JP2009236668A - 超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧延方向に延びる欠陥面積を高精度に且つ簡便に測定可能な装置等を提供する。
【解決手段】超音波探傷装置１００は、被検査材Ｍの圧延方向に直交する方向に複数の振動子１１を配列した一次元アレイ型超音波探触子１０と、信号処理手段２とを備える。信号処理手段は、以下の（１）〜（６）を実行する。（１）被検査材の各断面について探傷信号の開口合成像を生成する。（２）振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布を生成する。（３）前記最大値分布に基づき、各断面における欠陥の幅を算出する。（４）被検査材の複数の断面における前記最大値分布から、圧延方向についての探傷信号の最大値分布を生成する。（５）圧延方向についての探傷信号の最大値分布に基づき欠陥の長さを算出する。（６）算出した欠陥の長さと算出した各断面の欠陥の幅とに基づき、欠陥の面積を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検査材の圧延方向に延びる欠陥の面積を高精度で且つ簡便に測定可能な超音波探傷方法及び装置に関する。

鉄鋼製品などの圧延された金属製品（半製品を含む）の品質を保証するために、超音波探傷にて製品内に存在する欠陥の検出及び合否判定が行われている。合否判定の基準は、例えば、検出すべき欠陥の寸法などで規定されている。例えば、油井用鋼管関連規格の一つであるＡＰＩ規格５ＣＴにおいては、鋼管内に表面が開口していない（鋼管の内外面に露出していない）欠陥が検出された場合、その欠陥の面積が２６０ｍｍ^２より大きいものがあってはならないと規定されている（ＡＰＩ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ５ＣＴ／ＩＳＯ １１９６０）。このように、欠陥の面積は、製品の品質を保証する上で重要な項目である。

超音波探傷において欠陥の面積を定量的に算出する従来の方法として、非特許文献１に記載のように、
（Ａ）エコー高さを利用して欠陥の面積を算出する方法、
（Ｂ）超音波探触子を移動させ、欠陥エコーが出現する移動距離によって、欠陥の面積を算出する方法
が知られている。
また、特許文献１には、
（Ｃ）開口合成処理を用いて欠陥の面積を算出する方法
が提案されている。
以下、これらの方法について具体的に説明する。

（Ａ）エコー高さを利用して欠陥の面積を算出する方法
欠陥の大きさが超音波ビームの有効広さよりも小さい場合、欠陥の面積とエコー高さが比例する関係を利用して、欠陥の面積を算出することができる。

超音波探触子を構成する円形振動子からの距離（円形振動子の中心軸上の距離）ｘ_１の点にある円形の平面欠陥からのエコー高さＰ_Ｒは、以下の式（１）で表される。
上記の式（１）において、Ｐ_０は超音波の入射音圧を、λは超音波の波長を、Ｄは振動子の直径を、ｄは欠陥の直径を意味する。
上記の式（１）より、欠陥エコー高さＰ_Ｒは、欠陥の面積であるπｄ^２／４に比例することが分かる。

一方、被検査材が底面として十分に広い平面を有する場合、振動子から底面までの距離をｘ_２とすると、底面エコー高さＰ_∞は、以下の式（２）で表される。

上記の式（１）及び式（２）より、底面エコー高さＰ_∞と欠陥エコー高さＰ_Ｒとの比、及び距離ｘ_１、ｘ_２を測定することで、欠陥の面積を推定することが可能である。

しかしながら、上記の式（１）は、超音波探触子の振動子面に対して欠陥の面が平行な場合に成立する式である。換言すれば、上記の算出方法は、超音波探触子の振動子面に対して欠陥の面が平行であり、欠陥からの最大のエコーが超音波探触子で受信されることを前提としている。従って、欠陥の面が振動子面に対して傾いている場合には、欠陥で反射されたエコーが超音波探触子で受信し難くなり、算出精度が低下するといった問題がある。また、上記の算出方法は、欠陥の大きさが超音波ビームの有効広さよりも大きい場合には適用できない。このため、被検査材が鋼管や鋼板などの圧延材である場合、圧延方向に延びる面状の欠陥等に対しては振動子の寸法の大きな超音波探触子を用いる必要があり、現実的ではない。

（Ｂ）超音波探触子を移動させ、欠陥エコーが出現する移動距離によって、欠陥の面積を算出する方法
欠陥の大きさが超音波ビームの有効広さよりも大きい場合、超音波探触子を移動させながら、欠陥エコーが最大のエコー高さから所定のレベルまで低下する範囲、或いは、最大エコー高さとは関係なくエコー高さが所定の高さ以上で出現する範囲を、欠陥の指示長さとして測定する方法が知られている。この方法によれば、測定対象となる欠陥の長さよりも小さい寸法の振動子を有する超音波探触子を選択することで、欠陥の長さを比較的精度良く測定することができる。従って、鋼管や鋼板などの圧延材における、圧延方向に延びる面状の欠陥等については、上記の方法により圧延方向の欠陥寸法（欠陥長さ）を比較的精度良く測定可能である。

しかしながら、圧延方向に直交する方向については、圧延方向に比べて欠陥の寸法（欠陥幅）が小さいため、欠陥の大きさが超音波ビームの有効広さよりも大きいという上記の方法の前提条件を満足させることが困難になる。振動子の寸法を小さくすると超音波ビームが拡がってしまい、振動子寸法を大きくすると発振する超音波ビーム自体が広くなってしまうからである。

図１は、幅１ｍｍの欠陥に対して、振動子の幅がそれぞれ３．５ｍｍ、０．７ｍｍの超音波探触子を、欠陥から１０ｍｍ離れた位置で欠陥の幅方向に移動させ（深さ１０ｍｍの位置に欠陥が存在する被検査材の表面に超音波探触子を設置して、欠陥の幅方向に移動させ）、エコー高さを測定した結果の一例を示す。図１に示すように、いずれの超音波探触子を用いた場合も、超音波ビームの有効広さが大きいことに起因して、エコー高さの幅方向分布は、なだらかな形状を呈している。最大のエコー高さから６ｄＢ低下する範囲を欠陥幅とすると、各超音波探触子によって測定される欠陥幅は、６．３ｍｍ、２．８ｍｍとなり、実際の欠陥幅（１ｍｍ）に対して大きな値を示す。

従って、鋼管や鋼板などの圧延材における、圧延方向に延び、圧延方向と直交する方向に狭い幅を有する面状の欠陥等について、上記の方法では、欠陥長さを比較的精度良く測定できたとしても、欠陥幅を実際の幅よりも大きく測定してしまう。つまり、上記の方法では、欠陥の面積を過大に算出してしまう。その結果、本来は不良品とならない製品までも不良と判定し、歩留まりを低下させる虞がある。

（Ｃ）開口合成を用いて欠陥の面積を算出する方法
一方、特許文献１には、マトリックス状に配置された振動子群を用いて超音波探傷を行うことにより収集したデータに基づき、被検査材内部の３次元画像化データを生成し、この３次元画像化データを処理することによって、欠陥の面積を自動計算する方法が開示されている。具体的には、３次元画像化データから欠陥の面積を自動計算する際に、３次元画像化データを直交座標系の各軸方向に透視して、最大値を有するデータを平面に投影する。そして、投影した平面において、予め決められたしきい値以上の値を有するメッシュの数をカウントすることにより、欠陥の面積が計算される。この方法では、３次元画像化データを生成する際に開口合成技術を適用することによって、高解像度で欠陥を表示することを可能としている。しかしながら、この方法を圧延材の面状欠陥等へ適用する際には、算出効率及び算出精度の面で問題がある。以下、具体的に説明する。

開口合成処理によって得られる開口合成処理像の分解能は、振動子の配列ピッチ及び開口の大きさに依存することが知られている。開口の大きさとは、開口合成処理の際にエコーを受信する振動子群の全体寸法（開口合成処理を行う方向に配列された振動子群の全体寸法）に相当する。そして、振動子の配列ピッチが小さく、開口の大きさ（振動子群の全体寸法）が大きいほど、分解能が高まることが知られている。

従って、高精度に欠陥寸法を測定したい方向に微小な寸法の振動子を多数配置した振動子群を用いることによって、前記方向については高精度に欠陥寸法を測定することが期待できる。しかしながら、これらの各振動子には、信号の送受信及び処理に関わる電子回路が接続されているため、装置コストの観点から配置できる振動子数が限られており、現在普及している装置では２５６個程度である。

前述のように、圧延材における欠陥の面積を算出する場合、欠陥は圧延方向に長く、圧延方向と直交する方向には短いため、欠陥面積の算出精度を高めるには、圧延方向と直交する方向で高精度に欠陥寸法を測定する必要がある。微小な寸法の振動子がマトリックス状に密に配置された振動子群を用いると、圧延方向の分解能が必要以上に高くなる一方で、圧延方向に直交する方向については、開口の大きさが小さくなるため分解能が低くなる上、一度に測定できる領域が狭くなる。例えば、０．３ｍｍ程度の分解能を得るには、開口合成処理においては振動子の配列ピッチを分解能の２倍以下にする必要があるとされていることから、少なくとも振動子の配列ピッチを０．６ｍｍ程度にする必要がある。振動子の配列ピッチが０．６ｍｍであれば、１６個×１６個（＝２５６個）の振動子がマトリックス状に配置された振動子群の場合、開口の大きさは、およそ０．６×１６＝９．６ｍｍとなる。さらに、振動子群の中心直下にある被検査材の所定深さの点における分解能は、開口角を２θ、超音波の波長をλとすると、λ／（２ｓｉｎθ）になるとされており、例えば、音速が５９６０ｍ／ｓの鋼材を被検査材とし、振動子群を被検査材の表面に配置して、探傷周波数を５ＭＨｚとすると、鋼材の表面から深さ１０ｍｍでの分解能は、約１．４ｍｍとなり、分解能が低下することになる。また、圧延方向に直交する方向に一度に測定できる領域が、開口の大きさ相当の９．６ｍｍ程度と狭くなる。従って、算出効率と算出精度の均衡が取れているとは言い難い。
「超音波探傷試験III」、２００１年版、（社）日本非破壊検査協会、平成１３年６月１１日、ｐ．５７−５８及びｐ．１１７−１１８ 特開２００５−３１０６１号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、被検査材の圧延方向に延びる欠陥の面積を高精度に且つ簡便に測定可能な超音波探傷方法及び装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討した結果、圧延方向の欠陥寸法（欠陥長さ）については、前述した従来技術と同様に、（Ｂ）超音波探触子を移動させ、欠陥エコーが出現する移動距離によって、欠陥の面積を算出する方法で十分であると考えた。そして、この方法に、圧延方向に直交する方向の欠陥寸法（欠陥幅）を高精度に測定可能な方法を組み合わせることにより、欠陥の面積を高精度に且つ簡便に測定可能であると考えた。そこで、複数の振動子を一列に配列した一次元アレイ型超音波探触子を用い、振動子の配列方向が被検査材の圧延方向に直交する方向と一致するように配置して、超音波探触子から出力される被検査材の一断面（超音波探触子に対向する方向の断面）における探傷信号に対して開口合成処理を施すことにより、当該断面における欠陥幅を高精度に測定できることに想到した。仮に一次元アレイ型超音波探触子の振動子の配列ピッチを０．６ｍｍ程度とすると、例えば、２５６個の振動子を有する一次元アレイ型超音波探触子では、開口の大きさは約１５３ｍｍとなり、欠陥幅に対して十分な大きさである。また、圧延方向に超音波探触子を移動させたときの探傷信号の圧延方向の分布に基づき、欠陥長さを簡便に測定できることに想到した。

本発明は、上記本発明者らの知見に基づき完成されたものである。すなわち、本発明に係る超音波探傷方法は、被検査材の圧延方向に直交する方向に複数の振動子を配列した一次元アレイ型超音波探触子を被検査材に対向して配置するステップと、前記超音波探触子を被検査材の圧延方向に相対移動させるステップと、前記超音波探触子から出力される探傷信号に基づいて、被検査材に存在する欠陥の面積を算出するステップとを含む。そして、前記欠陥の面積を算出するステップは、以下の第１ステップ〜第６ステップを含むことを特徴とする。
（１）第１ステップ：前記超音波探触子から出力される探傷信号に対して開口合成処理を施すことにより、前記超音波探触子に対向する方向の被検査材の各断面について、探傷信号の開口合成像を生成する。
（２）第２ステップ：前記開口合成像に対して前記対向方向についての探傷信号の最大値を抽出し、前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布を生成する。
（３）第３ステップ：前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布に基づき、被検査材の各断面における前記欠陥の幅方向の両端部を算出し、該算出した両端部間の距離により、被検査材の各断面における前記欠陥の幅を算出する。
（４）第４ステップ：被検査材の複数の断面における前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布から、前記圧延方向についての探傷信号の最大値分布を生成する。
（５）第５ステップ：前記第４ステップによって生成した前記圧延方向についての探傷信号の最大値分布に基づき、前記欠陥の長さを算出する。
（６）第６ステップ：前記第５ステップで算出した前記欠陥の長さと、前記第３ステップで算出した各断面における前記欠陥の幅とに基づき、前記欠陥の面積を算出する。

本発明によれば、第１ステップ〜第３ステップにより、超音波探触子に対向する方向の被検査材の各断面における欠陥の幅（圧延方向に直交する方向の寸法）を高精度に測定可能である。そして、第４ステップ及び第５ステップにより、欠陥の長さ（圧延方向の寸法）を簡便に測定可能である。よって、第６ステップにより、欠陥の面積を高精度に且つ簡便に測定可能である。

なお、本発明における「探傷信号の最大値」とは、正の極性を有する探傷信号の最大値、及び、負の極性を有する探傷信号の最小値（すなわち、負の極性を有する探傷信号の絶対値の最大値）の何れかを意味する。

また、前記課題を解決するため、本発明は、被検査材に対向して配置され、被検査材の圧延方向に相対移動し、該圧延方向に直交する方向に複数の振動子を配列した一次元アレイ型超音波探触子と、前記超音波探触子から出力される探傷信号に基づいて、被検査材に存在する欠陥の面積を算出する信号処理手段とを備え、前記信号処理手段が、上記の第１ステップ〜第６ステップを実行することを特徴とする超音波探傷装置としても提供される。

本発明に係る超音波探傷方法及び装置によれば、被検査材の圧延方向に延びる欠陥の面積を高精度に且つ簡便に測定可能である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る超音波探傷方法及び装置の一実施形態について説明する。

図２は、本実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。図２（ａ）は全体の構成を示すブロック図を、図２（ｂ）は一次元アレイ型超音波探触子の配置を説明する斜視図を示す。
図２に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置１００は、一次元アレイ型超音波探触子１と、超音波探触子１から出力される探傷信号に基づいて、被検査材Ｍに存在する欠陥Ｆの面積を算出する信号処理手段２とを備えている。

超音波探触子１は、被検査材Ｍに対向して配置され、被検査材Ｍの圧延方向に相対移動し、該圧延方向に直交する方向に複数の振動子１１が配列されている。

信号処理手段２は、スイッチング回路２Ａ、パルサー２Ｂ、レシーバー２Ｃ、増幅器２Ｄ、Ａ／Ｄ変換器２Ｅ、波形メモリ２Ｆ、開口合成処理部２Ｇ、送受信パターン制御部２Ｈ、幅方向プロファイル演算部２Ｉ、欠陥両端部演算部２Ｊ、長さ方向プロファイル演算部２Ｋ、位置検出器２Ｌ、及び、欠陥面積演算部２Ｍを備えている。

スイッチング回路２Ａは、超音波探触子１の各振動子１１に接続されている。スイッチング回路２Ａは、送受信パターン制御部２Ｈから送信される予め決められた送受信パターンに応じて、送信用の振動子１１及び受信用の振動子１１を選択し、これらをパルサー２Ｂ及びレシーバー２Ｃと結合させる。

パルサー２Ｂは、選択された送信用の振動子１１に対して送信信号を印加する。これにより、送信用の振動子１１から発振された超音波は、被検査材Ｍ内を伝搬し、被検査材Ｍの表面や欠陥Ｆで反射して、選択された受信用の振動子１１で受信される。受信された探傷信号は、レシーバー２Ｃ、増幅器２Ｄ及びＡ／Ｄ変換器２Ｅを介してデジタルデータに変換され、波形メモリ２Ｆに記録される。

開口合成処理部２Ｇは、波形メモリ２Ｆに記録された探傷信号に対して開口合成処理を施す。この際、超音波探触子１や被検査材Ｍの情報（例えば、超音波探触子１と被検査材Ｍとの位置関係、超音波探触子１の探傷周波数、被検査材Ｍ及び接触媒質における音速、被検査材Ｍが管である場合にはその外径など）や、送受信パターン制御部２Ｈに記憶された送受信パターンが利用される。

図３は、開口合成処理部２Ｇによって行われる開口合成処理を説明する説明図である。開口合成処理に際しては、超音波探触子１に対向する方向の被検査材Ｍの断面Ｍ１（図２参照）の座標空間がメッシュに分割される。そして、各メッシュに波形メモリ２Ｆに記録された探傷信号の値を取得して入力する。取得する値を決定するに際しては、まず、送受信パターンに応じて選択された送信用振動子１１及び受信用振動子１１の内、注目する送信用振動子１１（図３では振動子Ｐ）及び受信用振動子１１（図３では、振動子Ｒａ及びＲｂ）を決定する。そして、送信用振動子Ｐから注目するメッシュまでの超音波の伝搬経路ＷＩと、当該注目メッシュから受信用振動子Ｒａ及びＲｂまでの超音波の伝搬経路ＷＲａ及びＷＲｂを決定する。これら伝搬経路ＷＩ、ＷＲａ、ＷＲｂの決定は、振動子Ｐ、Ｒａ、Ｒｂと被検査材Ｍとの位置関係や、接触媒質及び被検査材Ｍにおける音速等に基づき、振動子Ｐ、Ｒａ、Ｒｂと被検査材Ｍへの超音波の入射点又は出射点とを結ぶ伝搬経路と、被検査材Ｍへの超音波の入射点又は出射点と注目メッシュとを結ぶ伝搬経路とが、スネルの法則又はフェルマーの定理を満足するように、超音波の入射点又は出射点を選択することによって行われる。そして、波形メモリ２Ｆに記録された受信用振動子Ｒａでの探傷信号の内、伝搬経路ＷＩ及びＷＲａを伝搬する時間（Ｔａ）に相当する信号の値を取得して、注目メッシュに入力する。また、波形メモリ２Ｆに記録された受信用振動子Ｒｂでの探傷信号の内、伝搬経路ＷＩ及びＷＲｂを伝搬する時間（Ｔｂ）に相当する信号の値を取得して、同じ注目メッシュに入力する（加算する）。以上に述べた処理を、送受信パターンに応じて選択された全ての送信用振動子１１及び受信用振動子１１の組み合わせについて行うことにより、注目メッシュに入力される探傷信号の値が決定する。そして、この処理を全てのメッシュに対して行うことにより、断面Ｍ１の開口合成像が生成される。超音波探触子１は、被検査材Ｍの圧延方向に相対移動するため、被検査材Ｍの複数の断面について開口合成像が生成されることになる。具体的には、位置検出器２Ｌによって検出した超音波探触子１と被検査材Ｍとの相対位置に対応付けられた複数の断面について（例えば、所定の相対移動量毎の断面について）開口合成像が生成される。

なお、図４（ａ）に示すように、送信用振動子１１及び受信用振動子１１として駆動する振動子群（超音波探触子１を構成する一部又は全部の振動子１１）を選択し、選択された振動子群の中で、送信用振動子１１と受信用振動子１１とを順次切り替えることで、一つの被検査材Ｍの断面について一つの開口合成像を得ることができる。また、図４（ｂ）に示すように、更に同一断面内において選択する振動子群を切り替えて同様の処理を行うことで、同一断面につき複数の開口合成像を得ることができる（ただし、最終的には、これら複数の開口合成像の各メッシュの値を加算して一つの開口合成像とする）。

幅方向プロファイル演算部２Ｉは、上記のようにして開口合成処理部２Ｇによって生成された被検査材Ｍの各断面の開口合成像に対して、超音波探触子１と被検査材Ｍとの対向方向（被検査材Ｍの深さ方向）ついての探傷信号の最大値を抽出し、振動子１１の配列方向（欠陥Ｆの幅方向）についての探傷信号の最大値分布（以下、適宜「幅方向プロファイル」という）を生成する。

また、欠陥両端部演算部２Ｊは、幅方向プロファイル演算部２Ｉによって生成された幅方向プロファイルに基づき、被検査材Ｍの各断面における欠陥Ｆの幅方向の両端部を算出し、該算出した両端部間の距離により、被検査材Ｍの各断面における欠陥Ｆの幅を算出する。

以下、図５を参照して、幅方向プロファイル演算部２Ｉ及び欠陥両端部演算部２Ｊが行う処理について、より具体的に説明する。
図５は、幅方向プロファイル演算部２Ｉ及び欠陥両端部演算部２Ｊが行う処理を説明するための説明図である。図５（ａ）は、開口合成処理部２Ｇによって生成された開口合成像の一例を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＡＡ線に沿った探傷信号の強度分布を示す。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す開口合成像について幅方向プロファイル演算部２Ｉによって生成される幅方向プロファイルを示す。図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示す幅方向プロファイルに基づき、欠陥両端部演算部２Ｊが欠陥Ｆの幅方向の両端部を算出する方法を説明する図である。

幅方向プロファイル演算部２Ｉは、図５（ａ）に示す開口合成像に対して、各幅方向（振動子１１の配列方向）位置にあるメッシュに入力された探傷信号の値を深さ方向（超音波探触子１と被検査材Ｍとの対向方向）に沿って順次読み取り、その最大値を抽出して各幅方向位置にプロットする。例えば、図５（ａ）のＡＡ線の幅方向位置では、ＡＡ線に沿って各メッシュに入力された探傷信号の値を順次読み取り、その最大値Ａ’を抽出して当該幅方向位置にプロットする。この際、幅方向プロファイル演算部２Ｉは、抽出した最大値が入力されているメッシュの座標（幅方向位置、深さ方向位置）も記憶する。

以上の処理を全ての幅方向位置について繰り返すことにより、図５（ｃ）に示すように、欠陥Ｆの幅方向（振動子１１の配列方向）についての探傷信号の最大値分布である幅方向プロファイルが生成される。生成された幅方向プロファイル及び上記抽出した最大値が入力されているメッシュの座標は、欠陥両端部演算部２Ｊに入力される。

欠陥両端部演算部２Ｊは、幅方向プロファイル演算部２Ｉによって生成された幅方向プロファイル（図５（ｃ））に対して、その最大値Ｍｎから所定ｄＢだけ低下する範囲、又は、探傷信号の最大値が予め設定されたしきい値を超える範囲を算出する。図５（ｃ）に示す例では、最大値Ｍｎから６ｄＢ低下する範囲Ｗを算出している。そして、図５（ｄ）に示すように、欠陥両端部演算部２Ｊは、上記算出した範囲Ｗの両端に相当する最大値が入力されているメッシュの座標を読み取り、欠陥Ｆの両端部ＥＬｎ、ＥＲｎの座標とする。そして、欠陥の両端部ＥＬｎ及びＥＲｎ間の距離を算出し、これを欠陥Ｆの幅とする。

以上の処理により、被検査材Ｍの各断面における欠陥Ｆの幅が算出される。

長さ方向プロファイル演算部２Ｋは、位置検出器２Ｌによって検出した超音波探触子１と被検査材Ｍとの相対位置に対応付けられた被検査材Ｍの複数の断面における幅方向プロファイルから、圧延方向（欠陥Ｆの長さ方向）についての探傷信号の最大値分布（以下、適宜「長さ方向プロファイル」という）を生成する。具体的には、各断面における幅方向プロファイルの最大値Ｍｎ（図５参照）を、各断面に対応付けられた被圧延材Ｍの長さ方向（圧延方向）位置にプロットすることにより、図６に示すような長さ方向プロファイルを生成する。

そして、長さ方向プロファイル演算部２Ｋは、生成した長さ方向プロファイルに基づき、欠陥Ｆの長さを算出する。具体的には、長さ方向プロファイルの最大値から所定ｄＢだけ低下する範囲、又は、探傷信号の最大値Ｍｎが予め設定されたしきい値を超える範囲を、欠陥Ｆの長さとして算出する。

欠陥面積演算部２Ｍは、長さ方向プロファイル演算部２Ｋで算出した欠陥Ｆの長さと、欠陥両端部演算部２Ｊで算出した各断面における欠陥Ｆの幅とに基づき、欠陥Ｆの面積を算出する。具体的には、図７に示すように、欠陥Ｆの長さに相当する範囲内の断面について算出した欠陥Ｆの幅Ｗｎと、各断面間の圧延方向（欠陥Ｆの長さ方向）の距離ΔＬとの積和演算を、欠陥Ｆの長さに相当する範囲内で行うことにより、欠陥Ｆの面積を算出する。

以上に説明した本実施形態に係る超音波探傷装置１００による超音波探傷方法によれば、被検査材Ｍの圧延方向に延びる欠陥Ｆの面積を高精度に且つ簡便に測定可能である。

以下、実施例を示すことにより、本発明を更に詳細に説明する。

平板中に設けた平底溝（平板の水平方向に対して１０°傾斜、幅３．６ｍｍ、長さ２０ｍｍ）を欠陥として、図２に概略構成を示す本発明に係る超音波探傷装置で探傷試験を行った。一次元アレイ型超音波探触子としては、探傷周波数が５ＭＨｚ、振動子の配列ピッチが０．５ｍｍ、振動子数が６４個、配列方向に直交する方向の振動子の長さが６ｍｍのものを用いた。開口合成像は、超音波探触子と被検査材とを相対的に１ｍｍ移動させる毎に生成した。

図５（ａ）は、本実施例によって得られた開口合成像の一例である。開口合成像は、超音波を何れか１個の振動子で送信し、６４個の振動子で受信して、送信用振動子を１番目の振動子から６４番目の振動子まで順次切り替えて得たものである。そして、この開口合成像に対して、図５（ｃ）に示す幅方向プロファイルを生成し、図５（ｄ）に示すように欠陥の幅方向の両端部を算出し、該算出した両端部間の距離により、平板の各断面における欠陥の幅を算出した。図５（ａ）の開口合成像について算出した欠陥幅は３．２ｍｍであった。実際の欠陥幅３．６ｍｍに比べて若干狭く算出されているものの、精度良く算出できているといえる。

図６、本実施例によって得られた長さ方向プロファイルである。この長さ方向プロファイルの最大値から６ｄＢ低下する範囲を欠陥の長さとして算出した。算出した欠陥の長さは２３ｍｍであり、実際の欠陥長さ２０ｍｍに比べて若干長く算出されているものの、精度良く算出できているといえる。

そして、欠陥の長さに相当する範囲内の断面について算出した欠陥の幅と、各断面間の圧延方向（欠陥の長さ方向）の距離（１ｍｍ）との積和演算を、欠陥の長さに相当する範囲内で行うことにより、欠陥の面積を算出した。算出した欠陥の面積は、８１ｍｍ^２であり、実際の欠陥面積の７２ｍｍ^２に比べて、＋１３％程度の誤差で測定できることが分かった。

図８は、本実施例に係る超音波探傷装置を用いて、平板中の異なる深さに加工した幅２．ｍｍ及び１．０ｍｍの平底穴の幅を算出した結果を示す。図８に示すように、欠陥（平底穴）の深さ位置に関わらず、精度良く欠陥の幅を算出可能であることが分かる。

また、本実施例に係る超音波探傷装置を用いて、平板中に設けた平底溝（平板の水平方向に対して１０°傾斜、幅３．６ｍｍ、長さ２０ｍｍ）を欠陥としてその面積を算出した。また、比較例として、上記と同じ欠陥の面積を、通常の超音波探触子を用いて算出した。具体的には、超音波探触子を欠陥の長さ方向及び幅方向に移動させ、欠陥エコーが出現する移動距離によって、欠陥の長さ及び幅を算出し、これにより欠陥の面積を算出した（前述した従来技術の（Ｂ）に相当）。結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明によれば、従来の方法よりも高精度で欠陥面積を算出できることが分かる。

図１は、従来の欠陥面積算出方法を説明する説明図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。図２（ａ）は全体の構成を示すブロック図を、図２（ｂ）は一次元アレイ型超音波探触子の配置を説明する斜視図を示す。 図３は、図２に示す開口合成処理部によって行われる開口合成処理を説明する説明図である。 図４は、図２に示す超音波探触子の送受信パターンを説明する説明図である。 図５は、図２に示す幅方向プロファイル演算部及び欠陥両端部演算部が行う処理を説明するための説明図である。図５（ａ）は、開口合成処理部によって生成された開口合成像の一例を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＡＡ線に沿った探傷信号の強度分布を示す。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す開口合成像について幅方向プロファイル演算部によって生成される幅方向プロファイルを示す。図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示す幅方向プロファイルに基づき、欠陥両端部演算部が欠陥の幅方向の両端部を算出する方法を説明する図である。 図６は、図２に示す長さ方向プロファイル演算部によって生成される長さ方向プロファイルの一例を示す。 図７は、図２に示す欠陥面積演算部が行う処理を説明するための説明図である。 図８は、本発明の実施例において、欠陥の幅を算出した結果の一例を示す。

符号の説明

１・・・一次元アレイ型超音波探触子
２・・・信号処理手段
２Ａ・・・スイッチング回路
２Ｂ・・・パルサー
２Ｃ・・・レシーバー
２Ｄ・・・増幅器
２Ｅ・・・Ａ／Ｄ変換器
２Ｆ・・・波形メモリ
２Ｇ・・・開口合成処理部
２Ｈ・・・送受信パターン制御部
２Ｉ・・・幅方向プロファイル演算部
２Ｊ・・・欠陥両端部演算部
２Ｋ・・・長さ方向プロファイル演算部
２Ｌ・・・位置検出器
２Ｍ・・・欠陥面積演算部
１１・・・振動子
１００・・・超音波探傷装置
Ｍ・・・被検査材

Claims (2)

1. 被検査材の圧延方向に直交する方向に複数の振動子を配列した一次元アレイ型超音波探触子を被検査材に対向して配置するステップと、前記超音波探触子を被検査材の圧延方向に相対移動させるステップと、前記超音波探触子から出力される探傷信号に基づいて、被検査材に存在する欠陥の面積を算出するステップとを含み、
   前記欠陥の面積を算出するステップは、
   前記超音波探触子から出力される探傷信号に対して開口合成処理を施すことにより、前記超音波探触子に対向する方向の被検査材の各断面について、探傷信号の開口合成像を生成する第１ステップと、
   前記開口合成像に対して前記対向方向についての探傷信号の最大値を抽出し、前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布を生成する第２ステップと、
   前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布に基づき、被検査材の各断面における前記欠陥の幅方向の両端部を算出し、該算出した両端部間の距離により、被検査材の各断面における前記欠陥の幅を算出する第３ステップと、
   被検査材の複数の断面における前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布から、前記圧延方向についての探傷信号の最大値分布を生成する第４ステップと、
   前記第４ステップによって生成した前記圧延方向についての探傷信号の最大値分布に基づき、前記欠陥の長さを算出する第５ステップと、
   前記第５ステップで算出した前記欠陥の長さと、前記第３ステップで算出した各断面における前記欠陥の幅とに基づき、前記欠陥の面積を算出する第６ステップとを含むことを特徴とする超音波探傷方法。
2. 被検査材に対向して配置され、被検査材の圧延方向に相対移動し、該圧延方向に直交する方向に複数の振動子を配列した一次元アレイ型超音波探触子と、
   前記超音波探触子から出力される探傷信号に基づいて、被検査材に存在する欠陥の面積を算出する信号処理手段とを備え、
   前記信号処理手段は、
   前記超音波探触子から出力される探傷信号に対して開口合成処理を施すことにより、前記超音波探触子に対向する方向の被検査材の各断面について、探傷信号の開口合成像を生成する第１ステップと、
   前記開口合成像に対して前記対向方向についての探傷信号の最大値を抽出し、前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布を生成する第２ステップと、
   前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布に基づき、被検査材の各断面における前記欠陥の幅方向の両端部を算出し、該算出した両端部間の距離により、被検査材の各断面における前記欠陥の幅を算出する第３ステップと、
   被検査材の複数の断面における前記振動子の配列方向についての探傷信号の最大値分布から、前記圧延方向についての探傷信号の最大値分布を生成する第４ステップと、
   前記第４ステップによって生成した前記圧延方向についての探傷信号の最大値分布に基づき、前記欠陥の長さを算出する第５ステップと、
   前記第５ステップで算出した前記欠陥の長さと、前記第３ステップで算出した各断面における前記欠陥の幅とに基づき、前記欠陥の面積を算出する第６ステップとを実行することを特徴とする超音波探傷装置。