JPH03197856A

JPH03197856A - 表層欠陥検査装置

Info

Publication number: JPH03197856A
Application number: JP33691989A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Uchida; 内田　邦治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1989-12-26
Publication date: 1991-08-29
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JP2653532B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、表層欠陥検査装置に係り、特に被試験体の表
層欠陥を検査する表層欠陥検査装置に関する。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題）従来
、鋳鋼材、配管、その他の機器等の表面の欠陥を検査す
るには染色浸透探傷法（ＰＴ法）や磁粉探傷法（ＭＴ法
）等が用いられ、表面直下部の欠陥を検査するには前記
磁粉探傷法（ＭＴ法）の他に超音波探傷法（ＵＴ法）等
が用いられている。

これら探傷法において、染色浸透探傷法は、被試験体に
セロテープ等による転写記録、写真撮影、スケッチ等の
記録を行い、その記録から欠陥を検査するようにしたも
のであるため、検査には熟練が要求されるばかりか被試
験体表面の洗浄、浸透、現像および後処理等の複雑な作
業が必要となる問題がある。

磁粉探傷法は、被試験体表面に磁粉を散布し、この表面
に現われる磁気模様から被試験体の欠陥を検査するよう
にしたものであるため、磁気模様の判定に高度な経験が
必要である。それに加え作業中に磁粉が周囲に飛散し作
業環境を悪化する等の問題がある。

また、超音波探傷法は発信機から送られる超音波を被試
験体に与え、この被試験体の反射エコーから欠陥の位置
、形状等を検査するものであるため、被試験体の表面の
形状、特に、その凹凸等により検査精度を損なう等の問
題がある。

さらに、これらの探傷法は、被試験体の表面の欠陥と表
面直下の欠陥とを適格に検査するには、通常、少なくと
も前記２８類の探傷法が併用されなければならず、検査
に時間がかかる等の問題がある。

本発明は上記各問題を解決するために、被試験体に与え
られた熱流束の温度分布状態から被試験体の表面の欠陥
と表面直下の欠陥とを容易に検査するようにした表層欠
陥検査装置を得るにある。

〔発明の構成〕

（課居を解決するための手段）本発明の表層欠陥検査装ばは、被試験体の表面に適宜間
隔を置いて配置されこの被試験体に熱流束を与える加熱
源および冷熱源と、この加熱源および冷熱源の間に設け
られ前記被試験体に与えられた熱流束による温度分布を
検出する温度検出器と、この温度検出器が検出する温度
分布を熱解析し前記被試験体の欠陥を算出する演算制御
器とを具備したものである。

（作　用）被試験体の表面に適宜間隔を置いて加熱源および冷熱源
を配置し、この被試験体に熱流束を与える。この被試験
体の熱流束による温度分布を検出し、この検出温度を距
離、位置、時間等から熱分析し、この分析結果から被試
験体の欠陥が演算され、被試験体が検査される。

（実施例）以下本発明の表層欠陥検査装置の一実施例を添附図面に
ついて説明する。

第１図は、本発明の表層欠陥検査装置の概要を示すブロ
ック線図である。この表層欠陥検査装置には、板状ある
いは管状の被試験体１０の表面に適宜間隔を置いて温度
検出器１１、加熱源１２および冷却源１３が配置されて
いる。

この温度検出器１１は、例えば赤外線温度計等のような
ものであって、被試験体１０の表面から放射される赤外
線を順次走査しながら捕捉し、その被試験体表面の温度
分布を検出するものである。

この温度検出器１１が検出する検出温度は伸縮自在なリ
ード線１４を介して画像データ収録装置１５に送られ、
画像データに変換されこれに収録される。この温度検出
器１１の周囲にはアルミニュームのケースで保護された
アスベスト材料等の遮蔽壁１６が取り付けられ、温度検
出器１１が被試験体以外の周辺部の温度を検出しないよ
うにしている。

加熱源１２は、例えば電気ヒータ、セラミックヒータ等
のようなものであって、一般的には図示のように直線的
に構成されている。しかし、この加熱源１２は、点源の
ようなものであってもよい。

この加熱源１２には演算処理装置１７により温度指示さ
れる加熱制御装置１８が可撓性導線１９を介して接続さ
れている。この加熱源１２の中央部付近には熱電対２０
が設けられ、加熱源１２により加熱される被試験体１０
の表面温度が検出される。二〇熱電対２０の検出温度が
可撓性導線２１を介して加熱制御装置１８に送られ、加
熱源１２により加熱される被試験体１０の表面温度と前
記演算処理装置１７が指示する指示温度とが比較され、
被試験体１０の表面温度が指示温度になっていないとき
には、加熱制御装置１８により加熱源１２の加熱が制御
される。

冷却源１３は、例えば一定温度の流体を循環させた直線
状のガスクーリングようなものである。

この冷却源１３も前記加熱源１２と同様に点源のような
ものであってもよい。

この冷却源１３には演算処理装置１７により温度指示さ
れる冷却制御装置２３が可撓性チューブ２４を介して連
結されている。この冷却源１３の中央部付近には熱電対
２５が設けられ、冷却源１３により冷却される被試験体
１０の表面温度が検出される。この熱電対２５の検出温
度が可撓性導線２６を介して冷却制御装置２３に送られ
、冷却源１３により冷却される被試験体１０の表面温度
と前記演算処理装置１７が指示する指示温度とが比較さ
れ、被試験体１０の表面温度が指示温度になっていない
ときには、冷却制御装置２３により冷却源１３の冷却が
制御される。

前記演算処理装置１７は、これに接続されるキーボード
２７により加熱制御装置１８および冷却制御装置２３に
温度指示等を行うとともに画像データ収録装置１５に収
録された画像データを受け、被試験体１０の熱解析を行
なうものでる。この演算処理装置１７により熱解析され
たデータはブラウン管等の表示器２８に送られ表示され
る。

このように構成した表層欠陥検査装置の作用を説明する
。

まず、表層欠陥検査装置の加熱源１２および冷却源１３
を被試験体１０の表面に接触するようにして位置ＡとＢ
に配置させる。つぎに温度検出器１１を加熱源１２およ
び冷却源１３の間であって被試験体１０の被検出表面例
えば表層欠陥部の存在が予想される表面部に配置させる
。

このような予備操作を行った後、キーボード２７により
加熱源１２の加熱温度および冷却源１３の冷却温度を決
める温度設定信号が入力され、この温度設定信号が演算
処理装置１７を介して加熱制御装置１８および冷却制御
装置２３に送られる。これら各制御装置は、演算処理装
置１７により演算処理された制御信号を受けて加熱源１
２および冷却源１３を加熱制御および冷却制御する。

この加熱制御および冷却制御により被試験体１０の表面
が順次設定温度に加熱および冷却され、被試験体１０の
位置Ａを高温度に、被試験体１０の位置Ｂを低温度にさ
せ、被試験体１０にＬｌ、Ｌ２のような熱流束を与える
（第２図（ａ））。

この場合、被試験体１０の表面温度は、熱電対２０およ
び２６により監視され、表面温度が設定温度になるまで
加熱源１２および冷却源１３の温度制御が行われる。

このとき欠陥部Ｄ　が熱流束Ｌ１の方向と聞方向の直線
状であるとすると、熱流束Ｌ１の温度変化はほぼ同様な
特性となり温度検出器１１によっては欠陥部の特性を検
出することができない。

これに対し欠陥部Ｄ　が熱流束Ｌ２に直行するような直
線状の欠陥であるとすると、被試験体１０の温度が欠陥
部Ｄ２の前部で熱蓄積される反面、欠陥部Ｄ２の後部で
熱蓄積がされない特性となり（第２図（ｂ））　、この
特性が温度検出器１１によって検査される。

そこで被試験体１０の欠陥部を検査するときは、通常、
被試験体１０と温度検出器１１、加熱源１２および冷却
源１３との相対位置をそれぞれずらして少なくとも２回
行う。

加熱源１２および冷却源１３により、被試験体１０の表
面に熱流束Ｌ１、Ｌ２等が与えられると、この熱流束Ｌ
１、Ｌ２等により被試験体１０が所定の温度になる。こ
の所定の温度になった被試験体１０からは温度に対応す
る赤外線が放射され、この赤外線が温度検出器１１によ
り順次走査されながら検出される。その検出温度データ
は、画像データ収録器１５に送られ、画像データとして
処理され演算処理装置１７に送られる。

この演算処理装置１７ではこの画像データを演算処理し
て被試験体１０の温度分布を時間的に熱解析を行い、そ
の出力を表示器２８に送り欠陥部を概略的に表示させる
。

この熱流束特性の変化により欠陥部の有無および形状等
が検出される。この検出においては被試験体１０の欠陥
部が表面から深い位置にあったり、また小さすぎると欠
陥部が特定ができなかったり形状の推定が困難となるこ
とがある。このようなときは有限要素法等による品質管
理手法が用られ、被試験体１０の欠陥部を想定した温度
分布解析を行うことにより、最も温度変化の生じやすい
熱源配置を求め、この熱源配置により欠陥部の検出が行
われる。また、欠陥部が円形であったり、球であったり
すると、いずれの方法から検出しても、欠陥部の形状が
同一になることがある。これらの場合には検出データか
ら欠陥部の形状が推定され、円形、球等が推定される。

第３図は、上記基本的な原理を用いて被試験体１０にお
ける欠陥部Ｄ３の位置、端部形状、深さ等を検査する方
法を示したものである。

まず、被試験体１０における欠陥部Ｄ３の端部を検査す
る場合について説明する。欠陥部Ｄ３の端部は、被試験
体１０に対し加熱源１２および冷却源１３から与えられ
る最初すなわち時間零（ｔ−０）のときの熱流束による
温度分布変化を検出することにより検査される。しかし
ながら、加熱［１２および冷却源１３から被試験体１０
に熱流束を与え、温度検出器１１、画像データ収録器１
５、演算処理装置１７を介して表示器２８に表示される
までには通常数秒〜数１０秒かかるため、表示器２８が
最初に表示する温度分布変化から直接に欠陥部Ｄ３の端
部を検出することができない。

そこで、最初の温度分布変化を中間部の温度分布変化か
ら逆算して算出する。この逆算をするには、被試験体１
０の表面にある間隔をもって熱流束Ｌ　Ｌ　、Ｌ　２　
、Ｌ　ａ　”’　Ｌ　ｊを与える（第３図（ａ））。

この熱流束のなかから例えば熱流束Ｌｊをとりだし、あ
る所定の時間間ｔ、、ｔ２．ｔａ・・・１．毎にその温
度分布を検出する。この温度検出器１１の検出温度デー
タが画像データ収録器１５を介して演算処理装置１７に
送られる。演算処理装置１７では温度検出器１１の走査
範回Ｘ、におけるコ各時間ｔ、、ｔ２．ｔａ・・・ｔｎ毎の温度変化率ｄＴ
／ｄＸが演算処理される。この変化率ｄＴ／ｄＸの最大
点Ｐ　ｔ　、、　Ｐ　２・・・Ｐｎとその位置Ｘ１、Ｘ
２、Ｘ３・・・Ｘｎが算出される（第３図（ｂ））。

このように算出された中間部の温度分布変化すなわち最
大点Ｐ　ｔ　、Ｐ　２　”・Ｐｎの位置ｘ１、Ｘ２、Ｘ
３・・・Ｘｎを結び外挿が行われ、この外挿の最初の時
間（ｔ−０）の温度変化率ｄＴ／ｄＸの最大点Ｐｏとそ
の位置Ｘｏが算出される（第３図（Ｃ））。

この最初に検出された最大点Ｐｏに対応する位置Ｘｏが
被試験体１０における検査の着手時のものであるから被
試験体１０の欠陥部Ｄ３の端面Ｅｏｊとなる（第３図（
ａ））。

この端面の検出は、他の熱流束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ　・・・
Ｌ　毎に行われ、欠陥部Ｄ３の全体の端面ｊＥｏｌ、Ｅｏ２．Ｅｏ３−＝Ｅｏ　ｊ−・−Ｅｏｎが算
出される。

つぎに加熱源１１および冷熱源１１を１８０度ずらし、
熱流束を反対にして前記方法により被試験体１０の欠陥
部の他の端面Ｅ１□、Ｅ１□’　　ＥｌＢ”’”　ｏｊ
”’　ＥＩｎを検出し、欠陥部の形状を検出することが
できる。

かかる端面は、また時間ｔの４次、５次・・・ｎ次等の
関数で表示することができる。すなわち、熱流束Ｌｊに
おける各時間ｔ、、ｔ２．ｔａ・・・１゜の最大点Ｐ１
．Ｐ２・・・Ｐｊとその位置Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３・・・Ｘ
ｎが数個所法められると、時間に対する位置の方程式ｆ
　（Ｘ）が求められる。すなわち、ｔ　（Ｘ）　−ａｏ
＋ａｌｔ　＋ａ２ｔ２＋ａ３ｔ３＋ａ４ｔ’　　ａｎｔ
ｎ・・・（１）ここにおいて、ａｏＳａｌ、ａ２・・・ａｎは係数であ
って被試験体１０の材料、欠陥部の深さ等により異なる
。

この方程式ｆ　（Ｘ）おいて、係数を適宜決定すること
により各熱流束に対する被試験体１０の端面を算出する
ことができる。

また、この係数から被試験体１０における欠陥部の深さ
が算出することができる。

例えば、第３図（Ｃ）において、位置特性がＸＬ　Ｘ２
、Ｘ３・・・Ｘｎであると、その係数がａｏ’　、ａｌ
’　、ａ２’　・・・ａｎ’　になる。この係数におい
ては、各係数が略同様で小さいから欠陥部は被試験体１
０の表面あるいは浅い部分にある。

また、位置特性がＸａ　１Ｘａ２、Ｘａ３・・・Ｘａ　
　であると、その係数がａｏ’、ａｌ’ａ２’・・・ａ
ｎ’になる。この係数においては、各係数が著しく異な
ったものであり大きいから欠陥部は被試験体１０の表面
直下あるいは深い部分になる。

それゆえ、これら時間係数と被試験体１０における欠陥
部の深さ等との関係を実験的に求めておけばこの時間係
数から被試験体１０の欠陥部の深さを検出することがで
きる。

第４図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、被試験体１０の熱放射温
度を正確に検出するため方法を示したちのである。すな
わち、被試験体１０は同一の材料であってもその表面の仕上げ
、表面の汚れ、温度検出器１１の位置、方向等により赤
外線の温度検出器１１に対する入射率が異なり、欠陥部
の検査を誤ることがある。

そこで、つぎのような方法により温度検出器１１の更生
を行う。まず、被試験体１０に与える加熱源１２と冷熱
源１３の各温度を調整し、被試験体１０に温度差ｄＴ＊
の２条件の熱流束Ｌｍ。

Ｌｎを与える。この場合、各温度による熱放射率は変化
しないものとする。この熱流束Ｌｍ、Ｌｎが与えられる
前記被試験体１０の各部の温度を熱電対２０により実測
する（第４図（ａ））。

つぎに被試験体１０の表面の温度を温度検出器１１によ
り検出し、この検出温度を画像データ収録器１１による
処理、演算処理装置１７による演算処理等を行い、前記
２条件の熱流束Ｌｍ、　Ｌｎに対する被試験体１０の特
性を求め、表示器２７に表示する（第４図（ｂ））。

ここで、熱電対２０の実測値による温度差ｄＴ本と温度
検出器１１による演算により求めためた温度差ｄＴとの
比を演算処理装置１７による演算し被試験体１０の全領
域に亘り求め、熱放射率ｄＴ＊／ｄＴを求める（第４図
（Ｃ））。

このようにして求めた熱放射率ｄＴ本／ｄＴを温度検出
器１１が検出する検出温度に乗算することにより温度検
出器１１が検出する温度を更生することができる。これ
により、被試験体１０に凹凸や面のあらさがあっても正
確な温度を画像データ収録器、演算処理装置１７に送り
、特性の正確な熱解析を行うことができる。

第５図は本発明の表層欠陥検査装置の原理を応用して発
電機、変圧器等のコイルの溶接部の不良を確認するよう
にしたものである。

すなわち、第５図（ａ）には、大形発電機に使用される
バイブ状のコイル３０の断面が示されている。このコイ
ル３０は横コイル３１と縦コイル３２とをほぼ直角にな
るように溶接するとともに横コイル３１の端部には盲栓
３３が溶接されたものであって、このコイル３０の内部
には冷却用の循環水が流されている。

このコイル３０に水が流れると、コイル３０の内面３０
ａと外面３０ｂとの間に温度差ｄＴを生じ、高温度部か
ら低温度部に熱流束が生じる。この熱流束、特に溶接部
の熱流束Ｌｍを温度検出器１１により検出し、画像処理
、演算処理等を行うことにより、盲栓３３の溶接部の欠
陥部すなわち温度変化率ｄＴ／ｄＸの最大点等から欠陥
部Ｄ５、Ｄ６を検出できる（第５図（ｂ）および（Ｃ）
）。

この場合、循環水の温度を順次変化させると、精度のよ
く欠陥部が検出される。

〔発明の効果〕

上述のように本発明表層欠陥検査装置は被試験体の表面
に加熱源と冷却源等の熱源を設け、この熱源により被試
験体に熱流束を与え、この熱流束を温度検出器により検
出し、この熱流束を熱分析することにより被試験体の欠
陥部を検出するようにしたから、被試験体の検出操作が
簡単にできるばかりか正確に形状、大きさ、深さ等を検
出することができる。

示す電気的ブロック線図、第２図（ａ）（ｂ）は、被試
験体の欠陥部の位置を検出する方法を示す説明図、第３
図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、被試験体の欠陥部の位置、大
きさ、形状等の検出する方法を示す説明図、第４図（ａ
）（ｂ）（ｃ）は、温度検出器の更生方法を示す説明図
、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）は１発電機コイルの溶接部
欠陥部の検出方法を示す説明図である。

１０・・・被試験体、１１・・・温度検出器、１２・・
・加熱源、１３・・・冷却源、１４．１９．２１．２６
・・・可撓性導線、１５・・・画像データ収録器、１６
・・・熱遮蔽壁、１７・・・演算処理装置、１８・・・
加熱制御装置、２０．２５・・・熱電対、２３・・・冷
却制御装置、２４・・・可撓チューブ、２７・・・表示
器、２８・・・キーボード、３０・・・コイル。

【図面の簡単な説明】

Claims

【特許請求の範囲】

被試験体の表面に適宜間隔を置いて配置されこの被試験
体に熱流束を与える加熱源および冷熱源と、この加熱源
および冷熱源の間に設けられ前記被試験体に与えられた
熱流束による温度分布を検出する温度検出器と、この温
度検出器が検出する温度分布を熱解析し前記被試験体の
欠陥を算出する演算制御器とを具備する表層欠陥検査装
置。