JP5325394B2 - Ultrasonic flaw detection method, ultrasonic flaw detection apparatus and ultrasonic flaw detection system for shaft member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧延機のロール軸駆動装置やクレーンの減速機軸、及び電車・工業用駆動装置の車軸等の超音波探傷法、超音波探傷装置および超音波探傷システムに関する。 The present invention relates to an ultrasonic flaw detection method, an ultrasonic flaw detection apparatus, and an ultrasonic flaw detection system for a roll shaft drive device of a rolling mill, a speed reducer shaft of a crane, and an axle of a train / industrial drive device.
圧延機やクレーンに用いられる軸部材は、疲労破壊が懸念されるため、定期的に、軸受け部を分解して疲労亀裂等のキズの有無を検査する開放検査が実施されている。しかし、圧延機やクレーンの減速機は大型機械で、開放検査には長い工期と多額の費用が必要とされる。 Since shaft members used in rolling mills and cranes are concerned about fatigue failure, an open inspection is periodically performed to disassemble the bearing portion and inspect for the presence of scratches such as fatigue cracks. However, rolling mills and crane speed reducers are large machines, and open inspections require a long construction period and large costs.
軸部材の端部から軸部材の欠陥を探傷する超音波探傷方法の場合、軸部材に歯車やカップリングなどが圧入された状態では、圧入部と非圧入部の境界部に圧入エコーが発生し、同一個所に発生した亀裂等のキズとの弁別が容易でなく、レードルクレーンの主巻減速機軸など歯車を固定するため、段付軸を用いる場合は、段付き部に沿った亀裂等のキズを段付き部のバックエコーから弁別して探傷することも必要とされる。 In the case of an ultrasonic flaw detection method that detects flaws in the shaft member from the end of the shaft member, a press-fitting echo is generated at the boundary between the press-fitted portion and the non-press-fit portion when a gear or a coupling is pressed into the shaft member. If it uses a stepped shaft to fix gears such as the main speed reducer shaft of a ladle crane, it is not easy to discriminate it from cracks that occur at the same location. It is also necessary to detect flaws by distinguishing them from the back echoes of the stepped portion.
特許文献1は、軸部材の超音波探傷方法および装置に関し、軸部材で、主に歯車などの回転部材が圧入された部分に発生する欠陥を検出するため、軸部材端面から超音波探傷を行う探触子構造体において複数の探触子セグメントを円周方向に連続的に配置し逐次超音波を入射させ、または探触子セグメントは一つとし、円周方向に沿って移動させて、軸部材周方向の探傷を行うことが記載されている。
複数の探触子セグメントを円周上に配置した場合は、切り替えスイッチで円周方向に電気的に走査させ、探傷データ収録解析装置で受信した欠陥信号を解析する。 When a plurality of probe segments are arranged on the circumference, the defect signal received by the flaw detection data recording / analysis apparatus is analyzed by causing the changeover switch to electrically scan in the circumferential direction.
特許文献1記載の方法では、探傷に用いる超音波は横波で、横波水平波が超音波ビーム進行方向に対し、水平であることにより、欠陥検出性能を高め、圧入エコーの発生を抑制している。
In the method described in
しかし、横波を使用するため探触子セグメントと軸部材端面間は粘性の高い物質の薄膜などにより略密着状態とすることが必要で、探触子セグメントを一つとした場合においては、簡便な装置で移動させることはできず、探触子セグメントを複数とし、電気的に走査させる場合であっても、軸端面との間を密着状態とするためには軸部材の寸法毎の探触子構造体を必要とする。 However, since shear waves are used, the probe segment and the end face of the shaft member must be in close contact with each other by a thin film of highly viscous material. In order to maintain a close contact with the shaft end surface even when multiple probe segments are used for electrical scanning, the probe structure for each dimension of the shaft member I need a body.
図6は、上述した問題点を解決するため、本発明者等が既に未公開先行出願(特願2006−076239)で提案した、軸部材の超音波探傷方法で、図では軸部材が減速機の場合を説明する。 FIG. 6 shows an ultrasonic flaw detection method for a shaft member that the present inventors have already proposed in an unpublished prior application (Japanese Patent Application No. 2006-076239) in order to solve the above-described problems. The case of will be described.
減速機4は、軸部材43に歯車41が圧入され、その両端はベアリング42で支持されている。軸部材43は段付き軸で、歯車41は段付き部45によって一方の側面が固定されている。このような軸部材43においては、疲労亀裂等のキズaは段付き部45の圧入側に発生する。
In the
超音波探傷装置1は、フェーズドアレイ探触子11を固定する回転円板15を備え、回転円板15はそれ自体が回転して、フェーズドアレイ探触子11による超音波が軸部材43の周方向を全周に亘って探傷できるように、冶具14で軸部材43の端面44に取り付けられる。周方向における探傷位置は、ロータリーエンコーダ等の回転角度検出器2により回転円板15の回転角度を検出して行う(図7)。
The
フェーズドアレイ探触子11から発信された縦波超音波ビームは軸部材43で歯車41が圧入された部分にフォーカスされ、その状態でセクタースキャン法(角度振り法)によりセクタースキャン角度bだけ、軸部材43の半径方向に振って、圧入された部分の軸方向の全域を走査する。
The longitudinal wave ultrasonic beam transmitted from the
回転円板15が回転することにより、フェーズドアレイ探触子11からは、軸部材の周方向の全周に亘って軸部材43で歯車41が圧入された部分にフォーカスされた状態で縦波超音波ビームが発信される。
When the rotating
フェーズドアレイ探触子11から発信された縦波超音波は疲労亀裂等のキズaがあれば、その先端で散乱反射して得られる端部エコーがフェーズドアレイ探触子11に戻り、画像表示機能を備えた探傷データ収録解析装置に送信されて探傷データとして記録される。
If the longitudinal wave ultrasonic wave transmitted from the
上述した超音波探傷装置1では、フェーズドアレイ探触子11の回転角度を回転角度検出器2で検出するので、探傷データ収録解析装置12では、得られた探傷データを、縦軸(Y軸)を探触子からの距離、横軸(X軸)を軸部材の円周方向とする展開図イメージで画像表示することが可能である。
ところで、軸部材に回転部材を圧入するとキズ周囲からのエコーとして、圧入部には嵌合エコーが発生し、軸部材が段付き軸の場合は、段付き部からバックエコーが発生し、いずれも亀裂等のキズエコーの探傷において疑似エコーとなる。 By the way, when the rotary member is press-fitted into the shaft member, a fitting echo is generated in the press-fitted portion as an echo from the periphery of the scratch, and when the shaft member is a stepped shaft, a back echo is generated from the stepped portion. It becomes a pseudo echo in flaw echo flaw detection such as a crack.
図5に軸部材43の歯車41の圧入部に発生したキズaに、超音波dが入射した際に発生する、キズaの先端部から発生する端部エコーe、キズaの開始部から発生するコーナーエコーfを示す。尚、更に、圧入部からは嵌合エコーが発生する。
FIG. 5 shows an end echo e generated from the tip of the scratch a generated when the ultrasonic wave d is incident on the scratch a generated in the press-fitting portion of the
上述した本出願人等の未公開先行出願(特願2006−076239)に係る、フェーズドアレイ探触子を用いたセクタースキャン法による探傷では、亀裂等のキズエコー(端部エコー、コーナーエコー)とキズ周囲からの擬似エコー(嵌合エコー、バックエコー)を相対的に比較でき、両者の弁別が比較的容易であるが、軸部材の軸径が小さく、軸長さが長い場合、更に検出精度を向上させることが望ましい。 In the flaw detection by the sector scan method using the phased array probe according to the above-mentioned unpublished prior application (Japanese Patent Application No. 2006-076239) by the applicant, the scratch echo (edge echo, corner echo) and the scratch such as a crack are detected. Pseudo echoes (fitting echoes, back echoes) from the surroundings can be compared relatively, and discrimination between them is relatively easy. However, if the shaft member has a small shaft diameter and a long shaft length, the detection accuracy can be further improved. It is desirable to improve.
そこで、本発明は、そのような場合であっても亀裂等のキズエコー(端部エコー、コーナーエコー)とキズ周囲からの擬似エコー(嵌合エコー、バックエコー)の弁別が容易な軸部材の超音波探傷方法および装置を提供することを目的とする。 In view of this, the present invention provides a shaft member that can easily discriminate between scratch echoes (end echoes, corner echoes) such as cracks and pseudo echoes (fitting echoes, back echoes) from around the scratches even in such a case. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for acoustic flaw detection.
本発明の課題は以下の手段により達成可能である。
1.軸部材の端面に、前記軸部材と同心で、前記軸部材の周方向に回転可能に取り付けた回転円板に、かたむきを設けたウェッジを介して取付けられたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、亀裂等のキズを探傷する軸部材の超音波探傷方法であって、前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板の直径方向に該フェーズドアレイ探触子の各探触子が並び、前記軸部材の軸心から一定距離だけ偏心して配置され、前記回転円板上を移動することで偏心量を調整でき、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、セクタースキャン角度分だけ軸部材の半径方向に振られて、回転部材が圧入された部分の軸方向の全域を走査し、前記探傷超音波の前記軸部材の圧入部への入射角度が、所定の角度以上になるように偏心量、フェーズドアレイ探触子からの入射角度の少なくとも一つを調整して、回転部材が圧入された部分の軸部材周方向を、前記回転円板を回転させて探傷することを特徴とする軸部材の超音波探傷方法。
2.前記軸部材が段付軸であることを特徴とする1記載の軸部材の超音波探傷方法。
3.縦波の探傷超音波を発信するフェーズドアレイ探触子と、前記フェーズドアレイ探触子が、かたむきを設けたウェッジを介して取付けられた回転円板と、前記回転円板を超音波探傷を行う軸部材の軸端に、前記軸部材と同心で、前記軸部材の周方向に回転可能に保持する機構と前記回転円板の回転角度検出器を備え、前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板の直径方向に該フェーズドアレイ探触子の各探触子が並び、前記軸部材の軸心から一定距離だけ偏心して配置され前記回転円板上を移動することで偏心量を調整できることを特徴とする軸部材の超音波探傷装置。
4.軸部材の端面に、前記軸部材と同心で、前記軸部材の周方向に回転可能に取り付けた回転円板に、かたむきを設けたウェッジを介して取付けられたフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射し、亀裂等のキズを探傷する軸部材の超音波探傷システムであって、前記フェーズドアレイ探触子は前記回転円板の直径方向に該フェーズドアレイ探触子の各探触子が並び、前記軸部材の軸心から一定距離だけ偏心して配置され、前記回転円板上を移動することで偏心量を調整でき、前記探傷超音波は、セクタースキャン法により、セクタースキャン角度分だけ軸部材の半径方向に振られて、回転部材が圧入された部分の軸方向全域を走査し、前記探傷超音波の圧入部への入射角度が、所定の角度以上になるように偏心量、フェーズドアレイ探触子からの入射角度の少なくとも一つを調整して、回転部材が圧入された部分の軸部材周方向を、前記回転円板を回転させて探傷し、得られた探傷データを画像化することにより亀裂等のキズ解析をすることを特徴とする軸部材の超音波探傷システム。
The object of the present invention can be achieved by the following means.
1. Longitudinal waves from a phased array probe attached to a rotating disk attached concentrically with the shaft member on the end surface of the shaft member via a wedge provided with a chisel on a rotating disk attached to the shaft member in a circumferential direction. An ultrasonic flaw detection method for a shaft member that injects flaw detection ultrasonic waves and detects flaws such as cracks, wherein the phased array probe is arranged in the diameter direction of the rotating disk. The elements are arranged and arranged eccentrically by a certain distance from the axis of the shaft member, and the amount of eccentricity can be adjusted by moving on the rotating disk.The flaw detection ultrasonic wave is divided into sector scan angles by a sector scan method. The shaft member is swung only in the radial direction of the shaft member, and the entire region in the axial direction of the portion where the rotary member is press-fitted is scanned, and the incident angle of the flaw detection ultrasonic wave to the press-fitted portion of the shaft member becomes a predetermined angle or more. Eccentric amount, fae And adjusting at least one of the angle of incidence of from Doarei probe, the shaft member circumferential direction of the rotating member is press-fitted portion of the shaft member, characterized in that the flaw detection by rotating the rotary disk Ultrasonic flaw detection method.
2. 2. The shaft member ultrasonic flaw detection method according to
3. A phased array probe for transmitting longitudinal flaw detection ultrasonic waves, a rotating disk on which the phased array probe is attached via a wedge provided with a paddle, and performing ultrasonic testing on the rotating disk A shaft end of the shaft member is provided with a mechanism that is concentric with the shaft member and rotatably held in a circumferential direction of the shaft member, and a rotation angle detector of the rotating disk, and the phased array probe includes the rotating circle It lined the phased array probe each probe probe in the diameter direction of the plate, said shaft being arranged axial center eccentric by a predetermined distance member can adjust the eccentricity by moving the rotary disc upper Rukoto A shaft member ultrasonic flaw detector characterized by the above.
4). Longitudinal waves from a phased array probe attached to a rotating disk attached concentrically with the shaft member on the end surface of the shaft member via a wedge provided with a chisel on a rotating disk attached to the shaft member in a circumferential direction. An ultrasonic flaw detection system for a shaft member that injects flaw detection ultrasonic waves and detects flaws such as cracks, wherein the phased array probe is arranged in the diameter direction of the rotating disk in the direction of each of the phased array probes. lined child is decentered only axial center certain distance before Kijiku member, wherein to adjust the eccentricity by moving the rotary disc above the flaw detection ultrasound, by sector scanning method, a sector scanning angle amount corresponding swung in the radial direction of the shaft member, by scanning the entire axial range of the rotating member is press-fitted portion, the incident angle to the flaw detection ultrasonic press-fitting portion, the eccentric amount so that a predetermined angle or more Phased array And adjusting at least one of the angle of incidence of from probe, the shaft member circumferential direction of the rotating member is press-fitted portion, and testing by rotating the rotary disc, to image the resulting inspection data An ultrasonic flaw detection system for a shaft member, characterized by performing crack analysis such as cracks.
本発明は、フェーズドアレイ探触子を端面内に配置することができる軸径の軸部材であれば、適用可能で汎用性が高く、鉄鋼産業で用いられる圧延機の駆動装置やレードルクレーン減速機及び電車、工業用駆動装置の車軸等の大形重要設備の軸部材の亀裂等のキズの有無を開放検査することなく、確認することが可能で、産業上極めて有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to a shaft member having a shaft diameter capable of arranging a phased array probe in an end face, and is highly applicable and versatile, and a rolling mill drive device and a ladle crane reducer used in the steel industry. In addition, it is possible to confirm the presence or absence of cracks such as cracks in shaft members of large important facilities such as trains and axles of industrial drive devices without performing an open inspection, which is extremely useful industrially.
本発明は、軸部材で、歯車などの回転部材が圧入された部分に発生する疲労亀裂等のキズを、軸部材の軸心から偏心して配置したフェーズドアレイ探触子から縦波の探傷超音波を入射して探傷することを特徴とする。 The present invention relates to a longitudinal flaw detection ultrasonic wave from a phased array probe in which scratches such as fatigue cracks occurring in a portion where a rotating member such as a gear is press-fitted in a shaft member are eccentric from the shaft center of the shaft member. It is characterized by flaw detection.
図1は本発明の一実施例に係る超音波探傷装置を用いて減速機の軸部材を対象に、超音波探傷を実施している状況、図2は図1に示した超音波探傷装置の側面図を示す。減速機4の構造は、図6で説明したものとする。
FIG. 1 shows a situation in which ultrasonic flaw detection is performed on a shaft member of a reduction gear using an ultrasonic flaw detection apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows the ultrasonic flaw detection apparatus shown in FIG. A side view is shown. The structure of the
図において1は超音波探傷装置、2は回転角度検出器、3は回転角度検出器2の取付け冶具、4は減速機、11はフェーズドアレイ探触子、12は探傷データ収録解析装置、13はウェッジ、14はマグネット付きガイド、15は回転円板、16はフェーズドアレイ探触子11を回転円板15に固定する冶具、41は歯車、42はベアリング、43は軸部材、44は軸部材43の端面、45は段付き部、aは疲労亀裂等のキズで図では段付き部45の圧入側に発生したもの、bはセクタースキャン角度を示す。
In the figure, 1 is an ultrasonic flaw detector, 2 is a rotation angle detector, 3 is a mounting jig for the
本発明に係る超音波探傷装置1は、フェーズドアレイ探触子11と、フェーズドアレイ探触子11を冶具16により固定する回転円板15を備え、回転円板15はそれ自体が探傷しようとする軸部材と同心で回転して、フェーズドアレイ探触子11による超音波が軸部材43の周方向を全周に亘って探傷できるように、複数のマグネット付きガイド14で構成される、回転可能に保持する機構によって軸部材43の端面44に取り付けられる。
The
また、超音波探傷装置1には、周方向における探傷位置を特定するため、回転円板15の回転角度を検出する、例えば、取り付け冶具3で減速機4のハウジング部に固定されるロータリーエンコーダ等の回転角度検出器2を取り付ける。
Further, the
フェーズドアレイ探触子11は複数の振動子が埋め込まれたアレイ探触子で、同時励振グループのアレイ探触子にナノセコント単位の時間差をつけて駆動させることによりある距離に超音波ビームをフォーカスさせることができる。
The phased
図1に示した状態では、フェーズドアレイ探触子11から発信された縦波超音波ビームは軸部材43で歯車41が圧入された部分にフォーカスされ、その状態でセクタースキャン法(角度振り法)によりセクタースキャン角度bだけ、軸部材43の半径方向に振って、圧入された部分の軸方向の全域を走査する。
In the state shown in FIG. 1, the longitudinal wave ultrasonic beam transmitted from the phased
回転円板15が回転することにより、フェーズドアレイ探触子11からは、軸部材の周方向の全周に亘って軸部材43で歯車41が圧入された部分にフォーカスされた状態で縦波超音波ビームが発信される。
When the
フェーズドアレイ探触子11から発信された縦波超音波は疲労亀裂等のキズaがあれば、その先端で散乱反射して得られる端部エコーがフェーズドアレイ探触子11に戻り、画像表示機能を備えた探傷データ収録解析装置12に送信されて探傷データとして記録される。
If the longitudinal wave ultrasonic wave transmitted from the phased
本発明に係る超音波探傷装置1では、フェーズドアレイ探触子11を軸部材43の軸心Cから、一定距離だけ偏心させ、ウェッジ13を介して、回転円板15に取り付ける。ウェッジ13は、フェーズドアレイ探触子11からの縦波超音波が、軸部材の嵌合部に入射されるようにフェーズドアレイ探触子11を回転円板15に対してかたむけるもので、そのくさび状の形状は超音波探傷が容易なように適宜選定する。
In the
偏心量は、探傷時に、擬似エコーとキズエコーの弁別が可能なように、適宜、フェーズドアレイ探触子11を回転円板15上で移動させて、設定すればよく本発明では特に規定しない。そのため、フェーズドアレイ探触子11は回転円板15上で、偏心量の調整が容易なように、その両側の側端部を冶具6で挟持することが好ましい(図2)。
The amount of eccentricity may be set by appropriately moving the phased
超音波探傷条件は、偏心量を変化させた各位置において、フェーズドアレイ探触子11からの超音波の入射角度を種々変化させて、擬似エコーとキズエコーの弁別が容易な偏心量と入射角度を選定する。偏心は回転円板15の直径方向にフェーズドアレイ探触子の各探触子が並ぶようにして行う。
Ultrasonic flaw detection conditions are as follows: At each position where the eccentricity is changed, the incident angle of the ultrasonic wave from the phased
超音波探傷条件は、偏心量と入射角度の両者、またはいずれか一方を調整して行うことができる。 Ultrasonic flaw detection conditions can be performed by adjusting both or one of the eccentricity and the incident angle.
図3は、超音波の入射角度θを種々変化させて圧入部への入射方向を変化させて、エコー高さに及ぼす影響を調べた試験方法を説明する模式図で、フェーズドアレイ探触子11を軸部材43の端面44上を軸径方向に移動させて超音波dの入射角度θを変化させ、キズaが生じた圧入部への超音波dの入射方向を変化させ、エコー高さを検出して実施した。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a test method for examining the influence on the echo height by changing the incident angle θ of the ultrasonic wave to change the incident direction to the press-fitting portion, and is a phased
図4は試験結果を示し、入射角度θが大きくなると嵌合エコーは減衰するが、コーナエコーは略一定で、入射角度θを大きくすることにより嵌合エコーとコーナエコーの弁別が容易に可能となる。 FIG. 4 shows the test results. When the incident angle θ increases, the fitting echo attenuates. However, the corner echo is substantially constant. By increasing the incident angle θ, the fitting echo and the corner echo can be easily distinguished. Become.
本試験結果は、キズの割れ面に対して超音波が斜めに入射することにより得られるもので、疵の先端から発生する端部エコー、段付き部からのバックエコーも同様な傾向が得られる。 This test result is obtained when the ultrasonic wave is obliquely incident on the crack crack surface, and the same tendency is obtained for the end echo generated from the tip of the ridge and the back echo from the stepped portion. .
更に、キズの割れ面に対して超音波が斜めに入射することから、キズのコーナから反射する超音波とキズの先端から反射する超音波が時間的に分離しやすくなり、キズの高さの検出精度も向上する。 Furthermore, since the ultrasonic waves are incident obliquely on the crack surface, the ultrasonic waves reflected from the corner of the scratch and the ultrasonic waves reflected from the tip of the scratch are easily separated in time, and the height of the scratch is increased. Detection accuracy is also improved.
本発明に係る超音波探傷装置1では、フェーズドアレイ探触子11の回転角度を回転角度検出器2で検出するので、探傷データ収録解析装置12では、得られた探傷データを、縦軸(Y軸)を探触子からの距離、横軸(X軸)を軸部材の円周方向とする展開図イメージで画像表示することが可能で、亀裂等のキズエコーとキズ周囲からのエコーを相対的に比較でき、亀裂検出が容易となる。
In the
軸長さ方向の全長についてキズ探傷を行う場合は、上述したX,Y座標軸で得られた探傷データを、軸全長(Z方向)についても表示する。 When flaw detection is performed for the entire length in the axial direction, the flaw detection data obtained with the X and Y coordinate axes described above is also displayed for the total axial length (Z direction).
尚、本発明に係る超音波探傷装置1では、探傷超音波として縦波の超音波を用いるので、フェーズドアレイ探触子11と端面44の接触媒質(図1では省略)として粘度の低い水、油などを使用し、横波水平波のように両者間を接着あるいは粘着させる必要がなく、上述した簡便な装置構成でフェーズドアレイ探触子11を回転させることが可能である。
In the ultrasonic
1 超音波探傷装置
2 回転角度検出器
3 取付け冶具
4 減速機
11 フェーズドアレイ探触子
12 探傷データ収録解析装置
13 ウェッジ
14 マグネット付きガイド
15 回転円板
16 冶具
41 歯車
42 ベアリング
43 軸部材
44 端面
45 段付き部
a 疲労亀裂等のキズ
b セクタースキャン角度
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