JP5094963B2 - 超音波を用いた検査対象の非破壊材料検査方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による非破壊材料検査方法に関する。更に、本発明は請求項１６による対応する装置に関する。

多数の中実の製品および部分的に中実の製品の場合に、また中間製品の場合にも、それらの内部構造が材料欠陥の有無について検査されなければならない。このためには、見えない内部構造に関する情報を提供する非破壊検査方法が必要である。これは、特に機械的に激しく酷使される部品の場合に必要である。

例えば、後で丸削りによって最終的な形状に持ち込むために、まず部品が鋳鉄から鍛造される。この場合に内部の材料欠陥の検査が鍛造後に行なわれる。

一般に、このような検査は超音波を用いて行なわれる。材料内の境界面において反射する音波が検出される。反射される音波の走行時間により、音波の走行距離を決定することができる。異なる方向からの照射によって、材料欠陥に関する他の情報が得られる。その情報から例えば材料欠陥の位置が探知される。例えば、材料欠陥の幾何学的な方位を決定することができる。反射音波の形状から材料欠陥の種類を推定することができる。

超音波検出器による検査対象表面の走査および検出データの記録によって、超音波が侵入可能なボリュームを完全に検査することができる。検出データから、鑑定のために使用可能な画像を作成することができる。

材料欠陥のサイズを決定するために、多数の可能性が存在する。例えば、走査時に材料欠陥の広がりを直接に読み取ることができる。しかし、このためには、空間分解能が材料欠陥の空間的な広がりよりも小さいことが必要である。空間分解能は、使用される波長およびアパーチャの大きさによって、したがって音波の回折によって制限される。

材料欠陥のサイズは反射信号の振幅によっても決定することができる。したがって、方法の空間分解能よりも小さい材料欠陥のサイズも決定可能である。しかし、反射信号の振幅は他のパラメータにも依存し、例えば材料欠陥の方位または境界面における反射特性にも依存する。

材料欠陥の縮小したサイズの場合には反射信号の振幅が検査される。この場合には唯一の振幅走行時間ダイアグラムから材料欠陥を識別するためには、ノイズ信号に対する間隔が少なすぎる。測定信号とノイズ信号との間には＋６ｄＢの間隔が必要である。

空間分解能は、適切な検査ヘッドによる音波の集束によって最適化可能である。検査ヘッドが波長に比べて幅広いほど、ますます集束が幅狭くなる。集束は、より高い音圧を生じさせる。

図４は材料欠陥３０を有する検査対象１０の概略断面図を示す。検査対象１０の外面には、集束式検査ヘッドとして構成されている検査ヘッド１６がある。検査ヘッド１６から、集束される音波３２，３４，３６が放射される。この場合に実線は現在の音波３２の波頭を示す。破線は、それ以前の音波３４の波頭およびその後の音波３６の波頭を示す。集束される音波３２，３４，３６は、横方向への広がりを制限されながら、予め定められた方向に沿って伝播する。

走査中に、検査ヘッド１６は検査対象１０の表面上を走査方向３８に沿って移動する。しかし、集束は検査ヘッド１６の近傍領域においてしか生じない。半径方向に関して直角な方向における検査ヘッド１６の幅が大きいほど、検出可能な材料欠陥３０の距離が大きくなり得る。

材料欠陥の評価のための一つの可能性は、距離−ゲイン−サイズ法（ＡＶＧ法）に基づく振幅評価である。振幅から出発して、材料欠陥に、垂直に照射される自由円形表面が発生したであろう等価反射体サイズが割り当てられる。検出信号が障害信号またはノイズ信号よりも明白に大きい場合には、ＡＶＧ法による振幅評価が問題なく可能である。この場合に、反射体は検査ヘッド１６の音場の音響軸上に存在しなければならない。振幅が検査ヘッド１６との距離に依存することから、検出される振幅は、音響軸に対して既知のジオメトリおよび方位を有する反射体サイズに対応する。これに対して、検出される振幅がノイズ信号よりも小さいか、またはほぼ同じ大きさ範囲にある場合には、振幅−走行時間ダイアグラムから材料欠陥を識別することができない。

空間分解能を改善するための他の方法は、小形の非集束式検査ヘッドが使用される合成アパーチャ集束技術（Synthetic Aperture Focus Technique ; ＳＡＦＴ）である。この場合には、検査対象の２次元の機械的走査により検査対象の３次元画像が算出される。

図５には、ＳＡＦＴ法の説明のために、材料欠陥３０を有する検査対象１０の概略的な断面図が示されている。検査対象１０の外面に検査ヘッド１６がある。検査ヘッドは、図４に比べて比較的小さい直径を有し、非集束式に構成されている。検査ヘッド１６から球形状音波４２，４４，４６が放射される。現在の球形状音波４２の波頭が実線によって示されている。破線は、それ以前の球形状音波４４の波頭およびその後の球形状音波４６の波頭を示す。図４と図５との比較は、集束音波の波頭３２，３４，３６と、球形状音波の波頭４２，４４，４６とが反対に湾曲していることを明確に示す。

ＳＡＦＴ法の場合には、検査対象１０がコンピュータによって体積要素に分割される。各体積要素は走査中に順々に反射体とみなされる。同一の体積要素に属する検査ヘッド１６の異なる位置からの反射信号成分が記録され、コンピュータ支援により同相で加算される。このようにして、実際の反射を有する位置についてのみ、干渉による強め合いに基づいて大きな振幅を有するエコー信号が得られる。実際の反射のない位置については干渉による弱め合いに基づいてエコー信号が消される。走査および計算過程が、干渉による強め合いの場合に、走査面に相当する大きさを有しかつ一個所に集束させられている超音波検出器を模擬する。

それから材料欠陥の位置を決定し、広がりを有する材料欠陥の場合には材料欠陥のサイズも分解能の範囲内で決定することができる。精度は集束音波を使用する上述の方法の場合の走査範囲における精度にほぼ匹敵する。ＳＡＦＴ法の場合には空間分解能が検査ヘッド１６の寸法によって制限されていないので、高い空間分解能が可能である。

ＳＡＦＴ法の場合、欠陥予想範囲内の各画素において、全ての考慮の対象となる反射信号成分は、画素が反射波の出所である場合に反射信号成分が有する時間ずれをもって加算される。位相位置に対応するこの時間ずれは、検査ヘッド１６と画素との間のジオメトリ関係、特に検査ヘッド１６と画素との間の距離から生じる。画素が実際に反射波の出所である場合に、この個所における振幅は、走査ヘッド１６における材料欠陥を検出した異なる位置の個数にともなって増大する。その他の全ての画素については位相が一致しないので、総和は理想的な場合に零に向かうが、少なくとも非常に小さい。

ＳＡＦＴ法は、大概は高い空間分解能を達成するために使用される。これは、原理的には、分解能限界が波長および合成アパーチャによってもたらされる集束方法である。合成アパーチャは、材料欠陥が検出される角度範囲によって決定される。アパーチャは、検査ヘッド１６および音場開度によって制限される。

検査対象は、例えば、特に電力発生のために使用されるガスタービンまたは蒸気タービンの回転子であってよい。このような回転子は運転時に高い応力にさらされる。回転子の回転数はその都度の電力系統の系統周波数に相当する。例えば、５０Ｈｚの系統周波数を有する電力系統の場合に、毎分３０００回転の回転数が必要である。この種の高い回転数は回転子に大きな遠心力が発生する。遠心力は回転子の直径とともに増大する。タービンが大きく設計されるほど、ますます遠心力も強くなる。

タービンの始動時に回転子が特に熱的に接線方向に強く負担をかけられる。この段階において回転子は当初冷たく、熱い燃焼ガスによって外側から内側に向かって運転温度に持ち込まれる。したがって、タービンの寿命に関して始動の回数は特別な意味を有する。接線方向の負担は、回転子にとって中心孔の範囲において最大である。したがって、中心孔近くにおける材料欠陥がタービンの長寿命への決定的な影響を持つ。特に次世代タービン翼車においては、軸線方向−半径方向における材料欠陥の検出感度の明白な向上が必要である。従来の検査方法によっては、軸線方向−半径方向における材料欠陥を十分に正確に決定することができない。

新しいガスタービンまたは蒸気タービンの高出力化のゆえに、回転子に材料欠陥がないことへの要求が高まる。回転子の大きさも増し、このことが材料欠陥の場合に結果として長い超音波経路長をもたらす。超音波の大きな経路長によって回転子の内部範囲において検出可能な材料欠陥の最小サイズが増大する。したがって、大きな部品における材料欠陥決定も可能にする方法が要求される。

本発明の課題は、比較的大きな検査対象の場合にも十分な精度を持った材料欠陥決定を可能にする検査対象における材料欠陥の発見および／または識別のための改善された方法を提供することにある。

この課題は、少なくとも部分的に中実の検査対象に超音波を照射し、検査対象の内部で反射された超音波を検出することによって、検査対象を非破壊材料検査するために、
ａ）コンピュータ支援により検査対象を予め定められた個数の体積要素に分割するステップと、
ｂ）検査対象の表面または少なくとも一部表面の走査中に複数の面積要素において検査対象に超音波を照射するステップと、
ｃ）検査対象の表面または少なくとも一部表面における複数の面積要素の走査中に体積要素において反射された音波を検出するステップと、
ｄ）同一の体積要素において反射されかつ検査対象の表面の異なる面積要素において検出された音波を同相で加算するステップと、
を有する検査対象の非破壊材料検査方法において、
検査ヘッドの音場の音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した振幅分布が使用されることによって解決される。

本発明によれば、検査ヘッドの音場の音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した振幅分布が使用される。

本発明の本質は、検査ヘッドの音場の音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した振幅分布を利用した修正ＳＡＦＴ法にある。この方法では音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した異なった感度が利用される。個々の反射信号の振幅は検査ヘッドの音場内の振幅分布に依存する。反射された音波の振幅も決定するために、検査ヘッドの空間的な音圧分布が利用される。従来のＳＡＦＴ法の場合には振幅に関する情報が失われる。

例えば、検査ヘッドの音場の音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した振幅分布から、検査ヘッドの音場を通る経路に沿った平均感度に相当する補正係数が決定される。補正係数は検査ヘッドの振幅分布にわたる積分によって決定される。

好ましくは、音響軸の周りにおける予め定められた角度内の音波の振幅が同相で加算される。この場合に、例えば−６ｄＢにおいて３°ないし５°の小さい音束広がりを有する検査ヘッドが使用される。

更に、検査対象の表面の面積要素に関して異なった照射角のもとで検査対象に超音波が照射されるとよい。材料欠陥はしばしば主広がり方向を持つことから、本発明にしたがって、検査対象の表面走査および照射角の変化が検査対象ジオメトリおよび材料欠陥の向きに合わされるとよい。

例えば、照射角は、それぞれの面積要素の垂線をなす対称軸線を有する円錐内にある。

特別な実施態様においては、検査対象の表面または少なくとも一部表面が予め定められた線に沿って走査されるとよい。異なった照射角によって、表面全体を走査することなく、検査対象のボリューム全部を検出することができる。

検査対象の表面または少なくとも一部表面が予め定められたパターンに基づいて走査されるとよい。このパターンが検査対象および／または材料欠陥のジオメトリに合わせるとよい。

更に、検査対象の表面の全部または少なくとも一部表面の全部が走査されてもよい。

例えば、照射角が０°と５０°との間の値であり、好ましくは０°と３０°との間の値である。

方法が少なくとも部分的に回転対称の検査対象に対して用いられるとよい。この場合に走査を特に簡単に検査対象のジオメトリに合わせることができる。これは、特に、方法が少なくとも部分的に円筒状の検査対象に対して用いられる場合に当てはまる。

照射方向が円筒状の検査対象に表面に関して半径方向、接線方向および／または軸線方向の成分を有すると好ましい。それにより、特に扁平に形成されている材料欠陥も認識することができる。

有利な実施形態では、方法が金属からなる検査対象の材料検査に用いられ、特に鍛造された部品の材料検査に用いられる。この方法は、特にタービン翼車の材料検査に適している。

更に、本発明は、少なくとも部分的に中実の検査対象の非破壊材料検査装置であって、上述の方法を実施するために用いられる装置に関する。

装置が、超音波を送出しかつ検査対象内で反射された超音波を検出するための少なくとも１つの検査ヘッドを含むとよい。

特に、照射方向が検査対象の表面の面垂線に関して可変であるように、検査ヘッドが揺動可能であるとよい。

検査ヘッドが、検査対象の表面の面垂線に対して０°と６０°との間、とりわけ０°と３０°との間で揺動可能であるとよい。

本発明の他の特徴、利点および特別な実施態様は従属請求項に記載されている。

図１は本発明による方法の好ましい実施形態による検査対象および検査ヘッドを横から見た概略断面図を示す。 図２は本発明による方法の好ましい実施形態による検査対象および検査ヘッドを上から見た概略断面図を示す。 図３は本発明による方法の好ましい実施形態における検査対象、検査ヘッドおよび材料欠陥のジオメトリ関係に関する概略図を示す。 図４は従来技術による検査対象および集束式の検査ヘッドの概略断面図を示す。 図５は従来技術による検査対象およびＳＡＦＴ法に基づく検査ヘッドの概略断面図を示す。

以下において、好ましい実施形態に基づく図説明にて本発明による方法を添付図面を参照して更に詳細に説明する。

図１は、検査対象１０の概略断面図を示す。検査対象１０は円筒状に形成されている。検査対象１０は、検査対象１０に対して同軸に向けられた孔１２を有する。したがって、孔１２および検査対象１０は、図１において紙面に対して垂直に伸びる共通の回転対称軸線１４を有する。検査対象１０は外側半径ｒ_aおよび内側半径ｒ_iを有する。したがって、検査対象１０の内側半径ｒ_iは孔１２の半径である。この具体的な実施形態の場合、検査対象１０はガスタービンまたは蒸気タービンのタービンディスクである。

検査対象１０の外面に走査ヘッド１６がある。検査ヘッド１６は超音波送出器および超音波検出器を含む。更に、検査対象１０内には、接線方向の材料欠陥１８および半径方向の材料欠陥２０が示されている。材料欠陥１８，２０はそれぞれ検査対象１０内における空洞を形成する。接線方向の材料欠陥１８は円筒状の検査対象１０に関してほぼ接線方向に伸びている。これに相応して半径方向の材料欠陥２０は検査対象１０に関してほぼ半径方向に伸びている。

材料検査は、検査ヘッド１６が検査対象１０の外側表面に接して移動されることによって行なわれる。図１は、接線方向の材料欠陥１８が検査対象１０の表面に対してほぼ平行に向いているために、半径方向の音波２２が接線方向の材料欠陥１８において特に強く反射されることを示している。同様に、接線方向の音波２４が半径方向の材料欠陥１８において特に強く反射されることも明らかである。

逆に、接線方向の音波２４が接線方向の材料欠陥１８において非常に弱くしか反射されないであろうことが明らかである。半径方向の音波２２も半径方向の材料欠陥２０において僅かしか反射されない。

本発明による方法の場合、検査ヘッド１６からの信号照射が種々異なる角度で行なわれる。この場合に、検査ヘッド１６自体または少なくともそれの音波放射要素は、外周面の走査によって検査対象１０のボリューム全体がアクセスされるように、揺動可能である。それによって、特に、検査対象１０の表面に対して平行な広がりが比較的少ない材料欠陥２０がより簡単に検出される。これは、円筒状の検査対象１０の場合に、例えば照射方向が半径方向の成分のほかに接線方向の成分を有することによって達成される。半径方向および軸線方向の成分を有する照射方向も可能である。結局、照射方向は、半径方向の成分と、接線方向の成分と、軸線方向の成分とから合成することもできる。

本発明による方法において、検査対象１０のボリューム全体を検出するために、表面全体または一部表面の全体を走査することは必ずしも必要ではない。例えば表面における定められた区間または定められた経路が走査されるとよい。なぜならば、検査ヘッド１６の揺動によって、少なくともボリューム関連範囲は表面の全走査なしに検出することができるからである。

図２には図１における実施形態による検査対象１０および検査ヘッドを上から見た概略断面図が示されている。図２は、孔１２、回転対称軸線１４および半径方向の音波２２を示す。軸線方向の材料欠陥２６が少なくとも軸線方向において十分に大きい広がりを有する。図２は、半径方向の音波２２が軸線方向の材料欠陥２６によって十分に強く反射されることを明確に示している。接線方向の音波２４も、照射角が過大でないならば、軸線方向の材料欠陥２６によって十分に強く反射される。

図３は、本発明による方法の好ましい実施形態における検査対象１０、検査ヘッド１６および材料欠陥２８のジオメトリ関係に関する概略図を示す。材料欠陥２８と回転対称軸線１４との間に半径方向の距離ｒ_sが記入されている。検査ヘッド１６から材料欠陥２８までの音波経路長ｓは、
ｓ＝√（ｒ_a ²−ｒ_i ²）
によって得られる。

音波経路ｓと面垂線ｒ_aとの間の角度が照射角αもしくは照射方向を成す。音波経路ｓと材料欠陥２８の対応する距離ベクトルｒ_sとは直角βを成す。

集束式の検査ヘッド１６の使用によって、音圧が材料欠陥２８の近傍において高められる。それによって、信号雑音比が改善される。しかし、これは近傍領域内においてのみ有効である。近傍領域の長さｎは、
ｎ＝ｄ²／（４λ）
によって得られる。

なお、ｄは検査ヘッド１６の幅であり、λは音波の波長である。典型的な波長λ＝５ｍｍおよび近傍領域の所望の長さｎ＝１ｍの場合、ｄ＝１４０ｍｍの幅を有する検査ヘッド１６が必要である。ＳＡＦＴ法により、この近傍領域の長さｎが、この幅なしにも達成される。ＳＡＦＴ法の場合には、幅の広い検査ヘッドが模擬され、したがって仮想集束が達成される

反射音波の振幅は、材料欠陥２８の空間的広がりと、材料欠陥２８の表面（境界面）における反射特性とに依存する。

超音波測定においては典型的に２つの種類のノイズ信号が発生する。第１のノイズ信号は各電子検出システムにおいて、特に増幅器において発生するノイズである。これは平均化によって低減される。第１のノイズ信号と反射音波信号との間には、相関、特に位相相関が存在しない。したがって、信号の総和がノイズ信号の平均化をもたらす。ノイズ信号が直流電圧成分を含まなければ、被加数の個数増大にともなって、これらのノイズ信号の総和が零に近づく。実際には、直流成分が全く生じないか、または僅かの直流電圧成分しか生じない。

第２のノイズ信号は検査対象自体から発生する。金属の微細構造における反射は、反射音波信号と相関関係があるノイズフロアを成す。ノイズフロアも反射音波信号である。このノイズフロアは多結晶材料内の結晶粒界における反射および結晶軸の異なった方位の領域における反射から生じる。結晶は音響的に異方性であるので、結晶粒界において波動インピーダンスが変化する。実際にこのことは全ての金属の原材料に該当する。微細構造に基づく個々の反射は妨害的ではないが、しかし検査対象１０の広げられた領域においてはこのようにしてノイズ信号が形成される。

微細構造における反射と材料欠陥における反射とはＳＡＦＴ法によって分離可能である。微細構造ノイズは空間統計学特性を示す。微細構造における反射は位相相関性である。それでもやはり、ＳＡＦＴアルゴリズムにおける総和は微細構造における反射の相対的な減弱を生じる。なぜならば、結晶粒界における反射が材料欠陥における反射よりも弱いからである。複数の結晶粒界の振幅が偶然に同相で重畳されることによって振幅総和が形成される場合には、それらの角度がさらに強く狭くされている。角度の増大にともなって、材料欠陥に基づく振幅は、結晶粒界によって生じさせられる振幅よりも強く増大する。

本発明による方法については、例えばｄ＝２４ｍｍの直径を有する検査ヘッド１６が使用される。本発明によるＳＡＦＴアルゴリズムの場合には、検査ヘッド１６の音場が利用される。これとは違って、公知のＳＡＦＴアルゴリズムの場合には、検査ヘッド１６の大きさが無視される。

検出信号は、特に、検査対象１０内での波動インピーダンスの急激な空間的な変化場所における超音波パルスの反射成分によって生じる。この変化は、そこに構造的に制約された材料境界または材料接合部が全く存在しないならば、材料欠陥として判断される。検出された信号は振幅および走行時間に関する情報のみを含んでいる。検査対象１０の材料内の音速が既知であるので、走行時間から距離も決定することができる。横方向の位置決定のためには、検査ヘッド１６の音場および感度の空間的分布が使用されるとよい。

検査ヘッド１６の経路に沿って検出される振幅および走行時間を持つ信号が、検査対象１０内の位置に関して走行時間正しく加算される。正確な位置へのこの位置的に正しい割り当てによって、検査対象内の特定の位置から到来する信号の振幅総和は、信号が加算されるごとにその信号の振幅だけ増大する。しかし、振幅は、検査ヘッド１６の位置に依存し、したがって音場内の材料欠陥２８の相対位置に依存する。

指向性効果のない材料欠陥の振幅の平均値は係数ｋにて重み付けされた反射力に比例する。係数ｋは、検査ヘッド１６の音場を通る材料欠陥１８の経路に沿った平均感度に関する値である。このようにして、検出される振幅を適切に評価することができる。

本発明による方法においては、個々の検出された振幅が時間関数として評価されるのではなく、算出された空間的な振幅分布が評価される。これらは、ＳＡＦＴ法によって再構成される。算出された空間的な振幅分布は、直接的に検出される振幅よりも高い信号雑音比を持つ。このようにして材料欠陥を簡単に識別することができる。

本発明による方法は、幅の広い検査ヘッド１６の使用時にも可能であるように、ノイズの相対的低減によって小振幅におけるＡＶＧ法による反射体評価の使用という拡張を可能にする。この場合に、小振幅は反射体の僅かなサイズに起因するものとみなすことができるという前提が基礎になっている。したがって、回折に起因するものとみなすことができる反射体の僅かな指向性効果も、検出された振幅に対して無視できる影響しか持たない。

本発明による方法は、大きい音波経路を有する大きな検査対象１０の検査を可能にする。これらの大きな音波経路は僅かな振幅を生じさせる。

本発明による方法は、検査対象が機械的に走査され、検出された各振幅−走行時間ダイアグラムで検査ヘッド１６の位置もしくは移動が分かる公知の古典的な検査技術に適用可能である。

まず反射体が音場によって走査されることによって、振幅の評価が行なわれる。音場内の振幅の角度依存性は既知である。音響軸の周りの定められた角度Δγ内のｍ個の振幅が加算される。その加算結果から、振幅総和Ｈ_Sumと、同じ振幅総和Ｈ_Sumを発生するであろう基準反射体のサイズとの間の一義的な関係が得られる。

振幅総和Ｈ_Sumは、
Ｈ_Sum＝ΣＨ_i（γ_i）
によって与えられている。この場合に、検出された振幅の個数ｍにわたって加算される。Ｈ_iは個々の測定において検出された振幅、γ_iは音響軸に対する角距離である。測定点が固定間隔である場合には個々の測定における角距離もほぼ等間隔である。個別測定の個数ｍが増加するにともなって、補正係数ｋが角度Δγ内の平均感度に相当する限界値に近づく。材料欠陥１８と検査ヘッド１６との間の間隔は、材料欠陥１８の特定の位置が音響軸上にある場合に検査ヘッド１６の位置から得られ、ＡＶＧ法にとって重要である。

振幅総和Ｈ_Sumと、ＡＶＧ法による振幅Ｈ_AVGとの間には、
Ｈ_AVG＝Ｈ_Sum／（ｍ×ｋ）
なる関係が存在する。ただし、ｍは個別測定の個数、ｋは補正係数である。補正係数ｋは、
ｋ＝（１／ｍ）ΣＨ₀（γ_i）
によって与えられている。この場合に、検出された振幅の個数ｍにわたって加算される。Ｈ₀（γ_i）は、検査ヘッド１６の音場内の角度に依存する振幅分布であり、この振幅分布はＨ₀（γ＝０）＝１で正規化されている。

材料欠陥のサイズ、すなわちのサイズの増大にともなって、反射体の指向性効果も増大する。これは、大きな材料欠陥の場合でかつ平均的な傾斜状態の場合に角度Δγ内の振幅の過小評価をもたらすことがあり、それゆえに考慮されるべきである。特に、この方法は、指向性効果がそれほど重要でない小さい材料欠陥に対して適している。

図４には検査対象１０および従来技術による集束式の検査ヘッド１６の概略断面図が示されている。検査対象１０は材料欠陥３０を有する。検査対象１０外面には、集束式検査ヘッドとして構成されている検査ヘッド１６がある。検査ヘッド１６から、集束される音波３２，３４，３６が放射される。

この場合に実線は現在の音波３２の波頭を示す。破線は、それ以前の音波３４の波頭およびその後の音波３６の波頭を示す。集束される音波３２，３４，３６は、横方向への広がりを制限されながら、め定められた方向に沿って伝播する。したがって、集束される音波１８，２０は半空間全体において球形でない。

検査ヘッド１６は、走査中に、検査対象１０の表面上を走査方向３８に沿って移動する。しかし、集束は検査ヘッド１６の近傍領域内でしか生じない。半径方向に対して直角な方向における検査ヘッド１６の幅が大きいほど、近傍領域の長さが大きくなり、したがって集束される音波３２，３４，３６の侵入深さが大きくなる。

図５は、検査対象１０および従来技術によるＳＡＦＴ法に基づく検査ヘッド１６の概略断面図を示す。検査対象１０が材料欠陥３０と共に示されている。検査対象１０の外面に検査ヘッド１６がある。検査ヘッド１６は、図４に比べて比較的小さい直径を有し、非集束式に構成されている。

検査ヘッド１６から球形状音波４２，４４，４６が放射される。現在の球形状音波４２の波頭が実線によって示されている。破線は、それ以前の球形状音波４４の波頭およびその後の球形状音波４６の波頭を示す。図４と図５との比較は、集束音波の波頭３２，３４，３６と、球形状音波の波頭４２，４４，４６とが反対に湾曲していることを明確に示す。

ＳＡＦＴ法の場合には、検査対象１０がコンピュータによって体積要素に分割される。各体積要素は走査中に順々に反射体とみなされる。同一の体積要素に属する検査ヘッド１６の異なる位置からの反射信号成分が記録され、コンピュータ支援により同相で加算される。このようにして、実際の反射を有する位置についてのみ、干渉による強め合いに基づいて大きな振幅を有するエコー信号が得られる。

実際の反射のない位置については弱め合い干渉に基づいてエコー信号が消される。走査および計算過程が、干渉による強め合いの場合に、走査面に相当する大きさを有する超音波検出器を模擬する。この公知のＳＡＦＴ法の場合には照射角が常に０°であり、検査対象１０の表面全体が走査される。

本発明によれば、これとは違って、照射角αが可変である。

本発明による方法は、タービンディスクまたは回転軸のような円筒状の検査対象１０に限定されない。照射方向は、検査対象１０の幾何学的形状に適合した適切な基本ベクトルから合成することができる。

更に、検査ヘッド１６の揺動軸線を適切に選択するならば次で十分である。すなわち、全表面が走査される必要はなく、予め定められた区間または予め定められた経路に沿って走査されだけでよい。したがって、本発明による方法は、検査対象１０のボリューム全体を十分に検出するための多様な可能性を開く。

本発明による方法は、小さい材料欠陥や検査対象１０内部の深いところにある材料欠陥の識別可能性の著しい改善をもたらす。

１０ 検査対象
１２ 孔
１４ 回転対称軸線
１６ 検査ヘッド
１８ 接線方向の材料欠陥
２０ 半径方向の材料欠陥
２２ 半径方向の音波
２４ 接線方向の音波
２６ 軸線方向の材料欠陥
２８ 材料欠陥
３０ 材料欠陥
３２ 音波
３４ 音波
３６ 音波
３８ 走査方向
４２ 音波
４４ 音波
４６ 音波
α 照射角
β 直角
ｄ 検査ヘッドの幅
ｒ_a 検査対象の外側半径
ｒ_i 検査対象の内側半径
ｒ_s 半径方向の距離
ｓ 音波経路

Claims (19)

1. 少なくとも部分的に中実の検査対象（１０）に超音波（２０，２４）を照射し、検査対象（１０）の内部で反射された超音波を検出することによって、検査対象（１０）を非破壊材料検査するために、
   ａ）コンピュータ支援により検査対象（１０）を予め定められた個数の体積要素（１０）に分割するステップと、
   ｂ）検査対象（１０）の表面または少なくとも一部表面の走査中に複数の面積要素において検査対象（１０）に超音波を照射するステップと、
   ｃ）検査対象（１０）の表面または少なくとも一部表面における複数の面積要素の走査中に体積要素において反射された音波を検出するステップと、
   ｄ）同一の体積要素において反射されかつ検査対象（１０）の表面の異なる面積要素において検出された音波を同相で加算するステップと、
   を有する検査対象の非破壊材料検査方法において、
   検査ヘッド（１６）の音場の音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した振幅分布（Ｈ₀）が使用される
   ことを特徴とする検査対象の非破壊材料検査方法。
2. 音響軸の周りにおける予め定められた角度に依存した振幅分布（Ｈ₀）から、検査ヘッド（１６）の音場を通る経路に沿った平均感度に相当する補正係数（ｋ）が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ステップｄ）において、音響軸の周りにおける予め定められた角度（Δγ）内の音波の振幅が同相で加算されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 検査対象（１０）の表面における面積要素に関して異なった照射角（α）で検査対象（１０）に超音波が照射されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 照射角（α）が、それぞれの面積要素の垂線を成す対称軸線を有する円錐の内側にあることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 検査対象（１０）の表面または少なくとも一部表面が、予め定められた線に沿って走査されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 検査対象（１０）の表面または少なくとも一部表面が、予め定められたパターンに基づいて走査されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 検査対象（１０）の表面の全部または少なくとも一部表面の全部が走査されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. 照射角（α）が０°と５０°との間の値であることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. 方法が少なくとも部分的に回転対称の検査対象（１０）に対して用いられることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. 方法が少なくとも部分的に円筒状の検査対象（１０）に対して用いられることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
12. 照射方向が円筒状の検査対象（１０）の表面に関して半径方向、接線方向および軸線方向のうちの少なくとも１つの方向の成分を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 方法が金属からなる検査対象（１０）の材料検査に用いられることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の方法。
14. 方法が鍛造された部品（１０）の材料検査に用いられることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の方法。
15. 方法がタービン翼車の材料検査に用いられることを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載の方法。
16. 少なくとも部分的に中実の検査対象（１０）の非破壊材料検査装置であって、装置が請求項１乃至１５の１つに記載の方法を実施するために用いられることを特徴とする検査対象の非破壊材料検査装置。
17. 装置が、超音波（２０，２４）を送出しかつ検査対象（１０）内で反射された超音波を検出するための少なくとも１つの検査ヘッド（１６）を有することを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 検査ヘッド（１６）は、照射方向が検査対象（１０）の表面の面垂線に関して可変であるように揺動可能であることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 検査ヘッド（１６）が、検査対象（１０）の表面の面垂線に対して０°と６０°との間で揺動可能であることを特徴とする請求項１８記載の装置。

Images