JP3788672B2 - 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、被検査体内部に存する気泡等空隙部の検出を行うための超音波探傷方法及び装置に関し、特に樹脂製で表面が曲面を有する被検査体に好適な超音波探傷方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面或いは曲面を有する被検査体に対し、非接触で内部に存する空隙等の欠陥検査を行う方法として超音波探傷方法がある。
例えば円柱状体の探傷を行う場合には、被検査体の長手方向に沿って探触子を移動可能とする機構を設け、さらに被検査体を自己の中心線を軸として回転可能な機構を設けることで、探傷を行うことが一般的に行われている。
また、例えば表面が楕円形の曲面を持つ被検査体の探傷を行う方法として、特開平６−１９４３４９号が開示されている。これは、探触子の最適な超音波発信方向は被検査体表面からの反射波が最大となる方向であるとし、走査する曲面に合わせて角度制御しようとするものである。即ち、まず走査の開始点及び終了点において被検査体表面からの反射波が最大となる探触子の角度を計測し、２点の既知の曲率と探触子角度の関係をもとに、走査する曲面に対する探触子角度を算出し、探触子の軌跡を求めるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超音波で内部欠陥を探傷する場合、表面からの反射波（表面エコー）をトリガとして所定探傷深さに相当する欠陥ゲートを作成し、この間で反射波（欠陥エコー）が検出されれば、そこに欠陥があると判断する方法をとることが多い。これに対して、前記従来技術においては、超音波入射角度は表面エコーのみに着目している。しかし内部の欠陥、特に線状欠陥のように一方向に長い欠陥は、必ずしも表面に平行に存するとは限らない。このため、欠陥の長軸方向と被検査体の測定面接線方向とがなす角が大きくなると、欠陥からの反射波が受信できない部分が生じ、その部分は欠陥ではないという間違った判断をしてしまうという問題がある。
【０００４】
さらに、従来開示されている超音波探傷技術においてはほとんどが被検査体が金属であり、被検査体が樹脂のものについての詳しい探傷条件を開示したものは見あたらない。樹脂は一般的に金属に比べ減衰率が大きく、内部深くまで検査を行うためには、減衰の影響が小さい低い周波数の超音波を使用する必要がある。しかしながら、検出分解能を上げるためには逆に超音波の周波数は高くする必要があり、欠陥の大きさや位置に応じた適切な超音波周波数領域を設定することが重要になる。
本発明はこれらの問題を解決すべく、長さを有し、被検査体の表面に対し角度を持った欠陥を、見逃すことなく検出することができる超音波探傷方法及び装置を提供することを目的としている。さらには、樹脂成形体内部の数ｍｍ程度の大きさの空隙を検出するのに最適な超音波探傷方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波探傷方法は、表面エコーをトリガとして所定探傷深さに相当する欠陥ゲートを作成し、この間で欠陥エコーを検出して欠陥検出を行う超音波探傷方法において、検査体表面と異なる角度をなす線状欠陥に対し、検査体表面と線状欠陥の両方からエコーを検出できるような超音波照射角度データを予め設定しておき、被検査体の形状データと検査対象欠陥が表面となす角度データとをもとに、超音波探触子を常に両方のエコーが得られるように姿勢制御しながら被検査体表面に沿って走査させることを特徴とし、被検査体が樹脂製の電気融着継手である場合、超音波照射角度データは、照射方向が表面の法線となす範囲が、検査対象欠陥と表面となす角度αに対して１／３α±（−１／３α＋７）になるように設定するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をガス配管等の継ぎ手として使用されるポリエチレン製の電気融着継手（以下ＥＦ継手と記す）を被検査体として、その内部空隙の探傷に適用した場合について説明する。なお、ＥＦ継手の代表的形状は、図１に示すように太鼓状の円筒形状をしており、その長手方向表面はＥＦ継手の中心軸線に対して０°から約±１５°の傾き部分を持っている。ＥＦ継手は成形で製造され、その成形条件にもよるが、内部に空隙が発生する場合中心軸線にほぼ平行なものが多い。即ち、空隙は中心軸に対して一定方向であっても、表面に傾きがあるため、表面と空隙との相対角度は一定にはならない。
【０００７】
図１に本発明の超音波探傷装置の主な構成を示す。
超音波探触子１、制御部２、超音波探傷器本体３、及び超音波探触子移動手段４よりなる。超音波探触子１は保持部５に軸止めされており、超音波探触子移動手段４により図中の直交座標のＸ、Ｚ軸方向に移動可能であるとともに、保持部５を中心にθ方向に回転可能になっている。Ｘ、Ｚ軸方向の移動部及びθ方向の回転部は、公知の手段を採用することで実現可能である。さらには、超音波探触子１は超音波探触子移動手段４によりＥＦ継手６の中心軸まわりに相対的に回転移動可能としている。本例では、ＥＦ継手６をテーブル７に中心軸が垂直になるように載置し回転させる方式としたが、ＥＦ継手を固定しその中心軸まわりに超音波探触子１を回転させる方法としてもよい。
【０００８】
制御部２は、検査するＥＦ継手６の高さ、外径、曲率等の表面形状データ、及び欠陥８がＥＦ継手６表面に対してなすであろう角度を入力する設定部と、前記設定部に入力したデータと予め設定した後述する許容法線偏差データをもとに超音波探触子１の移動経路及び走査中の超音波探触子の角度を算出する演算部を有する。また、超音波探触子１の感度等の超音波探傷器本体３のパラメータ設定等の制御も行う。さらに、超音波探傷器本体３を経由して超音波探触子１が検出した欠陥エコーデータと超音波探触子移動手段４の位置情報を収集し、欠陥検出場所を特定して合否判定を行うとともに、測定結果を２値化した２次元表示或いは３次元表示も行うことができるものである。
【０００９】
次に超音波探傷方法について説明する。
まず周波数について述べる。周波数は、ＥＦ継手材質の減衰程度や、表面と欠陥のなす角度の影響を考慮して決定する。
図２は減衰の影響を示す実験データである。ＥＦ継手と同じ材質のテストピースに表面からの距離が異なる直径３ｍｍの穴を人工的に開けた人工欠陥を作成し、これからの欠陥エコーの大きさを、表面と欠陥までの距離が４ｍｍの時の欠陥エコーの大きさを基準として評価（ｄＢ表示）したものである。例えば欠陥検出深さが１０ｍｍの場合、１ＭＨｚでは９５％程度（−0.5dB）にしか減衰しないが、２．２５ＭＨｚでは約５０％（−7dB）、５ＭＨｚでは約２５％（−14dB）にまで欠陥エコーの大きさは減衰してしまう。また欠陥検出深さが２５ｍｍ以上になると、周波数が５Ｍｈｚでは検出そのものが難しい。これからも、周波数が低い方が減衰の影響を受けにくくなり、より被検査体の表面から深い位置にある欠陥の検出が可能になることがわかる。
【００１０】
図３は表面と欠陥のなす角度の影響を示す実験データである。ＥＦ継手と同じ材質のテストピースに、直径３ｍｍで中心軸が表面に対して傾いている人工欠陥穴を形成し、表面に垂直に超音波を照射した時の欠陥エコーの大きさを、表面と人工欠陥穴が平行、即ち０°の時の欠陥エコーの大きさを基準として評価（ｄＢ表示）したものである。例えば人工欠陥穴が表面に対して１０°傾いた場合、表面と人工欠陥穴が平行なときを基準に考えると、欠陥エコーの大きさは１ＭＨｚでは約５０％（−7dB）に減少するが、２．２５ＭＨｚでは約２５％（−14dB）にまで減少してしまうことがわかる。これより、周波数が低い方が、表面と欠陥のなす角度が大きくなっても、欠陥エコーを確実に受信できることがわかる。
これより、樹脂品の表面からの深さ３０ｍｍ以内にある大きさ１ｍｍ以上の空隙部を検出しようとする場合、超音波の周波数は、０．５ＭＨｚ以上３ＭＨｚ以下が適しており、望ましくは超音波（０．５ＭＨｚ以上）であって、できるだけ周波数が低い（１ＭＨｚ以下）方がよい。実際に、周波数２．２５Ｍｈｚの探触子を用いて、樹脂品の表面からの深さ２５ｍｍにある２ｍｍの大きさのボイドを検出することができた。
【００１１】
次に、超音波の入射角について述べる。
本超音波探傷では、表面エコーをトリガとして欠陥ゲートを作成し、欠陥エコーのみを抽出する方法を採っており、、欠陥エコーと表面エコーの両方を検出しなくてはならない。前述したと同様に、ＥＦ継手と同じ材質で、直径３ｍｍで中心軸が表面と角度α（０、５、１０、１５°）傾いている人工欠陥穴を形成したテストピースを作成し、図４に示すようにテストピース表面に対し超音波探触子１（周波数２．２５Ｍｈｚ）を傾けていった時の法線偏差β°とエコー高さ（電圧値Ｖ）の関係を測定した。法線偏差とは、超音波が被検査体表面に入射する時の被検査体表面の法線となす角度であり、直交して入射する時が０°である。その測定結果を図５に示す。
【００１２】
図５において、安定して検出できるレベルとしてエコー高さ３Ｖを基準とすると、法線偏差が約±７°以内であれば、テストピース表面からの表面エコーを検出できることがわかる。
角度αなる人工欠陥穴からの欠陥エコーは、α＝０°のものはほぼ上記表面エコーと同様な傾向で検出されが、αが大きくなると欠陥エコーが検出できる法線偏差はグラフ上で右方（＋方向）にシフトしていく。これは人工欠陥穴の中心軸が超音波入射角と直交するように超音波探触子を傾ける方向である。
これより、表面エコーと欠陥エコー両方を検出するためには、表面エコーが検出できる法線偏差と欠陥エコーが検出できる法線偏差の両方を満足する法線偏差（許容法線偏差と呼ぶ）を設定することが重要である。本例ではα＝５°をなす人工欠陥穴では−３〜＋７°、α＝１０°をなす人工欠陥穴では０〜＋７°、α＝１５°をなす人工欠陥穴では＋２〜＋７°と、角度αが大きくなるほどその範囲は狭くなっている。
上記値を考察し、許容法線偏差の平均値(μ)と幅(ｗ)を角度αで表すと下記のように記すことができる。
μ＝１／３α、 ｗ＝−１／３α＋７
即ち、許容法線偏差＝μ±ｗ＝１／３α±（−１／３α＋７）として算出することができる。
なお、被検査体の材質、エコー検出レベル、超音波周波数等超音波探傷のシステムが異なれば、基本的な許容法線偏差は予め実験で求めることが望ましい。
以上のように、被検査体表面に対し傾いて存するような線状欠陥を連続した状態で検出するために、予めその傾きに応じた許容法線偏差を設定し、探傷のための走査時にはこれを参照して超音波探触子の姿勢を制御し、超音波の入射角を調整する。
【００１３】
実際の入射角の制御について説明する。
まず制御部２の設定部には、検出すべき欠陥が表面に対し角度α傾いているとした時、所定角度毎に、所定検査条件の下での実験で求めた許容法線偏差をテーブル形式等で収納しておく。例えば、図５に示すような５゜毎のαを有するテストピースからの実験を基にして、そのまま５゜毎の許容法線偏差として平均値と幅を収納する。実際の超音波探触子の姿勢制御に当たっては、このデータを検査システムに合わせて適宜加工・演算して用いてもよい。例えば前述した算出式を用いて、１゜毎のものに補正して、表面に対し欠陥角度が１゜変化する毎に超音波探触子の姿勢を変えるようにすることができる。
【００１４】
さらに制御部２の設定部には、ＥＦ継手の品種毎に、（１）その高さや外径、表面の曲率等のＥＦ継手形状データ、（２）欠陥が表面に対してなすであろう角度等の欠陥と表面の関係をＥＦ継手の異なった表面形状毎に設定した欠陥仕様データ、（３）超音波探触子の姿勢変換単位、とを入力する。例えば下記のようなものである。
（１）高さがＨ、外径がＤの円筒形状で、高さ方向上下端部の１／５は曲率Ｒの円弧で接線は中心軸に対して１５゜から０゜へと連続的に傾きが変わり、中間の３／５が中心軸に平行な直線である。
（２）欠陥は高さ方向全長にわたり中心軸に平行に出る。
（３）超音波探触子は、表面に対し欠陥方向が５゜変化する毎に姿勢修正する。
このようなデータの入力は、入力したデータをハードディスク等の記憶装置に保存することで１回だけ行えばよく、変更が生じたときに、変更箇所のみ変更できる。
演算部は、予め設定された走査経路とにもとづき、上記形状及び欠陥仕様データと許容法線偏差データを参照し、超音波探触子移動手段の座標系における超音波探触子の走査経路とその時の姿勢を算出決定する。探傷動作時には超音波探触子移動手段４に出力して超音波探触子１の位置制御を行いながら、超音波を被検査体に照射し超音波探傷を行う。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は以下の効果を有する。
（１）表面が曲面で、内部の線状欠陥となす角度が一定でないような被検査体に対しても適切な超音波探触子の姿勢をとることができ、連続した線状状態欠陥を見落とし部分無く検出できる。
（２）樹脂製品に対し、表面から３０ｍｍ程度までにある１ミリ以上の欠陥を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波探傷装置の構成の一例を示す概要図
【図２】周波数と検出深さの関係を示す図
【図３】周波数と欠陥の傾きの関係を示す図
【図４】 欠陥の傾きと超音波探触子角度の関係を示す図
【図５】法線偏差と受信エコーレベルの関係を示す図
【符号の説明】
１：超音波探触子、 ２：制御部、 ３：探傷器本体、 ４：探触子移動手段
５：保持部、 ６：被検査体（ＥＦ継手）、 ７：テーブル、 ８：欠陥

Claims (1)

1. 表面エコーをトリガとして所定探傷深さに相当する欠陥ゲートを作成し、この間で欠陥エコーを検出して欠陥検出を行う超音波探傷方法において、検査体表面と異なる角度をなす線状欠陥に対し、検査体表面と線状欠陥の両方からエコーを検出できるような超音波照射角度データを予め設定しておき、被検査体の形状データと検査対象欠陥が表面となす角度データとをもとに、超音波探触子を常に両方のエコーが得られるように姿勢制御しながら被検査体表面に沿って走査させることを特徴とする超音波探傷方法であって、前記被検査体は樹脂製の電気融着継手であり、超音波照射角度データは、照射方向が表面の法線となす範囲が、検査対象欠陥と表面となす角度αに対して１／３α±（−１／３α＋７）である超音波探傷方法。

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