JP4182875B2 - Ｈ形鋼の超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｈ形鋼の超音波探傷方法に関し、良好な検査精度で、しかも、設備の故障頻度を減少させることができるＨ形鋼の超音波探傷方法に関する。

大形のＨ形鋼は圧延により製造されているが、小形のＨ形鋼は、圧延もしくは抵抗溶接法によって連続的に製造されている。特に溶接Ｈ形鋼は、その良否が溶接きずの有無に大きく左右されので、溶接部の試験は品質保証上極めて重要であり、その検査にはオンライン上での超音波探傷試験が採用されていた。

その代表例を図６に示す。１は探傷位置に立設されたポストであり、このポスト１に上下一対の上部保持アーム２ａ及び下部保持アーム２ｂがそれぞれ水平に設置されている。これら上下の保持アーム２ａ，２ｂは、ポスト１に設けられたモータ等からなる昇降手段３ａ，３ｂにより昇降可能となっている。

また、前記上下の保持アーム２ａ，２ｂには、それぞれ超音波探触子４ａ，４ｂ及び探傷ノズル５ａ，５ｂを支持する支持ロッド６ａ，６ｂが設けられ、これらの支持ロッド６ａ，６ｂは、前記上下の保持アーム２ａ，２ｂに沿って水平方向に横行するようになっている。

上記構成の装置でＨ形鋼７を探傷する場合には次のような問題があった。それは、超音波探触子４ａ，４ｂとＨ形鋼７の上下のフランジ７ａ面との間に超音波伝達媒体としての水柱を形成するための探傷ノズル５ａ，５ｂが、Ｈ形鋼７の連続搬送に伴いフランジ７ａ面と接触することである。

これは、製造過程でＨ形鋼７の素材の形状特性（平坦不良、曲がり、反り等）や素材の横継ぎ溶接条件により、図７に示すように、例えば上曲がり状態で進入する場合があり、この時、上曲がり状態の屈曲部分が、固定状態にある上部の探傷ノズル５ａに衝突し、探傷ノズル５ａを破損させてしまうことがあるからである。

なお、Ｈ形鋼７を搬送ローラ上で搬送する場合は、この搬送ローラによりＨ形鋼７の下面レベルが規制されるので、下部の探傷ノズル５ｂへの衝突の問題は生じず、下部保持アーム２ｂについては昇降を行わなくてもよい。

上記の問題を解決するため、図８に示すように、超音波ビームの送信エコーＴと第１表面エコーＲ1との間の時間軸上に回避ゲートＧ1を設け、かつ、回避ゲートＧ1の終端と第１表面エコーＲ1との間をゲートがない非作動領域Ｚとした構成で、探傷中にＨ形鋼のせり上がりによって第１表面エコーＲ1が、図８に想像線で示すように、時間軸上の紙面左方に移動し回避ゲートＧ1にかかった時、超音波探触子及び探傷ノズルをＨ形鋼のフランジ外面より離隔する方向に保持アームを退避させ、その後、第１表面エコーＲ1が回避ゲートＧ1から外れた時、超音波探触子及び探傷ノズルを当初の位置に走査する超音波探傷方法が開示されている。なお、図８中のＲ2は第２表面エコー、Ｇ2は探傷ゲートである。

具体的には、Ｈ形鋼のせり上がりにより、回避ゲートＧ1に第１表面エコーＲ1が観測された時、上探傷用の超音波探触子と探傷ノズルを１０ｍｍ上昇させる。回避時間は３秒とし、この時間経過後、当初の位置に走査する。仮に１０ｍｍ上昇して回避させても、第１表面エコーＲ1が観測されている時は、さらに離隔する方向に１０ｍｍ上昇させる。以下の同様の手順で当初の位置に走査する方法である。
特開平６−１９４３４４号公報

また、凹レンズを用いた超音波探触子で検査するため、検査材の探傷面に対し、垂直方向に超音波探触子を移動させ、検査材に衝突することなく所定の位置で超音波探触子を停止させる方法が提案されている。具体的には、レンズ先端部からの反射エコーを観測した後、所定の遅延時間後に回避ゲートを設け、その回避ゲートに検査材表面からの反射エコーが観測された時点で、超音波探触子が所定の位置に移動したと判断し、停止させるというものである。
特開平８−１２８９９９号公報

しかしながら、上記の特許文献１に開示された方法では、次の問題がある。
まず、第一は、被検査材であるＨ形鋼の接近を検知するに際し、第１表面エコーを観測し、この第１表面エコーが送信エコーと第１表面エコーとの間の時間軸上に設けた回避ゲートに入った時、接近と検知するが、この方法では、Ｈ形鋼の状態に関わらず第１表面エコーが安定して観測されることを前提としている。

然るに、Ｈ形鋼の接近時は、前述のようにＨ形鋼の形状等も不安定なことが多く、安定して第１表面エコーを観測できるとは限らない。従って、その結果として探傷ノズルを退避することができず、設備破損を引き起こしてしまう。これは何らかの理由で、安定した水柱が得られない時も同様で、正常な探傷ができないだけでなく、同時に第１表面エコーを観測できず設備破損を回避できない。

第二は、一度回避した探傷ノズルを所定の探傷位置に復帰させる場合である。この時も同様の問題が発生する。すなわち、回避ゲート内に第１表面エコーが観測されて回避し、３秒経過した後に、回避ゲート内に第１表面エコーが観測されなかった時には元の位置に復帰するが、前述の通り回避ゲート内に第１表面エコーが観測されなかったとしても、それが必ずしもＨ形鋼が正常の位置に戻ったことではないので、折角回避したにも関わらず、元の位置に探傷ノズルを復帰する際にＨ形鋼に衝突させてしまう可能性がある。

第三は、前述のようにＨ形鋼の上下変動が著しいにも関わらず、探傷ゲートが時間軸上に固定であるため、検査すべきＨ形鋼のフィレット部もしくは溶接部から探傷ゲートが外れてしまうことである。従って、Ｈ形鋼と探傷ノズルの衝突がない程度の変動で、設備破損の恐れが無くても、安定してきずを検出することができない。

同様に、上記の特許文献２に開示された方法でも次の問題がある。
すなわち、上記の特許文献１に開示された方法と同じく、被検査材である例えばＨ形鋼の表面で反射する表面エコーを確実に検出できることを前提にしていることである。開示方法のような、例えば室内の水槽に充填した水中に設置したＨ形鋼を探傷するために超音波探触子を移動させるのであれば、常に安定してＨ形鋼の表面からの表面エコーが得られる可能性はある。

しかしながら、これもＨ形鋼の表面に対し、超音波探触子の垂直度が出ている場合に限られ、Ｈ形鋼の表面で反射する表面エコーが超音波探触子で受信できなければ、Ｈ形鋼との衝突を回避することはできない。さらに、Ｈ形鋼を製造するようなライン上での探傷に際しては、Ｈ形鋼の表面で反射する表面エコーを確実に補足することは困難である。

本発明が解決しようとする問題点は、被検査材であるＨ形鋼の接近検知や、回避後の復帰に際し、第１表面エコーが安定して観測されることを前提としているために、Ｈ形鋼と探傷ノズルの衝突が避けられないと言う点（第一及び第二の点）、及び、探傷ゲートが時間軸上固定であるため、安定してきずを検出できないという点（第三の点）である。

本発明者らは、上記の問題に対し、安定した設備破損抑制と探傷を実現するための手段について種々研究を重ねた結果、第一、第二の問題点に対しては、探傷ノズルを回避するための回避ゲートではなく、Ｈ形鋼のフランジ面より反射してきた表面エコーの強度及び時間軸上の位置を監視する表面エコーの観測ゲートを設けることで、また、第三の問題点に対しては、前記観測ゲートで得られた表面エコーの位置に追従して、探傷ゲートを移動させることで、それぞれ解決できることを知見した。

本発明のＨ形鋼の超音波探傷方法は、上記の知見に基づいてなされたものであり、
Ｈ形鋼と探傷ノズルの衝突を確実に防止するために、
圧延Ｈ形鋼又は溶接Ｈ形鋼における上下のフランジ面よりそれぞれ離隔して配置した超音波探触子より発振した超音波（送信エコー）を起点とする時間軸方向の所定の位置に、前記送信エコー入射側の前記フランジ面で反射する表面エコーの観測ゲートを設けて、この観測ゲートで前記送信エコーの反射エコーを観測し、
この反射エコーのうち、所定値以上のレベルを有し、かつ、前記送信エコーに時間軸で最も近い反射エコーを表面エコーと認識する一方、前記観測ゲートの始端より後方位置に設けた探傷ゲートと、前記観測ゲートで認識した表面エコーとの間隔が、所定の間隔を維持するように探傷ゲートを移動させ、
（ａ）前記表面エコーが、前記観測ゲートの始端側に消失した場合に、
或いは、
（ｂ）前記反射エコーのレベルが所定値未満の場合には、
前記超音波探傷子を前記フランジ面から遠ざけることを最も主要な特徴とする。

上記の本発明においては、表面エコーを欠陥エコーと誤認識するのを防止できる。

本発明は、送信エコーを起点とする時間軸方向の所定の位置に、前記送信エコー入射側のフランジ面で反射する表面エコーの観測ゲートを設け、Ｈ形鋼のフランジ面で反射した所定値以上のレベルの表面エコーの大きさ及び時間軸上の位置を監視し、前記表面エコーの、時間軸上の位置がＨ形鋼に接近しすぎて観測ゲートから消失するか、或いは、大きさが小さすぎた場合には、超音波探触子を前記フランジ面から遠ざけるので、Ｈ形鋼と探傷ノズルの衝突を確実に防止することができる。

また、認識した表面エコーと前記探傷ゲートの間隔が所定の間隔を維持するように探傷ゲートを移動するので、表面エコーを欠陥エコーと誤認識するのを防止でき、安定してきずの検出を行うことができる。

本発明のＨ形鋼の超音波探傷方法の実施態様を、図１〜図３を用いて、以下に説明する。
初めに、Ｈ形鋼が接近してきた場合の検知方法について説明する。先ず、所定の探傷感度に調整後、各ゲートを次のように設定する。図１に示す超音波波形において、表面エコーＲの観測ゲートＧ3を設定する。図１に示すように、Ｈ形鋼が遠ざかる方向（図１の紙面右方向）には、ゲート幅を大きく設定し、Ｈ形鋼と探傷ノズルが衝突する恐れはないものの、Ｈ形鋼が遠ざかることで観測ゲートＧ3から表面エコーＲが消失しないよう設定する。

この観測ゲートＧ3は、そのゲート内にある信号強度（表面エコー判定レベル）以上で、かつ、送信エコーＴに一番近い反射エコーを表面エコーＲと認識する。よって、観測ゲートＧ3内に欠陥による反射エコー（以下、「欠陥エコーＦ」という。）が観測されてもそれを表面エコーＲとは認識しない。

次に、探傷ゲートＧ2をフィレット部もしくは溶接部の位置に設定する。この時のゲート幅は、ビード部の反射エコーを観測する場合があることから必要以上に大きくせず、また、探傷しようとする欠陥の大きさに合わせて欠陥判定レベルを設定する。

ここで、Ｈ形鋼が超音波探触子に接近した時は、図２に破線で示したような探傷波形となり、観測ゲートＧ3の始端側に表面エコーＲが消失するので、本発明では、かかる場合には超音波探触子をＨ形鋼のフランジ面から遠ざけるように移動し、退避させる。

この退避は、探傷ノズルをある一定量だけＨ形鋼から離間する方向に退避させることにより行う。ある一定量を退避させた後、ある一定時間内に表面エコーＲが観測ゲートＧ3で検知されない場合は、再度一定量退避させ、表面エコーＲが観測ゲートＧ3で検知されるまで退避を続ける。

次に、復帰方法について説明する。退避後一定時間経過しても表面エコーＲが観測ゲートＧ3で検知されない時、当初の探傷位置に探傷ノズルを移動させる。この移動中、観測ゲートＧ3で表面エコーＲを検知した時は、Ｈ形鋼が正常な状態に戻っていないため、前述した退避動作を再開する。この一連の退避復帰動作をしている間は、Ｈ形鋼の上下のフランジ面の両探傷とも正確に行えないため、未探傷とする。探傷の復帰は、復帰動作により所定の探傷位置に移動して一定時間経過後に行う。この探傷開始時に観測ゲートＧ3内に表面エコーＲが観測されなければ、探傷を未探傷とし探傷ノズルも退避動作を開始させる。なお、上記の説明は材料検知センサを併用しない場合についてのものであるが、材料検知センサを併用する場合は、退避後一定時間経過しても材料検知センサでの反応がない場合に、当初の探傷位置に探傷ノズルを移動させるようにすれば良い。また、この場合は、前記移動中の表面エコーＲの検知に代えて、材料検知センサの反応により退避動作を再開すれば良い。

上記の探傷時に、観測ゲートＧ3内で、表面エコーＲの位置が、図３に示したように、送信波Ｔと反対方向に移動した時は、探傷ゲートＧ2が固定であれば、この探傷ゲートＧ2で表面エコーＲを検知して欠陥エコーＦと誤認識するので、かかる場合には、表面エコーＲの移動に追従して探傷ゲートＧ2を移動させる。これにより、表面エコーＲを欠陥エコーＦと誤認識することを防止できる（請求項１に記載の発明）。

また、観測ゲートＧ3の始端側からの表面エコーの消失により探傷ノズルをＨ形鋼のフランジ面から遠ざけるのに代えて、反射エコーが観測ゲートＧ3の表面エコー判定レベル未満で、観測ゲートＧ3で表面エコーを検知できない場合に、探傷ノズルをＨ形鋼のフランジ面から遠ざけるように移動させることによっても、Ｈ形鋼と超音波探触子との衝突を回避することができる（請求項２に記載の発明）。

上記の説明では、Ｈ形鋼の接近時の退避や、退避からの復帰を、観測ゲートＧ3で観測される表面エコーに基づいて行うものを説明したが、さらに、材料検知センサをＨ形鋼に対して一定距離離間させた位置に設置し、退避が必要な位置までＨ形鋼が接近すると、材料検知センサが反応するようにしたものを併用したり、退避からの復帰をこの材料検知センサに基づいて行うようにしたものでも良い。

本発明の実施例を図４及び図５に示す。図４は本発明方法を実施する装置の全体の概要図、図５は上探傷ノズルの退避、復帰の処理フローを示す図である。
図４で、被検査材は、上フランジ１１ａａとウェブ１１ｂ、下フランジ１１ａｂとウェブ１ｂとを溶接したＨ形鋼１１である。このＨ形鋼１１は、図４の紙面裏側から表側に搬送されてくる。その際、探傷位置では、拘束ローラ１２でＨ形鋼１１を拘束し、図４の紙面左右方向に振れるのを抑制している。

次に、本発明の超音波探傷方法を実施する設備について説明する。この実施例は、材料検知センサを併用したものである。
機構部は、機構部架台２０にＹ軸用アーム２１ａ及びＹ’軸用アーム２１ｂが設けられ、その先端にはそれぞれ超音波探触子２０ａ，２０ｂが挿入された探傷ノズル５ａ，５ｂが取り付けられている。

この探傷ノズル５ａ，５ｂは、各アーム２１ａ，２１ｂに備わった電動モータ２２ａ，２２ｂにより、図４の紙面左右方向に走査する。また、Ｙ軸用アーム２１ａは、アーム全体が電動モータ２２ｃにより、図４の紙面上下方向に走査する。これは、探傷ノズル５ａ，５ｂの退避と、Ｈ形鋼１１の寸法変更に対応するためである。

さらに、材料検知センサ２３も、前記探傷ノズル５ａと同様にＹ軸用アーム２１ａに取り付けられ、探傷ノズル５ａと同様に図４の紙面左右方向、上下方向に移動する。なお、Ｈ形鋼１１は上下のフランジ１１ａａ，１１ａｂの下部に搬送ローラを設けて搬送されるため、Ｈ形鋼１１の寸法が変化（ウェブ１１ｂの高さ）しても、下フランジ１１ａｂ面の基準位置は変化しないため、Ｙ’軸用アーム２１ｂは上下方向に動作しない。

この一連の機構部架台２０には車輪が取り付けられ、レール架台２４に設置されたレール２４ａ上を図４の紙面左右方向に走査できるので、探傷位置、待機位置を自由に移動できる。なお，この機構部架台２０は、前述のような電動モータ駆動に限らず、手押し／引出しでも良いことは言ういまでもない。

ここで、待機位置では、上探傷用の校正試験片１３ａ、下フランジ用の校正試験片１３ｂが取り付けられ、感度校正、ゲート校正、探触子劣化チェック等の確認が容易にできるようになっている。

前記探傷ノズル５ａ，５ｂは、上下のフランジ１１ａａ，１１ａｂ面より超音波を入射するため、安定した水柱が形成できる構造となっている。しかし、一旦、探傷水の供給を停止させると、水柱が形成できても、探傷ノズル５ａ，５ｂ内や、超音波探触子２０ａ，２０ｂの前面に気泡が吸付き、超音波がＨ形鋼１１内に入射できなくなるので、エアー抜きをしてから使用することが望ましい。

この超音波探触子２０ａ，２０ｂは、超音波探傷器３１に接続され、送受信及び受信信号の増幅、評価が行われる。また、この超音波探傷器３１での増幅度合いや評価方法は、探傷器コントローラ３２で任意に変更できる。そして、この超音波探傷器３１での探傷結果は、記録計等に印字され、さらに欠陥を検出すると、Ｈ形鋼１１にマーキングすることができる。

また、探傷器コントローラ３２に、Ｈ形鋼１１のサイズを手入力もしくは上位のＣＰＵより受信することで、探傷位置を演算後、制御器３３にその演算結果を送信する。制御器３３では、その演算結果より、各軸の電動モータ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを駆動し、自動的に探傷位置に移動させることができる。

図５は、表面エコーの移動に対する探傷ゲートの移動を省略した、上探傷用の探傷ノズルの退避、復帰の処理フローを示した図である。
上記のように感度や各ゲートのセッティングを行った後に探傷を行い、例えば上フランジ面の表面エコーＲが消失した時、上側の探傷ノズルの上昇を開始して探傷ノズルを退避させる。同時に、上下の探傷を中断し、ランプもしくはブザーにて異常を警告する。探傷ノズルは１０ｍｍ上昇しその後、材料検知センサがＯＦＦであれば、当初の位置に復帰する。

復帰途中、もしくは上昇後に材料検知センサが反応した時は、さらに１０ｍｍと上昇を続ける。仮に、合計で３０ｍｍ上昇させた後に復帰する場合は、一度に３０ｍｍ下降させる。次に所定の探傷位置に復帰後、２秒間の間表面エコーの消失、材料検知センサの反応がなければ、Ｈ形鋼の形状が正常に戻ったと判断し、上下探傷とも探傷を再開すると同時に警報もしくはランプを消音、消灯する。

ちなみに、特許文献１の方法では、誤検出が３％、退避誤動作率が５％で、設備破損が年３回程度発生していたが、上記実施例の装置を使用した本発明方法では、誤検出、退避誤動作率は共に１％に減少し、設備破損も皆無であった。

本発明は、上記の実施例に示した実施形態に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲であれば、その実施形態の変更は任意である。

以上の本発明は、Ｈ形鋼の超音波探傷に限らず、同様の形鋼の超音波探傷にも適用できる。

本発明方法を実施するための観測ゲートの説明図である。 Ｈ形鋼の接近を検知する場合の説明図である。 探傷を説明するための説明図である。 本発明方法を実施する超音波探傷装置全体の概要図である。 本発明方法の探傷ノズル退避、復帰の処理フローを、表面エコーの移動に対する探傷ゲートの移動を省略して示す図である。 従来のＨ形鋼の超音波探傷試験装置の説明図である。 軽量Ｈ形鋼が上曲がり状態で超音波探傷試験装置に進入する場合の説明図である。 超音波の時間軸方向の波形図である。

符号の説明

１１ Ｈ形鋼
１１ａａ 上フランジ
１１ａｂ 下フランジ
２０ａ 超音波探触子
２０ｂ 超音波探触子
Ｔ 送信エコー
Ｇ2 探傷ゲート
Ｇ3 観測ゲート
Ｒ 表面エコー

Claims (2)

1. 圧延Ｈ形鋼又は溶接Ｈ形鋼における上下のフランジ面よりそれぞれ離隔して配置した超音波探触子より発振した超音波（送信エコー）でフィレット部又は溶接部の探傷を行うＨ形鋼の超音波探傷方法であって、
   前記送信エコーを起点とする時間軸方向の所定の位置に、前記送信エコー入射側の前記フランジ面で反射する表面エコーの観測ゲートを設けて、この観測ゲートで前記送信エコーの反射エコーを観測し、
   この反射エコーのうち、所定値以上のレベルを有し、かつ、前記送信エコーに時間軸で最も近い反射エコーを表面エコーと認識する一方、前記観測ゲートの始端より後方位置に設けた探傷ゲートと、前記観測ゲートで認識した表面エコーとの間隔が、所定の間隔を維持するように探傷ゲートを移動させ、
   前記表面エコーが、前記観測ゲートの始端側に消失した場合に、前記超音波探傷子を前記フランジ面から遠ざけることを特徴とするＨ形鋼の超音波探傷方法。
2. 前記表面エコーが、前記観測ゲートの始端側に消失した場合に代えて、
   前記反射エコーのレベルが所定値未満の場合に、前記超音波探傷子を前記フランジ面から遠ざけることを特徴とする請求項１に記載のＨ形鋼の超音波探傷方法。

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