JP3767777B2 - 円筒状形状部品の液浸超音波探傷検査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒状形状部品の液浸超音波探傷検査方法に関する。本発明は特に、航空学への適用における、チタンビレットなどのビレット体積における内部欠陥の探知に関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝播または反射で機能する超音波による多くの部品探傷検査装置が存在する。部品の超音波探傷検査は、部品の様々な深さにおける欠陥を探知するための複数の固定集束式の基本音響変換器を使用して、実施することができる。各変換器は、探傷検査すべき部品の所定の深さに集束された超音波束を放出する。変換器は、円筒状部品の表面から中央まで全体積を探傷検査できるようにする、深度の大きな焦点域を有する。
【０００３】
部品の超音波探傷検査もやはり、各変換器によって送出される信号に様々な遅延時間を適用して集束が得られる、多くの電子集束式変換器素子を含む音響プローブを使用して実施することができる。変換器網を源としてまたは受信機として使用して、部品の深度の画像を実現することに対する主な困難は、材料の微細構造における反射によるエコーが、欠陥に起因する起りうるエコーと比べて大きいこと、及びこれらのエコーが識別すべき欠陥エコーを覆い隠すことに由来する。この問題はさらに、部品が複雑な形状及び／または不均質な構造を有する場合に悪化し、これは特にチタンビレットの場合に起こる。
【０００４】
この問題を解決するには、時間反転とも言われる位相共役式超音波増幅と呼ばれる技術を使用することが知られている。この方法は、集束されていないかまたは僅かに集束された超音波束を送信し、また場所を突き止めるべき欠陥によって送られるエコーを受信した後に、このエコー信号を、その時間配分とその形状の時間反転の後に再放出することからなる。この方法の回転部品の超音波探傷検査への適用例が、フランス特許第２６９８１７０号に記載されている。この方法は、チタン部品などの不均質構造の部品における、起りうる欠陥上に最適の集束を実現することを可能にするが、超音波束の集束を実現するためには多くの時間を必要とするという大きな不都合があり、このことは、電子集束を使用する従来の方法と比べて、部品の探傷検査時間を大幅に増加させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、知られている超音波探傷検査法の不都合を改善し、チタンビレットなどの複雑な形状と内部構造とを有する部品の探傷検査を可能にする、液浸超音波探傷検査方法を実現して、部品の体積の探傷検査が、一定でできるだけ高い探知感度レベルにおいて最短時間で行われることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明による探傷検査方法は、部品中に集束された超音波を放出する多素子変換器を使用することからなり、集束は多回路制御電子装置を用いて２つの異なるモードに従って実施され、２つの異なるモードは、それぞれ電子集束モード及び時間反転による集束モードと呼ばれ、問題の解析ゾーンの深さに応じて選択される。
【０００７】
時間反転による集束モードは、円筒状部品の長軸の周りに位置する最も深い深さで場所を突き止められる中央ゾーンを探傷検査するために選ばれる。
【０００８】
電子集束モードは、円筒状部品の中央ゾーンと周辺ゾーンとの間に位置する深さで場所を突き止められる中間ゾーンを探傷検査するために選ばれる。
【０００９】
本発明によれば、中央縦軸を有する複雑な形状を有する部品の液浸超音波探傷検査法は、部品の回転中に、ビレットの様々な深さに位置する解析対象ゾーン中に集束される超音波を放出することからなり、集束は２つの異なる集束モードに従って多素子変換器を用いて実施され、解析対象ゾーンの深さに応じてどちらかが選択される。
【００１０】
本発明のその他の特徴と利点は、限定されない例として挙げ、添付の図面の関連して行う説明の後で明白になろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による、チタンビレットなどの回転部品の超音波による探傷検査装置の縦断面を示す。
【００１２】
この装置は、音響結合液を満たしたタンク１を有し、この液面は、オーバーフローシステム（図示せず）などによって一定に維持される。簡単にするために、供給管と排出管は省かれている。タンク１の内部には、探傷検査すべき部品２及び超音波変換器３が浸されている。駆動ローラ４が、軸ＸＸ’に沿って回転部品２の厳密なセンタリングを保証する。変換器３は、支持物６によって軸ＸＸ’に厳密に垂直に維持され、支持物６の特に高さがさらに調節可能になっている。その上、知られているように、この装置は、所定の角速度で部品２を回転させるための図示されていない手段、及び変換器を長手方向に移動させるための手段７、８を含む。
【００１３】
変換器３は、前に説明したような、ある型によって形成された圧電板で構成された多素子の送信／受信変換器である。
【００１４】
液浸タンク１の使用は多くの利点を有し、特に変換器と探傷検査対象部品との接触がないようにし、結合は、場合によっては油などの界面活性剤を加えた水によって保証される。しかしながら、この完全な液浸は本発明の範囲内では強制的なものではなく、探傷検査は、結合薄膜を使用して変換器を探傷検査対象部品に対して単に置くだけで、確実に行うことができる。
【００１５】
使用される測定原理は、超音波の列Ｅを放出し、これは探傷検査対象部品２を貫通し、探傷検査対象部品の厚み中に欠陥９が存在する場合には、一部Ｒが反射するということに基づく。連続する超音波列の放出周波数は、測定の反復周波数と呼ばれる。部品は回転しながら、回転部品２の探傷検査は連続して実施される。
【００１６】
探傷検査は、変換器３を少しずつ長手方向に移動させることにより、順次スライス毎に実施される。
【００１７】
図２は、探傷検査すべきビレットの一スライスの部分横断面図を示す。
【００１８】
各ビレットスライスは、異なるビレット深さに位置する環状リングに分割され、各環状リングはそれ自体また、規則的に区画された連続する扇形部に分割される。各扇形部は解析ゾーンを構成する。図２には６つの環状リングが示されている。第１環状リングは、ビレットの周辺ゾーンに該当するもので、これは、各々所定の深さに集束される小型の１つまたは複数の単要素変換器によって、知られているように探傷検査される。
【００１９】
続く２つの環状リングは、それぞれ平均深さＰ１、Ｐ２の中間ゾーンＦＥ１、ＦＥ２に該当する。最後の３つの環状リングは、それぞれ深さＰ３、Ｐ４、Ｐ５の最深ゾーンＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３に該当する。
【００２０】
ビレットの超音波探傷検査法は、部品中に集束される超音波を放出し、この集束を探傷検査対象部品のゾーンの深さに応じて選択される２つの異なるモードによって実施することからなる。
【００２１】
中間の深さＰ１、Ｐ２に位置するゾーンＦＥ１、ＦＥ２を探傷検査するためには、電子集束モードを使用する。さらに深いゾーンＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３を探傷検査するためには、時間反転による集束モードを使用する。
【００２２】
電子集束モードでは、集束は、変換器を構成する圧電板の各々に所定の時間遅延を与えることによって行われる。変換器は電子装置によって操作され、遅延は、モデル化ソフトウェアなどによって検査着手の前に決定される。遅延はまた、自動集束による校正の時の学習によっても得ることができ、自動集束は、探傷検査対象ビレットについて行われるべき最良の遅延則を決定するために基準欠陥を含む部品に適用された、自動集束モードまたは時間遅延モードで実施することができる。また遅延則を、回路に従って振幅変調することができる（１つの回路は１つの圧電板に接続されている）。
【００２３】
自動集束モードと時間反転モードとは、周囲媒質の音響インピーダンスとは異なる音響インピーダンスを示す欠陥について、自動集束を実施する方法である。自動集束モードにおいて行われる校正は、標準部品の解析ゾーンに向けて非集束超音波束を放出すること、及び問題の反射する基準欠陥に関連する時間遅延を推定するために、各回路において受信されたエコー信号の最大値を決定することからなる。こうして決定された遅延則は、標準反射物の深さのためにのみ、そして焦点スポット領域深さの限界においてのみ有効である。探傷検査対象部品のあらゆる深さをカバーする様々な深さに位置する標準反射物について、同じ操作を実施することが必要である。遅延則全体は記憶されて、部品の検査段階で使用される。
【００２４】
時間反転モードで実施される校正は、複数のステップを含んでいる。第１ステップは、非集束または僅かに集束された超音波束を、標準部品の最初の解析ゾーンに向けて放出することからなる。第２ステップは、基準欠陥と周囲媒質とによって送り返される第１エコー信号を受信すること、及び各圧電板にエコー信号の時間における形状と位置を記憶することからなり、第３ステップでは、これらの信号を同じ解析ゾーンに逆時間順に再放出し、受信される最後の信号は再放出される最初の信号である。最も強い反射率の欠陥エコーが、周囲媒質のエコーに対して増幅されるように、第２ステップと第３ステップを繰り返すことが可能である。次に、探知された基準欠陥の反射に対応する信号の最大値が決定され、基準欠陥に関連する時間遅延が推定される。自動集束のためと同様に、探傷検査対象部品のあらゆる厚さをカバーする様々な深さに位置する標準反射物について、同じ操作を実施することが必要である。この学習段階で得られた遅延則全体は記憶されて、部品の検査段階で使用される。
【００２５】
ビレットの最深ゾーンの探傷検査は時間反転モードですべて行われる。校正を行うための上記の探傷検査法を、標準部品をビレットに代えて、ビレットについて使用するか、またはその時、学習によって標準について得られた遅延則全体を、時間反転シーケンスのビレットへの第１発射として使用する。
【００２６】
電子集束モードにおける各超音波放出、または時間反転モードにおける連続３放出の各シーケンスが、ビレットの所定の扇形部中に集束され、集束点は、超音波伝播軸に沿って延びて中央部に円筒状の形を有する焦点スポットによって囲まれている。
【００２７】
焦点スポットの一例を図３に示す。周囲方向における２つの隣接扇形部の間のビレットのａで示された進行ピッチは、２つの隣接扇形部の照射に該当する焦点スポットの横断オーバーラップがあるように、焦点スポットのφｅｆｆｉｃａｃｅで示す有効直径よりも小さい。焦点スポットの有効直径は、その中央円筒形部分における、超音波伝播軸に垂直の中央平面に沿った、焦点スポットの最大直径として規定される。
【００２８】
例えば、進行ピッチを焦点スポットの直径の７０％に選択することができる。
【００２９】
検査される全体積において同じレベルの欠陥探知感度を維持するために、２つの放出の間、または２つの隣接扇形部における２つの放出シーケンスの間のビレットの進行ピッチは、検査される深さがどんなであってもほとんど同じである。
【００３０】
該当する扇形部α_ｐは、深さＰによって変わる。すなわち
【００３１】
【数１】

（ただしＲはビレットの半径である）。深度が増すと扇形部は増す。これは探傷検査される深度が増すと、必要な超音波放出の回数は減ることを意味する。
【００３２】
図４は、ビレットの様々なゾーンにおけるビレットスライスのための、超音波放出の経時記録の例である。
【００３３】
１つのビレットスライスは、ビレットのただ一回転の間に検査される。従って、１つのビレットスライスに該当する体積の探傷検査に必要な全ての超音波放出を、一回転で実施しなければならない。
【００３４】
ビレットの一回転について、放出される超音波の集束は、探傷検査すべきゾーンの深度に応じて、電子集束モードに従ってＦＥ１、ＦＥ２が行われるか、または時間反転モードに従ってＲＴ１、ＲＴ２、ＲＴ３が行われる。探傷検査すべきビレットスライスの全体積を最適にカバーするために、これら２つのモードが組み合わせて使用される。
【００３５】
この最適化は、一方では、複数の連続する放出が時間反転モードにおいて必要であることを考慮して、他方では、２つの連続する放出の間、または２つの連続する放出シーケンスの間の周囲方向におけるビレットの進行ピッチを考慮して実施される。
【００３６】
ビレットの一回転についての超音波放出回数ｎは、ビレットの回転速度ωと発射の反復周波数Ｆに関連する。
【００３７】
【数２】

時間反転モードは複数の連続放出（最も一般的には３放出）を必要とするので、各放出間で探傷検査されるゾーンの移動は限定されることが必要である。
【００３８】
この限定された移動に、１つの扇形部が対応する。
【００３９】
【数３】

図５は、本発明による多回路電子装置におけるｉ番目の変換器に接続された処理回路の原理概略図である。
【００４０】
各回路は、可能な２つの機能動作モードの１つを選択できるようにする切替スイッチ１０を含む。位置Ａは電子集束モードを選択しており、位置Ｂは時間反転モードを選択している。
【００４１】
電子集束モードでは、ｉ番目の変換器はパルス発生器１１からパルスを受け取る。放出されたパルスに加えられた遅延は、メモリ１２によって送られ、メモリ１２は内部クロック１４によって操作される。メモリ１２の内容は、遅延則がモデル化ソフトウェアによって理論的に決定されて、この場合に遅延はファイル１３中に保管されること、または遅延則が標準部品の欠陥への自動集束によって決定されて、この場合に遅延は学習によって得られ、アナログ／ディジタルコンバータ１５によってディジタル化され、そしてメモリ１６に保管されることに従って、２つの異なった方法で発生可能である。
【００４２】
時間反転モードでは、各回路はサンプルリング器１７を含み、このサンプルリング器１７は、タイミング器１８によって決定された時刻と、エコーが変換器の要素すべてによって受信されるために十分な持続時間Ｔの間隔中に、クロック１４の周波数で変換器ｉによって受信されるアナログ信号のサンプルを供給することを目的とする。サンプルリング器１７の次に、アナログ／ディジタルコンバータ１５が続く。エコーの動態を十分に示すためには、一般に８ビットの変換で十分である。持続時間Ｔの間に受信されるサンプルのすべてを保管するために十分な容量の待ち行列（後入れ先出し型）に構成されたメモリ１６中に、各々が１つのサンプルを表すバイト（オクテット）が記憶される。従って時間反転はこの持続時間Ｔについてのみ行われる。
【００４３】
タイミング器１８は、パルス発生器１１による励起の後に決定された時間の終りにサンプルリングの開始を引き起こすように準備されており、このような予測は、媒質における超音波の伝播速度の知識をもとにして実施することが容易である。
【００４４】
タイミング器１８はまた、エコー終了後の短い時間の後に、逆転波面の放出を引き起こすように準備されている。実際に、媒質も対象物の場所も往復の間に変更されないように短い（例えば数ミリ秒）ことが望ましい。逆転波面の放出を可能にするために、各回路２０は、ディジタル／アナログコンバータ１９と、これに続く利得の高い増幅器２１とを含む。増幅器２１の出力はそれぞれの変換器ｉに向かう。
【００４５】
図６は、本発明による多素子変換器の一例を示す図である。
【００４６】
１から１２１まで番号が付けられた変換器の素子は、マトリックスとして組織された圧電板である。マトリックスの部材は環状で扇形状である。１２１個の素子はほぼ同じ大きさである。変換器はビレットの中心ゾーンに予め集束されるように事前成形し、事前集束は、フェルマー（Ｆｅｒｍａｔ）の表面によって保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波探傷検査装置の概略縦断面図である。
【図２】本発明による探傷検査すべきビレットスライスの部分横断面図である。
【図３】部品の内部に集束する変換器の焦点スポットの一例を示す図である。
【図４】部品の様々なゾーンにおける、ビレットスライスのための超音波放出の経時記録の一例を示す図である。
【図５】本発明による多回路電子装置中の多素子変換器の一要素に接続された、処理回路の原理概略図である。
【図６】本発明による多素子変換器の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ タンク
２ 回転部品
３ 超音波変換器
４ 駆動ローラ
６ 支持物
７、８ 移動手段
９ 欠陥
１０ 切替スイッチ
１１ パルス発生器
１２ メモリ
１３ ファイル
１４ 内部クロック
１５ アナログ／ディジタルコンバータ
１６ メモリ
１７ サンプルリング器
１８ タイミング器
１９ ディジタル／アナログコンバータ
２０ 回路
２１ 増幅器
Ａ、Ｂ 切替スイッチの位置
ＦＥ 中間ゾーン
Ｐ 深さ
Ｒ ビレットの半径
ＲＴ 最深ゾーン

Claims (9)

1. 縦中央軸を有する複雑な形状の部品の液浸超音波探傷検査方法であって、
   部品の回転中に、部品の様々な深さに位置する解析対象ゾーン中に集束される超音波を単一の多素子超音波変換器を用いて放出することからなり、
   ２つの異なる集束モード、即ち、前記超音波を送信し、部品によって戻される前記超音波のエコーを受信した後に、この戻されたエコーが、その時間とその形状配分の時間反転の後に再放出されることにより、超音波の集束が行なわれる時間反転集束モードと、前記単一の多素子超音波変換器の異なる素子から放出される超音波に所定の時間遅延を与えることにより、超音波の集束が行われる電子集束モードとで動作する前記超音波変換器を用いて超音波を集束させ、
   解析対象ゾーンの深さに応じてどちらかのモードが選択され、
   縦中央軸の周りの円筒状部品の中心部に位置する中央ゾーンを探傷検査するには、前記時間反転集束モードが選ばれ、
   円筒状部品の中央ゾーンと周辺ゾーンとの間に位置する中間ゾーンを探傷検査するには、前記電子集束モードが選ばれ、
   探傷検査すべき部品の全体積を最適にカバーするために、時間反転集束モードと電子集束モードが、時間内で組み合わされて交互に使用されることを特徴とする方法。
2. 電子集束モードでは、前記単一の多素子超音波変換器の異なる素子から放出される様々な超音波に、所定の時間遅延を加えることによって集束が実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記時間遅延が、モデル化ソフトウェアによって予め決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記時間遅延が、様々な深さにある基準欠陥を含む標準部品に加えられる自動集束プロセスによって、校正時に予め決定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 自動集束プロセスが、標準部品の解析ゾーンに向けて非集束超音波束を放出すること、基準欠陥によって反射されたエコーを受信すること、受信したエコーの最大値と受信したエコーの最大値に関連する時間遅延とを検出すること、及びこれらの時間遅延を記憶することからなることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 自動集束プロセスが、基準欠陥を含む標準部品に加えられる時間反転集束モードを使用し、各解析ゾーンにおいて超音波信号の放出と受信との複数回の繰返しを必要とすることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 部品が連続するスライスごとに解析され、各スライスが環状リングに分割され、各環状リングは扇形部に分割され、各扇形部が１つの解析ゾーンを構成することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 各スライスが、部品の一回転中に解析されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 連続する２つの扇形部の解析が、解析ゾーンの深さがどうであれ、部品を所定のほぼ一定の角度だけ回転させることによって実施されることを特徴とする請求項７に記載の方法。

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