JP2007147544A - 超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査材ごとの異なる断面寸法に拘わらず、微小な内部欠陥を確実に検出できる超音波探傷方法、およびこれに用いる超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】アレイ探触子２，１０を用いると共に、内部の欠陥を検出すべき鋼材（被検査材）Ｗのうち、断面寸法が大きな鋼材Ｗに対しては、垂直探傷法と斜角探傷法とを併用するギャップ法を適用し、断面寸法が小さな鋼材Ｗに対しては、局部水浸法を適用する、超音波探傷方法。また、内部の欠陥を検出すべき鋼材Ｗを回転可能に支持する複数組のローラＲと、上記鋼材Ｗの表面に水膜を介して配置される上記ギャップ法用のアレイ探触子２と、上記鋼材Ｗの表面に水室（１４）を介して配置される局部水浸法用のアレイ探触子１０と、を含む、超音波探傷装置１も含まれる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検査材である鋼材の内部欠陥の有無やその位置を検出するアレイ探触子を用いる超音波探傷方法、およびこれに用いるアレイ探触子を使用した超音波探傷装置に関する。

一般に、被検査材の内部欠陥を非破壊で検出するため、超音波探触子をホルダ内に装着し、係るホルダを被検査材に接近させ、上記探触子と被検査材の表面との間の距離を一定に保ちながら探傷する超音波探傷法が広く行われている。
例えば、レールなどの形鋼の内部欠陥を検出するため、複数のアレイ探蝕子ごとにおける振動子の励振タイミングを所定時間ずつずらしながら振動させて、上記アレイ探蝕子の表面に直角からある角度をもった進行方向の超音波を発生させ、係る超音波の１回の照射ごとに、形鋼の断面形状に合わせて欠陥ゲートの設定を行う超音波探傷方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００３−２７０２２４号公報（第１〜９頁、図６〜８）

更に、製鋼工程では、各種サイズの鋼材の品質を保証するため、垂直探傷法と斜角探傷法との組み合わせにより、上記鋼材における全ての断面について、超音波探傷法をインラインで行っている。
ところで、上記鋼材が太径の場合、その表面から断面の中心部付近までの距離が長いことや、低鍛錬比による結晶粒径が比較的大きいことなどに起因して、超音波（振幅）の減衰が著しいため、結晶粒界に阻止されにくい比較的低周波数の超音波を用いている。その結果、検出すべき限界欠陥径が大きくなるため、信頼性に乏しくなる、という問題点があった。
一方、検出すべき限界欠陥径を小さくして検出能を高めるには、高い周波数の超音波を用いれば良いが、係る超音波の減衰が大きくなるため、探傷可能な範囲が小さくなり、太径の鋼材の探傷法には適用しにくい、という問題点もあった。

本発明は、前記背景技術において説明した問題点を解決し、被検査材ごとの異なる断面寸法に拘わらず、微小な内部欠陥を確実に検出できるアレイ探触子を用いる超音波探傷方法、およびこれに用いるアレイ探触子を使用した超音波探傷装置を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および調査の結果、探傷すべき被検査材の断面寸法に応じて、異なる超音波探傷法を使い分けることで、小さな径の内部欠陥を確実に検出する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の超音波探傷方法（請求項１）は、アレイ探触子を用いると共に、内部の欠陥を検出すべき被検査材のうち、断面寸法が大きな被検査材に対しては、垂直探傷法と斜角探傷法とを併用するギャップ法を適用し、断面寸法が小さな被検査材に対しては、局部水浸法を適用する、ことを特徴とする。

これによれば、被検査材が太径などの大きな断面寸法の場合には、係る被検査材の表面に接近させたアレイ探触子による垂直探傷法と斜角探傷法とを併用するギャップ法が適用され、細径などの小さな断面寸法の場合には、上記被検査材の表面に水を介して、アレイ探触子を配設する局部水浸法が適用される。このため、太径などの被検査材の場合、次述するように、断面の周辺部と中心部とで、垂直探傷法と斜角探傷法とを使い分けることにより、比較的高い周波数の超音波により、上記鋼材の断面全体における微小な内部欠陥を確実に検出できる。一方、細径などの被検査材の場合、局部水浸法により、表層からのノイズや表層部の不感帯を低減できるため、上記被検査材の断面全体における微小な内部欠陥を正確に検出することが可能となる。

また、本発明には、前記ギャップ法は、前記断面寸法が大きな被検査材の周辺部に対し垂直探傷法を行えると共に、係る被検査材における断面の中心部側に対し斜角探傷法を行えるアレイ探触子を用いる、超音波探傷方法（請求項２）も含まれる。
これによれば、断面寸法の大きな被検査材の中心部を垂直探傷法により、表面寄りの周辺部を斜角探傷法により、係る被検査材に含まれ得る微小な内部欠陥を正確に検出できるため、被検査材の検査効率および保証精度を向上させることができる。

一方、本発明の超音波探傷装置（請求項３）は、内部の欠陥を検出すべき被検査材の表面に水膜を介して配置され且つ垂直探傷法および斜角探傷法を併用できるギャップ法用のアレイ探触子と、上記被検査材の表面に水室を介して配置される局部水浸法用のアレイ探触子と、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、上記各アレイ探触子を併有することで、検査すべき被検査材である鋼材の断面寸法に応じて、ギャップ法と局部水浸法とを、同じ検査工程で使い分けることができる。従って、検査効率が高められると共に、超音波探傷装置の設置スペースを少なくし且つ有効活用することが可能となる。

また、本発明には、内部の欠陥を検出すべき被検査材の表面に接する水を貯溜する水室と、係る水室における上記被検査材と反対側の奥側のホルダに組み込まれるアレイ探触子と、を含み、上記水室の側壁には、上記アレイ探触子から発信される超音波の発信方向にほぼ沿った凹凸が形成されている、超音波探傷装置（請求項４）も含まれる。
上記水室の側壁に形成する凹凸は、凹溝と凸条とを交互に連設したものであり、これらの断面は、へ字形とＶ字形との組からなるネジ形状や、ほぼ半円形で交互に逆向きの組からなる波形状が含まれる。係る断面形状を有することにより、水室内での乱反射を低減し、ＳＮ比を向上させることができる。

付言すれば、前記ギャップ法は、アレイ探触子を用い、前記被検査材の表面に対し、垂直に発信する垂直超音波と、左右対称の斜め方向に個別に発信する２つの斜角超音波と、を交互に発信するものである、超音波探傷方法も本発明に含まれ得る。
これによる場合、太径の被検査材における断面全体の欠陥を漏れなく確実に検出することが可能となる。また、大きな断面寸法の被検査材における断面全体の欠陥を漏れなく確実に検出することが可能となる。

更に、ギャップ法用の前記アレイ探触子は、上記垂直超音波と、上記２つの斜角超音波と、をそれぞれ１秒間に１０００回またはそれ以上交互に発信するアレイプ探触子である、超音波探傷装置も本発明に含まれ得る。
これによる場合、大きな断面寸法の被検査材における断面全体の欠陥を漏れなく精緻に検出することが可能となる。
加えて、ギャップ法用の前記アレイ探触子は、複数の超音波をタイミング制御により探傷すべき部位に焦点を合わせて発信する、超音波探傷装置も本発明に含まれ得る。これによる場合、複数の超音波を被検査材の全断面における欠陥ごとに焦点が集束するように発信できるため、検出漏れを低減することが可能となる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の超音波探傷装置１を示す概略図である。
係る超音波探傷装置１は、図１に示すように、内部欠陥の有無を検出すべき断面円形の鋼材（被検査材、以下鋼材という）Ｗを回転可能に支持する複数のローラＲと、鋼材Ｗの上方において当該鋼材Ｗの軸方向に沿って移動可能に配置されたギャップ法用のアレイ探触子２と、局部水浸法用のアレイ探触子１０と、を備えている。複数のローラＲは、鋼材Ｗの断面方向に沿って係る鋼材Ｗを回転可能に支持し、図１の前後一対ずつで且つ鋼材Ｗの軸方向の離れた位置に配置されている。
尚、図１は、上記ギャップ法用のアレイ探触子２を図示しない水膜を介して鋼材Ｗの表面に接触させ、図１中の実線の矢印で示すように、係る鋼材Ｗの軸方向に沿って移動させることにより、超音波探傷法の一種であるギャップ法を実行している状態を示している。

この際、ギャップ法用のホルダ（図示せず）に設けられたアレイ探触子２とは別に、局部水浸法用のホルダ（図示せず）に設けられたアレイ探触子１０を準備しておき、各ホルダごとに取替可能としている。尚、局部水浸法用のホルダに取付けられるアレイ探触子１０は、鋼材Ｗの上方に待避する構造としても良い。この場合、係るアレイ探触子１０は、上記アレイ探触子２と入れ替わり、複数のローラＲに支持された検査すべき鋼材Ｗの中心部を局部水浸法で探傷するため、鋼材Ｗの表面に接触して、図１中の一点鎖線の矢印で示すように、係る鋼材Ｗの軸方向に沿って移動する。

ギャップ法用のアレイ探触子２は、図２の垂直断面図に示すように、底面が開口する箱形のケース３と、係るケース３の内側面に沿った給水路５を介して内蔵される圧電体４と、係る圧電体４の底面に突設された複数の圧電素子（探触子）６と、を備えている。ケース３の上側には、給水路５に水を供給するホース８が接続されており、係る水は、給水路５から複数の圧電素子６の底面側に回り込み、前記鋼材Ｗの表面と当該アレイ探触子２との間に水膜を形成する。

図３は、上記アレイ探触子２を用いて、鋼材Ｗを垂直探傷する状態を示す概略図である。複数の圧電素子６は、図３中の垂直の太い矢印で示すように、超音波ｓ１〜ｓ６を発信するタイミングを互いにずらすように予め制御されている。
尚、上記アレイ探触子２は、後述するように、図示しないホルダに内蔵され、係るホルダには、左右の両側面から対称に延びる一対ずつの支持脚と、これらの先端に姿勢変更が可能で且つ鋼材Ｗの表面に当接するボールと、が取り付けてある。

図３で左右両側に位置し且つ鋼材Ｗの表面から比較的離れた圧電素子６は、比較的早いタイミングで超音波ｓ６を発信し、中央寄りに位置し且つ鋼材Ｗの表面から比較的接近した圧電素子６は、比較的遅いタイミングで超音波ｓ６を発信する。各圧電素子６から発信された超音波ｓ６は、図３に示すように、断面円形の鋼材Ｗの表面に同時に到達し且つ直角に入射する。これらの超音波ｓ６は、先に発信された超音波ｓ１〜ｓ５のように、互いに干渉することなく合成された単一の超音波となって、焦点を合わせるように鋼材Ｗの中心部に位置する欠陥ｋ付近に達する。その結果、係る欠陥ｋによる反射エコーを検知することで、当該欠陥ｋと位置とを検出することができる。
尚、この間において、アレイ探触子２と鋼材Ｗとの間には、前記給水路５から順次供給される水による水膜が形成されている。

図４は、前記アレイ探触子２を用いて、鋼材Ｗを斜角探傷する状態を示す概略図である。複数の圧電素子６は、図４中の垂直の太い矢印で示すように、超音波ｓ１〜ｓ６を発信するタイミングを互いにずらすように予め制御されている。
図４において、アレイ探触子２のやや右側寄りに位置し且つ鋼材Ｗの表面から比較的接近した圧電素子６は、比較的遅いタイミングで超音波ｓ６を発信し、これらから左右に離れた圧電素子６は、各位置に応じて比較的早いタイミングで超音波ｓ６を発信する。各圧電素子６から発信された超音波ｓ６は、図４に示すように、断面円形の鋼材Ｗの表面に同時に到達し且つそれぞれ斜めに入射する。
各超音波ｓ６は、図４に示すように、先に発信された超音波ｓ１〜ｓ５のように、互いに干渉することなく合成された単一の超音波となり、焦点を合わせるように鋼材Ｗの周辺部に位置する欠陥ｋ付近に達する。その結果、係る欠陥ｋによる反射エコーを検知することで、当該欠陥ｋとその位置を検出することができる。

図５は、例えば直径が約２８０ｍｍと比較的太径の鋼材Ｗにおける周辺部ｆと中心部ｍとの境界付近を斜角探傷および垂直探傷する状態を示す模式図である。
上記鋼材Ｗのうち、例えば、図５中の破線で示す直径が２００〜２３０ｍｍの位置を境界とし、これよりも内側の中心部ｍには前記垂直探傷法が適用され、上記境界よりも外側の周辺部ｆには斜角探傷法が適用される。尚、上記境界の直径は、鋼材Ｗの鋼種や製鋼過程の鍛錬比などにより、適宜に選定される。

図５に示すように、ギャップ法用のアレイ探触子２を鋼材Ｗの表面に、図示しない水膜を介して接触するように配置し、係るアレイ探触子２における複数の前記圧電素子６から超音波ｓから、鋼材Ｗの表面に向かって垂直および斜めに発信される。
上記アレイ探触子２は、鋼材Ｗの表面に対し、垂直に発信する垂直超音波と、左右対称の斜め方向に個別に発信する２つの斜角超音波と、１秒間に１０００回またはそれ以上を交互に発信する。これらの超音波ｓは、複数の前記圧電素子６から前記のようにタイミング制御されて発信される。

図５に基づき、ギャップ法における斜角探傷法について説明する。
鋼材Ｗの表面に対し、やや左側に斜めに到達した斜角超音波の超音波ｓは、その一部が反射すると共に、図５に示すように、所定の屈折角で鋼材Ｗ中に入射する。上記鋼材Ｗの表面での反射や内部の結晶粒界での反射は、図５の右上方に示す大きな振幅のノイズｎとなって検出される。尚、図５の右側は、例えば、オシロスコープの波形を示す。
鋼材Ｗの内部に入射した超音波ｓが、周辺部ｆと中心部ｍとの境界付近に位置する欠陥ｋに達した場合、図５の右方に示すように、係る欠陥ｋによる反射エコーが検出され、係る位置に欠陥ｋが存在することがされる。更に、減衰しつつ鋼材Ｗの内部を通過した超音波ｓは、図５で下方の鋼材Ｗの表面から所定の屈折角で外部に放射され、これ以降においては、反射エコーは生じなくなる。

また、次の超音波ｓが、鋼材Ｗの表面に対し右側やや斜めに入射する斜角超音波ｓとして発信され、図５の軌跡とはほぼ線対称にして鋼材Ｗの内部を通過する。係る途中で、周辺部ｆや前記境界付近に位置する別の欠陥ｋに達すると、その反射エコーによって、当該欠陥ｋの存在とその位置とを検出することができる。
更に、別の超音波ｓが、鋼材Ｗの表面に対し垂直に入射する垂直超音波ｓとして発信され、図５中の円形の破線で囲まれた中心部ｍに位置する別個の欠陥ｋに達すると、その反射エコーによって、当該欠陥ｋを検出することができる。

以上のような垂直超音波ｓと、左右対称の２つの斜角超音波ｓとが、前記アレイ探触子２から鋼材Ｗに対し、交互に１０００回／秒以上で発信される。同時に、鋼材Ｗは、図５に示すように、左右一対のローラＲにより、断面の円周方向に沿って、例えば１ｒｐｍ程度の回転数で回転している。しかも、アレイ探触子２は、図示しないガイドに支持されつつ鋼材Ｗの軸方向に沿って順次移動されて行く。即ち、前記アレイ探触子２は、鋼材Ｗの全表面（周面）に対し、ピッチの小さな螺旋形の移動軌跡を描きつつ、前記３種類の超音波ｓを１０００回／秒以上で発信する。
従って、断面寸法が比較的大きな鋼材Ｗに対し、本発明の超音波探傷装置１およびこれを用いる超音波探傷方法によれば、全断面における内部欠陥ｋの有無と欠陥ｋの位置とを正確且つ確実に検出できるため、検査工数を効率化することができる共に、品質保証も安定させることも可能となる。

図６は、比較的断面寸法が小さい細径の鋼材（被検査材）Ｗ′について、前記超音波探傷装置１を用いて局部水浸法を行っている状態を示す概略図で、上記鋼材Ｗ′の表面には、局部水浸法用のホルダ（図示せず）に設けられたアレイ探触子１０が接近しつ且つ鋼材Ｗ′の軸方向に沿って移動可能とされている。この際、ギャップ法用のホルダ（図示せず）に設けられたアレイ探触子２は、当該ホルダごと取り替えられている。上記鋼材Ｗ′の直径は、例えば２２０ｍｍ乃至２００ｍｍ、あるいはこれ以下である。

尚、ギャップ法用のアレイ探触子２は、局部水浸法用のアレイ探触子１０の移動に対して支障のないように、鋼材Ｗ′の上方に待避するようにしても良い。
上記アレイ探触子１０は、図７の垂直断面図に示すように、探傷ユニット１１の金属製で全体がほぼ四角柱を呈するホルダ１２に組み込まれている。係る探傷ユニット１１は、上記ホルダ１２に囲まれ全体がほぼ四角錐を呈する水室１４と、係る水室１４の鋼材Ｗ′と反対の奥側に組み込まれている前記アレイ探触子２と同様なアレイ探触子１０と、を含んでいる。

図７に示すように、上記水室１４の鋼材Ｗ′側は、当該鋼材Ｗの表面に開口し、且つ係る開口部のうち図７中で前後一対の辺は、鋼材Ｗ′の表面に倣った円弧形となっている。また、水室１４の鋼材Ｗ′と反対の奥側には、上記アレイ探触子１０を収容する中空室１３が位置している。係る水室１４における四辺の側壁には、図８の斜視図で示すように、アレイ探触子１０から鋼材Ｗの表面に向かう方向、即ち超音波の発信方向にほぼ沿って、断面がへ字形とＶ字形との複数組からなる凹凸１５が全面に形成されている。

更に、図７に示すように、前記局部水浸法用のアレイ探触子１０を内蔵しているホルダ１２には、その左右の両側面から対称に延びる一対ずつの支持脚１６と、これらの先端１６に姿勢変更が可能に取付られ且つ鋼材Ｗ′の表面に接触して転動するボール１８を保持する軸受１７と、が取り付けられている。４つの軸受１７の姿勢を変更することにより、直径が異なる複数の鋼材Ｗ′に対しても、ホルダ１２の水室１４の開口部を、常に当該鋼材Ｗ′の表面に倣ってほぼ接触可能な姿勢に保つことが可能となる。

図６，７に示すように、複数組のローラＲに支持されつつ回転される鋼材Ｗ′の表面に対し、ほぼ接触する姿勢で局部水浸法用のアレイ探触子１０のホルダ１２が水室１４の水ｗを介して配置され且つ当該鋼材Ｗ′の軸方向に沿って移動される。
図９の垂直部分断面図で示すように、ホルダ１２内のアレイ探触子１０から発信された比較的高周波数の超音波ｓは、水室１４内の水ｗ中を伝播して、鋼材Ｗ′の表面に向かう。この際、水室１４を構成する四辺の側壁には、超音波ｓの発信方向にほぼ沿った凹凸１５が位置することで、当該超音波ｓは、水室１４内で乱反射せずに鋼材Ｗ′側に伝播するため、その反射エコーにおけるＳＮ比を高めることができる。

図９に示すように、鋼材Ｗ′の表面に到達した超音波ｓは、所定の角度屈折で入射した後、係る鋼材Ｗ′の内部を斜めに通過する。この際、超音波ｓが欠陥ｋ付近に達すると、その反射エコーにより当該欠陥ｋの存在とその位置とを検出することができる。
局部水浸法用のホルダ１２に組み込まれたアレイ探触子１０は、発信した超音波ｓを、水室１４の水ｗ中を前記凹凸１５により乱反射を受けることなく伝播するため、係る水室１４の広範な開口部全体から鋼材Ｗ′内に良好に伝播できる。この結果、比較的高い周波数の超音波ｓを所要の発信周期により、比較的断面が小さな鋼材Ｗ′の断面全体に伝達できるため、微小な欠陥ｋを正確に検出することができる。
従って、上記アレイ探触子１０を用いることにより、比較的細径の鋼材Ｗ′に対する検査精度を高められる共に、鋼材Ｗ′の品質保証も安定させることも可能となる。

図１０は、異なる形態の超音波探傷装置１ａを示す概略図である。
超音波探傷装置１ａは、図１０に示すように、回転可能な複数組の鼓形ローラｒと、係るローラｒ，ｒ間で且つ互いに離して配置したリングＬ１，Ｌ２と、これらの各ガイドｇ１，ｇ２に沿って円運動が可能に支持されるギャップ法用のホルダ（図示せず）に組み込まれたアレイ探触子２と、局部水浸法用のホルダ（図示せず）に組み込まれたアレイ探触子１０と、を含んでいる。
太径または細径の鋼材Ｗ（Ｗ′）は、複数組の鼓形ローラｒの鞍部に支持されると共に、図１０中の実線の矢印で示すように、その軸方向に沿って移動可能とされている。

係る鋼材Ｗ（Ｗ′）の表面の円周方向に沿って、図１０中の一点鎖線の矢印で示すように、前記アレイ探触子２またはアレイ探触子１０を所定の速度（例えば、１回／分）で旋回させることにより、上記鋼材Ｗ（Ｗ′）の全表面に沿って、垂直探傷法および斜角探傷法を併用するギャップ法と、局部水浸法とを、鋼材Ｗ（Ｗ′）の断面寸法に応じて、能率良く容易に使い分けることができる。
従って、上記超音波探傷装置１ａによっても、各種サイズの鋼材Ｗ（Ｗ′）に対する検査効率を高められ、それらの品質保証も安定させることが可能となる。

本発明は、以上において説明した形態に限定されるものではない。
例えば、１台の前記超音波探傷装置１，１ａに、２個以上のアレイ探触子２，１０を併設することも可能である。これにより、ギャップ法や局部水浸法による超音波探傷を、長尺な被検査材である鋼材に対しても効率良く行うことが可能となる。
更に、前記アレイ探触子１０の水室１４の側壁に設ける凹凸は、断面がほぼ半円形で且つ交互に向きが逆となる波形状としても良い。

本発明における１形態の超音波探傷装置を示す概略図。 上記超音波探傷装置に用いるギャップ法用のアレイ探触子を示す断面図。 上記ギャップ法のうち垂直探傷法を示す概略図。 上記ギャップ法のうち斜角探傷法を示す概略図。 上記垂直／斜角探傷法および超音波の反射エコーを示す概略図。 上記超音波探傷装置を用いた局部水浸法を示す概略図。 上記超音波探傷装置に用いる局部水浸法用のアレイ探触子を示す断面図。 上記局部水浸法用のアレイ探触子の水室の側壁を示す斜視図。 上記アレイ探触子を用いた局部水浸法を示す概略図。 異なる形態の超音波探傷装置を示す概略図。

符号の説明

１，１ａ…超音波探傷装置
２…………ギャップ法用のアレイ探触子
１０………局部水浸法用のアレイ探触子
１２………ホルダ
１４………水室
１５………凹凸
Ｗ，Ｗ′…鋼材（被検査材）

Claims (4)

1. アレイ探触子を用いると共に、内部の欠陥を検出すべき被検査材のうち、断面寸法が大きな被検査材に対しては、垂直探傷法と斜角探傷法とを併用するギャップ法を適用し、断面寸法が小さな被検査材に対しては、局部水浸法を適用する、
   ことを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記ギャップ法は、前記断面寸法が大きな被検査材の中心部に対し垂直探傷法で行うと共に、係る被検査材における断面の周辺部側に対し斜角探傷法で行うアレイ探触子を用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 内部の欠陥を検出すべき被検査材の表面に水膜を介して配置され且つ垂直探傷法および斜角探傷法を併用できるギャップ法用のアレイ探触子と、
   上記被検査材の表面に水室を介して配置される局部水浸法用のアレイ探触子と、を含む、
   ことを特徴とする超音波探傷装置。
4. 内部の欠陥を検出すべき被検査材の表面に接する水を貯溜する水室と、
   上記水室における上記被検査材と反対側の奥側のホルダに組み込まれる局部水浸法用のアレイ探触子と、を含み、
   上記水室の側壁には、上記アレイ探触子から発信される超音波の発信方向にほぼ沿った凹凸が形成されている、
   ことを特徴とする超音波探傷装置。
   

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