JP4425011B2 - 非線形超音波による介在物検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材中に超音波を送信して該鋼材中の介在物を検出する超音波探傷方法および装置に関する。

特開2002-323481号公報には、非金属介在物と、略球形など平坦でない形状のボイド、および平坦な形状の未圧着のボイドとを識別するようにした超音波探傷方法および装置が開示されている。該公報に開示された超音波探傷装置では、超音波集束ビームを被検材に送信し、受信した反射波に基づいて、被検材中の異物からの反射波を抽出し、その反射波の振幅を測定して異物を検査する超音波探傷方法において、異物が存在する深さ方向の位置でビーム径が異なる複数の超音波集束ビームによって被検材中の異物からの反射波の振幅を測定し、その差をとることにより異物の種類を判別するようになっている。
特開2002-323481号公報

然しながら、上記公報に開示された装置および方法では、結晶粒界での散乱ノイズに有意な信号が紛れて介在物の検出ができない問題がある。
そこで本発明は、より正確に介在物の存在有無を判定できるようにした超音波探傷方法および装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の本発明は、検査対象物である鋼材の一側面を臨むように超音波送信子と超音波受信子とを配置する段階と、前記超音波送信子から超音波バースト波を送出する段階と、前記検査対象物から反射した超音波バースト波を前記超音波受信子により受信する段階と、前記超音波受信子から送出される信号を処理して、前記反射した超音波バースト波の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比を得る段階とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記反射した超音波バースト波の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比により区別して検出する超音波探傷方法を要旨とする。

請求項２に記載の本発明は、検査対象物である鋼材の一側面を臨むように超音波送信子と超音波受信子とを配置する段階と、前記超音波送信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出する段階と、前記検査対象物から反射した超音波バースト波を前記超音波受信子により受信する段階と、前記超音波受信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出し、反射した２種の超音波バースト波の波形を重ね合せ偶数次の高調波の振幅を算出する段階とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記偶数次の高調波の振幅により区別して検出する超音波探傷方法を要旨とする。

請求項３に記載の本発明は、超音波探傷方法において、超音波送信子および超音波受信子を検査対象物である鋼材の一側面を臨むように位置決めする段階と、前記検査対象物へ向けて超音波送信子から超音波パルス波を照射する段階と、前記検査対象物からの反射波を前記超音波受信子により受信する段階と、前記超音波受信子から送出される信号を処理して該信号中に前記検査対象物の内部欠陥からの反射波が含まれていないか否かを判定する段階と、前記超音波受信子からの信号に前記検査対象物の内部欠陥からの反射波が含まれている場合に、前記超音波送信子から超音波バースト波を照射する段階と、前記検査対象物からの反射波を前記超音波受信子により受信する段階と、前記超音波受信子から送出される信号を処理して、前記反射波振幅の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比を得る段階とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記反射波振幅の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比により区別して検出する超音波探傷方法を要旨とする。

超音波パルス波の反射波からは検査対象物の内部欠陥が気泡によるものか介在物によるものかは判定できないが、検査に要する時間は比較的短い。一方、超音波バースト波を照射してその反射波の高調波を求めることにより、検査対象物の内部欠陥が介在物によるものか否かを判定することができるが、超音波バースト波の照射から内部欠陥の判定に至るまでに要する時間は比較的長くなる。本発明では、検査対象物に向けて超音波パルス波を照射し、その反射波を処理して、気泡または介在物による内部欠陥が存在する位置を先ず特定し、次いで、超音波バースト波を照射してその反射波を処理して、この内部欠陥が気泡と介在物の何れによるものかを判定するようにし、短時間で検査対象物に含まれる介在物による内部欠陥を正確に検査できるようにした。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１を参照すると、探傷装置１０は、走査装置２０により水槽１２内において直交三軸方向に移動自在に配設された超音波素子１８を具備している。超音波素子１８は、水槽１２内に配設されたテーブル１４上に固定された検査対象材料として例えば鋼製スラブ１６の一側面を臨むように配置され、中心部に配置され超音波信号を照射するハイドロフォンまたは超音波受信子１８ａと、その周囲に配置された超音波探触子または超音波送信子１８ｂとから成る（図２参照）。超音波送信子１８ｂは、超音波受信子１８ａの中心軸線に沿って該超音波受信子１８ａの端面から所定の距離の位置に焦点を結ぶように凹面を形成している。

超音波素子１８は、超音波送信子１８ｂのための発信子（図示せず）を備えた制御装置２４に接続されており、超音波送信子１８ｂから送信された超音波は、スラブ１６の表面、スラブ１６の内部欠陥およびスラブ１６の裏面で反射して超音波受信子１８ａにより受信され、超音波受信子１８ａが受信した信号が制御装置２４に送信される。また、走査装置２０の駆動装置２２もまた制御装置２４に接続されており、制御装置２４において超音波素子１８の位置決めが制御される。制御装置２４には、更に、制御装置２４に送信された信号を、超音波素子１８の位置情報と共に処理するための信号処理手段としてのパーソナルコンピュータ２６や、制御装置２４が受信した信号をモニターするためのオシロスコープ２８が接続されている。

以下、本実施形態の作用を説明する。
図３を参照すると、検査対象物１６の典型例として板厚６０ｍｍの鋼材スラブ１６′が示されており、該鋼材スラブ１６′は、ドリルにより小孔１６ａを該鋼材スラブ１６′の裏面から形成してスラブ内部の欠陥を模擬している。

鋼材スラブは、一般的に溶融した鋼材を連続鋳造法等により鋳造し、冷却、凝固させた金属部材であり、精錬の段階で溶融鋼材中に取り込まれたスラグ、特に粒径０．５〜１ｍｍ程度の酸化アルミニウム(Al₂O₃)が介在物として混入している。こうした介在物は、鋼材と比較して比重が非常に小さいために、冷却過程において浮力により鋼材内で浮上し、鋼材の表面から５０ｍｍ程度の深さに存在することが多い。そこで、超音波送信子１８ｂは、鋼材スラブの冷却過程において上側に配置された一側面を臨むように配置し、かつ、鋼材の表面から５０ｍｍ程度の深さの位置に焦点を結ぶように形成することが好ましい。

図３に示した鋼材スラブ１６′を検査対象物１６として、図１に示した実験装置１０で超音波送信子１８ｂから超音波パルス信号を照射して行った実験結果を図４〜図８に示す。なお、図４は、小孔１６ａを備えない鋼材スラブ１６′の場合であり、図３〜図８は、鋼材スラブ１６′にドリルにより深さ１４ｍｍ、直径０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの小孔１６ａを夫々形成した部材を検査対象物１６とした場合の実験結果である。

図４〜図８を参照すると、超音波送信子１８ｂから照射されたパルス波の鋼材スラブ１６′の表面における反射波Ｉと、裏面における反射波IIとの間に欠陥、つまり小孔１６ａの底面での反射波IIIが現われることが理解されよう。特に、小孔１６ａの直径が大きくなると、欠陥での反射波IIIが大きくなり、裏面における反射波IIが小さくなっている。これは、小孔１６ａの直径が大きくなると、超音波送信子１８ｂからの超音波が小孔１６ａの底面で反射してしまい、鋼材スラブ１６′の裏面に到達できなくなっていることを示していると考えられ、鋼材の表面から５０ｍｍ程度の深さの位置に焦点を結ぶように凹面を形成している効果であると考えられる。

図１の構成では、超音波送信子１８ｂはパルス状の超音波信号を照射するので、検査時間は比較的短くて済む。然しながら、検出した欠陥が介在物によるものであるか、空隙であるものかは判断することができない。一般に、鋼材スラブ中には介在物に加えて気泡が取り込まれていることもあるが、気泡は多くの場合、鋳造工程の後の圧延工程において圧潰されて問題となることは少ない。然しながら、鋼材スラブ中に介在物が存在する場合には、圧延工程で鋼帯の割れを生じたり、鋼材の出荷先である例えば自動車製造者において塑性加工を行う際に製品の割れを生じたりする。

ここで、図９を参照すると、鋼材と非金属介在物との間の結合剛性は圧縮相と引張（希薄）相で異なり、引張側が圧縮側よりも低くなっている。超音波の伝播速度はヤング率の平方根に比例するので、伝播速度は圧縮相において引張相よりも高くなる。そのため、送信子１８ｂから検査対象物１６へ向けてバースト波を照射することにより、該バースト波が検査対象物１６に入射し介在物において反射した後の波形に歪みを生じ、この歪みは高調波（入射波周波数の整数倍の周波数を持つ波）の振幅で定量化することが可能である（図１０参照）。従って、入射波振幅に対する反射波の高調波成分、特に二次高調波の振幅の比を得ることにより、非金属介在物の存在の有無が判定可能となる。本発明は、これを原理として検査対象物１６中の非金属介在物を検出するようにしている。

非線形量力歪みの関係は以下の式にて与えられる。
σ＝Ｅ₁ε＋Ｅ₂ε² （Ｅ₂：負）…（１）
式（１）に従う弾性体の一次元波動方程式の解は以下の式にて与えられる。

ここで、
ｕ：変位
Ａ₁：入射波振幅
Ｅ₁：鋼材ヤング率
Ｅ₂：非金属介在物ヤング率
ｉ：虚数単位
ｋ：波数（２π／λ（波長））
ｘ：距離
ω：２πｆ（周波数）
である。

二次高調波成分の振幅をＡ₂とすると、

で表される。
従って、入射波振幅に対する二次高調波振幅の比は以下の式にて得られる。

式（４）から、入射波振幅に対する二次高調波振幅の比は、入射振幅および伝播距離に比例し、波数の二乗に比例することが理解される。なお、鋼結晶粒間では、結晶方位の差による弾性係数の異方性が存在するが、鋼粒と介在物との界面では、引張相と圧縮相による剛性の差が無いので、測定装置で検出できる高調波は励起されない。このように、入射超音波バースト波の反射波の高調波、特に二次高調波を求めることにより、検査対象物１６の内部欠陥が気泡によるものか介在物によるものか判定することが可能となる。

なお、他の実施例として、超音波受信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出し、透過した２種の超音波バースト波の波形を重ね合せ偶数次の高調波の振幅を算出する事により、検査対象物に含まれる介在物を検出する事も可能である。その理由は、以下の通りである。すなわち、極性の異なる２種の超音波バースト波を送出した場合の各変位は、式（２）より以下の式のようになる。

従って、極性の異なる２種の超音波バースト波を送出した場合の変位に対応する各検出波形を重ね合せた場合、以下の式のようになり、偶数次の高調波成分のみを抽出する事ができ、その結果、高調波成分の生成に寄与している非金属介在物の有無を評価する事が可能になる。

本発明による超音波探傷装置の一例を示すブロック図である。 超音波素子の略示断面図である。 実験に用いた検査対象物としての鋼材の構造を示す模式図である。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 鋼材と非金属介在物との間の結合剛性を示すグラフである。 超音波受信子からの信号に含まれる入射波振幅と、高調波を示すグラフである。

符号の説明

１０…探傷装置
１２…水槽
１４…テーブル
１６…検査対象物
１８…超音波素子
１８ａ…超音波受信子
１８ｂ…超音波送信子
２０…走査装置
２２…駆動装置
２４…制御装置
２６…パーソナルコンピュータ
２８…オシロスコープ

Claims (9)

1. 検査対象物である鋼材の一側面を臨むように超音波送信子と超音波受信子とを配置する段階と、
   前記超音波送信子から超音波バースト波を送出する段階と、
   前記検査対象物から反射した超音波バースト波を前記超音波受信子により受信する段階と、
   前記超音波受信子から送出される信号を処理して、前記反射した超音波バースト波の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比を得る段階とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記反射した超音波バースト波の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比により区別して検出する超音波探傷方法。
2. 検査対象物である鋼材の一側面を臨むように超音波送信子と超音波受信子とを配置する段階と、
   前記超音波送信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出する段階と、
   前記検査対象物から反射した超音波バースト波を前記超音波受信子により受信する段階と、
   前記超音波受信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出し、反射した２種の超音波バースト波の波形を重ね合せ偶数次の高調波の振幅を算出する段階とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記偶数次の高調波の振幅により区別して検出する超音波探傷方法。
3. 超音波探傷方法において、
   超音波送信子および超音波受信子を検査対象物である鋼材の一側面を臨むように位置決めする段階と、
   前記検査対象物へ向けて超音波送信子から超音波パルス波を照射する段階と、
   前記検査対象物からの反射波を前記超音波受信子により受信する段階と、
   前記超音波受信子から送出される信号を処理して該信号中に前記検査対象物の内部欠陥からの反射波が含まれていないか否かを判定する段階と、
   前記超音波受信子からの信号に前記検査対象物の内部欠陥からの反射波が含まれている場合に、前記超音波送信子から超音波バースト波を照射する段階と、
   前記検査対象物からの反射波を前記超音波受信子により受信する段階と、
   前記超音波受信子から送出される信号を処理して、前記反射波振幅の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比を得る段階とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記反射波振幅の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比により区別して検出する超音波探傷方法。
4. 前記超音波送信子は、前記超音波受信子の周囲を包囲するように同心に配置されている請求項１から３の何れか１項に記載の超音波探傷方法。
5. 超音波探傷装置において、
   検査対象物である鋼材を固定する手段と、
   検査対象物の一側面を臨むように位置決めされた超音波送信子と、
   検査対象物の一側面を臨むように位置決めされた超音波受信子と、
   前記超音波送信子に接続され該超音波送信子から超音波バースト波を送出せしめる発信子と、
   前記超音波受信子から送出される信号を処理して、前記反射した超音波バースト波の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比を得るための信号処理手段とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記反射した超音波バースト波の入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比により区別して検出する超音波探傷装置。
6. 超音波探傷装置において、
   検査対象物である鋼材を固定する手段と、
   検査対象物の一側面を臨むように位置決めされた超音波送信子と、
   検査対象物の一側面を臨むように位置決めされた超音波受信子と、
   前記超音波送信子に接続され該超音波送信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出せしめる発信子と、
   前記超音波受信子から極性の異なる２種の超音波バースト波を送出し、反射した２種の超音波バースト波の波形を重ね合せ偶数次の高調波の振幅を算出するための信号処理手段とを具備し、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、該偶数次の高調波の振幅により区別して検出する超音波探傷装置。
7. 超音波探傷装置において、
   検査対象物である鋼材を固定する手段と、
   検査対象物の一側面を臨むように位置決めされた超音波送信子と、
   検査対象物の一側面を臨むように位置決めされた超音波受信子と、
   前記超音波送信子に接続され該超音波送信子から超音波パルス波と超音波バースト波とを選択的に照射せしめる発信子と、
   前記超音波受信子から送出される信号を処理する信号処理手段とを具備し、
   前記超音波送信子から照射された超音波パルス波に対する前記検査対象物からの反射波を前記超音波素子の超音波受信子により受信し、該超音波受信子から送出される信号を処理して前記検査対象物の内部欠陥からの反射波が含まれていないか否かを判定し、前記超音波受信子からの信号に前記検査対象物の内部欠陥からの反射波が含まれている場合に、前記超音波送信子から超音波バースト波を照射し、該超音波バースト波に対する前記検査対象物からの反射波を前記超音波素子の超音波受信子により受信し、該超音波受信子から送出される信号を処理して、前記反射波の入射超音波バースト波振幅に対する二次高調波の振幅の比を得るようにし、検査対象物に含まれる非金属介在物と気泡とを、前記反射波の入射超音波バースト波振幅に対する二次高調波の振幅の比により区別して検出する超音波探傷装置。
8. 更に水を貯留するための貯水手段を具備し、前記検査対象物および超音波素子を前記貯水手段により貯留された水中に浸漬するようにした請求項５から７の何れか１項に記載の超音波探傷装置。
9. 前記超音波素子は、少なくとも向かい合う前記検査対象物の平面に沿って該検査対象物に対して相対的に移動可能に設けられている請求項５から７の何れか１項に記載の超音波探傷装置。

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