JP2017075866A - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱影響領域と非熱影響領域との境界を明瞭に判別することが可能な、ＴＯＦＤ法類似の測定装置および測定方法を提供する。
【解決手段】金属被検体における熱影響領域を測定するための測定装置であって、前記金属被検体の検査面に配置され、超音波を発生する超音波発生部と、前記検査面に配置され、前記金属被検体の内部を伝播した前記超音波の波形信号を出力する超音波受信部と、前記超音波発生部および前記超音波受信部を前記検査面に沿って移動する移動機構と、前記移動機構により前記超音波発生部および前記超音波受信部が移動された距離に応じた前記波形信号を２次元表示する表示部と、を有する測定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置および測定方法に関する。

非特許文献１には、ＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法によるきず高さ測定方法が記載されている。ＴＯＦＤ法は、送信探触子と受信探触子を向かい合わせて配置し、送信探触子から超音波（縦波）を伝播させ、被検体内部のきずの上端および下端で発生した回折波を受信探触子で受信し、きずの深さおよび高さを測定する方法である。被検体の探傷面に沿って伝播するラテラル波、きずからの回折波および被検体底面からの反射波の受信探触子への到着時間差と音速との関係から、きずの深さと高さが正確に測定できるとされている。

「ＴＯＦＤ法によるきず高さ測定方法」、ＮＤＩＳ ２４２３：２００１、平成１３年７月１８日制定、社団法人日本非破壊検査協会

非特許文献１に記載のとおり、ＴＯＦＤ法は、溶接部における溶接不良等に起因するきずの検査に用いられ、当該きずの発見が容易なように最適化されている。よって、たとえば、金属が溶接や焼入れのような熱的影響を受けた領域（熱影響領域）を検査するような場合、きずの発見に最適化されたＴＯＦＤ法では、ノイズに埋もれ、熱影響領域と熱的影響を受けなかった領域（非熱影響領域）との境界を明瞭に判別することが難しい。

本発明の目的は、熱影響領域と非熱影響領域との境界を明瞭に判別することが可能な、ＴＯＦＤ法類似の測定装置および測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、金属被検体における熱影響領域を測定するための測定装置であって、前記金属被検体の検査面に配置され、超音波を発生する超音波発生部と、前記検査面に配置され、前記金属被検体の内部を伝播した前記超音波の波形信号を出力する超音波受信部と、前記超音波発生部および前記超音波受信部を前記検査面に沿って移動する移動機構と、前記移動機構により前記超音波発生部および前記超音波受信部が移動された距離に応じた前記波形信号を２次元表示する表示部と、を有する測定装置を提供する。

前記表示部が、前記距離をｘ軸、前記波形信号の時間をｙ軸とするｘｙ平面を表示し、前記ｘｙ平面の（ｘ１，ｙ１）点には、前記距離および前記時間がｘ１およびｙ１である前記波形信号の強度を、色の明度、彩度もしくは色相またはこれらの組み合わせとして表示するものであってもよい。前記波形信号が、複数回の測定から得られた波形信号の積算または平均であってもよい。

本発明の第２の態様においては、前記金属被検体の検査面に配置され、超音波を発生する超音波発生部と、前記検査面に配置され、前記金属被検体の内部を伝播した前記超音波の波形信号を出力する超音波受信部と、前記超音波発生部および前記超音波受信部を前記検査面に沿って移動する移動機構と、前記移動機構により前記超音波発生部および前記超音波受信部が移動された距離に応じた前記波形信号を２次元表示する表示部と、を有する装置を用いた測定方法であって、前記表示部における前記距離に応じた前記波形信号の２次元表示において、前記金属被検体の内部における熱影響領域が明瞭に表示されるよう、前記超音波発生部および前記超音波受信部を調整するステップを有する測定方法を提供する。

前記調整するステップにおいて、前記超音波発生部および前記超音波受信部の間隔を調整してもよい。あるいは、前記調整するステップにおいて、前記超音波発生部および前記超音波受信部における前記超音波の前記金属被検体への入射角を調整してもよい。

測定装置１００の概要を示した概念図である。 測定装置１００の超音波発生部１０６および超音波受信部１１２が金属被検体１３０に接する部分の断面図である。 熱影響領域深さが２ｍｍの場合の溶接部を観察した写真および測定結果を示した図である。 熱影響領域深さが４ｍｍの場合の溶接部を観察した写真および測定結果を示した図である。 熱影響領域深さが６ｍｍの場合の溶接部を観察した写真および測定結果を示した図である。

図１は、本発明の一実施の形態である測定装置１００の概要を示した概念図であり、（ａ）は金属被検体部分の断面図、（ｂ）は金属被検体部分の平面図である。測定装置１００は、溶接、焼入れ等により熱的影響を受けた金属被検体１３０の熱影響領域を測定するためのものである。測定装置１００は、超音波発生部１０６、超音波受信部１１２、信号発生部１１４、信号処理部１１６、移動機構制御部１１８、移動機構１２０、制御部１２２、入力部１２４および表示部１２６を有する。

超音波発生部１０６は、金属被検体１３０の検査面１３２に配置され、超音波を発生する。超音波受信部１１２は、検査面１３２に配置され、金属被検体１３０の内部を伝播した超音波の波形信号を出力する。超音波発生部１０６は、送信側振動子１０２とクサビ１０４とを有し、超音波受信部１１２は、受信側振動子１０８およびクサビ１１０を有する。

送信側振動子１０２は、信号発生部１１４からのトリガー信号に応答して、パルス状の超音波を発生する。クサビ１０４は、送信側振動子１０２と検査面１３２との角度を調節する。受信側振動子１０８は、受信した超音波の強度に応じた波形信号を出力し、クサビ１１０は、受信側振動子１０８と検査面１３２との角度を調節する。

信号発生部１１４は、送信側振動子１０２にトリガー信号を供給し、送信側振動子１０２にパルス状の超音波を発生させる。信号処理部１１６は、受信側振動子１０８が出力する波形信号を増幅し、複数回測定した波形信号を積算し、または平均化する。

移動機構制御部１１８は、移動機構１２０を駆動するための制御を実行し、移動機構１２０は、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２を検査面１３２に沿って矢印１５０の方向に移動する。

制御部１２２は、入力部１２４からの入力を受けて、移動機構制御部１１８が移動機構１２０を駆動するタイミングを制御し、信号発生部１１４がトリガー信号を生成するタイミングを制御する。制御部１２２は、信号処理部１１６における処理動作を制御し、信号処理部１１６で処理した波形信号を受信する。制御部１２２は、信号処理部１１６から受信した波形信号を、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２の位置情報とともに表示部１２６に送信する。

表示部１２６は、移動機構１２０により超音波発生部１０６および超音波受信部１１２が移動された距離に応じた波形信号を２次元表示する。たとえば、表示部１２６は、距離をｘ軸、波形信号の時間をｙ軸とするｘｙ平面を表示し、ｘｙ平面の（ｘ１，ｙ１）点には、距離および時間がｘ１およびｙ１である波形信号の強度を、色の明度として表示する。明度に代えて、彩度もしくは色相またはこれらの組み合わせとして表示してもよい。

図２は、測定装置１００の超音波発生部１０６および超音波受信部１１２が金属被検体１３０に接する部分の断面図である。超音波発生部１０６を発した超音波は、金属被検体１３０の表面（検査面１３２）直下あるいは近傍を伝播するラテラル波、金属被検体１３０の内部（深さｄ）で反射されるＶ反射波、金属被検体１３０の裏面で反射されるエコー波等として伝搬し、時間差を以て超音波受信部１１２で受信される。超音波発生部１０６と超音波受信部１１２との間隔を２Ｓ、音速をＣとし、ラテラル波とＶ反射波との伝播時間差がＴｄである場合、深さｄは、ｄ＝（（Ｃ・Ｔｄ）^２／４＋Ｃ・Ｔｄ・Ｓ）^１／２として算出できる。よって、Ｖ反射波が熱影響領域と非熱影響領域との界面で発生し、超音波受信部１１２からの波形信号によりＴｄが測定できれば、金属被検体１３０の熱影響領域の深さ（ｄ）を測定することができる。

しかしながら、熱影響領域と非熱影響領域との界面を超音波により検出することは、金属内部のきずからの回折波による信号のように容易ではなく、界面からのＶ反射波による信号とノイズを分離する方策が必要である。当該方策の一つとして、表示部１２６による波形信号の２次元表示（いわゆるＤスキャン画像）がある。すなわち、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２を矢印１５０の方向にスキャンし、スキャン開始からの距離を横軸（ｘ軸）、波形信号の時間を縦軸（ｙ軸）にとり、波形信号の強度をたとえばグレースケール濃度で２次元表示することにより、時間軸（ｙ軸）における所定位置（所定のＴｄ）において淡くまたは濃く表示される線状模様が観測できるようになる。このような線状模様は２次元表示されて認識され易くなるものであり、Ｖ反射波による信号とノイズの分離に役立つ。

また、本実施形態では、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２のスキャンによる波形信号の二次元表示（測定）前に、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２を調整するステップを有する。すなわち、表示部１２６における距離に応じた波形信号の２次元表示において、金属被検体１３０の内部における熱影響領域が明瞭に表示されるよう、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２を調整する。たとえば、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２の間隔（２Ｓ）を調整する。または、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２における超音波の金属被検体１３０への入射角（θ）を調整する。入射角は、クサビ１０４およびクサビ１１０の傾斜角度を調整することで調整できる。

超音波発生部１０６および超音波受信部１１２の間隔または入射角を調整することで、最も感度が高い深さを選択することができる。この結果、Ｖ反射波による信号のＳ／Ｎ比を高め、熱影響領域の検出をし易くすることができる。

（実施例）
図３から図５は、溶接部を観察した写真および測定結果（スキャン画像）を示した図であり、図３は溶接に起因する熱影響領域の深さが２ｍｍの場合、図４は同４ｍｍの場合、図５は同６ｍｍの場合である。図３から図５の各図における（ａ）は溶接部断面、（ｂ）は溶接部平面、（ｃ）は測定結果（スキャン画像）である。（ａ）におけるＡ部は溶接部であり、熱影響領域の一例である。母材とＡ部との界面は熱影響領域と非熱影響領域との界面に相当する。（ｂ）におけるＢ部は溶接部である。（ｃ）の測定結果（スキャン画像）は横軸を位置（スキャン距離）、縦軸を波形信号の時間とし、波形信号の強さは濃淡で表している。なお、（ｃ）の測定結果（スキャン画像）は、超音波発生部１０６および超音波受信部１１２を溶接部とは反対の裏面に配置した場合の結果であり、（ｃ）において下側に溶接部が位置する。

図３から図５の（ｃ）において、破線で囲んだＣ部に示すように、溶接部と母材との界面（熱影響領域と非熱影響領域との界面）からのＶ反射波による横筋模様が観測される。当該横筋の縦方向位置（Ｖ反射波の伝播時間）から、Ｖ反射波が生じた界面の位置（深さｄ）を求めることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００…測定装置、１０２…送信側振動子、１０４…クサビ、１０６…超音波発生部、１０８…受信側振動子、１１０…クサビ、１１２…超音波受信部、１１４…信号発生部、１１６…信号処理部、１１８…移動機構制御部、１２０…移動機構、１２２…制御部、１２４…入力部、１２６…表示部、１３０…金属被検体、１３２…検査面。

Claims (6)

1. 金属被検体における熱影響領域を測定するための測定装置であって、
   前記金属被検体の検査面に配置され、超音波を発生する超音波発生部と、
   前記検査面に配置され、前記金属被検体の内部を伝播した前記超音波の波形信号を出力する超音波受信部と、
   前記超音波発生部および前記超音波受信部を前記検査面に沿って移動する移動機構と、
   前記移動機構により前記超音波発生部および前記超音波受信部が移動された距離に応じた前記波形信号を２次元表示する表示部と、
   を有する測定装置。
2. 前記表示部が、前記距離をｘ軸、前記波形信号の時間をｙ軸とするｘｙ平面を表示し、
   前記ｘｙ平面の（ｘ１，ｙ１）点には、前記距離および前記時間がｘ１およびｙ１である前記波形信号の強度を、色の明度、彩度もしくは色相またはこれらの組み合わせとして表示する
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記波形信号が、複数回の測定から得られた波形信号の積算または平均である
   請求項１または請求項２に記載の測定装置。
4. 前記金属被検体の検査面に配置され、超音波を発生する超音波発生部と、前記検査面に配置され、前記金属被検体の内部を伝播した前記超音波の波形信号を出力する超音波受信部と、前記超音波発生部および前記超音波受信部を前記検査面に沿って移動する移動機構と、前記移動機構により前記超音波発生部および前記超音波受信部が移動された距離に応じた前記波形信号を２次元表示する表示部と、を有する装置を用いた測定方法であって、
   前記表示部における前記距離に応じた前記波形信号の２次元表示において、前記金属被検体の内部における熱影響領域が明瞭に表示されるよう、前記超音波発生部および前記超音波受信部を調整するステップを有する測定方法。
5. 前記調整するステップにおいて、前記超音波発生部および前記超音波受信部の間隔を調整する
   請求項４に記載の測定方法。
6. 前記調整するステップにおいて、前記超音波発生部および前記超音波受信部における前記超音波の前記金属被検体への入射角を調整する
   請求項４に記載の測定方法。