JP7103838B2

JP7103838B2 - 超音波探傷装置

Info

Publication number: JP7103838B2
Application number: JP2018088205A
Authority: JP
Inventors: 利英福井; 泰宏和佐
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2018-05-01
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-05-01
Also published as: JP2019194533A

Description

本発明は、鋼材の内部に存在する欠陥を超音波で探傷する超音波探傷装置に関するものである。

従来、超音波プローブを用いて鋼材内部の欠陥を探傷する超音波探傷技術が知られている（例えば特許文献１，２参照）。一般に、鋼材の端部に、切断に起因するシャー垂れが生じて、端部の直角度が損なわれることがある。その場合には、超音波プローブを鋼材の端部まで移動させることが困難となる。このため、鋼材の端部には、探傷が不可能な不感帯が生じてしまうので、不感帯を可能な限り小さくすることが求められる。そこで、特許文献１，２に記載の技術では、超音波プローブから超音波を斜めに出射させて、鋼材の端部に存在する欠陥を探傷できるようにしている。

特開平４－５５７５４号公報特開２００５－２０１８００号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に記載の技術では、鋼材の端部に存在する欠陥のうち、端面に接する欠陥は検出できるが、端面から離れた欠陥を検出することは困難となっていた。

本発明は、上記問題を解決するもので、端面から離れた欠陥を含む鋼材の端面近傍に存在する欠陥を探傷することが可能な超音波探傷装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、
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、
前記鋼材の端部を探傷するための超音波プローブと、
前記超音波プローブの超音波送受信面を前記鋼材の表面に平行に倣わせる倣い機構と、
を備えるものである。

この態様によれば、超音波プローブの超音波送受信面は、倣い機構により鋼材の表面に平行に倣うので、鋼材の端部に曲がり又はシャー垂れが存在しても、超音波プローブの超音波送受信面が安定して鋼材の表面に平行に倣うことが可能になる。その結果、鋼材の端面近傍まで、鋼材の欠陥を探傷することができる。

上記態様において、前記倣い機構は、前記超音波プローブの前記超音波送受信面を前記鋼材の表面に向けて押圧する押圧機構と、前記鋼材の表面の傾きの変化に応じて前記超音波プローブの前記超音波送受信面の傾きを変化させるジンバル機構と、を含んでもよい。

上記態様において、例えば、
前記超音波プローブを移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御して、前記超音波プローブが前記鋼材の端面に向けて前記表面の端部まで移動して、前記超音波プローブの前記超音波送受信面が前記鋼材の前記表面に平行に倣う状態になると、更に前記超音波プローブを前記鋼材の中央部に向けて所定距離移動させた後に停止させ、更に前記超音波プローブを前記鋼材の前記端面に向けて移動させつつ、前記超音波プローブを制御して、前記欠陥を探傷させる探傷制御部と、
を更に備える。

この態様では、超音波プローブが端面に向けて表面の端部まで移動して、超音波プローブの超音波送受信面が鋼材の表面に平行に倣う状態になると、更に超音波プローブが鋼材の中央部に向けて所定距離移動させた後に停止させ、超音波プローブを前記端面に向けて移動させつつ、超音波プローブにより、鋼材の欠陥が探傷される。したがって、この態様によれば、超音波プローブが鋼材の端部から所定距離中央に寄った位置から端部に向けて移動するので、鋼材の端面近傍における欠陥を探傷することができる。

なお、上記各態様において、前記探傷制御部は、前記超音波プローブによる前記欠陥の探傷中に前記鋼材を移動させる場合には、低速で移動させることが好ましい。上記各態様において、前記探傷制御部は、前記超音波プローブによる前記欠陥の探傷中に前記鋼材を停止させておくことが、更に好ましい。これらの態様によれば、超音波プローブは、鋼材の欠陥を安定して探傷することができる。

上記態様において、例えば、
正常な探傷結果が得られたか否かを判定するための判定閾値を記憶するメモリと、
前記超音波プローブにより得られた受信信号の信号強度と前記判定閾値とを比較して、正常な探傷結果が得られない不感帯領域を判定する領域判定部と、
を更に備えてもよい。

不感帯領域が予め設定されている場合、不感帯領域が、実際に正常な探傷結果が得られない領域、つまり欠陥の有無を判別できない領域より小さく設定されていると、不感帯領域であるのに、正常な探傷結果が得られるとみなして、無駄な探傷が行われる領域が生じる。このため、一般に、不感帯領域は、大きめに設定されるので、正常な探傷結果が得られる領域でも、不感帯領域に含まれてしまうことがある。これに対して、この態様では、超音波プローブにより得られた受信信号の信号強度と判定閾値とが比較されて、正常な探傷結果が得られない不感帯領域が判定される。したがって、この態様によれば、正常な探傷結果が得られない、真の不感帯領域を判定することができる。

上記態様において、例えば、
前記鋼材の表面の形状を測定する測定機器と、
前記測定機器により測定された前記鋼材の表面の形状に基づき、正常な探傷結果が得られない不感帯領域を判定する領域判定部と、
前記領域判定部によって判定された前記不感帯領域を記憶するメモリと、
を更に備えてもよく、
前記探傷制御部は、前記メモリから前記不感帯領域を読み出して、前記不感帯領域以外の領域においてのみ、前記超音波プローブを制御して前記欠陥を探傷させてもよい。

この態様では、測定機器により測定された鋼材の表面の形状に基づき、正常な探傷結果が得られない不感帯領域が判定され、判定された不感帯領域がメモリに記憶される。そして、メモリから不感帯領域が読み出され、不感帯領域以外の領域においてのみ、超音波プローブが制御されて欠陥が探傷される。したがって、この態様によれば、事前に不感帯領域が判定されているため、無駄な探傷動作を行わないようにすることが可能になる。

上記態様において、例えば、
前記超音波プローブは、フェイズドアレイプローブを含んでもよく、
前記フェイズドアレイプローブは、前記移動機構による前記超音波プローブの移動方向に垂直な面内において、超音波送受信面の法線方向を基準に、所定の角度範囲内で、超音波ビームの出射方向を走査してもよい。

この態様では、超音波プローブの移動方向に垂直な面内において、超音波送受信面の法線方向を基準に、所定の角度範囲内で、超音波ビームの出射方向が走査される。したがって、この態様によれば、超音波プローブの移動方向に垂直な面内において、幅広く欠陥を探傷することが可能になる。

上記態様において、例えば、
前記フェイズドアレイプローブは、前記移動機構による前記超音波プローブの移動方向に対して垂直な方向に、前記超音波ビームを出射してもよい。

この態様では、超音波プローブの移動方向に対して垂直な方向に、超音波ビームが出射される。したがって、この態様によれば、鋼材内部の欠陥に反射された反射波を確実に受信することが可能になる。

本発明によれば、超音波プローブの超音波送受信面は、倣い機構により鋼材の表面に平行に倣うため、鋼材の端部に曲がり又はシャー垂れが存在しても、超音波プローブの超音波送受信面が安定して鋼材の表面に倣うことが可能になり、鋼材の端面近傍まで、鋼材の欠陥を探傷することができる。

本実施形態の超音波探傷装置を構成する探傷部を概略的に示す平面図である。探傷部を概略的に示す斜視図である。探傷部を概略的に示す斜視図である。超音波プローブの探傷範囲を概略的に示す図である。超音波プローブの探傷範囲を概略的に示す図である。探傷部の動きを概略的に示す図である。探傷部の動きを概略的に示す図である。鋼材の表面形状が均一な場合の探傷動作を概略的に示す側面図である。図８の探傷動作における超音波プローブの検出信号を概略的に示す図である。図８の探傷動作における超音波プローブの検出信号を概略的に示す図である。鋼材の表面形状が不均一な場合の探傷動作を概略的に示す側面図である。図１１の探傷動作における超音波プローブの検出信号を概略的に示す図である。超音波探傷装置の制御構成を概略的に示すブロック図である。変形された実施形態の探傷部を概略的に示す平面図である。曲りのある鋼材を図１の探傷部により探傷している状態を概略的に示す側面図である。図１５の鋼材を図１４の探傷部により探傷している状態を概略的に示す側面図である。鋼材の形状を測定する構成の一例を概略的に示す図である。鋼材の第１面の形状測定手順を概略的に示すフローチャートである。異なる構成の超音波探傷装置における探傷部の動きを概略的に示す図である。異なる構成の超音波探傷装置における探傷部の動きを概略的に示す図である。異なる構成の超音波探傷装置における探傷部の動きを概略的に示す図である。

以下、本発明の一実施の形態が、図面を参照しながら説明される。なお、各図面において、同じ構成要素については同じ符号が用いられる。

図１は、本実施形態の超音波探傷装置を構成する探傷部を概略的に示す平面図である。図２、図３は、上記探傷部を概略的に示す斜視図である。図１には、コイルばねに挿通する４隅の支柱を切断して上から見た状態が示されている。なお、各図において、例えば図１に示されるように、超音波プローブ１１０の超音波送受信面に平行な面がＸＹ平面となるように、ＸＹＺ直交座標系が設定されている。

図１～図３に示される探傷部１００は、鋼材２００の内部に存在する欠陥を探傷するもので、超音波プローブ１１０と、プローブ保持部１３０と、車輪１３１～１３４と、第１枠体１４０と、第２枠体１５０と、を備える。鋼材２００は、本実施形態では、Ｘ軸方向に長い直方体形状を有し、Ｘ軸方向を法線とする面で切断した断面は、例えば正方形の角を丸くした形状に形成されている。

超音波プローブ１１０は、超音波送受信面から鋼材２００に向けて超音波を出射し、鋼材２００の内部に存在する欠陥又は鋼材２００の底面で反射した反射波を受信して、欠陥の有無を判別する。超音波プローブ１１０は、図１～図３に示されるように、Ｙ軸方向に長い、ほぼ直方体形状を有している。

プローブ保持部１３０は、超音波プローブ１１０を保持する。プローブ保持部１３０は、Ｘ軸方向に延び、かつ、Ｘ軸方向における中央からＹ軸方向に延びて、平面視でほぼ十字形状を有するとともに、Ｚ軸方向に厚さを有する箱状に形成されている。プローブ保持部１３０の中央には、超音波プローブ１１０と平面視でほぼ同じサイズの長方形の穴が穿設されている。超音波プローブ１１０は、その穴に嵌め込まれた状態で固定されており、超音波プローブ１１０から超音波が出射される超音波送受信面が露出している。

プローブ保持部１３０のＸ軸方向に延びる部分の一方側に、車輪１３１，１３２が回転自在に、かつ車輪１３１，１３２の車軸がＹ軸方向に平行に、取り付けられている。プローブ保持部１３０のＸ軸方向に延びる部分の他方側に、車輪１３３，１３４が回転自在に、かつ車輪１３３，１３４の車軸がＹ軸方向に平行に、取り付けられている。

Ｚ軸方向における車輪１３１～１３４の位置は、車輪１３１～１３４が鋼材２００の表面に接触したときに、超音波プローブ１１０の超音波送受信面と鋼材２００の表面との間に一定の隙間が形成されるように、決められている。この隙間は、水などの液体からなる接触媒質で満たされるようになっている。

第１枠体１４０は、プローブ保持部１３０をＹ軸周りに回動可能に支持する。第１枠体１４０は、例えば、４本の同一長さの四角柱形状の部材が、端部において順に直角に接続されるとともに、角が丸みをおびるように形成され、Ｚ軸方向から見た平面視で、外周形状及び内周形状が、ともに正方形の角を丸くした形状を有している。第１枠体１４０のＸ軸方向に延びる部分の一方の中央には、軸心がＹ軸方向になるように回動軸１４１が取り付けられ、他方の中央には、回動軸１４１と同軸に回動軸１４２が取り付けられている。

回動軸１４１の頭部１４１ａと軸部１４１ｂの根元部分とは、第１枠体１４０の貫通穴に固定され、軸部１４１ｂの先端部分は、プローブ保持部１３０のＹ軸方向に延びる部分の一方の端面に設けられた軸受部１３７に、プローブ保持部１３０が軸部１４１ｂ周りに回動可能に挿入されている。回動軸１４２の頭部１４２ａと軸部１４２ｂの根元部分とは、第１枠体１４０の貫通穴に固定され、軸部１４２ｂの先端部分は、プローブ保持部１３０のＹ軸方向に延びる部分の他方の端面に設けられた軸受部１３８に、プローブ保持部１３０が軸部１４２ｂ周りに回動可能に挿入されている。軸受部１３７，１３８は、それぞれ、単なる丸穴でもよく、或いは、ボールベアリング等を備えて軸部１４１ｂ，１４２ｂ周りにプローブ保持部１３０が滑らかに回動するように構成されていてもよい。

第２枠体１５０は、第１枠体１４０を外囲し、第１枠体１４０をＸ軸周りに回動可能に支持する。第２枠体１５０は、第１枠体１４０と同様に形成されている。すなわち、第２枠体１５０は、例えば、４本の同一長さの四角柱形状の部材が、端部において順に直角に接続されるとともに、角が丸みをおびるように形成され、Ｚ軸方向から見た平面視で、外周形状及び内周形状が、ともに正方形の角を丸くした形状を有している。第２枠体１５０のＹ軸方向に延びる部分の一方の中央には、軸心がＸ軸方向になるように回動軸１５１が取り付けられ、他方の中央には、回動軸１５１と同軸に回動軸１５２が取り付けられている。

回動軸１５１の頭部１５１ａと軸部１５１ｂの根元部分とは、第２枠体１５０の貫通穴に固定され、軸部１５１ｂの先端部分は、第１枠体１４０のＹ軸方向に延びる部分の一方の中央に設けられた軸受部１４３に、第１枠体１４０が軸部１５１ｂ周りに回動可能に挿入されている。回動軸１５２の頭部１５２ａと軸部１５２ｂの根元部分とは、第２枠体１５０の貫通穴に固定され、軸部１５２ｂの先端部分は、第１枠体１４０のＹ軸方向に延びる部分の他方の中央に設けられた軸受部１４４に、第１枠体１４０が軸部１５２ｂ周りに回動可能に挿入されている。軸受部１４３，１４４は、それぞれ、単なる丸穴でもよく、或いは、ボールベアリング等を備えて軸部１５１ｂ，１５２ｂ周りに第１枠体１４０が滑らかに回動するように構成されていてもよい。

第２枠体１５０の４隅に設けられた貫通穴には、それぞれ、支柱１６１，１６２，１６３，１６４が挿通されている。支柱１６１，１６２，１６３，１６４の上端は、それぞれ、天板１７０の対応する位置に設けられた支持部１７１，１７２，１７３，１７４に固定されている。支柱１６１，１６２，１６３，１６４の下端には、それぞれ、第２枠体１５０の貫通穴より大径の留め部１９１，１９２，１９３，１９４が形成されて、第２枠体１５０が抜け落ちないように構成されている。

支柱１６１，１６２，１６３，１６４の第２枠体１５０と天板１７０との間の部分は、それぞれ、コイルばね１８１，１８２，１８３，１８４に挿通している。コイルばね１８１，１８２，１８３，１８４は、それぞれ、例えば圧縮コイルばねであり、第２枠体１５０を天板１７０から離れる向きに付勢している。後述される昇降機構３２０（図６）により天板１７０が鋼材２００に向けて降下し、車輪１３１～１３４が鋼材２００の表面に当接した後、さらに天板１７０が鋼材２００に向けて近づくと、天板１７０によりコイルばね１８１，１８２，１８３，１８４（押圧機構の一例に相当）が圧縮され、圧縮されたコイルばね１８１，１８２，１８３，１８４が、第１枠体１４０、第２枠体１５０、プローブ保持部１３０の全体を、鋼材２００の表面に向けて押圧する。

第１枠体１４０、回動軸１４１，１４２、第２枠体１５０、回動軸１５１，１５２は、公知のジンバル機構を構成する。

すなわち、回動軸１４１，１４２の軸部１４１ｂ，１４２ｂは、それぞれ、第１枠体１４０の貫通穴に固定され、かつ、プローブ保持部１３０の軸受部１３７，１３８に回動可能に挿入されている。この構成により、第１枠体１４０及び回動軸１４１，１４２は、プローブ保持部１３０を回動軸１４１，１４２の軸心周りに回動可能に保持する。

また、回動軸１５１，１５２の軸部１５１ｂ，１５２ｂは、それぞれ、第２枠体１５０の貫通穴に固定され、かつ、第１枠体１４０の軸受部１４３，１４４に回動可能に挿入されている。この構成により、第２枠体１５０及び回動軸１５１，１５２は、第１枠体１４０を回動軸１５１，１５２の軸心周りに回動可能に保持する。

後述される昇降機構３２０（図６）により、探傷部１００が鋼材２００に向けて降下して、車輪１３１～１３４が鋼材２００の表面に押し付けられると、鋼材２００の表面の凹凸に応じて、プローブ保持部１３０が、回動軸１４１，１４２の軸心周りに回動し、かつ、第１枠体１４０が、回動軸１５１，１５２の軸心周りに回動する。

このように、本実施形態では、第１枠体１４０、回動軸１４１，１４２、第２枠体１５０、回動軸１５１，１５２は、２軸のジンバル機構を構成し、プローブ保持部１３０（つまり超音波プローブ１１０）は、Ｘ軸周り及びＹ軸周りに回動する。

以上のように、本実施形態によれば、鋼材２００の表面に、曲がり、シャー垂れ等が形成されている場合であっても、コイルばね１８１～１８４（押圧機構）と第１枠体１４０、回動軸１４１，１４２、第２枠体１５０、回動軸１５１，１５２（ジンバル機構）とによって、超音波プローブ１１０の超音波送受信面を、鋼材２００の表面に平行に倣わせることができ、水などの液体からなる接触媒質を介して、超音波プローブ１１０を鋼材２００の表面に安定して接触させることが可能になっている。

また、本実施形態によれば、車輪１３１，１３３と車輪１３２，１３４との２列の車輪を探傷部１００に設けることで、接触媒質を介して、超音波プローブ１１０の超音波送受信面を鋼材２００の表面に略等距離を保って安定して接触させることができる。本実施形態において、コイルばね１８１～１８４（押圧機構）と第１枠体１４０、回動軸１４１，１４２、第２枠体１５０、回動軸１５１，１５２（ジンバル機構）とは、超音波プローブ１１０の超音波送受信面を鋼材２００の表面に平行に倣わせる倣い機構を構成する。

図４、図５は、超音波プローブ１１０の探傷範囲を概略的に示す図である。図４は、鋼材２００を端面２１０からＸ軸方向に見た状態（つまり鋼材２００をＹＺ平面で切断した状態）を示し、図５は、鋼材２００の側面をＹ軸方向に見た状態（つまり鋼材２００をＸＺ平面で切断した状態）を示す。

本実施形態では、超音波プローブ１１０は、フェイズドアレイ技術を利用したフェイズドアレイプローブを含む。超音波プローブ１１０は、ＹＺ平面内において、超音波送受信面の法線方向を基準に、所定の角度範囲内で、超音波ビームを走査させる（つまりＹＺ平面内において、超音波ビームを種々の角度で出射させる）ことによって、図４に示されるように、ＹＺ平面では探傷領域１１１が広くなっている。これによって、超音波プローブ１１０は、欠陥２２１，２２２等を探傷可能になっている。所定の角度範囲は、鋼材２００の大きさ等に応じて、適切な値に設定してもよい。

一方、超音波プローブ１１０は、Ｘ軸方向では垂直探傷を行っており、図５に示されるように、ＸＺ平面では探傷領域１１１が狭くなっている。ＸＺ平面における探傷範囲を広くすると、鋼材２００内の欠陥で反射した超音波が超音波プローブ１１０に戻ってこない可能性がある。そこで、ＸＺ平面では探傷領域１１１を狭くすることによって、鋼材２００内の欠陥２２３，２２４で反射した超音波が、超音波プローブ１１０に確実に戻ってくるようにしている。なお、後述されるように、超音波プローブ１１０を鋼材２００に対してＸ軸方向に移動させているので、ＸＺ平面で探傷領域１１１が狭くなっても支障を来すことはない。

図６、図７は、探傷部１００の動きを概略的に示す図である。なお、図６、図７において、鋼材２００は、鋼材２００の第１面２０１がＸＹ平面に平行になるように配置されている。また、図６、図７では、探傷部１００のうち天板１７０のみが示されている。この実施形態では、２枚の天板１７０が互いに直角に連結されて、２個の探傷部１００（図１）が設けられており、鋼材２００の第１面２０１と、その隣の第２面２０２とを、同時に探傷することが可能に構成されている。

本実施形態における超音波探傷装置３００は、２個の探傷部１００（図１）に加えて、２個の探傷部１００を昇降させる昇降機構３２０と、２個の探傷部１００をＸ軸方向に移動させる移動機構３３０と、鋼材２００の位置を検出するレーザ距離計３４０と、を備える。

昇降機構３２０は、２個の探傷部１００の昇降を案内する案内部材３２１と、２個の探傷部１００を保持する図略の保持部と、保持部に保持された２個の探傷部１００を昇降させる図略の駆動部とを含む。駆動部は、案内部材３２１に沿って、鋼材２００に対する接離方向に、保持部に保持された２個の探傷部１００を昇降させる。

移動機構３３０は、Ｘ軸に平行に配置された案内レール３３１と、案内レール３３１上に配置された車輪３３２，３３２と、昇降機構３２０を保持する図略の保持部と、車輪３３２，３３２を回動させる図略の駆動部と、を含む。駆動部により車輪３３２，３３２が案内レール３３１上で回動すると、保持部に保持された昇降機構３２０は、案内レール３３１に沿って移動する。その結果、昇降機構３２０の保持部に保持された２個の探傷部１００（図１）が、案内レール３３１に沿ってＸ軸方向に移動する。レーザ距離計３４０は、出射したレーザ光が鋼材２００で反射された反射光を受光して鋼材２００との距離を計測する。

天板１７０を含む探傷部１００（図１）の動きが説明される。鋼材２００は、前工程から次工程に向けてＸ軸方向に搬送されており、レーザ距離計３４０により所定距離に到達したことが検出されると、停止する。鋼材２００が停止すると、昇降機構３２０が作動して、２個の探傷部１００を鋼材２００に向けて降下させる。

昇降機構３２０は、所定時間作動した後、２個の探傷部１００の車輪１３１～１３４（図１）が、それぞれ鋼材２００の第１面２０１及び第２面２０２に接触した状態で、停止する。次に、移動機構３３０が作動して、鋼材２００の前端（図７中、左端）に向けて、２個の探傷部１００を移動させる。この移動中に、超音波プローブ１１０（図１）が作動して、鋼材２００の探傷が実行される。

なお、図示は省略されているが、超音波探傷装置３００は、鋼材２００の反対側にも、同じ構成の載置台と、その載置台を移動させる昇降機構及び移動機構と、を備える。この構成によって、本実施形態の超音波探傷装置３００によれば、鋼材２００の第１面２０１及び第２面２０２と、第１面２０１の裏側の第３面２０３及び第２面２０２の裏側の第４面２０４との、４つの面を同時に探傷することが可能になっている。

また、図６、図７では、鋼材２００の前端部（図６中、左端部）の探傷のみが説明されているが、鋼材２００の後端部（図６中、右端部）の探傷も、同様にして行われる。すなわち、鋼材２００が所定距離に到達したことがレーザ距離計３４０により検出されると、鋼材２００が停止する。２個の探傷部１００は、昇降機構３２０により鋼材２００に向けて降下し、２個の探傷部１００の超音波プローブ１１０の車輪１３１～１３４（図１）が、それぞれ鋼材２００の第１面２０１及び第２面２０２に接触した状態で、停止する。次に、移動機構３３０が作動して、鋼材２００の後端（図７中、右端）に向けて、２個の探傷部１００を移動させる。この移動中に、超音波プローブ１１０（図１）が作動して、鋼材２００の探傷が実行される。

図８は、鋼材２００の表面形状が均一な場合の超音波プローブ１１０による探傷動作を概略的に示す側面図である。図９、図１０は、それぞれ、図８の探傷動作における超音波プローブ１１０の検出信号を概略的に示す図である。図１１は、鋼材２００の表面形状が不均一な場合の超音波プローブ１１０による探傷動作を概略的に示す側面図である。図１２は、図１１の探傷動作における超音波プローブ１１０の検出信号を概略的に示す図である。図１３は、超音波探傷装置３００の制御構成を概略的に示すブロック図である。

図１３において、制御部４００は、超音波探傷装置３００の全体の動作を制御する。制御部４００は、メモリ４１０と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４２０と、周辺回路と、を含む。メモリ４１０は、例えば半導体メモリ等により構成される。メモリ４１０は、例えばリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的に消去書き換え可能なＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）などを含む。メモリ４１０の例えばＲＯＭは、ＣＰＵ４２０を動作させる本実施形態の制御プログラムを記憶する。ＣＰＵ４２０は、メモリ４１０に記憶された本実施形態の制御プログラムにしたがって動作することによって、探傷制御部４２１、領域判定部４２２として機能する。探傷制御部４２１は、図６、図７を用いて説明されたように、レーザ距離計３４０からの計測信号に基づき、昇降機構３２０及び移動機構３３０の動作を制御して、探傷部１００（つまり超音波プローブ１１０）を移動させる。また、探傷制御部４２１は、超音波プローブ１１０の動作を制御して、超音波プローブ１１０に鋼材２００の探傷を行わせて、探傷結果を判定する。領域判定部４２２の機能は、後述される。

図８において、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ１の位置では、鋼材２００に欠陥が無い。したがって、第１面２０１に配置された超音波プローブ１１０は、図９に示されるように、出射波Ｗ１が、距離Ｄ１の第３面２０３で反射された反射波Ｗ２を受信する。したがって、領域判定部４２２は、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ１の位置は、不感帯ではないと判定する。不感帯は、正常な探傷結果が得られない領域である。また、探傷制御部４２１は、距離Ｌ１の位置には欠陥が存在しないと判定する。

また、図８において、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ２の位置では、鋼材２００に欠陥２１１が存在する。したがって、第１面２０１に配置された超音波プローブ１１０は、図１０に示されるように、出射波Ｗ１が、距離Ｄ２の欠陥２１１で反射された反射波Ｗ３を受信する。したがって、領域判定部４２２は、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ２の位置は、不感帯ではないと判定する。また、探傷制御部４２１は、距離Ｌ２の位置に欠陥２１１が存在すると判定する。

探傷部１００（図１）の構造上、図８に示される鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ３の位置が、超音波プローブ１１０により探傷可能な限界になっている。また、図８の鋼材２００では、第１面２０１及び第３面２０３の形状が均一になっている。このため、鋼材２００の第１面２０１及び第３面２０３の両方とも、領域判定部４２２は、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ３までの領域が、不感帯であると判定する。

図１１において、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ４の位置では、鋼材２００に欠陥２１２が存在する。したがって、第１面２０１に配置された超音波プローブ１１０は、出射波が、欠陥２１２で反射された反射波を受信する。したがって、領域判定部４２２は、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ４の位置は、不感帯ではないと判定する。また、探傷制御部４２１は、距離Ｌ４の位置に欠陥２１２が存在すると判定する。

図１１において、鋼材２００の第１面２０１では、端面２１０から距離Ｌ５までの領域が、シャー垂れ又は曲りによって不均一になっている。したがって、鋼材２００の端面２１０から距離Ｌ５までの領域では、図１１に示されるように、欠陥２１３で反射した反射波が超音波プローブ１１０に戻ってこない。このため、第１面２０１に配置された超音波プローブ１１０は、図１２に示されるように、信号強度が閾値ＴＨ１以上の乱れた反射波Ｗ４を受信する。したがって、領域判定部４２２は、鋼材２００の第１面２０１における端面２１０から距離Ｌ５までの領域は、不感帯であると判定する。

また、図１１に示されるように、鋼材２００の第３面２０３の形状は、均一になっている。したがって、領域判定部４２２は、鋼材２００の第３面２０３における不感帯を、図８と同様に、端面２１０から距離Ｌ３（Ｌ３＜Ｌ５）までの領域と判定する。

このように、本実施形態では、領域判定部４２２は、鋼材２００の第１面２０１～第４面２０４において、それぞれ、不感帯を個別に判定することとなる。その結果、不感帯の領域を必要最小限の大きさとすることができる。

（変形された実施形態）
（１）図１４は、変形された実施形態の探傷部を概略的に示す平面図である。図１５は、曲りのある鋼材を図１の探傷部により探傷している状態を概略的に示す側面図である。図１６は、図１５の鋼材を図１４の探傷部により探傷している状態を概略的に示す側面図である。

図１４に示される探傷部１００のプローブ保持部１３０には、車輪１３１～１３４に加えて、車輪１３５，１３６が取り付けられている。これによって、車輪１３１，１３３と車輪１３２，１３４と車輪１３５，１３６との３列の車輪が探傷部１００に設けられている。図１に示されるような、２列の車輪が設けられた探傷部１００を用いると、図１５に示されるように、鋼材２００の曲りの曲率半径が小さい場合には、鋼材２００の曲りの部分のみが、探傷部１００の超音波プローブの超音波送受信面に接触してしまう可能性がある。これに対して、図１４に示されるような、３列の車輪が設けられた探傷部１００を用いると、図１６に示されるように、鋼材２００の曲りの曲率半径が小さい場合でも、鋼材２００の曲りの部分のみが、探傷部１００の超音波プローブの超音波送受信面に接触してしまうことがなくなる。このように、図１４に示される実施形態によれば、鋼材２００の曲りの曲率半径が小さい場合でも、安定して探傷を行うことが可能になる。

（２）図１７は、鋼材の形状を測定する構成の一例を概略的に示す図である。図１８は、鋼材の第１面の形状測定手順を概略的に示すフローチャートである。図１８の形状測定動作は、図６、図７を用いて説明された探傷動作の前に、実行される。

この変形された実施形態では、図１７に示されるように、４つのカメラ３５１～３５４が設けられている。カメラ３５１は、鋼材２００の搬送路に隣接して、その光軸が搬送される鋼材２００に向くように、配置される。カメラ３５１は、鋼材２００の第１面２０１及び第２面２０２の前端部（図１７中、左端部）の形状を測定する。カメラ３５２は、鋼材２００の搬送路のカメラ３５１と反対側に、その光軸が搬送される鋼材２００に向くように、配置される。カメラ３５２は、鋼材２００の第３面２０３及び第４面２０４の前端部（図１７中、左端部）の形状を測定する。

カメラ３５３は、鋼材２００の搬送路のカメラ３５１と同じ側に、その光軸が搬送される鋼材２００に向くように、カメラ３５１から鋼材２００の長さ程度離れて配置される。カメラ３５３は、鋼材２００の第１面２０１及び第２面２０２の後端部（図１７中、右端部）の形状を測定する。カメラ３５４は、鋼材２００の搬送路のカメラ３５３と反対側に、その光軸が搬送される鋼材２００に向くように、配置される。カメラ３５４は、鋼材２００の第３面２０３及び第４面２０４の後端部（図１７中、右端部）の形状を測定する。

カメラ３５１～３５４（測定機器の一例に相当）は、それぞれ、公知の手法で、鋼材２００の第１面２０１～第４面２０４の形状を測定する。例えば、カメラ３５１～３５４は、鋼材２００の表面に向けてライン光を照射し、鋼材２００の表面で反射したライン光の曲がり度合を検出して、鋼材２００の表面の形状を測定してもよい。例えば、カメラ３５１～３５４に代えてレーザレーダを備え、レーザ光が鋼材２００の表面で反射した反射光により、鋼材２００の表面の各点に対する距離を測定して、鋼材２００の表面の形状を測定してもよい。

図１８のステップＳ１０００において、カメラ３５１は、鋼材２００の第１面２０１の形状を測定する。ステップＳ１００５において、領域判定部４２２は、第１面２０１の傾斜角度が閾値以上であるか否かを判定する。なお、この閾値は、予め定められてメモリ４１０に保存されている。第１面２０１の傾斜角度が閾値未満であれば（ステップＳ１００５でＮＯ）、処理はステップＳ１０１０に進む。一方、第１面２０１の傾斜角度が閾値以上であれば（ステップＳ１００５でＹＥＳ）、処理はステップＳ１０１５に進む。

ステップＳ１０１０において、領域判定部４２２は、不感帯を距離Ｌ３（図８）と判定してメモリ４１０に保存し、図１８の動作を終了する。ステップＳ１０１５において、領域判定部４２２は、不感帯を、鋼材２００の端面２１０から傾斜開始位置までの距離Ｌｔ（例えば図１１では距離Ｌ５）と判定してメモリ４１０に保存し、図１８の動作を終了する。なお、鋼材２００の第２面２０２～第４面２０４の形状測定についても、それぞれ、カメラ３５２～３５４を用いて、図１８の手順と同様に行うことができる。

図１７、図１８の実施形態では、探傷制御部４２１は、不感帯における探傷動作を行わないようにしてもよい。代替的に、図１７、図１８の実施形態では、探傷制御部４２１は、不感帯においても探傷動作を行い、得られたデータを不採用とするようにしてもよい。

（３）図１９～図２１は、異なる構成の超音波探傷装置における探傷部の動きを概略的に示す図である。なお、図１９～図２１において、鋼材２００は、上記実施形態と同様に、鋼材２００の第１面２０１がＸＹ平面に平行になるように配置されている。また、図１９～図２１では、上記実施形態と同様に、探傷部１００のうち天板１７０のみが示されている。図１９～図２１に示される超音波探傷装置では、４枚の天板１７０が互いに直角に連結されて、４個の探傷部１００（図１）が設けられており、鋼材２００の第１面２０１、第２面２０２、第３面２０３、第４面２０４の全ての面を同時に探傷することが可能に構成されている。

図１９～図２１に示される実施形態の超音波探傷装置３００Ａは、４個の探傷部１００（図１）に加えて、４個の探傷部１００を昇降させる昇降機構３２０Ａと、４個の探傷部１００をＸ軸方向に移動させる移動機構３３０Ａと、鋼材２００の位置を検出するレーザ距離計３４０と、を備える。

昇降機構３２０Ａは、４個の探傷部１００の昇降を案内する案内部材３２１と、４個の探傷部１００を保持する図略の保持部と、保持部に保持された４個の探傷部１００を昇降させる図略の駆動部とを含む。駆動部は、例えばエアシリンダーを含む。駆動部は、案内部材３２１に沿って、鋼材２００に対する接離方向に、保持部に保持された４個の探傷部１００を空気圧によって昇降させる。

移動機構３３０Ａは、Ｘ軸に平行に配置された案内レール３３１と、案内レール３３１上に配置された車輪３３２，３３２と、昇降機構３２０Ａを保持する図略の保持部と、車輪３３２，３３２を回動させる図略の駆動部と、を含む。駆動部により車輪３３２，３３２が案内レール３３１上で回動すると、保持部に保持された昇降機構３２０Ａは、案内レール３３１に沿って移動する。その結果、昇降機構３２０Ａの保持部に保持された４個の探傷部１００（図１）が、案内レール３３１に沿ってＸ軸方向に移動する。レーザ距離計３４０は、出射したレーザ光が鋼材２００で反射された反射光を受光して鋼材２００との距離を計測する。

天板１７０を含む探傷部１００（図１）の動きが説明される。鋼材２００は、前工程から次工程に向けてＸ軸の負方向に搬送されている。鋼材２００が探傷部１００（図１）の直下からＸ軸の正方向に所定距離だけ離れた位置に到達したことがレーザ距離計３４０により検出されると、図１９に示されるように、鋼材２００は停止する。

鋼材２００が停止すると、昇降機構３２０Ａが作動して、４個の探傷部１００を降下させる。昇降機構３２０Ａは、所定時間作動した後、図２０に示されるように、４個の探傷部１００が鋼材２００に対応する高さ位置に到達すると、停止する。

次に、移動機構３３０Ａが作動して、図２１に示されるように、鋼材２００の端部に向けて、Ｘ軸の正方向に４個の探傷部１００を移動させる。４個の探傷部１００の車輪１３１～１３４（図１）が、それぞれ鋼材２００の第１面２０１～第４面２０４に接触して、４個の超音波プローブ１１０（図１）の超音波送受信面が、それぞれ鋼材２００の第１面２０１～第４面２０４に倣う状態になる。この状態から、移動機構３３０Ａにより、更に４個の超音波プローブ１１０（図１）が鋼材２００の中央部に向けてＸ軸の正方向に所定距離ＤＬ移動して停止する。続いて、移動機構３３０Ａが再び作動して、４個の超音波プローブ１１０（図１）が鋼材２００の端部に向けてＸ軸の負方向に移動しつつ、４個の超音波プローブ１１０（図１）が、それぞれ作動を開始して、鋼材２００の探傷が実行される。なお、所定距離ＤＬは、必要とされる端部の探傷範囲に応じて、適切な値に決めればよい。

なお、図１９～図２１では、鋼材２００の前端部（図２１中、左端部）の探傷のみが説明されているが、鋼材２００の後端部（図２１中、右端部）の探傷も、同様にして行われる。すなわち、鋼材２００が４個の探傷部１００の直下位置を通り過ぎて、所定距離に到達したことがレーザ距離計３４０により検出されると、鋼材２００が停止する。４個の探傷部１００は、昇降機構３２０Ａにより降下し、鋼材２００に対応する高さ位置に到達すると、停止する。

次に、移動機構３３０Ａが作動して、Ｘ軸の負方向に、鋼材２００に向けて４個の探傷部１００を移動させる。４個の探傷部１００の車輪１３１～１３４（図１）が、それぞれ、鋼材２００の第１面２０１～第４面２０４に接触して、４個の超音波プローブ１１０（図１）の超音波送受信面が、それぞれ鋼材２００の第１面２０１～第４面２０４に倣う状態になる。この状態から、移動機構３３０Ａにより、更に４個の超音波プローブ１１０（図１）が鋼材２００の中央部に向けてＸ軸の負方向に所定距離ＤＬ移動して停止する。続いて、移動機構３３０Ａが再び作動して、４個の超音波プローブ１１０（図１）が鋼材２００の端部に向けてＸ軸の正方向に移動しつつ、４個の超音波プローブ１１０（図１）が、それぞれ作動を開始して、鋼材２００の後端部（図２１中、右端部）の探傷が実行される。

図１９～図２１に示される実施形態においても、探傷制御部４２１（図１３）は、レーザ距離計３４０からの計測信号に基づき、昇降機構３２０Ａ及び移動機構３３０Ａの動作を制御して、探傷部１００（つまり超音波プローブ１１０）を移動させる。また、探傷制御部４２１は、超音波プローブ１１０の動作を制御して、超音波プローブ１１０に鋼材２００の探傷を行わせて、探傷結果を判定する。また、領域判定部４２２（図１３）は、上記実施形態と同様に、判定動作を行う。

１１０超音波プローブ
１４０第１枠体
１４１，１４２回転軸
１５０第２枠体
１５１，１５２回転軸
１８１～１８４コイルばね
３００超音波探傷装置
３３０移動機構
３５１～３５４カメラ
４１０メモリ
４２１探傷制御部
４２２領域判定部

Claims

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、
前記鋼材の端部を探傷するための超音波プローブと、
前記超音波プローブの超音波送受信面を前記鋼材の表面に平行に倣わせる倣い機構と、
前記超音波プローブを移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御して、前記超音波プローブが前記鋼材の端面に向けて前記表面の端部まで移動して、前記超音波プローブの前記超音波送受信面が前記鋼材の前記表面に平行に倣う状態になると、更に前記超音波プローブを前記鋼材の中央部に向けて所定距離移動させた後に停止させ、更に前記超音波プローブを前記鋼材の前記端面に向けて移動させつつ、前記超音波プローブを制御して、前記欠陥を探傷させる探傷制御部と、
を備える超音波探傷装置。
正常な探傷結果が得られたか否かを判定するための判定閾値を記憶するメモリと、
前記超音波プローブにより得られた受信信号の信号強度と前記判定閾値とを比較して、正常な探傷結果が得られない不感帯領域を判定する領域判定部と、
を更に備える請求項１に記載の超音波探傷装置。
前記鋼材の表面の形状を測定する測定機器と、
前記測定機器により測定された前記鋼材の表面の形状に基づき、正常な探傷結果が得られない不感帯領域を判定する領域判定部と、
前記領域判定部によって判定された前記不感帯領域を記憶するメモリと、
を更に備え、
前記探傷制御部は、前記メモリから前記不感帯領域を読み出して、前記不感帯領域以外の領域においてのみ、前記超音波プローブを制御して前記欠陥を探傷させる、
請求項２に記載の超音波探傷装置。
前記超音波プローブは、フェイズドアレイプローブを含み、
前記フェイズドアレイプローブは、前記移動機構による前記超音波プローブの移動方向に垂直な面内において、超音波送受信面の法線方向を基準に、所定の角度範囲内で、超音波ビームの出射方向を走査する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波探傷装置。
前記フェイズドアレイプローブは、前記移動機構による前記超音波プローブの移動方向に対して垂直な方向に、前記超音波ビームを出射する、
請求項４に記載の超音波探傷装置。