JP4244334B2 - 超音波材料評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、従来の超音波法より約１０倍大きな振幅の集束超音波を用いて、従来の超音波法、Ｘ線法などで検出不可能な、工業材料等の固体内部、接合界面及び表面層に存在する微視組織、介在物、き裂などを高調波を用いて非破壊的に検出・画像化しそれらを評価する超音波材料評価方法及び装置に関するものである。より詳細には、不完全接合部、ほとんど結合力のない密着層（一般的に「キッシングボンド」と言われている。）、初期疲労き裂、水素脆化、等の検出、溶接溶け込み部深さ評価、接合強度の評価、多層ＬＳＩの層間剥離、パワーＩＣ基盤の熱衝撃割れの検査に利用することができる。

材料の劣化や損傷を非破壊的に検出・評価することは大型構造物・各種製品の信頼性を確保するために不可欠である。従来から、材料内の体積を持つ欠陥には微小振幅超音波を入射し、内部欠陥からの反射波強度、背面散乱波強度などを測定することにより非破壊的に行ってきた。こうした超音波探傷技術は「超音波探傷法」の出版物（非特許文献１）に記載されている。

従来の超音波法では、非特許文献１に記載のように体積を持つ欠陥からの入射波と同一周波数帯の反射波強度と受信時間から欠陥の大きさと位置を評価している。

しかし、この方法では、部分的に接触している閉口き裂、音響インピーダンスの差が少ない介在物、溶解部と未溶解部の境界など反射波強度が弱い部分を検出することは原理的に困難であった。

また、大振幅縦波超音波を入射して、不完全接合面において発生する高調波を検出する方法が特開２００１−３０５１０９号公報（特許文献１）に記載されている。しかし、この方法は非集束超音波探触子を被測定物に直接接触させる方式であるため、空間分解能が６ｍｍ程度と低く、また、探触子を被測定物に対して走査して内部欠陥あるいは微視組織を画像化することができないという問題点があった。

一方、高周波超音波顕微鏡を用いて高調波画像を得る方法が特開平６−３３３８号公報（特許文献２）に記載されている。しかし、この方法は縦波を用いるため音響結合材である水の非線形性の影響を受けやすく、また１００ＭＨｚ以上の高周波を用いるため表面下１００μｍ程度の極く表層の測定にしか利用できないという問題があった。
特開２００１−３０５１０９号公報 特開平６−３３３８号公報 日本学術振興会製鋼第１９委員会編、超音波探傷法 改訂新版（日刊工業新聞社、１９７４年発行）Ｐ２，Ｐ１７３〜１７６

本発明は、上記した事情に鑑み、工業材料等の微視組織、介在物、微視き裂などを非破壊的に画像化し、検出・評価することできる超音波材料評価装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明が採用した解決手段は、
信号発生器、高出力アンプ、送信超音波探触子、走査機構、受信超音波探触子、ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタ、デジタル波形記憶装置、増幅器、コンピュータを備え、反射法あるいは透過法を用いて、信号発生器からの信号を高出力アンプで増幅し、送信超音波探触子を励起し、受信超音波探触子からの信号をハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを介して増幅後デジタル波形記録手段に同期加算してあるいは加算せずに収録し、パーソナルコンピュータを用いて前記収録した高調波波形の最大振幅に基づく非線形超音波特性をデジタル波形解析により演算処理し、その非線形超音波特性に基づく欠陥画像を画像化することを特徴とする超音波材料評価装置である。

本発明により、従来超音波法で検出不可能であった、部分的に接触している閉口き裂、音響インピーダンスの差が少ない介在物、溶接部と未溶解部の境界などを非破壊的に検出することができるようになり、例えば素材内の微小介在物の検出、高信頼性が要求される接合部の健全性評価、溶接部溶け込み深さなどを非破壊的に評価する手段が確立された。

即ち、請求項１に係る発明の装置は、水又は樹脂製楔に入射した縦波が被測定物の微視構造、介在物、閉口き裂などとの相互作用による励起する高調波の被測定物表面及び裏面反射波に対する時間間隔によりそれらの存在位置を同定し、さらにモード変換横波を利用することにより、水又は樹脂性楔内で発生する縦波高調波が被測定物の微視構造、介在物、閉口き裂などで発生する高調波と分離されるため高感度の高調波測定ができること、また横波の波長が縦波波長の約半分であるため縦波より高い空間分解能を得ることができる。

請求項２に係る発明は、広帯域パルス波は多数の周波数成分を含むので、非線形性が顕著な内部欠陥、微視構造に対して、受信波形に周波数解析を施すことにより、簡便に高調波を検出することが出来る。非線形性が弱い内部欠陥、微視構造に対してはバースト波を入射し繰返し動的相互作用により発生する高調波をバンドパス又はハイパスフィルターを用いて検出する。両者を対象物に応じて選択することで、非線形性の顕著な材料及び弱い材料中の内部欠陥、微視構造を検出することができる。

請求項３及び請求項４に係る発明は、単一の広帯域集束型探触子を送受信に使用し、その低周波帯域を送信に、高周波帯域を受信に用いることで、市販の超音波探触子を用いて簡便に高調波計測ができる利点がある。また、大面積高出力の送信圧電素子と高感度の受信圧電素子を単一の探触子に組み込むことにより、高感度の高調波測定が可能となる。

以下本発明の測定原理を説明した後、本発明に関わる装置の構成、作用、実験結果等について説明する。

[測定原理]
大振幅の超音波を入射したとき、固体内部で励起される高周波応力は縦波では式（１）で表される。鋼に振幅１０ｎｍ（ナノメートル）、 周波数２０ＭＨｚの縦波を入射した
とき励起される応力は５０ＭＰａ、せん断応力はその半分程度である。この高周波振動応力により、微視構造界面、介在物、微視き裂界面などの応力ひずみ関係が直線でない領域では繰返し打撃あるいは繰返しせん断により、入射周波数の整数倍の高調波成分が励起されることが知られている。
式（１） σ＝ρＣＶ
ここでσは発生する垂直応力、ρは密度、Ｃは材料の縦波音速、Ｖは入射超音波による粒子の速度。

図１（Ｂ）に示すように、応力ひずみ曲線の傾き（ヤング率）が引張相に比べて圧縮相で大きいとき、材料内の超音波伝搬速度が式（２）で表わされるため、正弦波を入射しても１周期内で圧縮相の伝搬速度が引張相の速度より大きくなり、受信波形がひずみ、周波数領域では入射波周波数の整数倍の周波数を持つ高調波が表れる。
式（２） Ｃ∝√（Ｅ／ρ）
ここでCは縦波超音波伝搬速度、Eはヤング率、ρは密度。

図１（Ａ）の上段に示すように、材料内部に入射波振幅と同程度の開口の微小き裂が存在するとき、き裂部と健全部を含めた応力ひずみ関係は図１（Ａ）の下段のようになり、高調波が発生する。即ち、固体材料内に入射波振幅Aと同程度の隙間δを持つ平面き裂が部分的に存在し、それを検出するため、縦波平面波を入射したとき、き裂のない健全部の応力ひずみ関係は（１）になり、入射波振幅よりかなり小さな隙間を持つき裂では（２）及び（３）のように圧縮波によりき裂面が接触した後圧縮応力だけがき裂面を通して伝わる。（４）に示す隙間が入射波振幅より大きい場合にはき裂面を応力は伝わらない。（１）〜（４）の存在割合を考慮して重ね合わせた応力ひずみ曲線は、図１（Ｂ）に示すように、圧縮側より引張り側の傾きが小さい曲線aとなる。この結果、上記した式（２）により、圧縮相の縦波超音波伝搬速度が引張相より大きくなり、正弦波を入射しても図１（Ｃ）の実線で示す透過波波形のように１周期内でひずんだ波形となる。この波形のフーリエ変換により、図１（Ｄ）に示すように、入射周波数の整数倍の高調波が発生する。

斜角入射縦波のモード変換した横波を用いる時には、図２に示すように、材料内部の微視き裂面ｂに高周波の垂直及びせん断応力が作用する。即ち、モード変換横波のバースト波により半周期ごとにせん断応力の向きが、図の実線と破線のように変化する。これにより材料内部に存在する微視き裂面ｂには、図２実線のように右斜め上方の面に作用するせん断応力で右向きにずれるとき垂直応力が圧縮である圧縮応力が、破線で示すように左にずれるとき垂直応力が引張りである引張応力が作用する。圧縮応力により摩擦力が発生するため、実線の向きのせん断変形抵抗は破線の向きのそれより大きくなる。これにより図１（Ｂ）と同様な非線形せん断応力ひずみ曲線となり、横波速度が後者より１周期内で速くなり、横波高調波が励起される。

〔装置〕
次に、上記の測定原理を応用した超音波材料評価装置について説明する。図３は、水浸反射法による集束型超音波探触子からの斜角入射によるモード変換横波を用いた超音波材料評価装置を示す。試験片（固体試験体）に対し集束型の超音波探触子を相対的に移動させる走査機構を駆動する同期走査部と同期して信号発生器から一定間隔で一定繰返数のバースト波信号を発生させ、それを高出力アンプで増幅し、超音波探触子に送り、電気信号を超音波波動に変換する。発生した超音波は水中及び材料中で集束され、試験片（固体試験体）内の検査対象点に達する。その点が図１（Ｂ）に示す非線形応力ひずみ曲線で表される特性を持つとき、前述した理由により高調波が励起される。この高調波が送信経路と同一の経路を通って超音波探触子で受信され電気信号に変換される。この信号を特定周波数の高調波を抽出するバンドパス用又はハイパス用のフィルター及び受信増幅器を介して波形記憶部（波形記憶手段）にデジタル収録する。収録波形に対して最大振幅、波形立ち上がり時間、包絡線などの特性量をデジタル波形処理部（波形処理手段）で求め、その結果をグレイスケール階調あるいはカラー色調で画像化部（画像処理部及び表示手段）で２次元画像を表示する。なお、図３に示す構成のうち、同期走査部、波形記憶部、波形処理部、画像化部は、マイクロコンピュータに備えられる。また、画像化部には、ディスプレイ（表示手段）が含まれる。また、上記の説明では、集束するものとして水を使用した水浸反射法で説明したが、樹脂製楔で超音波を集束させて固体試験体に向けて発生させても良い。更に、上記の装置では、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを単一の探触子（この場合には、請求項４又は請求項５に記載のいずれの探触子でも良い。）に設けたもので説明したが、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを別に設けても良い。また、縦波、モード変換横波、表面波は、図３に示す超音波探触子の水又は試験片（固体試験体）に対する角度を垂直、やや斜め、さらに斜めとすることによりそれぞれ発生させることができる。

図３に示した超音波材料評価装置で鋼薄板溶接部の溶け込み深さを水浸屈折横波高調波により評価した例を図４に示す。図４（Ａ）に示すように縦波垂直入射のときには、表面反射波（図中の矢印１）、裏面反射波（図中の矢印３）が大振幅で表示され、未溶解部と溶解部の界面からの振幅（図中の矢印２）が小さい。しかし、これにより界面の位置を求めることが出来る。斜角入射横波による高調波信号の特定時間（矢印２から特定できる時間）範囲にゲートを設定し、そのゲート位置の信号の最大振幅を画像化することで図４（Ｂ）に示す画像が得られ、高い反射強度の点の伝搬時間差が分かる。材料の横波伝搬速度は既知であるので伝搬時間差にその速度を乗ずることにより、溶接部の溶解部と未溶解部の界面の位置を評価することができる。つまり、収録した各位置での高調波波形の特定時間範囲での振幅を、図４（Ｂ）のように２次元画像（Ｃスキャン）表示することで、内部微視組織の存在位置及び大きさを評価することができる。さらに、図示はしないが、深さ方向の振幅分布（Ｂスキャン）とそれの基礎となる各位置での受信波形の立ち上がり時間、重心に対応する時間位置、包絡線の面積などの各種特徴量を算出することにより、内部微視組織の存在位置及び大きさのより正確な評価を行うことができる。従来の超音波法あるいはＸ線法では、目視で識別できる溶融凝固部と未溶融部の境界を識別できなかったが、本発明によりそれが可能となる。

そして、前記の超音波特性と引張り試験、破壊靭性試験などの機械的試験結果との相関関係を求めることにより、超音波測定で得られた特性量を用いて接合部の強度、靭性の推定が可能となる。

次に、図３に示した超音波材料評価装置で、表面あるいは表面直下に存在するほとんど閉じたき裂を表面波の高調波を用いて検出、画像化した例を図５に示す。水あるいは樹脂製楔を介して臨界角で入射した縦波が表面波にモード変化し、閉口き裂面で反射する際高調波が励起される。図５（Ａ）の２次あるいは３次高調波波形のピーク値を画像化することにより、図５（Ｂ）に示すように、閉じたき裂の位置、形状、深さなどを推定することができる。また、表面に沿って伝搬する表面波の高調波を用いることにより、例えば圧力容器表面に存在する閉じたき裂の検出及びその可視化も可能となる。

従来の超音波法では衝撃により生じたＣＦＲＰ板の剥離を画像化できるが、その周囲に生じているマイクロクラック、繊維／樹脂の界面剥離を検出できない。しかし、本発明に係る超音波材料評価装置よれば、図６に示すように、高調波画像では、剥離部の外側に広がった微細損傷域の存在を画像化することができた。

非線形応力ひずみの関係と高調波の関係を示す図である。 モード変換横波により励起されたせん断応力τと微視き裂面に作用する垂直応力σとの関係を示す図である。 超音波材料評価装置の構成の一例を示す模式図である。 溶接部境界からの横波２次高調波超音波画像と特定位置での受信波形溶接部の溶けこみ深さを本発明に係る超音波材料評価装置で評価した例である。 表面閉口き裂の表面波２次高調波超音波画像による表面閉口き裂を本発明に係る超音波材料評価装置で評価した例である。 繊維強化複合材の剥離部と２次高調波画像を示す模式図である。

Claims (4)

1. 信号発生器と、
   該信号発生器で発生させた信号を増幅する高出力アンプと、
   該高出力アンプによって増幅させた電気信号を大振幅超音波として送信する送信超音波探触子と、
   該送信超音波探触子を固体試験体に対して相対的に移動させる走査機構と、
   前記送信超音波探触子で発生させた大振幅超音波を水又は樹脂製楔を通して集束させて垂直入射したとき励起される縦波及び斜めに入射したとき励起されるモード変換横波として固体試験体の内部に伝搬させたときに、材料内微視組織、入射波振幅と同程度以下の隙間を持つ欠陥とそれら超音波の相互作用により発生する高調波波形を受信する受信超音波探触子と、
   該受信超音波探触子で受信した高調波波形から所望の高調波波形を抽出するためのハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタと、
   該ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタで抽出された所望の高調波波形を増幅する増幅器と、
   該増幅器で増幅した高調波波形をデジタル記憶する波形記憶手段と、該波形記憶手段でデジタル記憶された高調波波形の最大振幅に基づく非線形超音波特性を演算処理する波形処理手段と、該波形処理手段で処理した前記非線形超音波特性をグレースケール階調あるいはカラー色調で画像処理する画像処理手段と、該画像処理手段で処理された欠陥画像を２次元表示する表示手段と、前記走査機構の駆動と前記信号発生器の信号発生とを同期させる同期走査手段と、を備えたコンピュータと、
   からなることを特徴とする超音波材料評価装置。
2. 前記超音波は、広帯域パルス波あるいは一定周波数のバースト波であることを特徴とする請求項１記載の超音波材料評価装置。
3. 前記送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、単一の広帯域集束型探触子を送受信に使用し、その低周波帯域を送信に、高周波帯域を受信に用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波材料評価装置。
4. 前記送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、単一の集束型探触子に低周波送信用圧電素子、高周波受信用圧電素子を組み合わせ送受信一体化したものを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波材料評価装置。

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