JP5243215B2

JP5243215B2 - 丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法

Info

Publication number: JP5243215B2
Application number: JP2008311060A
Authority: JP
Inventors: 海広佐藤
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: JP2010133856A

Description

本発明は、丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法に関し、特に、アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法に関するものである。

特殊鋼からなる丸棒鋼は、鋼片が圧延されることで得られる。通常は、タンデムに並べられた粗列圧延機、中間列圧延機及び仕上列圧延機による多段圧延が施される。この圧延によって鋼片は徐々に細径化し且つ長尺化して、丸棒鋼が得られる。ユーザーの要求によっては、圧延によって得られた丸棒鋼に、さらに、熱処理、ピーリング加工などを施して丸棒鋼（成品）とする。

このように製造される丸棒鋼には中心部に欠陥が存在することがある。図４は、丸棒鋼のＴ断面側に投影してみた中心部の欠陥分布の事例のイメージ図である。図４（ａ）は、１点集中型であり、図４（ｂ）は、分散型である。分散型の場合には、例えば丸棒鋼の直径の15%程度の範囲に欠陥が分散している。中心部欠陥は往々にして空孔性欠陥であるが、欠陥の大きさや数によっては丸棒鋼の品質を損なうため、丸棒鋼の用途にあわせた欠陥の検査を行い、高品質の丸棒鋼のみを出荷する必要がある。また、欠陥の実寸法(√AREA)は数100μm以下であるが、そのうち特に大きな100μm級またはそれ以上の寸法の欠陥を精度よく検出する必要がある。なお、√AREAとは、観察する方向からみたときの欠陥の面積の平方根であって、検知された欠陥の長辺をＡ、短辺をＢとした場合において、√AREA＝√(Ａ×Ｂ)とするのが一般的である。ここで、短辺（Ｂ）方向は長辺（Ａ）方向と直交するようにとる。√AREAとは、欠陥を等価の長方形に見立てて平均径を求める方法である。

丸棒鋼の中心部の欠陥の代表的な検査方法には、丸棒材の横断面における集束点と縦断面における集束点とが実質的に一致した超音波探傷により直径約100μm以上の内部欠陥を検出する技術がある（例えば、特許文献１参照）。そして、特許文献１には、丸棒中心近傍に集束点がある状態が例示されている。

オンライン超音波探傷においても、点集束とすることは、焦点近傍の音圧を高め、鋼中欠陥に対する検出能を向上せしめるのに有効な手段ではある。
特開2005-84036号公報

ここで、丸棒鋼の中心部の全領域を探傷するためには、超音波ビーム径に応じて材料の移動ピッチ(搬送速度)を制限する必要がある。しかしながら、オンライン探傷の搬送速度は例えば1〜2.5m/secの高速であり、点集束の超音波ビームは材料搬送方向に関する長さが確保できないため、点集束の超音波ビームでは高速のオンライン超音波探傷に対応することは困難である。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、高速のオンライン超音波探傷に対応することが可能な丸棒鋼の中心部欠陥、特に、√AREAが100μm級またはそれ以上のサイズの中心部欠陥の検出評価方法を提供することである。

本発明は、電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法であって、水浸超音波探傷は、探傷条件として、下記数式１で表されるパラメータＰを設定した場合に、下記数式２を満たす範囲で電子走査式アレイ探触子の探触子面と丸棒鋼の表面との距離である水距離を設定し、電子走査式アレイ探触子により、丸棒鋼の中心部に電子フォーカスによるラインフォーカスを生成させて、垂直探傷を行うことを特徴とする。
[数式１]
Ｐ＝ｄ×(ｖ_ｓ/ｖ_ｗ)＋ｌ
ここで、ｄ[mm]は丸棒鋼の半径であり、ｌ[mm]は水距離であり、ｖ_ｓ[m/sec]は丸棒鋼中の縦波音速であり、ｖ_ｗ[m/sec]は水中の縦波音速である。
[数式２]
Ｐ≦819×ｆ_ｓ ^-0.86
ここで、ｆ_ｓ[MHz]は、電子走査式アレイ探触子の探傷周波数である。

本発明によれば、適切な水距離を設定し、丸棒鋼の中心部に電子フォーカスによるラインフォーカスを生成することにより、中心部欠陥のエコーについて高いS/N比を得ることが可能となるとともに、高速のオンライン超音波探傷に対応することが可能となる。

以下、本発明の実施形態である丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法について、図を参照して詳細に説明をする。

図１は、本実施形態の丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法に用いられる丸棒鋼探傷装置の構成例を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態の丸棒鋼探傷装置を丸棒鋼のＴ断面で見た図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の丸棒鋼探傷装置の正面図である。

本実施形態の丸棒鋼探傷装置１００は、制御部１０と、複数のアレイ探触子（電子走査式アレイ探触子）２０−１〜２０−ｎ（ｎは２以上の整数である）とから構成される。

制御部１０は、例えば、パーソナルコンピュータ等で構成される。

検査対象となる丸棒鋼Ａは、水槽３０の不図示の穴を通して搬送される。また、水槽３０内は水４０で満たされている。そして、水槽３０内の丸棒鋼Ａ全体が水４０に完全に浸ることにより、本実施形態の丸棒鋼探傷装置１００は、いわゆる水浸法による超音波探傷を行うことが可能である。なお、図面の簡略化のため、以後の図面においては水４０の記載を省略するが、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置においては、後述するアレイ探触子２０と丸棒鋼Ａとの間には水４０が存在し、水浸法による超音波探傷を行うものとする。

また、本実施形態の丸棒鋼探傷装置１００には、丸棒鋼材搬送(探傷)時の芯ずれを最小限にとどめるための不図示の搬送用ガイドが付設されており、丸棒鋼Ａを図中のＢ方向へ搬送する。アレイ探触子２０の動作は制御部１０で制御され、制御部１０は、アレイ探触子２０で検知された欠陥信号のすべてを総合して、丸棒鋼Ａ内の欠陥検出位置のマップなどを作成する。

また、アレイ探触子２０の丸棒鋼Ａに対向する面には、略円周面状の探触子面２０ａが形成されている。図１（ａ）に示すように、複数のアレイ探触子２０−１〜２０−ｎを丸棒鋼Ａの周囲に配置した場合には、アレイ探触子２０−１〜２０−ｎの互いの略円周面状の探触子面２０ａ−１〜２０ａ−ｎが組み合わさることにより、丸棒鋼Ａの中心軸を中心とした同心円状の探触子面を構成する。

図２は、本実施形態のアレイ探触子の詳細な構成を示す図である。図２（ａ）は、丸棒鋼ＡのＴ断面でみた図であり、図２（ｂ）は、本実施形態のアレイ探触子の正面図である。図に示すように、アレイ探触子２０の略円周面状の探触子面２０ａには、多数の振動子（以下、単にエレメントともいう）２５が配置されている。例えば、振動子２５は、探触子面２０ａに128エレメント配列されている。

ここで、多数の振動子２５のうち、後述する超音波ビームの生成の際に同時制御される所定の範囲で整列した複数の振動子２５の群を同時制御エレメント群２１と定義する。同時制御エレメント群２１は、例えば16, 32, 64といった個数の複数の振動子２５の群により電子的にみかけ振動子がつくられたものである。

例えば、アレイ探触子２０の探触子面２０ａに振動子２５が128エレメント配列されている場合には、左から1〜32番目の振動子２５を同時制御する、左から2〜33番目の振動子２５を同時制御する、・・・、左から97〜128番目の振動子２５を制御する、といった具合に適宜選択して制御され、同時制御エレメント群２１を構成する。

図中のＡは、評価の対象となる丸棒鋼であり、その直径は、例えば、15〜100mmである。図中のＤは、同時制御エレメント群２１が生成する超音波ビームである。図に示すように超音波ビームＤの一部を丸棒鋼Ａの内部に入れて丸棒鋼Ａの中心部の探傷を行う。また、超音波ビームＤは丸棒鋼Ａの搬送方向Ｂとほぼ平行な方向、本実施形態でいえば丸棒鋼Ａの中心軸Ｃとほぼ平行な方向に、図２（ｂ）に示すように所定の長さの直線状の電子フォーカスであるラインフォーカスｆ_Ｄを丸棒鋼Ａの中心軸Ｃの付近に生成する。

ラインフォーカス（電子フォーカス）ｆ_Ｄを丸棒鋼Ａの中心軸近傍に生成することにより、中心欠陥に対する検出能が高めることが可能となる。また、本実施形態のごとく、複数のエレメントが丸棒鋼に対向し、丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に配列された探触子を用いることにより、上述した制御が容易とすることが可能となる。

本実施形態においては、同時制御エレメント群２１の丸棒鋼Ａの探触子面２０ａの円周上方向の範囲の寸法(図中の円弧状の太い線Ｅの長さ)を8〜30mmとし、同時制御エレメント群２１の振動子配列と直交方向（すなわち、図２（ｂ）から見た方向）の同時制御エレメント群２１の幅を10〜20mmとするとよい。また、このように定まる同時制御エレメント群２１を便宜上、見かけ上の振動子ともいう。

図２中のｌは、水距離であり、同時制御エレメント群２１の探触子面２０ａ表面と丸棒鋼Ａの表面との間の距離を示す。

図３は、水距離ｌの目安を示す図である。ここで、水距離ｌの上限の目安としてパラメータＰを導入する。パラメータＰは、以下の数式１で表すものとする。

[数式１]
Ｐ＝ｄ×(ｖ_ｓ/ｖ_ｗ)＋ｌ
ここで、ｄ[mm]は丸棒鋼の半径であり、ｌ[mm]は水距離であり、ｖ_ｓ[m/sec]は丸棒鋼中の縦波音速であり、ｖ_ｗ[m/sec]は水中の縦波音速である。

パラメータＰは、垂直探傷の場合には、鋼中縦波音速ｖ_ｓは約5900m/secであり、水中縦波音速ｖ_ｗは約1480m/secであり、ｖ_ｓ/ｖ_ｗ≒4であるため、簡易的には、Ｐ＝4ｄ＋ｌとすることができる。

本発明者は、探傷周波数とパラメータＰとで、欠陥寸法が√AREA100μm以上の中心部欠陥の検知の有無に関する評価を行った結果、水浸垂直探傷では、パラメータＰを図３に示す曲線y＝819×（探傷周波数[MHz]）^-0.86の下側の領域の数値範囲とすることで、より高度の電子フォーカスの集束効果を得ることができ、欠陥寸法が√AREA100μm以上の中心部欠陥の検知することが可能であることを見出した。すなわち、本実施形態では、以下の数式２を満たす範囲で水距離ｌを設定するものとする。

[数式２]
Ｐ≦819×ｆ_ｓ ^-0.86
ここで、ｆ_ｓ[MHz]は、アレイ探触子２０の探傷周波数である。

表１は、パラメータＰと、√AREA100μm以上の中心部欠陥の検知の有無との関係を示す表である。実験例１〜５の探傷周波数は4MHzであり、実験例６〜１０の探傷周波数は5MHzであり、実験例１１〜１５の探傷周波数は7MHzであり、実験例１６〜２０の探傷周波数は10MHzであり、実験例２１〜２２の探傷周波数は17MHz、実験例２３〜２４の探傷周波数は20MHzである。この場合のＰの上限値は、実験例１〜５では248となり、実験例６〜１０では205であり、実験例１１〜１５では153となり、実験例１６〜２０では113となり、実験例２１〜２２では71となり、実験例２３〜２４では62となる。

また、中心部欠陥の検知の評価は、S/N比が2.0以上での検知を○（優）とし、S/N比が1.5以上2.0未満での検知を□（良）とし、S/N比が1.5未満の場合を×（不可）とした。

表１からわかるように、パラメータＰが曲線yの下側の領域の数値範囲にある場合には、電子フォーカスの集束効果を得ることができ、√AREA100μm以上の中心部欠陥を検知することが可能である（例えば、実験例1, 2, 4, 6, 7, 9, 11, 12, 14, 16, 17, 19, 21, 23）、曲線yの上側の領域の数値範囲にある場合には、電子フォーカスの集束効果を得ることができず、√AREA100μm以上の中心部欠陥を検知することが難しいことがわかる（例えば、実験例3, 5, 8, 10, 13, 15, 18, 20, 22, 24）。

このように、本実施形態では、パラメータＰを図３に示す曲線y＝819×ｆ_ｓ ^-0.86の下側の領域の数値範囲とする（すなわち、Ｐ≦819×ｆ_ｓ ^-0.86とする）ことで、電子フォーカスの集束効果を得ることができ、√AREA100μm以上の中心部欠陥を検知することが可能である。パラメータＰが図３に示す曲線y＝819×ｆ_ｓ ^-0.86の上側の領域の数値範囲となる場合には、電子フォーカスの十分な集束効果が得られず、電子フォーカス制御する意味が低下する。本実施形態のごとく、パラメータＰを採用し、Ｐ≦819×ｆ_ｓ ^-0.86とすることで、丸棒鋼中の中心部欠陥に対して、所定のレベル以上の欠陥検出能を得ることができる。パラメータＰの活用により、使用したい探傷周波数と被検材の直径とから、水距離ｌの目安(上限)が決まるので、探傷装置および方法の設計指針とできる。

本実施形態の丸棒鋼探傷装置１００は、通材する前に、被検材である丸棒鋼Ａの径を制御部１０に登録し、鋼材半径と電子フォーカス深さが一致するような自動制御を行う。このとき、水距離は図３の内容で定まる範囲内での設定値とし、万一、所定の水距離が確保できないときは、検査前にアラートを出すなどの処置をしてもよい。

以下、本発明の実施例について説明をする。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

電子走査式アレイ探触子を用いた本実施形態の丸棒鋼探傷装置１００により、丸棒鋼材検査を所定の条件で行う。丸棒鋼材の鋼種は機械構造用鋼、軸受用鋼、ステンレス鋼などであり、表面性状は黒皮材、ピーリング材のいずれでもよい。欠陥があることが既知の鋼材を通材すれば、丸棒鋼探傷装置１００の欠陥検出能の確認に使用できる。

電子走査式アレイ探触子２０としては、複数のエレメントが丸棒鋼Ａに対向し、丸棒鋼Ａの中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に配列されたフェーズドアレイ探触子を用いる。探傷は垂直探傷により、丸棒鋼Ａの中心部または中心部を含む範囲にゲートをかけて中心部欠陥の検知を行う。ただし、表面不感帯(表面エコーや表面波エコー)の影響を受けないゲート範囲とする。測定感度は、中心欠陥エコーに対し、S/N比を1.5〜2以上、好ましくは3以上、確保できる感度とする。欠陥検出の有無、また欠陥検出位置を示すマップを出力し、合否判定などを行う。

（実施例１）
丸棒鋼探傷装置１００に、探傷周波数5MHzの探触子をセットした。直径がφ90mmの丸棒鋼材を探傷するにあたり、図３より探傷周波数5MHzのときのパラメータＰ≦205mmであり、鋼材Ａの半径ｄが45mmであることから、水距離ｌ≦25mmであるべき旨がわかる。そこで、水距離ｌを25mmでセッティングできる探触子を選定し、探傷装置のセッティングを行って、探傷実験を実施した。使用した探触子のエレメントの軸方向のサイズは16mmであり、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関しては、円周上方向の範囲Ｅを11mmとなるようにしたので、見かけ上の振動子面積は11mm×16mmである。S/N比＝2.5で得られた中心部欠陥エコーにつき、当該欠陥を現出させたミクロ試料を作製し、顕微鏡観察した結果、√AREAが100μｍ超の空孔性欠陥が確認された。

（実施例２）
丸棒鋼探傷装置１００に、探傷周波数4MHzの探触子をセットした。直径φ100mmの丸棒鋼材を探傷するにあたり、図３より探傷周波数4MHzのときのパラメータＰ≦248mmであり、鋼材Ａの半径ｄが50mmであることから、水距離ｌ≦48mmであるべき旨がわかる。そこで、水距離ｌを44mmでセッティングできる探触子を選定し、探傷装置のセッティングを行って、探傷実験を行った。使用した探触子のエレメントの軸方向のサイズは20mmであり、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関しては、円周上方向の範囲Ｅを24mmとなるようにしたので、見かけ上の振動子面積は24mm×20mmである。S/N比＝2で得られた中心部欠陥エコーにつき、当該欠陥を現出させたミクロ試料を作製し、顕微鏡観察した結果、√AREAが約100μｍの空孔性欠陥が確認された。

（実施例３）
丸棒鋼探傷装置１００に、探傷周波数7MHzの探触子をセットした。直径がφ30mmの丸棒鋼材を探傷するにあたり、図３より探傷周波数7MHzのときのパラメータＰ≦153mmであり、鋼材Ａの半径ｄが15mmであることから、水距離ｌ≦93mmであるべき旨がわかる。そこで、水距離ｌを38mmでセッティングできる探触子を選定し、探傷装置のセッティングを行って、探傷実験を実施した。使用した探触子のエレメントの軸方向のサイズは15mmであり、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関しては、円周上方向の範囲Ｅを8mmとなるようにしたので、見かけ上の振動子面積は8mm×15mmである。S/N比＞3で得られた中心部欠陥エコーにつき、当該欠陥を現出させたミクロ試料を作製し、顕微鏡観察した結果、√AREAが100μｍ超の空孔性欠陥が確認された。

（実施例４）
丸棒鋼探傷装置１００に、探傷周波数17MHzの探触子をセットした。直径がφ15mmの丸棒鋼材を探傷するにあたり、図３より探傷周波数20MHzのときのパラメータＰ≦71mmであり、鋼材Ａの半径ｄが7.5mmであることから、水距離ｌ≦41mmであるべき旨がわかる。そこで、水距離ｌを32.5mmでセッティングできる探触子を選定し、探傷装置のセッティングを行って、探傷実験を実施した。使用した探触子のエレメントの軸方向のサイズは10mmであり、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関しては、円周上方向の範囲Ｅを8mmとなるようにしたので、見かけ上の振動子面積は8mm×10mmである。S/N比≒3で得られた中心部欠陥エコーにつき、当該欠陥を現出させたミクロ試料を作製し、顕微鏡観察した結果、√AREAが約100μｍの空孔性欠陥が確認された。

（実施例５）
丸棒鋼探傷装置１００に、探傷周波数20MHzの探触子をセットした。直径がφ20mmの丸棒鋼材を探傷するにあたり、図３より探傷周波数20MHzのときのパラメータＰ≦62mmであり、鋼材Ａの半径ｄが10mmであることから、水距離ｌ≦22mmであるべき旨がわかる。そこで、水距離ｌを20mmでセッティングできる探触子を選定し、探傷装置のセッティングを行って、探傷実験を実施した。使用した探触子のエレメントの軸方向のサイズは10mmであり、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関しては、円周上方向の範囲Ｅを8mmとなるようにしたので、見かけ上の振動子面積は8mm×10mmである。S/N比≒3で得られた中心部欠陥エコーにつき、当該欠陥を現出させたミクロ試料を作製し、顕微鏡観察した結果、√AREAが約100μｍの空孔性欠陥が確認された。

上記実施例１〜４の結果からわかるように、探触子の探傷周波数及び測定対象の丸棒鋼の半径から適切な水距離ｌを設定し、丸棒鋼の中心部に電子フォーカスによるラインフォーカスを生成することにより、中心部欠陥のエコーについて高いS/N比を得ることが可能となり、得られた中心部欠陥エコーについて顕微鏡観察した結果、√AREAが約100μｍの空孔性欠陥を確認することができた。よって、本発明の妥当性が証明された。

以上説明したように、本実施形態の丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法によれば、電子走査式アレイ探触子を用いて、適切な水距離を設定し、丸棒鋼の中心部に電子フォーカスによるラインフォーカスを生成することにより、丸棒鋼の√AREAが100μm以上の中心部欠陥のエコーについて高いS/N比を得ることが可能となるとともに、材料搬送方向に関して長さのある超音波ビームを発信することが可能となり、高速のオンライン超音波探傷に対応することも可能となる。

なお、上記説明は主に丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価について記載を行ったがこれに限られるものではなく、同様の垂直探傷の方式を用いる限り、中心部以外の欠陥に対しても応用することができる。その場合、内部欠陥の多発が懸念される部位(深さ)にあわせて、電子フォーカスを制御するとよい。

本実施形態の丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法に用いられる丸棒鋼探傷装置の構成例を示す図である。本実施形態のアレイ探触子の詳細な構成を示す図である。パラメータＰで見た場合の水距離の目安を示す図である。丸棒鋼のＴ断面側に投影してみた中心部の欠陥分布の事例のイメージ図である。

符号の説明

１００：丸棒鋼探傷装置
１０：制御部
２０：アレイ探触子
２１：同時制御エレメント群
２５：振動子

Claims

電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法であって、
前記水浸超音波探傷は、探傷条件として、下記数式１で表されるパラメータＰを設定した場合に、下記数式２を満たす範囲で前記電子走査式アレイ探触子の探触子面と前記丸棒鋼の表面との距離である水距離を設定し、前記電子走査式アレイ探触子により、前記丸棒鋼の中心部に電子フォーカスによるラインフォーカスを生成させて、垂直探傷を行うことを特徴とする丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法。
[数式１]
Ｐ＝ｄ×(ｖ_ｓ/ｖ_ｗ)＋ｌ
ここで、ｄ[mm]は前記丸棒鋼の半径であり、ｌ[mm]は前記水距離であり、ｖ_ｓ[m/sec]は前記丸棒鋼中の縦波音速であり、ｖ_ｗ[m/sec]は水中の縦波音速である。
[数式２]
Ｐ≦819×ｆ_ｓ ^-0.86
ここで、ｆ_ｓ[MHz]は、前記電子走査式アレイ探触子の探傷周波数である。
前記電子走査式アレイ探触子は、前記丸棒鋼の中心軸方向とほぼ平行な方向に前記ラインフォーカスを生成することを特徴とする請求項１に記載の丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法。
前記電子走査式アレイ探触子の探傷周波数を4MHz以上20MHz以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価方法。