JP4351568B2

JP4351568B2 - 超音波探傷方法及び装置

Info

Publication number: JP4351568B2
Application number: JP2004098632A
Authority: JP
Inventors: 一成牧野; 次郎養祖; 博坂本
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005283379A

Description

本発明は、超音波を用いて試験体のきずの有無を調べる超音波探傷方法及び装置に関する。
なお、本明細書において、「中空軸」とは軸の長手方向に延びる空所を内部に有する軸のことを意味し、その空所を切削加工により形成した、いわゆる「中ぐり軸」をも含む。

鉄道車両の輪軸の探傷方法を例に採って、背景技術を説明する。
図８（Ａ）は中実車軸を備える輪軸の探傷検査の例を説明するための図であり、図８（Ｂ）は中空車軸を備える輪軸の輪座部（車輪嵌め合い部）の探傷検査の例を説明するための図である。
図９は、中空車軸の探傷ゲートの設定例を説明するための図である。

図８（Ａ）に示す輪軸１０Ａは、中実車軸１１を備えている。この中実車軸１１は、中央平行部１３の両側に、大径の輪座部１５Ｌ、１５Ｒ、中径部１７Ｌ、１７Ｒ、小径のジャーナル部（端部）１９Ｌ、１９Ｒがそれぞれ形成されている。左輪座部１５Ｌは車輪座部１５Ｌ′、ディスク座部（又は歯車座部）１５Ｌ″からなり、それぞれ左車輪２１Ｌ、ブレーキディスク（又は歯車）２３が圧入されている。右輪座部１５Ｒには、右車輪２１Ｒのみが圧入されている。左右ジャーナル部１９Ｌ、１９Ｒには、それぞれ軸箱（図示されず）が外嵌される。中実車軸１１の各外周面の段差部分は、アール状に形成されている。なお、左右輪座部１５Ｌ、１５Ｒの両側段差部分のうち、外側（軸端部側）を外ボス部ＯＢ、内側（軸中央側）を内ボス部ＩＢと呼ぶ。

一方、図８（Ｂ）、図９に示す輪軸１０Ｂは、中空車軸１２を備えている（これらの図には中空車軸１２の左端部のみが拡大して図示されている）。この中空車軸１２は、図８（Ａ）に示す中実車軸１１において、軸芯部に中空孔１２ａ（一例で直径６０ｍｍ）が形成されたものである。

このような輪軸１０Ａ、１０Ｂは、鉄道車両全体を支える重要部品である。輪軸１０Ａ、１０Ｂについては、回転に伴う繰り返し荷重の作用により、車軸１１、１２表面に疲労き裂が生じていないか否かを早期に検出するため、定期的に探傷検査を行う必要がある。現在、このようなき裂チェックのための探傷検査は、超音波探触子４０を用いて非破壊的に行われることがほとんどである。

図８に模式的に示すように、探触子４０は、ピエゾ素子等からなる振動子４１を備えている。図８（Ｂ）に示すように、中空車軸１２の中空孔１２ａ内に挿入して使用される探触子４０は、円筒状の探傷ヘッド４５内に収容されている。図９に示すように、探傷ヘッド４５は、連結パイプ４７を介して、パルス発生装置や送り機構等が内蔵された探傷装置４９に繋がっている。連結パイプ４７内には、パルス発生装置からの電気パルスを振動子４１へと伝えるケーブルや、超音波の伝わりを良くするための油を送る油管等が収容されている。探触子４０の振動子４１にパルス発生装置から電気パルスが加わると、超音波ビームが発生する。この超音波ビームが車軸のきず１５Ｘ（図８（Ａ）参照）で反射すると、きずエコーが再び探触子４０に戻って電気信号に変換され、電気波形として検出される。探傷ヘッド４５は、探傷装置４９内の送り機構により、車軸の軸方向及び周回転方向に連続的又は間欠的に送ることが可能である。なお、探傷ヘッド４５を手動で送るタイプの探傷装置もある。

このような探触子４０を用いる車軸の探傷検査手法は、大別すると、垂直探傷、局部探傷、斜角探傷がある。
垂直探傷は、図８（Ａ）の左側に示すように、車軸端面に探触子４０を垂直に当て、軸方向に沿って超音波ビームを送出するものである。この垂直探傷は、軸中心に存在するきずの探傷には適しているが、各外周面の段差部分（図８の符号Ｂ）や外ボス部ＯＢ、内ボス部ＩＢの探傷は困難である。

局部探傷は、図８（Ａ）の右側に示すように、アクリル等の合成樹脂からなるくさび材（シュー材）４３を介して、車軸端面に探触子４０を当てる。探触子４０は、くさび材４３の傾斜面に当てられ、車軸の外ボス部ＯＢや内ボス部ＩＢに向けて斜めに超音波ビームを送出する。この局部探傷では、垂直探傷では困難な、各外周面の段差部分Ｂや外ボス部ＯＢ、内ボス部ＩＢの探傷も行うことができる。

斜角探傷は、前述のくさび材４３が内装された探触子４０′を用い、この探触子４０′を車軸周面に当て、車軸の外ボス部ＯＢや内ボス部ＩＢに向けて斜めに超音波ビームを送出する。あるいは、図８（Ｂ）、図９に示すように、中空車軸１２の探傷検査においては、探傷ヘッド４５を中空孔１２ａ内に挿入し、軸方向及び周回転方向に連続的又は間欠的に送りつつ、超音波ビームを斜めに（図９の例では屈折角４０°に）送出する。この斜角探傷によっても、垂直探傷では困難な、各外周面の段差部分Ｂや外ボス部ＯＢ、内ボス部ＩＢの探傷を行うことができる。

このような典型的な車軸の超音波探傷においては、輪座部１５Ｌ、１５Ｒや中央平行部１３等の探傷部位ごとに、例えば図９に示すような探傷ゲートを設定する。この探傷ゲートは、探傷時の注目部位である車軸表面までの計算上のビーム路程付近に設定する（ビーム路程＝超音波の音速×注目部位までの往復の伝播時間÷２）。このような探傷ゲートを設定することで、ゲート範囲外に表示されるエコー波形は無視し、ゲート範囲内に表示されるエコー波形のみを有用な情報として検出することができ、きずの有無を的確に判定することができる。

なお、この種の超音波探傷に関連する文献を以下に５件提示する。特許文献５は、本発明者等によるものであって、曲面（集束）振動子を用いて超音波ビームを探傷部位に集束させ、きずの探傷検出感度を向上して高精度の探傷検査を実現できる超音波探傷方法及び装置が開示されている。

特開平６−１１８０６６号公報特開平６−１１８０６７号公報特開平６−２６５５２８号公報特開平７−１６７８４０号公報特開２００３−２５４９４４号公報

前述したような車軸の探傷検査において、内ボス部ＩＢの探傷結果を解析する場合の問題点について説明する。
図１０は、輪座部の内ボス部での超音波の反射状態を説明する図である。
図１１は、輪座部の内ボス部でのエコー誤検出の例を示すグラフである。縦軸はエコー高さ（％）を示し、横軸はビーム路程（ｍｍ）を示す。

図１０には、中空孔１２ａを有する中空車軸１２の輪座部１６が拡大して示されている。この図に示すように、中空車軸１２の中空孔１２ａ内に探触子４０（探傷ヘッド４５）を挿入し、内ボス部ＩＢ付近の車軸表面のきず１６Ｘを斜角探傷した場合を想定する。この場合、中空孔１２ａ内の探触子４０は、内ボス部ＩＢ付近に向けて超音波ビームを屈折角４０°（一例）で送出し、計算上のビーム路程付近に設定した探傷ゲート内におけるエコーを検出する。このとき、内ボス部ＩＢ付近の探傷ゲート内には、きず１６Ｘ以外にコーナＣやアール部Ｒの一部も存在するため、探触子４０は、きずエコーとともにコーナＣやアール部Ｒからのエコー（これらを妨害エコーという）も混在して検出することとなる。

このように、きずエコーと妨害エコーとが混在していると、図１１に示すように、きずエコーと妨害エコーが分離していたとしても、両者のビーム路程の差が小さい場合は、探傷ゲート内に両エコーが同時に出現することとなる。そして、妨害エコーの高さの方がきずエコーの高さよりも高い場合には、妨害エコーのエコー高さを検出し、妨害エコーをきずエコーとして誤検出してしまう可能性がある。

本発明は、前記の課題に着目してなされたもので、きずエコーと妨害エコーとが混在する場合に、きずエコーのみを的確に分離して検出することができ、エコー誤検出の可能性を低減することができる超音波探傷方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の超音波探傷方法は、段差のある外面、及び、超音波探傷用の探触子が当てられる超音波入射面を有する試験体の超音波探傷方法であって、前記試験体の超音波入射面に前記探触子を当てて、所定のピッチで走査しつつ、該ピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出し、事前に、探傷対象となる前記試験体の段差部分について、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も短い表面におけるエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も長い表面におけるエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定し、また、前記試験体と同一形状のきずのない試験体の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得しておき、前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録し、前記検出・記録された前記試験体のビーム路程データが、前記取得された前記きずのない試験体の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験体のきずから反射したきずエコーデータであると判断することを特徴とする。

本発明の第２の超音波探傷方法は、径の異なる複数の外周面、及び、軸芯部の中空孔を有する中空軸の超音波探傷方法であって、試験体となる中空軸（試験軸）の中空孔内に超音波探傷用の探触子を挿入し、該探触子を軸方向及び周回転方向に連続的又は間欠的に送りつつ、軸送り方向及び周回転送り方向の送りピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出し、事前に、前記試験軸の最も細い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記試験軸の最も太い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定し、また、前記試験軸と同一形状のきずのない中空軸（基準軸）の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得しておき、前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録し、前記検出・記録された前記試験軸のビーム路程データが、前記取得された前記基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験軸のきずから反射したきずエコーデータであると判断することを特徴とする。

本発明によれば、試験体（中空軸）の段差部分に基づきトリガゲートを設定することで、きずエコーと妨害エコーとが混在する場合にも、きずエコーのみを的確に分離して検出することができ、エコー誤検出の可能性を低減することができる。

本発明の第２の超音波探傷方法においては、前記探触子の周回転送り方向の隣り合うデータ記録点でのエコーデータを比較し、これらが所定のばらつき範囲内であれば前記妨害エコーデータであると判断し、所定のばらつき範囲外であれば前記きずエコーデータであると判断することができる。
この場合、中空軸の段差部分におけるエコー誤検出の可能性を一層低減することができる。

本発明の第２の超音波探傷方法のより具体的な態様においては、前記データ記録点を比較するときの開始点となるデータ記録番号Ｎｓを設定し、前記周回転送り方向に連続するデータ記録点の個数Ｃを設定し、前記基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲から、前記妨害エコーデータか又は前記きずエコーデータかを識別するしきい値Ｖを設定し、前記データ記録番号ＮｓからＮｓ＋Ｃ−１までの各エコーデータを比較し、前記ばらつき範囲内でのビーム路程の最大値Ｄｍａｘ、最小値Ｄｍｉｎを設定し、Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ≦Ｖとなる場合は、以下のサブステップ（ＳＳ１）〜（ＳＳ３）：（ＳＳ１）比較した個数Ｃの各エコーデータがＣ個の連続する前記妨害エコーデータであると判断する（ＳＳ２）前記データ記録番号Ｎｓを１つ増やす（ＳＳ３）前記データ記録番号Ｎｓの設定ステップに移行するを順に経由し、Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ＞Ｖとなる場合は、以下のサブステップ（ＳＳ４）〜（ＳＳ７）：（ＳＳ４）比較した個数Ｃの各エコーデータのうちに前記きずエコーデータが存在すると判断する（ＳＳ５）Ｄｍｉｎとして設定されたデータ記録番号のエコーデータを前記きずエコーデータと判定する（ＳＳ６）前記きずエコーデータに該当したデータ記録番号の次のデータ記録点を、新たな開始点となるデータ記録番号Ｎｓとして設定し直す（ＳＳ７）前記データ記録番号Ｎｓの設定ステップに移行するを順に経由し、比較対象となる全てのデータ記録点について前記サブステップ（ＳＳ１）〜（ＳＳ３）又は（ＳＳ４）〜（ＳＳ７）を経由した後、前記妨害エコーデータと判定されたエコーデータを除去し、前記きずエコーデータに該当するエコーデータのみを抽出することができる。

本発明の第１の超音波探傷装置は、段差のある外面、及び、超音波探傷用の探触子が当てられる超音波入射面を有する試験体を超音波探傷する装置であって、前記試験体の超音波入射面に前記探触子を当てた状態で、所定のピッチで走査する手段と、該ピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出する手段と、探傷対象となる前記試験体の段差部分について、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も短い表面におけるエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も長い表面におけるエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定する手段と、前記試験体と同一形状のきずのない試験体の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得する手段と、前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録する手段と、前記検出・記録された前記試験体のビーム路程データが、前記取得された前記きずのない試験体の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験体のきずから反射したきずエコーデータであると判断する手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の超音波探傷装置においては、径の異なる複数の外周面、及び、軸芯部の中空孔を有する中空軸を超音波探傷する装置であって、試験体となる中空軸（試験軸）の中空孔内に超音波探傷用の探触子を挿入した状態で、該探触子を軸方向及び周回転方向に連続的又は間欠的に送る手段と、軸送り方向及び周回転送り方向の送りピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出する手段と、前記試験軸の最も細い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記試験軸の最も太い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定する手段と、前記試験軸と同一形状のきずのない中空軸（基準軸）の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得する手段と、前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録する手段と、前記検出・記録された前記試験軸のビーム路程データが、前記取得された前記基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験軸のきずから反射したきずエコーデータであると判断する手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、きずエコーと妨害エコーとが混在する場合に、きずエコーのみを的確に分離して検出することができ、エコー誤検出の可能性を低減することができる超音波探傷方法及び装置を提供できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
以下の実施例では、本発明を鉄道車両の輪軸の探傷検査に適用した場合について説明する。
図１は、本実施の形態に係る超音波探傷方法のトリガゲートの設定方法を説明する図である。
図２は、トリガゲートによるエコー検出状態を説明するための図である。（Ａ）はきずエコーと妨害エコーが混在する場合のパルスを模式的に示す図であり、（Ｂ）は妨害エコーのみが存在する場合のパルスを模式的に示す図である。
図３は、探触子の走査とデータ記録点の関係を概念的に示す図である。
図４は、きずエコーと妨害エコーとの分離手順を示すフローチャートである。
図５は、きずエコーの判定データ例を表す表である。

図１に示す車軸（中空車軸）１００は、前述した図８（Ｂ）、図９の中空車軸１２と同様のものであって、外周面に中央平行部１０３、大径の輪座部１０５、中径部１０７、小径のジャーナル部１０９が形成されており、軸芯部に中空孔１００ａが形成されたものである。なお、図１には車軸１００の左端側のみが図示されているが、前述した図８（Ａ）と同様に、右端側にも輪座部、中径部、ジャーナル部が形成されている。一方、図１の探触子４０（探傷ヘッド４５）は、図８や図９に示すものと同様であって、内部の振動子に探傷装置４９（図９参照）のパルス発生装置から電気パルスが加わると、超音波ビームが発生するようになっている。

この図１には、探触子４０（探傷ヘッド４５）を用いて斜角探傷を行う場合が示されている。前述の通り、斜角探傷は、探触子４０を中空車軸１００の中空孔１００ａ内に挿入し、軸方向Ｔ及び周回転方向θに連続的又は間欠的に送りつつ、超音波ビームを所定の屈折角（一例で４０°）で斜めに送出する。なお、探触子４０の送り操作は、前述した探傷装置４９（図９参照）の送り機構を用いて行うのが最良であるが、探傷用治具を用いて手動で行うことも可能である。

ここで、図１に示すような中空車軸１００の斜角探傷において、内ボス部１００Ｘ付近にきず１０５Ｘが存在する場合、探触子４０から送出された超音波ビームのうち、きず１０５Ｘで反射したエコー（きずエコー）と、内ボス部１００Ｘの段差部分（コーナやアール部）で反射したエコー（妨害エコー）とが再び探触子４０に戻り、電気信号に変換されて電気波形として検出されることとなる。これに対して、本発明に係る探傷方法によれば、きずエコーと妨害エコーが混在して検出された場合にも、きずエコーのみを的確に分離して検出することが可能である。

以下、本発明に係る中空車軸１００の探傷方法について詳細に述べる。
まず、図１に示すように、中空車軸１００の中空孔１００ａ内に探触子４０（探傷ヘッド４５）を挿入し、探触子４０を軸方向Ｔ及び周回転方向θに連続的又は間欠的に送る。そして、探触子４０を送りつつ、軸送り方向Ｔ及び周回転送り方向θの送りピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出する（図３参照）。例えば、軸長約２ｍの中空車軸について、軸送り方向ピッチを２ｍｍとし、周回転送り方向ピッチを３°とした場合、データ記録点は計１２万点得られることとなる。

ここで、図１の中空車軸１００に対して、以下の通りにトリガゲートを設定する。すなわち、中空車軸１００の最も細い径（ジャーナル部１０９）の表面からのエコーのビーム路程からある値α₋を引いてトリガゲート始点Ｔ_Ｓを設定するとともに、中空車軸１００の最も太い径（輪座部１０５）の表面からのエコーのビーム路程にある値α_＋を加えてトリガゲート終点Ｔ_Ｅを設定する。

一方、このようなトリガゲートの設定とは別に、予め、試験対象となる中空車軸と同一形状のきずのない中空車軸（健全な中空車軸：基準軸）の妨害エコーデータの、データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得しておく。本実施例では、一例で、このばらつき範囲を１ｍｍと設定する。

トリガゲートの設定により、きずエコーと妨害エコーとが混在する場合には図２（Ａ）に示すような波形が得られ、妨害エコーのみが存在する場合には図２（Ｂ）に示すような波形が得られる。そこで、図２（Ａ）に示す場合には、前述の各データ記録点でトリガゲート内の検出しきい値Ｔ_Ｄを超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータ（図２（Ａ）の左側に大きく立ち上がる第１波のエコーデータ）について、短い幅（一例で２ｍｍ）の探傷ゲートを設定し、そのエコー高さ（ビーム強度）Ｅｈ及びビーム路程Ｅｄを検出・記録する。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）中最も左側に示すような、検出しきい値Ｔ_Ｄを超えない小さなエコーデータ等は、不要なデータとして無視される。

一方、図２（Ｂ）に示すように、きずエコーデータが存在せず、第１波が妨害エコーデータである場合には、探傷ゲートは妨害エコーデータに設定され、そのエコー高さ（ビーム強度）Ｅｈ′及びビーム路程Ｅｄ′が検出・記録される。

以上により、きずエコーと妨害エコーとを分離して検出することが可能であるが、中空車軸１００の内ボス部１００Ｘ等の段差部分の探傷については、さらに探触子４０の周回転送り方向θの隣り合うデータ記録点（図３参照）でのエコーデータを比較して、両エコーを分離する。

図４のフローチャートに示すように、データ処理開始後、まずステップＳ１でデータ記録点を比較するときの開始点となるデータ記録番号Ｎｓを設定するとともに、周回転送り方向θに連続するデータ記録点の個数Ｃ、前述した基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲のしきい値Ｖ（本実施例では１ｍｍ）を設定し、ステップＳ２へと移行する。ステップＳ２では、データ記録番号ＮｓからＮｓ＋Ｃ−１までの各エコーデータを比較し、ステップＳ３へと移行する。ステップＳ３では、ステップＳ２で比較したデータに基づき、Ｄｍａｘ、Ｄｍｉｎの仮の値（例えばＤｍａｘ＝０、Ｄｍｉｎ＝１０００）を設定する。これは、Ｄｍａｘとしてトリガゲート始点Ｔ_Ｓより小さい値（＝０）をとっておくことで、ｉ＝１回目の判定で必ずＤｍａｘ＝Ｄ（Ｎｓ）とし、同様に、Ｄｍｉｎとしてトリガゲート終点Ｔ_Ｅより充分大きい値（＝１０００）をとっておくことで、ｉ＝１回目の判定でＤｍｉｎ＝Ｄ（Ｎｓ）とするための設定である。

ステップＳ３を経た後は、ステップＳ４で基準値ｉ＝１を設定し、次いでステップＳ５で最大値Ｄｍａｘ＝Ｍａｘ（Ｄｍａｘ、Ｄ（Ｎｓ＋ｉ−１））、最小値Ｄｍｉｎ＝Ｍｉｎ（Ｄｍｉｎ、Ｄ（Ｎｓ＋ｉ−１））を求め、ステップＳ６へと移行する。ステップＳ６では、ｉ＝Ｃであるか否かが判断され、ＮＯであればステップＳ７でｉ＝ｉ＋１と設定して再びステップＳ５へと移行し、ＹＥＳであればステップＳ８へと移行する。

ステップＳ８では、ステップＳ５〜Ｓ７を経由し、全ての個数Ｃについて比較して求められたＤｍａｘ、Ｄｍｉｎの値に基づき、Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ≦Ｖとなるか否か（比較したデータが所定のばらつき範囲に収まっているか否か）が判断される。このステップＳ８でＹＥＳと判断された場合（所定のばらつき範囲に収まっていると判断された場合）はステップＳ９へと移行し、比較した個数Ｃの各エコーデータがＣ個の連続する妨害エコーデータであると判断され、ステップＳ１０へと移行する。ステップＳ１０では、前記データ記録番号Ｎｓを１つ増やしてＮｓ＝Ｎｓ＋１とした後、ステップＳ１へと再び移行する。

ステップＳ８でＮＯと判断された場合（つまりＤｍａｘ−Ｄｍｉｎ＞Ｖとなる場合：所定のばらつき範囲に収まっていないと判断された場合）には、ステップＳ１１へと移行し、比較した個数Ｃの各エコーデータのうちにきずエコーデータが存在すると判断され、ステップＳ５でＤｍｉｎとして設定されたデータ記録番号のエコーデータがきずエコーデータであると判定される。ステップＳ１１からステップＳ１２へと移行すると、きずエコーデータに該当したデータ記録番号の次のデータ記録点を、新たな開始点となるデータ記録番号Ｎｓ＝Ｎｓ＋ｉとして設定し直し、ステップＳ１へと再び移行する。

そして、比較対象となる全てのデータ記録点について、ステップＳ８〜Ｓ１０又はステップＳ８〜Ｓ１２を経由した後、ステップＳ９で妨害エコーデータであると判定されたエコーデータを除去し、ステップＳ１１できずエコーデータであると判断されたエコーデータのみを抽出する。

このようなきずエコーの判定例を、図５に示すデータを用いつつ説明する。
図５には、一例として、データ記録点Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０までの範囲で、周回転方向３°ピッチごとに得られた各ビーム路程のデータが示されている。これらのビーム路程のデータは、前述の図２（Ａ）又は（Ｂ）において検出・記録されたビーム路程データＥｄ又はＥｄ′であって、この時点で既に取得済みのデータである。本実施例では、５データ分ごと（つまり円周ピッチ３°×５データ＝１５°ごと）にビーム路程のばらつき具合を調べるものとする。なお、円周ピッチ１５°ごとのビーム路程のばらつき具合を調べるのは、１５°ピッチ以上にきずが広い例はほとんどないという経験則に基づくものである。

まず、Ｎｏ．１からＮｏ．５までの５データを比較すると、Ｄｍａｘ＝１０７．８ｍｍ（データＮｏ．３）、Ｄｍｉｎ＝１０６．９ｍｍ（データＮｏ．５）であり、Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ＝１０７．８−１０６．９＝０．９ｍｍ≦Ｖ（＝１ｍｍ）であるため、これらＮｏ．１〜Ｎｏ．５は妨害エコーデータであると判断される。次いで、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６を比較したとき、Ｄｍａｘ＝１０７．８ｍｍ（データＮｏ．３）、Ｄｍｉｎ＝１０６．２ｍｍ（データＮｏ．６）でＤｍａｘ−Ｄｍｉｎ＝１０７．８−１０６．２＝１．６ｍｍ＞Ｖ（＝１ｍｍ）であるため、Ｎｏ．６はきずエコーデータであると判断される。そこで、このデータＮｏ．６を残し、次のＮｏ．７から再びデータの判定を開始する。

以下同様にして、Ｎｏ．７から再びデータの判定を開始すると、Ｎｏ．１０（Ｎｏ．７から４つめのデータ）を比較した時点でばらつきのしきい値Ｖを越えるので、Ｎｏ．７もきずエコーデータであると判定される。そこで、このデータＮｏ．７を残し、次のＮｏ．８から再びデータの判定を開始すると、この場合もＮｏ．１０（Ｎｏ．８から３つめのデータ）を比較した時点でばらつきのしきい値Ｖを越えるので、Ｎｏ．８もきずエコーデータであると判定される。

次に、Ｎｏ．９から再びデータの判定を開始すると、Ｎｏ．１３までのデータについてはＤｍａｘ−Ｄｍｉｎ≦Ｖを満たし、ばらつきの範囲内に収まっているので、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１３は妨害エコーデータであると判断される。次に、Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１４までのデータも同様にＤｍａｘ−Ｄｍｉｎ≦Ｖを満たすので、Ｎｏ．１４も妨害エコーデータであると判断される。次に、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１５までのデータを判定すると、Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ＞Ｖとなるので、Ｎｏ．１５はきずエコーデータであると判断される。そこで、データＮｏ．１５を残し、次のＮｏ．１６から再びデータの判定を開始する。Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．２０までは、Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ≦Ｖを満たすので、これらは妨害エコーデータであると判断される。

結局、図５に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．２０までのデータについては、図中左側に◎で示すＮｏ．６、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、Ｎｏ．１５の計４つのデータがきずエコーデータであり、他のデータは妨害エコーデータであることがわかる。

次に、本方法を用いて探傷検査を行った結果について述べる。
図６は、本実施の形態における探傷検査の試験体として用いたモデル車軸及び探触子を示す模式図である。
図７（Ａ）は従来の探傷方法を適用した場合の探傷結果を示すグラフであり、図７（Ｂ）は本発明に係る探傷方法を適用した場合の探傷結果を示すグラフである。図７において、縦軸は円周方向の位置（°）を示し、横軸は軸端からの距離（ｍｍ）を示し、高さ軸はエコー高さ（％）を示す。

図６に示す中空車軸（試験体）１００及び探触子４０は、図１に示すものと同様のものである。中空車軸１００は、外周面に中央平行部１０３、大径の輪座部１０５、中径部１０７、小径のジャーナル部１０９が形成されており、軸芯部に中空孔１００ａ（この例では直径３０ｍｍ）が形成されたものである。一方、探触子４０（探傷ヘッド４５）は、内部に振動子４１を有するものである。

そして、図６に示す中空車軸１００には、内ボス部１００Ｘ付近の表面に、数種類の形状、深さ、長さのきず１０５Ｘが人工的に形成されている。詳しくは、軸周方向に沿って、（１）鋸きず深さ１ｍｍ、（２）鋸きず深さ０．５ｍｍ、（３）半楕円きず深さ３ｍｍ、（４）矩形きず深さ１ｍｍ、（５）矩形きず深さ０．６ｍｍ、（６）矩形きず深さ０．３ｍｍで、長さがそれぞれ１０ｍｍ程度のものが形成されている。

図７には、前述のようなきずが人工的に形成された中空車軸１００の探傷結果が示されている。
図７（Ａ）に示す従来の探傷結果においては、きずエコーと妨害エコーが混在、重複し、両者の識別が極めて不明瞭であることがわかる。従来の探傷方法によっても、探傷部位ごとの探傷ゲートを狭く設定することで、ある程度の識別は可能であるとも考えられるが、両者を明確に識別するのには限界があるといえる。

これに対し、図７（Ｂ）に示す本発明の探傷結果においては、妨害エコーデータが除去され、前述した（１）〜（６）のきずに相当するきずエコーデータのみが明確に抽出されていることがわかる。このように、本探傷方法によれば、きずエコーと妨害エコーが混在する場合に、きずエコーのみを的確に分離して検出することができるので、エコー誤検出の可能性を低減することができる。

なお、本実施の形態では、本発明を中空車軸の斜角探傷に適用した場合について説明したが、本発明に係る探傷方法は、トリガゲートの範囲、探傷ゲートの幅、データ記録点の比較範囲、ビーム路程のばらつきのしきい値を適当に設定することで、斜角探傷や局部探傷にも適用することが可能である。

本実施の形態に係る超音波探傷方法のトリガゲートの設定方法を説明する図である。トリガゲートによるエコー検出状態を説明するための図である。（Ａ）はきずエコーと妨害エコーが混在する場合のパルスを模式的に示す図であり、（Ｂ）は妨害エコーのみが存在する場合のパルスを模式的に示す図である。探触子の走査とデータ記録点の関係を概念的に示す図である。きずエコーと妨害エコーとの分離手順を示すフローチャートである。きずエコーの判定データ例を表す表である。本実施の形態における探傷検査の試験体として用いたモデル車軸及び探触子を示す模式図である。図７（Ａ）は従来の探傷方法を適用した場合の探傷結果を示すグラフであり、図７（Ｂ）は本発明に係る探傷方法を適用した場合の探傷結果を示すグラフである。図８（Ａ）は中実車軸を備える輪軸の探傷検査の例を説明するための図であり、図８（Ｂ）は中空車軸を備える輪軸の輪座部（車輪嵌め合い部）の探傷検査の例を説明するための図である。中空車軸の探傷ゲートの設定例を説明するための図である。輪座部の内ボス部での超音波の反射状態を説明する図である。輪座部の内ボス部でのエコー誤検出の例を示すグラフである。縦軸はエコー高さ（％）を示し、横軸はビーム路程（ｍｍ）を示す。

符号の説明

４０探触子
４５探傷ヘッド４９探傷装置
１００車軸（中空車軸）１００ａ中空孔
１００Ｘ内ボス部１０３中央平行部
１０５輪座部１０５Ｘきず
１０７中径部１０９ジャーナル部

Claims

段差のある外面、及び、超音波探傷用の探触子が当てられる超音波入射面を有する試験体の超音波探傷方法であって、
前記試験体の超音波入射面に前記探触子を当てて、所定のピッチで走査しつつ、該ピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出し、
事前に、探傷対象となる前記試験体の段差部分について、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も短い表面におけるエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も長い表面におけるエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定し、
また、前記試験体と同一形状のきずのない試験体の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得しておき、
前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録し、
前記検出・記録された前記試験体のビーム路程データが、前記取得された前記きずのない試験体の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験体のきずから反射したきずエコーデータであると判断することを特徴とする超音波探傷方法。
径の異なる複数の外周面、及び、軸芯部の中空孔を有する中空軸の超音波探傷方法であって、
試験体となる中空軸（試験軸）の中空孔内に超音波探傷用の探触子を挿入し、該探触子を軸方向及び周回転方向に連続的又は間欠的に送りつつ、軸送り方向及び周回転送り方向の送りピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出し、
事前に、前記試験軸の最も細い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記試験軸の最も太い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定し、
また、前記試験軸と同一形状のきずのない中空軸（基準軸）の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得しておき、
前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録し、
前記検出・記録された前記試験軸のビーム路程データが、前記取得された前記基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験軸のきずから反射したきずエコーデータであると判断することを特徴とする超音波探傷方法。
前記探触子の周回転送り方向の隣り合うデータ記録点でのエコーデータを比較し、これらが所定のばらつき範囲内であれば前記妨害エコーデータであると判断し、所定のばらつき範囲外であれば前記きずエコーデータであると判断することを特徴とする請求項２記載の超音波探傷方法。
前記データ記録点を比較するときの開始点となるデータ記録番号Ｎｓを設定し、
前記周回転送り方向に連続するデータ記録点の個数Ｃを設定し、
前記基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲から、前記妨害エコーデータか又は前記きずエコーデータかを識別するしきい値Ｖを設定し、
前記データ記録番号ＮｓからＮｓ＋Ｃ−１までの各エコーデータを比較し、前記ばらつき範囲内でのビーム路程の最大値Ｄｍａｘ、最小値Ｄｍｉｎを設定し、
Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ≦Ｖとなる場合は、以下のサブステップ（ＳＳ１）〜（ＳＳ３）：
（ＳＳ１）比較した個数Ｃの各エコーデータがＣ個の連続する前記妨害エコーデータであると判断する
（ＳＳ２）前記データ記録番号Ｎｓを１つ増やす
（ＳＳ３）前記データ記録番号Ｎｓの設定ステップに移行する
を順に経由し、
Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ＞Ｖとなる場合は、以下のサブステップ（ＳＳ４）〜（ＳＳ７）：
（ＳＳ４）比較した個数Ｃの各エコーデータのうちに前記きずエコーデータが存在すると判断する
（ＳＳ５）Ｄｍｉｎとして設定されたデータ記録番号のエコーデータを前記きずエコーデータと判定する
（ＳＳ６）前記きずエコーデータに該当したデータ記録番号の次のデータ記録点を、新たな開始点となるデータ記録番号Ｎｓとして設定し直す
（ＳＳ７）前記データ記録番号Ｎｓの設定ステップに移行する
を順に経由し、
比較対象となる全てのデータ記録点について前記サブステップ（ＳＳ１）〜（ＳＳ３）又は（ＳＳ４）〜（ＳＳ７）を経由した後、前記妨害エコーデータと判定されたエコーデータを除去し、前記きずエコーデータに該当するエコーデータのみを抽出することを特徴とする請求項３記載の超音波探傷方法。
段差のある外面、及び、超音波探傷用の探触子が当てられる超音波入射面を有する試験体を超音波探傷する装置であって、
前記試験体の超音波入射面に前記探触子を当てた状態で、所定のピッチで走査する手段と、
該ピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出する手段と、
探傷対象となる前記試験体の段差部分について、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も短い表面におけるエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記超音波入射面から入射した超音波の直進距離が最も長い表面におけるエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定する手段と、
前記試験体と同一形状のきずのない試験体の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得する手段と、
前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録する手段と、
前記検出・記録された前記試験体のビーム路程データが、前記取得された前記きずのない試験体の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験体のきずから反射したきずエコーデータであると判断する手段と、
を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
径の異なる複数の外周面、及び、軸芯部の中空孔を有する中空軸を超音波探傷する装置であって、
試験体となる中空軸（試験軸）の中空孔内に超音波探傷用の探触子を挿入した状態で、該探触子を軸方向及び周回転方向に連続的又は間欠的に送る手段と、
軸送り方向及び周回転送り方向の送りピッチごとの点（データ記録点）でエコーを検出する手段と、
前記試験軸の最も細い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程からある値を引いてトリガゲート始点を設定するとともに、前記試験軸の最も太い径の段差部分表面からのエコーのビーム路程にある値を加えてトリガゲート終点を設定する手段と、
前記試験軸と同一形状のきずのない中空軸（基準軸）の妨害エコーデータ（段差部分からのエコーデータ）の、前記データ記録点での各ビーム路程及びそれらのばらつき範囲を取得する手段と、
前記各データ記録点で前記トリガゲート内の検出しきい値を超えるビーム強度を有し且つ最もビーム路程の短いエコーデータについて、そのビーム強度及びビーム路程を検出・記録する手段と、
前記検出・記録された前記試験軸のビーム路程データが、前記取得された前記基準軸の妨害エコーデータのばらつき範囲外であるとき、前記試験軸のきずから反射したきずエコーデータであると判断する手段と、
を備えることを特徴とする超音波探傷装置。