JP2015081858A - レーザ超音波検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥サイズ及び位置を確実に評価することが可能なレーザ超音波検査装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、レーザ超音波検査装置は、検査対象に送信レーザ光２を照射して超音波を励起させるための送信レーザ光源１と、検査対象に励起された超音波を受信するために受信レーザ光５を検査対象に照射する受信レーザ光源４と、受信レーザ光５を干渉計測して超音波信号を得る受信干渉計７と、予め記憶しておいた横波の指向角度を用いて超音波信号から横波の超音波信号を解析して検査対象の内部欠陥のサイズ及び位置を同定する解析装置９と、解析装置９から得られた検査対象の内部欠陥のデータを表示する表示装置１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーザ超音波検査装置及び方法に関する。

レーザ超音波検査方法は、例えば溶接施工中に溶接部に発生する欠陥をモニタリングする等、高温の検査対象を非接触で検査する場合に適用される（特許文献１、２参照）。

具体的に、レーザ超音波検査方法は、超音波を励起するための送信レーザと、この送信レーザにより上記検査対象に発生した超音波を計測するための受信レーザを用いることにより検査対象の欠陥を検査することが可能である。

しかし、レーザ超音波検査方法は、欠陥深さによる信号強度の変化、装置の安定性や検査対象の表面状態等による受信感度の変化の影響等で、欠陥サイズや位置の評価が困難な場合がある。

また、特許文献２に記載された技術は、溶接施工中にレーザ超音波法により欠陥を検出しようとする際、超音波を励起するためのレーザを溶接ビード上に直接照射する方法である。

特開平１１−２７１２８１号公報 特開２０１２−１３７４７１号公報

しかしながら、特許文献２に記載された技術では、厚板の溶接を対象とする場合、溶接の進行により送受信点の相対的な位置関係が変化する。そのため、受信される信号強度により欠陥サイズを評価する場合には、異なるサイズの欠陥でも、送受信点の位置により、同程度の強度の信号として検出されることがあり、欠陥サイズを評価することが難しいという問題がある。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、欠陥サイズ及び位置を確実に評価することが可能なレーザ超音波検査装置及び方法を提供することである。

本実施形態のレーザ超音波検査装置は、検査対象に送信レーザ光を照射して超音波を励起させるための送信レーザ光源と、前記検査対象に励起された超音波を受信するために受信レーザ光を前記検査対象に照射する受信レーザ光源と、前記受信レーザ光を干渉計測して超音波信号を得る受信干渉計と、予め記憶しておいた横波の指向角度を用いて前記超音波信号から前記横波の超音波信号を解析して前記検査対象の内部欠陥のサイズ及び位置を同定する解析装置と、前記解析装置から得られた前記検査対象の内部欠陥のデータを表示する表示装置と、を備えることを特徴とする。

本実施形態のレーザ超音波検査方法は、超音波を発生させるための送信レーザ光を発生させて、検査対象の所定位置に前記送信レーザ光を照射させる送信レーザ光照射工程と、前記送信レーザ光照射工程によって励起させた反射超音波を検出するための受信レーザ光を発生させて、前記検査対象の所定位置に照射する受信レーザ光照射工程と、前記受信レーザ光を干渉計測して超音波信号を得る干渉計測工程と、予め記憶しておいた横波の指向角度を用いて前記干渉計測工程で得られた超音波信号のうち、前記横波の超音波信号を解析して前記検査対象の内部欠陥のサイズ及び位置を同定する解析工程と、を有することを特徴とする。

本実施形態によれば、検査対象の欠陥サイズ及び位置を確実に評価することができる。

本発明に係るレーザ超音波検査装置の第１実施形態を示すブロック図である。 第１実施形態において超音波の縦波により欠陥を検出する状態を示す断面説明図である。 第１実施形態において超音波の横波により欠陥を検出できない状態を示す断面説明図である。 第１実施形態において送信レーザの走査時に一方の横波により欠陥を検出する状態を示す断面説明図である。 第１実施形態において送信レーザの走査時に他方の横波により欠陥を検出する状態を示す断面説明図である。 本発明に係るレーザ超音波検査装置の第２実施形態を示すブロック図である。

以下に、本発明に係るレーザ超音波検査装置及び方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第１実施形態を示すブロック図である。

なお、本実施形態は、高温構造物を検査対象とする装置及び方法の一つとして、溶接部の施工中にその内部欠陥を検査する例について説明する。また、本実施形態は、溶接部の欠陥を検査する場合、縦波と、この縦波と比較して指向性の強い横波との双方を用いて欠陥サイズの評価を行うレーザ超音波検査装置及び方法について説明する。

図１に示すように、本実施形態のレーザ超音波検査装置は、送信レーザ光源１、送信用光学機構３、受信レーザ光源４、受信用光学機構６、受信干渉計７、信号記録装置８、解析装置９、及び表示装置１０を備える。

送信レーザ光源１は、検査対象としての溶接部１２にレーザ光を照射して超音波を励起させる。送信用光学機構３は、送信レーザ光２を溶接部１２の所定位置に照射させるものであり、光学部品から構成されている。受信レーザ光源４は、溶接部１２に励起された超音波を受信する。受信用光学機構６は、受信レーザ光５を母材１１の所定位置に照射させるものであり、光学部品から構成されている。

受信干渉計７は、受信レーザ光５から得られた受信信号に基づいて超音波信号を検出する。信号記録装置８は、受信干渉計７により検出された超音波信号の超音波データを記録する。解析装置９は、受信干渉計７により検出された様々なモードの超音波信号から縦波及び横波の超音波信号を解析して溶接部１２の内部欠陥を同定する。表示装置１０は、解析装置９により解析された溶接部１２の内部欠陥のデータを画像表示する。

本実施形態において、送信レーザ光源１及び受信レーザ光源４として使用するレーザは、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザ及びエキシマレーザ等が挙げられ、これら以外のレーザ光源も考えられる。レーザ光源は、連続波又はパルス波のいずれかとなり、１台だけでなく２台以上の複数台から構成することもある。複数台から構成する場合には、超音波を計測するために必要な他の機能も必要に応じて複数台使用する。

受信干渉計７としては、例えばマイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー＝ペロー干渉計及びフォトリフラクティブ干渉計等が挙げられ、これ以外のレーザ干渉計も考えられる。また、干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。いずれの干渉計も、複数台使用することもできる。

送信用光学機構３及び受信用光学機構６は、レンズ、ミラー及び光ファイバ等の光学部品から構成される。特に、送信レーザ光２を溶接部１２の表面へ照射する場合、送信レーザ光２の光照射点での照射径が例えば約０．１ｍｍから３０ｍｍの範囲となるような光学系を構築する。また、照射形状をライン状もしくは楕円状とするためにシリンドリカルレンズを用い、光学機構を構築することもある。この場合、ライン長さもしくは長径は１ｍｍから１００ｍｍ程度の範囲となること、ライン幅もしくは短径は０．００１ｍｍから３０ｍｍ程度の範囲となるように光学系を構築する。なお、照射形状はその他の形状でも適用可能である。

送信用光学機構３には、送信用走査機構１３が設けられている。この送信用走査機構１３は、送信レーザ光２の照射点を溶接部１２の上面に沿って走査する。

受信用光学機構６は、受信レーザ光５が照射される受信レーザ光５の照射点での照射径が例えば約０．１ｍｍから１０ｍｍの範囲となるような光学系を構築する。送信レーザ光２と受信レーザ光５の照射位置は、図１に示すように送信レーザ光２を溶接部１２に照射し、受信レーザ光５を母材１１の外表面に照射する。

表示装置１０は、検査結果を表示することや、欠陥等の応答があると判断された場合に警告が表示されることや、タッチパネル式にて緊急停止が可能である等の１つ以上の組み合わせから構成される。

次に、本実施形態の全体的な作用を説明する。本実施形態では、上述したように送信レーザ光２を溶接部１２に、受信レーザ光５を母材１１に照射している。

送信レーザ光源１から出射した送信レーザ光２は、送信用光学機構３を調整することで検査対象としての溶接部１２の表面の所定位置へ照射される。ここで、熱ひずみ又は表層がアブレーションすることの反力により超音波が発生する。また、発生する超音波は、縦波、横波、表面波、モード変換波等の様々なモードの超音波が励起される。

このようにして発生した超音波が欠陥に到達すると、超音波の反射、散乱、屈折の影響により伝播経路が変化し、欠陥からの応答である反射超音波となる。ここで発生する応答は、縦波、横波、表面波、モード変換波等の様々なモードの超音波が励起される。本実施形態では、励起された縦波及び横波を用いている。

一方、受信レーザ光源４から出射した受信レーザ光５は、受信用光学機構６を経て母材１１の表面へ照射する。ここで、超音波が母材１１の表面の受信レーザ光５の照射点に到達した場合、受信レーザ光５は、振幅変調や位相変調、反射角度の変化等を受け、超音波信号成分を含む反射・散乱レーザ光となる。

超音波信号を持つ反射・散乱レーザ光は、再び受信用光学機構６により集光され、受信干渉計７に伝送される。この受信干渉計７では、超音波成分を持つ光信号が電気信号へ変換された後、信号記録装置８により超音波データとして記録される。この超音波データは、解析装置９に伝送される。

ここで、解析装置９では、得られた超音波データに平均化処理、移動平均、フィルタ、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）、ウェーブレット変換、開口合成処理等や、その他の種類の信号処理を行うことも可能である。また、溶接位置情報や、照射位置情報、温度情報等により、超音波データを補正することも可能である。

表示装置１０は、解析装置９により解析された溶接部１２の内部の欠陥を画像表示する。

次に、本実施形態の具体的な作用を図２〜図５に基づいて説明する。

図２は第１実施形態において超音波の縦波により欠陥を検出する状態を示す断面説明図である。図３は第１実施形態において超音波の横波により欠陥を検出できない状態を示す断面説明図である。図４は第１実施形態において送信レーザの走査時に一方の横波により欠陥を検出する状態を示す断面説明図である。図５は第１実施形態において送信レーザの走査時に他方の横波により欠陥を検出する状態を示す断面説明図である。

本実施形態では、溶接施工中の通常の欠陥発生（欠陥の有無）モニタリングを超音波の指向性を考慮して縦波を、発生した欠陥の横方向のサイズ及び位置を同定するために横波を用いている。図２に示すように、超音波の縦波が伝播する領域に欠陥があった場合、欠陥から反射した反射超音波を受信レーザ光５として受信する。

しかし、溶接部１２の形状、溶接の進行による溶接深さＤの違い等により、欠陥サイズと受信信号強度の相関関係が得られないことがある。

そこで、縦波で欠陥を検出した場合には、溶接施工作業を中断し、その欠陥検出位置で、縦波と比較して指向性の高い横波を解析する。検査対象表面、すなわち溶接部１２の表面に対して垂直方向を０度とする。送信レーザ光２の照射点に対して０度方向に存在する欠陥を縦波で検出可能なとき、横波の指向角が例えば、＋３０度以上、−３０度以下であるとすると、図３に示すような場合では、同じ欠陥を横波により検出することはできない。

そこで、本実施形態では、送信用光学機構３に送信用走査機構１３を設けている。これにより、送信レーザ光２の照射点を溶接部１２の上面に沿って走査すると、横波の指向角の範囲内に欠陥が含まれたとき、図４及び図５に示すように横波による欠陥からの反射超音波を得ることができる。この方法で送信レーザ光２の照射点を移動させて、横波による反射超音波が得られる範囲を解析装置９で評価することにより、欠陥の横方向のサイズ、さらには横方向の位置を同定することが可能となる。

すなわち、横方向の位置を同定する方法については、縦波と比較して波長の短い横波を利用している。そのため、縦波のみで位置を同定する方法と比較して、より波長の短い横波を利用することにより精度の高い位置同定が可能となる。

横波の指向角度は、例えば人工欠陥を付与した試験片を用いた検出可能範囲の評価データあるいはシミュレーションにより算出した結果に基づいて予め求めて解析装置９に記憶しておくことが可能である。

このように本実施形態によれば、溶接部１２の内部欠陥を検出する際、超音波の横波により得られる反射超音波を用いて欠陥のサイズ及び位置の同定することにより、溶接部１２の内部欠陥のサイズ及び位置を正確に検出することができる。

（第２実施形態）
図６は本発明に係るレーザ超音波検査装置の第２実施形態を示すブロック図である。なお、前記第１実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して異なる構成及び作用について説明する。

図６に示すように、本実施形態は、前記第１実施形態の構成に加え、送信レーザ照射条件調整機構２１、受信条件調整機構２２を設けている。

送信レーザ照射条件調整機構２１は、送信用光学機構３に取り付けられている。送信レーザ照射条件調整機構２１は、超音波の横波の指向性を制御するレーザ送信条件を調整する機能を有する。具体的には、送信レーザ照射条件調整機構２１は、検査対象に応じて送信レーザ光２の照射条件（照射エネルギー、波長、パルス幅、照射点の形状・大きさ等)を変えることが可能である。例えば、送信レーザ光２のパルス幅を変えることにより、超音波の周波数特性を変化させることができる。ここで、発生した超音波の横波の指向性を評価する方法には、前記第１実施形態で説明したように人工欠陥を付与した試験片によるデータあるいはシミュレーションにより算出した結果に基づいて行うことが可能である。

したがって、本実施形態において、送信レーザ照射条件調整機構２１により送信レーザ光２のパルス幅を短くした場合には、分解能が変化し、欠陥のサイズ及び位置を一段と正確に検査することができる。また、送信レーザ光２のパルス幅を長くした場合には、結晶粒の粒界内に形成された欠陥でも検査することが可能となる。

さらに、本実施形態では、受信条件調整機構２２が受信用光学機構６及び受信干渉計７にそれぞれ取り付けられている。この受信条件調整機構２２は、得られた横波からの反射超音波を効率よく計測するために、レーザ受信条件を調整する機能を有する。具体的には、受信条件調整機構２２は、送信レーザ照射条件に対応させて、例えば送信レーザ光２により発生させた超音波の周波数特性に合わせて、受信レーザ光５の照射条件及び受信干渉計７の設定を変化させることが可能である。

このように本実施形態によれば、送信用光学機構３に送信レーザ照射条件調整機構２１を取り付けたことにより、超音波の横波の指向性を制御するレーザ送信条件を調整することが可能となる。

また、本実施形態によれば、受信用光学機構６に受信条件調整機構２２を取り付けたことにより、得られた横波からの反射超音波を効率よく計測することができる。

（その他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上記実施形態では、溶接施工中の溶接部１２の欠陥を検査する例について説明したが、これに限らず溶接後の欠陥、あるいは溶接部１２を持たない高温構造物を欠陥の検査対象としてもよい。この場合には、横波だけの反射超音波を計測することにより、欠陥の横方向のサイズ、位置を同定することが可能となる。

また、上記実施形態では、送信レーザ光２の光照射点と受信レーザ光５の照射点の一方のみが検査対象の溶接部１２の表面にあるものとしたが、両方が検査対象の溶接部１２の表面にあってもよい。

１…送信レーザ光源、２…送信レーザ光、３…送信用光学機構、４…受信レーザ光源、５…受信レーザ光、６…受信用光学機構、７…受信干渉計、８…信号記録装置、９…解析装置、１０…表示装置、１１…母材、１２…溶接部、１３…送信用走査機構、２１…送信レーザ照射条件調整機構、２２…受信条件調整機構、Ｄ…溶接深さ

Claims (9)

1. 検査対象に送信レーザ光を照射して超音波を励起させるための送信レーザ光源と、
   前記検査対象に励起された超音波を受信するために受信レーザ光を前記検査対象に照射する受信レーザ光源と、
   前記受信レーザ光を干渉計測して超音波信号を得る受信干渉計と、
   予め記憶しておいた横波の指向角度を用いて前記超音波信号から前記横波の超音波信号を解析して前記検査対象の内部欠陥のサイズ及び位置を同定する解析装置と、
   前記解析装置から得られた前記検査対象の内部欠陥のデータを表示する表示装置と、
   を備えることを特徴とするレーザ超音波検査装置。
2. 前記解析装置は、前記超音波信号から縦波の超音波信号を解析して前記検査対象の内部欠陥の有無を同定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波検査装置。
3. 前記検査対象を溶接施工中の溶接部の欠陥としたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ超音波検査装置。
4. 前記検査対象の所定位置に前記送信レーザ光を照射させる送信用光学機構と、
   前記送信用光学機構に取り付けられ、前記検査対象に対して前記送信レーザ光を走査する送信用走査機構と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
5. 前記送信用光学機構に取り付けられ、レーザ送信条件を調整する送信レーザ照射条件調整機構をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザ超音波検査装置。
6. 前記検査対象の所定位置に前記受信レーザ光を照射させる受信用光学機構と、
   前記受信用光学機構及び前記受信干渉計にそれぞれ取り付けられ、レーザ受信条件を調整する受信条件調整機構と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ超音波検査装置。
7. 超音波を発生させるための送信レーザ光を発生させて、検査対象の所定位置に前記送信レーザ光を照射させる送信レーザ光照射工程と、
   前記送信レーザ光照射工程によって励起させた反射超音波を検出するための受信レーザ光を発生させて、前記検査対象の所定位置に照射する受信レーザ光照射工程と、
   前記受信レーザ光を干渉計測して超音波信号を得る干渉計測工程と、
   予め記憶しておいた横波の指向角度を用いて前記干渉計測工程で得られた超音波信号のうち、前記横波の超音波信号を解析して前記検査対象の内部欠陥のサイズ及び位置を同定する解析工程と、
   を有することを特徴とするレーザ超音波検査方法。
8. 前記検査対象を溶接施工中の溶接部の欠陥とした場合、前記解析工程は、前記内部欠陥のサイズ及び位置を同定する前に、前記溶接部の内部欠陥の有無を同定することを特徴とする請求項７に記載のレーザ超音波検査方法。
9. 前記送信レーザ光照射工程は、前記検査対象に対して前記送信レーザ光を走査する工程を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザ超音波検査方法。

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