JP2013242220A - Array probe, immersion ultrasonic test equipment having the array probe, and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法に関するものである。 The present invention relates to an array probe, a water immersion ultrasonic flaw detector having the array probe, and a method thereof.
特殊鋼からなる丸棒鋼は、鋼片が圧延されることで得られる。通常は、タンデムに並べられた粗列圧延機、中間列圧延機及び仕上列圧延機による多段圧延が施される。この圧延によって鋼片は徐々に細径化し且つ長尺化して、丸棒鋼が得られる。ユーザーの要求によっては、圧延によって得られた丸棒鋼に、さらに、熱処理、ピーリング加工などを施して丸棒鋼(成品)とする。 Round steel bar made of special steel is obtained by rolling a steel piece. Usually, multi-stage rolling is performed by a rough row rolling mill, a middle row rolling mill, and a finishing row rolling mill arranged in tandem. By this rolling, the steel slab is gradually reduced in diameter and lengthened to obtain a round bar steel. Depending on the user's request, the round bar steel obtained by rolling is further subjected to heat treatment, peeling processing, etc. to obtain round bar steel (product).
このように製造される丸棒鋼には中心部に欠陥が存在することがある。欠陥の大きさや数によっては丸棒鋼の品質を損なうため、丸棒鋼の用途にあわせた欠陥の検査を行い、高品質の丸棒鋼のみを出荷する必要がある。また、欠陥の実寸法(√AREA)は数100μm以下であるが、そのうち特に大きな100μm級またはそれ以上の寸法の欠陥を精度よく検出する必要がある。 The round steel bar manufactured in this way may have a defect in the center. Depending on the size and number of defects, the quality of the round bar steel is impaired. Therefore, it is necessary to inspect the defect according to the application of the round bar steel and to ship only high quality round bar steel. In addition, the actual dimension (√AREA) of the defect is several hundreds μm or less, and it is necessary to accurately detect a defect having a particularly large dimension of 100 μm or more.
なお、√AREAとは、観察する方向からみたときの欠陥の面積の平方根であって、検知された欠陥の長辺をA、短辺をBとした場合において、√AREA=√(A×B)とするのが一般的である。ここで、短辺(B)方向は長辺(A)方向と直交するようにとる。√AREAとは、欠陥を等価の長方形に見立てて平均径を求める方法である。 Note that √AREA is the square root of the area of the defect when viewed from the direction of observation, and when the long side of the detected defect is A and the short side is B, √AREA = √ (A × B ). Here, the short side (B) direction is set to be orthogonal to the long side (A) direction. √AREA is a method for determining the average diameter by regarding defects as an equivalent rectangle.
丸棒鋼の中心部の欠陥の代表的な検査方法には、ラインフォーカスにより水浸超音波探傷を行い、√AREAが100μm級またはそれ以上のサイズの中心部欠陥を行う技術がある(例えば、特許文献1参照)。ここで、オンライン超音波探傷においても、点集束とすることは、焦点近傍の音圧を高め、鋼中欠陥に対する検出能を向上せしめるのに有効な手段ではある。 A typical inspection method for defects in the center of a round steel bar is a technique in which water immersion ultrasonic testing is performed by line focus, and a center defect with a size of √AREA of 100 μm class or larger (for example, a patent) Reference 1). Here, even in the online ultrasonic flaw detection, the point focusing is an effective means for increasing the sound pressure near the focal point and improving the detectability for defects in steel.
点集束により、水浸超音波探傷を行う技術としては、複数の振動子を有するフェーズドアレイプローブであって、各振動子は長手方向に所定の曲率で湾曲しており、前記複数振動子の湾曲方向と異なる方向に湾曲する曲面状の配列で配置されているフェーズドアレイプローブがある(例えば、特許文献2参照)。 A technique for performing water immersion ultrasonic flaw detection by point focusing is a phased array probe having a plurality of transducers, and each transducer is curved with a predetermined curvature in the longitudinal direction. There is a phased array probe arranged in a curved array that curves in a direction different from the direction (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献2のアレイプローブは直接接触による斜角探傷に対応したものであり、中心欠陥の検出のような深い位置の探傷では、超音波が届きにくいという課題がある。また特許文献2は直接接触による探傷のため、表面粗さの影響を受けやすく、試験片の表面粗さが粗いと本発明と比べて、欠陥エコー強度の低下が大きいという課題がある。 However, the array probe of Patent Document 2 is compatible with oblique flaw detection by direct contact, and there is a problem that ultrasonic waves are difficult to reach in deep flaw detection such as detection of a center defect. Further, Patent Document 2 has a problem that since the flaw detection is performed by direct contact, it is easily affected by the surface roughness, and if the surface roughness of the test piece is rough, the defect echo intensity is greatly reduced as compared with the present invention.
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、丸棒鋼の中心部欠陥、特に、√AREAが100μm級またはそれ以上のサイズの中心部欠陥の検出を迅速に行うことが可能なアレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法を提供することである。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and quickly detects a center defect of a round steel bar, particularly a center defect having a size of √AREA of 100 μm class or more. It is an object to provide an array probe, a water immersion ultrasonic flaw detector having the array probe, and a method thereof.
本発明は、丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価を行う水浸超音波探傷に用いられる電子走査式アレイ探触子であって、電子走査式アレイ探触子の丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを前記丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Rxは、Rx=丸棒鋼の断面の半径d+水距離lの関係であり、探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径をRyは、Ry=丸棒鋼の断面の半径d×(丸棒鋼中音速vs/水中音速vw)+水距離lの関係であることを特徴とする。 The present invention relates to an electronic scanning array probe used for water immersion ultrasonic inspection for detecting and evaluating a defect in the center of a round bar steel, and the probe facing the round bar steel of the electronic scanning array probe The surface has curved surfaces that are arc-shaped in the direction in which the transducers are arranged on the probe surface and the direction perpendicular to the arrangement direction in order to generate point focus in the round steel bar. The radius of curvature Rx in the arrangement direction of the transducers on the child surface has a relationship of Rx = radius d of the cross section of the round bar steel + water distance l, and the radius of curvature in the direction perpendicular to the arrangement direction of the transducers on the probe surface is Ry. Is characterized in that Ry = radius of cross section of round bar steel × (round bar steel medium sound speed v s / underwater sound speed v w ) + water distance l.
また、本発明は、丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価を行う水浸超音波探傷方法であって、電子走査式アレイ探触子の丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Rxは、Rx=丸棒鋼の断面の半径d+水距離lの関係であり、探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径をRyは、Ry=丸棒鋼の断面の半径d×(丸棒鋼中音速vs/水中音速vw)+水距離lの関係である電子走査式アレイ探触子により水浸超音波探傷を行うことを特徴とする。 Further, the present invention is a water immersion ultrasonic flaw detection method for detecting and evaluating a central portion defect of a round bar steel, wherein the probe surface facing the round bar steel of the electronic scanning array probe has a round point focus. An array direction of transducers on the probe surface and a transducer surface on the probe surface having a curved surface that is arcuate in a direction perpendicular to the array direction to be generated in the steel bar The radius of curvature Rx is a relationship of Rx = radius of the cross section of the round bar steel + water distance l, and the radius of curvature of the probe surface in the direction perpendicular to the transducer arrangement direction Ry is the cross section of the Ry = round bar steel. It is characterized in that immersion ultrasonic flaw detection is performed by an electronic scanning array probe having a relationship of radius d × (round bar steel medium sound speed v s / underwater sound speed v w ) + water distance l.
本発明のアレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法によれば、丸棒鋼の中心部欠陥の探傷を迅速に行うことが可能となる。 According to the array probe, the water immersion ultrasonic flaw detector having the array probe, and the method thereof according to the present invention, it is possible to quickly perform the flaw detection of the center portion defect of the round bar steel.
以下、本発明の実施形態であるアレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法について、図を参照して詳細に説明をする。 Hereinafter, an array probe, an immersion ultrasonic flaw detector having the array probe, and a method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施形態のアレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置の構成例を示す図である。図1(a)は、本実施形態の水浸超音波探傷装置を丸棒鋼のT断面で見た図であり、図1(b)は、本実施形態の水浸超音波探傷装置の正面図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a water immersion ultrasonic flaw detector having an array probe according to the present embodiment. FIG. 1A is a view of the water immersion ultrasonic flaw detector of the present embodiment as seen from a T cross section of a round steel bar, and FIG. 1B is a front view of the water immersion ultrasonic flaw detector of the present embodiment. It is.
本実施形態の水浸超音波探傷装置100は、制御部10と、アレイ探触子(電子走査式アレイ探触子)20とから構成される。
A water immersion
制御部10は、例えば、パーソナルコンピュータ等で構成される。
The
検査対象となる丸棒鋼Aは、水槽30にセットされる。また、水槽30内は水40で満たされている。そして、水槽30内の丸棒鋼A全体が水40に完全に浸ることにより、本実施形態の水浸超音波探傷装置100は、いわゆる水浸法による超音波探傷を行う。
The round steel bar A to be inspected is set in the
また、本実施形態の水浸超音波探傷装置100には、丸棒鋼を回転させる不図示のターニングローラー等の回転機構が付設されており、丸棒鋼Aを図1中のD2方向へ所定の角度で回転させる。なお、本実施形態では、丸棒鋼を搬送・回転させる構造としたが、アレイ探触子を移動・回転させる構造としてもよい。
Further, the immersion
アレイ探触子20の動作は制御部10で制御され、制御部10は、アレイ探触子20で検知された欠陥信号のすべてを総合して、丸棒鋼A内の欠陥検出位置のマップなどを作成する。
The operation of the
図2は、本実施形態のアレイ探触子の詳細な構成を示す図である。図2(a)は、丸棒鋼AのT断面でみた図であり、図2(b)は、本実施形態のアレイ探触子の正面図である。 FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the array probe of the present embodiment. FIG. 2A is a view of the round steel bar A viewed from the T cross section, and FIG. 2B is a front view of the array probe of the present embodiment.
図に示すように、アレイ探触子20の略円周面状の探触子面20aには、多数の振動子(以下、単にエレメントともいう)25が配置されている。例えば、振動子25は、探触子面20aに128エレメント配列されている。
As shown in the figure, a large number of transducers (hereinafter also simply referred to as elements) 25 are arranged on a
ここで、多数の振動子25のうち、後述する超音波ビームの生成の際に同時制御される所定の範囲で整列した複数の振動子25の群を同時制御エレメント群21と定義する。同時制御エレメント群21は、例えば16, 32, 64といった個数の複数の振動子25の群により電子的にみかけ振動子がつくられたものである。
Here, among a large number of
例えば、アレイ探触子20の探触子面20aに振動子25が128エレメント配列されている場合には、左から1〜32番目の振動子25を同時制御する、左から2〜33番目の振動子25を同時制御する、・・・、左から97〜128番目の振動子25を制御する、といった具合に適宜選択して制御され、同時制御エレメント群21を構成する。
For example, when 128 elements of the
図中のAは、評価の対象となる丸棒鋼であり、その直径は、例えば、15〜100mmである。図中のDは、同時制御エレメント群21が生成する超音波ビームである。図に示すように超音波ビームDの一部を丸棒鋼Aの内部に入れて丸棒鋼Aの中心部の探傷を行う。
A in the figure is a round bar steel to be evaluated, and its diameter is, for example, 15 to 100 mm. D in the figure is an ultrasonic beam generated by the simultaneous
本実施形態の同時制御エレメント群21の寸法例としては、同時制御エレメント群21の丸棒鋼Aの探触子面20aの円周上方向の範囲の寸法(図中の円弧状の太い線Eの長さ)を8〜30mmとし、同時制御エレメント群21の振動子配列と直交方向(すなわち、図2(b)から見た方向)の同時制御エレメント群21の幅を10〜20mmとするとよい。また、このように定まる同時制御エレメント群21を便宜上、見かけ上の振動子ともいう。
As an example of the dimensions of the simultaneous
図2中のlは、水距離であり、同時制御エレメント群21の探触子面20a表面と丸棒鋼Aの表面との間の距離を示す。
In FIG. 2, l is a water distance, which indicates the distance between the surface of the
図に示すように、アレイ探触子20の丸棒鋼Aに対向する面(探触子面)には、振動子25の配列方向に略円弧状であり振動子25の配列方向と垂直な方向にも略円弧状である曲面の探触子面20aが形成される。このように、アレイ探触子20は略円弧状の曲面の探触子面20aを有するため、アレイ探触子20から発せられる超音波ビームDは、図2に示すように点フォーカスfDを丸棒鋼Aの中心軸Cの付近に生成する。
As shown in the figure, the surface (probe surface) of the
点フォーカス(電子フォーカス)fDを丸棒鋼Aの中心軸近傍に生成することにより、音圧を高めることが可能となり、中心欠陥に対する検出能が高めることが可能となる。また、本実施形態のごとく、複数のエレメントが丸棒鋼に対向し、丸棒鋼の中心軸を中心とした曲面の探触子面に配列された探触子を用いることにより、上述した制御を容易とすることが可能となる。 By generating a point focus (electronic focus) f D near the central axis of the round bar steel A, it is possible to increase the sound pressure, it is possible to enhance the detection capability with respect to the center defects. Further, as in this embodiment, the above-described control is facilitated by using a probe in which a plurality of elements face a round bar steel and are arranged on a curved probe surface centering on the central axis of the round bar steel. It becomes possible.
ここで、アレイ探触子20の探触子面の振動子25の配列方向の略円弧の曲率半径をRxとした場合に、Rxを、Rx=丸棒鋼Aの断面の半径(図2(a)中のd[mm])+水距離(図2(a)中のl[mm])とすることが好ましい。
Here, when the radius of curvature of a substantially arc in the arrangement direction of the
また、アレイ探触子20の探触子面の振動子25の配列方向と垂直な方向の略円弧の曲率半径をRyとした場合に、Ryを、Ry=丸棒鋼Aの断面の半径d[mm]×(鋼中音速vs[m/sec]/水中音速vw[m/sec])+水距離l[mm]とすることが好ましい。なお、垂直探傷の場合には、鋼中縦波音速vsは約5900m/secであり、水中縦波音速vwは約1480m/secである。
Further, when the radius of curvature of a substantially arc in a direction perpendicular to the arrangement direction of the
さらに、水距離lを20〜30mmとすることで、水中での超音波の減衰を軽減できる。 Furthermore, the attenuation of ultrasonic waves in water can be reduced by setting the water distance l to 20 to 30 mm.
本実施形態の水浸超音波探傷装置100は、通材する前に、被検材である丸棒鋼Aの径を制御部10に登録し、鋼材半径と電子フォーカス深さが一致するような自動制御を行う。このとき、水距離は図3の内容で定まる範囲内での設定値とし、万一、所定の水距離が確保できないときは、検査前にアラートを出すなどの処置をしてもよい。
The water immersion
(実験例)
表1のフェーズドアレイプローブを用いて、SUJ2φ80棒鋼の中心の人工欠陥φ0.26mm平底穴を水距離20mm、同時励振数20で探傷した結果、その人工欠陥をS/Nが9以上で検出した。その検出能は欠陥のエコー強度とその超音波反射面積との比例関係から求められ、S/N=2でφ0.12mmFBH相当=√Area100μmを検出できることが分かった。従来のシングルプローブでは探傷に探傷重量1kgあたり2分(2min/kg)要していたが、本手法では0.35min/kgと約5.7倍のスピードアップとなった。よって、本実施形態の水浸超音波探傷装置の妥当性が証明された。
(Experimental example)
Using the phased array probe shown in Table 1, an artificial defect φ0.26mm flat bottom hole in the center of SUJ2φ80 steel bar was detected at a water distance of 20mm and a simultaneous excitation number of 20. As a result, the artificial defect was detected with an S / N of 9 or more. The detectability was found from the proportional relationship between the echo intensity of the defect and the ultrasonic reflection area, and it was found that S / N = 2 could detect φ0.12mm FBH equivalent = √Area100μm. The conventional single probe required 2 minutes (2 min / kg) per kg of flaw detection weight, but this method increased the speed by about 5.7 times to 0.35 min / kg. Therefore, the validity of the water immersion ultrasonic flaw detector of this embodiment was proved.
以上説明したように、本実施形態の水浸超音波探傷装置によれば、電子走査式アレイ探触子を用いて、適切な水距離を設定し、丸棒鋼の中心部に電子フォーカスによる点フォーカスを生成することにより、丸棒鋼の√AREAが100μm以上の中心部欠陥を迅速に出することが可能となる。 As described above, according to the water immersion ultrasonic flaw detector of the present embodiment, an appropriate water distance is set using the electronic scanning array probe, and the point focus by the electronic focus is set at the center of the round bar steel. By generating the, it becomes possible to quickly produce a center defect having a √AREA of round steel bar of 100 μm or more.
なお、上記説明は主に丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価について記載を行ったがこれに限られるものではなく、同様の垂直探傷の方式を用いる限り、中心部以外の欠陥に対しても応用することができる。その場合、内部欠陥の多発が懸念される部位(深さ)にあわせて、電子フォーカスを制御するとよい。 Although the above description mainly describes detection and evaluation of the center part defect of the round steel bar, the present invention is not limited to this, and as long as the same vertical flaw detection method is used, it can be applied to defects other than the center part. can do. In that case, it is preferable to control the electronic focus in accordance with a portion (depth) at which frequent occurrence of internal defects is a concern.
100:水浸超音波探傷装置
10:制御部
20:アレイ探触子
21:同時制御エレメント群
25:振動子
100: immersion ultrasonic flaw detector 10: control unit 20: array probe 21: simultaneous control element group 25: transducer
Claims (5)
前記電子走査式アレイ探触子の前記丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを前記丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、
前記探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Rxは式1の関係であり、
前記探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径をRyは式2の関係であることを特徴とする電子走査式アレイ探触子。
Rx=前記丸棒鋼の断面の半径d+水距離l・・・(式1)
Ry=前記丸棒鋼の断面の半径d×(前記丸棒鋼中音速vs/水中音速vw)+水距離l・・・(式2) An electronic scanning array probe used for water immersion ultrasonic testing to detect and evaluate defects in the center of a round steel bar,
The probe surface facing the round bar steel of the electronic scanning array probe has a transducer array direction on the probe surface for generating a point focus in the round bar steel, and the arrangement. Each has a curved surface that is arcuate in a direction perpendicular to the direction,
The curvature radius Rx in the arrangement direction of the transducers on the probe surface is the relationship of Formula 1.
2. An electronic scanning array probe according to claim 2, wherein Ry is a relationship of a radius of curvature in a direction perpendicular to the arrangement direction of the transducers on the probe surface.
Rx = radius d of cross section of the round steel bar + water distance l (formula 1)
Ry = the radius d × cross-section of the round bar steel (in the round bar steel sound velocity v s / water sound velocity v w) + water distance l · · · (Equation 2)
前記電子走査式アレイ探触子の前記丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを前記丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、
前記探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Rxは式1の関係であり、
前記探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径をRyは式2の関係である電子走査式アレイ探触子により水浸超音波探傷を行うことを特徴とする水浸超音波探傷方法。
Rx=前記丸棒鋼の断面の半径d+水距離l・・・(式1)
Ry=前記丸棒鋼の断面の半径d×(前記丸棒鋼中音速vs/水中音速vw)+水距離l・・・(式2) A water immersion ultrasonic flaw detection method for detecting and evaluating defects in the center of a round steel bar,
The probe surface facing the round bar steel of the electronic scanning array probe has a transducer array direction on the probe surface for generating a point focus in the round bar steel, and the arrangement. Each has a curved surface that is arcuate in a direction perpendicular to the direction,
The curvature radius Rx in the arrangement direction of the transducers on the probe surface is the relationship of Formula 1.
Water immersion ultrasonic flaw detection is carried out by water immersion ultrasonic flaw detection using an electronic scanning array probe in which the radius of curvature in the direction perpendicular to the transducer arrangement direction on the probe surface is Ry, Sonic flaw detection method.
Rx = radius d of cross section of the round steel bar + water distance l (formula 1)
Ry = the radius d × cross-section of the round bar steel (in the round bar steel sound velocity v s / water sound velocity v w) + water distance l · · · (Equation 2)
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