JP4610398B2 - 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

鋼材スラブは可能な限り均質に製造されるべきであるが、結晶粒径を完全に統一することは不可能であり、非金属介在物が含まれていないとしても、一定の不均性を有している。不均質な材料に対して超音波探傷試験を行った場合、観測される波形には検出すべき介在物からの応答だけでなく、同時に材料中に存在する不均質性に基づくノイズや結晶粒界での散乱ノイズが含まれている。上記公報に開示された装置および方法では、こうした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。

このノイズの特性を調べ応答波形からノイズを取り除くことができれば、超音波探傷試験の精度向上につながると考えられる。
そこで本発明は、超音波探傷方法および装置において、被検査対象物である鋼材、例えば鋼材スラブに向けて照射した超音波の反射波に含まれるノイズを分離して正確に非金属介在物の存在有無を判定できるようにすることを目的としている。

請求項１に記載の本発明は（ａ）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配置する段階と、（ｂ）前記超音波送信子から超音波バースト波を前記検査対象物に送信する段階と、（ｃ）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、（ｄ）前記超音波受信子から送出される信号を処理して、入射波振幅に対する前記反射した超音波バースト波の二次高調波の振幅の比を得る段階と、（ｅ）前記超音波送信子へ印加する入力電圧を変化させる段階と、（ｆ）前記段階（ｂ）〜（ｅ）を繰り返して前記入力電圧の変化と前記入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比の変化とを関連づける段階とを具備した検査対象物である鋼材に含まれる非金属介在物を検出する超音波探傷方法を要旨とする。

請求項４に記載の本発明は、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、前記検査対象物の一面を臨むように位置決めされて超音波バースト波を送信する超音波送信子と、前記検査対象物の前記一面を臨むように位置決めされて前記検査対象物から反射した超音波バースト波を受信する超音波受信子と、前記超音波受信子から送出される信号を処理して、入射波振幅に対する前記反射した超音波バースト波の二次高調波の振幅の比を得るための信号処理手段と、前記超音波送信子へ印加する入力電圧の変化と前記入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比の変化とを関連づける手段と、を具備した検査対象物である鋼材に含まれる非金属介在物を検出する超音波探傷装置を要旨とする。

本願発明によれば、超音波バースト波を照射してその反射波を処理して、入力電圧の変化と入射波振幅に対する反射波の二次高調波の振幅の比の変化とを関連づけることにより、前記反射波が介在物からの反射波であるように見えるときに、該反射波が欠陥信号であるかノイズ信号であるかを判定可能となる。

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のための発振子（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、精錬の段階で溶鋼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、冷却過程において鋼材表面から内部へ凝固が進むときに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。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、鋼材の母相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２以上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。

非線形応力歪みの関係は以下の式にて与えられる。
σ＝Ｅ_1ε＋Ｅ_2ε ² （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、伝播距離ｘ、および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、鋼材結晶粒と結晶粒との界面では、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。また、鋼材結晶粒と気泡との界面でも、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。従って、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の判定も可能となる。

然しながら、超音波受信子が受信する反射波には、介在物からの反射波（欠陥信号）に加えて、介在物からの反射波とは無関係の反射波（ノイズ信号）が含まれている。このノイズ信号は、材料中に存在する不均質性に基づくノイズや結晶粒界での散乱ノイズ等、種々の原因によって発生するが、本発明は、このノイズ信号と欠陥信号と分離することを主眼としている。

以下、図１１、１２を参照して、ノイズ信号と欠陥信号とを分離する方法について説明する。
図１１は、実験に用いたサンプルスラブを示している。サンプルスラブ３０は、円柱状の下部３２と、接合面３６で下部３２に接合された上部３４とを有し、接合面３４に介在物として、０．８ｍｍ、０．７ｍｍ、０．６ｍｍ、０．５ｍｍの直径を有した４つのアルミナ系材料から成る小球３８が配置されている。上部３４は、下部３２と同一直径の円柱部３４ａと該円柱部３４ａの上面に連結され上方に広がる円錐部３４ｂとから成り、超音波素子１８から円錐部３４ｂの上面に向け集束する超音波を照射した。

実験は、超音波送信子へ印加する入力電圧Ｖiを変化させて、上述した方法で入射波振幅に対する二次高調波振幅の比Ａ₂／Ａ₁を測定した。図１２は、測定結果を示したグラフであり、縦軸はＡ₂／Ａ₁をパーセント表示した値であり、横軸は最大入力電圧Ｖmaxに対する入力電圧Ｖ_iをパーセント表示した値である。なお、図１２において、図１１（ｂ）に示している球形介在物を配置した以外の、ある測定箇所の一例が測定箇所Aとして示されている。また、図１２のグラフにおいて、０．８ｍｍの小球からの信号は実線で示され、０．７ｍｍの小球からの信号は破線で示され、０．６ｍｍの小球からの信号は一点鎖線で示され、０．５ｍｍの直径の小球からの信号は二点鎖線で示されている。点線は、小球３８を外して超音波バースト波を照射した場合のＡ₂／Ａ₁を示している。

図１２を参照すると、小球３８の各々へ向けて超音波バースト波を照射した場合には、Ａ₂／Ａ₁の値は入力電圧Ｖiに概ね比例しているが、小球３８を外して超音波バースト波を照射した場合には、Ａ₂／Ａ₁の値は入力電圧Ｖiに比例していないことが理解される。これは、入射振幅Ａ₁が入力電圧Ｖ_iに比例し、かつ、式（４）からＡ₂／Ａ₁が入射振幅Ａ1に比例するからである。

従って、本実施形態によれば、既述した超音波パルス波または超音波バースト波をスラブに向けて照射して介在物の存在を示す信号を得た部分（欠陥候補）に関して、更に、入力電圧Ｖ_iを変化させつつＡ₂／Ａ₁の値を求めることにより、ノイズ信号を除去することができ、より正確に介在物の存在を検知可能となる。

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。 実験に用いたサンプルスラブの略示図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はサンプルスラブの下部の接合面に配置した球形介在物を示す端面図である。 実験結果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. （ａ）検査対象物である鋼材の一面を臨むように超音波送信子と超音波受信子と配置する段階と、
   （ｂ）前記超音波送信子から超音波バースト波を前記検査対象物に送信する段階と、
   （ｃ）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、
   （ｄ）前記超音波受信子から送出される信号を処理して、入射波振幅に対する前記反射した超音波バースト波の二次高調波の振幅の比を得る段階と、
   （ｅ）前記超音波送信子へ印加する入力電圧を変化させる段階と、
   （ｆ）前記段階（ｂ）〜（ｅ）を繰り返して前記入力電圧の変化と前記入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比の変化とを関連づける段階を具備した検査対象物である鋼材に含まれる非金属介在物を検出する超音波探傷方法。
2. （ｇ）前記入力電圧と前記入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比との間に線形関係がある場合に介在物が存在すると判断する段階を更に含む請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 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または２に記載の超音波探傷方法。
4. 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、
   前記検査対象物の一面を臨むように位置決めされて超音波バースト波を送信する超音波送信子と、
   前記検査対象物の前記一面を臨むように位置決めされて前記検査対象物から反射した超音波バースト波を受信する超音波受信子と、
   前記超音波受信子から送出される信号を処理して、入射波振幅に対する前記反射した超音波バースト波の二次高調波の振幅の比を得るための信号処理手段と、
   前記超音波送信子へ印加する入力電圧の変化と前記入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比の変化とを関連づける手段と、
   を具備した検査対象物である鋼材に含まれる非金属介在物を検出する超音波探傷装置。
5. 前記入力電圧と前記入射波振幅に対する二次高調波の振幅の比との間に線型関係がある場合に介在物が存在すると判断する手段を更に含む請求項４に記載の超音波探傷装置。
6. 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４または５に記載の超音波探傷装置。
7. 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４から６の何れか１項に記載の記載の超音波探傷装置。
8. 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４から７の何れか１項に記載の超音波探傷装置。
9. 前記検査対象物は溶融鋼材を鋳造した鋼材であり、前記超音波素子は、前記鋼材を検査対象物として配置されている請求項４から８の何れか１項に記載の超音波探傷装置。

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