JP2509094B2 - 溶接ｈ形鋼溶接部の超音波探傷方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接Ｈ形鋼溶接部の超
音波探傷方法に関し、溶接Ｈ形鋼全長にわたって品質保
証をするための溶接Ｈ形鋼溶接部の超音波探傷方法であ
る。

【０００２】

【従来の技術】Ｈ鋼管の製造は、大形のものについては
圧延によっているが、軽量Ｈ形鋼については一般的に抵
抗溶接法によって連続的に製造されている。溶接Ｈ形鋼
は、その良否が溶接欠陥の有無に主に左右されるので、
溶接部に欠陥があるか否かを試験することは、品質保証
上きわめて重要である。その品質保証に当たっては、従
来よりオンラインによる超音波探傷方法が採用されてき
た。

【０００３】図１２は従来の代表的な超音波探傷方法の
説明図で、溶接Ｈ形鋼１のフランジ１Ｆの中央上方にフ
ラット型探触子２’を配置し、水槽３に水４を満たして
局部水浸方式となし、探触子２’からフランジ１Ｆとウ
ェブ１Ｗとの溶接部５へ平行超音波ビームを入射し、フ
ランジ１Ｆの厚さに相当する位置よりのエコー高さを監
視することにより、欠陥の有無および大きさを推定する
ものである。

【０００４】しかし、この方法は次の各点において問題
があることが判った。まず第１に、この方法によると、
超音波ビームは、溶接部分より広幅の領域にわたって入
射されるので、フランジ１Ｆ底面エコーと欠陥エコーと
の両者の総和が検出されるとともに、底面エコーに欠陥
エコーが乗った波形となって弁別が不可能となるため、
検出精度が著しく低い。

【０００５】第２に、一般に欠陥エコーは、欠陥部の面
が粗面であったり、ビーム入射方向に対して傾いていた
りすると、エコー高さは低く、これが一層前述の検出精
度の不良に拍車をかけていた。

【０００６】そこで、本出願人は、先の特公平２−１５
０２０号公報や特開昭５９−９９２５４号公報におい
て、欠陥検出精度の高い焦点型探触子を用いて、精度よ
く超音波探傷を行う方法を開示している。前者は、図１
３に示すように、溶接Ｈ形鋼１のウェブ１Ｗの厚み方向
に往復運動が可能な焦点型探触子２を用い、フランジ１
Ｆの上方より集束超音波ビームを入射し、かつこの超音
波ビームを溶接中心線を中心として左右に振動往復運動
させて超音波探傷を行うものである。

【０００７】一方、後者は、図１４に示すように、溶接
Ｈ形鋼１のフランジ１Ｆ上方に、その幅方向に間隔Ｐを
置いて少なくとも溶接部５をカバーできる幅方向長さｌ
にわたって多数の焦点型探触子２を配置し、各探触子２
から集束超音波ビームを入射させて超音波探傷を行うも
のである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特公平２−
１５０２０号公報記載の方法においては、１個の焦点型
探触子２で溶接部の幅方向全域の探傷を可能とするため
に、前記探触子２を溶接中心線を中心として左右に往復
運動させつつ、フランジ１Ｆの上方より超音波ビームを
入射して探傷を行うので、その結果、前記探触子２によ
る各探傷点の軌跡は、溶接Ｈ形鋼１長手方向において、
図１５に示すような波形を描く。この場合、溶接Ｈ形鋼
１の搬送によって溶接部５が多少左右に振れても探傷が
可能なように、たとえばウェブ１Ｗの厚さ２．３mmに対
して１０mmの振幅で探触子２を往復運動させるため、図
１６の○部分以外での探傷は不可能となる。したがっ
て、たとえば○部分以外のＸ点を未溶接欠陥部が通過し
た場合には、健全溶接部としてそのまま通過してしまう
ことになる。

【０００９】一方、特開昭５９−９９２５４号公報記載
の方法においては、多数の焦点型探触子２を配置するこ
とにより、溶接部の幅方向のほぼ全域にわたる探傷は可
能となるが、その反面、装置構成上複雑にならざるを得
ない。また、通常フランジ厚が３．０〜１２．０mmの範
囲で変わるが、その都度、探触子の配置を変えるので
は、調整が困難となり、実用的ではない。

【００１０】他方、本発明者は、図１６示す方法も行っ
た。すなわち、１個の焦点型探触子２を溶接Ｈ形鋼１の
フランジ１Ｆの中央上方に位置固定し、この探触子２か
らの集束超音波ビームをフランジ１Ｆと直交的に入射し
て超音波探傷をするものである。

【００１１】しかし、この方法では、通常溶接Ｈ形鋼は
搬送過程において左右に１０mm以上の振れがあるため、
前記探触子２からの超音波ビームが溶接部５を外れてし
まい、フランジ底面に対して入射されると、返ってきた
エコーがフランジ底面のエコーでありながら、未溶接欠
陥エコーと判断され、欠陥判定信号が出力されてしまう
恐れがある。また、焦点型探触子からの超音波ビームの
有効探傷幅がEf≒０．６mm程度しかないために、たとえ
連続的に超音波探傷を行ったとしても、結果としては、
あるピッチ毎の断続探傷であって、溶接Ｈ形鋼全長にわ
たる探傷は不可能である。なお、この有効探傷幅に起因
する断続探傷の問題は、前記各公報により開示された方
法に対しても当てはまるものである。

【００１２】そこで、本発明の主たる目的は、高い検出
精度で探傷が可能な焦点型探触子を用い、かつこの探触
子の有効探傷幅の拡大を図り、溶接Ｈ形鋼溶接部の全長
にわたって確実に超音波探傷を行うことができる溶接Ｈ
形鋼の超音波探傷方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題は、連続的に搬
送される溶接Ｈ形鋼のフランジの中央位置に離間して焦
点型探触子を位置固定し、この探触子からの超音波ビー
ムを水を伝播媒質としてフランジと直交的に入射し、連
続的に超音波探傷を行うとともに、前記溶接Ｈ形鋼のウ
ェブ両側に当接して溶接Ｈ形鋼のパスラインを規制する
ウェブ拘束用ローラーを設け、さらに前記超音波ビーム
の焦点を前記探触子とフランジ外面との間の位置におい
て結ばせることで解決できる。

【００１４】

【作用】本発明によれば、溶接Ｈ形鋼のウェブ両側に当
接して溶接Ｈ形鋼のパスラインを規制するウェブ拘束用
ローラーを設け、焦点型探触子を連続的に搬送される溶
接Ｈ形鋼のフランジの中央位置に離間して位置固定し、
前記探触子から超音波ビームをフランジと直交的に入射
し、連続的に超音波探傷を行うものである。

【００１５】そのため、前記探触子は、溶接Ｈ形鋼の搬
送過程において、常に溶接面を睨んでいることになる。

【００１６】さらに、本発明によれば、前記探触子から
の超音波ビームの焦点を前記探触子とフランジ外面との
間の位置において結ばせるようにしてある。

【００１７】その結果、前記探触子の有効探傷幅の拡大
が図れるため、図３に示すように、前記探触子からの超
音波ビームが重複しながら探傷することになるので、連
続探傷が可能となり、したがって、溶接Ｈ形鋼全長にわ
たる探傷が確実に行える。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例によりさら
に具体的に説明する。図１および図２に示すように、本
発明では、探触子として焦点型探触子２を用い、連続的
に搬送される溶接Ｈ形鋼（以下形鋼という）１のフラン
ジ１Ｆの中央位置に離間して探触子２を位置固定し、水
４を伝播媒質として超音波ビームをフランジ１Ｆと直行
的に入射させ、反射エコーの監視を行う。

【００１９】ここで、本発明によれば、焦点型探触子２
の焦点位置として、探触子２とフランジ１Ｆ外面とに間
の位置、すなわち水４距離内にあるようにしている。こ
れは、探触子２からの超音波ビームの有効探傷幅の拡大
を企図するものである。

【００２０】続いて、本発明が適用される形鋼の製造検
査ラインを図２に沿って説明すると、まず搬送されたフ
ランジ１Ｆとウェブ１Ｗとを溶接機１１により溶接した
後、水冷ゾーン（図示しない）において水冷し、その
後、本発明に係る超音波探傷装置１２により超音波探傷
を行う。この探傷はラインスピード最高７０ｍ／min の
高速下で行われる。この場合、前述のように、形鋼１は
搬送によって左右に１２mm以上の振れがあるため、探触
子２を形鋼１のフランジ１Ｆの中央位置に離間して位置
固定しての探傷は不可能となってしまう。

【００２１】そこで、本発明によれば、形鋼１の左右の
振れを実質的になくすために、形鋼１のウェブ１Ｗ両側
に当接してＨ形鋼のパスラインを規制するウェブ拘束用
ローラー６を設けている。このウェブ拘束用ローラーの
設置により、形鋼１の振れを±０．５mmの範囲に抑える
ことができ、探触子２は，形鋼１の搬送過程において、
常に溶接面のみを監視することができる。

【００２２】なお、本発明によれば、ウェブ拘束用ロー
ラー６を設けて、形鋼１の左右の振れを規制している
が、図８に示すように、ウェブ１Ｗをローラー７にて抱
き込み、それを左右のスプリング８にて支持して、形鋼
１の左右の振れの動きに探触子２を追従させるようにし
てもよい。

【００２３】一方、形鋼１の上下動に対し、常に探触子
２とＨ形鋼１のフランジ１Ｆ外面との間隔すなわち水４
距離を一定に保ち、探傷性能のばらつきをなくすため
に、図９に示すように、探触子２に連結され、かつ昇降
自在としたＨ形鋼１のフランジ１Ｆ外表面に当接する追
従ローラー９を配設しておくのが好ましい。

【００２４】また、本発明においては、水４を超音波ビ
ームの伝播媒質として使用することから、探触子２と連
続的に搬送される形鋼１のフランジ１Ｆ外面と間に局部
水浸室を設ける必要がある。そこで、本発明によれば、
図９に示すような局部水浸用カップ１０を用いるものと
する。これは、毎分約５ｌの割合で給水し、整流板１４
とフランジ１Ｆとの間で局部水浸室を形成している。凸
型に成形された整流板１４の周囲には複数の穴が設けら
れており、この穴を通して水４が供給されるとともに、
給水時に発生した気泡を上方に逃がす役割を果たす。ま
た、局部水浸用カップ１０の下部には、毎分約５ｌの割
合で給水される水４を排出するための排出口が設けら
れ、この排出口とフランジ１ＦのギャップＧを最大６mm
とすることによって、気泡の発生を防止している。

【００２５】なお、図面上は、上部溶接部に対するもの
のみを示してあるが、下部フランジに対しても対照的構
造の探傷装置を設けて探傷が行われる。

【００２６】次に、本発明による超音波探傷方法を実施
するに当たり、その基礎となる実験結果について説明す
る。図４に示すように、ウェブ厚３．２×フランジ厚
４．５（単位mm）試験片Ｔ．Ｐに２φの平底穴を設け、
２φ底面エコーレベルを最大７０％（≒プラス３ｄＢ）
として感度設定をし、探触子２を前記試験片Ｔ．Ｐの中
心線を中心として左右に往復運動させつつ、超音波ビー
ムをフランジ底面位置に入射し、反射エコーの監視をし
た。この場合、欠陥がない健全状態であると、エコーレ
ベルは５０％以下となることから、５０％をスレッショ
ルドレベルと定め、これより高い５０％以上をリジェク
トレベル（欠陥）とすることができる。なお、実際の探
傷に当たっては、これらの情報は予め超音波探傷装置１
２に取込んでおくことができる。

【００２７】そして、水距離Ｌ_W を変化させて、２φ底
面エコー５０％以上の有効探傷幅Ｌ_T およびフランジバ
ックエコー５０％以下の限界探傷範囲Ｌ_F の関係をオフ
ラインで調査した。

【００２８】その結果、図５に示す結果が得られた。す
なわち、水距離が長くなるほど有効探傷幅Ｌ_T は広くな
るが、逆に限界探傷幅Ｌ_F は狭くなる傾向にある。ま
た、２φ底面エコーとフランジバックエコーのエコー干
渉部が水距離４５mmより急増する傾向にある。以上のこ
とより、水距離は４０〜４８mm（４５mm目標）とするの
が好ましい。

【００２９】また、本発明者は、本発明に用いる探傷プ
ローブの選定のため、振動子径６．３５mmの焦点型探触
子に１０MHz の周波数を与えて前記探触子から２５．４
mmの距離で焦点を結ばせるようにした場合（プローブ仕
様１）、振動子径３．１８mmのフラット型探触子に１０
MHz の周波数を与えた場合（プローブ仕様２）、振動子
径１２．７mmの焦点型探触子に５MHz の周波数を与えて
前記探触子から６３．５mmの距離で焦点を結ばせるよう
にした場合（プローブ仕様３）の各々について、形鋼サ
ンプルによる探傷テストを積み重ねた。

【００３０】

【表１】

【００３１】その結果、表１に示すように、プローブ仕
様２およびプローブ仕様３で探傷を行った場合には、反
射エコーが拡散するのに加えて、Ｓ／Ｎ比が大幅に低下
してしまうので、欠陥判別が明確に行えなかった。これ
らに対して、プローブ仕様１では、明確なる良否判定が
に行えた。

【００３２】このことと前述の適正水距離とを考え合わ
せると、図１に示すように、焦点距離ｈ₁ は次式のよう
に表すことができる。

【００３３】２ｈ₁ ＞ｈ₂ ＞ｈ₁ ……（１） この式にしたがって、探触子２からの超音波ビームの焦
点をｈ₁ の距離で結ばせることにより、前記超音波ビー
ムの有効探傷幅を従来のEf≒０．６mmから１．２mmに拡
大が図れ、それによって連続探傷が可能となる。

【００３４】上記のような条件の下で、探触子２より形
鋼１のフランジ１Ｆに入射された超音波ビームの反射エ
コーは超音波探傷装置１２に取込まれ、予め定められた
スレッショルドレベル５０％以上の場合のみ、リジェク
トレベル（欠陥）として欠陥判定信号が出力され、欠陥
マーキング装置１３にマーキング指令を行うようになっ
ている。

【００３５】なお、本実施例においては、２φの平底穴
を基準欠陥として、それより大きいものを欠陥とした
が、より精度を高めたい場合には、基準欠陥を小さくす
ることもできる。

【００３６】（実験例１）次に実験例により本発明の欠
陥検出性能を明らかにする。本実験例においては、以下
の条件で、振動子径６．３５mmの焦点型探触子に１０MH
z の周波数を与えて、超音波ビームの焦点を探触子から
２５．４mmの水中内で結ばせるように、ウェブ長２００
×フランジ長１００×ウェブ厚３．２×フランジ厚４．
５（単位mm）のフランジに対して直交的に入射し、反射
エコーのエコーレベル５０％以上を欠陥として出力し
た。

【００３７】探傷条件 ・感度設定；Ｔ．Ｐ ２φ平底穴 エコーレベル ７０％ ・水距離；４２mm ・有効探傷幅；１．２mm ・ギャップ；４．５mm その結果、図１０の結果が得られた。これをもとに、エ
コーレベルのみから欠陥の大小を判断すると、Ａ＞Ｂ＞
Ｃ＞Ｄであることが推測できるが、これをさらに詳細に
調査してみると、次のような欠陥であることが判った。
すなわち、Ａ，Ｂは完全なる未溶接欠陥、Ｃ，Ｄは酸化
物生成による未溶接欠陥であり、誤検出は全くなかっ
た。

【００３８】さらに、同上条件で３時間３０分間連続探
傷を行ったところ、自然欠陥をも検出できた。

【００３９】ａはフランジとウェブの溶接部に鋼片噛込
みが、一方ｂはウェブエッジ凹状による溶接不良が確認
された。

【００４０】（実験例２）次に、本発明法と比較法（特
公平２−１５０２０号公報記載の方法）との比較評価を
行った。

【００４１】

【表２】

【００４２】その結果、表２に示すように、比較法で
は、有効探傷幅Ef≒０．６mmの断続探傷であったのに対
し、本発明法では、有効探傷幅Ef≒１．２mmと拡大が図
れることにより、連続探傷が可能となる。さらに、探傷
面積比率も比較法の約８倍と向上できた。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、焦点型探
触子からの超音波ビームの有効探傷幅の拡大が図れるの
で、連続探傷が可能となるとともに、高い検出精度をも
って欠陥の探傷ができるので、溶接Ｈ形鋼溶接部の全長
品質保証上きわめて有効となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法による超音波ビームの焦点位置を示す
説明図である。

【図２】本発明に係る溶接Ｈ形鋼製造ラインを示す概略
図である。

【図３】本発明法による溶接Ｈ形鋼溶接部の連続探傷を
示す説明図である。

【図４】本実施例における実験方法および反射エコーの
エコーレベルを示す説明図である。

【図５】有効探傷幅および探傷限界範囲と水距離の関係
を示す図である。

【図６】本発明に係るウェブ拘束用ローラーのＨ形鋼設
置状態を示す図である。

【図７】本発明に係るウェブ拘束用ローラーの変形例を
示す説明図である。

【図８】本発明に係る追従ローラーを示す説明図であ
る。

【図９】本発明に係る局部水浸用カップを示す断面図で
ある。

【図１０】本実施例における実験結果を示す図である。

【図１１】本実施例における実験結果を示す図である。

【図１２】従来の探傷方法を示す説明図である。

【図１３】従来の探傷方法を示す説明図である。

【図１４】従来の探傷方法を示す説明図である。

【図１５】図１４の従来法による各探傷点の軌跡を示す
図である。

【図１６】本発明の完成に至るまでに行った方法例を示
す説明図である。

【符号の説明】

１ Ｈ形鋼 １Ｆ フランジ １Ｗ ウェブ ２ 焦点型探触子 ４ 水

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続的に搬送される溶接Ｈ形鋼のフラン
   ジの中央位置に離間して焦点型探触子を位置固定し、こ
   の探触子からの超音波ビームを水を伝播媒質としてフラ
   ンジと直交的に入射し、連続的に超音波探傷を行うとと
   もに、前記溶接Ｈ形鋼のウェブ両側に当接して溶接Ｈ形
   鋼のパスラインを規制するウェブ拘束用ローラーを設
   け、さらに前記超音波ビームの焦点を前記探触子とフラ
   ンジ外面との間の位置において結ばせることを特徴とす
   る溶接Ｈ形鋼溶接部の超音波探傷方法。