JP3971952B2

JP3971952B2 - 鋼材の表面疵検出装置

Info

Publication number: JP3971952B2
Application number: JP2002131783A
Authority: JP
Inventors: 淳二西野; 裕嗣宮本; 三男吉田; 淳一藤沢; 佳年雄毛利
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2003322640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の表面疵検出装置に関し、特に、高感度の疵検出が可能な表面疵検出装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、棒鋼・線材の如き鋼材は種々の用途に使用されているが、用途によってはその表面疵の存在が問題とされる。例えば、自動車の足回り部品等のような重要保安部品の素材となる棒鋼・線材に、表面割れ等の表面欠陥が存在すると、重大な事故に繋がる危険性がある。このため自動車部品に最終的に加工される棒鋼・線材製品では表面疵検査を厳格に行う必要がある。
また、省エネルギー効果の面では自動車部品などの軽量化が指向されており、その結果、素材はより過酷な条件で使用されてきており、この点からも表面疵検査は益々厳しくなる傾向にある。
【０００３】
通常、棒鋼材の表面疵検査には漏洩磁束探傷方式が広く採用されている。この方式は、図５にも示す如く、磁化コイル１及び励磁ヨーク２により交流磁界で被検査材の棒鋼材３を磁気飽和に近い状態になるまで磁化し、割れ等の表面欠陥部分４から漏れる漏洩磁束５の垂直成分を感磁素子センサー６で検出する方法であり、センサーを棒鋼材の表面に沿って走査し、検出された電気信号によって疵の大きさを検知している。
上記の方式においては、より小さな欠陥まで検出可能とするため、励磁コイルの磁極材質の工夫や検出センサーの改良が図られおり、特に、センサーとして種々の磁気センサーが提案され実用化されている。その一例として最近、アモルファスワイヤーの磁気インピーダンス効果を利用した磁気感度に優れたＭＩセンサーが開発され、鋼板での疵検査に実験的に用いたことが報告されている（「先端技術展開試験制度’９７成果報告書」平成９年１０月１日〜平成１０年３月３１日、科学技術振興事業団、第４９頁〜５３頁）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＭＩセンサーでは、２本の平行なアモルファスワイヤーを被検査材（鋼板）に対して平行に配置しているため、この配置をそのまま棒鋼・線材の探傷に適用した場合、疵部分から漏洩した垂直磁束のみならず、磁化コイルから発生した、疵信号とは無関係の水平磁束をも検出してしまい、疵検出感度が大幅に低下する結果となり、探傷性能の向上にはつながらない。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、鋼材の表面疵検査に適用しても検出感度の大幅な向上が期待できる漏洩探傷方式の表面疵検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の要旨は次の通りである。
（１）被検査材の表層に励磁コイルにより交流磁束を流して疵部分から漏洩する磁束を磁気インピーダンス効果を利用したセンサーにより検出する鋼材の表面疵検出装置において、前記センサーは径が５μｍ〜５０μｍの２本の平行なアモルファスワイヤーから構成され、該２本の平行なアモルファスワイヤーを両者間の中心線が被検査材面に垂直であり、かつ両者の芯間距離が０．０５〜２．０ｍｍになるように配置し、アモルファスワイヤーの検出信号を取り出す被検査材面側の電線を、アモルファスワイヤーの直線状先端部の側面に接合するか、または、アモルファスワイヤーの先端部の一部を折り返し、該折り返された先端部に接合し、アモルファスワイヤーの先端面または折り返しにより形成した曲率先端部を電磁気的に露出して被検査材面に臨ませた主検出部と成し、アモルファスワイヤーの周囲は前記主検出部を除いて電磁気遮断材で包囲されていることを特徴とする鋼材の表面疵検出装置。
（２）被検査材として丸鋼を対象としたものであって、２本の平行なアモルファスワイヤーを該丸鋼の軸線と垂直な面内に配置すると共に、該丸鋼と螺旋状に相対移動して丸鋼の表面疵を検出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の鋼材の表面疵検出装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、被検査材である断面円形の棒鋼（丸鋼）３に対し本発明において磁気インピーダンス効果を利用したセンサーとして使用する２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂからなるセンサー７の配置状態を概略的に示すもので、該２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂは探傷方向（この場合棒鋼３の円周方向）に一定の間隔をおいて平行に配置されている。また、これら２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂは、丸鋼３の軸線と垂直な面内に配置すると共に、ワイヤーの両者間の中心線が丸鋼の表面に対し垂直になるように配置されており、これによって疵部分から漏洩する磁束の実質的に垂直成分のみを検出することになる。
磁気インピーダンス効果を利用したセンサーはアモルファスワイヤーの高周波通電による表皮効果でインピーダンスが外部磁界で高感度に変化する物理現象を用い、２本のアモルファスワイヤーを平行配置し、ワイヤーの差動信号を疵信号として活用したものである。
【０００８】
なお、探傷に際してはセンサー７を含むコイル、ヨーク部分の探傷部全体が棒鋼を中心にして円周方向に回動する（図５参照）と共に、棒鋼を軸方向に所定速度で移動させることによって連続的な棒鋼全表層の探傷を行う。勿論、探傷部と棒鋼が相対的に同様の動きを行うものであれば、探傷部及び棒鋼の移動はこれに限ることはなく、例えば探傷部を棒鋼軸方向に移動させ、棒鋼を軸回りに回動させてもよい。
また、センサー７には、図示していないが、漏洩磁束を電気信号として検出し、この電気信号によって疵の位置や大きさを検知するための信号処理部や、表示・記録装置、マーキング装置等が接続されている。
【０００９】
微小な疵では疵からの垂直方向の漏洩磁束も小さいため、励磁磁束密度を高くする必要がある。しかし、励磁磁束密度を高くすると、疵検出には関係しない水平磁束も大きくなる。従来の方式は、アモルファスワイヤーの直線部を被検査材の表面と平行に配置する方式のため、相対的に疵からの垂直方向の漏洩磁束よりも水平磁束の影響を大きく受けてしまい、検出性能を上げられない問題があった。
これに対し本方式は、水平磁束を実質的に検出することがないため、疵からの垂直方向の漏洩磁束を感度良く検出でき、微小な疵の検出性能を向上させることができる。
【００１０】
以下、図をもって本方式の具体的な構造例を説明する。
図２（ａ）に本発明において用いるセンサー７の具体的な構造例を示す。図２（ａ）は、２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂの中心線を含む平面で切断した場合の断面図である。２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂは、被検査材表面との垂直部を有し、その全周を樹脂モールド剤８を介して円周上の電磁気遮蔽材９（例えば、銅やアルミニウム）によって包囲されて、少なくとも被検査材の円周方向で完全に電磁気遮蔽されており、励磁コイルからの水平磁束の検出を抑制し、疵部からの垂直方向の漏洩磁束を検出するようになっている。また、２本のアモルファスワイヤーを平行に固定するため、磁気遮蔽材９との隙間は樹脂モールド剤８で充填されており、検出信号を取り出すための電線１１を銀ろう溶接１０で接続した構造である。
アモルファスワイヤー７ａ、７ｂの被検査材側の先端部１２は、被検査材に対して電磁気的に露出しており、これが漏洩磁束の主検出部としての機能を有する。先端部１２は、大気に露出しているか、所望の検出感度を得るリフトオフ量を確保するために障害とならない程度の厚みの例えば樹脂モールド剤の被膜で覆われていてもよい。
【００１１】
また、図２（ｂ）にセンサー７の具体的な構造例の他の例を示す。この例ではアモルファスワイヤー７ａ、７ｂの被検査材側の一定長さ範囲の端部を１８０°方向に折り曲げて電線１１を銀ろう１０で接合している。この折り曲げて形成した曲率先端部１２を、被検査材に対して電磁気的に露出させてこれを主検出部としている。それ以外は図２（ａ）のものと同様である。
【００１２】
さらに、本発明においては、アモルファスワイヤー間隔を適正に配置することで、より検出精度を向上させることができる。即ち、被検査材となる棒鋼や線材の場合、検出すべき疵の形態は、幅の狭い割れ疵が主体となる。この疵形態に合わせた最適なアモルファスワイヤー間の芯間距離としては、下記の範囲を維持することが必要である。
０．０５≦Ｗ＋Ｄ≦２．０（mm）
ただし、Ｗ：アモルファスワイヤー間隔Ｄ：アモルファスワイヤー径
Ｗ＋Ｄ（アモルファスワイヤー芯間距離）が２．０mm超になると、疵の幅が狭い割れ疵を検出するには間隔が大きすぎ、疵から漏洩する垂直磁束を２本のアモルファスワイヤーで同時に検出することが困難となり、検出感度が低下するので２．０mm以下とした。一方、Ｗ＋Ｄが狭すぎるとセンサーの製作が複雑となって実用的ではなくなることから、０．０５mm以上とした。
図３は図２（ａ）で示すセンサーを用い、アモルファスワイヤーの径を３０μｍ、垂直部の長さを７mmとし、棒鋼（３０mmφ）表面の深さ０．０５mmの割れ疵を検出した時の上記のＷ＋Ｄと検出感度（Ｓ／Ｎで表わす）との関係を調査した結果を示しており、Ｗ＋Ｄが２（mm）を超すと急激にＳ／Ｎが低下することが分かる。この点からもＷ＋Ｄの上限を２．０mmとしたことが適正であることが認められる。
【００１３】
また、センサー（アモルファスワイヤー）の径Ｄは、小さいほど幅の狭い割れ疵を検出する感度を向上させる。図４はアモルファスワイヤー径とＳ／Ｎの関係を示したもので（Ｗ＋Ｄ＝２ｍｍとした。アモルファスワイヤー径以外は図３の調査条件と同じ）、径が５０μｍを超えるとＳ／Ｎが低下しはじめることが分かる。なお、現在の加工技術ではアモルファスワイヤー径を５μｍ未満に加工することは困難であることから、アモルファスワイヤーの径Ｄは５μｍ〜５０μｍの範囲とする。
【００１４】
このように構成した本発明に係る表面疵検出装置にて実際の探傷を行う場合、２mm未満の間隔で平行に保持した２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂの先端を、棒鋼３の表層とそれぞれ等しい距離（この距離はできるだけ小さくすることが検出感度向上のためには好ましい）にセットし、棒鋼を励磁しながらワイヤーを棒鋼の円周方向に沿って走査すると共に棒鋼を直進させて探傷を実施する。本発明における２本のアモルファスワイヤー７ａ、７ｂは、欠陥位置にくると、一方で欠陥を検出し、他方で検出した健全部との差分から欠陥検出を行うことができる、差動的な使い方ができるため、欠陥検出精度の向上を図ることが可能である。
【００１５】
【実施例】
図２（ｂ）の方式におけるセンサーを用いて、実際の棒鋼材の探傷性能を評価するために、ひとつにアモルファスワイヤー径を３０μｍ、２本のアモルファスワイヤーの間隔を１．８mm、その垂直部のワイヤー長さを７mmとし、周囲を包囲する筒状の電磁気遮蔽材（材質はアルミニウム）で被覆した外径２．０mmのセンサー（これをセンサーＡ）、さらに、アモルファスワイヤー径を３０μｍ、２本のアモルファスワイヤーの間隔を２．０mm、その垂直部のワイヤー長さを７mmとし、周囲を包囲する筒状の電磁気遮蔽材（材質はアルミニウム）で被覆した外径２．０mmのセンサー（これをセンサーＢ）の２種類について、従来方式との比較試験を実施した。また、従来方式はアモルファスワイヤーの水平は一方式と図５に示す感磁素子センサー方式の２種類である。
【００１６】
［実施結果］
本発明に係わる２種類のセンサーと従来方式における２種類のセンサーとの検出性能比較は、外径φ３０mmとφ６０mmの棒鋼の自然疵（大きさは深さ０．０５〜０．１７mmの範囲）を対象に実施しており、その探傷結果例を表１に示す。表１は棒鋼材径と疵の大きさが検査条件であり、本発明方式と従来方式の数値が各々のセンサーでの検出Ｓ／Ｎ（倍）で、Ｓは信号電圧値、Ｎはノイズ電圧値である。検出性能はこの検出Ｓ／Ｎ（倍）が大きいほど優れており、本発明方式であるセンサーＡが最も優れた特性を示す。さらに、同様にセンサーＢは２本のアモルファスワイヤーの間隔を２．０mmとしており、センサーＡに比較すると性能が低下しているものの、従来方式に比べると大幅に性能が向上していることが分かる。
なお、図６は表１のＳ／Ｎを縦軸に、疵深さを横軸にとって各方式の検出性能を図で表したものであり、本発明方式のものが従来方式に比べＳ／Ｎが高く、検出性能が優れていることが明白である。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の疵検出装置によれば、検出感度及び欠陥検出精度が高く、棒鋼や線材等の鋼材の探傷に最適なものといえる。また、単にセンサー部分に２本のアモルファスワイヤーを配置するだけで、他は既存の探傷装置をそのまま用いることができるため、コスト的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための概略図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図である。
【図２】本発明において用いるセンサーの具体的な構造例を示す断面図である。
【図３】センサーを形成する２本のアモルファスワイヤーの間隔とＳ／Ｎの関係を示す図である。
【図４】アモルファスワイヤーの径とＳ／Ｎの関係を示す図である。
【図５】漏洩磁束探傷装置の概要を示す説明図である。
【図６】表１の検出性能結果を疵深さとＳ／Ｎとの関係で表した図である。
【符号の説明】
１励磁コイル２励磁ヨーク
３被検査材（棒鋼）４疵
５漏洩磁束６センサー
７センサー７ａ，７ｂアモルファスワイヤー
８樹脂モールド剤９電磁気遮蔽材
１０銀ろう溶接部１１電線

Claims

被検査材の表層に励磁コイルにより交流磁束を流して疵部分から漏洩する磁束を磁気インピーダンス効果を利用したセンサーにより検出する鋼材の表面疵検出装置において、前記センサーは径が５μｍ〜５０μｍの２本の平行なアモルファスワイヤーから構成され、該２本の平行なアモルファスワイヤーを両者間の中心線が被検査材面に垂直であり、かつ両者の芯間距離が０．０５〜２．０ｍｍになるように配置し、アモルファスワイヤーの検出信号を取り出す被検査材面側の電線を、アモルファスワイヤーの直線状先端部の側面に接合するか、または、アモルファスワイヤーの先端部の一部を折り返し、該折り返された先端部に接合し、アモルファスワイヤーの先端面または折り返しにより形成した曲率先端部を電磁気的に露出して被検査材面に臨ませた主検出部と成し、アモルファスワイヤーの周囲は前記主検出部を除いて電磁気遮断材で包囲されていることを特徴とする鋼材の表面疵検出装置。
被検査材として丸鋼を対象としたものであって、２本の平行なアモルファスワイヤーを該丸鋼の軸線と垂直な面内に配置すると共に、該丸鋼と螺旋状に相対移動して丸鋼の表面疵を検出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の鋼材の表面疵検出装置。