JP3680805B2 - 探触子ホルダー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、搬送中の被検査材に超音波を照射して被検査材の内部欠陥を検出するための超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レール等の形鋼は１３００度以上に加熱した鋼片を、カリバーと呼ばれる上下の圧延ロール間の穴型を通すことによって圧延製造される。圧延されたレールは所定の長さに切断され冷却されるが、レールの形状は一様ではなく部位ごとに冷却速度が異なるため、冷却した時点で曲がりが生じる。この曲がりはロールを千鳥状に配置したローラー矯正機によって修正される。ローラー矯正機で曲がりを修正されたレールは、長さ、形状等の検査を行った後搬送されるが、この搬送途中で表面欠陥と内部欠陥の検査が行われる。そして両端部を切落して所定の長さに揃えられ、さらに曲がり修正の必要があるものはプレス矯正される。
【０００３】
以上の一連の製造過程で行われる品質検査の内、内部欠陥の検査に関しては一般的に超音波探傷が用いられており、搬送中のレールの超音波探傷技術としては、次の２つの方法が知られている。
【０００４】
その１つの方法は、超音波探触子（以下、「探触子」という）をホルダー内に装着し、該ホルダーを被検査材に接材させて被検査材表面と探触子間の距離を一定に保ちながら探傷する方法である。そして、この方法には、ホルダー内に水を充満させこの水を通して超音波を被検査材に照射する局部水浸法と、ホルダー内には水を用いずに探触子として分割型探触子を用いるギャップ法とがある。
【０００５】
他の１つの方法は、水柱超音波法と呼ばれているもので、探触子を装着したホルダーと被検査材との間に一定の間隔を設け、探触子を装着したホルダーから水を噴射させ、ホルダーと被検査材との間に水柱を形成させてこの水柱を通して超音波をレールに照射させ探傷するものである。
【０００６】
さらに、特開平１０−２８２０６９号公報に開示された技術では、探触子ホルダーを被検査材に位置決めする際には、表面反射エコーが最大になるように探触子ホルダーの角度調整が容易に行える機構が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
探触子をホルダーに装着しホルダーを被検査材に密着させて探傷する方法のうち、ギャップ法では探触子と被検査材表面との間隙を０．５ｍｍ程度と微小な値に保持することと、分割型探触子の音響分割面である遮蔽板の突起によって超音波発信側から被検査材表面と探触子間での多重反射エコーが受信側に入り込むことを防止することが必要である。
【０００８】
ところで、レールでは曲がりを矯正するためのローラー矯正機を通すことによって、圧延時に生じたレール表面のスケールが破壊され密着状態から剥がれ易い状態になっている。そのため、表面のスケールが浮いた状態の表面性状のものを探傷した場合には、遮蔽板の突起が削られて消耗し、また遮蔽板の突起は破損しやすいため長期にわたって健全に保つことが困難となる。そして、遮蔽板の突起に損傷をきたすと超音波発信側からレール表面と探触子間での多重反射エコーが受信側に入り込んでしまいノイズが増加し信頼性の高い探傷ができなくなってしまう。
【０００９】
一方、局部水浸法は遮蔽板の損傷といった問題は生じないが、レールのように表面のスケールが浮いた状態の被検査材を探傷した場合、探傷中にレール表面から剥離したスケールがホルダー内の水溜めに侵入し、このスケールと被検査材表面あるいはスケールと探触子の間で超音波が多重反射してノイズが発生する結果、信頼性の高い探傷ができないという問題がある。
【００１０】
このように、ホルダーを被検査材に接材させて探傷する方法では、表面のスケールが剥離し易い被検査材を対象として信頼性の高い超音波探傷を行う方法は未だ確立していなかった。
【００１１】
水柱超音波法では、上述の剥離スケールの混入に伴うノイズの問題は生じないが、搬送中の被検査材が上下左右に位置変動することによって水柱の形状が変化し、このために超音波が水柱内で反射を起こしてノイズが発生する場合がある。これに対し探触子ホルダーは常に被検査材と所定の距離を保ったまま、被検査材に精度良く追従して動く必要があるが、このための倣い制御装置が必要となり設備コストが高価となる。
【００１２】
したがって、簡便な機構で搬送中の被検査材の位置変動に柔軟に追従することのできる倣い機構が望まれていた。
【００１３】
さらに、特開平１０−２８２０６９号公報に開示された技術では、探触子ホルダーを被検査材に対してプリセットする際は、各レールの軌種に対応して表面反射エコーが最大になるように角度調整を行うが、この場合、各プローブに角度調整機構と、その制御を行うための機能が必要となるため機構が複雑なってしまう。そして、レール断面の探傷カバー範囲を広げるためにはこのような機構を備えた多数の探触子を取り付ける必要があり、装置が大掛かりになるばかりか装置の製作費用の高騰を招くこととなる。
【００１４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ホルダーを被検査材に接材させて探傷する方法を用いて、表面のスケールが剥離し易い被検査材を対象として信頼性の高い超音波探傷を行うことができ、また搬送中の被検査材の位置変動に柔軟に追従することができ、また簡便に探傷領域を拡大することのできる探触子ホルダー、超音波探傷方法及び探傷装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するための本発明は、超音波探触子を有する探触子ホルダーの超音波を発射する開口部に音響インピーダンスが前記探触子ホルダー内部に供給される音響媒体とほぼ同一の透過部材を設け、前記探触子ホルダーを被検査材に接材したときの、前記被検査材表面と前記透過部材との間に前記探触子ホルダー内から前記音響媒体を供給して満たすための間隔を、前記透過部材が前記被検査材に接材しないようにして設け、かつ、前記間隔を被検査材中での超音波伝播速度に対する音響媒体中での超音波伝播速度の比率を被検査材表面からの表層不感帯に乗算した値以下とし、この透過部材を通して被検査材に超音波を照射するように構成されることを特徴とする探触子ホルダーである。
【００１６】
また本発明は、超音波探触子を有する探触子ホルダーの超音波を発射する開口部に音響インピーダンスが前記探触子ホルダー内部に供給される音響媒体とほぼ同一の透過部材を設け、前記探触子ホルダーを被検査材に接材したときの、前記被検査材表面と前記透過部材との間に前記探触子ホルダー内から前記音響媒体を供給して満たすための間隔を、前記透過部材が前記被検査材に接材しないようにして設け、かつ、前記透過部材と前記被検査材との間隔を、被検査材表面からの表層不感帯の１／４以下とし、この透過部材を通して被検査材に超音波を照射するように構成されることを特徴とする探触子ホルダーである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波探傷装置の実施の形態を、レールの超音波探傷装置を例として説明する。
【００２３】
図1は本発明に係る超音波探傷装置の正面図、図２は側面図である。
【００２４】
図1および図2において、基礎面上には、被検査材であるレール１の搬送方向と直交する方向に軌道３２ａ、３２ｂが敷設されており、この軌道３２ａ、３２ｂ上を走行する台車３は、下面に設けられた車輪３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄによって図１の左右方向に移動可能になっている。
【００２５】
以下、台車の進行方向を左右方向として説明する。
【００２６】
そして、台車３上にはスライド機構７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが配設され、さらに機構枠２がこのスライド機構７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ上を左右方向に移動自在に積載されている。また、台車３上の左右端部にはこの機構枠２を所定の位置に移動させるためのエアーシリンダで構成されるセンタリング装置８ａ、８ｂが設けられている。
【００２７】
機構枠２は直方体形状で構成され、レール１がこの機構枠２の内部を貫通して搬送されるように少なくともレール１の搬送方向の前後２方向に開口部を有している。
【００２８】
以下、レール１の搬送方向を前後方向として説明する。
【００２９】
機構枠２の天井にはパルスモータ４１を備えた昇降装置４が設けられており、このパルスモータ４１の回転軸と図示しない歯車機構を介して歯合するボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを立設した昇降フレーム４３が機構枠２の内部にボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを昇降装置４のネジ孔に螺合して懸架されている。
【００３０】
この昇降フレーム４３にはエアシリンダ４４がロッド４５を下向きにして搭載され、昇降フレーム４３を貫通するロッド４５の先端には上部フレーム５がその面を機構枠２の天井面と平行になるように接続されている。さらにこの上部フレーム５は平行リンク機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄによって機構枠２の天井に設置されたそれぞれの支点部と接続されている。
【００３１】
そして、上部フレーム５の前後端部下面には倣いロール５２ａ、５２ｂが取り付けられると共に、レール１の頭頂用探傷ホルダー９をその１端で回動自在に接続するアーム９１、レール１の頭側用探傷ホルダー１０、１１をその１端で回動自在に接続するアーム１０１、１１１及びレール１のウエブ用探傷ホルダー１２をその１端で回動自在に接続するアーム１２１のそれぞれの他端が上部フレーム５に設置された各支点部と回動自在に接続されている。
【００３２】
また、機構部２の底面にはレール１の足裏用探傷ホルダー１３をその１端で回動自在に接続するアーム１３１がその他端を底面部に設けられた支点部と回動自在に接続されている。
【００３３】
さらに、機構部２の左右の側面の前後端部の合計４箇所にはエアシリンダ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄがロッド軸を機構部２の内面に挿入して取り付けられており、このロッド軸先端にはレール１の足側部に接触して倣うための倣いロール６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが設けられている。そしてこれらのエアシリンダと倣いロールによってレール補足機構６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを構成している。
【００３４】
次に、本探傷装置の動作について説明する。
レール１の探傷を開始するための準備動作として、車輪３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを図示しないモーターで駆動することによって、台車３をレール３２ａ、３２ｂ上を左右方向に移動し、レール１の搬送テーブル中心が機構枠２の所定位置になるように位置決めする。この動作をライン挿入動作という。尚、この逆の動作をライン抽出動作という。
【００３５】
続いて、レール1の種類（軌種）に対するプリセット動作を行う。
図示しない制御装置を介してレール１の軌種設定を行うと、予め制御装置内に記憶した設定値に従って、パルスモータ４１が回転しこれによってボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが回転する。このボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの回転によって昇降フレーム４３が昇降するが、上部フレーム５と昇降フレーム４３とは昇降フレーム４３に搭載したエアーシリンダー４４の軸を介して接続されているため、上部フレーム５も同昇降フレーム４３と一体となって昇降する。
【００３６】
そして、これから探傷を行おうとするレール１の高さ寸法に適合する位置に上部フレーム５が設定される。ここで、上部フレーム５は平行リンク機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを介して機構枠２と接続されている。このため、上部フレーム５は昇降機構４で昇降された場合にも水平を保つことができる。
【００３７】
次にレール１の探傷動作を開始する。
レール１が図２に示す矢印Ａの方向から機構枠２内に搬送された場合、レール１の先端が左右倣いロール６２ａ、６２ｃを通過するタイミングで左右捕捉機構６ａ、６ｃのエアーシリンダー６１ａ、６１ｃを動作させ、左右倣いロール６２ａ、６２ｃを前進させてレール１に押付けて捕捉し所定の圧力をかけたまま保持する。
【００３８】
もし、レール１の中心が機構枠２の中央から左右方向に移動した場合、例えば、レール１が倣いロール６２ａの方向に動いた場合は、倣いロール６２ａに作用する力はレール補足機構６１ａを介して機構枠２に作用する。この結果、機構枠２がスライド機構７ａ、７ｃ上を図１の右方向に移動して、レール１の中心と機構枠２の中央が一致する位置で停止する。このようにして、レール1の左右移動に対して機構枠２を倣わせることができる。
【００３９】
またこの機構枠２の倣い動作と併せて、エアーシリンダー４４を動作させて上部フレーム５を下降して上部倣いロール５２ａをレール１の頭頂に接触させ、レール1の上下移動に対して前記上部フレーム５を倣わせる。
【００４０】
さらにレール1の進行に合わせ、レール１が所定位置を通過するごとに、図示しないエアーシリンダーでそれぞれアーム９１、アーム１３１、アーム１２１、アーム１０１、アーム１１１を動作させて、頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１をレール１に接触させる。
【００４１】
頭頂用探傷ホルダー９とアーム９１、足裏用探傷ホルダー１３とアーム１３１、ウエブ用探傷ホルダー１２とアーム１２１、頭側用探傷ホルダー１０とアーム１０１、頭側用探傷ホルダー１１とアーム１１１はそれぞれジンバル機構で接続され、レール１との接触面の角度変化に追従できるようになっている。
【００４２】
本実施の形態では局部水浸法を採用しているため、前記頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１には水が供給されレール1との接触面から噴出するようになっている。
【００４３】
図３は前述の動作によって頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１がレール１に着材した状態をレール１の断面方向で示す図である。
【００４４】
こうして、頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１のそれぞれのホルダー内に取付けた超音波探触子から発射する超音波がホルダー内に供給される水を介してレール１に照射され、探傷動作が開始される。
【００４５】
さらに、レール1が進行して先端が左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを通過するタイミングで左右捕捉機構６ｂ、６ｄのエアーシリンダー６１ｂ、６１ｄを動作させ、左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを前進させてレール１に押付けて捕捉し所定の圧力をかけたまま保持する。
【００４６】
もし、レール１の中心が機構枠２の中央から左右方向に移動した場合、例えば、レール１が倣いロール６２ｂの方向に動いた場合は、倣いロール６２ｂに作用する力はレール補足機構６１ｂを介して機構枠２に作用する。この結果、機構枠２がスライド機構７ｂ、７ｄ上を図１の右方向に移動して、レール１の中心と機構枠２の中央が一致する位置で停止する。
【００４７】
次にレール１の探傷終了動作について説明する。
レール１の後端が左右倣いロール６２ａ、６２ｃを通過するタイミングで左右捕捉機構６ａ、６ｃのエアーシリンダー６１ａ、６１ｃを動作させて左右倣いロール６２ａ、６２ｃを後退させる。左右捕捉機構６ａ、６ｃが捕捉を解除した場合でも、なお左右捕捉機構６ｂ、６ｄが左右倣いロール６２ｂ、６２ｄでレール１を捕捉しているため機構枠２はレール１の左右移動に追従することができる。
【００４８】
さらにレール1の後端が所定の位置を通過するごとにそれぞれアーム９１、アーム１３１、アーム１２１、アーム１０１、１１１を図示しないエアーシリンダーで動作させて、前記頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１をレール１から離材させる。
【００４９】
そしてレール1の後端が左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを通過するタイミングで左右捕捉機構６ｂ、６ｄのエアーシリンダー６１ｂ、６１ｄを動作させて左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを後退させてレール１の捕捉を解除する。
【００５０】
その後センタリング装置８ａ、８ｂのエアーシリンダーを動作させ機構枠２の位置を台車３の中央、すなわちレール１を搬送するテーブルの幅方向中央に戻し、次材の探傷に備える。
【００５１】
以上の動作によってレール１の全長にわたる探傷が行われる。本実施の形態によれば、レール１が搬送中に位置が変化する場合であっても精度良く探触子ホルダーを倣わせることができるため、ローラーテーブルで搬送中の圧延したレールの超音波探傷を安定して行うことができる。さらに、探傷ホルダー毎に倣い機構を設ける必要がないため装置の構成が複雑になることがない。また、超音波探傷を行うレールの軌種が変更されても短時間で探触子ホルダー位置のプリセットができるため軌種変更のための作業効率が向上する。
【００５２】
次に、本発明に係る剥離スケールによるノイズ除去方法について説明するに先だち、当該スケールによるノイズ発生機構について説明する。
一般に、金属体の内部欠陥を検査するための超音波探傷は、探触子から発射した超音波を水等の音響媒体を介して金属体に照射して金属体内部に超音波を伝播させ、金属体内部の探傷範囲を超音波が通過する時間の範囲で欠陥ゲートを設定し、金属体内部の欠陥から反射する超音波を欠陥ゲート時間範囲で検出して欠陥の判定を行うものである。
【００５３】
図４は、スケールによるノイズ発生機構を説明する図である。
【００５４】
探触子２０１と金属体２０２の間の音響媒体中に異物２０３が存在すると、探触子２０１から発射された超音波Ｔが異物２０３で反射しエコーＥ１となって探触子２０１に到達する。一方、異物２０３で反射しなかった超音波Ｔは、金属体表面で反射して表面エコーＳとなって探触子２０１に到達する。また、表面エコーＳの一部は異物２０３で反射し、さらに金属体表面で反射したエコーＥ２が探触子２０１に到達する。
【００５５】
図５は、超音波の挙動を探触子２０１の送受信波形で表す図である。
異物２０３からの反射エコーＥ２は金属体表面で反射する表面エコーＳを中心にして異物２０３で直接反射するエコーＥ１と時間軸上対称的な位置に現れる。この結果、エコーＥ２が欠陥ゲートの時間範囲の中で検出されてノイズとなるのである。
【００５６】
レール１の探傷中においては、頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１がレール１に接材しているため、レール１の表面に付着するスケールが剥がれてホルダー内に侵入し、上述の機構によってノイズが発生する。
【００５７】
図６は、剥離スケールによるノイズ発生防止方法を説明した図である。
図６はレール１の頭部側面に頭側探傷用ホルダー１０が接材した状態を示している。頭側探傷用ホルダー１０の内部には音響媒体として給水された水が満たされており、頭側探傷用ホルダー１０とレール１の隙間から流れ出るようになっている。
【００５８】
この頭側探傷用ホルダー１０の内部には、探触子２０１から発射される超音波を透過させる透過部材２０５がレール１の表面と微小な間隙で取り付けられている。この透過部材２０５の材質としては、音響インピーダンスが水と同程度の材質、例えばアクリル樹脂等を用いることが望ましい。
【００５９】
一般に音響インピーダンスの異なる材料に超音波を入射しようとした場合、その境界面において超音波の反射が発生する。このため、音響インピーダンスが大きく異なれば入射する超音波のエネルギーが減衰して探傷能力を低下させることとなる。
【００６０】
ここで、発明者らの調査した結果によれば、透過部材としてアクリル樹脂を用いた場合には超音波の減衰は特に問題とならず、従来と同程度の探傷能力を発揮することが確認できた。
【００６１】
水の音響インピーダンスは約３．７、アクリルの音響インピーダンスは約３．３であることから推定すると、透過部材はその音響インピーダンスが３．０程度までであれば本発明に使用することができると考えられる。水の音響インピーダンスを１とした場合には、透過部材の音響インピーダンスは約０．８に相当する値である。従って、透過部材の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスをＩとした場合は、０．８Ｉ〜１．２Ｉの範囲にあることが望ましい。
【００６２】
尚、被検査材である鉄の音響インピーダンスが約４５．３と音響媒体である水の音響インピーダンスとは十数倍の違いがある場合にも超音波の探傷が可能であることを考えると、上記の透過部材の音響インピーダンスの範囲は音響媒体が水である場合に限定されず通常局部浸水法において使用される音響媒体についても適用できることが推定される。
【００６３】
尚、この透過部材２０５の音場外の位置には頭側探傷用ホルダー１０内の水を透過部材２０５とレール１間に供給させるための貫通孔が適宜設けられている。この結果、探触子２０１とレール１の間でかつ超音波Ｔの音場内にレール１から剥がれたスケール２０３が侵入した場合であっても、このスケール２０３は、透過部材２０５とレール１の間にのみ存在することになる。即ち、レール１表面からごく近傍にのみ存在し、頭側探傷用ホルダー１０の内部まで侵入することはない。従って、スケール２０３とレール１の間で超音波が多重反射してエコーＥ２が発生するが、そのエコーＥ２は欠陥ゲート開始前の時点で探触子２０１に入射されるため欠陥ゲート内で検出されずノイズにはならない。
【００６４】
尚、本実施の形態では、レール１と透過部材２０５との間隔ｄが重要である。一般に、水中での音速は１４８０ｍ／秒、鋼材中での音速は５９６０ｍ／秒であるため、鋼材中では音速は水中の約４倍の速度となる。このことは、水中における間隔ｄを不感帯とするように欠陥ゲートの時間範囲を定めると、被検査材である鋼材の不感帯は４ｄに拡大されてしまうことを意味する。
【００６５】
従って、スケール２０３侵入の影響を低減するため間隔ｄを大きくとると、レール１の不感帯も大きくなる。そこで、本実施の形態では、間隔ｄはレール１の表層不感帯の１／４以下になるように設定している。
【００６６】
尚、透過部材２０５の厚みについては特に制限はない。但し、透過部材２０５の音響インピーダンスは水と同一値ではないため、超音波の伝播を考えると薄い方が望ましい。従って、ホルダの内と外を、給水圧に抗して遮蔽できるだけの強度が得られる厚さであれば良い。
【００６７】
本実施の形態によれば、圧延したレールの探傷のように表面のスケールが剥離する場合であってもそのスケールによるノイズを回避でき、欠陥検出能を向上させることができる。
【００６８】
次に、レール断面の探傷カバー範囲の変更、拡大を簡便に実施する方法について説明するが、その前に本実施の形態に用いられる探触子の動作について説明する。
【００６９】
図７は、６個の振動子をアレイ状に並べた超音波探触子（以下、「アレイ探触子」）からの超音波の発射方法を説明する図である。
振動子V１、振動子V２、振動子V３、振動子V４、振動子V５、振動子V６を同時に励振した場合は、これらの波面が合成されて超音波探触子の音波発射面に直角方向に超音波が発射されることになる。
【００７０】
ここで、振動子V１、振動子V２、振動子V３、振動子V４、振動子V５、振動子V６を順番に微小時間Δｔ１ずつ遅らせながら励振させると、これらの波面が合成されて超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度θ１方向に超音波が発射されることになる。
【００７１】
さらに同様に微小時間Δｔ２ずつ（Δｔ１＜Δｔ２）遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度θ２（θ１＜θ２）方向に超音波が発射される。
【００７２】
また、振動子V６、振動子V５、振動子V４、振動子V３、振動子V２、振動子V１の順番に微小時間Δｔ１づつ遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度−θ１方向に超音波が発射される。
【００７３】
さらに同様に微小時間Δｔ２ずつ（Δｔ１＜Δｔ２）遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度−θ２（θ１＜θ２）方向に超音波が発射される。
【００７４】
以上のように振動子V１、振動子V２、振動子V３、振動子V４、振動子V５、振動子V６の振動子を微小時間づつ遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度を持った超音波が発射でき、その角度は前記微小時間によって変更することができる。
【００７５】
従って、アレイ探触子を用い、アレイ探触子の個々の振動子の励振タイミングを微小時間間隔おいてずらしながら振動させることでアレイ探触子の表面に直角方向から角度を持った進行方向の超音波を発生させ、さらに微小時間間隔を超音波の照射一回毎に変更して前回発生させた超音波と重なりを持たせながら超音波の進行方向を高速で変化させることで、探触子を変更することなく任意の探傷範囲を選定することができる。
【００７６】
そしてこの振動子をアレイ状に並べた超音波探触子からの超音波の発射方向によって金属体の底面までの距離が変わる場合には、予め超音波の発射方向毎に金属体の底面までの距離に合わせたゲート設定を行えば、金属体断面の探傷カバー範囲を広げることができる。
【００７７】
図８は、アレイ探触子を用いたレール１の頭頂の探傷を説明する図である。
図８は、レール１に頭頂探傷用ホルダー９が接材した状態を示している。この頭頂探傷用ホルダー９の内部には音響媒体として給水された水が満たされ、頭頂探傷用ホルダー９とレール１の隙間から流れ出るようになっている。
【００７８】
この頭頂探傷用ホルダー９の内部にはアレイ探触子Ｈａとアレイ探触子Ｈｂが組み込まれている。まず、アレイ探触子Ｈａの全ての振動子を同時に励振させると超音波Ｔａ１が発射される。図８では前記超音波Ｔａ１の進行方向でのレール１の断面の探傷範囲に設定された欠陥ゲートの終点まで超音波の照射範囲を表現している。
【００７９】
次にアレイ探触子Ｈａの個々の振動子の励振タイミングを微小時間間隔ずらしながら振動させ、超音波Ｔａ１に重なりを持たせた超音波Ｔａ２を発射させる。この場合にも、同様に超音波Ｔａ２の進行方向でのレール１の断面の探傷範囲に欠陥ゲートを設定している。
【００８０】
以下同様に、アレイ探触子Ｈａの個々の振動子の励振タイミングの微小時間間隔を変更してずらしながら振動させ、前回照射の超音波に重なりを持たせた超音波Ｔａ３、Ｔａ４、Ｔａ５を発射させる。
【００８１】
同様にアレイ探触子Ｈｂの個々の振動子の励振タイミングの微小時間間隔を変更してずらしながら振動させ、前回照射の超音波に重なりを持たせた超音波Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４、Ｔｂ５を発射させる。
【００８２】
以上のように前回発生させた超音波と重なりを持たせながら超音波の進行方向を高速で変化させ、一回毎の超音波の照射に対して予めレールの形状に合わせた欠陥ゲートを設定することによってレール１の首部の形状に沿った探傷範囲を設定することができる。
【００８３】
尚、本実施の形態では、アレイ探触子をＨａとＨｂの２つを備えているが、アレイ探触子の数は探傷時間とのトレードオフで決定されるものであるため、本発明はこの形態に限定されるものではなく、アレイ探触子を１つで構成しても良くまたアレイ探触子を３つ以上で構成しても良い。
【００８４】
また本実施の形態では、頭頂探傷用ホルダー９の内部にアレイ探触子を取り付けてあるが、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１のいずれに取り付けるものであっても良い。
【００８５】
本実施の形態によれば、少ない探触子数でレール断面の探傷カバー範囲を大幅に広げることができるので装置がコンパクトでかつ設備費用を安価にすることができる。また、被検査体毎に探触子の位置調整を行う必要がないため、効率的に作業をすすめることができる。
【００８６】
以上述べたように本発明を適用すればレールの内部欠陥検査において、信頼性の高い超音波探傷が可能となるばかりか検査作業の効率化も図ることが可能となる。
【００８７】
尚、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００８８】
【発明の効果】
本発明により、表面のスケールが剥離し易い被検査材を対象として信頼性の高い超音波探傷を行うことができ、また搬送中の被検査材の位置変動に柔軟に追従することができ、また簡便に探傷領域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探傷装置の正面図。
【図２】本発明に係る超音波探傷装置の側面図。
【図３】探触子ホルダーがレールに着材した状態をレールの断面方向で示す図。
【図４】スケールによるノイズ発生機構を説明する図。
【図５】超音波の挙動を探触子の送受信波形で表す図。
【図６】剥離スケールによるノイズ発生防止方法を説明する図。
【図７】６個の振動子をアレイ状に並べた超音波探触子からの超音波の発射方法を説明する図。
【図８】アレイ探触子を用いたレールの頭頂の探傷を説明する図。
【符号の説明】
１…レール
２…機構枠
５…上部フレーム
５ａ…倣いロール
５１ａ…リンク機構
６１ａ…レール捕捉機構
６２ａ…倣いロール
７ａ…スライド機構
９…頭頂用探傷ホルダー
１０…頭側用探傷ホルダー
１１…頭側用探傷ホルダー
１２…ウエブ用探傷ホルダー
１３…足裏用探傷ホルダー
２０１…探触子
２０３…スケール
２０５…透過部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、搬送中の被検査材に超音波を照射して被検査材の内部欠陥を検出するための超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レール等の形鋼は１３００度以上に加熱した鋼片を、カリバーと呼ばれる上下の圧延ロール間の穴型を通すことによって圧延製造される。圧延されたレールは所定の長さに切断され冷却されるが、レールの形状は一様ではなく部位ごとに冷却速度が異なるため、冷却した時点で曲がりが生じる。この曲がりはロールを千鳥状に配置したローラー矯正機によって修正される。ローラー矯正機で曲がりを修正されたレールは、長さ、形状等の検査を行った後搬送されるが、この搬送途中で表面欠陥と内部欠陥の検査が行われる。そして両端部を切落して所定の長さに揃えられ、さらに曲がり修正の必要があるものはプレス矯正される。
【０００３】
以上の一連の製造過程で行われる品質検査の内、内部欠陥の検査に関しては一般的に超音波探傷が用いられており、搬送中のレールの超音波探傷技術としては、次の２つの方法が知られている。
【０００４】
その１つの方法は、超音波探触子（以下、「探触子」という）をホルダー内に装着し、該ホルダーを被検査材に接材させて被検査材表面と探触子間の距離を一定に保ちながら探傷する方法である。そして、この方法には、ホルダー内に水を充満させこの水を通して超音波を被検査材に照射する局部水浸法と、ホルダー内には水を用いずに探触子として分割型探触子を用いるギャップ法とがある。
【０００５】
他の１つの方法は、水柱超音波法と呼ばれているもので、探触子を装着したホルダーと被検査材との間に一定の間隔を設け、探触子を装着したホルダーから水を噴射させ、ホルダーと被検査材との間に水柱を形成させてこの水柱を通して超音波をレールに照射させ探傷するものである。
【０００６】
さらに、特開平１０−２８２０６９号公報に開示された技術では、探触子ホルダーを被検査材に位置決めする際には、表面反射エコーが最大になるように探触子ホルダーの角度調整が容易に行える機構が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
探触子をホルダーに装着しホルダーを被検査材に密着させて探傷する方法のうち、ギャップ法では探触子と被検査材表面との間隙を０．５ｍｍ程度と微小な値に保持することと、分割型探触子の音響分割面である遮蔽板の突起によって超音波発信側から被検査材表面と探触子間での多重反射エコーが受信側に入り込むことを防止することが必要である。
【０００８】
ところで、レールでは曲がりを矯正するためのローラー矯正機を通すことによって、圧延時に生じたレール表面のスケールが破壊され密着状態から剥がれ易い状態になっている。そのため、表面のスケールが浮いた状態の表面性状のものを探傷した場合には、遮蔽板の突起が削られて消耗し、また遮蔽板の突起は破損しやすいため長期にわたって健全に保つことが困難となる。そして、遮蔽板の突起に損傷をきたすと超音波発信側からレール表面と探触子間での多重反射エコーが受信側に入り込んでしまいノイズが増加し信頼性の高い探傷ができなくなってしまう。
【０００９】
一方、局部水浸法は遮蔽板の損傷といった問題は生じないが、レールのように表面のスケールが浮いた状態の被検査材を探傷した場合、探傷中にレール表面から剥離したスケールがホルダー内の水溜めに侵入し、このスケールと被検査材表面あるいはスケールと探触子の間で超音波が多重反射してノイズが発生する結果、信頼性の高い探傷ができないという問題がある。
【００１０】
このように、ホルダーを被検査材に接材させて探傷する方法では、表面のスケールが剥離し易い被検査材を対象として信頼性の高い超音波探傷を行う方法は未だ確立していなかった。
【００１１】
水柱超音波法では、上述の剥離スケールの混入に伴うノイズの問題は生じないが、搬送中の被検査材が上下左右に位置変動することによって水柱の形状が変化し、このために超音波が水柱内で反射を起こしてノイズが発生する場合がある。これに対し探触子ホルダーは常に被検査材と所定の距離を保ったまま、被検査材に精度良く追従して動く必要があるが、このための倣い制御装置が必要となり設備コストが高価となる。
【００１２】
したがって、簡便な機構で搬送中の被検査材の位置変動に柔軟に追従することのできる倣い機構が望まれていた。
【００１３】
さらに、特開平１０−２８２０６９号公報に開示された技術では、探触子ホルダーを被検査材に対してプリセットする際は、各レールの軌種に対応して表面反射エコーが最大になるように角度調整を行うが、この場合、各プローブに角度調整機構と、その制御を行うための機能が必要となるため機構が複雑なってしまう。そして、レール断面の探傷カバー範囲を広げるためにはこのような機構を備えた多数の探触子を取り付ける必要があり、装置が大掛かりになるばかりか装置の製作費用の高騰を招くこととなる。
【００１４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ホルダーを被検査材に接材させて探傷する方法を用いて、表面のスケールが剥離し易い被検査材を対象として信頼性の高い超音波探傷を行うことができ、また搬送中の被検査材の位置変動に柔軟に追従することができ、また簡便に探傷領域を拡大することのできる探触子ホルダー、超音波探傷方法及び探傷装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するための本発明は、超音波探触子を有する探触子ホルダーの超音波を発射する開口部に音響インピーダンスが前記探触子ホルダー内部に供給される音響媒体とほぼ同一の透過部材を設け、前記探触子ホルダーを被検査材に接材したときの、前記被検査材表面と前記透過部材との間に前記探触子ホルダー内から前記音響媒体を供給して満たすための間隔を、前記透過部材が前記被検査材に接材しないようにして設け、かつ、前記間隔を被検査材中での超音波伝播速度に対する音響媒体中での超音波伝播速度の比率を被検査材表面からの表層不感帯に乗算した値以下とし、この透過部材を通して被検査材に超音波を照射するように構成されることを特徴とする探触子ホルダーである。
【００１６】
また本発明は、超音波探触子を有する探触子ホルダーの超音波を発射する開口部に音響インピーダンスが前記探触子ホルダー内部に供給される音響媒体とほぼ同一の透過部材を設け、前記探触子ホルダーを被検査材に接材したときの、前記被検査材表面と前記透過部材との間に前記探触子ホルダー内から前記音響媒体を供給して満たすための間隔を、前記透過部材が前記被検査材に接材しないようにして設け、かつ、前記透過部材と前記被検査材との間隔を、被検査材表面からの表層不感帯の１／４以下とし、この透過部材を通して被検査材に超音波を照射するように構成されることを特徴とする探触子ホルダーである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波探傷装置の実施の形態を、レールの超音波探傷装置を例として説明する。
【００２３】
図1は本発明に係る超音波探傷装置の正面図、図２は側面図である。
【００２４】
図1および図2において、基礎面上には、被検査材であるレール１の搬送方向と直交する方向に軌道３２ａ、３２ｂが敷設されており、この軌道３２ａ、３２ｂ上を走行する台車３は、下面に設けられた車輪３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄによって図１の左右方向に移動可能になっている。
【００２５】
以下、台車の進行方向を左右方向として説明する。
【００２６】
そして、台車３上にはスライド機構７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが配設され、さらに機構枠２がこのスライド機構７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ上を左右方向に移動自在に積載されている。また、台車３上の左右端部にはこの機構枠２を所定の位置に移動させるためのエアーシリンダで構成されるセンタリング装置８ａ、８ｂが設けられている。
【００２７】
機構枠２は直方体形状で構成され、レール１がこの機構枠２の内部を貫通して搬送されるように少なくともレール１の搬送方向の前後２方向に開口部を有している。
【００２８】
以下、レール１の搬送方向を前後方向として説明する。
【００２９】
機構枠２の天井にはパルスモータ４１を備えた昇降装置４が設けられており、このパルスモータ４１の回転軸と図示しない歯車機構を介して歯合するボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを立設した昇降フレーム４３が機構枠２の内部にボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを昇降装置４のネジ孔に螺合して懸架されている。
【００３０】
この昇降フレーム４３にはエアシリンダ４４がロッド４５を下向きにして搭載され、昇降フレーム４３を貫通するロッド４５の先端には上部フレーム５がその面を機構枠２の天井面と平行になるように接続されている。さらにこの上部フレーム５は平行リンク機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄによって機構枠２の天井に設置されたそれぞれの支点部と接続されている。
【００３１】
そして、上部フレーム５の前後端部下面には倣いロール５２ａ、５２ｂが取り付けられると共に、レール１の頭頂用探傷ホルダー９をその１端で回動自在に接続するアーム９１、レール１の頭側用探傷ホルダー１０、１１をその１端で回動自在に接続するアーム１０１、１１１及びレール１のウエブ用探傷ホルダー１２をその１端で回動自在に接続するアーム１２１のそれぞれの他端が上部フレーム５に設置された各支点部と回動自在に接続されている。
【００３２】
また、機構部２の底面にはレール１の足裏用探傷ホルダー１３をその１端で回動自在に接続するアーム１３１がその他端を底面部に設けられた支点部と回動自在に接続されている。
【００３３】
さらに、機構部２の左右の側面の前後端部の合計４箇所にはエアシリンダ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄがロッド軸を機構部２の内面に挿入して取り付けられており、このロッド軸先端にはレール１の足側部に接触して倣うための倣いロール６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが設けられている。そしてこれらのエアシリンダと倣いロールによってレール補足機構６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを構成している。
【００３４】
次に、本探傷装置の動作について説明する。
レール１の探傷を開始するための準備動作として、車輪３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを図示しないモーターで駆動することによって、台車３をレール３２ａ、３２ｂ上を左右方向に移動し、レール１の搬送テーブル中心が機構枠２の所定位置になるように位置決めする。この動作をライン挿入動作という。尚、この逆の動作をライン抽出動作という。
【００３５】
続いて、レール1の種類（軌種）に対するプリセット動作を行う。
図示しない制御装置を介してレール１の軌種設定を行うと、予め制御装置内に記憶した設定値に従って、パルスモータ４１が回転しこれによってボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが回転する。このボールネジ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの回転によって昇降フレーム４３が昇降するが、上部フレーム５と昇降フレーム４３とは昇降フレーム４３に搭載したエアーシリンダー４４の軸を介して接続されているため、上部フレーム５も同昇降フレーム４３と一体となって昇降する。
【００３６】
そして、これから探傷を行おうとするレール１の高さ寸法に適合する位置に上部フレーム５が設定される。ここで、上部フレーム５は平行リンク機構５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを介して機構枠２と接続されている。このため、上部フレーム５は昇降機構４で昇降された場合にも水平を保つことができる。
【００３７】
次にレール１の探傷動作を開始する。
レール１が図２に示す矢印Ａの方向から機構枠２内に搬送された場合、レール１の先端が左右倣いロール６２ａ、６２ｃを通過するタイミングで左右捕捉機構６ａ、６ｃのエアーシリンダー６１ａ、６１ｃを動作させ、左右倣いロール６２ａ、６２ｃを前進させてレール１に押付けて捕捉し所定の圧力をかけたまま保持する。
【００３８】
もし、レール１の中心が機構枠２の中央から左右方向に移動した場合、例えば、レール１が倣いロール６２ａの方向に動いた場合は、倣いロール６２ａに作用する力はレール補足機構６１ａを介して機構枠２に作用する。この結果、機構枠２がスライド機構７ａ、７ｃ上を図１の右方向に移動して、レール１の中心と機構枠２の中央が一致する位置で停止する。このようにして、レール1の左右移動に対して機構枠２を倣わせることができる。
【００３９】
またこの機構枠２の倣い動作と併せて、エアーシリンダー４４を動作させて上部フレーム５を下降して上部倣いロール５２ａをレール１の頭頂に接触させ、レール1の上下移動に対して前記上部フレーム５を倣わせる。
【００４０】
さらにレール1の進行に合わせ、レール１が所定位置を通過するごとに、図示しないエアーシリンダーでそれぞれアーム９１、アーム１３１、アーム１２１、アーム１０１、アーム１１１を動作させて、頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１をレール１に接触させる。
【００４１】
頭頂用探傷ホルダー９とアーム９１、足裏用探傷ホルダー１３とアーム１３１、ウエブ用探傷ホルダー１２とアーム１２１、頭側用探傷ホルダー１０とアーム１０１、頭側用探傷ホルダー１１とアーム１１１はそれぞれジンバル機構で接続され、レール１との接触面の角度変化に追従できるようになっている。
【００４２】
本実施の形態では局部水浸法を採用しているため、前記頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１には水が供給されレール1との接触面から噴出するようになっている。
【００４３】
図３は前述の動作によって頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１がレール１に着材した状態をレール１の断面方向で示す図である。
【００４４】
こうして、頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１のそれぞれのホルダー内に取付けた超音波探触子から発射する超音波がホルダー内に供給される水を介してレール１に照射され、探傷動作が開始される。
【００４５】
さらに、レール1が進行して先端が左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを通過するタイミングで左右捕捉機構６ｂ、６ｄのエアーシリンダー６１ｂ、６１ｄを動作させ、左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを前進させてレール１に押付けて捕捉し所定の圧力をかけたまま保持する。
【００４６】
もし、レール１の中心が機構枠２の中央から左右方向に移動した場合、例えば、レール１が倣いロール６２ｂの方向に動いた場合は、倣いロール６２ｂに作用する力はレール補足機構６１ｂを介して機構枠２に作用する。この結果、機構枠２がスライド機構７ｂ、７ｄ上を図１の右方向に移動して、レール１の中心と機構枠２の中央が一致する位置で停止する。
【００４７】
次にレール１の探傷終了動作について説明する。
レール１の後端が左右倣いロール６２ａ、６２ｃを通過するタイミングで左右捕捉機構６ａ、６ｃのエアーシリンダー６１ａ、６１ｃを動作させて左右倣いロール６２ａ、６２ｃを後退させる。左右捕捉機構６ａ、６ｃが捕捉を解除した場合でも、なお左右捕捉機構６ｂ、６ｄが左右倣いロール６２ｂ、６２ｄでレール１を捕捉しているため機構枠２はレール１の左右移動に追従することができる。
【００４８】
さらにレール1の後端が所定の位置を通過するごとにそれぞれアーム９１、アーム１３１、アーム１２１、アーム１０１、１１１を図示しないエアーシリンダーで動作させて、前記頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１をレール１から離材させる。
【００４９】
そしてレール1の後端が左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを通過するタイミングで左右捕捉機構６ｂ、６ｄのエアーシリンダー６１ｂ、６１ｄを動作させて左右倣いロール６２ｂ、６２ｄを後退させてレール１の捕捉を解除する。
【００５０】
その後センタリング装置８ａ、８ｂのエアーシリンダーを動作させ機構枠２の位置を台車３の中央、すなわちレール１を搬送するテーブルの幅方向中央に戻し、次材の探傷に備える。
【００５１】
以上の動作によってレール１の全長にわたる探傷が行われる。本実施の形態によれば、レール１が搬送中に位置が変化する場合であっても精度良く探触子ホルダーを倣わせることができるため、ローラーテーブルで搬送中の圧延したレールの超音波探傷を安定して行うことができる。さらに、探傷ホルダー毎に倣い機構を設ける必要がないため装置の構成が複雑になることがない。また、超音波探傷を行うレールの軌種が変更されても短時間で探触子ホルダー位置のプリセットができるため軌種変更のための作業効率が向上する。
【００５２】
次に、本発明に係る剥離スケールによるノイズ除去方法について説明するに先だち、当該スケールによるノイズ発生機構について説明する。
一般に、金属体の内部欠陥を検査するための超音波探傷は、探触子から発射した超音波を水等の音響媒体を介して金属体に照射して金属体内部に超音波を伝播させ、金属体内部の探傷範囲を超音波が通過する時間の範囲で欠陥ゲートを設定し、金属体内部の欠陥から反射する超音波を欠陥ゲート時間範囲で検出して欠陥の判定を行うものである。
【００５３】
図４は、スケールによるノイズ発生機構を説明する図である。
【００５４】
探触子２０１と金属体２０２の間の音響媒体中に異物２０３が存在すると、探触子２０１から発射された超音波Ｔが異物２０３で反射しエコーＥ１となって探触子２０１に到達する。一方、異物２０３で反射しなかった超音波Ｔは、金属体表面で反射して表面エコーＳとなって探触子２０１に到達する。また、表面エコーＳの一部は異物２０３で反射し、さらに金属体表面で反射したエコーＥ２が探触子２０１に到達する。
【００５５】
図５は、超音波の挙動を探触子２０１の送受信波形で表す図である。
異物２０３からの反射エコーＥ２は金属体表面で反射する表面エコーＳを中心にして異物２０３で直接反射するエコーＥ１と時間軸上対称的な位置に現れる。この結果、エコーＥ２が欠陥ゲートの時間範囲の中で検出されてノイズとなるのである。
【００５６】
レール１の探傷中においては、頭頂用探傷ホルダー９、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１がレール１に接材しているため、レール１の表面に付着するスケールが剥がれてホルダー内に侵入し、上述の機構によってノイズが発生する。
【００５７】
図６は、剥離スケールによるノイズ発生防止方法を説明した図である。
図６はレール１の頭部側面に頭側探傷用ホルダー１０が接材した状態を示している。頭側探傷用ホルダー１０の内部には音響媒体として給水された水が満たされており、頭側探傷用ホルダー１０とレール１の隙間から流れ出るようになっている。
【００５８】
この頭側探傷用ホルダー１０の内部には、探触子２０１から発射される超音波を透過させる透過部材２０５がレール１の表面と微小な間隙で取り付けられている。この透過部材２０５の材質としては、音響インピーダンスが水と同程度の材質、例えばアクリル樹脂等を用いることが望ましい。
【００５９】
一般に音響インピーダンスの異なる材料に超音波を入射しようとした場合、その境界面において超音波の反射が発生する。このため、音響インピーダンスが大きく異なれば入射する超音波のエネルギーが減衰して探傷能力を低下させることとなる。
【００６０】
ここで、発明者らの調査した結果によれば、透過部材としてアクリル樹脂を用いた場合には超音波の減衰は特に問題とならず、従来と同程度の探傷能力を発揮することが確認できた。
【００６１】
水の音響インピーダンスは約３．７、アクリルの音響インピーダンスは約３．３であることから推定すると、透過部材はその音響インピーダンスが３．０程度までであれば本発明に使用することができると考えられる。水の音響インピーダンスを１とした場合には、透過部材の音響インピーダンスは約０．８に相当する値である。従って、透過部材の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスをＩとした場合は、０．８Ｉ〜１．２Ｉの範囲にあることが望ましい。
【００６２】
尚、被検査材である鉄の音響インピーダンスが約４５．３と音響媒体である水の音響インピーダンスとは十数倍の違いがある場合にも超音波の探傷が可能であることを考えると、上記の透過部材の音響インピーダンスの範囲は音響媒体が水である場合に限定されず通常局部浸水法において使用される音響媒体についても適用できることが推定される。
【００６３】
尚、この透過部材２０５の音場外の位置には頭側探傷用ホルダー１０内の水を透過部材２０５とレール１間に供給させるための貫通孔が適宜設けられている。この結果、探触子２０１とレール１の間でかつ超音波Ｔの音場内にレール１から剥がれたスケール２０３が侵入した場合であっても、このスケール２０３は、透過部材２０５とレール１の間にのみ存在することになる。即ち、レール１表面からごく近傍にのみ存在し、頭側探傷用ホルダー１０の内部まで侵入することはない。従って、スケール２０３とレール１の間で超音波が多重反射してエコーＥ２が発生するが、そのエコーＥ２は欠陥ゲート開始前の時点で探触子２０１に入射されるため欠陥ゲート内で検出されずノイズにはならない。
【００６４】
尚、本実施の形態では、レール１と透過部材２０５との間隔ｄが重要である。一般に、水中での音速は１４８０ｍ／秒、鋼材中での音速は５９６０ｍ／秒であるため、鋼材中では音速は水中の約４倍の速度となる。このことは、水中における間隔ｄを不感帯とするように欠陥ゲートの時間範囲を定めると、被検査材である鋼材の不感帯は４ｄに拡大されてしまうことを意味する。
【００６５】
従って、スケール２０３侵入の影響を低減するため間隔ｄを大きくとると、レール１の不感帯も大きくなる。そこで、本実施の形態では、間隔ｄはレール１の表層不感帯の１／４以下になるように設定している。
【００６６】
尚、透過部材２０５の厚みについては特に制限はない。但し、透過部材２０５の音響インピーダンスは水と同一値ではないため、超音波の伝播を考えると薄い方が望ましい。従って、ホルダの内と外を、給水圧に抗して遮蔽できるだけの強度が得られる厚さであれば良い。
【００６７】
本実施の形態によれば、圧延したレールの探傷のように表面のスケールが剥離する場合であってもそのスケールによるノイズを回避でき、欠陥検出能を向上させることができる。
【００６８】
次に、レール断面の探傷カバー範囲の変更、拡大を簡便に実施する方法について説明するが、その前に本実施の形態に用いられる探触子の動作について説明する。
【００６９】
図７は、６個の振動子をアレイ状に並べた超音波探触子（以下、「アレイ探触子」）からの超音波の発射方法を説明する図である。
振動子V１、振動子V２、振動子V３、振動子V４、振動子V５、振動子V６を同時に励振した場合は、これらの波面が合成されて超音波探触子の音波発射面に直角方向に超音波が発射されることになる。
【００７０】
ここで、振動子V１、振動子V２、振動子V３、振動子V４、振動子V５、振動子V６を順番に微小時間Δｔ１ずつ遅らせながら励振させると、これらの波面が合成されて超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度θ１方向に超音波が発射されることになる。
【００７１】
さらに同様に微小時間Δｔ２ずつ（Δｔ１＜Δｔ２）遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度θ２（θ１＜θ２）方向に超音波が発射される。
【００７２】
また、振動子V６、振動子V５、振動子V４、振動子V３、振動子V２、振動子V１の順番に微小時間Δｔ１づつ遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度−θ１方向に超音波が発射される。
【００７３】
さらに同様に微小時間Δｔ２ずつ（Δｔ１＜Δｔ２）遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度−θ２（θ１＜θ２）方向に超音波が発射される。
【００７４】
以上のように振動子V１、振動子V２、振動子V３、振動子V４、振動子V５、振動子V６の振動子を微小時間づつ遅らせながら励振させると、超音波探触子の音波発射面に直角方向から角度を持った超音波が発射でき、その角度は前記微小時間によって変更することができる。
【００７５】
従って、アレイ探触子を用い、アレイ探触子の個々の振動子の励振タイミングを微小時間間隔おいてずらしながら振動させることでアレイ探触子の表面に直角方向から角度を持った進行方向の超音波を発生させ、さらに微小時間間隔を超音波の照射一回毎に変更して前回発生させた超音波と重なりを持たせながら超音波の進行方向を高速で変化させることで、探触子を変更することなく任意の探傷範囲を選定することができる。
【００７６】
そしてこの振動子をアレイ状に並べた超音波探触子からの超音波の発射方向によって金属体の底面までの距離が変わる場合には、予め超音波の発射方向毎に金属体の底面までの距離に合わせたゲート設定を行えば、金属体断面の探傷カバー範囲を広げることができる。
【００７７】
図８は、アレイ探触子を用いたレール１の頭頂の探傷を説明する図である。
図８は、レール１に頭頂探傷用ホルダー９が接材した状態を示している。この頭頂探傷用ホルダー９の内部には音響媒体として給水された水が満たされ、頭頂探傷用ホルダー９とレール１の隙間から流れ出るようになっている。
【００７８】
この頭頂探傷用ホルダー９の内部にはアレイ探触子Ｈａとアレイ探触子Ｈｂが組み込まれている。まず、アレイ探触子Ｈａの全ての振動子を同時に励振させると超音波Ｔａ１が発射される。図８では前記超音波Ｔａ１の進行方向でのレール１の断面の探傷範囲に設定された欠陥ゲートの終点まで超音波の照射範囲を表現している。
【００７９】
次にアレイ探触子Ｈａの個々の振動子の励振タイミングを微小時間間隔ずらしながら振動させ、超音波Ｔａ１に重なりを持たせた超音波Ｔａ２を発射させる。この場合にも、同様に超音波Ｔａ２の進行方向でのレール１の断面の探傷範囲に欠陥ゲートを設定している。
【００８０】
以下同様に、アレイ探触子Ｈａの個々の振動子の励振タイミングの微小時間間隔を変更してずらしながら振動させ、前回照射の超音波に重なりを持たせた超音波Ｔａ３、Ｔａ４、Ｔａ５を発射させる。
【００８１】
同様にアレイ探触子Ｈｂの個々の振動子の励振タイミングの微小時間間隔を変更してずらしながら振動させ、前回照射の超音波に重なりを持たせた超音波Ｔｂ１、Ｔｂ２、Ｔｂ３、Ｔｂ４、Ｔｂ５を発射させる。
【００８２】
以上のように前回発生させた超音波と重なりを持たせながら超音波の進行方向を高速で変化させ、一回毎の超音波の照射に対して予めレールの形状に合わせた欠陥ゲートを設定することによってレール１の首部の形状に沿った探傷範囲を設定することができる。
【００８３】
尚、本実施の形態では、アレイ探触子をＨａとＨｂの２つを備えているが、アレイ探触子の数は探傷時間とのトレードオフで決定されるものであるため、本発明はこの形態に限定されるものではなく、アレイ探触子を１つで構成しても良くまたアレイ探触子を３つ以上で構成しても良い。
【００８４】
また本実施の形態では、頭頂探傷用ホルダー９の内部にアレイ探触子を取り付けてあるが、足裏用探傷ホルダー１３、ウエブ用探傷ホルダー１２、頭側用探傷ホルダー１０，１１のいずれに取り付けるものであっても良い。
【００８５】
本実施の形態によれば、少ない探触子数でレール断面の探傷カバー範囲を大幅に広げることができるので装置がコンパクトでかつ設備費用を安価にすることができる。また、被検査体毎に探触子の位置調整を行う必要がないため、効率的に作業をすすめることができる。
【００８６】
以上述べたように本発明を適用すればレールの内部欠陥検査において、信頼性の高い超音波探傷が可能となるばかりか検査作業の効率化も図ることが可能となる。
【００８７】
尚、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００８８】
【発明の効果】
本発明により、表面のスケールが剥離し易い被検査材を対象として信頼性の高い超音波探傷を行うことができ、また搬送中の被検査材の位置変動に柔軟に追従することができ、また簡便に探傷領域を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波探傷装置の正面図。
【図２】本発明に係る超音波探傷装置の側面図。
【図３】探触子ホルダーがレールに着材した状態をレールの断面方向で示す図。
【図４】スケールによるノイズ発生機構を説明する図。
【図５】超音波の挙動を探触子の送受信波形で表す図。
【図６】剥離スケールによるノイズ発生防止方法を説明する図。
【図７】６個の振動子をアレイ状に並べた超音波探触子からの超音波の発射方法を説明する図。
【図８】アレイ探触子を用いたレールの頭頂の探傷を説明する図。
【符号の説明】
１…レール
２…機構枠
５…上部フレーム
５ａ…倣いロール
５１ａ…リンク機構
６１ａ…レール捕捉機構
６２ａ…倣いロール
７ａ…スライド機構
９…頭頂用探傷ホルダー
１０…頭側用探傷ホルダー
１１…頭側用探傷ホルダー
１２…ウエブ用探傷ホルダー
１３…足裏用探傷ホルダー
２０１…探触子
２０３…スケール
２０５…透過部材
Claims (2)
- 超音波探触子を有する探触子ホルダーの超音波を発射する開口部に音響インピーダンスが前記探触子ホルダー内部に供給される音響媒体とほぼ同一の透過部材を設け、
前記探触子ホルダーを被検査材に接材したときの、前記被検査材表面と前記透過部材との間に前記探触子ホルダー内から前記音響媒体を供給して満たすための間隔を、前記透過部材が前記被検査材に接材しないようにして設け、かつ、前記間隔を被検査材中での超音波伝播速度に対する音響媒体中での超音波伝播速度の比率を被検査材表面からの表層不感帯に乗算した値以下とし、
この透過部材を通して被検査材に超音波を照射するように構成されることを特徴とする探触子ホルダー。 - 超音波探触子を有する探触子ホルダーの超音波を発射する開口部に音響インピーダンスが前記探触子ホルダー内部に供給される音響媒体とほぼ同一の透過部材を設け、
前記探触子ホルダーを被検査材に接材したときの、前記被検査材表面と前記透過部材との間に前記探触子ホルダー内から前記音響媒体を供給して満たすための間隔を、前記透過部材が前記被検査材に接材しないようにして設け、かつ、前記透過部材と前記被検査材との間隔が、被検査材表面からの表層不感帯の１／４以下とし、
この透過部材を通して被検査材に超音波を照射するように構成されることを特徴とする探触子ホルダー。
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