JP2012122807A - ろう接接合部の超音波探傷装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母材間を接合しているろう材に存在する欠陥を超音波を用いて非破壊で探索するために、超音波探傷装置で測定された反射エコー高さを利用して欠陥を抽出するにあたって、より小さな欠陥をも抽出する。
【解決手段】垂直探傷法に基づき超音波探傷装置を用いて母材に超音波を入射して、母材とろう材との接合界面および前記ろう材と欠陥の界面からの反射エコー高さを測定する。そして、或探傷単位領域の反射エコー高さの最大エコー高さが、欠陥が存在しない健全部からの反射エコー高さの最大値である第１のしきい値よりも大きい場合と、健全部からの反射エコー高さの最小値である第２のしきい値よりも小さい場合に、当該探傷単位領域を欠陥として抽出する。
【選択図】図９

Description

本発明は、ろう接された母材間の接合部において、ろう材に存在する欠陥を非破壊で探索する技術に関する。

従来、金属材料間、非金属材料間、或いは、金属材料と非金属材料間を接合するために、ろう接が用いられている。ろう接は、母材よりも融点の低いろう（鑞）材を溶融させて接着剤として用いることにより、母材を溶融させずにぬれ現象で母材間を接合する接合手段である。ろう接として、硬ろうを用いるろう付と、軟ろう（はんだ）を用いるはんだ付とがある。硬ろうは、一般的に、金ろう、銀ろう、黄銅ろうなどの合金である。ろう接では、母材とろう材との接合界面に生じる種々の欠陥により強度、靭性等の接合特性が大きく変動し、しかも、欠陥の発生要因が多岐にわたることから、外観で接合不良を検出することが困難である。そこで、従来、超音波を用いてろう接の欠陥を非破壊で探索する技術が提案されている。

例えば、特許文献１に記載のろう付装置は、一対の母材同士をろう付する間に、超音波探触子を用いて母材に超音波を入射し、反射波の反射エコー（受信波形）の強度を測定することによりろう付の進行状況を検出するように構成されている。一方の母材に入射した超音波が、一方の母材とろう材との接合界面で反射した反射波を、以下では「一次界面エコー」という。また、一方の母材に入射した超音波が、ろう材内に生じた欠陥との界面で反射した反射波を、以下では「欠陥エコー」という。また、一方の母材に入射した超音波が、ろう材と他方の母材の接合界面で反射した反射波を、以下では「二次界面エコー」という。上記ろう付装置において、ろう材に欠陥が存在しない場合は、母材に入射した超音波の大部分は接合界面を透過することから、反射エコーは殆ど検出されない。一方、欠陥が存在する場合は、欠陥において入射した超音波が反射するので、一次界面エコー、二次界面エコーおよび欠陥エコーを含む反射エコーが増大し、透過エコーが減少する。したがって、反射エコー高さが或しきい値を超えた場合、もしくは透過エコー高さが或しきい値を下回った場合に欠陥と判断している。

特開２００３−１４０７号公報

従来、ろう接は、接合面積の比較的大きい接合部に用いられることが多かったが、近年では、接合面積が比較的小さい接合部にも用いられることがある。接合面積が比較的大きい場合には、多少の欠陥（空洞）が生じていても、他の部分で接合強度を確保することができる。したがって、ろう接では接合面積の数十％の大きさの欠陥が許容されることが多く、比較的小さな欠陥（例えば、直径が１．０ｍｍ未満の空洞）は存在したとしても接合強度に影響を与えないものとして検出されることはなかった。しかし、接合面積が比較的小さい場合には、比較的小さな欠陥でも接合強度に大きな影響を与えうる。また、ろう接では、歪の少ない接合が可能であることから、近年、ろう接は接合強度が必要とされる箇所にも用いられるようになっており、この場合でも、比較的小さな欠陥が接合強度に大きな影響を与えうる。したがって、ろう接接合部の超音波探傷では、前述のような比較的小さい欠陥も含めて検出できることが望ましい。

一般的な超音波探傷装置を用いて、ろう接接合部に超音波を入射すれば、反射エコーと呼ばれる受信波形を得ることができる。この反射エコーには、一次界面エコー、欠陥エコーおよび二次界面エコーに関する情報が含まれる。反射エコー高さを利用してより小さな欠陥を抽出するためには、欠陥を判断するためのしきい値を単純に低下させることが考え得る。ところが、界面エコーを欠陥エコーと捉えてしまわないようにするために、反射エコー高さのしきい値は界面エコー高さより小さくすることができない。

また、一次界面エコー、欠陥エコーおよび二次界面エコーは、超音波の伝搬距離の違いから到達時間が異なるので、理論上では到達時間差により界面エコーと欠陥エコーとを分別することが可能である。しかし実際は、ろう材の厚みが１００μｍ程度と小さいので、特に接合界面と欠陥が近接している場合には、界面エコーと欠陥エコーとを到達時間差で分別することが困難である。

一方、発明者らは、ろう接接合部における上記のような比較的小さな欠陥を検出すべく試行を重ねるうえで、接合部のろう材に欠陥が存在する場合に、反射エコー高さが低下する現象が見られるという新たな知見を得た。この現象は、界面エコーと欠陥エコーとが干渉することにより生じると推定される。前述の特許文献１に記載の通り、接合部のろう材に欠陥が存在する場合は反射エコー高さの増大が測定されることが通説であって、従来、反射エコー高さの減少は欠陥の抽出に利用されなかった。

そこで、本発明は上記新たな知見に基づき、ろう接接合部に存在する欠陥を超音波を用いて非破壊で探索するために、測定された反射エコー高さを利用して欠陥を抽出するにあたって、より小さな欠陥をも抽出することを可能とする、超音波探傷装置および方法を提供することを目的とする。

本発明に係るろう接接合部の超音波探傷装置は、超音波の発振と受信とを行う超音波探触子と、前記超音波探触子が受信した超音波の反射波に基づいて、母材とろう材との接合面および前記ろう材と欠陥の界面からの反射エコー高さを測定するエコー測定手段と、或探傷単位領域の前記反射エコー高さの最大エコー高さが、欠陥のない健全部からの反射エコー高さの最大値である第１のしきい値より大きい場合と、前記最大エコー高さが前記健全部からの反射エコー高さの最小値である第２のしきい値よりも小さい場合に、前記或探傷単位領域を欠陥として抽出する欠陥抽出手段とを備えるものである。なお、上記において健全部とは、母材間を接合しているろう材において、欠陥の存在しない部分のことをいう。

また、本発明に係るろう接接合部の超音波探傷方法は、母材間を接合しているろう材に存在する欠陥を超音波探傷する方法であって、母材に超音波を入射して、母材とろう材との接合面および前記ろう材と欠陥の界面からの反射エコー高さを測定し、測定された或探傷単位領域の前記反射エコー高さの最大エコー高さと、欠陥のない健全部からの反射エコー高さの最大値である第１のしきい値および前記健全部からの反射エコー高さの最小値である第２のしきい値とを比較し、前記最大エコー高さが、前記第１のしきい値よりも大きい場合と、前記第２のしきい値よりも小さい場合に、前記探傷単位領域を欠陥として抽出するものである。

上記超音波探傷装置および方法によれば、反射エコー高さの増大だけでなく、従来はろう接接合部の欠陥の抽出に利用されなかった反射エコー高さの減少も欠陥として抽出されるため、従来は抽出できなかった小さな欠陥や分かりにくい欠陥をも抽出することができる。

前記ろう接接合部の超音波探傷装置において、前記第１のしきい値および前記第２のしきい値が、前記ろう材の厚さに基づいて定められていることがよい。同様に、前記ろう接接合部の超音波探傷方法において、前記第１のしきい値および前記第２のしきい値が、前記ろう材の厚さに基づいて定められていることがよい。反射エコー高さは、ろう材の厚さ、欠陥深さ、超音波の周波数などをパラメータとして変化する。したがって、反射エコー高さのしきい値をろう材の厚さに基づいて定めることによって、実験をする必要なくしきい値を定めることができる。

前記ろう接接合部の超音波探傷装置において、前記超音波の周波数は、当該超音波の波長が前記ろう材の厚さの２倍以上となる周波数であることがよい。同様に、前記ろう接接合部の超音波探傷方法において、前記超音波の周波数は、当該超音波の波長が前記ろう材の厚さの２倍以上となる周波数であることがよい。超音波の周波数とろう材の厚さがこのような関係にあると、界面エコーと欠陥エコーとの干渉による反射エコー高さの増大と減少が顕著に表れやすいので好適である。

前記ろう接接合部の超音波探傷装置において、前記超音波探触子は、ろう材の位置でのビーム幅が、抽出する最小の欠陥の径の２倍以下の値であることがよい。同様に、前記ろう接接合部の超音波探傷方法において、前記超音波は、前記ろう材の位置において、抽出する最小の欠陥の径の２倍以下の値のビーム幅を有することがよい。このように、超音波探傷に集束型探触子を用いることによれば、厚さの小さいろう材に存在する欠陥からの欠陥エコーの検出をより正確に行うことができる。そして、超音波のビーム幅を上記のように抽出しようとする最小の欠陥の径に基づいて定めることで、前記最小の欠陥からの欠陥エコーを逃さずに検出することができる。

本発明によれば、従来はろう接接合部の欠陥の抽出に利用されなかった反射エコー高さの減少も欠陥として抽出されるため、従来は抽出できなかった小さな欠陥や分かりにくい欠陥を抽出することができる。

本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。 探触子が受信する反射波の種類を説明する図である。 受信波形を示す図表である。 図３の受信波形において反射波を種類別に分解した図表である。 欠陥寸法と欠陥深さを変えた複数の探傷結果画像の一覧表である。 最大エコー高さと区分線とを示す図表である。 欠陥抽出部による欠陥抽出処理の流れを示すフローチャートである。 探傷結果画像と欠陥抽出画像を示す図表である。 欠陥寸法を変えた複数の探傷結果画像と欠陥抽出画像の一覧表である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

図１に示すように、本実施の形態に係る超音波探傷装置１は、水浸法に則って、探触子２と試験体１０を共に水中に浸漬しつつ超音波を用いて探傷を行う装置である。超音波探傷装置１は、探触子２と、超音波送受信器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５と、入力装置６１と、出力装置６２と、探触子２と試験体１０とを水中に浸漬させるための水槽７とを備えている。さらに、超音波探傷装置１は、探触子２を走査させる探触子走査機８と、探触子走査機８を動作させる走査ドライバ９とを備えている。

試験体１０は、ろう接された第１の母材１１と第２の母材１２である。換言すれば、第１の母材１１と第２の母材１２の接合部１０Ａは、ろう材１３により接合されている。本実施形態では、第１の母材１１および第２の母材１２の材質ともにＳＵＳ４０３であり、ろう材１３は金ろうである。第１の母材１１と第２の母材１２は、箔状のろうを用いた置きろう付によりろう接されており、接合部１０Ａのろう材１３の厚み（以下では、「ろう厚Ｔ」ともいう）は、およそ５０−２００μｍである。なお、厚みとは接合面と略直交する方向の大きさである。

探触子２は、超音波を発振するとともに、超音波の反射波を受信する。探触子２は、点集束型探触子であることが好ましく、焦点位置は試験体１０の接合部１０Ａ付近に設定されている。一般に、集束型探触子で検出できる欠陥寸法は略１／４波長であり、フラット型探触子で検出できる欠陥寸法は１／２波長といわれている。よって、探触子２は、フラット型探触子であってもよいが、点集束型探触子である方が、本実施例に係る超音波探傷装置１の探索対象に含まれる直径が１．０ｍｍ以下の寸法の欠陥を探索するために適している。

探触子２は超音波送受信器３と有線又は無線により接続されている。超音波送受信器３は、パルス発振部３１と、受信部３２と、増幅部３３とを備えている。パルス発振部３１は、探触子２へパルス信号を送信する。受信部３２は、探触子２が受けた超音波の反射波の検出信号（反射波信号）を受信する。増幅部３３は、この反射波信号を所定の増幅率で増幅してＡ／Ｄ変換器４へ送信する。Ａ／Ｄ変換器４は、超音波送受信器３から受けたアナログの反射波信号をデジタル化し、そのデジタルデータを演算制御装置５へ出力する。なお、超音波送受信器３の増幅部３３の増幅率は、超音波探傷装置１の探傷感度に相当するものである。探傷感度の基準感度は、標準試験体について超音波探傷を行う位置に超音波の焦点を合わせたときに得られる、底面エコーの最大反射波強度が８０％となるように設定されている。

演算制御装置５は、発振制御部５１と、欠陥抽出部５２と、エコー測定部５３と、記憶部５４と、走査制御部５５とを備えている。演算制御装置５には、演算制御装置５に対し情報を入力するためのキーボードなどの入力装置６１と、演算制御装置５から処理結果を出力するためのディスプレイやプリンタなどの出力装置６２とが接続されている。演算制御装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムおよびこれらプログラムに使用されるデータを書き替え可能に記憶するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）と、プログラム実行時にデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含んで構成されている。演算制御装置５では、ＣＰＵで所定のプログラムが実行されることにより、演算制御装置５を構成する各機能部の機能が実現される。演算制御装置５の発振制御部５１、欠陥抽出部５２、エコー測定部５３、記憶部５４および走査制御部５５の各機能部の処理内容については後述する。なお、図１では、１つの演算制御装置５に、発振制御部５１、欠陥抽出部５２、エコー測定部５３、記憶部５４、および走査制御部５５の各機能部が搭載されているが、これらを１又は複数の演算処理装置（例えば、パーソナルコンピュータ）に分散させてもよい。

探触子走査機８は、試験体１０の接合面と略平行なｘ−ｚ平面内で変位する移動体８１を備えている。この移動体８１に探触子２が固定されており、探触子２は移動体８１の移動に伴ってｘ−ｚ平面内で変位することができる。このような探触子走査機８は、例えば、移動体８１と、ｘ軸方向のリニアスライダ８２と、ｘ軸方向と略直交するｚ軸方向のリニアスライダ８３と、移動体８１をリニアスライダ８２，８３上で移動させるモータ８４等とで構成される。また、走査ドライバ９は、モータ８４の駆動を制御するモータドライバである。演算制御装置５の走査制御部５５から走査ドライバ９へ、探触子２（すなわち、移動体８１）の目標座標信号が出力され、走査ドライバ９はこの目標座標信号に該当する座標へ探触子２を移動させるべくモータ８４を駆動制御する。なお、探触子走査機８および走査ドライバ９は上記に限定されるものではない。例えば、探触子走査機８は第１の母材１１上を自走可能な移動体８１を備えてもよい。この場合、移動体８１は無端状履帯とその駆動源とを備えており、この駆動源を走査ドライバ９が制御するように構成される。

なお、上記構成の超音波探傷装置１は、演算制御装置５の欠陥抽出部５２を除いて既存の超音波探傷装置と特別な差異はない。換言すれば、演算制御装置５の欠陥抽出部５２を除いて、公知の超音波探傷を行う装置を超音波探傷装置１として用いることができる。よって、超音波探傷装置１に関し、これ以上の詳細な説明は省略する。

上記構成の超音波探傷装置１を用いてろう接接合部の超音波探傷を行なうにあたって、演算制御装置５に入力装置６１を介して探傷条件が入力される。探傷条件には、試験体１０のデータ、探傷感度、超音波の周波数、ビームの焦点位置、焦点径（ビーム径）、および探傷ピッチ等が含まれる。試験体１０のデータは、第１の母材１１、ろう材１３および第２の母材１２の厚さ（接合面と直交する方向の大きさ）と構成材料などを含んでいる。また、探傷感度は、前述の通り定められる。

超音波の周波数ｆは、超音波の波長λがろう厚Ｔの２倍以上の値（２Ｔ≦λ）となるような周波数に設定される。超音波の波長λとろう厚Ｔとが上記関係にあるときに、後述する界面エコーと欠陥エコーとの干渉による反射エコー高さの増大と減少が顕著に表れやすいので好適である。使用される超音波の好ましい一例は、超音波の波長λがろう厚Ｔの２倍となる周波数ｆで発振される超音波である。例えば、ろう材１３が金ろうであってろう厚Ｔが約１５０μｍである場合に、波長λをろう厚Ｔの２倍とすれば、波長λは約３００μｍとなる。そして、金の縦波の音速は３２５０ｍ／ｓであるから、波長λが約３００μｍとなる周波数ｆは約１０ＭＨｚと算出される。上記のように、超音波の周波数ｆは、ろう厚Ｔとろう材１３の音速に応じて好適な値が選択される。なお、使用される超音波の周波数ｆの下限は、超音波の波長λがろう厚Ｔの４倍程度を目安とすることができる。

超音波の焦点位置は、試験体１０の接合部１０Ａのろう材１３の位置である。そして、焦点径Ｄ_b（ビーム幅）は、検出する最小の欠陥の径φ_minの２倍以下の値である。検出する最小の欠陥の径φ_minは任意に定めることができる。焦点径Ｄ_bが最小の欠陥の径φ_minの２倍より大きくなると、最小の欠陥からの欠陥エコーを逃さずに検出することが困難となる。一方、焦点径Ｄ_bが小さすぎると探傷ピッチＰが細かくなり探傷に膨大な時間を要する。したがって、焦点径Ｄ_bは、上記条件を満たすうちで大きな値とすることが望ましい。例えば、検出する最小の欠陥の径φ_min（直径）が１．０ｍｍであるときに、焦点径Ｄ_bは２．０ｍｍ以下の値の中から定められる。また、探傷ピッチＰは、検出する最小の欠陥の径φ_minの１／２以下の値である。例えば、検出する最小の欠陥の径が２．０ｍｍである場合には、探傷ピッチＰは１．０ｍｍ以下の値となる。但し、探傷ピッチＰが細かすぎると探傷に膨大な時間を要することから、探傷ピッチＰは上記条件を満たすうちで大きな値とすることが望ましい。

試験体１０を水槽７に沈めた後、演算制御装置５の走査制御部５５は探触子走査機８を作動させて、探触子２を所望の探傷点（探傷単位領域）へ移動させる。そして、演算制御装置５は、探触子２を作動させて超音波探傷を開始する。演算制御装置５の発振制御部５１は、探傷条件に基づいて、超音波の周波数、焦点位置および焦点径などの情報を含むパルス生成指令を超音波送受信器３へ送信する。超音波送受信器３のパルス発振部３１は、パルス生成指令に基づきパルスを発振する。超音波送受信器３のパルス発振部３１が発振したパルス電圧が探触子２（詳細には、探触子２が備える振動素子）に加えられて、探触子２から超音波（縦波）が発生する。探触子２から発生した超音波は、水槽７に湛えられた媒体（水）を介して試験体１０の第１の母材１１へ、接合面に対して垂直に入射する。

図２は探触子が受信する反射波の種類を説明する図である。図２に示すように、第１の母材１１に入射した超音波の一部は、第１の母材１１とろう材１３との接合界面で反射する。この反射波を、以下では「一次界面エコー」という。また、第１の母材１１に入射した超音波の一部は、第１の母材１１とろう材１３を透過し、ろう材１３に欠陥が存在する場合には、ろう材１３と欠陥との界面で反射する。この反射波を、以下では「欠陥エコー」という。また、第１の母材１１に入射した超音波の一部は、第１の母材１１とろう材１３を透過し、ろう材１３と第２の母材１２との接合界面で反射する。この反射波を、以下では「二次界面エコー」という。この他、反射波には、第１の母材１１に入射する前に第１の母材１１の表面で反射した表面反射波や、第１の母材１１、ろう材１３および第２の母材１２を透過して第２の母材１２の底面で反射した底面エコーなどがある。

探触子２は、前述のような反射波を受信（検出）し、反射波の検出信号を超音波送受信器３の受信部３２へ送信する。この反射波信号は、超音波送受信器３の増幅部３３で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器４でデジタルデータに変換されて、演算制御装置５へ出力される。演算制御装置５のエコー測定部５３は、反射波信号のデジタルデータを処理して反射エコー高さを測定する。この反射エコー高さデータ（反射波形情報）は探傷点の座標情報とともに記憶部５４に格納される。以上が、１つの探傷点（探傷単位領域）に対する一連の探傷動作の流れである。超音波探傷装置１は、試験体１０に対し所定の間隔（探傷ピッチ）をおいた複数の探傷点の各々で一連の探傷動作を行い、得られた反射エコー高さデータを演算制御装置５の記憶部５４へ順次格納する。

演算制御装置５の欠陥抽出部５２は、記憶部５４に格納された反射エコー高さデータに基づいて、試験体１０の接合部１０Ａのろう材１３の欠陥を抽出する。或探傷点での反射エコー高さデータは、例えば、図３に示す受信波形として表すことができる。受信波形は、縦軸が反射エコー高さを表し、横軸がビーム路程（時間）を表すグラフ上にプロットされる。

一般的な受信波形では、超音波の伝搬距離の違いに基づき、探触子２への反射波の到達時間差から反射波を分別することができる。図４は図３の受信波形において反射波を種類別に分解した図表である。図４の受信波形に示すように、理論上では、最初に表面反射波が検出され、続いて一次界面エコー、二次界面エコーの順に検出される。接合部１０Ａのろう材１３に欠陥が存在する場合には、一次界面エコーと二次界面エコーの間に欠陥エコーが検出される。しかし、接合部１０Ａのろう厚Ｔは極めて小さいため、一次界面エコー、欠陥エコーおよび二次界面エコーの到達時間は極めて近接している。さらに、入射する超音波の波長λよりも接合部１０Ａのろう厚Ｔが小さいので、接合界面と欠陥との深さが異なると、図３の受信波形に示されるように、界面エコーと欠陥エコーは位相がずれて重なり、干渉したエコーが測定される。よって、図３の受信波形に示されるように、到達時間差から界面エコーと欠陥エコーとを分別することは困難であり、干渉した界面エコーと欠陥エコーから各々の反射エコー高さを知ることは困難である。

反射エコー高さは、ろう厚Ｔ、欠陥寸法、欠陥深さなどにより変動する。そこで、ろう材１３に存在する欠陥寸法と欠陥深さによって測定される反射エコー高さの違いを確認するために、探傷実験を行った。この探傷実験では、次に示す表１に記載された探傷条件で、欠陥寸法と欠陥深さをそれぞれ変化させて探傷を行った。欠陥寸法は、直径φ２．０ｍｍ、直径φ１．０ｍｍ、直径φ０．５ｍｍの３段階で変化させた。また、欠陥深さは、第１の母材１１との接合界面、ろう厚中央、第２の母材１２との接合界面の３段階で変化させた。

図５は上記探傷実験の探傷結果画像の一覧表である。この一覧表の第１列は欠陥深さが第２の母材１２との接合界面であり、第２列は欠陥深さがろう厚中央であり、第３列は欠陥深さが第１の母材１１との接合界面であり、第１行は欠陥寸法が直径φ２．０ｍｍであり、第２行は欠陥寸法が直径φ１．０ｍｍであり、第３行は欠陥寸法が直径φ０．５ｍｍである。各探傷結果画像は、各探傷点の反射エコー高さデータから表面反射波を除く反射エコー高さの最大値を最大エコー高さとして抽出し、最大エコー高さを濃淡色別でマッピングしたものである。図５の一覧表には９つの探傷結果画像が示されているが、いずれも濃い色は最大エコー高さが高いことを示し、色が薄くなるほど最大エコー高さが低いことを示している。また、各探傷結果画像において、欠陥が存在する範囲を鎖線で囲んでいる。欠陥以外の部分（すなわち、健全部）の最大エコー高さは、ろう厚Ｔおよびろう材１３中の超音波の波長で定まるエコー高さである。この健全部で測定される最大エコー高さを、以下では「界面エコー高さ」という。図６は最大エコー高さと区分線とを示す図表である。図６に示されるように、界面エコー高さは上下幅を有し、最大エコー高さのうち界面エコー高さが属する領域を「健全領域」とする。

図５に示す各探傷結果画像から、欠陥寸法が同じであっても、欠陥深さによって測定される最大エコー高さが異なることがわかる。注目すべきは、第１の母材１１との接合界面に寸法が直径０．５ｍｍの欠陥が存在する場合に（図５の一覧表の第３列第３行）、界面エコー高さよりも小さい最大エコー高さが測定されていることである。つまり、界面エコーと欠陥エコーの位相がずれて重なることにより、測定される最大エコー高さが界面エコー高さよりも低くなることがあることがわかる。

そこで、図６の図表に示すように、健全領域の上限値（すなわち、健全部からの反射エコー高さの最大値）を第１のしきい値Ｈ₁又は第１の区分線とし、健全領域の下限値（すなわち、健全部からの反射エコー高さの最小値）を第２のしきい値Ｈ₂または第２の区分線とし、健全領域から大小に外れる部分をいずれも欠陥領域とした。そして、演算制御装置５の欠陥抽出部５２が、或探傷点に関し、最大エコー高さが第１のしきい値Ｈ₁より大きい場合と第２のしきい値Ｈ₂より小さい場合の双方に、その探傷点を欠陥として抽出することとした。

第１のしきい値Ｈ₁と第２のしきい値Ｈ₂は、いずれも演算制御装置５に予め設定登録される。第１のしきい値Ｈ₁と第２のしきい値Ｈ₂は、超音波探傷装置１を用いて予め試験的に探傷を行い、得られた反射エコー高さデータに基づいて定めることができる。また、反射エコー高さはろう厚Ｔ、超音波の周波数ｆおよび欠陥深さなどをパラメータとして変化することから、実験をすることなくろう厚Ｔに基づいて第１のしきい値Ｈ₁と第２のしきい値Ｈ₂を定めることもできる。

ここで、反射エコー高さのしきい値（第１のしきい値Ｈ₁と第２のしきい値Ｈ₂）をろう厚Ｔに基づいて定める方法の一例を説明する。健全部での超音波の反射率ｒは、ろう厚Ｔ、ろう材中の超音波の波長λ、母材１１の音響インピーダンスＺ₁、母材１２の音響インピーダンスＺ₂、ろう材１３の音響インピーダンスＺ₃、およびＫ＝２π／λを用いて、次に示す数式１で求めることができる。そして、健全部での超音波の反射率ｒ、基準試験体の底面エコーの反射率ｒ_B、および基準試験体の底面エコー高さＨ_Bを用い、健全部のエコー高さをＨ_B×ｒ/ｒ_Bとして求めることができる。さらに、求められた健全部のエコー高さに許容範囲を加味して、反射エコー高さのしきい値（第１のしきい値Ｈ₁と第２のしきい値Ｈ₂）を定めることができる。

なお、試験体１０の探傷範囲において１つでも欠陥が抽出されたときに欠陥が存在すると判定すると、誤判定が生じる可能性が高い。また、無視しても接合強度に影響を与えない微小な寸法の欠陥が存在することによって欠陥が存在すると判定すると、不要に欠陥品が増えてしまう。そこで、判定範囲と判定数を予め定めておき、欠陥抽出部５２では、判定範囲内に判定数以上の欠陥が抽出された場合に、欠陥が存在すると判定することとした。これにより、判定数以上の欠陥が或程度まとまった範囲（判定範囲）に存在する場合にのみ、欠陥が存在すると判定される。判定範囲と判定数は任意に定めることができる。例えば、探傷ピッチＰが各軸０．２ｍｍであり、検出する最小の欠陥の径φ_minが０．５ｍｍであり、これより小さい寸法の欠陥を無視する場合には、探傷ピッチＰと照らし合わせて判定範囲をｘ−ｚ各軸方向に６×６の探傷点とし、判定数を９とすることができる。この場合、６×６の３６個の探傷点から成る略矩形状の判定範囲に９以上の欠陥が抽出された場合に、試験体１０に欠陥が存在すると判定される。

ここで、図７を参照しながら、演算制御装置５の欠陥抽出部５２による欠陥の抽出処理の流れを説明する。演算制御装置５の欠陥抽出部５２は、まず、試験体１０の探傷範囲に含まれる各探傷点の反射エコー高さデータと座標情報を記憶部５４から読み出し、各探傷点につき反射エコー高さデータから最大エコー高さを抽出する（ステップＳ１）。そして、抽出した各最大エコー高さを座標情報に基づいてマッピングする（ステップＳ２）。これにより、例えば、図８に示すような探傷結果画像を得ることができる。

続いて、欠陥抽出部５２は、或探傷点の最大エコー高さと第１のしきい値Ｈ₁とを比較し（ステップＳ３）、最大エコー高さが第１のしきい値Ｈ₁より大きい場合は（ステップＳ３でＹＥＳ）、その探傷点を欠陥として抽出する（ステップＳ６）。一方、最大エコー高さが第１のしきい値Ｈ₁以下である場合には（ステップＳ３でＮＯ）、最大エコー高さと第２のしきい値Ｈ₂とを比較する（ステップＳ４）。そして、最大エコー高さが第２のしきい値Ｈ₂より小さい場合は（ステップＳ４でＹＥＳ）、その探傷点を欠陥として抽出する（ステップＳ６）。一方、最大エコー高さが第２のしきい値Ｈ₂以上である場合は（ステップＳ４でＮＯ）、その探傷点を健全と評価する（ステップＳ５）。そして、欠陥抽出部５２は、その探傷点につき健全又は欠陥の評価を記憶する（ステップＳ７）。

上記のようにして、欠陥抽出部５２は、試験体１０の探傷範囲に含まれる総ての探傷点について欠陥を抽出する（ステップＳ８でＹＥＳ）。そして、欠陥抽出部５２は、試験体１０の探傷範囲に複数の欠陥が抽出されなかった場合は（ステップＳ９でＮＯ）、試験体１０の探傷範囲に欠陥が存在しないと判定する（ステップＳ１０）。一方、試験体１０の探傷範囲に複数の欠陥が抽出された場合は（ステップＳ９でＹＥＳ）、判定数以上の欠陥がまとまった範囲（判定範囲）に存在するか否かを判断する（ステップＳ１１）。判定数以上の欠陥がまとまった範囲に存在しない場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、試験体１０の探傷範囲に欠陥が存在しないと判定する（ステップＳ１０）。一方、判定数以上の欠陥がまとまった範囲に存在する場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、試験体１０の探傷範囲に欠陥が存在すると判定する（ステップＳ１２）。最後に、欠陥抽出部５２は、上記判定範囲を記録して（ステップＳ１３）、欠陥の抽出処理を終了する。

上述の欠陥抽出部５２による欠陥の抽出処理の結果を、ディスプレイなどの出力装置６２に出力することができる。このとき、探傷結果画像に加え欠陥抽出画像を表示出力すると、欠陥の存在の有無および欠陥の形状を容易に視認することができる。図８に示す表では、上段に探傷結果画像を、下段に欠陥抽出画像をそれぞれ示している。欠陥抽出画像は、探傷結果画像に表れる総ての探傷点のうち欠陥として抽出された探傷点のみをマッピングした画像であって、最大エコー高さが第１のしきい値Ｈ₁以上の領域が黒色で示され、最大エコー高さが第２のしきい値Ｈ₂以下の領域が灰色で示されている。この欠陥抽出画像と探傷結果画像とを比較することにより、欠陥の存在の有無および欠陥の形状が明らかとなる。また、試験体１０の探傷範囲に欠陥が存在すると判定された場合には、上記探傷結果画像や欠陥抽出画像に加え、警告を表示させることもできる。

なお、図９は欠陥寸法を変えた複数の探傷結果画像と欠陥抽出画像の一覧表である。欠陥抽出画像では、最大エコー高さが第１のしきい値Ｈ₁以上の領域が黒色で示され、最大エコー高さが第２のしきい値Ｈ₂以下の領域が灰色で示されている。同図に示されるように、最大エコー高さに第１のしきい値Ｈ₁と第２のしきい値Ｈ₂とにより区分される健全領域を設け、最大エコー高さが健全領域よりも大きいときと小さいときに欠陥を抽出することで、直径１．０ｍｍの欠陥と、それよりも大きな直径２．０ｍｍの欠陥と、それよりも小さな直径０．５ｍｍの欠陥との寸法の異なる欠陥を抽出することができる。このように、本発明に係る超音波探傷装置１では、反射エコー高さの増大だけでなく、従来はろう接接合部の欠陥の抽出に利用されなかった反射エコー高さの減少も欠陥として抽出される。これにより、従来は抽出できなかった小さな欠陥（例えば、直径１．０ｍｍ以下の欠陥）や分かりにくい欠陥（例えば、複雑な形状の欠陥や界面が曲面状の丸い欠陥など）をも抽出することができる。よって、超音波探傷装置１は、接合面積が比較的大きいろう接接合部のみならず、接合面積が比較的小さいろう接接合部において欠陥を探索するために用いることができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。

例えば、上述の実施形態では、超音波探傷装置１は探触子と試験体とを水没させる全没水浸法を採用しているが、探傷面と探触子の間だけ局部的に水を介在させる局部水浸法を採用してもかまわない。さらに、高精細且つ誤差の少ない探傷を行うために水浸法を用いることが望ましいが、試験体１０の状況によっては水浸法を採用しなくともよい。

また、上述の実施形態では、超音波探傷装置１が備える探触子２は、点集束型探触子である。但し、これに代えて、他の種類の探触子を用いることが可能である。もっとも、厚みが５ｍｍ以下のろう材１３を被検体とする場合、通常型の探触子では音場が不安定な近距離音場内での探傷となり、感度補正を実行したとしても、欠陥の検出を正確に行うことができないおそれがあるため、上述したとおり、焦点位置をろう材１３近傍に設定可能な探触子を用いることが望ましい。そのような探触子としては、点集束型垂直探触子、点集束型斜角探触子の他にも、例えばフェイズドアレイ探触子などが挙げられる。

さらに、上述の実施形態では、演算制御装置５の欠陥抽出部５２による欠陥抽出処理は、試験体１０の探傷範囲の探傷結果画像を生成してから、これに含まれる欠陥を抽出し、この抽出された欠陥を統合して試験体１０の探傷範囲の欠陥の存在の有無を判定している。但し、欠陥抽出部５２による欠陥抽出処理は上記に限定されるものではない。例えば、探傷結果画像の生成や、欠陥の存在の有無を判定などの一部のステップを省略したり、ステップの順番を変えたり、幾つかのステップを統合したりすることもできる。

なお、超音波探傷装置１の被検査対象である試験体１０は、ろう付による接合部に限られない。試験体１０の接合部１０Ａはろう接されていればよく、ろう接の種類はろう付であってもはんだ付であってもよい。また、各母材１１，１２およびろう材１３の材料は上記に限定されない。さらに、各母材１１，１２のろう接の方法も置きろう付に限定されない。

本発明は、ろう接された母材間のろう材に存在する欠陥を探索するために有用である。特に、本発明に係る超音波探傷装置は、比較的寸法の小さい欠陥も探索することができるので、接合面積が比較的大きいろう接接合部のみならず、接合面積が比較的小さいろう接接合部において欠陥を探索するために有用である。

１ 超音波探傷装置
２ 探触子
３ 超音波送受信器
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 演算制御装置
５１ 発振制御部
５２ 欠陥抽出部
５３ エコー測定部
５４ 記憶部
５５ 走査制御部
６１ 入力装置
６２ 出力装置
７ 水槽
８ 探触子走査機
９ 走査ドライバ
１０ 試験体
１１，１２ 母材
１３ ろう材

Claims (8)

1. 超音波の発振と受信とを行う超音波探触子と、
   前記超音波探触子が受信した超音波の反射波に基づいて、母材とろう材との接合面および前記ろう材と欠陥の界面からの反射エコー高さを測定するエコー測定手段と、
   或探傷単位領域の前記反射エコー高さの最大エコー高さが、欠陥のない健全部からの反射エコー高さの最大値である第１のしきい値より大きい場合と、前記最大エコー高さが前記健全部からの反射エコー高さの最小値である第２のしきい値よりも小さい場合に、前記或探傷単位領域を欠陥として抽出する欠陥抽出手段とを備える、
   ろう接接合部の超音波探傷装置。
2. 前記第１のしきい値および前記第２のしきい値が、前記ろう材の厚さに基づいて定められている、請求項１に記載のろう接接合部の超音波探傷装置。
3. 前記超音波の周波数は、当該超音波の波長が前記ろう材の厚さの２倍以上となる周波数である、請求項１又は請求項２に記載のろう接接合部の超音波探傷装置。
4. 前記超音波探触子は、
   ろう材の位置でのビーム幅が、抽出する最小の欠陥の径の２倍以下の値である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のろう接接合部の超音波探傷装置。
5. 母材間を接合しているろう材に存在する欠陥を超音波探傷する方法であって、
   母材に超音波を入射して、母材とろう材との接合面および前記ろう材と欠陥の界面からの反射エコー高さを測定し、
   測定された或探傷単位領域の前記反射エコー高さの最大エコー高さと、欠陥のない健全部からの反射エコー高さの最大値である第１のしきい値および前記健全部からの反射エコー高さの最小値である第２のしきい値とを比較し、
   前記最大エコー高さが、前記第１のしきい値よりも大きい場合と、前記第２のしきい値よりも小さい場合に、前記探傷単位領域を欠陥として抽出する、ろう接接合部の超音波探傷方法。
6. 前記第１のしきい値および前記第２のしきい値が、前記ろう材の厚さに基づいて定められている、請求項５に記載のろう接接合部の超音波探傷方法。
7. 前記超音波の周波数は、当該超音波の波長が前記ろう材の厚さの２倍以上となる周波数である、請求項５又は請求項６に記載のろう接接合部の超音波探傷方法。
8. 前記超音波は、前記ろう材の位置において、抽出する最小の欠陥の径の２倍以下の値のビーム幅を有する、請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載のろう接接合部の超音波探傷方法。