JP2010019622A - 超音波探傷方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】稼働中の被検査体の損傷を効率的に検出することができる超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】稼動状態にある被検査体６０の周期的変動を検出する検出手段７１と、検出された周期的変動に基づいて超音波の発生タイミングを設定する超音波発生タイミング設定手段７２と、超音波発生タイミング設定手段７２が設定した発生タイミングに従って超音波パルスを発生する超音波発生手段７３と、超音波パルスを稼動状態にある被検査体６０に放射し、超音波の反射波を受信する超音波探触子７４と、超音波探触子７４が受信した反射波から被検査体６０に発生した損傷の検出信号を得る超音波受信手段７６とを備える。この超音波探傷装置は、稼動状態にある被検査体の傷を効率的に、且つ、精確に検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検査体に超音波を送出し、その反射波から被検査体の損傷を検出する超音波探傷装置と、その方法に関し、特に、稼動状態にある被検査体の探傷を可能にしたものである。

機械類や鉄道車両、飛行機、船等は、ボルトやリベットで締結された箇所を数多く有している。図９は、二枚の金属板６１、６２のボルト穴に、ワッシャ６５を介してボルト６３を挿通し、ワッシャ６６を介してナット６４を螺合した締結部を示している。これらの締結部は、応力の集中箇所であり、稼動時の繰り返し負荷による機械的疲労や、接合部材間の摺動によるフレッティング疲労を生じ、亀裂の発生源となる。

図１０（ａ）は、ボルト穴から発生した亀裂を示し、また、図１０（ｂ）は、ボルト穴の周囲に発生したフレッティング損傷を示している。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）の一部拡大図である。
これらの損傷は、発生当初には小さくても、稼動時の繰り返し負荷により成長する。そのため、早い段階で検出し、監視する必要があるが、しかし、締結部の穴の周囲は、ボルトヘッドやナット、リベット、ワッシャ等で覆われているため、損傷の初期段階は目視観察ができない。
こうした目視できない箇所の損傷を検出する方法として、従来から、超音波を用いた探傷方法が知られている。

図１１は、本発明者等が、超音波を用いてボルト締結部近辺の損傷を測定した結果を示している。ここでは、二枚のＡｌ合金の平板を高張力鋼製のボルトで締結したものを試料とし、これを疲労試験機に装着して、Ｎで示す荷重繰り返し数の疲労を加えた後に疲労試験機から取り出し、超音波測定を行なっている。この測定結果から、Ｎ＝４００００のときにＣで示す損傷が発生したことを認識できる。Ｎ＝４５０００の疲労試験を終えた後にボルトを取り外してボルト穴周辺を写したものが図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）であり、約２００μｍの傷が発生していた。

こうした微小の傷を検出する際に、その傷の幅を強制的に広げて検査する超音波探傷方法が、下記特許文献１に開示されている。
この方法を実施する装置は、図１２に示すように、被検査体３に振動を加える振動子１２と、振動子１２の振動を制御する振動制御装置１１と、超音波を発生させると共に、被検査体３からの超音波に対応する信号を受信する超音波パルサージェネレータレシーバ２１と、被検査体３に超音波を放射し、反射波を検出する探触子２２と、被検査体３に付与する振動と超音波を検出する周期とを同期させる同期処理装置３０と、超音波パルサージェネレータレシーバ２１の受信信号から欠陥を検出する欠陥検出処理装置４０と、各部に給電する電源５０とを備えている。
この超音波探傷方法では、被検査体３に振動を加え、この振動で傷が広がるタイミングを捉えて被検査体３の傷を検出している。
特開２００５−１７２６７６号公報

しかし、特許文献１の探傷方法は、被検査体が稼働中であって、独自に振動しているときには、稼動を停止してからでないと実施することができない。これは、稼動による振動と振動子１２による振動との干渉を避ける必要があるためである。
また、特許文献１の探傷方法は、被検査体の傷の幅を強制的に広げているため、この探傷により、被検査体の損傷が成長する虞がある。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、稼働中の被検査体の損傷を効率的に検出することができる超音波探傷装置を提供し、また、その超音波探傷方法を提供することを目的としている。

本発明は、超音波を用いて被検査体の損傷を検出する超音波探傷装置であって、稼動状態にある被検査体の周期的変動を検出する検出手段と、検出された前記周期的変動に基づいて超音波の発生タイミングを設定する超音波発生タイミング設定手段と、前記超音波発生タイミング設定手段が設定した発生タイミングに従って超音波パルスを発生する超音波発生手段と、前記超音波パルスを稼動状態にある前記被検査体に放射し、超音波の反射波を受信する超音波探触子と、前記超音波探触子が受信した前記反射波から前記被検査体に発生した損傷の検出信号を得る超音波受信手段と、を備えることを特徴とする。
この超音波探傷装置は、稼動状態にある被検査体の傷を探傷することができる。

また、本発明の超音波探傷装置では、前記超音波発生タイミング設定手段が、被検査体の周期的変動が略最大になる時期に前記超音波探触子から超音波パルスが放射されるように、超音波の発生タイミングを設定する。
この探傷装置では、稼働中の被検査体の傷が最大となる状態で傷を検出することができる。

また、本発明の超音波探傷装置は、前記超音波探触子が、前記被検査体のボルトまたはリベットで締結された締結箇所に向けて超音波を放射するように構成することができる。
そのため、ボルトヘッドやリベット、ワッシャ等で覆われた、ボルト締結部やリベット締結部に生じる目視できない小さい傷を検出することができる。

また、本発明の超音波探傷装置は、前記超音波探触子が、前記締結箇所に向けて表面弾性波が伝播するように、超音波パルスを前記被検査体に放射することができる。
この表面弾性波は、締結箇所に直接到達して反射されるため、その反射波から締結箇所の精確な情報を得ることができる。

また、本発明の超音波探傷装置は、前記超音波探触子が、水袋を介して前記被検査体に超音波を放射するように構成することができる。
簡単な構成で被検査体の超音波探傷を実施することができる。

また、本発明は、超音波を用いて被検査体の損傷を検出する超音波探傷方法であって、稼動状態にある被検査体の周期的変動を検出するステップと、検出された周期的変動に基づいて、前記周期的変動が略最大になる時期に超音波パルスが放射されるように超音波の発生タイミングを設定するステップと、設定された前記発生タイミングに従って超音波パルスを、稼動状態にある前記被検査体に放射するステップと、放射された超音波の反射波から前記被検査体に発生した損傷の検出信号を得るステップと、を備えることを特徴とする。
この超音波探傷方法では、稼動状態にある被検査体の傷を、その傷が最大となる状態で検出することができる。

また、本発明の超音波探傷方法は、前記被検査体のボルトまたはリベットで締結された締結箇所の損傷を検出することができる。
そのため、ボルトヘッドやリベット、ワッシャ等で覆われた、ボルト締結部やリベット締結部に生じる目視できない小さい傷を検出することができる。

また、本発明の超音波探傷方法では、前記締結箇所に向けて表面弾性波が伝播するように、超音波パルスを前記被検査体に放射することが望ましい。
この表面弾性波の反射波から締結箇所の精確な情報を得ることができる。

本発明により、稼動状態の被検査体に生じた目視できないような傷でも、効率的に、且つ、精確に検出することができる。

本発明の実施形態について図面を基に説明する。
図１は、実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図、図２は、超音波探触子を示す図、また、図３は、超音波発生タイミングの説明図である。
この超音波探傷装置は、図１に示すように、稼働状態にある被検査体６０の周期的変動を検出する周期的変動検出部７１と、検出された周期的変動に基づいて超音波の発生タイミングを設定する超音波発生タイミング設定部７２と、超音波発生タイミング設定部７２が設定した発生タイミングで超音波パルスを発生する超音波発生部７３と、水袋７５を介して超音波パルスを稼動状態にある被検査体６０に放射し、超音波の反射波を受信する超音波探触子７４と、超音波探触子７４が受信した反射波から被検査体６０に発生した損傷の検出信号を生成する超音波受信部７６と、検出情報を表示する表示部７７と、検出情報を記録する記録部７８とを備えている。

ここでは、被検査体６０が、ボルト締結部を備える場合を示している。稼動状態の被検査体６０は、例えば、操業中の機械類であり、あるいは、動力源が稼働中の車両、船舶、航空機等である。また、走行中の車両、航行中の船舶、飛行中の航空機等を被検査体６０とすることもできる。
周期的変動検出部７１は、被検査体６０に貼り付けた抵抗線ひずみゲージにより被検査体６０の周期的変動を検出し、あるいは、レーザー測定器や変位計、加速度計等を用いて被検査体６０表面の周期的変動を検出する。図３（ａ）には、周期的変動検出部７１が検出した被検査体６０の周期的変動の例を示している。

超音波発生タイミング設定部７２は、図３に示すように、周期的変動（ａ）を所定レベルでクリッピングしてパルス信号（ｂ）を生成し、このパルス信号（ｂ）の立ち上がり時点を、周期的変動（ａ）が略最大値を示す時点まで遅延させた遅延パルス（ｃ）を生成し、この遅延パルス信号（ｃ）を超音波発生部７３に外部トリガー信号として出力する。
超音波発生部７３は、この遅延パルス信号（ｃ）の立ち上がり時点に同期させて超音波パルス（ｄ）を出力する。

超音波探触子７４は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、角度φだけ傾斜した状態で、水袋７５を介して被検査体６０の金属板６２に接している。角度φは、超音波が水袋７５から金属板６２に進む際の臨界角であり、水中での音速をＶｍ、金属での音速をＶとするとき、φ＝ｓｉｎ^-1（Ｖｍ／Ｖ）となる。
このように、超音波探触子７４を臨界角φだけ傾けることにより、超音波探触子７４から出射された超音波は、水袋７５から被検査体６０の金属板６２に達すると、表面弾性波となって金属板６２を伝播し、ボルト６３に向かって進行する。そして、この表面弾性波は、ボルト穴の縁や、その周囲の傷によって反射される。このとき、稼動中の被検査体６０は、最大振幅の周期的変動を受けているため、傷は、最も広がった状態にある。

この反射された反射波は、逆のルートを辿って超音波探触子７４に入射する。
超音波受信部７６は、超音波探触子７４が受信した反射波から被検査体６０の検出信号を抽出し、この検出信号を表示部７７及び記録部７８に送る。
表示部７７は、検出信号を表示し、記録部７８は、それを記録する。

この超音波探傷装置を用いて、被検査体６０の探傷が次のような手順で行なわれる。
先ず、稼動状態にある被検査体６０の周期的変動が周期的変動検出部７１により検出され、この周期的変動が略最大になる時期に超音波パルスが放射されるように、超音波発生タイミング設定部７２で超音波の発生タイミングが設定される。超音波発生部７３は、超音波発生タイミング設定部７２が設定した発生タイミングで超音波パルス信号を生成し、この超音波パルス信号は、超音波探触子７４に送られる。
超音波探触子７４は、被検査体６０の面に対して臨界角φだけ傾けて保持される。超音波探触子７４に送られた超音波パルス信号は、超音波探触子７４で超音波のパルスに変換され、水袋７５を介して、稼動状態にある被検査体６０に送出され、表面弾性波となって被検査体６０を伝播する。
この表面弾性波の反射波は、超音波探触子７４で受信され、電気信号に変換されて超音波受信部７６に送られる。超音波受信部７６は、受信信号から被検査体６０に発生した損傷の検出信号を抽出し、この検出信号が表示部７７に表示され、また、記録部７８に記録される。

このように、稼働中の被検査体６０の周期的変動が最大になる時期に同期させて超音波探傷を行うことにより、被検査体６０の傷が最も開口した状態で検査できるので、被検査体６０に発生した小さな傷でも精確に検出することができる。この超音波探傷を継続的に実施することで、被検査体６０における損傷・劣化の状態の変化や、亀裂の発生・進展状況を実時間、且つ、連続的に把握することができる。

図４は、本発明の超音波探傷方法の有効性を確認するために用いた実験装置を示している。ここでは、Ａｌ合金（Ａ２０２４−Ｔ３）の試験片６７（厚さ：４ｍｍ、中央部の幅：２５ｍｍ）を被検査体として疲労試験機８１に装着し、この試験片６７の疲労試験を実施しながら、超音波探触子７４から、水袋７５を介して試験片６７に斜めに超音波パルスを入射し、試験片６７の表面に表面弾性波を伝播させ、試験片６７を貫通している疲労亀裂からの反射波を測定している。
また、疲労試験機８１の振動発生源の周期的信号を利用して、変動検出部８２で、試験片６７の周期的変動に対応するパルス（図３（ｂ）に相当するパルス）を生成し、このパルスの遅延量を信号遅延部８３で種々に変えて外部トリガー信号を生成し、この外部トリガー信号を超音波発生部７３に入力して、超音波発生部７３から超音波パルスを発生させている。
図５は、試験片６７の形状と、表面弾性波８５を送出する超音波探触子７４の配置とを示している。試験片６７はその中央部に直径約６ｍｍの円孔６８を有し、円孔縁から疲労亀裂８４が生じている。

図６は、疲労試験機８１で試験片６７への疲労試験（荷重繰り返し周波数：１０Ｈｚ）を継続しながら、荷重繰り返し周期に対して超音波パルスの発生タイミングを徐々に遅延させたときの各遅延量に対応する測定結果（超音波波形）を示している。ここでは、遅延量を位相角（荷重繰り返し周期の１周期に対応する位相角が３６０°）で表している。
図中の疲労亀裂８４からの反射波強さと位相角との関係を図７に示している。ここでは位相角の増加に従って疲労亀裂８４からの反射波強さが増大しているが、これは疲労試験中に疲労亀裂８４が進展したためである。図７の破線は、疲労亀裂の進展に伴う反射波強さの変化を示している。
この亀裂進展に伴う強度変化の影響を除去した結果を図８に示している。図中、破線は位相角に従って正弦波状に変化する曲線を示している。
この測定結果から、疲労亀裂８４からの反射波強さは位相角の変化に伴って周期的に変動していることが分かる。
そのため、稼働中の被検査体の周期的変動が最大になる時期に合わせて超音波パルスを発生し、超音波探傷を行うことで、精確な探傷が可能になる。

なお、ここでは、被検査体６０がボルト締結部を備える場合について説明したが、本発明の超音波探傷装置及び方法は、どのような被検査体でも検査対象とすることができる。
また、ここでは、水袋７５を介して被検査体６０の表面に超音波を伝播させる場合について説明したが、超音波探触子を直接、被検査体の表面に接触させる方法や、パルスレーザーを被検査体に入射させる方法等を用いても良い。

また、ここでは、被検査体６０に表面弾性波が伝播するように超音波を入射する場合について説明したが、斜角法により、被検査体の表面に対して斜めに伝播する超音波を被検査体に入射しても良い。ただ、この場合、被検査体の内部に進んだ超音波は、被検査体の裏面や表面に反射しながら被検査体内を伝播する。このとき、超音波が反射するごとに、超音波の縦波と横波とが発生し、これら全ての波が被検査体内を伝播する。そのため、反射波から損傷の検出信号を抽出する超音波受信部７６での処理が複雑になる。それ故、被検査体６０に表面弾性波を伝播させる方が望ましい。

本発明は、機械類や鉄道、車両、飛行機、船など、稼動する各種製品の稼動状態での探傷に広く用いることができる。

本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図 図１の超音波探傷装置で用いる超音波探触子を示す図 図１の超音波探傷装置における超音波発生タイミングの説明図 本発明の超音波探傷方法の有効性を確認するために用いた実験装置を示す図 図４の実験装置における試験片の形状及び超音波探触子の配置を示す図 各位相角における超音波波形を示す図 位相角に従って変化する疲労亀裂からの反射波の強さを示す図 疲労亀裂進展に伴う反射波の強さを補正した後の、疲労亀裂からの反射波の強さと位相角との関係を示す図 ボルト締結部を示す図 ボルト締結部に発生する損傷を示す図 疲労繰り返し数に伴う超音波波形の変化を示す図 従来の超音波探傷装置を示す図

符号の説明

６０ 被検査体
６１ 金属板
６２ 金属板
６３ ボルト
６４ ナット
６５ ワッシャ
６６ ワッシャ
６７ 試験片
６８ 円孔
７１ 周期的変動検出部
７２ 超音波発生タイミング設定部
７３ 超音波発生部
７４ 超音波探触子
７５ 水袋
７６ 超音波受信部
７７ 表示部
７８ 記録部
８１ 疲労試験機
８２ 変動検出部
８３ 信号遅延部
８４ 疲労亀裂
８５ 表面弾性波

Claims (8)

1. 超音波を用いて被検査体の損傷を検出する超音波探傷装置であって、
   稼動状態にある被検査体の周期的変動を検出する検出手段と、
   検出された前記周期的変動に基づいて超音波の発生タイミングを設定する超音波発生タイミング設定手段と、
   前記超音波発生タイミング設定手段が設定した発生タイミングに従って超音波パルスを発生する超音波発生手段と、
   前記超音波パルスを稼動状態にある前記被検査体に放射し、超音波の反射波を受信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子が受信した前記反射波から前記被検査体に発生した損傷の検出信号を得る超音波受信手段と、
   を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 請求項１に記載の超音波探傷装置であって、前記超音波発生タイミング設定手段が、被検査体の周期的変動が略最大になる時期に前記超音波探触子から超音波パルスが放射されるように、超音波の発生タイミングを設定することを特徴とする超音波探傷装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波探傷装置であって、前記超音波探触子が、前記被検査体のボルトまたはリベットで締結された締結箇所に向けて超音波を放射することを特徴とする超音波探傷装置。
4. 請求項３に記載の超音波探傷装置であって、前記超音波探触子が、前記締結箇所に向けて表面弾性波が伝播するように、超音波パルスを前記被検査体に放射することを特徴とする超音波探傷装置。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の超音波探傷装置であって、前記超音波探触子が、水袋を介して前記被検査体に超音波を放射することを特徴とする超音波探傷装置。
6. 超音波を用いて被検査体の損傷を検出する超音波探傷方法であって、
   稼動状態にある被検査体の周期的変動を検出するステップと、
   検出された周期的変動に基づいて、前記周期的変動が略最大になる時期に超音波パルスが放射されるように超音波の発生タイミングを設定するステップと、
   設定された前記発生タイミングに従って超音波パルスを、稼動状態にある前記被検査体に放射するステップと、
   放射された超音波の反射波から前記被検査体に発生した損傷の検出信号を得るステップと、
   を備えることを特徴とする超音波探傷方法。
7. 請求項６に記載の超音波探傷方法であって、前記被検査体のボルトまたはリベットで締結された締結箇所の損傷を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
8. 請求項７に記載の超音波探傷方法であって、前記締結箇所に向けて表面弾性波が伝播するように、超音波パルスを前記被検査体に放射することを特徴とする超音波探傷方法。