JP4323293B2 - 超音波探傷装置 - Google Patents

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Description

この発明は、固体と固体との接合部を非破壊に検査する超音波探傷装置に関するもので、特に、面状きずを検出する超音波探傷装置に関するものである。なお、試験体中に発生する音響的不連続部を「割れ」、「欠陥」などで呼ぶ場合があるが、本明細書においては、試験体中に発生する音響的不連続部を全て「きず」と呼ぶ。
この種の従来の超音波探傷装置を実現するための方法としては、例えばタンデム探傷法がある(例えば、非特許文献1参照)。
送信探触子から試験体の中に送信された超音波は、試験体の中にある面状きずで反射され、試験体の底面の方向へ伝搬する。底面で反射された超音波は、送信探触子と一定の距離間隔で設置された受信探触子で受信される。送信探触子と受信探触子を、一定の距離間隔を保ったままて平行に走査することにより、試験体中のきずを検出することができる。
しかし、通常のタンデム探傷法では、底面が複雑な形状の場合には、底面からの反射波が予想外の方向へ伝搬するので検出することは難しい。また、面状きずが試験体に対して垂直でなく、傾斜角を有する場合にも、検出困難となる。これらを回避するには、送信探触子と受信探触子との距離間隔を変えたり超音波が伝搬していく屈折角を変えたりする必要があるが、その都度、走査して検査を行う必要があるので、装置構成が複雑となり検査時間も膨大となる。
タンデム探傷法で検出困難な面状きずが存在する原因は、面状きずで反射される超音波が強い指向性を持つためである。すなわち、光が鏡に入射されたときと同様に鏡面反射のような状態となるので、超音波はある一定方向に強く反射する。このため、受信探触子で超音波を受信するための条件が制約される。
この問題を解決するための探傷法として、例えば散乱波法(TOFD法)がある(例えば、非特許文献2参照)。
このTOFD法について説明する。送信探触子で送信された超音波は、試験体の中を伝搬し、面状きずに到達する。超音波は広がりながら伝搬するので、面状きずの上端部および下端部に超音波は照射される。面状きずの上端部および下端部では、散乱波と言われる微弱な超音波が発生する。散乱波は指向性が弱く、どの方向にもある程度伝搬していく。すなわち、受信探触子の方向にも散乱波が伝搬していく。
受信探触子では、面状きずの上端部および下端部からの散乱波を受信する。また、送信探触子および受信探触子を、水平および垂直に走査することにより、試験体中の面状きずを検出することができる。TOFD法は、上端部からの散乱波と下端部からの散乱波から、面状きずの寸法計測を行う方法であるが、傾斜した面状きずからのエコーも受信できるので、面状きずの検出にも適用できる。TOFD法のきず検出能力は高いという報告もある。
しかし、TOFD法は、2つの探触子の位置関係を固定したまま走査し、受信信号を画像化して面状きずを評価する方法であるので、送信探触子と受信探触子の2つの探触子を走査するスペースが必要である。また、底面の形状が平坦でなく複雑である場合には、面状きずからの微弱な散乱波と底面での反射波との区別がつきにくく、検出が困難となると考えられる。さらに、微弱な散乱波を感度良く受信できるよう、探傷装置のパラメータ設定を慎重に行う必要がある。
(社)日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、日刊工業新聞社、1992年10月15日発行、第1014頁−第1015頁 (社)日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、日刊工業新聞社、1992年10月15日発行、第330頁
以上説明したように、タンデム探傷法では、面状きずの傾斜角が不明である場合や試験体の底面が複雑な形状である場合には、2つの探触子の間隔を変化させたり、探触子の屈折角を変化させたりする必要があるので、装置構成が複雑となり検査時間も膨大となる。
また、TOFD法では、2個の探触子を走査するスペースが無い場合や試験体底面の形状が複雑な場合には、面状きずを検出することが困難となる。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、面状きずの傾斜角が不明な場合でも比較的簡単な装置構成で検出でき、2個の探触子を走査するスペースが無い場合や試験体底面の形状が複雑でも面状きずを検出することができる超音波探傷装置を得るものである。
この発明に係る超音波探傷装置は、送信信号によって励振され超音波を第1のタイミングで試験体の表面に対して第1の斜め方向に送信する第1の送信探触子と、前記送信信号によって励振され超音波を第2のタイミングで前記試験体の表面に対して第2の斜め方向に送信する第2の送信探触子と、前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信探触子と、前記試験体上の前記第1及び第2の送信探触子の間で前記受信探触子を走査させる走査機構部と、前記送信信号を発生し、前記発生した送信信号に基づいて前記第1の送信探触子を前記第1のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第1の受信信号を前記受信探触子の第1の位置情報と併せて記憶するとともに、前記発生した送信信号に基づいて前記第2の送信探触子を前記第2のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第2の受信信号を前記受信探触子の第2の位置情報と併せて記憶し、記憶された前記第1及び第2の受信信号、並びに前記第1及び第2の位置情報に基づいて、前記試験体中にある音響的不連続部の有無及び位置を判定する送受信装置とを設けたものである。
この発明に係る超音波探傷装置は、面状きずの傾斜角が不明な場合でも比較的簡単な装置構成で検出でき、2個の探触子を走査するスペースが無い場合や試験体底面の形状が複雑でも面状きずを検出することができるという効果を奏する。
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る超音波探傷装置について図1から図4までを参照しながら説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図1において、本実施の形態1に係る超音波探傷装置は、試験体3の表面に設置された送信探触子1と、試験体3の表面に設置された受信探触子2と、試験体3の表面に設置された送信探触子6と、これら送信探触子1、6、及び受信探触子2を保持する走査機構部7と、送受信装置8とが設けられている。
また、送受信装置8は、走査機構部7及び以下の各部に接続され、走査機構部7及び各部の動作を司る制御部81と、この制御部81に接続されている信号発生部82と、入力側が制御部81及び信号発生部82に接続され、出力側が送信探触子1及び6に接続されている送信部83と、受信探触子2に接続されている受信部84と、制御部81及び受信部84に接続されている信号処理部85とから構成されている。
つぎに、この実施の形態1に係る超音波探傷装置の動作について図面を参照しながら説明する。
送受信装置8の制御部81からの信号により、信号発生部82では送信信号が作成され、送信部83に送られる。この送信部83では、送信信号を増幅し、送信探触子1を励振する。励振された送信探触子1は、試験体3中に超音波を送信する。この超音波は、試験体3の表面に対して受信探触子2がある方向へ斜めに伝搬するようにする。超音波は、面状きず4に到達すると反射され、試験体3の表面の方向に伝搬し、受信探触子2で受信される。受信探触子2で受信された受信信号は、受信部84で増幅され、信号処理部85へ送られる。信号処理部85内には図示はしないがメモリが搭載されており、受信信号がメモリ内に保存される。
受信信号がメモリに保存された後、送信部83は、送信探触子6を励振する。励振された送信探触子6は、試験体3中に超音波を送信する。この超音波は、送信探触子1で送信された超音波とは反対の角度を持つように、試験体3の表面に対して受信探触子2がある方向へ斜めに伝搬するようにする。超音波は、面状きず4に到達すると反射され、試験体3の表面の方向に伝搬し、受信探触子2で受信される。受信探触子2で受信された受信信号は、受信部84で増幅され、信号処理部85へ送られ、メモリに保存される。
以上の動作を、受信探触子2を走査しながら繰り返し行う。受信探触子2の走査は、走査機構部7を用いて行う。信号処理部85内のメモリには、送信探触子1で送信し受信された受信信号、送信探触子6で送信し受信された受信信号、および受信探触子2の位置情報が保存される。信号処理部85では、これらのメモリに保存された情報を用いて、面状きず4の有無を判定する処理を行う。判定は、受信信号の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず4があるとする方法と、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず4があるとする方法とがある。
以上説明した超音波探傷装置の構成および動作の結果、面状きず4が傾斜角に依らず検出可能となる理由を説明する。
図2は、面状きず4が傾斜した状態において超音波が反射する様子を示したものである。図2に示すように、送信探触子1で送信された超音波は、面状きず4で反射され、試験体3の表面方向へ伝搬する。面状きず4の傾斜角により反射の方向が異なるので、受信探触子2の位置によっては反射された超音波は受信されないことがある。しかし、受信探触子2を走査しているため、図2に示した位置に受信探触子2があるときに超音波が受信される。すなわち、受信探触子2を走査することにより、面状きず4の傾斜角が不明であっても検出することが可能となる。なお、受信探触子2は、どの方向から超音波が伝搬してきてもある程度の受信感度を有している必要がある。すなわち、指向性の弱い探触子を、受信探触子2に用いる。
このように受信探触子2だけを走査すれば良いので、送信探触子1および6を走査するスペースが不要である。
また、微弱な散乱波を利用していないので、底面の形状が複雑な場合でも底面からの反射波との区別が比較的容易となる。また、超音波探傷装置のパラメータ設定も比較的容易となる。
次に、送信探触子を2個用いる理由について説明する。
図2では、送信探触子1で送信された超音波が面状きず4に対して入射する場合を示したものである。しかし、面状きず4の位置によっては、送信探触子1で送信された超音波が殆ど入射しない場合がある。
図3は、面状きず4が送信探触子1の有効ビーム幅の外にある状態を示したものである。この場合には、受信探触子2で受信される受信信号は非常に小さくなり、面状きず4の検出は困難となるので、送信探触子6で送信された超音波を利用する。すなわち、送信探触子1で送信された超音波で検出できない位置に面状きず4があっても、送信探触子6で送信された超音波を利用することにより、検出が可能となる。送信探触子6を用いた超音波の場合でも、面状きず4の傾斜角により反射の方向が異なるので、受信探触子2の位置によっては受信されないことがあるが、受信探触子2を走査しているため、図3に示した位置に受信探触子があるときに超音波が受信される。
また、面状きず4の傾斜角によっては、送信探触子1で送信された超音波が試験体3の表面方向へ殆ど反射しない場合がある。図4は、面状きず4が、送信探触子1で送信された超音波ビームとほぼ平行となる状態を示したものである。この場合、送信探触子1で送信された超音波の反射波は、試験体3の表面の方向には伝搬しないので、受信探触子2で受信される受信信号は面状きず4の端部で発生した微弱な散乱波だけとなる。微弱な散乱波だけでは検出は困難であるので、この場合にも送信探触子6で送信された超音波を用いる。すなわち、送信探触子1で送信された超音波で検出できない傾斜角の面状きず4があっても、送信探触子6で送信された超音波を利用することにより、検出が可能となる。
図3および図4を用いて、送信探触子1で送信した超音波で検出できない面状きず4について説明したが、当然この逆も成立する。すなわち、送信探触子6で送信した超音波で検出できない面状きず4は、送信探触子1で送信した超音波を利用して検出することができる。
受信探触子2の位置情報は、面状きず4の位置の推定に用いる。また、送信探触子1の送信信号で受信された場合の受信信号と、送信探触子6の送信信号で受信された場合の受信信号が別個に保存されているので、どちらの受信信号の方が大きいかで面状きず4の位置を概略把握できる。
また、信号処理部85で受信探触子2の位置情報と受信信号を用いて開口合成処理を行うことにより、面状きず4の位置はさらに明確になり、傾斜角も概略把握できる。
なお、送信探触子1および6が試験体3中に送信する超音波の屈折角は、図1に示したような対称であっても良いし、対称で無くても良い。例えば、送信探触子1に屈折角70°の斜角探触子を用いた場合、送信探触子6に屈折角70°の斜角探触子を用いても良いし、屈折角60°の斜角探触子を用いても良い。また、探傷領域を確保できるように設定できれば、試験体3の状態によって適宜変えても構わない。
以上説明したように、異なるタイミングで2個の送信探触子1、6を励振し、送信探触子1、6の間に設けた1個の受信探触子2を走査しながら探傷を行うことにより、比較的簡単な装置構成で傾斜角に依らず面状きず4を検出できるという効果がある。また、送信探触子1、6を走査するスペースが無い場合でも面状きず4を検出できるという効果がある。さらに、底面の形状が複雑である場合でも、面状きず4を検出できるという効果がある。
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る超音波探傷装置について図5を参照しながら説明する。図5は、この発明の実施の形態2に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。
図5において、本実施の形態2に係る超音波探傷装置は、試験体3の表面に設置された送信探触子1と、試験体3の表面に設置された受信探触子2と、試験体3の表面に設置された受信探触子22と、これら送信探触子1及び受信探触子2、22を保持する走査機構部7と、送受信装置8とが設けられている。
また、送受信装置8は、走査機構部7及び以下の各部に接続され、走査機構部7及び各部の動作を司る制御部81と、この制御部81に接続されている信号発生部82と、入力側が制御部81及び信号発生部82に接続され、出力側が送信探触子1に接続されている送信部83と、受信探触子2、22に接続されている受信部84と、制御部81及び受信部84に接続されている信号処理部85とから構成されている。
つぎに、この実施の形態2に係る超音波探傷装置の動作について図面を参照しながら説明する。
送受信装置8の制御部81からの信号により、信号発生部82では送信信号が作成され、送信部83に送られる。この送信部83では、送信信号を増幅し、送信探触子1を励振する。励振された送信探触子1は、試験体3中に超音波を送信する。超音波は、面状きず4に到達すると反射され、試験体3の表面の方向に伝搬し、受信探触子2および22で受信される。受信探触子2および22で受信された受信信号は、受信部84で増幅され、信号処理部85へ送られる。信号処理部85内には図示はしないがメモリが搭載されており、受信信号が保存される。この場合、受信探触子2で受信された受信信号と、受信探触子22で受信された受信信号とは、別個に保存される。
以上の動作を、送信探触子1を走査しながら繰り返し行う。送信探触子1の走査は、走査機構部7を用いて行う。信号処理部85内のメモリには、受信探触子2で受信された受信信号、受信探触子22で受信された受信信号、および送信探触子1の位置情報が保存される。信号処理部85では、これらのメモリに保存された情報を用いて、面状きず4の有無を判定する。判定は、受信信号の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず4があるとする方法と、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず4があるとする方法とがある。
以上説明した超音波探傷装置の構成および動作の結果、面状きず4が検出可能となる理由を説明する。
超音波探傷で受信される受信信号は可逆性があり、送信と受信を切り替えても受信信号は変らない。すなわち、受信探触子2で受信される受信信号は、上記実施の形態1における送信探触子1で送信し受信探触子2で受信される受信信号と同じとなる。また、受信探触子22で受信される受信信号は、上記実施の形態1における送信探触子6で送信し受信探触子2で受信される受信信号と同じとなる。したがって、上記実施の形態1と同様の理由で面状きず4を検出することが可能となる。なお、送信探触子1は、どの方向にも超音波をある程度の強さで送信する必要がある。すなわち、指向性の弱い探触子を、送信探触子1に用いる。また、受信探触子2および22の指向性は、上記実施の形態1における送信探触子1および6と同様とする。
送信探触子1の位置情報は、面状きず4の位置の推定に用いる。また、受信探触子2で受信された受信信号と、受信探触子22で受信された受信信号が別個に保存されているので、どちらの受信信号の方が大きいかで面状きず4の位置を概略把握できる。
また、信号処理部85を用いて送信探触子1の位置情報と受信信号を用いて開口合成処理を行うことにより、面状きず4の位置はさらに明確になり、傾斜角も概略把握できる。
なお、受信探触子2および22の指向性は、上記実施の形態1の送信探触子1および6と同様に、対称であっても良いし、対称で無くても良い。例えば、受信探触子2に屈折角70°の斜角探触子を用いた場合、受信探触子22に屈折角70°の斜角探触子を用いても良いし、屈折角60°の斜角探触子を用いても良い。また、探傷領域を確保できるように設定できれば、試験体3の状態によって適宜変えても構わない。受信探触子2、22は、受信する超音波の角度特性が、送信探触子1がある方向にピークを有する。
以上説明したように、2つの受信探触子2、22の間に設けた送信探触子1を励振し、走査しながら探傷を行うことにより、比較的簡単な装置構成で傾斜角に依らず面状きず4を検出できるという効果がある。また、送信探触子1を走査するスペースが無い場合でも面状きず4を検出できるという効果がある。さらに、底面の形状が複雑である場合でも、面状きずを検出できるという効果がある。
この発明の実施の形態1に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る超音波探傷装置の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態1に係る超音波探傷装置の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態1に係る超音波探傷装置の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態2に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。
符号の説明
1 送信探触子、2 受信探触子、3 試験体、4 面状きず、6 送信探触子、7 走査機構部、8 送受信装置、22 受信探触子、81 制御部、82 信号発生部、83 送信部、84 受信部、85 信号処理部。

Claims (12)

  1. 送信信号によって励振され超音波を第1のタイミングで試験体の表面に対して第1の斜め方向に送信する第1の送信探触子と、
    前記送信信号によって励振され超音波を第2のタイミングで前記試験体の表面に対して第2の斜め方向に送信する第2の送信探触子と、
    前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信探触子と、
    前記試験体上の前記第1及び第2の送信探触子の間で前記受信探触子を走査させる走査機構部と、
    前記送信信号を発生し、前記発生した送信信号に基づいて前記第1の送信探触子を前記第1のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第1の受信信号を前記受信探触子の第1の位置情報と併せて記憶するとともに、
    前記発生した送信信号に基づいて前記第2の送信探触子を前記第2のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第2の受信信号を前記受信探触子の第2の位置情報と併せて記憶し、
    記憶された前記第1及び第2の受信信号、並びに前記第1及び第2の位置情報に基づいて、前記試験体中にある音響的不連続部の有無及び位置を判定する送受信装置と
    を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
  2. 前記送受信装置は、記憶された前記第1の受信信号、あるいは前記第2の受信信号の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
    ことを特徴とする請求項1記載の超音波探傷装置。
  3. 前記送受信装置は、記憶された前記第1及び第2の受信信号、並びに前記第1及び第2の位置情報に基づいて、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
    ことを特徴とする請求項1記載の超音波探傷装置。
  4. 前記第1の送信探触子は、第1の屈折角を有する第1の斜角探触子であり、
    前記第2の送信探触子は、第2の屈折角を有する第2の斜角探触子である
    ことを特徴とする請求項2又は3記載の超音波探傷装置。
  5. 前記第1の屈折角と前記第2の屈折角が同じである
    ことを特徴とする請求項4記載の超音波探傷装置。
  6. 前記第1の屈折角と前記第2の屈折角が異なる
    ことを特徴とする請求項4記載の超音波探傷装置。
  7. 送信信号によって励振され超音波を試験体中に送信する送信探触子と、
    前記試験体の表面に対して第1の斜め方向に前記試験体中を伝搬した超音波を受信する第1の受信探触子と、
    前記試験体の表面に対して第2の斜め方向に前記試験体中を伝搬した超音波を受信する第2の受信探触子と、
    前記試験体上の前記第1及び第2の受信探触子の間で前記送信探触子を走査させる走査機構部と、
    前記送信信号を発生し、前記発生した送信信号に基づいて前記送信探触子を励振し、前記第1の受信探触子からの第1の受信信号、及び前記第2の受信探触子からの第2の受信信号を前記送信探触子の位置情報と併せて記憶し、
    記憶された前記第1及び第2の受信信号、並びに前記位置情報に基づいて、前記試験体中にある音響的不連続部の有無及び位置を判定する送受信装置と
    を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
  8. 前記送受信装置は、記憶された前記第1の受信信号、あるいは前記第2の受信信号の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
    ことを特徴とする請求項7記載の超音波探傷装置。
  9. 前記送受信装置は、記憶された前記第1及び第2の受信信号、並びに前記位置情報に基づいて、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
    ことを特徴とする請求項7記載の超音波探傷装置。
  10. 前記第1の受信探触子は、第1の屈折角を有する第1の斜角探触子であり、
    前記第2の受信探触子は、第2の屈折角を有する第2の斜角探触子である
    ことを特徴とする請求項8又は9記載の超音波探傷装置。
  11. 前記第1の屈折角と前記第2の屈折角が同じである
    ことを特徴とする請求項10記載の超音波探傷装置。
  12. 前記第1の屈折角と前記第2の屈折角が異なる
    ことを特徴とする請求項10記載の超音波探傷装置。
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