JP3718280B2 - 金属製加工物の特性の非破壊試験方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前段に記載の、金属製加工物、特に金属板等の特性の非破壊試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば大型金属板等の機械的技術的特性の監視は、現在のところ破壊的に行われる。すなわち、試験体が取出され、加工され、例えば破断試験等により試験される。これらの試験は材料を破壊するので、これらの試験はバッチ式にしか行うことができない。これらの試験はコストがかかる、何故ならば入念に試験体を作らなければならず、結果がある程度の長さの時間が経過しないと得られないからである。
【０００３】
従って非破壊試験法が望まれる、何故ならば取出す試験体の数を減少させるだけでも大幅な節約を実現できるからである。その上、非破壊試験法により加工物を迅速に調査及び判断でき、ひいては製造プロセスへのフィードバックも迅速にできるからである。
【０００４】
しかし、機械的技術的特性例えば降伏応力は直接に非破壊試験により求めることはできない。図１はこの問題を明瞭に示す。使用材料の組織は製造プロセスにより経験的知識、例えば、合金組成及び変形条件及び熱処理を適切に選択することにより調整される。
【０００５】
材料の技術的特性は組織のパラメータにより定まるが、しかしこの場合通常は複数の要因がそのとき関心のある量に影響を与える。
【０００６】
他方、材料組成により影響される物理的量を測定する前処理不要の非破壊試験法が存在する。
【０００７】
この場合大まかには超音波法と磁気法と電磁法とに区別される。１つの測定法で求められる物理量でも１つの組織要素に依存するのみでなく、一般的に多数の要素の組合せに依存する。従って材料の技術的特性と物理的測定量との単純な対応づけは通常は不可能である。
【０００８】
米国特許第ＵＳ４５２２０７１号明細書及び米国の“Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ”誌（Ｖｏｌ．２５，１９８７年９月，２８８〜２９４頁）から公知の金属製加工物、特に金属板等の特性の非破壊試験法では、接触媒質無しに直線偏向され表面に平行に伝搬する超音波が加工物の中で励起され、同一の場所で、２つの超音波変換器の間の所定の間隔を走行する際の主変形方向の波（Ｔ１）とこれに垂直な変形方向の波（Ｔ２）とでの超音波の走行時間が求められ、これら２つの変形方向の波のその都度の測定での走行時間測定の測定値の差が、技術的な材料特性を求めるために評価される。表面波又は横波の異なる測定法の組合せがヨーロッパ特許出願公開第ＥＰ０３３０７３５Ａ２号公報から公知である。この測定法では超音波の減衰率が評価される。
【０００９】
本発明でも用いられている表面波超音波の電磁式発生法は、ドイツ特許出願公開第ＤＥ２６２３２６６Ａ１号公報から公知である。
【００１０】
最後に、米国“Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ Ｓｏｃ．Ａｍ．”誌（９１（６），１９９２年６月，３３０３〜３３１２頁）は、測定対象物の材料特性を、この対象物を透過する超音波により求める方法を開示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、加工物の技術的特性、特に降伏応力等を簡単に求めることを可能にする、金属製加工物、特に金属板等の特性の非破壊試験方法を提供することにある。この明細書においては、ｘ，ｙ，ｚを直交した直線座標系としたとき、主変形方向とは例えばｘ軸，主変形方向に垂直な方向とはこのときｙ軸の方向であり、厚さ方向はｚ軸の方向である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、請求項１の特徴部分に記載の特徴により解決される。有利な実施の形態及びこの方法を実施する装置は別の請求項に記載されている。
【００１３】
本発明では、互いに無関係に直線偏向された横波超音波と表面波超音波とが加工物の中で励起される。２つの超音波変換器の間の所定の間隔を走行する際の主変形方向の波とこの方向に垂直の変形方向の波の表面波超音波の走行時間が求められ、更に、偏向方向が一度目は主変形方向にとり二度目はこれに垂直にとった直線偏向横波が加工物の厚さ方向を往復走行する際の走行時間が求められる。
【００１４】
走行時間測定の測定値が少なくとも１つの既知の加工物の加工物固有の特性量に関係づけられる。
【００１５】
走行時間測定値と関係づけるときには、好ましくは主変形方向の波の測定値とこれに垂直な変形方向の波の測定値の間の差の相対比率が考慮される。
【００１６】
本発明の方法にとって重要な点は、測定がただ１つの測定場所での差の比率により定まり、いずれの方向で測定されるかとは無関係に行われることにある。
【００１７】
試験により分かったことは、加工物の定格解析と定格厚さとが相関に組込まれる場合、測定値の相関が非破壊試験の測定データから求められた降伏応力と破断試験による降伏応力とを良好に一致させることである。更に、熱間圧延された金属板の場合に付加的に加工物の最終圧延温度が相関に組込まれると有利である。図２は、本発明の方法を利用して求められた降伏応力と、４８試験体を基礎にして測定された降伏応力値との間の良好な一致の１つの例を示す。
【００１８】
本発明の方法を実施するために、３つの変換器の超音波探触子配置が選択される。直線偏向された横波超音波のために、送信コイルと受信コイルとが１つのハウジングの中に配置されている組合せ変換器が使用され、表面波超音波のために２つの変換器が設けられ、これら２つの変換器は間隔をあけて互いから離れ、これら２つの変換器のうちの１つは送信機として形成され、他方は受信機として形成されている。１つの共通のホルダの中に直線上にこれらの３つの変換器が組合せ変換器を中央にして配置されている。
【００１９】
３つのすべての変換器は、磁界発生のために永久磁石を有する。永久磁石にすることは装置全体を簡単化する、何故ならば、電磁石を作動するために必要な給電と、電磁石のとき大部分の場合に必要なコイル冷却とが不要となるからである。永久磁石の使用により全装置がコンパクトな構造となる。なお当然電磁石を用いることもできる。それぞれの送信変換器のための送信電流を発生するために、そして受信変換器の受信信号を増幅するために変換器の近くに末端電子装置が設けられ、末端電子装置は短いケーブルを介して前記変換器に接続されている。
【００２０】
好ましくは、表面波超音波変換器は有利には４００Ｈｚ以下のパルス繰返し周波数において１ＭＨｚの試験周波数で作動させ、横波超音波変換器は有利には６ＭＨｚの周波数で２ＫＨｚ以下のパルス繰返し周波数で作動させる。
【００２１】
強磁性加工物の場合、永久磁石を設けられている変換器は強く引張られる。超音波探触子装置が柔らかに加工物の表面に載置され回転されるように、シリンダに気体を入れて空気力学的に反力を発生する装置としてニューマティックシリンダが配置される。
【００２２】
金属板試験に利用する場合、次のプロセス段階が設けられる。
− 金属板を試験位置に保持する。
− 変換器を金属板に載置する。
− １０ｓｅｃより短い測定持続時間で測定する。
− 変換器を持上げる。
− 変換器を９０゜回転する。
− 変換器を再び載置する。
− １０ｓｅｃより短い測定持続時間で再び測定する。
− 変換器を持上げる。
− 金属板を運び去る。
− 変換器のホルダを始位置に回転して戻す。
【００２３】
本発明の利点は、試験体の数量が減少することにある。これはとりわけ、メーカ内での品質保証にとって必要である試料採取に当てはまる。測定値は直ちに使用可能となり、オンラインで、製造プロセスの最適化のために製造パラメータとして使用される。
【００２４】
本発明の方法により全数試験が可能である、すなわち、個々の加工物が試験される。従来の試験では、常に抜取り検査しか可能でなく、大部分の場合には１つの圧延ロット毎に抜取り検査を行う。
【００２５】
更に、本発明の方法により、例えば中間領域等のその他の領域も試験できることとなった。従来の試料の採取は常に検査される物の端縁でしか行われなかった。
【００２６】
別の利点は、特性の一様性を検査するために、抜取り検査的で、例えば１つの金属板を面全体にわたり検査できる。更に、重要な点は、その都度に販売された製品が検査され、検査は後の時点に同一の個所で繰返すことが可能であることにある。これに対して、破壊試験のための試料採取は一度のみしか可能でない。
【００２７】
例えば大型管等の仕上り管に本発明の方法を適用する場合、本発明の非破壊試験は、機械的エキスパンダによるたわみプロセスにより発生される非一様性も含んでいる実際の状態を検出する。更に、本発明の方法により全面を検査でき、試料が破壊試験のために採取された端縁領域のみを検査するのではない。更に、求められた降伏応力値は、試料を戻したわみする際に発生するバウシンガー効果により歪曲されない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に本発明を実施例に基づき図を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図３には電子試験装置のブロック回路図が示されている。参照番号１により、表面波超音波を発生する表面波超音波送信変換器が示されている。参照番号２により、表面波超音波を受信する表面波超音波受信変換器が示されている。組合せ変換器の形式の横波超音波変換器３は、直線偏向波を送信及び受信する。
【００３０】
末端電子装置４，５は、表面波超音波送信変換器１と横波超音波変換器３の送信コイルとに供給する送信電流を発生する。末端電子装置４，５は、表面波超音波受信変換器２の受信信号と横波超音波変換器３の受信信号とを増幅する前置増幅器も有する。代替的に前置増幅回路をそれぞれの超音波探触子２，３自体の中に一体化することもできる。変換器１〜３を末端電子装置４，５に接続するケーブル１１〜１４は、減衰を避けるとの理由からできるだけ短くする。
【００３１】
電子試験及び評価装置６は、信号源７とディジタルオシロスコープ８と、プリンタ１０が接続されている計算機９の外に、図示されていない電源安定化器を有する。電子試験及び評価装置６は送信信号を発生し、送信信号は末端電子装置４，５で増幅され、前置増幅された受信信号を処理し、評価を行う。更に電子試験及び評価装置６は、データの文書化と電子制御と、試験機構及び使用者との通信とに用いられる。
【００３２】
図４には下方から見た変換器１〜３の基本的配置が示されている。３つのすべての変換器１〜３は共通のホルダ１５に取付けられ、ホルダ１５は回転中心点Ｄを中心に回転可能である。横波超音波変換器３は表面波超音波送信変換器１と表面波超音波受信変換器２との中間に配置されている。固定されている回転中心点Ｄにより、走行時間測定が同一試験場所で行われることが保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造パラメータと形成された構造と技術的特性と物理的測定量との間の関連を示す原理図。
【図２】本発明の方法を利用して求められた降伏応力値Ｒｔ_0.5 （縦軸）と、４８個の試験体を基礎にして求めた降伏応力値Ｒｔ_0.5 （横軸）との間の良好な一致を示す１つの例を示す線図。
【図３】電子試験装置のブロック回路図である。
【図４】超音波探触子変換器の配置を下方から見て示す下面図である。
【符号の説明】
１ 表面波超音波送信変換器
２ 表面波超音波受信変換器
３ 横波超音波変換器
４，５ 末端電子装置
６ 試験及び評価装置
７ 信号源
８ ディジタルオシロスコープ
９ 計算機
１０ プリンタ
１１〜１４ ケーブル
１５ ホルダ
Ｄ 回転中心点

Claims (8)

1. 接触媒質無しに超音波を加工物の中で励起し、異なるモードの超音波の加工物の弾性定数に依存する音速を加工物の異方性を考慮して測定し、降伏応力を求めるために、互いに無関係に直線偏向された横波超音波と表面波超音波とを加工物の中で励起し、次いで同一の試験場所で主変形方向とこの方向に垂直の方向で２つの超音波変換器の間の所定の間隔を走行する際の表面波超音波の走行時間を求めることと、偏向方向を一度は主変形方向にとり一度はこれに垂直にとった際の直線偏向横波が加工物の厚さを走行する際の走行時間を求めることとを行い、主変形方向での測定値とこれに垂直な方向での測定値との間の差を考慮して、走行時間の測定値と前記加工物の少なくとも１つの加工物固有の特性量との相関を求めることを特徴とする、金属製加工物の特性の非破壊試験方法。
2. 加工物の定格解析と定格厚さとが前記相関に組込まれることを特徴とする請求項１に記載の金属製加工物の特性の非破壊試験方法。
3. 熱間圧延された金属板の場合には付加的に加工物の最終圧延温度が前記相関に組込まれることを特徴とする請求項２に記載の金属製加工物の特性の非破壊試験方法。
4. 送信機及び受信機として形成されている電磁的超音波変換器（ＥＭＵＳ）を具備し、前記超音波変換器は、１つの共通の変換器担体に取付けられケーブルを介して表面波の発生／受信のための電子装置に接続され、直線偏向横波超音波のために直線偏向横波超音波変換器（３）が設けられ、前記直線偏向横波超音波変換器（３）では送信コイルと受信コイルとが超音波探触子ハウジングの中に設けられ、表面波超音波のための変換器として、間隔的に互いから離れてそれぞれ１つの送信機（１）と受信機（２）とが設けられ、直線偏向横波超音波変換器（３）が中央に配置されて３つのすべての変換器（１，２，３）が一直線上にホルダ（１５）に固定され、３つのすべての前記変換器（１，２，３）がそれぞれ１つの磁石を有し、前記直線偏向横波超音波変換器（３）の中心点がホルダ（１５）の回転中心点（Ｄ）を形成することを特徴とする請求項１に記載の金属製加工物の特性の非破壊試験方法を実施する装置。
5. それぞれの送信変換器（１，３）のための送信電流を発生するために、そして受信変換器（２，３）の受信信号を増幅するために末端電子装置（４，５）が設けられ、前記末端電子装置（４，５）は短いケーブル（１１〜１４）を介して前記変換器（１，２，３）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 表面波超音波変換器（１，２）が４００Ｈｚ以下のパルス繰返し周波数において１ＭＨｚの試験周波数で作動され、横波超音波変換器（３）が６ＭＨｚの試験周波数及び２ＫＨｚ以下のパルス繰返し周波数で作動されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の装置。
7. 前記ホルダ（１５）が、ホルダ（１５）を回転するために、そして加工物に前記ホルダ（１５）を載せるために、制御手段に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
8. 制御手段がニューマティックシリンダであることを特徴とする請求項７に記載の装置。

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