JP4419598B2 - 超音波探傷法 - Google Patents

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本発明は、超音波探傷法に関し、特に、散乱ノイズが大きい、例えばスラブのような被検体の内部疵検出に好適なものに関する。
結晶粒が大きい被検体に対して超音波を用いて非破壊検査を行うと、超音波が結晶粒によって散乱し、欠陥からの反射波が散乱ノイズに含まれるため、欠陥の検出精度が低下する。
非特許文献1はこのような場合であっても精度良く欠陥検出を行う欠陥検出方法に関し、散乱減衰が超音波の周波数依存性を持つことを利用し、パルス幅の狭い広帯域探触子または周波数の低い探触子を用いる方法を提案している。
散乱減衰は超音波周波数が低周波ほど発生しにくいので広帯域な超音波を送信し、欠陥で反射されて戻ってくる低周波数成分だけをピックアップしたり、低周波の超音波を送受信することで散乱減衰を抑えS/N比良く欠陥を計測することができる。
しかし、低周波を用いると超音波ビームは拡散し、欠陥からの反射が弱くなる。非特許文献2は連続鋳造鋳片の内部欠陥検出をするため周波数1MHzの超音波を幅30mm*長さ40mmの面積が大きな探触子を用いて発信することを提案している。
非特許文献3は球面振動子または音響レンズを用いて被検体中のある距離に焦点を結ばせて、焦点近傍にて超音波ビーム幅を狭める手法を提案しているが、厚みのある被検体の内部探傷にはフォーカス効果を得るため大きなサイズの振動子が必要となる。
非特許文献4には、超音波ビームを被検体中のある距離に焦点を結ばせて散乱減衰の大きいスラブの内部欠陥を大きなサイズの探触子を局部水浸法を用いて検出する方法が記載されている。
新非破壊検査便覧P285〜P286 新日鉄 オンライン超音波探傷装置による連続鋳片の内部欠陥検出法の開発 鉄と鋼80−S8846 超音波探傷試験2 日本非破壊検査協会 P38 Christian Thoma等著「Non−Destructive testing of semi−finished Products」Means Control Tech Roll 1982
上述した従来の技術は、探触子の面積を大きくし、低周波の超音波を送受信する方法であるが、実施するにあたり、以下のような問題があった。
1 結晶粒が粗大な被験体で、サイズが大型や形状が長尺である場合には、内部探傷を行うために全没水浸法を適用することは設備制約上難しいことが多い。
2 低周波を用いて散乱減衰の大きい被検体を計測しようとすると口径の大きな振動子が必要となる。局部水浸法で、ノズルの開口面積を大きくすると、浸水部に気泡が混入したり水がたまりにくくなるため、音響結合を安定させるために大量の水が必要となる。図7は局部水浸法5を説明する図で、局部的に水浸部分6を作り、探触子1と被検体7とを音響結合させ超音波の送受信を行い、内部疵71の検出を行う。
そこで、本発明では、減衰散乱の大きい被検体を局部水浸法を用いて、良好なS/N比で探傷可能とする非破壊検査法を提供することを目的とする。
本発明の課題は以下の手段により達成できる。
1.散乱減衰が大きく、且つ全没水浸法が適用できない大きさの被検体と底面が矩形の超音波探触子を局部水浸法で音響結合し、前記超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
前記超音波ビームを前記超音波探触子の短片側で拡散し、長片側で集束された矩形状のラインフォーカス型超音波ビームとし、
前記ラインフォーカス型超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
2.散乱減衰が大きく、且つ全没水浸法が適用できない大きさの被検体と底面が楕円形の超音波探触子を局部水浸法で音響結合し、前記超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
前記超音波ビームを前記超音波探触子の短軸側に拡散し、長軸側に集束された楕円形状のラインフォーカス型超音波ビームとし、
前記ラインフォーカス型超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
本発明によれば、口径の小さい振動子でもS/N比の良い欠陥エコーが得られるので、局部水浸法を用いた場合の装置構成を小規模なものとすることができ、設備負担を小さく、更に音響結合のための水量も少なくて済み運転費を削減することが可能である。
[超音波探触子]
局部水浸法において少ない水量で、安定した音響結合が得られるように、ノズルの開口面積を小さくする。そのためには、超音波探触子を小型化する必要があるが、そうすると超音波ビームが拡散しやすくなり、S/Nのよい欠陥信号を得るための信号処理が複雑な方法や装置となる。
そこで、本発明では小型化した超音波探触子で安定した音響結合を実現するため、ノズル開口面積の小型化とビーム拡散によるS/N低下防止を両立できるように1次元方向は拡散するが、残りの1次元方向は拡散しない超音波ビームを送受信できる探触子とした。
具体的には、超音波探触子の形状、または超音波の送信方法を矩形状の超音波ビーム、楕円形状の超音波ビーム、またはラインフォーカス型超音波ビームを発信する形状・方法とする。なお、本発明でラインフォーカス型超音波ビームとは、探触子の形状や音響レンズ等により一方向に集束された超音波ビームである。
超音波探触子の形状を矩形または楕円状とした場合は、短辺または短軸方向に超音波ビームを集束させ、拡散する方向(超音波ビームの長手方向:矩形の長辺方向または楕円形状の長手軸方向)に超音波探触子を走査する。超音波ビームを集束させる方法として探触子の長辺側に曲率をつけたり、音響レンズ、フェーズドアレイを用いても良い。
図3は超音波ビームの収束性に優れた探触子の一つであるラインフォーカス型探触子の一例を説明する模式図で、探触子1は略直方体で底面における長辺11を上方に湾曲した形状とし、発信される超音波のビームを収束させる。
このような形状の底面から発信される超音波は、長辺11の曲率に従って一点に収束し、一方、短辺12側は拡散するのでライン状のビーム形状が得られる。
図5はラインフォーカス型探触子を用いて探傷を行う場合の、探触子1の走査方向を示す上面図で、ラインと水平方向に移動させることにより、広い範囲を検出感度良く探傷することが可能となる。
本発明では必ずしも、ビームの長辺方向とセンサの移動方向を厳密に一致させる必要はなく、ある程度移動方向に対して探触子を角度θだけ傾けることも可能である。
超音波ビームは、被検査体の深さ方向で欠陥の存在する位置において矩形状又は楕円形状をしていればよく、必ずしも矩形の短辺または楕円形の短軸方向に集束させる必要は無いが、上述したラインフォーカス型に集束するとSN比が向上して好ましい。
本発明で使用する超音波ビームは、1次元方向は拡散しないが、他の1次元方向は拡散しやすい。そこで、拡散する1次元方向について、後述する複数位置での受信信号の合成処理を行い、大きい探触子で2次元的に集束させた点集束型ビームを用いた場合と等価の構成を実現し、同等以上のS/Nの欠陥エコーが得られるようにした。
[合成処理]
本発明は、被検体上の異なる位置で、上述した探触子から超音波ビームを送信し、被検体内部から反射波を受信する。受信位置に応じて反射波の受信信号を遅延させて合成処理する開口合成計算を行い、欠陥エコーのS/N比を向上させる。
この合成処理を行うことによって、散乱減衰の大きい被検体の内部の結晶粒からのランダムな反射に起因するノイズは複数方向の反射波を合成することによって低減させることができる。
なお、欠陥信号は複数方向での反射波の合成時に、受信位置と欠陥深さにあわせた遅延時間を用いて合成することにより、欠陥信号を低減させることはなく、結果として信号のS/N比が向上することになる。
図1に、本発明に係る超音波探傷法の信号処理を説明する模式図を示す。図1において1は探触子、71は内部欠陥、Wは走査範囲、dは超音波のビーム、Fは超音波ビームの焦点距離、4は探触子1で得られる反射波の欠陥検出エコーを遅延する遅延回路、D1,D2、D3・・・Dm−1、Dmは遅延回路4による遅延時間、P1,P2,P3・・・Pm−1,Pmは探触子1の走査線上におけるの所定距離dx毎の位置を示す。
本発明では探触子1が検出範囲Wを移動(図中矢印の方向)する間に、所定の間隔(位置P1,P2,P3・・・Pm−1,Pmで所定距離dx)で探傷を行う。反射波における欠陥エコーは探触子1と内部欠陥71との距離dが伸長するにつれて検出時間(超音波の入射時間から欠陥エコーが検出されるまでの時間)が長くなる。
本発明に係る超音波探傷方法では、まず、探触子1のある地点における欠陥エコーの検出時間を基準時間に定める。次に、所定間隔dx毎に得られる欠陥エコーの検出時間が前記基準時間と等しくなるように遅延回路4で調整し記憶装置などに保存する。走査が終了した後、探傷装置を制御する計算機のメモリなどの記憶装置に例えばBスキャンデータとして蓄えられた反射波を加算処理、または加算平均処理して合成する。
図2は、探傷位置P1における欠陥エコーの検出時間を基準時間とし、探傷位置P2,P3における欠陥エコーの検出時間に遅延時間を加算する方法を示す模式図で、t、t、tは欠陥エコーの検出時間を示す。
図2の(a)に探傷位置P1,(b)に探傷位置P2,(c)に探傷位置P3における反射波を示す。探傷位置P2の遅延時間はt−t、探傷位置P3の遅延時間はt−tで求められる。
(d)に探傷位置P1における反射波と探傷位置P2,P3で得られた反射波に遅延時間を加算したものを合成した結果を示す。ノイズ信号が低減してS/N比の良好な欠陥エコーが得られる。
尚、遅延時間は、探傷範囲、探傷範囲における探触子の位置、および超音波の焦点距離を構成要件とする幾何学的関係から求めることが可能である。
例えば、図1の場合、遅延時間は式(1)により求めることができる。
Dn=2×│F−√(X +F)│/V(1)
但し、Dn:探傷位置Pnでの遅延時間 Xn:実行開口幅Wの中心位置からの距離
W:実行開口幅、F:焦点距離、V:被検体内部の音速とする。
スラブの中心偏析のように、探傷する内部欠陥の深さが予め予測できる場合、焦点距離Fを内部欠陥深さとして各探傷位置における遅延時間を求め、加算することによりS/N比に優れた欠陥エコーを求めることが可能となる。
また、開口幅Wより広い範囲を探傷する場合、探傷範囲を開口幅Wに細分したり、開口幅Wの探傷区分を探傷範囲を覆うように平行移動させる。前者の場合、それぞれの区分について上述した信号処理を行う。後者の場合、開口幅Wの各探傷位置における欠陥検出信号を平行移動により新たに得られるものに逐次置き換えて上記の信号処理を行う。
以上の説明において、探触子を移動させたが、探触子を固定させ、被検体を移動することも可能である。
[探傷装置]
図4に本発明の超音波探傷方法の具体的構成の一例を模式図で示す。図において1が探触子、2が信号検出回路、21が任意の周波数の超音波を発信するパルサー、22が入射された超音波の反射波を受信するレシーバ、23がA/Dコンバータ、24が探傷試験に関するデジタル情報から必要な情報を演算する計算機、25が探傷装置を操作するための入力インターフェース、26が探傷試験に関する必要情報を表示する表示部を示す。
パルス繰り返し周波数が任意に変更可能なパルサー21にて任意の波形を作成して探触子1から被検体内部に超音波を入射する。パルス繰り返し周波数は被検体内部に残響が残ることで計測波形に影響がでないように設定する。
被検体の表面または内部から反射する信号は探触子1で受信されレシーバ22にてフィルター処理、信号増幅されA/Dコンバータ23にてデジタル情報に変換されて計算機24に取り込まれる。
探触子1はラインフォーカス型探触子で短辺側と平行方向に走査できる走査機構3に取り付けられる。計算機24からの信号を受けて走査機構3は稼動し、超音波の発信、受信を行いながら被検体を走査し、設定された時間または位置間隔毎に受信された超音波波形を計算機24に取り込み、Bスキャンデータを取得する。
計測されたBスキャンデータは計算機24によって、開口幅Wmm,焦点距離Fmmの探触子で計測したのと同様の効果が得られるように伝播時間が補正された後合成される。表示部26には合成された検出信号などを表示する。入力インターフェース25に探傷装置を操作するために必要な数値諸元などを入力する。
本発明に係る超音波探傷法の優れた効果を実施例で説明する。被検体は3mmφの人工欠陥を設けた鋼製の略直方体で、実製造におけるスラブと同様な粗粒からなるミクロ組織を有し、探傷試験に供した。
探触子と被検体は局部水浸法により音響結合を行った。本実施例で用いた振動子は水平投影面積が30*10mmで、高温な被検体の探傷実験に関する報告例による振動子φ40mmと比較して一回り以上小さい。
探傷試験は開口幅40mm,焦点距離110mmとし、本発明に係る超音波探傷法に従い、受信した反射波を処理した。
図6に試験結果を示し、(a)に信号処理前の受信した反射波、(b)に本発明例を示す。
両者の信号強度はほぼ同じであるが、本発明例ではS/N比が6dB向上し、3mmφの人工欠陥の検出が可能となった。
本発明法における信号処理を説明する模式図。 本発明法における信号処理の原理を説明する図。 ラインフォーカス型探触子を説明する図。 本発明法の具体例の一例を示す模式図。 ラインフォーカス型探触子の走査方向を説明する図。 超音波探傷結果を示す図で、(a)は比較例、(b)は本発明例を示す。 局部水浸法を説明する図。
符号の説明
1 探触子
2 超音波探傷試験装置
21 パルサ
22 レシーバ
23 A/Dコンバータ
24 計算機
25 入力インタフェース
26 表示部
3 走査機構
4 遅延回路
5 局部水浸ノズル
6 音響結合用水流
7 被検体
71 内部欠陥

Claims (2)

  1. 散乱減衰が大きく、且つ全没水浸法が適用できない大きさの被検体と底面が矩形の超音波探触子を局部水浸法で音響結合し、前記超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
    前記超音波ビームを前記超音波探触子の短片側で拡散し、長片側で集束された矩形状のラインフォーカス型超音波ビームとし、
    前記ラインフォーカス型超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
  2. 散乱減衰が大きく、且つ全没水浸法が適用できない大きさの被検体と底面が楕円形の超音波探触子を局部水浸法で音響結合し、前記超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
    前記超音波ビームを前記超音波探触子の短軸側に拡散し、長軸側に集束された楕円形状のラインフォーカス型超音波ビームとし、
    前記ラインフォーカス型超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
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