JP3761883B2

JP3761883B2 - 超音波探傷方法

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Publication number: JP3761883B2
Application number: JP2003386760A
Authority: JP
Inventors: 章梅国; 昌宏菅田; 靖昌宮内; 富一阿部; 晃三山本; 正紀神地
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-11-17
Also published as: JP2005147883A

Description

この発明は、薄鋼板溶接部の欠陥といった薄板材の欠陥を精度良く容易に検出可能な非破壊検査である、超音波探傷方法に関する。

一般の非破壊検査法には、超音波探傷方法が広く用いられている。この超音波探傷方法に利用される超音波が固体中を伝播する振動には、固体を構成する粒子が超音波の進行方向に動く縦波と、音の進行方向に対して垂直方向に振動する横波があり、さらに超音波の横波について見ると、固体表面に対して垂直に振動するＳＶ波と、固体表面に対して平行に振動するＳＨ波とがある。この表面に沿って進行するＳＨ波は、表面ＳＨ波と言い、探傷面から約１５°の広がりをもって進む剪断波である。

このＳＶ波による超音波探傷方法は、板厚６ｍｍ以上の鋼板における溶接部の超音波探傷に用いて精度よく探傷できることが知られている。このＳＶ波による超音波探傷方法は、ＪＩＳでは板厚６ｍｍ以上、日本建築学会では板厚９ｍｍ以上、アメリカ溶接協会では８ｍｍ以上の鋼板に適用できることになっているが、それ以下の板厚には適用できない。これは、ＳＶ波が３５度から７０度の屈折角を有する斜角探触子により、鋼板表面から横波超音波を入射し、その反射波を用い、欠陥の大きさを標準試験片や対比試験片との対比により測定するため、溶接部の幅に比べ、板厚が薄くなると入射した超音波が直接溶接部に届きにくくなって板表面での超音波の反射を利用するしかなくなり、精度が低下するためである。

また、薄鋼板溶接部の超音波探傷方法では、ＳＨ波を用いると板厚ｌｍｍの薄板まで直径０．５ｍｍの貫通縦穴を検出できるなど板厚６ｍｍ未満の溶接接合部でも精度の高い非破壊検査が可能であり、しかもＳＨ波のビームが薄板の裏面まで広がる性質があることが知られている。

従来の超音波表面ＳＨ波を利用した溶接部の欠陥の超音波探傷方法には、試験体表面に平行で進行方向に垂直に振動する横波よりなる超音波ビーム（パルス）を発生する探触子を試験体の外側表面に密着し、探触子から試験体表面に対し浅い角度で表面ＳＨ波を入射し、超音波表面ＳＨ波を試験体裏側の欠陥に到達せしめて試験体欠陥からの反射波を探触子又は別個の受信用探触子により検出し、溶接部の欠陥であるいわゆる溶込み不良による溝からのエコーと、いわゆるタレ込みによる余盛からのエコーではその強度が大きく異なることを利用して両者を明瞭に区別して検出する手段が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上述のような超音波探傷方法では、標準となる欠陥（貫通縦孔等の人工欠陥）が加工された標準試験片を用い、その欠陥から検出されるエコーを基準に、超音波探傷の検査基準が決定されている。

特に、ＳＨ波を用いた超音波探傷方法では、試験体表面の状態や板厚により検出されるエコーが大きな影響を受けるので、実際の構造物の表面と板厚に近い標準試験片の作成が必要となる。しかしながら、実際の構造物に用いられる鋼板に、その都度、人工欠陥を加工して標準試験片とする場合には、試験片製作のリードタイムや加工コストが嵩み、不合理な点も多い。また、個別の標準試験片を作製せず、一般的な標準試験片、例えばＳＴＢ‐Ａ２試験片などでφ４×４を用いた場合には、表面や板厚などの影響により、欠陥の検出精度が低くなるという問題があり、超音波探傷方法で基準となる探傷感度を適切に設定するのが困難であった。
特開平９‐３１８６０５号公報

本発明は上述の事実を考慮し、種々の板厚に対応して欠陥を評価する際に、探傷感度を調整して種々の板厚に対応した有効な合否判定規準を設定可能とした超音波探傷方法を新たに提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の超音波探傷方法は、試験体の表面に密着して配置した探触子から、試験体表面に平行で進行方向に垂直に振動する横波よりなる超音波ビームを発射し、当該超音波ビームのエコーを検出して探傷する超音波探傷方法において、試験体の端面に向けて超音波ビームを発射しながら探触子を端面に接近又は離間させる操作をして、端面で反射された表面側のエッジエコーと、端面で反射された裏面側のコーナーエコーが同程度のエコー高さとみなされる位置を求め、この位置での端面から探触子までの距離を探傷距離とし、この位置で検出された試験体の端面で反射されたエコーの高さを探傷感度として設定して、欠陥の探傷を行うことを特徴とする。

上述の超音波探傷方法によれば、試験体の一部である端面を利用して探傷距離を決定すると共に探傷感度を設定できるので、試験体の板厚や表面状態が異なる毎に標準試験片を作製する必要がなくなるから種々の板厚に対応して欠陥を評価する作業を簡便にでき、しかもこのように設定された探傷感度を用いることにより、欠陥の大きさを正確に評価できる。

本発明の超音波探傷方法によれば、種々の板厚に対応して探傷感度を調整することにより有効な合否判定規準を設定できるから精度の高い非破壊検査が可能となり、試験体となる構造物の健全性を高めることができるという効果がある。さらに、本発明の超音波探傷方法は、比較的簡便な検査方法であるため検査コストの低減を図ることができるという効果がある。

本発明の超音波探傷方法に係わる実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係わる超音波探傷方法により、試験体の欠陥を検出する状態を示す要部の側面図である。図１に示すように、薄鋼板材である試験体１０の表面に超音波を送受信する探触子１２を、図示しない接触媒質を介して摺動自在に載置する。

この探触子１２は、試験体表面に平行で進行方向に垂直に振動する横波よりなる超音波パルス（ＳＨ波）を発生するための振動子を備える。この振動子には、例えば図４に示すように、水晶をＹカットした横波用圧電素子又はその他各種セラミックスよりなる圧電素子を、試験体１０への超音波の入射角を設定する楔１６に固着して構成することができる。

また、この探触子１２は、超音波を発射すると同時に超音波を受信可能に構成して用いる。なお、発信用の探触子と、これとは別個の受信用探触子との両者を用いるように構成してもよい。

この探触子１２を試験体１０の表面に密着させ超音波を効率よく伝達させるように介在させる接触媒質には、一般に用いられる粘稠液よりなる音響結合剤を利用することができる。この接触媒質は、探触子１２の底面に薄く塗布して試験体１０の表面に密着させるように使用し、探触子１２から発射された超音波を接触媒質（音響結合剤）の薄層を介してできるだけ効率よく試験体１０へ伝達させるよう作用する。

このように配置された探触子１２から発射された試験体１０の表面に対して平行に振動する横波の超音波ビームは、試験体１０の表面で屈折して、表面ＳＨ波のビームとなり、試験体１０内を表面から所定の広がり範囲（例えば約１５°の広がり範囲）をもって進行する横波として伝播する。

このように探触子１２から発射された表面ＳＨ波の超音波ビームは、試験体１０に溶接部の溶込み不良による欠陥、又は亀裂等の欠陥１８が存在すると、その表面ＳＨ波（超音波ビーム）の一部が欠陥１８で反射して、入射経路を逆に戻り、探触子１２に到達して検出される。

この探触子１２を用いた超音波探傷方法では、超音波ビーム発射からエコーの検出までの時間と、エコーの強度を図示しないオシロスコープ等の表示装置上に表示し、又は記録して読み取るように構成する。

次に、探触子１２から発射された表面ＳＨ波で、板厚が薄い試験体１０に対して、表面から裏面に至る試験体１０の肉厚方向の仮想断面上に生じた欠陥を探傷可能とする超音波探傷方法に係る、探傷感度を調整して設定する手段について説明する。

この超音波探傷方法では、図１に示すように、表面ＳＨ波を用いて、例えば試験体１０が板厚６ｍｍ以下の薄板鋼板における溶接部である場合に、その表面から裏面に渡って探傷を行う際に、人工欠陥を加工された標準試験片として利用する代わりに、実際に試験体１０となる薄板鋼板の端面エコーを基準感度として欠陥の大きさを評価する。

この超音波探傷方法では、試験体１０である薄板鋼板における溶接部の表面から裏面に渡って超音波ビームの広がりが板厚全体に及ぶように基準感度を設定する必要がある。この基準感度の設定は、試験体１０の端面１０Ａから探触子１２までの探傷距離Ｙを変更調整することにより行う。

この超音波探傷方法では、探傷距離Ｙの設定をするため図１に示すように、実際の被検査物である試験体１０の表面に接触媒質を介して探触子１２を探傷可能にセットした状態で、探触子１２から試験体１０の端面１０Ａに向けて超音波ビームを発射しながら、探触子１２を端面１０Ａに近づけたり、遠ざけたりする動作を行う。

この探傷距離Ｙの設定動作では、探触子１２を端面１０Ａに接近させ又は離間させる動作によって超音波ビームの広がりを調整し、探触子１２で検出される試験体１０の端面１０Ａ部分で反射される表面側のエッジエコーと、裏面側のコーナーエコーが同程度のエコー高さとみなされる位置で探触子１２の動作を停止し、このときの端面１０Ａから探触子１２までの距離を、探傷距離Ｙとし、このようにして得られた各板厚や表面状態ごとの端面エコーを、探傷感度として設定することにより、欠陥１８の大きさを推定可能とし、データ相互間の比較を可能とする。

例えば、探触子１２を求められた探傷距離Ｙの位置にセットして超音波ビームを発射し、オシロスコープ上に表示された端面１０Ａからの端面エコーの頂点の高さが１００％の目盛りに合うように、オシロスコープのゲインを調整する。また、予め、１００％の端面エコーに対して、欠陥１８を探傷した時のエコー高さが何％になったとき不合格とするかという合否の基準を定めておく。

なお、探傷距離Ｙを設定する作業は、試験体１０の板厚や表面状態ごとに標準試験片を作製する手間が省けるので非常に簡便であり、実際の試験体１０の端面１０Ａ（被検査物の端部）を、試験片に設けた表面から裏面に至る肉厚方向全体に生じた断面である欠陥として利用することで、容易に探傷感度の設定をするための作業である。

そして、この超音波探傷方法では、探触子１２から超音波ビームを一定間隔で発射してそのエコーを検出しつつ、探触子１２を試験体１０の表面上で例えば探傷の対象となる溶接線に沿って走査し、探触子１２から探傷距離Ｙの距離を置いた検出位置で観測されたエコーの大きさ等の検出データの表示を読み取り又は検出データの出力プリントを見て、欠陥１８に対する合否の基準に照らし、検出された欠陥１８の位置や大きさ等を考慮して、欠陥１８の合否の判定を行う。

この超音波探傷方法では、例えば図２に示すように、試験体１０の裏面に在る欠陥１８を、探触子１２から超音波ビームの発射方向に探傷距離Ｙの距離を置いた検出位置で観測することにより、欠陥１８の位置や大きさ等を検出し、評価する。

また、この超音波探傷方法では、例えば図３に示すように、試験体１０の表面に在る欠陥１８を、探触子１２から超音波ビームの発射方向に探傷距離Ｙの距離を置いた検出位置で観測することにより、欠陥１８の位置や大きさ等を検出し、評価する。

この超音波探傷方法では、例えば端面１０Ａを、肉厚方向全体に生じた断面である１００％の欠陥に相当するものと見て、端面１０Ａ部分で反射される表面側のエッジエコー高さ、及び裏面側のコーナーエコー高さを基準として用いることにより、実際の試験体１０に対して探触子１２が検出した欠陥１８の大きさを、より正確に評価できる。

また、この試験体１０における欠陥１８の評価では、試験体１０である溶接部を持つ薄板鋼板の用途に応じて、予め端面１０Ａの肉厚方向全体の断面を欠陥とみなし、すなわち肉厚方向にあたかも欠陥が貫通している状態のエコー高さを１００％としたときに、何％となる欠陥１８まで許容されるかといった基準を予め実験等の手段で定めておき、この基準（言い換えれば、端面１０Ａを、板厚方向に貫通している欠陥を１００％とした時の許容される欠陥のエコー高さを基準とする）と比較して合格又は不合格の評価を下すようにする。

次に、本発明の超音波探傷方法を用いて、具体的に欠陥を探傷可能であることを確認するための具体的な実験について説明する。

この実験では、試験体１０を板厚３．２ｍｍの鋼板とし、端面１０Ａから５１．２ｍｍの位置に探触子１２を配置して端面エコーを検出したところ、図５に示すように、表面側のエッジエコーと、裏面側のコーナーエコーとの、２つのピークが認められた。

また、試験体１０を板厚４．５ｍｍの鋼板とし、端面１０Ａから５０．２ｍｍの位置に探触子１２を配置して端面エコーを検出したところ、図６（Ａ）に示すように、表面側のエッジエコーＥ１と、裏面側のコーナーエコーＥ２のピークに顕著な差が生じている。

このため探触子１２を、端面１０Ａから約１０ｍｍ遠ざけ、端面から約６０ｍｍの位置に探触子１２を配置して端面エコーを検出したところ、図６（Ｂ）に示すように、表面側のエッジエコーＥ１と、裏面側のコーナーエコーＥ２との、２つの同程度のピークが認められた。

さらに、試験体１０を板厚６．０ｍｍの鋼板とし、端面１０Ａから５０．９ｍｍの位置に探触子１２を配置して端面エコーを検出したところ、図７（Ａ）に示すように、表面側のエッジエコーＥ１のみの１つのピークが検出されるだけであった。

そこで、探触子１２を、端面１０Ａから８０ｍｍ離れた位置に配置して端面エコーを検出したところ、図７（Ｂ）に示すように、超音波ビームの減衰が大き過ぎて明確に２つのピークは確認されない。

このことから、ここで用いた探触子１２に適した探傷距離Ｙは、試験体１０の板厚が３．２ｍｍのときに、探傷距離Ｙ＝５１．２ｍｍ、試験体１０の板厚が４．５ｍｍのときに探傷距離Ｙ＝６０ｍｍとなる。

よって、この超音波探傷方法では、超音波ビームの広がり角度は一定の角度ではなく試験体１０の表面状態や接触媒質の影響を受けるので、実際に、試験体１０の端面１０Ａを探触子１２で検出して、具体的に探傷距離Ｙを設定することにより、探触子１２から探傷距離Ｙだけ離間した検出位置における試験体１０の表面から裏面に至る肉厚方向の断面上に生じた欠陥（試験体１０の表面側に在る欠陥１８又は試験体１０の裏面側に在る欠陥１８を含む）を探傷可能とする。なお、この超音波探傷方法では、使用する探触子１２が発射する超音波の出力の相違や、探触子１２固有の特性によって、探傷可能な試験体１０の板厚も種々に変化する。

次に、人工欠陥を検出したときのエコー高さと欠陥深さに係わる具体的な実験について説明する。この実験では、探触子１２からＳＨ波を発射して検査するもので、図８に示すように、探傷距離Ｙを５０ｍｍと固定し、板厚ｔを、ｔ＝３．２ｍｍ、ｔ＝４．５ｍｍ、ｔ＝６．Ｏｍｍに設定した各試験体１０に、数水準の深さのスリットを加工したものに対して実験を行ったところ、図１１に示すような結果が得られた。

この結果から分かるように、探傷距離Ｙが適切な値となる板厚ｔ＝３．２ｍｍでは、欠陥１８の深さが深くなると大きなエコー高さを示し、欠陥１８の評価が十分可能であることが確認された。

また、板厚ｔ＝４．５ｍｍでは、前述のように適切な探傷距離ＹがＹ＝６０ｍｍであり、若干超音波ビームの広がりに問題があるため、エコー高さと欠陥深さの間に相関は認められるものの、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合に比べ感度が低くなっている。

さらに、板厚ｔ＝６ｍｍでは、図９に示すように欠陥１８の深さ２ｍｍ程度まではエコー高さに変化がなく、図１０に示すように欠陥１８の深さが３ｍｍとなってはじめてエコー高さに変化が見られる。これは図９に示すように、上記の探傷条件では超音波ビームの広がりが不足して、欠陥深さが３ｍｍを超えてはじめ、欠陥１８が超音波ビームの範囲に入ったことを示すものである。

また、上述の実験では、板厚ｔ＝４．５ｍｍ、好ましくは板厚ｔ＝３．２ｍｍ以下の試験体１０である薄板鋼板の溶接部に対して、この超音波探傷方法を適用することにより、精度の高い非破壊検査が可能であることが確認できた。よって、この超音波探傷方法で薄板鋼板の溶接部に対する精度の高い非破壊検査を行って、構造物の溶接部を適切に溶接すれぱ、構造物の健全性を高めることができる。しかも、この超音波探傷方法は、比較的簡便な検査方法であるため検査コストの低減が可能である。

なお、本超音波探傷方法を適用する探触子１２で板厚９ｍｍ以上の裏当て金ルート部の溶け込み不良などの表面欠陥の探傷する場合には、図１２に示すように、ＳＨ波が試験体の表面近傍を伝達するため、探傷面側に生じた表面近傍の欠陥を探知することとする。この場合には、探傷感度を、一般の標準試験片ＳＴＢ‐Ａ２を用い直径４ｍｍで深さ４ｍｍの孔を設けたもので設定し、探傷距離Ｙ＝４０ｍｍを５０％として、板厚や形状により補正を行うこととし、エコー高さが５０％を超えるものを欠陥として不合格と判断し、５０％以下のものを形状エコーとして合格と判断する。

本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、基準感度を設定する状態を示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、試験体の裏面側に在る欠陥を探傷する状態を示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、試験体の表面側に在る欠陥を探傷する状態を示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、探触子の振動子から試験体にＳＨ波を発射した状態を示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、基準感度を設定するため板厚３．２ｍｍの試験体で探傷距離Ｙを５１．２ｍｍとしたときの端面エコーを示す線図である。（Ａ）は、本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、基準感度を設定するため板厚４．５ｍｍの試験体で探傷距離Ｙを５０．２ｍｍとしたときの端面エコーを示す線図、（Ｂ）は、板厚４．５ｍｍの試験体で探傷距離Ｙを６０．０ｍｍとしたときの端面エコーを示す線図である。（Ａ）は、本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、基準感度の設定に関する比較例として、板厚６．０ｍｍの試験体で探傷距離Ｙを５０．９ｍｍとしたときの端面エコーを示す線図、（Ｂ）は、板厚６．０ｍｍの試験体で探傷距離Ｙを８０．０ｍｍとしたときの端面エコーを示す線図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、人工欠陥を検出したときのエコー高さと欠陥深さに係わる具体的な実験の設定を示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、実験で、板厚６ｍｍで、欠陥の深さ２ｍｍ程度までのとき、エコー高さに変化がないときの状態を示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、実験で、板厚６ｍｍで、欠陥の深さ３ｍｍ以上のとき、欠陥が超音波ビームの範囲に入ったことを示す概略説明図である。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、実験で、欠陥を検出したときのエコー高さと断面欠損率（欠陥深さ）との関係を示すグラフである。本発明の超音波探傷方法に関する実施の形態に係る、板厚の厚い試験体の表面側に在る欠陥だけを探傷する状態を示す概略説明図である。

符号の説明

１０試験体
１０Ａ端面
１２探触子
１４振動子
１６楔
１８欠陥

Claims

試験体の表面に密着して配置した探触子から、前記試験体表面に平行で進行方向に垂直に振動する横波よりなる超音波ビームを発射し、当該超音波ビームのエコーを検出して探傷する超音波探傷方法において、
前記試験体の端面に向けて超音波ビームを発射しながら前記探触子を前記端面に接近又は離間させる操作をして、前記端面で反射された表面側のエッジエコーと、前記端面で反射された裏面側のコーナーエコーが同程度のエコー高さとみなされる位置を求め、この位置での前記端面から前記探触子までの距離を探傷距離とし、この位置で検出された前記試験体の前記端面で反射されたエコーの高さを探傷感度として設定して、欠陥の探傷を行うことを特徴とする超音波探傷方法。