JP2008134209A - 超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探触子の被検査材に対する押圧力を一定にして探傷を行うことができる超音波探傷方法を提供する。
【解決手段】鉄道用レール１の表面に超音波探触子７，９を設置して行う超音波探傷方法において、超音波探触子７，９には、超音波を出射する出射面７ａ，９ａに対して略平行に張り出した鍔部１５を備えた治具１３と、鍔部１５の上面１５ａに配置される永久磁石１７とが取り付けられている。そして、永久磁石１７の吸引力によって出射面７ａ，９ａが鉄道用レール１の底端部上面５ａに押し当てられるように、超音波探触子７，９がレール１上に設置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁性体からなる被検査材の表面に超音波探触子を設置して行う超音波探傷方法に関するものである。

従来の超音波探傷方法では、被検査材の表面上に超音波探触子を設置し、超音波探触子で超音波を被検査材に入射させ、受信した被検査材からの反射超音波を解析することにより被検査材の探傷が行われる（例えば、非特許文献１参照。）。この超音波探触子の設置は、超音波が出射される探触子先端の出射面を被検査材表面に密着させるように、作業者が手で探触子を被検査材表面に押し当てて行われる場合が多い。
日本非破壊検査協会編集，「超音波探傷入門」，日本非破壊検査協会，平成１２年３月１５日，Ｐ．２６．

しかしながら、この種の超音波探傷で得られる超音波波形は、探触子を被検査材に押し当てる際の押圧力やカップリング材の厚さといったような探触子の接触状態の影響を受けて変動してしまう。すなわち、探触子から同じ超音波を出射したとしても、被検査材への接触状態によって、位相や振幅が異なった超音波が被検査材に入射されてしまう場合がある。従って、上記のように作業者が手で探触子を押し当てる方法によれば、探触子の被検査材への押圧力が試行ごとに変動してしまい、再現性がよい反射超音波が得られないおそれがある。

また、例えば、被検査材の所望の点に超音波エネルギーを集中させたり、多数受信波の解析により被検査材の超音波モードの解析を行ったりする際には、被検査材表面に複数の超音波探触子が設置される場合がある。このように、被検査材上に複数の探触子を同時に設置し、当該複数の探触子で得られるデータを利用する超音波探傷においては、特に、各探触子間の超音波送受信の条件を同一にすることが重要であるので、各探触子が被検査材へ押し当てられる際の押圧力を一定にすることが重要である。

そこで、本発明は、超音波探触子の被検査材に対する押圧力を一定にして探傷を行うことができる超音波探傷方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波探傷方法は、磁性体からなる被検査材の表面に超音波探触子を設置して行う超音波探傷方法において、超音波探触子には、超音波を出射する出射面に対して略平行に張り出す鍔部を備えた治具と、治具の鍔部に配置される磁石とが取り付けられ、磁石の吸引力によって出射面が被検査材の表面に押し当てられるように、超音波探触子が被検査材の表面に設置されることを特徴とする。

この超音波探傷方法では、治具の鍔部上に設けられた磁石と磁性体である被検査材との間の吸引力が発生し、超音波探触子の出射面が被検査材表面に押し当てられるので、この吸引力に応じた一定の押圧力をもって超音波探触子を被検査材表面に固定することができる。従って、超音波探触子を固定するために超音波探触子を手などで押し当てる必要もなく、超音波の送受信時における超音波探触子の押圧力を一定にすることができる。

また、この場合、被検査材の表面には、複数の超音波探触子が設置されてもよい。超音波探触子を複数用いる超音波探傷において、各超音波探触子の被検査材に対する押圧力を一定にすることができるので、各超音波探触子間における超音波の送受信条件の差異が緩和され、良好な探傷を行うことができる。以上のように、上記超音波探傷方法は、特に、超音波探触子を複数用いる超音波探傷において好適に適用される。

本発明の超音波探傷方法によれば、超音波探触子の被検査材に対する押圧力を一定にして探傷を行うことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る超音波探傷方法の好適な実施形態について詳細に説明する。以下の説明においては、図１等に示すように、鉄道用レール１の幅方向をｘ方向、レール１の高さ方向をｙ方向、レール１の長手方向をｚ方向とする。また、このような鉄道用レール１は、頭部１ａ、腹部１ｂ、及び底部３の部位から構成されており、底部３のうち両端に近い部位５は、底端部と呼ばれる。

この超音波探傷方法においては、図１に示すように、鉄道用レール１の底端部５の上面５ａにおいて、縦波を励振するための垂直探触子７と、垂直探触子９との２種類の垂直探触子が、レール１の長手方向（ｚ方向）に平行な直線上に、３個ずつ交互に配置される。垂直探触子７，９は、それぞれ、超音波を出射する出射面７ａ，９ａを底端部上面５ａに接するように設置される。なお、垂直探触子７，９の詳細な位置関係については後述する。そして、垂直探触子７，９にそれぞれ制御装置（図示せず）からの駆動信号が送信されると、垂直探触子７，９の超音波出射面７ａ，９ａから周波数５０ｋＨｚの超音波がレール１に入射される。

本発明者らが行ったレール１の断面形状データに基づく数値解析によれば、周波数３０〜２００ｋＨｚといった帯域の超音波が入射されることにより、超音波振動で底端部５が上下方向に加振され、底端部５がｙ方向に上下振動するようなガイド波のモードが発生するので、上記帯域の超音波は、特に、レール１の底端部５の探傷に適している。ここでのガイド波の周波数は５０ｋＨｚであり、群速度（音速）は、２８４０ｍ／ｓであり、位相速度は２５９０ｍ／ｓである。また、このガイド波の波長λは、上記周波数と上記位相速度から算出されるように、λ＝２５９０（ｍ／ｓ）／５０（ｋＨｚ）＝５２（ｍｍ）である。

続いて、垂直探触子７，９は、それぞれ、レール１の損傷で反射された反射波を受信する。そして、受信された反射波の時間位置の情報がコンピュータ等で処理される。上記のとおり、探傷に用いるガイド波の群速度が特定されているので、ここでは、レール１の損傷からの反射波が現れる時間位置を計測することで損傷の位置を同定することができる。

また、上記の垂直探触子７，９の配置は、上記ガイド波の波長λに基づいて以下のように決定されている。すなわち、探触子７同士は等間隔に配置され、当該間隔Ｐ１は波長λの整数倍とされている（Ｐ１＝ｍλ：ｍ＝１，２，…）。例えばｍ＝２を採用した場合は、Ｐ１＝１０４となるので、探触子７は１０４ｍｍ間隔で配列すればよい。また、隣接する探触子７，９の間の距離Ｐ２は、すべてＰ２＝（１／４＋ｎ／２）・λに設定されている（ｎ＝０，１，２，…）。例えばｎ＝０を採用した場合は、Ｐ２＝１３となるので、隣接する探触子７，９の間隔は、１３ｍｍとすればよい。

更に、３個の各探触子７には同じ駆動信号が分岐されて入力され、同位相で振動する。同様に、３個の各探触子９には同じ駆動信号が分岐されて入力され、同位相で振動する。そして、各探触子９に入力される駆動信号は、各探触子７に入力される駆動信号を反転させ、位相をT/4（Tは中心周波数に対する1周期の時間）分遅らせた波形とされている。従って、探触子９は、探触子７よりも位相が９０°遅れて振動する。また、探触子９の振幅と探触子７の振幅とが同じになるように、駆動信号が制御される。このような駆動信号及び探触子の上記の配置により、これらの探触子７，９からは、レール１の長手方向における矢印Ｂ方向にのみ振動のエネルギーが伝播し、反対の方向にはエネルギーが伝播しないという状態が作り出される。

また、反射波の受信についても、各探触子７と各探触子９とで反射波を独立に受信し、探触子９で受信された波形を９０°位相を遅らせて足し合わせる処理を行えばよい。このような構成によれば、探傷に係る超音波をレール１内に高いエネルギーで伝播させ、反射波を高いエネルギーで得ることができるので、より良好なレール１の探傷を行うことができる。なお、垂直探触子７，９は、上記の間隔で、底端部５の下面５ｂに設置してもよく、上面５ａ、下面５ｂの両方に設置してもよい。

このような超音波探傷方法によれば、レール１に超音波を入射したときに、底端部５が上下振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、レール１に発生させることができるので、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。

以上のように、この超音波探傷方法においては、６個の各探触子７，９からそれぞれ得られる反射超音波の波形を解析することにより探傷が行われる。従って、高度な探傷を行うためには、各探触子７，９間の超音波送受信の条件を均一化することが必要である。特に、探触子７，９を底端部上面５ａに押し当てる際の押圧力の変動は、当該探触子７，９で入出射される超音波の波形に大きく影響するので、この押圧力を一定させることが重要である。

そこで、この超音波探傷方法においては、以下のような方法で各探触子７，９を底端部上面５ａ上に設置している。

図２（ａ），（ｂ）及び図３に示すように、探触子７は、一辺約１４ｍｍの略直方体形状をなす市販のものを用いている。そして、この探触子７には、上部形状に合わせて屈曲させた治具１３が上部に被さるように取り付けられている。この治具１３は、鍔部１５の下面から探触子７の下端が突出するように、探触子７よりも上下寸法が小さく形成されている。この治具１３は、アルミニウム等の非磁性体材料からなり、探触子７の両側に出射面７ａに平行に延びる鍔部１５を備えている。そして、この両鍔部１５の上面１５ａには、それぞれ永久磁石１７が固定されている。

このような治具１３及び永久磁石１７が取り付けられた探触子７が、カップリング材２１を介してレール１の底端部上面５ａに設置されると、図３に示すように、鍔部１５の下面と底端部上面５ａとの間には間隙が形成された状態となり、この間隙を介して鋼鉄（磁性体）製のレール１と永久磁石１７との間に吸引力が作用する。この吸引力により、治具１３が底端部上面５ａ側に引き付けられて探触子７を押し下げ、探触子７は出射面７ａが底端部上面５ａに一定の押圧力で押し当てられた状態で底端部上面５ａ上に固定される。また、探触子９についても、以上説明した探触子７と同様にして底端部上面５ａに固定される。

このように、超音波探傷の作業者が探触子７，９を手で押さえることなく、永久磁石１７の吸引力に応じた一定の押圧力で探触子７，９が底端部上面５ａに固定されるので、探触子７，９は、常に一定した押圧力をもって底端部上面５ａに押し当てられる。また、このことにより、出射面７ａ，９ａと底端部上面５ａとの間に設置されたカップリング材の厚さも一定となるので、探触子７を、常に同じ条件でレール１上に設置することができ、複数の探触子における超音波の送受信条件を均一化することができる。その結果、複数の各探触子７，９を用いた探傷において、高度な探傷を行うことができる。

また、探触子７，９をレール１上に簡易に着脱することができるので、作業性が向上する。また、上記超音波探傷は、治具１３を装着することにより、既存の市販の探触子を用いることが可能である点でも優れている。また、吸引力を発生する永久磁石１７が、探触子７，９の両側に張り出すように形成された鍔部１５上に設置されるので、押圧力が出射面７ａ，９ａに均等に作用し、探触子７，９が安定して固定される。

ここで、複数の超音波探触子により同時に送受信する他の方法としては、多数の超音波素子を組み込んだアレイ探触子を用いることも考えられる。このようなアレイ探触子は、現在、医療・工業の分野で利用されているものであり、超音波素子間の被検査材への押圧力の差異が問題になることは少ない。被検査材の超音波探傷においてＭＨｚオーダーの超音波を用いる場合には、超音波の波長が短いので、小さい超音波素子をもつ上記アレイ探触子を用いることができるが、例えば、上述のような５０ｋＨｚ程度の低周波帯を用いようとすれば、波長が数cｍ〜数十cm 程度であり、それに応じて超音波素子を数cm〜数十cm といった大きい間隔で配置する必要があるため、アレイ探触子を用いることが困難である。従って、鉄道用レールの探傷でｋＨｚオーダーの超音波を用いる場合には、アレイ探触子に代えて複数の垂直探触子を被検査材上に配列する必要があり、このときに各探触子間の押圧力の差異が問題となる。従って、比較的低周波帯の超音波を用いる鉄道用レールの超音波探傷においては、各探触子間の押圧力の均一化が特に必要とされ、上述したような探触子の設置が有効に適用される。

なお、治具１３は、永久磁石１７とレール１との吸着力により、破損したり曲がったりしない程度の剛性が必要である。また、カップリング材２１としては、ゲル状のものや、超音波透過ゴム等からなるドライカップリングシートを用いてもよい。また、永久磁石１７として、強力な磁力をもつネオジム磁石を採用すると、強い吸引力が発生し探触子７が確実にレール１に固定されるので好ましい。また、永久磁石は小型で大きな磁力を得られる点で好ましいが、探触子７の着脱を更に容易にするため、永久磁石１７に代えて電磁石を用いることもできる。また、永久磁石１７を鍔部１５で移動可能とすれば、鍔部上面１５ａ上で永久磁石１７の設置位置を変えて鍔部１５の撓みを調整し、吸引力を調整することが可能になるので好ましい。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記超音波探傷方法は、鉄道用レールの探傷に限らず、磁性体からなる被検査材の超音波探傷に適用することが可能である。また、探触子を被検査材上に簡易に正確に着脱することができる特長を活かして、例えば、高所等の危険な場所での超音波探傷作業や、ロボットアームなどを用いた遠隔検査にも本発明が適用可能である。

本発明に係る超音波探傷方法の一実施形態を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明に係る超音波探傷方法における超音波探触子を示す斜視図であり、（ｂ）は、その分解斜視図である。 図２の超音波探触子をレール底端部に設置した状態を示す側面図である。

符号の説明

１…鉄道用レール（被検査材）、７，９…垂直探触子（超音波探触子）、７ａ，９ａ…出射面、１３…治具、１５…鍔部、１７…永久磁石。

Claims (2)

1. 磁性体からなる被検査材の表面に超音波探触子を設置して行う超音波探傷方法において、
   前記超音波探触子には、超音波を出射する出射面に対して略平行に張り出す鍔部を備えた治具と、前記治具の前記鍔部に配置される磁石とが取り付けられ、
   前記磁石の吸引力によって前記出射面が前記被検査材の表面に押し当てられるように、前記超音波探触子が前記被検査材の表面に設置されることを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記被検査材の表面には、複数の前記超音波探触子が設置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。

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