JP3535417B2 - 超音波による欠陥高さ測定装置及び欠陥高さ測定方法 - Google Patents

超音波による欠陥高さ測定装置及び欠陥高さ測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非破壊検査技術の
一つである超音波探傷に係り、特に疲労割れ等の欠陥高
さを簡単に測定することが可能な超音波による欠陥高さ
測定装置及び欠陥高さ測定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】配管や圧力容器等の溶接部の保守検査
は、斜角探触子を用いて超音波ビームを斜めに入射させ
て割れ状欠陥の有無の検査を行っている。この超音波探
傷試験で欠陥を検出した場合、その欠陥の長さと高さを
測定して、線形破壊力学による強度計算で強度評価を行
う。
【0003】欠陥の高さを超音波探傷で測定する手法
は、非破壊検査協会編超音波探傷試験III(1989)70頁
に記載してあるようにいくつかの手法があるが、欠陥高
さを精度良く測定する方法の一つとして端部エコー法が
ある。
【0004】特開平5-332999号公報に記載の超音波底面
開口欠陥測定方法では、探触子を欠陥の最大ピーク位置
に置き、最大ピークより前にあるピーク数を判定するこ
とにより、底面開口欠陥の上部端部エコーと底面側端部
エコーとを区分けして捉えることができ、最大ピークと
その前後の端部エコーのビーム路程の相互関係を幾何学
的な三角形として底面開口欠陥の傾斜角を算出して欠陥
高さを求めている。
【0005】しかし、この方法では、超音波ビームの広
がりの範囲で欠陥先端部からの端部エコーを検出する反
射強度は微弱であり、また、欠陥先端部からの回析波は
欠陥先端部に入射する超音波の角度によっても反射強度
が変わる。一般に、欠陥先端部からの反射波は、欠陥の
最大エコーより20dB程度低い反射波として検出され
るために、端部エコーの検出性は低く、端部エコーを識
別するのに熟練を必要とする。
【0006】反射強度の微弱を解決する方法としては、
非破壊検査協会編超音波探傷試験III(1989)77頁に記
載されているように、超音波のビームを集束させること
が有効である。しかし、一般には欠陥先端部からの回析
波である端部エコーの強度を大きくするために欠陥先端
部に焦点が合致するようにして探傷を行う必要がある
が、測定しようとする対象欠陥の深さがわからないため
に、適切な焦点深さを選定できず端部エコー強度が小さ
くて欠陥高さが測定できないという問題があった。
【0007】一方、非破壊検査協会超音波探傷III(198
9)133頁に記載されているように、位相整合による電子
走査式の超音波探傷法もよく知られている。この方法で
は、任意の角度の超音波が発生させられること、および
任意の深さに超音波ビームを集束できることができる。
一般には、特定の微細な欠陥を検出することを目的とし
て、焦点距離を一定にして屈折角度を変えながら探傷を
行う方法で用いられている。この方法で欠陥の端部エコ
ーを得ることは、必ずしも欠陥の先端部で超音波ビーム
が集束されていないために、十分な効果を出すことがで
きない。
【0008】また、特開平9-33500号公報に記載されて
いるように、深さ方向の広い範囲に渡り同一の方位分解
能を有する制御方法も確立されている。しかし、本方法
は素子の共振周波数と同程度以上の高周波成分を抽出し
受信信号のビーム幅を細くし方位分解能を上げる方法で
あり、被検査物がICのような小型のものであれば有効
であるが、圧力容器あるいは配管等の鉄鋼材の場合には
検査すべき範囲が大きく、超音波の減衰が大きくなるた
めに端部エコーの検出方法には適用できない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】欠陥が存在した場合、
その欠陥の高さを求めるために行われる端部エコー法に
おいて、欠陥先端部から得られる散乱波が微弱であり、
この微弱な散乱波を発見し、特定するには熟練が必要で
ある。
【0010】欠陥先端部からの散乱波は、欠陥先端部に
入射する超音波ビームの角度により、受信可能なレベル
にある場合と、検出ができない程小さな場合がある。
【0011】また、超音波ビームを集束して欠陥先端部
からの反射強度を高くする方法もあるが、測定すべき欠
陥高さが判らないために、超音波ビームの焦点を設定で
きない問題がある。
【0012】本発明の目的は、被検査物の欠陥高さを精
度良く簡単に測定する超音波による欠陥高さ測定装置及
び欠陥高さ測定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】上記目的を達成するため
に、本発明における超音波による欠陥高さ測定装置の特
徴とするところは、アレイ探触子から発信される前記超
音波の被検査物内への屈折角度を連続的に変化させ、被
検査物内からの反射波高値が高い屈折角度を選定し、そ
の屈折角で超音波の被検査物内への焦点距離を連続的に
変化させて反射波高値が高くなる焦点距離を演算し、そ
の焦点距離を始点とし欠陥部の欠陥面に沿って超音波の
焦点深さと屈折角度を連続的に変化させて探傷し、反射
波高値が高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程
と次に高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程と
の路程差から欠陥高さを算出することにある。
【0014】具体的には本発明は次に掲げる装置及び方
法を提供する。本発明は、被検査物に向け超音波を発信
し、前記被検査物から反射してきた前記超音波を受信す
るアレイ探触子と、前記アレイ探触子を制御して前記被
検査物の欠陥部を探傷し前記欠陥部の欠陥高さを測定す
る制御部とを有する超音波による欠陥高さ測定装置にお
いて、前記制御部は、前記アレイ探触子から発信される
前記超音波の被検査物内への屈折角度を連続的に変化さ
せ、前記被検査物内で反射した前記超音波の前記各屈折
角度に対応する波形データの中から前記超音波の反射波
高値が高い屈折角度を選定する屈折角度選定部と、前記
選定した屈折角度で前記アレイ探触子から発信される前
記超音波の被検査物内への焦点距離を連続的に変化さ
せ、前記被検査物内で反射した前記超音波の前記各焦点
距離に対応する波形データに基づき前記超音波の反射波
高値が高くなる焦点距離を演算する焦点距離演算部と、
前記演算した焦点距離を始点とし前記欠陥部の欠陥面に
沿って前記超音波の焦点深さと前記屈折角度を連続的に
変化させ、前記欠陥面で反射した前記超音波の前記各屈
折角度に対応する波形データの中の前記超音波の反射波
高値が高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程と
次に高くなる屈折角度に相当する音波ビーム路程との
路程差から前記欠陥高さを算出する欠陥高さ算出部とを
有することを特徴とする超音波による欠陥高さ測定装置
を提供する。
【0015】また、本発明は、アレイ探触子から被検査
物に向け超音波を発信し、前記被検査物から反射してき
た超音波の波形データに基づき前記被検査物の欠陥部を
探傷し前記欠陥部の欠陥高さを測定する超音波による欠
陥高さ測定方法において、前記アレイ探触子から発信さ
れる前記超音波の被検査物内への屈折角度を連続的に変
化させ、前記被検査物内で反射した前記超音波の前記各
屈折角度に対応する波形データの中から前記超音波の反
射波高値が高い屈折角度を選定し、次に前記選定した屈
折角度で前記アレイ探触子から発信される前記超音波の
被検査物内への焦点距離を連続的に変化させ、前記被検
査物内で反射した前記超音波の前記各焦点距離に対応す
る波形データに基づき前記超音波の反射波高値が高くな
る焦点距離を演算し、次に演算した焦点距離を始点とし
前記欠陥部の欠陥面に沿って前記超音波の焦点深さと前
記屈折角度を連続的に変化させ、前記欠陥面で反射した
前記超音波の前記各屈折角度に対応する波形データの中
の前記超音波の反射波高値が高くなる屈折角度に相当す
る超音波ビーム路程と次に高くなる屈折角度に相当する
超音波ビーム路程との路程差から前記欠陥高さを算出す
ることを特徴とする超音波による欠陥高さ測定方法を提
供する。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態例に
係る超音波による欠陥高さ測定装置及び欠陥高さ測定方
法を、図を用いて説明する。
【0017】図1は、本発明の一実施の形態例に係る超
音波による欠陥高さ測定装置の機能構成を示す。
【0018】本欠陥高さ測定装置は、複数の超音波振動
子を配列したアレイ探触子1と、アレイ探触子を機械的
に走査するスキャナ2と、アレイ探触子1及びスキャナ
2を制御して被検査物を探傷し欠陥高さを測定する制御
部3と、探傷結果をディスプレイ等に表示する表示部4
とで構成されている。
【0019】制御部3は、スキャナ2の動作を制御する
スキャナ制御部31と、アレイ探触子1の超音波送受信
を制御する電子走査部32と、該電子走査部32で制御
した超音波受信波形を収録するデータ収録部33と、ス
キャナ2を停止した状態でアレイ探触子1から発信され
る超音波の被検査物内への屈折角度を連続的に変化さ
せ、被検査物内で反射した超音波の各屈折角度に対応す
る波形データの中からエコーが高い、すなわち超音波の
反射波高値が高い屈折角度を選定する屈折角度選定部3
4と、選定した屈折角でアレイ探触子1から発信される
超音波の被検査物内への焦点距離を連続的に変化させ、
被検査物内で反射した超音波の各焦点距離に対応する波
形データに基づき超音波の反射波高値が高くなる焦点距
離を演算する焦点距離演算部35と、演算した焦点距離
を始点とし欠陥部の欠陥面に沿って超音波の焦点深さと
屈折角度を連続的に変化させ、欠陥面で反射した超音波
の各屈折角度に対応する波形データの中の超音波の反射
波高値が高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程
と次に高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程と
の路程差から欠陥高さを算出する欠陥高さ算出部36と
で構成されている。
【0020】スキャナ制御部31、電子走査部32、デ
ータ収録部33、屈折角度選定部34、焦点距離演算部
35、欠陥高さ算出部36は、それぞれメモリに記憶さ
れたプログラムとプロセッサを有する欠陥高さ測定装置
内蔵のコンピュータで実現できる。
【0021】図11に、超音波による欠陥高さ測定用ア
レイ探触子の動作原理を示す。アレイ探触子1は、縦
波、横波SV波あるいは横波SH波を発生させる複数の振動
子1aが貼り付けられ、電子走査部5からの遅延制御さ
れた送信パルス群72によって個々の超音波ビーム73
を被検査物内部に入射する。
【0022】個々の超音波ビームは僅かに時間差をもっ
ており、この時間差によって生ずる超音波ビーム群の先
端はA−A’合成され一つの束になった超音波ビーム群
となり、探触子面1bに対して角度をもった超音波ビー
ムが被検査物内部に入射する。また、適切な遅延時間を
与えることで超音波ビームに焦点を持たせることができ
る。このような原理で電子走査部5で与える遅延時間を
制御し任意の屈折角度、任意の焦点深さの超音波を送信
する。また、欠陥等によって反射してきた超音波を受信
する。
【0023】図2を用いて、図1の欠陥高さ測定装置の
動作を説明する。
【0024】スキャナ2は、アレイ探触子1を保持し、
制御部3からの制御信号によってアレイ探触子1を探傷
面で機械的に走査する。
【0025】制御部3は、定められた走査パターンの信
号をスキャナ2に送信しスキャナ2を駆動すると共にス
キャナ2からの位置信号を収録する。また、アレイ探触
子1から発生する超音波ビーム23の屈折角と焦点深さ
を変えるための位相データを作成し、超音波ビーム23
の送受信を行う。また、アレイ探触子1から被検査物2
2に発生する超音波ビーム23の屈折角度を、例えば3
0°から70°まで1°毎に角度を振って探傷を行わせ
る。
【0026】図3は、超音波探傷における超音波ビーム
23の反射波形を示す。横軸は振動子1aから送信され
た送信パルス76を基準としたビーム路程時間、縦軸は
反射されたエコー(反射波)の波高値を示す。データ収
録部33は、図2の欠陥部25からの反射波を屈折角度
毎に屈折角に対する波形データ71として記憶し、屈折
角度選定部34は、欠陥部25で反射する欠陥エコーと
欠陥部25の先端部25bで反射する端部エコーが出現
することが予測される範囲を予め設定し、これを波形処
理範囲75とし、この波形処理範囲75での高いエコー
(反射波)波高値と屈折角との関係から、波高値の高い
屈折角を選定する。好ましくは、最も高い波高値に対す
る屈折角を選定する。
【0027】図4は、アレイ探触子1を静止させた位置
で屈折角度を順次変化させたときのの、屈折角度θと反
射波高値との関係を示す。欠陥部25からの反射波高値
41は、欠陥部25のコーナー部25aで最も大きくな
り、この関係からエコー高さが最も高い屈折角θ0が選
定される。
【0028】図5は、アレイ探触子1を静止させた位置
で、屈折角をθ0として、焦点距離Sを変えていくとき
の超音波ビームの概念を示す。アレイ探触子1から被検
査物22に入射する超音波ビーム55の焦点距離Sを変
えることで、焦点深さdを変えることができる。例え
ば、本発明の一例として、比較的肉厚の薄い材料に対し
ては、超音波ビームの焦点距離Sを板厚53の1/4から2
/3まで1mm毎に変えて探傷を行うことができる。
【0029】図6は、アレイ探触子1を静止させた位置
で、屈折角をθ0として、焦点距離Sを変化させたとき
欠陥部25から反射した反射波高値との関係を示す。焦
点深さdが変わると欠陥部25からの反射波高値が変化
し、焦点距離Sに対する波高値61は欠陥部25のコー
ナー部25aで最も高くなる。焦点距離Sに対する波高
値はデータ収録部33で記憶し、焦点距離演算部35
は、焦点距離Sと欠陥部25から得られる反射波高値と
の関係データ61から高いエコーが得られる焦点距離、
好ましくは最大エコーが得られる焦点距離S0を求め
る。
【0030】図7は、焦点距離S0を測定開始点とし、
欠陥部25の欠陥面に沿って焦点深さdを変えて探傷を
行う時の超音波ビームの概念を示す。アレイ探触子1か
ら被検査物22に入射した超音波ビーム55は、例え
ば、欠陥が疲労割れのように板厚方向に直角にあること
が予想される場合、欠陥部25の欠陥面に沿って焦点深
さdを変える。
【0031】図8は、欠陥が疲労割れのように板厚方向
に直角にあることが予想される場合、欠陥面に沿って焦
点深さdを変えたときの焦点距離Sを求める関係を示し
てある。変えるべき焦点距離S1は、焦点深さの変化分
Δd1と焦点距離S0、屈折角度θ1、屈折角度θ0の関係
から、次式(数1)〜(数3)で求められる。
【0032】
【数1】
【0033】
【数2】
【0034】
【数3】
【0035】図9は、屈折角を変化させた場合の屈折角
度θと波高値の関係を示し、図10は、欠陥高さHを計
算するときの屈折角度θとビーム路程Wとの関係を示
す。屈折角がθ0の時、波高値は最大を示し、その前後
では波高値はなだらかに低下する。屈折角度θが大きく
なり、超音波ビーム55が欠陥部25の先端部25bに
当たると端部エコーが生じ、この屈折角度θ1のときに
波高値が極大値となる。
【0036】データ収録部33では、屈折角度θと波高
値との関係を記憶し、欠陥高さ算出部36は、屈折角度
θとの反射波高値との関係データ91から、屈折角度θ
0に対する波高値92(ビーム路程W0のとき)の直後に
ある極大点、すなわち波高値92の次に高くなる波高値
93を端部エコーとし、端部エコーが得られる屈折角θ
1に相当する波形のビーム路程をW1とし、欠陥高さH
を、次式(数4)から算出する。
【0037】
【数4】
【0038】このように、欠陥部25の欠陥面に沿って
超音波ビーム55を振り、この時の屈折角度と波高値の
データとから端部エコーを識別し、端部エコーと欠陥エ
コーのビーム路程を基に欠陥高さを演算処理することを
欠陥高さ算出部36が行う。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、検査員の熟練性に頼ら
ず、被検査物の欠陥高さを精度良く簡単に測定すること
ができるので、検査の能率向上及び信頼性向上を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態例に係る超音波による欠
陥高さ測定装置の機能構成を示すブロック図である。
【図2】図1の欠陥高さ測定装置の動作を説明する図で
ある。
【図3】超音波探傷における超音波ビーム23の反射波
形を示す図である。
【図4】屈折角度と反射波高値との関係を示す図であ
る。
【図5】焦点距離Sを変えていくときの超音波ビームの
概念を示す図である。
【図6】焦点距離Sと欠陥部から反射した反射波高値と
の関係を示す図である。
【図7】欠陥部の欠陥面に沿って焦点深さdを変えて探
傷を行う時の超音波ビームの概念を示す図である。
【図8】欠陥面に沿って焦点深さdを変えたときの焦点
距離Sを求める関係を示す図である。
【図9】屈折角度と反射波高値との関係を示す図であ
る。
【図10】欠陥高さHを計算するときの屈折角度θとビ
ーム路程Wとの関係を示す図である。
【図11】超音波による欠陥高さ測定用アレイ探触子の
動作原理を示す図である。
【符号の説明】
1…アレイ探触子、2…スキャナ、3…制御部、31…
スキャナ制御部、32…電子走査部、33…データ収録
部、34…屈折角度選定部、35…焦点距離演算部、3
6…欠陥高さ算出部、4…表示部、22…被検査物、2
3…超音波ビーム、25…欠陥部、71…超音波波形、
72…超音波送信パルス群、73…超音波ビーム波面、
75…波形処理範囲、76…送信パルス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/00 - 29/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被検査物に向け超音波を発信し、前記被検
    査物から反射してきた前記超音波を受信するアレイ探触
    子と、前記アレイ探触子を制御して前記被検査物の欠陥
    部を探傷し前記欠陥部の欠陥高さを測定する制御部とを
    有する超音波による欠陥高さ測定装置において、 前記制御部は、前記アレイ探触子から発信される前記超
    音波の被検査物内への屈折角度を連続的に変化させ、前
    記被検査物内で反射した前記超音波の前記各屈折角度に
    対応する波形データの中から前記超音波の反射波高値が
    高い屈折角度を選定する屈折角度選定部と、前記選定し
    た屈折角度で前記アレイ探触子から発信される前記超音
    波の被検査物内への焦点距離を連続的に変化させ、前記
    被検査物内で反射した前記超音波の前記各焦点距離に対
    応する波形データに基づき前記超音波の反射波高値が高
    くなる焦点距離を演算する焦点距離演算部と、前記演算
    した焦点距離を始点とし前記欠陥部の欠陥面に沿って前
    記超音波の焦点深さと前記屈折角度を連続的に変化さ
    せ、前記欠陥面で反射した前記超音波の前記各屈折角度
    に対応する波形データの中の前記超音波の反射波高値が
    高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程と次に高
    くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程との路程差
    から前記欠陥高さを算出する欠陥高さ算出部とを有する
    ことを特徴とする超音波による欠陥高さ測定装置。
  2. 【請求項2】アレイ探触子から被検査物に向け超音波を
    発信し、前記被検査物から反射してきた超音波の波形デ
    ータに基づき前記被検査物の欠陥部を探傷し前記欠陥部
    の欠陥高さを測定する超音波による欠陥高さ測定方法に
    おいて、 前記アレイ探触子から発信される前記超音波の被検査物
    内への屈折角度を連続的に変化させ、前記被検査物内で
    反射した前記超音波の前記各屈折角度に対応する波形デ
    ータの中から前記超音波の反射波高値が高い屈折角度を
    選定し、次に前記選定した屈折角度で前記アレイ探触子
    から発信される前記超音波の被検査物内への焦点距離を
    連続的に変化させ、前記被検査物内で反射した前記超音
    波の前記各焦点距離に対応する波形データに基づき前記
    超音波の反射波高値が高くなる焦点距離を演算し、次に
    演算した焦点距離を始点とし前記欠陥部の欠陥面に沿っ
    て前記超音波の焦点深さと前記屈折角度を連続的に変化
    させ、前記欠陥面で反射した前記超音波の前記各屈折角
    度に対応する波形データの中の前記超音波の反射波高値
    が高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程と次に
    高くなる屈折角度に相当する超音波ビーム路程との路程
    差から前記欠陥高さを算出することを特徴とする超音波
    による欠陥高さ測定方法。
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