JP6761331B2 - 複合材の超音波探傷装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、物性の異なる複数の素材で構成された複合材の超音波探傷装置及び方法に関する。
近年、鉄道車両や航空機等を構成する部品として繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ，ＧＦＲＰ等）の複合材を利用したものが開発されている。そして、複合材内部の欠陥の有無を検査する非破壊検査として代表的なものに超音波探傷検査がある（例えば、特許文献１参照）。
ところで、複合材の欠陥として、素材の内部に発生する素材欠陥と、異なる素材同士の境界面に発生する界面欠陥とがあるが、検査効率の観点からは、素材欠陥と界面欠陥との両方を一度の超音波探傷で検査できることが望まれる。しかし、複合材を伝播する超音波は、健全な素材では殆ど反射しないが、界面ではそれが健全であっても反射が生じる。そのため、素材欠陥の判定に好適な閾値と界面欠陥の判定に好適な閾値とは、互いに異なる。仮に、一度の超音波探傷で素材欠陥と界面欠陥との両方を検査しようとして、界面欠陥判定用の閾値を素材欠陥判定用の閾値と共通化させると、素材欠陥の検出漏れが生じる問題や、疑似指示を界面欠陥として誤判定する問題が生じる。
そこで本発明は、一度の超音波探傷で素材欠陥と界面欠陥との両方を高精度に検査可能とすることを目的とする。
本発明者らは、複数の素材が積層されてなる複合材の界面に欠陥が存在する場合、超音波探傷時の反射波を（全波整流信号ではなく）ＲＦ信号としたときに、界面反射波の負のピークの絶対値が大きくなる現象に着目した。
本発明の一態様に係る複合材の超音波探傷装置は、物性の異なる複数の素材で構成された複合材の超音波探傷装置であって、前記複合材に照射された超音波の反射波のＲＦ信号において、素材反射波が発生し得る第１区間と界面反射波が発生し得る第２区間とを特定する区間特定部と、前記第１区間において前記ＲＦ信号の値が正の第１閾値を上回ったか否かを判定する素材欠陥判定部と、前記第２区間において前記ＲＦ信号の値が負の第２閾値を下回ったか否かを判定する界面欠陥判定部と、を備える。
本発明の一態様に係る複合材の超音波探傷方法は、物性の異なる複数の素材で構成された複合材の超音波探傷方法であって、前記複合材に照射された超音波の反射波のＲＦ信号を受信する工程と、前記ＲＦ信号のうち素材反射波が発生し得る区間において、前記ＲＦ信号の値が正の第１閾値を上回ったか否かを判定する工程と、前記ＲＦ信号のうち界面反射波が発生し得る区間において、前記ＲＦ信号の値が負の第２閾値を下回ったか否かを判定する工程と、を備える。
前記構成及び方法によれば、素材反射波が発生し得る第１区間では、正の第１閾値を用いて素材欠陥の有無が判定され、かつ、界面反射波が発生し得る第２区間では、負の第２閾値を用いて界面欠陥の有無が判定されるので、ＲＦ信号における界面欠陥の判定対象領域が、ＲＦ信号における素材欠陥の判定対象領域と区別される。そのため、一度の超音波探傷であっても、素材欠陥判定用の第１閾値と界面欠陥判定用の第２閾値とを個別に設定して、素材欠陥の検出精度と界面欠陥の検出精度との両方を高めることができる。
本発明によれば、一度の超音波探傷で素材欠陥と界面欠陥との両方を高精度に検査できる。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
［超音波探傷装置］
図１は、実施形態に係る超音波探傷装置１のブロック図である。図１に示すように、超音波探傷装置１は、水浸法に則って、検査対象となる複合材１００と共に超音波探触子２を水中に浸漬した状態で超音波探傷を行うものである。なお、本実施形態では、水浸法を例示するが、他の方式（例えば、直接接触法）により超音波探傷を行ってもよい。超音波探傷装置１は、超音波探触子２と、超音波送受信器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５と、入力装置６と、出力装置７と、探触子走査機８と、走査ドライバ９と、水槽１０とを備える。
図１は、実施形態に係る超音波探傷装置１のブロック図である。図１に示すように、超音波探傷装置１は、水浸法に則って、検査対象となる複合材１００と共に超音波探触子２を水中に浸漬した状態で超音波探傷を行うものである。なお、本実施形態では、水浸法を例示するが、他の方式（例えば、直接接触法）により超音波探傷を行ってもよい。超音波探傷装置１は、超音波探触子２と、超音波送受信器３と、Ａ／Ｄ変換器４と、演算制御装置５と、入力装置６と、出力装置７と、探触子走査機８と、走査ドライバ９と、水槽１０とを備える。
超音波探触子２は、第１素材１０１及び第２素材１０２が積層されてなる複合材１００と共に水槽１０に貯留された水に浸漬された状態で、複合材１００に対して第１素材１０１側から超音波を照射するとともに、当該超音波の複合材１００からの反射波を受信する。超音波送受信器３は、超音波探触子２に接続されている。超音波送受信器３は、パルス発振部３１と、受信部３２と、増幅部３３とを有する。パルス発振部３１は、超音波探触子２にパルス信号を送信する。受信部３２は、超音波探触子２が受けた超音波の反射波の検出信号（反射波信号）を受信する。増幅部３３は、この反射波信号を増幅してＡ／Ｄ変換器４へ送信する。Ａ／Ｄ変換器４は、超音波送受信器３から受けたアナログの反射波信号をデジタル変換し、そのデジタル信号を演算制御装置５へ出力する。
探触子走査機８は、一例として、複合材１００の界面１０３（接合界面）と略平行な平面内で変位するキャリア８１と、キャリア８１を当該平面内で案内するスライダ８２，８３と、キャリア８１をスライダ８２，８３上で移動させるモータ８４とを有する。そして、モータ８４の駆動は走査ドライバ９によって制御される。キャリア８１には、超音波探触子２が固定されており、キャリア８１の移動に伴って超音波探触子２が当該平面内で変位する。モータ８４は、走査ドライバ９によって制御される。
演算制御装置５は、発振制御部５１と、走査制御部５２と、反射波信号処理部５３とを有する。演算制御装置５には、入力装置６及び出力装置７が接続されている。入力装置６は、ユーザが演算制御装置５に情報を入力するためもので、例えば、キーボード等である。出力装置７は、演算制御装置５から処理結果等を出力するためのもので、ディスプレイやプリンタ等である。演算制御装置５は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有し、不揮発性メモリに超音波探傷プログラムが保存されている。即ち、プロセッサが、揮発性メモリを用いて前記超音波探傷プログラムを実行し、必要に応じてＩ／Ｏインターフェースを介して信号を入出力することで、発振制御部５１と走査制御部５２と反射波信号処理部５３とが実現される。
発振制御部５１は、入力装置６から入力された条件に基づいて、超音波の周波数及び焦点位置等の情報を含むパルス生成指令を超音波送受信器３へ送信する。走査制御部５２は、入力装置６から入力された条件に基づいて、走査ドライバ９にキャリア８１の目標座標信号を出力する。反射波信号処理部５３は、区間特定部５３ａと、素材欠陥判定部５３ｂと、界面欠陥判定部５３ｃとを有する。
区間特定部５３ａは、Ａ／Ｄ変換器４から受信したデジタルの反射波信号をＲＦ信号として受信し、ＲＦ信号において素材反射波が発生し得る第１区間と界面反射波が発生し得る第２区間とを特定する。素材欠陥判定部５３ｂは、第１区間における閾値判定によって素材欠陥が存在しているか否かを判定する。界面欠陥判定部５３ｃは、第２区間における閾値判定によって界面欠陥が存在しているか否かを判定する。
［反射波］
図２は、超音波探傷時の反射波を説明する図である。図２に示すように、複合材１００は、例えば、ＣＦＲＰからなる第１素材１０１とＧＦＲＰからなる第２素材１０２とを積層してなり、第１素材１０１と第２素材１０２との間に界面１０３（接合界面）が形成されている。超音波探触子２は、複合材１００の所望の探傷点（探傷単位領域）において、第１素材１０１側から複合材１００に超音波を照射する。
図２は、超音波探傷時の反射波を説明する図である。図２に示すように、複合材１００は、例えば、ＣＦＲＰからなる第１素材１０１とＧＦＲＰからなる第２素材１０２とを積層してなり、第１素材１０１と第２素材１０２との間に界面１０３（接合界面）が形成されている。超音波探触子２は、複合材１００の所望の探傷点（探傷単位領域）において、第１素材１０１側から複合材１００に超音波を照射する。
そうすると先ず、第１素材１０１の表面で超音波の一部が反射する。このときの反射波を「表面反射波」と称する。次いで、第１素材１０１に入射した超音波の一部は、第１素材１０１と第２素材１０２との間の界面１０３で反射する。このときの反射波を「界面反射波」と称する。表面反射波及び界面反射波は、複合材１００が健全であるときにも発生するものである。
第１素材１０１において探傷単位領域に素材欠陥Ｄ１（例えば、ボイド）があった場合、第１素材１０１を伝播する超音波の一部が素材欠陥Ｄ１で反射する。このときの反射波を「素材反射波」と称する。界面１０３において探傷単位領域に界面欠陥Ｄ２（例えば、剥離）があった場合、界面が健全である場合に比べ、界面反射波の振幅が増加する。界面反射波が超音波探触子２に到達する時期と、素材反射波が超音波探触子２に到達する時期とは異なるため、一度の超音波探傷で得られる反射波において、素材反射波と界面反射波とは時間により区別可能となる。このような超音波探傷は、所定のピッチで設置された探傷単位領域ごとに行なわれる。
［欠陥判定］
図３は、図１に示す超音波探傷装置１による欠陥判定を説明する図である。図３に示された各グラフは、演算制御装置５の反射波信号処理部５３で受信され、時間軸波形で示された反射波のＲＦ信号である。即ち、図３の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は反射波高さ（エコー高さ）である。時間軸波形の反射波では、時間経過とともに、表面反射波、素材反射波（素材欠陥ありの場合）、及び界面反射波の順にそれぞれの波形が出現する。
図３は、図１に示す超音波探傷装置１による欠陥判定を説明する図である。図３に示された各グラフは、演算制御装置５の反射波信号処理部５３で受信され、時間軸波形で示された反射波のＲＦ信号である。即ち、図３の各グラフにおいて、横軸は時間、縦軸は反射波高さ（エコー高さ）である。時間軸波形の反射波では、時間経過とともに、表面反射波、素材反射波（素材欠陥ありの場合）、及び界面反射波の順にそれぞれの波形が出現する。
図１及び３に示すように、区間特定部５３ａは、一度の超音波探傷で得られた反射波のＲＦ信号のうち素材反射波が発生し得る時間範囲を第１区間（素材区間）として特定し、かつ、当該ＲＦ信号のうち界面反射波が発生し得る時間範囲を第２区間（界面区間）として特定する。即ち、第１区間と第２区間とは、互いに時間的に重ならない異なる区間である。第１区間及び第２区間は、第１素材１０１の厚さや超音波の伝播速度等に基づいた計算により特定可能である。
素材欠陥判定部５３ｂは、第１区間において反射波のＲＦ信号の値が正の第１閾値を上回ったか否かを判定する。界面欠陥判定部５３ｃは、第２区間において反射波のＲＦ信号の値が負の第２閾値を下回ったか否かを判定する。即ち、正の第１閾値は、第１区間に設定されるが第２区間には設定されない。一例として、第２閾値の絶対値は、第１閾値よりも大きい。素材欠陥判定部５３ｂは、第１区間において反射波のＲＦ信号の値が第１閾値（正値）を上回ったと判定されると、素材欠陥が存在していると判定する。界面欠陥判定部５３ｃは、第２区間において反射波のＲＦ信号の値が第２閾値を下回ったと判定されると、界面欠陥が存在していると判定する。
図３のケース１の場合、第１区間において反射波のＲＦ信号の値が第１閾値（正値）を上回っておらず、素材欠陥判定部５３ｂは、素材欠陥が存在せず第１素材１０１は健全であると判定する。また、第２区間において反射波のＲＦ信号の値が第２閾値（負値）を下回っていないため、界面欠陥判定部５３ｃは、界面欠陥が存在せず界面１０３は健全であると判定する。即ち、第２区間において反射波のＲＦ信号の値が第１閾値と同じ値を上回っているが、第２区間では第１閾値（正値）が設定されないため、健全な界面反射波の正のピークを界面欠陥と誤判定することがない。
図３のケース２の場合、第１区間において反射波のＲＦ信号の値が第１閾値（正値）を上回っているため（図３のＡ箇所）、素材欠陥判定部５３ｂは、素材欠陥が存在していると判定する。なお、第1素材１０１に素材欠陥が存在する場合は、界面１０３まで超音波が十分に届かないため、界面反射波は評価対象外となる。
図３のケース３の場合、第１区間において反射波のＲＦ信号の値が第１閾値（正値）を上回っておらず、素材欠陥判定部５３ｂは、素材欠陥が存在せず第1素材１０１は健全であると判定する。また、第２区間において反射波のＲＦ信号では、界面１０３が健全であるにもかかわらず何等かの理由によりピーク値が大きくなる疑似指示が生じている。このとき、第２閾値の絶対値は、界面反射波のＲＦ信号の正のピーク値よりも小さい値に設定されているが、界面反射波のＲＦ信号は、負のピーク値の絶対値が正のピーク値よりも小さくなる特性を有する。よって、反射波のＲＦ信号の値が第２閾値（負値）を下回らず、界面欠陥判定部５３ｃは、界面欠陥が存在せず界面１０３は健全であると正しく判定する。
図３のケース４の場合、第１区間において反射波のＲＦ信号の値が第１閾値（正値）を上回っておらず、素材欠陥判定部５３ｂは、素材欠陥が存在せず第１素材１０１は健全であると判定する。他方、第２区間において反射波のＲＦ信号の値が第２閾値（負値）を下回っているため（図３のＢ箇所）、界面欠陥判定部５３ｃは、界面欠陥が存在していると判定する。なお、界面反射波のＲＦ信号の正のピーク値は、疑似指示のために画面表示範囲外に出てしまっているが、正の閾値による判定を行わないため問題とならない。
［適用例］
図４は、超音波探傷の対象となる複合材を用いた板バネ２１０を含む鉄道車両用台車２０１の側面図である。図４に示すように、台車２０１は、空気バネ２３１を介して車体２３０を支持する横梁２３２（台車枠）と、車軸２２０を回転自在に支持する軸受（図示せず）を収容する軸箱２２１とを備える。横梁２３２と軸箱２２１との間には、車両長手方向に延びた板バネ２１０が架け渡され、板バネ２１０の中央部が横梁２３２を支持し、板バネ２１０の両端部が軸箱２２１に支持される。
図４は、超音波探傷の対象となる複合材を用いた板バネ２１０を含む鉄道車両用台車２０１の側面図である。図４に示すように、台車２０１は、空気バネ２３１を介して車体２３０を支持する横梁２３２（台車枠）と、車軸２２０を回転自在に支持する軸受（図示せず）を収容する軸箱２２１とを備える。横梁２３２と軸箱２２１との間には、車両長手方向に延びた板バネ２１０が架け渡され、板バネ２１０の中央部が横梁２３２を支持し、板バネ２１０の両端部が軸箱２２１に支持される。
板バネ２１０は、上層２１１、中間層２１２及び下層２１３を含む三層構造を有する。例えば、上層２１１及び下層２１３はＣＦＲＰによって形成され、中間層２１２はＧＦＲＰによって形成される。図２で説明した例に対応させると、上層２１１及び下層２１３が第1素材であり、中間層２１２が第2素材である。板バネ２１０は、端部から中央部に向けて徐々に肉厚が大きくなるように形成されている。具体的には、中間層２１２の肉厚は、端部から中央部に向けて徐々に肉厚が大きくなるように形成され、上層２１１及び下層２１３の肉厚は一定である。
このような板バネ２１０において、上層２１１（又は下層２１３）の素材欠陥と、上層２１１（又は下層２１３）と中間層２１２との間の界面欠陥とを検査するために、前述した超音波探傷が好適に実施される。その際、超音波探触子２からの超音波は、板バネ２１０に対して上層２１１側（又は下層２１３側）から入射される。
以上に説明した構成によれば、素材反射波が発生し得る第１区間では、正の第１閾値を用いて素材欠陥の有無が判定され、かつ、界面反射波が発生し得る第２区間では、負の第２閾値を用いて界面欠陥の有無が判定されるので、ＲＦ信号における界面欠陥の判定対象領域が、ＲＦ信号における素材欠陥の判定対象領域と区別される。そのため、一度の超音波探傷であっても、素材欠陥判定用の第１閾値と界面欠陥判定用の第２閾値とを個別に設定して、素材欠陥の検出精度と界面欠陥の検出精度との両方を高めることができる。
また、第２閾値の絶対値は、第１閾値よりも大きいため、素材欠陥の検出漏れの防止と、疑似指示による界面欠陥の誤判定の防止とを両立できる。但し、第２閾値の絶対値は、第１閾値より小さい値としてもよい。また、第１閾値は、健全な界面反射波の正のピーク値よりも小さい値に設定されるため、更に好適に素材欠陥の検出漏れを防止できる。但し、第１閾値は、健全な界面反射波の正のピークよりも大きい値としてもよい。また、健全な界面反射波の負のピーク値が表示限界に対して低い値に設定可能なため、表示限界までの感度余裕が発生する。それによって、高機能な装置を使用することなく、一度の超音波探傷で素材欠陥と界面欠陥とを高精度に検査可能とするだけではなく、感度余裕が発生する分、判定可能な欠陥寸法の範囲が広げられる。
１ 超音波探傷装置
５３ａ 区間特定部
５３ｂ 素材欠陥判定部
５３ｃ 界面欠陥判定部
１００ 複合材
１０１ 第１素材
１０２ 第２素材
１０３ 界面
２１０ 板バネ
Ｄ１ 素材欠陥
Ｄ２ 界面欠陥
５３ａ 区間特定部
５３ｂ 素材欠陥判定部
５３ｃ 界面欠陥判定部
１００ 複合材
１０１ 第１素材
１０２ 第２素材
１０３ 界面
２１０ 板バネ
Ｄ１ 素材欠陥
Ｄ２ 界面欠陥
Claims (4)
- ＣＦＲＰからなる第１素材とＧＦＲＰからなる第２素材とが積層された複合材に対して前記第１素材側から超音波を照射することで、前記第１素材と前記第２素材との間の界面に欠陥が存在する場合に界面反射波が正負両方にピークを発生させる超音波探傷装置であって、
前記複合材に照射された超音波の反射波のＲＦ信号において、素材反射波が発生し得る第１区間と界面反射波が発生し得る第２区間とを特定する区間特定部と、
前記第１区間において前記ＲＦ信号の値が正の第１閾値を上回ったか否かを判定する素材欠陥判定部と、
前記第２区間において前記ＲＦ信号の値が負の第２閾値を下回ったか否かを判定する界面欠陥判定部と、を備える、複合材の超音波探傷装置。 - 前記第２閾値の絶対値は、前記第１閾値よりも大きい、請求項１に記載の複合材の超音波探傷装置。
- ＣＦＲＰからなる第１素材とＧＦＲＰからなる第２素材とが積層された構造を含む複合材に対して前記第１素材側から超音波を照射し、前記第１素材と前記第２素材との間の界面に欠陥が存在する場合に界面反射波が正負両方にピークを発生させる工程と、
前記複合材に照射された超音波の反射波のＲＦ信号を受信する工程と、
前記ＲＦ信号のうち素材反射波が発生し得る第１区間において、前記ＲＦ信号の値が正の第１閾値を上回ったか否かを判定する工程と、
前記ＲＦ信号のうち界面反射波が発生し得る第２区間において、前記ＲＦ信号の値が負の第２閾値を下回ったか否かを判定する工程と、を備える、複合材の超音波探傷方法。 - 前記複合材は、ＣＦＲＰからなる第３素材を含み、前記第２素材が前記第１素材及び前記第３素材で挟まれてなる三層構造を有する鉄道車両用板バネである、請求項３に記載の複合材の超音波探傷方法。
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