JP6460136B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材、特に鋼板、その中でも特に６０ｍｍ以上の厚みを有する厚鋼板の内部に存在する欠陥を探傷する超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関する。

船舶や圧力容器に使用される鋼材（特に鋼板、その中でも特に６０ｍｍ以上の厚みを有する厚鋼板）は、連続鋳造又は造塊、必要に応じて分解圧延、鍛造を行った後、熱間圧延処理、熱処理、及び切断処理を経て製造される。そして、製造された鋼材は、抜き取りによる材料試験や外観及び寸法検査、仕様に応じて超音波探傷による欠陥検査を実施した後に出荷される。

最終製品の段階において問題となる鋼材の欠陥の一つに、深さ方向中央部付近に発生するポロシティ欠陥がある。ポロシティ欠陥は、連続鋳造又は造塊で鋼材を鋳込む際に鋳込まれた溶鋼が凝固する過程で発生し、鋼材の機械特性（例えば伸び等）を低下させる。このため、ポロシティ欠陥の発生を抑制することは重要であり、製造プロセスにおける製造条件とポロシティ欠陥の発生状況との関係を検査して製造プロセスの最適化が図られている。

現在、ポロシティ欠陥の発生状況を検査する方法として、鋼材を切断して鋼材の断面をカラーチェック等で直接検査する手法が採用されている。しかしながら、この手法は、鋼材の切断及び研磨に時間を要すること、及び切断した一断面しか検査できないことから、手間及び時間を要する効率の悪い手法である。そこで、最終製品の姿のままで、且つ、その場で簡易的、且つ、非破壊的にポロシティ欠陥の発生状況を検査可能な検査方法が求められている。

鋼材の内部を検査する方法として、一般的に超音波探傷が良く知られている。実際に鋼材の内部品質の検査においても超音波探傷が行われている。詳しくは、鋼材では、例えばＪＩＳＺ０８０１といった規格に基づいた超音波探傷を実施して内部品質を検査している。しかしながら、例えば６０ｍｍ以上の厚みを有する厚鋼板の深さ方向中央部を超音波探傷により検査した場合、せいぜい３ｍｍ〜６ｍｍ程度の大きさの欠陥しか見つけることができない。なお、超音波探傷したい部位を中心にしてある厚みまで減肉加工したサンプルを切り出して、超音波探傷装置で検査する方法等があるが、この方法は試験片を抜き取るため破壊検査に近い位置づけとなる。

非特許文献１及び特許文献１には、深さ方向に存在する微小欠陥を検出するために、振動子を用いた大口径のフォーカスビームを送受信する方法が記載されている。肉厚が厚く、且つ、組織粒が大きい材料では、組織粒によって超音波の強度が減衰されてしまうために検出能良く探傷することが難しくなる。組織粒の影響を抑制するには、探傷に使用する超音波の周波数を低くすることが有効である。一方で、超音波の周波数を低くすると、超音波は拡散しやすくなる。そこで、球面振動子又は音響レンズ等を用いて鋼材中のある深さ位置に焦点を結び、焦点位置近傍にて超音波を集束させる手法が有効である。しかしながら、非特許文献１及び特許文献１記載の方法では、ポロシティ欠陥の発生状況を検査するためには超音波を機械的にＸＹ方向に走査可能な機構が必要となる。

一方、特許文献２には、短辺側に曲率を有する直方体形状のリニアアレイプローブを用いることによって集束ビームを電子スキャンしながら超音波探傷する方法が記載されている。特許文献２記載の方法は、リニアアレイプローブの短辺側の焦点位置と駆動させる素子郡の電子集束の焦点位置とが同じになるように設定し、超音波を送受信することによって焦点位置近傍にて超音波を集束させている。また、駆動するリニアアレイプローブの素子群をリニアアレイプローブの長辺側（素子が並んでいる方向）に少しずつずらしながら、超音波の送受信を繰り返すことによって、リニアアレイプローブの長辺側に対して集束ビームでの電子走査を可能としている。特許文献２記載の方法によれば、超音波をＸＹ方向に走査する必要がないため、複雑な走査機構が必要にならない。

特開２００５−２３３８７４号公報 特開平７−７２１２８号公報

C.Thoma et al. "Non-destructive testing of semi-finished products", Meas control tech Roll 1982

しかしながら、非特許文献１及び特許文献１，２記載の方法によれば、音響レンズによって超音波の集束位置が固定されてしまうために、探傷評価したい深さ位置毎に超音波の集束位置が異なるように設計されたリニアアレイプローブを用意する必要がある。リニアアレイプローブは非常に高価であることから、探傷評価したい厚みの異なる製品種類が多い程、設備投資が高価なものとなる。また、探傷材を局部水浸法で音響結合する必要があることから、大掛かりな給排水設備が必要となり、様々な場所でその場で簡易的に探傷することが困難になる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡素な構成で鋼材（特に鋼板、中でも特に６０ｍｍ以上の厚みを有する厚鋼板）の超音波探傷をその場で簡易的に行うことが可能な超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することにある。

本発明に係る超音波探傷装置は、鋼材の内部に存在する欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、下面の短辺側に曲面を有する直方体形状のリニアアレイプローブと、前記リニアアレイプローブの下面に接合された直方体形状のウェッジと、前記リニアアレイプローブの長辺方向に沿って前記曲面に配列された複数の振動子と、前記振動子を駆動することによって、前記ウェッジを介して鋼材の深さ方向に超音波を送波すると共に、前記ウェッジを介して前記鋼材の内部における超音波の送波領域内に存在する前記欠陥からの反射波の一部又は全部を受波する送受信部と、を備え、前記ウェッジは、探傷する鋼材の深さ方向位置に合わせて複数用意され、各ウェッジは、探傷する鋼材の深さ方向位置に前記超音波が集束される高さであり、前記リニアアレイプローブの曲面の曲率半径と同じ曲率半径を有する曲面を上面に有し、上面の曲面を前記リニアアレイプローブの曲面に嵌め合わせることが可能であることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記リニアアレイプローブの曲面と前記ウェッジの曲面とを嵌め合わせる際、前記リニアアレイプローブの中心軸と前記ウェッジの中心軸とが一致するように前記リニアアレイプローブと前記ウェッジとを固定する機構を備えることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記超音波として集束係数が２以上となる集束超音波ビームを用いることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記リニアアレイプローブの長辺方向における前記振動子の幅をＷ、前記リニアアレイプローブの長辺方向における前記振動子の配置間隔をＰとした時、Ｗ／Ｐの値が０．９４以上であることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記超音波の送信周波数及び受信周波数が１ＭＨｚ以上、３ＭＨｚ以下の範囲内にあることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記ウェッジは、短辺側の面に吸音部を有することを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記吸音部は、前記ウェッジの長辺側の側面から見て、グレーティングローブの前記吸音部への入射角度が縦波臨界角度以下となるように、鉛直面内で傾けて設けられていることを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、本発明に係る超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法であって、探傷する鋼材の深さ方向位置に応じて前記ウェッジを交換するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、探傷した結果から各欠陥サイズの面積率を計算するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法によれば、簡素な構成で鋼材の超音波探傷をその場で簡易的に行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すリニアアレイプローブ及びウェッジの構成を示す模式図である。 図３は、図１に示すリニアアレイプローブ及びウェッジの構成を示す側面図及び正面図である。 図４は、振動子の駆動方法を説明するための模式図である。 図５は、探傷する鋼材の深さ方向位置を示す模式図である。 図６は、ウェッジの高さの変化に伴う超音波が集束される鋼材の深さ方向位置の変化を示す図である。 図７は、遅延時間の計算方法を説明するための図である。 図８は、振動子ピッチに占める振動子幅の割合とグレーティングローブの強さとの関係を計算した結果を示す図である。 図９は、音圧比の計算例を示す図である。 図１０は、集束係数の変化に伴う欠陥のＳ／Ｎ比の変化を示す図である。 図１１は、欠陥の大きさと信号振幅値との関係の一例を示す図である。 図１２は、欠陥の大きさの定義を説明するための模式図である。 図１３は、ウェッジの一変形例の構成を示す上面図及び側面図である。 図１４は、ウェッジの他の変形例の構成を示す側面図及び底面図である。 図１５は、超音波探傷結果を示す図である。 図１６は、超音波探傷の範囲を示す模式図である。 図１７は、超音波探傷結果を示す図である。 図１８は、欠陥面積率の分布の評価範囲を示す模式図である。 図１９は、欠陥面積率の分布の評価結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成及びこの超音波探傷装置を利用した超音波探傷方法について説明する。

〔構成〕
まず、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。図２は、図１に示すリニアアレイプローブ及びウェッジの構成を示す模式図である。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１に示すリニアアレイプローブ及びウェッジの構成を示す側面図及び正面図である。図４は、振動子の駆動方法を説明するための模式図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１は、リニアアレイプローブ２、ウェッジ３、給水部４、探傷シュー５、及び超音波フェーズドアレイ探傷部６を主な構成要素として備えている。

図２に示すように、リニアアレイプローブ２は、直方体形状の部材によって形成され、その下面の短辺側には長辺方向に沿って曲面２ａが形成されている。また、リニアアレイプローブ２の中心軸とウェッジ３の中心軸とがずれてしまうと、超音波は鋼材中で屈折して送受信され、鋼材の表面に対して垂直方向に送受信される場合と比較して欠陥の検出能が低下する。このため、リニアアレイプローブ２の下部の長辺側には、リニアアレイプローブ２の中心軸とウェッジ３の中心軸とがずれないようにリニアアレイプローブ２とウェッジ３とをボルトで接合するためのフランジ２ｂが形成されている。なお、リニアアレイプローブ２の中心軸とウェッジ３の中心軸とがずれない構造であれば、フランジ２ｂを用いた接合方法に限定されることはない。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、リニアアレイプローブ２の曲面２ａには、長辺方向の幅がＷｅ、短辺方向の長さがＤの振動子７が素子間距離Ｗｄで長辺方向に沿ってＮ個配置されている。また、振動子７は、曲面２ａの曲率半径と同じ曲率半径をもって配置されている。すなわち、リニアアレイプローブ２の短辺側に曲率半径を有する振動子７が長辺方向に沿ってＮ個配置されている。

図２に戻る。ウェッジ３は、直方体形状の部材によって形成されており、その上面の短辺側には長辺方向に沿って曲面３ａが形成されている。曲面３ａの曲率半径は、リニアアレイプローブ２の曲面２ａの曲率半径と同じに設計されている。これにより、リニアアレイプローブ２の下面とウェッジ３の上面とを嵌め合わせることができる。また、図３に示すように、ウェッジ３には、探傷したい鋼材の深さ方向位置Ｄｆ、換言すれば、超音波を集束させる鋼材の深さ方向位置Ｄｆに合わせて、高さＨｗの異なるものが複数用意されている。

図１に戻る。給水部４は、ウェッジ３と厚鋼鈑とを水ギャップ法（水膜法）で音響結合するために、厚鋼鈑の表面とウェッジ３の底面との間に約０．５ｍｍ〜約１ｍｍの厚みで水を供給する。本実施形態では、給水部４は、給水ポンプを利用して水槽から水を組み上げることによって厚鋼鈑の表面とウェッジ３の底面との間に水を供給する。操作者は、給水制御部４ａを操作することによって給水ポンプのオン／オフを手元で制御できる。

探傷シュー５は、リニアアレイプローブ２とウェッジ３とが設置された移動機構によって構成され、操作者による操作によってガイドレールＲ上を移動する。ガイドレールＲ上で探傷シュー５を移動させることによって、リニアアレイプローブ２は、ウェッジ３ごと矢印Ａ方向へ手動走査される。この際、超音波フェーズドアレイ探傷部６は、手動走査方向とは垂直な方向に任意に設定された条件に基づいて、リニアアレイプローブ２の超音波の電子走査を行う。リニアアレイプローブ２の手動走査とリニアアレイプローブ２の超音波の電子走査とを組み合わせることによって、単一の振動子をＸＹ走査が可能な機械ステージに取り付けて探傷した時と同じように、Ｃスキャン像を得ることができる。手動走査の移動距離は、移動距離測定部５ａによって計測される。

移動距離測定部５ａは、防塵・防水型のロータリーエンコーダーによって構成され、ガイドレールＲの上面に車輪を接触させ、ガイドレールＲの上面を走行して手動走査の移動距離を計測する。なお、鋼材の表面にロータリーエンコーダーの車輪を直接接触させて移動距離を計測してもよいが、厚鋼鈑の表面は音響結合に用いる水で濡れていることから、スリップによって正確に移動距離を測れない可能性がある。そこで、本実施形態では、移動距離を確実に測定できるようにガイドレールＲの上面に車輪を接触させることによって移動距離を計測する構造にしている。また、本実施形態では、ロータリーエンコーダーの車輪が一定圧力でガイドレールＲの上面に接するように倣い機構５ｂを設けている。

超音波フェーズドアレイ探傷部６は、可搬性を高めるために１つの筐体によって構成され、筐体内には、アレイ送受信部６ａ、情報処理部６ｂ、表示部６ｃ、情報記憶部６ｄ、及び操作部６ｅが設けられている。

図４に示すように、アレイ送受信部６ａは、リニアアレイプローブ２に配置されているＮ個の振動子７のうち、予め任意に設定されたｎ個の振動子７をそれぞれ事前に設定された遅延時間で駆動することによって、ウェッジ３を介して探傷対象となる鋼材Ｓに超音波を送信する。また、アレイ送受信部６ａは、リニアアレイプローブ２に配置されたＮ個の振動子７のうち、予め任意に設定されたｎ個の振動子７によって、ウェッジ３を介して鋼材Ｓ内部からの超音波の反射波の一部又は全部を受信し、受信した反射波を増幅、フィルタ処理する。そして、アレイ送受信部６ａは、各振動子７において受信された反射波信号の位相を事前に設定された遅延時間だけずらして合成し、合成した反射波信号を情報処理部６ｂに出力する。なお、アレイ送受信部６ａは、鋼材Ｓの粒径による散乱減衰の影響を考慮して、送受信する超音波の周波数を１ＭＨｚ以上、３ＭＨｚ以下の範囲内で設定することが好ましい。

図１に戻る。情報処理部６ｂは、アレイ送受信部６ａから出力された反射波信号をＡ／Ｄ変換によって離散値化して取り込む。そして、情報処理部６ｂは、離散値化して取り込まれた反射波信号に対して任意に設定された信号処理を施した後、反射波信号を表示部６ｃに表示すると共に、反射波信号に関する情報を情報記憶部６ｄに格納する。また、情報処理部６ｂは、操作部６ｄからの操作入力信号に従って各種処理を実行する。

〔リニアアレイプローブの曲率半径の設計方法〕
次に、図５，図６を参照して、リニアアレイプローブ２の曲面２ａの曲率半径ｒの設計方法について説明する。図５は、探傷する鋼材の深さ方向位置を示す模式図である。図６は、ウェッジの高さの変化に伴う超音波が集束される鋼材の深さ方向位置の変化を示す図である。

リニアアレイプローブ２の曲面２ａの曲率半径ｒは、探傷したい鋼材の深さ方向位置のうち、最大深さ方向位置に合わせて設計する。具体的には、例えば図５（ａ），（ｂ）に示すように、探傷したい鋼材Ｓの深さ方向位置がＤｆ_１，Ｄｆ_２，…，Ｄｆ_ｎである場合、まず、以下の数式（１）に示すように最大深さ方向位置Ｄｆ_ｍａｘを算出する。そして、ウェッジ３中における音速をＣｗ、鋼材Ｓ中における音速をＣｓ、ウェッジ３の高さをＨｗとして、以下の数式（２）により曲率半径ｒを算出する。鋼材Ｓ中の音速Ｃｓとウェッジ３中の音速Ｃｗとは異なる。このため、最大深さ方向位置Ｄｆ_ｍａｘで焦点が結ばれるようにするためには、鋼材Ｓ中の音速Ｃｓとウェッジ３中の音速Ｃｗとの音速比を考慮して曲率半径ｒを求め、ウェッジ３にその曲率半径ｒを付与しなければならない。数式（２）は、鋼材Ｓ中の音速Ｃｓとウェッジ３中の音速Ｃｗとの音速比を考慮して、ウェッジ換算で曲率半径ｒを算出するための式である。

また、ウェッジ３の高さＨｗは、以下に示す数式（３）を満足する値を用いる。これは、ウェッジ３内でのＢ２反射波の到達時間が鋼材Ｓの最大深さ方向位置Ｄｆ_ｍａｘからの反射波が到達する時間より遅くなるようにし、ウェッジ３内でのＢ２反射波と鋼材Ｓの最大深さ方向位置Ｄｆ_ｍａｘからの反射波とを分離し、鋼材Ｓの最大深さ方向位置Ｄｆ_ｍａｘからの反射波のみ評価できるようにするためである。

本発明の一実施形態である超音波探傷装置１では、超音波を集束させる深さ方向位置Ｄｆが異なる材料（但し、その深さ位置は最大深さ位置Ｄｆ_ｍａｘ以下）を探傷する時、超音波を集束させる深さ方向位置Ｄｆに合わせて高さＨｗが異なるウェッジ３を用いる。この時、以下に示す数式（４）を用いて、図６に示す適切な高さＨｗ’を算出できる。なお、数式（４）中、パラメータＤｆは探傷したい深さ方向位置（≦最大深さ方向位置Ｄｆ_ｍａｘ）を示している。超音波を集束させる深さ方向位置に合わせてウェッジ３の高さＨｗを変えることにより、図６に示すように、リニアアレイプローブ２の曲面２ａの曲率半径ｒを変えることなく超音波の焦点位置を変更できる。

〔遅延時間の計算方法〕
次に、図７，図８を参照して、アレイ送受信部６ａが超音波を送受信する際に用いる遅延時間の計算方法について説明する。図７は、遅延時間の計算方法を説明するための図である。図８は、振動子ピッチに占める振動子幅の割合とグレーティングローブの強さとの関係を計算した結果を示す図である。

図７に示すように、鋼材Ｓ中の深さ方向位置Ｄｆに超音波の焦点を合わせる場合、深さ方向位置Ｄｆをウェッジ３に使われている材質における焦点位置Ｄｆ’に置き換える計算を行う。ここで、ウェッジ３中における音速をＣｗ、鋼材Ｓ中における音速をＣｓし、ウェッジ３の高さをＨｗとして、焦点位置Ｄｆ’は以下に示す数式（５）により計算される。そして、数式（５）によって計算された焦点位置Ｄｆ’を用いて遅延時間を計算する。具体的には、任意に駆動させるｎ個の振動子７について、図７に示す座標系で各振動子７から焦点位置Ｄｆ’までの超音波の伝搬時間Ｔ（ｉ）（ｉ＝１〜ｎ）を以下に示す数式（６）を用いて計算する。

続いて、数式（７）を用いて伝搬時間Ｔ（ｉ）（ｉ＝１〜ｎ）の最大値Ｔ_ｍａｘを算出し、以下に示す数式（８）を用いて、伝搬時間Ｔ（ｉ）（ｉ＝１〜ｎ）から最大値Ｔ_ｍａｘを減算し、減算値の絶対値を遅延時間Ｔｄ（ｉ）（ｉ＝１〜ｎ）として算出する。このとき、リニアアレイプローブ２の曲率半径ｒは式（５）によって計算された焦点位置Ｄｆ’の値とする。このようにしてリニアアレイプローブ２の振動子７を駆動するタイミングを制御するための遅延時間とリニアアレイプローブ２の曲率半径ｒとを設定することにより、鋼材Ｓ中の深さ方向位置Ｄｆが焦点位置となるフォーカス超音波ビームを送受信できる。

なお、フェーズドアレイ超音波探傷法は、各振動子７から送信される超音波の波面の合成を利用した探傷技術である。このため、目標とする焦点位置とは別の方向にも波面が揃い、超音波を送信してしまう。探傷に用いる超音波ビームはメインローブと呼ばれ、メインローブとは別方向に副生される超音波ビームはグレーティングローブと呼ばれている。ウェッジ３を介してリニアアレイプローブ２から超音波を送信した際、ウェッジ３内でグレーティングローブが複雑な反射を繰り返してノイズとなり、超音波探傷の検出能が低下することになるため、グレーティングローブの強さはできる限り小さくなるようにしなければならない。

グレーティングローブの強さは、超音波の周波数、振動子のサイズや配置されている間隔から決定される。図８は超音波の周波数を２ＭＨｚとし、音速をウェッジに使用するポリスチレン２３２０ｍ／ｓｅｃとして、振動子ピッチＥｐに対する振動子幅Ｅｗの割合Ｅｗ／Ｅｐとグレーティングローブの強さとの関係を計算した結果である。通常、振動子ピッチＥｐが小さくなるほど、グレーティングローブの強さは小さくなることが知られていたが、図８に示すように、振動子ピッチＥｐに対する振動子幅Ｅｗの割合Ｅｗ／Ｅｐが９４％になるまではグレーティングローブの強さは徐々に低下し、９４％以上では、ほぼ一定の強さに集束することが明らかになった。従って、振動子ピッチＥｐに対する振動子幅Ｅｗの割合Ｅｗ／Ｅｐを９４％以上とすることによって、最もグレーティングローブの強さを小さくし、超音波探傷の検出能の低下を抑制できる。

また、超音波をフォーカスして送受信する際、フォーカスによる信号強度の度合い（音圧比）は以下に示す数式（９）で計算される。ここで、数式（９）において、Ｐは超音波の焦点位置付近の音圧、Ｐ_０は送信音圧、ｘは音軸場の位置、ｆ_ｏｐは焦点距離、Ａｄは超音波を送信する振動子の大きさ、λは超音波の波長、Ｊは集束係数である。但し、ｘ＝ｆ_ｏｐの場合は、Ｐ／Ｐ_０＝πＪである。また、集束係数ＪはＪ＝Ａｄ^２／４λｆ_ｏｐとして定義される。

上記数式（９）を用いて、周波数を２ＭＨｚ、音速をポリスチレンの音速２３２０ｍ／ｓｅｃとして音圧比を計算した結果の一例を図９に示す。図９では縦軸は音圧比、横軸はｘ／ｆ_ｏｐとして計算結果をプロットしている。図９から集束係数Ｊが大きくなるほど、フォーカスにより焦点近傍の音圧比が高くなることがわかる。したがって、集束係数Ｊが高いほど、集束による音圧は高くなる。図１０は、２２０ｍｍの厚みを有する鋼材Ｓから切り出した鋼片に対して深さ１１０ｍｍ位置に人工疵を加工し、これを集束係数Ｊが異なる超音波ビームで、大きさが０．５ｍｍの欠陥と大きさが０．８ｍｍの欠陥とを探傷した結果である。

なお、欠陥の大きさの決定方法は以下の通りに行う。すなわち、予め用意しておいた信号振幅値と欠陥の大きさとの関係式（図１１参照）に基づき、鋼材内部からの反射信号の信号振幅値から欠陥の大きさに換算する。なお、図１２（ａ）に示すように、鋼材内部に発生しているポロシティ欠陥は、大小様々なポロシティ欠陥１２が散在している状態にある。ここでいう欠陥の大きさとは、図１２（ｂ）に示すように、超音波ビームのエリア１１内にある全ての反射源（１つ又は複数のポロシティ欠陥１２）の面積を集計した円１３の大きさ（等価的な欠陥大きさ）Ｌである。

欠陥の大きさを評価するために、探傷する欠陥の深さと材料の減衰とを考慮した感度設定（感度校正）をした後に、鋼材の探傷を行い、上述した信号振幅値から欠陥の大きさＬを求める。感度校正では、探傷材と同じプロセスで作製された鋼材から切り出して作製された感度校正用試験片を用いる。感度校正用試験片には探傷深さ位置に人工きずが加工されており、この人工きずから反射した信号振幅値を基準として感度を調整することで、欠陥の材料の減衰が考慮された感度設定が可能となる。

集束係数Ｊが２から４程度あれば、大きさが０．５ｍｍ以上の欠陥を十分なＳ／Ｎ比で検出できることが図１０からわかる。大きさが０．５ｍｍ以上の欠陥を検出したい場合には、集束係数Ｊの値を２以上とすればよく、そのためには、リニアアレイプローブ２の振動子７の短辺方向の長さＤと集束位置ｆ_ｏｐとを適切に決定すればよい。集束位置ｆ_ｏｐは前述したように探傷範囲から決定されるので、リニアアレイプローブ２の振動子７の短辺方向の長さＤをＪ＝Ａｄ^２／４λｆ_ｏｐの関係に基づき以下に示す数式(１０)から求める。そして、リニアアレイプローブ２の振動子７の短辺方向の長さは以下に示す数式(１０)で計算された値Ｄ以上とする。数式（１０）におけるＤｆ_ｍａｘは前述した最大深さ方向位置である。また、リニアアレイプローブ２に配置されているＮ個の振動子７のうち、１度の超音波の送受信で用いるｎ個の振動子７における開口幅はｎ×Ｅｐである。従って、以下に示す数式（１１）を満足するように、１度の超音波の送受信で用いる素子数ｎと振動子ピッチＥｐを決定すればよい。このように、リニアアレイプローブ２の振動子７の短辺側の長さＤと１度の送受信で用いる素子数ｎで形成される開口幅を決定することで、大きさが０．５ｍｍ以上の欠陥を検出できる感度をもつことが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１では、ウェッジ３は、探傷する鋼材Ｓの深さ方向位置に合わせて複数用意され、各ウェッジ３は、探傷する鋼材Ｓの深さ方向位置に超音波が集束されるように高さＨｗが設計されており、リニアアレイプローブ２の曲面２ａの曲率半径と同じ曲率半径を有する曲面３ａを上面に有し、上面の曲面３ａをリニアアレイプローブ２の曲面２ａに嵌め合わせることが可能である。このような構成によれば、探傷する鋼材Ｓの深さ方向位置に合わせて複数のリニアアレイプローブ２を用意する必要がなくなるので、簡素な構成で鋼材の超音波探傷をその場で簡易的に行うことができる。また、ウェッジ３を用いて水膜法で鋼材Ｓと音響結合するので、大掛かりな給排水設備を不要にすることができる。

〔ウェッジの変形例〕
前述したようにリニアアレイプローブ２から送受信される超音波には、探傷に用いるメインローブとは別方向に副生されるグレーティングローブが存在し、これがノイズの原因となり検出能を低下させる場合がある。そこで、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、ウェッジ３の短辺側の面に吸音部１５を設けることが望ましい。一般に、グレーティングローブは、リニアアレイプローブ２の短辺側に向かって放射される割合が高い。このため、吸音部１５は、リニアアレイプローブ２の短辺に対向するウェッジ３の短辺側の面に設けるとよい。通常はこのような面は２面あるので、両面共に設けるのがさらに望ましい。一般的に、リニアアレイプローブ２の短辺側に向かう方向は、Ｎ個の振動子７が列状に並べられている方向でもあり、超音波の電子走査の方向でもある。

この吸音部１５は、グレーティングローブを減衰させる特性を持った材料とすることが望ましい。このような機能を有した材料であれば、公知のものを用いることができる。具体的には、加工のしやすさと軽量であることと耐水性に優れていることも合わせて考慮し、樹脂と砕いたコルク材等とを混ぜ合わせたもの等を使用することが特に望ましい。このような材料を用いることで吸音部１５に入射した超音波が、吸音部１５内で散乱して減衰し、グレーティングローブによるノイズが抑制される。

また、図１３（ｂ）に示すように、ウェッジ３の長辺側の側面から見て、ウェッジ３内に角度θ１で放射されたグレーティングローブに対して、吸音部１５に入射する超音波の入射角度θ３が縦波臨界角度以下となるように、鉛直面内で角度θ２だけ傾けて吸音部１５を設けることが望ましい。このように吸音部１５の傾きを設定することで、超音波の吸音部１５への入射効率が上がる。さらに、吸音部１５の超音波が入射する面には山谷が繰り返された形状を付与することが望ましい。山谷の形状は、超音波の波長λに対してＮｈ及びＮｗ（図１３（ａ）参照）の大きさを共にλ／２の奇数倍の大きさとすることで、谷部分で反射した音波と山部分で反射した音波のそれぞれの位相がずれることで、反射波が減衰する効果が得られ、ノイズの原因となる超音波が抑制される。

また、ウェッジ３の底部には、図１４（ａ），（ｂ）に示すように鋼材Ｓと音響結合するために水をためる水膜部２０を設けてもよい。ウェッジ３が鋼材Ｓに接触する面に対して、水膜部２０は０．５〜１ｍｍ程度の厚みで凹んでおり、この部分に水をためて音響結合を行うことができる。図１４（ａ），（ｂ）に示す例では、水はウェッジ３の長辺に沿って流れるように、給水管２１から２つある短辺の内の片端側（短辺３ｂ１側）へと流され、反対の短辺のもう片側端（短辺３ｂ２側）から流れてきた水が抜けていく構造としている。このように水を流すことで、気泡が水膜部２０に留まらずに抜けやすくなり、鋼材Ｓに対する超音波の送受信がより確実に行われる。特に、ウェッジ３の底面が大きい場合（具体的には、長辺３０ｍｍ以上×短辺３０ｍｍ以上）は、その効果が大きい。

実施例１として、本発明の一実施形態である超音波探傷装置を利用して、厚み１１０ｍｍの鋼材から切り出した鋼材に深さ９０ｍｍの位置に人工キズを加工して超音波探傷を行った。本実施例では、振動子７として、素子ピッチＥｐが２ｍｍの配置素子数Ｎが９６チャンネルからなるコンポジット振動子を用いた。また、各振動子７の長さと同時駆動数は集束係数Ｊが２となるように設定し、素子幅Ｅｗ／素子ピッチＥｐが０．９７５となるように設定した。図１５は、超音波探傷結果を示す図である。図１５に示すように、大きさが０．５ｍｍ程度の欠陥まで検出することができた。以上のことから、本発明の一実施形態である超音波探傷装置１によれば、鋼材（特に鋼板、中でも特に６０ｍｍ以上の厚みを有する厚鋼板）の内部に存在する欠陥を探傷できることが確認できた。さらに、集束係数Ｊを２以上に設定することにより、鋼材の内部に存在する大きさが０．５ｍｍ以上の欠陥を探傷できることも確認できた。

実施例２として、本発明の一実施形態である超音波探傷装置を利用して、厚み１７０ｍｍ、長さ６５０５ｍｍ、幅２２４０ｍｍの鋼材Ｓを超音波探傷した。具体的には、図１６に示す幅１６００ｍｍ×長さ３０００ｍｍの大きさの鋼材Ｓの部位３０を超音波探傷した。超音波探傷結果を図１７に示す。図１７に示すように、本発明の一実施形態である超音波探傷装置を用いて鋼材Ｓを非破壊的で超音波探傷することにより、欠陥の分布を把握できることが確認できた。また、得られた超音波探傷結果について、図１８に示す評価範囲３１ａ，３１ｂにおける欠陥面積率の分布を評価した結果を図１９（ａ），（ｂ）に示す。欠陥面積率の分布の評価は、０．４ｍｍ以上の欠陥指示がある箇所を抽出し、抽出された箇所の面積率として度数分布を算出することにより行った。このようにして欠陥面積率の分布を評価することにより、欠陥の分布を定量的に可視化し、鋼材Ｓの品質の良否を比較することができる。例えば図１９（ａ），（ｂ）に示す例では、図１９（ａ）に示す評価範囲３１ａにおける欠陥面積率が図１９（ｂ）に示す評価範囲３１ｂにおける欠陥面積率より多いことが定量的に確認できた。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 超音波探傷装置
２ リニアアレイプローブ
２ａ，３ａ 曲面
２ｂ フランジ
３ ウェッジ
４ 給水部
４ａ 給水制御部
５ 探傷シュー
５ａ 移動距離測定部
５ｂ 倣い機構
６ 超音波フェーズドアレイ探傷部
６ａ アレイ送受信部
６ｂ 情報処理部
６ｃ 表示部
６ｄ 情報記憶部
６ｅ 操作部
７ 振動子
１５ 吸音部
Ｒ ガイドレール
Ｓ 鋼材

Claims (9)

1. 鋼材の内部に存在する欠陥を探傷する超音波探傷装置であって、
   下面の短辺側に曲面を有する直方体形状のリニアアレイプローブと、
   前記リニアアレイプローブの下面に接合された直方体形状のウェッジと、
   前記リニアアレイプローブの長辺方向に沿って前記曲面に配列された複数の振動子と、
   前記振動子を駆動することによって、前記ウェッジを介して鋼材の深さ方向に超音波を送波すると共に、前記ウェッジを介して前記鋼材の内部における超音波の送波領域内に存在する前記欠陥からの反射波の一部又は全部を受波する送受信部と、を備え、
   前記ウェッジは、探傷する鋼材の深さ方向位置に合わせて複数用意され、
   各ウェッジは、探傷する鋼材の深さ方向位置に前記超音波が集束される高さであり、前記リニアアレイプローブの曲面の曲率半径と同じ曲率半径を有する曲面を上面に有し、上面の曲面を前記リニアアレイプローブの曲面に嵌め合わせることが可能であることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記リニアアレイプローブの曲面と前記ウェッジの曲面とを嵌め合わせる際、前記リニアアレイプローブの中心軸と前記ウェッジの中心軸とが一致するように前記リニアアレイプローブと前記ウェッジとを固定する機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記超音波として集束係数が２以上となる集束超音波ビームを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探傷装置。
4. 前記リニアアレイプローブの長辺方向における前記振動子の幅をＥｗ、前記リニアアレイプローブの長辺方向における前記振動子の配置間隔をＥｐとした時、Ｅｗ／Ｅｐの値が０．９４以上であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷装置。
5. 前記超音波の送信周波数及び受信周波数が１ＭＨｚ以上、３ＭＨｚ以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷装置。
6. 前記ウェッジは、短辺側の面に吸音部を有することを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷装置。
7. 前記吸音部は、前記ウェッジの長辺側の側面から見て、グレーティングローブの前記吸音部への入射角度が縦波臨界角度以下となるように、鉛直面内で傾けて設けられていることを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷装置。
8. 請求項１〜７のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷装置を用いた超音波探傷方法であって、探傷する鋼材の深さ方向位置に応じて前記ウェッジを交換するステップを含むことを特徴とする超音波探傷方法。
9. 探傷した結果から各欠陥サイズの面積率を計算するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の超音波探傷方法。