JP6348508B2 - 金属プロフィールの非破壊制御のための装置および方法 - Google Patents
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Description
本発明をより良く理解するためには、冶金製品の例としては、一般的に管状の製品との関連、特に管について説明する。しかし、本発明は、より広い範囲で適用されることを意図するものである。
冶金製品の多くの場合と同様に、管は、例えば、鋼に含まれる材料、または材料が存在しないことによる、その製造にリンクされた欠陥の影響を受けやすい。
一般に、鋼マトリックス内での不均質性の存在はどの様なものでも、稼働中の管の機械的強度を損ない易いという欠陥と見做される。
実際に自動化された検査方法も検討されている。
具体的には、超音波を用いた検査技術が用いられている。超音波が放射され、得られたエコーについて、管の形状が原因であるとすることができないものを探すことが検討される。
冶金製品を検査するための提案される装置は、お互いに独立して動作することができ、2次元パターンで分布している複数の基本変換器を備えた超音波センサ、ある見通し線(line of sight)において超音波のバーストに対応する少なくとも一つの時間的法則により各々の基本変換器を励起することが可能な第1電子部品、及び各基本変換器により捕捉された信号の少なくとも一つの部分を処理することができる第2電子部品を備えたタイプのものである。
冶金製品を検査するための提案される方法は、お互いに独立して動作することができ、2次元パターンに従って分布している複数の基本変換器を備えた超音波センサを提供する工程、超音波センサからの距離の増加に伴い、通常見通し線の周りに発散するビームに対応する超音波のバーストを生成するために、各基本変換器を励磁する工程、及び超音波バーストに応答して、各々の基本変換器により捕捉される信号の少なくとも一部を処理する工程を含む。
提案された装置は、良好な検査速度を保持しながら、限られた回数励起された、単一のセンサにより任意の傾きの欠陥を検出するために用いることができる。具体的には、単一のセンサ及び限られた数のバーストにより、横方向の欠陥を検出することが可能であり、これはまた、「周囲方向」と呼ばれる、すなわち、管の母線に直交して延びる欠陥、この母線に沿って延びる長手方向の欠陥、及び検査される管の母線と任意の角度をなす欠陥を検出することができる。生産性の増大及び信頼性が高い。
超音波検査装置は、検査される金属管3を支持するベンチ1、管3の外周面に対して適用され制御および処理用電子機器6に接続される超音波センサ5、を含む。
超音波センサ5は、当技術分野で変換器として知られていることもある。検査のため、センサ5及び管3は、互いに相対的に螺旋状に配置される。管3は、その長手方向の軸に対応する軸の周りに螺旋状運動によりベンチ1に対して移動され、一方センサ5はベンチ1に関してその位置が保持される。ベンチ1は、管3の長手方向軸に対して傾斜した回転ローラを備えてもよい。ある変形例では、管3は、ベンチ1に対してのみ回転移動させてもよく、一方センサ5はベンチ1の長手方向にスライドする。センサ5は、ベンチ1に対して移動可能な台車に搭載してもよい。さらに他の変形例によれば、センサ5は管3の周りを回転してもよく、管3はベンチ1に対して平行移動させても良い。
ここで図3及び図4を参照する。
センサ7は、シース15が接続されており、バー9を収納するケーシング17を備える。ケーシング17は各バー9の活性表面と接触しているアダプテーション層19によって閉じられている。バー9は、それをアースするためにアダプテーション層19と接触している面と対向する面によって金属板21と接触している。
励起されたら、基本変換器は共同して超音波のビームを生成する。
本発明の第1の実施形態によれば、主平面がフラットな場合、バーストの方向はセンサの活性表面の主平面の法線に対して、またはそれが湾曲しているときは、この表面の中央領域の法線に対して傾斜している。
超音波ビームは偏向ビームとみなすことができる。このビームは、見通し線の囲りに発散する。
図6Aは、一般的に平坦で、正方形状であり幾何学中心がSである多素子センサCを表す。超音波ビームの伝搬の方向D、これは、またここで一次の方向と呼ばれるが、以下のパラメータにより定義することができる:
・第1の角度α、または「偏向角」は、この伝播の方向が、センサCの主平面の法線Nとなす角度(多素子センサがフラットでないとき、このセンサの中央領域の法線が考えられる);
・第2の角度、「傾斜の角度」または略称を「傾斜」と呼ばれるが、伝播Dの方向が基準方向Rとなす角度であり、この後者はセンサCにリンクされ、そしてその幾何学配置において、センサCの法線Nに対して直交する平面Pにある。
図6Bは正方形のパターンで分布した基本変換器のアレイ41を強調したものである。本発明を限定することなく、このアレイ41は8×8の基本変換器を備えることを示す。パターンは、パターンの辺の中間点垂直線にそれぞれ対応する第1の対称軸x及び第2の対称軸yをそれぞれ持っている。好ましくは、超音波センサは、検査される管に対して、パターンの第1の対称軸xまたは第2の対称軸yが、管の長手方向に対応するように位置決めされる。
次の表に種々のバーストの特徴を纏めた。
それは焦点がなく、直線的でもなく又は反転焦点(inverse focusing)を持つものでもない(反転焦点は「デフォーカス」として知られることもある)。
この第1変形例の第2の形式では、一次ビームは、それぞれデフォーカスされている、すなわち、それらは反転焦点(inverse focusing)を持っている。
焦点は、超音波の経路に対して超音波センサの後ろにある。
基本変換器の対応するサブセットでは、一次ビームと呼ばれるビームを生成するが、各サブ法則は、その伝搬方向は見通し線Di、i: =1....8に対して、この線の一方の側又は他方の側に、傾斜角度βを形成する様に設定される。
これは、任意の傾きの欠陥の存在について、管を検査するために必要なバーストの数を制限する。一例として、40°の角度セクタをカバーするものが望ましい。一例として、発散角の値22.5°が使用されてもよい。
第1の対称軸xの一方の側(図6Bの左側)に位置するアレイ41基本変換器は、第1のサブセットを形成し、方向D1の傾斜について−βの角度で傾斜している非集束超音波ビームを共同で生成する。第一の対称軸xの他方側(図6Bの右側)に位置する基本変換器は第2のサブセットを形成し、この傾斜に対して+βの角度で傾斜している超音波非集束ビームを共同で生成する。二つの一次ビームは、方向D1に集まりあるビームとなる、すなわち、これのビームはお互いに重なり又は方向D1に併合され、方向D1におけるエネルギーの伝達を確実にするので、結果として得られるビームは、管の表面で方向(D1 − β)と(D1+β)の間でエネルギー的に均質なものとなる。その結果、管の表面、または照射ゾーンに広い焦点を得るので、バースト方向の傾斜に対応する方向に対してかなり急傾斜を持つ欠陥を探し出すために使用することができる。
表70は、アレイ41の各基本変換器値に適用される遅延値を一般的に表す。
アレイ41の各基本変換器Ci jに適用される遅延値Bi,jは表70の行i、列jに見いだされる。
表71は表70に類似している。表71は、第1の方向D1にバーストを生成するために適用される遅延値を一般的に示す。
第3方向D3におけるバーストのための基本変換器に適用される遅延値は、第1方向D1に対して実施されたものと類似の方法で計算される。第2の対称軸yの一方の側に位置しているアレイ41の基本変換器(図6Bの頂部にある)は第1のサブセットを形成し、D3の傾斜に関して−βの角度で傾斜している超音波の非集束ビームを共同して生成する。第2の対称軸yの他方の側に位置している基本変換器(図6Bの底部にある)は第2のサブセットを形成し、この傾斜に対して+βの角度で傾斜している超音波の非集束ビームを共同して生成する。
その結果、管の表面、または照射ゾーンに広い焦点を得るので、バースト方向の傾斜に対応する方向に対してかなり急傾斜を持つ欠陥を探し出すために使用することができる。附属書A.3は、第7方向D7(第1の対称軸xにおいて)の遅延値は、対称性によって方向D3の遅延値から推定することができることを示す。
方向D2に対応するパターンの対角線の一方の側に位置しているアレイ41の基本変換器(図6Bの頂部にある)は第1のサブセットを形成し、D2の傾斜に関して−βの角度で傾斜している非集束超音波ビームを共同して生成する。
その結果、管の表面、または照射ゾーンに広い焦点を得るので、バースト方向の傾斜に対応する方向に対してかなり急傾斜を持つ欠陥を探し出すために使用することができる。
要素番号1は、附属書A.5の表の行L1の列C1である。
附属書A.5の表では、アドレス値は範囲1から64の連続した整数である。
図8は、検査される管の部分82に対する作業位置にある多素子センサの部分80を示す。部分80は、例えば、図6Bのアレイ41に類似する、正方形パターンを形成する基本変換器のアレイに対応する。管の長手方向は基準Yを有する。部分80の主平面に対して垂直な方向は、管の半径方向であり、Zで表される。
言い換えると、部分80の第1の対称軸xは、管の部分82の横X方向に配置されており、第2の対称軸yは、管の長手Y方向に配置されている。
Z方向への伸張の形で表現された棒の高さは、問題の基本変換器に適用される遅延値に比例している。図10Aは右から見た図形84を示す、すなわち、XZ方向の平面、および垂直方向Yの投影図である。その図において、基本変換器8、16、24、32、40、48、56及び64を区別することができる。適用される遅延値は、正方形のパターンの第1の側に近い変換器8から、この第1の側に対向する変換器64に直線的に増大する。適用された遅延でのこの直線的な変化を図10Aに直線86で図形により示す。附属書A.1.1は、同じ線形増加法則がX方向の基本変換器、すなわち、附属書A.1.1の表の列C1からC8の各要素に適用されることを示す。
附属書A.1.1は、同じ直線的な減少法則が、中間点垂直面の同じこちら側にある、Y方向での基本変換器、すなわち、附属書A.1.1の表の、列C1からC4の交点に位置する各行L1〜L8の各要素に適用されることを示す。
適用される遅延値のこの直線的な変化を図11A上の直線90により図形に示す。
直線88と90は、正方形パターンの第1の側の中間点垂直面を含む平面X, Zに関して対称的である。附属書A.1.1は、同じ増大する直線的法則が、中間点垂直面の同じこちら側にある、Y方向に各位置合わせされている基本変換器、すなわち、附属書A.1.1の表の、列C5からC8の交点に位置する各ラインL1〜L8の各要素に適用されることを示す。
多素子センサの部分80は図8の部分と同様の方法で、検査される管の部分82に対して動作状態にある。図8の位置と比べて、部分80は長手Y方向に、及び/又は、例えば、管とセンサの間の相対的な螺旋運動による理由により、管が部分82の中心軸に対して角度を持って配置されていたこともある。
同じ線形増加法則が、Y方向に位置合せされた基本変換器、附属書A.1.2の表の行L1〜L8のそれぞれの要素に適用される。適用される遅延値は、Y方向に垂直な正方形のパターンのある一方の側に近い変換器からこの側に対向する変換器まで直線的に増大する。これらの値は四捨五入しているため、アレイの遅延は厳密な直線的な変化から逸脱することがある。この分野で従来使用される装置の、5ナノ秒のオーダーである解像度を考慮すると、これらの四捨五入による丸み処理は実際には欠陥の検出に影響を及ぼさない。同一の遅延値が、Y方向に延びる部分80の中間点垂直面に対して対称に配置された基本変換器に適用される。同様の線形減少法則が、中間点垂直面の同じ側に配置されている、X方向に各位置合わせされている基本変換器、すなわち、附属書A.1.2の表における、
行L1から L4の交点に位置する各列C1 からC8の要素に適用される。
上に述べた遅延値に応じて一旦順次励起されると、二つのサブセットの各々の基本変換器は、共同してそれぞれの超音波ビームを生成する。このように生成された2つのビームは、それぞれ2つの方向に延び、各ビームは、得られるビームの放射方向に対して、管の長手方向のバーストの場合のように、同じ角度で絶対値として傾斜する。これらの2つの第一次ビームは、部分80から離れるにつれて見通し線から逸れる。
図14は、図8に類似しており、「傾斜」バーストとして知られているバーストの場合に関するものであり、すなわち、このバーストは、平面X、Y内の管の軸に対して45°傾斜した方向であり、すなわち、図6BのD2方向を持つ。
図14は、棒図形130の形の部分80の基本変換器に適用される遅延値を示す。
図13Aは異なる視角から見た図形130を示す。多素子センサの部分80は、図8と同様の方法で検査される管の部分82に対して作業位置にある。
まず、アレイ41のCi,jの基本変換器のセットに適用される第1の遅延値、Bi, jは、これらが共に、方向D2−βに偏向する超音波の非集束ビームを放射するよう様に計算される。これらの値は、表70に一般的な方法で示されている。
次に、アレイ41のCi, jの基本変換器のセットに適用される第2の遅延値、Ai, jは、これらが共同して、方向D2+βに偏向する超音波の非集束ビームを放射するよう様に計算される。これらの値は、表73に一般的な方法で示されている。ここで図16を参照する。
次に、放射方向D2+βとD2−βの一つが、アレイ41のパターンの対角線として選択される、すなわち、対角線の変換器Ci, jに最終的に起因し、そこではこれらは、第1の遅延値Bi,iまたは第2の遅延値Ai,iのいずれかである。
なぜなら、要素Aに対応する方向のエネルギー要求がより高く、この方向のより弱い応答にリンクしており、この弱さは管の形状に由来する。他のコーナーに対応する遅延値の法則は、この例の場合、第2の値A1,1と第1の値B8,8に保存される。
その主方向の傾斜に加えて、発散及び偏向ビームは、偏向角α及びビームの開口部の角度値、または発散角の値によって定義されてもよい。偏向角αの値は、検査される管の直径、及び管からセンサを隔てる距離の関数として決定される。
一例として、22.5°を発散角の値として用いてもよい。
図10Bは、右から見た図形140、すなわち方向X、Zの平面及び垂直方向Yに投影されたものを示す。基本変換器8、16、24、32、40、48、56と64を識別することができる。適用される遅延値は、正方形パターンの第1の側に近い変換器8から、この第1の側の反対側の変換器64に向けて放物線状に増大する。
附属書A.2.1の表の列C1 からC8の各要素に適用されていることを示す。
第2の遅延サブ法則は中間点垂直面の他方の側に位置する基本変換器、特に、図11Bにおいて中間点垂直面右側に位置する5から8の変換器に適用される。
図6BのD2の方向の場合に関する。図13Bは、棒図形150の形式の部分80の基本変換器に適用される遅延値を示している。多素子センサの部分80は、図8の部分80と同様の方法で、検査される管の部分82に対して作業位置にある。
第1変形例に関連して上述したものと類似の方法により、他のバースト方向について計算された法則からある遅延法則を推定するために、センサパターンの様々な対称性を用いることが可能である。
附属書A.4の表は、センサの活性表面の法線方向に対して発散しそして非偏向であるビームを生成するために、基本変換器に適用される遅延値の例を示す。
Ri,j = max(Ei,j) − Ei,j
max(Ei,j)は、センサの基本変換器Ei,jに適用される最大遅延値を表す。
逆遅延法則の計算は、放射遅延法則の計算を可能にするソフトウェアを使用して、スプレッドシートを使用してまたは手動により行うことができる。
これらの図は、「照射」(insonification)ゾーンとして知られている領域、すなわち、欠陥の全ての可能な方向を検査するために使用される超音波ビームの一つの少なくとも一部が当たる領域を表わす。
これらの図は、シミュレーションから得られる。
パラメータβは15°である。図18Aの結果を得るためにわずか8バーストが必要であった。振幅は全ての見通し線に対して実質的に均質である。図18Aは、ほとんど楕円形のリングと見える照射ゾーン180を示す。
照射ゾーン180は、約50ミリメートルx35ミリメートルのサイズであり、これは図17の基準ゾーンに非常に近い。
ビームは、25ミリメートルでデフォーカスされている。図18Bは、外観が楕円形である照射ゾーン185を示す。デシベルゾーン185のサイズは、80ミリメートルx60ミリメートルであり、これは図17の基準ゾーンに近い。−6デシベルでのゾーンは、第一の実施形態の場合よりも広い。このゾーンは、管の検査のためにあまり有用ではないが、楕円の中心部もまた超音波照射される。
このような図形は、図17、図18Aおよび図18Bに示されたものよりも広い楕円照射ゾーンを有している。これは、信号対ノイズ比が劣り、相対的にエネルギー損失が生じた結果である。
特に、種々の見通し線の間のエネルギー差を補償する必要はない。
当該技術分野で使用される通常の前進速度を維持しつつ、出願人は、管を検査して、わずか8バーストでどのような方向にも配向された欠陥についてもその存在を良好に検出することに成功した。生産速度と両立する速度において、任意の傾きの欠陥の存在に関して、管を検査するために使用することができる装置について記述した。
Claims (19)
- 冶金製品を非破壊検査するための装置であって、
お互いに独立して動作することができ、2次元パターンで分布している複数の基本変換器を備えた超音波センサ、
時間的励起法則を計算し、ある見通し線において超音波のバーストに対応する少なくとも一つの時間的励起法則により各基本変換器を励起することが可能な第1電子部品、及び
各基本変換器により捕捉された信号の少なくとも一部分を処理する第2電子部品、を備え
各々の前記時間的励起法則は、超音波センサからの距離の増加に伴い、対応するバーストは見通し線の周囲に通常発散する超音波ビームを生成するように設定され、
前記時間的励起法則の少なくとも幾つかは、パターンの対称軸に関し互いに対称に配置された基本変換器を同時に励起する同一のサブ法則を含む、前記装置。 - 請求項1の装置であって、各時間的励起法則は、前記基本変換器の少なくとも一つの各サブセットを励起するための少なくとも一つの時間サブ法則を含む、前記装置。
- 請求項2の装置であって、前記基本変換器の各サブセットは前記パターンの各部分に対応する、前記装置。
- 請求項3の装置であって、前記パターンの前記部分は、全体として前記パターンの区分されたある部分に対応する、前記装置。
- 請求項2乃至4の何れか1項の装置であって、前記対応するサブセットの前記基本変換器の励起が、超音波の各第1次ビームを生成し、超音波の前記通常発散するビームは、サブセットの基本変換器からの超音波の各第1次ビームから得られるように、各サブ法則が設定される、前記装置。
- 請求項1乃至5の何れか1項の装置であって、前記対応する基本変換器の励起が一以上の第1次ビームを生成し、超音波の前記通常発散するビームは、超音波の一以上の第1次ビームから得られるように、各時間的励起法則が設定される、前記装置。
- 請求項6の装置であって、各第1次ビームは、超音波センサから離れるにつれて見通し線の周りに発散する各方向に延びる、前記装置。
- 請求項6又は7の装置であって、各第1次ビームは実質的に焦点を定める必要がない、前記装置。
- 請求項6又は7の装置であって、各第1次ビームは見通し線においてデフォーカスされている、前記装置。
- 請求項6又は7の装置であって、各時間的励起法則は、対応する基本変換器の励起が見通し線において、超音波の単一のデフォーカスされている第1次ビームを生成する様に設定されている、前記装置。
- 請求項6乃至10の何れか1項の装置であって、前記第1次ビームは、検査されるべき冶金製品のターゲット表面と出会い、このターゲット表面は各貫通領域において見通し線に対応し、前記第1次ビームは互いに隣接するターゲット表面の各貫通領域に貫通する、前記装置。
- 請求項5乃至11の何れか1項の装置であって、前記第1次ビームは、前記見通し線の何れの側にも実質的に同じ角度で傾斜して各方向に延びる、前記装置。
- 請求項1乃至12の何れか1項の装置であって、各見通し線は前記パターンの対称軸に対応する、前記装置。
- 請求項1乃至13の何れか1項の装置であって、前記パターンは正方形又は長方形形状のアレイに対応する、前記装置。
- 請求項1乃至14の何れか1項の装置であって、前記複数の基本変換器が超音波センサの活性表面に分布されており、各見通し線は、パターンの中央位置において前記活性表面の垂線方向に対して傾斜している、前記装置。
- 請求項1乃至15の何れか1項の装置であって、前記複数の基本変換器が超音波センサの活性表面に分布されており、前記見通し線は、少なくともパターンの中央位置において前記活性表面の垂線方向である、前記装置。
- 請求項4の装置であって、前記パターンの区分は、前記見通し線に対応する前記パターンの対称軸に対応する、前記装置。
- 請求項1乃至17の何れか1項の装置であって、前記見通し線は、互いに対して傾斜しており、各基本変換器からの超音波のビームの伝搬方向が、対応する見通し線に対して、この線の一方の側又は他方の側に、所定の傾斜角度を形成するようにされている、前記装置。
- 冶金製品を非破壊検査する方法であって、
A.お互いに独立して動作することができ、2次元パターンで分布している複数の基本変換器を備えた超音波センサを提供すること;
B.時間的励起法則を計算し、超音波センサから離れるにつれ、見通し線の周囲に通常発散するビームに対応する超音波のバーストを生成するために、各基本変換器を励起し、この各基本変換器は見通し線において超音波のバーストに対応する少なくとも一つの時間的励起法則に対応して励起され、前記時間的励起法則の少なくとも幾つかは、パターンの対称軸に関し互いに対称に配置された基本変換器を同時に励起する同一のサブ法則を含み、;及び
C.超音波のバーストに応答して、各基本変換器により捕捉された信号の少なくとも一部分を処理すること、を含む、前記方法。
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