JP2023183636A - Ultrasonic inspection method and ultrasonic inspection device - Google Patents

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武 森永
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Abstract

To provide an ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection device that can identify a depth position where a plate material has a defect.SOLUTION: There is provided an ultrasonic inspection method that is implemented in an order of: a measuring process of performing inspection to detect a reflected component by making an ultrasonic wave incident as a burst sine wave in a thickness direction of a plate material S from a surface S1 of the plate material S as an object of inspection while sweeping a frequency of the burst sine wave; a resonance frequency extraction process of extracting, if a plurality of frequencies different from a plate thickness resonance frequency as a resonance frequency corresponding to a plate thickness t of a non-defective plate material S is detected as a resonance frequency at which the reflected component resonates, those frequencies as resonance frequencies of interest; and a defect depth determination process of determining that the plate material has a defect D at a position x of a depth V/2Δf from the surface, where Δf is a difference between two resonance frequencies of interest adjacent along a frequency axis and V is a sound velocity inside the plate material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、超音波検査方法および超音波検査装置に関し、さらに詳しくは、板材の内部に欠陥が存在する深さを特定するための超音波検査方法および超音波検査装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection apparatus, and more particularly to an ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection apparatus for specifying the depth at which a defect exists inside a plate.

金属等よりなる検査対象物において、内部に発生した欠陥を検出する手法として、超音波探傷が広く用いられている。超音波探傷の手法としては、パルスエコー法が一般的に利用されている。パルスエコー法においては、パルス超音波を検査対象物に入射し、検査対象物の内部の欠陥による超音波の反射を検出するものであり、反射成分によって欠陥の存在を検出できるとともに、パルスを入射した後、欠陥による反射成分が検出されるまでの時間によって、欠陥が存在する深さ位置を特定することもできる。しかし、パルスエコー法においては、検査対象物の表面および底面の近傍に、欠陥が生じていても検出することができない不感帯が生じる。検査対象物が薄い板材である場合には、板厚において不感帯が占める割合が大きくなり、特に板厚が小さい場合には、厚さ方向の全域が不感帯となってしまう。よって、薄い板材に対してパルスエコー法を適用する場合には、欠陥が存在しても検出できない可能性がある。 BACKGROUND ART Ultrasonic flaw detection is widely used as a method for detecting defects occurring inside an object to be inspected made of metal or the like. As a method of ultrasonic flaw detection, pulse echo method is generally used. In the pulse echo method, pulsed ultrasonic waves are applied to the object to be inspected, and the reflection of the ultrasonic waves by defects inside the object is detected. After that, the depth position where the defect exists can be specified based on the time taken until the reflected component due to the defect is detected. However, in the pulse echo method, dead zones occur near the surface and bottom of the object to be inspected, where defects cannot be detected even if they occur. When the object to be inspected is a thin plate material, the dead zone occupies a large proportion of the thickness of the plate, and especially when the thickness of the plate is small, the entire area in the thickness direction becomes the dead zone. Therefore, when applying the pulse echo method to a thin plate material, there is a possibility that defects cannot be detected even if they exist.

薄い板材に対して超音波探傷を行う方法の1つとして、非特許文献1に説明されている方法等、ガイド波(板波)を用いる方法がある。ガイド波は、板材内でのモード変換により生じ、板材の面に沿った方向に波束が伝播する成分である。ガイド波は、拡散損失の影響が少なく、長距離を伝播可能であり、その伝播経路の途中に欠陥が存在していれば、反射の発生によって検知することができる。また、薄い板材に対して超音波探傷を行う別の方法として、局部共振法が挙げられる。局部共振法においては、板材の厚さ方向に、バースト波を入射する。バースト波の周波数を、板材の板厚と音速から定まる共振周波数に合わせておけば、欠陥のない健全部では、板材の表面と底面の間で共振が起こる一方、内部に欠陥が存在する不健全部では、共振が起こらないか、弱くなる。板材の面に沿って、バースト波を入射する位置を変化させながら、共振の有無を識別し、共振が起こらない位置を検知すれば、その位置の内部に欠陥が存在することを特定できる。バースト波を用いた超音波探傷は、特許文献1,2等に開示されている。 One of the methods of performing ultrasonic flaw detection on a thin plate material is a method using guided waves (plate waves), such as the method described in Non-Patent Document 1. Guided waves are generated by mode conversion within the plate material, and are components in which a wave packet propagates in a direction along the surface of the plate material. Guided waves are less affected by diffusion loss and can propagate over long distances, and if a defect exists along its propagation path, it can be detected by the occurrence of reflection. Furthermore, another method for performing ultrasonic flaw detection on thin plate materials is the local resonance method. In the local resonance method, a burst wave is applied in the thickness direction of the plate material. If the frequency of the burst wave is adjusted to the resonant frequency determined from the thickness of the board and the speed of sound, resonance will occur between the surface and bottom of the board in a healthy part with no defects, while resonance will occur in an unhealthy part with defects inside. In some areas, resonance does not occur or is weak. By identifying the presence or absence of resonance while changing the incident position of the burst wave along the surface of the plate, and detecting a position where no resonance occurs, it is possible to identify the presence of a defect within that position. Ultrasonic flaw detection using burst waves is disclosed in Patent Documents 1, 2, and the like.

特開2012-068209号公報Japanese Patent Application Publication No. 2012-068209 特開2008-107101号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-107101

黒石卓司ら、「5mから15mの配管探傷が瞬時に行える”ガイド波による探傷監視システム”」三菱重工技報 第42巻、第3号、138-141頁(2005年)Takuji Kuroishi et al., “Guided wave flaw detection monitoring system that can instantly detect pipe flaws from 5 m to 15 m”, Mitsubishi Heavy Industries Technical Report, Vol. 42, No. 3, pp. 138-141 (2005)

上記のように、ガイド波やバースト波を用いて超音波探傷を行えば、薄い板材においても、内部の欠陥を検出することが可能となる。しかし、それらの方法を用いる場合には、板材の面に沿った方向で、欠陥が存在する位置を特定することはできても、板材の厚さ方向に沿って、欠陥が存在している深さ位置を特定することは難しい。板材において、欠陥が存在する深さを特定することは、例えば、欠陥が影響を無視できる深さ位置に存在するのかについての判断や、欠陥を除去するために板材をどの程度の深さまで削ればよいかの見積もりなど、欠陥の取り扱いに関する検討を行ううえで、有益な情報となる。 As described above, if ultrasonic flaw detection is performed using guided waves or burst waves, internal defects can be detected even in thin plates. However, when using these methods, although it is possible to identify the position of the defect along the surface of the plate, it is difficult to identify the depth of the defect along the thickness of the plate. It is difficult to pinpoint the location. Identifying the depth at which a defect exists in a plate material is, for example, determining whether the defect exists at a depth where the effect can be ignored, or how deep the plate material should be cut to remove the defect. This information is useful when considering how to handle defects, such as estimating whether or not they are defective.

本発明が解決しようとする課題は、板材において、欠陥が生じている深さ位置を特定することができる超音波検査方法および超音波検査装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide an ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection apparatus that can specify the depth position where a defect occurs in a plate material.

上記課題を解決するため、本発明にかかる超音波検査方法および超音波検査装置は、以下の構成を有する。
[1]本発明にかかる超音波検査方法は、検査対象の板材の表面から、前記板材の厚さ方向に、超音波を、バースト正弦波として入射し、反射成分を検出する検査を、前記バースト正弦波の周波数を掃引しながら行う計測工程と、前記反射成分において共振が起こる共振周波数として、欠陥のない前記板材の板厚に対応する共振周波数である板厚共振周波数とは異なる周波数が複数検出された場合に、それらの周波数を着目共振周波数として抽出する、共振周波数抽出工程と、周波数軸に沿って隣接する2つの前記着目共振周波数の差分をΔf、前記板材の内部における音速をVとして、前記板材において、表面からの深さがV/2Δfの位置に、欠陥が存在すると判定する、欠陥深さ判定工程と、をこの順に実施するものである。
In order to solve the above problems, an ultrasonic inspection method and an ultrasonic inspection apparatus according to the present invention have the following configuration.
[1] The ultrasonic inspection method according to the present invention includes an inspection in which ultrasonic waves are incident as a burst sine wave from the surface of a plate material to be inspected in the thickness direction of the plate material, and reflected components are detected. A measurement process is performed while sweeping the frequency of a sine wave, and multiple frequencies are detected as resonance frequencies at which resonance occurs in the reflected component, which are different from the plate thickness resonance frequency, which is a resonance frequency corresponding to the thickness of the plate without defects. , a resonant frequency extraction step in which those frequencies are extracted as a resonant frequency of interest, and the difference between the two adjacent resonant frequencies of interest along the frequency axis is Δf, and the speed of sound inside the plate material is V, In the plate material, a defect depth determination step of determining that a defect exists at a position whose depth from the surface is V/2Δf is carried out in this order.

[2]上記[1]の態様において、前記計測工程に先立って、前記板厚共振周波数を有するバースト正弦波を、前記板材の表面から前記板材の厚さ方向に入射し、反射成分において共振が起こるか否かを判定する検査を、前記板材の表面に沿って位置を変えながら行い、共振が起こらない、または共振が弱くなった位置が存在すると、その位置の内部に欠陥が存在すると判定する欠陥探索工程を実施し、前記欠陥探索工程で、内部に欠陥が存在すると判定された位置が存在すると、その位置において、前記計測工程、共振周波数抽出工程、欠陥深さ判定工程を実施し、前記欠陥の深さ位置を評価するとよい。 [2] In the aspect of [1] above, prior to the measurement step, a burst sine wave having the plate thickness resonance frequency is applied from the surface of the plate material in the thickness direction of the plate material, and resonance occurs in the reflected component. An inspection to determine whether or not resonance occurs is performed while changing positions along the surface of the plate material, and if there is a position where resonance does not occur or where resonance is weak, it is determined that a defect exists inside that position. A defect searching step is carried out, and if there is a position where it is determined that a defect is present in the defect searching step, the measuring step, the resonant frequency extraction step, and the defect depth determining step are carried out at that position; It is recommended to evaluate the depth position of the defect.

[3]上記[1]または[2]の態様において、前記共振周波数抽出工程において、前記反射成分に対して、強制励振が低減された後の時間領域に解析ゲートを設け、前記解析ゲートの中で、共振が起こっているか否かの判定を行い、前記解析ゲートの開始時間を、前記周波数の掃引に伴って変更するとよい。 [3] In the aspect of [1] or [2] above, in the resonance frequency extraction step, an analysis gate is provided in the time domain after forced excitation is reduced for the reflection component, and Then, it is preferable to determine whether resonance is occurring or not, and change the start time of the analysis gate in accordance with the frequency sweep.

[4]本発明にかかる超音波検査装置は、超音波を、バースト正弦波として発生させるとともに、検出することができる検査部と、前記検査部にて発生させる前記バースト正弦波の周波数を掃引する掃引部と、前記検査部での検出結果から、共振周波数の抽出と分析を行う解析部と、を有し、上記[1]から[3]の態様のいずれか1つの超音波検査方法を実施するものである。 [4] The ultrasonic inspection apparatus according to the present invention includes an inspection section capable of generating and detecting ultrasonic waves as burst sine waves, and sweeping the frequency of the burst sine waves generated in the inspection section. It has a sweep section and an analysis section that extracts and analyzes a resonance frequency from the detection results of the inspection section, and carries out any one of the ultrasonic inspection methods according to the above aspects [1] to [3]. It is something to do.

上記[1]の発明にかかる超音波検査方法においては、計測工程にて、バースト正弦波の板材への入射と、反射成分の検出を、周波数を掃引しながら行い、共振周波数抽出工程において、板厚に対応する板厚共振周波数以外の共振周波数を着目共振周波数として抽出する。この着目共振周波数におけるバースト正弦波の共振は、板材の内部に存在する欠陥によって生じるものである。よって、共振周波数を検出することで、板材の内部の欠陥を検出することができる。さらに、着目共振周波数における共振は、板材の表面と欠陥の間での定在波の発生によるものであり、その着目共振周波数は、xを欠陥の深さ位置、nを自然数として、2x/nとなる。このことから、欠陥深さ判定工程において算出されるように、2つの隣接する着目共振周波数(nに対応する共振周波数とn+1に対応する共振周波数)の差分をΔf、板材の内部における音速をVとした場合に、x=V/2Δfとして、欠陥の深さxを特定することができる。このように、薄い板材であっても、バースト正弦波の周波数を掃引し、検出された共振周波数を分析することで、欠陥の存在の検出に加え、その欠陥の深さ位置の特定を行うことができる。 In the ultrasonic inspection method according to the invention [1] above, in the measurement step, the burst sine wave is incident on the plate material and the reflected component is detected while sweeping the frequency, and in the resonant frequency extraction step, the A resonance frequency other than the plate thickness resonance frequency corresponding to the thickness is extracted as a resonance frequency of interest. The resonance of the burst sine wave at this resonant frequency of interest is caused by a defect existing inside the plate material. Therefore, by detecting the resonant frequency, defects inside the plate can be detected. Furthermore, the resonance at the resonant frequency of interest is due to the generation of standing waves between the surface of the plate and the defect, and the resonant frequency of interest is 2x/n, where x is the depth position of the defect and n is a natural number. becomes. From this, as calculated in the defect depth determination step, the difference between two adjacent resonant frequencies of interest (the resonant frequency corresponding to n and the resonant frequency corresponding to n+1) is Δf, and the sound velocity inside the plate is V. In this case, the depth x of the defect can be specified by setting x=V/2Δf. In this way, even in thin plate materials, by sweeping the frequency of the burst sine wave and analyzing the detected resonance frequency, it is possible to not only detect the presence of defects but also identify the depth position of the defects. Can be done.

上記[2]の態様においては、欠陥探索工程において、周波数を固定したバースト正弦波を用いて、板材の表面の様々な位置で、欠陥の有無を検査したうえで、欠陥が存在すると判定された位置で、欠陥の深さ位置の特定を行っている。欠陥探索工程においては、板厚共振周波数で検査を行っており、欠陥の存在しない健全部では共振が起こる一方、内部に欠陥が存在する不健全部では共振が起こらない、または弱くなるため、板材の面に沿った広い領域において、欠陥の有無を特定し、さらに、板材の面内方向のどの位置に欠陥が存在するのかを明らかにすることができる。そのようにして、面内方向で欠陥の存在を特定した位置で、周波数の掃引を含んで、欠陥の深さ位置を特定することになる。そのため、板材における欠陥の有無、欠陥の面内方向の位置、深さ方向の位置の各情報を、効率的に取得することができる。 In the aspect [2] above, in the defect search step, a burst sine wave with a fixed frequency is used to inspect the presence or absence of defects at various positions on the surface of the plate material, and it is determined that a defect exists. The depth position of the defect is determined by the position. In the defect detection process, inspection is performed using the plate thickness resonance frequency, and while resonance occurs in healthy areas with no defects, resonance does not occur or is weak in unhealthy areas with internal defects. It is possible to identify the presence or absence of a defect in a wide area along the surface of the plate, and also to clarify where the defect exists in the in-plane direction of the plate material. In this way, the depth position of the defect is determined by frequency sweeping at the position where the presence of the defect is identified in the in-plane direction. Therefore, it is possible to efficiently acquire information regarding the presence or absence of defects in the plate material, the position of the defects in the in-plane direction, and the position of the defects in the depth direction.

上記[3]の態様においては、共振周波数抽出工程において、強制励振が低減された後の時間領域に解析ゲートを設けて、共振の有無の判定を行うため、強制励振の影響を避けて、共振の有無を判定することができる。強制励振は、板材の表面および底面での超音波の反射に伴うものであり、入射するバースト正弦波の周波数を掃引するのに伴い、強制励振が出現する時間領域が変化する。そこで、共振の有無を判定する解析ゲートの開始時間を、周波数の掃引に伴って変更することで、各周波数において、強制励振が十分に低減されてから、共振の有無の判定を行うことができる。 In the aspect [3] above, in the resonant frequency extraction process, an analysis gate is provided in the time domain after forced excitation is reduced to determine the presence or absence of resonance. It is possible to determine the presence or absence of Forced excitation is accompanied by reflection of ultrasonic waves on the surface and bottom of the plate material, and as the frequency of the incident burst sine wave is swept, the time domain in which forced excitation appears changes. Therefore, by changing the start time of the analysis gate that determines the presence or absence of resonance as the frequency is swept, the presence or absence of resonance can be determined after the forced excitation has been sufficiently reduced at each frequency. .

上記[4]の発明にかかる超音波検査装置は、バースト正弦波の発生と検出を行う検査部と、検査部にて発生させるバースト正弦波の周波数を掃引する掃引部と、検査部で得られた結果から共振周波数の抽出と分析を行う解析部を有しており、上記[1]~[3]の態様の超音波検査方法を実施し、板材において欠陥が生じている深さ位置を特定するのに、適した装置となる。 The ultrasonic inspection apparatus according to the invention [4] above includes an inspection section that generates and detects a burst sine wave, a sweep section that sweeps the frequency of the burst sine wave generated in the inspection section, and an inspection section that generates a burst sine wave. It has an analysis section that extracts and analyzes the resonance frequency from the results, and implements the ultrasonic inspection method of aspects [1] to [3] above to identify the depth position where defects occur in the plate material. It is a suitable device for

本発明の一実施形態にかかる超音波検査装置の概略を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an outline of an ultrasonic testing apparatus according to an embodiment of the present invention. 欠陥を有する板材における超音波の挙動を説明する図である。It is a figure explaining the behavior of the ultrasonic wave in the board material which has a defect. バースト波を入射した際に検出される反射波の波形を説明する図であり、(a)は共振が起こっている場合、(b)は共振が起こっていない場合を示している。FIG. 3 is a diagram illustrating the waveform of a reflected wave detected when a burst wave is incident, in which (a) shows a case where resonance occurs, and (b) shows a case where resonance does not occur. 欠陥が生じている箇所において検出される共振周波数を示す模式図である。共振が起こる周波数を縦棒にて表示している。FIG. 3 is a schematic diagram showing a resonance frequency detected at a location where a defect occurs. The frequency at which resonance occurs is indicated by a vertical bar. 実施例で使用した試料の構造を示す図である。It is a figure showing the structure of the sample used in an example. 実施例で検出された反射波の波形の例を示している。(a)は健全部で共振が起こっている状態(周波数:10.7MHz)、(b)は肉厚2.0mmの人工欠陥の箇所で共振が起こっていない状態(周波数:10.7MHz)、(c)はその人工欠陥の箇所で共振が起こっている状態(周波数:11.4MHz)を示している。An example of the waveform of a reflected wave detected in the example is shown. (a) shows a state in which resonance occurs in a healthy part (frequency: 10.7 MHz), (b) shows a state in which resonance does not occur in an artificial defect with a wall thickness of 2.0 mm (frequency: 10.7 MHz), (c) shows a state where resonance occurs (frequency: 11.4 MHz) at the location of the artificial defect. 周波数を10.7MHzに固定して、試料表面全域に対して探傷検査を行って得られた、反射成分の強度の分布を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the distribution of intensity of reflected components obtained by performing flaw detection on the entire sample surface with the frequency fixed at 10.7 MHz.

以下に、本発明の実施形態にかかる超音波検査方法および超音波検査装置について説明する。本発明の一実施形態にかかる超音波検査方法は、板材において、欠陥が存在する深さ位置を特定するものであり、本発明の一実施形態にかかる超音波検査装置を用いて、実行することができる。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the ultrasonic inspection method and ultrasonic inspection apparatus concerning embodiment of this invention are demonstrated. An ultrasonic inspection method according to an embodiment of the present invention is for identifying the depth position where a defect exists in a plate material, and can be carried out using an ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention. Can be done.

[検査の対象]
検査の対象とする板材の材質は、特に限定されるものではないが、金属の板材を好適な検査対象とすることができる。板材の厚さは、特に限定されるものではないが、パルスエコー法による超音波探傷では、欠陥の検知を行えない程度に薄いものであることが好ましい。欠陥の種類も、板材の内部に形成され、板材に入射した超音波の少なくとも一部を反射するものであれば、特に限定されるものではないが、板材が金属よりなる場合に、欠陥として、内部の損傷、析出物等の不純物、材料の変形等を挙げることができる。
[Target of inspection]
Although the material of the plate material to be inspected is not particularly limited, a metal plate material can be suitably inspected. The thickness of the plate material is not particularly limited, but it is preferably thin enough that defects cannot be detected by ultrasonic flaw detection using the pulse echo method. The type of defect is not particularly limited as long as it is formed inside the plate material and reflects at least a portion of the ultrasonic waves incident on the plate material, but if the plate material is made of metal, defects include: Examples include internal damage, impurities such as precipitates, and material deformation.

[超音波検査装置]
本発明の一実施形態にかかる超音波検査装置について説明する。図1に、本実施形態にかかる超音波検査装置1の概略を示す。超音波検査装置1は、検査部としての探触子2と、掃引部としての周波数スキャナ3と、解析部としてのコンピュータ4を備えている。
[Ultrasonic inspection device]
An ultrasonic inspection apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 schematically shows an ultrasonic testing apparatus 1 according to this embodiment. The ultrasonic inspection apparatus 1 includes a probe 2 as an inspection section, a frequency scanner 3 as a sweep section, and a computer 4 as an analysis section.

探触子2は、超音波の送信と受信を行うことができるセンサプローブであり、本実施形態においては、超音波をバースト正弦波B(以下、単に「バースト波」と称する場合がある)として発生させ、検出できる形態のものを使用する。以下では、検査部として、検査対象の板材Sの表面S1からバースト波Bを入射し、底面S2で反射した反射成分を検出する形態の探触子2を用いる場合について説明しており、装置構成および検査工程の簡素性の観点等から、その形態が好ましいが、板材Sの底面S2の外側で、透過成分を検出する形態で、検査部を構成してもよい。 The probe 2 is a sensor probe that can transmit and receive ultrasonic waves, and in this embodiment, the ultrasonic waves are transmitted as a burst sine wave B (hereinafter sometimes simply referred to as a "burst wave"). Use a form that can be generated and detected. In the following, a case will be described in which a probe 2 is used as the inspection section, which is configured to inject a burst wave B from the surface S1 of the plate material S to be inspected and detect the reflected component reflected from the bottom surface S2, and the device configuration Although this form is preferable from the viewpoint of simplicity of the inspection process, the inspection section may be configured to detect the transmitted component outside the bottom surface S2 of the plate material S.

周波数スキャナ3は、探触子2にて発生させるバースト正弦波Bの周波数を掃引する。つまり、バースト正弦波Bの周波数を、所定の範囲内で、所定の刻みにて変化させる。周波数スキャナ3で波長を掃引しながら探触子2による検査を行うことで、周波数の異なるバースト波Bを入射した際の検出結果を用いて解析を行うことができる。 The frequency scanner 3 sweeps the frequency of the burst sine wave B generated by the probe 2. That is, the frequency of the burst sine wave B is changed within a predetermined range at predetermined increments. By performing inspection with the probe 2 while sweeping the wavelength with the frequency scanner 3, analysis can be performed using the detection results when burst waves B of different frequencies are incident.

コンピュータ4は、検査部における検出結果、つまり検出した超音波の波形を示す検出信号を入力され、その検出結果から、後に超音波検査方法について詳しく説明するように、共振周波数の抽出と分析を行う。そして、分析結果から、検査対象の板材Sにおける欠陥の有無の判定、および欠陥の位置の特定を行う。また、コンピュータ4は、周波数スキャナ3や、次に説明する移動部5等、超音波検査装置1を構成する各種装置の制御を行うことができる。 The computer 4 is inputted with the detection result in the inspection section, that is, a detection signal indicating the waveform of the detected ultrasonic wave, and extracts and analyzes the resonance frequency from the detection result, as will be explained in detail later regarding the ultrasonic inspection method. . Then, based on the analysis results, it is determined whether or not there is a defect in the plate material S to be inspected, and the position of the defect is specified. Further, the computer 4 can control various devices constituting the ultrasonic inspection apparatus 1, such as the frequency scanner 3 and the moving unit 5 described below.

超音波検査装置1は、探触子2,周波数スキャナ3,コンピュータ4に加えて、移動部5、水槽(図略)等、他の部材を備えてもよい。移動部5は、探触子2を、検査対象の板材Sの表面S1に沿って、相対移動させるものである。移動部5により、板材Sの表面S1の様々な箇所で、探触子2による超音波検査を行うことができる。図示した形態では、固定した板材Sに対して、移動部5によって探触子2を移動させているが、探触子2を固定し、板材Sを移動させる形態であってもよい。水槽は、貯留した水の中に板材Sおよび探触子2を浸漬し、水浸法にて超音波検査を行うのに、用いることができる。 In addition to the probe 2, the frequency scanner 3, and the computer 4, the ultrasonic inspection apparatus 1 may include other members such as a moving section 5 and a water tank (not shown). The moving unit 5 relatively moves the probe 2 along the surface S1 of the plate material S to be inspected. The moving unit 5 allows ultrasonic inspection using the probe 2 to be performed at various locations on the surface S1 of the plate material S. In the illustrated embodiment, the probe 2 is moved by the moving unit 5 with respect to the fixed plate S, but the probe 2 may be fixed and the plate S moved. The water tank can be used to perform an ultrasonic test using a water immersion method by immersing the plate material S and the probe 2 in stored water.

[超音波検査方法]
次に、上記の超音波検査装置1を用いて実施される、本発明の一実施形態にかかる超音波検査方法について説明する。本実施形態にかかる超音波検査方法においては、(1)欠陥探索工程を任意ではあるが実施したうえで、(2)計測工程、(3)共振周波数抽出工程、(4)欠陥深さ判定工程を、この順に実施する。以下、各工程について説明する。
[Ultrasonic testing method]
Next, an ultrasonic inspection method according to an embodiment of the present invention, which is carried out using the above-mentioned ultrasonic inspection apparatus 1, will be described. In the ultrasonic inspection method according to the present embodiment, (1) a defect search step is optionally performed, and then (2) a measurement step, (3) a resonance frequency extraction step, and (4) a defect depth determination step. Execute in this order. Each step will be explained below.

(1)欠陥探索工程
欠陥探索工程においては、欠陥の有無および位置が未知の板材Sに対して、欠陥の有無を判定するとともに、欠陥が存在する場合に、板材Sの面内方向における欠陥の存在位置を特定する。
(1) Defect search process In the defect search process, the presence or absence of a defect is determined for the plate material S whose presence or absence and location of the defect are unknown, and if a defect exists, the defect is detected in the in-plane direction of the plate material S. Identify the location.

欠陥探索工程においては、周波数を固定したバースト波Bによる超音波検査を、板材Sの表面S1の複数の位置において行う。具体的には、板材Sの表面S1から、板材Sの厚さ方向に、バースト波Bを入射し、反射成分の検出を行う検査を、移動部5によって探触子2を板材Sの表面S1に沿って移動させながら、板材Sの表面S1の広い領域の各位置で行う。 In the defect search step, ultrasonic inspection using a burst wave B with a fixed frequency is performed at a plurality of positions on the surface S1 of the plate material S. Specifically, a burst wave B is incident in the thickness direction of the plate material S from the surface S1 of the plate material S, and a reflected component is detected. This is carried out at each position in a wide area of the surface S1 of the plate material S while moving along the same direction.

バースト波Bの周波数は、欠陥のない板材Sの板厚に対応する共振周波数としておく。つまり、図2に示す健全部P1のように、板材Sに欠陥が生じていない領域において、板材Sの表面S1と底面S2の間で共振が起こり、定在波Wが発生する周波数としておく。この共振周波数を、以降、板厚共振周波数F(F,F,F,…)と称する。定在波Wは、入射したバースト波Bの半波長の整数倍が板厚に等しくなる条件で生じるため、板厚共振周波数Fは、tを板厚、Vを板材Sの内部における音速、nを自然数として、以下の式(1)によって表される。
F=nV/2t (1)
板厚共振周波数Fは、上記式(1)を用いた計算によって定めても、実測によって定めても、いずれでもよい。実測による場合には、健全部P1に対して、周波数スキャナ3を用いて周波数を掃引しながら、探触子2による検査を行い、共振が起こる周波数を特定すればよい。
The frequency of the burst wave B is set to a resonant frequency corresponding to the thickness of the plate material S without defects. In other words, the frequency is set such that resonance occurs between the surface S1 and the bottom surface S2 of the plate S in a region where the plate S has no defects, such as a sound part P1 shown in FIG. 2, and a standing wave W is generated. This resonant frequency will be hereinafter referred to as plate thickness resonant frequency F (F 1 , F 2 , F 3 , . . . ). Since the standing wave W is generated under the condition that an integer multiple of the half wavelength of the incident burst wave B is equal to the plate thickness, the plate thickness resonance frequency F is calculated as follows: t is the plate thickness, V is the sound velocity inside the plate S, and n is expressed by the following equation (1), where is a natural number.
F=nV/2t (1)
The plate thickness resonance frequency F may be determined by calculation using the above formula (1) or by actual measurement. In the case of actual measurement, the sound part P1 may be inspected with the probe 2 while sweeping the frequency using the frequency scanner 3 to identify the frequency at which resonance occurs.

板厚共振周波数Fを有するバースト波Bを板材Sに入射すると、図2に示すように、健全部P1においては、共振が起こる。しかし、内部に欠陥Dが存在する不健全部P2では、共振が起こらない、あるいは共振が弱くなる(以下、「共振が起こらない」とまとめて称する)。厳密には、少なくとも一部のn値において、共振が起こらなくなる。 When a burst wave B having a plate thickness resonance frequency F is incident on the plate S, resonance occurs in the healthy portion P1, as shown in FIG. However, in the unhealthy part P2 where the defect D exists inside, resonance does not occur or resonance becomes weak (hereinafter collectively referred to as "no resonance"). Strictly speaking, resonance does not occur for at least some n values.

よって、探触子2を板材Sの表面S1に沿って移動させながら、板厚共振周波数Fでの検査を行った場合に、健全部P1では、共振が発生し、図3(a)の解析ゲートGにおいて見られるように、高強度の反射成分が出現するのに対し、不健全部P2では、図3(b)の解析ゲートGにおいて見られるように、共振が起こらず、反射成分が低強度でしか出現しない。図3(a),(b)は、反射成分の音圧の時間変化の波形を示しており、板材Sの表面S1および底面S2での反射に由来する高強度の強制励振(領域R1)が低減された後、自由振動(領域R2)が起こる時間に、信号検出を行う解析ゲートGを設けている。この自由振動領域R2での反射成分の強度が、共振の有無を反映する。 Therefore, when an inspection is performed at the plate thickness resonance frequency F while moving the probe 2 along the surface S1 of the plate S, resonance occurs in the healthy part P1, and the analysis shown in FIG. 3(a) As seen in the gate G, a high-intensity reflected component appears, whereas in the unhealthy part P2, as seen in the analysis gate G in FIG. 3(b), resonance does not occur and the reflected component is low. It only appears with intensity. 3(a) and (b) show the waveform of the time change of the sound pressure of the reflected component, and the high-intensity forced excitation (region R1) originating from the reflection at the surface S1 and bottom surface S2 of the plate material S is shown in FIG. After the reduction, an analysis gate G is provided to detect a signal at a time when free vibration (region R2) occurs. The intensity of the reflected component in this free vibration region R2 reflects the presence or absence of resonance.

このように、板材Sに入射するバースト波Bの周波数を板厚共振周波数Fに固定して、反射成分を検出する検査を行うことで、板材Sの表面S1において、共振が起こっている位置は、欠陥Dが存在しない健全部P1となっている一方、共振が起こらない位置は、内部に欠陥Dが存在する不健全部P2となっていると判定することができる。よって、板材Sの表面S1の各位置で検査を行うことで、欠陥Dの有無の判定、および板材Sの面内における欠陥Dの位置の特定を行うことができる。位置の特定は、探触子2から出射されるバースト波Bのスポット径と同程度の空間分解能で行うことができる。 In this way, by fixing the frequency of the burst wave B incident on the plate material S to the plate thickness resonance frequency F and performing an inspection to detect the reflected component, the position where resonance is occurring on the surface S1 of the plate material S can be determined. , it can be determined that the position where the defect D does not exist is a healthy part P1, while the position where resonance does not occur is an unhealthy part P2 where the defect D exists inside. Therefore, by inspecting each position on the surface S1 of the plate material S, it is possible to determine the presence or absence of the defect D and to specify the position of the defect D within the plane of the plate material S. The position can be identified with a spatial resolution comparable to the spot diameter of the burst wave B emitted from the probe 2.

この欠陥探索工程において、板材Sにおいて欠陥Dが存在する位置が表面S1の面内で特定されると、その特定した位置において、後続の(2)~(4)の各工程を実施し、欠陥Dの深さ方向の位置を評価する。これにより、板材Sの表面S1において、欠陥Dが存在することが明らかになっている位置に対してのみ、後続工程を実施すればよいので、板材Sにおける欠陥Dの有無の評価、および面内方向と深さ方向の両方における欠陥Dの位置の特定を、効率的に実施することができる。なお、板材Sの製造上の特性や、他の検査の結果により、板材Sにおいて欠陥Dが生じている位置が既知である場合には、欠陥探索工程を省略し、その既知の位置において、欠陥Dの深さ位置の特定を行えばよい。また、板材Sの面積が小さい場合等には、欠陥探索工程を省略し、板材Sの表面S1の複数の位置のそれぞれにおいて、次に述べる(2)~(4)の検査を実施し、欠陥Dの有無と深さ位置の特定を行うようにしてもよい。 In this defect search step, when the position where the defect D exists in the plate material S is specified within the plane of the surface S1, the subsequent steps (2) to (4) are carried out at the specified position, and the defect Evaluate the position of D in the depth direction. As a result, on the surface S1 of the plate material S, it is only necessary to perform the subsequent process on the position where the defect D is known to exist. The position of the defect D can be efficiently identified in both the direction and the depth direction. In addition, if the position where the defect D occurs in the plate material S is known based on the manufacturing characteristics of the plate material S or the results of other inspections, the defect search step is omitted and the defect is detected at the known position. What is necessary is to specify the depth position of D. In addition, in cases where the area of the plate material S is small, etc., the defect detection step is omitted, and the following inspections (2) to (4) are performed at each of a plurality of positions on the surface S1 of the plate material S to detect defects. The presence or absence of D and the depth position may also be specified.

(2)計測工程
次に、上記の欠陥探索工程によって、内部に欠陥Dが存在する不健全部P2であることが明らかになった位置において、欠陥Dの深さ位置を特定するために、計測工程を実施する。
(2) Measurement process Next, in the position where the defect D is revealed to be the unhealthy part P2 in which the defect D exists in the above defect search process, measurement is carried out in order to specify the depth position of the defect D. Implement the process.

計測工程においては、板材Sの厚さ方向にバースト波Bを入射し、反射成分を検出する検査を、バースト波Bの周波数を掃引しながら行う。つまり、不健全部P2の表面S1に探触子2を配置し、周波数スキャナ3によってバースト波Bを構成する正弦波の周波数を掃引しながら、探触子2によるバースト波Bの発生と検出を行う。計測工程で得られた計測結果は、入射波の周波数ごとに、検出された超音波の波形を示す検出信号として得られ、コンピュータ4に入力される。 In the measurement process, a burst wave B is applied in the thickness direction of the plate material S, and an inspection is performed to detect a reflected component while sweeping the frequency of the burst wave B. In other words, the probe 2 is placed on the surface S1 of the unhealthy part P2, and the frequency scanner 3 sweeps the frequency of the sine wave that constitutes the burst wave B, while the probe 2 generates and detects the burst wave B. conduct. The measurement results obtained in the measurement step are obtained as detection signals indicating the waveform of the detected ultrasonic waves for each frequency of the incident wave, and are input to the computer 4.

(3)共振周波数抽出工程
次に、計測工程で得られた計測結果に基づき、コンピュータ4にて、共振が起こっている周波数の抽出を行う。
(3) Resonant frequency extraction step Next, based on the measurement results obtained in the measurement step, the computer 4 extracts the frequency at which resonance occurs.

周波数を掃引しながら検査を行う計測工程において、ある周波数にて共振が起こると、周波数を固定した欠陥探索工程について図3(a)に示したのと同様に、反射成分の強度が大きくなる。一方、共振が起こっていない場合には、図3(b)に示したのと同様に、反射成分の強度が小さい状態に留まる。そこで、共振周波数抽出工程においても、欠陥探索工程と同様に、反射成分の強度に基づいて、共振の有無を判定する。この共振の有無の判定を、周波数ごとに行い、共振が起こっている周波数を抽出する。 When resonance occurs at a certain frequency in a measurement process in which inspection is performed while sweeping the frequency, the intensity of the reflected component increases, as shown in FIG. 3(a) in the defect search process in which the frequency is fixed. On the other hand, when resonance is not occurring, the intensity of the reflected component remains small, as shown in FIG. 3(b). Therefore, in the resonance frequency extraction step as well, the presence or absence of resonance is determined based on the intensity of the reflected component, similarly to the defect search step. The presence or absence of this resonance is determined for each frequency, and the frequency at which resonance occurs is extracted.

板材Sの表面S1において計測工程を実施した位置は、先の欠陥探索工程によって、内部に欠陥Dが生じている不健全部P2であることが判明しており、欠陥Dは、超音波を反射する。よって、このような不健全部P2にバースト波Bを入射すると、図2に示すように、板材Sの表面S1と欠陥Dとの間に、定在波W’が発生し、共振が起こる可能性がある。定在波W’は、半波長の整数倍が、板材Sの表面S1と欠陥Dとの距離xに等しくなる条件で選択的に生じるため、計測工程において、バースト波Bの周波数を掃引しながら反射成分を計測した計測結果において、特定の周波数でのみ、共振が生じることになる。この共振周波数を、着目共振周波数f(f,f,f,…)と称することにする。着目共振周波数fは、nを自然数として、以下の式(2)によって表される。
f=nV/2x (2)
The position at which the measurement process was performed on the surface S1 of the plate material S was found to be an unhealthy part P2 in which a defect D has occurred inside due to the previous defect search process, and the defect D reflects ultrasonic waves. do. Therefore, when a burst wave B is incident on such an unhealthy part P2, a standing wave W' is generated between the surface S1 of the plate material S and the defect D, as shown in FIG. 2, and resonance may occur. There is sex. Since the standing wave W' is selectively generated under the condition that an integral multiple of the half wavelength is equal to the distance x between the surface S1 of the plate material S and the defect D, the standing wave W' is generated while sweeping the frequency of the burst wave B in the measurement process. In the measurement results of the reflected components, resonance occurs only at specific frequencies. This resonant frequency will be referred to as a resonant frequency of interest f (f 1 , f 2 , f 3 , . . . ). The resonant frequency f of interest is expressed by the following equation (2), where n is a natural number.
f=nV/2x (2)

着目共振周波数fと板厚共振周波数Fは相互に異なっている。これは、式(1)と式(2)が、分母にtが含まれるかxが含まれるかで相違している点にも現れており、x<tであることから、自然数n(定在波の腹の数)が同じであれば、着目共振周波数fの方が板厚共振周波数Fよりも高くなる(f>F)。つまり、欠陥Dが存在している箇所においては、周波数を掃引した際に、共振周波数として、板厚共振周波数Fとは異なる周波数に、着目共振周波数fが生じることになる。厳密には、少なくとも一部の着目共振周波数fが、板厚共振周波数Fとは異なる周波数に生じることになる。図4に、欠陥Dが生じている不健全部P2にて観測される共振周波数を示す。ここでは横軸を周波数とし、共振が出現する位置に縦棒を表示している。図示したとおり、欠陥Dでの反射に伴い、n=1,2,…に対応する着目共振周波数f,f,…に、離散的に共振が生じる。着目共振周波数fは、等間隔に出現する。一方、不健全部P2では、板厚共振周波数F(F,F,…)には共振は生じない。 The resonant frequency f of interest and the plate thickness resonant frequency F are different from each other. This is also reflected in the difference between equations (1) and (2) depending on whether the denominator includes t or x, and since x<t, the natural number n (constant If the number of antinodes of existing waves is the same, the resonant frequency f of interest is higher than the plate thickness resonant frequency F (f n >F n ). That is, in the location where the defect D exists, when the frequency is swept, the resonant frequency f of interest occurs at a frequency different from the plate thickness resonant frequency F as a resonant frequency. Strictly speaking, at least a portion of the resonant frequency f of interest occurs at a frequency different from the plate thickness resonant frequency F. FIG. 4 shows the resonance frequency observed in the unhealthy portion P2 where the defect D has occurred. Here, the horizontal axis represents frequency, and vertical bars are displayed at positions where resonance appears. As shown in the figure, due to reflection at the defect D, resonance occurs discretely at the resonant frequencies of interest f 1 , f 2 , . . . corresponding to n=1, 2 , . The resonant frequencies f of interest appear at regular intervals. On the other hand, in the unhealthy portion P2, no resonance occurs at the plate thickness resonance frequency F (F 1 , F 2 , . . . ).

このように、共振周波数抽出工程において、板厚共振周波数Fとは異なる着目共振周波数fにおける共振を検出することで、計測工程を実施したその位置の内部に、欠陥Dが生じていることを確認できる。さらに、nの値の異なる複数の着目共振周波数fを抽出すれば、次の欠陥深さ判定工程において、欠陥Dの深さxを特定することができる。 In this way, in the resonance frequency extraction process, by detecting resonance at the focused resonance frequency f, which is different from the plate thickness resonance frequency F, it can be confirmed that the defect D has occurred inside the location where the measurement process was performed. can. Furthermore, by extracting a plurality of resonant frequencies f of interest having different values of n, the depth x of the defect D can be specified in the next defect depth determination step.

ここで、共振周波数抽出工程における共振の有無の判定は、解析ゲートGを設けて行うことが好ましい。欠陥探索工程について、図3を参照しながら説明したのと同様、高強度の強制励振が十分に低下した後の自由振動領域R2に解析ゲートGを設けて、その解析ゲートGの中に収まる計測結果のみを解析に用いることで、強制励振の影響を避けて、続く解析を高精度に実施することができる。ここで、板材Sに入射するバースト波Bの周波数の掃引に伴って、解析ゲートGの開始時間を変更することが好ましい。上記のように、強制励振は、板材Sの表面S1および底面S2でのバースト波Bの反射によるものであり、反射に要する時間が、周波数によって変化することにより、強制励振に由来する反射成分の強度が十分に低下する時間が、周波数によって変わるからである。周波数が高くなるほど、強制励振の強度が早期に低下することになり、解析ゲートGの開始時間を早い時間に設定しても、強制励振の影響を十分に避けることができる。例えば、ゲート開始時間sを、下の式(3)によって設定することができる。
s=m・a/f+b (3)
ここで、mはバースト波Bにおける波数を示す。a,bは定数である。定数bは、表面S1での反射までに要する時間や、探触子2の応答時間等の寄与を含んでいる。
Here, it is preferable to provide an analysis gate G to determine the presence or absence of resonance in the resonance frequency extraction step. Regarding the defect search process, as described with reference to FIG. 3, an analysis gate G is provided in the free vibration region R2 after the high-intensity forced excitation has sufficiently decreased, and measurements that fall within the analysis gate G are performed. By using only the results for analysis, the effects of forced excitation can be avoided and subsequent analyzes can be performed with high accuracy. Here, it is preferable to change the start time of the analysis gate G as the frequency of the burst wave B incident on the plate material S is swept. As mentioned above, forced excitation is due to the reflection of the burst wave B on the surface S1 and bottom surface S2 of the plate material S, and as the time required for reflection changes depending on the frequency, the reflected component originating from forced excitation is This is because the time required for the intensity to sufficiently decrease varies depending on the frequency. The higher the frequency, the earlier the intensity of forced excitation decreases, and even if the start time of the analysis gate G is set early, the influence of forced excitation can be sufficiently avoided. For example, the gate start time s can be set using equation (3) below.
s=m・a/f+b (3)
Here, m indicates the wave number of the burst wave B. a and b are constants. The constant b includes contributions such as the time required for reflection at the surface S1 and the response time of the probe 2.

(4)欠陥深さ判定工程
板材Sにおいて、計測工程を実施した箇所の内部に欠陥Dが生じていれば、先の共振周波数抽出工程において、複数の着目共振周波数fにおける共振が検出される。ここで、複数の着目共振周波数fについて、低周波数側からn番目の共振周波数をf、n+1番目の共振周波数をfn+1とし、それらの共振周波数の差分をΔfとする。この場合に、式(2)を利用して、差分Δfを、以下の式(4)のように表現できる。
Δf=fn+1-f
=(n+1)V/2x-nV/2x
=V/2x (4)
(4) Defect Depth Determination Step In the plate material S, if a defect D occurs inside the location where the measurement step was performed, resonances at a plurality of focused resonance frequencies f are detected in the previous resonance frequency extraction step. Here, regarding the plurality of resonant frequencies f of interest, the n-th resonant frequency from the low frequency side is f n , the n+1-th resonant frequency is f n+1 , and the difference between these resonant frequencies is Δf. In this case, using equation (2), the difference Δf can be expressed as shown in equation (4) below.
Δf=f n+1 - f n
=(n+1)V/2x-nV/2x
=V/2x (4)

さらに、式(4)より、欠陥Dの深さxは、下の式(5)のように表現される。
x=V/2Δf (5)
つまり、図4に示した周波数fとf、また周波数fとfのように、周波数軸に沿って隣接する2つの着目共振周波数fとfn+1を抽出すると、その差分Δfから、式(5)によって、欠陥Dの深さxを特定することができる。具体的には、板材Sにおいて、表面S1からの深さがV/2Δfの位置に、欠陥Dが存在すると判定することができる。
Furthermore, from equation (4), the depth x of defect D is expressed as shown in equation (5) below.
x=V/2Δf (5)
In other words, when two adjacent resonance frequencies f n and f n+1 are extracted along the frequency axis, such as frequencies f 1 and f 2 and frequencies f 2 and f 3 shown in FIG. , the depth x of the defect D can be specified by Equation (5). Specifically, in the plate material S, it can be determined that the defect D exists at a position where the depth from the surface S1 is V/2Δf.

以上のように、本実施形態にかかる超音波検査方法においては、適宜、欠陥探索工程によって、板材Sにおける欠陥Dの有無の評価と、欠陥Dが存在する面内方向の位置の特定を行ったうえで、周波数を掃引しながらバースト波Bを用いた検査を行い、板厚共振周波数Fとは異なる周波数で共振が起こる着目共振周波数fを抽出することで、欠陥Dが存在する深さ位置を特定することができる。これにより、従来のパルスエコー法では不感帯の存在によって十分に探傷が行えなかった薄い板材Sに対しても、欠陥Dの検出を行うことができる。さらに、周波数を固定したバースト波や、ガイド波を用いた探傷とは異なり、欠陥Dの深さ位置まで特定することができる。欠陥Dの深さ位置を特定することで、深さ位置に応じて、欠陥Dの扱いを検討することができる。例えば、金属の板材Sに欠陥Dが形成されているとして、欠陥Dの位置が十分に浅ければ、材料特性に深刻な影響を与えるものではないとして欠陥Dを無視する一方、欠陥Dの位置が深い場合には、板材Sの厚みの一部を削る等、欠陥Dを除去するための対策を行うという判断を実施できる。さらに、欠陥Dを除去する場合に、材料を削るべき厚さの指標を得ることができる。 As described above, in the ultrasonic inspection method according to the present embodiment, the presence or absence of the defect D in the plate material S is evaluated and the position in the in-plane direction where the defect D exists is specified by the defect search process as appropriate. Then, by performing an inspection using burst wave B while sweeping the frequency and extracting the focused resonance frequency f where resonance occurs at a frequency different from the plate thickness resonance frequency F, the depth position where the defect D exists can be determined. can be specified. Thereby, the defect D can be detected even on the thin plate material S, which could not be sufficiently detected by the conventional pulse echo method due to the presence of a dead zone. Furthermore, unlike flaw detection using a burst wave with a fixed frequency or a guided wave, the depth position of the defect D can be specified. By specifying the depth position of the defect D, it is possible to consider how to handle the defect D according to the depth position. For example, if a defect D is formed in a metal plate S, if the position of the defect D is sufficiently shallow, the defect D is ignored as it does not seriously affect the material properties, while the position of the defect D is ignored. If the defect D is deep, a decision can be made to take measures to remove the defect D, such as cutting off part of the thickness of the plate material S. Furthermore, when removing the defect D, it is possible to obtain an index of the thickness to which the material should be removed.

以下に本発明の実施例を示す。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。ここでは、人工的な欠陥を設けた試料に対して、周波数可変のバースト波を用いた超音波検査を行うことで、欠陥の深さを特定できるかを検証した。 Examples of the present invention are shown below. Note that the present invention is not limited to these Examples. Here, we verified whether it was possible to identify the depth of defects by performing ultrasonic inspection using frequency-variable burst waves on samples with artificial defects.

[試験方法]
試料として、図5に示すように、厚さ5mmのアルミニウムの板材に人工欠陥を形成したものを準備した。人工欠陥としては、板材の底面側(下面側)から、断面四角形の溝を形成した。板材の表面から溝の底部(上端部)までの肉厚(以下、単に「肉厚」と称する)を、それぞれ2.5mm、2.0mm、1.5mmとした3種の人工欠陥を作製した。
[Test method]
As a sample, as shown in FIG. 5, an aluminum plate with a thickness of 5 mm in which artificial defects were formed was prepared. As the artificial defect, a groove with a square cross section was formed from the bottom side (lower side) of the plate material. Three types of artificial defects were created in which the wall thickness from the surface of the plate material to the bottom (upper end) of the groove (hereinafter simply referred to as "thickness") was 2.5 mm, 2.0 mm, and 1.5 mm, respectively. .

作製した試料に対して、上記で説明した本発明の実施形態にかかる超音波検査方法に基づく探傷試験を実施した。探傷試験としては、各人工欠陥の位置において、板材の表面側から、バースト正弦波を入射し、反射成分を検出する検査を、バースト正弦波の周波数を掃引しながら行った。探触子としては、振動子径6.4mmのフラット型のものを用いた。周波数の掃引は、7~15MHzの範囲にて、0.1MHz刻みで行った。また、反射波の検出には、2~20MHzのバンドパスフィルターを用いた。検査は水浸法にて行い、水距離は30mmとした。 A flaw detection test based on the ultrasonic inspection method according to the embodiment of the present invention described above was performed on the prepared sample. In the flaw detection test, a burst sine wave was applied from the surface side of the plate material at the position of each artificial defect, and the reflected component was detected while sweeping the frequency of the burst sine wave. A flat type probe with a transducer diameter of 6.4 mm was used as the probe. The frequency sweep was performed in the range of 7 to 15 MHz in 0.1 MHz increments. Furthermore, a 2 to 20 MHz bandpass filter was used to detect reflected waves. The inspection was conducted using the water immersion method, and the water distance was 30 mm.

共振周波数の抽出に際しては、上記式(3)によって、周波数に応じた解析ゲートを設定した。そして、解析ゲート内における検出信号の二乗和平均により、反射成分の強度を求め、その強度の極大値を共振周波数とした。合わせて、参照用に、バースト波の周波数を、板厚共振周波数に相当する10.7MHzに固定して、試料表面全域の各位置において、バースト波を入射して反射成分を検出する探傷検査を行った。 When extracting the resonance frequency, an analysis gate was set according to the frequency using the above equation (3). Then, the intensity of the reflected component was determined by averaging the sum of squares of the detection signal within the analysis gate, and the maximum value of the intensity was determined as the resonance frequency. In addition, for reference, the frequency of the burst wave was fixed at 10.7 MHz, which corresponds to the plate thickness resonance frequency, and a flaw detection test was performed in which the burst wave was applied at each position on the entire sample surface and the reflected components were detected. went.

[試験結果]
まず、周波数を10.7MHzに固定し、試料表面全域に対して探傷検査を行った結果を示す。図6(a),(b)にそれぞれ、人工欠陥が形成されていない健全部と、人工欠陥(肉厚2.0mm)が形成された不健全部において検出された反射成分の波形を示しているが、不健全部において、明らかに、健全部よりも、自由振動領域における振幅が小さくなっており、健全部にて起こっている共振が、不健全部では起こっていないことが確認される。
[Test results]
First, the results of a flaw detection test performed on the entire sample surface with the frequency fixed at 10.7 MHz are shown. Figures 6(a) and (b) show the waveforms of the reflected components detected in a healthy part where no artificial defect is formed and an unhealthy part where an artificial defect (thickness 2.0 mm) is formed, respectively. However, in the unhealthy part, the amplitude in the free vibration region is clearly smaller than in the healthy part, confirming that the resonance occurring in the healthy part does not occur in the unhealthy part.

さらに、図7に、試料表面の各位置における反射成分の強度分布を示している。ここでは、検出強度が高い位置ほど、明るく表示している。図7において、3本の人工欠陥に対応する位置に、筋状の暗い領域が観測されている。これは、図6(a),(b)に示されるように、板厚共振周波数において、健全部では共振が起こるが、人工欠陥が存在する不健全部では共振が起こらないことによる。図7において、3本の人工欠陥はいずれも、類似した強度分布を与えており、この検査の結果からは、人工欠陥の肉厚を区別することはできない。このように、周波数を板厚共振周波数に固定した探傷検査では、人工欠陥の面内方向における位置を特定することはできるが、欠陥の深さ位置に関する情報は得られない。 Furthermore, FIG. 7 shows the intensity distribution of the reflected component at each position on the sample surface. Here, the position where the detection intensity is higher is displayed brighter. In FIG. 7, streak-like dark regions are observed at positions corresponding to the three artificial defects. This is because, as shown in FIGS. 6(a) and 6(b), at the plate thickness resonance frequency, resonance occurs in a healthy part, but no resonance occurs in an unhealthy part where an artificial defect exists. In FIG. 7, all three artificial defects give similar intensity distributions, and the thickness of the artificial defects cannot be distinguished from the results of this inspection. In this manner, in the flaw detection inspection in which the frequency is fixed to the plate thickness resonance frequency, the position of the artificial defect in the in-plane direction can be specified, but information regarding the depth position of the defect cannot be obtained.

次に、人工欠陥が設けられた位置において、バースト波の周波数を掃引しながら行った検査の結果を示す。上記のとおり、図6(b)は、人工欠陥(肉厚2.0mm)の位置で、板厚共振周波数である10.7MHzのバースト波を入射して得られた反射成分の波形を示しているが、自由振動領域の強度が小さくなっており、共振は起こっていない。一方、図6(c)に、同じ人工欠陥の位置で、周波数11.4MHzのバースト波を入射して得られた反射成分の波形を示しているが、図6(b)の共振が起こっていない場合と比較して、明らかに、自由振動領域の強度が大きくなっており、図6(a)の健全部で共振が起こっている場合と類似した挙動が見られている。このことから、人工欠陥の位置において、板厚共振周波数とは異なる周波数において、共振が起こっていることが確認される。 Next, we will show the results of an inspection conducted while sweeping the frequency of the burst wave at the position where the artificial defect was provided. As mentioned above, Fig. 6(b) shows the waveform of the reflected component obtained by injecting a burst wave of 10.7 MHz, which is the plate thickness resonance frequency, at the position of the artificial defect (wall thickness 2.0 mm). However, the strength of the free vibration region is small, and no resonance occurs. On the other hand, Fig. 6(c) shows the waveform of the reflected component obtained by injecting a burst wave with a frequency of 11.4 MHz at the same artificial defect position, but the resonance shown in Fig. 6(b) has not occurred. The strength of the free vibration region is clearly greater than the case where there is no vibration, and a behavior similar to the case where resonance occurs in the healthy part of FIG. 6(a) is observed. This confirms that resonance occurs at a frequency different from the plate thickness resonance frequency at the position of the artificial defect.

さらに、3種の人工欠陥の位置で得られた、代表的な周波数における反射波の強度を、表1にまとめる。 Furthermore, Table 1 summarizes the reflected wave intensities at representative frequencies obtained at the positions of three types of artificial defects.

Figure 2023183636000002
Figure 2023183636000002

表1では、極大値をとる周波数として抽出された共振周波数に対応する欄を、黒塗りで表示している。図6(c)で共振の発生が確認されている肉厚2.0mmで周波数11.4MHzの場合も、共振周波数として抽出されている。表1によると、3種いずれの人工欠陥でも、板厚共振周波数である10.7MHzでは共振が起こっていない一方、板厚共振周波数とは異なる周波数で、共振が起こっている。また、3種の人工欠陥で、共振周波数が相互に異なっている。いずれの人工欠陥でも、共振周波数は複数抽出されている。特に、肉厚2.5mmの人工欠陥については、表示した周波数領域の中で3つの共振周波数が抽出されており、それらの共振周波数は、等間隔に出現している。さらに、共振周波数の間隔Δfは、人工欠陥の肉厚が大きくなるほど、小さくなっている。これらの挙動から、観測されている共振周波数は、試料表面と人工欠陥の間での共振によって出現していることが示唆される。 In Table 1, the columns corresponding to the resonance frequencies extracted as the frequencies that take the maximum value are shown in black. In the case of a wall thickness of 2.0 mm and a frequency of 11.4 MHz, where resonance is confirmed to occur in FIG. 6(c), it is also extracted as a resonant frequency. According to Table 1, for any of the three types of artificial defects, while resonance does not occur at the plate thickness resonance frequency of 10.7 MHz, resonance occurs at a frequency different from the plate thickness resonance frequency. Furthermore, the resonance frequencies of the three types of artificial defects are different from each other. For each artificial defect, multiple resonance frequencies are extracted. In particular, for an artificial defect with a wall thickness of 2.5 mm, three resonant frequencies are extracted within the displayed frequency range, and these resonant frequencies appear at equal intervals. Furthermore, the interval Δf between the resonant frequencies becomes smaller as the thickness of the artificial defect becomes larger. These behaviors suggest that the observed resonance frequency appears due to resonance between the sample surface and the artificial defect.

さらに、3種の人工欠陥のそれぞれについて、共振周波数の間隔Δfから、上記式(5)に基づいて(音速:6320m/s)、欠陥の深さ位置(x)を算出すると、表の右下部に示したように、肉厚1.5mm、2.0mm、2.5mmの人工欠陥について、それぞれ1.58mm、2.11mm、2.43mmとなっている。いずれも、算出結果が、形成した人工欠陥の肉厚とほぼ一致している。この結果から、観測されている共振が、試料表面と人工欠陥の間の領域で起こっていること、また、共振周波数が、肉厚つまり試料表面と人工欠陥の間の距離を反映したものであることが分かる。そして、バースト波の周波数を掃引しながら超音波検査を行い、共振周波数の間隔を分析する手法により、欠陥の深さ位置を特定できることが、確認される。 Furthermore, for each of the three types of artificial defects, the depth position (x) of the defect is calculated from the resonance frequency interval Δf based on the above formula (5) (sound speed: 6320 m/s), and the depth position (x) of the defect is calculated at the bottom right of the table. As shown in , the artificial defects with wall thicknesses of 1.5 mm, 2.0 mm, and 2.5 mm are 1.58 mm, 2.11 mm, and 2.43 mm, respectively. In both cases, the calculated results almost match the thickness of the artificial defect formed. These results show that the observed resonance occurs in the region between the sample surface and the artificial defect, and that the resonance frequency reflects the wall thickness, that is, the distance between the sample surface and the artificial defect. I understand that. It has been confirmed that the depth position of a defect can be identified by performing ultrasonic inspection while sweeping the frequency of the burst wave and analyzing the interval between resonance frequencies.

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明は、これらの実施形態に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。 The embodiments of the present invention have been described above. The present invention is not particularly limited to these embodiments, and various modifications can be made.

1 超音波検査装置
2 探触子(検査部)
3 周波数スキャナ(掃引部)
4 コンピュータ(解析部)
5 移動部
B バースト(正弦)波
D 欠陥
G 解析ゲート
P1 健全部
P2 不健全部
R1 強制励振領域
R2 自由振動領域
S 板材
S1 表面
S2 底面
W 健全部の定在波
W’ 不健全部の定在波
t 板厚
x 欠陥の深さ位置
1 Ultrasonic inspection device 2 Probe (inspection section)
3 Frequency scanner (sweep section)
4 Computer (analysis department)
5 Moving part B Burst (sine) wave D Defect G Analysis gate P1 Healthy part P2 Unhealthy part R1 Forced excitation region R2 Free vibration region S Plate material S1 Surface S2 Bottom surface W Standing wave W' in healthy part Standing wave in unhealthy part Wave t Plate thickness x Depth position of defect

Claims (4)

検査対象の板材の表面から、前記板材の厚さ方向に、超音波を、バースト正弦波として入射し、反射成分を検出する検査を、前記バースト正弦波の周波数を掃引しながら行う計測工程と、
前記反射成分において共振が起こる共振周波数として、欠陥のない前記板材の板厚に対応する共振周波数である板厚共振周波数とは異なる周波数が複数検出された場合に、それらの周波数を着目共振周波数として抽出する、共振周波数抽出工程と、
周波数軸に沿って隣接する2つの前記着目共振周波数の差分をΔf、前記板材の内部における音速をVとして、前記板材において、表面からの深さがV/2Δfの位置に、欠陥が存在すると判定する、欠陥深さ判定工程と、
をこの順に実施する、超音波検査方法。
A measurement step in which an ultrasonic wave is incident as a burst sine wave in the thickness direction of the plate material to be inspected from the surface of the plate material to be inspected, and an inspection is performed to detect a reflected component while sweeping the frequency of the burst sine wave;
If a plurality of frequencies different from the plate thickness resonance frequency, which is a resonance frequency corresponding to the thickness of the plate without defects, are detected as resonance frequencies at which resonance occurs in the reflected component, those frequencies are set as the focused resonance frequencies. a resonant frequency extraction step,
It is determined that a defect exists in the plate at a position where the depth from the surface is V/2Δf, where Δf is the difference between the two adjacent resonant frequencies of interest along the frequency axis, and V is the sound velocity inside the plate. a defect depth determination step;
An ultrasonic examination method in which the following steps are performed in this order.
前記計測工程に先立って、前記板厚共振周波数を有するバースト正弦波を、前記板材の表面から前記板材の厚さ方向に入射し、反射成分において共振が起こるか否かを判定する検査を、前記板材の表面に沿って位置を変えながら行い、共振が起こらない、または共振が弱くなった位置が存在すると、その位置の内部に欠陥が存在すると判定する欠陥探索工程を実施し、
前記欠陥探索工程で、内部に欠陥が存在すると判定された位置が存在すると、その位置において、前記計測工程、共振周波数抽出工程、欠陥深さ判定工程を実施し、前記欠陥の深さ位置を評価する、請求項1に記載の超音波検査方法。
Prior to the measurement step, a burst sine wave having the plate thickness resonance frequency is applied from the surface of the plate material in the thickness direction of the plate material, and an inspection is performed to determine whether resonance occurs in the reflected component. A defect searching process is performed while changing the position along the surface of the plate material, and if there is a position where resonance does not occur or resonance is weak, it is determined that a defect exists inside that position,
In the defect searching step, if there is a position where it is determined that a defect exists inside, the measuring step, the resonant frequency extraction step, and the defect depth determination step are performed at that position to evaluate the depth position of the defect. The ultrasonic testing method according to claim 1.
前記共振周波数抽出工程において、
前記反射成分に対して、強制励振が低減された後の時間領域に解析ゲートを設け、前記解析ゲートの中で、共振が起こっているか否かの判定を行い、
前記解析ゲートの開始時間を、前記周波数の掃引に伴って変更する、請求項1に記載の超音波検査方法。
In the resonant frequency extraction step,
An analysis gate is provided in the time domain after the forced excitation is reduced for the reflected component, and it is determined whether resonance is occurring in the analysis gate,
The ultrasonic inspection method according to claim 1, wherein the start time of the analysis gate is changed in accordance with the frequency sweep.
超音波を、バースト正弦波として発生させるとともに、検出することができる検査部と、
前記検査部にて発生させる前記バースト正弦波の周波数を掃引する掃引部と、
前記検査部での検出結果から、共振周波数の抽出と分析を行う解析部と、を有し、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超音波検査方法を実施する、超音波検査装置。
an inspection section capable of generating and detecting ultrasonic waves as burst sine waves;
a sweep section that sweeps the frequency of the burst sine wave generated in the inspection section;
an analysis section that extracts and analyzes a resonance frequency from the detection results of the inspection section;
An ultrasonic inspection device that implements the ultrasonic inspection method according to any one of claims 1 to 3.
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