JP7006444B2 - 超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、丸棒鋼など略円柱状の被探傷材の中心部の所定領域に存在するきずを検出する超音波探傷方法に関する。特に、本発明は、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能な超音波探傷方法に関する。

丸棒鋼には、鍛造の際、その中心部の所定領域に、揉み割れと称する様々な傾きを有する微小な割れきずが発生する場合がある。
従来、丸棒鋼のような略円柱状の中実な被探傷材の内部に存在するきずを検出する方法として、超音波探傷方法が知られている。略円柱状の被探傷材の中心部の所定領域に存在するきずを検出するには、超音波探傷方法のうち、例えば、垂直探傷法が用いられる。すなわち、被探傷材の側面に対向するように超音波探触子を配置し、該超音波探触子から被探傷材の中心に向けて超音波を送信し（超音波が入射する被探傷材の側面の接平面に垂直な方向から超音波を送信し）、該超音波探触子が受信するエコーに基づき、きずを検出する。
以下、従来の超音波探傷方法について、図１を参照して、より具体的に説明する。

図１は、従来の超音波探傷方法を模式的に説明する断面図（被探傷材の軸方向に直交する方向の断面図）である。図１（ａ）は、従来の超音波探傷方法の概要を説明する図である。図１（ｂ）は、従来の超音波探傷方法によって検出可能な割れきずと検出できない割れきずとを模式的に説明する図である。図１（ｂ）では、被探傷材Ｐに対する超音波探触子１の相対回転位置が互いに異なる２つの状態を同時に図示している。また、図１（ｂ）において、割れきずＦ１、Ｆ２は、便宜上、矩形で示している。なお、説明の便宜上、各図に示す各構成要素の寸法の大小関係や縮尺比は、実際のものとは異なる場合がある。図２～図１０についても同様である。
図１（ａ）に示すように、略円柱状の被探傷材Ｐが丸棒鋼である場合、その中心部の所定領域Ａに、揉み割れと称する様々な傾きを有する微小な割れきずが発生する場合がある。例えば、被探傷材Ｐの外径が２５ｍｍである場合、所定領域Ａは、被探傷材Ｐの断面外縁と同心円状の直径１０ｍｍ程度の範囲内の領域である。また、例えば、被探傷材Ｐの軸方向（図１の紙面に垂直な方向）に直交する方向の断面における長さが０．１ｍｍ以上の割れきずが検出対象とされる。

図１（ａ）に示すように、従来の超音波探傷方法では、被探傷材Ｐの側面に対向するように超音波探触子１を配置し、超音波探触子１から被探傷材Ｐの中心Ｃに向けて超音波Ｕ（図１では超音波ビームの中心を図示している）を送信し、その伝搬経路で反射し超音波探触子１が受信したエコーに基づき、割れきずを検出している。この際、超音波探触子１を被探傷材Ｐの周方向に沿って相対回転させることで、所定領域Ａ全体に順次超音波Ｕを伝搬させることができるため、所定領域Ａ全体の超音波探傷が可能である。
なお、図１に示す例では、被探傷材Ｐの位置を固定し、超音波探触子１を被探傷材Ｐの周方向に沿って回転させているが、これに限らず、超音波探触子１の位置を固定し、被探傷材Ｐを周方向に回転させることも可能である。また、超音波探触子１を被探傷材Ｐの軸方向に沿って相対移動させることで、被探傷材Ｐの軸方向に沿った複数の所定領域Ａの超音波探傷が可能である。

以上に説明した従来の超音波探傷方法によれば、割れきずの延びる方向（被探傷材Ｐの軸方向に直交する方向の断面における割れきずの延びる方向）が、超音波Ｕの伝搬方向（伝搬する超音波ビームの中心の方向）に直交する場合には、当該割れきずを検出可能である。
しかしながら、割れきずの延びる方向が、超音波Ｕの伝搬方向に直交する方向から外れれば外れるほど、当該割れきずで反射し超音波探触子１で受信されるエコーの強度が低下するため、当該割れきずを検出できないおそれがある。特に、長さ０．１ｍｍ程度の微小な割れきずの場合、割れきずの延びる方向が超音波Ｕの伝搬方向に直交する場合であってもエコーの強度が小さいため、当該微小な割れきずの延びる方向が、超音波Ｕの伝搬方向に直交する方向から大きく外れれば、検出することができない。

具体的には、図１（ｂ）に示す各割れきずＦ１（図中、黒で塗りつぶした矩形のきず）の延びる方向は、各割れきずＦ１に超音波Ｕが伝搬する相対回転位置（超音波探触子１と被探傷材Ｐとの相対回転位置）において、超音波Ｕの伝搬方向と直交している。すなわち、各割れきずＦ１の延びる方向は、被探傷材Ｐの中心Ｃと各割れきずＦ１（割れきずＦ１の中心）とを結ぶ直線の方向（超音波Ｕの伝搬方向に相当）と直交している。このため、各割れきずＦ１で反射したエコーＲを超音波探触子１で十分に受信することができる。したがい、従来の超音波探傷方法でも、割れきずＦ１を検出可能である。
これに対し、図１（ｂ）に示す各割れきずＦ２（図中、白で塗りつぶした矩形のきず）の延びる方向は、各割れきずＦ２に超音波Ｕが伝搬する相対回転位置（超音波探触子１と被探傷材Ｐとの相対回転位置）において、超音波Ｕの伝搬方向と直交していない。すなわち、各割れきずＦ２の延びる方向は、被探傷材Ｐの中心Ｃと各割れきずＦ２（割れきずＦ２の中心）とを結ぶ直線の方向（超音波Ｕの伝搬方向に相当）と直交していない。このため、各割れきずＦ２で反射したエコーＲの伝搬方向は、各割れきずＦ２に入射した超音波Ｕの伝搬方向から外れ、超音波探触子１で十分に受信することができない。したがい、従来の超音波探傷方法では、割れきずＦ２を検出することが困難である。

丸棒鋼の中心に存在するきずを精度良く検出する超音波探傷方法としては、例えば、特許文献１に記載の方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、アレイ型超音波探触子が具備する複数の振動子から送信される超音波を丸棒鋼の中心に集束させて探傷する方法であるため、丸棒鋼の中心から外れた位置に存在するきずの検出精度が低下するという問題がある。また、様々な傾きを有するきずを精度良く検出する方法について、何ら提案されていない。

特開２０１３－２４２２２０号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、丸棒鋼など略円柱状の被探傷材の中心部の所定領域に存在するきずを検出する超音波探傷方法であって、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能な超音波探傷方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、第１の方法として、略円柱状の被探傷材の側面に対向するように、複数の振動子を具備する超音波探触子を配置する配置工程と、前記超音波探触子を前記被探傷材の周方向に沿って相対回転させながら、前記複数の各振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送信し、前記複数の各振動子が受信するエコーに基づき、前記被探傷材の中心部の所定の探傷領域に存在するきずを検出する探傷工程と、を含み、前記配置工程において、前記複数の振動子は、前記超音波探触子と前記被探傷材との対向方向から見て、前記被探傷材の軸方向に略直交する方向に沿って前記探傷領域をカバーするように配列され、なお且つ、前記探傷工程で前記複数の各振動子から送信された超音波が前記被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬するように配列される、ことを特徴とする超音波探傷方法を提供する。

本発明に係る第１の方法において、「複数の振動子を具備する超音波探触子」とは、それぞれが超音波を送信しエコーを受信する振動子（超音波の送信及びエコーの受信の双方を行う単一の振動子、又は、超音波の送信用及びエコーの受信用の一対の振動子）を具備する複数の超音波探触子の集合体を意味する場合と、複数の振動子が配列されたアレイ型超音波探触子を意味する場合との双方を含む概念である。後述の第２の方法についても同様である。
また、本発明に係る第１の方法において、「前記探傷領域をカバーするように配列されて」いるとは、各振動子から送信される超音波が探傷領域内を漏れなく伝搬する（探傷領域内の何れの部位にも何れかの振動子から送信される超音波が伝搬する）ように配列されることを意味する。後述の第２の方法についても同様である。
さらに、本発明に係る第１の方法において、「前記複数の各振動子から送信された超音波が前記被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬する」とは、各振動子から送信され伝搬する超音波ビームの中心の方向が被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行であることを意味する。

本発明に係る第１の方法によれば、配置工程において、複数の振動子は、超音波探触子と被探傷材との対向方向から見て、被探傷材の軸方向に略直交する方向に沿って探傷領域をカバーするように配列される。このため、超音波探触子と被探傷材との各相対回転位置において、探傷工程で各振動子から送信された超音波が探傷領域内を漏れなく伝搬することになる。すなわち、各相対回転位置において、探傷領域内の何れの部位に存在するきずにも超音波が伝搬することになる。
また、本発明に係る第１の方法によれば、配置工程において、複数の振動子は、探傷工程で複数の各振動子から送信された超音波が被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬するように配列される。具体的には、例えば、複数の振動子が直線状に配列される。各振動子から送信された超音波が入射する被探傷材の側面は略円弧面であるため、被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬した超音波の入射角が異なる結果、屈折角も異なるものとなるため、被探傷材の内部において、各振動子から送信された超音波は拡散して（互いに離間するように）伝搬することになる。
このため、本発明に係る第１の方法によれば、きずの傾き（被探傷材の軸方向に直交する方向の断面において、きずの延びる方向と、被探傷材の中心ときずとを結ぶ直線の方向との成す角度）及び探傷領域内のきずの位置の如何に関わらず、超音波探触子と被探傷材との何れかの相対回転位置において、被探傷材の内部を伝搬する何れかの超音波の伝搬方向がきずの延びる方向と直交する状態となる。したがい、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能である。

本発明に係る第１の方法において、前記被探傷材は、丸鋼材であり、前記探傷工程において検出する前記きずは、前記丸鋼材の軸方向に直交する方向の断面における長さが０．１ｍｍ以上の割れきずである場合、好ましくは、前記超音波探触子は、前記複数の振動子が直線状に配列されたアレイ型超音波探触子であり、前記複数の振動子は、前記対向方向から見て、前記丸鋼材の軸方向に略直交する方向に沿って０．５ｍｍ以下のピッチで配列され、前記探傷工程において、前記超音波探触子が具備する全ての前記複数の振動子のうち、同時に超音波を送信してエコーを受信する連続する複数の振動子からなる幅が５ｍｍ以下の振動子群を選択し、該選択する振動子群を１個の振動子分の切り替えピッチで順次切り替えることで、前記探傷領域に存在するきずを検出する。

本発明に係る第１の方法の上記の好ましい方法によれば、超音波探触子としてアレイ型超音波探触子を用いるため、単一の振動子を具備する複数の超音波探触子を用いる場合等に比べて、超音波探触子の配置や超音波の送受信制御が容易であると共に、装置コストを低減可能である。
なお、上記の好ましい方法においては、連続する複数の振動子群から超音波を送信することになる。この場合、前述の本発明に係る第１の方法における「前記複数の各振動子から送信された超音波が前記被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬する」とは、各振動子群から送信され伝搬する超音波ビーム（各振動子群を構成する各振動子から送信され伝搬する超音波ビームが合成された超音波ビーム）の中心の方向が被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行であることを意味する。

また、前記課題を解決するため、本発明は、第２の方法として、略円柱状の被探傷材の側面に対向するように、直径が５ｍｍ以下の複数の振動子を具備する超音波探触子を配置する配置工程と、前記超音波探触子を前記被探傷材の周方向に沿って相対回転させながら、前記複数の各振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送信し、前記複数の各振動子が受信するエコーに基づき、前記被探傷材の中心部の所定の探傷領域に存在するきずを検出する探傷工程と、を含み、前記被探傷材は、丸鋼材であり、前記探傷工程において検出する前記きずは、前記丸鋼材の軸方向に直交する方向の断面における長さが０．１ｍｍ以上の割れきずであり、前記配置工程において、前記複数の振動子は、前記超音波探触子と前記被探傷材との対向方向から見て、前記被探傷材の軸方向に略直交する方向に沿って前記探傷領域をカバーするように配列され、前記複数の振動子は、前記対向方向から見て、前記丸鋼材の軸方向に略直交する方向に沿って０．５ｍｍ以下のピッチで配列され、なお且つ、前記探傷工程で前記複数の各振動子から送信された超音波が前記探傷領域において互いに略平行に伝搬するように配列される、ことを特徴とする超音波探傷方法としても提供される。

本発明に係る第２の方法において、「前記複数の各振動子から送信された超音波が前記探傷領域において互いに略平行に伝搬する」とは、各振動子から送信され伝搬する超音波ビームの中心の方向が探傷領域において互いに略平行であることを意味する。

本発明に係る第２の方法によれば、配置工程において、複数の振動子は、超音波探触子と被探傷材との対向方向から見て、被探傷材の軸方向に略直交する方向に沿って探傷領域をカバーするように配列される。このため、超音波探触子と被探傷材との各相対回転位置において、探傷工程で各振動子から送信された超音波が探傷領域内を漏れなく伝搬することになる。すなわち、各相対回転位置において、探傷領域内の何れの部位に存在するきずにも超音波が伝搬することになる。
また、本発明に係る第２の方法によれば、配置工程において、複数の振動子は、探傷工程で複数の各振動子から送信された超音波が探傷領域において互いに略平行に伝搬するように配列される。具体的には、例えば、複数の振動子が曲線状に配列される（複数の振動子が所定の曲線に沿うように配列される）。各振動子から送信された超音波の被探傷材の側面における入射角及び屈折角は、各振動子の傾き（各振動子の傾きによって各振動子から送信される超音波の方向が決まる）と、超音波が入射する被探傷材の側面の部位の形状とによって幾何学的に算出することができる。このため、被探傷材の側面の各部位に入射して屈折した超音波が互いに略平行となる屈折角及び入射角を部位毎に順次算出することで、各部位に向けて超音波を送信する各振動子の傾きを算出することができ、ひいては複数の振動子の配列形態を決定することが可能である。
本発明に係る第２の方法によれば、きずの傾き（きずの延びる方向と、被探傷材の中心ときずとを結ぶ直線の方向との成す角度）及び探傷領域内のきずの位置の如何に関わらず、超音波探触子と被探傷材との何れかの相対回転位置において、被探傷材の内部を伝搬する何れかの超音波の伝搬方向がきずの延びる方向と直交する状態となる。したがい、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能である。

本発明者らの知見によれば、本発明に係る第１及び第２の方法において、複数の振動子を０．５ｍｍ以下のピッチで配列することにより、丸鋼材に存在する丸鋼材の軸方向に直交する方向の断面における長さが０．１ｍｍ以上の割れきずを精度良く検出可能である。

本発明によれば、丸棒鋼など略円柱状の被探傷材の中心部の所定領域に存在するきずを、きずの傾きに関わらず、精度良く検出可能である。

従来の超音波探傷方法を模式的に説明する断面図（被探傷材の軸方向に直交する方向の断面図）である。 本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法を実行するのに用いる超音波探傷装置の概略構成を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、被探傷材に傾きが０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、被探傷材に傾きが４５°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、被探傷材に傾きが９０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法を実行するのに用いる超音波探傷装置の概略構成を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法において、被探傷材に傾きが０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法において、被探傷材に傾きが４５°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法において、被探傷材に傾きが９０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法を模擬した試験の概要及び結果を説明する図である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について説明する。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法を実行するのに用いる超音波探傷装置の概略構成を模式的に示す図である。図２において、被探傷材Ｐは断面（被探傷材Ｐの軸方向に直交する方向の断面）を示している。後述の図３～図１０についても同様である。
図２に示すように、第１実施形態の超音波探傷装置１００は、略円柱状の被探傷材（丸棒鋼など）Ｐを超音波探傷するための装置であり、超音波探触子１０と、制御・信号処理手段２とを備えている。

超音波探触子１０は、複数の振動子１１を具備する。第１実施形態の超音波探触子１０は、複数の振動子１１が直線状に配列されたアレイ型超音波探触子である。

制御・信号処理手段２は、超音波探触子１０に接続されている。
制御・信号処理手段２は、超音波探触子１０が具備する各振動子１１からの超音波の送信及びエコーの受信を制御すると共に、各振動子１１が被探傷材Ｐからエコーを受信して得られる探傷信号に信号処理を施すことで、被探傷材Ｐの中心部の所定の探傷領域（破線で囲んだ領域）Ａに存在するきずを検出する。なお、探傷領域Ａは、被探傷材Ｐの断面外縁と同心円状の領域である。
探傷領域Ａの大きさは、製造実績に基づいて定めればよい。すなわち、過去の製造実績から本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法で検出対象とする微小な割れきずが発生する領域を探傷領域Ａとすればよい。典型的には、略円柱状の被探傷材Ｐの断面の外径（直径）の３０～５０％の直径を有する、被探傷材Ｐの断面外縁と同心円状の領域である。

制御・信号処理手段２は、各振動子１１から超音波を送信させるためのパルサー、各振動子１１に被探傷材Ｐからのエコーを受信させるためのレシーバー、レシーバーから出力されるアナログの探傷信号を増幅する増幅器、増幅器から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器など、一般的な超音波探傷装置と同様の公知の構成要素を具備する。また、制御・信号処理手段２は、パルサー、レシーバー及びＡ／Ｄ変換器に接続された汎用のパーソナルコンピュータを具備する。このパーソナルコンピュータには、Ａ／Ｄ変換器から入力されたデジタルの探傷信号に信号処理を施したり、パルサー及びレシーバーを制御するための所定のプログラムがインストールされている。

なお、超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの間には、水等の接触媒質（図示せず）が充填されている。接触媒質の充填は、例えば、超音波探触子１０及び被探傷材Ｐを接触媒質が蓄えられた槽に浸漬することで行うことが可能である。

以下、上記の構成を有する超音波探傷装置１００を用いた第１実施形態に係る超音波探傷方法について説明する。
第１実施形態に係る超音波探傷方法は、配置工程と、探傷工程とを含む。以下、各工程について順に説明する。

（配置工程）
配置工程では、被探傷材Ｐの側面（図２に示す例では上面）に対向するように、超音波探触子１０を配置する。具体的には、被探傷材Ｐの中心Ｃを通り、被探傷材Ｐの径方向（図２に示す例では水平方向（左右方向））に延びる直線Ｌと、複数の振動子１１の配列方向とが略平行となるように、超音波探触子１０を配置する。
配置工程において、複数の振動子１１は、超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの対向方向（図２に示す例では上下方向）から見て、被探傷材Ｐの軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に略直交する方向（図２に示す例では水平方向（左右方向））に沿って探傷領域Ａをカバーするように配列される。すなわち、超音波探触子１０の各振動子１１から送信される超音波が探傷領域Ａ内を漏れなく伝搬する（探傷領域Ａ内の何れの部位にも何れかの振動子１１から送信される超音波が伝搬する）ように配列される。具体的には、超音波探触子１０の中心が被探傷材Ｐの中心Ｃと正対するように配置され、複数の振動子１１の総長さが探傷領域Ａの直径と同等以上となるようにすることで、探傷領域Ａをカバーすることが可能である。

また、配置工程において、複数の振動子１１は、後述の探傷工程で複数の各振動子１１から送信された超音波が被探傷材Ｐに入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬するように配列される。図２では、超音波探触子１０から送信され、被探傷材Ｐに入射するまでに伝搬する超音波（超音波ビームの中心）を符号Ｕ１で、被探傷材Ｐへ入射した後、被探傷材Ｐの内部で伝搬する超音波（超音波ビームの中心）を符号Ｕ２で区別して示している。なお、図２では、便宜上、直線Ｌまで伝搬する超音波Ｕ２しか図示していないが、実際には、超音波Ｕ２は直線Ｌを超えて伝搬する。後述の図３～図１０についても同様である。
第１実施形態の配置工程では、図２に示すように、超音波探触子１０から被探傷材Ｐまでの間（すなわち、接触媒質が充填されている領域）において、超音波Ｕ１が互いに略平行に伝搬する。これは、制御・信号処理手段２によって、振動子１１（具体的には、後述の各振動子群１１ａを構成する振動子１１）の超音波を送信するタイミングが互いに同じとなるように制御することで実現可能である。

（探傷工程）
探傷工程では、超音波探触子１０を被探傷材Ｐの周方向に沿って相対回転させながら、複数の各振動子１１から被探傷材Ｐに向けて超音波を送信し、複数の各振動子１１が受信するエコーに基づき、被探傷材Ｐの探傷領域Ａに存在するきずを検出する。
具体的には、超音波探触子１０が具備する全ての複数の振動子１１のうち、同時に超音波を送信してエコーを受信する連続する複数の振動子１１からなる振動子群１１ａを選択し、選択する振動子群１１ａを順次切り替えることで、探傷領域Ａに存在するきずを検出する。

図２に示す例では、超音波探触子１０の位置を固定し、被探傷材Ｐを搬送ローラ等の適宜の回転手段（図示せず）によって周方向に回転させている。しかしながら、本発明は、これに限るものではなく、被探傷材Ｐの位置を固定し、超音波探触子１０を被探傷材Ｐの周方向に沿って回転させる方法を採用することも可能である。なお、第１実施形態では、超音波探触子１０を被探傷材Ｐの軸方向（図２の紙面に垂直な方向）に沿って相対移動させることで、被探傷材Ｐの軸方向に沿った複数の所定領域Ａの超音波探傷を実行している。

振動子群１１ａの選択・切り替えは、制御・信号処理手段２に予め設定された振動子群１１ａを構成する振動子１１の個数や切り替えピッチに従って実行される。また、きずの検出は、例えば、制御・信号処理手段２によって、探傷信号を所定のしきい値と比較することで実行される。すなわち、制御・信号処理手段２によって、しきい値を超える探傷信号成分がきずであると判定される。
例えば、被探傷材Ｐが丸棒鋼であり、長さ（丸棒鋼の軸方向（長手方向）に直交する方向の断面における長さ）０．１ｍｍ以上の割れきずを検出対象とする場合を考える。この場合、本発明者らの知見によれば、振動子１１の幅（振動子１１の配列方向の寸法）を０．５ｍｍ以下（振動子１１の配列ピッチが０．５ｍｍ以下）とし、振動子群１１ａを構成する振動子１１の個数を１０個以下（振動子群１１ａの幅が５ｍｍ以下）とし、１個の振動子１１分の切り替えピッチ（０．５ｍｍ以下の切り替えピッチ）で選択する振動子群１１ａを順次切り替えれば、長さ０．１ｍｍ以上の割れきずを精度良く検出可能である。

以上に説明した第１実施形態に係る超音波探傷方法によれば、配置工程において、複数の振動子１１は、超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの対向方向から見て、被探傷材Ｐの軸方向に略直交する方向に沿って探傷領域Ａをカバーするように配列される。このため、超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの各相対回転位置において、探傷工程で各振動子１１から送信された超音波が探傷領域Ａ内を漏れなく伝搬することになる。すなわち、各相対回転位置において、探傷領域Ａ内の何れの部位に存在するきずにも超音波が伝搬することになる。
また、第１実施形態に係る超音波探傷方法によれば、配置工程において、複数の振動子１１は、探傷工程で複数の各振動子１１から送信された超音波が被探傷材Ｐに入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬するように配列される。具体的には、複数の振動子１１が直線状に配列される。各振動子１１（各振動子群１１ａ）から送信された超音波が入射する被探傷材Ｐの側面は略円弧面であるため、被探傷材Ｐに入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬した超音波の入射角が異なる結果、屈折角も異なるものとなるため、被探傷材Ｐの内部において、各振動子１１から送信された超音波は拡散して（互いに離間するように）伝搬することになる。
このため、第１実施形態に係る超音波探傷方法によれば、きずの傾き（きずの延びる方向と、被探傷材Ｐの中心Ｃときずとを結ぶ直線の方向との成す角度）及び探傷領域Ａ内のきずの位置の如何に関わらず、超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの何れかの相対回転位置において、被探傷材Ｐの内部を伝搬する何れかの超音波の伝搬方向がきずの延びる方向と直交する状態となる。したがい、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能である。

以下、図３～図５を参照しつつ、第１実施形態に係る超音波探傷方法によって、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能である点について、より具体的に説明する。

図３は、被探傷材Ｐに傾きが０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。図３（ａ）は被探傷材Ｐの中心Ｃにきずが存在する場合を、図３（ｂ）は被探傷材Ｐの中心Ｃと探傷領域Ａの外縁との径方向の中間地点（以下、単に「中間地点」という）にきずが存在する場合を、図３（ｃ）は探傷領域Ａの外縁にきずが存在する場合を示す。なお、きずの傾きは、きずの延びる方向と、被探傷材Ｐの中心Ｃときず（きずの中心）とを結ぶ直線の方向との成す角度を意味する。
図３（ａ）に示すように、被探傷材Ｐの中心Ｃにきず（図中、黒で塗りつぶした矩形のきず）Ｆが存在する場合、図３（ａ）に示す相対回転位置（超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの相対回転位置）で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦで反射したエコーを超音波探触子１０で十分に受信することができる。したがい、きずＦを検出可能である。
図３（ｂ）に示すように、中間地点にきずＦが存在する場合、被探傷材Ｐが時計回りに若干の角度だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。
図３（ｃ）に示すように、探傷領域Ａの外縁にきずＦが存在する場合、被探傷材Ｐが図３（ｂ）の相対回転角度よりも時計回りに更に若干の角度だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。

図４は、被探傷材Ｐに傾きが４５°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。図４（ａ）は被探傷材Ｐの中心Ｃにきずが存在する場合を、図４（ｂ）は中間地点にきずが存在する場合を、図４（ｃ）は探傷領域Ａの外縁にきずが存在する場合を示す。
図４（ａ）に示すように、被探傷材Ｐの中心ＣにきずＦが存在する場合、被探傷材Ｐが時計回りに１３５°だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。
図４（ｂ）に示すように、中間地点にきずＦが存在する場合、被探傷材Ｐが時計回りに１３５°よりも小さい角度だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。
図４（ｃ）に示すように、探傷領域Ａの外縁にきずＦが存在する場合、被探傷材Ｐが図４（ｂ）の相対回転角度よりも時計回りに更に小さい角度だけ相対回転することで、きずＦが初期の白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦを検出可能である。

図５は、被探傷材Ｐに傾きが９０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。図５（ａ）は被探傷材Ｐの中心Ｃにきずが存在する場合を、図５（ｂ）は中間地点にきずが存在する場合を、図５（ｃ）は探傷領域Ａの外縁にきずが存在する場合を示す。
図５（ａ）～図５（ｃ）に示すように、何れの位置にきずＦが存在する場合も、被探傷材Ｐが時計回りに９０°だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。

図３～図５では、特定の角度及び特定の位置にきずＦが存在する場合を例に挙げて説明したが、第１実施形態に係る超音波探傷方法によれば、きずＦの傾き及び探傷領域Ａ内のきずＦの位置の如何に関わらず、超音波探触子１０と被探傷材Ｐとの何れかの相対回転位置において、被探傷材Ｐの内部を伝搬する何れかの超音波Ｕ２の伝搬方向がきずＦの延びる方向と直交する状態となる。したがい、きずＦの傾きに関わらず、精度良くきずＦを検出可能である。

なお、第１実施形態に係る超音波探傷方法では、超音波探触子１０がアレイ型超音波探触子である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、それぞれが超音波を送信しエコーを受信する振動子（超音波の送信及びエコーの受信の双方を行う単一の振動子、又は、超音波の送信用及びエコーの受信用の一対の振動子）を具備する複数の超音波探触子（図１に示す超音波探触子１と同様の超音波探触子）の集合体を超音波探触子１０として用いることも可能である。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法を実行するのに用いる超音波探傷装置の概略構成を模式的に示す図である。図６（ａ）は第２実施形態の超音波探傷装置１００Ａの概略構成を模式的に示し、図６（ｂ）は超音波探傷装置１００Ａが備える超音波探触子１０Ａの変形例を模式的に示す。
図６（ａ）に示すように、第２実施形態の超音波探傷装置１００Ａは、第１実施形態の超音波探傷装置１００と同様に、略円柱状の被探傷材（丸棒鋼など）Ｐを超音波探傷するための装置であり、超音波探触子１０Ａと、制御・信号処理手段２とを備えている。

本実施形態の超音波探触子１０Ａは、それぞれが超音波を送信しエコーを受信する振動子を具備する複数の超音波探触子１の集合体とされている。

制御・信号処理手段２は、超音波探触子１０Ａに接続されている。具体的には、制御・信号処理手段２は、超音波探触子１０Ａを構成する各超音波探触子１に接続されている。
制御・信号処理手段２は、各超音波探触子１が具備する振動子からの超音波の送信及びエコーの受信を制御すると共に、各超音波探触子１が具備する振動子が被探傷材Ｐからエコーを受信して得られる探傷信号に信号処理を施すことで、被探傷材Ｐの中心部の探傷領域Ａに存在するきずを検出する。制御・信号処理手段２の他の構成については、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

なお、第１実施形態と同様に、超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの間には、水等の接触媒質（図示せず）が充填されている。接触媒質の充填は、例えば、超音波探触子１０Ａ及び被探傷材Ｐを接触媒質が蓄えられた槽に浸漬することで行うことが可能である。

以下、上記の構成を有する超音波探傷装置１００Ａを用いた第２実施形態に係る超音波探傷方法について説明する。
第２実施形態に係る超音波探傷方法も、第１実施形態と同様に、配置工程と、探傷工程とを含む。以下、各工程について順に説明する。

（配置工程）
配置工程では、被探傷材Ｐの側面（図６（ａ）に示す例では上面）に対向するように、超音波探触子１０Ａを配置する。
配置工程において、複数の振動子（複数の超音波探触子１）は、超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの対向方向（図６（ａ）に示す例では上下方向）から見て、被探傷材Ｐの軸方向（図６（ａ）の紙面に垂直な方向）に略直交する方向（図６（ａ）に示す例では水平方向（左右方向））に沿って探傷領域Ａをカバーするように配列される。すなわち、超音波探触子１０Ａの各振動子（各超音波探触子１）から送信される超音波が探傷領域Ａ内を漏れなく伝搬する（探傷領域Ａ内の何れの部位にも何れかの超音波探触子から送信される超音波が伝搬する）ように配列される。具体的には、超音波探触子１０Ａの中心に位置する超音波探触子１が被探傷材Ｐの中心Ｃと正対するように配置され、各超音波探触子１の水平方向についての探傷可能範囲を積算した超音波探触子１０Ａのトータルの探傷可能範囲が探傷領域Ａの直径と同等以上となるように超音波探触子１を配列することで、探傷領域Ａをカバーすることが可能である。

また、配置工程において、複数の振動子（複数の超音波探触子１）は、後述の探傷工程で複数の各振動子（各超音波探触子１）から送信された超音波が探傷領域Ａにおいて互いに略平行に伝搬するように配列される。すなわち、図６（ａ）に示す超音波Ｕ２が互いに略平行に伝搬する。
具体的には、複数の振動子（複数の超音波探触子１）が曲線状に配列される。換言すれば、複数の振動子（複数の超音波探触子１）が所定の曲線に沿うように配列される。各振動子（各超音波探触子１）から送信された超音波の被探傷材Ｐの側面における入射角及び屈折角は、各振動子（各超音波探触子１）の傾きと、超音波が入射する被探傷材Ｐの側面の部位の形状とによって幾何学的に算出することができる。このため、被探傷材Ｐの側面の各部位に入射して屈折した超音波Ｕ２が互いに略平行となる屈折角及び入射角を部位毎に順次算出することで、各部位に向けて超音波を送信する各振動子（各超音波探触子１）の傾きを算出することができ、ひいては複数の振動子（複数の超音波探触子１）の配列形態を決定することが可能である。

なお、複数の振動子（複数の直音波探触子１）は必ずしも曲線状に配列する必要はなく、図６（ｂ）に示すように、直線状に配列し、超音波Ｕ２が互いに略平行となるように、各振動子（各超音波探触子１）を傾けることも可能である。

（探傷工程）
探傷工程では、超音波探触子１０Ａを被探傷材Ｐの周方向に沿って相対回転させながら、複数の各振動子（超音波探触子１）から被探傷材Ｐに向けて超音波を送信し、複数の各振動子（超音波探触子１）が受信するエコーに基づき、被探傷材Ｐの探傷領域Ａに存在するきずを検出する。
具体的には、超音波探触子１０Ａを構成する複数の振動子（超音波探触子１）のうち、超音波を送信してエコーを受信する振動子（超音波探触子１）を選択し、選択する振動子（超音波探触子１）を順次切り替えることで、探傷領域Ａに存在するきずを検出する。

図６（ａ）に示す例では、超音波探触子１０Ａの位置を固定し、被探傷材Ｐを搬送ローラ等の適宜の回転手段（図示せず）によって周方向に回転させている。しかしながら、本発明は、これに限るものではなく、被探傷材Ｐの位置を固定し、超音波探触子１０Ａを被探傷材Ｐの周方向に沿って回転させる方法を採用することも可能である。なお、第２実施形態でも、超音波探触子１０Ａを被探傷材Ｐの軸方向（図６（ａ）の紙面に垂直な方向）に沿って相対移動させることで、被探傷材Ｐの軸方向に沿った複数の所定領域Ａの超音波探傷を実行している。

振動子（超音波探触子１）の選択・切り替えは、制御・信号処理手段２によって実行される。また、きずの検出は、例えば、制御・信号処理手段２によって、探傷信号を所定のしきい値と比較することで実行される。すなわち、制御・信号処理手段２によって、しきい値を超える探傷信号成分がきずであると判定される。
例えば、被探傷材Ｐが丸棒鋼であり、長さ（丸棒鋼の軸方向（長手方向）に直交する方向の断面における長さ）０．１ｍｍ以上の割れきずを検出対象とする場合を考える。この場合、本発明者らの知見によれば、各超音波探触子１が具備する振動子の直径を５ｍｍ以下とし、振動子（各超音波探触子１）の配列ピッチを０．５ｍｍ以下とすれば、長さ０．１ｍｍ以上の割れきずを精度良く検出可能である。例えば、各超音波探触子１が具備する振動子の直径を５ｍｍとし、各超音波探触子１の配列ピッチを０．５ｍｍとした場合、機械的な干渉が生じるため、被探傷材Ｐの軸方向について同じ位置に各超音波探触子１を配列することはできない。この場合には、機械的な干渉が生じないように、隣接する超音波探触子１の位置を被探傷材Ｐの軸方向に互いにずらして配列すればよい。

以上に説明した第２実施形態に係る超音波探傷方法によれば、配置工程において、複数の振動子（複数の超音波探触子１）は、超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの対向方向から見て、被探傷材Ｐの軸方向に略直交する方向に沿って探傷領域Ａをカバーするように配列される。このため、超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの各相対回転位置において、探傷工程で各振動子（各超音波探触子１）から送信された超音波が探傷領域Ａ内を漏れなく伝搬することになる。すなわち、各相対回転位置において、探傷領域Ａ内の何れの部位に存在するきずにも超音波が伝搬することになる。
また、第２実施形態に係る方法によれば、配置工程において、複数の振動子（複数の超音波探触子１）は、探傷工程で複数の各振動子（各超音波探触子１）から送信された超音波が探傷領域Ａにおいて互いに略平行に伝搬するように配列される。
このため、第２実施形態に係る超音波探傷方法によれば、きずの傾き及び探傷領域Ａ内のきずの位置の如何に関わらず、超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの何れかの相対回転位置において、被探傷材Ｐの内部を伝搬する何れかの超音波の伝搬方向がきずの延びる方向と直交する状態となる。したがい、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能である。

以下、図７～図９を参照しつつ、第２実施形態に係る超音波探傷方法によって、きずの傾きに関わらず、精度良くきずを検出可能である点について、より具体的に説明する。

図７は、被探傷材Ｐに傾きが０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。図７（ａ）は被探傷材Ｐの中心Ｃにきずが存在する場合を、図７（ｂ）は中間地点にきずが存在する場合を、図７（ｃ）は探傷領域Ａの外縁にきずが存在する場合を示す。
図７（ａ）～図７（ｃ）に示すように、何れの位置にきずＦが存在する場合も、図７（ａ）～（ｃ）に示す相対回転位置（超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの相対回転位置）で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦで反射したエコーを超音波探触子１０Ａで十分に受信することができる。したがい、きずＦを検出可能である。

図８は、被探傷材Ｐに傾きが４５°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。図８（ａ）は被探傷材Ｐの中心Ｃにきずが存在する場合を、図８（ｂ）は中間地点にきずが存在する場合を、図８（ｃ）は探傷領域Ａの外縁にきずが存在する場合を示す。
図８（ａ）～図８（ｃ）に示すように、何れの位置にきずＦが存在する場合も、被探傷材Ｐが時計回りに１３５°だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。

図９は、被探傷材Ｐに傾きが９０°のきずが存在する場合の探傷工程の様子を模式的に示す図である。図９（ａ）は被探傷材Ｐの中心Ｃにきずが存在する場合を、図９（ｂ）は中間地点にきずが存在する場合を、図９（ｃ）は探傷領域Ａの外縁にきずが存在する場合を示す。
図９（ａ）～図９（ｃ）に示すように、何れの位置にきずＦが存在する場合も、被探傷材Ｐが時計回りに９０°だけ相対回転することで、きずＦが白で塗りつぶした位置から黒で塗りつぶした位置に移動する。移動した位置で、きずＦの延びる方向が超音波Ｕ２の伝搬方向と直交するため、きずＦを検出可能である。

図７～図９では、特定の角度及び特定の位置にきずＦが存在する場合を例に挙げて説明したが、第２実施形態に係る超音波探傷方法によれば、きずＦの傾き及び探傷領域Ａ内のきずＦの位置の如何に関わらず、超音波探触子１０Ａと被探傷材Ｐとの何れかの相対回転位置において、被探傷材Ｐの内部を伝搬する何れかの超音波Ｕ２の伝搬方向がきずＦの延びる方向と直交する状態となる。したがい、きずＦの傾きに関わらず、精度良くきずＦを検出可能である。

なお、第２実施形態に係る超音波探傷方法では、超音波探触子１０Ａが複数の超音波探触子１の集合体である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、第１実施形態と同様に、超音波探触子１０Ａとしてアレイ型超音波探触子を用いることも可能である。第２実施形態において、超音波探触子１０Ａをアレイ型超音波探触子にする場合、超音波Ｕ２が互いに略平行に伝搬するように、複数の振動子が曲線状に配列されたアレイ型超音波探触子が用いられる。

以下、第１実施形態に係る超音波探傷方法を模擬した試験を行った結果の一例について説明する。
図１０は、試験の概要及び結果を説明する図である。図１０（ａ）は試験の概要を、図１０（ｂ）は試験の結果を示す。
図１０（ａ）に示すように、本試験においては、被探傷材Ｐ（外径２５ｍｍの丸棒鋼）の所定領域Ａ（直径１０ｍｍ）の外縁に沿った所定の位置に、人工きずＤ１～Ｄ５（直径０．４ｍｍのドリルホール）を設けた。直径０．４ｍｍのドリルホールで反射するエコーの強度は、長さ０．１ｍｍの割れきずで反射するエコーの強度と大きな差はないため、長さ０．１ｍｍの割れきずを模擬する人工きずとして適当である。

超音波探触子１０としては、振動子１１の幅が０．５ｍｍ（配列ピッチ０．５ｍｍ）のアレイ型超音波探触子を用い、振動子群１１ａを構成する振動子１１の個数を１０個として、１個の振動子１１分の切り替えピッチ（切り替えピッチ０．５ｍｍ）で、選択する振動子群１１ａを順次切り替えて、人工きずＤ１～Ｄ５を検出する超音波探傷を行った。
なお、本試験では、超音波探触子１０と被探傷材Ｐは相対回転させずに、位置を固定した状態で超音波探傷を行った。

図１０（ａ）に示すように、人工きずＤ１は、人工きずＤ１に入射する超音波Ｕ２の伝搬方向に直交する方向に延びる割れきず（人工きずＤ１に隣接して図示した黒で塗りつぶした矩形のきず）を模擬していると考えられる。図１０（ａ）には、人工きずＤ１が模擬する割れきずが、人工きずＤ１に隣接した位置に黒で塗りつぶした矩形で図示されている。人工きずＤ２～Ｄ５についても同様である。この人工きずＤ１が模擬する割れきずの傾きは０°である。
同様に、人工きずＤ２が模擬する割れきずの傾きは４５°、人工きずＤ３が模擬する割れきずの傾きは９０°、人工きずＤ４が模擬する割れきずの傾きは１３５°、人工きずＤ５が模擬する割れきずの傾きは１８０°である。

図１０（ｂ）に示すように、人工きずＤ１～Ｄ５のエコー強度は同等であり、精度良く人工きずＤ１～Ｄ５を検出可能であった。人工きずＤ３のエコー強度が最も大きく、人工きずＤ１、Ｄ５のエコー強度が最も小さいのは、超音波の伝搬距離による減衰の差であると考えられる。直径０．４ｍｍのドリルホールである人工きずＤ１～Ｄ５を精度良く検出可能であるため、エコーの強度に大きな差のない長さ０．１ｍｍの割れきずを、その傾きに関わらず精度良く検出可能であるといえる。

１、１０、１０Ａ・・・超音波探触子
１１・・・振動子
１１ａ・・・振動子群
２・・・制御・信号処理手段
１００、１００Ａ・・・超音波探傷装置
Ａ・・・探傷領域
Ｐ・・・被探傷材
Ｕ、Ｕ１、Ｕ２・・・超音波

Claims (3)

1. 略円柱状の被探傷材の側面に対向するように、複数の振動子を具備する超音波探触子を配置する配置工程と、
   前記超音波探触子を前記被探傷材の周方向に沿って相対回転させながら、前記複数の各振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送信し、前記複数の各振動子が受信するエコーに基づき、前記被探傷材の中心部の所定の探傷領域に存在するきずを検出する探傷工程と、を含み、
   前記配置工程において、前記複数の振動子は、前記超音波探触子と前記被探傷材との対向方向から見て、前記被探傷材の軸方向に略直交する方向に沿って前記探傷領域をカバーするように配列され、なお且つ、前記探傷工程で前記複数の各振動子から送信された超音波が前記被探傷材に入射するまでの経路において互いに略平行に伝搬するように配列される、
   ことを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記被探傷材は、丸鋼材であり、
   前記探傷工程において検出する前記きずは、前記丸鋼材の軸方向に直交する方向の断面における長さが０．１ｍｍ以上の割れきずであり、
   前記超音波探触子は、前記複数の振動子が直線状に配列されたアレイ型超音波探触子であり、
   前記複数の振動子は、前記対向方向から見て、前記丸鋼材の軸方向に略直交する方向に沿って０．５ｍｍ以下のピッチで配列され、
   前記探傷工程において、前記超音波探触子が具備する全ての前記複数の振動子のうち、同時に超音波を送信してエコーを受信する連続する複数の振動子からなる幅が５ｍｍ以下の振動子群を選択し、該選択する振動子群を１個の振動子分の切り替えピッチで順次切り替えることで、前記探傷領域に存在するきずを検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 略円柱状の被探傷材の側面に対向するように、直径が５ｍｍ以下の複数の振動子を具備する超音波探触子を配置する配置工程と、
   前記超音波探触子を前記被探傷材の周方向に沿って相対回転させながら、前記複数の各振動子から前記被探傷材に向けて超音波を送信し、前記複数の各振動子が受信するエコーに基づき、前記被探傷材の中心部の所定の探傷領域に存在するきずを検出する探傷工程と、を含み、
   前記被探傷材は、丸鋼材であり、
   前記探傷工程において検出する前記きずは、前記丸鋼材の軸方向に直交する方向の断面における長さが０．１ｍｍ以上の割れきずであり、
   前記配置工程において、前記複数の振動子は、前記超音波探触子と前記被探傷材との対向方向から見て、前記被探傷材の軸方向に略直交する方向に沿って前記探傷領域をカバーするように配列され、前記複数の振動子は、前記対向方向から見て、前記丸鋼材の軸方向に略直交する方向に沿って０．５ｍｍ以下のピッチで配列され、なお且つ、前記探傷工程で前記複数の各振動子から送信された超音波が前記探傷領域において互いに略平行に伝搬するように配列される、
   ことを特徴とする超音波探傷方法。

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