JP6006939B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載されているような、金属加工物、特に管を非破壊試験するための超音波探触子に関する。

超音波探触子が特許文献１により公知である。この超音波探触子は、振動子素子の列状配列から成り、これら振動子素子は、プレキシガラスから成る入口くさび部（lead wedge）上に配列される。入口くさび部のくさび角度は、加工物内で希望する音波伝播方向に応じて選択されている。

このような探触子は、例えば、管の横欠陥試験に利用される。１２時位置における管の横欠陥試験は標準技術であり、通常、対向する２つの探触子で実現される。探触子は、それぞれ他方の探触子の方向に送波する。

探触子の対（ペア）は、主に水接触を介して或る角度で管に入射する２つの斜角探触子または垂直探触子のいずれかで構成される。

管表面を完全に試験するために、管は、例えば、１２時位置に定置で配置された試験ユニットの下を螺線状に通される。別の方法として、管を回転させて、試験ユニットを、管表面上を直線状に移動させる。

例えば、迅速な１００％試験のために欠陥試験の試験能力を高めねばならないなら、他の探触子対を設置しなければならず、これらの探触子対は、加工物表面において走査漏れがない試験が達成されるように配置されなければならない。

極力省スペースになっている設計に他の探触子対を追加で配置することは、大抵設計支出を高めることになるので、ここで代替案として、特許文献１により公知の振動子アレイ（ＭＦＳアレイ）が考慮される。

ＭＦＳアレイとは、ハウジング内でごく密接して直線状に配置された複数の超音波振動子であり、振動子の大きさは、試験の課題に依存している。

この種の試験において不可避的に発生する試験空隙(試験漏れ箇所)を埋めるために、いわゆるクロックド振動子が開発された（特許文献２）。

横欠陥試験の場合、入射角度は最大で７０°であり、通常は４５°である。ＭＦＳアレイは、通例、垂直探触子として実施されるので、ＭＦＳアレイは、斜角入射用に被検加工物表面に対して或る角度（入射角度）に調整されねばならない。この角度は、特殊な音波速度を有する媒質に依存しており、屈折法則を介して計算することができる。

入射角度は、例えば、水等の音波速度の低い媒質の利用時には小さい。

水充填槽は、それが管の下方（６時試験位置）に取り付けられるとき、ＭＦＳアレイを用いる超音波試験用として、問題なく利用することができる。

１２時試験位置での門型解の場合、水接触のための水槽は、被検管を密封するための設計コストが高くなるので考慮の対象とならない。

密封が必要であるので、水槽と試験ユニットを６時位置に配置することが確かにはるかに容易ではあるが、しかしながら、被検管がローラテーブル上を走行可能でなければならないとき、これは設計に起因して一般に可能でない。

これらの応用事例では、通例、中実プラスチックから成る公知の入口くさび部が利用される。水と比べてプラスチックは音波速度が高い（約５０〜１００％高い）ので、入口くさび部のくさび角度は、相応に大きくなる。構造高さが大きくて場合によっては設計上の問題をもたらす他に、大きなくさび角度によって、一部では音波伝播経路が著しく大きくなってしまう。すでに知られているように水に比べてプラスチック内での減衰は高いので、音波伝播経路が著しく大きいと、音波信号のエコー高さが著しく低減し、こうして確実な信号検知をかなり困難とし、または不可能とさえする。

独国実用新案第８３１２５９５号明細書 独国特許発明第１９８６０１２７号明細書

そこで本発明の目的は、金属加工物、特に管の横欠陥を非破壊試験するための入口くさび部と振動子アレイとを備えた超音波探触子を明示して、加工物上の１２時位置でも超音波試験を簡単確実に実施し、同時に探触子の僅かな構造高さを実現できるようにすることである。

この課題は、本発明に係る請求項１の特徴部分によって解決される。有利な諸構成は、従属請求項の対象である。

本発明によれば、入口くさび部は、液体を充填した楔形中空体として形成されており、中空体のくさび角度は、最大で２４°であり、中空体は、加工物内への入射角度が最大で７０°となるように加工物上に配置されている。

有利には、極力僅かな音波速度および減衰を有する例えば水等の媒質が液体として考慮される。

提案された解決の利点は、簡単で確実な横欠陥試験を実施できるようにするために、本発明に係る入口くさび部によって、液体の一層好ましい音波特性、殊に音波速度および減衰を利用できることにある。

例えば、水の有利な特性を利用することによって、単に小さなくさび角度を介して入口くさびの僅かな構造高さを実現し、同時に設計上の高い密封コストを避けて加工物を１２時位置で試験することが可能である。

そのことが以下の例で明らかとなる：
・２０℃の水中での音波速度： １４８３ｍ／ｓ
・プラスチック（例えばレクソライト（登録商標））中での音波速度：２３１１ｍ／ｓ

屈折法則によれば、中実プラスチックから成る入口くさび部のくさび角度は、４５°の入射角度のときに３０．８°である。これに対して、水を充填した入口くさび部のくさび角度が、僅かに１８．８°と計算され、これにより本質的により小さい探触子構造高さにすることができる。別の入射角度を生じさせる入口くさび部のくさび角度は、入口くさび部の各充填媒質の音波速度を考慮して、スネルの屈折法則を介して計算することができる。

入口くさび部は、水接触の環境下で試験体表面と直接接触するので、入口くさび部は、有利には、例えばレクソライト（登録商標）等のプラスチックから成る。そのことの利点として、加工物表面を損なうことなく加工物表面に入口くさび部を「馴染ませる」ことが可能となる。

本発明の好ましい１構成によれば、入口くさび部の側板および蓋板の内面が音波減衰材料で内張りされている。これにより有利なことに、側板および蓋板からの障害となる超音波エコーは防止される。しかし、内張りの代わりに当該中実材料から成る板を使用することも可能である。

本発明のその他の特徴、利点および詳細は以下の明細書から明らかとなる。

液体充填中空体を入口くさび部として有する本発明に係る超音波探触子の略図である。 代替的構成の入口くさび部の断面図である。

図１は、液体充填中空体を入口くさび部として有する本発明に係る超音波探触子の略図である。この超音波探触子１は、実質的に、振動子アレイ２と、入口くさび部としての水を充填した楔形中空体７とを含む。振動子アレイ２と楔型中空体７は、接触材層を用いて上下に固定配置されている。振動子アレイ２の個々の振動子は、ケーブル４を介してプローブ／評価ユニット３と接続されている。超音波は、水による湿潤環境下の楔形中空体７の接触面５を介して加工物６に入力される。

図示した超音波探触子１は、いわゆる４５°斜角用探触子である。すなわち、入射角度β（加工物表面の垂線と音波束の軸との間の角度）が４５°である（図１）。

楔形中空体７に水が充填されているので、くさび角度αは、１８．８°にすぎない。これにより、探触子１は、ごく僅かな構造高さで構成することができ、管の１２時位置で試験するための構造設計は、本質的に簡素になる。というのも、本来不可欠な密封をするためにかかる構造上のコストを要する水槽が、もはや試験用に必要とされないからである。

図２は、代替的構成の断面図を示している。図２の本発明に係る探触子１’は、楔形中空体７’と、この楔形中空体７’内の液体に直接接触した振動子アレイ２とを有する。中空体７’は、蓋板７．１，７．２と、底板７．３と、２つの側板７．４とから構成されている。本形態によれば、個々の板７．１，７．２，７．４は、障害となる超音波エコーを抑制する音波減衰特性を有するプラスチックから成る。材料としては、ここでは例えばテフロン（登録商標）が考えられる。

本形態によれば、底板７．３は、音波を良好に伝導する低減衰材料、例えばレクソライト（登録商標）から成る。代替的に、板７．１，７．２，７．４は、例えば、相応する音波減衰内張りを備えたプレキシガラスで構成することもできる。

板によって取り囲まれた空洞内に、ここに図示しない液状媒質が注入され、例えば貯水部を実現するために水が注入されている。しかし、僅かな音波速度および減衰を有する別の液体も応用することができる。

図１の配置の代案として、蓋板７．２に開口部が設けられており、この開口部に超音波探触子１’が僅かな遊隙で挿入されており、振動子アレイ２が水と直接接触している。

この位置で超音波探触子１’を固定するために、超音波探触子１’は、これと結合されたフレーム８を備えており、このフレーム８は、ここに図示しないシールを備えている。このフレーム８は、このシールを介して蓋板７．２に載置され、こうして固定され、遊隙が存在することによって発生する隙間からの意図しない水の流出に備えて密封する。

音波を加工物６（図１）に良好に入力するのに不可欠な水湿潤は、例えば、楔形中空体’７に水を恒常的に流入させ、引き続き水溢れ部分を介して接触面５に給水することによって行うことができる。

１、１’ 超音波探触子
２ 振動子アレイ
３ 評価ユニット
４ ケーブル
５ 接触面
６ 加工物
７、７’ 楔形中空体
７．１、７．２ 蓋板
７．３ 底板
７．４ 側板
８ フレーム

Claims (8)

1. 金属加工物である管の横欠陥を非破壊試験するための超音波探触子であって、加工物に接触するために入口くさび部上に振動子素子を列状に配置したものにおいて、
   前記入口くさび部が、液体を充填した楔形中空体（７、７’）として形成されており、前記楔形中空体は、横断面が三角形の三角柱状であり、下面が前記加工物に接触する接触面となり、
   前記振動子素子が配置された入口くさび部の上面と前記加工物の前記接触面とでなすくさび角度が最大２４°であり、前記楔形中空体が、前記加工物への入射角度が最大で７０°となるように前記加工物上に配置されており、
   前記楔形中空体（７、７’）が、蓋板（７．１、７．２）と、底板（７．３）と、２つの側板（７．４）とを備え、
   前記楔形中空体（７、７’）の前記蓋板（７．１、７．２）と前記側板（７．４）が、超音波減衰材料から成り、前記加工物（６）に接触する前記底板（７．３）が、超音波良伝導性材料から成ることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記入射角度が最大で５０°であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記入射角度が４５°であることを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子。
4. 前記楔形中空体（７、７’）が、プラスチックから成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
5. 前記楔形中空体（７、７’）の前記蓋板（７．１、７．２）の内面と前記側板（７．４）の内面が、超音波減衰材料を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子。
6. 前記蓋板（７．２）が、前記超音波探触子（１）を受容するための開口部を有し、前記開口部が、フレーム（８）と結合されており、前記フレームが、密封するように前記蓋板（７．２）に載置されて、こうして固定されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波探触子。
7. 前記楔形中空体（７、７’）内の液体が、小さい音波速度および減衰を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
8. 前記楔形中空体（７、７’）内の液体が水であることを特徴とする請求項７に記載の超音波探触子。

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