JP2008111742A - ホイール溶接部の非破壊検査方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】超音波を用いたホイール溶接部1の断面映像化において、正確な断面画像を得る。
【解決手段】複数枚の薄板(リム材1a、ディスク材1b)を隅肉溶接してなるホイール溶接部1断面の超音波による非破壊検査に際して、超音波が入射する部分に薄膜2を張った測定水槽4をホイール溶接部1に当接させて、薄膜2を介して水浸法によってホイール溶接部1に超音波ビーム10aを送受波し、該超音波ビーム10aを溶接線に直交する断面内で走査することによって得られたエコー信号に基づいて、表面形状を含んだホイール溶接部1の断面形状を映像化する。
【選択図】図1

Description

本発明は、自動車などに用いられるホイールの溶接部の品質評価に用いるのに好適な、溶接部の断面構造を非破壊で正確に映像化することが可能な、ホイール溶接部の非破壊検査方法及び装置に関する。
従来のホイールの溶接部の品質評価方法として、以下のものが挙げられる。
(1)破壊試験
ホイールよりサンプルを切出し、断面を研磨後、腐蝕液で腐蝕して観察、測定する。
(2)間接測定
例えば、特許文献1に開示されている間接測定によるホイール溶接部の品質評価方法がある。この方法は、ホイール溶接部の溶接中のリム外側表面温度分布と溶接部の物理的性状との関係をあらかじめ求めておく工程と、ホイールの実溶接時、ホイール溶接部の溶接中のリム外側表面温度分布を計測し、該計測データと、先に求めてあるリム外側表面温度分布と溶接部の物理的性状との関係とを比較して、ホイールの溶接部の物理的性状を推定する工程とからなる。
(3)非破壊試験
例えば、特許文献2に開示されている扇型走査式超音波探傷装置を用いて、ホイール溶接部の断面形状の測定を行うことができる。この装置は円弧状に配列された超音波送受波用振動子アレイ(以下、探触子)を用いて超音波ビームの扇状走査を行うこと、探触子を被検体表面に沿って走行させつつ探傷動作を行うことを特徴としている。さらに、同様な方法あるいは装置を開示した発明として、特許文献3および4が挙げられる。
特開平11−101760号公報 特開平1−126543号公報 特開平4−12269号公報 特開平4−136758号公報
しかし、従来のホイール溶接部の品質評価方法には、次の問題がある。
(1)破壊試験
製品そのものを破壊するわけにはいかないので、一定量のサンプルによるテストを繰返し、テストと同一の溶接条件で製品が溶接されているものとして「溶け込み深さ」を保証する方法であるため、製品ごとの検査はなされていない。また、判定に時間と費用がかかる。
(2)間接測定
ホイール溶接部の溶接中のリム外側表面温度分布と溶接部の物理的性状との関係にはばらつきがあるのが普通であり、良品を不良品と判定したり、逆に不良品を良品と判定したりすることがある。
(3)非破壊試験
特許文献2乃至4に開示された方法では、超音波ビームを被検材へ入射させる方法として、振動子アレイを貼り付けた円弧状のシューを被検体へ押し当てる方法や振動子アレイを貼り付けた円弧状のシューを内蔵したタイヤを被検材に押し当てる方法がとられている。しかし、溶接による熱のために歪んだ形状をしているホイール溶接部に対しては、シューやタイヤとホイール溶接部との接触状態が安定しないため、前記の方法では安定して超音波ビームを入射させることができない問題があった。
また、特許文献2乃至4に開示された方法では、振動子アレイを貼り付けた円弧状のシューを被検体へ押し当てたり、振動子アレイを貼り付けた円弧状のシューを内蔵したタイヤを被検材に押し当てたりするため、前記シューや前記タイヤの位置が被検体の表面の歪に倣ってしまう。したがって、これらの方法では被検体の表面形状を検知することができないので、溶接による熱のために歪んだ形状をしているホイール溶接部の断面映像化にこれらの方法を適用すると、断面映像が歪んでしまう問題があった。即ち、被検体の表面形状の検知を行えない場合には、被検体の表面が平坦であるとして断面を映像化する方法を採らざるを得ないため、断面の映像化に用いる超音波ビームの進行方向と実際の超音波ビーム進行方向との間に偏差が発生する。このため、断面映像が実際と異なるひずみがある映像となっていた。なお、これらの方法では、別の被検体の表面形状を測定する手段を併用することにより、断面映像のひずみを補正することも考えられるが、装置構成が複雑になること、2つの測定手段による測定位置を正確に合致させる必要があること、装置コストが高くなることなどの問題があるため、実現は容易ではない。
本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、破壊試験や間接測定によるのではなく、非破壊試験によってホイール溶接部の品質評価を行うこと、さらに、溶接による熱のために歪んだ形状をしているホイール溶接部に対しても安定に超音波を送受波でき、かつ、得られる断面映像にひずみが発生しないようにすることを課題とする。
本発明は、複数枚の薄板を溶接してなるホイール溶接部断面の超音波による非破壊検査方法において、超音波が入射する部分に薄膜を張った測定水槽の該薄膜をホイール溶接部に当接させて、該測定水槽内の水及び薄膜を介して水浸法によってホイール溶接部に超音波ビームを送受波し、該超音波ビームを溶接線に直交する断面内で走査することによって得られた受波信号に基づいて、表面形状を含んだ溶接部の断面形状を映像化するようにして、前記課題を解決したものである。
本発明は、又、複数枚の薄板を溶接してなるホイール溶接部断面の超音波による非破壊検査装置において、超音波が入射する部分に薄膜を張った測定水槽と、該測定水槽の該薄膜をホイール溶接部に当接させて、該測定水槽内の水及び薄膜を介して水浸法によってホイール溶接部に超音波ビームを送受波する手段と、超音波ビームを溶接線に直交する断面内で走査することによって得られた受波信号に基づいて、表面形状を含んだ溶接部の断面形状を映像化する手段と、を備えたことを特徴とするホイール溶接部の非破壊検査装置を提供するものである。
前記映像化の際に、ホイール溶接部へ入射するまでに超音波が水中を進んでいる時間と、ホイール溶接部へ入射した後に超音波がホイール溶接部中を進んでいる時間とを区別して、断面像の歪みを防ぐことができる。
前記超音波ビームの走査方法としては、リニア走査を用いるのがよい。
更に、溶接部の別の位置に設置した超音波プローブから超音波を送波し、この超音波の映像を溶接部の断面映像に重ねて表示することにより、基準位置を示すのがよい。
又、前記ホイール溶接部は、ホイールのリム材とディスク材の溶接部とすることができる。
本発明によれば、超音波を用いた非破壊手段でホイール溶接部の品質評価が可能になる。また、図1に示すように、超音波が入射する部分に薄膜を張った測定水槽の該薄膜をホイール溶接部に当接させて該薄膜をホイール溶接部表面に倣わせる。このようにして、該測定水槽内の水及び薄膜を介して水浸法によってホイール溶接部に超音波ビームを送受波するので、超音波ビームの入射効率を不安定にする、シューやタイヤなどと歪んだ表面形状を有する被検体との直接接触がない。よって、本発明によって歪んだ形状をしているホイール溶接部に対しても、安定して超音波ビームを入射させることができる。
さらに、水浸法によってホイール溶接部に超音波ビームを送受波することにより、ホイール溶接部からの表面反射波(表面エコー)を受波できる。したがって、該表面エコーに基づきホイール溶接部の表面位置を認識することができるので、得られた断面映像にひずみが発生することがない。
このようにして、超音波ビームのリニア走査を用いて、ホイール溶接部の断面形状を映像化する溶接部断面の超音波による映像化方法において、断面構造をむらなく、かつ、ひずみなく正確に表示することが可能になるので、本発明は、ホイール溶接部の品質保証に有効に利用できる。
以下、本発明の実施形態を、実施例をもとに説明する。
本発明の実施例1に係る構成図を図1に示す。
本発明のホイール溶接部の非破壊検査装置は、図1の、薄膜2を張った測定水槽4、水3、超音波プローブ10、リニア走査手段22、位置検出手段24、送波回路11、受波増幅器12、A/D変換器13、断面像合成装置14、断面像表示装置15からなる。また、「超音波ビームを送受波する手段」は、超音波プローブ10、送波回路11、受波増幅器12により構成され、「溶接部の断面形状を映像化する手段」は、A/D変換器13、断面像合成装置14から構成される。
図1は超音波が入射する部分に薄膜2を張った測定水槽4を、被検体であるホイール溶接部1に当接させて、薄膜2を介して水浸法によってホイール溶接部1に超音波ビーム10aを送受波する構成を示している。薄膜2とホイール溶接部1との間には音響結合媒質として水3を介在させている。
図1は、ホイール溶接部1および測定水槽4を断面図で示しており、その他の部分はブロック図で示している。1は検査対象であるホイール溶接部を示す。ホイール溶接部1は、2枚の薄鋼板(リム材1aおよびディスク材1b)を重ねた段差部分をガスシールドアーク溶接して形成された溶接金属1cと、リム材1aおよびディスク材1bの溶接金属1c近傍を含んだ領域をいう。10は超音波ビーム10aを送受波する超音波プローブであり、送波回路11からの一定周期の電気パルスにより超音波ビーム10aをホイール溶接部1に向け送波するとともに、該ホイール溶接部1の表面および内部からの反射波(エコー)を受波する。受波された信号は受波増幅器12により、後の信号処理に都合のよい適正なレベルに増幅される。増幅後の受波信号は、A/D変換器13によってディジタルデータとされ、ホイール溶接部1の溶接線の方向(図1の紙面に垂直な方向)と垂直な方向xでのプローブ位置とともに、断面像合成装置14の波形メモリ14aに格納される。例えば高分子材料からなる薄膜2は、水浸法による測定に用いられる水3が水槽4から流出するのを防止するとともに、超音波プローブ10から送波された超音波ビーム10aのホイール溶接部1への入射に介在する。
超音波ビーム10aのリニア走査を行うには、ホイール溶接部1の表面への入射角がほぼ0°となるように超音波プローブ10の姿勢が設定される。この姿勢を保ったまま、超音波プローブ10はリニア走査手段22によって、ホイール溶接部1の溶接線の方向とは垂直な方向xへ機械的にリニア走査される。
リニア走査手段22によってリニア走査される超音波プローブ10の方向Xにおける位置は位置検出手段24により検出される。位置検出手段24により検出された超音波プローブ10の方向Xにおける位置を波形メモリ14aへ入力することにより、ディジタルデータとされた受波信号と超音波プローブ10の方向Xにおける位置とが関係付けられて波形メモリ14aに格納される。
前記リニア走査において、一定のデータ収集ピッチにて超音波ビーム10aの送波および受波、受波信号のA/D変換、ディジタルデータとされた受波信号の波形メモリ14aへの格納を行ったのち、波形メモリ14aへ格納された受波信号の絶対値を演算し、前記絶対値を用いて輝度変調を行うことにより、1つの受波信号を1本の線で表示(以下、受波信号の輝度変調表示)することができる。この時、受波信号には、ホイール溶接部の表面からの反射波と、溶接部内部の界面からの反射波と、ホイール溶接部の裏面からの反射波が含まれることになる。全ての受波信号の輝度変調表示を順にならべて表示すれば、表面を含んだ溶接部の断面像(Bスコープ)を得ることができる。しかし、この表示方法では、水における超音波伝搬速度とホイール溶接部における超音波伝搬速度との違いによって、断面像が歪む。受波信号は一定の時間間隔にてサンプリングされるが、この一定の時間間隔の間に超音波が進む距離が異なるためである。
そこで、表面エコー認識機構を設けて、ホイール溶接部へ入射するまでに超音波が水中を進んでいる時間と、ホイール溶接部へ入射した後に超音波がホイール溶接部中を進んでいる時間とを区別できるようにする。このため、断面像合成装置14の中には表面エコー認識部14bが設けられている。表面エコー認識部14bは、ディジタル化され、波形メモリ14aに格納された受波信号から受波された表面エコーの受波タイミングを検出する。検出された各受波信号に含まれる表面エコーの受波タイミングは、ホイール溶接部1の溶接線の方向と垂直な方向xでの超音波プローブ位置に対応付けて表面エコー用メモリ14cに送られ記録される。
請求項7にいう表面エコー認識手段とは、表面エコー認識部14bおよび表面エコー用メモリ14cにより構成される。
断面像合成部14dでは、波形メモリ14aに記録されている受波信号、表面エコー用メモリ14cに記録されている表面エコー受波タイミングから、前記した受波信号の輝度変調表示によって断面像を合成する。断面像合成部14dは図2に示すように、x方向をホイール溶接部の溶接線の方向と垂直な方向での超音波プローブ位置に対応させ、y方向を超音波伝搬方向での実際の距離に対応させた2次元メモリを有し、それぞれの超音波プローブ位置について、超音波送信から表面エコー受波タイミング(Ts)までの信号は、水中における超音波伝搬速度を乗じた距離に相当する位置にエコー振幅の絶対値を記録する。表面エコー受波タイミング(Ts)以降の時間Tにおける信号は、(T−Ts)に被検材における超音波伝搬速度を乗じた距離を表面の位置へ加えた位置にエコー振幅の絶対値を記録する。2次元メモリの内容は断面像表示装置15を用いてメモリ内容と輝度とを対応させて2次元表示される。
図3(a)は上記実施例1の装置を用いて、リム材の厚さが2.5mm、ディスク材の厚さが3.5mmのホイール溶接部の断面を映像化するに当たり、周波数50MHz、振動子径:6mm、水中焦点距離15mmの集束プローブを用いて、焦点を深さ2.5mmの位置に設定して得られた断面像を示している。対比のため、切断試験による断面マクロ観察結果を図3(b)に示している。さらに、対比のため、従来の方法(振動子アレイを貼り付けた円弧状のシューをホイール溶接部へ押し当てる方法)による断面映像を図3(c)に示している。従来の方法では、溶接部形状がx方向へ拡がって歪んだ断面像になっている。また、シューとホイール溶接部表面との接触の不安定のために、輝度にばらつきが大きく、断面像が不鮮明になっている。即ち、本実施例1の装置では、正確な溶接部の断面映像を得ることができる。
次に、図面を参照して本発明の実施例2を説明する。本発明の実施例2に係る構成図を図4に示す。図1と共通する要素は説明を省略する。図4の装置では、ディスク材1b側の溶接部表面へ超音波プローブ50が設置されている。この超音波プローブ50の設置位置は、図5に示すように、溶接線に直交する方向でみた被溶接部における2枚の鋼板(1a、1b)の段差位置に相当する位置である。リム材1aとディスク材1bとの境界側への溶け込み量を測定するときには、この段差位置を基準(以下、基準位置)とすることがある。図4において、超音波プローブ50は送波回路51と接続され、送波回路の51からの電気パルスにより超音波を送波する。送波回路11からの同期信号を遅延回路52を通して受け取ることによって、送波回路51は送波回路11による超音波プローブ10への電気パルス印加から所定の時間後に電気パルスを発して超音波プローブ50から超音波を送波させる。このような構成によって、超音波プローブ10のリニア走査によって得られた溶接部断面像へ超音波プローブ50から送波した超音波の像を重ねて表示することができる。この像の中心を基準位置として用いることができる。
図6は上記実施例2の装置を用いて、リム材の厚さが2.5mm、ディスク材の厚さが3.5mmのホイール溶接部の断面を映像化するに当たり、周波数50MHz、振動子径:6mm、水中焦点距離15mmの集束プローブを用いて、焦点を深さ2.5mmの位置に設定して得られた断面像を示している。本装置を用いることにより、リム材とディスク材の境界側への溶け込み量を測定するときに必要な基準位置を溶接部断面映像にあわせて表示することができる。
以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明はこれに限るものではなく、ホイール溶接部を浸漬する媒体も水のほか、油やその他のものであっても勿論よい。
本発明の実施例1を示す構成図 実施例1の断面像合成部が有する2次元メモリの説明図 実施例1の効果の一例を従来技術と対比して示す図 本発明の実施例2を示す構成図 被溶接部における段差部を示す説明図 実施例2により得られる断面像を示す図
符号の説明
1…ホイール溶接部(被検体)
1a…リム材
1b…ディスク材
1c…溶接金属
2…薄膜
3…水
4…測定水槽
10、50…超音波プローブ
10a…超音波ビーム
11、51…送波回路
12…受波増幅器
13…A/D変換器
14…断面像合成装置
14a…波形メモリ
14b…表面エコー認識部
14c…表面エコー用メモリ
14d…断面像合成部
15…断面像表示装置
22…直線走査手段
24…位置検出手段
52…遅延回路

Claims (10)

  1. 複数枚の薄板を溶接してなるホイール溶接部断面の超音波による非破壊検査方法において、
    超音波が入射する部分に薄膜を張った測定水槽の該薄膜をホイール溶接部に当接させて、該測定水槽内の水及び薄膜を介して水浸法によってホイール溶接部に超音波ビームを送受波し、
    該超音波ビームを溶接線に直交する断面内で走査することによって得られた受波信号に基づいて、表面形状を含んだ溶接部の断面形状を映像化することを特徴とするホイール溶接部の非破壊検査方法。
  2. 前記映像化の際に、ホイール溶接部へ入射するまでに超音波が水中を進んでいる時間と、ホイール溶接部へ入射した後に超音波がホイール溶接部中を進んでいる時間とを区別して、断面像の歪みを防ぐことを特徴とする請求項1に記載のホイール溶接部の非破壊検査方法。
  3. 前記超音波ビームの走査方法がリニア走査であることを特徴とする請求項1又は2に記載のホイール溶接部の非破壊検査方法。
  4. 溶接部の別の位置に設置した超音波プローブから超音波を送波し、この超音波の映像を溶接部の断面映像に重ねて表示することにより、基準位置を示すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のホイール溶接部の非破壊検査方法。
  5. 前記ホイール溶接部が、ホイールのリム材とディスク材の溶接部であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のホイール溶接部の非破壊検査方法。
  6. 複数枚の薄板を溶接してなるホイール溶接部断面の超音波による非破壊検査装置において、
    超音波が入射する部分に薄膜を張った測定水槽と、
    該測定水槽の該薄膜をホイール溶接部に当接させて、該測定水槽内の水及び薄膜を介して水浸法によってホイール溶接部に超音波ビームを送受波する手段と、
    超音波ビームを溶接線に直交する断面内で走査することによって得られた受波信号に基づいて、表面形状を含んだ溶接部の断面形状を映像化する手段と、
    を備えたことを特徴とするホイール溶接部の非破壊検査装置。
  7. 前記映像化の際に、ホイール溶接部へ入射するまでに超音波が水中を進んでいる時間と、ホイール溶接部へ入射した後に超音波がホイール溶接部中を進んでいる時間とを区別して、断面像の歪みを防ぐための表面エコー認識手段を更に含むことを特徴とする請求項6に記載のホイール溶接部の非破壊検査装置。
  8. 前記超音波ビームがリニア走査されることを特徴とする請求項6又は7に記載のホイール溶接部の非破壊検査装置。
  9. 溶接部の別の位置に超音波プローブが設置され、該超音波プローブから超音波を送波し、この超音波の映像を溶接部の断面映像に重ねて表示することにより、基準位置を示すようにされていることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載のホイール溶接部の非破壊検査装置。
  10. 前記ホイール溶接部が、ホイールのリム材とディスク材の溶接部であることを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載のホイール溶接部の非破壊検査装置。
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