JP7277391B2 - Ultrasonic inspection device and ultrasonic inspection method - Google Patents

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本発明は、超音波検査装置及び超音波検査方法に係り、特に、圧力容器や配管の溶接部および母材部において体積検査を実施する超音波検査装置及び超音波検査方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic inspection apparatus and an ultrasonic inspection method, and more particularly to an ultrasonic inspection apparatus and an ultrasonic inspection method for volumetric inspection of welded parts and base material parts of pressure vessels and pipes.

発電プラントにおける構成機器の保全は正常な運転を維持するために必要である。そのため、非破壊検査技術の果たす役割は重要性が高い。特に原子力プラントでは、原子炉圧力容器(RPV)や再循環系配管などの原子炉一次系機器の健全性確保が重要であり、規格により、供用期間中に経年変化を確認するための体積検査として主に溶接部に対する超音波探傷試験(UT)が義務づけられている。また、高経年化に伴うプラントの劣化状況を把握するための特別点検では、原子炉圧力容器の炉心領域における母材検査も要求される。UTを実施する超音波検査装置は、通常、被検体の探傷面に接して超音波の送受信を行う機器、いわゆる探触子を有している。探触子は、通常、電気エネルギーと音響エネルギーを相互に変換可能な圧電素子(振動子)を1個または複数有している。 Component maintenance in power plants is necessary to maintain normal operation. Therefore, the role played by non-destructive inspection technology is highly important. Especially in nuclear power plants, it is important to ensure the integrity of reactor primary system equipment such as the reactor pressure vessel (RPV) and recirculation system piping. Ultrasonic testing (UT) is mainly required for welds. In addition, in the special inspection for grasping the deterioration state of the plant due to aging, base material inspection in the core region of the reactor pressure vessel is also required. An ultrasonic inspection apparatus that performs UT usually has a so-called probe, which is a device for transmitting and receiving ultrasonic waves while in contact with the flaw detection surface of the object. A probe usually has one or more piezoelectric elements (vibrators) capable of mutually converting electrical energy and acoustic energy.

通常、圧力容器胴体の母材および溶接線のような炭素鋼の検査範囲においては、検出すべき欠陥として周方向および軸方向の割れを想定する。例えば軽水炉の供用期間中検査におけるUT規格(非特許文献1)では、検査の信頼性を高めるため、同じ検査範囲に対して、縦波垂直超音波と、2角度以上の屈折角(典型的には、45°および60°)で横波斜角超音波を照射することが要求されている。また、横波斜角超音波を照射する方向も、圧力容器軸方向の天・地方向、圧力容器周方向のCW・CCW方向の計4方向から可能な限り実施する必要が有る。 Typically, in the inspection area of carbon steel, such as the base metal and weld seams of pressure vessel bodies, circumferential and axial cracks are assumed to be defects to be detected. For example, in the UT standard (Non-Patent Document 1) for in-service inspections of light water reactors, longitudinal wave vertical ultrasonic waves and refraction angles of two or more angles (typically 45° and 60°). In addition, it is also necessary to irradiate oblique shear wave ultrasonic waves from four directions as much as possible: the top and bottom directions in the axial direction of the pressure vessel, and the CW and CCW directions in the circumferential direction of the pressure vessel.

このような検査要求に対して、何度も探触子を付け替え、方向を変更しながら検査を実施することは非効率であるため、屈折角や斜角超音波の送受信方向が異なる複数の探触子を有する装置が用いられることがある。 In response to such inspection requests, it is inefficient to perform inspections while changing the direction of the probe by changing the probe many times. A device with touchers may be used.

特許文献1は、屈折角の異なる複数の探触子が一つのホルダ内に組み込まれた部材(以下、探傷ヘッドと記す)を用いて複数の角度や方向の探傷を一度に実施可能にする超音波検査装置を開示する。特許文献1の超音波検査装置は、被検体の探傷面に接触面を接触させて超音波の送受信を行う複数の探触子と、複数の探触子を保持するホルダと、を備え、各探触子が、弾性変形可能な弾性部材を介してホルダに結合されている探傷ヘッドを有している。圧力容器や配管等の湾曲した探傷面に対しても、弾性部材が弾性変形することにより、各探触子の接触面をそれぞれ探傷面に沿って独立して傾けて、探傷面と各接触面との間に空隙が形成されることを抑制する構造となっている。また、より一般的な検査装置においては、各探触子が独立して傾くことを可能にする機構として、いわゆるジンバル機構を用いることが多い。 Patent Document 1 discloses a super ultrasonic sensor that enables flaw detection at a plurality of angles and directions at once using a member in which a plurality of probes with different refraction angles are incorporated in one holder (hereinafter referred to as a flaw detection head). A sonography device is disclosed. The ultrasonic inspection apparatus of Patent Document 1 includes a plurality of probes that transmit and receive ultrasonic waves by bringing the contact surface into contact with the flaw detection surface of the object, and a holder that holds the plurality of probes. A probe has a flaw detection head coupled to a holder via an elastically deformable elastic member. Even against a curved flaw detection surface of a pressure vessel, pipe, etc., the contact surface of each probe can be independently tilted along the flaw detection surface by elastic deformation of the elastic member, so that the flaw detection surface and each contact surface It has a structure that suppresses the formation of a gap between the Further, in more general inspection apparatuses, a so-called gimbal mechanism is often used as a mechanism that allows each probe to tilt independently.

JEAC 4207-2016 軽水型原子力発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷試験規程、一般社団法人 日本電気協会 原子力規格委員会JEAC 4207-2016 Regulations for Ultrasonic Testing for In-Service Inspections of Equipment for Light Water Nuclear Power Plants, Japan Electric Association Nuclear Standards Committee

特開2015-75409号公報JP 2015-75409 A

しかし、多くの探触子を並べて一体とする探傷ヘッドを用いると、必然的に探傷ヘッド全体が大型化してしまい、探傷ヘッドの適用可能な探傷面の形状が限られるという問題が有る。また、大型化によって、検査範囲周辺にある配管ノズルや支持部材などの構造物との干渉も起きやすくなり、検査範囲内にて所望の角度及び方向から超音波を照射することが出来ない探傷不可能範囲が広がってしまう。例えば、縦波垂直探触子1つと、45°および60°の横波斜角探触子2種を対向配置して2方向の斜角探傷を同時に実施する構成とした場合は、探触子を5つ並べることになり、探傷ヘッドが占める面積(フットプリント)は探触子1つの場合の約5倍となる。 However, the use of a flaw detection head in which many probes are arranged and integrated inevitably increases the overall size of the flaw detection head, which poses a problem that the shape of the flaw detection surface to which the flaw detection head can be applied is limited. In addition, due to the large size, interference with structures such as pipe nozzles and support members in the vicinity of the inspection range is likely to occur, and ultrasonic waves cannot be irradiated from the desired angle and direction within the inspection range. The range of possibilities expands. For example, if one longitudinal wave vertical probe and two 45° and 60° shear wave oblique angle probes are arranged facing each other to perform oblique angle inspection in two directions at the same time, the probes By arranging five probes, the area (footprint) occupied by the flaw detection head is approximately five times that of the case of one probe.

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクトな探傷ヘッド構成で探傷不可能範囲の増加を抑制しつつ、複数角度、複数方向を同時に探傷可能とすることで検査を効率化できる超音波検査装置及び超音波検査方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its object is to enable simultaneous detection of multiple angles and multiple directions while suppressing an increase in the undetectable range with a compact flaw detection head configuration. To provide an ultrasonic inspection apparatus and an ultrasonic inspection method that can improve the efficiency of

上記目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子からなる振動子アレイを、被検体の探傷面上の接平面に対して平行になるように配置するウェッジを有したアレイ探触子と、前記複数の圧電素子のうち、所定個数の圧電素子群を選択し、前記圧電素子群から送信される複数の超音波の送信タイミングを制御して、前記複数の超音波からなる合成波の伝播方向を走査する制御装置とを備え、前記合成波の送信方向を前記アレイ探触子の前後方向に走査し、前記ウェッジを介して前記探傷面に入射した合成波のモード変換により、前記被検体内へ前記アレイの前後方向に等しい強度を持つ横波を励起可能としたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides an array probe having a wedge in which a vibrator array composed of a plurality of piezoelectric elements is arranged parallel to a tangential plane on a flaw detection surface of a test object. selects a predetermined number of piezoelectric element groups from the plurality of piezoelectric elements, controls the transmission timing of the plurality of ultrasonic waves transmitted from the piezoelectric element group, and generates a composite wave composed of the plurality of ultrasonic waves. a control device for scanning the propagation direction, scanning the transmission direction of the composite wave in the front-rear direction of the array probe, and mode conversion of the composite wave incident on the flaw detection surface via the wedge, thereby It is characterized in that it is possible to excite transverse waves having equal intensity in the longitudinal direction of the array into the specimen.

本発明によれば、モード変換により探触子の前後方向に等しい強度の横波を励起するためのウェッジを備えたアレイ探触子1つのコンパクトな探傷ヘッド構成により、探傷不可能範囲の増加を抑制しつつ、複数角度、複数方向を同時に探傷可能とすることで検査を効率化できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, a compact flaw detection head configuration of one array probe equipped with a wedge for exciting transverse waves of equal intensity in the front and back direction of the probe by mode conversion suppresses an increase in the undetectable range. At the same time, it is possible to improve the efficiency of inspection by enabling simultaneous detection of multiple angles and multiple directions.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.

本発明の第1の実施形態における超音波検査装置の構成を表す図である。It is a figure showing composition of an ultrasonic inspection device in a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における表示装置の表示画面の一例を表す図であり、Aスコープを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a display screen of the display device according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram showing an A-scope; 本発明の第1の実施形態における表示装置の表示画面の一例を表す図であり、セクタ画面を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a display screen of the display device according to the first embodiment of the present invention, and is a diagram showing a sector screen; 本発明の第1の実施形態における探触子移動機構の一例を表す図であり、探触子移動機構の正面図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a probe moving mechanism according to the first embodiment of the present invention, and is a front view of the probe moving mechanism; 本発明の第1の実施形態における探触子移動機構の一例を表す図であり、探触子移動機構の平面図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a probe moving mechanism according to the first embodiment of the present invention, and is a plan view of the probe moving mechanism; FIG. 本発明の第1の実施形態におけるアレイ探触子構造を表す平面図である。1 is a plan view showing an array probe structure according to a first embodiment of the present invention; FIG. 本発明の第1の実施形態におけるアレイ探触子構造を表す断面図(図4A中に示したA-A断面図)である。FIG. 4B is a cross-sectional view (cross-sectional view along AA shown in FIG. 4A) showing the array probe structure in the first embodiment of the present invention; 従来技術におけるアレイ探触子構造とその配置を表す正面図である。It is a front view showing the array probe structure and its arrangement in the prior art. 従来技術におけるアレイ探触子構造とその配置を表す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an array probe structure and its arrangement in the prior art; 本発明の第1の実施形態における遅延パターンに基づく超音波の伝播方向制御のイメージを示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing an image of ultrasonic wave propagation direction control based on delay patterns in the first embodiment of the present invention; レーザ点音源のより鋼材中に生じる縦波と横波の強度の屈折角依存性を示すグラフである。4 is a graph showing refraction angle dependence of intensities of longitudinal waves and transverse waves generated in a steel material by a laser point sound source. 本発明の第1の実施形態における2つの圧電素子から送信された素源波により形成される合成波の波面の位相ずれ角を説明するための概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining phase shift angles of wavefronts of composite waves formed by elementary source waves transmitted from two piezoelectric elements in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における合成波波面の位相ずれ角の具体的な計算結果の一例を示すグラフである。5 is a graph showing an example of specific calculation results of the phase shift angle of the composite wave wavefront in the first embodiment of the present invention; 従来技術における見かけ開口幅に関する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram relating to an apparent aperture width in the prior art; 本発明における見かけ開口幅に関する説明図であり、本発明の第1の実施形態における見かけ開口幅を説明する正面図である。It is an explanatory view relating to the apparent aperture width in the present invention, and is a front view explaining the apparent aperture width in the first embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における圧電素子ひとつひとつが持つ合成波の伝播方向に対する縦波の送受信効率を示すグラフである。5 is a graph showing the transmission/reception efficiency of longitudinal waves with respect to the direction of propagation of composite waves possessed by each piezoelectric element in one embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態における典型的なウェッジ形状を表す正面図である。1 is a front view showing a typical wedge shape in the first embodiment of the invention; FIG. 本発明の第1の実施形態における典型的なウェッジ形状を表す平面図である。1 is a plan view showing a typical wedge shape in the first embodiment of the invention; FIG. 本発明の第1の実施形態における典型的なウェッジ形状との比較としてしめすウェッジ形状の一例を表す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing an example of wedge shape for comparison with a typical wedge shape in the first embodiment of the present invention; 本発明の第1の実施形態における探触子2つをT字に配置し、4方向同時に斜角探傷する装置構成の一部を表す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a part of the configuration of an apparatus in which two probes in the first embodiment of the present invention are arranged in a T shape and oblique flaw detection is performed simultaneously in four directions; 本発明の第1の実施形態におけるアレイ探触子にて垂直探傷を実施する場合に懸念されるウェッジ内の多重反射波の影響を説明する探触子の側面図である。FIG. 4 is a side view of the probe for explaining the influence of multiple reflected waves in the wedge, which is a concern when performing vertical flaw detection with the array probe according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第1の実施形態におけるアレイ探触子にて垂直探傷を実施する場合に懸念されるウェッジ内の多重反射波の影響を説明する探傷波形のイメージ図である。FIG. 4 is an image diagram of a flaw detection waveform for explaining the influence of multiple reflected waves in a wedge, which is a concern when performing vertical flaw detection with the array probe according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施形態におけるアレイ探触子構造を表す平面図(平面透視図)である。FIG. 10 is a plan view (planar perspective view) showing an array probe structure according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施形態におけるアレイ探触子構造を表す側面図(側面透視図)である。FIG. 10 is a side view (side perspective view) showing the array probe structure in the second embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施形態におけるアレイ探触子構造を表す断面図(図15A中に示したC-C断面図)である。FIG. 15B is a cross-sectional view (CC cross-sectional view shown in FIG. 15A) showing the array probe structure in the second embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施形態におけるアレイ探触子にて垂直探傷する場合と斜角探傷する場合の路程差を説明するための正面図である。FIG. 10 is a front view for explaining a difference in path between vertical flaw detection and oblique flaw detection with the array probe according to the second embodiment of the present invention;

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表す図である。ここでは、検査対象として、原子炉圧力容器胴体部の周溶接線を例に説明するが、本発明は配管の溶接部や母材部の検査にも適用できる。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic inspection apparatus according to this embodiment. Here, as an object to be inspected, the circumferential weld line of the body of the reactor pressure vessel will be described as an example, but the present invention can also be applied to the inspection of welded parts and base material parts of piping.

本実施形態の超音波検査装置は、一列に配置された複数の圧電素子1を有する振動子アレイ2と、前記振動子アレイを被検体の探傷面上の接平面に対して平行になるように配置するウェッジ3を有するアレイ探触子4と、探触子移動機構5と、接触媒質供給装置6と、制御装置7と、計算機8と、表示装置9、および入力装置10を備えている。計算機8はコンピュータ等で構成され、表示装置9はディスプレイ等、入力装置10はマウスやキーボード、タッチパネル等で構成されている。 The ultrasonic inspection apparatus of this embodiment includes a transducer array 2 having a plurality of piezoelectric elements 1 arranged in a line, and the transducer array arranged parallel to a tangential plane on the test surface. An array probe 4 having wedges 3 to be arranged, a probe moving mechanism 5, a couplant supply device 6, a control device 7, a calculator 8, a display device 9, and an input device 10 are provided. The calculator 8 is composed of a computer or the like, the display device 9 is composed of a display or the like, and the input device 10 is composed of a mouse, a keyboard, a touch panel or the like.

複数の圧電素子1は、後述する制御装置7のパルサ11からの複数の駆動信号によって発振し、複数の超音波を送信し、それらが合成されて合成波16となる。複数の超音波を送信するタイミングを制御することで、任意の方向に合成波16の伝播方向を可変することができる。この合成波16がウェッジ3を介し被検体20の表面に垂直に入射すると、被検体20の板厚方向に向かって縦波17が伝播する。一方、合成波16が被検体20の表面に斜めに入射すると、モード変換により被検体内に横波18が生じ、スネル則に従った角度で被検体内を斜めに伝播する。なお、ウェッジ3は、例えばアクリル、ポリスチレン、又はポリイミドなどの樹脂材で形成され、ウェッジ3と被検体20の表面の間は、接触媒質として、例えば水などの液体で満たされている。 The plurality of piezoelectric elements 1 oscillate by a plurality of driving signals from a pulser 11 of the control device 7 to be described later, transmit a plurality of ultrasonic waves, and combine them to form a composite wave 16 . By controlling the timing of transmitting a plurality of ultrasonic waves, the direction of propagation of the composite wave 16 can be varied in any desired direction. When this composite wave 16 is vertically incident on the surface of the object 20 through the wedge 3, a longitudinal wave 17 propagates in the plate thickness direction of the object 20. FIG. On the other hand, when the composite wave 16 is obliquely incident on the surface of the subject 20, a transverse wave 18 is generated in the subject due to mode conversion and propagates obliquely in the subject at an angle according to Snell's law. The wedge 3 is made of a resin material such as acrylic, polystyrene, or polyimide, and the space between the wedge 3 and the surface of the subject 20 is filled with liquid such as water as a contact medium.

本実施例では、ウェッジ3と被検体20を水ギャップ法(水膜法)で音響結合するために、接触媒質供給装置6に搭載されたポンプにより、ウェッジ3と被検体20の表面の隙間に約0.3mm~約1mmの厚みで接触媒質を供給する例を示すが、接触媒質供給装置6を用いず、あらかじめ被検体20の表面およびウェッジ3の底面に接触媒質を塗布して探傷しても良い。 In this embodiment, in order to acoustically couple the wedge 3 and the subject 20 by the water gap method (water film method), a pump mounted on the couplant supply device 6 is used to fill the gap between the surfaces of the wedge 3 and the subject 20. An example of supplying a couplant with a thickness of about 0.3 mm to about 1 mm will be shown. Also good.

図1に示すように、被検体20の溶接部21に対する検査範囲22の内表面に割れ23が存在する場合、割れ23で反射された反射波18aがウェッジ3を介し圧電素子1で受信される。圧電素子1は、受信した反射波を波形信号に変換し、後述する制御装置7のレシーバ12へ出力する。 As shown in FIG. 1, when there is a crack 23 on the inner surface of the inspection range 22 for the welded portion 21 of the test object 20, the reflected wave 18a reflected by the crack 23 is received by the piezoelectric element 1 via the wedge 3. . The piezoelectric element 1 converts the received reflected wave into a waveform signal and outputs the waveform signal to the receiver 12 of the control device 7, which will be described later.

制御装置7は、パルサ11、レシーバ12、遅延制御部13、メカ制御部14、及びデータ収録部15を有している。遅延制御部13およびメカ制御部14は、プログラムに従って処理を実行するプロセッサ等で構成され、データ収録部15は、メモリ等で構成されている。遅延制御部13は、計算機8からの指令に応じて、合成波の伝播方向に対応する遅延パターンをパルサ11及びレシーバ12へ出力する。メカ制御部14は、計算機8からの指令に応じて、探触子移動機構5に搭載されたモータを駆動する信号を発し、探触子移動機構5に搭載されたエンコーダからモータの回転量に相当する信号を受信、探触子の位置を制御する。 The control device 7 has a pulser 11 , a receiver 12 , a delay control section 13 , a mechanical control section 14 and a data recording section 15 . The delay control unit 13 and the mechanical control unit 14 are composed of processors and the like that execute processing according to programs, and the data recording unit 15 is composed of memory and the like. The delay control unit 13 outputs a delay pattern corresponding to the propagation direction of the composite wave to the pulser 11 and the receiver 12 in accordance with the instruction from the computer 8 . The mechanical control unit 14 generates a signal to drive the motor mounted on the probe moving mechanism 5 according to the command from the computer 8, and the encoder mounted on the probe moving mechanism 5 detects the amount of rotation of the motor. Receive corresponding signals to control the position of the probe.

パルサ11は、遅延パターンに基づき、複数の圧電素子1へそれぞれ出力する複数の駆動信号の出力タイミングを制御する。これにより、合成波の伝播方向を可変するセクタ走査を実行する。このとき、規格で要求される2種類の屈折角(典型的には45°と60°)を含む横波セクタ走査を、アレイ探触子4の前後方向に対称に実施することで、一度の機械的な探触子走査で2方向2角度の斜角探傷を完了させ、検査の効率化を図る。また、縦波垂直探傷に対応した屈折角0°前後の縦波セクタ走査も合わせて実施することで、被検体の周方向または軸方向の探傷で要求される超音波の送信方向を全て満たすことができる。 The pulsar 11 controls the output timing of a plurality of drive signals to be output to the plurality of piezoelectric elements 1 based on the delay pattern. Thus, sector scanning is performed to change the propagation direction of the composite wave. At this time, by performing transverse wave sector scanning including two types of refraction angles (typically 45° and 60°) required by the standard symmetrically in the front and back direction of the array probe 4, one mechanical Oblique flaw detection in two directions and two angles is completed by regular probe scanning, and the efficiency of inspection is improved. In addition, by performing longitudinal wave sector scanning at a refraction angle of about 0° corresponding to longitudinal wave vertical flaw detection, all ultrasonic transmission directions required for flaw detection in the circumferential or axial direction of the object can be satisfied. can be done.

レシーバ12は、遅延パターンに基づき、圧電素子1からの波形信号の入力タイミングを調整すると共に、波形信号を合成する。これにより、合成波の伝播方向に対応するように反射波の伝播方向を調整する。 The receiver 12 adjusts the input timing of the waveform signal from the piezoelectric element 1 and synthesizes the waveform signal based on the delay pattern. Thereby, the propagation direction of the reflected wave is adjusted so as to correspond to the propagation direction of the composite wave.

レシーバ12で合成された波形信号は、アナログ-デジタル変換器(図示省略)で波形データに変換されて、データ収録部15で収録される。データ収録部15は、遅延パターン(又はこれに対応する合成波及び被検体内に生じる超音波の伝播方向の情報)と関連付けて、波形データを収録する。波形データは、受信時間と信号強度の組合せからなる。 The waveform signal synthesized by the receiver 12 is converted into waveform data by an analog-digital converter (not shown) and recorded by the data recording unit 15 . The data recording unit 15 records the waveform data in association with the delay pattern (or information on the direction of propagation of the corresponding composite wave and ultrasonic waves generated in the subject). Waveform data consists of a combination of reception time and signal strength.

計算機8は、データ収録部15で収録された波形データとこれに対応する合成波及び被検体内超音波の伝播方向の情報に基づいて、探傷画像を作成する。詳細には、合成波及び被検体内超音波の伝播方向の情報と受信時間に基づいて反射位置を仮想し、この反射位置に応じて画素の位置を選択すると共に、信号強度に応じて画素の色相、彩度、又は明度を可変して、探傷画像を作成する。 The computer 8 creates a flaw detection image based on the waveform data recorded by the data recording unit 15 and information on the direction of propagation of the corresponding synthetic waves and intra-subject ultrasonic waves. Specifically, a reflection position is assumed based on the information on the propagation direction of the composite wave and intra-subject ultrasound and the reception time, and the pixel position is selected according to the reflection position, and the pixel position is selected according to the signal intensity. A flaw detection image is created by varying the hue, saturation, or brightness.

表示装置9は、例えば図2Aで示すように、データ収録部15で収録された波形データを表示する。横軸は超音波の受信時間に対応し、超音波モードの音速に基づき被検体20表面の入射点から超音波送信方向に向けた距離である路程に換算して表示する。これにより、検査員がきずの有無や位置を評価することが可能である。図2Aは、縦波による垂直探傷(屈折角θ=0°)の波形300と、横波斜角45°の波形301aおよび302b、横波斜角60°の波形302aおよび302bを同時に表示する画面構成例を示している。301aと302aはアレイ探触子4の前方に横波を斜角送信した波形、301bと302bはアレイ探触子4の後方に横波を斜角送信した波形を表している。図2Aでは301bおよび302bの波形を破線で表しているが、色違いで表示するなど、301aおよび302aと区別可能であればどのような表示でも良い。勿論、図2Aのように波形を重ねて表示するのでは無く、それぞれ異なる小ウィンドウに波形を表示しても良い。 The display device 9 displays the waveform data recorded by the data recording section 15, as shown in FIG. 2A, for example. The horizontal axis corresponds to the reception time of the ultrasonic waves, which is converted into a path distance from the incident point on the surface of the subject 20 in the ultrasonic transmission direction based on the speed of sound in the ultrasonic mode and displayed. This allows an inspector to evaluate the presence and location of flaws. FIG. 2A is an example of a screen configuration that simultaneously displays a waveform 300 of vertical flaw detection (refraction angle θ = 0°) by longitudinal waves, waveforms 301a and 302b with a transverse wave oblique angle of 45°, and waveforms 302a and 302b with a transverse wave oblique angle of 60°. is shown. Waveforms 301a and 302a are obtained by obliquely transmitting transverse waves to the front of the array probe 4, and waveforms 301b and 302b are waveforms obtained by obliquely transmitting transverse waves to the rear of the array probe 4. FIG. In FIG. 2A, the waveforms of 301b and 302b are represented by dashed lines, but any display such as different colors may be used as long as they can be distinguished from 301a and 302a. Of course, the waveforms may be displayed in different small windows instead of overlapping the waveforms as shown in FIG. 2A.

また、表示装置9は、例えば図2Bで示すように、計算機8で作成された探傷画像を表示する。これにより、検査員がきずの寸法や性状を評価することが可能である。図2Bは、縦波による垂直探傷に対応する屈折角0°前後の縦波セクタ画像311と、横波による斜角探傷のうち、アレイ探触子4の前方に横波を斜角送信する場合に対応する横波セクタ画像312aと、アレイ探触子4の後方に横波を斜角送信する場合に対応する横波セクタ画像312bを同時に表示する画面構成を示している。縦波セクタ画像311と横波セクタ画像312a、312bは探傷に使用する超音波の音速が異なるため、計算機8にて各超音波モードの音速の違いを考慮して画素の位置が計算される。 Further, the display device 9 displays the inspection image created by the computer 8, as shown in FIG. 2B, for example. This allows the inspector to evaluate the dimensions and properties of the flaw. FIG. 2B shows a longitudinal wave sector image 311 with a refraction angle of about 0° corresponding to vertical flaw detection by longitudinal waves, and oblique angle transmission of transverse waves to the front of the array probe 4 in oblique flaw detection by transverse waves. A screen configuration for simultaneously displaying a transverse wave sector image 312a corresponding to the transmission of the transverse wave to the rear of the array probe 4 and a transverse wave sector image 312b corresponding to oblique transmission of the transverse wave to the rear of the array probe 4 is shown. Since the longitudinal wave sector image 311 and the transverse wave sector images 312a and 312b have different sound velocities of ultrasonic waves used for flaw detection, the computer 8 calculates pixel positions in consideration of differences in sound velocities of the respective ultrasonic modes.

その他、後述する探触子移動機構5に搭載されたエンコーダ信号に基づく探触子の移動軌跡図(図示省略)等を表示する。 In addition, a moving trajectory diagram (not shown) of the probe based on an encoder signal mounted on the probe moving mechanism 5, which will be described later, is displayed.

図3A及び図3Bを用いて、探触子移動機構5の一例を説明する。探触子移動機構5は、探触子を2次元的に走査するXYスキャナで、Cスキャン像を得るための装置である。例えば、被検体20の周方向溶接線21に沿って取り付けられた円弧状の軌道100と、この軌道100に沿って(すなわち、図3A,図3B中矢印D1の方向)移動可能に設けられた周方向移動装置101と、この周方向移動装置101に設けられ、軌道100に対して垂直な方向(図3A,図3B中矢印D2の方向)にスライドする軸方向移動装置102と、軸方向移動装置102に対して所定のオフセットで取り付けられた探触子保持機構103を備えている。 An example of the probe moving mechanism 5 will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. The probe moving mechanism 5 is an XY scanner that two-dimensionally scans the probe, and is a device for obtaining a C-scan image. For example, an arc-shaped track 100 attached along the circumferential weld line 21 of the object 20 and a movably provided A circumferential movement device 101, an axial movement device 102 provided in the circumferential movement device 101 and sliding in a direction perpendicular to the track 100 (the direction of the arrow D2 in FIGS. 3A and 3B), and an axial movement It has a probe holding mechanism 103 attached at a predetermined offset to the device 102 .

周方向走査装置101は、軌道100の外周側に形成されたラック110と噛み合うピニオン111と、このピニオン111を回転させるモータ(図示省略)と、このモータの回転量を検出するエンコーダ(図示省略)とを有している。そして、ピニオン111が回転することにより、周方向移動装置101が軌道100に沿って移動する。これに伴い、探触子保持機構103(すなわち、アレイ探触子4)が被検体の周方向に移動するようになっている。 The circumferential scanning device 101 includes a pinion 111 that meshes with a rack 110 formed on the outer peripheral side of the track 100, a motor (not shown) that rotates the pinion 111, and an encoder (not shown) that detects the amount of rotation of the motor. and As the pinion 111 rotates, the circumferential movement device 101 moves along the track 100 . Along with this, the probe holding mechanism 103 (that is, the array probe 4) moves in the circumferential direction of the subject.

軸方向移動装置102は、アーム103に形成されたラック112と噛み合うピニオン(図示省略)と、このピニオン111を回転させるモータ(図示省略)と、このモータの回転量を検出するエンコーダ(図示省略)とを有しており、軌道100に対して垂直な方向にアーム103を移動させる。そして、アーム103が移動することにより、被検体の軸方向、すなわち周方向溶接線21に対して垂直方向における探触子押し付け機構103の位置を調整可能としている。 The axial movement device 102 includes a pinion (not shown) that meshes with a rack 112 formed on the arm 103, a motor (not shown) that rotates the pinion 111, and an encoder (not shown) that detects the amount of rotation of the motor. and move the arm 103 in a direction perpendicular to the track 100 . By moving the arm 103, the position of the probe pressing mechanism 103 in the axial direction of the object, that is, in the direction perpendicular to the circumferential weld line 21 can be adjusted.

また、探触子保持機構103は、アレイ探触子4を保持する探触子ホルダ114と、探触子ホルダ114を被検体側に付勢して、アレイ探触子4を被検体の外面(探傷面)に押圧する付勢機構(詳細は図示しないが、例えばバネ、空気圧シリンダ、又は油圧シリンダ)と、探触子ホルダごと探触子を90°回転可能な探触子回転機構115を有している。アレイ探触子4には、接触媒質供給用ホース116が接続されており、接触媒質供給装置6から接触媒質がアレイ探触子4と被検体20の間隙に供給される。 Further, the probe holding mechanism 103 includes a probe holder 114 that holds the array probe 4 and urges the probe holder 114 toward the subject to hold the array probe 4 on the outer surface of the subject. An urging mechanism (for example, a spring, pneumatic cylinder, or hydraulic cylinder, although details are not shown) for pressing against (flaw detection surface), and a probe rotation mechanism 115 capable of rotating the probe by 90° together with the probe holder. have. A contact medium supply hose 116 is connected to the array probe 4 , and the contact medium is supplied from the contact medium supply device 6 to the gap between the array probe 4 and the object 20 .

なお、ここで説明した探触子移動機構5は一例であり、探触子を被検体20の溶接線周辺において2次元走査可能な機構ならば、どのような装置構成であってもかまわないものとする。 It should be noted that the probe moving mechanism 5 described here is an example, and any device configuration may be used as long as the probe can be two-dimensionally scanned around the welding line of the object 20. and

本実施形態の要部であるアレイ探触子4の構造を説明する。図4A及び図4Bは、本実施形態におけるアレイ探触子4の構造を表す図である。図4Aは、アレイ探触子上面から内部の構造を透視した平面図、図4Bは図4A中の断面A-Aによる断面図である。 The structure of the array probe 4, which is the main part of this embodiment, will be described. 4A and 4B are diagrams showing the structure of the array probe 4 in this embodiment. FIG. 4A is a plan view of the internal structure seen through from the upper surface of the array probe, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4A.

本実施形態のアレイ探触子4は、複数の圧電素子1を直線上に1列に配列した振動子アレイ2を持つリニアアレイ構造を基本とする。振動子アレイ2は、厚さhの平板状のウェッジ3の上面に配置され、ウェッジ3は、被検体表面に対してギャップ高さg(0.3~1.0mm)だけ隙間を空けて設置されるように、ケーシング400内に格納されている。ウェッジの長手方向両端には、入射した音のエネルギーを吸収してウェッジ内における超音波の反響を低減するための吸音材402(コルクまたはゴム系材料など)が設けられている。ケーシング400およびウェッジ3には、接触媒質供給穴401が設けられており、接触媒質供給装置6からホース116を介して送られて来る接触媒質をウェッジ3と被検体20の隙間に満たすことで、水ギャップ法により被検体20と音響的に結合する。 The array probe 4 of this embodiment is based on a linear array structure having a transducer array 2 in which a plurality of piezoelectric elements 1 are linearly arranged in one row. The transducer array 2 is placed on the upper surface of a flat wedge 3 having a thickness h, and the wedge 3 is installed with a gap height g (0.3 to 1.0 mm) from the surface of the object. , is housed within the casing 400 . At both longitudinal ends of the wedge, sound absorbing material 402 (such as cork or rubber-based material) is provided to absorb incident sound energy and reduce ultrasonic echoes within the wedge. The casing 400 and the wedge 3 are provided with a couplant supply hole 401, and the couplant supplied from the couplant supply device 6 through the hose 116 fills the gap between the wedge 3 and the test object 20. Acoustically coupled with the subject 20 by the water gap method.

樹脂材で形成されるウェッジ3と、鋼材である被検体20は音響インピーダンスが異なるため、ウェッジ3と被検体20の間を超音波が往復する際には音圧の損失が起こる。この効率表した係数が音圧往復通過率Tである。水ギャップ法によりウェッジ3と被検体20を音響結合する場合は、接触媒質との音響インピーダンスも影響する。ギャップ高さgを、接触媒質の波長の1/2の倍数となるように設定すれば、接触媒質の影響をほぼ無視できることが知られているが、超音波の周波数が単一の連続波前提の理論であり、周波数帯域が広帯域なパルス波では無視できない。また被検体表面の曲率や凹凸によってもギャップ高さが変化してしまう。サブミリオーダーでギャップ高さgを制御することは現実的では無いため、ウェッジ3と接触媒質、接触媒質と被検体20の間でも超音波の音圧損失が起こることを前提に考える必要が有る。この前提のもとでは、圧電素子(音響インピーダンス10~30×106 kg/m2s 程度)と接触媒質(音響インピーダンス1.5~2×106 kg/m2s程度)を直接接触させるよりも、間に中間の音響インピーダンスを持つ樹脂材のウェッジ3(音響インピーダンス2.5~3.5程度)を挟んだ方がトータルの音圧往復通過率が高くなり、感度の向上に寄与する。 Since the wedge 3 made of a resin material and the object 20 made of steel have different acoustic impedances, sound pressure loss occurs when ultrasonic waves travel back and forth between the wedge 3 and the object 20 . A coefficient representing this efficiency is the sound pressure round-trip transmission rate T. FIG. When the wedge 3 and the object 20 are acoustically coupled by the water gap method, the acoustic impedance with the couplant also affects. It is known that if the gap height g is set to be a multiple of half the wavelength of the couplant, the effect of the couplant can be almost ignored. theory, and cannot be ignored for a pulse wave with a wide frequency band. Moreover, the gap height changes depending on the curvature and unevenness of the object surface. Since it is not realistic to control the gap height g in the submillimeter order, it is necessary to assume that ultrasonic sound pressure loss occurs between the wedge 3 and the couplant and between the couplant and the test object 20 . Under this premise, rather than directly contacting the piezoelectric element (acoustic impedance of about 10 to 30×10 6 kg/m 2 s) and the couplant (acoustic impedance of about 1.5 to 2×10 6 kg/m 2 s), , and a wedge 3 made of a resin material having an intermediate acoustic impedance (acoustic impedance of about 2.5 to 3.5) is sandwiched between them.

ここで、以降の説明を容易にするために、座標系を定義する。振動子アレイ2の中心を通り、振動子アレイ2の鉛直下向きの法線方向をZ軸、Z軸が被検体20の表面を通過する点を原点Oとし、原点Oにおける被検体表面接線のうち、圧電素子1の配列方向、すなわちアレイ探触子4の前後方向をY軸、圧電素子の長手方向、すなわちアレイ探触子4の幅方向をX軸とする。被検体表面上の点Oにおける接平面はXY平面であり、振動子アレイ1は、ウェッジ3によりこの接平面と並行に距離hだけ離れて配置される。 Here, a coordinate system is defined to facilitate the following description. The point where the Z axis passes through the center of the transducer array 2 and the normal direction of the transducer array 2 is vertically downward, and the point where the Z axis passes through the surface of the subject 20 is defined as an origin O. , the arrangement direction of the piezoelectric elements 1, that is, the front-rear direction of the array probe 4 is the Y-axis, and the longitudinal direction of the piezoelectric elements, that is, the width direction of the array probe 4 is the X-axis. The tangent plane at the point O on the object surface is the XY plane, and the transducer array 1 is arranged parallel to this tangent plane by the wedge 3 at a distance h.

本実施形態のように被検体内に横波を発生させて探傷を実施する場合、一般的には、アレイ探触子であっても単一振動子の固定角探触子と同様に、斜めに傾斜させた楔状のウェッジ500を用いる。図5A及び図5Bに、従来の横波励起用アレイ探触子の典型的な構造を示す。図5Aが探触子側面から見た正面図、図5Bが探触子上面から見た平面図である。複数の圧電素子1が1列に配列されたアレイ探触子501が、楔状のウェッジ500を介して被検体に設置させている。ウェッジを楔状に傾斜角αだけ傾斜させる理由は、モード変換により被検体の横波18を生じさせるウェッジ内縦波の合成波16を出来るだけ強くするためであるが、この場合、方向依存性が生じ、アレイ探触子の後方に向けて強い横波18を励起することが出来ない。従って、アレイ探触子1つで2角度以上の斜角探傷を実施することは可能だが、被検体の軸方向、周方向の2方向探傷を実施するためには、もうひとつのアレイ探触子501aおよび楔状ウェッジ500aを対向配置する必要があり、探傷ヘッド全体のフットプリント(図5BにおけるL×W)が倍加してしまい、探傷不可能範囲が拡大する原因となる。 When performing flaw detection by generating transverse waves in the object as in the present embodiment, generally, even an array probe, like a single-element fixed-angle probe, is inclined diagonally. An inclined wedge-shaped wedge 500 is used. 5A and 5B show a typical structure of a conventional transverse wave excitation array probe. FIG. 5A is a front view seen from the side of the probe, and FIG. 5B is a plan view seen from the top of the probe. An array probe 501 in which a plurality of piezoelectric elements 1 are arranged in a line is placed on a subject through a wedge-shaped wedge 500 . The reason for inclining the wedge at the wedge-like inclination angle α is to make the composite wave 16 of the longitudinal waves in the wedge that generate the transverse waves 18 of the object by mode conversion as strong as possible. , cannot excite a strong transverse wave 18 toward the rear of the array probe. Therefore, although it is possible to perform oblique flaw detection at two angles or more with a single array probe, another array probe 501a and the wedge-shaped wedge 500a must be arranged opposite to each other, which doubles the footprint of the entire flaw detection head (L×W in FIG. 5B) and causes an increase in the undetectable range.

図4A及び図4Bに示した本発明の第1の実施形態におけるアレイ探触子4のウェッジ3は、あえて傾斜を付けずに、振動子アレイ2の中心における法線を軸として180°回転しても同じ形状(接触媒質供給穴401を除く)となる回転対称形状である。従って、アレイ探触子4の前方に横波18を斜角送信する場合と、アレイ探触子4の後方に横波18を斜角送信する場合はいずれも同等の強度で横波を励起することが出来る。詳細は後述するが、アレイの圧電素子幅が十分小さな場合、くさびを傾斜させる場合と傾斜させない場合の合成波16の強度差はそれほど大きくなく、振動子アレイ全体の開口幅aを適切な大きさにすることで、くさびを傾斜させた場合と同等な強度の合成波16および横波18を励起できる。従って、本発明の第1の実施形態におけるアレイ探触子4を用いれば、アレイ探触子1つだけのコンパクトな探傷ヘッドで2方向2角度の斜角探傷と垂直探傷を1度に実施できるため、探傷不可能範囲の増加を抑制しつつ検査を効率化できる。 The wedge 3 of the array probe 4 in the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 4A and 4B is rotated 180° about the normal to the center of the transducer array 2 without being inclined. It is a rotationally symmetrical shape that has the same shape (except for the contact medium supply hole 401). Therefore, when the transverse wave 18 is obliquely transmitted in front of the array probe 4 and when the transverse wave 18 is obliquely transmitted behind the array probe 4, the transverse waves can be excited with the same intensity. . Although the details will be described later, when the width of the piezoelectric elements of the array is sufficiently small, the difference in intensity of the composite wave 16 between when the wedge is tilted and when the wedge is not tilted is not so large, and the aperture width a of the entire transducer array is set to an appropriate size. , it is possible to excite the composite wave 16 and the transverse wave 18 with the same intensity as when the wedge is tilted. Therefore, if the array probe 4 in the first embodiment of the present invention is used, oblique flaw detection and vertical flaw detection in two directions and two angles can be performed at once with a compact flaw detection head with only one array probe. Therefore, it is possible to improve the efficiency of inspection while suppressing an increase in the untestable range.

振動子アレイ2は、幅e、長さlの圧電素子1を複数個(この個数をn個とする)、素子ピッチpで並べて形成される。素子ピッチpは、意図した方向と異なる方向で各圧電素子から送信される超音波の位相が揃ってしまうことで生じる、グレーティングローブと呼ばれる疑似的な超音波ビームを抑制するために、十分小さくする必要が有る。この素子ピッチpの目安は以下の数式(1)で定められる。
The vibrator array 2 is formed by arranging a plurality of piezoelectric elements 1 having a width e and a length l (this number is n) arranged at an element pitch p. The element pitch p is made small enough to suppress pseudo ultrasonic beams called grating lobes that occur when the phases of ultrasonic waves transmitted from each piezoelectric element are aligned in a direction different from the intended direction. I have a need. A guideline for this element pitch p is determined by the following formula (1).

p≦λM /(1+Sinθmax). (1)

ここで、λMは被検体中の横波波長、θmaxは被検体中の横波18の最大屈折角である。式(1)を満たす最大の素子ピッチpを用いれば、超音波信号の送受信を行う制御装置7の仕様により制限される限られた圧電素子数の中で、振動子アレイ全体の開口幅aを大きくなり、合成波16およびモード変換により生じる横波18の強度を強くすることができる。最大屈折角をθmax=90°としたとき、素子ピッチpはλM/2以下であれば良い。例えば、2.25MHzの鋼材中横波(音速3.23km/s)の波長は約1.4mmなので、素子ピッチは0.7mm以下とするのが好適である。
p≦λ M /(1+Sinθ max ). (1)

Here, λ M is the shear wave wavelength in the subject, and θ max is the maximum refraction angle of the shear wave 18 in the subject. Using the maximum element pitch p that satisfies Equation (1), the aperture width a of the entire transducer array can be reduced to It is possible to increase the intensity of the composite wave 16 and the transverse wave 18 caused by mode conversion. When the maximum refraction angle is θ max =90°, the element pitch p should be λ M /2 or less. For example, since the wavelength of a 2.25 MHz transverse wave in steel (sonic velocity of 3.23 km/s) is about 1.4 mm, the element pitch is preferably 0.7 mm or less.

図6に、遅延パターンに基づく超音波の伝播方向制御のイメージ図を示す。複数の圧電素子1へそれぞれ出力する複数の駆動信号410の出力タイミングを制御することで、各圧電素子から放射された素源波(縦波)16aの包絡線として合成波16の波面16bを形成する。この合成波16は遅延パターンに従い任意の入射角φの方向に伝播する。被検体表面の入射点Iにて、横波18にモード変換し、スネル則に従い屈曲して被検体内を屈折角θの方向に伝播する。18aは素源波16aが横波にモード変換したもの、18bは18aの包絡線として形成される横波18の波面である。駆動信号の傾斜を逆転させれば、探触子の後方に向けて同じく屈折角θで横波を励起することができる。 FIG. 6 shows an image diagram of ultrasonic wave propagation direction control based on the delay pattern. By controlling the output timing of a plurality of drive signals 410 that are respectively output to the plurality of piezoelectric elements 1, the wavefront 16b of the composite wave 16 is formed as an envelope of the source wave (longitudinal wave) 16a radiated from each piezoelectric element. do. This composite wave 16 propagates in the direction of an arbitrary incident angle φ according to the delay pattern. At the incident point I on the surface of the object, the wave is mode-converted into a transverse wave 18, bent according to Snell's law, and propagated in the direction of the refraction angle θ within the object. Reference numeral 18a denotes a transversal wave mode-converted from the source wave 16a, and 18b denotes a wavefront of the transversal wave 18 formed as an envelope curve of 18a. By reversing the slope of the drive signal, a transverse wave can be excited toward the rear of the probe with the same refraction angle θ.

本実施形態におけるウェッジ3は、ウェッジ内で一度縦波の合成波16を形成し、それをモード変換により横波18に変換することで、振動子アレイ2を直接被検体20に設置するよりも高感度な横波を安定して励起することを目的としている。直接接触の場合でも、圧電素子1の端部から生じる縦波エッジ波がモード変換した横波が生じることが知られているが、この横波エッジ波の強度は一般的に弱く、被検体の材料や表面状態に強く依存し、また縦波エッジ波と比べて指向性にも極端な屈折角依存性が有る。この横波エッジ波の指向性に関しては未だ十分な定式化が成されていないが、被検体表面の局所的な領域をレーザ光線によって瞬間的に熱し、点音源として超音波を励起するレーザUTの分野にて理論解が求められている。図7に、鋼材中に点音源から生じる縦波と横波の強度の屈折角依存性を参考として示す。横軸が超音波の伝播方向として、点音源の真下方向を基準とした屈折角θを表し、縦軸がレーザ点音源から生じる超音波の相対音圧を表すグラフで、実線が横波指向性、破線が縦波指向性である。縦波は真下方向(θ=0°)が最大となるコサインカーブに近い一般的な指向性を示す。一方、横波は真下は音圧ゼロで30°付近と45°付近で2つピークを持つ極端な屈折角依存性を示す。例えば横波を40°~75°の範囲(代表的な屈折角45°、60°、70°を含む範囲)でセクタ走査する場合、約9dBと大きな感度差が生じる。アレイ探触子を被検体に直接接触させた場合に圧電素子の端部から被検体内に生じる横波エッジ波も、この図7に示す横波指向性と似た指向性を示すため、横波をセクタ走査する場合は、先に述べた絶対強度の不足や表面状態への依存性の高さとあわせて安定性に課題がある。従って、本実施形態ではウェッジ3を介してウェッジ内に生じる縦波の合成波をモード変換することで横波を励起する。圧電素子と接触媒質の中間の音響インピーダンスを持つ樹脂系材料のウェッジを用いることで、わずかではあるが音圧往復通過率が改善し、感度の向上も期待できる。 The wedge 3 in this embodiment forms a longitudinal wave composite wave 16 once in the wedge and converts it into a transverse wave 18 by mode conversion. The purpose is to stably excite sensitive transverse waves. Even in the case of direct contact, it is known that a transverse wave is generated by mode-converting the longitudinal edge wave generated from the end of the piezoelectric element 1. However, the intensity of the transverse edge wave is generally weak, It strongly depends on the surface state, and the directivity is also extremely dependent on the angle of refraction compared to the longitudinal edge wave. Although the directivity of this transverse edge wave has not yet been fully formulated, the field of laser UT that instantaneously heats a localized area of the surface of an object with a laser beam and excites ultrasonic waves as a point sound source. A theoretical solution is sought in . FIG. 7 shows, for reference, the refraction angle dependence of the intensity of longitudinal waves and transverse waves generated from a point sound source in a steel material. The horizontal axis represents the propagation direction of the ultrasonic wave, and the refraction angle θ with respect to the direct downward direction of the point sound source.The vertical axis represents the relative sound pressure of the ultrasonic wave generated from the laser point sound source. A dashed line is the longitudinal wave directivity. Longitudinal waves show a general directivity similar to a cosine curve with the maximum in the direct downward direction (θ = 0°). On the other hand, the transverse wave exhibits extreme refraction angle dependence with two peaks near 30° and 45° with no sound pressure directly below. For example, when a transverse wave is sector-scanned in the range of 40° to 75° (range including typical refraction angles of 45°, 60°, and 70°), a large sensitivity difference of about 9 dB occurs. When the array probe is brought into direct contact with the subject, the transverse edge wave generated in the subject from the end of the piezoelectric element also exhibits directivity similar to the directivity of the transverse wave shown in FIG. In the case of scanning, there is a problem of stability in addition to the above-mentioned lack of absolute intensity and high dependence on surface conditions. Therefore, in the present embodiment, a transverse wave is excited by mode-converting a composite wave of longitudinal waves generated in the wedge via the wedge 3 . By using a wedge made of a resin material that has an acoustic impedance intermediate between that of the piezoelectric element and that of the couplant, the sound pressure round-trip transmission rate is slightly improved, and an improvement in sensitivity can also be expected.

本実施形態はウェッジ内で高強度かつ安定した合成波16を形成することが重要であり、適切なウェッジ厚さhの設定が必要になる。ウェッジ厚さhが大きくなるほど、ウェッジ内での音の散乱減衰により合成波の強度が低下し、ウェッジ含むアレイ探触子全体のフットプリントも大きくなってしまう。一方で、ウェッジ厚さhが小さすぎると、十分に平滑な合成波波面を形成することが出来ず、合成波のモード変換による横波励起が安定しない。 In this embodiment, it is important to form a high-intensity and stable composite wave 16 within the wedge, and it is necessary to set an appropriate wedge thickness h. As the wedge thickness h increases, the intensity of the composite wave decreases due to sound scattering attenuation within the wedge, and the footprint of the entire array probe including the wedge also increases. On the other hand, if the wedge thickness h is too small, a sufficiently smooth composite wavefront cannot be formed, and transverse wave excitation due to mode conversion of the composite wave is unstable.

適切なウェッジ厚さhに関して、図8を用いて説明する。図8は、2つの圧電素子から送信された素源波(エッジ波)により形成される合成波の波面の平滑性(凹凸の大きさ)を説明するための概念図である。本発明の第1の実施形態から圧電素子2つとウェッジ3の一部のみ抜粋している。入射角φの方向に合成波16の波面16bを形成しようとする場合、実際の波面は2つの素源波16aをなぞった凹凸のある波面であり、2つの素源波16aの接線として表される仮想的な波面16bとは、2つの素源波16aの交点Qにおいて合成波の伝播方向に最大でδの距離差が生じる。素子ピッチp、入射角φ、及びウェッジ厚hにおいては、合成波波面の最大距離差δは以下の式(2)~(4)で表される。また、δをウェッジ内の波長λWで除した値に2π(360°)をかけた値を合成波波面の最大位相ずれ角Δとして式(5)定義する。
An appropriate wedge thickness h will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the smoothness (size of unevenness) of the wavefront of a composite wave formed by elemental waves (edge waves) transmitted from two piezoelectric elements. Only two piezoelectric elements and a part of the wedge 3 are extracted from the first embodiment of the present invention. When trying to form the wavefront 16b of the composite wave 16 in the direction of the incident angle φ, the actual wavefront is an uneven wavefront that traces the two source waves 16a, and is represented as a tangent to the two source waves 16a. At the intersection Q3 of the two source waves 16a, there is a maximum distance difference of δ in the propagation direction of the composite wave from the virtual wavefront 16b. Given the element pitch p, the incident angle φ, and the wedge thickness h, the maximum distance difference δ of the composite wave front is expressed by the following equations (2) to (4). Also, the value obtained by dividing δ by the wavelength λ W in the wedge and multiplying it by 2π (360°) is defined as the maximum phase shift angle Δ of the composite wave front by Equation (5).

δ=r0(1‐Cos dφ) (2)
dφ≡∠Q3EI=Arcsin( (p2+r0 2-r1 2)/(2pr0) ) (3)
r1= r0-p Sinφ (4)
Δ≡2πδ/λW (5)

一例として、ウェッジ材料としてポリエーテルイミド(縦波音速2.43km/s)を用い、素子ピッチpを式(1)に従い鋼材中の横波の波長λMの1/2とした場合における具体的な位相ずれ角の計算結果を図9に示す。横軸がウェッジ内の波長で規格化したウェッジ厚さh/λW、縦軸に最大位相ずれ角Δを表すグラフで、代表的な屈折角θ=45°, 60°, 70°の場合を重ねて示している。屈折角θが小さく、すなわち入射角φが小さくなるほど、同じウェッジ厚さでも位相ずれ角Δが大きくなる。許容できる最大位相ずれ角Δとして、正弦波の振幅変化が2%未満となるようにΔ≦10°を仮定すると、屈折角θ≧45°の範囲における最小のウェッジ厚さh/λWは1.4となる。
δ=r 0 (1-Cos dφ) (2)
dφ≡∠Q 3 EI = Arcsin(( p2 + r02 - r12 )/( 2pr0 )) ( 3 )
r1 = r0 - pSinφ (4)
Δ≡2πδ/ λW (5)

As an example, using polyetherimide (longitudinal wave speed of sound 2.43 km/s) as the wedge material, the specific phase when the element pitch p is set to 1/2 the wavelength λ M of the transverse wave in the steel material according to formula (1) FIG. 9 shows the calculation result of the deviation angle. The horizontal axis is the wedge thickness normalized by the wavelength in the wedge, h/λ W , and the vertical axis is the maximum phase shift angle Δ. It is shown repeatedly. The smaller the refraction angle θ, that is, the smaller the incident angle φ, the larger the phase shift angle Δ even with the same wedge thickness. Assuming that the maximum allowable phase shift angle Δ is Δ≤10° so that the sinusoidal amplitude change is less than 2%, the minimum wedge thickness h/λ W for the range of refraction angles θ≥45° is 1.4. becomes.

以上の考察から、多少の誤差も考慮し、安定して横波へのモード変換が可能な平滑な合成波波面を形成するために必要なウェッジ厚さhは、ウェッジ内縦波波長の1.5倍以上確保するのが好適とする。一般的なアレイ探触子の保護膜の厚さは1/4波長を目安に設計されるため、安定して横波へのモード変換を可能とするためには意識してウェッジ(保護膜)を厚く設計する必要が有る。 From the above considerations, considering some errors, the wedge thickness h required to form a smooth composite wavefront that can stably convert the mode to a transverse wave is 1.5 times or more the wavelength of the longitudinal wave in the wedge. It is preferable to ensure Since the thickness of the protective film of a general array probe is designed around 1/4 wavelength, wedges (protective films) are consciously designed to enable stable mode conversion to transverse waves. It needs to be thickly designed.

図10A、図10B及び図11を用いて、図5A及び図5Bに示した従来技術の傾斜付きウェッジを用いたアレイ探触子構成により励起される横波18と、図4A及び図4Bに示した本発明の実施形態1のアレイ探触子4の構成により励起される横波18の強度がおおよそ等しくなるための条件と、その際のフットプリント長さLの差を述べる。図10A及び図10Bが、従来技術及び本発明の実施形態における見かけ開口幅a’に関する説明図であり、図10Aは従来技術、図10Bは本発明の実施形態における見かけ開口幅a’の説明図である。また、図11は圧電素子ひとつひとつが持つ合成波の伝播方向に対する縦波の送受信効率(往復指向性)である。 10A, 10B and 11, the shear wave 18 excited by the prior art tilted wedge array probe configuration shown in FIGS. 5A and 5B and the shear wave 18 shown in FIGS. A condition for making the intensity of the transverse waves 18 excited by the configuration of the array probe 4 of Embodiment 1 of the present invention approximately equal and the difference in the footprint length L at that time will be described. 10A and 10B are explanatory diagrams of the apparent aperture width a′ in the conventional technology and the embodiment of the present invention, FIG. 10A is an explanatory diagram of the apparent aperture width a′ in the conventional technology, and FIG. 10B is an explanatory view of the apparent aperture width a′ in the embodiment of the present invention. is. FIG. 11 shows the longitudinal wave transmission/reception efficiency (reciprocating directivity) with respect to the propagation direction of the composite wave possessed by each piezoelectric element.

斜角探傷における超音波エコーの信号振幅の大きさは、おおよそ見かけ開口幅a’に比例することが知られている。図10Aに示す従来技術の見かけ開口幅a1’と実開口幅a1の関係を式(6)、図10Bに示す本発明の実施形態の見かけ開口幅a2’ と実開口幅a2の関係を式(7)に示す。
It is known that the magnitude of the signal amplitude of ultrasonic echoes in oblique flaw detection is roughly proportional to the apparent aperture width a'. The relationship between the apparent aperture width a 1 ' and the actual aperture width a 1 of the prior art shown in FIG. The relationship is shown in Equation (7).

a1' = a1 (Cosθ/Cosφ) (6)
a2' = a2'' (Cosθ/Cosφ) = a2 Cosφ (Cosθ/Cosφ) = a2 Cosθ (7)

ここで、a1、a2は振動子アレイの実開口幅、φは合成波16の入射角、θは横波18の屈折角である。式(6)と式(7)を比較すると、本実施形態の探触子構成で見かけ開口幅を従来技術と同じにするには、実開口の大きさを1/Cosφ倍大きくすれば良いことがわかる。ただし、圧電素子1のひとつひとつにも超音波の送受信効率に指向性があるため、合成波を圧電素子1の法線方向から入射角φだけ傾けて送信することによる感度低下を補償するため、さらに実開口幅を大きくすることが望ましい。図11は、ウェッジ3の材質がポリエーテルイミド、振動子幅が波長の1/2未満の0.5mmの場合における圧電素子1の縦波往復指向性を示している。合成波の入射角φが大きくなる程送受信効率が低下する。例えばウェッジ3の材質がポリエーテルイミドで鋼材中に屈折角60°の横波を励起させる場合、入射角φは約41°なので、圧電素子の指向性による送受信効率は0.73倍(-2.7dB)である。この場合、実開口を従来技術の探触子構成より1/0.73=1.37倍すれば、圧電素子1の指向性による感度低下を打ち消せる。前述した見かけ開口幅の補正係数は1/Cos41°=1.33なので、実開口を1.37×1.33=1.8倍にすれば良い。
a1 ' = a1 (Cosθ/Cosφ) (6)
a2 ' = a2 '' (Cosθ/Cosφ) = a2Cosφ (Cosθ/Cosφ) = a2Cosθ (7)

Here, a 1 and a 2 are the actual aperture widths of the transducer array, φ is the incident angle of the composite wave 16 , and θ is the refraction angle of the transverse wave 18 . Comparing equations (6) and (7), it can be seen that in order to make the apparent aperture width the same as in the conventional technique in the probe configuration of this embodiment, the size of the actual aperture should be increased by 1/Cosφ times. I understand. However, since each of the piezoelectric elements 1 also has directivity in the transmission/reception efficiency of the ultrasonic wave, in order to compensate for the decrease in sensitivity caused by transmitting the composite wave at an angle of incidence φ from the normal direction of the piezoelectric element 1, It is desirable to increase the actual aperture width. FIG. 11 shows the reciprocating longitudinal wave directivity of the piezoelectric element 1 when the material of the wedge 3 is polyetherimide and the vibrator width is 0.5 mm, which is less than half the wavelength. The greater the incident angle φ of the composite wave, the lower the transmission/reception efficiency. For example, if the material of the wedge 3 is polyetherimide and a shear wave with a refraction angle of 60° is excited in the steel material, the incident angle φ is about 41°, so the transmission/reception efficiency due to the directivity of the piezoelectric element is 0.73 times (-2.7dB). be. In this case, if the actual aperture is increased by 1/0.73=1.37 times that of the probe configuration of the prior art, the decrease in sensitivity due to the directivity of the piezoelectric element 1 can be canceled. Since the aforementioned apparent aperture width correction coefficient is 1/Cos41°=1.33, the actual aperture should be multiplied by 1.37×1.33=1.8.

上記の実開口の違いを踏まえ、2方向斜角探傷に最低限必要な探触子構成のフットプリント長さL1、L2の大きさは以下の式(8)および式(9)で求められる。
Based on the difference in the actual aperture mentioned above, the minimum footprint lengths L 1 and L 2 of the probe configuration required for two-way oblique angle testing are calculated using the following formulas (8) and (9). be done.

L1 ≧ 2a1 (Cosφ + SinφTanφ) (8)
L2 ≧ a2 + 2h Tanφ (9)

ここで、横波屈折角60°を基準とし、入射角φ=41°、a2=1.8 a1として設計する場合、L1≧2.65a1、L2≧1.8a1+1.7hであり、hがウェッジ内縦波波長の1.5倍程度と小さいときL2≦L1となり、探傷感度を保ったまま従来技術よりフットプリントを小さくできる。
L 1 ≧ 2a 1 (Cosφ + SinφTanφ) (8)
L2a2 + 2h Tanφ (9)

Here, with the shear wave refraction angle of 60° as the reference, when the incident angle φ = 41° and a 2 =1.8a 1 are designed, L 1 ≥ 2.65a 1 , L 2 ≥ 1.8a 1 +1.7h, and h is as small as about 1.5 times the wavelength of the longitudinal wave in the wedge, L 2 ≤ L 1 , and the footprint can be made smaller than the conventional technology while maintaining the flaw detection sensitivity.

最後に、図12A、図12B及び図13を用い、ウェッジ3内に生じる合成波16の多重反射波116による疑似エコーを低減させるためのウェッジ形状の工夫について述べる。図12A及び図12Bは、本発明の第1の実施形態における典型的なウェッジ形状を表す説明図である。探触子構成の内、ウェッジ内の多重反射波116の伝播経路を説明するために必要な部分だけを抜粋して描画しており、例えばウェッジ端部の吸音材は省略されている。図12Aがウェッジ側面から見た正面図、図12Bがウェッジ上面から見下ろした平面図である。図示したように、本発明における典型的なウェッジ形状は、側面から見た投影図が台形、上面から見た投影図が平行四辺形となるような3次元的な端面傾斜を持ち、振動子アレイ2の中心における法線を軸とした回転対称形状となっている。図12Aに示すように、斜角探傷を実施するためにウェッジの左方向に送信された合成波16は、ウェッジ底面で反射した後ウェッジの左端面に入射する。ウェッジ端面はウェッジの厚さ方向に角度βだけ傾斜しているため、多重反射波116の角度は厚さ方向に逸れ、振動子アレイ2に対して合成波の伝播方向とは異なる角度でした入射しなくなるため、受信効率が低下し疑似エコーを低減する。また、図12Bに示すように、上面から見た場合においてもウェッジ端面はウェッジの幅方向に角度γだけ傾いているため、ウェッジ端面から反射した多重反射波116はウェッジ幅方向に逸れ、振動子アレイ2に対して合成波16の伝播方向とは大きく異なる角度でした入射しなくなるため受信効率が低下し、厚さ方向の傾斜とあわせて効果的に疑似エコーを低減できる。 Finally, with reference to FIGS. 12A, 12B, and 13, wedge shape devising for reducing pseudo echoes due to multiple reflected waves 116 of the composite wave 16 generated in the wedge 3 will be described. 12A and 12B are explanatory diagrams showing typical wedge shapes in the first embodiment of the present invention. Of the probe configuration, only the parts necessary for explaining the propagation path of the multiple reflected waves 116 in the wedge are extracted and drawn, and for example, the sound absorbing material at the edge of the wedge is omitted. FIG. 12A is a front view seen from the side of the wedge, and FIG. 12B is a plan view seen from the upper surface of the wedge. As shown in the figure, the typical wedge shape in the present invention has a three-dimensional end surface inclination such that the projected view from the side is a trapezoid and the projected view from the top is a parallelogram, and the transducer array It has a rotationally symmetrical shape with the normal line at the center of 2 as an axis. As shown in FIG. 12A, the composite wave 16 transmitted to the left of the wedge for oblique inspection is reflected by the bottom surface of the wedge and then incident on the left end surface of the wedge. Since the wedge end surface is inclined by an angle β in the thickness direction of the wedge, the angle of the multiple reflected waves 116 deviates in the thickness direction, and is at a different angle from the propagation direction of the composite wave with respect to the transducer array 2. As a result, reception efficiency decreases and pseudo echoes are reduced. In addition, as shown in FIG. 12B, since the wedge end face is inclined at an angle γ in the wedge width direction even when viewed from above, the multiple reflected waves 116 reflected from the wedge end face deviate in the wedge width direction, Since the composite wave 16 is no longer incident on the array 2 at an angle greatly different from the propagation direction, the reception efficiency is lowered, and together with the inclination in the thickness direction, the pseudo echo can be effectively reduced.

図13に、仮に上面から見た投影図が台形となるような形状とした場合を比較のため示す。この場合、ウェッジ端面から反射した多重反射波116は、反対側の端面で反射した際に合成波16の伝播方向と平行な方向に戻ってしまう。したがって、上面からみた投影形状は台形より平行四辺形が好適である。なお、ウェッジ内のエコーを低減することのみ目的とする場合、必ずしも回転対称形状である必要は無いが、斜角探傷をアレイ探触子の前方に向けて実施した場合と後方に向けて実施した場合で多重反射波による疑似エコー信号の発生位置や大きさが変わってしまうため、エコーの識別において問題となりうるため、回転対称形状がより好適である。 FIG. 13 shows, for comparison, a case in which the projected view from the top is trapezoidal. In this case, the multiple reflected wave 116 reflected from the wedge end face returns in a direction parallel to the propagation direction of the composite wave 16 when reflected from the opposite end face. Therefore, a parallelogram is preferable to a trapezoid as the projection shape viewed from above. When the only purpose is to reduce the echo in the wedge, it is not necessary to have a rotationally symmetrical shape. A rotationally symmetrical shape is more preferable because the positions and magnitudes of pseudo echo signals generated by multiple reflected waves change in some cases, which may cause problems in identifying echoes.

以上に示した横波励起用ウェッジを備えたアレイ探触子により、探傷不可能範囲の増加を抑制しつつ、複数角度、複数方向を同時に探傷可能とすることで検査を効率化できる。 By using the array probe provided with the transverse wave excitation wedge described above, it is possible to suppress an increase in the undetectable range and simultaneously detect flaws at a plurality of angles and in a plurality of directions, thereby improving inspection efficiency.

なお、本実施例では、図3A及び図3Bに示したように一つのアレイ探触子4を用いて2方向同時探傷する装置構成を例に説明したが、図14に示すように、同様の構造を持つアレイ探触子2つをT字配置した装置構成で4方向同時に探傷する方式も考えられる。この場合、全体のフットプリントが増加する代わりに、より効率的に探傷が実施でき、探触子回転機構115も不要となる。特に、被検体の検査範囲が軸方向に広い圧力容器母材部の検査用装置として好適である。 In this embodiment, as shown in FIGS. 3A and 3B, an apparatus configuration for simultaneous two-direction flaw detection using one array probe 4 has been described as an example, but as shown in FIG. It is also conceivable to use a device configuration in which two array probes having a structure are arranged in a T-shape to perform flaw detection in four directions at the same time. In this case, instead of increasing the overall footprint, flaw detection can be performed more efficiently, and the probe rotation mechanism 115 becomes unnecessary. In particular, it is suitable as an apparatus for inspecting a base material of a pressure vessel in which the inspection range of the object to be inspected is wide in the axial direction.

本発明の第2の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、探触子構成の一部を除くと第1の実施形態と同様の為、共通部分に関しては説明を省略し、差分のみ説明する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Since the configuration of the probe is the same as that of the first embodiment except for a part of the configuration of the probe, the description of common parts will be omitted and only the difference will be described.

図15A及び図15Bを用いて、第1の実施形態におけるアレイ探触子4にて垂直探傷を実施する場合に懸念されるウェッジ内の多重反射波の影響を説明する。図15Aは、垂直探傷により深さ位置dの割れ23を検出する際の縦波17と合成波16、および多重反射波116の伝播経路を表す概念図であり、図15Bは、このとき得られる垂直探傷の波形300に現れるエコーの一例を示している。垂直探傷の際は合成波16をウェッジ3の板厚方向に平行に送信して縦波17を励起するため、斜角探傷の場合と異なりウェッジ内での多重反射波116が振動子アレイ2に対して合成波の伝播方向と同じ方向から入射するため、ウェッジ内多重反射波による疑似エコー302a、302bが斜角探傷に比べてはるかに大きくなり、きずからのエコー301に比べて無視できないほど大きくなる懸念が有る。この多重反射波による疑似エコーに起因する不感帯は、ウェッジが極めて薄い場合は多重反射時の反射損失により速やかにエコー振幅が低下し、被検体外表面の限られた領域のみに限定されるが、モード変換による横波の安定した励起を狙って、波長の1.5倍程度の厚みを必要とする本発明の実施形態においては、探傷上問題になる可能性が有る。 Using FIGS. 15A and 15B, the influence of multiple reflected waves in the wedge, which is a concern when performing vertical flaw detection with the array probe 4 in the first embodiment, will be described. FIG. 15A is a conceptual diagram showing the propagation paths of the longitudinal wave 17, the composite wave 16, and the multiple reflected waves 116 when the crack 23 at the depth position d is detected by vertical flaw detection, and FIG. 15B is obtained at this time. An example of an echo appearing in a vertical flaw detection waveform 300 is shown. In vertical flaw detection, the composite wave 16 is transmitted parallel to the plate thickness direction of the wedge 3 to excite the longitudinal wave 17. Therefore, unlike the oblique flaw detection, the multiple reflected waves 116 within the wedge reach the transducer array 2. On the other hand, since it is incident from the same direction as the propagation direction of the composite wave, the pseudo echoes 302a and 302b due to the multiple reflected waves in the wedge are much larger than in the oblique flaw detection, and are too large to be ignored compared to the echo 301 from the flaw. I have a concern. If the wedge is extremely thin, the dead zone caused by the pseudo echo due to the multiple reflected waves will rapidly decrease in echo amplitude due to reflection loss during multiple reflection, and will be limited to a limited area on the external surface of the object. In the embodiment of the present invention, which requires a thickness of about 1.5 times the wavelength in order to stably excite transverse waves by mode conversion, there is a possibility of causing problems in flaw detection.

固定角探触子において、このような垂直探傷時の不感帯問題を解決する優れた方法として、送受分割の2振動子探触子が知られている。これは、振動子を送信用と受信用に分割し、その間にコルク材などの吸音素材でできた音響隔離板を挿入することによって、ウェッジ内での送信用振動子から受信用振動子までの超音波伝播経路を遮蔽しウェッジ内の多重反射波による疑似エコー発生を防止するものである。 As an excellent method for solving the dead zone problem during vertical flaw detection in fixed-angle probes, a two-element probe with split transmission and reception is known. This is done by dividing the transducer into one for transmission and one for reception, and inserting an acoustic isolation plate made of sound-absorbing material such as cork between the transducers. It shields the propagation path of ultrasonic waves and prevents the generation of pseudo echoes due to multiple reflected waves within the wedge.

アレイ探触子においても、送信用の振動子群と受信用の振動子群を分け、その間に音響隔離板を挿入することで、垂直探傷時の不感帯を排除できるはずである。しかしながら、例えば、図4A及び図4Bに示した振動子アレイ2を2つに区切るように音響隔離板を圧電素子長手方向に対して平行に挿入した場合、斜角探傷時に斜めに送信する合成波の一部を遮蔽する壁となってしまい、感度低下と音場の歪み、ウェッジ内多重反射エコーの増加といった様々な問題を引き起こす。 In an array probe, it should be possible to eliminate the dead zone during vertical flaw detection by separating the transducer group for transmission and the transducer group for reception and inserting an acoustic isolation plate between them. However, for example, when an acoustic isolation plate is inserted parallel to the longitudinal direction of the piezoelectric element so as to divide the transducer array 2 shown in FIGS. It becomes a wall that shields part of the wedge, causing various problems such as reduced sensitivity, sound field distortion, and an increase in multiple reflection echoes inside the wedge.

そこで、本発明の第2の実施形態においては、図16A~図16Cに示すアレイ探触子構造により、斜角探傷に極力影響を与えることなく、垂直探傷の不感帯問題の解決を図る。図16Aは、本発明の第2の実施形態におけるアレイ探触子の平面透視図、図16Bは、前記アレイ探触子を図15A中の矢印Bの方向から見た側面透視図、図16Cは前記アレイ探触子の図15A中に示したC-C断面図である。このアレイ探触子は、振動子アレイ2の内の一部振動子群、典型的には振動子アレイ2の中央の圧電素子1が振動子長手方向に2分割され、それぞれ異なるパルサ/レシーバに接続され電気的な独立を保ち、前記2分割された振動子の間にはアレイの配列方向に平行な音響隔離板500がウェッジ内に挿入され音響的に隔離されていることを特徴とする。ここでは説明を簡単にするため、全ての圧電素子に1番から24番の番号を割り振っているが、本発明の実施形態の素子数を24個に限定する意図はない。 Therefore, in the second embodiment of the present invention, the array probe structure shown in FIGS. 16A to 16C is used to solve the dead zone problem in vertical flaw detection without affecting oblique flaw detection as much as possible. 16A is a plan perspective view of an array probe according to a second embodiment of the present invention, FIG. 16B is a side perspective view of the array probe viewed from the direction of arrow B in FIG. 15A, and FIG. FIG. 15B is a cross-sectional view of the array probe taken along the line CC shown in FIG. 15A; In this array probe, a part of the transducer array 2, typically the piezoelectric element 1 in the center of the transducer array 2, is divided into two in the longitudinal direction of the transducer, and each is divided into two different pulsers/receivers. It is characterized in that an acoustic isolation plate 500 is inserted in the wedge between the vibrators that are connected and electrically independent, and that is parallel to the arrangement direction of the array for acoustic isolation. To simplify the explanation, all the piezoelectric elements are numbered 1 to 24, but there is no intention to limit the number of elements in the embodiment of the present invention to 24.

2分割された振動子群のうち、一方を送信用振動子(例として、素子番号7~12)、もう一方を受信用振動子(例として、素子番号19~24)として斜角探傷を実施することで、2振動子探触子と同様にウェッジ内多重反射波を排除した垂直探傷を実施することができる。一方で、横波による斜角探傷を実施する際は、2分割された振動子を仮想的に一体のものとして扱い、素子番号7~12番と同じ遅延時間パターンで素子番号19~24番を駆動する。合成波の伝播方向は音響隔離板と平行な方向であり、音響隔離板によって遮蔽されることはないため、アレイ全体の開口幅aが同じなら、図4A及び図4Bに示した第1の実施形態のアレイと同等の感度で被検体3の中に横波18を励起できる。 Of the two-divided transducer group, one is for transmission (element numbers 7 to 12, for example), and the other is for reception (element numbers 19 to 24, for example), and oblique angle inspection is performed. By doing so, it is possible to perform vertical flaw detection excluding multiple reflected waves in the wedge, as in the case of the two-element probe. On the other hand, when performing oblique-angle flaw detection using shear waves, the two-divided transducer is treated as a virtual one, and element numbers 19 to 24 are driven with the same delay time pattern as element numbers 7 to 12. do. The direction of propagation of the composite wave is parallel to the acoustic isolator and is not blocked by the acoustic isolator. Shear waves 18 can be excited into the subject 3 with a sensitivity comparable to that of an array of morphologies.

グレーティングローブ抑制の制約から、素子ピッチpが図4A及び図4Bの探触子と同一の場合、同じ開口幅aを得るための素子数は2分割した振動子の数だけ増加する。単純に全てのアレイ振動子を2分割すれば、素子数は分割しない場合の2倍である。しかしながら、アレイ探触子の振動子数は、超音波の送受信を制御する制御装置7に搭載されるパルサ/レシーバの仕様により有限の個数に制限されるため、できるだけ横波斜角探傷の感度を大きくするためには、分割する振動子数を少なくしてアレイ全体の開口幅aを大きくする必要が有る。この分割する素子数の目安として、アレイ全体の開口幅aに対して振動子を2分割する領域の長さbを以下の式(10)に基づき定めるものとする。
Due to the restriction of grating lobe suppression, when the element pitch p is the same as that of the probes of FIGS. 4A and 4B, the number of elements for obtaining the same aperture width a increases by the number of divided transducers. If all the array transducers are simply divided into two, the number of elements is double that in the case of not dividing. However, the number of transducers in the array probe is limited to a finite number by the specifications of the pulser/receiver mounted on the control device 7 that controls the transmission and reception of ultrasonic waves. In order to do so, it is necessary to reduce the number of divided transducers and increase the aperture width a of the entire array. As a measure of the number of elements to be divided, the length b of the region where the transducer is divided into two with respect to the aperture width a of the entire array is determined based on the following equation (10).

b≦0.5a (10)

この値の根拠を図10Bと図17を用いて簡単に説明する。図17は、板厚Tの被検体20を垂直探傷する場合の路程wと屈折角θで斜角探傷する場合の路程w2の差を説明するための概念図である。大きな割れからのエコーの信号振幅Vは、図10Bに示した見かけ開口a2’に比例し、図17に示した超音波の路程WまたはW2に反比例する。見かけ開口a2’は、式(7)に従い実開口幅a2のCosθ倍(≦1)になる。また、全板厚をカバーする超音波の路程wは、板厚Tと屈折角θを用いて式(12)で求められる。
b≦0.5a (10)

The grounds for this value will be briefly described with reference to FIGS. 10B and 17. FIG. FIG. 17 is a conceptual diagram for explaining the difference between the path length w1 in the case of perpendicular flaw detection of the test object 20 having a plate thickness T and the path length w2 in the case of oblique flaw detection with a refraction angle θ. The signal amplitude V of echoes from large cracks is proportional to the apparent aperture a 2 ' shown in FIG. 10B and inversely proportional to the ultrasonic path length W 1 or W 2 shown in FIG. The apparent aperture a 2 ' is Cos θ times the actual aperture width a 2 (≦1) according to equation (7). Further, the path length w of the ultrasonic wave covering the entire plate thickness is obtained by the equation (12) using the plate thickness T and the refraction angle θ.

w=T/Cosθ (11)

従って、エコーの信号振幅Vの大きさは以下の式(12)に従う。
w=T/Cosθ (11)

Therefore, the magnitude of the echo signal amplitude V follows the following equation (12).

V∝a2’/w=(a2/T)Cos2θ (12)

例えば、規格で要求される屈折角のうち、より大きな屈折角θ=60°で斜角探傷する場合と、垂直探傷(θ=60°)の場合を比較すると、垂直探傷の信号振幅は斜角探傷の信号振幅の4倍大きくなる。透過率の差なども考慮すると、実際の感度差はさらに大きくなる。従って、垂直探傷を斜角探傷と同程度の感度で実施するための開口面積は、斜角法の1/4以下で良い。本実施形態における探触子による垂直探傷は、送受分割により開口面積が1/2となるため、垂直探傷を実施するアレイ素子の配列方向における2分割振動子の開口幅bは、アレイ全体の開口幅aの1/2以下が目安となる(数式(10)の関係)。図16A~図16Cはb=a/3とした場合で、分割なしの場合と同じ開口幅aを得るための素子数は4/3倍(1.33倍)となり、限られた素子数の中でより大きな開口を得ることができる。
V∝a2 ′/w=( a2 /T) Cos2θ (12)

For example, when oblique-angle detection is performed with a larger refraction angle θ=60° among the refraction angles required by the standard, and when vertical flaw detection is performed (θ=60°), the signal amplitude for vertical flaw detection is oblique-angle It becomes four times larger than the signal amplitude of flaw detection. Considering the difference in transmittance, etc., the actual sensitivity difference is even greater. Therefore, the aperture area for performing vertical flaw detection with the same level of sensitivity as oblique flaw detection may be 1/4 or less of the oblique flaw detection. In the vertical flaw detection by the probe in this embodiment, the aperture area is halved by splitting the transmission and reception. A guideline is 1/2 or less of the width a (relationship of formula (10)). 16A to 16C are cases where b=a/3, and the number of elements to obtain the same aperture width a as in the case of no division is 4/3 times (1.33 times). Larger apertures can be obtained.

以上に示した探触子構造により、限られた素子数のなかで最大限の斜角探傷向け開口幅を確保して高感度に斜角探傷を実施しつつ、送受信分割により不感帯を排除した垂直探傷も実施できる。 With the probe structure described above, the maximum aperture width for oblique-angle inspection is secured with a limited number of elements, and oblique-angle inspection is performed with high sensitivity. Flaw detection can also be performed.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加,削除,置換をすることが可能である。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. In addition, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.

1 圧電素子
2 振動子アレイ
3 ウェッジ
4 アレイ探触子
5 探触子移動機構
7 制御装置
16 合成波
18 横波
20 被検体
21 溶接線
23 割れ
REFERENCE SIGNS LIST 1 piezoelectric element 2 vibrator array 3 wedge 4 array probe 5 probe movement mechanism 7 controller 16 synthetic wave 18 transverse wave 20 test object 21 weld line 23 crack

Claims (6)

複数の圧電素子からなる振動子アレイを、被検体の探傷面上の接平面に対して平行になるように配置するウェッジを有したアレイ探触子と、
前記複数の圧電素子のうち、所定個数の圧電素子群を選択し、前記圧電素子群から送信される複数の超音波の送信タイミングを制御して、前記複数の超音波からなる合成波の伝播方向を走査する制御装置とを備え、
前記合成波の送信方向を前記アレイ探触子の前後方向に走査し、前記ウェッジを介して前記探傷面に入射した合成波のモード変換により、前記被検体内へ前記アレイ探触子の前後方向に等しい強度を持つ横波を励起可能としており、
前記振動子アレイのうち一部の振動子群が、振動子長手方向に2分割され、前記ウェッジに挿入された音響隔離板によって音響的に隔離されており、2分割された前記振動子群の一方を送信用振動子、もう一方を受信用振動子として用いて垂直探傷を実施することを特徴とする超音波検査装置。
an array probe having a wedge in which a transducer array composed of a plurality of piezoelectric elements is arranged parallel to a tangential plane on the flaw detection surface of the object;
selecting a predetermined number of piezoelectric element groups from the plurality of piezoelectric elements, controlling transmission timing of the plurality of ultrasonic waves transmitted from the piezoelectric element group, and controlling a propagation direction of a composite wave composed of the plurality of ultrasonic waves; and a controller for scanning the
The transmission direction of the composite wave is scanned in the front-rear direction of the array probe, and the mode conversion of the composite wave incident on the flaw detection surface through the wedge causes the composite wave to enter the subject in the front-rear direction of the array probe. It is possible to excite a transverse wave with an intensity equal to
A part of the transducer group in the transducer array is divided into two in the transducer longitudinal direction, and is acoustically isolated by an acoustic isolation plate inserted into the wedge, and the divided transducer group is divided into two groups. 1. An ultrasonic inspection apparatus characterized in that vertical flaw detection is performed using one transducer as a transmitting transducer and the other as a receiving transducer .
請求項1に記載の超音波検査装置において、
前記ウェッジの厚さはウェッジ内縦波波長の1.5倍以上とし、その形状は前記振動子アレイの中心における法線を軸とした回転対称形状とすることを特徴とする超音波検査装置。
In the ultrasonic inspection apparatus according to claim 1,
An ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein the thickness of said wedge is 1.5 times or more the wavelength of the longitudinal wave in said wedge, and its shape is rotationally symmetrical about a normal line at the center of said transducer array.
請求項2に記載の超音波検査装置において、
前記ウェッジは、上面から見た投影図が平行四辺形、側面から見た投影図が台形となる形状であり、前記振動子アレイは前記台形の短辺側の面に、前記振動子アレイの配列方向が前記平行四辺形の長手方向エッジに平行となるように配置されることを特徴とする超音波検査装置。
In the ultrasonic inspection apparatus according to claim 2,
The wedge has a parallelogram shape when viewed from the top and a trapezoid when viewed from the side. An ultrasonic inspection apparatus, characterized in that it is arranged so that its direction is parallel to the longitudinal edges of said parallelogram.
請求項1から3の何れか一項に記載の超音波検査装置において、
前記振動子アレイ全体の開口幅aに対して、振動子を2分割する領域の長さbはb≦0.5aであることを特徴とする超音波検査装置。
In the ultrasonic inspection apparatus according to any one of claims 1 to 3 ,
An ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein a length b of a region dividing the transducers into two with respect to an aperture width a of the entire transducer array satisfies b≦0.5a.
請求項1からの何れか一項に記載の超音波検査装置において、
前記アレイ探触子と同様の構造を持つ追加のアレイ探触子を有し、2つのアレイ探触子の向きが直交するように配置することで、探触子を動かすことなく4方向の斜角探傷を実施可能とすることを特徴とする超音波検査装置。
In the ultrasonic inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4 ,
By having an additional array probe having a structure similar to that of the array probe, and arranging the two array probes so that their directions are perpendicular to each other, four oblique directions can be obtained without moving the probe. An ultrasonic inspection apparatus capable of performing corner flaw detection.
請求項1からの何れか一項に記載の超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、探触子を動かすことなく、垂直探傷と2方向以上かつ2角度以上の斜角探傷を実施することを特徴とする超音波検査方法。 An ultrasonic inspection method using the ultrasonic inspection apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein vertical flaw detection and oblique flaw detection in two or more directions and two or more angles without moving the probe An ultrasonic examination method characterized by carrying out.
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