を表示することが可能となる。

更に、図２に示した超音波材料診断装置で、横波散乱波を用いて固体試験片に存在する表面直下の微細欠陥を検出・画像化した例を図５に示す。図５（Ａ）は、これを実証するための人工欠陥試験片の断面図であり、上面からの残りの深さが１．５、１．０、及び０．５ｍｍとなるように、試験片下面から、直径１．５、１．０、及び０．５ｍｍのドリル穴をあけた。図２の装置を用いて横波散乱波により画像化した例を図５（Ｂ）に示す。この図５（Ｂ）から理解できるように、直径０．５ｍｍ、表面からの残り深さ０．５ｍｍの人工欠陥を画像化することができる。このように、本発明により、従来極めて困難であったダイキャスト部品の表面直下の微細欠陥を検出・画像化することが可能となる。

なお、上記した実施形態においては、焦点型送受信超音波探触子として、単一素子の焦点型超音波探触子を機械的な走査機構によって走査させるものとして説明したが、多数の素子を1次元配列した1次元アレイ探触子、あるいは多数の素子を2次元配列した2次元アレイ探触子に時間遅れパルスを与えることにより焦点型超音波探触子として機能するものものであっても良い。多数の素子を1次元配列した1次元アレイ探触子、あるいは多数の素子を2次元配列した2次元アレイ探触子を用いた場合の走査機構としては、超音波ビームを電子的に走査させることにより構成されるものである。また、バンドパスフィルタとして、特定狭帯域周波数を抽出するフィルタを使用した例を示したが、低周波成分のみを遮断するハイパスフィルタを使用しても、上記実施形態と同様の結果を得ることができる。

点集束探触子を用いた局部的凹凸面からの横波散乱波の受信の概念図である。 超音波材料診断装置の構成の一例を示す模式図である。 溶接部境界の横波散乱波画像による溶接溶け込み深さを本発明に係る超音波材料診断装置で評価した例である。 表面直下の疲労き裂の横波散乱波画像による疲労き裂の形状を本発明に係る超音波材料診断装置で評価した例である。 表面直下の微細欠陥を本発明に係る超音波材料診断装置で画像化した例である。

Claims (7)

1. 固体試験体に対し焦点型送信超音波探触子を相対的に移動させる走査機構を駆動する同期走査部と同期して信号発生器で信号を発生させ、その発生した信号をアンプで増幅した電気信号により前記焦点型送信超音波探触子において発生させた超音波を水あるいは樹脂製楔を通して集束させて斜めに入射したとき励起されるモード変換横波として前記固体試験体の内部に伝搬させ、介在物、集合組織などの材料内微視組織、微細な隙間を持つき裂などで散乱された前記モード変換横波の波形を焦点型受信超音波探触子で受信し、その受信した前記モード変換横波の波形をバンドパスフィルタを通して特定の狭い周波数帯域の波形として増幅後デジタル収録し、パーソナルコンピュータを用いてそのデジタル収録した波形に各種デジタル波形処理を施して、最大振幅、振幅スペクトルなどの超音波特徴を求め、それらを画像化することにより介在物、材料内部微視組織、微細な隙間を持つき裂などを識別することを特徴とする超音波材料診断方法。
2. 信号発生器と、
   該信号発生器で発生させた信号を増幅するアンプと、
   該アンプによって増幅させた電気信号を超音波として送信する焦点型送信超音波探触子と、
   該焦点型送信超音波探触子を固体試験体に対して相対的に移動させる走査機構と、
   前記信号発生器で発生される信号に同期して前記走査機構を駆動する同期操作部と、
   前記焦点型送信超音波探触子で発生させた超音波を水又は樹脂製楔を通して集束させて斜め入射したとき励起されるモード変換横波を前記固体試験体内部に伝搬させたとき、介在物、集合組織などの材料内微視組織、微細な隙間を持つき裂などで散乱された前記モード変換横波を受信する焦点型受信超音波探触子と、
   該焦点型受信超音波探触子で受信した前記モード変換横波の波形から特定の狭い周波数帯域の波形を抽出するためのバンドパスフィルタと、
   該バンドパスフィルタで抽出された特定の狭い周波数帯域の波形を増幅する増幅器と、
   該増幅器で増幅した波形を記憶する波形記憶手段と、該波形記憶手段で記憶した波形をデジタル処理する波形処理手段と、該波形処理手段で処理されたデジタル波形に基づき最大振幅、振幅スペクトルなどの超音波特性を演算し且つその演算された超音波特性を画像処理する画像化処理手段と、該画像化処理手段で処理された画像を表示する表示手段と、前記走査機構の駆動と前記信号発生器の信号発生とを同期させる同期走査手段と、を備えたコンピュータと、
   からなることを特徴とする超音波材料診断装置。
3. 前記超音波は、広帯域パルス波あるいは一定周波数のバースト波であることを特徴とする請求項1記載の超音波材料診断方法又は請求項２記載の超音波材料診断装置。
4. 前記焦点型送信超音波探触子は、平面、円筒凸面、円筒凹面、あるいは予め定義された曲面である固体試験体表面で屈折して、材料内の所定の位置で焦点を結ぶ単一素子の焦点型送信超音波探触子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波材料診断方法又は超音波材料診断装置。
5. 前記焦点型送信超音波探触子は、多数の素子を1次元配列した1次元アレイ探触子、あるいは多数の素子を2次元配列した2次元アレイ探触子に時間遅れパルスを与えることにより焦点型超音波探触子として機能するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波材料診断方法又は超音波材料診断装置。
6. 前記走査機構は、前記単一素子の焦点型送信超音波探触子を試験体に対し機械的に走査すること、又は前記1次元アレイ探触子あるいは前記2次元アレイ探触子を用いて超音波ビームを電子的に走査することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の超音波材料診断方法又は超音波材料診断装置。
7. 前記バンドパスフィルタは、特定狭帯域周波数を抽出するフィルタ、又は低周波成分のみを遮断するハイパスフィルタであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか記載の超音波材料診断方法又は超音波材料診断装置。
   
   

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