JPH0249156A - 超音波断層検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波断層検出方法および装置に係り、特に構
造物内部の非破壊検査に適用でき、溶接ナゲツトの良否
判定等に利用するのに好適な超音波断層検出方法および
装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、構造物の内部を非破壊的に検査する手段が知ら
れており、溶接強度の良否や内部の傷、ピンホール等の
発見に超音波を利用した検査装置がある０例えば、スポ
ット溶接部の強度をナゲツトから判定することが行われ
ており、これはスポット溶接部の強度がナゲツト径に依
存しているという観点から構成されている。この種の方
法としては超音波パルスに透過波を利用するものと、反
射波を利用する方法がある。前者はセンサの直径に比べ
てナゲツト径が小さいと透過波が少なくなることから判
定するようにしたもので、後者は超音波のエコーが二枚
の板厚の一枚分かあるいは二枚骨かで判定するようにし
たものである。

しかしながら、前者の透過波を利用する方法では、被溶
接部材の両面に送受信手段を配置しなければならず、し
かも同期的に移動させなければならないため、操作性に
問題があり、通常では片側測定のできる反射波を利用す
る方法が多く用いられている。

ところで、性質上ナゲツトは電極チップの中心線に対し
ほぼ同心円状に広がり、溶接が正常であれば形成される
ナゲツトの径は電極チップによる富み径と同等以上にな
る。一方、溶接が不良であればナゲツト径は小さく、窪
み中心部では溶着が起こっていない。

従来行われてきた超音波検査の方法をスポント溶接部の
強度検査に適用する場合、プローブから発射される超音
波パルスの強度が中央に最大値をもち、プローブの受信
感度も中心で高いため、ナゲツトの中央部の信号が他の
信号を卓越してしまい、周辺部の情報を得ることが困難
となっていた。

このようなことから、ナゲツトの外周部に限定して超音
波パルスの送受波を行う試みが従来なされている。これ
は、プローブの先端の振動子に接して中央に超音波吸収
材を設けるとともにこの吸収材の径をナゲツトの基準径
よりやや小さく設定し、その周゛囲にはウェーブガイド
を設けた構成としている。ウェーブガイドの先端は円環
状となっており、超音波を効率良くナゲツトの外周に導
くようにしたもので、ナゲツトが充分な大きさである場
合には超音波エコーがナゲツトによって生じ、等しい厚
さの溶接板材を用いればその厚さｔの二倍の周期２ｔで
振動する。しかし、溶接不良であれば、溶接板材の接合
面にエコーを生じ、受信波形はｔで振動する。この結果
、溶接の良否の判定ができるのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記従来の超音波検査方法では、超音波吸収
材の径をナゲツトの径よりやや小さく設定する必要があ
り、ナゲツト基準径が常に一定であれば問題がないが、
実際上は溶接対象部材の種類等によってナゲツト径が異
なり、この径が異なる毎に吸収材の径を変更しなければ
ならない不都合がある。また、ナゲツトの中心と超音波
吸収材の中心を確実に一致させなければ実際には基準に
合うナゲツトでも不良と判定されてしまうので、実作業
現場での使用が非常に困難となってしまう問題がある。

さらに、ナゲツトの中央に溶接欠陥がある場合には、超
音波吸収材がこれを隠蔽状態にしてしまうので、検査結
果は良好でも実際には不良の場合を検出することができ
ず、検査の信頼性に欠ける問題もある。

本発明は、上記従来の問題点に着目し、溶接ナゲツト等
の構造物内部の欠陥等を確実かつ容易に判定することが
でき、信頼性と作業性に優れた超音波断層検出方法およ
び装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の第一の構成に係る
超音波断層検出方法は、ペンシルビーム型超音波信号を
照射する超音波センサを被検出部材に走査させて得られ
る断層データを単位走査位置毎に検出し、走査距離と断
層厚さの座標面状に画像表示し、判定基準値を入力設定
して判別表示可能としたものである。また、第二の発明
に係る超音波断層検出装置としては、被検出部材にペン
シル型超音波信号を照射してその反射波を検出する超音
波センサと、この超音波センサの走査距離を検出する位
置検出センサと、前記超音波センサと位置検出センサか
らの信号を取り込み超音波センサの単位走査距離毎の反
射波を読み込んで走査方向に沿う断層を画像情報として
出力する制御手段とを設けた構成としたものである。

〔作用］ 上記構成によれば、被検出部材に照射されたペンシル型
超音波信号の反射波を超音波センサによって受け、絞ら
れた範囲の被検出部材の断層情報を受けることができる
。そして、超音波センサを被検出部材の表面上で走査さ
せる。一方、位置検出センサは超音波センサの走査に伴
ってその走査距離を検出し、超音波センサからの断層情
報とともに、距離情報をＩＩＪ御手投手段力する。制御
手段では両センサからの検出信号により、走査単位距離
毎に超音波センサからの検出信号に基づき断層距離を演
算し、これを座標面上に画像情報として出力することが
できる。表示としては、直角座標の横軸に走査距離を、
縦軸に断層距離をとり、これを二次元座標あるいは三次
元座標上に表示すればよい。したがって、これをスポッ
ト溶接部のナゲツト検査に適用した場合、ナゲツトの直
径線上あるいはマトリックスに分割した走査線上に沿っ
て超音波センサを走査させると、ナゲツト面の走査線に
沿った境界面までの断層映像が得られ、直接視覚的にナ
ゲツトの溶着状態を観察することができるのである。

このようにペンシル型超音波信号の送受信をなす超音波
センサによる断層信号と、位置検出センサによる超音波
センサの走査距離信号とをもって被検出部材の断層状態
を画像情報として得ることができ、被検出部材の内部状
態を高い信鯨性と簡易な検査作業によって検査できるの
である。

〔実施例〕

以下に、本発明に係る超音波断層検出方法および装置を
スポット溶接部のナゲツト検査に適用した場合の具体的
実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

実施例に係る超音波断層検出装置は、第１図に示すよう
に、被検出部材を走査する超音波センサ１０と、この超
音波センサ１０の走査距離を検出する位置検出センサ１
２とを有しており、前記超音波センサ１０による検出信
号は超音波計測装置１４に出力され、パラレルインター
フェース１６を経てコンピュータ（制御手段）１８に出
力するようにしている。また、位置検出センサ１２によ
る検出信号はパルス出力コントローラ２ｏを経て、やは
りコンピュータ１日に出力するようになっている。更に
、前記超音波センサ１０と位置検出センサＩ２による検
出信号から後述する信号処理を施し、検査ナゲツトの判
定結果を点灯表示するための発光ダイオードが判定表示
部２２としてパラレルインターフェース１６に接続され
ている。このような主要構成をもつ超音波断層検出装置
の実際の構成例を、第２図に示す。すなわち、この装置
は被検出部材２４を走査する手持ちセンサ２６を備え、
この手持ちセンサ２６には前記超音波センサ１０と、位
置検出センサ１２およびパルス出力コントローラ２０と
が内蔵されて、ハンディタイプのセンサとしている。こ
の手持ちセンサ２６内の超音波センサ１０は超音波計測
装置１４を介して、また、手持ちセンサ２６内の位置検
出センサ１２は直接的にコンピュータ１８に接続されて
いる。この場合、パルス出力コントローラ２０はエンコ
ーダ４４からの出力信号を受けて内蔵発振器により走査
距離に応じたパルス信号をコンピュータ１８に送出し、
また、超音波計測装置１４は超音波センサ１０から発射
される超音波信号の被検出部材２４の表面で反射するエ
コーと被検出部材２４の裏面で反射するエコー間の時間
を検出し、予めセットされた被検出部材２４内の音速値
を基礎にして同一材質間の厚さを演算し、これを二値化
信号としてパラレルインターフェース１６を介してコン
ピュータ１８に出力するようにしている。

これらの信号を受けるコンピュータ１８は本体３０、画
像表示装置（ＣＲＴ）３２、およびキーボード３４から
構成され、本体３０は入力された信号に基づいて演算し
、走査距離と断層厚さの座標上に画像情報として画像表
示装置（ＣＲＴ）３２に出力表示するようにしている。

ここで、前記手持ちセンサ２６の具体的構造を第３図お
よび第４図に示す、この手持ちセンサ２６は手で持つこ
とのできるケーシング３６を有し、その内部には超音波
センサ１０、位置検出センサ１２１、パルス出力コント
ローラ２０．および判定表示部（ＬＥＤ）２２が取り付
けられている。

すなわち、ケーシング３６は箱型容器となっており、そ
の下面から超音波センサ１０を伸縮動作可能に突出され
た状態で内蔵されている。超音波センサｌＯは円柱形状
とされ、先端側に超音波の送受信をなすトランスデユー
サを内蔵している。そして、トランスデユーサに接して
、その先端側には円錐状の超音波ガイドを設け、先端径
の小さい超音波センサ１０として超音波信号がペンシル
ビームとなるようにしている。このような超音波センサ
１０は柱状部をケーシング３６内のブラケット３８に貫
通装着させるとともに、スプリング４０を介して弾性的
に伸縮動作できるように取り付けられている。これによ
り、超音波センサ１０の先端はケーシング３６の下面か
らスプリング４０の作用で出入り伸縮可能となっている
。

またケーシング３６には超音波センサ１０と並んで位置
検出センサ１２が設けられており、これはケーシング３
６の下面から一部突出して回転可能に取り付けられたロ
ーラ４２と、このローラ４２に連結されたエンコーダ４
４から構成されている。このため、ローラ４２の一定回
転量毎にエンコーダ４４からＯＮ・ＯＦＦ信号が出力さ
れる。

この信号はケーシング３６の内部上方位置に取り付けら
れ、パルス発振器を有するパルス出力コントローラ２０
への入力信号とされ、エンコーダ４４からの信号を受け
てローラ４２の回転距離、ひいては超音波センサ１０の
走査移動距離に応じたパルス信号を出力するようになっ
ている。この場合において、実施例では超音波センサ１
０とローラ４２とは平行に走査されるように取り付けら
れているが、第４図（Ｂ）のように位置検出センサ１２
を超音波センサ１０と直列に配置してもよいし、第４図
（Ｃ）のように光または音による位置検出センサを用い
てもよい。

なお、ケーシング３６にはその側面にＯＮ・ＯＦＦスイ
ッチ４６と判定表示部（ＬＥＤ）２２とが設けられ、測
定開始と終了のスイッチングを行わせ、また判定結果を
発光表示させるようにしている。また、超音波センサ１
０の超音波照射部先端は直接被検出部材に当接されて走
査移動されるが、照射が確実に行われるように空気と遮
断する必要があり、このため、第５図に示されるように
、ケーシング３６の上端部にベローズタンク４８を取り
付け、これに超音波センサ１０の先端部に導くチューブ
５０を接続しており、手持ちセンサ２６の走査中に超音
波センサ１０の先端と被検出部材との間に油または水な
どの超音波伝達剤を供給するようにしている。また、こ
の場合、ベローズタンク４８の代わりにスポイトを用い
超音波伝達剤を供給してもよい。

このようなハードウェア構成によるセンサ検出信号の処
理は次のように行われる。

第６図はナゲツト圧着判定のためのフローチャートであ
り、予め初期処理と、圧着範囲の判定値の入力処理を行
う（ステップ１００）。圧着範囲の判定値は対象として
いる溶接板材のナゲツト径の基準値とすればよく、この
基準値との大小判別によりナゲ、ットの適否を判定する
ようにしている。

その後、手持ちセンサ２６に付帯したスイッチ４６のボ
タン入力（あるいはキーボード３４のキースイッチ入力
）がなされたか否かの判定をなしくステップ１１０）、
入力がなければステップ１００に戻り（ステップ１２０
）、入力が確認されれば無限ループに入る（ステップ１
３０）。無限ループでは手持ちセンサ２６のスイッチ４
６のボタンが押し下げられたか否かを判定しくステップ
１４０）、押し下げの確認後に手持ちセンサ２６からの
測定値の取り込みを行う（ステップ１５０）。この測定
値の取り込みは位置検出センサ１２による測定パルス信
号を超音波センサ１０による超音波パルス信号に１：１
に対応関係を付けて行われる。このため、位置検出セン
サ１２がらの位置パルス信号に対応して、超音波計測装
置１４にて演算された厚さデータが出力され、各走査位
置毎の被検出部材２４の板厚値がコンピュータ１８に出
力される゛ことになる。これらの取り込まれたデータは
バッファに格納され（ステップ１６０）るとともに、特
に位置検出センサ１２に基づくデータにより手持ちセン
サ２６の走査移動距離を画像表示装置（ＣＲＴ）３２に
ライン表示するように本体３０から画像信号として出力
するようにしている（第７図の直線ラインＡ）。そして
、バッファに取り込まれたデータのダミーデイレイ処理
が行われるようになっており（ステップ１８０）、容量
の小さいバッファの時間遅延を図ってデータのオーバフ
ローを防止するようにしている。

このようにして手持ちセンサ２６の走査中には検出信号
の取り込みが行われるが、手持ちセンサ２６の走査が終
了することにより走査する作業者は走査完了をしたとし
てスイッチ４６をＯＦＦ操作する。これによりステップ
１４０の判定でボタンＯＦＦの検知をなし、無限ループ
を完了して取り込みデータの解析処理に移行する（ステ
ップ２００）。

ステップ２００におけるデータの解析処理ルーチンは、
最初に超音波計測装置１４から得られた計測全データか
らその平均値を算出するようにしている（ステップ２１
０）。これは基本的には二枚の溶接板材をスポット溶接
したことを前提としており、ナゲツト深さが一枚の溶接
板材の厚さより大きければ溶着が行われていると判断で
きるので、−律に平均値を溶着深さの判定基準値とした
ものである。したがって、検査対象たる被検出部材２４
が二枚の板材のスポット溶接でない場合には、このステ
ップ２１０では平均値ではなく、設計上与えられる基準
厚さを設定値として入力し、これを判断基準値として設
定処理するようにすればよい。この処理後、板厚データ
を画面表示する（ステップ２２０）。この画像表示は、
前記位置検出センサ１２からの位置データと超音波計測
装置１４からの板厚データが１：１に対応しているため
、二次元座標上に転写することができ、横軸に手持ちセ
ンサ２６の走査距離をとり、縦軸に被検出部材２４の厚
さをとり、各位置毎の板厚値をコンピュータアルゴリズ
ムによりグラフ表示するようにしている。そしてステッ
プ２１０で演算された平均値を基準にして当該平均値以
上と未満とに分別し、色分は表示を行わせる（ステップ
２４０．２５０）。このような画像表示の結果は、第６
図のようになり、走査距離と厚さの二次元座標上に棒グ
ラフの集合として表され、測定開始位置Ｓから終了位置
Ｅまでの間に平均値Ｍを越えた部分が赤表示され（実線
ハツチング）、平均値より下位の部分が緑表示される（
破線ハツチング）。

このように計測値に基づいた画像表示処理の後は、被検
出部材２４のナゲツトが基準径を持っているか否かの判
定処理を行う（ステップ２６０）。

この処理では平均値Ｍを超過した範囲の計算が行われる
ようになっている。これは具体的には、第７図に示すよ
うに、最初に平均値Ｍを超過した位置！、から次に平均
値Ｍ以下となった位置２□までの距離りを求めるのであ
る。すなわち、平均値Ｍ以下の部分は図示の例では！１
〜！□、２３〜ｒ４であり、これらの範囲では一枚の被
検出部材２４の厚さ以上となっており、溶着が適性に行
われたものと判断でき、一方、これらの間の２２〜１３
では計測値が平均値Ｍより小さく、溶着が行われていな
い溶接不良部と判断できる。ナゲツトは溶着が適性であ
れば溶着開始位置から終了位置までほぼ−様な厚さとな
り、途中に不良部分があれば検出厚さが被検出部材２４
の一枚の板厚に近い値となる。それ故、前記距離りが実
際の溶着範囲に対応するものといえるのである。

この演算処理によって得られた演算値はステップ１００
で入力された判定値と比較される（ステップ２７０）。

判定値は検査対象のスポット）容接部が所定の強度をも
つ場合のナゲツト径としており、この判定値との大小判
別によって結果を画像表示出力として「ＯＫ」あるいは
ｒＮＧＪとして表示する。また、この結果は同時にパラ
レルインターフェース１６を通じて手持ちセンサ２６に
設けである判定表示部（ＬＥＤ）２２に判定結果に対応
した信号を送出し、検査作業者の手元で視覚的に表示さ
せるように出力する（ステップ２８０）。これらの一連
の処理が終了すればステップ２９０により最初のスター
トに戻り、次の検査開始を待つのである。

このように構成された実施例によれば、超音波センサ１
０と位置検出センサ１２とを一体に有する手持ちセンサ
２６により被検出部材２４のナゲツト部分を走査し、ペ
ンシルビーム型の超音波信号を発する超音波センサ１０
により一様な材質部分の走査方向に沿う厚さを検出する
ことができる。

そして、これらの計測値を走査位置と厚さの座標上に表
示することによって被検出部材２４の断層状態を画像表
示することが可能となり、厚さ基準値を設定して溶着部
分とそれ以外の部分とを色分は判別表示し、かつ走査方
向に沿う圧着範囲も明確に表示しつつ、適性ナゲツト径
に相当する判定値との比較を行わせることによりナゲツ
ト状態の適否判別を自動的に行わせることができる。し
たかって、この実施例によれば、単に手持ちセンサ２６
をナゲツト部分の直径方向にそって走査させることによ
り誰でも簡単にナゲツト検査を行うことができ、従来方
法の如きナゲツトの中心にセンサの中心を位置決めする
ような煩雑な作業がなく、ナゲツトの種類毎に超音波吸
収材また超音波ガイドを変更するような困難性が全くな
い超音波断層検出装置とすることができる。しかも、第
６図に示したようにナゲツトの中心部に溶着不良部分が
あった場合でも、実施例装置は確実に検出でき、中心部
欠陥を見逃すような検査漏れを生じることがないので検
査精度を向上させることができる。

上記実施例では、ナゲツト部分を手持ちセンサ２６で単
一直線上を走査する場合について説明したが、これはマ
トリックス状の走査を行い被検出部材２４のナゲツト全
体像を画像表示することもできる。これは測定部位を網
目状に区画しく例えば６０Ｘ６０メツシユ）、この各区
画線に沿って手持ちセンサ２６を縦横に各６０回の走査
しつつ交差点の計測値をバッファあるいはメモリに取り
込むようにすればよい。この場合の走査手段としては手
持ちセンサ２６をＸ−Ｙ走査装置に取り付けて直接手持
ちセンサ２６を自動走査させるようにしてもよく、ある
いは、被検出部材２４を一定方向にライン移動させ、こ
れと直交方向に手持ちセンサ２６を駆動するようにして
もよい。そして、同一点の計測値は上書きして最新測定
値を取り込むようにする。このようにして得られたデー
タは各走査線毎に分別表示してもよく、あるいは鳥徹図
的に仰角・方位角を本体３０に入力し、コンピュータア
ルゴリズムによって三次元立体表示することもできる。

なお、上記実施例において手持ちセンサ２６に判定表示
部（ＬＥＤ）２２を設け、判定結果を視覚的に手元表示
させるようにしているが、これに加えてブザー等の音声
表示を行わせるようにすることも可能である。すなわち
、判定結果がＮＧの場合が視覚的にも聴覚的にも作業者
が理解できるようにすればよく、パラレルインターフェ
ース１６から判定表示部（ＬＥＤ）２２への出力ライン
に音声表示手段を接続することで簡単に対処することが
できる。

更に、上記実施例ではナゲツトの検査例につき説明した
が、これは超音波センサを利用して行われる各種の非破
壊断層検査に適用することができるのはいうまでもない
。したがって、探傷装置や構造物の内部検査等への応用
にも充分利用することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る超音波断層検出方法
および装置によれば、被検出部材にペンシルビーム型超
音波信号を照射しつつこれを走査させ、同時に位置検出
センサから走査距離を取り込み、各走査位置に対する断
層データを得、これを座標表示して判定させるようにし
たので、単に被検出部材上を走査させるという作業で簡
易かつ迅速に高精度断層計測を行わせることができる効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に係る超音波断層検出装置の主要構成ブ
ロック図、第２図はその実機構成例の斜視図、第３図は
手持ちセンサの斜視図、第４図（Ａ）は同断面図、第４
図（Ｂ）、（Ｃ）は手持ちセンサの他の実施例の部分断
面図、第５図は手持ちセンサにおける超音波センサ先端
への空気遮断液の供給手段の構成を示す断面図、第６図
は計測方法のフローチャート、第７図は計測例の画像表
示状態の説明図である。 １０・・・・・・超音波センサ、１２・・・・・・位置
検出センサ、１４・・・・・・超音波計測装置、１８・
・・・・・コンピュータ（制御手段）、２０・・・・・
・パルス出力コントローラ、２２・・・・・・判定表示
部（ＬＥＤ）、２４・・・・・・被検出部材、２６・・
・・・・手持ちセンサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、ペンシルビーム型超音波信号を照射する超音波
   センサを被検出部材に走査させて得られる断層データを
   単位走査位置毎に検出し、走査距離と断層厚さの座標面
   状に画像表示し、判定基準値を入力設定して判別表示可
   能としたことを特徴とする超音波断層検出方法。
2. （２）、被検出部材にペンシルビーム型超音波信号を照
   射してその反射波を検出する超音波センサと、この超音
   波センサの走査距離を検出する位置検出センサと、前記
   超音波センサと位置検出センサからの信号を取り込み超
   音波センサの単位走査距離毎の反射波を読み込んで走査
   方向に沿う断層を画像情報として出力する制御手段とを
   有することを特徴とする超音波断層検出装置。