JP2022046081A

JP2022046081A - 超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法

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Publication number: JP2022046081A
Application number: JP2020151947A
Authority: JP
Inventors: 一貴寺田; Kazutaka Terada; 穣松井; Minoru Matsui; 実松本; Minoru Matsumoto; 義則大谷; Yoshinori Otani
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2020-09-10
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2040-09-10
Also published as: JP7294283B2

Abstract

【課題】受信された超音波信号を分析して、その受信信号が欠陥由来のものか、ノイズであるかの判定を行って、検査材内部の欠陥の有無の判断を容易かつ正確に行うことができる超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法を提供すること。【解決手段】超音波を用いて検査材の内部及び表層の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、超音波探触子を検査材の外部に配置し、検査材に対する超音波探触子の位置を変化させながら繰り返し超音波を送受信し、探傷信号を取得する取得ステップと、取得した探傷信号の中から欠陥指示を含む探傷信号を抽出する抽出ステップと、抽出された探傷信号から欠陥反射信号の位相変動量を算出する信号解析ステップと、算出された位相変動量と所定の判定基準とを比較して、欠陥もしくはノイズであるかを判定する判定ステップと、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法に関する。

鋼材内部の欠陥は、その鋼材を素材とする機械部品を製造する時に割れの起点となることがあり、製造後には機械部品の強度や寿命を低下させる。そのため、鋼材内部を超音波探傷し、内部欠陥の有無を調査することが従来から行われている。欠陥は、介在物、スケール屑などに起因する固体状のものや、製造途中で発生した空隙などがある。

従来の鋼材の自動超音波探傷装置では、垂直用及び斜角用の探触子を鋼材に対して周方向及び軸方向に相対的に移動させる、あるいはアレイ探触子により超音波ビームの方向を切り替えることによって、鋼材の全断面の探傷を行っている。また、製造におけるサイクルタイム内での鋼材全断面の超音波探傷を可能とするため、複数の探触子あるいはアレイ探触子を配置することが多い。そして、欠陥有無の判定方法としては、それぞれの探触子からの受信信号に対して、特定の時間領域にゲートと呼ばれる検出範囲を設け、その範囲内での信号強度値が閾値を超えたか否かによって判定することが一般的である。しかしながら、前記検出範囲内における探触子と鋼材間のカップリング媒質（水等）に存在する、カップリング媒質内の気泡による多重反射波や電気ノイズなどの受信信号の信号強度が前記の閾値を超えた場合には、実際には欠陥がない鋼材であっても欠陥有りと判定してしまうことがある（以下、過検知とも称する）。特に、小さい欠陥を検出するために、低い閾値で探傷を実施する場合には、過検知がより起こりやすくなる。

このような過検知による歩留まり悪化を防ぐために、リジェクション処理（閾値を超えた点数が設定値以下である場合に無欠陥として処理すること）や再探傷の実施などの対策が取られる。ところが、リジェクション処理には、閾値よりもやや小さい信号強度を持つ欠陥信号の見逃しという問題がある。また、再探傷には、能率低下という問題がある。

特許文献１には、欠陥信号に対するノイズ信号強度を低減させる方法として、得られた探傷信号によって構成される探傷画像に対して開口合成処理などによる信号処理を適用する手法が記載されている。

特許文献２には、鋼管の内側表面に隣接する凹みやラップ状の浅い欠陥を判定する方法として、信号強度だけではなく、受信した反射信号から算出されるビーム路程や、ビーム路程の変化率から、欠陥の有無を判定する手法が記載されている。

特許文献３には、欠陥エコーを自動で高精度に検出する方法として、ＴＯＦＤ（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法と称される超音波探傷方法による探傷によって得られたＢスコープに対して、算出された円弧形状を用いて特徴量を算出し、前記特徴量から欠陥の有無を判定する手法が記載されている。

特開２００５－２３３８７４号公報特開２０１２－１７７６８５号公報特開２００４－２５７９７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の手法では、比較的信号強度の大きなノイズの場合に、開口合成処理によって強度が減少した後も設定した閾値を超えてしまい、過検知が起こるおそれがある。

特許文献２に記載の手法は、特定の位置に存在するボトムエコーからの変化を検出する方法であるが、鋼材として丸棒材のように、底面から距離のある広い範囲内の欠陥の判定に適用できる方法ではない。

特許文献３に記載の手法は、手動でのＴＯＦＤ法に対してなされたものであり、手順の中には手動による補正なども入っている。また、算出された円弧形状と実際のエコー形状とが大きく異なる場合には、うまく欠陥を検出できないおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、受信された超音波信号を分析して、その受信信号が欠陥由来のものか、ノイズであるかの判定を行って、検査材内部の欠陥の有無の判断を容易かつ正確に行うことができる超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法は、以下の特徴を有する。

［１］超音波を用いて検査材の内部及び表層の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、超音波探触子を前記検査材の外部に配置し、前記検査材に対する前記超音波探触子の位置を変化させながら繰り返し超音波を送受信し、探傷信号を取得する取得ステップと、取得した前記探傷信号の中から欠陥指示を含む前記探傷信号を抽出する抽出ステップと、抽出された前記探傷信号から欠陥反射信号の位相変動量を算出する信号解析ステップと、算出された前記位相変動量と所定の判定基準とを比較して、欠陥の有無を判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする超音波探傷方法。

［２］前記［１］に記載の超音波探傷方法において、前記信号解析ステップは、抽出した前記探傷信号において、波形毎の振幅最大値をとる受信サンプリング位置を算出し、１波形前の前記受信サンプリング位置との差分を前記位相変動量として算出することを特徴とする超音波探傷方法。

［３］前記［１］に記載の超音波探傷方法において、前記判定ステップとして、算出された前記位相変動量に対して、探傷条件から計算される位相推移の理論値をもとにした統計処理を施すことで、欠陥の有無を判定することを特徴とする超音波探傷方法。

［４］前記［３］に記載の超音波探傷方法において、前記判定ステップとして、抽出された前記探傷信号において、設定した前記位相変動量以下の変化量を有する点数が、設定した閾値以下の場合に欠陥であると判定することを特徴とする超音波探傷方法。

［５］前記［１］に記載の超音波探傷方法において、算出された前記位相変動量を用いて、抽出した欠陥の正確な欠陥信号強度を算出することを特徴とする超音波探傷方法。

［６］前記［５］に記載の超音波探傷方法において、抽出した前記探傷信号内の点のうち、前記位相変動量が設定した閾値以下であるという条件を満たし、振幅が最大となる点での振幅値を前記欠陥信号強度として算出することを特徴とする超音波探傷方法。

［７］超音波を用いて検査材の内部及び表層の欠陥を検出する超音波探傷装置であって、超音波探触子を前記検査材の外部に配置し、前記検査材に対する前記超音波探触子の位置を変化させながら繰り返し超音波を送受信し、探傷信号を取得する取得手段と、取得した前記探傷信号の中から欠陥指示を含む前記探傷信号を抽出する抽出手段と、抽出された前記探傷信号から欠陥反射信号の位相変動量を算出する信号解析手段と、算出された前記位相変動量と所定の判定基準とを比較して、欠陥の有無を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする超音波探傷装置。

［８］鋼材を製造する製造ステップと、前記［１］乃至［６］のいずれか１つに記載の超音波探傷方法で、前記製造ステップにおいて製造された鋼材の内部及び表層を探傷する探傷ステップと、を含むことを特徴とする鋼材の製造方法。

本発明に係る超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法は、受信された超音波信号を分析して、その受信信号が欠陥由来のものか、ノイズであるかの判定を行って、検査材内部の欠陥の有無の判断を容易かつ正確に行うことができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る超音波探傷装置の構成を模式的に示す図である。図２は、実施形態に係る超音波探傷方法の信号処理フローを模式的に示す図である。図３は、理論位相変動量の算出方法を模式的に示す図である。図４（ａ）は、受信波Ａ_１の時間と振幅との関係を示すグラフである。図４（ｂ）は、受信波Ａ_２の時間と振幅との関係を示すグラフである。図５は、理論位相変動量の算出方法を模式的に示す図である。図６（ａ）は、丸棒体内部の欠陥が、図５の欠陥位置Ｆ_０から欠陥位置Ｆ_４まで移動する場合の理論探傷画像を模式的に示す図である。図６（ｂ）は、丸棒体内部の欠陥が、図５の欠陥位置Ｆ_０から欠陥位置Ｆ_４まで移動する場合の位相変動量の推移の計算結果を模式的に示す図である。図７（ａ）は、実探傷の結果から抽出された実探傷画像を模式的に示す図である。図７（ｂ）は、実探傷画像から算出された位相変動量の推移を模式的に示す図である。図７（ｃ）は、実探傷画像から算出された振幅最大値の推移を模式的に示す図である。図８（ａ）は、抽出された欠陥の画像を示す図である。図８（ｂ）は、抽出された欠陥の位相変動量の推移を示す図である。図９（ａ）は、抽出されたノイズの画像を示す図である。図９（ｂ）は、抽出されたノイズの位相変動量の推移を示す図である。

以下に、本発明に係る超音波探傷方法、超音波探傷装置、及び鋼材の製造方法の実施形態について、丸棒体の検査を例に説明する。本発明は、気泡による過検知の影響を受けやすい水浸探傷法、特に局部水浸式の超音波探傷で効果が顕著であるため、本実施形態は局部水浸式（単に「水浸探傷法」という場合もある）の探傷の場合で説明を行う。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る超音波探傷装置１の構成を示す模式図である。図１に示すように、実施形態に係る超音波探傷装置１は、水浸探傷法を利用した超音波探傷方法によって、丸棒体ＲＢを超音波探傷する装置である。この超音波探傷装置１は、複数の超音波探触子１１、プローブヘッド１２、架台１３、回転駆動装置１４、パルサ１５、レシーバ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、記録装置１８、信号処理装置１９、及び表示装置２０を主な構成要素として備えている。

実施形態に係る超音波探傷装置１は、検査材と超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子で欠陥信号を受信する受信手段を備える。図１に示された超音波探傷装置では、レシーバ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、及び記録装置１８が受信手段に該当する。さらに、実施形態に係る超音波探傷装置１は、得られた探傷信号から指示位置の探傷画像を抽出し、抽出した探傷画像内での欠陥反射信号の位相変動量を算出し、欠陥であるかノイズであるかを判定する（以降、欠陥判定と呼ぶ）手段を有する。図１に示された超音波探傷装置１では、信号処理装置１９が抽出手段及び判定手段に該当する。

超音波探触子１１は、水浸探傷法での媒質である水を介して丸棒体ＲＢから所定距離離れた位置に配置されており、超音波探傷中はパルサ１５から出力されるパルス信号によって励振されることにより超音波信号を丸棒体ＲＢに送信する。そして、丸棒体ＲＢの内部を伝搬し反射された超音波信号（以下、欠陥信号と表記）は超音波探触子１１を介してレシーバ１６によって受信される。

プローブヘッド１２は、複数の超音波探触子１１を備え、丸棒体ＲＢの上部に配置された架台１３上を移動することによって丸棒体ＲＢの軸方向に走査される。丸棒体ＲＢを回転駆動装置１４によって図１中に矢印で示す円周方向に回転させながらプローブヘッド１２を走査し、欠陥信号をレシーバ１６で受信することにより、丸棒体ＲＢの全体積を超音波探傷することができる。回転駆動装置１４の回転速度及びプローブヘッド１２の走査速度は、丸棒体ＲＢの全体積が不足なく超音波探傷されるように設定されている。

レシーバ１６によって受信されたアナログ形態の欠陥信号は、パルサ１５から出力されるパルス信号に同期しながらＡ／Ｄコンバータ１７によってデジタルデータに変換され、記録装置１８に保存される。これにより、丸棒体ＲＢの全体積の欠陥信号が記録装置１８に保存される。保存された欠陥信号は、信号処理装置１９によって信号処理され、信号処理結果は表示装置２０に表示される。信号処理は、超音波探傷中に抽出される探傷信号に対して随時行われる場合や全ての探傷信号が保存された後に行われる場合がある。

信号処理装置１９は、保存された欠陥信号から欠陥検出箇所の抽出を行い、抽出された探傷画像に対して、信号処理の一つとして欠陥判定を実行する。なお、欠陥検出箇所の抽出にあたり、開口合成などの信号処理を行う場合もある。信号処理装置１９は、抽出した探傷画像から欠陥反射信号の位相変動量を算出し、探傷条件及び抽出位置情報から導出される位相推移の理論値に基づき、欠陥判定を行う。欠陥判定に用いられる探傷画像は、保存された欠陥信号から抽出される場合だけでなく、周波数フィルタなどの信号処理を施した信号処理後のデータを用いる場合がある。信号処理装置１９は、欠陥判定の結果を表示装置２０に出力する。

次に、実施形態に係る超音波探傷方法について説明する。実施形態に係る超音波探傷方法は、（Ｉ）取得ステップ、（ＩＩ）抽出ステップ、（ＩＩＩ）信号解析ステップ、及び、（ＩＶ）欠陥判定ステップの４つのステップを含む。また、各ステップは、（Ｉ）取得ステップの次に（ＩＩ）抽出ステップ、（ＩＩ）抽出ステップの次に（ＩＩＩ）信号解析ステップ、（ＩＩＩ）信号解析ステップの次に（ＩＶ）欠陥判定ステップの順に実行される。

取得ステップでは、超音波探触子を検査材の外部に配置し、検査材に対する超音波探触子の位置を変化させながら繰り返し超音波を送受信し、複数の探傷信号（欠陥信号）を取得する。取得ステップには、公知の超音波探触子による欠陥信号の受信方法を用いることができる。一例としては、上述したレシーバ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、及び、記録装置１８の動作により実現させることができる。

抽出ステップでは、取得ステップで取得した全ての探傷信号の中から欠陥指示を含む探傷信号を抽出する。具体的には、抽出ステップでは、欠陥指示位置に基づき、以降のステップで用いる探傷画像の抽出を行う。欠陥判定ステップにより、欠陥もしくはノイズであるかを判別することができるので、欠陥抽出の際には通常時より低い閾値で欠陥を抽出することが望ましく、これにより過検出を抑えながら検出能の向上を実現することができる。探傷画像を抽出する範囲は、信号のサンプリングレートや探触子位置の移動速度といった探傷条件から適切に決定される必要がある。

信号解析ステップでは、抽出ステップで抽出された探傷信号から欠陥反射信号の位相変動量を算出する。具体的に、信号解析ステップでは、抽出ステップで抽出された探傷画像から、欠陥反射信号の位相変動量の算出を行う。

欠陥判定ステップでは、信号解析ステップで算出された位相変動量と所定の判定基準とを比較することで、欠陥であるかノイズであるかを判定する。具体的には、欠陥判定ステップでは、信号解析ステップで算出された位相変動量に対して、探傷条件などから導出される理論値に基づく統計処理を行うことで、欠陥であるかノイズであるかを判定し、判定結果を出力する。

実施形態に係る超音波探傷方法によって欠陥判定までを行うことにより、過検出の低減効果や閾値低減による検出能の向上効果を得ることができる。

図２は、実施形態に係る超音波探傷方法の信号処理フローを模式的に示す図である。図２を参照して、欠陥判定までに至る信号処理装置１９の動作について説明する。

本実施形態における欠陥判定は、超音波探傷条件取得ステップ（Ｓ１）、理論位相変動量の計算ステップ（Ｓ２）、探傷画像取得ステップ（Ｓ３）、位相変動量の算出ステップ（Ｓ４）、及び欠陥判定ステップ（Ｓ５）の順で実行される。検査対象を丸棒体ＲＢとして、各ステップについて説明する。

ステップＳ１の処理では、信号処理装置１９が、丸棒体ＲＢの寸法、超音波探触子１１の寸法及び形状、測定ピッチ、丸棒体ＲＢとの位置関係、超音波探傷範囲等の超音波探傷条件を取得する。なお、超音波探傷条件は、超音波探傷前に取得される場合だけでなく、丸棒体ＲＢの直径実測値など、超音波探傷中もしくは超音波探傷後に取得される場合もある。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、ステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、信号処理装置１９が、ステップＳ１の処理で取得した超音波探傷条件を用いて、欠陥信号の理論位相変動量を計算する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、ステップＳ３の処理に進む。なお、理論位相変動量の算出方法の詳細については後述する。

ステップＳ３の処理では、信号処理装置１９が、記録装置１８において記録された超音波探傷信号の内から、予め設定された閾値を超えた部分を基準とし、予め設定された範囲の探傷画像を取得する。このステップＳ３の処理は、探傷後に行われる場合だけでなく、探傷中に行われる場合もある。また、ステップＳ３の処理で読み込まれた探傷画像に対して、後述するステップＳ４の処理及びステップＳ５の処理が実行される。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、ステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、信号処理装置１９が、ステップＳ３の処理で読み込まれた探傷画像から探傷信号の位相変動量の算出を行う。なお、位相変動量の算出方法の詳細は後述する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、ステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、信号処理装置１９が、ステップＳ４の処理で得られた位相変動量の算出結果に対して、ステップＳ２の処理で算出した理論位相変動量に基づく統計処理を実施することで、取得した探傷画像が欠陥であるかノイズであるかを判定する。そして、信号処理装置１９は、欠陥判定の結果を表示装置２０に出力する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連の欠陥判定を終了する。欠陥の判定方法の詳細については後述する。

＜理論位相変動量の算出方法＞
まず、本発明の測定方法について説明する。
丸棒体ＲＢの内部に向けて繰り返し超音波の送受信が行われており、丸棒体ＲＢの内部に欠陥が存在する場合には、複数回にわたって欠陥からの反射信号が受信される。欠陥からの反射信号を受信する時間は、超音波探触子１１と欠陥との位置関係によって決まるため、受信時間を変化させながら欠陥信号が取得される。よって、探傷条件と欠陥と超音波探触子１１との位置関係から、探傷画像における欠陥信号の位相変動量を理論的に計算することができる。図３を用いて、理論位相変動量の算出方法について説明する。ここで、丸棒体ＲＢの内部とは、丸棒体ＲＢの内部及び表層部を含む。丸棒体ＲＢの表面については、表層部の欠陥が表面に露出している場合があり、この場合には表層は表面を含む。

図３は、本発明の測定方法を模式的に示す図である。図４（ａ）は、受信波Ａ_１の時間と振幅との関係を示すグラフである。図４（ｂ）は、受信波Ａ_２の時間と振幅との関係を示すグラフである。超音波探触子１１から、一定の間隔で、超音波が丸棒体ＲＢに発信される。超音波は丸棒体ＲＢの内部を伝搬し、丸棒体ＲＢの内部の欠陥があればそこで反射する。反射した超音波は、超音波探触子１１で受信される。

以下、ある時間での超音波探触子１１の位置をＰ、超音波探触子１１の位置Ｐで受信した受信波をＡ_１、次の送受信で取得した受信波をＡ_２、受信波Ａ_１が反射された時の欠陥位置をＦ_１、受信波Ａ_２が反射された時の欠陥位置をＦ_２、丸棒体ＲＢの回転速度をＶ_ｒ、超音波探傷の繰り返し周波数（超音波を送信する間隔）をＦ_ｐ、超音波探触子１１の位置Ｐから欠陥位置Ｆ１までの超音波伝搬経路Ｒｕ_１における水距離（伝搬経路中の丸棒体ＲＢと超音波探触子１１との水中の距離）をＷ_１、超音波探触子１１の位置Ｐから欠陥位置Ｆ_１までの超音波伝搬経路Ｒｕ_１における鋼中距離をＬ_１、超音波探触子１１の位置Ｐから欠陥位置Ｆ_２までの超音波伝搬経路Ｒｕ_２における水距離をＷ_２、超音波探触子１１の位置Ｐから欠陥位置Ｆ_２までの超音波伝搬経路Ｒｕ_２における鋼中距離をＬ_２、受信波Ａ_１における欠陥信号Ｅ_１の受信時間をＴ_１、受信波Ａ_２における欠陥信号Ｅ_２の受信時間をＴ_２、欠陥信号Ｅ_１と欠陥信号Ｅ_２との受信時間の差をΔＴ、丸棒体ＲＢの中心位置をＯ、丸棒体ＲＢ内部の欠陥と丸棒体ＲＢの中心Ｏとを通る直線上の、欠陥と、欠陥からみて中心Ｏの反対側の丸棒体ＲＢの表面との距離である欠陥深さをｄ、超音波水中音速をＣ_ｗ、超音波鋼中音速をＣ_ｓとする。このとき、受信時間Ｔ_１，Ｔ_２、及び受信時間の差ΔＴは、それぞれ下記数式（１）、数式（２）、及び数式（３）で表される。なお、Ｓは、表面からの反射信号であり、Ｂは、丸棒体ＲＢの底面からの反射信号である。

次に、理論位相変動量の算出について説明する。
図５は、理論位相変動量の算出方法を模式的に示す図である。また、図６（ａ）は、丸棒体ＲＢ内部の欠陥が、図５の欠陥位置Ｆ_０から欠陥位置Ｆ_４まで移動する場合の理論探傷画像を模式的に示す図である。図６（ｂ）は、丸棒体ＲＢ内部の欠陥が、図５の欠陥位置Ｆ_０から欠陥位置Ｆ_４まで移動する場合の位相変動量の推移の計算結果を模式的に示す図である。

図６（ａ）の理論探傷画像の画素数は、時間方向にｎ点、波形数方向にｍ点とし、図６（ａ）中の黒色で塗りつぶされた範囲は、各受信波での欠陥信号の最大値を示す。探傷信号のＡ／Ｄ変換におけるサンプリング周波数をＦ_ｓとすると、欠陥位置Ｆ_１からの受信波Ａ_１の最大値を表す画素Ｂ_１（ｍ_１、ｎ_１）と、欠陥位置Ｆ_２からの受信波Ａ_２の最大値を表す画素Ｂ_２（ｍ_２、ｎ_２）との間の理論位相変動量Δｎは、下記数式（４）で表される。

図５での欠陥位置Ｆ_０から欠陥位置Ｆ_４への経路の内、欠陥位置が超音波探触子１１の位置Ｐの中心軸Ｘ_１上を通過する際の欠陥位置をＦ_３とし、理論探傷画像内における欠陥位置Ｆ_３での欠陥反射信号の最大値に対応する画素Ｂ_０を（ｍ_０，ｎ_０）とする。そして、超音波探触子１１の位置Ｐの水距離をＷとすると、ｎ_０は下記数式（５）で表される。

上記では受信波Ａ_１と受信波Ａ_２との間を例にとって理論位相変動量Δｎを算出したが、これと同様に、隣り合うすべての受信波間での理論位相変動量Δｎを計算することによって、図６（ｂ）に示すような理論探傷画像の位相変動量（理論位相変動量）の推移を描画することができる。ここで、図６（ｂ）において、算出された各理論位相変動量を若干上回るような閾値Ｚを設定する。こうすれば、この閾値Ｚは、欠陥深さがｄのときに、実測された位相変動が理論通りであった場合には、その位相変動量がすべてＺ以下となる閾値となるのである。
そして、閾値Ｚ以下の位相変動量となった点の数を位相変動点数と呼ぶ。なお、位相変動が理論値の場合の位相変動点数は理論位相変動点数である。ここで実測において、位相変動が理論通りであれば、すべての点は閾値Ｚ以下となり、位相変動点数は理論位相変動点数に一致する。しかし、事情により何点かは理論通りにいかない場合があるので、さらなる閾値として、この位相変動点数以上であれば欠陥であろうと判定するための点数閾値Ｓを設ける。

ここでは、欠陥深さがｄの場合について理論位相変動点数を導出したが、実測においては欠陥深さは種々の場合がある。したがって、探傷を行うにあたり、図２のＳ２において種々の欠陥深さの閾値Ｚ、点数閾値Ｓを算出しておく。そして、実測で得られた欠陥深さと一致する欠陥深さの閾値Ｚ、点数閾値Ｓを用いるようにする。実際に丸棒体ＲＢを測定して得られた探傷画像から導出される実位相変動点数と点数閾値Ｓとの比較を行い、欠陥であるかどうかの判定を行う。なお、実測された欠陥深さに対し、予め理論値が計算された欠陥深さの中に一致するものがない場合には、近いものを用いるか、事前計算されたもので補間するなどして対応する。

＜欠陥判定方法＞
図７（ａ）は、実際の超音波探傷の結果から抽出された実探傷画像を模式的に示す図である。また、図７（ｂ）は、実探傷画像から算出された位相変動量の推移を模式的に示す図である。図７（ｃ）は、実探傷画像から算出された振幅最大値の推移を模式的に示す図である。なお、前記実探傷画像は、欠陥反射信号が最大となる画素Ｂ_３（ｍ_３，ｎ_３）を中心として、幅（波形数）ｍ点、高さ（時間）ｎ点を抽出したものである。ただし、ｎ_３は下記数式（６）を満たすものとする。すなわち、事前に理論値が計算された中で欠陥深さが一致するものを用いるということである。

図７（ａ）中の黒色で塗りつぶされた範囲は、各受信波での抽出時間範囲における欠陥信号の最大値を表す。実探傷画像には、異常値画素Ｂ_４が含まれるものとし、欠陥近傍での強いノイズや欠陥信号受信時間の急激な変動などを想定している。

図７（ｂ）は、実探傷画像から、各波形における抽出時間範囲内の最大値の位置を算出し、各波形間での位相変動量を計算し、プロットしたものを示している。位相変動量のうち、閾値Ｚを下回る点数をＮ点とし、予め設定していた点数閾値がＳのときに、所定の判断基準として、下記数式（７）が満たされる場合に、抽出した探傷画像は欠陥であると判定する。一方、抽出された探傷画像が、ノイズであるとすると位相変動に規則性がないので、各位相変動量のうち、閾値Ｚ以上となる実位相変動点数が多くなり、下記数式（７）を満たさない。そのため、抽出した探傷画像はノイズであると判定できる。

上述した判定例は上記数式（６）を満たすとしたが、実際には上記のように様々なｎ_０で理論位相変動量を計算し、上記数式（６）を満たすｎ_０での算出結果を用いて欠陥判定を行う。また、上記数式（７）のように閾値Ｚを下回る点数によって判定を行う場合について説明したが、判定にあたって、平均や分散などを用いた統計処理などを用いる場合もある。

＜信号強度補正方法＞
通常の超音波探傷では、閾値を超えた信号の最大値を欠陥反射信号強度とみなすが、図７に示すように、欠陥信号の近傍に強度の大きなノイズ信号が存在する場合には、実際の欠陥信号強度を見誤ることになる。そこで、本実施形態では、欠陥判定の後、位相変動量が閾値以下である条件を満たし、かつ最大となる振幅最大値を正確な欠陥信号強度として出力する。つまり、図７（ｃ）において、ノイズ範囲に含まれるノイズ振幅値Ｖ_ｎではなく、正常範囲での振幅最大値Ｖ_ｆを正確な欠陥信号強度として出力する。

以上は、鋼材として丸棒体を例に説明したが、丸棒体以外、たとえば厚板にも本発明を同様に適用することが可能である。厚板の場合は、厚板の全長、全幅に超音波が照射されるように、超音波探触子を移動させればよい。また、超音波探触子を固定して、厚板を移動させてもよいし、超音波探触子と厚板を両方とも移動させてもよい。

本発明に係る超音波探傷方法を実施例で説明する。本実施例では、丸棒体ＲＢの内部を周波数５ＭＨｚの超音波探触子１１で丸棒体ＲＢを回転させながら探傷し、探傷波形をサンプリング周波数５０ＭＨｚで取得した。

図８（ａ）は、抽出された欠陥の画像を示す図である。図８（ｂ）は、抽出された欠陥の位相変動量の推移を示す図である。図９（ａ）は、抽出されたノイズの画像を示す図である。図９（ｂ）は、抽出されたノイズの位相変動量の推移を示す図である。なお、欠陥画像及びノイズ画像の内、波形数４０から６０の範囲を欠陥判定に用いるものとする。また、位相変動量の閾値を５とする。

図８（ｂ）及び図９（ｂ）で、閾値Ｚが５以下の位相変動量の点数を計算すると、欠陥画像では１８点となり、ノイズ画像では４点となる。このように、位相変動量の閾値を設定することで、欠陥とノイズとを明確に区別できる。本例の場合は、欠陥とノイズが明確であるが、具体的には点数閾値Ｓを用いて欠陥とノイズを判別すればよい。

その他、検出された人工欠陥、自然欠陥１，２，３、及びノイズ１，２について位相変動量を求め、閾値Ｚを変えて点数を集計した結果を表１に示す。

表１から、人工欠陥、自然欠陥１，２，３と、ノイズ１，２とには、有意な差があり、適切な位相変動量の点数閾値Ｓを設けることによって、欠陥とノイズとの弁別が可能であることが確認できる。

１１超音波探触子
１２プローブヘッド
１３架台
１４回転駆動装置
１５パルサ
１６レシーバ
１７Ａ／Ｄコンバータ
１８記録装置
１９信号処理装置
２０表示装置

Claims

超音波を用いて検査材の内部及び表層の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、
超音波探触子を前記検査材の外部に配置し、前記検査材に対する前記超音波探触子の位置を変化させながら繰り返し超音波を送受信し、探傷信号を取得する取得ステップと、
取得した前記探傷信号の中から欠陥指示を含む前記探傷信号を抽出する抽出ステップと、
抽出された前記探傷信号から欠陥反射信号の位相変動量を算出する信号解析ステップと、
算出された前記位相変動量と所定の判定基準とを比較して、欠陥の有無を判定する判定ステップと、
を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
前記信号解析ステップは、抽出した前記探傷信号において、波形毎の振幅最大値をとる受信サンプリング位置を算出し、１波形前の前記受信サンプリング位置との差分を前記位相変動量として算出することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
前記判定ステップとして、算出された前記位相変動量に対して、探傷条件から計算される位相推移の理論値をもとにした統計処理を施すことで、欠陥の有無を判定することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項３に記載の超音波探傷方法において、
前記判定ステップとして、抽出された前記探傷信号において、設定した前記位相変動量以下の変化量を有する点数が、設定した閾値以下の場合に欠陥であると判定することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
算出された前記位相変動量を用いて、抽出した欠陥の正確な欠陥信号強度を算出することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項５に記載の超音波探傷方法において、
抽出した前記探傷信号内の点のうち、前記位相変動量が設定した閾値以下であるという条件を満たし、振幅が最大となる点での振幅値を前記欠陥信号強度として算出することを特徴とする超音波探傷方法。
超音波を用いて検査材の内部及び表層の欠陥を検出する超音波探傷装置であって、
超音波探触子を前記検査材の外部に配置し、前記検査材に対する前記超音波探触子の位置を変化させながら繰り返し超音波を送受信し、探傷信号を取得する取得手段と、
取得した前記探傷信号の中から欠陥指示を含む前記探傷信号を抽出する抽出手段と、
抽出された前記探傷信号から欠陥反射信号の位相変動量を算出する信号解析手段と、
算出された前記位相変動量と所定の判定基準とを比較して、欠陥の有無を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
鋼材を製造する製造ステップと、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波探傷方法で、前記製造ステップにおいて製造された鋼材の内部及び表層を探傷する探傷ステップと、
を含むことを特徴とする鋼材の製造方法。