JP4761147B2 - 超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、供用中の発電プラントや化学プラント、圧力容器、橋梁等の大型構造物や鉄鋼を始めとする金属製品（板材及び棒材、管材、車軸、レール等）、あるいは電気装置や機械装置、化学装置を構成している部品や部材等の固体表面に発生した表面き裂の傾き角を迅速かつ高精度に評価するための超音波探傷方法及び装置に関するものである。

従来、対となる送波用探触子と受波用探触子を用いて、送波用探触子から送波された超音波が欠陥の端部に入射して生じる回折波を受波用探触子で受波し、その際の回折波の放射指向性に基づいて、欠陥の傾き角を推定する超音波探傷方法及び装置は公知である（特許文献１参照）。

図１に同文献１の概略図を示す。欠陥１の傾き角γは（１）式で求めることができる。
（１） γ＝｛ｔａｎ^−１（Ｙｍａｘ／Ｚ）｝ − α
ただし、Ｚは欠陥１の端部から送波用探触子２と受波用探触子３のそれぞれの入射点を結ぶ直線への距離である。Ｙｍａｘは、回折波の受信信号が最大となる受波位置から、送波用探触子２と受波用探触子３のそれぞれの入射点を結ぶ直線へ欠陥１の端部から引いた法線までの距離である。αは欠陥の端部に入射した超音波によって生じる回折波の放射指向性によって定まる角度であり、約６０度である。

同文献１記載の発明では、受波用探触子を前後に走査して回折波の受信信号が極大になる位置Ｙｍａｘを検出する。しかし、受波位置の変化に伴う受波信号の振幅変化は緩やかであるため、受波信号が極大になる位置の検出は必ずしも容易ではなく、それに要する作業量も無視できない。

また、傾き角γが３０度を超えると（１）式の第一項ｔａｎ^−１（Ｙｍａｘ／Ｚ）は９０度を超えてしまい、受波信号が極大になる位置を検出することが困難になる。この場合には、送波用探触子２と受波用探触子３との位置を入れ替えて再度走査することになり、さらに作業量が増加する。

固体の面状欠陥に対して探触子を前後走査しながら超音波を入射させ、その超音波の各ビーム路程と、該各ビーム路程に対応して受信される、前記固体の面状欠陥から反射する反射波のエコー高さと、から得られるエコー包絡線の傾きを評価指標として、面状欠陥の傾き角を測定する方法は公知である（特許文献２参照）。

この方法では、あらかじめ測定しておいた面状欠陥の傾き角αとエコー包絡線の傾きとの関係式を利用して傾き角を推定する。このためには傾き角の異なる複数の試験片を準備し、各々の試験片についてビーム路程とエコー高さとの関係式を求めた後に、関係式と傾き角αとの調べる必要があり、多くの作業が必要になる。

しかも、このようにして求めた面状欠陥の傾き角αとエコー包絡線の傾きとの関係式は普遍的なものではなく、測定に使用する超音波周波数や探触子の直径あるいは試験対象の材料が異なると改めて関係式を求める必要がある。

Time-of-flight diffraction法(ＴＯＦＤ法)によって欠陥の傾き角を測定する手段は公知である（非特許文献１参照）。

図２に同文献１の概略図を示す。送波用探触子２及び受波用探触子３を一定の距離を隔てて配置し、送波用探触子２から試験対象に超音波（通常は縦波）を放射する。放射された超音波は、試験対象内を複数の経路で伝搬した後に、受波用探触子３で観測される。試験対象内に欠陥１がある場合には、表面近傍を伝搬したラテラル波が観測された後に、上端回折波、下端回折波、底面反射波の順で超音波が観測される。試験対象の音速と超音波の伝搬時間との積から各波（ラテラル波及び上端回折波、下端回折波）の伝搬経路長さを求めることができる。

本手法を用いた欠陥の傾き角の計測では、欠陥上端及び下端の位置（水平及び深さ）を知る必要がある。そのために、送波用探触子２と受波用探触子３との距離を一定に保ちながら探触子を走査し、上端（あるいは下端）回折波の伝搬時間が極小になる位置を検出する。この時、欠陥上端（あるいは下端）は送波用探触子及び受波用探触子の中央に位置することになり、水平方向の位置を求めることができる。

ここで求めた欠陥上端（あるいは下端）の水平方向の位置と上端（あるいは下端）回折波の伝搬経路長さとから、き裂上端（あるいは下端）の深さ方向の位置を求めることができる。このようにして求めたき裂上端及び下端の位置から欠陥の傾き角を求めることができる。

表面き裂の傾き角の測定では、上記の方法で求めたき裂下端の位置と目視や表面波超音波の反射法を用いて求めたき裂開口部（き裂上端）の位置とからき裂の傾き角を求める。

この方法を用いて表面き裂の傾き角を求めるには、送波用探触子と受波用探触子との距離を一定に保ちながら走査し、下端回折波の伝搬時間が極小になる位置を決定する必要があり、その作業量を無視することはできない。また従来のＴＯＦＤ法には、試験体の表面近くにある欠陥の測定が困難になるという問題点がある。
特開２００５−３４５２１７号公報 特公平５−１８３８０号公報 平成１３年度千葉県機械金属試験場研究報告１８〜２０頁、"超音波探傷試験TOFD法に関する研究（きずの傾き測定）"

供用中の大型構造物やプラント、電気装置、機械装置を安全に長期間稼働させるためには、それらの製造過程や運転中に発生した欠陥を早期に検出し、これらの欠陥の大きさや長さ、高さ等の定量的なデータから破壊力学に基づいてリスクや余寿命を定量的に評価し、必要に応じて欠陥の除去や補修、部材の交換を行うことが必要である。

超音波探傷法は、垂直探傷法や斜角探傷法によって検出した欠陥の大きさや長さ、高さをＤＧＳ線図法やＤｅデシベルドロップ法、評価レベル法、端部エコー法等を用いて評価する非破壊検査法の一種であり、かなりの定量性を有する手段として多くの分野で採用されている。

しかし近年では、より定量的な検査結果が求められるようになってきた。その一つがき裂の傾き角測定である。従来の垂直探傷法や斜角探傷法によるき裂の測定では、き裂の傾き角の影響を受けて、その大きさを過小評価しうることが問題となっている。この問題を解決するために、いくつかのき裂の傾き角測定法及び装置が開発されてきた。

しかし、これらのき裂の傾き角測定法は、多くの予備測定、あるいは信号振幅の極大点や伝搬時間の極小点の決定に多くの作業を必要とするなど、迅速な測定に課題を残している。

本発明は、探触子の走査を不要として迅速な測定を可能とし、しかも超音波パルスの伝搬時間のみによって傾き角を求め、信号振幅の影響を受けにくく高精度な測定を実現しようとするものであり、そのために、本発明では、表面き裂の先端を経由する複数モードの超音波パルスを検出し、それらの超音波パルスの伝搬時間から表面き裂の傾き角を推定する超音波探傷方法及び装置を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、固体の表面き裂の開口縁の第１のカ所から該固体表面に沿って検出点まで直接伝搬する超音波である直接波を発生させて、該直接波を前記検出点で検出するとともに、前記開口縁の前記第１のカ所に対向する第２のカ所から前記表面き裂の表面に沿ってき裂先端を迂回してから該固体表面に沿って検出点まで伝搬する超音波である迂回波を発生させて、該迂回波を前記検出点で検出し、さらに、前記第１のカ所及び第２のカ所から伝搬し、き裂先端で縦波及び横波にそれぞれモード変換した超音波である縦波モード変換波及び横波モード変換波の少なくとも一つを前記検出点で検出し、前記直接波と、迂回波と、縦波モード変換波又は横波モード変換波と、についての、それぞれの発生カ所から前記検出点までの伝搬時間、及び超音波の音速に基づいて、表面き裂の傾き角を得ることを特徴とする超音波探傷方法及び装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、固体の表面き裂の開口縁に超音波を送波する超音波送波器と、前記開口縁から離れた箇所において超音波を受波する超音波受波器と、該超音波受波器に接続された信号処理部と、該信号処理部に接続された表示部と、制御部とを備えた超音波探傷装置であって、前記超音波送波器は、前記開口縁に超音波を送波し、前記固体の表面き裂の開口縁の第１のカ所から該固体表面に沿って検出点まで直接伝搬する表面波超音波である直接波を発生させるとともに、前記開口縁の前記第１のカ所に対向する第２のカ所から前記表面き裂の表面に沿ってき裂先端を迂回してから該固体表面に沿って検出点まで伝搬する表面波超音波である迂回波を発生させるものであり、前記超音波受波器は、前記検出点で、前記直接波及び前記迂回波を検出するとともに、前記第１のカ所及び第２のカ所から伝搬し、き裂先端で縦波及び横波にそれぞれモード変換した超音波である縦波モード変換波及び横波モード変換波の少なくとも一つを検出するものであり、
前記信号処理部は、前記直接波と、迂回波と、縦波モード変換波又は横波モード変換波と、についての、それぞれの発生カ所から前記検出点までの伝搬時間、及び超音波の音速に基づいて、表面き裂の傾き角を得る処理を行うものであることを特徴とする超音波探傷装置を提供する。

以上のような構成の本発明に係る超音波探傷方法及び装置によれば、次のような効果が生じる。
（１）従来のき裂の傾き角測定法は、多くの予備測定、あるいは信号振幅の極大点や伝搬時間の極小点の決定に多くの作業時間を必要とするなど、迅速な測定に課題を残していた。しかし本発明によれば、表面き裂の先端を経由する複数モードの超音波パルスを検出し、それら複数の超音波パルスの伝搬時間から表面き裂の傾き角を推定することができる。

（２）探触子の走査が不要なため迅速な測定が可能であり、しかも超音波パルスの伝搬時間のみによって傾き角を求めているため信号振幅の影響を受けにくい測定を実現できる。

（３）表面き裂の傾き角度を測定することにより、超音波非破壊検査におけるき裂の大きさや長さ、高さの測定精度、すなわち検査の信頼性や定量性が向上する。このことによって、発電プラントや化学プラント、圧力容器、橋梁等の大型構造物や鉄鋼を始めとする金属製品（板材及び棒材、管材、車軸、レール等）、あるいは電気装置や機械装置、化学装置をより安全に運用することが可能となる。

本発明に係る超音波探傷方法及び装置を実施するための最良の形態、及び実施例を図面を参照して、以下に説明する。

本発明に係る超音波探傷方法及び装置は、表面き裂の両エッジ近傍で発生させた二つの表面波（直接波と迂回波）に加えて、二つの表面波がき裂先端で縦波や横波にモード変換した超音波を少なくとも一つは検出し、これら三つ以上の超音波の音速と検出点への伝搬時間から表面き裂の傾き角を推定する方法及び装置である。

ここで、表面き裂開口部の位置は、目視による表面観測や表面波超音波の反射法等によって明らかになっているものとする。また、試験対象の縦波音速Ｖ_Ｌ及び横波音速Ｖ_Ｓ、表面波音速Ｖ_Ｒも既知とする。

図３に本発明の方法及び装置を説明する概略図を示す。表面き裂４の開口部５の両エッジＥｎ、Ｅｆ近傍に急激な応力を加えることによって両エッジＥｎ、Ｅｆから発生させた超音波パルスを検出点Ｏで観測する。検出点Ｏで観測されうる超音波パルスは、表面波及び表面波がき裂４の先端６で縦波及び横波に変換されたモード変換波、モード変換波の底面反射波、バルク波の底面反射波の四グループに分類することができる。

第一のグループは、表面波であり、直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２がある。直接波Ｒ１は、検出点Ｏから近いエッジＥｎで発生した超音波が表面波音速Ｖ_Ｒで伝搬し、検出されたものである。迂回波Ｒ２は、検出点Ｏから遠いエッジＥｆで発生した超音波が表面波音速Ｖ_Ｒで伝搬し、検出されたものである。迂回波Ｒ２はき裂表面を往復した後に、直接波Ｒ１と同じ経路で検出点Ｏに向かう。このため、直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２には表面き裂深さの２倍に相当する伝搬経路長差がある。

第二のグループは、両エッジＥｎ、Ｅｆで発生した表面波がき裂４の表面に沿って伝搬した後にき裂４の先端６で縦波及び横波に変換されたモード変換波であり、表面波が縦波に変換されたＲ−Ｌ１及び表面波が横波に変換されたＲ−Ｓ１がある。これらのモード変換波Ｒ−Ｌ１及びＲ−Ｓ１の伝搬時間は、き裂深さ及びき裂傾き角の情報を含んでいる。

第三のグループは、両エッジＥｎ、Ｅｆで発生した表面波がき裂４の先端６で縦波及び横波に変換されたモード変換波の底面反射波であり、表面波が縦波に変換されたモード変換波の底面反射波Ｒ−Ｌ２及び表面波が横波に変換されたモード変換波の底面反射波Ｒ−Ｓ２がある。これらのモード変換波の底面反射波Ｒ−Ｌ２及びＲ−Ｓ２の伝搬時間は、き裂深さ及びき裂傾き角、試験対象の厚さの情報を含んでいる。

第四のグループは、バルク波の底面反射波であり、縦波Ｌの底面反射波２Ｌ及び横波Ｓの底面反射波２Ｓ、縦波Ｌが底面反射するときに横波Ｓに変換された波Ｌ−Ｓ、横波Ｓが底面反射するときに縦波Ｌに変換された波Ｓ−Ｌがある。これらのバルク波の底面反射波２Ｌ及び２Ｓ、Ｌ−Ｓ、Ｓ−Ｌの伝搬時間は、試験対象の厚さの情報を含んでいる。

これらのことから、直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２の伝搬時間に加えて、モード変換波Ｒ−Ｌ１またはＲ−Ｓ１の伝搬時間を計測することにより、検出点Ｏからき裂４までの距離及びき裂４の深さ、き裂４の傾き角を推定することが可能となる。

直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２に加えて、モード変換波Ｒ−Ｌ１及びＲ−Ｓ１の伝搬時間を計測できた場合には、最小自乗法等によりき裂４までの距離やき裂４の深さ、き裂４の傾き角の推定値の信頼性を高めることができる。

試験対象の厚さが分かっている場合には、直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２の伝搬時間に加えて、モード変換波の底面反射波Ｒ−Ｌ２またはＲ−Ｓ２の伝搬時間を計測することにより、検出点Ｏからき裂までの距離及びき裂の深さ、き裂の傾き角を推定することが可能である。

図４に傾いた表面き裂４の概略図を示す。発生させた超音波パルスを観測する検出点Ｏを座標の原点（０，０）とする。検出点Ｏからき裂４までの距離をｄとする。検出点に近いき裂エッジをＥｎとし、遠いき裂エッジをＥｆとする。Ｃｔｉｐはき裂４の先端を表しており、その座標は（Ｘｔｉｐ， Ｙｔｉｐ）である。表面き裂４の深さ及び傾き角をそれぞれＬ及びθとする。

ここで傾き角θは、き裂先端Ｃｔｉｐが検出点Ｏから離れる方向を正とする。き裂４の幅は、検出点Ｏからき裂までの距離ｄ及びき裂深さＬよりも十分に小さい。き裂先端Ｃｔｉｐから検出点Ｏまでの伝搬距離をＤ_１とする。き裂先端Ｃｔｉｐから放射された超音波が底面で反射し検出点Ｏに向かう伝搬距離をＤ_２とする。試験対象の厚さをｈとする。

このとき、表面波及びモード変換波、モード変換波の底面反射波、バルク波の底面反射波の伝搬時間は以下の（２）〜（１３）式を用いて表される。先に述べたように、これらの伝搬時間の関係式を解くことによって、表面き裂の傾き角を推定することができる。

（２）表面波（直接波）Ｒ１の伝搬時間 Ｔ_Ｒ１＝ｄ／Ｖ_Ｒ
（３）表面波（迂回波）Ｒ２の伝搬時間 Ｔ_Ｒ２＝（ｄ＋２Ｌ）／Ｖ_Ｒ
（４）モード変換波Ｒ−Ｌ１の伝搬時間 Ｔ_Ｒ−Ｌ１＝Ｌ／Ｖ_Ｒ＋Ｄ_１／Ｖ_Ｌ
（５）モード変換波Ｒ−Ｓ１の伝搬時間 Ｔ_Ｒ−Ｓ１＝Ｌ／Ｖ_Ｒ＋Ｄ_１／Ｖ_Ｓ
（６）モード変換波の底面反射波Ｒ−Ｌ２の伝搬時間 Ｔ_Ｒ−Ｌ２＝Ｌ／Ｖ_Ｒ＋Ｄ_２／Ｖ_Ｌ
（７）モード変換波の底面反射波Ｒ−Ｓ２の伝搬時間 Ｔ_Ｒ−Ｓ２＝Ｌ／Ｖ_Ｒ＋Ｄ_２／Ｖ_Ｓ
（８）バルク波Ｌの底面反射波の伝搬時間 Ｔ_２Ｌ＝（ｄ^２＋４ｈ^２）^１／２／Ｖ_Ｌ
（９）バルク波Ｓの底面反射波の伝搬時間 Ｔ_２Ｓ＝（ｄ^２＋４ｈ^２）^１／２／Ｖ_ｓ
（１０）バルク波Ｌ−Ｓの底面反射波の伝搬時間 Ｔ_Ｌ−Ｓ＝０．５×（Ｔ_２Ｌ＋Ｔ_２Ｓ）
（１１）バルク波Ｓ−Ｌの底面反射波の伝搬時間 Ｔ_Ｓ−Ｌ＝Ｔ_Ｌ−Ｓ
（１２）伝搬距離 Ｄ_１＝（ｄ^２＋２ｄＬｓｉｎθ＋Ｌ^２）^１／２
（１３）伝搬距離 Ｄ_２＝（ｄ^２＋２ｄＬｓｉｎθ＋Ｌ^２＋４ｈ^２−４ｈＬｃｏｓθ）^１／２

直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１が観測された場合には、（２）及び（３）、（５）の三つの式が成立する。以下に示すように、これらの三つの式を解くことによって検出点Ｏからき裂４までの距離ｄ及びき裂４の深さＬ、き裂４の傾き角θを求めることができる。
（１４）検出点Ｏからき裂４までの距離 ｄ＝Ｔ_Ｒ１Ｖ_Ｒ
（１５）き裂４の深さ Ｌ＝０．５×Δｔ×Ｖ_Ｒ
（１６）き裂４の傾き角

（１７）Δｔ＝Ｔ_Ｒ２−Ｔ_Ｒ１

図５は、本発明に係る超音波探傷装置７の概略図を示す。この装置７は、表面き裂４の傾き角を測定できる装置であり、固体８の表面き裂４の開口縁９に超音波を送波する超音波送波器１０と、前記開口縁９から離れた箇所において超音波を受波する超音波受波器１１と、該超音波受波器１１に接続された信号処理部１２と、該信号処理部１２に接続された表示部１３と、制御部１４とを備えている。

超音波送波器１０を用いて表面き裂４の開口縁９に超音波を送波し、開口縁９の互いに対向する両エッジＥｎ、Ｅｆ近傍に応力を加えることによって表面波を発生させる。即ち、超音波送波器１０は、固体８の表面き裂４の開口縁９の第１のカ所（エッジＥｎ）から固体表面に沿って検出点（超音波受波器１１の設置点）まで直接伝搬する表面波超音波である直接波を発生させるとともに、開口縁９の第１のカ所（エッジＥｎ）に対向する第２のカ所（エッジＥｆ）から表面き裂４の表面に沿ってき裂先端を迂回してから固体表面に沿って検出点まで伝搬する表面波超音波である迂回波を発生させる。

なお、超音波を発生させる位置は厳密に表面き裂４のエッジＥｎ、Ｅｆである必要はなく、発生位置と表面き裂４のエッジとの距離が明らかであれば、伝搬時間を補正することが可能である。

このようにして発生した表面波は、先に述べた複数の経路を伝搬した後に、超音波受波器１１によって検出される。即ち、超音波受波器１１は、検出点（超音波受波器１１の設置点）で、直接波及び迂回波を検出するとともに、第１のカ所Ｅｎ及び第２のカ所Ｅｆから伝搬し、き裂４の先端で縦波及び横波にそれぞれモード変換した超音波である縦波モード変換波及び横波モード変換波の少なくとも一つを検出する。

制御部１４は、超音波送波器１０や超音波受波器１１の位置（超音波送波器１０、超音波受波器１１は位置可変に設定可能である。）の及び超音波信号の発生・検出等のタイミングを制御する。信号処理部１２では、受波信号から直接波及び迂回波、モード変換波、モード変換波の底面反射波、バルク波を抽出し、ここから得られる各波の伝搬時間に加えて音速、超音波送受波点の位置情報から表面き裂４の傾き角を算出する。

即ち、信号処理部１２は、前記直接波と、迂回波と、縦波モード変換波又は横波モード変換波と、についての、それぞれの発生カ所から前記検出点までの伝搬時間、及び超音波の音速に基づいて、表面き裂４の傾き角を得る処理を行う。

そして、表示部１３では、算出された表面き裂４の傾き角を表示する。

本発明の実施例１を説明する。この実施例１では本発明に係る超音波探傷装置７を使用し、上記試験対象は、直径６５ｍｍ、厚さｈが１５ｍｍの鉄系合金であり、その直径に沿ってき裂幅０．２ｍｍ、き裂深さＬ＝５ｍｍのスリット加工を施した。スリットの傾き角θは０度に設定した。

試験対象の縦波音速Ｖ_Ｌ及び横波音速Ｖ_Ｓの実測値は、Ｖ_Ｌ＝５９１０ｍ／ｓ及びＶ_Ｓ ＝３１６０ｍ／ｓであった。試験対象を等方体と仮定し、縦波及び横波の実測値から表面波音速Ｖ_ＲをＶ_Ｒ＝２９３１ｍ／ｓと算出した。検出点Ｏからき裂までの距離ｄは、ｄ＝５ｍｍである。

超音波パルスの発生には、パルス幅４ｎｓ、出力２ｍＪ／パルスのＹＡＧレーザをスリットに線状に集光した。照射面でのパルスＹＡＧレーザの強度は熱弾性領域にあり、試験対象を損傷させることなく計測を行うことができる。超音波の検出には光干渉計を使用した。ここでは超音波を発生させるパルスレーザ光の一部を高速のフォトダイオードに入射し、その出力信号を超音波波形記録のトリガー信号としている。

図６に観測された超音波波形を示す。直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１が１．７７μｓ及び５．２６μｓ、４．０２μｓに明瞭に観測されている。

直接波Ｒ１の伝搬時間から、（１４）式を用いて検出点Ｏからき裂の距離ｄを５．２ｍｍと算出した。直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２の伝搬時間から、（１５）及び（１７）式を用いてき裂の深さＬを５．１ｍｍと算出した。また直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１の伝搬時間から、（１６）及び（１７）式を用いてき裂の傾き角θを−１．５度と算出した。

き裂の傾き角θ及び検出点Ｏからき裂までの距離ｄ、き裂の深さＬの推定値は設定値と良く一致している。これらの波以外にも、バルク波の底面反射波Ｌ−Ｓ（Ｓ−Ｌ）やモード変換波の底面反射波Ｒ−Ｓ２もしくはバルク波の底面反射波２Ｓと見られる超音波パルスが検出されている。

本発明の実施例２を示す。この実施例２では本発明に係る超音波探傷装置を使用し、試験対象は実施例１と同ロットで同サイズの鉄系合金であり、その直径に沿ってき裂幅０．２ｍｍ、き裂深さＬ＝３ｍｍのスリット加工を施した。ここではスリットの傾き角θを０度に設定した。検出点Ｏからき裂までの距離ｄは、ｄ＝５ｍｍである。

図７に観測された超音波波形を示す。直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１が１．７３μｓ及び３．７９μｓ、２．９２μｓに明瞭に観測されている。

直接波Ｒ１の伝搬時間から、（１４）式を用いて検出点Ｏからき裂の距離ｄを５．１ｍｍと算出した。直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２の伝搬時間から、（１５）及び（１７）式を用いてき裂の深さＬを３．２ｍｍと算出した。また直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１の伝搬時間から、（１６）及び（１７）式を用いてき裂の傾き角θを１．６度と算出した。

き裂の傾き角θ及び検出点Ｏからき裂までの距離ｄ、き裂の深さＬの推定値は設定値と良く一致している。この実施例においてもバルク波の底面反射波Ｌ−Ｓ（Ｓ−Ｌ）やモード変換波の底面反射波Ｒ−Ｓ２もしくはバルク波の底面反射波２Ｓと見られる超音波パルスが検出されている。

本発明のもう一つの実施例を示す。試験対象は先の実施例と同ロットで同サイズの鉄系合金であり、その直径に沿ってき裂幅０．２ｍｍ、き裂深さＬ＝５ｍｍのスリット加工を施した。ここでは傾き角θを４５度に設定した。検出点Ｏからき裂までの距離ｄは、ｄ＝５ｍｍである。

図８に観測された超音波波形を示す。直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１が１．７９μｓ及び５．１９μｓ、４．７３μｓに明瞭に観測されている。直接波Ｒ１の伝搬時間から、（１４）式を用いて検出点Ｏからき裂の距離ｄを５．２ｍｍと算出した。直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２の伝搬時間から、（１５）及び（１７）式を用いてき裂の深さＬを５．１ｍｍと算出した。

また、直接波Ｒ１及び迂回波Ｒ２、モード変換波Ｒ−Ｓ１の伝搬時間から、（１６）及び（１７）式を用いてき裂の傾き角θを４８．７度と算出した。検出点Ｏからき裂までの距離ｄ、き裂の深さＬの推定値は設定値と良く一致している。き裂の傾き角θの推定値と設定値には３．７度の差が見られるが、音速の測定精度や傾いたスリットの加工精度を考慮すると両者は良く一致していると考えられる。

ここでは、平板に存在する表面き裂の傾き角の推定法について述べてきたが、試験対象が段差を有する場合や曲面を有する場合においても、試験対象の形状が既知であれば本発明の方法及び装置によって表面き裂の先端の位置を決定し、その傾き角を推定することが可能である。

また、実施例１及び２、３ではパルスレーザを照射することによってき裂開口部近傍に超音波を発生させたが、超音波の発生には小型の超音波探触子を使用することが可能である。超音波の検出についても同様であり、光干渉計だけでなく小型の超音波探触子を使用することが可能である。

以上、本発明に係る超音波探傷方法及び装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、このような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

産業上の利用の可能性

本発明に係る超音波探傷は、以上のような構成であるから、供用中の発電プラントや化学プラント、圧力容器、橋梁等の大型構造物の定期的な非破壊検査や鉄鋼を始めとする金属製品（板材及び棒材、管材、車軸、レール等）及び固体材料一般の製造時におけるオンライン品質管理等に利用できると考えられる。

従来例（特許文献１）の概略図である。 従来例（非特許文献１）の概略図である。 本発明の概略図（発生させる超音波パルス）である。 測定対象である傾いた表面き裂の概略図である。 本発明に係る超音波探傷装置の概略図を示す。 本発明の実施例１における超音波波形（き裂深さＬ＝５ｍｍ、傾き角θ＝０度）を示す図である。 本発明の実施例２における超音波波形（き裂深さＬ＝３ｍｍ、傾き角θ＝０度）を示す図である。 本発明の実施例３における超音波波形（き裂深さＬ＝５ｍｍ、傾き角θ＝４５度）を示す図である。

符号の説明

１ 欠陥
２ 送波用探触子
３ 受波用探触子
４ 表面き裂
５ 表面き裂の開口部
６ 表面き裂の先端
７ 超音波探傷装置
８ 固体
９ 開口縁
１０ 超音波送波器
１１ 超音波受波器
１２ 信号処理部
１３ 表示部
１４ 制御部
Ｅｎ、Ｅｆ き裂開口部のエッジ

Claims (2)

1. 固体の表面き裂の開口縁に応力を加えて、
   前記開口縁の互いに対向するエッジのうちの検出点に近い第１のカ所から該固体表面に沿って検出点まで直接伝搬する表面波超音波である直接波を、前記応力により発生させて、該直接波を前記検出点で検出するとともに、
   前記開口縁の前記第１のカ所に対向する第２のカ所から前記表面き裂の表面に沿ってき裂先端を迂回してから該固体表面に沿って検出点まで伝搬する表面波超音波である迂回波を、前記応力により発生させて、該迂回波を前記検出点で検出し、
   さらに、前記第１のカ所及び第２のカ所から伝搬し、き裂先端で縦波及び横波にそれぞれモード変換した超音波である縦波モード変換波及び横波モード変換波の少なくとも一つを前記検出点で検出し、
   前記直接波と、迂回波と、縦波モード変換波又は横波モード変換波と、についての、それぞれの発生カ所から前記検出点までの伝搬時間、及び超音波の音速に基づいて、表面き裂の傾き角を得ることを特徴とする超音波探傷方法。
2. 固体の表面き裂の開口縁に超音波を送波する超音波送波器と、前記開口縁から離れた箇所において超音波を受波する超音波受波器と、該超音波受波器に接続された信号処理部と、該信号処理部に接続された表示部と、制御部とを備えた超音波探傷装置であって、
   前記超音波送波器は、前記開口縁に応力を加えて超音波を送波し、前記開口縁の互いに対向するエッジのうちの検出点に近い第１のカ所から該固体表面に沿って検出点まで直接伝搬する表面波超音波である直接波を発生させるとともに、前記開口縁の前記第１のカ所に対向する第２のカ所から前記表面き裂の表面に沿ってき裂先端を迂回してから該固体表面に沿って検出点まで伝搬する表面波超音波である迂回波を発生させるものであり、
   前記超音波受波器は、前記検出点で、前記直接波及び前記迂回波を検出するとともに、前記第１のカ所及び第２のカ所から伝搬し、き裂先端で縦波及び横波にそれぞれモード変換した超音波である縦波モード変換波及び横波モード変換波の少なくとも一つを検出するものであり、
   前記信号処理部は、前記直接波と、迂回波と、縦波モード変換波又は横波モード変換波と、についての、それぞれの発生カ所から前記検出点までの伝搬時間、及び超音波の音速に基づいて、表面き裂の傾き角を得る処理を行うものであることを特徴とする超音波探傷装置。
   

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