JP3739368B2

JP3739368B2 - Ultrasonic tandem multi-array flaw detector

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Publication number: JP3739368B2
Application number: JP2003172097A
Authority: JP
Inventors: 千壽三木; 泰明平林; 益巳村野; 安俊柳沼
Original assignee: 財団法人理工学振興会; 財団法人首都高速道路技術センター
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: JP2005009928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探傷装置に関し、特に、鋼板の溶接部に存在する欠陥の位置や大きさ等を特定することが可能な超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼構造物の溶接継手部には、各種の欠陥が発生する可能性がある。溶接欠陥は応力集中源となり、溶接継手部の疲労強度低下をもたらす恐れがある。したがって、溶接継手部の品質管理の面では、どのような形状の、またどの程度の大きさの溶接欠陥が含まれているかを非破壊的に検出することが重要となる。
従来から、鋼溶接部の内部欠陥を検出して評価する主要な非破壊検査試験方法として、放射線透過試験や超音波探傷試験が用いられてきた。放射線透過試験は、試験実施者に対する安全性を配慮する必要があり、また試験結果の表示に時間がかかるなどの問題点があった。
一方で超音波探傷試験は、試験結果を即時に表示をすることができ、欠陥が検知された際に即座に対処できる可能性があるなど、効率よく試験を行うことが可能となる利点を有する。そのため、溶接欠陥や疲労亀裂の検知を行う各種の非破壊検査方法では、超音波探傷試験が広く用いられている。
【０００３】
超音波探傷試験は、鋼板表面に配置した超音波探触子から溶接部分に向けて超音波を発信し、溶接部内の欠陥から反射されたエコーをその探触子又は他の受信探触子により受信し、探触子の位置情報とそのエコーに基づいて欠陥情報を取得する試験方法である。超音波探傷試験の方法には、超音波の送受信を１つの探触子で行い、この探触子を溶接線方向及び直角方向に走査する一探触子法や、探傷面１０４に垂直な面内に存在する欠陥を検出するために、超音波の送信及び受信を別個の斜角探触子Ｐｔ及びＰｒで行い、一探触子法では取得できないエコーを取得するタンデム探傷法も使用されている（図２４）。
特許文献１には、送受信切替可能な斜角探触子を溶接方向に直角に複数配列したタンデムアレイ超音波探傷装置が開示されている。図２５は、特許文献１に開示されるタンデムアレイ超音波探傷装置の概略構成図である。タンデムアレイ超音波探傷装置３００は、２枚の鋼板１０１及び１０２を接続する溶接部１０３を検査するために、溶接線と直角方向に複数の超音波探触子を並べたアレイ探触子３０１を備える。そしてアレイ探触子３０１を構成する各超音波探触子を順次切り替えて送信探触子とし、全ての探触子においてエコー信号を受信して、溶接部１０３内の欠陥の位置や大きさ等を検出する。このように探触子をアレイ状に並べて複数配置してこれら全ての探触子で受信することにより、指向性の強いエコー信号について、一探触子法やタンデム探傷法に比べてより確実に受信することが可能となり、また溶接線と直角方向の走査を不要とする。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４０８２号公報（段落〔００１２〕−〔００４６〕）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、溶接欠陥には融合不良や割れといった面状欠陥のほか、球状又はほぼ球状の空洞（ブローホール）のような３次元的な体積を有する欠陥がある。このような３次元形状を有する欠陥や、又は探傷面に斜めの角度をもって存在する面状欠陥で反射する散乱波は３次元的に広範囲に散乱する。したがって、このような形状の欠陥の探傷に従来の探傷法を適用すると、３次元に散乱する反射散乱波を受信できず、その形状を検出することは困難であった。
【０００６】
また、構造物の保守や寿命の推定のための理論として破壊力学を用いることが有効であるが、この場合には欠陥の位置や、大きさ、形状及び角度などに関する正確な情報が必要となる。したがって、超音波探傷においては欠陥の定量化が要求される。ここに、欠陥の定量化とは、例えば、ａ）欠陥の種類（クラック状、ボイド状又はインクルージョンか等の識別）、ｂ）欠陥の正確な位置、大きさ、形状、角度等に関する情報、また欠陥がクラックであるとすればｃ）きれいに開口したクラックなのか、ある部分は閉じたクラックなのか、ｄ）単一欠陥なのか複数欠陥なのか、複数欠陥であるとすればｅ）どのような分布状態なのかを特定することをいう。
このような欠陥の定量化には、欠陥の様子を表現する画像化を行うことが有効であるが、その位置や形状などを３次元的に表現する画像化を行うためには、所望の精度に対応するステップで溶接線方向に走査することが必要であった。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであって、従来の探傷方法では取得困難であった３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得し、さらに取得したデータから欠陥像を３次元画像に精度よく再構成する探傷装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る超音波タンデムマルチアレイ探傷装置では、複数の超音波探触子を行列状に配置して備え、欠陥から反射する散乱エコーを受信する超音波探触子は、少なくとも異なる行および異なる列に配置された他の超音波探触子から送信された超音波をも受信して、検査体内の欠陥検出に利用することとする。
【０００９】
以下、図１を参照して本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の動作原理を説明する。本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置は、複数の超音波探触子をｍ行×ｎ列の２次元行列に配置して構成されるタンデムマルチアレイ探触子１０を備える。
例えば、図１に示すタンデムマルチアレイ探触子では、５行×３列の行列状に構成され、超音波探触子Ｐ１〜Ｐ１５を備える。超音波探触子としては、様々な種類の探触子を使用することが可能であるが、斜角探触子を使用することが望ましい。
ここに、２枚の鋼板１０１及び１０２を接続する溶接部１０３内の欠陥を検査することを考える。便宜上、本明細書においては溶接線方向をＸ軸、溶接線と直角方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸と呼ぶこととする。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、鋼板１０１上にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置する。いま簡単のため、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向（すなわち探触子Ｐ１〜Ｐ５の並びの方向）はＹ軸と一致し、列方向（探触子Ｐ１、Ｐ６及びＰ１１の並びの方向）はＸ軸と一致していることとする。
【００１１】
図１（ｂ）に示すように、検出すべき溶接部１０３内の欠陥１０５が探傷面１０４に対してＺ軸について斜めの３次元形状欠陥又は面状欠陥であるとする。このとき、送信探触子Ｐ６から溶接部１０３に向けて超音波を送信すると、送信後Ｙ軸方向に進行して欠陥１０５に至った超音波（送信信号）は、欠陥１０５によってＹ軸方向に対して斜めに反射するため、探触子Ｐ６と同じ列に配置される探触子Ｐ６〜Ｐ１０によって反射信号を取得することができない。
【００１２】
本発明によるタンデムマルチアレイ探触子１０によれば、探触子を２次元的に配列して備えるので、図１（ｂ）に示すように送信探触子（探触子Ｐ６）と異なる行に配置される探触子（図１（ｂ）の例では探触子Ｐ１２）により、欠陥１０５により斜めに反射する反射信号を取得することが可能となる。このように、３次元形状を有する欠陥や探傷面に斜めの角度をもって存在する面状欠陥により生じる３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得することを可能とし、従来検出することができなかった上記形状を有する欠陥の見逃し防止を可能とする。
【００１３】
また、探触子を２次元的に配列して備えることにより、図１（ｃ）に示すように、適切な指向性を有する送信信号１０６を、送信信号１０６の中心軸からＸ軸方向にずれた欠陥１０５に送信し、その反射信号を送信探触子Ｐ６と異なる行に配置される探触子Ｐ１２により受信して、探傷面１０４上の任意のＸ座標位置の欠陥を連続して検知することが可能となる。
これにより、探触子をＸ軸方向に走査することなく欠陥の立体的形状を検出することが可能となる。したがって、従来の探傷方法でＸ軸方向の検出精度を規定していた走査ステップ幅とは関係なく、Ｘ軸方向の任意の位置において欠陥有無の検出が可能となる。これにより３次元形状を有する欠陥位置、形状および大きさ等を高精度で検出および画像化することを可能とし、上述の欠陥の定量的評価の高精度化に寄与する。
【００１４】
さらに、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置は、２次元的に配列された複数の超音波探触子を順次切り替えて送信探触子とし、反射信号を繰り返し受信する撮像手段と、受信した反射信号に基づいて画像を生成する画像生成手段とを備えることとする。
上述のタンデムマルチアレイ探触子１０が取得する反射信号に基づくことにより、高精度な３次元画像の生成が可能となる。
【００１５】
またさらに、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置が備える前記の画像生成手段は、送信超音波探触子から溶接部内の欠陥に直接至り、この欠陥から受信超音波探触子に直接戻る経路を伝搬した第１の反射信号と、送信超音波探触子から鋼板底面で一度反射されて溶接部内の欠陥に至り、この欠陥から受信超音波探触子に直接戻る経路を伝搬した第２の反射信号と、送信超音波探触子から溶接部内の欠陥に直接至り、この欠陥から鋼板底面で一度反射されて受信超音波探触子に戻る経路を伝搬した第３の反射信号と、送信超音波探触子から鋼板底面で一度反射されて前記溶接部内の欠陥に至り、この欠陥から鋼板の底面で一度反射されて受信超音波探触子に戻る経路を伝搬した第４の反射信号の少なくとも１つの反射信号に基づき画像を生成することとした。
このように、複数の伝搬経路を考慮し、対象経路を上記のように選定して限定することにより生成画像の精度を高めることを可能とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図２は、本発明の実施例に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の概略構成図である。
タンデムマルチアレイ探傷装置２０は、図１に示したタンデムマルチアレイ探触子１０と、リモート部１２を有する探傷器１１と、探傷器の制御および結果表示を行うパーソナルコンピュータ等の計算機１３とを備える。タンデムマルチアレイ探触子１０は、検査対象である鋼板１０１上にカップリング剤（例えば水）を介して設置される。
【００１７】
探傷器１１は、タンデムマルチアレイ探触子１０を構成する各探触子Ｐ１〜Ｐ１５を切り替えて送信探触子とする。探傷器１１ではパルス信号を発生させて、リモート部１２を経由してこのパルス信号を送信探触子に送信する。超音波探触子である各探触子Ｐ１〜Ｐ１５は内部に圧電素子を備え、探傷器１１から送信されたパルス信号によりこの圧電素子を振動させて鋼板１０１内に超音波を送信する。
鋼板１０１内に送信された超音波は欠陥などで反射され、この反射された音波の一部が、受信探触子として働く各探触子Ｐ１〜Ｐ１５に受信される。受信された音波は、探触子Ｐ１〜Ｐ１５内の圧電素子により電気信号に変換され、リモート部１２を経由して探傷器１１に受信される。
探傷器１１は、受信した電気信号を増幅しアナログディジタル変換を行い、その結果を計算機１３に送信する。計算機１３は受信信号に基づいて測定結果の表示などを行う。
【００１８】
以下、タンデムマルチアレイ探触子１０によって、３次元形状を有する欠陥により生じる３次元的に散乱する反射信号の取得を行う実験結果を示す。
図３は、実験に使用したタンデムマルチアレイ探触子１０の上面図および側面図である。各探触子は図示する通りに配列されている。実験には、送信信号の周波数が５ＭＨｚであり、屈折角（鋼板１０への入射角）が６５°である斜角探触子を各探触子として使用する。なお、送信信号の周波数および屈折角の選択はこれらに限定されるものではなく、適宜最適な値を採用することとしてよい。
【００１９】
図４は、実験に使用した各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の送信信号である超音波パルス信号の波形図とスペクトル図である。図５（ａ）は、各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の鋼板１０１への入射超音波ビームの広がり特性を説明する図である。図示するように鋼板１０１底面において最高エコーレベルとなる位置を測定により求め、この最高エコーレベルより６ｄＢ低くなる範囲を測定して広がり特性を求めた。その結果、実験に使用した各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の入射ビームの広がりは、ＸＹ方向、ＸＺ方向ともに約８．０°であった。
図５（ｂ）は、実験に使用したタンデムマルチアレイ探触子１０の受信特性を説明する図である。図示するとおり、タンデムマルチアレイ探触子１０と別に他の送信探触子１１０を設置し、送信探触子１１０に対してタンデムマルチアレイ探触子１０を傾けながら受信信号のエコーレベルを測定して受信特性を求めた。その結果約３°の傾斜でエコーレベルが５０％に落ち込み、１０°の傾斜で受信レベルはほぼ０％となった。
【００２０】
図６は、試験対象となる試験体を説明する図である。試験体１２１は、図６（ａ）に示すような４００ｍｍ×１５０ｍｍ×１２ｍｍの鋼板に内部欠陥１０５を導入した２枚の鋼板１２１’を製作し、接合面を鏡面仕上げしてから接触媒質（ソニコート）を介して接合して製作した。
図７は、鋼板１２１’に導入した内部欠陥１０５を示す図である。図示するとおり直径６ｍｍの球孔と立方体孔の２種類の内部欠陥を用意した。
【００２１】
上記条件の下で、図７（ａ）に示す球孔の内部欠陥１０５を導入した試験体１２１上に、図８（ａ）に示す位置にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置し、探触子Ｐ６を送信探触子として、送信探触子Ｐ６と異なる列に属する探触子により受信したエコー波形を図９に示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）及び（ｈ）は、それぞれ探触子Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ１１、Ｐ１３、Ｐ１４及びＰ１５により受信したエコー波形を示し、エコー波形図の縦軸はエコーレベル（％）を表し、横軸は送信時刻から受信時刻までの時間差に対応する信号の伝搬距離（ｍｍ）を表す。
【００２２】
図示するように、送信探触子Ｐ６と異なる列に属するこれらの探触子によってエコーを受信しており、したがってタンデムマルチアレイ探触子１０は、３次元形状を有する欠陥により生じる３次元的に散乱する反射信号を取得できることが分かる。これら３次元散乱波は、従来の一探触子法、タンデム探傷法および特許文献１に記載の探傷法では見逃していたエコーである。
【００２３】
図１０は、同様の条件下で、図７（ｂ）に示す立方体孔の内部欠陥１０５を導入した試験体１２１上に、図８（ｂ）に示す位置にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置して徐々に傾けながら、送信探触子Ｐ６のエコーを探触子Ｐ３により受信したエコー波形図である。同様にエコー波形図の縦軸はエコーレベル（％）を表し、横軸は送信時刻から受信時刻までの時間差に対応する信号の伝搬距離（ｍｍ）を表す。ここに図１０（ａ）は、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向（すなわち探触子Ｐ１〜Ｐ５の方向）をＹ軸と平行にして試験したときの結果であり、図１０（ｂ）は、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向をＹ軸に対して５°傾斜させて試験したときの結果である。
【００２４】
図１０から分かるとおり、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向をＹ軸と平行にした場合は、送信探触子Ｐ６と異なる列に属する探触子Ｐ３でエコーを取得できなかったが、タンデムマルチアレイ探触子１０を傾けることにより、非常に強いエコーを取得することができた。この結果から、前述のタンデムマルチアレイ探触子１０の受信特性が、３次元散乱エコーの取得に影響していることが考えられる。このように本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０は、タンデムマルチアレイ探触子１０を、その行方向または列方向が溶接線方向に斜めになるように、各探触子Ｐ１〜Ｐ１５を２次元的に配列することとしてもよい。
【００２５】
図１１は、同様の条件下で、図７（ａ）に示す球孔の内部欠陥１０５を導入した試験体１２１上に、図８（ａ）に示す位置にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置し、探触子Ｐ６と探触子Ｐ１４の組合せを相互に切り替えて、送信／受信探触子としたときのエコー波形図である。同様にエコー波形図の縦軸はエコーレベル（％）を表し、横軸は送信時刻から受信時刻までの時間差に対応する信号の伝搬距離（ｍｍ）を表す。
ここに、図１１（ａ）は、探触子Ｐ６を送信、探触子Ｐ１４を受信としたときの結果であり、図１１（ｂ）は、探触子Ｐ１４を送信、探触子Ｐ６を受信としたときの結果である。図１１から分かるとおり、探触子Ｐ６による送信信号は探触子Ｐ１４で受信されたが、その反対の探触子Ｐ１４による送信信号は探触子Ｐ６に受信されない。
このとき、タンデムマルチアレイ探触子１０は、探触子Ｐ６の信号入射点が欠陥から２７．５ｍｍとなる位置であったが、これは探触子Ｐ６と欠陥とは直達波によりエコーが伝搬する位置関係であり、探触子Ｐ１４と欠陥とは底面に１回反射してエコーが伝搬する位置関係である。
鋼材中を伝搬する超音波は周波数が高くなるほど伝搬距離に伴う信号減衰が大きくなるため、探触子Ｐ１４による送信信号は探触子Ｐ６に受信されないのは、伝搬による信号減衰が原因と考えられる。したがって、図１１に示す結果から、伝搬距離による減衰は、超音波ビームの全路程よりも送信探触子から反射源となる欠陥までの距離に依存することが推測される。この結果は、次に述べる３次元画像化における経路パターン照査の際に使用することができる。
【００２６】
以下では、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０によって欠陥像を精度よく３次元画像に再構成する方法を説明する。タンデムマルチアレイ探触子１０から得られたデータから欠陥を画像化するために、開口合成の原理を用いる。
【００２７】
開口合成の基本的な原理を図１２および図１３を参照して説明する。図１２に示すように、点１０５に点反射源があるものとする。点ｘ_ｉ（ｉ＝１，２，３，…，Ｍ）の位置で超音波を送受信したときに、超音波探触子から超音波が送信されエコー信号が受信されるまでの試験体内の往復の伝搬経路に対応する伝搬遅延時間をτ_ｉ（ｉ＝１，２，３，…，Ｍ）とする。これらの伝搬遅延時間の中の最大値をτ_ｍａｘとする。
各点ｘ_ｉで得られるエコー信号ｒ_ｉ（ｔ）は、図１３（ａ）のようになる。ここにτ_ｍａｘ＝τ_Ｍとすると、各エコー信号ｒ_ｉ（ｔ）をそれぞれ（τ_ｍａｘ−τ_ｉ）だけ遅延させたエコー信号は図１３（ｂ）に示すようになる。この遅延処理により全てのエコー信号が同時刻に揃うので、これら遅延処理後のエコー信号を加算することにより欠陥像を増幅することができる。
【００２８】
本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０による３次元画像構成方法では、画像化を行う領域である再構成領域をあらかじめ定める。図１４（ａ）は、鋼板１０１内に定められる再構成領域１３２を説明する図である。
図示するように再構成領域１３２を鋼板１０１内のボクセルとして定め、ＸＹＺの座標軸を設定する。欠陥１０５が再構成領域１３２内に入らなければ欠陥１０５を画像化することはできないため、再構成領域はできるだけ広い方が望ましいが、３次元画像を構成するための再構成処理は、２次元の場合と比較して処理時間やコストを非常に要するため、再構成領域の位置や大きさは、変更可能なものであることが望ましい。
【００２９】
次に図１４（ｂ）のように再構成領域の始点Ｒ１（ｘｉｎｉ，ｙｉｎｉ，ｚｉｎｉ）を決め、この点を起点に次の式により再構成領域内の各点を決定する。
ｘ（ｉ）＝ｘｉｎｉ＋（ｉ−１）×Δｘ（ｉ＝１、２、〜、ｎｘ）
ｙ（ｉ）＝ｙｉｎｉ＋（ｉ−１）×Δｙ（ｉ＝１、２、〜、ｎｙ）
ｚ（ｉ）＝ｚｉｎｉ＋（ｉ−１）×Δｚ（ｉ＝１、２、〜、ｎｚ）
ここで、Δｘ、ΔｙおよびΔｚは、それぞれＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸におけるメッシュ間隔であり、ｎｘ、ｎｙおよびｎｚは、それぞれＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸における再構成領域のメッシュの分割数である。すなわち、各点（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））は各メッシュの頂点に設定される。本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０は、このように決定した各点（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））について開口合成処理を行い、反射源となる欠陥像を再構成する。
なお、始点Ｒ１（ｘｉｎｉ，ｙｉｎｉ，ｚｉｎｉ）は、鋼板１０１中で任意の位置を取ることができる。これによりＲ１の座標を決めることで再構成領域を決定することとする。
【００３０】
図１５及び図１６は、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０において想定する超音波ビームの伝搬経路の説明図である。超音波エコーは鋼材中を伝搬しながら減衰していく性質がある。したがって強いエコーが受信されたとき、そのエコーは複雑な経路を伝搬したと考えるよりも、そのときの探触子および欠陥等の位置関係から最も生じやすい、すなわち最短の経路を通って受信探触子に戻ってきたと想定するのが妥当である。３次元空間の場合、「最も生じやすい経路パターン」としては、送信探触子Ｐｔから欠陥１０５（再構成領域のある一点）へ至り、欠陥１０５から受信探触子Ｐｒへ反射した経路が同一平面内にある経路が考えられる。
【００３１】
本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０で採用する３次元開口合成では、往路（送信探触子Ｐｔ〜欠陥１０５）および復路（欠陥１０５〜受信探触子Ｐｒ）で各１回まで底面反射をする経路を想定して、図１５及び図１６に示す４パターンの経路パターンを想定した。
【００３２】
超音波が底面で反射する経路では底面では鏡面反射するものと仮定して考える。往路及び復路で各１回まで底面反射する場合も含めて考慮すると、前述の「最も生じやすい経路パターン」として、送信探触子又は送信探触子の映像位置（送信探触子の底面についての面対称位置）のいずれかから欠陥箇所に至り、欠陥箇所から受信探触子又は受信探触子の映像位置（受信探触子の底面についての面対称位置）のいずれかに至る経路が同一平面内にある経路を考えることができる。
【００３３】
図１５（ａ）に示す経路１は、送信探触子Ｐｔから反射源１０５に直接至り、鋼板１０１中の欠陥である反射源１０５から受信探触子Ｐｒに直接戻る経路である。
図１５（ｂ）に示す経路２は、送信探触子Ｐｔから底面で一度反射されて反射源１０５に至り、反射源１０５から受信探触子Ｐｒに直接戻る経路である。
図１６（ａ）に示す経路３は、送信探触子Ｐｔから反射源１０５に直接至り、反射源１０５から底面で一度反射されて受信探触子Ｐｒに戻る経路である。
図１６（ｂ）に示す経路４は、送信探触子Ｐｔから底面で一度反射されて反射源１０５に至り、反射源１０５から底面で一度反射されて受信探触子Ｐｒに戻る経路である。
【００３４】
経路１〜４におけるそれぞれの伝搬距離Ｄ１〜Ｄ４は次式で与えられる。
【数１】

ここに、送信探触子Ｐｔの座標をＴ（ｐｔｘ，ｐｔｙ，ｐｔｚ）とし、受信探触子Ｐｒの座標をＲ（ｐｒｘ，ｐｒｙ，ｐｒｚ）とし、鋼板１０１の板厚をＴとし、反射源（再構成領域のある一点）１０５の座標はＲ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））とする。
【００３５】
したがって、探傷によって得られた受信信号波形をｗ（ｔ）とすれば、受信探触子により受信された受信信号のうち、各メッシュ格子点Ｒ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））において反射し、各経路１〜４を伝搬して受信された反射エコー成分の反射レベルｈ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））は、次式で表される。
【数２】

【００３６】
次に経路パターンの照査を行う。すなわち、送信ビーム及び受信ビームのビーム幅と広がりを考慮して、経路によってどのように広がるのかを幾何学的に考えてビームの伝搬領域を計算する。そして再構成領域の一点がそのビームの領域に入るか否かを基準にして経路を決定する。図１７及び図１８を参照して、経路パターン照査の方法を説明する。
図１７は、経路１に関する経路パターン照査の説明図である。経路１の伝搬範囲に該当する図の斜線部分に再構成領域の点が入っているときは、そのときの送信探触子、受信探触子および再構成領域の点の位置関係では、経路１を通る可能性があると判断して経路１を選択する。
図１８は、経路２に関する経路パターン照査の説明図である。図１７と同様に、経路２の伝搬範囲に該当する図の斜線領域にも入っているときは、経路２をさらに選択する。同様に経路３、４についても判断する。このように伝搬する可能性がある経路を照査して予め選定し、選定された経路についてのみ反射レベルｈ（（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））の計算を行うことにより、計算量の低減と画像精度の向上を図ることができる。
【００３７】
また、図８（ａ）に関連して説明したように、伝搬距離による減衰は、超音波ビームの全路程よりもむしろ、送信探触子から反射源となる欠陥までの距離により依存することが推測されるため、上記経路照査の際に、送信探触子から再構成領域の一点までの伝搬距離が所定距離以内になければ当該経路を選択しないなどの照査処理を追加して行ってもよい。
【００３８】
図１９に本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０の計算機１３で実行される３次元開口合成方法のフローチャートを示す。
ステップＳ２０１において、各探触子Ｐ１〜Ｐｍｎを順次切り替えて送信探触子とし、全探触子Ｐ１〜Ｐｍｎで反射信号を受信することにより、ｍｎ×ｍｎ個の反射エコーデータを取得する。ここに、ｍはタンデムマルチアレイ探傷装置２０のタンデムマルチアレイ探触子に使用される探触子の行数であり、ｎは同じく列数であるとする。
【００３９】
ステップＳ２０３において、３次元開口合成を所望する再構成領域１３２の始点Ｒ（ｘｉｎｉ，ｙｉｎｉ，ｚｉｎｉ）を入力する。また、ステップＳ２０５において、入力された再構成領域１３２の始点と、所定の再構成領域１３２の範囲およびメッシュ間隔から、再構成領域１３２内の各点Ｒ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））の座標を計算する。
【００４０】
ステップＳ２０７において、タンデムマルチアレイ探触子１０の位置を入力する。また、ステップＳ２０７において、入力されたタンデムマルチアレイ探触子１０の位置情報と、タンデムマルチアレイ探触子１０の所定の各寸法データから各探触子Ｐ１〜Ｐｍｎの座標位置を計算する。
【００４１】
ステップＳ２１１において、Ｓ２０１にて取得したデータのうち１つを選択する。またまた、ステップＳ２１３において、再構成領域１３２内の一点Ｒ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））を選択する。
ステップＳ２１５において、選択されたデータに対応する送受信探触子の座標と、再構成領域内１３２の一点（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））の座標の位置関係から、超音波の伝搬経路を前述のとおり設定および照査し、開口合成処理に使用する各経路を選択する。
【００４２】
ステップＳ２１７において、測定された反射エコーデータから前ステップで算出した各経路の伝搬時間分だけ遅らせた時間の振幅値を読み込み、ステップＳ２１９において読み込んだ振幅値を、当該再構成領域１３２内の一点における振幅値データに加算してゆく。ステップＳ２１５で選択した経路が複数あるときは、選択した各経路全てについて伝搬時間分だけ遅らせた時間の振幅値を読み込み、これを振幅値データに加算することとしてよい。
上記ステップＳ２１１〜Ｓ２１９を、再構成領域１３２内の全座標および全測定データについて繰り返すことにより（ステップＳ２２１、Ｓ２２３）、再構成領域１３２内の全座標について、各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の受信反射信号が加算されて、開口合成処理が終了する（Ｓ２２５）。
【００４３】
図２０〜図２３に、図７（ａ）に示す球孔φ６の欠陥を、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０により画像化した結果を示す。図２０は再構成に使用した画像化条件を示す（図中の寸法単位はすべてｍｍとする）。また再構成領域は１２ｍｍとし、メッシュ間隔は波長０．５ｍｍの半分以下となる０．２ｍｍである。
図２１と図２２は、画像化結果の斜視図である。図示するように球孔の上側１／４球面に近い３次元形状を再構成することができた。図２３（ａ）は画像化結果を鋼板１０１上面から見たものであり、図２３（ｂ）は同じく側面から見たものである。図において実線は球孔の正しい位置を、点線は画像化結果から推定される球孔の位置を表している。この結果から再構成画像の位置寸法は１ｍｍ程度の誤差範囲内に収まっていることが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置により、３次元形状を有する欠陥や探傷面に斜めの角度をもって存在する面状欠陥により生じる３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得することが可能となり、従来検出することができなかった欠陥の見逃し防止を可能とする。
また、３次元形状を有する欠陥位置、形状および大きさ等を高精度で検出および画像化することを可能となり欠陥の定量的評価の高精度化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の斜視図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその上面図である。
【図２】本発明の実施例に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の概略構成図である。
【図３】タンデムマルチアレイ探触子の上面図および側面図である。
【図４】探触子の超音波パルス信号の波形図とスペクトル図である。
【図５】（ａ）は探触子の入射超音波ビームの広がり特性の説明図であり、（ｂ）は、タンデムマルチアレイ探触子の受信特性を説明する図である。
【図６】試験体の説明図である。
【図７】鋼板に導入した内部欠陥を示す図である。
【図８】タンデムマルチアレイ探触子の設置位置の説明図である。
【図９】球孔の内部欠陥を導入した試験体における受信エコー波形図である。
【図１０】立方体孔の内部欠陥を導入した試験体において探触子を傾けながら受信した際の受信エコー波形図である。
【図１１】球孔の内部欠陥を導入した試験体において送受信探触子を切り替えて受信した際の受信エコー波形図である。
【図１２】開口合成の基本的な原理説明図（その１）である。
【図１３】開口合成の基本的な原理説明図（その２）である。
【図１４】鋼板内に定められる再構成領域の説明図である。
【図１５】想定する超音波ビームの伝搬経路（経路１、経路２）の説明図である。
【図１６】想定する超音波ビームの伝搬経路（経路３、経路４）の説明図である。
【図１７】経路パターンの照査の説明図（経路１）である。
【図１８】経路パターンの照査の説明図（経路２）である。
【図１９】本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置で実行される３次元開口合成方法のフローチャートである。
【図２０】再構成に使用した画像化条件の説明図である。
【図２１】画像化結果の斜視図（その１）である。
【図２２】画像化結果の斜視図（その２）である。
【図２３】（ａ）は、画像化結果の上面図から見たものであり、（ｂ）は、画像化結果の側面図である。
【図２４】従来のタンデム探傷法の説明図である。
【図２５】
特許文献１に開示される従来のタンデムアレイ探傷装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０…タンデムマルチアレイ探触子
２０…タンデムマルチアレイ探傷装置
１１…探傷器
１２…リモート部
１３…計算機
１０１…試験体（鋼板）
１０５…欠陥
１３２…再構成領域
Ｐ１〜Ｐ１５、Ｐｒ、Ｐｔ…探触子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flaw detector, and more particularly to an ultrasonic flaw detector capable of specifying the position and size of a defect present in a welded portion of a steel plate.
[0002]
[Prior art]
Various defects may occur in the welded joint portion of the steel structure. A weld defect becomes a stress concentration source and may cause a decrease in fatigue strength of the welded joint. Therefore, in terms of quality control of the welded joint, it is important to nondestructively detect what shape and how large the weld defect is included.
Conventionally, as a main nondestructive inspection test method for detecting and evaluating internal defects in steel welds, a radiation transmission test and an ultrasonic flaw detection test have been used. In the radiation transmission test, it is necessary to consider the safety for the test operator, and there are problems such as that it takes time to display the test result.
On the other hand, the ultrasonic flaw detection test has the advantage that the test result can be displayed immediately and can be dealt with immediately when a defect is detected. . Therefore, an ultrasonic flaw detection test is widely used in various nondestructive inspection methods for detecting welding defects and fatigue cracks.
[0003]
In the ultrasonic flaw detection test, ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic probe arranged on the surface of the steel sheet toward the welded part, and the echo reflected from the defect in the welded part is transmitted by the probe or other receiving probe. This is a test method for receiving and acquiring defect information based on probe position information and its echoes. Ultrasonic flaw detection methods include a single probe method in which ultrasonic waves are transmitted and received with a single probe and the probe is scanned in the direction of the weld line and at a right angle, or a surface perpendicular to the flaw detection surface 104. In order to detect defects existing in the tandem flaw detection method, ultrasonic waves are transmitted and received by separate oblique angle probes Pt and Pr, and echoes that cannot be acquired by the single probe method are also used. (FIG. 24).
Patent Document 1 discloses a tandem array ultrasonic flaw detector in which a plurality of oblique probes capable of switching between transmission and reception are arranged perpendicular to the welding direction. FIG. 25 is a schematic configuration diagram of a tandem array ultrasonic flaw detector disclosed in Patent Document 1. The tandem array ultrasonic inspection apparatus 300 includes an array probe 301 in which a plurality of ultrasonic probes are arranged in a direction perpendicular to the weld line in order to inspect the welded portion 103 connecting the two

steel plates

101 and 102. Prepare. The ultrasonic probes constituting the array probe 301 are sequentially switched to be transmission probes, and echo signals are received by all the probes, and the position and size of the defect in the welded portion 103, etc. Is detected. In this way, by arranging multiple probes in an array and receiving them by all these probes, it is more reliable for echo signals with strong directivity than the single probe method or tandem flaw detection method. It is possible to receive, and scanning in the direction perpendicular to the weld line is unnecessary.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-14082 A (paragraphs [0012]-[0046])
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in addition to planar defects such as poor fusion and cracks, there are defects having a three-dimensional volume such as spherical or almost spherical cavities (blow holes). Scattered waves reflected by such defects having a three-dimensional shape or planar defects existing at an oblique angle on the flaw detection surface are scattered three-dimensionally over a wide range. Therefore, when a conventional flaw detection method is applied to flaw detection of defects having such a shape, it is difficult to detect reflected and scattered waves that are three-dimensionally scattered and to detect the shape.
[0006]
In addition, it is effective to use fracture mechanics as a theory for structure maintenance and life estimation. In this case, accurate information on the position, size, shape, and angle of the defect is required. . Therefore, quantification of defects is required in ultrasonic flaw detection. Here, the quantification of defects means, for example, a) type of defect (identification of crack type, void type, inclusion, etc.), b) information on the exact position, size, shape, angle, etc. of the defect, C) If the defect is a crack, c) Is it a cleanly open crack, or some part is a closed crack, d) Whether it is a single defect or multiple defects, e) What is a multiple defect? This means specifying the distribution state.
In order to quantify such defects, it is effective to perform imaging that expresses the state of the defect, but in order to perform imaging that expresses the position, shape, and the like three-dimensionally, a desired accuracy is required. It was necessary to scan in the direction of the weld line in steps corresponding to.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and acquires echoes scattered in a wide range in three dimensions, which has been difficult to obtain by conventional flaw detection methods, and further converts defect images into three-dimensional images from the acquired data. It is an object of the present invention to provide a flaw detection apparatus that reconfigures accurately.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the ultrasonic tandem multi-array flaw detection apparatus according to the present invention includes a plurality of ultrasonic probes arranged in a matrix and receives an echo reflected from a defect. The child also receives ultrasonic waves transmitted from other ultrasonic probes arranged at least in different rows and different columns, and uses them for detecting defects in the inspection object.
[0009]
Hereinafter, the operation principle of the tandem multi-array flaw detector according to the present invention will be described with reference to FIG. The tandem multi-array flaw detection apparatus according to the present invention includes a tandem multi-array probe 10 configured by arranging a plurality of ultrasonic probes in a two-dimensional matrix of m rows × n columns.
For example, the tandem multi-array probe shown in FIG. 1 is configured in a matrix of 5 rows × 3 columns and includes ultrasonic probes P1 to P15. Although various types of probes can be used as the ultrasonic probe, it is preferable to use an oblique probe.
Here, it is considered to inspect a defect in the welded portion 103 connecting the two

steel plates

101 and 102. For convenience, in this specification, the weld line direction is referred to as the X axis, the direction perpendicular to the weld line is referred to as the Y axis, and the vertical direction is referred to as the Z axis.
[0010]
As shown in FIG. 1 (a), a tandem multi-array probe 10 is arranged on a steel plate 101. For simplicity, the row direction of the tandem multi-array probe 10 (that is, the direction in which the probes P1 to P5 are arranged) coincides with the Y axis, and the column direction (the direction in which the probes P1, P6, and P11 are arranged). ) Matches the X axis.
[0011]
As shown in FIG. 1B, it is assumed that the defect 105 in the welded portion 103 to be detected is a three-dimensional shape defect or a planar defect that is oblique with respect to the flaw detection surface 104 with respect to the Z axis. At this time, when an ultrasonic wave is transmitted from the transmission probe P6 toward the welded portion 103, the ultrasonic wave (transmission signal) that travels in the Y-axis direction after transmission and reaches the defect 105 is transmitted in the Y-axis direction by the defect 105. On the other hand, since it reflects diagonally, a reflected signal cannot be acquired by the probes P6 to P10 arranged in the same row as the probe P6.
[0012]
According to the tandem multi-array probe 10 according to the present invention, since the probes are arranged two-dimensionally, a row different from the transmission probe (probe P6) as shown in FIG. It is possible to acquire a reflected signal that is reflected obliquely by the defect 105 by the probe (probe P12 in the example of FIG. As described above, it is possible to acquire a three-dimensionally scattered echo generated by a defect having a three-dimensional shape or a planar defect existing at an oblique angle on the flaw detection surface, and could not be detected conventionally. It is possible to prevent the defect having the above shape from being overlooked.
[0013]
Further, by providing the probes arranged two-dimensionally, the transmission signal 106 having appropriate directivity is shifted in the X-axis direction from the central axis of the transmission signal 106 as shown in FIG. Is transmitted to the defect 105, and the reflected signal is received by the probe P12 arranged in a different row from the transmission probe P6, and a defect at an arbitrary X coordinate position on the flaw detection surface 104 is continuously detected. It becomes possible.
As a result, the three-dimensional shape of the defect can be detected without scanning the probe in the X-axis direction. Therefore, it is possible to detect the presence / absence of a defect at an arbitrary position in the X-axis direction regardless of the scanning step width in which the detection accuracy in the X-axis direction is defined by the conventional flaw detection method. This makes it possible to detect and image a defect position, shape, size, and the like having a three-dimensional shape with high accuracy, and contribute to high accuracy of quantitative evaluation of the above-described defect.
[0014]
Furthermore, the tandem multi-array flaw detection apparatus according to the present invention sequentially switches a plurality of two-dimensionally arranged ultrasonic probes to be a transmission probe, and receives an imaging unit that repeatedly receives a reflected signal, and a received reflection Image generation means for generating an image based on the signal;
Based on the reflection signal acquired by the tandem multi-array probe 10 described above, a highly accurate three-dimensional image can be generated.
[0015]
Still further, the image generation means provided in the tandem multi-array flaw detection apparatus according to the present invention provides a path that directly leads from the transmission ultrasonic probe to a defect in the welded portion and returns directly from the defect to the reception ultrasonic probe. The first reflected signal that has propagated and the second reflection that has been reflected from the transmitting ultrasonic probe once on the bottom surface of the steel plate to a defect in the welded portion and propagated along a path that directly returns from this defect to the receiving ultrasonic probe. A signal, a third reflected signal that directly travels from the transmitting ultrasonic probe to a defect in the weld, and is reflected from the defect once on the bottom surface of the steel plate and returns to the receiving ultrasonic probe, and the transmitting ultrasonic wave At least one of the fourth reflected signals that has been reflected once from the probe on the bottom surface of the steel sheet and led to a defect in the weld, and propagated along a path that is reflected once from the defect on the bottom surface of the steel sheet and returned to the reception ultrasonic probe. Image based on two reflected signals Generation was able to.
Thus, it is possible to improve the accuracy of the generated image by considering a plurality of propagation paths and selecting and limiting the target paths as described above.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a tandem multi-array flaw detector according to an embodiment of the present invention.
The tandem multi-array flaw detector 20 includes the tandem multi-array probe 10 shown in FIG. 1, a flaw detector 11 having a remote unit 12, and a computer 13 such as a personal computer that controls the flaw detector and displays the results. . The tandem multi-array probe 10 is installed on a steel plate 101 to be inspected via a coupling agent (for example, water).
[0017]
The flaw detector 11 switches the probes P1 to P15 constituting the tandem multi-array probe 10 to be a transmission probe. The flaw detector 11 generates a pulse signal and transmits the pulse signal to the transmission probe via the remote unit 12. Each of the probes P <b> 1 to P <b> 15 that is an ultrasonic probe includes a piezoelectric element inside, and transmits the ultrasonic wave into the steel plate 101 by vibrating the piezoelectric element by a pulse signal transmitted from the flaw detector 11.
The ultrasonic wave transmitted into the steel plate 101 is reflected by a defect or the like, and a part of the reflected sound wave is received by each of the probes P1 to P15 functioning as a receiving probe. The received sound wave is converted into an electrical signal by the piezoelectric elements in the probes P <b> 1 to P <b> 15, and is received by the flaw detector 11 via the remote unit 12.
The flaw detector 11 amplifies the received electrical signal, performs analog-digital conversion, and transmits the result to the computer 13. The computer 13 displays a measurement result based on the received signal.
[0018]
Hereinafter, an experimental result of obtaining a reflection signal scattered in a three-dimensional manner caused by a defect having a three-dimensional shape by the tandem multi-array probe 10 will be described.
FIG. 3 is a top view and a side view of the tandem multi-array probe 10 used in the experiment. Each probe is arranged as shown. In the experiment, an oblique angle probe having a transmission signal frequency of 5 MHz and a refraction angle (incident angle to the steel plate 10) of 65 ° is used as each probe. The selection of the frequency and the refraction angle of the transmission signal is not limited to these, and optimal values may be adopted as appropriate.
[0019]
FIG. 4 is a waveform diagram and a spectrum diagram of an ultrasonic pulse signal that is a transmission signal of each of the probes P1 to P15 used in the experiment. FIG. 5A is a diagram for explaining the spread characteristics of incident ultrasonic beams on the steel plates 101 of the probes P1 to P15. As shown in the figure, the position at which the highest echo level is obtained on the bottom surface of the steel plate 101 is obtained by measurement, and the spread characteristic is obtained by measuring a range 6 dB lower than the highest echo level. As a result, the spread of the incident beam of each of the probes P1 to P15 used in the experiment was about 8.0 ° in both the XY direction and the XZ direction.
FIG. 5B is a diagram for explaining the reception characteristics of the tandem multi-array probe 10 used in the experiment. As shown in the figure, another transmission probe 110 is installed separately from the tandem multi-array probe 10, and the echo level of the received signal is measured while the tandem multi-array probe 10 is tilted with respect to the transmission probe 110. The reception characteristics were obtained. As a result, the echo level dropped to 50% with an inclination of about 3 °, and the reception level became almost 0% with an inclination of 10 °.
[0020]
FIG. 6 is a diagram for explaining a specimen to be tested. The test body 121 is manufactured by manufacturing two steel plates 121 ′ in which an internal defect 105 is introduced into a 400 mm × 150 mm × 12 mm steel plate as shown in FIG. ) And then manufactured.
FIG. 7 is a diagram showing the internal defect 105 introduced into the steel plate 121 ′. As shown in the figure, two types of internal defects were prepared: a spherical hole having a diameter of 6 mm and a cubic hole.
[0021]
Under the above conditions, the tandem multi-array probe 10 is arranged at the position shown in FIG. 8A on the test body 121 in which the internal defect 105 of the spherical hole shown in FIG. FIG. 9 shows an echo waveform received by a probe belonging to a different column from the transmission probe P6 with the child P6 as a transmission probe. FIGS. 9 (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), and (h) show probes P1, P3, P4, P5, P11, and P13, respectively. , P14 and P15 show the echo waveforms received, the vertical axis of the echo waveform diagram represents the echo level (%), and the horizontal axis represents the signal propagation distance (mm) corresponding to the time difference from the transmission time to the reception time. .
[0022]
As shown in the figure, echoes are received by these probes belonging to a different column from the transmission probe P6, so that the tandem multi-array probe 10 is three-dimensionally caused by a defect having a three-dimensional shape. It can be seen that a scattered reflected signal can be acquired. These three-dimensional scattered waves are echoes that have been missed by the conventional one-probe method, the tandem flaw detection method, and the flaw detection method described in Patent Document 1.
[0023]
FIG. 10 shows that the tandem multi-array probe 10 is arranged at the position shown in FIG. 8B on the test body 121 into which the internal defect 105 of the cubic hole shown in FIG. 7B is introduced under the same conditions. FIG. 8 is an echo waveform diagram in which the echo of the transmission probe P6 is received by the probe P3 while being gradually tilted. Similarly, the vertical axis of the echo waveform diagram represents the echo level (%), and the horizontal axis represents the signal propagation distance (mm) corresponding to the time difference from the transmission time to the reception time. Here, FIG. 10A shows the result when the tandem multi-array probe 10 is tested with the row direction (that is, the direction of the probes P1 to P5) parallel to the Y axis, and FIG. These are the results when the row direction of the tandem multi-array probe 10 is tested with an inclination of 5 ° with respect to the Y-axis.
[0024]
As can be seen from FIG. 10, when the row direction of the tandem multi-array probe 10 is parallel to the Y axis, echoes could not be acquired by the probe P3 belonging to a different column from the transmission probe P6. By tilting the multi-array probe 10, a very strong echo could be acquired. From this result, it is conceivable that the reception characteristics of the tandem multi-array probe 10 described above influence the acquisition of the three-dimensional scattered echo. As described above, the tandem multi-array flaw detection apparatus 20 according to the present invention uses the tandem multi-array probe 10 as two probes P1 to P15 so that the row direction or the column direction is oblique to the weld line direction. It is good also as arranging in a dimension.
[0025]
FIG. 11 shows the arrangement of the tandem multi-array probe 10 at the position shown in FIG. 8A on the specimen 121 in which the internal defect 105 of the spherical hole shown in FIG. FIG. 6 is an echo waveform diagram when the combination of the probe P6 and the probe P14 is switched to be a transmission / reception probe. Similarly, the vertical axis of the echo waveform diagram represents the echo level (%), and the horizontal axis represents the signal propagation distance (mm) corresponding to the time difference from the transmission time to the reception time.
FIG. 11A shows the result when the probe P6 is transmitted and the probe P14 is received. FIG. 11B shows the result when the probe P14 is transmitted and the probe P6 is transmitted. This is the result when receiving. As can be seen from FIG. 11, the transmission signal from the probe P6 is received by the probe P14, but the transmission signal from the opposite probe P14 is not received by the probe P6.
At this time, the tandem multi-array probe 10 was at a position where the signal incident point of the probe P6 was 27.5 mm from the defect. This is because the echo propagates from the probe P6 and the defect by a direct wave. The probe P14 and the defect are the positional relationship in which the echo is propagated by being reflected once on the bottom surface.
Since the ultrasonic wave propagating in the steel material has a higher signal attenuation along with the propagation distance, the transmission signal from the probe P14 is not received by the probe P6. . Therefore, from the results shown in FIG. 11, it is estimated that the attenuation due to the propagation distance depends on the distance from the transmission probe to the defect serving as the reflection source rather than the entire path of the ultrasonic beam. This result can be used for path pattern verification in the three-dimensional imaging described below.
[0026]
Hereinafter, a method for accurately reconstructing a defect image into a three-dimensional image by the tandem multi-array flaw detector 20 according to the present invention will be described. In order to image defects from data obtained from the tandem multi-array probe 10, the principle of aperture synthesis is used.
[0027]
The basic principle of aperture synthesis will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 12, it is assumed that there is a point reflection source at the point 105. Point x _i When an ultrasonic wave is transmitted / received at a position (i = 1, 2, 3,..., M), a reciprocating propagation path in the specimen until the ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic probe and the echo signal is received. The propagation delay time corresponding to _i (I = 1, 2, 3,..., M). The maximum value of these propagation delay times is τ _max And
Each point x _i The echo signal r obtained by _i (T) is as shown in FIG. Where τ _max = Τ _M Then, each echo signal r _i (T) for each (τ _max −τ _i The echo signal delayed by () is as shown in FIG. Since all the echo signals are aligned at the same time by this delay processing, the defect image can be amplified by adding the echo signals after the delay processing.
[0028]
In the three-dimensional image construction method using the tandem multi-array flaw detector 20 according to the present invention, a reconstruction area that is an area to be imaged is determined in advance. FIG. 14A is a diagram for explaining a reconstruction area 132 defined in the steel plate 101.
As shown in the figure, the reconstruction area 132 is defined as a voxel in the steel plate 101, and XYZ coordinate axes are set. Since the defect 105 cannot be imaged unless the defect 105 enters the reconstruction area 132, it is desirable that the reconstruction area is as wide as possible. However, reconstruction processing for constructing a three-dimensional image is performed in two dimensions. Since processing time and cost are much higher than in the case, it is desirable that the position and size of the reconstruction area can be changed.
[0029]
Next, as shown in FIG. 14B, the start point R1 (xini, yini, zini) of the reconstruction area is determined, and each point in the reconstruction area is determined by the following formula using this point as a starting point.
x (i) = xini + (i−1) × Δx (i = 1, 2,..., nx)
y (i) = yini + (i−1) × Δy (i = 1, 2,..., ny)
z (i) = zini + (i−1) × Δz (i = 1, 2,..., nz)
Here, Δx, Δy, and Δz are mesh intervals on the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively, and nx, ny, and nz are the number of mesh divisions in the reconstruction area on the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively. It is. That is, each point (x (i), y (i), z (i)) is set to the vertex of each mesh. The tandem multi-array flaw detection apparatus 20 according to the present invention performs aperture synthesis processing for each point (x (i), y (i), z (i)) determined in this way, and reconstructs a defect image serving as a reflection source. Constitute.
The starting point R1 (xini, yini, zini) can take any position in the steel plate 101. Thus, the reconstruction area is determined by determining the coordinates of R1.
[0030]
15 and 16 are explanatory diagrams of the propagation path of the ultrasonic beam assumed in the tandem multi-array flaw detector 20 according to the present invention. Ultrasonic echo has the property of being attenuated while propagating through steel. Therefore, when a strong echo is received, rather than assuming that the echo has propagated through a complicated path, the echo is most likely to arise from the positional relationship of the probe and defects at that time, i.e., through the shortest path. It is reasonable to assume that you have returned to the child. In the case of a three-dimensional space, the “most likely path pattern” is that the path from the transmission probe Pt to the defect 105 (one point having a reconstruction area) and the path reflected from the defect 105 to the reception probe Pr are on the same plane. A route that is inside is considered.
[0031]
In the three-dimensional aperture synthesis employed in the tandem multi-array flaw detector 20 according to the present invention, the bottom surface reflection is performed once each in the forward path (transmission probe Pt to defect 105) and the return path (defect 105 to reception probe Pr). 4 patterns shown in FIGS. 15 and 16 are assumed.
[0032]
In the path where the ultrasonic wave is reflected at the bottom surface, it is assumed that the bottom surface is specularly reflected. Considering the case where the bottom surface is reflected up to once each in the forward path and the backward path, the above-mentioned “most likely path pattern” is the transmission probe or the image position of the transmission probe (the bottom surface of the transmission probe). The path from one of the plane symmetry positions) to the defect location and the path from the defect location to either the reception probe or the image position of the reception probe (plane symmetry location with respect to the bottom surface of the reception probe) is the same plane You can think of a route that is inside.
[0033]
A path 1 shown in FIG. 15A is a path that directly reaches the reflection source 105 from the transmission probe Pt and returns directly to the reception probe Pr from the reflection source 105 that is a defect in the steel plate 101.
The path 2 shown in FIG. 15B is a path that is once reflected from the bottom surface of the transmission probe Pt, reaches the reflection source 105, and returns directly from the reflection source 105 to the reception probe Pr.
The path 3 shown in FIG. 16A is a path that directly reaches the reflection source 105 from the transmission probe Pt, is reflected once from the bottom surface of the reflection source 105, and returns to the reception probe Pr.
A path 4 shown in FIG. 16B is a path that is once reflected from the bottom surface of the transmission probe Pt and reaches the reflection source 105, and is once reflected from the bottom surface of the reflection source 105 and returns to the reception probe Pr.
[0034]
Respective propagation distances D1 to D4 in the paths 1 to 4 are given by the following equations.
[Expression 1]

Here, the coordinate of the transmission probe Pt is T (ptx, pty, ptz), the coordinate of the reception probe Pr is R (prx, pri, prz), the plate thickness of the steel plate 101 is T, and the reflection source The coordinates of (one point having a reconstruction area) 105 are R (x (i), y (i), z (i)).
[0035]
Therefore, if the received signal waveform obtained by the flaw detection is w (t), among the received signals received by the receiving probe, each mesh grid point R (x (i), y (i), z ( The reflection level h (x (i), y (i), z (i)) of the reflected echo component reflected in i)) and propagated through each of the paths 1 to 4 is expressed by the following equation. .
[Expression 2]

[0036]
Next, the path pattern is checked. That is, in consideration of the beam width and spread of the transmission beam and the reception beam, the propagation region of the beam is calculated by geometrically considering how the beam is spread according to the path. Then, the path is determined based on whether or not one point of the reconstruction area falls within the beam area. With reference to FIGS. 17 and 18, a method of path pattern verification will be described.
FIG. 17 is an explanatory diagram of route pattern verification regarding the route 1. When the reconstruction area point is in the hatched portion of the figure corresponding to the propagation range of the path 1, the path 1 in the positional relationship between the transmission probe, the reception probe, and the reconstruction area point at that time Route 1 is selected.
FIG. 18 is an explanatory diagram of route pattern verification regarding the route 2. Similarly to FIG. 17, when it also enters the hatched area in the figure corresponding to the propagation range of the path 2, the path 2 is further selected. Similarly, the

routes

3 and 4 are determined. A path that can be propagated in this way is checked and selected in advance, and the reflection level h ((i), y (i), z (i)) is calculated only for the selected path. The amount can be reduced and the image accuracy can be improved.
[0037]
Further, as described with reference to FIG. 8A, the attenuation due to the propagation distance may depend on the distance from the transmission probe to the defect serving as the reflection source, rather than the entire path of the ultrasonic beam. Therefore, in the above route verification, an additional verification process such as not selecting the route may be performed unless the propagation distance from the transmission probe to one point of the reconstruction area is within a predetermined distance. .
[0038]
FIG. 19 shows a flowchart of a three-dimensional aperture synthesis method executed by the computer 13 of the tandem multi-array flaw detector 20 according to the present invention.
In step S201, each of the probes P1 to Pmn is sequentially switched to be a transmission probe, and the reflected signals are received by all the probes P1 to Pmn, thereby acquiring mn × mn pieces of reflected echo data. Here, m is the number of rows of probes used in the tandem multi-array probe of the tandem multi-array flaw detector 20, and n is the number of columns.
[0039]
In step S203, the start point R (xini, yini, zini) of the reconstruction area 132 for which three-dimensional aperture synthesis is desired is input. In step S205, each point R (x (i), y (i),...) In the reconstruction area 132 is calculated from the input start point of the reconstruction area 132 and the range and mesh interval of the predetermined reconstruction area 132. Calculate the coordinates of z (i)).
[0040]
In step S207, the position of the tandem multi-array probe 10 is input. In step S207, the coordinate positions of the probes P1 to Pmn are calculated from the input position information of the tandem multi-array probe 10 and predetermined dimension data of the tandem multi-array probe 10.
[0041]
In step S211, one of the data acquired in S201 is selected. In step S213, one point R (x (i), y (i), z (i)) in the reconstruction area 132 is selected.
In step S215, from the positional relationship between the coordinates of the transmission / reception probe corresponding to the selected data and the coordinates of one point (x (i), y (i), z (i)) in the reconstruction area 132, The sound wave propagation path is set and checked as described above, and each path used for aperture synthesis processing is selected.
[0042]
In step S217, the amplitude value of the time delayed by the propagation time of each path calculated in the previous step is read from the measured reflected echo data, and the amplitude value read in step S219 is read at one point in the reconstruction area 132. Add to the amplitude value data. When there are a plurality of routes selected in step S215, the amplitude value of the time delayed by the propagation time for all the selected routes may be read and added to the amplitude value data.
By repeating the above steps S211 to S219 for all coordinates and all measurement data in the reconstruction area 132 (steps S221 and S223), the reception reflection of each probe P1 to P15 is performed for all coordinates in the reconstruction area 132. The signals are added and the aperture synthesis process ends (S225).
[0043]
20 to 23 show results of imaging the defect of the spherical hole φ6 shown in FIG. 7A by the tandem multi-array flaw detector 20 according to the present invention. FIG. 20 shows the imaging conditions used for reconstruction (the dimensional units in the figure are all mm). The reconstruction area is 12 mm, and the mesh interval is 0.2 mm, which is half or less of the wavelength of 0.5 mm.
21 and 22 are perspective views of the imaging result. As shown in the figure, a three-dimensional shape close to the upper quarter spherical surface of the spherical hole could be reconstructed. FIG. 23A shows the imaging result viewed from the upper surface of the steel plate 101, and FIG. 23B shows the imaging result viewed from the side. In the figure, the solid line represents the correct position of the spherical hole, and the dotted line represents the position of the spherical hole estimated from the imaging result. From this result, it can be seen that the position size of the reconstructed image is within an error range of about 1 mm.
[0044]
【The invention's effect】
The tandem multi-array flaw detection apparatus according to the present invention makes it possible to acquire echoes scattered in a three-dimensionally wide range caused by a defect having a three-dimensional shape or a planar defect existing at an oblique angle on the flaw detection surface. It is possible to prevent a defect that could not be detected from being overlooked.
Further, it becomes possible to detect and image a defect position, shape, size, and the like having a three-dimensional shape with high accuracy, thereby contributing to high accuracy of quantitative evaluation of the defect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view of a tandem multi-array flaw detector according to the present invention, and FIGS. 1B and 1C are top views thereof.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a tandem multi-array flaw detector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a top view and a side view of a tandem multi-array probe.
FIG. 4 is a waveform diagram and a spectrum diagram of an ultrasonic pulse signal of a probe.
5A is an explanatory diagram of a spread characteristic of an incident ultrasonic beam of a probe, and FIG. 5B is a diagram illustrating a reception characteristic of a tandem multi-array probe.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a specimen.
FIG. 7 is a diagram showing internal defects introduced into a steel plate.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an installation position of a tandem multi-array probe.
FIG. 9 is a waveform diagram of a received echo in a test body into which an internal defect of a spherical hole is introduced.
FIG. 10 is a waveform diagram of a received echo when the probe is tilted and received in a test body in which an internal defect of a cubic hole is introduced.
FIG. 11 is a waveform diagram of a received echo when a transmission / reception probe is switched and received in a test body in which an internal defect of a spherical hole is introduced.
FIG. 12 is a diagram illustrating the basic principle of aperture synthesis (part 1);
FIG. 13 is a diagram for explaining the basic principle of aperture synthesis (No. 2).
FIG. 14 is an explanatory diagram of a reconstruction area defined in a steel plate.
FIG. 15 is an explanatory diagram of assumed ultrasonic beam propagation paths (path 1 and path 2);
FIG. 16 is an explanatory diagram of assumed ultrasonic beam propagation paths (path 3 and path 4);
FIG. 17 is an explanatory diagram of route pattern verification (route 1);
FIG. 18 is an explanatory diagram (path 2) of path pattern verification;
FIG. 19 is a flowchart of a three-dimensional aperture synthesis method executed by the tandem multi-array flaw detector according to the present invention.
FIG. 20 is an explanatory diagram of imaging conditions used for reconstruction.
FIG. 21 is a perspective view (part 1) of the imaging result;
FIG. 22 is a perspective view (part 2) of the imaging result;
FIG. 23A is a top view of the imaging result, and FIG. 23B is a side view of the imaging result.
FIG. 24 is an explanatory diagram of a conventional tandem flaw detection method.
FIG. 25
It is a perspective view of the conventional tandem array flaw detector disclosed in Patent Document 1.
[Explanation of symbols]
10 ... Tandem multi-array probe
20 ... Tandem multi-array flaw detector
11 ... flaw detector
12 ... Remote part
13 ... Calculator
101 ... Specimen (steel plate)
105: Defect
132 ... reconstruction area
P1 to P15, Pr, Pt ... Probe

Claims

A plurality of ultrasonic probes arranged in a plane in the steel sheet top surface, transmits ultrasound signals into the steel plate from each of the ultrasonic probe is an ultrasonic signal reflected by the defects in the steel sheet In the tandem multi-array flaw detection apparatus that receives a reflected signal by the other ultrasonic probe and detects the defect in a predetermined inspection area in the steel plate ,
A plurality of the ultrasound probes are arranged in a matrix , and each of the ultrasound probes is arranged in a row and a column different from at least the ultrasound probe. receiving the ultrasonic waves transmitted from,
Calculating a propagation area of the ultrasonic signal propagating through these paths for a plurality of predetermined paths, and detecting the defect based on a reflected signal propagating through the path having the propagation area into which the inspection area enters ; Features an ultrasonic tandem multi-array flaw detector.

The plurality of predetermined paths include a first path that directly reaches a defect in the steel plate from a transmission ultrasonic probe and returns directly to the reception ultrasonic probe from the defect, and a bottom surface of the steel plate from the transmission ultrasonic probe. A second path which is reflected once and reaches a defect in the steel sheet and returns directly from the defect to the reception ultrasonic probe; and a direct path from the transmission ultrasonic probe to a defect in the steel sheet; A third path that is once reflected at the return to the receiving ultrasonic probe, and once reflected from the transmitting ultrasonic probe at the bottom surface of the steel plate to a defect in the steel plate, and once reflected at the bottom surface of the steel plate from the defect The ultrasonic tandem multi-array flaw detector according to claim 1, comprising at least two of the fourth paths returned to the reception ultrasonic probe .

The ultrasonic tandem multi-array flaw detection apparatus according to claim 1 , wherein a propagation area of the ultrasonic signal is calculated based on a known directivity of the ultrasonic probe .

Imaging means for sequentially switching the ultrasonic probe for transmitting ultrasonic waves and repeatedly receiving the reflected signal;
The ultrasonic tandem multi-array flaw detection apparatus according to claim 1, further comprising: an image generation unit configured to generate an image based on the received reflected signal .