JP2009243959A - Ultrasonic probe and ultrasonic flaw detection method - Google Patents
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Description
本発明は、表面が湾曲した被検査物(例えば丸棒状の被検査物等)の内部欠陥の有無を検査する際に用いられる超音波探触子、及び表面が湾曲した被検査物の内部欠陥の有無を検査する超音波探傷方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe used for inspecting the presence or absence of an internal defect of an inspection object having a curved surface (for example, a round bar-shaped inspection object), and an internal defect of the inspection object having a curved surface. The present invention relates to an ultrasonic flaw detection method for inspecting the presence or absence of defects.
例えば、航空エンジンの分野においては、エンジン部品の素材として丸棒状のビレットが使われており、ビレットに対し、通常、鍛造等の加工を行う前に、振動面が球面状を呈しかつ超音波を送受信する振動子を備えた超音波探触子を用い、水浸法によって被検査物である丸棒状のビレットの内部欠陥の有無を検査している。 For example, in the field of aero engines, round bar-shaped billets are used as a material for engine parts. Usually, before the billet is subjected to processing such as forging, the vibration surface has a spherical shape and ultrasonic waves are applied. An ultrasonic probe equipped with a transducer for transmitting and receiving is used to inspect for the presence of internal defects in a round bar-shaped billet that is an object to be inspected by a water immersion method.
即ち、図6に示すように、丸棒状の被検査物(ビレット)Wを水Lに浸した状態で水槽T内の所定位置にセットする。そして、超音波探触子101を被検査物Wの軸方向に沿って移動させつつ、超音波探触子101における振動子103から送信された超音波Sを被検査物Wに入射させて、振動子103によって反射波としての超音波Sを受信する。これにより、被検査物Wの内部欠陥による反射波(反射エコー)の有無、換言すれば、被検査物Wの内部欠陥の有無を被検査物Wの軸方向に亘って検査することができる。ここで、被検査物Wを軸心周りに回転させることにより、被検査物Wの内部欠陥の有無を被検査物Wの周方向に亘って検査することができる。
That is, as shown in FIG. 6, a round bar-shaped inspection object (billet) W is set in a predetermined position in the water tank T in a state of being immersed in the water L. Then, while moving the
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献1及び特許文献2に示すものがある。
ところで、従来の超音波探触子101における振動子103の振動面は球面状を呈してあって、被検査物Wの表面が湾曲しているため、被検査物Wの軸方向に対する被検査物Wの縦断面の傾斜角φが異なると、図7(a)(b)に示すように、被検査物Wの縦断面における超音波Sの焦点距離が異なり、換言すれば、振動子103から送信された超音波Sが被検査物Wの内部において一点に集束するのでなく、局在化された領域に集束することになる。そのため、被検査物Wの内部欠陥が被検査物Wの内部の深い箇所に在ると、被検査物Wの内部欠陥による反射波Sの超音波強度が弱くなり、被検査物Wの内部欠陥による反射波を検出することができなくなる。また、振動子103に受信される超音波Sの検出感度を高めると、ノイズエコーが増大して、超音波探触子101の検出精度が悪化することになる。つまり、従来の超音波探触子101にあっては、被検査物Wの内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査することは極めて困難であるという問題があった。
By the way, the vibration surface of the
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の超音波探触子及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic probe and an ultrasonic flaw detection method having a novel configuration that can solve the above-described problems.
本発明の第1の特徴は、表面が湾曲した被検査物の内部欠陥の有無を検査する際に用いられる超音波探触子において、探触子ケースと、前記探触子ケースに設けられ、超音波を送受信する振動子と、を備え、前記振動子の振動面(送受信面)は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合によって構成されていることを要旨とする。 A first feature of the present invention is an ultrasonic probe used for inspecting the presence or absence of an internal defect of an inspection object having a curved surface, provided in the probe case and the probe case, A vibrator that transmits and receives ultrasonic waves, and a vibration surface (transmission / reception surface) of the vibrator is emitted from a common focal point inside the inspection object and reaches through the surface of the inspection object The gist is that the ultrasonic wave is composed of a set of propagation points having the same propagation time.
第1の特徴によると、前記振動子から送信された超音波を前記被検査物に入射させて、前記振動子によって反射波としての超音波を受信する。これにより、前記被検査物の内部欠陥による反射波(反射エコー)の有無、換言すれば、前記被検査物の内部欠陥の有無を検査することができる。 According to the first feature, the ultrasonic wave transmitted from the vibrator is incident on the inspection object, and the ultrasonic wave as a reflected wave is received by the vibrator. Thereby, it is possible to inspect the presence or absence of a reflected wave (reflection echo) due to an internal defect of the inspection object, in other words, the presence or absence of an internal defect of the inspection object.
ここで、前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合によって構成されているため、前記被検査物の軸方向に対する傾斜角が異なる任意の縦断面において、超音波の焦点距離が等しくなり、換言すれば、前記振動子から送信された超音波が前記被検査物の内部において一点に集束することになる。これにより、前記振動子に受信される超音波の検出感度を高く設定しなくても、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波の超音波強度を十分に確保することができる。 Here, the vibration surface of the vibrator is constituted by a set of propagation points that are radiated from a common focal point inside the inspection object and reach the ultrasonic wave through the surface of the inspection object. Therefore, the focal lengths of the ultrasonic waves are equal in any longitudinal cross section having different inclination angles with respect to the axial direction of the inspection object, in other words, the ultrasonic waves transmitted from the vibrator are converted into the inspection object. It will be converged to one point inside. Thereby, even if the detection sensitivity of the ultrasonic wave received by the vibrator is not set high, sufficiently ensure the ultrasonic intensity of the reflected wave due to the internal defect in the deep part inside the inspection object. Can do.
本発明の第2の特徴は、超音波を送受信する振動子を備えた超音波探触子を用い、前記振動子から送信された超音波を表面が湾曲した被検査物に入射させて、前記振動子によって反射波としての超音波を受信することにより、前記被検査物の内部欠陥の有無を検査する超音波探傷方法において、前記振動子の振動面(送受信面)は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合からなることを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, an ultrasonic probe including a transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves is used, and the ultrasonic wave transmitted from the transducer is incident on an inspected object having a curved surface. In the ultrasonic flaw detection method for inspecting the presence / absence of an internal defect in the inspection object by receiving ultrasonic waves as reflected waves by the vibrator, the vibration surface (transmission / reception surface) of the vibrator is the surface of the inspection object. The gist of the invention is that it consists of a set of propagation points that are radiated from a common focal point inside and reach the surface of the object to be inspected until the ultrasonic wave has the same propagation time.
第2の特徴によると、前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合からなるため、前記被検査物の軸方向に対する傾斜角が異なる任意の縦断面において、超音波の焦点距離が等しくなり、換言すれば、前記振動子から送信された超音波が前記被検査物の内部において一点に集束することになる。これにより、前記振動子に受信される超音波の検出感度を高く設定しなくても、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波の超音波強度を十分に確保することができる。 According to a second feature, the vibration surface of the vibrator is radiated from a common focal point inside the inspection object and propagates through the surface of the inspection object until the ultrasonic wave has the same propagation time. Therefore, the ultrasonic focal lengths are equal in any vertical cross section having different inclination angles with respect to the axial direction of the inspection object, in other words, the ultrasonic waves transmitted from the vibrator are inspected. It will converge to one point inside the object. Thereby, even if the detection sensitivity of the ultrasonic wave received by the vibrator is not set high, sufficiently ensure the ultrasonic intensity of the reflected wave due to the internal defect in the deep part inside the inspection object. Can do.
本発明によれば、前記振動子に受信される超音波の検出感度を高く設定しなくても、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波の超音波強度を十分に確保できるため、ノイズエコーの低減を図りつつ、前記被検査物の内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査することができる。 According to the present invention, even if the detection sensitivity of the ultrasonic wave received by the vibrator is not set high, the ultrasonic wave intensity of the reflected wave due to the internal defect existing deep in the inspection object is sufficiently increased. Since it can be ensured, it is possible to inspect with high accuracy the presence or absence of an internal defect located deep inside the inspection object while reducing noise echo.
本発明の実施形態について図1から図5を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
ここで、図1(a)は、本発明の実施形態に係る超音波探触子における振動子の振動面を説明する図、図1(b)は、図1(a)における矢視部IBの拡大図、図2は、本発明の実施形態に係る超音波探触子の断面図、図3(a)は、本発明の実施形態に係る超音波探触子における振動子の平面図、図3(b)は、図3(a)における矢視部IIIBから見た図、図3(c)は、図3(a)における矢視部IIICから見た図、図4(a)は、水槽内の水に被検査物を浸した状態を示す図、図4(b)は、図4(a)におけるIVB-IVBに沿った図である。 Here, FIG. 1 (a) is a diagram for explaining the vibration surface of the transducer in the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is an arrow view part IB in FIG. 1 (a). FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, FIG. 3A is a plan view of the transducer in the ultrasonic probe according to the embodiment of the present invention, 3 (b) is a view seen from the arrow IIIB in FIG. 3 (a), FIG. 3 (c) is a view seen from the arrow IIIC in FIG. 3 (a), and FIG. The figure which shows the state which immersed the to-be-inspected object in the water in a water tank, FIG.4 (b) is a figure along IVB-IVB in Fig.4 (a).
図2に示すように、本発明の実施形態に係る超音波探触子1は、表面が湾曲した被検査物である丸棒状(半径R)のビレットWの内部欠陥の有無を検査する際に用いられるものである。そして、本発明の実施形態に係る超音波探触子1の具体的な構成は、以下のようになる。なお、表面が湾曲した被検査物であるビレットWは、Ti合金からなるものである。 As shown in FIG. 2, the ultrasonic probe 1 according to the embodiment of the present invention is used for inspecting the presence or absence of an internal defect of a round bar-shaped (radius R) billet W that is an inspection object having a curved surface. It is used. And the specific structure of the ultrasound probe 1 which concerns on embodiment of this invention is as follows. The billet W, which is an object to be inspected with a curved surface, is made of a Ti alloy.
本発明の実施形態に係る超音波探触子1は、ケース3を備えており、このケースは、先端側に、開口部5を有している。また、ケース内における開口部5側には、超音波Sを送受信する楕円形の(長径D1、短径D2)の圧電振動子7が設けられており、この圧電振動素子7の振動面は、超音波Sを集束できるように凹面形状になっている。なお、圧電振動子7は、コンポジット材料からなるものである。
The ultrasonic probe 1 according to the embodiment of the present invention includes a
ケース3の基端面には、超音波探傷器(図示省略)にケーブル(図示省略)を介して接続可能なコネクタ9が設けられており、このコネクタ9は、圧電振動子7に一対のリード線11を介して電気的に接続されている。
A
ケース3内における圧電振動子7の裏側には、圧電振動子7の余分な振動を抑制するダンパー13が設けられている。また、ケース3内の先端部には、圧電振動子7を保護する保護層15がケース3の開口部5を塞ぐように設けられており、この保護層15は、合成樹脂からなるものである。
A
続いて、本発明の実施形態に係る超音波探触子1の要部について説明する。 Then, the principal part of the ultrasonic probe 1 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.
図1(a)(b)、図3(a)(b)(c)、及び図4(a)(b)に示すように、圧電振動子7の振動面(送受信面)は、被検査物Wの内部における共通の焦点fから放射されて被検査物Wの表面を経由し到達するまで超音波Sの伝播時間が等しい伝播点kの集合によって形成されている。
As shown in FIGS. 1A, 1B, 3A, 3B, 4C, and 4A, 4B, the vibration surface (transmission / reception surface) of the
具体的には、被検査物Wの軸方向に対する傾斜角φ(0°≦φ≦180°)の任意の縦断面(A−A’断面)と同一平面上において、被検査物Wの縦中心線と被検査物Wの表面との交点aを原点とし、共通の焦点fから放射されて被検査物Wの表面を経由し到達するまでの超音波Sの伝播時間Ttが等しい任意の伝播点kの座標を(X、Y)とすると、X、Yは、後記の関係式(1)(2)によって表すことができる。なお、超音波Sの伝播時間Ttは、後記の関係式(3)によって表すことができる。
ここで、関係式(1)、関係式(2)、及び関係式(3)において、Vm:被検査物Wの内部における音速、P:水距離、Vw:水中における音速、|fb|:共通の焦点fから、任意の放射した超音波Sの進行路と被検査物Wの表面との交点bまでの長さ、α:交点bにおける法線nと任意の放射した超音波Sのなす角(任意の放射した超音波Sの入射角)、γ:交点bにおける法線nと、交点bを通る垂線gとのなす角であって、|fb|及び(α+γ)は、それぞれ傾斜角φの関数である。また、Tm:被検査物Wの内部における超音波Sの伝播時間、Tw:水L中における超音波Sの伝播時間のことである。なお、図1中において、i:交点bにおける接線、β:交点bにおける放射した超音波Sの屈折角である。 Here, in relational expression (1), relational expression (2), and relational expression (3), Vm: speed of sound inside object W, P: water distance, Vw: speed of sound in water, | fb |: common From the focal point f to the intersection b of the path of the arbitrary emitted ultrasonic wave S and the surface of the object W to be inspected, α: the angle between the normal n at the intersection b and the arbitrary emitted ultrasonic wave S (Incident angle of an arbitrary emitted ultrasonic wave S), γ: an angle formed by a normal line n at the intersection point b and a perpendicular g passing through the intersection point b, and | fb | and (α + γ) are respectively inclined angles φ Is a function of Tm is the propagation time of the ultrasonic wave S inside the inspection object W, and Tw is the propagation time of the ultrasonic wave S in the water L. In FIG. 1, i is a tangent line at the intersection point b, and β is a refraction angle of the emitted ultrasonic wave S at the intersection point b.
そして、|fb|及び(α+γ)を変化させつつ、共通の焦点fから放射されて到達するまでの超音波Sの伝播時間Ttが等しい伝播点kを集合すると、二次元的な軌跡が構成される。更に、傾斜角φを変化させつつ、共通の焦点fから放射されて到達するまでの超音波Sの伝播時間Ttが等しい伝播点kを集合すると、圧電振動子7の振動面が構成される。
When the propagation points k having the same propagation time Tt of the ultrasonic wave S emitted from the common focus f and reaching the same are gathered while changing | fb | and (α + γ), a two-dimensional trajectory is formed. The Furthermore, when the propagation points k having the same propagation time Tt of the ultrasonic wave S emitted from the common focal point f and reaching the same are gathered while changing the tilt angle φ, the vibration surface of the
続いて、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について作用を含めて説明する。 Subsequently, an ultrasonic flaw detection method according to an embodiment of the present invention will be described including its operation.
即ち、図4(a)(b)に示すように、丸棒状の被検査物Wを水Lに浸した状態で水槽T内の所定位置にセットする。そして、前述のように構成された圧電振動子7を備えた超音波探触子1を用い、超音波探触子1を被検査物Wの軸方向に沿って移動させつつ、圧電振動子7から被検査物Wの軸心に向かって送信された超音波Sを被検査物Wに入射させて、圧電振動子7によって反射波としての超音波Sを受信する。これにより、被検査物Wの内部欠陥による反射波(反射エコー)の有無、換言すれば、被検査物Wの内部欠陥の有無を被検査物Wの軸方向に亘って検査することができる。なお、被検査物Wを軸心周りに回転させることにより、被検査物Wの内部欠陥の有無を被検査物Wの周方向に亘って検査することができる。
That is, as shown in FIGS. 4A and 4B, the round bar-shaped inspection object W is set in a predetermined position in the water tank T while being immersed in the water L. Then, by using the ultrasonic probe 1 including the
前述のように、圧電振動子7の振動面は、被検査物Wの内部における共通の焦点から放射されて被検査物Wの表面を経由し到達するまで超音波Sの伝播時間Ttが等しい伝播点の集合から構成されているため、被検査物Wの軸方向に対する傾斜角φが異なる任意の縦断面において、超音波Sの焦点距離Fが等しくなり、換言すれば、圧電振動子7から送信された超音波Sが被検査物Wの内部において一点に集束することになる。これにより、圧電振動子7に受信される超音波Sの検出感度を高く設定しなくても、被検査物Wの内部の深い箇所に在る内部欠陥による反射波Sの超音波強度を十分に確保することができる。
As described above, the vibration surface of the
従って、本発明の実施形態によれば、ノイズエコーの低減を図りつつ、被検査物Wの内部の深い箇所に在る内部欠陥の有無を高精度に検査することができる。 Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to inspect the presence or absence of an internal defect in a deep portion inside the inspection object W with high accuracy while reducing noise echo.
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。 In addition, this invention is not restricted to description of the above-mentioned embodiment, In addition, it can implement in a various aspect. Further, the scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments.
実施例について図5(a)(b)を参照して説明する。 Embodiments will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b).
ここで、図5(a)は、発明品の超音波波形を示す図、図5(b)は、比較品の超音波波形を示す図である。 Here, Fig.5 (a) is a figure which shows the ultrasonic waveform of invention, FIG.5 (b) is a figure which shows the ultrasonic waveform of a comparative product.
まず、本発明の実施形態に係る超音波探触子1(図2参照)を発明品として試作し、市販された超音波探触子を比較品として用意する。また、表面が湾曲(曲率半径100mm)しかつ人工内部欠陥(深さ75mm)を埋設したの模擬被検査物を用意する。そして、発明品によって圧電振動子によって反射波としての受信された超音波の波形(発明品の超音波波形)、比較品における圧電振動子によって反射波としての受信された超音波の波形(比較品の超音波波形)は、図5(a)(b)に示すようになる。 First, the ultrasonic probe 1 (see FIG. 2) according to the embodiment of the present invention is prototyped as an inventive product, and a commercially available ultrasonic probe is prepared as a comparative product. Also, a simulated inspected object having a curved surface (curvature radius of 100 mm) and embedded artificial internal defects (depth of 75 mm) is prepared. Then, the waveform of the ultrasonic wave received as a reflected wave by the piezoelectric vibrator according to the invention (the ultrasonic wave waveform of the invention), the waveform of the ultrasonic wave received as a reflected wave by the piezoelectric vibrator in the comparative product (the comparative product) (Ultrasonic waveform) is as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
即ち、発明品は、比較品に比べて、ノイズエコーの低減を図りつつ、模擬被検査物の内部の深い箇所に在る人工内部欠陥の有無を高精度に検査できることが確認された。また、人工内部欠陥(深さ75mm)の有無を検査した場合において、発明品のSN比(欠陥エコーの強度とノイズエコーの強度の比)は、7.0、比較品のSN比は、1.6である。更に、超音波波形の図示は省略するが、人工内部欠陥(深さ100mm)の有無を検査した場合において、発明品のSN比は、4.0、比較品のSN比は、1.0である。 That is, it was confirmed that the inventive product can inspect the presence or absence of the artificial internal defect at a deep location inside the simulated inspection object while reducing the noise echo compared to the comparative product. In addition, when the presence or absence of an artificial internal defect (depth 75 mm) was inspected, the SN ratio of the invention (ratio of defect echo intensity to noise echo intensity) was 7.0, and the SN ratio of the comparative product was 1 .6. Furthermore, although the illustration of the ultrasonic waveform is omitted, when the presence or absence of an artificial internal defect (depth 100 mm) is inspected, the SN ratio of the invention product is 4.0 and the SN ratio of the comparison product is 1.0. is there.
S 超音波
W 被検査物(ビレット)
1 超音波探触子
3 ケース
5 開口部
7 圧電振動子
9 コネクタ
11 リード線
13 ダンパー
15 保護層
S Ultrasonic wave W Inspected object (billet)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
探触子ケースと、
前記探触子ケースに設けられ、超音波を送受信する振動子と、を備え、
前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合によって構成されていることを特徴とする超音波探触子。 In an ultrasonic probe used for inspecting the presence or absence of an internal defect of an object whose surface is curved,
A probe case,
A transducer provided in the probe case, for transmitting and receiving ultrasonic waves,
The vibration surface of the vibrator is constituted by a set of propagation points that are radiated from a common focal point inside the inspection object and reach the ultrasonic wave through the surface of the inspection object. An ultrasonic probe characterized by that.
前記振動子の振動面は、前記被検査物の内部における共通の焦点から放射されて前記被検査物の表面を経由し到達するまで超音波の伝播時間が等しい伝播点の集合から構成されていることを特徴とする超音波探傷方法。 Using an ultrasonic probe equipped with a transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, the ultrasonic wave transmitted from the transducer is made incident on an inspected object having a curved surface, and the ultrasonic wave is reflected as a reflected wave by the transducer. In the ultrasonic flaw detection method for inspecting the presence or absence of an internal defect of the inspection object by receiving
The vibration surface of the vibrator is composed of a set of propagation points that are radiated from a common focal point inside the inspection object and reach the ultrasonic wave through the surface of the inspection object. An ultrasonic flaw detection method characterized by the above.
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