JP5550617B2 - 漏洩磁束探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気探傷装置に係り、特に厚物の鋼材を直流磁化し、鋼材表層部の欠陥部に生じる漏洩磁束を検出する漏洩磁束探傷装置に関する。

従来より、強磁性体である薄鋼板に存在する表面及び内部欠陥を検出する検査方法として漏洩磁束探傷法が用いられている。その一例として、製鉄プラントにおける製鉄ラインに組み込まれている、漏洩磁束探傷装置の構成を図９に示す。製品検査ラインを搬送ローラ１０１、１０２によりほぼ一定速度Ｖで搬送される薄鋼帯１０３の搬送路に沿って漏洩磁束探傷装置１００が配置されている。この漏洩磁束探傷装置１００は、走行状態の薄鋼帯１０３に磁界を印加する磁化器１０４と、薄鋼帯１０３を挟んで磁化器１０４の対向位置に配置された磁気センサ１０５と、この磁気センサ１０５からの検出信号に基づいて薄鋼帯１０３の内部又は表面の欠陥１０６を検出する信号処理装置（図示しない）とで構成される。磁化器１０４と薄鋼帯１０３の間には、磁化器１０４が薄鋼帯１０３を磁化している間も磁化器１０４と薄鋼帯１０３が相対的に移動可能とするために隙間（以下、ギャップという）が設けられており、磁化器１０４で発生した磁束は、磁極からギャップを通り、薄鋼帯１０３内を通り、反対側のギャップを介して磁極に入る。薄鋼帯１０３を磁気飽和近傍まで磁化すると、欠陥部から漏洩磁束が空間に漏洩する。磁気センサ１０５はこの漏洩磁束を検出し、検出信号の信号レベルによって欠陥１０６の大きさを評価できる。

さらに微小欠陥を検出する場合は、微小欠陥から十分な漏洩磁束が発生するように薄鋼帯１０３を磁気飽和するまで磁化するため、薄鋼帯１０３の磁気抵抗が増加し、健全部からも浮遊磁束が発生する。この浮遊磁束は常時発生しており、磁気センサ１０５が欠陥からの漏洩磁束を検出する際にノイズとなり、Ｓ／Ｎが低下する。この対策として磁化器１０４と磁気センサ１０５の間にシールド体を配置して、磁気センサのＳ／Ｎを高める方法が提案されている。（特許文献１）図１０に薄鋼帯１０３と磁化器１０４、磁気センサ１０５、シールド板１０７ａ、１０７ｂの位置関係を示す。シールド板１０７ａ、１０７ｂ相互間の距離（２Ａ）と薄鋼帯１０３と磁気センサ１０５のリフトオフ（Ｌ）の関係を
２.２≦２Ａ／Ｌ≦２.８ …（１）
に設定することにより、磁気センサ１０５のＳ／Ｎを高めている。

しかしながら、厚物の鋼材（以下、厚鋼材という）表層部を上記装置構成で探傷する場合は、薄鋼板と同様の効果は得るのは難しくなる。一般に厚鋼材を直流磁化すると厚鋼材の磁化レベルは、磁束が通る断面積が大きいほど小さくなり、表面の磁化レベルが最大であり、内部になるほど小さくなる。そのため、厚鋼材を薄鋼板と同様に磁気飽和するには、大量の磁束を磁化器で発生させるため、磁化器を大型化する必要がある。さらに、厚鋼材の健全部から浮遊磁束が発生するほど厚鋼材内部の磁化レベルを上げるには、磁化器が大きくなりすぎ、現実的ではない。また、厚鋼材を探傷する場合は、厚鋼材を移動しながら探傷することは難しく、固定した厚鋼材上で磁化器を走査しながら探傷する必要がある。このとき、磁化器を大型化して大量の磁束を発生させると、磁化器と厚鋼材の間に働く吸引力が大きくなりすぎるため、磁化器を厚鋼材に対して走査することが難しくなってしまう。

国際公開番号ＷＯ９２／１４１４５号公報の明細書の４ページ下段、ＦＩＧ.１３

以上述べたように、薄鋼板を対象とした従来の漏洩磁束探傷装置は、薄鋼板を磁気飽和させ、健全部からの浮遊磁束が常時存在する条件において、磁気センサ近傍にシールド板を配置することにより、磁気センサが欠陥からの漏洩磁束を検出する際のＳ／Ｎを高めている。しかし、厚鋼材を対象とする場合は、厚鋼材を磁気飽和させるためには、磁化器の大型化により厚鋼材と磁化器の間の吸引力が非常に大きくなり、厚鋼材上で磁化器を走査することが難しくなってしまう。そのため、厚鋼材上で磁化器を走査するためには、磁化器を大型化せずに厚鋼材の磁化レベルを上げ、磁気センサが高いＳ／Ｎで欠陥からの漏洩磁束を検出する必要がある。

本発明は、厚鋼材の表層部を探傷する際、静止した厚鋼材上で磁化器を走査するために磁化器を大型化せずに厚鋼材表層部の磁化レベルを上げ、磁気センサが高いＳ／Ｎで表層部の欠陥からの漏洩磁束を検出する漏洩磁束探傷装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の漏洩磁束探傷装置は、前記磁化器を走査するために設置された移動台車と、前記磁化器の磁極近傍にそれぞれ磁束収束板を備えることを特徴とする。

本発明によれば、厚鋼材の表層部を探傷する際、静止した厚鋼材上で磁化器を走査するために磁化器を大型化せずに厚鋼材表層部の磁化レベルを上げ、磁気センサが高いＳ／Ｎで表層部の欠陥からの漏洩磁束を検出する漏洩磁束探傷装置を提供することが可能である。

本発明の第一の形態の漏洩磁束探傷装置の断面図である。 磁束収束板無しの磁化器で厚鋼材を磁化した場合の磁束の流れ説明図である。 磁束収束板有りの磁化器で厚鋼材を磁化した場合の磁束の流れ説明図である。 磁極と磁束収束板の間隔をパラメータとした磁極間隔中心軸上の厚鋼材の表面からの深さにおけるＸ軸方向の磁束密度の関係を表すシミュレーション結果である。 磁極間隔の中心を対象に磁極間隔の１／２の範囲におけるＺ軸方向の磁束密度の積分値を説明する図である。 磁極と磁束収束板の間隔と磁束収束板無しの条件で規格化したＺ軸方向の磁束密度の積分値の関係を表すシミュレーション結果である。 本発明の第二の形態の漏洩磁束探傷装置の断面図である。 図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第三の形態の漏洩磁束探傷装置の断面図である。 本発明の漏洩磁束探傷装置による測定方法を説明する図である。 磁束収束板無しと有りの条件による測定結果である。 従来の薄鋼帯検査に用いる漏洩磁束探傷装置である。 従来の薄鋼帯検査に用いる高感度な漏洩磁束探傷装置である。

本発明の好適な一実施例である漏洩磁束探傷装置を図１、図３、図６、図７、図８を用いて以下に説明する。

図１に第一の形態の漏洩磁束探傷装置のプローブ１０の断面図を示す。プローブ１０はヨーク１にコイル２を巻回した磁化器と磁化器を設置する移動台車６により構成される。磁化器の磁極間隔Ｌは６０mmとした。移動台車６の底面には厚鋼材８上を移動するための走行輪７ａ、７ｂが取り付けられており、厚鋼材８と接する走行輪７ａ、７ｂの先端と移動台車６の底面間の距離は０.５mmに設定され、磁化器の磁極２３ａ、２３ｂの底面と移動台車６の底面の距離も０.５mmであり、磁極２３ａ、２３ｂの底面と厚鋼材８のギャップは１mmに設定されている。磁気センサ３は、ホール素子タイプのセンサを用いており、センサ基板４に取り付けられ、センサ基板４が移動台車６の裏面に磁極間の中心に磁気センサの中心が一致するように取り付けられている。磁気センサ３内部のホール素子と厚鋼材８のリフトオフは０.９mmである。磁束収束板５ａ、５ｂは、磁極２３ａ、２３ｂの側面との間隔Ｃが６.５mm、厚鋼材８とのギャップが０.５mmとなるように設置されている。磁化器には電流を供給する励磁用の電源（図示しない）が接続されており、磁気センサ３の信号はＡＤ変換ボード（図示しない）を介し、データ収録装置（図示しない）に収録される。

移動台車には、磁化器から厚鋼材への磁場の浸透を妨げず、且つ磁化器の吸引力に耐えるように非磁性材の金属または高強度樹脂が用いられる。厚鋼材上の走行輪は円板形状の車輪または球形上のボールとし、材質は走行時に過大な摩擦力が生じないように低摩擦係数、吸引力に耐える高強度のものが良い。磁化器と厚鋼材のギャップは移動台車に取り付けられる走行輪の位置により決定され、粗加工面等の表面粗さの粗い面を走行する場合にも、磁化器と厚鋼材のギャップを一定にするために、走行輪の位置を調整可能とする。表面粗さの粗い面を走行する場合は、走行輪を４個以上取り付けて、磁化器と厚鋼材のギャップを一定にするために移動台車の水平を保っても良い。磁化器を大型化せずに効率よく磁化器の発生磁束を厚鋼材に流入させるには、磁化器を励磁した移動台車が走査可能なレベルで、できるだけ磁化器と厚鋼材のギャップを小さくするほうが良い。そのため、機械加工面や粗加工面を走行する場合、走行面の凹凸が１mm以下であるので、磁化器と厚鋼材のギャップは凹凸の２倍以下の２mm以下に設定するとよい。

磁気センサは移動台車の裏面に磁化器の磁極間隔及び磁極の奥行き方向に対して中心の位置に取り付ける。磁気センサと厚鋼材の間隔（以下、リフトオフという）は、磁化器と厚鋼材のギャップ以下とする。探傷時間を短縮するために磁気センサを複数取り付ける場合は、磁極間隔の方向及び直交方向にアレイ状に取り付けても良い。

磁束収束板は、低保持力・高透磁率材を用いる。磁束収束板と厚鋼材のギャップＢは、磁束収束板から空間に漏洩する磁束を少なくするために、磁化器と厚鋼材のギャップＡ以下、できれば磁化器と厚鋼材のギャップＡより小さいほうが望ましい。ここで、磁束収束板の有無による厚鋼材を磁化した際の磁束の流れの違いについて図２、図３を用いて説明する。まず、磁束収束板が無い場合は図２に示すように、図示しないコイル２に所定の直流電流を流すとヨーク１により厚鋼材８が磁化される。このとき、磁化器の発生磁束１１は、主にヨーク１の磁極２３ａの底面部から厚鋼材８内に流入する磁束１２と磁極２３ａの側面から漏洩して厚鋼材８に流入する磁束１３と磁極２３ａの側面から直接磁極２３ｂの側面に流入する磁束１４に分かれる。厚鋼材８の磁極２３ａ、２３ｂ間を通る磁束１５は、磁極２３ｂの底面からヨーク１に流入する磁束１６と厚鋼材８表面から漏洩して磁極２３ｂの側面に流入する磁束１７に分かれてヨーク１にもどる。

次に、磁束収束板を設置すると図３に示すように磁化器の発生磁束１１は、磁極２３ａの底面部から厚鋼材８内に流入する磁束１２と磁極２３ａの側面から直接磁極２３ｂの側面に流入する磁束１４と磁極２３ａの側面から磁束収束板（第１の磁束収束板）５ａを通り、厚鋼材８内に流入する磁束１８と磁極２３ａの側面から磁束収束板５ａを通り、磁束収束板（第２の磁束収束板）５ｂの側面から厚鋼材８に流入する磁束１９、磁極２３ａの側面から磁束収束板５ａを経由して空間を通り、磁束収束板５ｂから磁極２３ｂ側面に流入する磁束２０に分かれる。厚鋼材８の磁束収束板５ａ、５ｂ間を通る磁束１６は、磁極２３ｂの底面からヨーク１に流入する磁束１６と厚鋼材８表面から漏洩して磁束収束板５ｂを通り、磁極２３ｂの側面に流入する磁束２１と磁束収束板５ｂの底面から磁極２３ｂの側面に流入する磁束２２に分かれてヨーク１にもどる。

図２、図３を比較すると磁束収束板５ａ、５ｂを設置したことにより、全体の磁気抵抗が小さくなり、磁化器の発生磁束１１が増大した効果と磁束収束板５ａ、５ｂを磁束が通り、磁極近傍で厚鋼材に流入する効果により、厚鋼材８を通る磁束１６が増大する。この効果をシミュレーションにより検証した。図４は磁束収束板が無い条件と磁束収束板と磁極の間隔Ｃ（以下、間隔Ｃという）をパラメータとし、磁極間隔Ｌの中心上の厚鋼材８の表面からの深さにおけるＸ軸方向の磁束密度（以下、Ｂｘという）について計算した結果を示している。この結果から、磁束収束板無しの条件が最もＢｘが小さく、間隔Ｃを小さくしていくとＢｘは増大し、間隔Ｃが最小の０mmの条件でＢｘが最大となることが分かる。

次に、磁極間と厚鋼材で囲まれる空間の漏洩磁束と間隔Ｃの関係について説明する。図５（ａ）に磁極間隔の中心からＬ／２の範囲におけるＺ軸成分の磁束密度の積分値（以下、ΣＢｚｌという）を示す。図５（ｂ）には間隔ＣとΣＢｚｌを磁束収束板が無い条件の値で規格化したものの関係をグラフに示す。厚鋼材のＢｘが最大となる間隔Ｃが０mmにおいては、磁束収束板が無い条件のΣＢｚｌの約１.６倍であり、間隔Ｃを大きくしていくとΣＢｚｌは小さくなり、間隔Ｃが５〜８mmで磁束収束板が無い条件の約０.８倍まで小さくなる。間隔Ｃが８mmを超えるとΣＢｚｌは再び大きくなり、間隔Ｃが１０mmで磁束収束板が無い条件とほぼ等しくなり、その後は間隔Ｃが大きくなるにつれてΣＢｚｌも大きくなる。

図４、図５から間隔Ｃが０mm近傍では、ΣＢｚｌは磁束収束板が無い条件と比べて大きくなるが、Ｂｘが磁束収束板が無い条件と比べて大きくなる効果のほうが大きいので、磁気センサのＳ／Ｎは高くなり、間隔Ｃが１０mmまでは、ΣＢｚｌは磁束収束板が無い条件と比べて小さく、Ｂｘは磁束収束板が無い条件と比べて大きいので、磁気センサのＳ／Ｎは高くなる。間隔Ｃが１０mmを超えると、ΣＢｚｌは磁束収束板が無い条件と比べて大きくなり、Ｂｘが磁束収束板が無い条件と比べて大きくなる効果が小さくなるので、磁気センサのＳ／Ｎ向上は望めない。このシミュレーションに用いた磁化器の磁極間隔Ｌは６０mmであるので、一例として間隔Ｃを磁極間隔Ｌの１／６以下に設定すれば、磁気センサのＳ／Ｎを高める効果が得られるといえる。但し、厳密には磁極間隔Ｌを含む磁化器の形状、厚鋼材の磁気特性等により磁気センサのＳ／Ｎを高める効果が得られる間隔Ｃの範囲は多少ばらつくので、磁束収束板の間隔Ｃを磁極間隔Ｌの１／５以下とし、探傷する際に最適な位置を検討できるように磁極間隔Ｌの１／５以下の範囲で磁束収束板の位置を自由に設定できる機構を設けることが望ましい。
本発明によれば、磁化器の磁極内側近傍にそれぞれ独立した磁束収束板を備えたことにより、全体の磁気抵抗を低減し、磁化器からの発生磁束が増大する効果と磁極内側面から漏洩する磁束を磁極近傍で厚鋼材に還流する効果により、磁束収束板間の厚鋼材表層部の磁化レベルが増大し、磁束収束板から厚鋼材に漏洩する磁束も磁束収束板が無い条件と同様のレベルに抑えることにより、磁化器を大型化せずに磁気センサが高いＳ／Ｎで表層部の欠陥からの漏洩磁束を検出する漏洩磁束探傷装置を提供することができる。特に、磁束収束板と磁極の間隔を磁極間隔の１／５以下の範囲で最適な位置に調整する機構を備えることにより、更にＳ／Ｎの高い漏洩磁束探傷装置を提供することができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）に第二の形態の実施例を示す。図６（ａ）には、磁束収束板２４ａ、２４ｂの位置が調整できるように磁極２３ａ、２３ｂとの間にスペーサ２５ａ、２５ｂが取り付けられている。図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面を示しており、磁束収束板２４ａ、２４ｂの位置が調整できるように調整穴２６ａ、２６ｂが移動台車６に設けられている。磁束収束板２４ａ、２４ｂ及びスペーサ２５ａ、２５ｂはＴ字形をしており、それぞれ調整穴２６ａ、２６ｂに設置できる。磁化器を励磁すると磁束収束板２４ａ、２４ｂは、常時スペーサ２５ａ、２５ｂを挟んで磁極２３ａ、２３ｂに引き寄せられているので、プローブ１０走査中でも安定して位置決めされる。よって、スペーサ２５ａ、２５ｂの厚さを任意に変更することにより、磁極２３ａ、２３ｂと磁束収束板２４ａ、２４ａｂの間隔Ｃを調整できる。

図７に第三の実施の形態の実施例を示す。図７は、移動台車６の走行輪を取り付けている部分の断面図である。移動台車６に取り付ける走行輪にボールローラ３１を用い、ボールローラ３１のネジ部にリングスペーサ３２を挿入して、移動台車６の底面と厚鋼材８のギャップを調整する。リングスペーサ３２の厚さを変更することにより、移動台車６の底面と厚鋼材８のギャップを自在に調整できる。

上記実施例で説明したプローブ１０を用いて、磁束収束板の効果について測定した結果について説明する。なお、磁化器の起磁力は３０００ＡＴとした。図８（ａ）に測定方法を示す。測定対象となる厚鋼材８の板厚は２０mm、表面から３mmの深さに直径５mmの横穴９を設けた。プローブの走査方向は磁化方向と平行とし、横穴９に対して直交するように走査した。

図８（ｂ）に測定結果を示す。グラフの横軸は厚鋼材上のプローブの走査位置、縦軸は磁気センサのセンサ出力である。磁束収束板の有無にかかわらず欠陥信号を検出できており、磁束収束板無しと比較して磁束収束板有りのセンサ出力が１.４倍になり、磁束収束板の効果により、厚鋼材内の磁化レベルが高められていることが確かめられた。

本発明は、上記実施例に限定されること無く、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種種の変形が可能であり、それらも本発明に含まれることはいうまでもない。具体的には、ヨーク１、磁気センサ３、磁気シールド板５ａ、５ｂの磁気特性及びその形状は、測定対象となる鋼材の磁気特性、検出対象となる欠陥の大きさと漏洩磁束分布に応じて本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜調整することが可能である。

１ ヨーク
２ コイル
３、１０５ 磁気センサ
４ センサ基板
５ａ、５ｂ 磁束収束板
６ 移動台車
７ａ、７ｂ 走行輪
８ 厚鋼材
９ 横穴
１０ プローブ
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２ 磁束
２３ａ、２３ｂ 磁極
２４ａ、２４ｂ Ｔ字型の磁束収束板
２５ａ、２５ｂ Ｔ字型のスペーサ
２６ａ、２６ｂ 調整穴
３１ ボールローラ
３２ リングスペーサ
１００ 従来の漏洩磁束探傷装置
１０１、１０２ 搬送ローラ
１０３ 薄鋼帯
１０４ 磁化器
１０６ 欠陥
１０７ａ、１０７ｂ シールド板

Claims (7)

1. 厚物の鋼材を磁化器により磁化し、前記厚物の鋼材に存在する欠陥から生じる漏洩磁束を磁気センサにより検出する漏洩磁束探傷装置において、
   前記磁化器を走査するために設置された移動台車と、
   前記磁化器の一方の磁極近傍に設置された第１の磁束収束板及び前記磁化器の他方の磁極近傍に設置された第２の磁束収束板を備え、
   前記磁化器で発生した磁束の一部が前記磁化器の一方の磁極の側面から前記第１の磁束収束板を通り前記厚物の鋼材内に流入し、前記厚物の鋼材内を通る磁束の一部が前記第２の磁束収束板の底面から前記磁化器の他方の磁極の側面に流入するようにしたことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。
2. 請求項１に記載の漏洩磁束探傷装置において、前記磁化器と前記厚物の鋼材のギャップＡが、前記第１及び第２の磁束収束板と前記厚物の鋼材のギャップＢに比べて等しい、又は大きいことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。
3. 請求項２に記載の漏洩磁束探傷装置において、前記磁極と前記第１及び第２の磁束収束板の間隔Ｃは前記磁極間隔Ｌの１／５以下に設定したことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。
4. 請求項３に記載の漏洩磁束探傷装置において、前記磁極と前記第１及び第２の磁束収束板の間隔Ｃを調整可能にしたことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載の漏洩磁束探傷装置において、前記磁化器と前記厚物の鋼材のギャップＡを２mm以下に設定したことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。
6. 請求項１から５の何れかに記載の漏洩磁束探傷装置において、前記移動台車に取り付ける走行輪の取り付け高さを調整可能としたことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。
7. 請求項１から６の何れかに記載の漏洩磁束探傷装置において、前記移動台車に４個以上のボールローラ等の球形回転体が取り付けられたことを特徴とする漏洩磁束探傷装置。