JP2014112064A

JP2014112064A - 長尺体の表面きず検出方法及び装置

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Publication number: JP2014112064A
Application number: JP2012272880A
Authority: JP
Inventors: Toshibumi Kodama; 俊文児玉; Seiji Ozaki; 誠二尾▲崎▼; Akihiro Ogawa; 晃弘小川; Takahiro Koshihara; 敬弘腰原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-19

Abstract

【課題】被検査体が搬送によりきずの凹凸形状を超える範囲でガタ等の変位を発生する場合にも、その影響を受けずに高精度に表面きずを検出できるようにする。
【解決手段】長尺の被検査体１２の表面きずを該被検査体１２の全長に亘って検査する際に、前記被検査体１２の中心軸と一定距離を保ちながら、前記被検査体１２の長手方向に相対移動しつつ、該被検査体１２の表面までの距離を測定する距離測定手段（２１、２２）を相対移動方向に近接して複数配置し、該複数の距離測定手段（２１、２２）によって測定された前記被検査体１２の長手方向の距離プロフィールに基づいて、前記被検査体１２の表面きず１２Ａの存在を検出する。
【選択図】図８

Description

本発明は、長尺体の表面きず検出方法及び装置に係り、特に、シームレス鋼管の製造に用いるマンドレルバー等の表面凹凸や割れ等の表面きずを検出する際に用いるのに好適な、長尺体の表面きず検出方法及び装置に関する。

従来、鋼管等長尺体の鉄鋼製品や工具の表面検査は、製品の場合は表面の美麗性や製品としての強度補償などの観点から表面きずの検査が重要な補償項目となっている。また、シームレス鋼管の製造においては、中間工程であるマンドレルミルやピアサーミルではビレットやホローにバーと呼ばれる工具を貫通させて外部からカリバーロールで圧下するが、これらのバーが適用されるのは１０００℃近い熱間加工工程であるために、例えば特許文献１に記載されている通り、バーを１０００℃近い材料に適用し、また冷却して再利用する過程において熱衝撃、外力が繰り返し課されて表面割れなどのきずが大変発生しやすく、一方でこれらのバーに表面割れ等のきずがあると、鋼材の内面側に転写され、次工程においてそれがヘゲ等の表面きずの原因になったり、次工程のバーに転写されて新たなきず発生の要因になるなど、深刻な製造トラブルの原因になりうるといった問題があった。

又、特許文献２には、外径測定器とクラック検出測定器を併用したマンドレルバーの検査装置が記載されているが、装置が大掛かりになるという問題があった。

これらに対し、一般に鉄鋼製品の表面きず検出には、非特許文献１に開示されているような漏洩磁束法や渦流探傷法などの電磁気検査方法や、超音波探傷法といった非破壊検査（ＮＤＩ）手法が用いられてきた。これらＮＤＩの手法においては、検査出力ときずの大きさの関係は理論ないし実験で検証され、また校正片やドリルホールなどの対比試験によるきず信号強度からきず深さを推定する方法などが確立されている。

特開２００１−２９３５０４号公報実開平０６−４７８１２号公報特開２００１−２４９０１９号公報

日本非破壊検査協会「鉄鋼製品の渦流探傷法」p.35

しかしながら、これらのＮＤＩ手法を実施するための装置は一般に高価であり、また電磁気検査方法は測定対象との距離変化で信号強度がかなり敏感に変化するため、コイルや磁気センサを対象表面から０．５ｍｍ〜数ｍｍとかなり近接させた状態で一定距離に保つ必要があり、被検査体が搬送ロール上を走行する場合などでは先端がロールに乗り上げる際のガタ等を拘束するかヘッドを追従させるなどして測定距離をかなり厳密に保つ必要があるなど、設備的にも大掛かりになってコストがかかる、といった問題点があった。

また、超音波手法では、水柱法などを用いれば距離はある程度離すことはできるものの、高速で搬送させる場合には水柱の安定的な形成が難しいかコストを要するようになり、また高速で搬送される場合は測定周期との関係で幅の狭い割れ等のきずが抜けてしまって検出できないことがあるといった問題があった。

また、別な手法として被検査体の表面形状を測定しそれが局所的に変化している箇所を表面きずとして検出する方法が公知な方法として知られており、形状の測定手段としては三角測量法を応用したレーザー光の反射を利用した所謂レーザー距離計（特許文献３参照）が市販されている。しかしながら、この手法においても、搬送状態での被検査体の揺動と表面のきずによる距離変化の識別が困難であるという問題点があった。

本発明は、前記課題を解決するべくなされたもので、被検査体が搬送によりきずの凹凸形状を超える範囲でガタ等の変位を発生する場合にも、その影響を受けずに高精度に表面きずを検出できるようにすることを課題とする。

請求項１の発明は、長尺の被検査体の表面きずを該被検査体の全長に亘って検査する際に、前記被検査体の中心軸と一定距離を保ちながら、前記被検査体の長手方向に相対移動しつつ、該被検査体の表面までの距離を測定する距離測定手段を相対移動方向に近接して複数配置し、該複数の距離測定手段によって測定された前記被検査体の長手方向の距離プロフィールに基づいて、前記被検査体の表面きずの存在を検出するようにしたことを特徴とする、長尺体の表面きず検出方法である。

請求項２の発明は、前記距離測定手段を相対移動方向に２個設置し、該２個の距離測定手段の出力の差信号が予め設定した閾値を超えた場合に欠陥信号を発生するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の長尺体の表面きず検出方法である。

請求項３の発明は、前記距離測定手段を相対移動方向に２個設置し、該２個の距離測定手段の出力の差信号を、該距離測定手段の被検査体長手方向設置間隔で定まる位相遅れ分だけ遅延させて補償した信号が、予め設定した閾値を超えた場合に欠陥信号を発生するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の長尺体の表面きず検出方法である。

請求項４の発明は、長尺の被検査体の表面きずを該被検査体の全長に亘って検査する装置において、前記被検査体との相対移動方向に近接して複数配置された、前記被検査体の中心軸と一定距離を保ちながら、前記被検査体の長手方向に相対移動しつつ該被検査体の表面までの距離を測定する距離測定手段と、該複数の距離測定手段によって測定された前記被検査体の長手方向の距離プロフィールに基づいて、前記被検査体の表面きずの存在を検出する欠陥検出手段と、を備えたことを特徴とする、長尺体の表面きず検出装置である。

請求項５の発明は、前記距離測定手段が相対移動方向に２個設置され、前記欠陥検出手段が、該２個の距離測定手段の出力の差信号が予め設定した閾値を超えた場合に欠陥信号を発生するようにされていることを特徴とする、請求項４に記載の長尺体の表面きず検出装置である。

請求項６の発明は、前記距離測定手段が相対移動方向に２個設置され、前記欠陥検出手段が、該２個の距離測定手段の出力の差信号を、該距離測定手段の被検査体長手方向設置間隔で定まる位相遅れ分だけ遅延させて補償する位相遅れ分補償フィルタを含むことを特徴とする、請求項４に記載の長尺体の表面きず検出装置である。

本発明によれば、レーザー距離計等の比較的安価な距離測定手段を用いて被検査体から離れた位置から検出可能としたので、従来の電磁気手法や超音波検査のように高価な探傷機器の適用が不要となり検査コストの低下が図れる。また搬送の揺動の影響を受けずに検査できるようにしたので、従来の距離測定での揺動を誤検出したり、電磁気手法を適用するために被検査体を拘束したりプローブ追従機構を設けたりという設備追加も不要となるといった効果も有する。

本発明の原理を説明するための装置構成を示す概念図同じく測定波形のグラフ同じく被検査体の搬送中の搬送ガタにより距離計にノイズが混入する場合の概要図同じく搬送ガタにより測定波形にノイズが混入した状況を示すグラフ同じくガタ変位がキャンセルされた状況を示すグラフ同じく輪切り状に発生した表面きずの例を示す斜視図同じく円周方向に存在する表面きずを２次元距離計で測定する状態を示す断面図本発明による実施例１を示す構成図被検査体に発生した割れきずを測定する際に搬送ガタが生じた場合の、実施例１の２つの距離計の出力波形（Ａ）、（Ｂ）と演算回路の出力波形（Ｃ）を示したグラフ本発明による実施例２の原理を説明するための差信号に位相遅れ分補償フィルタを適用した出力波形をプロットしたグラフ実施例２のセンサ波形から最終出力までの波形の処理の流れを示すブロック図実施例２を示す構成図被検査体に発生した割れきずを測定する際に搬送ガタが生じた場合の、実施例２の２つの距離センサの出力波形（Ａ）（Ｂ）を示したグラフ図１３の測定例における信号処理回路が内部で演算する差分波形（Ａ）及び出力波形（Ｂ）を示したグラフ

以下、図を用いて本発明の構成概念を説明する。

図１は、搬送装置１０により長手方向に搬送される長尺の被検査体１２の表面に溝状の表面きずが発生している状態で、長手方向２ケ所にセンサ間隔ｄを隔てて固定設置した距離計（距離測定手段）２１、２２で被検査体１２の表面までの距離を測定している状況を図示したものである。ここで表面きずがそれぞれの距離計２１、２２の測定位置を通過すると、図２に示す如く、測定波形に溝形状に相当する波形ａ、ｂが現れ、その発生時刻にはセンサ間隔ｄに対応する時間差Δｔが生じる。その一方で、図３のように被検査体１２が（Ａ）→（Ｂ）の順に図示したように搬送ロール１１（図１参照）に乗り上げるなどしてガタが生じた場合は、そのガタが距離測定にノイズｎ_１、ｎ_２として作用するが、それは図４のように２台の距離計２１、２２の出力Ａ、Ｂに同時に発生する。よって、２つの距離計２１、２２の出力の差信号Ａ−Ｂを出力すれば、図５のようにガタ変位はキャンセルされて表面きずによる信号ａ、ｂが強調して出力される。

よって、この波形を半波整流などで極性を揃え、閾値判定などできず発生を検出するようにすればよい。

本発明において、距離測定手段の選択が重要となるが、マンドレルバーなどの表面割れのように、その発生メカニズムより、図６に例示する如く、断面方向（輪切り状）に発生する場合は、円周方向の測定点は一点でよく、逆に、図７に例示する如く、円周方向に偏在する場合は、例えば１２０°間隔で配置した３台の２次元距離計３１、３２、３３で輪切り状に測定するようにすればよい。

なお、距離測定手段として三角測量方式のレーザ距離計を使用する際で、図６に例示したように、きずが被検査体１２の円周方向に発生する場合は、投受光の光がきずの断面に遮られることによる測定不良を回避するため、投受光の光路がなす面の向きを長軸と直交する方向とした方が好適である。

以上の説明においては、距離測定手段を固定として被検査体が、その長手方向に概直線的に搬送されるとしているが、要は被検査体の長手方向の形状が測定されればよいので、被検査体を静止させて距離測定手段を長軸に沿って移動させるようにしてもよい。この場合は被検査体が搬送ローラに乗り上げるような大きなガタは発生しないことも予想されるが、センサ取り付け構造の振動やブレ等が測定値にノイズとして重畳する懸念は同様であり、本発明の原理は同様に効果を発することが期待される。

図８は本発明の実施例１を示す構成図である。

図８において、１０は搬送ロール１１等の搬送装置、１２は長尺のマンドレルバー等の被検査体、２１、２２はレーザー距離計等のセンサ、４０は演算回路、５０は判定回路である。

センサ２１、２２は、前述の通り三角測量法を応用したレーザー距離計（特許文献３参照）を使用すればよく、測定距離範囲や距離分解能、測定速度に応じた種々の市販製品から適切なものを選択して使用すればよいが、好適にはきずの長手方向サイズがＷ（ｍｍ）、深さＤ（ｍｍ）、搬送速度がＶ（ｍｍ／ｓ）である場合、経験的に距離分解能をＤ／１０以下、レーザスポット径をＷ／２以下、測定周期を（１／１０）Ｗ／Ｖ以下とすれば、きずの形状を精度良く測定することができる。

演算回路４０は、既に説明したとおり２つのセンサ出力Ａ、Ｂの差信号Ａ−Ｂを出力するが、これも既に説明したとおり半波整流や閾値判定を兼ねた構成としても良く、近年はレーザー距離計自体がデジタル化した信号値を出力するので、パラレルＩ／ＯやＲＳ−２３２Ｃといった通信手段によりデジタルデータとして距離信号を取得してデジタル回路やマイコン、パソコン上でのソフトウェア演算で実現することもできる。

次に、実施例１の動作を説明する。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１の装置を用いてマンドレルバー表面に発生した幅０．８ｍｍの円周割れきず部を測定した距離計の出力波形である。グラフの矢印の位置がきずに相当するが、波線の部分に搬送ガタが重畳している。これに対し、図９（Ｃ）は、演算回路４０の出力波形で、半波整流した後の出力波形であるが、図９（Ｃ）の波形においては、図９（Ａ）、（Ｂ）で見られた搬送ガタの波形がほぼなくなり、割れきずのみを正しく検出できていることが確認された。

しかし、実施例１の方法によっては、差分処理した波形においては、もとの２つのセンサ２１、２２で別々のタイミングで検出されるきず部の信号が、差信号では図５に示したようにプラス、マイナスに現れるため、きずの性状が識別しにくいという問題があった。

実施例２は、この点を解決するもので、図５の差信号に現れる正負のきず波形は、きずの２つのセンサ２１、２２への通過タイミングが異なっているために発生したのであるから、単一のきず波形が一次遅れ系を通過した成分が重畳したものとみなすことができる。更に、この「遅れ」はセンサ配置間隔に他ならないから、この一次遅れを補償するようなフィルタは既知の情報から構成することができる。以上のような検討から構成されるフィルタ処理を前記の差分波形に施した結果を図１０に示すが、このようにきず波形を単一に復元することが確認された。

以上の信号処理のフローを図示すると図１１のようになり、２つのセンサ出力Ａ、Ｂの差分に位相遅れ分補償フィルタ４４を作用させたものが、本実施例２で出力するきず検出波形となる。

図１２は、実施例２を示す構成図であり、実施例１の演算回路４０が、図１１に示したような位相遅れ分補償フィルタ４４を含む信号処理回路４２に置き換えられている点を除き、実施例１と同じであるので、詳細な説明は省略する。

次に、実施例２の動作を説明する。

図１３（Ａ）、（Ｂ）は実施例２の装置を用いてマンドレルバー表面に発生した幅０．８ｍｍの円周割れきず部を測定したセンサの出力波形である。グラフの矢印の位置がきずに相当するが、波線の部分に搬送ガタが重畳している。これに対し、図１４（Ａ）は差分処理をおこなった中間出力波形であり、図１４（Ｂ）が位相遅れ分補償フィルタ４４を作用させた出力波形を、それぞれ図１３と横軸を揃えてプロットしたものであるが、図１４（Ａ）の波形においては、図１３で見られた搬送ガタの波形がほぼなくなり、図１４（Ｂ）においては図１４（Ａ）で正負にみられたきず波形が、元の位置のみに発生するようになり、割れきずのみを正しく検出できていることが確認された。

１０…搬送装置
１１…搬送ロール
１２…被検査体
２１、２２…距離計（距離測定手段）
３１、３２、３３…２次元距離計
４０…演算回路（欠陥検出手段）
４２…信号処理回路
４４…位相遅れ分補償フィルタ
５０…判定回路（欠陥検出手段）

Claims

長尺の被検査体の表面きずを該被検査体の全長に亘って検査する際に、
前記被検査体の中心軸と一定距離を保ちながら、前記被検査体の長手方向に相対移動しつつ、該被検査体の表面までの距離を測定する距離測定手段を相対移動方向に近接して複数配置し、
該複数の距離測定手段によって測定された前記被検査体の長手方向の距離プロフィールに基づいて、前記被検査体の表面きずの存在を検出するようにしたことを特徴とする、長尺体の表面きず検出方法。
前記距離測定手段を相対移動方向に２個設置し、該２個の距離測定手段の出力の差信号が予め設定した閾値を超えた場合に欠陥信号を発生するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の長尺体の表面きず検出方法。
前記距離測定手段を相対移動方向に２個設置し、該２個の距離測定手段の出力の差信号を、該距離測定手段の被検査体長手方向設置間隔で定まる位相遅れ分だけ遅延させて補償した信号が、予め設定した閾値を超えた場合に欠陥信号を発生するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の長尺体の表面きず検出方法。
長尺の被検査体の表面きずを該被検査体の全長に亘って検査する装置において、
前記被検査体との相対移動方向に近接して複数配置された、前記被検査体の中心軸と一定距離を保ちながら、前記被検査体の長手方向に相対移動しつつ該被検査体の表面までの距離を測定する距離測定手段と、
該複数の距離測定手段によって測定された前記被検査体の長手方向の距離プロフィールに基づいて、前記被検査体の表面きずの存在を検出する欠陥検出手段と、
を備えたことを特徴とする、長尺体の表面きず検出装置。
前記距離測定手段が相対移動方向に２個設置され、前記欠陥検出手段が、該２個の距離測定手段の出力の差信号が予め設定した閾値を超えた場合に欠陥信号を発生するようにされていることを特徴とする、請求項４に記載の長尺体の表面きず検出装置。
前記距離測定手段が相対移動方向に２個設置され、前記欠陥検出手段が、該２個の距離測定手段の出力の差信号を、該距離測定手段の被検査体長手方向設置間隔で定まる位相遅れ分だけ遅延させて補償する位相遅れ分補償フィルタを含むことを特徴とする、請求項４に記載の長尺体の表面きず検出装置。