JP3241519B2 - 超音波探傷方法および装置 - Google Patents
超音波探傷方法および装置Info
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波探傷方法および
装置に係り、特に鋼板をはじめとする圧延金属板の内部
の非金属介在物などの内部欠陥の検出に用いるのに好適
な、一度に一定幅の線状の領域の探傷が可能な超音波探
傷方法および装置に関する。
装置に係り、特に鋼板をはじめとする圧延金属板の内部
の非金属介在物などの内部欠陥の検出に用いるのに好適
な、一度に一定幅の線状の領域の探傷が可能な超音波探
傷方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常、材料内部の内部欠陥などの欠陥の
検出には、超音波探傷法を用いることが最も適してい
る。これは、材料内部に超音波を伝播させ、内部欠陥に
よる超音波伝播の乱れを検出するものであるが、この方
法を応用したものとして、スポットフォーカス型超音波
センサから、音響レンズによって２次元的に集束させた
超音波ビームを鋼板内部に入射させ、内部欠陥による底
面反射波の弱まりを検出して、内部欠陥を検出する方法
がある（たとえば、入江ら著「超音波集束探触子法によ
る微細介在物の連続検査基礎実験（CAMP-ISIJ Vol.2,(1
989)-1452)」参照）。
検出には、超音波探傷法を用いることが最も適してい
る。これは、材料内部に超音波を伝播させ、内部欠陥に
よる超音波伝播の乱れを検出するものであるが、この方
法を応用したものとして、スポットフォーカス型超音波
センサから、音響レンズによって２次元的に集束させた
超音波ビームを鋼板内部に入射させ、内部欠陥による底
面反射波の弱まりを検出して、内部欠陥を検出する方法
がある（たとえば、入江ら著「超音波集束探触子法によ
る微細介在物の連続検査基礎実験（CAMP-ISIJ Vol.2,(1
989)-1452)」参照）。
【０００３】圧延金属板の中の介在物などの内部欠陥
は、直径50μm 以上のものからプレス成形あるいは絞り
加工などにおいて割れの原因となるといわれており、非
常に微細な内部欠陥を検出することが要求されている。
このため、前記の方法では、超音波ビームを集束させ、
細径化することにより、小さな内部欠陥の検出能力を高
めている。
は、直径50μm 以上のものからプレス成形あるいは絞り
加工などにおいて割れの原因となるといわれており、非
常に微細な内部欠陥を検出することが要求されている。
このため、前記の方法では、超音波ビームを集束させ、
細径化することにより、小さな内部欠陥の検出能力を高
めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
ビームを細径化すると１つの超音波センサによって検査
可能な面積が低下するので、このような超音波センサを
用いて圧延金属板全体を探傷しようとすると、膨大な数
のセンサが必要となるという問題がある。たとえば、鋼
板の搬送ライン上で、前記の方法によって全面探傷を行
うとすると、鋼板の幅方向に全体をカバーできる数の超
音波センサを並べ、鋼板を走行させることにより連続的
な全面探傷を行うことが可能である。しかし、鋼板の幅
をたとえば1000mm、１つのセンサによって検査可能な幅
を１mmとすると、1000個もの超音波センサが必要とな
り、装置のコストは膨大なものになってしまうのであ
る。
ビームを細径化すると１つの超音波センサによって検査
可能な面積が低下するので、このような超音波センサを
用いて圧延金属板全体を探傷しようとすると、膨大な数
のセンサが必要となるという問題がある。たとえば、鋼
板の搬送ライン上で、前記の方法によって全面探傷を行
うとすると、鋼板の幅方向に全体をカバーできる数の超
音波センサを並べ、鋼板を走行させることにより連続的
な全面探傷を行うことが可能である。しかし、鋼板の幅
をたとえば1000mm、１つのセンサによって検査可能な幅
を１mmとすると、1000個もの超音波センサが必要とな
り、装置のコストは膨大なものになってしまうのであ
る。
【０００５】ところで、本発明者らは、上記の問題点を
解消すべく、既に特願平４−210169号において、被検査
板の同一面に超音波送信子としてラインフォーカス型超
音波センサと、超音波受信子として１次元アレー型超音
波センサをそれぞれ配置し、超音波送信子から一方向に
集束した帯状の超音波ビームを被検査板に向けて送信
し、被検査板に入射された超音波によって生起された内
部欠陥からの反射波を１次元アレー型超音波センサによ
り受信すること、また被検査板に入射した超音波が屈折
角30〜60°の横波となるように、送信ビームの入射角を
設定し、かつ屈折角30〜60°の横波を受信可能に、前記
１次元アレー型超音波センサと被検査板との角度を設定
することを特徴とする超音波探傷方法を提案した。これ
により、一度に一定幅の線状の領域を探傷することが可
能となったのである。
解消すべく、既に特願平４−210169号において、被検査
板の同一面に超音波送信子としてラインフォーカス型超
音波センサと、超音波受信子として１次元アレー型超音
波センサをそれぞれ配置し、超音波送信子から一方向に
集束した帯状の超音波ビームを被検査板に向けて送信
し、被検査板に入射された超音波によって生起された内
部欠陥からの反射波を１次元アレー型超音波センサによ
り受信すること、また被検査板に入射した超音波が屈折
角30〜60°の横波となるように、送信ビームの入射角を
設定し、かつ屈折角30〜60°の横波を受信可能に、前記
１次元アレー型超音波センサと被検査板との角度を設定
することを特徴とする超音波探傷方法を提案した。これ
により、一度に一定幅の線状の領域を探傷することが可
能となったのである。
【０００６】しかしながら、この方法では、送信した超
音波ビームの鋼板表面での反射波が超音波受信子に大き
い振幅で受信され、それが表面近くの内部欠陥からの反
射エコーと重なるため、被検査板の表面近くに不感帯が
発生するという問題があった。本発明は、上記した従来
技術の有する課題を解消すべくなされたもので、表面近
くの不感帯がなく、一度に一定幅の線状の領域の探傷が
可能であり、したがって被検査板の中の微細な内部欠陥
を、被検査板の全面および全断面にわたり、少ないセン
サ数で高い検出能力による探傷を可能とした超音波探傷
方法および装置を提供することを目的とする。
音波ビームの鋼板表面での反射波が超音波受信子に大き
い振幅で受信され、それが表面近くの内部欠陥からの反
射エコーと重なるため、被検査板の表面近くに不感帯が
発生するという問題があった。本発明は、上記した従来
技術の有する課題を解消すべくなされたもので、表面近
くの不感帯がなく、一度に一定幅の線状の領域の探傷が
可能であり、したがって被検査板の中の微細な内部欠陥
を、被検査板の全面および全断面にわたり、少ないセン
サ数で高い検出能力による探傷を可能とした超音波探傷
方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
被検査板を挟んで超音波送信子と超音波受信子を対向配
置し、該超音波送信子から超音波ビームを被検査板に向
けてほぼ垂直に送信し、被検査板に入射した超音波が内
部欠陥の上面で反射し、さらに、被検査板の表面で再反
射した反射波と、被検査板に入射した超音波が被検査板
の裏面で反射した後、内部欠陥の下面で再反射した反射
波とを超音波受信子により受信し、受信された超音波を
増幅し、反射波のみを抽出した後に所定の振幅に達した
反射波の有無を検出することを特徴とする超音波探傷方
法である。
被検査板を挟んで超音波送信子と超音波受信子を対向配
置し、該超音波送信子から超音波ビームを被検査板に向
けてほぼ垂直に送信し、被検査板に入射した超音波が内
部欠陥の上面で反射し、さらに、被検査板の表面で再反
射した反射波と、被検査板に入射した超音波が被検査板
の裏面で反射した後、内部欠陥の下面で再反射した反射
波とを超音波受信子により受信し、受信された超音波を
増幅し、反射波のみを抽出した後に所定の振幅に達した
反射波の有無を検出することを特徴とする超音波探傷方
法である。
【０００８】また、本発明の第２の態様は、被検査板に
向けてほぼ垂直に超音波ビームを送信する超音波送信子
と、被検査板を挟んで前記超音波送信子と対向する位置
に配置され、被検査板に入射した超音波が内部欠陥の上
面で反射し、さらに、被検査板の表面で再反射した反射
波と、被検査板に入射した超音波が被検査板の裏面で反
射した後、内部欠陥の下面で再反射した反射波とを受信
する超音波受信子と、受信された超音波を増幅する手段
と、反射波のみを抽出するゲート手段と、所定の振幅に
達した反射波の有無を検出するコンパレータ群と、から
なることを特徴とする超音波探傷装置である。
向けてほぼ垂直に超音波ビームを送信する超音波送信子
と、被検査板を挟んで前記超音波送信子と対向する位置
に配置され、被検査板に入射した超音波が内部欠陥の上
面で反射し、さらに、被検査板の表面で再反射した反射
波と、被検査板に入射した超音波が被検査板の裏面で反
射した後、内部欠陥の下面で再反射した反射波とを受信
する超音波受信子と、受信された超音波を増幅する手段
と、反射波のみを抽出するゲート手段と、所定の振幅に
達した反射波の有無を検出するコンパレータ群と、から
なることを特徴とする超音波探傷装置である。
【０００９】なお、前記超音波送信子として一方向に集
束した帯状の超音波ビームを送信するラインフォーカス
型超音波センサを用い、前記超音波受信子として短冊型
の超音波振動子を前記帯状超音波ビームの幅方向に並べ
てなる１次元超音波アレーセンサを用いるのがよい。ま
た、被検査板に向けてほぼ垂直に一方向に集束した帯状
の超音波ビームを送信するラインフォーカス型超音波セ
ンサと、被検査板を挟んで前記ラインフォーカス型超音
波センサと対向する位置に配置され短冊型の超音波振動
子を前記帯状超音波ビームの幅方向に並べてなる１次元
超音波アレーセンサと、受信された超音波を増幅する手
段と、反射波のみを抽出するゲート手段と、所定の振幅
に達した反射波の有無を検出するコンパレータ群と、か
らなる超音波探傷装置において、前記ラインフォーカス
型超音波センサと前記１次元超音波アレーセンサとの間
の距離ＬS が、該ラインフォーカス型超音波センサの送
信する帯状超音波ビームの水中焦点距離をＦ、被検査板
の板厚をｔとしたとき、下記の式を満足するのがよい。
束した帯状の超音波ビームを送信するラインフォーカス
型超音波センサを用い、前記超音波受信子として短冊型
の超音波振動子を前記帯状超音波ビームの幅方向に並べ
てなる１次元超音波アレーセンサを用いるのがよい。ま
た、被検査板に向けてほぼ垂直に一方向に集束した帯状
の超音波ビームを送信するラインフォーカス型超音波セ
ンサと、被検査板を挟んで前記ラインフォーカス型超音
波センサと対向する位置に配置され短冊型の超音波振動
子を前記帯状超音波ビームの幅方向に並べてなる１次元
超音波アレーセンサと、受信された超音波を増幅する手
段と、反射波のみを抽出するゲート手段と、所定の振幅
に達した反射波の有無を検出するコンパレータ群と、か
らなる超音波探傷装置において、前記ラインフォーカス
型超音波センサと前記１次元超音波アレーセンサとの間
の距離ＬS が、該ラインフォーカス型超音波センサの送
信する帯状超音波ビームの水中焦点距離をＦ、被検査板
の板厚をｔとしたとき、下記の式を満足するのがよい。
【００１０】 ＬS ≦Ｆ−｛（ＣS ／ＣW ）−１｝・ｔ＋5.5 (mm) ただし、ＣS ；金属板中での超音波の速度、ＣW ；水中
での超音波の速度 さらに、前記１次元超音波アレーセンサの超音波振動子
の大きさを被検査板の幅方向で1.0 mm以上とするのがよ
く、また前記ラインフォーカス型超音波センサは複数個
の超音波振動子を帯状の超音波ビームの幅方向に密接に
並べて構成され、１個の超音波振動子の大きさが帯状超
音波ビームの幅方向で2.0 〜15.0mmとされるのがよい。
での超音波の速度 さらに、前記１次元超音波アレーセンサの超音波振動子
の大きさを被検査板の幅方向で1.0 mm以上とするのがよ
く、また前記ラインフォーカス型超音波センサは複数個
の超音波振動子を帯状の超音波ビームの幅方向に密接に
並べて構成され、１個の超音波振動子の大きさが帯状超
音波ビームの幅方向で2.0 〜15.0mmとされるのがよい。
【００１１】
【作 用】図１ないし図４に本発明の基本構成を示す。
まず、図１に示すように、本発明の超音波センサ20は、
圧延金属板などの被検査板10を挟んで対向して配置され
る超音波送信子22および超音波受信子25と、超音波受信
子25からの信号を受信する複数の受信増幅素子501 〜50
N と、これら受信増幅素子501 〜50N に対応して接続さ
れるゲート手段521 〜52N およびコンパレータ541 〜54
N とで構成される。なお、これら超音波送信子22および
超音波受信子25と被検査板10との間には、超音波伝播媒
質としてたとえば水40が介在される。
まず、図１に示すように、本発明の超音波センサ20は、
圧延金属板などの被検査板10を挟んで対向して配置され
る超音波送信子22および超音波受信子25と、超音波受信
子25からの信号を受信する複数の受信増幅素子501 〜50
N と、これら受信増幅素子501 〜50N に対応して接続さ
れるゲート手段521 〜52N およびコンパレータ541 〜54
N とで構成される。なお、これら超音波送信子22および
超音波受信子25と被検査板10との間には、超音波伝播媒
質としてたとえば水40が介在される。
【００１２】超音波送信子22としては、たとえばライン
フォーカス型超音波センサを用いることができ、また超
音波受信子25としては、図２に示すように、たとえばＮ
個の短冊型の超音波振動子421 〜42N を１次元に密接に
並べて構成される１次元アレー超音波センサを用いるこ
とができる。超音波送信子22からの超音波ビーム23は集
束されて、図３に示すように、被検査板10に向けてほぼ
垂直に送信されて、被検査板10のほぼ板厚方向に伝播す
る。このとき、伝播路程に内部欠陥28があれば反射して
受信ビーム24として超音波受信子25に受信される。
フォーカス型超音波センサを用いることができ、また超
音波受信子25としては、図２に示すように、たとえばＮ
個の短冊型の超音波振動子421 〜42N を１次元に密接に
並べて構成される１次元アレー超音波センサを用いるこ
とができる。超音波送信子22からの超音波ビーム23は集
束されて、図３に示すように、被検査板10に向けてほぼ
垂直に送信されて、被検査板10のほぼ板厚方向に伝播す
る。このとき、伝播路程に内部欠陥28があれば反射して
受信ビーム24として超音波受信子25に受信される。
【００１３】この受信ビーム24は、図４に示すように、
内部欠陥28の上面で反射しさらに被検査板10の表面10ａ
で再反射した反射波30と、いったん、被検査板10の裏面
10ｂで反射した後内部欠陥28の下面で再反射した反射波
31とが、２通りの伝播経路によって超音波受信子25に受
信される。なお、受信ビーム24は図３のように断面内に
おいてのみ集束されているが、必ずしも集束させる必要
はない。
内部欠陥28の上面で反射しさらに被検査板10の表面10ａ
で再反射した反射波30と、いったん、被検査板10の裏面
10ｂで反射した後内部欠陥28の下面で再反射した反射波
31とが、２通りの伝播経路によって超音波受信子25に受
信される。なお、受信ビーム24は図３のように断面内に
おいてのみ集束されているが、必ずしも集束させる必要
はない。
【００１４】超音波受信子25により受信された超音波
は、各超音波振動子42ごとに接続されている受信増幅素
子501 〜50N にて増幅され、ゲート手段521 〜52N によ
って反射波のみが抽出された後、コンパレータ541 〜54
N によって所定の振幅以上の反射波が存在するか否かが
検出される。本発明では、図５(a) に示す被検査板10の
表面10ａ近傍に存在する内部欠陥28ａと、図５(b) に示
す被検査板10の裏面10ｂ近傍に存在する内部欠陥28ｂに
ついても、図示した伝播経路の反射波32ａおよび32ｂが
被検査板10を直接透過する透過波33よりも、時間的に大
きく遅れて超音波受信子25に受信されることになるの
で、これらの反射波を明瞭に識別して検出することがで
きる。したがって、本発明では、従来例でみられた表面
近くの不感帯は存在しないのである。
は、各超音波振動子42ごとに接続されている受信増幅素
子501 〜50N にて増幅され、ゲート手段521 〜52N によ
って反射波のみが抽出された後、コンパレータ541 〜54
N によって所定の振幅以上の反射波が存在するか否かが
検出される。本発明では、図５(a) に示す被検査板10の
表面10ａ近傍に存在する内部欠陥28ａと、図５(b) に示
す被検査板10の裏面10ｂ近傍に存在する内部欠陥28ｂに
ついても、図示した伝播経路の反射波32ａおよび32ｂが
被検査板10を直接透過する透過波33よりも、時間的に大
きく遅れて超音波受信子25に受信されることになるの
で、これらの反射波を明瞭に識別して検出することがで
きる。したがって、本発明では、従来例でみられた表面
近くの不感帯は存在しないのである。
【００１５】ここで、超音波送信子22としてラインフォ
ーカス型超音波センサを用い、超音波受信子25として１
次元アレー超音波センサを用いた場合における、超音波
送信子22と超音波受信子25との位置関係や被検査板10の
位置関係、さらに超音波受信子25に内蔵される超音波振
動子42および超音波送信子22に内蔵される超音波振動子
での寸法の制約条件について、実験で得られた結果を詳
しく説明する。
ーカス型超音波センサを用い、超音波受信子25として１
次元アレー超音波センサを用いた場合における、超音波
送信子22と超音波受信子25との位置関係や被検査板10の
位置関係、さらに超音波受信子25に内蔵される超音波振
動子42および超音波送信子22に内蔵される超音波振動子
での寸法の制約条件について、実験で得られた結果を詳
しく説明する。
【００１６】まず、超音波送信子22と超音波受信子25と
の位置関係について説明すると、図６に示すように、超
音波送信子22と超音波受信子25とを内部欠陥を有する板
厚ｔなる被検査板10を挟んで対向配置し、被検査板10と
超音波受信子25との間の距離をＬR とし、被検査板10と
超音波送信子22との間の距離をＬT 、超音波送信子22と
超音波受信子25との間の距離（以下、送受信子間距離と
いう）をＬS （＝ＬR＋ＬT ＋ｔ）とする。
の位置関係について説明すると、図６に示すように、超
音波送信子22と超音波受信子25とを内部欠陥を有する板
厚ｔなる被検査板10を挟んで対向配置し、被検査板10と
超音波受信子25との間の距離をＬR とし、被検査板10と
超音波送信子22との間の距離をＬT 、超音波送信子22と
超音波受信子25との間の距離（以下、送受信子間距離と
いう）をＬS （＝ＬR＋ＬT ＋ｔ）とする。
【００１７】そこで、板厚ｔが4.5 mmの被検査板10と超
音波受信子25との間の距離ＬR を１mm一定とし、超音波
送信子22の位置を漸次被検査板10から遠ざかるように移
動させて、送受信子間距離ＬS を変化させた時の内部欠
陥からのエコー高さ（dB) を調査した。その結果を図７
に示した。この図から明らかなように、送受信子間距離
ＬS が遠くなるに従ってエコー高さは漸次下降はする
が、距離ＬS がほぼ25.5mm付近で超音波ビームが底面で
焦点（以下、底面焦点という）するまでかなり高いレベ
ルを保持し、その後急激に下降することがわかる。この
ことから、送受信子間距離ＬS は、少なくとも底面焦点
の位置を超えないような位置関係であることが望ましい
のである。
音波受信子25との間の距離ＬR を１mm一定とし、超音波
送信子22の位置を漸次被検査板10から遠ざかるように移
動させて、送受信子間距離ＬS を変化させた時の内部欠
陥からのエコー高さ（dB) を調査した。その結果を図７
に示した。この図から明らかなように、送受信子間距離
ＬS が遠くなるに従ってエコー高さは漸次下降はする
が、距離ＬS がほぼ25.5mm付近で超音波ビームが底面で
焦点（以下、底面焦点という）するまでかなり高いレベ
ルを保持し、その後急激に下降することがわかる。この
ことから、送受信子間距離ＬS は、少なくとも底面焦点
の位置を超えないような位置関係であることが望ましい
のである。
【００１８】なお、ここで、板厚ｔの被検査板10におい
て超音波ビームが底面焦点するための条件について補足
すると、超音波送信子22の水中焦点距離をＦとすると、
被検査板10と超音波送信子22との間の距離ＬT は下記
(1) 式で表現される。 ＬT ＝Ｆ−（ＣS ／ＣW ）・ｔ （mm） ……………(1) ここで、ＣS ；金属板中での超音波の速度、ＣW ；水中
での超音波の速度である。
て超音波ビームが底面焦点するための条件について補足
すると、超音波送信子22の水中焦点距離をＦとすると、
被検査板10と超音波送信子22との間の距離ＬT は下記
(1) 式で表現される。 ＬT ＝Ｆ−（ＣS ／ＣW ）・ｔ （mm） ……………(1) ここで、ＣS ；金属板中での超音波の速度、ＣW ；水中
での超音波の速度である。
【００１９】したがって、送受信子間距離ＬS は、被検
査板10と超音波受信子25との間の距離ＬR を１mmとする
と、下記(2) 式で表現できる。 ＬS ＝ＬT ＋ｔ＋１ （mm） ＝Ｆ−（ＣS ／ＣW ）・ｔ＋ｔ＋１ ＝Ｆ−｛（ＣS ／ＣW ）−１｝・ｔ＋１ ……………(2) また、図８は上記した送受信子間距離ＬS を基準とし、
これに対する送受信子間距離ＬS の増分とエコー高さと
の関係を示したものである。内部欠陥からの反射波をＳ
／Ｎよく検出するためには３dB以下のエコー高さが好ま
しいことから、送受信子間距離ＬS の増分は4.5 mm以下
が望ましいといえる。
査板10と超音波受信子25との間の距離ＬR を１mmとする
と、下記(2) 式で表現できる。 ＬS ＝ＬT ＋ｔ＋１ （mm） ＝Ｆ−（ＣS ／ＣW ）・ｔ＋ｔ＋１ ＝Ｆ−｛（ＣS ／ＣW ）−１｝・ｔ＋１ ……………(2) また、図８は上記した送受信子間距離ＬS を基準とし、
これに対する送受信子間距離ＬS の増分とエコー高さと
の関係を示したものである。内部欠陥からの反射波をＳ
／Ｎよく検出するためには３dB以下のエコー高さが好ま
しいことから、送受信子間距離ＬS の増分は4.5 mm以下
が望ましいといえる。
【００２０】したがって、好ましい送受信子間距離ＬS
は下記(3) 式で求められる。 ＬS ≦Ｆ−｛（ＣS ／ＣW ）−１｝・ｔ＋5.5 (mm) …………(3) つぎに、被検査板10の位置による探傷への影響を調べた
結果について述べる。すなわち、前出図６において、送
受信子間距離ＬS を(2) 式を満足する条件とした状態
で、被検査板10を移動させて距離ＬR を変化させたとき
の内部欠陥からのエコー高さおよびそのＳ／Ｎの推移を
図９に示した。
は下記(3) 式で求められる。 ＬS ≦Ｆ−｛（ＣS ／ＣW ）−１｝・ｔ＋5.5 (mm) …………(3) つぎに、被検査板10の位置による探傷への影響を調べた
結果について述べる。すなわち、前出図６において、送
受信子間距離ＬS を(2) 式を満足する条件とした状態
で、被検査板10を移動させて距離ＬR を変化させたとき
の内部欠陥からのエコー高さおよびそのＳ／Ｎの推移を
図９に示した。
【００２１】この図からわかるように、被検査板10の位
置が変化しても、エコー高さおよびＳ／Ｎには殆ど変化
がない。それゆえ、送受信子間距離ＬS を、超音波ビー
ム23が被検査板10で底面焦点し、被検査板10から１mmの
位置においた超音波受信子25で反射波を受信するのと同
じ距離とし、被検査板10を超音波送信子22と超音波受信
子25との間の任意の位置において探傷してもよい。
置が変化しても、エコー高さおよびＳ／Ｎには殆ど変化
がない。それゆえ、送受信子間距離ＬS を、超音波ビー
ム23が被検査板10で底面焦点し、被検査板10から１mmの
位置においた超音波受信子25で反射波を受信するのと同
じ距離とし、被検査板10を超音波送信子22と超音波受信
子25との間の任意の位置において探傷してもよい。
【００２２】さらに、超音波受信子25の超音波振動子42
の寸法について、その適切な大きさを決定する実験を行
った結果について説明する。実験に用いた装置は、図10
に示すように、複数の超音波振動子421 〜42n を加算器
56で加算して、その加算信号を受信増幅素子50で増幅
し、ゲート手段52で処理したのちピーク値検出器55で反
射波ん振幅を検出するように構成される。
の寸法について、その適切な大きさを決定する実験を行
った結果について説明する。実験に用いた装置は、図10
に示すように、複数の超音波振動子421 〜42n を加算器
56で加算して、その加算信号を受信増幅素子50で増幅
し、ゲート手段52で処理したのちピーク値検出器55で反
射波ん振幅を検出するように構成される。
【００２３】そこで、図11に示すように、帯状超音波ビ
ームの幅方向（Ｙ方向) の幅が0.5mmとされる最大12個
の超音波振動子421 〜4212を加算器56に接続した１次元
アレー超音波センサで構成される超音波受信子25を用い
た。送受信子間距離ＬS が25.5mmの超音波送信子22と超
音波受信子25の間に、板厚ｔが4.5 mmで幅0.41mm×長さ
2.8 mmの大きさの欠陥28を有する被検査板10を矢示Ｆお
よびＲ方向に、たとえば70〜100 μm の微小ピッチで往
復移動させ、そのとき変化する内部欠陥からの反射波の
Ｓ／Ｎの分布を調査した。
ームの幅方向（Ｙ方向) の幅が0.5mmとされる最大12個
の超音波振動子421 〜4212を加算器56に接続した１次元
アレー超音波センサで構成される超音波受信子25を用い
た。送受信子間距離ＬS が25.5mmの超音波送信子22と超
音波受信子25の間に、板厚ｔが4.5 mmで幅0.41mm×長さ
2.8 mmの大きさの欠陥28を有する被検査板10を矢示Ｆお
よびＲ方向に、たとえば70〜100 μm の微小ピッチで往
復移動させ、そのとき変化する内部欠陥からの反射波の
Ｓ／Ｎの分布を調査した。
【００２４】このとき、加算器56に接続する超音波振動
子42の個数ｎを１個，２個，４個，８個、12個の５通り
に変化させたときのＳ／Ｎ（dB) の分布を図12に示し
た。ｎ個の超音波振動子42を同一の加算器56に接続して
測定を行った結果は、0.5 ×ｎの幅を有する単一の超音
波振動子を用いて測定を行った結果と等価と考えられる
ので、図12では加算器56に接続した超音波振動子の個数
ｎに0.5 mmを乗じて超音波振動子の幅としている。な
お、このとき用いた帯状超音波ビームの周波数は25MHz
である。
子42の個数ｎを１個，２個，４個，８個、12個の５通り
に変化させたときのＳ／Ｎ（dB) の分布を図12に示し
た。ｎ個の超音波振動子42を同一の加算器56に接続して
測定を行った結果は、0.5 ×ｎの幅を有する単一の超音
波振動子を用いて測定を行った結果と等価と考えられる
ので、図12では加算器56に接続した超音波振動子の個数
ｎに0.5 mmを乗じて超音波振動子の幅としている。な
お、このとき用いた帯状超音波ビームの周波数は25MHz
である。
【００２５】図12において、Ｓ／Ｎは幅Ｗが１mm（Ｎ＝
２）以上では15dBを超えた高いレベルが得られているこ
とから、その下限は１mmが望ましい。これらの結果か
ら、内部欠陥からの反射波の受信に用いる１次元超音波
アレーセンサに内蔵される超音波振動子の大きさＷは、
帯状超音波ビーム23の方向（Ｙ方向）では、１mm以上と
するとよいことが判明した。なお、図12の結果からは超
音波振動子の幅Ｗが１mmから６mmまではＳ／Ｎがそれほ
ど変化せず、圧延金属板等の内部欠陥の検出に好適な範
囲であることが明らかとなった。
２）以上では15dBを超えた高いレベルが得られているこ
とから、その下限は１mmが望ましい。これらの結果か
ら、内部欠陥からの反射波の受信に用いる１次元超音波
アレーセンサに内蔵される超音波振動子の大きさＷは、
帯状超音波ビーム23の方向（Ｙ方向）では、１mm以上と
するとよいことが判明した。なお、図12の結果からは超
音波振動子の幅Ｗが１mmから６mmまではＳ／Ｎがそれほ
ど変化せず、圧延金属板等の内部欠陥の検出に好適な範
囲であることが明らかとなった。
【００２６】なお、上記の実験には幅が0.5 mmの超音波
振動子42を用いるとして説明したが、この超音波振動子
42は物理的に最小0.2 mmの幅まで製作可能であることか
ら、この0.2 mm幅の超音波振動子42を５個組み合わせれ
ば、下限値である幅Ｗ；１mmを実現することができる。
したがって、0.2 mm幅の素子を用いる場合には５個以上
の超音波振動子42を加算器56で加算するとよい。
振動子42を用いるとして説明したが、この超音波振動子
42は物理的に最小0.2 mmの幅まで製作可能であることか
ら、この0.2 mm幅の超音波振動子42を５個組み合わせれ
ば、下限値である幅Ｗ；１mmを実現することができる。
したがって、0.2 mm幅の素子を用いる場合には５個以上
の超音波振動子42を加算器56で加算するとよい。
【００２７】さらにまた、超音波送信子22に内蔵される
超音波振動子の寸法の制約条件の有無について検討を行
った結果について説明する。すなわち、超音波送信子22
に用いられる一方向に集束した帯状の超音波ビームを送
信するラインフォーカス型超音波センサの場合は複数個
の超音波振動子42を帯状超音波ビーム23の幅方向（Ｙ方
向）に密接に並べて構成されるのであるが、その超音波
振動子42のＹ方向の大きさと帯状超音波ビーム23のビー
ム強度（dB) について調べたところ、図13のような特性
を得ることができた。
超音波振動子の寸法の制約条件の有無について検討を行
った結果について説明する。すなわち、超音波送信子22
に用いられる一方向に集束した帯状の超音波ビームを送
信するラインフォーカス型超音波センサの場合は複数個
の超音波振動子42を帯状超音波ビーム23の幅方向（Ｙ方
向）に密接に並べて構成されるのであるが、その超音波
振動子42のＹ方向の大きさと帯状超音波ビーム23のビー
ム強度（dB) について調べたところ、図13のような特性
を得ることができた。
【００２８】この結果から、ビーム強度が−６dB以上で
あれば実用上で問題がないことから、１つの超音波振動
子の大きさを超音波ビームの幅方向で2.0 〜15.0mmとす
るのが適当であることがわかる。本発明は、上記のよう
に構成することによって、一度に一定幅の線状の領域の
探傷が不感帯なしで可能であり、オンライン全面探傷を
行う際に、設置が必要な超音波センサの数を大幅に減ず
ることができる。また、受信増幅素子50、ゲート手段5
2、コンパレータ54は、超音波振動子42の数だけ設置す
る必要はあるが、超音波送信子22と超音波受信子25が分
離しているため、通常の超音波探傷で実施されている１
つの超音波センサで超音波の送受信を兼用する方式で必
要な、増幅回路に加わる超音波励振用の高電圧パルスか
ら、該回路を防護するための保護回路が不要であり、通
信などに用いられる安価な増幅素子をそのまま用いるこ
とができ、また回路構成も簡単であるため、コンパレー
タも含めて集積化が可能であり、コストを低く抑えるこ
とができる。
あれば実用上で問題がないことから、１つの超音波振動
子の大きさを超音波ビームの幅方向で2.0 〜15.0mmとす
るのが適当であることがわかる。本発明は、上記のよう
に構成することによって、一度に一定幅の線状の領域の
探傷が不感帯なしで可能であり、オンライン全面探傷を
行う際に、設置が必要な超音波センサの数を大幅に減ず
ることができる。また、受信増幅素子50、ゲート手段5
2、コンパレータ54は、超音波振動子42の数だけ設置す
る必要はあるが、超音波送信子22と超音波受信子25が分
離しているため、通常の超音波探傷で実施されている１
つの超音波センサで超音波の送受信を兼用する方式で必
要な、増幅回路に加わる超音波励振用の高電圧パルスか
ら、該回路を防護するための保護回路が不要であり、通
信などに用いられる安価な増幅素子をそのまま用いるこ
とができ、また回路構成も簡単であるため、コンパレー
タも含めて集積化が可能であり、コストを低く抑えるこ
とができる。
【００２９】
【実施例】以下に、本発明の実施例について、図14を用
いて詳細に説明する。図において、超音波センサ20は透
過型の構成とされ、超音波送信子として用いられるライ
ンフォーカス型超音波センサ58と、超音波受信子として
用いられる１次元アレー超音波センサ59とが、被検査板
である薄鋼板12を挟んで対向する位置に配置されて構成
される。
いて詳細に説明する。図において、超音波センサ20は透
過型の構成とされ、超音波送信子として用いられるライ
ンフォーカス型超音波センサ58と、超音波受信子として
用いられる１次元アレー超音波センサ59とが、被検査板
である薄鋼板12を挟んで対向する位置に配置されて構成
される。
【００３０】なお、薄鋼板12とラインフォーカス型超音
波センサ58および１次元アレー超音波センサ59のそれぞ
れの間には水（図示せず）が超音波伝播媒質として介在
される。また、ラインフォーカス型超音波センサ58およ
び１次元アレー超音波センサ59からなる超音波センサ20
は、全面連続探傷のため、１つの超音波センサ20にて検
査可能な線状領域の長さから計算される必要数だけ、薄
鋼板12の幅方向に隙間無く並べて配置される。
波センサ58および１次元アレー超音波センサ59のそれぞ
れの間には水（図示せず）が超音波伝播媒質として介在
される。また、ラインフォーカス型超音波センサ58およ
び１次元アレー超音波センサ59からなる超音波センサ20
は、全面連続探傷のため、１つの超音波センサ20にて検
査可能な線状領域の長さから計算される必要数だけ、薄
鋼板12の幅方向に隙間無く並べて配置される。
【００３１】ラインフォーカス型超音波センサ58を励振
する電気パルス送信器60にはクロック回路が内蔵されて
おり、この電気パルス送信器60から一定の時間間隔をお
いて電気パルスが送信され、ラインフォーカス型超音波
センサ58に内蔵された超音波振動子に印加されることに
より、ラインフォーカス型超音波センサ58から帯状の超
音波ビーム23が送信される。
する電気パルス送信器60にはクロック回路が内蔵されて
おり、この電気パルス送信器60から一定の時間間隔をお
いて電気パルスが送信され、ラインフォーカス型超音波
センサ58に内蔵された超音波振動子に印加されることに
より、ラインフォーカス型超音波センサ58から帯状の超
音波ビーム23が送信される。
【００３２】送信された超音波ビーム23は、水中を伝播
して薄鋼板12の表面に達すると、薄鋼板12の内部に入射
し、ほぼ板厚方向に伝播する。この超音波ビーム23はそ
の伝播路程に内部欠陥が存在すると、これによって反射
される。その反射波は薄鋼板12を通り抜けて水中を伝播
し、１次元アレー型超音波センサ59に受信される。その
超音波が１次元アレー型超音波センサ59のどの超音波振
動子に受信されるかは、内部欠陥28の薄鋼板12の幅方向
の位置に対応する。
して薄鋼板12の表面に達すると、薄鋼板12の内部に入射
し、ほぼ板厚方向に伝播する。この超音波ビーム23はそ
の伝播路程に内部欠陥が存在すると、これによって反射
される。その反射波は薄鋼板12を通り抜けて水中を伝播
し、１次元アレー型超音波センサ59に受信される。その
超音波が１次元アレー型超音波センサ59のどの超音波振
動子に受信されるかは、内部欠陥28の薄鋼板12の幅方向
の位置に対応する。
【００３３】１次元アレー型超音波センサ59に受信され
た信号は、受信増幅素子501 〜50Nにて増幅され、ゲー
ト手段521 〜52N によって内部欠陥からの反射波のみが
抽出され、コンパレータ541 〜54N に送られる。コンパ
レータ541 〜54N は振幅が所定レベル以上の反射波が入
力されると、電気パルスを出力し、これが内部欠陥の検
出信号621 〜62N となる。
た信号は、受信増幅素子501 〜50Nにて増幅され、ゲー
ト手段521 〜52N によって内部欠陥からの反射波のみが
抽出され、コンパレータ541 〜54N に送られる。コンパ
レータ541 〜54N は振幅が所定レベル以上の反射波が入
力されると、電気パルスを出力し、これが内部欠陥の検
出信号621 〜62N となる。
【００３４】このように構成された超音波探傷装置を用
いて、板厚；4.5 mm×板幅；1000mmの薄鋼板の探傷を行
った。この装置のラインフォーカス型超音波センサ58か
ら送信される帯状の超音波ビーム23の幅を50mm、１次元
アレー超音波センサ59の素子数、幅をそれぞれ10素子、
５mmとしたところ、１つの超音波センサ20で50mmの長さ
の線状領域の探傷が可能であった。なお、幅が1000mm幅
の薄鋼板に対してわずか20個の超音波センサでその全面
連続探傷が可能であった。
いて、板厚；4.5 mm×板幅；1000mmの薄鋼板の探傷を行
った。この装置のラインフォーカス型超音波センサ58か
ら送信される帯状の超音波ビーム23の幅を50mm、１次元
アレー超音波センサ59の素子数、幅をそれぞれ10素子、
５mmとしたところ、１つの超音波センサ20で50mmの長さ
の線状領域の探傷が可能であった。なお、幅が1000mm幅
の薄鋼板に対してわずか20個の超音波センサでその全面
連続探傷が可能であった。
【００３５】このとき、検出された内部欠陥である非金
属介在物を含む一部分を薄鋼板から切出し、Ｃスキャン
超音波探傷装置と称される切板サンプルの精密な探傷装
置を用いて検出した結果を図15に示した。この図から明
らかなように、長さ50μm の微小な内部欠陥が、本発明
装置によって検出することができることがわかる。
属介在物を含む一部分を薄鋼板から切出し、Ｃスキャン
超音波探傷装置と称される切板サンプルの精密な探傷装
置を用いて検出した結果を図15に示した。この図から明
らかなように、長さ50μm の微小な内部欠陥が、本発明
装置によって検出することができることがわかる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被検査板を挟んで超音波送信子と超音波受信子を対向配
置し、該超音波送信子から超音波ビームを被検査板に向
けてほぼ垂直に送信し、被検査板に入射した超音波によ
って生起された内部欠陥からの反射波を前記超音波受信
子によって受信するようにしたので、表面近くの内部欠
陥も含めて一度に一定幅の領域の探傷が不感帯なく行う
ことができ、これによって、圧延金属板などの被検査板
の中の微細な介在物などの内部欠陥を、被検査板の全面
にわたって少数の超音波センサで高い検出能力で検出す
ることができるというすぐれた効果を奏する。
被検査板を挟んで超音波送信子と超音波受信子を対向配
置し、該超音波送信子から超音波ビームを被検査板に向
けてほぼ垂直に送信し、被検査板に入射した超音波によ
って生起された内部欠陥からの反射波を前記超音波受信
子によって受信するようにしたので、表面近くの内部欠
陥も含めて一度に一定幅の領域の探傷が不感帯なく行う
ことができ、これによって、圧延金属板などの被検査板
の中の微細な介在物などの内部欠陥を、被検査板の全面
にわたって少数の超音波センサで高い検出能力で検出す
ることができるというすぐれた効果を奏する。
【図１】本発明の基本構成を示す一部斜視図を含むブロ
ック線図である。
ック線図である。
【図２】本発明に用いられる１次元アレー型超音波セン
サの構造を示す平面図である。
サの構造を示す平面図である。
【図３】図１の側断面図である。
【図４】内部欠陥からの反射波の伝播経路の説明図であ
る。
る。
【図５】(a) ，(b) は内部欠陥からの反射波の伝播経路
の説明図である。
の説明図である。
【図６】実験に用いた超音波送信子と超音波受信子との
位置関係を示す側面図である。
位置関係を示す側面図である。
【図７】送受信子間距離と内部欠陥からの反射波のエコ
ー高さの関係を示す特性図である。
ー高さの関係を示す特性図である。
【図８】送受信子間距離の基準からの増分と内部欠陥か
らの反射波のエコー高さの関係を示す特性図である。
らの反射波のエコー高さの関係を示す特性図である。
【図９】被検査板の位置と内部欠陥からの反射波のエコ
ー高さおよびＳ／Ｎの関係を示す特性図である。
ー高さおよびＳ／Ｎの関係を示す特性図である。
【図10】超音波振動子の加算回路を示す構成図である。
【図11】内部欠陥を加算回路に接続された超音波振動子
で検出する概要の説明図である。
で検出する概要の説明図である。
【図12】内部欠陥の超音波振動子に対する位置とＳ／Ｎ
との関係を示す特性図である。
との関係を示す特性図である。
【図13】超音波送信子における超音波振動子の大きさと
ビーム強度の関係を示す特性図である。
ビーム強度の関係を示す特性図である。
【図14】本発明装置の実施例の構成を示す一部斜視図を
含むブロック線図である。
含むブロック線図である。
【図15】本発明装置を用いた薄鋼板のオンライン探傷に
おいて検出された非金属介在物をＣスキャン超音波探傷
装置で精密評価した結果を示すスケッチ図である。
おいて検出された非金属介在物をＣスキャン超音波探傷
装置で精密評価した結果を示すスケッチ図である。
10 被検査板 12 薄鋼板 20 超音波センサ 22 超音波送信子 23 受信ビーム 25 超音波受信子 40 水 421 〜42N 超音波振動子 501 〜50N 受信増幅素子 521 〜52N ゲート手段 541 〜54N コンパレータ 56 加算器 621 〜62N 内部欠陥の検出信号
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−79595（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−261857（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−129750（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28
Claims (6)
- 【請求項１】 被検査板を挟んで超音波送信子と超音波
受信子を対向配置し、該超音波送信子から超音波ビーム
を被検査板に向けてほぼ垂直に送信し、被検査板に入射
した超音波が内部欠陥の上面で反射し、さらに、被検査
板の表面で再反射した反射波と、被検査板に入射した超
音波が被検査板の裏面で反射した後、内部欠陥の下面で
再反射した反射波とを超音波受信子により受信し、受信
された超音波を増幅し、反射波のみを抽出した後に所定
の振幅に達した反射波の有無を検出することを特徴とす
る超音波探傷方法。 - 【請求項２】 被検査板に向けてほぼ垂直に超音波ビー
ムを送信する超音波送信子と、被検査板を挟んで前記超
音波送信子と対向する位置に配置され、被検査板に入射
した超音波が内部欠陥の上面で反射し、さらに、被検査
板の表面で再反射した反射波と、被検査板に入射した超
音波が被検査板の裏面で反射した後、内部欠陥の下面で
再反射した反射波とを受信する超音波受信子と、受信さ
れた超音波を増幅する手段と、反射波のみを抽出するゲ
ート手段と、所定の振幅に達した反射波の有無を検出す
るコンパレータ群と、からなることを特徴とする超音波
探傷装置。 - 【請求項３】 前記超音波送信子として一方向に集束
した帯状の超音波ビームを送信するラインフォーカス型
超音波センサを用い、前記超音波受信子として短冊型の
超音波振動子を前記帯状超音波ビームの幅方向に並べて
なる１次元超音波アレーセンサを用いることを特徴とす
る請求項２記載の超音波探傷装置。 - 【請求項４】 被検査板に向けてほぼ垂直に一方向に集
束した帯状の超音波ビームを送信するラインフォーカス
型超音波センサと、被検査板を挟んで前記ラインフォー
カス型超音波センサと対向する位置に配置され短冊型の
超音波振動子を前記帯状超音波ビームの幅方向に並べて
なる１次元超音波アレーセンサと、受信された超音波を
増幅する手段と、反射波のみを抽出するゲート手段と、
所定の振幅に達した反射波の有無を検出するコンパレー
タ群と、からなる超音波探傷装置において、 前記ラインフォーカス型超音波センサと前記１次元超音
波アレーセンサとの間の距離ＬS が、該ラインフォーカ
ス型超音波センサの送信する帯状超音波ビームの水中焦
点距離をＦ、被検査板の板厚をｔとしたとき、下記の式
を満足することを特徴とする超音波探傷装置。 ＬS ≦Ｆ−｛（ＣS ／ＣW ）−１｝・ｔ＋5.5 (mm) ただし、ＣS ；金属板中での超音波の速度、ＣW ；水中
での超音波の速度 - 【請求項５】 前記１次元超音波アレーセンサの超音波
振動子の大きさを被検査板の幅方向で1.0 mm以上とする
ことを特徴とする請求項４に記載の超音波探傷装置。 - 【請求項６】 前記ラインフォーカス型超音波センサは
複数個の超音波振動子を帯状の超音波ビームの幅方向に
密接に並べて構成され、１個の超音波振動子の大きさが
帯状超音波ビームの幅方向で2.0 〜15.0mmとされること
を特徴とする請求項４または５に記載の超音波探傷装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01349294A JP3241519B2 (ja) | 1994-01-26 | 1994-02-07 | 超音波探傷方法および装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-7176 | 1994-01-26 | ||
| JP717694 | 1994-01-26 | ||
| JP01349294A JP3241519B2 (ja) | 1994-01-26 | 1994-02-07 | 超音波探傷方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07253414A JPH07253414A (ja) | 1995-10-03 |
| JP3241519B2 true JP3241519B2 (ja) | 2001-12-25 |
Family
ID=26341435
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01349294A Expired - Fee Related JP3241519B2 (ja) | 1994-01-26 | 1994-02-07 | 超音波探傷方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3241519B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3629913B2 (ja) | 1997-09-05 | 2005-03-16 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 超音波探傷方法および装置 |
| US6266983B1 (en) | 1998-12-09 | 2001-07-31 | Kawasaki Steel Corporation | Method and apparatus for detecting flaws in strip, method of manufacturing cold-rolled steel sheet and pickling equipment for hot-rolled steel strip |
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