JP6108685B2

JP6108685B2 - アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法

Info

Publication number: JP6108685B2
Application number: JP2012115330A
Authority: JP
Inventors: 陽亮青山; 一郎高須
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: JP2013242220A

Description

本発明は、アレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その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。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、ラインフォーカスにより水浸超音波探傷を行い、√AREAが100μm級またはそれ以上のサイズの中心部欠陥を行う技術がある（例えば、特許文献１参照）。ここで、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。

点集束により、水浸超音波探傷を行う技術としては、複数の振動子を有するフェーズドアレイプローブであって、各振動子は長手方向に所定の曲率で湾曲しており、前記複数振動子の湾曲方向と異なる方向に湾曲する曲面状の配列で配置されているフェーズドアレイプローブがある（例えば、特許文献２参照）。

特開2010-133893号公報特開2004-340809号公報

しかしながら、特許文献２のアレイプローブは直接接触による斜角探傷に対応したものであり、中心欠陥の検出のような深い位置の探傷では、超音波が届きにくいという課題がある。また特許文献２は直接接触による探傷のため、表面粗さの影響を受けやすく、試験片の表面粗さが粗いと本発明と比べて、欠陥エコー強度の低下が大きいという課題がある。

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、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を迅速に行うことが可能なアレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法を提供することである。

本発明は、水距離をｌとして、断面の半径がｄである丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価を行うための、電子走査式アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置であって、電子走査式アレイ探触子の丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを前記丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Ｒｘは、Ｒｘ＝丸棒鋼の断面の半径ｄ＋水距離ｌの関係であり、探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径Ｒｙは、Ｒｙ＝丸棒鋼の断面の半径ｄ×（丸棒鋼中音速ｖｓ/水中音速ｖｗ）＋水距離ｌの関係であることを特徴とする。

また、本発明は、丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価を行うための、電子走査式アレイ探触子を用いる水浸超音波探傷方法であって、電子走査式アレイ探触子の丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Ｒｘは、Ｒｘ＝丸棒鋼の断面の半径ｄ＋水距離ｌの関係であり、探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径Ｒｙは、Ｒｙ＝丸棒鋼の断面の半径ｄ×（丸棒鋼中音速ｖｓ/水中音速ｖｗ）＋水距離ｌの関係である電子走査式アレイ探触子により水浸超音波探傷を行うことを特徴とする。

本発明のアレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法によれば、丸棒鋼の中心部欠陥の探傷を迅速に行うことが可能となる。

本実施形態の水浸超音波探傷装置の構成を示す図である。本実施形態のアレイ探触子の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態であるアレイ探触子、当該アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置、及び、その方法について、図を参照して詳細に説明をする。

図１は、本実施形態のアレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置の構成例を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態の水浸超音波探傷装置を丸棒鋼のＴ断面で見た図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の水浸超音波探傷装置の正面図である。

本実施形態の水浸超音波探傷装置１００は、制御部１０と、アレイ探触子（電子走査式アレイ探触子）２０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にセットされる。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、本実施形態の水浸超音波探傷装置１００は、いわゆる水浸法による超音波探傷を行う。

また、本実施形態の水浸超音波探傷装置１００には、丸棒鋼を回転させる不図示のターニングローラー等の回転機構が付設されており、丸棒鋼Ａを図１中のＤ2方向へ所定の角度で回転させる。なお、本実施形態では、丸棒鋼を搬送・回転させる構造としたが、アレイ探触子を移動・回転させる構造としてもよい。

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。

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。

本実施形態の同時制御エレメント群２１の寸法例としては、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。

図に示すように、アレイ探触子２０の丸棒鋼Ａに対向する面（探触子面）には、振動子２５の配列方向に略円弧状であり振動子２５の配列方向と垂直な方向にも略円弧状である曲面の探触子面２０ａが形成される。このように、アレイ探触子２０は略円弧状の曲面の探触子面２０ａを有するため、アレイ探触子２０から発せられる超音波ビームＤは、図２に示すように点フォーカスｆ_Ｄを丸棒鋼Ａの中心軸Ｃの付近に生成する。

点フォーカス（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、音圧を高めることが可能となり、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曲面の探触子面に配列された探触子を用いることにより、上述した制御を容易とすることが可能となる。

ここで、アレイ探触子２０の探触子面の振動子２５の配列方向の略円弧の曲率半径をＲｘとした場合に、Ｒｘを、Ｒｘ＝丸棒鋼Ａの断面の半径（図２（ａ）中のｄ[mm]）＋水距離（図２（ａ）中のｌ[mm]）とすることが好ましい。

また、アレイ探触子２０の探触子面の振動子２５の配列方向と垂直な方向の略円弧の曲率半径をＲｙとした場合に、Ｒｙを、Ｒｙ＝丸棒鋼Ａの断面の半径ｄ[mm]×（鋼中音速ｖ_ｓ[m/sec]/水中音速ｖ_ｗ[m/sec]）＋水距離ｌ[mm]とすることが好ましい。なお、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である。

さらに、水距離ｌを20〜30mmとすることで、水中での超音波の減衰を軽減できる。

本実施形態の水浸超音波探傷装置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。

（実験例）
表１のフェーズドアレイプローブを用いて、SUJ2φ80棒鋼の中心の人工欠陥φ0.26mm平底穴を水距離20mm、同時励振数20で探傷した結果、その人工欠陥をS/Nが9以上で検出した。その検出能は欠陥のエコー強度とその超音波反射面積との比例関係から求められ、S/N=2でφ0.12mmFBH相当＝√Area100μmを検出できることが分かった。従来のシングルプローブでは探傷に探傷重量1kgあたり2分（2min/kg）要していたが、本手法では0.35min/kgと約5.7倍のスピードアップとなった。よって、本実施形態の水浸超音波探傷装置の妥当性が証明された。

以上説明したように、本実施形態の水浸超音波探傷装置によれば、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点フォーカスを生成することにより、丸棒鋼の√AREAが100μm以上の中心部欠陥を迅速に出することが可能となる。

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。

１００：水浸超音波探傷装置
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

水距離をｌとして、断面の半径がｄである丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価を行うための、電子走査式アレイ探触子を有する水浸超音波探傷装置であって、
前記電子走査式アレイ探触子の前記丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを前記丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、
前記探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Ｒｘは式１の関係であり、
前記探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径Ｒｙは式２の関係であることを特徴とする水浸超音波探傷装置。
Ｒｘ＝前記丸棒鋼の断面の半径ｄ＋水距離ｌ・・・（式１）
Ｒｙ＝前記丸棒鋼の断面の半径ｄ×（前記丸棒鋼中音速ｖｓ/水中音速ｖｗ）＋水距離ｌ・・・（式２）
前記水距離は、20mm以上30mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の水浸超音波探傷装置。
丸棒鋼の中心部欠陥の検出評価を行うための、電子走査式アレイ探触子を用いる水浸超音波探傷方法であって、
前記電子走査式アレイ探触子の前記丸棒鋼に対向する探触子面は、点フォーカスを前記丸棒鋼内に生成するための、当該探触子面の振動子の配列方向、及び、当該配列方向に垂直な方向にそれぞれ円弧状である曲面を有し、
前記探触子面の振動子の配列方向の曲率半径Ｒｘは式１の関係であり、
前記探触子面の振動子の配列方向と垂直な方向の曲率半径Ｒｙは式２の関係である電子走査式アレイ探触子により水浸超音波探傷を行うことを特徴とする水浸超音波探傷方法。
Ｒｘ＝前記丸棒鋼の断面の半径ｄ＋水距離ｌ・・・（式１）
Ｒｙ＝前記丸棒鋼の断面の半径ｄ×（前記丸棒鋼中音速ｖｓ/水中音速ｖｗ）＋水距離ｌ・・・（式２）
前記水距離は、20mm以上30mm以下であることを特徴とする請求項３に記載の水浸超音波探傷方法。