JP3822587B2

JP3822587B2 - 超音波検査において光学測定器を使用する形状エコー判別方法及び形状エコー判別装置

Info

Publication number: JP3822587B2
Application number: JP2003312108A
Authority: JP
Inventors: 多加志平本; 一徳米持
Original assignee: 日本工業検査株式会社
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: JP2005077389A

Description

この発明は、非破壊検査における溶接継手の超音波探傷試験方法であって、特に溶接継手の形状により発生する形状エコーと欠陥エコーを判別し信頼性高く溶接継手の欠陥検出を行う超音波探傷試験方法である。

超音波探傷試験は、被検査材である溶接部の表面から超音波をその内部に送信し、被検査材の欠陥によって反射してくる超音波を検出して、反射エコーの大きさから欠陥の大きさを推定し、超音波を送信してから反射して戻ってくるまでの時間(ビーム路程と称する)から距離を測定する非破壊検査方法である。

超音波探傷試験方法では溶接継手の余盛形状により、超音波反射エコーが発生する事が知られている。この余盛形状により発生する超音波反射エコーを形状エコーと呼んでいる。超音波探傷試験において、欠陥による反射エコーと欠陥ではない形状エコーを正しく区別できない場合次のような結果となる。形状エコーを誤って欠陥ありと判定すると溶接部の欠陥部分を取り除き再度溶接しなおし、再度超音波探傷試験を行うことになり、不要な作業を繰り返すことになってしまい、作業工程の遅れや、無駄な費用がかかってしまう。欠陥エコーを形状エコーと誤って欠陥なしと判定すると欠陥を見逃す結果となり、後に重大な危険を招くことになる。

このように形状エコーと欠陥エコーを正しく判別できるか否かが超音波探傷試験方法の信頼性を向上させる上で重要な問題となっていた。

欠陥エコーと形状エコーとの判別を行うため、被検査材の表面に沿って超音波探触子を走査させ、反射源からのエコー検出を行い、超音波探触子の位置及び反射源までのビーム路程の測定を同時に行い、エコー検出位置毎に探触子位置の変化量とビーム路程の変化量とエコー高さの変化量をそれぞれ求め、求めたデータ中のエコー高さのピーク点が被検査材の検査対象領域内にあるかどうかで欠陥エコーと形状エコーを判別する方法がある。(例えば特許文献1)この方法は溶接継手の余盛形状が一定の場合には検査対象領域をあらかじめ設定することにより効果を発揮するが、余盛形状が一定でない場合、例えば溶接の中心ずれや余盛不足などの場合には形状エコーを欠陥エコーと判別してしまう可能性があり、検査対象領域を被検査材よりも小さく設定する必要があるため未検査領域が存在してしまう。

同様に溶接継手を挟んだ位置に2つの超音波探触子を配置させ、各々の超音波探触子から得られたビーム路程により反射源位置を計算し、反射源位置が重なっていれば欠陥エコーと判別し、重ならなければ形状エコーと判別する超音波探傷試験における判別方法もある。(例えば特許文献2)しかしながら、溶接時に余盛不足などのため溶接継手の両側にアンダーカットが発生していた場合には反射源位置が重ならず欠陥エコーを形状エコーと判定してしまう可能性があり、溶接余盛表面に凹凸が生じていた場合は反射源位置が重なり形状エコーを欠陥エコーと判定してしまう可能性があった。

超音波検査にカメラなどを組み合わせている例としては、カメラを外観検査すなわち目視検査として用いている装置（例えば特許文献3）や、カメラ画像によって剥離の検査を大まかに行い詳細な検査を超音波で行う方法(例えば特許文献4)などがある。いずれの場合もカメラを超音波探傷試験において問題となっている形状エコーを判別する目的として用いてはいない。
特開平7-49338号公報特開2002-267638号公報特開平11-304772号公報特開2003-121424号公報

溶接継手の超音波探傷試験方法においては、溶接継手の余盛部表面に生じる凹凸や余盛部の起伏形状や被溶接材料の目違い等の溶接部形状により超音波が反射され、溶接継手内部に超音波の反射源があるように振舞う超音波反射エコーが発生し、この超音波反射エコーを形状エコーと呼んでいる。超音波探傷試験方法において被検査材の探傷面及び探傷面裏側(裏面と称する)にある溶接継手の溶接部形状によって発生する形状エコーと欠陥エコーとを判別する方法において、正しく判別できない場合があり、超音波探傷試験の信頼性を下げる原因となっていた。

超音波探傷試験方法において欠陥エコーと形状エコーを判別する場合に超音波探傷試験を行う探傷面及び裏面における溶接継手の溶接部形状による影響が大きいため超音波探傷試験を行う時に溶接部形状を計測し、超音波反射エコーに対する超音波ビーム広がりを考慮した反射源位置の算出座標範囲内に、形状計測結果である表面形状に超音波反射エコー反射源の原因となる表面形状の有無を超音波探傷試験結果に加えて判定することにより、従来誤判定してしまう可能性があった場合を回避できることを発見した。溶接部形状を計測するため、超音波探傷試験に探傷面及び裏面の形状測定を目的とした光学測定装置を組み合わせたことにより、形状エコーと欠陥エコーを正しく判別できるようになった。

従来の方法として特許文献1に記載されているように、溶接継手の余盛部付近を意図的に検査対象外とさせて検査領域を縮小する方法により形状エコーそのものを検査データとして採用しない方法がとられていたため、形状エコーの発生し易い部分にある欠陥が未検査となっていた。本発明によれば、形状エコーの発生する部分も検査対象領域として超音波探傷結果として記録し、その後形状エコーであるものを取り除く方法であるため、未検査領域がなくなる。特許文献2に記載の方法では溶接線を挟んで対向する2つの超音波探触子による検査データが必要であるが、本発明では障害物などがあり片側からの検査でも形状エコーを判別することができる。上記2つの従来方法では反射エコーを形状エコーと判定した原因となる形状を特定して証明することができないが、本発明では形状計測データを記録することにより形状エコーと判断した証明を残すことができる。二次的な効果として開先がそのまま残っているような場合の超音波探傷試験方法が不得意とする大きな溶接不良(例えば溶け落ち)を光学的に発見することができる。以上のことから超音波探傷試験の信頼性を大きく向上することができた。

従来超音波探傷試験方法にとって判定が不得意だった溶接の場合を図1を使って詳細に説明する。

図1-1のルート割れについては、溶接余盛と被溶接材料との境界面から被溶接材料に向かって発生するため、超音波探傷試験方法では得られる反射エコーの反射源位置が境界面付近の座標となることが多く、溶接余盛止端部で発生し易い形状エコーと区別しにくい。しかしながら溶接裏面から形状を計測することにより反射源位置に割れが発生しているか判別できるため、反射エコーが内部欠陥エコーであると判定できるようになる。

図1-2の溶け込み不良については、超音波探傷試験方法では余盛形状エコーと反射源位置が非常に近いものとなり、形状エコーと欠陥エコーの判別が難しい。しかし裏面より形状計測することにより溶け込み不良を発見することは非常に容易なため反射エコーを表面欠陥エコーと判定ができる。

図1-3の目違い溶け込み不良については、超音波探傷試験では溶接線に対して片側からの反射エコーとなり、特許文献2の方法では両側から反射エコーが得られず形状エコーと判定してしまう。裏面から形状計測することにより容易に欠陥を発見することができ反射エコーを表面欠陥エコーと判定することができる。

図1-4の溶け落ちについては溶接不良とされるべきであるが、超音波探傷試験では反射源が滑らかなために非常に小さい反射エコーとなってしまい、超音波探傷試験の結果は過小評価となってしまうことがありえるが、裏面より形状計測を行うことにより容易に発見することができ、表面欠陥エコーと判定することができる。

図1-5の目違い裏ビードについては、目違い量が小さい場合は通常欠陥と判定しない。超音波探傷試験では図に示すように反射エコーが得られ、超音波探傷試験のみでは溶け込み不良と区別しにくいが、裏面より形状計測を行うことにより溶け込み不良が発生していなければ反射エコーを形状エコーと判定することができる。形状計測により目違い量を計測することもできる。

図1-6の凸ビードについては、溶接強度上問題はないので欠陥とはならない。超音波探傷試験では反射エコーが得られるが、裏面より形状計測を行うことにより容易に形状エコーと判定することができる。凸ビードがあまりに高く製品稼働時（高圧配管など）に支障をきたす場合は削る必要があるが、超音波探傷試験では凸ビードの高さ測定ができないが、形状計測により高さ計測を行うことができる。

図1-7の角変形裏ビードは、溶接強度不足ではないので通常欠陥とはされない。超音波探傷試験では目違い裏ビードと同様にルート部からの反射エコーが得られるが、表面及び裏面より形状計測することにより容易に形状エコーと判定することができる。形状計測により角変形の角度を計測することができる。

以上説明したように超音波探傷試験方法による裏面の形状エコー判別方法を説明したが、探傷面側の超音波探傷試験方法においても超音波を被検査材の裏面で1回反射させて測定を行うため、探傷面においても裏面と同様の方法を用いることができる。

このように超音波探傷試験方法に加えて、探傷面及び裏面から光学測定器としてカメラやレーザー形状計測器を使用して溶接部の表面形状計測を行うことにより、超音波探傷試験方法の信頼性を向上することができる。

超音波探傷装置に自動超音波探傷装置を使用し、光学測定装置としてCCDカメラとレーザー形状計測を使用し、検査対象として曲管を含んだ鋼管の周方向突合せ溶接継手に本発明を適用した。図2に概念図を示す。Xレール209を溶接ビードと平行に吸盤又は磁石で固定する。Xレール上に自動超音波探傷装置によってコントロールされるXYスキャナー208を取り付け、Yレール210と超音波探触子207を設置する。次に配管上部から挿入機構部216をケーブル213で吊り下げCCDカメラ201で所定の位置に到達するまで下ろし、固定脚204で配管内部に固定する。CCDカメラと形状計測センサー200とランプ202をセンサーユニット押出器205によって接触子203が配管内面に接触するまで移動させる。形状計測センサーとしてオムロン社製のラインレーザー方式の形状測定装置を使用した。この形状測定装置は表面凹凸をリアルタイムに表示が行える装置であり、計測結果をコンピューターに取り込むことができる。検査開始時に超音波探触子とセンサーユニットのX座標位置合わせを行い、検査を開始させる。検査中はXYスキャナーの動きに同期するようにコントローラー211により制御されるため、常に超音波探触子で検査している場所をCCDカメラと形状計測センサーで計測できる。

装置の構成を図3のブロック図を使って説明する。コンピューターによって自動超音波探傷装置と画像取り込み装置と形状計測センサーコントローラーが制御される。自動超音波探傷装置はXYスキャナーを制御して超音波探触子をスキャンさせ超音波探傷試験を行う。画像取り込み装置は常にCCDカメラの画像をコンピューターに送信しておりコンピューターは必要に応じて記録することができる。形状計測センサーコントローラーはラインレーザー方式の形状計測センサーのデータを読み込み、監視面の凹凸を常に液晶画面に表示しており、コンピューターからデータの要求があると凹凸情報のデータを送信する。

装置の動作を図4のフローチャートを使って詳細に説明する。コンピューターによって自動超音波探傷装置が制御され、超音波探傷試験が行われる。超音波探傷試験中に超音波探触子にて超音波反射エコーがあると、自動超音波探傷装置から超音波反射エコーの情報として超音波探触子の位置とビーム路程とエコー高さがコンピューターに送信される。コンピューターによって超音波探触子の位置と超音波の入射角とビーム路程から超音波反射エコーの反射源位置が計算される。反射エコーがあると画像取り込み装置を使用してCCDカメラの画像をコンピューターに記録する。形状計測センサーの計測結果をコンピューターに収録し断面座標に変換する。反射エコー情報より計算された反射源位置は断面座標に変換される。コンピューターは反射エコー座標と形状計測結果座標を比較し、反射エコーに対応した表面形状が存在しない場合は内部欠陥エコーと判定する。反射エコーに対応した表面形状が存在する場合は形状計測結果と比較して欠陥となる表面凹凸が存在していれば表面欠陥エコーと判定する。内部欠陥及び表面欠陥が存在していない場合は形状エコーと判定する。

以上説明した装置を使用することにより、図1-1~図1-7において説明した溶接継手の表面形状について自動超音波探傷装置が形状エコーと欠陥エコーを正しく判別できるようになり、超音波探傷において正確に反射エコーが欠陥によるものか判別できるようになり、反射エコーに対応した溶接継手の画像と形状を記録することにより形状によるものかどうか判定を行った記録を残すことができるようになり、超音波探傷試験方法の信頼性が著しく向上した。

超音波探傷装置に自動超音波探傷装置を使用し、光学測定装置としてCCDカメラ500を使用した。図5に検査対象として鋼管の周方向突合せ溶接継手に適用した場合の概念図を示す。この装置では直管を連結していく工事のときに順次超音波探傷試験を行う場合に適しており、実施例1よりも簡易に低コストで実施できる。自動超音波探傷装置によりコントロールされるXYスキャナー505を溶接継手付近に設置したXレール506上に設置し、CCDカメラとライト501を取り付ける連動アーム502をスキャナーから鋼管内部に回りこみ溶接継手の裏側を撮影できるように設置する。連動アームのぶれを防止するため軸受け503で連動アームを支える。この時スキャナーはY方向の走査機構ごとX座標を移動するようになっているので、スキャナーに連動アームを取り付けることにより、超音波探触子とX座標は常に一致するようになっている。CCDカメラによって撮影される画像は画像解析装置にケーブル接続されている。図6に装置のブロック図を示す。自動超音波探傷装置はXYスキャナーをコントロールして超音波探触子を走査させる。超音波探触子からの反射エコーは超音波探傷器でビーム路程計測を行い、エコー高さとビーム路程をコンピューターに送信する。コンピューターは画像解析装置に画像記録要求と画像解析要求を行う。画像解析装置は画像をデータファイルに変換してコンピューターに送信し、画像解析結果として断面状にしたデータをコンピューターに送信する。

上記の装置の詳細な動作を図7のフローチャートを使って説明する。超音波探傷を行っている時、超音波探触子から反射エコーがあると自動超音波探傷装置によりXYスキャナーの座標と反射エコーのビーム路程及び超音波の入射角から反射エコーの反射源位置が計算される。同時に自動超音波探傷装置より反射エコーがあった信号が画像解析装置に送信され、画像解析装置がCCDカメラの信号を取り込みX座標と画像をコンピューターに送信及び記録し画像解析を行う。溶接継手の表面形状すなわちルート割れ、溶け込み不良、目違い溶け込み不良、目違い裏ビード、角変形裏ビード、凸ビード、溶け落ち、ビード表面凹凸などの存在を画像解析する。画像解析装置により溶接継手の断面画像を作成し、結果をコンピューターに送信する。コンピューターは、反射エコーの反射源位置と画像解析装置の断面画像を比較し、反射エコーの反射源位置に対応する溶接継手表面形状が存在しているかどうかを判定する。溶接継手表面に超音波反射エコーの反射源となる表面形状が存在していなければ内部欠陥エコーと判定する。内部欠陥エコーと判定された場合に計測された溶接継手の余盛形状から欠陥エコー位置の再計算及び反射源位置の再計算を行い欠陥位置の精度を向上させる。溶接継手表面に反射源となる形状が存在し、反射源位置が被溶接材料の表面より内側に入り込んでいる場合は表面欠陥エコーと判定する。内部欠陥及び表面欠陥が存在していない場合は形状エコーと判定する。このような実施方法でも実施例1と同様の結果が得られた。

図8に平板突合せ溶接部に手探傷で超音波探傷試験を行う場合の概略図を示す。溶接継手部から一定距離はなれたところに溶接線と平行になるようにXYスキャナーの超音波探傷用Xレール806を固定する。超音波探傷用Xレールと被検査材を挟んで平行にセンサー移動用Xレール805を固定する。2つのXレールは磁石又は吸盤で固定される。センサー移動用レール上をCCDカメラ801と形状計測センサー800と光源802が取り付けられたセンサーユニットが移動できるようになっている。超音波探傷用Xレール上に取り付けられた支持ガイドによりYレール807が支えられ、Yレールの先端に取り付けられた超音波探触子803はX方向Y方向ともにレール可動範囲内を動くことができる。超音波探傷用Xレールの反対側の端にあるローラーとセンサー移動用Xレールの端にあるローラーの間に張られたベルトによってセンサーユニットは超音波探傷用Xレール上に取り付けられたYレールの支持ガイドと結合され、超音波探触子がX座標を移動すると同期してセンサーユニットがセンサー移動用Xレール上を移動するようになっており、常に超音波探触子のX座標とセンサーユニットのX座標が一致するようになっている。Yレールに半固定されている超音波探触子の超音波送信方向は溶接線に対して常に一定角に入射するようになっている。上記のような器具を使用することにより人間が溶接部の超音波探傷を行う反対側の溶接継手余盛形状を目視確認できない時であっても容易に超音波検査を行っている場所のCCDカメラの画像とレーザーの形状計測結果を表示器により確認することができるため、実施例1と同様の結果を得ることができる。平板突合せ溶接の超音波探傷試験において手探傷でなく自動超音波探傷装置を用いてもよい。

従来の超音波探傷試験のみによる非破壊検査よりもコスト増にはなるが、原子力プラントなどの高い信頼性を求められる分野において本発明は有効である。

溶接の種類についての説明図実施例1の曲管突合せ溶接へ自動超音波探傷装置適応の概念図実施例1の装置ブロック図実施例1のフローチャート実施例2の直管突合せ溶接へ自動超音波探傷装置適応の概念図実施例2の装置ブロック図実施例2のフローチャート平板突合せ溶接に手探傷行う場合の適応概念図

符号の説明

200：形状計測センサー（オムロン：型Z500-SW17）
201：ＣＣＤカメラ
202：ランプ
203：接触子
204：固定脚（シリンダ＋パット）
205：センサー押出器
206：回転駆動部
207：超音波探触子
208：ＸＹスキャナー
209：Ｘレール（θレール）
210：Ｙレール
211：コントローラー
212：リモコン
213：ケーブル
214：被溶接材
215：溶接ビード
216：挿入機構
500：ＣＣＤカメラ
501：ランプ
502：連動アーム
503：軸受け
504：超音波探触子
505：ＸＹスキャナー
506：Ｘレール（θレール）
507：Ｙレール
800：形状計測センサー（オムロン：型Z500-SW17）
801：ＣＣＤカメラ
802：ランプ
803：超音波探触子
804：Ｘレール固定脚
805：Ｘレール（超音波探傷用）
806：Ｘレール（形状計測用）
807：Ｙレール

Claims

非破壊検査における溶接継手の超音波探傷試験において、超音波探触子から超音波ビームを発して上記溶接継手を斜角探傷する場合に得られた超音波反射エコーに対する超音波ビーム広がりを考慮した反射源位置の算出座標範囲と、被検査材の超音波探傷面及び探傷面裏側に対して光学測定器を用いて得られた上記溶接継手の表面形状とを比較し、超音波反射エコーに対する超音波ビーム広がりを考慮した反射源位置の算出座標範囲内に、光学測定による表面形状に超音波反射エコー反射源の原因となる表面形状が存在しない場合に内部欠陥と判定し、表面形状に欠陥が存在する場合に表面欠陥と判定し、内部欠陥及び表面欠陥が存在していない場合に上記反射エコーを形状エコーと判定することを特徴とする形状エコー判別方法。
請求項1において光学測定器がカメラである形状エコー判別方法。
請求項１において光学測定器がレーザー形状計測装置である形状エコー判別方法。
請求項１の形状エコー判別方法を用いて、超音波探傷試験装置に、溶接継手の形状計測を行う光学測定器として、カメラとカメラ画像を得るための光源、又はレーザー形状計測装置を有し、光学測定器の光学測定位置が超音波探傷位置と連動する機構部を有することを特徴とする形状エコー判別装置。
請求項4において超音波探傷装置に自動超音波探傷装置を用い、自動超音波探傷装置における超音波反射エコー情報に基づいて光学測定器を動作させ、記録することを特徴とする形状エコー判別装置。