JP7107033B2 - 丸棒材の欠陥検出方法および欠陥検出装置 - Google Patents

Description

本発明は丸棒材の欠陥検出方法等に関し、特にアレイ式超音波発振器を使用して丸棒材の全断面の欠陥検出を行う欠陥検出方法等に関するものである。

丸棒材の全断面の欠陥検出を行う場合、通常は材料の内周部を垂直探傷で行い、材料の表面直下部分を斜角探傷で行っている。ここで、特許文献１にはアレイ式超音波探傷器で材料内周部を垂直探傷する例が、また特許文献２にはアレイ式超音波探傷器で材料表面部の射角探傷を行う例が示されている。

特開２０１３－２４２２２０ 特開２００９－１５０６７９

ところで、アレイ式超音波発振器は超音波の送受信タイミングを制御することで材料内部の任意の角度および位置へ焦点を結ぶことが可能であり、したがって、単一のアレイ式超音波発振器で垂直探傷も斜角探傷も同時に行うことが可能である。しかし、単一のアレイ式超音波発振器で垂直探傷と斜角探傷を同時に行う場合、その周波数も単一のものにすると、垂直探傷あるいは斜角探傷のいずれかで欠陥の検出感度が十分に得られない。その理由は、通常、垂直探傷では超音波の縦波によって探傷が行われるのに対して、斜角探傷では、縦波は臨界角以上にならないような入射角の制御が難しいため横波によって探傷が行われることから、超音波の周波数が同一であると縦波と横波では波長が異なってくるからである。このため垂直探傷用と斜角探傷用で異なる周波数のアレイ式超音波発振器をそれぞれ使用しているが、これは無駄が多い。

そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、単一のアレイ式超音波発振器で垂直探傷も斜角探傷も十分な感度で行うことが可能な丸棒材の欠陥検出方法および欠陥検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明の丸棒材の欠陥検出方法では、同一波長となる横波の周波数と縦波の周波数が含まれる帯域を有する超音波を出力する単一のアレイ式超音波発振器（１）を丸棒材（Ｍ）の外周に沿って設置して、前記アレイ式超音波発振器（１）の各振動子に対し所定の時間間隔をおいて２回の励振パルスを出力するようにし、前記丸棒材（Ｍ）に対する垂直探傷波の反射波のうちから前記同一波長となる縦波の周波数成分を抽出するとともに、前記丸棒材（Ｍ）に対する斜角探傷波の反射波のうちから前記同一波長となる横波の周波数成分を抽出し、抽出された前記各周波数成分の反射波によって丸棒材（Ｍ）の中心近傍の欠陥と表面直下の欠陥をそれぞれ検出する。なお、ここで「中心近傍領域」とは、丸棒材（Ｍ）の全周において、表面直下領域を除いた内部領域（以下、単に内部領域という）を示す。

本第１発明においては、縦波による垂直探傷および横波による斜角探傷のいずれにおいても同一波長の反射波から欠陥を検出することができるから、単一のアレイ式超音波発振器で垂直探傷も斜角探傷も十分な感度で行うことが可能であり、かつ十分な強度の超音波を出力することができる。

本第２発明の丸棒材の欠陥検出方法では、前記アレイ式超音波発振器の一定数の隣接する振動子をシフトしながら励振することによって丸棒材の所定角度範囲をスキャンするようにする。

本第２発明によれば、丸棒材の所定角度範囲内に存在する欠陥を検出することができるから、丸棒材の周囲に適当数の超音波発振器を配置することによって丸棒材の全断面の欠陥を検出することが可能である。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を参考的に示すものである。

以上のように、本発明の丸棒材の欠陥検出方法および欠陥検出装置によれば、単一のアレイ式超音波発振器で垂直探傷も斜角探傷も十分な感度で行うことができる。

アレイ式超音波発振器で垂直探傷を行う場合の概略断面図である。 アレイ式超音波発振器で斜角探傷を行う場合の概略断面図である。 振動子の周波数特性を示す図である 励振信号の波形を示す図である。 本発明における垂直探傷と斜角探傷の各探傷信号の波形を示す図である。 従来の垂直探傷と斜角探傷の各探傷信号の波形を示す図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

図１（ａ）にはアレイ式超音波発振器（以下、単に超音波発振器という）１を使用して丸棒材Ｍの水浸垂直探傷を行う場合の概略図を示す。超音波発振器１には複数の振動子１１が設けられて丸棒材Ｍの外周に沿った円弧状に配置されている。超音波発振器１は探傷装置２に接続されており、探傷装置２には以下に述べる作動を実現するための送受信回路２１、周波数抽出手段としてのバンドパスフィルタ回路２２および検出回路２３が備えられている。なお、これらの回路は一部ないし全部をソフトウェアで実現することもできる。

超音波発振器１の適当数の隣接する振動子１１を、両側のものから中央のものへ次第に発振開始までの遅延が長くなるように起振すると、図１（ａ）の破線で示すような丸棒材Ｍの中心部に焦点位置を持つような縦波を発信することができ、これによって、図１（ａ）の斜線で示す丸棒材Ｍの内部領域の探傷を行うことができる。この場合、鎖線で囲んだ丸棒材Ｍの表面直下領域は反射波の影響を受けるために垂直探傷では検出することができない。よって、図１(b)のように、鎖線で囲んだ丸棒材Ｍの内部領域にある欠陥Ｎは、検出することができるが、図1(c)のように、鎖線で囲んだ丸棒材Ｍの内部領域から外れた表面直下領域にある欠陥Ｎは、検出することができない。

そこで、以下に説明する斜角探傷によって丸棒材Ｍの表面直下部分の探傷を行う。水浸斜角探傷を行う場合の概略図を図２（ａ）に示す。この場合は、超音波発振器１の適当数の隣接する振動子１１を、一端側のものから他端側のものへ次第に発振開始までの遅延が長くなるように起振すると、丸棒材Ｍ内へ所定角度で超音波が射出される（図２（ａ）の破線）。射出された超音波のうち丸棒材Ｍの内表面で反射させられる反射波は超音波発振器１の方へは戻らないから、図２（ａ）の斜線で示すような丸棒材Ｍの表面直下領域の探傷を行うことができる。よって、図２(b)のように、破線で示す丸棒材Ｍの表面直下領域にある欠陥Ｎを検出することができる。なお、丸棒材Ｍの底面の反射波が発生しないことを考慮し、横波の入射角度は４５～６０度が適している。

そして、起振のために選択する同数の振動子１１を図１（ａ）、図２（ａ）の各矢印で示すように順次シフトするようにすれば、ある角度範囲（例えば丸棒材の中心回り９０度）をスキャンして丸棒材Ｍの内部領域および表面直下領域の探傷を行うことができ、丸棒材Ｍの周囲に必要数（例えば４個）の超音波発振器１を配置することによって丸棒材Ｍ全周の内部領域および表面直下領域、すなわち丸棒材の全断面の探傷を行うことができる。

ここで、本実施形態では、超音波発振器１の振動子として、４ＭＨｚと７ＭＨｚを含む広帯域の周波数で受発振できるものを使用する。すなわち、図３は、本実施形態で使用した振動子１１からガラス板に向けてインパルス的な超音波を発振して、その反射波の周波数解析を行ったものである。図３から分かるように、４ＭＨｚと７ＭＨｚで十分な受発振強度を有している。なお、図３に示した通り、縦波及び横波の周波数は２～９ＭＨｚの範囲とした場合には、反射波の周波数解析の振幅範囲内に収まっていることから最適な範囲と言える。なお、縦波及び横波の周波数領域は周波数解析波形の振幅範囲の感度を上げる事で、反射波の周波数解析の振幅範囲を１～２０ＭＨｚの範囲に適宜拡張する事もできる。

４ＭＨｚと７ＭＨｚを選んだのは以下の理由による。すなわち、本実施形態では探傷に使用する超音波の波長が縦波でも横波でも０．８５ｍｍになるようにする。この場合、短い波長では小さな欠陥まで良好に検出できるがノイズに弱くなる。一方、長い波長ではその反対である。したがって波長をどの程度に決定するかは、検出したい欠陥の大きさや材料の結晶粒の大きさ等から実験的に求める。波長が決定されると、丸棒材Ｍが構造用鋼である場合の縦波の音速は５９００ｍであるから、次式（１）より縦波の周波数は７ＭＨｚとなる。
５９００（ｍ）／０．８５（ｍｍ）≒７（ＭＨｚ）…（１）

また、丸棒材Ｍが構造用鋼である場合の横波の音速は３２００ｍであるから、次式（２）より横波の周波数は４ＭＨｚとなる。
３２００（ｍ）／０．８５（ｍｍ）≒４（ＭＨｚ）…（２）

そこで、縦波を使用した垂直探傷では７ＭＨｚに、横波を使用した斜角探傷では４ＭＨｚに、それぞれ最適な送信パルス幅と間隔で振動子１１を励振する。この場合、通常は利得を稼ぐために励振用のスクエアパルスを、振動子１１に対して所定の間隔をおいて２回発信する。その一例を図４に示す。図４（２）の波形は一回目の励振用スクエアパルスによる励振信号であり、図４（３）の波形は一回目の励振信号に対して所定の時間間隔Ｔをおいて遅れて出力された二回目の励振信号である。２回の励振信号が重なり合うことによって、図４（４）に示すように十分に大きな励振信号が得られる。この励振信号は３～８ＭＨｚの広帯域の周波数を有するものである。

以下に具体的に詳細を説明する。図４(１)に示すような近接する一対の矩形波パルス電圧（スクエアパルス）３ａ，３ｂを印加する。 これら一対のパルス電圧３ａ，３ｂは、３～８ＭＨｚから適宜設定し、例えば７ＭＨｚの高調波の１／２波長（Ｌ）分持続し、且つ両者の間隔を１／２波長（Ｌ）分離す。図４(２)においてパルス電圧３ａにより発生した超音波４ａを示し、図４(３)において、パルス電圧３ｂにより発生した超音波４ｂを示す。その結果、図４(４)に示すような、上記超音波４ａ，４ｂが合成された超音波４ｃが出力される。合成された出力超音波４ｃは山波が重畳され、超音波４ａ，４ｂに比して振幅が大きくなるとともに、波数は十分少ないものとなる。なお、本説明では、一対の矩形波パルス電圧の近接範囲を１／２波長としているが、これに限定されず、出力超音波の山波が重畳されるように合成されれば良く１／１０～１波長の範囲において適用し得る。

このような励振信号を振動子１１に与え、φ５５の一般鋼の丸棒材Ｍの表皮下３ｍｍにφ１．０の横穴を疑似欠陥として形成して、既述のような縦波垂直探傷と横波斜角探傷を行い、縦波垂直探傷時には７ＭＨｚを中心とするバンドパスフィルタをかけて探傷信号を得、横波斜角探傷時には４ＭＨｚを中心とするバンドパスフィルタをかけて探傷信号を得る。この時の、縦波垂直探傷で得られた探傷信号の一例を図５（１）に示し、横波斜角探傷で得られた探傷信号の一例を図５（２）に示す。そしてこれを、５ＭＨｚの単一周波数の励振信号を振動子に与えて縦波垂直探傷を行った際に得られる探傷信号（図６（１）と横波斜角探傷を行った際に得られる探傷信号（図６（２））をそれぞれ比較すると、探傷に使用する超音波の波長が０．８５ｍｍになるような励振信号を使用して得られる本実施形態の探傷信号の上記疑似欠陥からの反射波の探傷部（図５（１）のｘ、図５（２）のｙ）の信号強度は、単一周波数（５ＭＨｚ）の励振信号を使用して得られる探傷信号の、上記疑似欠陥から得られる反射波の探傷部（図６（１）のａ、図６（２）のｂ）の信号強度よりも大きくなっており、ほぼ２０％の検出感度の向上がみられた。これにより、丸棒材の内部領域および表面直下領域を含む全断面内で欠陥を良好に検出することができる。

（その他の実施形態）
次に別の実施形態について、以下に説明する。
本発明の検査対象材は鉄系の金属材，又は鉄系及び非鉄系の金属材において適用し得る技術である。即ち、鉄系の金属材である場合には、縦波音速は、３５００～５９５０ｍ／ｓ、横波音速は、３０６０～３２４０ｍ／ｓの範囲を適用し得る。この場合において、発振周波数範囲を２～９ＭＨｚとした場合には、適した波長は、０．３４～２．９７５ｍｍとなる。
次に、非鉄系の金属材である場合には、銅では、縦波音速は４７００ｍ／ｓ、横波音速は２２６０ｍ／ｓ、アルミニウムでは、縦波音速は６２６０ｍ／ｓ、横波音速は３０８０ｍ／ｓ、チタニウムでは、縦波音速は５９９０ｍ／ｓ、横波音速は２２６０ｍ／ｓ、ニッケルでは、縦波音速は５６３０ｍ／ｓ、横波音速は２９６０ｍ／ｓであることが一般的に言える。
それらを考慮して、鉄系及び非鉄系を含めた金属材を対象とした場合には、縦波音速は、３５００～６２６０ｍ／ｓ、横波音速は、２２６０～３２４０ｍ／ｓの範囲を適用し得る。 よって、発振周波数範囲を２～９ＭＨｚとした場合には、適した波長は、０．２５１～２．９７５ｍｍとなる。
以上から次式(1),(2),(3)により特定し得る。
Ｘ１(ｍ)／Ｙ１（ｍｍ）＝Ｚ１（ＭＨｚ）・・・（１）
ここで、Ｘ１：縦波音速，Ｙ１：波長，Ｚ１：周波数
Ｘ２(ｍ)／Ｙ２（ｍｍ）＝Ｚ２（ＭＨｚ）・・・（２）
ここで、Ｘ２：横波音速，Ｙ２：波長，Ｚ２：周波数
Ｙ１＝Ｙ２・・・（３）
但し、Ｘ１：３５００～６２６０（ｍ），
Ｘ２：２２６０～３２４０（ｍ），
Ｚ１，Ｚ２：２～９（ＭＨｚ），
金属材を丸棒材対象とする。
以上の(１)～（３）の条件とした上で、垂直探傷波の反射波のうちから波長Ｙ１と同一波長となる縦波の周波数成分Ｚ１を抽出し、丸棒材の内部領域の欠陥を検出し、且つ、斜角探傷波の反射波のうちから波長Ｙ２と同一波長となる横波の周波数成分Ｚ２を抽出し、 丸棒材の表層直下の欠陥を検出する方法として適用し得る。

１…超音波発振器、１１…振動子、２…探傷装置、２２…バンドパスフィルタ回路（周波数成分抽出手段）、３ａ，３ｂ…パルス電圧、４ａ，４ｂ…超音波、４ｃ…合成された超音波、Ｍ…丸棒材、Ｎ…欠陥。

Claims (5)

1. 同一波長となる横波の周波数と縦波の周波数が含まれる帯域を有する超音波を出力する単一のアレイ式超音波発振器を丸棒材の外周に沿って設置して、前記アレイ式超音波発振器の各振動子に対し所定の時間間隔をおいて２回の励振パルスを出力するようにし、前記丸棒材に対する垂直探傷波の反射波のうちから前記同一波長となる縦波の周波数成分を抽出するとともに、前記丸棒材に対する斜角探傷波の反射波のうちから前記同一波長となる横波の周波数成分を抽出し、抽出された前記各周波数成分の反射波によって丸棒材の中心近傍の欠陥と表面直下の欠陥をそれぞれ検出する丸棒材の欠陥検出方法。
2. 前記アレイ式超音波発振器の一定数の隣接する振動子をシフトしながら励振することによって丸棒材の所定角度範囲をスキャンするようにした請求項１に記載の丸棒材の欠陥検出方法。
3. 前記横波の周波数と縦波の周波数は、２～９（ＭＨｚ）であり、前記同一波長は、０．２５１～２．９７５（ｍｍ）であり、次式(1),(2),(3)により同一波長を特定する事を特徴とし、金属材を丸棒材対象とした、請求項１又は２に記載の丸棒材の欠陥検出方法。
   Ｘ１(ｍ)／Ｙ１（ｍｍ）＝Ｚ１（ＭＨｚ）・・・（１）
   ここで、Ｘ１：縦波音速，Ｙ１：波長，Ｚ１：周波数
   Ｘ２(ｍ)／Ｙ２（ｍｍ）＝Ｚ２（ＭＨｚ）・・・（２）
   ここで、Ｘ２：横波音速，Ｙ２：波長，Ｚ２：周波数
   Ｙ１＝Ｙ２・・・（３）
   但し、Ｘ１ ：３５００～６２６０（ｍ）
   Ｘ２ ：２２６０～３２４０（ｍ）
   Ｚ１，Ｚ２：２～９（ＭＨｚ）。
4. 前記アレイ式超音波発振器の各振動子に対し、近接する一対の矩形波パルス電圧を印加する事で、前記励振パルスを出力するようにした請求項１～３のいずかに記載の丸棒材の欠陥検出方法。
5. 前記近接する一対の矩形波パルス電圧は、近接間隔を０．１～１波長の範囲とした事を特徴とする請求項４に記載の丸棒材の欠陥検出方法。

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