JP5865100B2

JP5865100B2 - 欠陥検査装置および検査方法

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Publication number: JP5865100B2
Application number: JP2012019547A
Authority: JP
Inventors: 岩崎　孝行; 孝行岩崎; 有賀　進; 進有賀; 拓川崎; 中村　英之; 英之中村
Original assignee: IHI Corp; IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: JP2013160500A

Description

本発明は、被検査物を保持して欠陥を検出する欠陥検査装置および検査方法に関する。

従来、溶接部品などの被検査物のクラック（欠陥）を検出するため、例えば渦電流探傷検査や超音波探傷検査が用いられている。渦電流探傷検査は、被検査物内部に渦電流を生じさせたとき、被検査物のクラックの有無によって渦電流に変化が生じることを利用したものである。超音波探傷検査は、被検査物に超音波を当て、その反響音によってクラックの有無を判定するものである。

上述した検査手段では、被検査物の検査対象となる部分にセンサを近接させなければならない。しかし、被検査物に狭隘部がある場合、センサを狭隘部に近づけられずに正確な検査が遂行できない。そこで、特許文献１には、ＡＥ（Acoustic Emission）を利用した検査方法が提案されている。ＡＥは、材料の亀裂の発生や進展などの破壊に伴って発生する弾性波（振動、音波）である。

特許文献１の検査方法では、ＡＥを測定可能なＡＥセンサを被検査物に取り付け、被検査物に徐々に荷重を加えていったときのＡＥ測定結果からクラックを検出している。ＡＥは被検査物内部を伝播するため、被検査物に狭隘部があっても、被検査物のいずれかの部分にＡＥセンサを被検査物に取り付ければＡＥを測定しクラックの有無を判定できる。

特開２０１１−１２８１０４号公報

ＡＥ検査においては、被検査物に荷重を加えるため、例えば、クランプなどで被検査物を固定する。このクランプと被検査物との接触部分は、加えた荷重に応じ、なじみなどに起因する雑音が生じる場合がある。したがって、ＡＥの測定にあたり、雑音の影響を低減することができれば、クラックの有無の判定精度を向上することが可能となる。

本発明の目的は、クランプ等の被検査物を保持する保持部と被検査物との接触部分における、双方のなじみに起因して生じる雑音などの影響を低減することで、高精度に欠陥を検出することが可能な欠陥検査装置および検査方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の欠陥検査装置は、被検査物を保持する保持部と、保持された前記被検査物に荷重を付加する荷重付加部と、保持部に固定され、荷重を付加された前記被検査物から伝播した弾性波を検出するＡＥセンサと、前記荷重付加部に付加させる荷重を、第１荷重まで上昇させた後、該第１荷重より小さい第２荷重まで低下させ、さらに該第２荷重より大きい第３荷重まで上昇させる荷重制御部と、少なくとも前記第２荷重から前記第３荷重まで荷重が上昇されるときに、前記ＡＥセンサが検出した弾性波を出力するセンサ出力部と、を備えることを特徴とする。

前記第３荷重は、前記第１荷重と等しいとよい。

前記第３荷重は、前記第１荷重よりも大きいとよい。

上記課題を解決するために、本発明の検査方法は、被検査物を保持部に保持し、前記被検査物に対して第１荷重まで荷重をかけた後、該第１荷重より小さい第２荷重まで荷重を低下させ、さらに該第２荷重より大きい第３荷重まで荷重を上昇させ、少なくとも前記第２荷重から前記第３荷重まで荷重が上昇されるときに、保持部に固定されたＡＥセンサによって検出された弾性波を出力することを特徴とする。

本発明によれば、クランプ等の被検査物を保持する保持部と被検査物との接触部分における、双方のなじみに起因して生じる雑音などの影響が低減され、高精度に欠陥を検出することができる。

タービン軸の概略図である。欠陥検査装置の概略図である。振動検出の結果の第１の例を示す説明図である。振動検出の結果の第２の例を示す説明図である。振動検出の結果の第３の例を示す説明図である。振動検出の結果の第４の例を示す説明図である。本実施形態の検査方法を説明するためのフローチャートである。他の欠陥検査装置の概略図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、軸ＳとタービンインペラＴとで構成された過給機のタービン軸の概略図である。特に、図１（ａ）は、軸ＳとタービンインペラＴの側面図を示し、図１（ｂ）は、軸ＳとタービンインペラＴの接合部分近傍のＩ（ｂ）−Ｉ（ｂ）線断面図を示す。

図１（ａ）に示すように、軸Ｓの一端にはタービンインペラＴが設けられ、他端にはネジ溝が切られている。軸ＳとタービンインペラＴは、電子ビーム溶接などによって接合されているが、このとき、図１（ｂ）に示すように、軸ＳとタービンインペラＴの接合部Ｊには、クラックなどの欠陥Ｃが生じる場合がある。

本実施形態の欠陥検査装置は、このような軸ＳとタービンインペラＴの溶接に起因する欠陥（クラック）を検出する。なお、本実施形態においては、被検査物が過給機のタービン軸である場合について説明するが、被検査物は、荷重を加えるとＡＥ（Acoustic Emission）が発生する部品であれば、種類は問わず、溶接されることによって形成される物でなくともよい。

図２は、欠陥検査装置１の概略図であって、欠陥検査装置１に被検査物をクランプ（固定）した状態を示す。図２に示すように、欠陥検査装置１は、保持部２ａ、２ｂ、２ｃを備えている。保持部２ａ、２ｂ、２ｃは、例えばクランプなどの締め具で構成される。

保持部２ａは、軸Ｓの他端のネジ溝に螺合して、当該被検査物を保持する。保持部２ａは、軸Ｓに溶接されたタービンインペラＴに臨む側と逆側が荷重付加部３に固定されている。荷重付加部３は、例えば油圧シリンダで構成され、伸縮するロッド３ａの先端が保持部２ａに固定され、シリンダ本体が支持部材４に固定されている。

支持部材４は、土台４ａと、この土台４ａの両端からそれぞれ垂直に起立し、互いに離間して対向配置された突起部４ｂ、４ｃを有している。これら両突起部４ｂ、４ｃの対向間隔は、被検査物である軸Ｓの軸方向の長さよりも大きく、また、突起部４ｂのうち、両突起部４ｂ、４ｃが対向する面に上記の荷重付加部３が固定されている。

一方、突起部４ｃのうち、両突起部４ｂ、４ｃが対向する面には、支持棒４ｄ、４ｅが固定されている。両支持棒４ｄ、４ｅは、その軸心を両突起部４ｂ、４ｃの対向方向に沿わせており、これら両支持棒４ｄ、４ｅに上記の保持部２ｂ、２ｃが固定されている。そして、保持部２ｂ、２ｃは、タービンインペラＴの軸Ｓ側の面に当接して、軸Ｓ側に向かうタービンインペラＴの移動を抑止する。

上記の構成によって、保持部２ａ、２ｂ、２ｃは、被検査物を保持する。また、荷重付加部３は、ロッド３ａを収縮する方向に油圧を作用させ、保持部２ａ、２ｂ、２ｃが保持した被検査物に、軸Ｓの軸方向の引張荷重を付加する。

ＡＥセンサ５は、例えば圧電素子で構成され、保持部２ｂに固定され、荷重を付加された被検査物から伝播した振動（弾性波）を電気信号として検出する。

ＡＥセンサ５を保持部２ｂに固定する構成により、欠陥検査装置１は、ＡＥセンサ５の取り付けが難しい形状の被検査物の検査も容易に行うことが可能となる。また、欠陥検査装置１は、被検査物ごとにＡＥセンサ５を着脱する必要がないことから、量産ラインなどにおいて検査時間を短縮でき、生産効率を向上できる。

ＡＥセンサ５にはプリアンプ６が接続されている。プリアンプ６は、ＡＥセンサ５から出力された電気信号を増幅する。プリアンプ６によって増幅された電気信号は、ＡＥ計測装置７に出力される。ＡＥ計測装置７は、センサ出力部として機能し、プリアンプ６から出力された電気信号に所定の処理を施し、ＡＥの検出頻度や強度などのデータに変換し解析装置８に出力する。

解析装置８は、例えばパーソナルコンピュータで構成され、ＡＥ計測装置７から波形データを取得する。また、解析装置８は、後述する荷重制御部９から荷重付加部３が被検査物に付加した荷重を示す荷重データを取得する。そして、解析装置８は、当該データを解析して、被検査物の欠陥の有無を判定する。

図３から図６は、ＡＥセンサ５による振動の検出結果の一例を示す説明図であり、縦軸は荷重付加部３が被検査物に付加する荷重の大きさを示し、横軸は経過時間を示す。ここでは、荷重付加部３が被検査物に付加する荷重の大きさの推移を実線で示し、ＡＥセンサ５によってＡＥが検出された時間における荷重の大きさを、黒塗りの点でプロットしている。

例えば、図３に示すように、荷重付加部３が、時間経過と共に単純に荷重（本実施形態では引張荷重）を大きくし、このとき、ＡＥセンサ５によって、図示の黒塗りの点で示すように予め定められた閾値以上の強度のＡＥが検出されたとする。この場合、ＡＥセンサ５が検出したＡＥは、被検査物のクラックの拡大によって発生したＡＥである場合と、被検査物と保持部２ａ、２ｂ、２ｃのなじみ、特には、タービンインペラＴと保持部２ｂ、２ｃとのなじみに起因する雑音である場合の、いずれの可能性もある。ここで、なじみは、物体（固体）間の接触部分における不均一な接触圧力分布が均一化されていく現象である。

したがって、図３に示すように、被検査物に付加する荷重を単純に大きくしていくだけでは、ＡＥセンサ５による振動の検出結果から、被検査物の欠陥の有無を高精度に判定するのが難しい場合があった。

本実施形態の荷重制御部９は、荷重付加部３に付加する荷重を次のように制御し、上述の雑音の影響を回避する。以下、当該荷重制御部９の制御に応じ、荷重付加部３が被検査物に付加する荷重の推移（荷重履歴）について、２つのパターンを例に挙げて説明する。

（第１パターン）
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、荷重制御部９は、被検査物に付加する荷重を第１荷重Ｐ１まで上昇させた後、第１荷重Ｐ１より小さい第２荷重Ｐ２まで低下させ、さらに第２荷重Ｐ２より大きい第３荷重Ｐ３まで上昇させるように、荷重付加部３を制御する。このとき、第２荷重Ｐ２は、荷重付加部３が被検査物に付加する荷重を第１荷重Ｐ１まで上昇させる期間（図４（ａ）、（ｂ）に示す期間Ｔ１）の開始時の荷重（例えば、０ｋｇｗ）よりも大きい。ここでは、第３荷重Ｐ３は、第１荷重Ｐ１と等しい。本実施形態では、このような荷重履歴を第１パターンと称する。

ＡＥ計測装置７は、少なくとも、一旦、第１荷重Ｐ１から第２荷重Ｐ２まで荷重が減少した後、第２荷重Ｐ２から第３荷重Ｐ３まで荷重が上昇されるとき（図４（ａ）、（ｂ）に示す期間Ｔ２）に、ＡＥセンサ５が検出したＡＥに基づく電気信号を、解析装置８に出力する。

図４（ａ）に示す例では、期間Ｔ２において振動は検出されなかったため、解析装置８は、被検査物に欠陥はないと判定する。また、図４（ｂ）に示す例では、期間Ｔ２において振動が検出されたため、解析装置８は、被検査物に欠陥があると判定する。

図３に示して説明したように、期間Ｔ１において、ＡＥセンサ５が検出した振動は、ＡＥか雑音かを判別することが難しい。本実施形態の欠陥検査装置１では、被検査物に付加する荷重を、一旦、第１荷重Ｐ１まで上昇させ、保持部２ａ、２ｂ、２ｃと被検査物の接触部分をなじませる。

このとき、保持部２ａ、２ｂ、２ｃと被検査物の接触部分のなじみが完了しているとは限らず、第１荷重Ｐ１より大きな荷重を付加されると、なじみに起因する雑音が生じる可能性がある。しかし、第１荷重Ｐ１以下の荷重を再度付加されても、なじみは進展しない。

そのため、第３荷重Ｐ３まで荷重を上昇させる間の期間Ｔ２においては、なじみに起因する雑音が生じず、欠陥検査装置１は、雑音の影響を避け、高精度に欠陥を検出することができる。

また、第３荷重Ｐ３が、第１荷重Ｐ１と等しいため、期間Ｔ２においては、カイザー効果が常に生じ得る。ここで、カイザー効果は、一度応力を与えられた物が、一旦除荷した後、再度同じ向きの応力を与えられても、除荷される前の最大応力を超えるまで、ＡＥが発生しないことをいう。ただし、欠陥の大きさや密度が大きすぎるとカイザー効果は成立しない。

すなわち、期間Ｔ２においてＡＥが検出された場合、被検査物には、カイザー効果が成立しないほどの欠陥が含まれると判定できる。このように、第１パターンの荷重履歴を用いた場合、欠陥検査装置１は、カイザー効果が成立しないほどの欠陥を、高精度に検出できる。

また、第１パターンにおいて、第１荷重Ｐ１（第３荷重Ｐ３）は、例えば、予め統計的に決定されている。

具体的に、第１荷重Ｐ１として複数の異なる荷重を設定し、それぞれの設定荷重において、欠陥検査装置１は、当該被検査物と同じ種類の対象物の欠陥の有無を、複数個分、検査して欠陥の有無を判定する。そして、欠陥が無いと判定された対象物に対し、さらに耐荷重性のテストなどを行い、第１荷重Ｐ１の設定荷重ごとに、対象物の破損率を導出する。そして、破損率が許容値内に収まるもののうち、最も荷重が小さいものを、第１パターンにおける第１荷重Ｐ１として採用する。

（第２パターン）
続いて、第２パターンにおける荷重制御部９の制御処理について説明する。第２パターンは、保持部２ａ、２ｂ、２ｃと被検査物の接触部分が十分になじむ荷重が特定され、カイザー効果が成立するような欠陥まで検出するときに好適に用いられる。第１パターンでは第３荷重Ｐ３を、第１荷重Ｐ１と等しい値に設定したが、第２パターンにおいては、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３荷重Ｐ３を、第１荷重Ｐ１よりも大きい値に設定する。

第２パターンでは、第１荷重Ｐ１は、上記の被検査物と保持部２ａ、２ｂ、２ｃが十分になじむ荷重として予め経験的に決定される。被検査物に第１荷重Ｐ１より大きな荷重が付加されても、被検査物と保持部２ａ、２ｂ、２ｃのなじみは完了しているため進展しない。

第３荷重Ｐ３は、第１パターンと同様、例えば、予め統計的に決定される。具体的に、図６に示すように、欠陥検査装置１に対象物を設置した状態で、荷重制御部９は、荷重付加部３に、第１荷重Ｐ１まで荷重を上昇させた後、第１荷重Ｐ１より小さい第２荷重Ｐ２まで荷重を低下させる。そして、再び、荷重を上昇させた後、初めにＡＥセンサ５がＡＥを検出した時点の荷重Ｐ_ＡＥを測定する。

複数の対象物について、荷重Ｐ_ＡＥを測定した後、測定後の対象物に対し耐荷重性のテストなどを行い、荷重Ｐ_ＡＥごとに対象物の破損率を導出する。そして、破損率が許容値内に収まるもののうち、最も小さい荷重Ｐ_ＡＥを、第２パターンにおける第３荷重Ｐ３として採用する。

荷重制御部９は、このように決定された第１荷重Ｐ１および第３荷重Ｐ３を用い、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、被検査物に付加する荷重を、第１荷重Ｐ１まで上昇させた後、第１荷重Ｐ１より小さい第２荷重Ｐ２まで低下させ、さらに第２荷重Ｐ２および第１荷重Ｐ１より大きい第３荷重Ｐ３まで上昇させるように、荷重付加部３を制御する。

図５（ａ）に示す例では、期間Ｔ２において振動は検出されなかったため、解析装置８は、被検査物に欠陥はないと判定する。また、図５（ｂ）に示す例では、期間Ｔ２において、第１荷重Ｐ１より大きい荷重を付加している最中に振動が検出されている。期間Ｔ２では、保持部２ａ、２ｂ、２ｃと被検査物の接触部分は既になじんでいるため、検出された振動はＡＥであり、解析装置８は、被検査物に欠陥があると判定する。

図５（ｃ）に示す例では、期間Ｔ２において、第１荷重Ｐ１以下の荷重を付加している最中にＡＥが検出されている。第１荷重Ｐ１以下の荷重においてはカイザー効果が生じるはずであるが、図４（ｂ）に示す第１パターンの例と同様、カイザー効果が成立しないほどの欠陥があると考えられ、解析装置８は、被検査物に欠陥があると判定する。

このように、第２パターンの荷重履歴を用いた場合、欠陥検査装置１は、カイザー効果が成立しないほどの欠陥を高精度に検出できると共に、カイザー効果が成立するような欠陥についても、第１荷重Ｐ１から第３荷重Ｐ３まで荷重を上昇させる最中にＡＥを検出して、欠陥の有無を判定できる。

（検査方法）
続いて、欠陥検査装置１を用いた被検査物の欠陥の検査方法について説明する。図７は、本実施形態の検査方法を説明するためのフローチャートである。

図７に示すように、初めに、保持部２ａ、２ｂ、２ｃに被検査物を保持させる（Ｓ１００）。そして、荷重制御部９は、荷重付加部３に、被検査物に対して初期荷重から第１荷重Ｐ１まで線形的に荷重を上昇させる（Ｓ１０２）。そして、荷重制御部９は、荷重付加部３に、第１荷重Ｐ１より小さい第２荷重Ｐ２まで線形的に被検査物に対する荷重を除荷（低下）させ（Ｓ１０４）、さらに第２荷重Ｐ２より大きい第３荷重Ｐ３まで線形的に荷重を上昇させる（Ｓ１０６）。ここで、第１パターンであれば、第３荷重Ｐ３は、第１荷重Ｐ１と等しく、第２パターンであれば、第３荷重Ｐ３は、第１荷重Ｐ１よりも大きい。

そして、第２荷重Ｐ２から第３荷重Ｐ３まで荷重が上昇される期間Ｔ２において、ＡＥセンサ５がＡＥを電気信号として検出している場合（Ｓ１０８におけるＹＥＳ）、解析装置８は、カイザー効果が生じている場合も生じていない場合も含めて、当該被検査物に欠陥があると判定する（Ｓ１１０）。ＡＥセンサ５がＡＥを電気信号として検出していない場合（Ｓ１０８におけるＮＯ）、解析装置８は、当該被検査物に欠陥がないと判定する（Ｓ１１２）。

かかる検査方法によれば、被検査物と接触する部分のなじみに起因する雑音の影響を低減し、高精度に被検査物の欠陥を検出することができる。

図８は、他の欠陥検査装置１ａ、１ｂの概略図である。特に、図８（ａ）は、欠陥検査装置１ａを示し、図８（ｂ）は、欠陥検査装置１ｂを示す。

欠陥検査装置１は、被検査物に対して、引張荷重を付加していた。しかし、欠陥検査装置１ａは、図８（ａ）に示すように、圧縮荷重を付加する。欠陥検査装置１ａにおいては、被検査物を圧縮するため、欠陥検査装置１の保持部２ａ、２ｂ、２ｃのような締め具は不要となり、支持部材４の突起部４ｃと荷重付加部３である油圧シリンダのロッド３ａが、被検査物を挟持（保持）する保持部として機能する。ＡＥセンサ５は、突起部４ｃに固定されている。

また、欠陥検査装置１ｂは、図８（ｂ）に示すように、ねじり荷重を付加する。欠陥検査装置１ｂにおいては、ねじり荷重を付加するため、保持部１２ｂ、１２ｃは、タービンインペラＴの回転方向の移動を抑止する。そして、荷重付加部１３は、ギヤを内臓したモータなどで構成され、荷重制御部９の制御に応じ、モータシャフト１３ａに固定された保持部１２ａを介して、軸Ｓに回転トルクを伝達する。

このように、被検査物の形状や、欠陥の有無を確認する対象部分の位置、欠陥の向きなどに応じて、圧縮荷重やねじり荷重を付加して、欠陥の検査を行ってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上述した実施形態では、欠陥検査装置１がＡＥセンサ５を一つ備える場合について説明したが、ＡＥセンサ５は複数あってもよい。この場合、欠陥検査装置は、複数のＡＥセンサ５の出力の差を分析することで、欠陥のおおよその位置まで特定することができる。

また、上述した実施形態ではＡＥセンサ５を保持部２ｂに固定する場合について説明したが、ＡＥセンサを固定する位置は、保持部２ｂに限らず、保持部２ａ、２ｃであってもよいし、被検査物であってもよい。

また、上述した実施形態では第３荷重Ｐ３が第１荷重Ｐ１と等しい、または第１荷重Ｐ１より大きい場合について説明したが、第３荷重Ｐ３は第１荷重Ｐ１より小さくともよい。

また、欠陥の判定基準として、検出されたＡＥの頻度（検出回数）を考慮してもよい。例えば、予め統計的に検出回数の閾値を決めておき、第２荷重Ｐ２から第３荷重Ｐ３まで荷重が上昇される期間Ｔ２において、この閾値以下の検出回数であった場合は、欠陥があるものの製品品質上問題がないと判断してもよい。

また、上述した実施形態では初期値から第１荷重Ｐまでと、第２荷重Ｐ２から第３荷重Ｐ３まで、２回しか荷重を付加していないが、同様の荷重履歴（荷重の付加と除荷）をさらに複数回繰り返してもよい。

なお、本明細書の検査方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、被検査物を保持して欠陥を検出する欠陥検査装置および検査方法に利用することができる。

１、１ａ、１ｂ …欠陥検査装置
２ａ、２ｂ、２ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ …保持部
３ …荷重付加部
５ …ＡＥセンサ
７ …ＡＥ計測装置（センサ出力部）
９ …荷重制御部

Claims

被検査物を保持する保持部と、
保持された前記被検査物に荷重を付加する荷重付加部と、
前記保持部に固定され、荷重を付加された前記被検査物から伝播した弾性波を検出するＡＥセンサと、
前記荷重付加部に付加させる荷重を、第１荷重まで上昇させた後、該第１荷重より小さい第２荷重まで低下させ、さらに該第２荷重より大きい第３荷重まで上昇させる荷重制御部と、
少なくとも前記第２荷重から前記第３荷重まで荷重が上昇されるときに、前記ＡＥセンサが検出した弾性波を出力するセンサ出力部と、
を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
前記第３荷重は、前記第１荷重と等しいことを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
前記第３荷重は、前記第１荷重よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
被検査物を保持部に保持し、
前記被検査物に対して第１荷重まで荷重をかけた後、該第１荷重より小さい第２荷重まで荷重を低下させ、さらに該第２荷重より大きい第３荷重まで荷重を上昇させ、
少なくとも前記第２荷重から前記第３荷重まで荷重が上昇されるときに、前記保持部に固定されたＡＥセンサによって検出された弾性波を出力することを特徴とする検査方法。