JP4773459B2 - 溶接構造体の欠陥検出 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用した、水、バラストまたは燃料の貯蔵に使用されるタンクなどの溶接構造体における腐食型欠陥検出の方法および装置に関する。

貯蔵タンクの検査に使用される現行の方法では、貯蔵タンクの内面に接近し、腐食を視覚的に評価することが必要である。これは、時間も費用もかかる手法であり、タンクを空にする必要があり、不都合な作業条件を伴う。局所的な検査の代替方法が、導波を使ってセンサから大領域を検査するものである。この手法は、石油パイプラインの腐食検出に使用されており、最近では、薄板の大領域の検査方法が開発されている。Ｐ・ウィルコックス、Ｍ・ロウおよびＰ・コーリー、「導波を使った大規模構造体の高速検査のためのＥＭＡＴアレイ」、定量的ＮＤＴの進捗評価、Ｄ・Ｏ・トンプソンおよびＤ・Ｅ・キメンティ編、ＡＩＰ会議録、第２２巻、２００３年（P Wilcox, M Lowe and P Cawley, "An EMAT array for the rapid inspection of large structures using guided waves", Review of progress in quantitative NDT, eds. D O Thompson and D E Chimenti, A.I.P. Conference Proceedings, Vol 22, 2003）、Ｐ・ウィルコックス、Ｍ・ロウおよびＰ・コーリー、「ＥＭＡＴアレイを利用した大規模金属板構造体の全方向性導波検査」、超音波強誘電体および周波数制御に関するＩＥＥＥ会報、２００４年（P Wilcox, M Lowe and P Cawley, "Omni-directional Guided Waves Inspection of Large Metallic Plate Structures Using an EMAT Array", IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 2004）、Ｐ・ウィルコックス、Ｍ・Ｊ・Ｓ・ロウおよびＰ・コーリー、「超音波導波を利用した長距離検査に対する分散の影響」、ＮＤＴ＆Ｅインターナショナル、３４、１〜９頁、２００１年（P Wilcox, M J S Lowe and P Cawley, "The effect of dispersion on long range inspection using ultrasonic guided waves", NDT & E International, 34, pp 1-9, 2001）を参照されたい。用いられる技法は、特殊な構造のＥＭＡＴトランスデューサを用いて電子指向式超音波ビームを生成することによって、２次元板をあらゆる方向に走査することを伴う。

非破壊試験（ＮＤＴ）分野で薄板に用いられる超音波は、一般に、ラム波である。ラム波は、ヴィクトロフ、音波学会、科学アカデミー、ソ連、「レイリー波およびラム波」、プレナム、１９６７年（Viktorov, Acoustic Institute, Academy of Sciences, USSR "Rayleigh and Lamb Waves", Plenum, 1967）で、次のように定義され、説明されている。「ラム波とは、自由境界を有する中空でない板（または積層）を伝搬する弾性摂動を言い、このために、波の伝搬方向と、板の面に垂直な方向の両方に変位が生じる。ラム波は、弾性導波路、この場合は、自由境界を有する薄板における正規の、または板モードの種類の１つを表す。このために、ラム波は、単に、薄板の正規モードと呼ばれることもある。しかし、この定義は、自由境界を有する薄板において、別の種類の正規モード、すなわち、動きが伝搬方向に対して垂直であり、板の境界に対して平行な横の正規モードが存在し得る限り、やや厳密さを欠くものである。

解析によれば、伝搬方向に対して垂直で、板厚に対して垂直な波動では、２つの波群、すなわち、いわゆる対称ラム波（Ｓ）と非対称ラム波（Ａ）があることが判明している。対称波では、運動は、板の厚さ方向の交互の膨張と収縮に似ており、他方、非対称波では、波動は、板厚の上下逆方向への板の交互の屈曲に似ている。次数（ｎ）と呼ばれる、有限数の両方の種類の波があり、より高次の波長は、０次に調和的に関連する。各次数は、位相速度と群速度が相互に異なる。

薄板中を伝搬する波には、例えば、せん断波（ＳＨ）、すなわち波動が板境界に対して平行な横波など、普通はラム波と呼ばれない他の種類の波もある。

薄板中の導波は、板が液体に浸漬されている場合、周囲の媒体にエネルギーを漏洩する。これは、媒体が粘性を有する場合に特に著しく、モードの種類が、面内運動ではなく、面外運動を有する表面変形を生じる場合に、ずっと頻繁に発生する。一般に、これは、非対称ラム波モードが高い減衰を有し、面外表面変形をほとんど伴わない対称ラム波モードが、液体負荷の結果としてごくわずかな減衰しか示さないことを意味する。しかしながら、これは、普通、面内表面変位を感知し得る専用のトランスデューサが必要とされることを意味する。表面取付け式ＥＭＡＴ（電磁超音波トランスデューサ）およびせん断圧電トランスデューサを使って、基本のＳ_０またはＳＨ_０モードなど、対称モードを生成、受信することができる。

導波検査に伴う問題は、一般に、波が、様々な周波数において様々な速度で伝搬する波（分散と呼ばれる現象）と同時に、不要なモードの励起および受信が、重なり合った、紛らわしい信号をもたらすために生じる。また、導波の使用に伴う典型的な実際の問題は、板端部からの反射、補強材の存在、溶接部および接合部の存在、ならびに板厚変化によっても生じる。
Ｐ・ウィルコックス、Ｍ・ロウおよびＰ・コーリー、「導波を使った大規模構造体の高速検査のためのＥＭＡＴアレイ」、定量的ＮＤＴの進捗評価、Ｄ・Ｏ・トンプソンおよびＤ・Ｅ・キメンティ編、ＡＩＰ会議録、第２２巻、２００３年 Ｐ・ウィルコックス、Ｍ・Ｊ・Ｓ・ロウおよびＰ・コーリー、「超音波導波を利用した長距離検査に対する分散の影響」、ＮＤＴ＆Ｅインターナショナル、３４、１〜９頁、２００１年 ヴィクトロフ、音波学会、科学アカデミー、ソ連、「レイリー波およびラム波」、プレナム、１９６７年

一般に、溶接接合部は、多くの有害な特徴が生じ得るために、性能の点から見て最も重要な領域であると認められている。これらの特徴には、微細構造の変化、溶接不完全部および残留応力が含まれる。また、これらの不完全部は、溶接部自体または溶接部に隣接する熱影響域（ＨＡＺ）における、選択腐食をもたらし得るとも考えられている。本発明は、溶接部または熱影響域の腐食検出を対象とする。特に、溶接部が不完全に仕上げられている可能性があり、または溶接部自体が、腐食領域から発する信号を不明瞭にしている可能性があると考えた場合、暗に、溶接部から発せられる反射を、腐食から発せられる反射と区別して検出するという別の任意選択要件も存在する。

本発明の概念は、所定のモードと周波数の超音波、一般にラム波を、この超音波の導波路を構成する溶接シーム部の長手方向に沿って伝搬するように導入するというものである。溶接部と板の厚さと材料特性の違いは、溶接部において、板と比べて異なる伝搬（位相）速度を生じさせ、これがさらに、以下で説明するように、溶接部を導波路として機能させる。本明細書では、「導波路」とは、超音波のエネルギーを閉じ込め、誘導する伝達媒体を意味するものである。閉じ込めは、導波路の境界の壁における波の内部反射によって発生する。完全な導波路作用では、境界において全反射が生じ、導波路からのエネルギー漏洩がない。しかしながら、実際には、内部反射が全反射に満たない場合、導波路からのエネルギー損失が生じ得る。導波路理論によれば、導波路の境界から外に向かって短い距離を拡散するエバネッセント波が存在し、以下で説明するように、本発明では、この特性が利用され得る。

本発明によれば、溶接部、および溶接部に隣接する熱影響領域の微細な疵が検出され得る。伝送信号のエネルギーが溶接シーム部に沿って伝送されるため、溶接シーム部内部の、または溶接シーム部に隣接する領域からの反射だけが発生することになる。さらに、不要なモードの励起と受信というＮＤＴのよくある問題は、いくつかの周波数領域では、伝送波が所定の周波数において単一モードでのみ伝搬することが判明しているため、大幅に低減される。

第１の態様において、本発明は、溶接金属構造体の欠陥を検出する方法であって、溶接シーム部に、または溶接シーム部に隣接して超音波トランスデューサを取り付けることと、導波路として働く溶接シーム部中を伝搬される超音波信号を発することと、溶接シーム部内部の、または溶接シーム部に隣接する欠陥を指示し得る信号の反射を検出することとを備える方法を提供する。

第２の態様において、本発明は、溶接金属構造体の欠陥を検出する装置であって、溶接シーム部に、または溶接シーム部に隣接して取り付けられ、導波路として働く溶接シーム部中を伝搬される超音波信号を発するように構成されている超音波トランスデューサと、溶接シーム部内部の、または溶接シーム部に隣接する欠陥を指示し得る信号の反射を検出する手段とを備える装置を提供する。

トランスデューサは、以下で説明するように、溶接シーム部が位置する板端部に取り付けられてもよい。代替として、トランスデューサは、溶接シーム部に隣接する板表面に取り付けられてもよい。トランスデューサは、金属板に磁気的に留められてもよく、機械的に留められてもよく、あるいは別の方法で金属板に固定されてもよい。トランスデューサは、圧電トランスデューサやＥＭＡＴ型トランスデューサでも、交差指電極トランスデューサでも、非破壊試験で使用される別の種類のトランスデューサでもよい。

トランスデューサは、好ましくは、信号を送信すると共に、反射信号を受信するように構成される。トランスデューサ素子には、送信用の信号を提供し、受信した信号を処理する送受信手段が結合される。好ましい伝送信号は、潜在的欠陥領域からの反射が「エコー」パルスとして検出されるように、パルス形を有する。パルス信号は、基本周波数前後の周波数を有する波束として送られる。パルスは、帯域幅を低減するように、例えば、ハニング窓（２乗余弦関数）によって、パルスの分散を低減するように整形される。というのは、より高い周波数は、溶接シーム部が望ましく機能しない領域で発生し得るからである。好ましくは、以下で説明するように、パルスは、５から２０サイクル長までの間の、ハニング窓内で定義されるトーンバーストの形を取る。トーンバーストが長いほど、パルスは、より単色であり、したがって、分散しにくい。しかしながら、より長いパルスを有する反射を区別するのがより難しくなることもある。帯域幅を低減するのに別の形の窓が用いられてもよく、これらは、当業者にはよく知られている。

本発明によれば、いくつかの周波数領域では、伝送波が、溶接シーム部内で単一モードでのみ伝搬することが判明している。したがって、観測または計算によって、超音波の適切なモードが、対称（Ｓ）か、非対称（Ａ）か、せん断波（ＳＨ）か、それとも別のモードであるか、（添字によって表される）モードの次数、および溶接シーム部が導波路として働くことになる動作周波数を、事前に決定しておくことが望ましい。適切なモードは、偶発的に、以下で説明するように、ラム波の基本対称モード（Ｓ_０）であることが判明している。というのは、これが、他のモードが溶接シーム部内で伝搬し得ない周波数領域内で生成され得るからである。

導波は、溶接部が板より厚く、よって、板中の位相速度が溶接部中の位相速度より大きいため、主に溶接部内部で発生する。これは、溶接部内で、最適な導波路に見られるのと類似の全反射をもたらす。加えて、溶接部に隣接する領域において、波長によって決まる特性距離を有し、溶接部からの距離と共に指数関数的に減衰する振幅を有する、エバネッセント波が伝搬する。波が誘導される有効性は、一部は、厚さ、弾性率および密度の差によって決まる、板中の速度が溶接部中の速度より大きい程度に依存し、一部は、波束の単色性に依存する。これについては、以下でより詳細に説明する。

導波路溶接シーム部の外部にあるエバネッセント波の存在は、エバネッセント波の強さが測定可能な領域に存在し得る欠陥の検出が可能であることを示唆するものである。さらに、トランスデューサを、導波路外部のエバネッセント波領域内に位置させ、エネルギーをさらに導波路に結合することも可能である。一般に、エバネッセント波の有用な領域は、導波路境界からの超音波の１波長分（５０ｍｍなど）である。というのは、ここが、波の強さが１／ｅだけ低減する領域だからである。しかしながら、超音波を励起するのに大量の電力が用いられる場合には、かかる有用領域が拡大され得る。

伝送信号のエネルギーは溶接シーム部を介して伝搬されるため、溶接シーム部内の、または溶接シーム部に隣接する領域からの反射だけが発生することになる。さらに、いくつかの周波数領域では、伝送波が、所定の周波数において単一モードだけで伝搬することが判明しているため、不要なモードの励起と受信というＮＤＴによくある問題は、大幅に低減される。これは、受信信号のフィルタリングその他の処理の量が低減され得ることを示唆するものであり、受信プロセス全体が簡略化される。

次に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

好ましい実施形態において、Ｓ_０ラム波モードは、必然的に、導波路として働く溶接シーム部に沿って誘導され、溶接部の、または溶接部に隣接する熱影響域の腐食型欠陥の極めて高感度な検出方法を提供する。以下で説明する実施例は、基本対称（Ｓ_０）ラム波が溶接部に沿って伝搬する導波路動作モードを示している。このモードは、板端部に取り付けられた水浸型トランスデューサを使って生成された。結果は、以下のように要約され得る。

減衰トランスデューサ、２０サイクル励起、および１６１ｋＨｚの周波数を使ったときに、１ｍの距離にある溶接部欠陥を表す、深さ２ｍｍ、直径２０ｍｍの平底孔の容易な検出が可能であった。これらの結果に基づき、直径２０ｍｍの平底孔で検出可能な最小深さは、恐らく、約０．３ｍｍであると予測された。これは、板厚の約５％を表す。この感度が達成されたのは、低いコヒーレント暗騒音レベルと、導波路の作用の性質によるものであった。したがって、腐食、溶接不完全部などによって生じる微細な欠陥が検出され得る。

導波路内部の伝搬で低い減衰係数画測定された。これは、検出が何メートルにもわたって可能なはずであることを示唆した。

Ｓ_０モードが溶接部中を優先的に誘導されるため、基本非対称モードＡ_０やせん断モードＳＨ_０など、他のモードからの干渉が小さくなる可能性が高い。これにより、低いコヒーレント暗騒音レベルが生じる。

導波路モードの励起が、溶接シーム部外部に存在するエバネッセント波によって、溶接領域自体を経由して、またはλ（およそ１波長の距離、約５０ｍｍ）までの距離の領域において可能であった。

欠陥検出は、溶接シーム部外部に存在するエバネッセント波によって、溶接部と、溶接部からλまでの距離の熱影響域に限定され得る。２００ｋＨｚでは、これは、５０ｍｍまでの距離になる可能性が高い。

以下で説明する実施例では、Ｓ_０ラム波を使い、溶接領域において、腐食様の欠陥を区別し、検出することのできる能力を評価している。単一端部取付け式トランスデューサを用いた初期の非最適化測定値は、Ｓ_０モードの溶接部に沿った優先的導波路伝搬を示した。これは、最も大きくは、周囲の板と比べて溶接部の厚みが増した結果として生じたものであった。この試験モードは、結果として、板端部に対するおよそ−３９ｄＢのコヒーレント暗騒音レベルを伴う固有のスプリアスエコー低減をもたらした。これは、１６１ｋＨｚで２０サイクルトーンバーストの励起を使ったときに、１ｍの距離にある（欠陥を表す）深さ２ｍｍ、直径２０ｍｍの平底孔の容易な検出を可能にした。直径２０ｍｍ平底孔でこの導波路モードを使って検出可能な最小の深さは、何メートルもの距離では、恐らく、０．３ｍｍであったと推測される。

(実施例)
試験標本は、中央部に沿った溶接部を有する２ｍ平方の仕上がり試験板を供する提供するように突合せ溶接された２枚の１ｍ×２ｍ×６ｍｍ厚のＤＨ級鋼板で構成された。板は両側面が塗装されており、図１に示すように溶接ビードを有していた。溶接セットアップは、レーザ切断された板端部、直角へり、ギャップなし、立向き３．２ｍｍ径溶接ワイヤ、裏当てタイルに対して溶接、入熱２．３８ｋＪｍｍであった。

直径２０ｍｍの平底孔が、下方端部から１．５メートルの距離のところに形成された。これは、磁気固定ドリルを使って穿孔された。孔の深さは、０．９８ｍｍ、２．１７ｍｍ、３．０ｍｍ、３．８５ｍｍであり、溶接部に隣接する領域に位置する６ｍｍの厚さ方向の孔であった。板座標および溶接部と板端部に対する孔の場所を図２ａに概略的に示す。図２ｂには、３．０ｍｍの深さまで穿孔した後の、溶接部に隣接して位置する孔の写真が示されている。

単一トランスデューサ測定およびデータ収集に必要とされる装置は、鋼板の端部に取り付けられ、ゲル接触触媒を使って結合された、１振動子水浸型トランスデューサ（Ｕｌｔｒａｎ２００ｋＨｚ、またはＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓ１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ広帯域トランスデューサ）を備えていた。励起および受信は、ＬｅＣｒｏｙ９４００Ａデジタル記憶オシロスコープによる波形表示および数字化を備える、「Ｗａｖｅｍａｋｅｒ ｄｕｅｔ」パルサ受信機によるものであった。波形の記憶は、波形収集ソフトウェアパッケージを使った別個のＰＣへのＩＥＥＥインターフェースを介したものであった。図３に、図１の鋼板の端部に取り付けられたトランスデューサを、紙用クリップとゴムバンドを備える機械的締め付け構成の例で示す。

図４ａと４ｂに、それぞれ、６ｍｍ厚の鋼板について計算された位相速度と群速度を示す。位相速度は、等しい位相、波高またはトラフの面が、媒体を介して伝搬する速度に関連する。異なる周波数、波長および速度のいくつかの波が、群速度と呼ばれる速度で伝搬する群を形成するように重畳され得ることが想起され得る。かかる群は、当然ながら、各成分の波速が異なるため、時間の経過と共に分散するはずである。群速度の重要性は、これが、波群中のエネルギーが伝達される速度であり、本実施例で使用する用途では、平底孔からの反射から認識可能な「エコー」が観測され得る速度を表すことである。

次に、図１６a、１６bを参照すると、これは、８ｍｍ厚の溶接部の分散曲線を示すものであり、溶接部が板より厚く、よって、板中の位相速度が溶接部の位相速度より大きいため、導波が主に溶接部内部で発生することを指示している。これにより、溶接部内で、最適な導波路に見られるのと同様の全反射が生じる。加えて、溶接部に隣接する領域では、波長によって決まる特性距離を有し、溶接部からの距離と共に指数関数的に減衰する振幅を有する、エバネッセント波が伝搬する。波が誘導される有効性は、一部は、厚さ、弾性率および密度の違いによって決まる、板中の速度が溶接部中の速度より大きい程度に依存する。

位相速度対周波数を示す図４および図１６a、１６bのグラフは、速度対周波数／厚さ積のグラフとしてより一般的に表され得る。よって、例えば、周波数１２５ＫＨｚ、厚さ８ｍｍの場合と同じグラフ上の点は、例えば、周波数１６６ＫＨｚ、厚さ６ｍｍを使って獲得されるはずである。よって、例えば、１６０ＫＨｚの同じ動作周波数では、これは、６ｍｍ板の周波数厚さ積が１ＭＨｚ−ｍｍまでであり、８ｍｍ溶接部では３ＭＨｚ−ｍｍまでであることを示唆している。これを分散曲線上で読み取ると、これは、より薄い板材料の速度の方が、溶接部の速度より大きいことを示唆している。よって、所与の周波数での周波数厚さ積を定めるに際して、位相速度曲線の負の勾配が重要であり、この場合、溶接部の速度は、より厚い板材料中の速度より低くなる。

また、溶接部が周囲の板より薄かった場合には、逆の状況を想定することも可能であり、この場合には、必要条件は、分散曲線における正の勾配を必要とする条件となるはずである。

また、溶接部内で波が誘導される有効性は、一部は、波束の単色性にも依存する。よって、例えば、２００ｋＨｚでは、１６０ｋＨｚと比べてより大きい速度差が発生し、より有効な誘導を生じるが、これは、２００ｋＨｚの群速度曲線に示すように、分散増大の結果としての単色性増大の要件によって相殺されることになる（図１６ｂ参照）。加えて、導波路効率もまた、溶接部形状の変化に影響を受ける可能性が高い。

図１６ａに示す位相速度分散曲線の勾配の結論は、本実施例で使用される周波数範囲では、溶接シーム部においてＳ_０だけが誘導されるというものである。これは、Ａ_０の勾配は、厚さの増大に対して正であり、ＳＨ_０の勾配は、厚さの影響を受けないからである。これは、事実上、Ｓ_０では、伝搬が、他のモードＡ_０およびＳＨ_０によって生じるスプリアスエコーからの影響をあまり受けずに溶接部に沿って発生するため、モード純度の増大がもたらされることを意味する。

本実施例で使用した「Ｗａｖｅｍａｋｅｒ」励起源は、特定の周波数においてユーザ選択可能な数のサイクルを備えるハニング窓トーンバーストをもたらすことができた。実際には、本実施例では、１５０ｋＨｚから２００ｋＨｚまでの間の５、１０または２０サイクルトーンバーストが使用された。図４ｂから、Ｓ_０モードの２００ｋＨｚにおける群速度は、周波数の関数として極めて高速で変化することに留意すると、この場合、より大きい帯域幅を有するはずのより短い波束は、より小さい帯域幅を有するはずのより長い波束より大きい分散、したがって、より低い分散を生じるはずである。図５ａと５ｂには、それぞれ、鋼板における、中央周波数２００ｋＨｚ、４ｍ伝搬距離（例えば、２ｍ平方板の板端部からの反射パルスなど）での、５サイクルと１０サイクルのトーンバーストの分散結果を示す例が示されている。明らかに、分散と振幅低減を防ぐためにパルス長を増大させようとすることと、あるエコーを別のエコーと区別するためにパルスをできる限り短く保とうとする要件の間のトレードオフがある。加えて、より広い帯域幅を有するより短いパルス長もまた、不要な高次モードを生じ得る。図６に、２００ｋＨｚにおけるＳ_０モードのモード形を示す。これは、鋼板の面内と面外の変位の相対的振幅を示すものである。このモードでの面内変位は、前述のように、面外変位よりずっと大きいことが観察され得る。したがって、例えば、振動が、タンク内に貯蔵される液体によって吸収され得るタンクなどにおける測定では、Ｓ_０モードが好ましい。

初期試験では、図７に示す場所において、２００ｋＨｚでの単一パルス／エコートランスデューサ測定が行われた。これらの測定は、孔のない初期の板状態においてと、孔サイズの関数としての両方で行われた。図８a、図８bに、この試験の結果を、溶接線と平行な方向に向けて、板下部のｘ＝１３００、ｙ＝０の場所に配置されたトランスデューサを用いて、溶接領域から離れて位置する孔サイズの関数として記録された、典型的な時間トレースの形で示す。溶接線は、ｘ＝１０００に位置している。板の先端部は、図８a、８bから分かるように、時刻ｔ＝０の初期励起からおよそ８００μｓ後の時刻に、はっきりと、大きな反射として見られた。（画像左の）時刻ｔ＝０からおよそ２００μｓまでの間の信号は、恐らく、探触子内で発生する残響によるものであった。どの孔サイズについても、平底孔の期待される位置と相関付けられ得る信号は見られなかった。

別の試験では、トランスデューサは、溶接シーム部端部の近くに取り付けられた。トーンバーストのパラメータは不変のままとされた。結果が図９に示されている。図９には、溶接線と平行な方向に向けて、溶接部に隣接する、ｘ＝１０５０、ｙ＝０の位置で記録された、図８のものと類似のエコーシーケンスが示されている。図８a、８bと図９a、９bの結果の違いで注目に値するのは、板先端部から発する反射のより小さい振幅、複数のピーク、およびより大きい時間の長さであり、また、６００ミリ秒あたりで板反射の終了前に発生している、平底孔からのものと思われる反射の現れであった。

図９a、９bに示す結果は、トランスデューサが、溶接部から離れた場所ではなく溶接部に隣接する場所に位置するときに、孔の存在を示すように見える相当大きな信号を指示するように思われたため、溶接領域において、別の一連のより詳細な結果が獲得された。溶接部および隣接する板端部は非常に不規則な形状であるため、この領域にトランスデューサを結合することは困難であった。したがって、溶接部および隣接する板端部は、やすりで適切にトランスデューサを結合するのに十分な滑らかさに削られ、溶接部のどちらかの側約１００ｍｍで詳細な結果画獲得された。図１０a〜１０dに、溶接部と平行な方向に向けて、２００ｋＨｚ、１０サイクル励起を使った結果を示し、図１１a〜１１dに、やはり同じ方向に向けた、２０サイクル励起の結果を示す。各時間トレースは、ｘ座標で表される位置におけるトランスデューサの個別の取付けに関連するものである。溶接シーム部は、ｘ＝１０００に位置している。

図１０a〜１０dと１１a〜１１dとを比較すると、２０サイクル励起を使ったときに、より低いコヒーレント雑音レベル、より大きい信号振幅、および互いに異なる波形特徴のより容易な区別が示されている。これは、６ｍｍ孔または板後端部からの反射での１０または２０サイクル励起時間トレースを比較することによって認められ得る。また、図１１の検査には、６ｍｍ孔が、およそ、ｘ＝９２０、ｙ＝０と、ｘ＝１０５０、ｙ＝０の間のトランスデューサ位置で、はっきりと見えたことが示されている。

図１１a〜１１dには、孔と板端部に対応する特定の波形特徴が示されている。特に、これには、時間領域における２つの別個の場所、すなわち、板を通過する伝搬でのおよそｔ＝８４４μｓと、溶接部に隣接した伝搬でのおよそｔ＝７９２μｓにおいて、板先端部反射が発生したことが示されている。６ｍｍ孔からの反射は、ｔ＝６２５μｓの単一の場所で発生する。パルス−エコーモードで信号が横断する全経路は、板の長さの２倍、すなわち、４ｍであることに留意すると、これは、群板速度について約５０５０ｍｓ^−１の速度を示唆したものであり、先に、図６ｂで、６ｍｍ板について示した群速度曲線、および溶接部に隣接する群速度での約４７４０ｍｓ^−１と整合し、有効な厚さ約８ｍｍを示唆している。

この厚さが、溶接部の約８ｍｍの平均厚（図１参照）に近く、低い速度での波の励起が溶接部から５０ｍｍまで、すなわちこの周波数におけるλまでの範囲内で発生したことに留意すると、これは、溶接部が、恐らく、導波路として働いていたことを示唆するものであった。加えて、孔が、板の長手に沿って３／４の距離のところに位置していたことに留意すると共に、８４４μｓの３／４は６３３μｓ、すなわち、およそ、孔からの反射で観測された時間遅延であったことに留意すると、これもやはり、孔から反射されたエコーが、溶接部導波路に沿って伝搬するモードによるものであることを示唆するものであった。しかしながら、恐らく、信号対雑音比の観点から留意すべき最も重要な結果は、６ｍｍ孔からの反射エコーの振幅が非常に大きいことであった。孔が、板後端部反射にごくわずかな影響しか及ぼさなかったと仮定すると、６ｍｍ孔反射は、板後端部反射からのものに関しておよそ−１２ｄＢであった。

６ｍｍ孔からの反射が前述のように発せられたという確認が、トランスデューサを、溶接部の反対側の端部、ｘ＝１０００、ｙ＝２０００の場所に配置することによって獲得された。図１２に、２００ｋＨｚ、２０サイクル励起での時間トレースが示されている。図１２にには、板後部壁反射に関しておよそ−１０ｄＢの振幅の６ｍｍ孔反射が示されており、およそ２１０μｓ、すなわち、板の長さの約１／４のところで発生している。６ｍｍ孔での１／４の距離の反射と３／４の距離の反射の振幅の差に留意し、どちら側の板端部反射も同じであったと想定することによって、２メートルの全伝搬距離にわたって、わずか約２ｄＢの損失だけしかなかったと推定することも可能であった。

図１３に示す、溶接部に隣接した、板の長さの半分の場所に、別の深さ２ｍｍの平底孔が穿孔された。加えて、この状況を利用して、単一端部取付け式トランスデューサを使ったときの、周波数および探触子最適化に関する限定的な調査も行われた。結果は、既存の２００ｋＨｚ「Ｕｌｔｒａｎ」トランスデューサと、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚまでの間の帯域幅を有する十分な減衰広帯域の「Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ」トランスデューサの両方を使って獲得された。結果は、溶接部のｘ＝１０００、ｙ＝０の場所に取り付けられたときにのみ獲得された。これらを図１４に示す。図１４の検査は、２０サイクル励起を使った１６１ｋＨｚのＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓトランスデューサについて、最小のコヒーレント雑音を伴った最大振幅信号が、板後端部からの反射に至るまでの時間トレースにおいて任意の有意なスプリアス信号が発生している徴候をほとんど示さずに獲得されることを示した。この例では、時刻ｔ＝０からおよそ時刻ｔ＝３００μｓまでの間の初期トランスデューサ残響を割り引いた場合、２０サイクル励起を使った、２００ｋＨｚの既存のＵｔｒａｎトランスデューサと、１６１ｋＨｚのＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓトランスデューサの両方での信号対雑音比は、以下のとおりである。

Ｐａｎａｎａｍｅｔｒｉｃｓトランスデューサ、１６１ｋＨｚ、２０サイクル
６ｍｍ孔＝−１５．５ｄＢ、２ｍｍ孔＝−２２ｄＢ、コヒーレント雑音レベル＝−３９ｄＢ
Ｕｌｔｒａｎトランスデューサ、２００ｋＨｚ、２０サイクル
６ｍｍ孔＝−１２ｄＢ、２ｍｍ孔＝−１９ｄＢ、コヒーレント雑音レベル＝−３０ｄＢ
これらの結果を、既存の従来技術の板試験器の結果と併せて、図１５に示すグラフにまとめる。１６１ｋＨｚと２００ｋＨｚ両方での２ｍｍ孔の単一トランスデューサ信号レベルが、１ｄＢ低減されて、６ｍｍ孔の場合と同じ等価な位置がもたらされていることに留意されたい。この調整は、１／４と３／４の板上の距離を使って上記で測定された損失に基づくものであった。また、図１５には、２００ｋＨｚと１６１ｋＨｚの結果の平均への線形回帰線の近似適合の結果も示されている。これは、−３９ｄＢのコヒーレント雑音レベルに基づく予測孔サイズをもたらすように外挿されている。

Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ探触子は、１６１ｋＨｚで２０サイクル励起を使ったときに、観測可能なスプリアス信号をもたらさず、板端部反射に関して−３９ｄＢまでのコヒーレント雑音レベルをもたらすため、これが、（図１５に示す線形外挿の妥当性を前提とすると）０．３ｍｍの孔深さ検出限界予測を示唆したことは注目に値する。これは、板厚のちょうど５％の検出限界を表すことになる。

この実施例は、必然的に溶接部に沿って誘導されるＳ_０ラム波モードが、本実施例で使用される形状を伴う溶接部における、または溶接部に隣接する熱影響域における腐食型欠陥の最も感度の高い検出方法であることを示している。この実施例は、可能性の高い腐食型欠陥に対する感度の有用な指標としての平底孔の使用だけに限定されている。実際には、実在の腐食欠陥は、この理想化された形状から逸脱している可能性が高く、例えば、溶接部に隣接する線形腐食など、他の形状も考慮される必要がある。線形欠陥での欠陥検出可能性は、深さ、入射問合せ波に対する断面、モードの種類、および他の特徴、例えば、溶接部自体に対する場所に依存する。

具体的な導波路型トランスデューサの実際の設計および開発は、導波路動作モードが、ビーム操作も集束も必要とせず、よって、大規模な多素子トランスデューサを必要としないため、大幅に簡略化される。具体的なトランスデューサは、電磁励起や圧電励起といったトランスデューサの種類、トランスデューササイズ、結合や、変換に対する塗膜層および表面粗さの影響、スプリアスエコーの存在下での変換の反復可能性や信頼性といった設計要因を有することになる。

Ａ_１やＳ_１といった他の高次モードも、位相速度分散曲線において厚さの増大と共に負の勾配を表わすものと仮定すると、これらもまた、特にこれらのより高い周波数により、詳細な検査の有用な手段として機能し得る。加えて、本明細書では、溶接部および熱影響域の腐食を検出する導波路方法の使用に重点が置かれているが、本明細書で説明する導波路モードは、溶接部自体の放射線による検査方法の代替方法としても適し得る。

溶接部によって提供される導波路を介したＳ_０ラム波モードの単一トランスデューサ励起および受信は、恐らく何メートルもの距離にわたる微細な腐食型欠陥および溶接部欠陥の検出の可能性を有する、熱影響域における腐食検出と、溶接部検査の非常に有望な方法を提供するものである。

以上で説明されていない均等物および改変形態も、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。

サイズ比較のために１ポンド硬貨が示されている、６ｍｍ厚の２枚の金属板の間の溶接部断面の一例を示す図である。 座標を定義し、溶接鋼板の孔状欠陥の例の場所を示す概略図である。 溶接部に隣接して位置する、深さ３ｍｍ、直径２０ｍｍの平底孔状欠陥を示す写真である。 鋼板の端部への単一トランスデューサの取付けを示す写真である。 ６ｍｍ厚の鋼板について計算された位相速度を示す図である。 ６ｍｍ厚の鋼板の群速度を示す図である。 ４ｍ伝搬後の２００ｋＨｚにおける５サイクルと１０サイクルのトーンバーストのエコーの予測される比較（例えば、板端部、パルスエコーモードなど）を示す図である。 図５aと同様な図。 ６ｍｍ厚の鋼板において２００ｋＨｚのＳ_０モードについて計算されたモード形を示す図である。 本発明の実施例における、溶接部の場所、平底孔の場所を、単一端部取付け式トランスデューサのおおよその場所と併せて定義する、初期試験を示す概略図である。 下部にトランスデューサの場所（矢印）を示す小図を伴った、２００ｋＨｚ、１０サイクルトーンバーストの、溶接部から離して配置された単一端部取付け式トランスデューサを用いて、図７の構成について孔サイズの関数として記録された時間トレースを示す図である。 図８aと同様な図。 下部にトランスデューサの場所（矢印）を示す小図を伴った、２００ｋＨｚで１０サイクルトーンバーストを生成する、溶接部の近くに配置された単一端部取付け式トランスデューサについて、別の試験で、孔サイズの関数として記録された時間トレースを示す図である。 図９aと同様な図。 トランスデューサの場所（矢印）の例を示す小さい概略図を伴い、ｘ＝１０００で溶接部の位置を定義している、６ｍｍの孔で、２００ｋＨｚ、１０サイクルトーンバーストを生成する単一端部取付け式トランスデューサの場所の関数として、溶接部に隣接して記録された、より詳細な時間トレースを示す図である。 図１０aと同様な図。 図１０aと同様な図。 図１０aと同様な図。 ６ｍｍ孔で、２００ｋＨｚ、２０サイクルトーンバーストを生成する以外にはセットアップが図１０と同様である、単一端部取付け式トランスデューサの場所の関数として、溶接部に隣接して記録された詳細な時間トレースを示す図である。 図１１aと同様な図。 図１１aと同様な図。 図１１aと同様な図。 概略図に、トランスデューサの場所を、ｘ＝１０００、ｙ２０００（矢印）で示す、板の反対側端部の溶接部に位置する以外にはセットアップが図１１と同様である、２００ｋＨｚ、２０サイクルトーンバーストの、単一端部取付け式トランスデューサについて記録された詳細な時間トレースを示す図である。 別の２ｍｍの平底孔と（矢印でｘ＝１０００、ｙ＝０に示す）トランスデューサの場所を示す概略図である。 様々な周波数、利得およびトーンバーストサイクルを使った、ｘ＝１０００、ｙ＝０に位置する、ＵｌｔｒａｎトランスデューサとＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓトランスデューサの使用を比較するトレースを示す図である。 単一トランスデューサを使って測定された反射信号の集約を、指示されるコヒーレント雑音レベルに基づいて可能性の高い予測最小検出可能孔サイズを指示するための線形近似および外挿と共に示す図である。 位相速度の、２００ｋＨｚでの動作点を示す、本実施例で使用される８ｍｍ厚の鋼板溶接部の分散曲線を示す図である。 群速度の、２００ｋＨｚでの動作点を示す、本実施例で使用される８ｍｍ厚の鋼板溶接部の分散曲線を示す図である。

Claims (35)

1. 溶接金属構造体の欠陥を検出する方法であって、
   溶接シーム部に、または溶接シーム部に隣接して超音波トランスデューサを取り付けることと、
   超音波信号を、前記信号が導波路として働く前記溶接シーム部中を伝搬されるように発することと、
   前記溶接シーム部内部の、または前記溶接シーム部に隣接する欠陥を指示し得る前記信号の反射を検出することと、
   を備え、
   前記超音波信号は単一伝送モードで伝送され、
   単一伝送モードだけについて、前記溶接シーム部が導波路として働くことになる動作周波数を計算または観測によって事前に決定することを含む、
   方法。
2. 前記溶接シーム部は、前記超音波信号のエネルギーを閉じ込め、誘導する請求項１に記載の方法。
3. 前記超音波信号は板振動モードの波として伝送される、請求項１に記載の方法。
4. 前記動作周波数を、周波数と共に前記伝送モードの位相速度の振動を考慮することによって決定することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記溶接シーム部が溶接された金属構造より厚い場合には、前記動作周波数は負の勾配をもった位相速度曲線を考慮することによって決定される請求項４に記載の方法。
6. 前記溶接シーム部が溶接された金属構造より薄かった場合には、前記動作周波数は正の勾配をもった位相速度曲線を考慮することによって決定される請求項４に記載の方法。
7. 前記伝送モードは、ラム波の対称モードを備える、請求項１または３に記載の方法。
8. 前記伝送モードは、前記伝送モードの複数の次数の基本次数である、請求項１または３に記載の方法。
9. 前記伝送モードは、S_０ラム波である請求項７または８に記載の方法。
10. 前記超音波信号はパルスを備える、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記パルスは、５から２０サイクル長までの間の少なくとも１つのトーンバーストを備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記パルスは、周波数帯域幅を低減するように整形される、請求項８または１０に記載の方法。
13. 前記パルスはハニング窓の形を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記溶接金属構造体は、前記溶接シーム部が端部に沿って延在する少なくとも１枚の金属板を備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記トランスデューサは、前記溶接シーム部が位置する金属板端部に取り付けられる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記トランスデューサは、前記溶接シーム部に隣接する金属板表面に取り付けられる、請求項１４に記載の方法。
17. 前記トランスデューサは、金属板に磁気的に留められ、または機械的に留められる、請求項１４〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記トランスデューサは受信信号を検出するように動作する、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記トランスデューサに励起信号を提供し、前記トランスデューサからの受信信号を処理する送受信手段を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 溶接金属構造体の欠陥を検出する方法であって、
    溶接シーム部に、または溶接シーム部に隣接して超音波トランスデューサを取り付けることと、
    超音波信号を、前記信号が導波路として働く前記溶接シーム部中を伝搬されるように発することと、
    前記溶接シーム部内部の、または前記溶接シーム部に隣接する欠陥を指示し得る前記信号の反射を検出することと、
    を備え、
    前記超音波信号は単一伝送モードで伝送され、
    単一伝送モードだけについて、前記溶接シーム部が導波路として働くことになる動作周波数を計算または観測によって事前に決定することを含み、
    前記溶接シーム部が溶接された金属構造より厚い場合には、前記動作周波数は負の勾配をもった位相速度曲線を考慮することによって決定され、
    前記溶接シーム部が溶接された金属構造より薄かった場合には、前記動作周波数は正の勾配をもった位相速度曲線を考慮することによって決定される、
    方法。
21. 溶接金属構造体の欠陥を検出する装置であって、溶接シーム部に、または溶接シーム部に隣接して取り付けられ、超音波信号を、前記信号が、導波路として働く前記溶接シーム部中を伝搬されるよう発するように構成されている超音波トランスデューサと、前記溶接シーム部内部の、または前記溶接シーム部に隣接する欠陥を指示し得る前記信号の反射を検出する手段とを備え、
    前記超音波信号は単一伝送モードで伝送され、
    単一伝送モードだけについて、前記溶接シーム部が導波路として働くことになる動作周波数を計算または観測によって事前に決定することを含む、
    装置。
22. 前記超音波信号が板振動モードの波として伝送されるように構成されている、請求項２１に記載の装置。
23. 前記超音波信号が単一伝送モードで伝送されるように構成されている、請求項２１または２２に記載の装置。
24. 前記伝送モードはラム波の対称モードを備える、請求項２３に記載の装置。
25. 前記伝送モードは、前記伝送モードの複数の次数の基本次数である、請求項２３に記載の装置。
26. 前記超音波信号はパルスを備える、請求項２１〜２５のいずれかに記載の装置。
27. 前記パルスは、５から２０サイクル長までの間の少なくとも１つのトーンバーストを備える、請求項２６に記載の装置。
28. 前記パルスは周波数帯域幅を低減するように整形される、請求項２６または２７に記載の装置。
29. 前記パルスはハニング窓の形を有する、請求項２８に記載の装置。
30. 前記溶接金属構造体は、前記溶接シーム部が端部に沿って延在する少なくとも１枚の金属板を備える、請求項２１〜２９のいずれかに記載の装置。
31. 前記トランスデューサを、前記溶接シーム部が位置する金属板の端部に取り付ける手段を含む、請求項３０に記載の装置。
32. 前記トランスデューサを、前記溶接シーム部に隣接する金属板表面に取り付ける手段を含む、請求項３０に記載の装置。
33. 前記トランスデューサを、磁気的に、または機械的に金属板に取り付ける手段を含む、請求項３０に記載の装置。
34. 前記トランスデューサは、受信信号を検出するように動作する、請求項２１〜３３のいずれかに記載の装置。
35. 前記トランスデューサに励起信号を提供し、前記トランスデューサからの受信信号を処理する送受信手段を含む、請求項３４に記載の装置。

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