JP5213611B2

JP5213611B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法

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Publication number: JP5213611B2
Application number: JP2008247475A
Authority: JP
Inventors: 豐鈴木; 裕二安達; 尚幸河野; 聡北澤; 直昭柴下; 茂雄桜井; 健工藤
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Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2013-06-19
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Description

本発明は超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。

超音波探傷（以下ＵＴと記載する）とは、検査対象に超音波を入射させて欠陥からの反射波を検出する検査手法である（特許文献１等参照）。

特開平１１−３３７５４０号公報

従来の横波によるＵＴでは垂直偏波横波（以下ＳＶ波と記載する）が用いられる。ＳＶ波とは検査面と垂直な面内で振動する超音波モードである。このＳＶ波の反射効率は入射角に依存し、反射の際に入射波の一部が縦波に変換されて減衰するため信号強度が低下する。この減衰率は入射角に依存するため、入射角度によって検出感度が大きく変動する問題がある。

それに対し、水平偏波横波（以下ＳＨ波と記載する）を用いた場合には減衰による信号強度の低下が抑制される。ＳＨ波とはＳＶ波と偏波方向が９０°ずれた超音波モードであり、反射時に縦波への変換が起こらず反射効率が良いため高感度探傷が可能である。

本発明は上記に鑑みなされたもので、検査波のＳＨ波成分を増加させてＵＴの感度を向上させることができる超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置であって、前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に想定される３次元曲面形状の欠陥の長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１，Ｒ１、前記欠陥の短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２，Ｒ２、前記超音波探傷センサの長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１’，Ｒ１’、前記超音波探傷センサの短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２’，Ｒ２’とした場合、前記超音波探傷センサの底面を、
Ｒ１’÷Ｒ１＝Ｗ１’÷Ｗ１・・・（１）
Ｒ２’÷Ｒ２＝Ｗ２’÷Ｗ２・・・（２）
の関係が成立するような曲面形状とし、検査対象と各超音波素子との間に超音波を伝播させるシューを設けたことを特徴とする。

（２）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置であって、前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、各欠陥とそれぞれ直交する面上に前記超音波素子を配置したことを特徴とする。

（３）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置であって、回転アクチュエータ及び少なくとも２軸の並進アクチュエータを有し前記超音波探傷センサの平面移動と回転を可能とする移動機構と、検査対象の形状情報を基に強度計算を実行し想定される欠陥の形状及び位置を算出する演算部と、前記移動機構に指令して前記超音波発信点に超音波探傷センサを移動させる指令部とを備え、前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、前記演算部により、算出した欠陥の法線と検査対象の表面とが交わる点を超音波発信点として導き出し、前記指令部により、前記移動機構に指令して前記演算した欠陥の位置に向けて発信する超音波が水平偏波横波となるように前記超音波探傷センサを回転させ、前記超音波探傷センサに指令して水平偏波横波を発信させることを特徴とする。

（４）上記目的を達成するために、本発明は、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサを用いた超音波探傷方法であって、想定される３次元曲面形状の欠陥の長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１，Ｒ１、前記欠陥の短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２，Ｒ２、前記超音波探傷センサの長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１’，Ｒ１’、前記超音波探傷センサの短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２’，Ｒ２’とした場合、前記超音波探傷センサの底面を、
Ｒ１’÷Ｒ１＝Ｗ１’÷Ｗ１・・・（１）
Ｒ２’÷Ｒ２＝Ｗ２’÷Ｗ２・・・（２）
の関係が成立するような曲面形状とし、検査対象と各超音波素子との間に超音波を伝播させるシューを設けることを特徴とする。

（５）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷方法であって、前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、各欠陥とそれぞれ直交する面上に前記超音波素子を配置することを特徴とする。

（６）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法であって、前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、検査対象の形状情報を基に強度計算を実行し想定される欠陥の形状及び位置を算出し、算出した欠陥の法線と検査対象の表面とが交わる点を超音波発信点として導き出し、前記超音波発信点に超音波探傷センサを移動させ、さらに前記演算した欠陥の位置に向けて発信する超音波が水平偏波横波となるように前記超音波探傷センサを回転させ、前記超音波探傷センサによって前記演算した欠陥の位置に水平偏波横波を発信させることを特徴とする。

（７）上記（４）−（６）のいずれかにおいて、好ましくは、検査対象の形状を基に検査対象の応力分布を解析し、その解析によって特定した応力分布の高い箇所を超音波探傷することを特徴とする。

（８）上記（４）−（６）のいずれかにおいて、好ましくは、応力分布解析結果に基づき作成されたデータベース上の応力分布の高い箇所を超音波探傷することを特徴とする。

（９）上記（４）−（６）のいずれかにおいて、好ましくは、欠陥発生事例データベースに基づき欠陥発生頻度の高い箇所を超音波探傷することを特徴とする。

本発明によれば、検査波のＳＨ波成分を増加させてＵＴの感度を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

まず、ここでは超音波探傷の背景技術についてその課題とともに説明する。

＜第１の実施の形態＞
ここでは、まず本実施の形態の技術的背景について説明する。

超音波探傷（以下ＵＴと記載する）とは、検査対象に超音波を入射させて欠陥からの反射波を検出する検査手法である。図１（ａ）に示すように検査対象２に欠陥が無い場合にはＵＴセンサ１に反射波は戻ってこないが、図１（ｂ）に示すように検査対象２に欠陥３がある場合には欠陥３からの反射波がＵＴセンサ１に戻ってくる。この反射波を検出することで欠陥３の存在を検出する。

従来の横波によるＵＴは垂直偏波横波（以下、ＳＶ波と記載する）を用いている。ＳＶ波とは、図２（ａ）に示したように検査対象２の検査面（反射面）と垂直な面内で振動する（進行軸と偏波面を含む面が検査面に直交する）超音波モードである。このＳＶ波の反射効率は図３に示す入射角依存性を持つ。ＳＶ波は反射の際に入射波の一部が縦波へ変換されて減衰し信号強度が低下するため、検出感度の低下の問題を伴う。

一方、水平偏波横波（以下、ＳＨ波と記載する）は図２（ｂ）に示したようにＳＶ波と偏波方向が９０°ずれた超音波モードである。このＳＨ波は反射時に縦波へのモード変換が起こらないため図３に示したように反射効率が９９％以上と高く、高感度探傷が可能である。

図４はＳＨ波を紙面直交方向に傾斜させて反射面に入射させたときの概念図であり、入射波はＳＨ波成分とＳＶ波成分を有している。ＳＨ波成分とＳＶ波成分は、反射面４と偏波方向（偏波面）とのなす角（偏波角）に対して図５に示すような依存性を持つため、ＳＨ波成分が支配的であっても偏波角が９０°でなければＳＶ波成分を持ち、偏波角が９０°から離れるほどＳＶ波成分が大きくなりＳＶ波として反射される割合が増加して反射効率が低下する。ＳＨ波を用いるＵＴセンサもあるが、通常、図６に示すように複数の超音波素子５を格子状に配置して方形の保護ケース６で収容した構成であり、図７に示すような曲面形状の欠陥が探傷対象となる場合、全ての超音波素子５の超音波の偏波角を９０°若しくはそれに近い角度とすることはできなかった。

以上を踏まえ、検査波のＳＨ波成分を増加させてＵＴの感度を向上させることができる超音波探傷装置及び超音波探傷方法の実施の形態を説明する。

本実施の形態は、欠陥に対してＳＨ波を発信する超音波素子を複数配置したＵＴセンサを有する超音波探傷装置であって、特に、想定される欠陥が３次元曲面形状である場合に有効な超音波探傷の例である。

図８は本発明の第１の実施の形態に係る超音波探傷装置に用いるＵＴセンサの概略図である。

図８に示したように、本実施の形態における超音波探傷装置は、３次元曲面形状の欠陥３の長径方向の長さをＷ１、曲率をＲ１、欠陥の短径方向の長さをＷ２、曲率をＲ２、ＵＴセンサ１の長径方向の長さをＷ１’、曲率をＲ１’、ＵＴセンサ１の短径方向の長さをＷ２’、曲率をＲ２’とした場合に、
Ｒ１’÷Ｒ１＝Ｗ１’÷Ｗ１・・・（１）
Ｒ２’÷Ｒ２＝Ｗ２’÷Ｗ２・・・（２）
の関係が成立するようにＵＴセンサ１の底面を曲面形状とし、検査対象２と超音波素子５間に超音波を伝播させるシュー７を設けている。すなわち、シュー７の上面（超音波素子５の搭載面）が上式（１）（２）の関係を満たす曲面形状をしており、底面が検査対象２の表面に当接する平面となっている。また、特に図示していないが、ＵＴセンサ１は保護ケースで覆われている。

図９は本実施の形態の超音波探傷の概略構成図、図１０はその機能ブロック図である。

図９及び図１０に示した超音波探傷装置は、パーソナルコンピュータ（パソコン）９、ＵＴ装置８、ＵＴセンサ１より構成されている。

パソコン９は、各種演算処理を実行するＣＰＵ２１、演算結果や演算途中の値を一時的に記憶するＲＡＭ２３、プログラムや必要な定数を記憶したＲOＭ２４、ＨＤＤ２２、Ｉ／Oポート２５、キーボード２６、ＤＶＤやブルーレイディスクのような記録メディア２７、モニタ２８等を備えている。

ＵＴ装置８は、Ｉ／Oポート２５、Ｄ／Ａコンバータ３０、Ａ／Ｄコンバータ２９を備えている。

図１１はＵＴセンサ１の一構成例を表す概略構成図である。
図１１に示したＵＴセンサ１は、検査対象に面する複数の圧電素子１８と、各圧電素子１８の底面（検査対象との対向面）及び上面に設けられた電極１０，１０と、電極１０，１０に電圧を印加する信号線１５と、上側の電極１０上に設けられ発信した超音波のエネルギーを吸収するダンパー１１とを備えている。圧電素子１８としてはＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ_３、ＰＶＤＦ等の圧電素子を、電極１０，１０としてはＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の導電性の高い金属を、信号線１５としては銅線を、ダンパー１１としてはＨｆ，Ｗ，Ｔａ等の金属を樹脂に混合したものをそれぞれ用いることができる。また、これらを覆う図示しない保護ケースは、樹脂、金属のうち１つ以上の材質からなるものを成型して用いることができる。また、ダンパー１１は超音波発信時の残振を減らすので、これを設けることによってＳ／Ｎを向上させることができる。このような構成の超音波素子５を上式（１）及び（２）を満足するようにｎ行ｍ列に２次元配置する。

図１２は本実施の形態の超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法の手順を表すフローチャートである。

・ステップ１０１：検査情報の入力
予想される欠陥３の形状と位置、ＵＴセンサ１の形状と位置、検査対象２の形状を図１０に示したキーボード２６、記録メディア２７のうち１つ以上の入力装置から入力する。また、検査対象２の欠陥３の位置・大きさ・発生頻度に関するデータが蓄積されているときは、それらのデータを欠陥発生事例データベースとして、キーボード２６、記録メディア２７のうち１つ以上の入力装置から入力する。これらの情報はＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４の少なくとも１つの記憶装置に記憶される。これらの形状等の情報はＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）２２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２３、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２４の少なくとも１つの記憶装置に記憶される。

・ステップ１０２：欠陥位置・形状解析
検査対象２の形状情報を基にＣＰＵ２１で検査対象２の構造的な強度計算を実行し、その計算結果を基に欠陥３の形状及び位置を解析し予測しても良い。解析結果はＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうちの少なくとも１つの記憶装置に記憶される。このように、ＣＰＵ２１は応力分布解析手段として機能し、解析によって特定した応力分布の高い箇所をＵＴの対象箇所とする。また、解析結果を記憶する記憶装置（先のＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうちの少なくとも１つ）には、応力分布の解析結果がデータベースとして格納される。

・ステップ１０３：超音波発信開始時間差計算
検査対象２の形状、欠陥３の形状と位置、ＵＴセンサ１の形状と位置、ステップ１０２で解析した欠陥形状及び位置情報に基づき、ＣＰＵ２１によってＵＴセンサ１を構成する各超音波素子５間の超音波発信開始時間差を計算する。

ここで、図１３は各超音波素子の超音波発信開始時間計算方法の説明図である。欠陥位置を超音波収束点とした場合のＵＴセンサ１内に２次元配置した超音波素子５のｉ行ｊ列の超音波素子と収束点との距離Ｌｉｊを求め、ｋ行ｌ列番目の超音波素子の超音波発信開始時間差ｄｔｋｌを次式（３）に従ってＣＰＵ２１で計算し、ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち１つ以上の記憶装置に記憶させる。

ｄｔｋｌ＝（Ｍａｘ（Lｉｊ）−Lｋｌ）÷Ｖ・・・（３）
ここで、
Ｍａｘ（Lｉｊ）：超音波収束点と超音波素子との距離の最大値
Lｋｌ：超音波の収束点とｉ行ｊ列番目の超音波素子間の距離
Ｖ：超音波音速
である。

上式（３）で算出した超音波発信開始時間差に応じて各超音波素子５の発信開始時間をずらすことによって、各超音波素子５から収束点に同時に超音波が到達し収束点の超音波強度が高められて信号強度が向上する。

・ステップ１０４：ＵＴセンサ設置
検査対象２上にＵＴセンサ１を設置する。

・ステップ１０５：ＵＴ実行
超音波発信開始時間差に応じて、図１０のパソコン９のＩ／Ｏ２５ポート及びＵＴ装置８のＩ／Ｏポート２５、Ｄ／Ａコンバータ３０を介して、超音波素子５に電圧が印加され、超音波が発信される。

発信された超音波は検査対象２内に入射されて欠陥で反射される。欠陥からの反射波は超音波素子５で電圧として検出され、Ａ／Ｄコンバータ２９、ＵＴ装置８のＩ／Ｏポート２５、パソコン９のＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち少なくとも１つの記憶装置に記憶される。また、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８にＵＴ結果を表示する。

本実施の形態における超音波探傷システムは、以上説明したようにＵＴセンサ１の底面形状を欠陥３の形状と相似形とすることによって各超音波素子５の入射波の進行軸が欠陥３の曲面に直交するようになり、各超音波素子５から欠陥３に向けてＳＨ波を発信した場合の入射波の偏波角が９０°に近付くため、欠陥３からの反射波に占めるＳＨ波成分が増加するのでＵＴの感度が向上する。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、欠陥に対してＳＨ波を発信する超音波素子を複数配置したＵＴセンサを有する超音波探傷装置であって、特に、発生する欠陥の角度が定まらない場合に有効な例である。概略的には、欠陥発生位置として想定される箇所に対して複数の方向から超音波が入射するように複数の超音波素子を配置する例であり、本実施の形態における超音波探傷装置はＵＴセンサの超音波素子の配列が異なる点とシューが不要である点を除いて第１の実施の形態と同様とする。

第１の実施の形態では３次元曲面形状の欠陥３を想定した場合を例示したが、欠陥３が曲面形状でなくとも、図１４に示すように平面的に格子状に超音波素子を格子配列した従来のＵＴセンサを検査対象に固定してＵＴを行う場合には、発生する欠陥の角度によって偏波角が変化するため、超音波素子から欠陥に入射する超音波の偏波角を９０°若しくはそれに近い角度とすることができなかった。この場合もやはりＳＶ波成分が増加して反射効率が低下する。

そこで、本実施の形態では、図１５に示すように、想定される欠陥発生位置に異なる角度で発生する複数の欠陥３を想定し、各欠陥３の交線方向から見た場合、各欠陥３の法線上の点を結んだ曲面形状ないし多角形形状の領域にｎ行ｍ列の超音波素子５を配置し、これをＵＴセンサ１としている。したがって各行のｍ個の超音波素子５は対象とする欠陥３に直交する面上に配置されている。本例ではｎ行ｍ列の超音波素子５を同心円状に２次元配置した場合を例示している。

これにより、欠陥３の角度に応じていずれかの行の超音波素子５からの偏波角が９０°又はそれに近い角度となるため、偏波角が９０°又はそれに最も近い角度となる超音波素子５を反射波の強度を基に選択し、選択した超音波素子５の検出結果を用いてＵＴを行うことで、欠陥３からの反射波に占めるＳＨ波成分が増加するのでＵＴの感度が向上する。

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態は、欠陥に対してＳＨ波を発信する超音波素子を複数配置したＵＴセンサを有する超音波探傷装置であって、特に、探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合に有効な例であり、概略的には想定される各欠陥とそれぞれ直交する面上に超音波素子を配置した例である。第２の実施の形態では角度が予想できない単一の欠陥に対して各行の超音波素子の超音波素子の進行軸を合わせ、想定される欠陥発生位置に異なる複数の方向から超音波を入射させたのに対し、本実施の形態では角度の異なる複数の欠陥が発生する可能性が高い箇所に対して、想定される複数の欠陥のそれぞれに対して各行の超音波素子が超音波を発信する点で相違する。本実施の形態における超音波探傷装置はＵＴセンサの超音波素子の配列が異なる点を除いて第１の実施の形態と同様とする。

角度の異なる複数の欠陥が発生する探傷箇所の例としては、例えばタービン動翼の翼フォークのピン穴周りが挙げられる。タービン動翼の翼フォークの構造について図１６を用いて説明する。

図１６に示したタービンは、ディスク４１と、タービン動翼４２と、ピン４３とを備えている。なお、図１６では、ディスク４１の一部のみを一部断面で示している。

ディスク４１は、回転軸の外周側に取り付けられた円盤状の部材であり、外周部にロータの回転軸方向（以下、ロータ軸方向と記載する）に列設されたディスクフォーク４６を有しており、ディスクフォーク４６には複数のピン穴４５が軸方向に貫通して設けられている。

タービン動翼４２は、翼植込部４７と、翼取り付け部４８と、翼部（プロフィル部）４９とを備えている。翼植込部４７は、タービン動翼４２をディスク４１に取り付けた姿勢（翼取り付け姿勢）においてディスク４１側に位置する部分であり、複数の翼フォーク５０を有している。翼フォーク５０には、複数のピン穴５１が軸方向に貫通して設けられている。フォーク５０は、タービン動翼４２をディスク４１に取り付けた姿勢においてロータ径方向の内側に突出した部材であり、軸方向に複数配列されている。これらフォーク５０は、ディスク４１の外周部に係合するようにディスクフォーク４６の間隔に対応する間隔で列設されている。翼取り付け部４８は、ロータ径方向に所定の厚みを有する部分であって翼植込部４７のロータ形方向外側に翼植込部４７と一体に形成されている。翼取り付け部４８のロータ径方向外側の翼取り付け面５３にはタービン動翼４２の翼部４９が取り付けられている。また、翼取り付け部４８は軸方向の両端に張出部５２を有している。張出部５２は、タービン動翼４２をディスク４１に取り付けた姿勢において、翼植込部４７の軸方向の両端面よりも軸方向に突出している。

ディスクフォーク４６のピン穴４５と翼フォーク５０のピン穴５１は、タービン動翼４２をディスク４１に取り付けた姿勢において互いの位置が対応しており、ピン穴４５，５１にピン４３を軸方向に挿通することでタービン動翼４２がディスク４１に対して固定される。ピン穴４５，５１は、タービン動翼４２がディスク４１に取り付けられた姿勢において互いの中心と直径が一致するようになっている。また、タービンの回転に伴ってピン穴４５，５１にかかる応力を分散して耐久性を向上させるため、ピン穴４５，５１は翼フォーク一枚当たりに複数設けられている。

しかしながら、このようなフォーク型のタービンロータでは、翼フォーク５０にピン穴５１を複数設けても、タービンの回転に伴ってかかる応力によりピン穴４５，５１の周囲に亀裂（以下、欠陥と記載する）が生じることがある。したがって、タービン動翼４２の信頼性を確認するためにも翼フォーク５０の欠陥検査技術が重要である。

翼フォーク５０のピン穴５１の周囲の欠陥検出は図１７に示すように張出し部５２の軸方向を向いた面（以下、センサ設置面と記載する）にＵＴセンサ１を設置し、翼フォーク５０の内面で超音波を反射させながら欠陥３の発生位置（発生の可能性が高い位置）に超音波を入射させ、欠陥３からの反射波を検出するものである。

翼フォーク５０のピン穴５１の欠陥３は図１８に示す範囲（ピン穴５１の下半側（ディスク４１側））に発生し易く、またピン穴５１の半径方向に延びるように発生する傾向が知られている。この欠陥発生範囲をｎ分割してピン穴５１の外周上の欠陥発生位置を想定し、各欠陥発生位置から垂線（ピン穴５１の法線）を引いてこれらを欠陥３と想定する。そして、ピン穴５１の軸方向から見て、ピン穴５１の外周部近傍から張出部５２側に延びる各欠陥３の法線を求め、これら法線を超音波の入射波の進行軸とする。センサ設置面上においてこれら法線に沿って超音波を発信可能な姿勢で各行の超音波素子５を配置し、これをもってＵＴセンサ１の形状とする。したがって、本例では各欠陥３に直交する面上に各行の超音波素子５が配置され、各超音波素子５が発信する超音波の進行軸は目標の欠陥３の直交面に沿う。また本例では、センサ設置面上の各法線上の点を結んで形成される多角の弧状又は円弧状の領域に、ｎ行ｍ列に超音波素子５を２次元配列してＵＴセンサ１を形成している。

欠陥３に直交する面上に超音波素子５が配置されるので、本実施の形態においても各超音波素子５から欠陥３に向けてＳＨ波を発信した場合の入射波の偏波角を９０°又はそれに近い角度とすることができる。そのため欠陥３からの反射波に占めるＳＨ波成分が増加し、ＵＴの感度が向上する。

なお、図１９に示すように超音波の入射ベクトルが法線からずれても許容範囲内であればＵＴに耐え得る反射効率を得ることはできる。例えばずれ角度が５°の場合にはずれ角度が０°の場合の５０％の反射効率が得られる。ずれ角度が大きくなればそれだけ反射効率は落ちるが、ずれ角度が２５°を超える領域ではずれ角度が０°の場合の５％程度の反射効率に収束する。言い換えれば、ずれ角度を２５°以下の範囲ではずれ角度を小さくすることによって反射効率を向上させることができる。したがって、ずれ角度は少なくとも２５°以内とし、０（ゼロ）又は０に近い角度が好ましい。このずれ角度の許容については他の実施の形態においても同様のことが言える。

＜第４の実施の形態＞
本実施の形態は、欠陥に対してＳＨ波を発信する超音波素子を複数配置したＵＴセンサを有する超音波探傷装置であって、特に、発生する欠陥の位置及び角度を特定し得る場合にＵＴ感度の更なる向上を図る上で有効な例である。本実施の形態における超音波探傷装置はＵＴセンサの超音波素子の配列が異なる点を除いて第１の実施の形態と同様とする。

図２０は本実施の形態におけるＵＴセンサの構成図である。

図２０において、翼フォーク５０の１つのピン穴５１における発生確率が最も高い欠陥３から法線を張出部５２のセンサ設置面上に引き、欠陥３と直交する方向に超音波素子５をｎ行ｍ列に２次元配列（本例では格子配列）する。これらｎ×ｍ個の超音波素子５が全て同一の欠陥３に向けて超音波を発信する場合、行毎に少しずつ偏波角が異なる。さらに、同じ翼フォーク５０のピン穴５１における発生確率が最も高い欠陥３から法線を張出部５２のセンサ設置面上に引き、欠陥３と直交する方向に超音波素子５をｎ’行ｍ’列に２次元配列（本例では格子配列）する。これらｎ’×ｍ’個の超音波素子５が全て同一の欠陥３に向けて超音波を発信する場合も、行毎に少しずつ偏波角が異なる。本例ではｎ行ｍ列とｎ’行ｍ’列の２つの超音波素子群を合わせて１つのＵＴセンサ１としている。

なお、翼フォーク５０のピン穴５１では、下半側（ディスク側）の４５°の位置が最も欠陥の発生確率が高く、また欠陥はピン穴５１の径方向に延びる傾向がある。そのため、本例ではＵＴセンサ１が９０°曲成されたＬ字型に形成されているが、欠陥の発生する確率が最も高い位置が異なる場合（４５°位置でない場合）、或いは最も高確率に発生する欠陥を探傷するのではなく欠陥の有無を最優先で知りたい位置（４５°位置ではない）を探傷する場合には、ＵＴセンサ１の折れ角度は適宜異なってくる。

本実施の形態によれば、発生する欠陥の位置及び角度を特定し得る場合にＵＴ感度の更なる向上を図ることができる。加えて、本実施の形態におけるＵＴセンサ１は異なる複数のピン穴５１のＵＴを同時に実行することができるため、ＵＴの高速化の効果も得られる。

＜第５の実施の形態＞
本実施の形態は、他の実施の形態と同じく欠陥に対してＳＨ波を発信する超音波素子を複数配置したＵＴセンサを有する超音波探傷装置であって、特に、ＵＴセンサを検査対象の表面に固定せず位置及び角度を調整することで欠陥にＳＨ波を発信する例である。概略的には、回転アクチュエータ及び少なくとも２軸の並進アクチュエータを有しＵＴセンサの平面移動と回転を可能とする移動機構と、検査対象２の強度計算あるいは欠陥発生事例データベースに基づいて欠陥発生位置と形状を予測し、予測した欠陥の法線と検査対象の表面とが交わる点を超音波発信点として導き出す演算部と、上記移動機構に指令して上記超音波発信点にＵＴセンサを移動させ、さらに上記演算した欠陥の位置に向けて発信する超音波がＳＨ波となるようにＵＴセンサを回転させ、ＵＴセンサに指令してＳＨ波を発信させる指令部とを備える。以下に具体的構成を簡単に説明する。

図２１は本実施の形態の超音波探傷装置の概略構成図である。図２１に示したように、本実施の形態の超音波探傷装置は、パソコン９、ＵＴ装置８、ＵＴセンサ１、ＵＴセンサ移動機構１２、アクチュエータ１３及びアクチュエータドライバ１４を備えている。

図２２はＵＴセンサ１の構成図で、他の実施の形態と同様の超音波素子５を直線上に１次元配列したものであり、超音波素子５の配列を除いて他の実施の形態のＵＴセンサと同様である。

図２３はＵＴセンサ移動機構１２の構成図である。図２３に示すように、ＵＴセンサ移動機構１２は、例えばモータやピエゾ素子等の駆動機構からなりＵＴセンサ１を平面移動させる少なくとも２軸の並進アクチュエータ１３ａ、ＵＴセンサ１を回転させる回転アクチュエータ１３ｂ、金属や樹脂等を成型して構成されたアクチュエータ収納用の格納容器１６、及び格納容器１６を検査対象２に固定する固定手段である吸盤１７を備えている。このＵＴセンサ移動機構１２によりＵＴセンサ１の位置及び角度を制御する。

この超音波探傷システムを用いたＵＴ手法を図２４の機能ブロック図、及び図２５の超音波探傷ステップの図を用いて説明する。

・ステップ２０１：検査対象形状及び欠陥形状・位置の入力
図２４に示したキーボード２６、記録メディア２７のうち１つ以上の入力装置から予想される欠陥３の形状と位置、ＵＴセンサ１の形状と位置、検査対象２の形状を入力する。また、検査対象２の欠陥発生事例に関するデータが蓄積されているときは、それらの事例を欠陥の位置・大きさ・発生頻度に関するデータベースとして、キーボード２６、記録メディア２７のうち１つ以上の入力装置から入力する。これらの形状情報はＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち１つ以上の記憶装置に記憶される。このように、ＣＰＵ２１は応力分布解析手段として機能し、解析によって特定した応力分布の高い箇所をＵＴの対象箇所とする。また、解析結果を記憶する記憶装置（先のＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうちの少なくとも１つ）には、応力分布の解析結果がデータベースとして格納される。

・ステップ２０２：欠陥位置の解析
欠陥３の形状及び位置は、検査対象の形状情報に基づきＣＰＵ２１で検査対象２の強度計算を行い、解析・予測しても良い。

・ステップ２０３：超音波伝播経路の解析
欠陥３位置から法線方向に超音波を発信させた場合の超音波伝播経路をＣＰＵ２１で解析し、検査対象２表面への射出点を求め、その射出点をセンサ設置位置としてＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち１つ以上の記憶装置に記憶する。図２６は超音波伝播経路の解析方法の説明図で、欠陥３から欠陥３の法線方向に直線を引き、検査対象２内の面に当たった際には鏡面に反射されると仮定してセンサ設置面への到達点を求める。この到達点から超音波を発信すると欠陥３に入射されるため、この点を超音波発信点とする。したがって、図２４の機能ブロック図の場合、ＣＰＵ２１が前述した演算部に該当する。

・ステップ２０４：超音波発信開始時間差の解析
図２７は各超音波素子の超音波発信開始時間計算方法の説明図である。図２７において、ＵＴセンサ１を構成する各超音波素子５と超音波収束点との距離Ｌｉを求め、ｋ番目の超音波素子５の最初に発信開始する超音波素子との超音波発信開始時間差ｄｔｋをＣＰＵ２１で次のように計算し、
ｄｔｋ＝（Ｍａｘ（Lｉ）−Lｋ）÷Ｖ・・・（４）
ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち１つ以上の記憶装置に記憶させる。
ここで、
Ｌｉ：超音波収束点とｉ行目の超音波素子との距離
Ｌｋ：超音波収束点とｋ行目の超音波素子との距離
Ｍａｘ（Ｌｉ）：超音波収束点とｉ行目の超音波素子との距離の最大値
Ｖ：超音波音速
を表す。超音波発信開始時間差を上式（４）に従って求めることにより、各超音波素子５から収束点３６に同時に超音波が到達し、収束点３６の超音波強度が高められて信号強度が向上する。

・ステップ２０５：センサの設置
ＵＴセンサ１を固定したＵＴセンサ移動機構１２を吸盤１７で検査対象２上に固定する。また、ＵＴセンサ１の初期設置位置をキーボード２６から入力し、Ｉ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達し、ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち１つ以上の記憶装置に記憶させる。

・ステップ２０６：センサの移動
ステップ２０３で求めた超音波発信点とステップ２０５で記録したＵＴセンサ１の位置に基づき、図２４に示したＣＰＵ２１からＩ／Ｏポート２５を介してアクチュエータドライバ１４にＵＴセンサ１の移動量の信号を送り、アクチュエータドライバ１４からアクチュエータ１３に電力を供給し、ＵＴセンサ１を設置位置に移動させ、角度を調整する。したがって、図２４の機能ブロック図の場合、ＣＰＵ２１が前述した指令部にも該当する。

・ステップ２０７：ＵＴの実行
先に求めた超音波発信開始時間差を基に、図２４に示したパソコン９のＩ／Ｏポート２５及びＵＴ装置８のＩ／Ｏポート２５、Ｄ／Ａコンバータ３０を介して超音波素子５に電圧を印加し、超音波を発信する。

発信された超音波は欠陥３がある場合は欠陥３で反射される。反射された超音波は超音波素子５で電圧として検出され、Ａ／Ｄコンバータ２９、ＵＴ装置８のＩ／Ｏポート２５、パソコン９のＩ／Ｏポート２５を介してＣＰＵ２１に伝達され、ＨＤＤ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４のうち１つ以上の記憶装置に記憶される。また、Ｉ／Ｏポート２５を介してモニタ２８にＵＴ結果を表示する。

このように、本実施の形態においても高精度にＳＨ波を欠陥に当てることができるので、前述した各実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、予測した欠陥の位置や形状に応じてＵＴセンサ１の位置や角度を調整することができるので、ＵＴセンサ１を固定する既述の各実施の形態と較べて超音波素子５の数を抑えることができる。これによってＵＴ装置８を簡略化することができ、ＵＴ装置８を低廉化することができる。また、欠陥の位置や角度の解析結果に応じて柔軟にＵＴセンサ１の位置や姿勢を制御できるので、信頼性も向上する。

超音波探傷（ＵＴ）の概念図である。超音波伝播モードの概念図である。反射効率の入射角依存性を表す図である。入射モード変化の概念図である。入射モード割合の偏波角依存性である。従来のＳＨ波センサの構成図である。従来のＳＨ波センサの構成図である。第１の実施の形態に係るＳＨ波センサの概念図である。第１の実施の形態に係る超音波探傷装置の構成図である。第１の実施の形態に係る超音波探傷装置の機能ブロック図である。第１の実施の形態に係るＳＨ波センサの概略図である。第１の実施の形態における超音波探傷ステップを表すフローチャートである。第１の実施の形態における超音波発信時間差の算出のための説明図である。従来のＳＨ波センサの構成図である。第２の実施の形態に係るＳＨ波センサの概念図である。第２の実施の形態の検査対象の一例の概略図である。第２の実施の形態におけるＵＴ方法の概念図である。第３の実施の形態におけるＵＴセンサの構成図である。ＳＨ波反射効率の入射角の欠陥法線からのずれ角に対する依存性を表す図である。第４の実施の形態におけるＵＴセンサの構成図である。第５の実施の形態に係る超音波探傷装置の概略構成図である。第５の実施の形態におけるＵＴセンサの概略図である。第５の実施の形態におけるセンサ移動機構の構成図である。第５の実施の形態に係る超音波探傷装置の機能ブロック図である。第５の実施の形態における超音波探傷ステップを表すフローチャートである。第５の実施の形態における超音波伝播経路の概念図である。第５の実施の形態における超音波発信開始時間差の算出のための説明図である。

符号の説明

１ＵＴセンサ
２検査対象
３欠陥
４反射面
５超音波素子
６保護ケース
７シュー
８ＵＴ装置
９パソコン
１０電極
１１ダンパー
１２ＵＴセンサ移動機構
１３アクチュエータ
１３ａ並進アクチュエータ
１３ｂ回転アクチュエータ
１４アクチュエータドライバ
１５信号線
１６格納容器
１７固定機構
１８圧電素子
２１ＣＰＵ
２２ＨDD
２３ＲＡＭ
２４ＲＯＭ
２５Ｉ／Ｏポート
２７記録メディア
２８モニタ
２９Ａ／Dコンバータ
３０ D／Ａコンバータ
４１ディスク
４２タービン動翼
４３フォークピン
４６ディスクフォーク
４５ディスク側ピン穴
４８翼取り付け部
５０翼フォーク
５１ピン穴
５２張出部
５３翼取り付け面

Claims

検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置であって、
前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に想定される３次元曲面形状の欠陥の長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１，Ｒ１、前記欠陥の短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２，Ｒ２、前記超音波探傷センサの長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１’，Ｒ１’、前記超音波探傷センサの短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２’，Ｒ２’とした場合、前記超音波探傷センサの底面を、
Ｒ１’÷Ｒ１＝Ｗ１’÷Ｗ１・・・（１）
Ｒ２’÷Ｒ２＝Ｗ２’÷Ｗ２・・・（２）
の関係が成立するような曲面形状とし、検査対象と各超音波素子との間に超音波を伝播させるシューを設けたことを特徴とする超音波探傷装置。
検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置であって、
前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、各欠陥とそれぞれ直交する面上に前記超音波素子を配置したことを特徴とする超音波探傷装置。
検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置であって、
回転アクチュエータ及び少なくとも２軸の並進アクチュエータを有し前記超音波探傷センサの平面移動と回転を可能とする移動機構と、
検査対象の形状情報を基に強度計算を実行し想定される欠陥の形状及び位置を算出する演算部と、
前記移動機構に指令して前記超音波発信点に超音波探傷センサを移動させる指令部とを備え、
前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、前記演算部により、算出した欠陥の法線と検査対象の表面とが交わる点を超音波発信点として導き出し、前記指令部により、前記移動機構に指令して前記演算した欠陥の位置に向けて発信する超音波が水平偏波横波となるように前記超音波探傷センサを回転させ、前記超音波探傷センサに指令して水平偏波横波を発信させることを特徴とする超音波探傷装置。
欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサを用いた超音波探傷方法であって、
想定される３次元曲面形状の欠陥の長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１，Ｒ１、前記欠陥の短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２，Ｒ２、前記超音波探傷センサの長径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ１’，Ｒ１’、前記超音波探傷センサの短径方向の長さ及び曲率をそれぞれＷ２’，Ｒ２’とした場合、前記超音波探傷センサの底面を、
Ｒ１’÷Ｒ１＝Ｗ１’÷Ｗ１・・・（１）
Ｒ２’÷Ｒ２＝Ｗ２’÷Ｗ２・・・（２）
の関係が成立するような曲面形状とし、検査対象と各超音波素子との間に超音波を伝播させるシューを設けることを特徴とする超音波探傷方法。
検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法であって、
前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、各欠陥とそれぞれ直交する面上に前記超音波素子を配置することを特徴とする超音波探傷方法。
検査対象の形状を基に計算した当該検査対象の構造強度から前記検査対象の応力分布を解析する応力分布解析装置、応力分布の解析結果を蓄積した応力分布解析結果データベース、及び検査対象における欠陥の発生事例を蓄積した欠陥発生事例データベースのうちの少なくとも一つと、欠陥に対して水平偏波横波を発信する超音波素子を複数配置した超音波探傷センサとを有する超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法であって、
前記検査対象の応力分布、及び前記欠陥の発生事例の少なくとも一方を基に探傷箇所に角度の異なる複数の欠陥の発生が想定される場合、
検査対象の形状情報を基に強度計算を実行し想定される欠陥の形状及び位置を算出し、算出した欠陥の法線と検査対象の表面とが交わる点を超音波発信点として導き出し、
前記超音波発信点に超音波探傷センサを移動させ、さらに前記演算した欠陥の位置に向けて発信する超音波が水平偏波横波となるように前記超音波探傷センサを回転させ、前記超音波探傷センサによって前記演算した欠陥の位置に水平偏波横波を発信させる
ことを特徴とする超音波探傷方法。
請求項４−６のいずれかの超音波探傷方法において、検査対象の形状を基に検査対象の応力分布を解析し、その解析によって特定した応力分布の高い箇所を超音波探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項４−６のいずれかの超音波探傷方法において、応力分布解析結果に基づき作成されたデータベース上の応力分布の高い箇所を超音波探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
請求項４−６のいずれかの超音波探傷方法において、欠陥発生事例データベースに基づき欠陥発生頻度の高い箇所を超音波探傷することを特徴とする超音波探傷方法。