JP2007086028A - レーザ超音波材質計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧延製品を製造する圧延ラインにおいて、圧延製品を製造する状況での種々の条件下に対応したレーザ超音波材質計測装置を提供することにある。
【解決手段】圧延製品３の底面に送信側レーザ光を照射し、超音波パルスを発生させる超音波発振器１と、圧延製品３の上面に受信側レーザ光を照射し、圧延製品３から反射された受信側レーザ光を受信部に入力することにより、圧延製品３に発生した超音波パルスを検出して検出信号を発信し、超音波発振器１から照射された送信側レーザ光の光路の延長線上に、受信部が位置しないように設けられた超音波検出器２と、超音波検出器２から発信された検出信号に基づいて、圧延製品３の材質を計測するための処理を行う信号処理装置４とを備えた超音波材質計測装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧延ラインにおける圧延製品の材質を計測するレーザ超音波材質計測装置に関する。

鉄鋼材料の材質には、機械的性質とよばれる強度や延性があり、これらの性質は、結晶粒径などの金属組織により決定される。このため、結晶粒径などの金属組織を把握することにより、機械的性質を算出することができる。しかし、粒径の計測は、試験片を切り出して行う場合、研磨、顕微鏡観察などの工程を必要とし、多くの手間を必要とする。このため、この結晶粒径の測定を非破壊で行う装置として、超音波パルスを用いた装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許第３１８４３６８号

しかしながら、以上のような装置は、圧延製品を製造する状況での種々の条件下を想定したものではなく、圧延製品を製造する圧延ラインに設置することに適したものではなかった。

そこで、本発明の目的は、圧延製品を製造する圧延ラインにおいて、圧延製品を製造する状況での種々の条件下に対応したレーザ超音波材質計測装置を提供することにある。

本発明の観点に従ったレーザ超音波材質計測装置は、圧延製品を製造する圧延ラインに設置され、前記圧延ラインを流れる前記圧延製品の材質を計測するレーザ超音波を用いた計測装置であって、前記圧延製品の底面に送信側レーザ光を照射し、前記圧延製品に超音波パルスを発生させる超音波発振器と、前記圧延製品の上面に受信側レーザ光を照射し、前記圧延製品から反射された前記受信側レーザ光を受信部に入力することにより、前記圧延製品に発生した超音波パルスを検出して検出信号を発信し、前記超音波発振器から照射された前記送信側レーザ光の光路の延長線上に、前記受信部が位置しないように設けられた超音波検出器と、前記超音波検出器から発信された前記検出信号に基づいて、前記圧延製品の材質を計測するための処理を行う信号処理装置とを備えた構成である。

本発明によれば、圧延製品を製造する圧延ラインにおいて、圧延製品を製造する状況での種々の条件下に対応したレーザ超音波材質計測装置を提供できる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

先ず、本実施形態に係る非破壊で行う結晶粒径の測定方法として、超音波の結晶粒子による散乱（レーリー散乱）による減衰を利用した方法について説明する。

超音波は、レーリー散乱を利用する粒径測定方法では、縦波（バルク波）を用いる。バルク波の減衰は、xを鋼板中の伝播距離、p，p0を音圧、aを減衰係数とすると減衰定数aを用いて式（１）で表される。

バルク波の周波数がレーリー領域の場合、fをバルク波周波数、a1，a4を係数減衰定数とすると、aは超音波周波数fの4次関数で近似される。
（ここで、式（２）において、第1項は内部摩擦による吸収減衰項、第２項はレーリー散乱項である。）

なお、このレーリー領域は、結晶粒径がバルク波の波長に比べて十分に小さい領域で、dを結晶粒径、λをバルク波の波長とすると、例えば式（３）の範囲とされている。

また、式（２）の４次の係数a4は、結晶粒径ｄの３乗に比例する係数であることが知られている。よって、a4は、式（４）のように表される。

ここで、Sは散乱定数となる。

送信器で送信されるバルク波は、その波形中にある分布の周波数成分を含んでいるので、受信波形を周波数分析することにより各周波数成分の減衰率を得ることができる。さらに、送受信の時間差から鋼板内での伝播距離が判るので、伝播距離と各周波数成分の減衰率に基づき式（２）の各係数を同定することができる。更に、標準サンプルなどで予め散乱定数Sを決めておけば、式（４）により結晶粒径dを得ることができる。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のレーザ超音波材質計測装置の構成を説明するためのブロック図である。

本装置は、圧延素材（スラブ）から圧延製品が製造される圧延ラインに設けられている。

本装置は、圧延製品（スラブから製品として完成する途中の状態も含む、以下同様。）が流れる圧延ラインの下側に設置された超音波発振器１と、この圧延ラインの下側に超音波検出器２と、超音波検出器２からの検出信号を受信するように接続された信号処理装置４とからなる。

超音波発振器１は、被測定材３（圧延製品）の底面に強力なパルス状のレーザ光を照射し、被測定材３の底面に超音波パルスを発生させる。超音波発振器１は、例えばＱスイッチ動作ができるＹＡＧレーザである。超音波発振器１は、レーザ光をレンズにより絞るなどして目的とするビーム径として、被測定材３に照射する。

超音波検出器２は、ＣＷ（連続波）レーザを用いて、超音波パルスによる被測定材３の上面での振動変位を検出する。超音波検出器２は、ファブリペロー干渉計を用いたファブリペロー方式である。

図４を参照して、ファブリペロー方式による振動変位（超音波振動）の検出をする構成について説明する。

ファブリペロー方式の超音波検出器２Ａは、ＣＷレーザ２１と、ミラー２４とビームスプリッタ２５，２６と、ファブリペロー干渉計２３と、光検出器２２とからなる。また、ファブリペロー干渉計２３は、共振器として構成された２つのミラーを一対とする反射ミラー２７と、反射ミラー２７の２つのミラー間の距離を調整するアクチュエータ２８とからなる。

アクチュエータ２８は、例えばピエゾ素子である。アクチュエータ２８は、反射ミラー２７の間隔を正確に保つように、制御機構により逐次操作される。

ＣＷレーザ２１から出力されたレーザ光は、ミラー２４に反射されて、ビームスプリッタ２５により、被測定材３を照射するレーザ光と、ファブリペロー干渉計２３に入射するレーザ光とに分かれる。被測定材３に照射したレーザ光は、超音波振動している被測定材３の上面に反射して、ファブリペロー干渉計２３に入射する。ファブリペロー干渉計２３は、入射された２つのレーザ光を、アクチュエータ２８により調整された反射ミラー２７により共振させる。共振された２つのレーザ光は、干渉光となって、ビームスプリッタ２６を介して、光検出器２２に入射する。

上述のようにして、被測定材３の上面で生じている超音波振動を、レファレンス光と反射光との間に生じた光路の変化が生じることを利用して、結果として被測定材３の上面の振動変位に応じて干渉光の強度変化が生じることにより検出する。

図３を参照して、超音波発振器１及び超音波検出器２の設置位置について説明する。図１と同一の部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。なお、以下の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

超音波発振器１は、被測定材３の底面に垂直な軸を基準として、発射するレーザ光の光路が０度を含まない４５度以内の傾斜（図３の角度θ）になるように設置されている。超音波発振器１からのレーザは、この角度θが付くことにより、圧延製品に照射されるレーザは楕円形になる。この楕円形の縦軸と横軸の比が大きいと、超音波の検出精度が悪くなる。このため、角度θが４５度は、検出できる略限界の角度であるため、検出精度を高く保つには、角度θは２０度以内が望ましい。

超音波検出器２は、発射するレーザ光の光路が、被測定材３の上面に対して略垂直であり、超音波発振器１からレーザ光が照射された被測定材３の底面上の点（超音波の音源）、又はこの点に対向する被測定材３の上面の点のうちどちらか一方（又は両方）を通るように設置されている。または、超音波検出器２は、発射したレーザ光が被測定材３に反射され、この反射されたレーザ光を入射できる位置に設置されている。超音波検出器２は、超音波発振器１のレーザ光路の延長線上に、レーザ光を入射する受光部（例えば、レンズなど）が位置しないように設置されている。

以上のように、超音波発振器１及び超音波検出器２は設置されている。

信号処理装置４は、超音波検出器２により検出された検出信号を処理することにより、被測定材３の材質（結晶粒径）を求める。

図２を参照して、信号処理装置４により、超音波検出器２により検出した検出信号の処理方法について説明する。

信号処理装置４は、超音波検出器により複数個の粗密波エコー信号を採取する（ステップＳ１）。

信号処理装置４は、これらの複数個粗密波エコー信号の周波数分析を行い、被測定材面からの多重エコー信号のスペクトル強度の差から、各周波数毎の減衰量を算出する（ステップＳ２）。必要で有れば、拡散減衰補正、透過損失補正を行い、減衰定数の周波数特性を算出する。

信号処理装置４は、送受信の時間差から鋼板内での伝播距離を算出し、伝播距離と各周波数成分の減衰率に基づき式（２）の各係数を同定する（ステップＳ３）。

信号処理装置４は、減衰定数の周波数特性から、４次曲線なとの多次関数に最小自乗法などでフィッティングさせることにより、多次関数の係数ベクトルを求める（ステップＳ４）。

信号処理装置４は、減衰定数に４次曲線を最小自乗法などでフィッティングさせた際に得られる多次関数の係数ベクトルと、校正のための被測定材から得られる散乱係数Ｓから、各サブ組織の体積率による補正を行う前の結晶粒径測定値ｄ₀を算出する（ステップＳ５）。

これらは、具体的には以下の通りである。

超音波検出器により第１超音波パルス、第２超音波パルス、…、というような超音波パルス列が測定される。この時、各超音波パルスに含まれているエネルギは、反射の際の損失や材料中の伝播に伴う減衰によって徐々に小さくなっている。第１超音波パルスあるいは第２超音波パルスの部分だけを取り出し、周波数解析してそれぞれのエネルギ（パワースペクトラム）を求めると、第２超音波パルスは第１超音波パルスに比べ、材料板厚ｔの２倍分だけ伝搬距離が長いため、式（１）に従ったエネルギの減衰が生ずる。第１超音波パルスのパワースペクトラムとの差として両者間の減衰量を求める。この曲線は式（２）の減衰定数ａに伝搬距離の差２ｔを乗じたものに相当する。これより、単位伝搬距離での式（２）の各係数を最小２乗法などにより求める。そして、予め標準サンプルによって求めておいた散乱定数Ｓと上記求められた係数の内のａ₄とから、式（３）を逆算することにより各サブ組織の体積率による補正を行う前の結晶粒径測定値ｄ₀を求めることができる。

本実施形態によれば、超音波発振器１のレーザ光により被測定材３に発生した超音波の音源（又は、この音源から最短の距離にある被測定材３の反対側の面）と超音波検出器２のレーザの光軸とが重なるため、超音波検出器２による超音波の検出を効率よく行うことができる。

また、被測定材３が測定する位置に無くても、超音波発振器１のレーザ光は、直接、超音波検出器２の受信部に入射することはないため、超音波検出器２の損壊を免れることができる。特に、入射側レーザ（超音波発振器１）は、アブレーションを起こす程度の高いエネルギー密度を持ったパルスレーザが通常用いられるため、受信側レーザ（超音波検出器２）の破損を防止することに有効である。アブレーションとは、高強度のレーザを照射する時に発生する、プラズマ発光と衝撃音を伴った、固体表面相の爆発的な剥離のことをいう。また、超音波発振器１を傾けることにより、超音波検出器２を被測定材３の上面に対して、略垂直にレーザ光を照射することができるため、超音波検出器２による超音波の検出を効率よく行うことができる。よって、被測定材３が動く環境においても、安全に使用することができ、超音波の検出を効率よく行うことができる。

さらに、超音波を検出する超音波検出器２を圧延ラインの上側に設置することで、圧延ラインに発生する水蒸気やダストによる検出の妨げを抑制することができる。また、傾ける側の超音波発振器１を圧延ラインの下側に設置することで、圧延製品が流れる圧延ラインの真下の環境、即ち振動、水蒸気、ダストなどの落下物などの悪環境を避けた場所に設置することができる。

これらにより、圧延ラインにおける圧延製品が動く環境においても、超音波の検出を効率よく行うことができ、安全に使用することのできるレーザ超音波材質計測装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態に係るレーザ超音波材質計測装置は、第１の実施形態に係る装置おいて、ファブリペロー方式の超音波検出器２Ａに代えて、フォトリフラクティブ素子を用いたフォトリフラクティブ方式の超音波検出器２Ｂにしたこと、超音波発振器１及び超音波検出器２の設置位置の制限しないこと以外は、第１の実施形態に係る装置と同じである。

図５を参照して、フォトリフラクティブ方式による振動変位（超音波振動）の検出をする構成について説明する。

フォトリフラクティブ方式の超音波検出器２Ｂは、ファブリペロー方式の超音波検出器２Ａのファブリペロー干渉計２３がフォトリフラクティブ素子２９に代わり、スプリッタ２６が無くなって、フォトリフラクティブ素子２９からの干渉光が直接光検出器２２に入射されるようにしたこと以外は同じである。

フォトリフラクティブ素子２９は、結晶内で基準光と反射光を干渉させ、光検出器２２にその干渉光を入射する。

次に、以上のようなレーザ超音波材質計測装置における薄板の計測について説明する。

フォトリフラクティブ干渉計では、受信光の波長の１／８を超える表面変位は検出できないという制約がある。つまり、表面の変位が６６．５ｎｍ（波長５３２ｎｍ＝緑色）、または、１３３ｎｍ（波長１０６４ｎｍ＝赤外）を超える場合である。

特に厚さが薄板（約１〜２ｍｍ）測定をする場合、薄板は、超音波発振器１のレーザ光により、特有の低周波の大きな振動（板波振動）を生じ易い。板波振動とは、超音波振動が板全体を振動させてしまう現象である。

本装置は、表面変位そのものを小さくするために、超音波発振器１からのレーザ光の出力を下げずに、スポット径を小さくする。例えば、レーザ光の出力量をＸとしたとき、２ｍｍ以下の薄板に板波振動を生じさせる場合、レーザ光の出力量のＸを変えずに出力し、レーザ光のスポット径を小さくしていくことで、板波振動を抑制する。但し、超音波発振器１からのレーザ光は、被測定材３に到達する前に、空間中でアブレーションを起こさない程度を下限として、スポット径を小さくするものとする。なお、レーザ光の出力量は、Ｊ（ジュール）やＷ（ワット）などの単位で表される熱量や仕事量である。

本実施形態によれば、フォトリフラクティブ方式を採用することにより、ファブリペロー干渉計２３のミラー２７のような外部振動等の外乱により影響を受けやすい部位や、アクチュエータ２８及び制御機構などの精密な機構部などが少ない計測装置となる。よって、振動等の外乱による影響を受けにくく、環境の悪い圧延ラインにおいても、長時間にわたって安定した超音波計測をすることに適した装置を提供することができる。

特に、熱間圧延ラインでのオンライン計測の場合、圧延機や被圧延材通過などに起因する振動、被圧延材の温度を所望の温度にコントロールするための冷却ラインから発生する水蒸気など環境が悪い。また、熱間での被圧延材は約５００〜約９００度にも及び、被圧延材近傍の温度は非常に高い。これらの環境において適した装置を提供することができる。

また、超音波発振器１からのレーザ光の出力を下げずに、スポット径を小さくすることで、低周波振動の振幅が減少し、代わりに粒径測定に有効な超音波の振幅が増す。これにより、測定精度低下の一因となる板波振動を避け、材質計測に有効な超音波振動を検出することができる。

これらにより、効果環境の悪い圧延ラインにおいても、材質計測に有効な超音波振動を検出することができ、長時間にわたって安定した超音波計測をすることに適した装置を提供することができる。

なお、第１の実施形態において、ファブリペロー方式に限らない。例えば、マイケルソン干渉計を利用した方式であってもよい。

第１の実施形態において、超音波発振器１からのレーザ光を底面から照射し、超音波検出器２からのレーザ光を上面から照射して振動変位を検出する構成としたが、超音波発振器１からのレーザ光を上面から照射し、超音波検出器からのレーザ光を底面から照射する構成としてもよい。これに伴い、超音波発振器１を圧延ライン１の上側に設置し、超音波検出器を圧延ラインの下側に設置してもよいし、これら以外であってもよい。本装置を設ける環境条件などにより、任意に選択することができる。

第１の実施形態と第２の実施形態は、同時に満たす構成とすることができる。この場合、第１の実施形態及び第２の実施形態の両方の効果を持つレーザ超音波材質計測装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関するレーザ超音波材質計測装置の構成を説明するためのブロック図。 第１の実施形態に関する信号処理装置の処理手順を説明するためのフローチャート。 第１の実施形態に関する超音波発振器及び超音波検出器の設置位置について説明するためのブロック図。 第１の実施形態に関するファブリペロー方式の構成を説明するためのブロック図。 第２の実施形態に関するフォトリフラクティブ方式の構成を説明するためのブロック図。

符号の説明

１…超音波発振器、２…超音波検出器、３…被測定材、４…信号処理装置。

Claims (4)

1. 圧延製品を製造する圧延ラインに設置され、前記圧延ラインを流れる前記圧延製品の材質を計測するレーザ超音波を用いた計測装置であって、
   前記圧延製品に送信側レーザ光を照射し、前記圧延製品に超音波パルスを発生させる超音波発振器と、
   前記圧延製品に前記超音波発振器が前記送信側レーザ光を照射する面と対向する面に受信側レーザ光を照射し、前記圧延製品から反射された前記受信側レーザ光を受信部に入力することにより、前記圧延製品に発生した超音波パルスを検出して検出信号を発信し、前記超音波発振器から照射された前記送信側レーザ光の光路の延長線上に、前記受信部が位置しないように設けられた超音波検出器と、
   前記超音波検出器から発信された前記検出信号に基づいて、前記圧延製品の材質を計測するための処理を行う信号処理装置と
   を有することを特徴とするレーザ超音波材質計測装置。
2. 圧延製品を製造する圧延ラインに設置され、前記圧延ラインを流れる前記圧延製品の材質を計測するレーザ超音波を用いたフォトリフラクティブ方式の計測装置であって、
   前記圧延製品に照射する送信側レーザ光が前記圧延製品に板波振動を生じさせる出力をＸとし、前記出力をＸより小さくせずに前記圧延製品に板波振動を生じさせないように前記スポット径を小さくして前記送信側レーザ光を前記圧延製品に照射し、前記圧延製品に超音波パルスを発生させる超音波発振器と、
   前記圧延製品に前記超音波発振器が前記送信側レーザ光を照射する面と対向する面に受信側レーザ光を照射し、前記圧延製品から反射された前記受信側レーザ光を受信部に入力することにより、前記圧延製品に発生した超音波パルスを検出して検出信号を発信する超音波検出器と、
   前記超音波検出器から発信された前記検出信号に基づいて、前記圧延製品の材質を計測するための処理を行う信号処理装置と
   を有することを特徴とするレーザ超音波材質計測装置。
3. 圧延製品を製造する圧延ラインに設置され、前記圧延ラインを流れる前記圧延製品の材質を計測するレーザ超音波を用いたフォトリフラクティブ方式の計測装置であって、
   前記圧延製品に照射する送信側レーザ光が前記圧延製品に板波振動を生じさせる出力をＸとし、前記出力をＸより小さくせずに前記圧延製品に板波振動を生じさせないように前記スポット径を小さくして前記送信側レーザ光を前記圧延製品に照射し、前記圧延製品に超音波パルスを発生させる超音波発振器と、
   前記圧延製品に前記超音波発振器が前記送信側レーザ光を照射する面と対向する面に受信側レーザ光を照射し、前記圧延製品から反射された前記受信側レーザ光を受信部に入力することにより、前記圧延製品に発生した超音波パルスを検出して検出信号を発信し、前記超音波発振器から照射された前記送信側レーザ光の光路の延長線上に、前記受信部が位置しないように設けられた超音波検出器と、
   前記超音波検出器から発信された前記検出信号に基づいて、前記圧延製品の材質を計測するための処理を行う信号処理装置と
   を有することを特徴とするレーザ超音波材質計測装置。
4. 前記超音波発振器は、
   前記圧延製品に照射する面に対して垂直な軸を基準として、照射した送信側レーザ光の中心線が０度を含まない４５度以内に傾く角度に設けられ、
   前記超音波検出器は、
   照射した受信側レーザ光の延長線上に、前記超音波発振器により前記圧延製品に発生した前記超音波パルスの音源が位置するように設けられたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項３に記載のレーザ超音波材質計測装置。

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