JP6167706B2 - 超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は超音波探傷方法に関し、特に、丸鋼材の表面直下の内部欠陥や表面疵を良好に検出できる超音波探傷方法に関するものである。

特許文献１にはアレイプローブを使用した丸鋼材の超音波探傷方法が開示されている。アレイプローブは、丸鋼材の外周面と同心の円弧面に多数の超音波振動子を設けて超音波発射面としたもので、必要数の超音波振動子を駆動することによって、丸鋼材内で横波屈折角が所定の角度になるように超音波ビームを丸鋼材に向けて発射する。丸鋼材を適宜回転させるか、同種のアレイプローブを丸鋼材の全周に隣接させて複数設けることによって、丸鋼材の全周を超音波ビームでスキャンして表面疵を検出することができる。

特開２００９−１５０６７９

ところで、上記従来の超音波探傷方法において、アレイプローブを使用した場合には表面直下の内部欠陥等の検出に有効な屈折した横波探傷ビームの反射波以外に、丸鋼材内へ直進し反対側の鋼材内表面で反射されて戻る反射波や、丸鋼材内で反射を繰り返して戻る反射波等の妨害反射波が生じるため、上記内部欠陥や表面疵を確実に検出できないという問題があった。

そこで本発明はこのような課題を解決するもので、妨害反射波が存在しても鋼材の表面直下の内部欠陥等の疵の有無を確実に検出することが可能な超音波探傷方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第1発明では、丸鋼材（Ｍ）の外周面から所定距離離してアレイプローブ（１）を設け、当該アレイプローブ（１）の超音波振動子を駆動して前記丸棒材（Ｍ）の円形断面の周方向の各点において前記円形断面内へ超音波ビーム（Ｂ）を発射し、前記丸鋼材（Ｍ）内で屈折角θが４０〜４５°になるような横波を発生させてこれを探傷ビーム（Ｄ）とし、当該探傷ビーム（Ｄ）が前記丸鋼材（Ｍ）の表面直下の内部欠陥等で反射されて探傷反射波（Ｒｄ）となって前記探傷ビーム（Ｄ）の入射時の経路を辿って再びアレイプローブ（１）に戻るようにし、前記丸鋼材（Ｍ）の全周を前記アレイプローブ（１）から出力される超音波ビーム（Ｂ）でスキャンして、前記丸鋼材（Ｍ）の円形断面の周方向での超音波ビーム（Ｂ）の各発射点を横軸に、各発射点における反射波強度の時間変化を縦軸にとって強度分布図を得て、反射波強度の高い高輝度領域が横軸方向に傾斜しているものを前記丸鋼材（Ｍ）の表面直下に生じた内部欠陥等により反射された探傷反射波（Ｒｄ）と判定し、前記高輝度領域が前記横軸方向に平行に延びているものを妨害反射波（Ｒｂ1，Ｒｂ2）と判定する。

本第1発明において、妨害反射波は超音波入射点が変化してもその反射経路は一定になる。したがって、妨害反射波の高強度領域は強度分布図上において上記一軸方向へ平行となり傾斜しない。これに対して、表面直下の内部欠陥等の疵が丸鋼材にあると、当該疵からの探傷反射波の反射経路は超音波入射点の変化に伴い変化する。したがって、探傷反射波の高強度領域は強度分布図上において上記一軸方向へ傾斜する。これにより、高強度領域が一軸方向へ傾斜しているか否かによって丸鋼材における疵の有無を確実に判定することができる。

本第２発明では、疵（Ｆ）の無い正常な丸鋼材（Ｍ）の強度分布図を予め取得しておき、当該強度分布図と探傷対象の丸鋼材（Ｍ）の強度分布図との差分をとった強度分布図に基づいて前記判定を行う。

本第２発明において、差分をとった強度分布図では妨害反射波の影響が除去されているから、丸鋼材における疵の有無判定をより確実に行うことができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の超音波探傷方法によれば、妨害反射波が存在しても鋼材の表面直下の内部欠陥等を確実に検出することができる。

探傷反射波の経路を示す丸鋼材の横断面図である。 妨害反射波の経路を示す丸鋼材の横断面図である。 他の妨害反射波の経路を示す丸鋼材の横断面図である。 各反射波信号の時間関係を示す図である。 超音波ビームの発射点を変更した場合の妨害反射波の経路を示す丸鋼材の横断面図である。 超音波ビームの発射点を変更した場合の他の妨害反射波の経路を示す丸鋼材の横断面図である。 超音波ビームの発射点を変更した場合の探傷反射波の経路を示す丸鋼材の横断面図である。 丸鋼材内に内部欠陥がある場合の強度分布図である。 丸鋼材内に内部欠陥が無い場合の強度分布図である。 差分処理を行った後の反射波強度分布図である。 さらに他の処理を行った後の反射波強度分布図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。以下、本発明の探傷方法の詳細を説明する。

図１に丸鋼材Ｍの断面を示し、その外周面から所定距離離してアレイプローブ１が設けられる。アレイプローブ１は丸鋼材Ｍの外周面に向く超音波発射面１１が丸鋼材Ｍの外周面とほぼ同心の円弧面となっている。なお、これら丸鋼材Ｍとアレイプローブ１は水中に設置されている。

アレイプローブ１の必要数の超音波振動子（図示略）を駆動して超音波ビームＢを発射し、丸鋼材Ｍ内で屈折角θが４０〜４５°になるような横波を発生させて、これを探傷ビームＤとする。探傷ビームＤが表面直下の内部欠陥（以下、単に内部欠陥という）や表面疵で反射されると探傷反射波Ｒｄとなって、探傷ビームＤの入射時の経路を辿って再びアレイプローブ１に戻る。必要数の超音波振動子の駆動を順次行うことによって、アレイプローブ１から出力される超音波ビームＢを丸鋼材Ｍの周方向の所定範囲でスキャンするようにし、丸鋼材Ｍを適宜回転させるか、同種のアレイプローブ１を丸鋼材Ｍの全周に隣接させて複数設けることによって、丸鋼材Ｍの全周を超音波ビームＢでスキャンすることができる。

ところで、超音波ビームＢが丸鋼材Ｍ中に進入すると、屈折する横波の探傷ビームＤ以外に、図２に示すような直進する縦波ビームＢ1が生じ、これが反対側の鋼材面で反射して再びアレイプローブ１に妨害反射波Ｒｂ1として戻る。また、図３に示すように、横波の探傷ビームＤから、反対側の鋼材面に向かう縦波の反射波Ｒが生じて、これが鋼材面で反射して再びアレイプローブ１に妨害反射波Ｒｂ2として戻る。

丸鋼材Ｍの直径Ｄを２８ｍｍ、アレイプローブ１の超音波発射面１１の曲率半径を６２．５ｍｍとすると、アレイプローブ１から丸鋼材Ｍまでの水距離ＷＰは４８．５ｍｍとなる。屈折角θを４５°とし、水音速Ｃｗを１４８０ｍ／ｓ、縦波音速Ｃｔを５９００ｍ／ｓ、横波音速Ｃｓを３２３０ｍ／ｓとすると、水距離ＷＰを往復する時間は２×（ＷＰ／Ｃｗ）≒６５．５μｓとなる。

また、探傷ビームＤが丸鋼材Ｍ内に進入して内部欠陥等で反射され探傷反射波Ｒｄとして再び丸鋼材Ｍの内表面へ戻るまでの時間は２×（Ｄ×Cosθ）／Ｃｓ）で近似されて約１２．２μｓとなる。さらに、妨害反射波Ｒｂ1の丸鋼材Ｍ内での往復時間は２×（Ｄ／Ｃｔ）≒９．５μｓとなる。また妨害反射波Ｒｂ2の丸鋼材Ｍ内での往復時間は（Ｄ×Cosθ）／Ｃｓ＋（Ｄ×Sinθ）／Ｃｔ＋Ｄ／Ｃｔで近似されて約１４．２μｓとなる。

これらの時間関係を図４に示す。アレイプローブ１への不要な他の反射波の入力を極力防止するために時間軸上で通過ゲートＷを設定するが、この通過ゲートＷは一般的にアレイプローブ１から材料表面までの路程を１スキップ（Ｓ）として、図４に示すように０．５〜１．２５スキップ（Ｓ）の範囲に設定される。しかしこの場合にも、探傷反射波Ｒｄ以外に妨害反射波Ｒｂ1,Ｒｂ2は検出されてしまうため、探傷反射波Ｒｄが妨害反射波Ｒｂ１，Ｒｂ2と重なった場合には内部欠陥等の存在を見逃し、あるいは内部欠陥等が無い場合に妨害反射波Ｒｂ1,Ｒｂ2を探傷反射波Ｒｄであると誤検出するおそれがあった。

そこで、本実施形態では以下の知見に基づいてさらに処理を行う。すなわち、妨害反射波Ｒｂ1の反射経路について考えると、図５に示すように、超音波発射面１１は丸鋼材Ｍの外周面とほぼ同心の円弧面になっているから、図５のＸ点〜Ｙ点〜Ｚ点へと超音波ビームＢの発射点（したがって丸鋼材Ｍの円形断面の周方向での超音波ビームＢの各入射点）が変わっても、妨害反射波Ｒｂ1の反射経路は常に一定で変化しない。また、図６に示すように、妨害反射波Ｒｂ2の反射経路についても、超音波ビームＢの発射点がＸ点〜Ｙ点〜Ｚ点へと変わっても妨害反射波Ｒｂ2の反射経路は常に一定で変化しない。

一方、図７に示すように、丸鋼材Ｍ内の表面直下に内部欠陥Ｆがある場合には、超音波ビームＢの発射点がＸ点〜Ｙ点〜Ｚ点へと変わると、Ｘ点から超音波ビームＢを発射した場合の探傷反射波Ｒｄの反射経路が最も長く、これからＹ点、Ｚ点へと移るにつれて探傷反射波Ｒｄの反射経路は次第に短くなり、Ｚ点で反射経路は最も短くなる。

そこで、丸鋼材Ｍの円形断面の周方向での超音波ビームＢの各発射点を横軸に、各点における反射波強度の時間変化を縦軸にとって強度分布図を描くと（図８）、妨害反射波Ｒｂ1,Ｒｂ2についてはその反射経路が常に一定であることにより、これら妨害反射波Ｒｂ1,Ｒｂ2の強度が高い領域（高輝度領域、図８中の白い領域）は超音波ビームＢの発射点が変化しても常に一定の時間に現れるから、高輝度領域は横軸方向に平行に延びる。これに対して、丸鋼材Ｍ内に内部欠陥Ｆ等があると、ここで反射された探傷反射波Ｒｄはその反射経路が超音波ビームＢの各入射点に応じて変化するから、探傷反射波Ｒｄの強度が高い図８中の高輝度領域は横軸方向に傾斜して延びる。

さらに本実施形態では、内部欠陥Ｆ等が無い正常な丸鋼材Ｍについて超音波ビームＢの各発射点を横軸に、各点における超音波の反射波強度の時間変化を縦軸にとってその強度分布図、すなわち妨害反射波Ｒｂ1,Ｒｂ2のみが表れている強度分布図（図９）を予め取得しておき、これと、疵検出の対象となる丸鋼材Ｍの強度分布図（図８）との差分をとる。差分処理がなされた強度分布図（図１０）からは妨害反射波Ｒｂ１，Ｒｂ2の高輝度領域が消去されて探傷反射波Ｒｄの高輝度領域のみが残されるから、当該強度分布図に対して微分処理、二値化処理、膨張処理、収縮処理を行って高輝度領域を明瞭化したものを図１１に示す。そして、処理後の強度分布図において一定長さ以上の、横軸方向に傾斜して延びる高輝度領域が表れた場合に内部欠陥があるものと判定する。なお、「一定長さ以上」としたのは、短い場合は単なるノイズである場合が多いことによる。このようにして確実に丸鋼材中の内部欠陥等の有無を検出することができる。

１…アレイプローブ、Ｂ…超音波ビーム（超音波）、Ｆ…内部欠陥（疵）、Ｍ…丸鋼材。

Claims (2)

1. 丸鋼材の外周面から所定距離離してアレイプローブを設け、当該アレイプローブの超音波振動子を駆動して前記丸棒材の円形断面の周方向の各点において前記円形断面内へ超音波ビームを発射し、前記丸鋼材内で屈折角θが４０〜４５°になるような横波を発生させてこれを探傷ビームとし、当該探傷ビームが前記丸鋼材の表面直下の内部欠陥等で反射されて探傷反射波となって前記探傷ビームの入射時の経路を辿って再びアレイプローブに戻るようにし、前記丸鋼材の全周を前記アレイプローブから出力される超音波ビームでスキャンして、前記丸鋼材の円形断面の周方向での超音波ビームの各発射点を横軸に、各発射点における反射波強度の時間変化を縦軸にとって強度分布図を得て、反射波強度の高い高輝度領域が横軸方向に傾斜しているものを前記丸鋼材の表面直下に生じた内部欠陥等により反射された探傷反射波と判定し、前記高輝度領域が前記横軸方向に平行に延びているものを妨害反射波と判定することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 疵の無い正常な丸鋼材の強度分布図を予め取得しておき、当該強度分布図と探傷対象の丸鋼材の強度分布図との差分をとった強度分布図に基づいて前記判定を行う請求項1に記載の超音波探傷方法。