JPH07190998A - 超音波探傷方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄い材料からなる試料に生じた欠陥も確実に
検出でき、かつ、探傷面の狭い小さな試料へも容易に適
用可能な超音波探傷方法および装置を提供する。 【構成】 超音波探触子１０から試料１２に向けて集束
超音波を放射し、試料１２からの反射超音波を超音波探
触子１０で受信し、この受信信号により試料１２の一面
に開口する開口欠陥１２ｂを検出する超音波探傷方法に
おいて、試料１２の一面に集束する集束超音波をこの試
料１２に向けて放射した状態で超音波探触子１０を試料
１２の一面に沿って走査し、試料１２の一面からの反射
超音波Ｂの受信強度の変動に基づいて開口欠陥１２ｂの
存在およびその高さ寸法ｄ_Fを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば薄板の突合せ
溶接継手部の未溶着部の寸法評価等に用いられる超音波
探傷方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】２枚の鋼板をその端面で突き合わせ、突
き合せ部の一方の面をシーム溶接、レーザ溶接等により
溶接して突合せ継手を形成した場合、他方の面の側に未
溶着部が生じて板厚方向に沿ったスリット状の開口欠陥
が生じることがある。従来、このようなスリット状の開
口欠陥を超音波探傷法により評価する方法としては、次
に挙げるようなものがあった。

【０００３】(１)垂直法によるもの 図３に示すように、照射する超音波ビームを１点に集束
することのできる点集束型超音波探触子１を用いて、水
中に没した試料２の表面に略垂直な方向から超音波ビー
ムを入射して試料２からの反射波を超音波探触子１によ
り受信する。試料２の突合せ継手部２ａに未溶着部が生
じ、図３に示すようなスリット状の開口欠陥２ｂが試料
２の裏面側に存在する場合、試料２の表面で反射された
表面エコーＳ、開口欠陥２ｂの先端で反射された欠陥エ
コーＦおよび試料２の裏面で反射された裏面エコーＢが
超音波探触子１により受信される。

【０００４】図４は超音波探触子１で受信された受信信
号の一例を示す図であり、横軸が時間で縦軸が反射強度
を示す。表面エコーＳおよび裏面エコーＢは一般に反射
強度が強く、しかも板厚ｄが知られていれば特定の時間
軸上の位置に現れるので、これら表面エコーＳおよび裏
面エコーＢと欠陥エコーＦとを判別することができる。
そして、表面エコーＳと欠陥エコーＦとの間の時間差ｔ
_Fをカウンタ、ディジタイザ等により測定し、この時間
差ｔ_Fおよび試料２の超音波伝播速度Ｃ_L、板厚ｄから開
口欠陥２ｂの長さｄ_Fを推定、評価する。

【０００５】(２)斜角法によるもの 図５に示すように、斜角探触子３により試料２の表面に
対して所定角度（０°＜θ＜９０°）で超音波ビームを
入射し、試料２からの反射波を斜角探触子３により受信
する。斜角探触子３は、中実の遅延材４に形成した傾斜
面４ａの上に超音波振動子５を形成することにより構成
される。このような試験方法はＪＩＳＺ２３４４に規定
されている。

【０００６】試料２の突合せ継手部２ａに未溶着部が生
じ、図５に示すようなスリット状の開口欠陥２ｂが試料
２の裏面側に存在する場合、斜角振動子３により受信さ
れた受信信号は、一例として図６に示すようなものにな
る。図６の横軸は時間、縦軸は反射強度のピーク値を示
し、図中Ｔは送信波、Ｆは欠陥エコーである。送信波Ｔ
と欠陥エコーＦとの時間差Ｌ´をカウンタ、ディジタイ
ザ等により測定し、この時間差Ｌ´および試料２の超音
波伝播速度Ｃ_Lを用いて斜角探触子３から欠陥２ｂまで
の距離Ｌを求める。そして、開口欠陥２ｂの長さｄ
_Fは、距離Ｌ、板厚ｄおよび超音波ビームの入射角θを
用いて次式により求められる。

【数１】ｄ_F＝ｄ−Ｌ×cosθ

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超音波探傷法にはいずれも次のような問題があった。

【０００８】(１)垂直法によるもの この方法では、欠陥エコーＦと表面エコーＳ（または裏
面エコーＢ）とを判別して欠陥エコーＦと表面エコーＳ
（または裏面エコーＢ）との間の時間差ｔ_Fから開口欠
陥２ｂの長さｄ_Fを推定していたので、欠陥エコーＦと
表面エコーＳ等とを判別できない場合は開口欠陥２ｂの
長さｄ_Fは推定できない。一例として、図７(ａ)に示す
ように、試料２の板厚ｄが薄い場合は表面エコーＳと裏
面エコーＢとが時間軸上で近接し、一連のエコーとしか
目視で判別できない。また、図７(ｂ)に示すように、開
口欠陥２ｂの長さｄ_Fが短い場合は欠陥エコーＦが表面
エコーＳまたは裏面エコーＦのいずれかの中に含まれて
しまい、表面エコーＳおよび裏面エコーＢしか判別でき
ない。

【０００９】また、この方法では、開口欠陥２ｂの先端
で反射する欠陥エコーＦを検出して開口欠陥２ｂの存在
およびその長さｄ_Fを推定しているが、２枚の鋼板を突
合せ溶接した溶接部を探傷する場合などは開口欠陥２ｂ
の先端が鋭利に尖っており、超音波が反射される面積が
超音波の波長に比較して非常に狭い（ほとんど線状の反
射体としてしか作用しない）。このため、超音波探触子
１で受信される欠陥エコーＦの信号強度が小さくなり、
Ｓ／Ｎ比が低下して欠陥エコーＦそのものの検出が困難
になる。

【００１０】(２)斜角法によるもの この方法では、試料２内を伝播する横波を利用して開口
欠陥２ｂを検出しているので、通常使用される試料２の
超音波に対する減衰係数との兼ねあいから、最大で１５
ＭＨｚ程度の周波数を有する超音波探触子１しか使用で
きない。一例として、鋼板の横波速度は３２３０ｍ／ｓ
であるから、１５ＭＨｚの超音波が鋼板内を伝播すると
きの波長は高々０．２ｍｍ程度である。そして、超音波
に対して反射体として作用しうるためには開口欠陥２ｂ
の長さｄ_Fは波長の数倍以上必要であるから、鋼板を試
料２とした場合は１ｍｍ程度以下の長さｄ_Fを有する開
口欠陥２ｂは検出が困難である。

【００１１】また、この方法では斜角探触子３を用いて
欠陥検出を行っており、斜角探触子３は試料２に対して
所定の入射角θをもって超音波を入射させるために、垂
直法に用いられる探触子１に比較して遅延材４と試料２
との接触面積が広くなり、かつ、超音波が傾斜して入射
するために探触子３を欠陥２ｂから遠い位置に配置しな
ければならない。このため、探傷面が狭い小さな試料へ
の適用が困難である。

【００１２】本発明の目的は、薄い材料からなる試料に
生じた欠陥も確実に検出でき、かつ、探傷面の狭い小さ
な試料へも容易に適用可能な超音波探傷方法および装置
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、請求項１の発明は、超音波探触子
１０から試料１２に向けて集束超音波を放射し、試料１
２からの反射超音波を超音波探触子１０で受信し、この
受信信号により試料１２の一面に開口する開口欠陥１２
ｂを検出する超音波探傷方法に適用される。そして、上
述の目的は、試料１２の一面に集束する集束超音波をこ
の試料１２に向けて放射した状態で超音波探触子１０を
試料１２の一面に沿って走査し、試料１２の一面からの
反射超音波Ｂの受信強度の変動に基づいて開口欠陥１２
ｂの存在およびその高さ寸法ｄ_Fを検出することにより
達成される。

【００１４】この際、予め求められた、開口欠陥１２ｂ
の高さ寸法ｄ_Fと試料１２の一面からの反射超音波Ｂの
受信強度の変動との関係に基づいて開口欠陥１２ｂの高
さ寸法ｄ_Fを検出することが好ましい。

【００１５】また、請求項３の発明は、送信手段１１に
より超音波探触子１０を励振してこの超音波探触子１０
から試料１２に向けて集束超音波を放射し、試料１２か
らの反射超音波を超音波探触子１０により電気信号に変
換して受信手段１３により受信し、この受信信号により
試料１２の一面に開口する開口欠陥１２ｂを検出する超
音波探傷装置に適用される。そして、上述の目的は、試
料１２の一面に集束する集束超音波をこの試料１２に向
けて放射した状態で超音波探触子１０を試料１２の一面
に沿って走査する走査手段１７と、受信手段１３からの
受信信号の強度変化を検出する強度変化検出手段１４
と、強度変化検出手段１４により検出された強度変化に
基づいて開口欠陥１２ｂの存在およびその高さ寸法ｄ_F
を検出する欠陥検出手段１５とを設けることにより達成
される。

【００１６】この際、開口欠陥１２ｂの高さ寸法ｄ_Fと
試料１２の一面からの反射超音波Ｂの受信強度の変動と
の関係が記憶された記憶手段１５ｂを設け、記憶手段１
５ｂに記憶された関係に基づいて欠陥検出手段１５が開
口欠陥１２ｂの高さ寸法ｄ_Fを検出することが好まし
い。

【００１７】

【作用】試料１２の一面に集束する集束超音波をこの試
料１２に向けて放射した状態で走査手段１７により超音
波探触子１０を試料１２の一面に沿って走査すると、一
面に開口欠陥１２ｂが存在しない場合は集束超音波は一
面においてほぼ全反射され、反射超音波の受信強度は一
定値をとる。しかし、一面に開口欠陥１２ｂが存在する
と、この開口欠陥１２ｂにより集束超音波は多方向に反
射されるものと考えられ、結果として超音波探触子１０
により受信される反射超音波Ｂの受信強度が減衰する。
そこで、強度変化検出手段１４は、受信手段１３からの
受信信号の強度変化を検出し、欠陥検出手段１５は、強
度変化検出手段１４により検出された強度変化に基づい
て開口欠陥１２ｂの存在およびその高さ寸法ｄ_Fを検出
する。

【００１８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明による超音波探傷装置の一実
施例を示すブロック図である。この図において、１０は
超音波探触子であり、送信器１１から所定周期で供給さ
れるパルス状電圧により励振されて所定の焦点位置ＦＣ
に集束する超音波を試料１２に向けて照射するととも
に、試料１２で反射した超音波エコーを受信して電気信
号に変換する。この超音波探触子１０は、上述した従来
の垂直法に用いられる超音波探触子１と同様の構成であ
ってもよい。超音波探触子１０から放射される超音波の
周波数も、上述した従来の垂直法に用いられるものと同
等であってもよく、一例として５０〜１００ＭＨｚ程度
の周波数とされる。

【００２０】１３は増幅器であり、超音波探触子１０に
より受信された電気信号を増幅する。１４はピーク検出
器であり、増幅器１３によって増幅された受信信号に対
して、任意の時間軸上の受信信号のピーク値を検出す
る。時間軸設定は後述するコンピュータ１５からの指令
に基づく。

【００２１】コンピュータ１５は、中央演算回路１５
ａ、半導体メモリ等の記憶手段１５ｂおよび周辺機器と
のインターフェース回路１５ｃを備え、超音波探傷装置
全体の制御を行う。このコンピュータ１５は、一例とし
てマイクロコンピュータにより構成される。コンピュー
タ１５は、ピーク検出器１４から入力されたピーク値を
サンプリングして内部に取り込み、後述するＸＹＺステ
ージ１７のＸ軸方向の走査に伴う試料１２のＸ軸方向の
移動量との関係を求め、この関係から開口欠陥の存在お
よびその長さを推定、評価する。記憶手段１５ｂ内に
は、所定の材質に対するピーク値の変動と欠陥の長さと
の関係を示す検量線図が予め記憶されており、中央演算
回路１５ａはこの検量線図に基づいて開口欠陥の評価を
行う（詳細は後述）。開口欠陥の評価結果はモニタ１６
に表示される。

【００２２】１７はＸＹＺステージであり、このＸＹＺ
ステージ１７の上面に試料１２が載置される。ＸＹＺス
テージ１７は、載置された試料１２を図中のＸ軸、Ｙ軸
およびＺ軸方向に移動させる。ＸＹＺステージ１７の制
御はコンピュータ１５により行われる。なお、ＸＹＺス
テージ１７の上面には不図示の水槽が固定されており、
試料１２は水槽内に没した状態でＸＹＺステージ１７上
に載置される。

【００２３】次に動作を説明する。ＸＹＺステージ１７
上に板状の試料１２を載置し、超音波探触子１０から照
射される超音波の焦点位置ＦＣが試料１２の裏面（図１
では下面）に位置するように、ＸＹＺステージ１７を用
いて試料１２のＺ軸位置を調整する。

【００２４】ついで、ＸＹＺステージ１７を駆動して、
超音波の焦点位置ＦＣが試料１２の裏面を一方向（図示
例ではＸ軸方向）に走査するように試料１２を超音波探
触子１０に対して相対移動させ、このときの裏面エコー
Ｂのピーク値をピーク検出器１４により検出する。

【００２５】試料１２の突合せ継手部１２ａに未溶着
部、つまり開口欠陥１２ｂが存在すると、超音波の焦点
位置ＦＣが開口欠陥１２ｂに接近するに連れて裏面エコ
ーＢのピーク値は減少し、超音波の焦点位置ＦＣが開口
欠陥１２ｂの位置に一致したところでピーク値は最低に
なる。これ以降は、超音波の焦点位置ＦＣが開口欠陥１
２ｂから遠ざかるに連れて裏面エコーＢのピーク値は上
昇し、元の値に戻る。この現象は、超音波が開口欠陥１
２ｂにより多方向に反射され、超音波探触子１０によっ
て受信される裏面エコーＢの信号強度が小さくなるため
であると考えられる。

【００２６】超音波の焦点位置ＦＣが開口欠陥１２ｂを
Ｘ軸方向に横切ったときの裏面エコーＢの信号強度とそ
のときのＸ軸位置との関係を図２に模式的に示す。試料
１２の裏面に欠陥がないときの裏面エコーＢのピーク値
をＰ₀、裏面エコーＢのピーク値の最大減少値をＰ_F、裏
面エコーＢのピーク値がＰ₀に対して３ｄＢ減少した
（Ｐ₀の約７１％）箇所のＸ軸方向の幅をｄ_-3、裏面エ
コーＢのピーク値がＰ₀に対して６ｄＢ減少した（Ｐ₀の
約５０％）箇所のＸ軸方向の幅をｄ_-6とすると、Ｐ_F／
Ｐ₀、ｄ_-3およびｄ_-6と開口欠陥１２ｂの長さｄ_Fとの間
には所定の相関がある。したがって、試料１２と同一材
質、同一板厚の標準試料について開口欠陥１２ｂの長さ
とこれらＰ_F／Ｐ₀、ｄ_-3およびｄ_-6との間の相関を予め
求めて検量線図を作製し、これをコンピュータ１５の記
憶手段１５ｂ内に記憶させておく。

【００２７】図８は突合せ継手部に存在する開口欠陥１
２ｂの長さｄ_Fと裏面エコーＢの減少率Ｐ_F／Ｐ₀との関
係の一例を示す図、図９は開口欠陥１２ｂの長さｄ_Fと
裏面エコーＢの強度が３ｄＢ、６ｄＢ減少した箇所のＸ
軸方向の幅ｄ_ー3、ｄ_ー6との関係の一例を示す図である。

【００２８】コンピュータ１５は、ピーク検出器１４か
ら入力されてくる裏面エコーＢのピーク値をサンプリン
グし、ＸＹＺステージ１７のＸ軸方向の移動量との関係
を求めて図２に示すようなグラフを作成する。ついで、
このグラフから上述のＰ_F／Ｐ₀、ｄ_-3およびｄ_-6を求
め、記憶手段１５ｂ内に記憶されている検量線図、一例
として図８、図９に示すような図から開口欠陥１２ｂの
長さｄ_Fを求める。

【００２９】したがって、本実施例によれば、裏面エコ
ーＢのピーク値の変動により開口欠陥１２ｂの存在およ
びその長さｄ_Fを推定、評価しており、試料１２の板厚
および超音波の波長によらず開口欠陥１２ｂの存在によ
り裏面エコーＢのピーク値は変動するので、試料１２の
板厚が薄い場合でも確実に開口欠陥１２ｂの評価が行え
る。また、試料１２の表面に対して斜めに超音波を入射
する必要もないので、探傷面の狭い小さな試料に対して
も開口欠陥１２ｂの評価が可能である。

【００３０】本実施例の超音波探傷装置による開口欠陥
１２ｂの評価では、開口欠陥１２ｂが試料１２の裏面に
開口していることが好ましい。また、超音波の拡散を防
止するために試料１２の表面が平坦加工されていること
が好ましい。

【００３１】以上説明した実施例と請求の範囲との対応
において、送信器１１は送信手段を、増幅器１３は受信
手段を、ＸＹＺテーブル１７は走査手段を、ピーク検出
器１４は強度変化検出手段を、コンピュータ１５は欠陥
検出手段をそれぞれ構成している。

【００３２】なお、本発明の超音波探傷方法および装置
は、その細部が上述の一実施例に限定されず、種々の変
形が可能である。一例として、上述の一実施例では突合
せ溶接継手部に生じた開口欠陥の評価を行っていたが、
薄肉材料の一面に発生するスリット状のクラックに対し
ても適用可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、試料の一面からの反射超音波の受信強度の変動に
より開口欠陥の存在およびその長さを推定、評価してい
るので、試料の板厚が薄い場合でも確実に開口欠陥の評
価が行える。また、試料の表面に対して斜めに超音波を
入射する必要もないので、探傷面の狭い小さな試料に対
しても開口欠陥の評価が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である超音波探傷装置を示す
ブロック図である。

【図２】裏面エコーのピーク値とＸ軸位置との関係の一
例を示す図である。

【図３】従来の超音波探傷方法の一例である垂直法を説
明するための図である。

【図４】垂直法の受信信号の一例を示す図である。

【図５】従来の超音波探傷方法の他の例である斜角法を
説明するための図である。

【図６】斜角法の受信信号の一例を示す図である。

【図７】垂直法の受信信号の他の例を示す図である。

【図８】開口欠陥の長さと裏面エコーの減少率との関係
を示す図である。

【図９】開口欠陥の長さと裏面エコーの強度が３ｄＢ、
６ｄＢ減少したＸ軸方向の幅との関係を示す図である。

【符号の説明】

Ｂ 裏面エコー １０ 超音波探触子 １２ 試料 １２ａ 突合せ継手部 １２ｂ 開口欠陥 １４ ピーク検出器 １５ コンピュータ １５ｂ 記憶手段 １７ ＸＹＺテーブル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波探触子から試料に向けて集束超音
   波を放射し、前記試料からの反射超音波を前記超音波探
   触子で受信し、この受信信号により前記試料の一面に開
   口する開口欠陥を検出する超音波探傷方法において、 前記試料の一面に集束する前記集束超音波をこの試料に
   向けて放射した状態で前記超音波探触子を前記一面に沿
   って走査し、前記試料の一面からの反射超音波の受信強
   度の変動に基づいて前記開口欠陥の存在およびその高さ
   寸法を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波探傷方法におい
   て、 予め求められた、前記開口欠陥の高さ寸法と前記試料の
   一面からの反射超音波の受信強度の変動との関係に基づ
   いて前記開口欠陥の高さ寸法を検出することを特徴とす
   る超音波探傷方法。
3. 【請求項３】 送信手段により超音波探触子を励振して
   この超音波探触子から試料に向けて集束超音波を放射
   し、前記試料からの反射超音波を前記超音波探触子によ
   り電気信号に変換して受信手段により受信し、この受信
   信号により前記試料の一面に開口する開口欠陥を検出す
   る超音波探傷装置において、 前記試料の一面に集束する前記集束超音波をこの試料に
   向けて放射した状態で前記超音波探触子を前記一面に沿
   って走査する走査手段と、 前記受信手段からの受信信号の強度変化を検出する強度
   変化検出手段と、 前記強度変化検出手段により検出された強度変化に基づ
   いて前記開口欠陥の存在およびその高さ寸法を検出する
   欠陥検出手段とを備えることを特徴とする超音波探傷装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の超音波探傷装置におい
   て、 前記開口欠陥の高さ寸法と前記試料の一面からの反射超
   音波の受信強度の変動との関係が記憶された記憶手段を
   備え、 前記欠陥検出手段は、前記記憶手段に記憶された前記関
   係に基づいて前記開口欠陥の高さ寸法を検出することを
   特徴とする超音波探傷装置。