JP2807012B2

JP2807012B2 - 超音波検査方法

Info

Publication number: JP2807012B2
Application number: JP1504270A
Authority: JP
Inventors: フエレイラ，ニコラス・シー
Original assignee: フエレイラ，ニコラス・シー
Priority date: 1988-02-29
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1998-09-30
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: EP0404831A1; DE68922848T2; US4805459A; EP0404831B1; DE68922848D1; CA1311832C; AU3411289A; ATE123144T1; WO1989008251A1; JPH03502968A; CN1036836A; CN1016216B; AU626151B2; EP0404831A4

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の分野本発明は、一般に超音波検査法に関し、そしてさらに
詳細には、しばしば超音波走査エコーグラフィーと呼ば
れるエコー形式の超音波検査法に関し、この場合変換器
が、点検されるワークピースから変換器に反射される超
音波のビームを生成するために使用される。反射された
超音波は、ワークピースにおける異常を検出するために
表示される。そのような技術は、溶接又は固体片の非破
壊検査に対して広範に使用され、この場合き裂、ピンホ
ール、不連続等の構造的異常は、特性音波エコーを生じ
させ、そのような異常の存在と位置を指示する。

関連技術の説明パーディジョン（Perdijon）の米国特許第４、557、1
45号は、ワークピースの超音波検査のための装置を開示
し、この場合変換器は回転され、特許の第１図において
示された如く、ワークピースの点検表面に直交する軸の
回りに円すい表面を規定する。回転する変換器は、ワー
クピースの表面で並進され、そして特許人は、走査され
る各ゾーンが回転の共通軸の回りの異なる方位角に対応
する少なくとも２つのパルスを収容する如く、超音波パ
ルスがタイミングを取られることを述べる。

ガーナー（Garner）他の米国特許第４、685、966号
は、ワークピースの表面が複合湾曲表面である時でさえ
も、ワークピースの表面において又はそれに垂直の近く
に入射角を維持するために、超音波プローブの複合移動
を可能にする装置を示す。特許は、水平及び垂直軸の回
りの回転を開示し（例えば２欄45行〜３欄19行）、検査
表面に実質的に垂直に常に入射角を維持する目的を有す
る。

スペンサー（Spencer）他の米国特許第３、765、229
号は、第４図に示された如く湾曲パネルを検査するため
の振動モードと、平たんパネルの検査のための並進モー
ドの間で相互変換可能な超音波スキャナーを開示する。
特許の４欄において“動作”の見出しのある段落を参照
せよ。

シンフ（Singh）他の米国特許第４、502、331号は、
タービンディスク・リムの超音波点検を示し、この場合
第６図に示された如く、変換器は、ワークピースの“尖
状部”の凹状及び凸状側面をそれぞれ点検するために、
45度と60度における異なるパスにおいて斜めにされる。

時々“エコーグラフィー”と呼ばれる従来の超音波エ
コー・パルス検査は、一般に、しばしば同一表面又は区
域に沿った２つの相互に垂直なパス列を実行することに
より、ワークピースの表面又は区域を走査することでワ
ークピースを検査する。こうして、く形区域は、第１列
の平行な北対南パスにおいて頂部から底部に、そして第
２列の平行な東対西パスにおいて側部から側部に走査さ
れる。ディスク状ワークピースの場合に、走査は、円形
表面の一方又は両方と、円筒形表面に沿って行われる。
パスのそれぞれの列におけるワークピースに関する検査
プローブの従来のそれぞれの方位は、以下にさらに詳細
に記載された如く、軸方向、放射状及び周囲方位としば
しば呼ばれる。使用された方位は、鍛造された物品にお
ける金属粒の流れ方向と、検査設定を簡単化するための
要望とにより、決められる。この従来のアプローチは、
ランド、ボス、隆起、溝、リム、あるいはワークピース
の他の反射形成部又は構成部からの超音波パルスの反射
のために、ワークピースの幾つかの区域の点検不能性を
受ける。そのような反射、即ち、エコーは、ワークピー
スにおける異常によって生じたずっと小さなエコーをマ
スクする。平たんなく形板の如く単純形状の場合におい
ても、所与の走査又は走査列の方向を横断するワークピ
ースの縁は、縁からプローブへの超音波反射のために点
検できない。結果として、ワークピースの区域は、点検
不能にされ検査部品の固有の危険と信頼性の低下を生ず
るか、あるいはＸ線、金属ヤスリ粉分散等の如く他の技
術によって検査されなければならない。通常異なる装置
で実施される付加的検査に対する必要事項は、当然、ワ
ークピース当たりの検査費用を実質的に増大させる。検
査プローブの従来の方位によって点検不能な領域を点検
する付加的検査が、同一装置において超音波エコー・パ
ルス検査により実施されるならば、それは、従来の軸方
向及び周囲プローブ方位で点検不能なワークピース容積
をできるだけ多く走査するために、第３の多分付加的な
点検パス列と共に、付加的設定のためのプローブ位置決
め計算を必要とする。

発明の要約本発明により、点検表面を有するワークピースにおい
て超音波反射異常の検出のための超音波走査方法が設け
られ、ワークピースにおいてエコー・マスク・ゾーンを
生ずる少なくとも一つの反射形成部を有する。点検表面
は、平たん又は湾曲、例えば凸状である。方法は、
（ａ）超音波パルスのビームをプローブからビーム軸に
沿って伝達媒体、例えば水を通して指向させ、かつビー
ムを点検表面に選択衝撃角において衝突させ、このため
ワークピースにビームを透過させることと、（ｂ）ワー
クピースから反射されたエコー・パルスを受信すること
と、（ｃ）ワークピース内の異常の存在を示すものがも
しあれば顕示するために、エコー・パルスを表示するこ
とと、（ｄ）点検表面に沿った予備選択パスにおいてビ
ームを横断させることにより、点検パスを実行すること
を含む。本発明によって設けられた改良は、一つ又は複
数の第１点検パスをプローブにより作成することを含
み、プローブは、ワークピースに関してビームが、一つ
又は複数の第１平面とのそれぞれの交差点における少な
くとも一つの反射形成部に垂直でない一つ又は複数の第
１走査平面内にある如く方向付けられ、これにより少な
くとも一つの反射形成部に垂直な対応する数の一つ又は
複数の走査平面において方向付けられたプローブにより
生成されたものに関して、エコー・マスク・ゾーンの容
積を縮小させる。

発明の別の見地により、改良方法は、第２列の点検パ
スを作成することを含み、プローブは、（必ずしも必要
ではないが集束ビームの）超音波パルスのビームが、第
１走査平面に交差する一連の第２走査平面にある如く方
向付けられる。例えば、第２走査平面は、第１走査平面
に関して実質的に垂直である。

発明の一つの実施態様において、第１列の第１点検パ
スが作成され、その結果ビームは、連続的に一連の第１
走査平面内にある。

発明の別の見地により、点検表面を有する一つ又は複
数のワークピースにおける超音波反射異常の検出のため
の超音波走査方法が設けられ、ワークピースにおいて一
つ又は複数のエコー・マスク・ゾーンを生ずる一つ又は
複数の反射形成部を有する。この見地において、方法
は、一つ又は複数のワークピースと、超音波パルスのビ
ームが発出するプローブとの間の伝達媒体内の相対移動
を確立することと、ビームをビーム軸に沿って伝達媒体
を通して指向させることと、ビームを点検表面に選択衝
撃角において衝突させ、こうしてワークピースにビーム
を透過させることとを含む。相対移動は、点検表面に沿
った予備選択パスにおいてビームを横断させるために維
持され、プローブは、少なくともビームが反射形成部の
近接においてワークピースに衝突する時、ビームが、第
１走査平面とのそれぞれの交差点における少なくとも一
つの反射形成部に垂直でない一連の第１走査平面内に連
続的にある如く方向付けられ、これにより反射形成部に
垂直な一連の走査平面において方向付けられたプローブ
により生成されるものに関して、エコー・マスク・ゾー
ンの容積を縮小させる。発明の他の見地に関して、ワー
クピースから反射されたエコー・パルスは、受信され、
そしてワークピース内の異常の存在を示すパルスがもし
あれば顕示するために表示される。

発明の他の見地は、図面を含む次の説明から明らかに
なる。

説明と請求の範囲において使用された如く、次の用語
は、単数又は複数の形式において、陳述された意味を有
する。

用語“反射形成部”は、超音波ビームによって走査さ
れるワークピースにおける形成部を意味し、この形成部
は、ワークピース内の異常によって生成されたエコーを
マスクするために十分に高い音エネルギーの割合を、超
音波ビームが発するプローブに反射させる。

用語“エコー・マスク・ゾーン”は、ワークピースの
一つ又は複数の反射形成部に隣接したワークピースのゾ
ーンを意味し、このゾーンは、反射形成部からのエコー
がそのゾーンにおける異常からのエコーをマスクするた
めに、超音波エコーグラフィーによって点検されない。

図面の簡単な説明第１図は、超音波変換器により走査されるく形板形状
ワークピースの概略側面図である。

第２図は、２つの連続するパス列における従来の相互
に垂直なプローブの方位を示す、第１図のワークピース
の概略斜視図である。

第2A図は、第２図のワークピースの角の部分図であ
る。

第３図は、第２図に対応するが、本発明の実施態様に
よる２つの連続するパス列におけるワークピースに関す
るプローブの方位を示す概略斜視図である。

第3A図は、第３図のワークピースの角の部分図であ
る。

第４図は、ワークピースに関する超音波ビームの従来
の放射状、軸方向及び周囲方位を示すディスク状ワーク
ピースの斜視図である。

第4A図は、複数の同心の円形溝とランドを有するディ
スク状ワークピースのくさび状セグメントの斜視図であ
る。

第4B図は、第4A図のくさび状断面の断面図である。

第５図は、図示の容易さのため部分が切り欠き及び省
略された、取り付けジグ又は固定具が保持されるターン
テーブルを備えた超音波検査浸せきタンクの斜視図であ
る。

第5A図は、第５図の装置のターンテーブル領域の部分
的な概略平面図である。

第5B図は、第5A図の領域の部分的に断面の概略立面図
である。

第5C図は、ターンテーブル固定具の部分が第5A図と第
5B図に関して拡大され、かつワークピースが取り付けら
れた図である。

第６図は、一連の検査用へこみを形成したタービン・
エンジンのブレード成分を具備する検査ワークピースを
示す前面図である。

第6A図、第6B図と第6C図は、第６図の線Ａ−Ａ、Ｂ−
ＢとＣ−Ｃに沿ってそれぞれ取られた断面図である。

第７図は、第６図の検査ワークピースの側面図であ
る。

第８図は、本発明の実施態様により検査ワークピース
に関して方向付けられた超音波プローブを概略的に示
す、第６図のワークピースの斜視図である。

第8A図は、プローブが従来の軸方位において概略的に
示されたことを除いて、第８図に対応する図である。

第8B図は、プローブが従来の周囲方位において示され
たことを除いて、第８図に対応する図である。

第９図は、ワークピースに関して２つの方位における
プローブを概略的に示す、第６図の検査プローブの頂面
図である。

第9A図は、第９図に対応するが、ワークピースに関し
てプローブの異なる方位を示す図である。

第10図は、本発明の実施態様により、ワークピースに
関して周−軸方位におけるプローブにより適用された超
音波による第６図の検査ワークピースの結果を示す印刷
出力である。

第10A図は、第10図に対応するが、ワークピースに関
して従来の軸方位におけるプローブにより適用された超
音波によって達せられた結果を示す図である。

第10B図は、第10図に対応するが、ワークピースに関
して従来の周囲方位におけるプローブにより適用された
超音波によって達せられた結果を示す図である。

発明の詳細な説明と好ましい実施態様今第１図を参照すると、平たんなく形板を具備するワ
ークピース10が、部分が切り欠きされて側面図において
示される。ワークピース10は、通常、鋼又は他の金属を
含むが、図示の明確性のために、従来の超音波プローブ
14から発せられた超音波パルスのビーム12から向けられ
た音波に透過するとして示される。ワークピース10は、
点検表面18と、対向した下方表面22と、端壁24とを有す
る。集束ビームであるビーム12は、タンク（図示されて
いない）内に含まれた水域16を含む伝達媒体を通って向
けられる。ワークピース10とプローブ14は、水域におい
て浸される。集束ビーム12は、点検表面18に垂直な平面
にある。（集束超音波ビームがある平面は、時々、ビー
ム又は音プローブの“走査平面”と呼ばれる。）ビーム
12は、（点検表面18に関して）入射角ａにおいてワーク
ピース10の点検表面18に向けられ、そして点Ａにおいて
ワークピース10に侵入するせん断音波20を生成し、そし
て音波20の第１脚20aとしてワークピース10を通って伝
達される。脚20aは、ワークピース10による音波20の屈
折により、入射角ａとは異なる（表面18に関する）屈折
角ｂにある。第１図はせん断波を特に参照して記載され
るが、本発明の技術は、せん断波のほかに、屈折した縦
音波を含む適切な形式の超音波で使用される。点Ｂにお
いて、音波20は、下方表面22から点検表面18に第２脚20
bとして反射され、以下、点Ｃ、ＤとＥから音波20の脚2
0c、20dと20eとして反射される。脚20eは、下方表面22
と端壁24の交差点における点Ｆに伝達される。

技術における当業者には認識される如く、点Ａにおい
て向けられた音エネルギーの大部分は、ワークピース10
から反射され、そしてずっと小さな割合が、音波20を生
成する。同様に、各後続する点Ｂ、Ｃ、ＤとＥにおいて
音エネルギーの連続した低減があり、その結果プローブ
14から発せられたエネルギーの小さな割合が、初期脚20
aを超えて（各脚により）減少する。このため、反射し
た音波20のオシロスコープ画面表示は、点Ａにおいて代
表的なブリップ又はエコー・ピークを示し、そして点Ｂ
において第２の小ピークを示し、（点Ｃ、Ｄ、Ｅ等にお
いて生成された）続くピークのサイズは、点Ｂを超えて
減少した音エネルギーのために非常に縮小される。この
因子と時間遅れは、点Ｂの“下流”で生成されたエコー
による干渉を実質的に除去する。こうして、ビーム12が
点Ａにおいて衝突する時、ワークピースのそのゾーンに
おいて異常の存在を指示する点ＡとＢの中間のエネルギ
ー・ピーク又はブリップは、例えばオシロスコープ画面
及び／又はグラフィック印刷出力において表示される。
脚20aの近接におけるピンホール又はき裂は、特性角に
おいて音波を反射させ、かつ点ＡとＢに対応するものの
中間で識別可能なエコーを生成する。

制御された相対移動は、ワークピース10とプローブ14
の間で確立され、その結果点検表面18における超音波エ
ネルギーの集束ビーム12の衝突点は、点検表面18にわた
って連続した通常平行な走査線において移動する。一般
に、プローブ14は、側壁26から側壁26とは反対側の側壁
（第１図に示されない）に延びている一連の平行な直線
パスにおいてワークピース10を横断し、各連続パスは、
ビーム12の有効直径に等しい増分だけ、端壁24に接近し
て進行する。

例示された配置により、ワークピース10の連続ゾーン
は、集束ビーム12が点Ｅにおいて衝突する点まで困難な
しに点検され、この接合点において、脚20eのパスに沿
って向けられた音エネルギーは、点Ｆに衝突することに
より、点Ｅに反射され、こうしてプローブ14に反射され
る。この反射された音エネルギーは、脚20eのパスに沿
ってワークピース10における小異常によって反射される
音エネルギーの量に比較して非常に大きい。点Ｆからプ
ローブ14へのエコーは、構造における異常からのずっと
小さなエコーをマスクし、端壁24と、脚20eのパスがあ
るワークピース10を通った平面とによって囲まれたワー
クピース10のゾーンの点検を有効に阻止する。この非点
検ゾーンの断面は、第１図において閉じた四辺形図EF′
FYによって規定される。脚20eを含む音波の幅と、ワー
クピース10の角における外形は、音波20の脚が下方表面
22における点Ｆ′に当たる点の回りからプローブ14を有
効に隠す。

この点検の困難さは、第２図に示され、先行技術によ
りワークピース10に関して指向された２つの代表的な走
査平面が示される。こうして、プローブ14（第１図）
は、先行技術により、ビーム12が点検表面18に衝突角ａ
において傾斜されて第１列の点検パスを作成し、一連の
軸方向走査平面において連続的に位置付けられ、その代
表的なものがPaとして示される。平面Paに関連した矢印
Ａは、軸方向平面の続く展開方向を示す。先行する軸方
向パスにおいて点検表面18に沿ったビーム12の経路は、
鎖線１によって示され、そして軸方向走査平面は、側壁
26に平行に、かつ端壁24に垂直にあり、端壁26は、後方
反射形成部を具備し、かつ端壁24に隣接する四辺形状の
エコー・マスク・ゾーンV₁（断面が第１図においてEF′
FYにおいて示される）を作り出す。このエコー・マスク
・ゾーンの境界は、点線ｅによって第２図において示さ
れる。線１は、使用点検の範囲を示すために境界ｅにお
いて停止する。しかし、実際に、ビーム12は、通常端壁
24に継続されるが、端壁に出会う前の横断の最後の部分
は、有益な点検を設けない。特にエコー・マスク・ゾー
ンの形状は、より複雑な形状のワークピースにおいて変
化するために、全ワークピースを横断することが、通常
より簡単である。点検パスは、通常、側壁26に直接隣接
している軸方向走査平面において完了されるまで、継続
される。さらに先行技術により、第２列の点検パスが、
衝突角ａにおいて点検表面18に衝突するビーム12により
実施されるが、ビーム12は、それぞれのいわゆる周囲走
査平面にあり、代表的なものが、第２図においてPcとし
て示され、矢印ｃは、続く周囲走査平面の展開方向を示
す。先行する周囲走査平面における点検パス中のビーム
12の衝突経路は、鎖線ｃによって示される。これらのパ
スは、点検パスが、端壁24に直接隣接し、かつ平行であ
る周囲走査平面において完了されるまで、継続される。
周囲走査パスに関して、側壁26は、反射構造として作用
し、四辺形のエコー・マスク・ゾーンV₂を生じ、その境
界線が、第２図において点線ｄとして示される。

２つの列の相互に垂直な点検パスの結果が、第2A図に
おいて示され、この場合ゾーンV₁とV₂の重なりによって
規定された実質的に立方角ゾーンＣは、完全に点検され
ず、かつエコー・マスク・ゾーンV₁とV₂の残りは、単一
（軸又は周囲）方向においてのみ点検される。ワークピ
ース10がく形板構成であると仮定すると、全体でＣに代
表される４つの非点検角ゾーンと、単一パス方向によっ
て点検される４つのゾーン（Ｃに対応する重なり角部分
よりも小さなV₁とV₂が代表的である）とがある。相当な
容積のワークピース10が点検されず、あるいは十分に点
検されないことは明らかである。技術において十分に公
知な如く、ワークピースの形成部における小さな欠陥又
は異常は、軸方向に衝突する超音波を透過させ、あるい
はほぼ透過させるが、同一強度の音波が縦軸を横断して
それに当たる時、明白なエコーを設ける。この理由のた
めに、相互に垂直な方位にある２つの点検パスが、通
常、適切な点検のために各区域において必要とされる。
そのような点検の後に残される比較的大きな非点検容積
のために、部品は、時々過大にされ、点検され、そして
最終寸法に加工され、非点検領域の大部分又はすべてを
除去する。しかし、これは、機械加工されなければなら
ない材料を浪費するために、明らかに非経済的な手順で
あり、そして後点検製造段階を必要とする。経済的な不
都合は、ジェット・エンジンにおけるチタン・ブレード
の如く、高価な材料から作成された部品で特に厳しい。

第３図を参照すると、第２図に示された同一ワークピ
ース10が第２図に示されたと同一方位において示され、
即ち、第３図に示された如く、頂部における点検表面18
と、左における端壁24と、前方における側壁26とを示
す。しかし、第３図において、走査平面は、ワークピー
ス10のずっと大きな容積上で二重方向の点検を設けるた
めに本発明の実施態様により位置付けられる。これは、
集束音ビーム12が、第３図においてPfで代表される第１
列の走査平面と、Psで代表される第２列の走査平面とに
おいて点検表面18に関して衝突角ａにおいて向けられる
如く、ワークピース10に関してプローブ14（第１図）を
位置付けるように作業を設定することにより達成され
る。矢印ＦとＳは、それぞれ、平面PfとPsの続く展開の
方向を示す。これらの平面は、従来の軸及び周囲方位の
中間にあるワークピースへの方位を有するために、周−
軸平面と呼ばれる。第１列の先行する周−軸パス中の点
検表面18に沿ったビーム12の経路は、鎖線１′によって
示され、そして第２列の先行するパス中のビーム12の対
応する経路は鎖線ｃ′によって示される。平面Pfは、平
面Psに垂直であり、そして両者は、ワークピース10の端
壁24と側壁26に垂直ではない。このため平面PfとPsは、
端壁24と側壁26が平面によって交差される点において、
非垂直の入射角をそれぞれ規定する。反射形成部に関す
る走査平面のこの非垂直方位は、端壁24と側壁26が十分
になめらかな仕上げを有するならば、壁24と26に完全に
延びている２つの点検パスを設ける。この場合、唯一の
非点検ゾーンは、端壁24と側壁26の交差点における角ゾ
ーンＣ′である（第3A図）。同一ワークピースに対し
て、発明の技術から生ずる非点検角ゾーンＣ′は、壁24
と26に垂直な走査平面による従来の点検技術から生ずる
第2A図の非点検角ゾーンＣよりもかなり小さい。

端壁24と側壁26が十分に粗い場合に、壁24と26によっ
て囲まれた周囲のエコー・マスク・ゾーンは、本発明の
技術を使用する時も生ずる。しかし、この周囲エコー・
マスク・ゾーンは、先行技術から生ずるものよりも小さ
く、その結果粗い音散乱端壁及び側壁でさえも、本発明
の技術は、反射構造又は形成部に関して垂直に走査平面
を向ける先行技術（第２図に示される）に比較して、エ
コー・マスク・ゾーンの全容積を縮小する。本発明の技
術を使用する最悪の状況は、端壁24と側壁26が十分に粗
く、明白な音散乱効果を設ける時、発生する。結果の非
点検ゾーンは、ワークピース10において周囲エコー・マ
スク・ゾーンを示すことにより第３図において示され、
その境界線は、第３図において、点検表面18における点
線ｄ′とｅ′によって示される。点検表面18に垂直でか
つ点線ｄ′とｅ′を通過する平面と、壁24の26の間の薄
い周囲ゾーンが、点検されない。こうして、この最悪の
場合のシナリオにおいて、二重方向点検が、ゾーンV₁′
とV₂′として示されたかなり薄い周囲境界セグメントを
除いて、ワークピース10の全体で達成される。上記の如
く、ゾーンV₁′とV₂′は、壁24と26が適度になめらかな
らば、二重パスで点検可能である。

第３図に示された非垂直配置を使用して達成される点
検の高められた容積は、鏡表面に光の集束ビームを照ら
すことに類似して理解される。ビームの軸が、鏡に垂直
に向けられるなら、光は、鏡から直接にフラッシュライ
ト・レンズに反射される。超音波による対応する配置
は、ワークピースの表面から反射されたエネルギーを含
む高振幅エコーを設け、ワークピースにおけるき裂、ピ
ンホール又は他の小さな異常からの反射によって達成さ
れるエコーの振幅よりも大きな等級次元である。他方、
フラッシュライトが、鏡表面に非垂直角度において照ら
されるならば、フラッシュライトの集束ビームからの光
は、ある角度において反射され、そして反射ビームは、
フラッシュライト・レンズに衝突せず、こうして自身の
反射によって“隠される”前に、フラッシュライトが鏡
表面にずっと近接することを許容する。

点検手順を設定する際に、縁だけでなく、角、ランド
と点検されるワークピースによって設けられた他の反射
形成部に関するプローブの方位が、考慮に入れられる。
以下に示された如く、これは、通常、先行技術によって
使用された直線前方軸及び／又は周囲及び／又は放射状
方位よりも複雑な設計計算を行うが、高められた点検品
質と範囲は、必要とされた余分の努力を正当化する。

第４図は、円形の平たんな点検表面18′と、周囲の円
筒形の点検表面18″とを有するディスク形状のワークピ
ース10′を示す。点検表面18″は、ディスクの側壁又は
縁であり、そして平たんな点検表面18′（及び表面18′
とは反対側の番号の付いていない表面）に関して反射形
成部を設ける。相応して、点検表面18′（及びそれと反
対側の番号の付いていない表面）の周囲部分は、円筒形
の点検表面18″に関して反射形成部を設ける。

ディスク形状のワークピース10′の中心はCRで示さ
れ、自身の縦軸の回りのワークピース10′の回転中心で
ある。平面Prは、表面18′への衝突のために超音波のビ
ーム12rが置かれる放射状走査平面である。周囲走査平
面である平面Pcは、表面18′によって規定された円のコ
ードに沿って表面18′に交差し、そして超音波のビーム
12cは、平面Pc内に示される。平面Paは、軸方向走査平
面であり、そして超音波の反対向きのビーム12a−１と1
2a−２は、表面18″上に衝突して示される。

表面18′は、（回転中心CRを通って表面18′に垂直に
延びている）縦軸の回りでワークピース10′を回転させ
る、即ち、ワークピース10′がレコードの如く、回転さ
せることにより点検される。同時に、ビーム12rは、ワ
ークピースの表面18′の周囲と点Crの間の半径線に沿っ
てレコード針の方法において進められる。これは、リム
が表面18″であるホイールのスポークと同様に、点検表
面18′の交差する走査平面Prの無限列においてビーム12
rを指向させる。同様のアプローチは、周囲に向けられ
た音ビーム12cにより使用される。音ビーム12a−１は、
ワークピース10′が縦軸の回りで回転される間、点検表
面18′と反対側の番号の付いていない表面との間の軸方
向平面Pa内で垂直に横断される。第２列のパスは、平面
Pa内であるが、ビーム12a−１と対向して表面18″に関
してある方位角において位置付けられた超音波ビーム12
a−２により作成される。もちろん、ワークピース10′
は、ビーム12r、12c、12a−１と12a−２が発する一つ又
は複数のプローブ（第４図に示されない）がワークピー
ス10′に関して移動される間、固定されている。

ワークピース10の単純板又はワークピース10′の単純
ディスクよりも多数の反射形成部と対応するエコー・マ
スク・ゾーンを呈示する複雑な構成のワークピースが、
しばしば点検される。例えば、第4A図は、中央開口73と
複数の段状同心溝74とランド76を形成した円形ディスク
・ワークピースのくさび又はパイ・スライス形状セグメ
ントを示す。ワークピース72の周囲縁は、円筒形壁78に
よって規定される。溝74とランド76は、周囲壁78と共
に、複数の反射形成部と結果のエコー・マスク・ゾーン
を設ける多数の側壁（番号なし）によって規定される。
多数の側壁の幾つかがディスク72の平面に関して垂直で
あり、かつ他の幾つかがある角度で傾斜されることによ
り、技術における実践者は、放射状方位のための設定が
比較的簡単であるために、第１列の放射状パスに対して
ディスク72の直径に沿って超音波の集束ビームを指向さ
せる傾向がある。

第4A図の如く、ワークピースの従来の軸方向、放射状
及び／又は周囲点検は、設定が比較的簡単であるが、大
きな容積のエコー・マスク・ゾーンを生ずることが、認
識される。多数の反射形成部に関する音ビームの非垂直
方位によるエコー・マスク・ゾーンの容積を実質的に縮
小する本発明の能力は、ディスク72の如く物品を点検す
る際に非常に重要な実質的な利点を設ける。

第4B図は、ワークピース72の放射状の半部分の断面を
示し、ワークピース72の中央開口73の中心を通過する縦
軸を鎖線CRで示す。軸方向に向けられた超音波ビーム12
a−３と12a−４、及び放射状に向けられた超音波ビーム
12r−１と12r−２の方位が、示される。従来、ビーム12
a−３、12a−４、12r−１と12r−２は、軸CRを通過する
平面、即ち、第4B図の図面の平面にある。第4A図に示さ
れた如く、プローブ14′から発出し、かつそれぞれの音
波20′を生成する超音波ビーム12ca−１と12ca−２は、
本発明の実施態様によりワークピース72に関して方向付
けられ、そして第４図の平面PrとPcと同様に、放射状及
び周囲平面の中間の平面にある。同様に、本発明の教え
により方向付けられたビーム12ca−３と12ca−４（第4B
図）は、ワークピース72の円筒形壁78に衝突し、そして
第４図の平面Paの如く、軸方向平面を横断する平面にあ
る。即ち、ビーム12ca−３と12ca−４は、ワークピース
72の縦軸CRを通過しない平面にある。

検査目的のために、超音波は、変換器とワークピース
の間に空気よりもち密な伝達媒体を必要とし、そのため
通常水の液体媒体が使用される。浸せき検査技術におい
て、超音波変換器を含むプローブとワークピースの両者
が、水に浸される。代表的な浸せき検査タンクが、第５
図に示され、そして床32と垂直側面34a、34b、34cと34d
を有する一般く形構成の防水タンク28を具備する。タン
ク28は、水域を含む。観察窓37が、タンクへの都合の良
い視覚観察を許容するために壁34aにおいて設けられ
る。壁34bと34cは、例示目的のために、部分的に切り欠
きにされ、防水パッキング軸受け66において保持され、
かつ第5B図において部分的に切り欠きにされた駆動ベル
ト68が保持されたプーリ（番号なし）を有する中央柱64
（第5B図）における回転中心CR（第5A図）の回りの回転
のためのタンクの床32に取り付けられたターンテーブル
30をあらわにする。駆動ベルト68は、毎分当たり所望の
回転率においてターンテーブル30を回転させるために、
選択された速度において図示されていない電気モーター
によって駆動される。従来の如く、駆動ベルトは、床32
の下側のタンク28の外側に位置する。

壁34aと34bの頂部縁34a′と34b′は、調整可能な超音
波探索ユニット38のトロリ36aと36bがそれぞれ収容され
る軌道を形成する。一対の間隔付きブリッジ部材40が、
トロリ36aをトロリ36bに連結し、そしてプローブ支持棒
44が取り付けられた駆動箱42を中央点において支持す
る。駆動箱42は、トロリ36aと36bの間の部材40に沿って
可動である。プローブ48は、プローブ48の垂直及び水平
旋回を許容する自在継ぎ手46により、支持棒44の下方端
部において保持される。コネクタ46は、技術において非
常に公知な方法において構成され、プローブ48の縦軸が
棒44の縦軸に直角であり、かつターンテーブル30の中心
を通過する垂直平面において整列された標準位置から水
平及び垂直に変位された所与の斜め位置にプローブ48を
配置させる。制御箱50は、支持棒44に支えられ、そして
適切な電気リード線を含むケーブル52を接続し、調整可
能な探索ユニット38の位置付けとプローブ48の旋回移動
を制御し、かつプローブ48内に包含された変換器により
超音波信号を送信及び受信する。調整可能な探索ニット
38は頂部縁34a′と34b′によって設けられた軌道に沿っ
て可動であるために、プローブ48は、ターンテーブル30
に関して選択された距離において位置付けられる。駆動
箱42は、ブリッジ部材40に沿って可動であり、そしてそ
のため、（第5A図に示された如く）ターンテーブル30の
回転中心と整列されるか、又は（第5A図において仮線で
示された如く）いづれかの側に横にオフセットされ、所
望に応じてプローブ48を横に配置可能にする。支持棒44
は、駆動箱42において垂直に位置付け可能であり、タン
ク28内の選択高度においてプローブ48を位置付ける。調
整可能な探索ユニット38の構造と能力は、第５図に全装
置が示された如く、技術において従来通りである。

第５図に示された特定の検査設定において、ジグ又は
固定具54は、共通回転中心CRの回りのターンテーブル30
による固定具54の回転のために適切な手段により、ター
ンテーブル30の中心において取り付けられる。固定具54
は、それ自身ディスク形状であり、かつターンテーブル
30よりも小直径であり、そして図示された事例におい
て、第６図と第７図に示された形式の複数のタービン・
エンジン・ブレード56を具備する複数のワークピースを
周囲壁54a（第5B図と第5C図）の回りに固定している。
第６図に示された如く、タービン・ブレード56は、ルー
ト58と、フランジ60と、頂部縁62a、前縁62b、及び羽根
付き後縁62cを有する湾曲ベーン62を具備する。ベーン6
2は、凹面62vと凸面62x（第７図）を有する。ブレード5
6に対する代表的な点検必要手段は、頂部縁62aに隣接す
るベーン62の部分を点検すること、即ち、頂部縁62aに
よって囲まれ、かつ頂部縁62aからルート58の方に0.080
インチ（0.203cm）の如く短距離だけ延びているベーン6
2のゾーンを点検することを含む。ブレード56の如くブ
レードは、チタン合金から作製され、そして使用後、頂
部縁62aを再構築するために、溶接により再構築され
る。本発明による超音波点検は、都合の良いことに、き
ず又は不連続性に対して溶接再構築領域を検査するため
に使用される。

検査目的のために、複数のブレード56が、固定具54の
周囲縁にベーン62をつなぐか、あるいはそうでなければ
取り付けることにより、第5C図に示された如く固定具54
の周囲の回りに取り付けられ、ブレードの各々は、タン
ク28内の同一垂直高度に位置付けられる。テープ70は、
垂直周囲壁54aに対してブレード56を位置に保持するた
めに、ベーン62の回りに巻かれる如く、第5C図において
示される。ブレードは、固定具54の周囲の回りに等間隔
で配置され、ベーン62は、直立又は垂直位置において位
置付けられ、凸面は、超音波パルスが衝突される点検表
面を設ける。ブレード56の２つのみが、第5C図において
示されるが、複数のそのようなブレードが、全周囲壁54
aの回りに重なりのない又はわずかに間隔をあけた関係
において取り付けられることが認識される。この設定に
より、ターンテーブル30の回転は、ブレード56の各々の
ベーン部分62にわたる超音波集束音ビーム12の横断のた
めに、プローブ48の放出端部にブレード56の各々を繰り
返して横断させる。調整可能な超音波探索ユニット38
は、プローブ48の前を通過する時、取り付けられたブレ
ード56の各々を走査するために、第５図に点線で示され
た位置にプローブ48を適切に方向付けるように位置付け
られる。固定具54が一回転を完了した後、各ブレード
は、プローブ44によって一パスにおいて走査される。そ
れからプローブ48は、支持棒48によって小増分量だけ上
昇され、そして第２点検パスが、ターンテーブル30（と
このため固定具54）が回転し続ける時、第１パスのわず
かに上の高度において行われる。プローブ48は、固定具
54の各回転の完了により増分量において次第に上昇さ
れ、実質的に平行な第１平面に沿って一連の点検パスを
設ける。本発明により、設定は、プローブ48が従来の軸
及び周囲方位の間の中間の斜め周−軸姿勢において位置
付けられる如く配置される。第１列のパスが完了した
後、プローブ48は、反対の斜め位置に再方向付けられ、
そして第２列のパスは、第１列の平面に実質的に垂直な
走査平面にある集束ビーム12により行われる。

本発明の周−軸方位技術と、比較のために、先行技術
の従来の軸及び周囲方位技術を使用する検査が、実施さ
れた。すべての検査は、同一装置と同一検査片を使用し
て実施され、唯一の変形は、超音波プローブのために使
用された方位の形式である。検査のために使用された装
置は、１インチ（2.54cm）焦点距離の集束ビームを設け
る1/4インチ（0.635cm）直径、15メガヘルツのHarrison
ic浸せき変換器を備えたKrautkramer−Branson,Inc.のK
B6000装置であった。

第６図に示された如く、単一検査片が使用され、３つ
の検査へこみ61a、61bと61cが形成される。検査へこみ
の深さと直径の寸法は、以下に示され、d1、d2とd3が、
検査へこみのそれぞれの直径を表し、そしてh₁、h₂とh₃
は、第6A図、第6B図と第6C図に示された如く、対応する
深さを表す。検査へこみの各々は、平面図において用形
であり、そして第６図において距離Ｒで示された如く、
ブレード56の頂部縁62aから0.040インチ（0.102cm）下
に中心が置かれる。頂部縁62aにおいて、ベーン62は、
0.40インチ（0.102cm）厚であり、そして凸面62xの形状
は、円形シリンダー壁の断面に近い。

表へこみ直径（インチ）深さ（インチ） 61a d1＝0.0057 h₁＝0.0026 61b d2＝0.0055 h₂＝0.0056 61c d3＝0.0055 h₃＝0.0018 第８図、第8A図と第8B図の各々において、プローブ48
は、概略的に示され、集束音ビーム12′は、点検表面
（凸面62x）に衝突し、そして音波20′としてブレード5
6のベーン62に浸透し、そしてベーン62の断面形状輪郭
がＳにおいて示される。

比較例１第６図と第７図に示された如く、検査片、チタン・タ
ービン・ブレードの走査は、２列の点検パスにおいてプ
ローブの軸及び周囲方位を使用して、従来の方法におい
て実施された。

45゜の（第１図の角度ｂに対応する）ワークピースに
おけるせん断音波の屈折角が必要とされ、そしてチタン
において45゜の屈折角を達成するために必要とされた
（第１図の角度ａに対応する）衝突角が、次式のスネル
の方式により計算される。

この場合ａは、入射角であり、ｂは屈折角であり、V_w
は水における音速であり、そしてV_mは、ワークピースの
金属におけるせん断音波速度である。V_w＝1.48x10⁵cm/s
ec、V_m3.11x10⁵cm/secとｂ＝45゜を式（１）に代入し、
そしてａについて解くと、ａ＝19.6638゜になる。この
ため、音ビームは、ワークピースにおける45゜の屈折せ
ん断波を与えるために、19.66゜の角度においてワーク
ピース表面に衝突する。

周囲せん断点検のためのベーン62の点検表面62xの如
く、凸面に関して適正にプローブを位置付けるために、
軸中心線D_tからのオフセットｘ（第９図）が、計算され
なければならない。凸面62xの曲率半径がＲとして取ら
れるならば、オフセットｘは、次式の如く計算される。

（２）ｘ＝Ｒ（sin ａ）オフセットｘは、第９図において示される。ベーン62
に対して、表面62xは、実質的に、6.9インチ（17.53c
m）の外径を有するシリンダーの断面であり、そしてＲ
＝3.45インチとａ＝19.66゜を式（２）に代入すると、
オフセットｘは、1.1609インチ（2.949cm）として計算
される。このため、点検表面62xに関して周囲せん断走
査平面を達成するために、プローブは、表面62xにおい
て垂直を指す中心線D_tにおいて位置付けられ、軸中心線
D_tから1.1609インチの水平（周囲）平面において移動さ
れる。点検表面62xの湾曲のために、結果の衝突角は、1
9.66゜の計算角度を有する。

代替的な技術として、プローブ48は、周囲平面におい
て19.66゜回転され、それからビームの衝突点を中心線D
_tに戻すために、中心線D_tに関してシフトされる。

２つの技術のどちらが使用されても、プローブは、プ
ローブを通過してワークピースを回転させることによ
り、一連の点検を行うために位置付けられる。第５図を
参照すると、これは、固定具54においてワークピースを
取り付け、かつ選択された速度においてターンテーブル
30を回転させることにより実施される。ワークピース
が、プローブを通過してパスを行った後、プローブは、
第１パスに隣接しかつすぐ下の第２走査パスのために、
0.001インチ（0.00254cm）下降される。これは、ブレー
ドの頂部縁から選択された停止点までの検査距離を覆う
ために、必要に応じて繰り返される。

それからプローブは、中心線に戻され、そして第１オ
フセットと反対の方向において1.1609インチの計算オフ
セットだけ変位され、そしてプローブは、第１列の周囲
パスの角度と反対方向において、19.66゜の計算角度を
周囲平面において回転される。それから検査パスは、第
１列のパスにおいて使用されたものに対向して、点検表
面62xに関してある方位角において第２列の周囲パスを
設けるために、繰り返される。

軸方向せん断点検のために正しい設定を計算するため
に、プローブは、軸中心線D_tにおいて位置付けられ、そ
して表面62xにおいて垂直を指す。それからプローブ
は、垂直平面において上方に19.66゜の計算入射角まで
回転され、その結果ビームは、プローブが表面62xに垂
直に方向付けられる時プローブが位置する水平平面より
も垂直距離ｙ（第７図）だけ上で表面62xに衝突する。
第１列のパスは、軸方向点検を設けるために行われる。
この特定点検において、頂部縁62aから0.080インチ（0.
203cm）の距離が点検されるために、一つだけの軸方向
点検が行われる。

第8A図は、プローブ48が、第１列のパスに対して、第
8A図に示された軸方位において、そして第２列のパスに
対して、第8B図に示された周囲方位において位置付けら
れた概略図である。第９図は、ワークピース（ブレード
56）の横断の対向端部の近くの２つの位置におけるプロ
ーブ48を示し、プローブ48（とこのためビーム12′）
は、ターンテーブル30と固定具54の直径D_t（第4A図）に
平行に整列される。第9A図は、直径D_tにある角度におい
て整列されたプローブ48（とこのためビーム12′）を示
す。第９図と第9A図において、ビーム12′は、本発明に
より、ブレード56に関して周−軸方向に指向される。獲
得された走査結果は、第10A図と第10B図に示され、この
場合プローブの軸方位中の頂部縁62aからの反射は、検
査へこみによって生成されたエコーを実質的に完全にマ
スクする。

第10B図において、プローブの周囲方位中、検査へこ
みは、明確に示されるが、容積の大きなセグメントが、
第10B図の印刷出力において領域M₁、M₂によって示され
た如く、マスクされる。

実施例２検査プローブが、次の如く、発明の実施態様により周
−軸方向構成において２列のパスにおいて方向付けられ
ることを除いて、実施例１と同一装置が、同一検査片を
走査するために使用された。所望のせん断角度を達成す
るために必要な入射角は、スネルの法則を使用して従来
の方法において計算される。実施例１において検査され
た如く同一ブレードが検査され、そして45゜のブレード
内の屈折角が望まれるために、19.66゜の同一角度が使
用される。

プローブのために適正な角度を計算するために、垂直
（軸方向）平面におけるプローブ旋回移動のベクトル
が、計算されなければならず、そして対応する計算が、
水平（周囲）平面におけるプローブ旋回移動の対応する
ベクトルに対して為されなければならない。これらの２
つのベクトルの結果は、本発明の見地により、周−軸方
向に向けられたプローブにより表面62xの点検を行うた
めに、プローブの必要な角度を与える。

距離ｙ（第７図）は、次式の如く計算される。

ｙ＝tan ａ′（ｚ）角度ａ（第９図）は、表面62xの湾曲のためにオフセ
ット距離ｘの関数である。プローブ旋回点（第７図、第
９図と第9A図におけるＰ）から周−軸方向走査のための
湾曲表面62xへの距離が、計算されなければならない。

表面62xが平たんであるならば、ピタゴラスの定理
が、プローブ旋回点Ｐから点検表面62xへの距離を導出
するために使用される。わずかに湾曲した表面に対し
て、それは、必要な距離の近似を与える。計算により、
プローブの14.2゜の軸方向移動と、プローブの14.2゜の
周囲移動が、所望の周−軸方向においてプローブを位置
付け、所望の19.66゜の衝突角度を与えることが示され
る。

２つの相互に垂直な周−軸方向のパスにおいて獲得さ
れた結果は、第10図に示され、これから検査へこみの存
在は、明確に描写され、そして暗領域M₁′とM₂′によっ
て示された縁マスク効果は、実際に無視可能であること
が見られる。

発明の特定の実施態様が、超音波ビームを生成するた
めに単一プローブを使用して詳細に記載されたが、技術
において公知な如く、多重のプローブが、複数のビーム
をワークピースに発出するために使用されることが認め
られる。そのような場合に、多重プローブを通過するワ
ークピースの単一パスは、一連の個々の走査パスを設け
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】点検表面とエコー・マスク・ゾーンを生成
する反射形成部とを有する複数のワークピースにおける
超音波反射異常を検出する超音波走査方法において、（ａ）超音波パルスのビームを発するプローブを、伝達
媒体内の所定位置に維持すること、（ｂ）複数のワークピースをターンテーブルに取り付
け、伝達媒体内において、該プローブから発せられたビ
ームが、該複数のワークピースを通過するように、該タ
ーンテーブルを回転軸の回りに回転させること、（ｃ）該プローブからビームを発して、該ビームが該複
数のワークピースの点検表面に所定の衝突角で衝突さ
せ、該複数のワークピース内にビームを透過させるこ
と、（ｄ）該プローブから発せられるビームは、所定の走査
平面内に連続的に存在するように、方向付けられるこ
と、（ｅ）上記所定の走査平面は、該反射形成部と垂直でな
い角度で交差し、これによって、該反射形成部に垂直で
ある走査平面内に方向付けられたビームによって生成さ
れるエコー・マスク・ゾーンよりも小さい容積のエコー
・マスク・ゾーンを生成すること、（ｆ）該複数のワークピースから反射されたエコー・パ
ルスを受信して、エコー・パルスを表示すること、及び（ｇ）該プローブが上記所定位置にある間、該複数のワ
ークピースの各々を該プローブから発せられたビームが
通過するように、該ターンテーブルを回転した後、該プ
ローブを上記所定位置とは異なった位置に移動させ、上
記工程（ｂ）〜（ｆ）を実行することを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】該ワークピースが点検凸面を有し、該反射
形成部が、該ワークピースのそれぞれの縁に形成される
請求の範囲１に記載の方法。
【請求項３】該伝達媒体が水である請求の範囲１に記載
の方法。
【請求項４】該超音波パルスのビームが集束ビームであ
る請求の範囲１に記載の方法。
【請求項５】該ビームが上記所定の走査平面に交差する
一連の第２走査平面にあるように、プローブが方向付け
られることを含む請求の範囲１に記載の方法。
【請求項６】該第２走査平面が、上記所定の走査平面に
垂直である請求の範囲５に記載の方法。
【請求項７】点検表面が、湾曲表面である請求の範囲１
に記載の方法。
【請求項８】点検表面が、複数の反射形成部に交差して
いる請求の範囲１に記載の方法。