JP3731369B2 - 溶接管の超音波探傷方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接管の製造ラインにおいて溶接部に内在する欠陥をオンラインで超音波探傷する方法に関し、特に管軸方向に移動中の溶接管が蛇行しても溶接部内の微小な欠陥を精度良く検出する超音波探傷方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接管の溶接部を非破壊で検査する方法として代表的なものには、Ｘ線透過検査法と超音波探傷検査法がある。
Ｘ線透過検査法は、特に微小な欠陥（０．４ｍｍ程度の欠陥）を検出するのに適した方法であり、サブマージアーク溶接による溶融溶接部に適用されているが、能率が低い、設備コスト・ランニングコストが高い、環境に悪いなどの問題がある。
一方、超音波探傷検査法は、能率が高く、低コストで、環境的にも優れているが、微小欠陥の検出能が低いという問題がある。
そこで、アレイ探触子を用いて、微小欠陥を高能率、低コストで探傷するアレイ超音波探傷方法の研究開発が進められている。
【０００３】
このような従来のアレイ超音波探傷方法には次のようなものがある。
（１）特開平２−２９２４号（図９参照）
この方法は、短冊状に並べた複数の振動子２を有するアレイ探触子１を用いた斜角探傷法であり、溶接部１２の一定ピッチの深さ位置において、超音波ビーム３が垂直になるようにリニア走査により超音波ビームを集束するとともに、その集束点４を溶接部１２の厚さ方向に走査することにより溶接部の微小欠陥を検出するものである。
（２）特開平１０−１８５８８１号（図１０参照）
この方法は、超音波ビームが溶接部１２の厚さ方向に集束するように各振動子２を湾曲させたアレイ探触子１を用いた垂直探傷法であり、リニア走査により超音波ビームを溶接部１２の円周方向に走査しながら厚さ方向の一定ピッチの各位置に集束点４を当てるようにして、溶接部の微小欠陥を検出するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、アレイ超音波探傷で超音波ビームを集束させる方法は、微小欠陥を高精度で検出することが可能である。しかし、この方法は、オンライン探傷するには以下のような問題点があった。
（１）特開平２−２９２４号の方法における問題点
▲１▼オンライン探傷時に溶接部の蛇行が発生する場合、超音波ビームは溶接線上から離れるに従い集束が緩くなるため、溶接部の微小欠陥を高感度で検出することが不可能になってくる。
▲２▼溶接管が変形していると、集束点が溶接線から外れ、検出能が低下する。
（２）特開平１０−１８５８８１号の方法における問題点
▲１▼垂直探傷法では、オンライン探傷時に発生する大きな溶接部の蛇行には対応できない。
▲２▼軸方向と円周方向の面積が小さい欠陥の検出能力が低い。
▲３▼一方向からの探傷結果しか得られず、検出能力が低い。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、溶接管の蛇行にかかわらず溶接部に発生する微小な欠陥をアレイ探触子を用いてオンラインで精度良く検出することができる超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接管の超音波探傷方法は、短冊状に並べた複数の振動子を有するアレイ探触子を用いて斜角探傷法により溶接管の溶接部を超音波探傷する方法において、前記振動子から発せられる超音波ビームを所定の屈折角で前記溶接管に入射させて集束させ、その集束点の位置をセクタ走査により前記溶接部の厚さ方向および円周方向に変えながら前記溶接部の超音波探傷を行うことを特徴とするものである。
また、未探傷領域が発生しないように前記セクタ走査の順番を最適化して前記溶接部の超音波探傷を行うことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明では、アレイ探触子を用いた斜角探傷法において、セクタ走査により超音波ビームの集束点を溶接管の単位移動量ごとに溶接部の厚さ方向および円周方向に位置を変えながら走査するようにしたので、溶接管の製造ラインにおいて蛇行が発生しても微小欠陥を高精度でオンライン探傷することができる。
ここで、セクタ走査を行う理由は、リニア走査と比較した場合、セクタ走査ではアレイ探触子の開口幅全てを使えるからであり、その結果として超音波ビームをより細く集束でき、微小欠陥の検出能を高めることができるからである。
また、斜角探傷法を用いる理由は、垂直探傷法では検出能が低い図８のような溶接部厚さ方向に伸びる細長い微小欠陥２０でも高い検出能で探傷することができるからである。また、垂直探傷法では管軸方向にアレイ探触子の振動子を並べて探傷しても同一方向しか探傷できないため、欠陥の形状・向きによって検出できないことがある。斜角探傷法は、管軸方向にアレイ探触子の振動子を並べて、屈折角を変えて溶接部断面の任意の位置に集束点を合わせることができるため、いろいろな形状・向きの欠陥を検出することができる。
【０００８】
また、本発明では、セクタ走査の順番を最適化することにより、超音波ビームの集束点の時間空間密度を均一化し、未探傷領域が発生しないようにしている。このため、探傷範囲の特定範囲に超音波ビームが当たらないようなことがなくなり、溶接部の蛇行にかかわらず溶接部全域を隙間なく探傷することができる。
セクタ走査の順番を最適化するためには、例えば、インターリーブという規則に従って走査順番を定める。これによって、未探傷領域を最小限に抑えることができるからである。なお、インターリーブというのは、アレイ探触子では振動子素子を順番に励振していくのに対し、あるルール化に従いランダムに励振していくことにより、１００％検出すべき欠陥寸法を最小化する走査方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態を示す超音波探傷方法の概要図である。
アレイ探触子１は、短冊状に配列された複数の振動子２を有し、各振動子２から発せられた超音波ビームが所定の屈折角で溶接管１０に入射するように溶接線１１の近傍に配置されている。
溶接管１０は図示の矢印の方向に等速度（溶接速度）で移動する。なお、ここでは図示していないが、溶接管１０は図１の上方の位置でスクイズロールによりオープンパイプの端面をＹ字状に突き合わせられ、その会合部を例えば高エネルギー密度溶接で溶接するようになっている。この溶接部１２を含む所定の探傷幅について、理解を容易にするために、厚さ方向および円周方向並びに管軸方向に、複数の微小領域１３に分割している。微小領域１３の管軸方向の長さは溶接管１０の単位移動量に相当する。
溶接部１２に検出対象の最小寸法をもつ微小欠陥があるときには、その微小欠陥は微小領域１３の１つもしくは複数個にまたがって存在することになる。
【００１０】
図２は前記アレイ探触子１による超音波ビームのセクタ走査の原理を示す図である。ここでは、１６個の振動子２をもつアレイ探触子１を使用している。
図示しない遅延回路によって、各振動子２の送信タイミングを遅延させる。図示の例では、送信パルスの最初の遅延時間パターンＰと最後の遅延時間パターンＱが示されている。これらの遅延時間パターンはインボリュート曲線に類似した独特の曲線で形成されており、図示しない記憶装置に記憶されている。そして、この類似インボリュート曲線に従って各振動子２の送信タイミングを遅延させることにより、各振動子２から発せられる超音波ビームを偏向させて、ある一点に集束させることができる。
【００１１】
したがって、最初の遅延時間パターンＰから最後の遅延時間パターンＱまで、遅延時間パターンを変更することによって、超音波ビーム３の集束点４をＡ点からＢ点までセクタ走査で移動させることができ、これによって溶接部１２の厚さ方向および円周方向に超音波ビーム３の集束点４を走査させることが可能となる。そして、厚さ方向の超音波ビームの走査は溶接部１２の底面から表面までの範囲を行い、円周方向の超音波ビームの走査は溶接管１０の蛇行範囲を含む所定の範囲（通常、２〜３ｍｍ程度の蛇行が生じるので、これをカバーする範囲）について行う。
【００１２】
図３は本発明の方法により溶接管の溶接部をオンラインで探傷した様子とチャート出力結果を示すものである。上図（ａ）は溶接部１２の中央断面（長手方向の断面）について厚さ方向のみをセクタ走査したときの様子とチャート結果であり、下図（ｂ）は厚さ方向と円周方向にセクタ走査したときの様子とチャート結果である。
図２に示した超音波ビームのセクタ走査の原理によれば、超音波ビームの集束点４を溶接部１２断面の任意の位置に結ばせることが可能である。
したがって、図３の（ａ）図のように、溶接部１２の中央断面の厚さ方向のみをセクタ走査したときには明瞭に現れなかった欠陥ｄ１、ｄ２、ｄ３が、（ｂ）図によれば明確化していることがわかる。（ｂ）図では厚さ方向だけでなく円周方向にもセクタ走査しているので、理想的な位置に溶接部がない場合でも溶接部の欠陥に超音波ビームの集束点４が当たることになるため、その欠陥が（ｂ）図のように明白に現れたものである。このことは、厚さ方向のみをセクタ走査する場合は、溶接部１２の蛇行があると、検知するはずの欠陥を見落としたりする危険が大きいことを意味する。
【００１３】
図４は本発明の他の実施の形態を示す図であり、溶接管１０が管軸方向に移動中に溶接部１２を円周方向にセクタ走査している様子を溶接線１１の真上から見たものである。また同時に、本発明によるセクタ走査の順番によりカバーされる探傷範囲を示している。さらに図５はその探傷範囲を走査順番ごとに示したものである。またこのときの溶接部断面における超音波ビームの集束点４の位置を図６に例示してある。但し、図６では各集束点４は同一断面内に示してあるが、実際には単位移動量ずつ管軸方向に移動した断面内に存在する。
図４に示す例では、溶接管１０を１パルスに１ｍｍ移動させ、溶接部１２の蛇行範囲を含めて円周方向の走査範囲Ｓを５分割し、このように分割された所定の微小領域１３に、ある規則に従って、超音波ビーム３の集束点４を当てるようにしたものである。
【００１４】
この場合、超音波ビーム３は集束点４を中心として断面積９ｍｍ²のビーム径をもっているものとすると、１→４→２→５→３の走査順番（ここでは、インターリーブ５と呼ぶ）で集束点４を当てれば、図５に示すように、走査順番ごとの探傷範囲Ｆ１、Ｆ４、Ｆ２、Ｆ５、Ｆ３は一部ラップしながら連続していくことになり、その結果、図４に示すように、探傷範囲１４の全体を隙間なく走査することが可能となる。
図７は比較のために示す従来方法の走査順番によるものであるが、５→４→３→２→１と順列の走査順番では探傷範囲１４に特定の配置で未探傷領域１５が発生することになり、本発明の走査方法と大きく異なることがわかる。
【００１５】
なお、前記の実施の形態では、アレイ探触子１を固定、溶接管１０を移動の場合で説明したが、逆の場合（アレイ探触子１を移動、溶接管１０を固定の場合）でも本発明を適用できることはいうまでもない。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セクタ走査により超音波ビームの集束点の位置を溶接部の厚さ方向および円周方向に変えながら走査するようにしたので、溶接管の蛇行が発生しても微小欠陥を高精度でオンライン探傷することができる。また、セクタ走査の順番を最適化することにより、未探傷領域が発生しないようにしたので、溶接部全域を隙間なく探傷することができ、微小欠陥の未検出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接管の超音波探傷方法を示す概要図である。
【図２】超音波ビームのセクタ走査の原理を示す図である。
【図３】溶接管のオンライン探傷結果を示す図である。
【図４】本発明によるセクタ走査の順番によりカバーされる探傷範囲を示す図である。
【図５】探傷範囲を走査順番ごとに示す図である。
【図６】溶接部断面における超音波ビームの集束点の位置を示す図である。
【図７】従来の走査方法では探傷範囲に特定の未探傷領域が発生することを示す図である。
【図８】垂直探傷法では検出しにくい微小欠陥の例を示す図である。
【図９】従来の超音波探傷方法を示す図である。
【図１０】従来の他の超音波探傷方法を示す図である。
【符号の説明】
１ アレイ探触子
２ 振動子
３ 超音波ビーム
４ 超音波ビームの集束点
１０ 溶接管
１１ 溶接線
１２ 溶接部
１３ 微小領域
１４ 探傷範囲

Claims (2)

1. 短冊状に並べた複数の振動子を有するアレイ探触子を用いて斜角探傷法により溶接管の溶接部を超音波探傷する方法において、
   前記振動子から発せられる超音波ビームを所定の屈折角で前記溶接管に入射させて集束させ、その集束点の位置をセクタ走査により前記溶接部の厚さ方向および円周方向に変えながら前記溶接部の超音波探傷を行うことを特徴とする溶接管の超音波探傷方法。
2. 未探傷領域が発生しないように前記セクタ走査の順番を最適化して前記溶接部の超音波探傷を行うことを特徴とする請求項１記載の溶接管の超音波探傷方法。

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