JPH10153585A

JPH10153585A - 表面層評価方法及びその装置

Info

Publication number: JPH10153585A
Application number: JP8313338A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watanabe; 敦志渡辺; Yoshiaki Nagashima; 良昭永島; Fuminobu Takahashi; 文信高橋; Masashi Oda; 将史小田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】材料の表面層に施工された改質処理に伴う超音
波データ変化を測定し、予め格納したデータベースと比
較し評価する表面層評価方法を提供する。【解決手段】超音波センサ対１を回転させ、超音波３の
被検体２への伝播経路を変化させて、超音波データの角
度依存性を超音波データ処理装置６により測定する。予
め測定したデータベース８と比較し、材料の表面改質層
の均一性を表面層評価装置７により評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造材料の不具合
の予防保全技術に係り、超音波の音速，強度などによる
表面層改質処理の非破壊診断技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造材料は、供用時の環境により、強度
の低下や耐食性の低下が懸念され、それらの対策とし
て、表面に酸化皮膜や硬化層を施工することが一般的に
行われている。また、耐食性を向上させるために、貴金
属コーティングや応力緩和処理なども行われている。

【０００３】表面層を評価する従来技術は、実験室で試
験条件を決定し、同条件で実機材料へ施工する手法が主
であり、実機材に施工された深さ，領域等の評価は推測
によるところが多い。

【０００４】また、超音波による非破壊評価手法とし
て、特開昭62−277554号に記載のものがある。同公報に
よれば表面改質層の厚みを音速変化率により測定する方
法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術で、実機材で
の評価，金属組織や熱履歴などの材料物性の個体ごとの
差異による測定結果の誤差や精度低下が問題となる。

【０００６】本発明の目的は、被検体の表面改質層の均
一性を超音波データにより高精度に診断する材料表面層
評価方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、被検体における超音波データの角度依
存性を求め、材料物性の個体差を低減するとともに表面
層の均一性を求めるようにした。

【０００８】本発明では、測定位置で、超音波の角度依
存性を求めることにより、超音波は特定の入射角度で組
織方位によって伝播する経路が変化するので、超音波の
波形や強度，超音波の伝播速度の差異等から材料組織の
異方性を把握できる。

【０００９】また、表面における改質層は一定方向の評
価では材料の強度，耐食性の向上は十分ではなく、測定
位置で方向性，厚さなどが均一であることが望ましい。
不均一部分は亀裂や割れ等の不具合が懸念されるため
に、表面改質層の均一性を評価することが重要である。

【００１０】本発明によれば、材料の組織異方性と表面
改質層の効果を弁別評価することが可能であり、測定位
置における方向性，厚さが測定できる。

【００１１】また、本発明では、表面層の評価から不均
一部分の検出ができ、再施工の指針とすることやさらに
は亀裂や割れなどを未然に予測し、構造材料の健全性を
向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図１は本発明を適用した表面層評価方法
の第１の実施例を示す。本方法は被検体２に設置した表
面を伝播する超音波を送信及び受信する超音波センサ対
１と超音波センサを駆動する超音波送受信器５が増幅器
４ａを介してつながれており、ＡＤ変換器４ｂ，データ
処理装置６，超音速データから表面層を評価する表面層
評価装置７により構成される。本装置では超音波送受信
器５により超音波センサの駆動を行うが、２台の装置に
分離させてもよい。また、超音波の出力を確保するうえ
で、必要に応じて増幅器４ａを用いる。被検体２に超音
波センサ対１を設置し、超音波センサ対１を回転させ
る。超音波センサ対１は二つのセンサを用いるのが一般
的であるが、例えば受信センサを一つとし、複数の送信
センサを用いても本発明を実現できる。また、回転は表
面を伝播する超音波を感度良く送受信するために対向さ
せたまま行うのが望ましい。機構的に超音波センサ対１
を回転させる方が簡便であるが、超音波３を発信する超
音波センサ１内の振動子や出射角度を電気的，機械的に
操作しても本発明と同様の効果が期待できる。図５に示
すように表面を伝播する角度を変えた超音波３は入射角
度に依存して被検体２中を伝播する。

【００１３】図６に表面を伝播する表面波の概要を示
す。対向させて設置した超音波センサ対１から同時に表
面波を発生させる。この時、超音波センサ対１の形状は
同じであることが必要である。超音波センサＡでは、超
音波センサＡ先端で反射するセンサ内反射波と超音波セ
ンサＢから伝播してくる受信表面波の二つの信号が検出
できる。超音波センサＡ内の反射波はセンサ内を１往復
する時間だけ要しており、超音波センサＢから伝播して
きた受信表面波は伝播距離Ｌの伝播時間Ｔ及び超音波セ
ンサＡ，Ｂ内を通過する時間の和だけ要していることに
なる。超音波センサ対１の形状が同じであれば、超音波
センサＡにおける受信表面波の時間とセンサＡ内の反射
波の時間差を求めれば伝播時間Ｔが得られる。また、超
音波センサ対１における超音波センサＡ及び超音波セン
サＢの形状が異なる場合でも、それぞれのセンサ内を通
過するのに要する時間が予め把握できる場合は、超音波
センサＡにおける受信表面波の時間から超音波センサＡ
及びＢ内を伝播するのに要した時間を差し引くことで、
表面波の伝播時間Ｔが得られる。

【００１４】伝播時間Ｔの求め方の一例を図７に示す。
図７の波形はデータ処理装置６に取り込まれた図６の超
音波センサＡにおけるセンサＡ内反射波及び受信表面波
である。伝播時間Ｔを求めるため、それぞれの波形の時
間をずらして、重ね合わせたときの時間差Ｔｎが伝播時
間Ｔとなる。

【００１５】また、求めた伝播時間Ｔで伝播距離Ｌを除
することにより、数１のように表面波の音速が求められ
る。

【００１６】

【数１】Ｖ＝Ｌ／Ｔ …（数１）材料の組織方位によって特定の経路を通過した表面波音
速の一例を図８に示す。図８の上部の図は、超音波セン
サ対１と被検体の角度をθとした測定時の概略である。
材料が未処理である場合は母材の組織方位による変化が
現れ、図８に示す○印のように組織方位と平行方向に偏
向させると（図８では０°，１８０°方向）音速は速く
なり、組織方位と直交方向では遅くなる。また、表面改
質を施工した場合は図８に示す●印のようになり、組織
方位の変化とともに音速は変化する。さらに未処理材に
対し０〜１８０°の角度範囲で全体的に速くなることが
わかる。図８では、未処理材と表面改質材を比較する
と、未処理材の組織方位の変化に改質による影響が重畳
したデータが検出できることがわかる。また、図８は均
一に表面改質されている場合であり、未処理材に対し、
０〜１８０°の角度範囲で同一値の変化となる。これよ
り、母材の組織方位の角度依存性を把握しておき、表面
改質による影響の角度依存性を評価することで、表面改
質層の均一性が把握できる。

【００１７】超音波音速の角度依存性を模式的に示した
ものを図９に示す。図９で、未処理材の０゜における音
速を基準としたときの音速変化率を模式的に示す。音速
変化率は数２のように表すことができる。

【００１８】

【数２】音速変化率（％）＝（Ｖｉ／Ｖｏ−１）×１００ …（数２）ここで、Ｖｉは未処理材及び表面改質材の音速、Ｖｏは
未処理材の０゜における音速である。

【００１９】図９は未処理材を○印、表面改質材を△印
で音速変化率の角度依存性を示してある。未処理材の最
大値と最小値の差、ΔＶａ、及び表面改質材の最大値と
最小値の差、ΔＶｂを求め、ΔＶａとΔＶｂの差または
比をもって表面改質の均一性を評価するデータベース８
の指標とする。また、未処理材における音速変化率の最
大値と最小値をフィティングしたカーブＦ（θ）で囲ま
れる面積Ｓａと同様にして求めた表面改質材の面積Ｓｂ
の差または比を用いることが可能である。また、フィテ
ィングしたカーブ関数Ｆ（θ）を比較することも可能で
ある。以上のように測定した超音波データから、表面層
評価装置７により、表面改質層を診断する。

【００２０】図２は本発明を適用した表面層評価方法の
第２の実施例を示す。図１における表面層評価装置７で
超音波センサ対１を自動回転できるようにセンサ走査制
御部８を設けたものである。他の構成は図１と同じであ
るので説明を省略する。超音波センサ対１を自動回転す
る一例を図４に示す。図４における超音波センサ対１は
走査クローラ１１により駆動され、超音波センサ対１の
回転及び超音波センサ１の走査を遠隔で行うことによ
り、放射線環境下や不活性ガス中などの測定が困難な部
位でも測定できる。また、超音波センサ対１の回転と超
音波データの取得を自動化することで測定の短時間化が
図ることができる。さらに、任意の角度範囲だけ測定す
ることが可能であり、角度の変化量も任意に設定するこ
とができる。

【００２１】図３は本発明を適用した表面層評価方法の
第３の実施例を示す。図１における表面層評価装置７で
評価した状態をもとに施工の不具合及び再施工が必要で
あることを警告，表示する不具合警告装置９を設ける。
他の構成は図１と同じであるので説明を省略する。ま
た、余寿命を診断する、余寿命予測装置１０を設けた。
余寿命は評価時から不具合発生までの期間を指し、表面
層の健全性の経年変化から予測することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、材料の組織異方性と表
面改質層の効果を弁別評価することが可能であり、表面
改質施工の信頼性を向上させることができる。

【００２３】また、評価した表面層の評価から不均一部
分の検出ができ、再施工の指針とすることやさらには亀
裂や割れなどを未然に予測し、構造材料そのものの健全
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した表面層評価方法の第１の実施
例を示すブロック図。

【図２】本発明を適用した表面層評価方法の第２の実施
例を示すブロック図。

【図３】本発明を適用した表面層評価方法の第３の実施
例を示すブロック図。

【図４】超音波センサの一例を示す説明図。

【図５】構造材の表面を伝播する超音波の概要を示す説
明図。

【図６】構造材の表面を伝播する超音波の概要を示す説
明図。

【図７】表面を伝播する超音波音速の求め方の一例を示
す説明図。

【図８】表面改質による超音波データの変化を示す特性
図。

【図９】表面改質による超音波データの変化を模式的に
示す特性図。

【符号の説明】

１…超音波センサ対、２…被検体、４ａ…増幅器、４ｂ
…ＡＤ変換器、５…超音波送受信器、６…データ処理装
置、７…表面層評価装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小田将史茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体に施工された表面改質層の評価方法
において、超音波を改質層に伝播させる方向を変化させ
て、超音波データと角度の相関を求め、予め格納したデ
ータベースと比較し、改質の均一性を診断することを特
徴とする表面層評価方法。
【請求項２】請求項１において、前記被検体に施工され
た表面改質層に伝播させる超音波の方向及び周波数を変
化させて、超音波データと角度の相関を求め、予め格納
したデータベースと比較し、改質層の深さ方向の均一性
を診断する表面層評価方法。
【請求項３】請求項１または２において、前記超音波デ
ータは求めた角度範囲における前記超音波データの最大
値と最小値の差、あるいは最大値と最小値の比である表
面層評価方法。
【請求項４】請求項１または２において、前記超音波デ
ータは求めた角度範囲で、基準値よりも大きい値の積分
値と小さい領域の積分値の差もしくは比である表面層評
価方法。
【請求項５】請求項１または２において、前記超音波デ
ータは求めた角度範囲で、絶対値の角度依存性である表
面層評価方法。
【請求項６】請求項１または２において、前記超音波デ
ータは超音波の音速，音速変化率または、超音波強度，
超音波の波形を含む超音波特性である表面層評価方法。
【請求項７】請求項１または２において、前記表面改質
層は表面コーティングを含む表面硬化処理及び酸化処
理，ピーニングを含む応力緩和処理である表面層評価方
法。
【請求項８】請求項１または２において、前記データベ
ースは未処理または表面改質材の超音波データである表
面層評価方法。
【請求項９】請求項１または２において、前記データベ
ースは超音波の周波数を変化させたときの未処理の材料
の超音波データである表面層評価方法。
【請求項１０】請求項１または２において、前記データ
ベースは表面改質材または未処理材の超音波データの角
度依存性を示すデータである表面層評価方法。
【請求項１１】請求項１または２において、前記データ
ベースは超音波データと表面改質方法の関係を示すデー
タである表面層評価方法。
【請求項１２】請求項１または２において、前記データ
ベースは超音波データと材料が晒された環境における熱
サイクルまたは入熱量，中性子照射量の関係を示すデー
タである表面層評価方法。
【請求項１３】請求項１または２において、前記データ
ベースは超音波データから構造材料の亀裂または割れの
発生が評価できるデータである表面層評価方法。
【請求項１４】請求項１３において、表面層評価結果に
基づいて、再施工を含む補修を行う表面層評価方法。
【請求項１５】請求項１または２において、超音波を送
受信する超音波センサ，前記超音波センサを駆動する超
音波送受信部，被検体を伝播した超音波特性データの測
定装置及び、予め測定した超音波データとの関係から表
面層を評価する装置を備えた表面層評価装置。
【請求項１６】請求項１５において、前記超音波特性デ
ータの変化から表面改質の領域を把握する超音波センサ
を走査する装置を備えた表面層評価装置。
【請求項１７】請求項１５または１６において、表面層
の不具合を警告また異常を知らせる装置を備えた表面層
評価装置。