JPH10332653A - 超音波探傷方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 車輪を車軸に圧入する等で生ずる局部的内部
応力を探傷する時、傷エコ−と圧入エコ−を誤判定しな
い超音波探傷方法とその手段を得ること。 【構成】 異なる二周波数発信型超音波探触子の探傷時
に現れる二つの周波数特性の違いが局部的に内部応力を
発生する部位から反射する反射エコ−高さの違いとして
示される相違点をしきい値判別に利用することによっ
て、反射エコ−高さが一定である傷エコ−と誤認しない
方法であって、その探傷操作のために、コントロ−ラ内
設のデジタル探傷器と、二周波数送受信用切換回路と、
二探傷操作時毎に反射エコ−パルスを記憶するメモリ
と、反射エコ−パルスのエコ−高さ比較判定用判定回路
を有する探傷装置に、単独または共に駆動可能の二振動
子を接着して一体化した振動子を斜角探触子又は縦波斜
角探触子に装着して構成した。 【効果】 一探触子操作により内部応力を自動判別し
て、記憶保存可能にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、支持、駆動、機能など
に係る構造部材内部を、嵌め込み、圧入を含む加工を行
った状態で探傷するのに適した超音波探傷技術に係り、
特に探傷時に局部内部応力が内部欠陥として表示される
場合に、その内部応力部位反射エコ−が傷エコ−と誤判
定することのない超音波探傷方法及び手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】車輪、プロペラあるいは振動機械などを
その駆動軸に接合する場合に、嵌め込み、圧入等の冷間
加工を行う。その際に密度の違いを引き起こす冷間加工
では、局部的に不連続な内部応力（以下、単に内部応力
という）を発生して、後に応力割れ、応力腐食、座屈、
損壊など製品の耐久性を損なう原因となる場合がある。
前記結合箇所を超音波探傷装置によって探傷する場合、
図５（Ａ）に示すように、傷や錆等の介在物による反射
エコ−（以下、傷エコ−という）Ｆと共に、ここに特徴
的に表示した内部応力反射波エコ−（以下、圧入エコ−
という）Ｓｉａが観測される。この圧入エコ−Ｓｉａ
は、傷エコ−Ｆと誤認され、その対策を誤ることがあ
る。そのため、圧入エコ−の判断は、扱い慣れたオペレ
−タ−が、その経験からエコ−変化の特徴を把握して、
そのノウハウによって行われてきた。

【０００３】例えば、従来の鉄道車両の車軸探傷は、検
査規格２ＭＨｚの超音波周波数によって、車輪を嵌め合
わせた軸を探傷するが、ある試験結果の中には圧入エコ
−が存在することがある。しかし、車輪を軸から外して
再試験を行うと、傷エコ−は検出するが圧入エコ−は検
出できない。この現象は、傷は車輪を外しても傷の状態
に変わりがなく軸に残るが、内部応力は圧入圧力によっ
て車輪と軸の接触部分に発生し、車輪を外せば圧入圧力
が除かれて内部応力が消滅することによる。そこで、規
格化された車軸では、その部位毎に傷エコ−と圧入エコ
−が出現する予想されるエコ−高さを調整して、その出
現ラインから、傷エコ−高さとそれより低いレベルに設
定した圧入エコ−のしきい値ラインを設定し、そのライ
ンを超えたものを、傷エコ−ないし圧入エコ−と判別す
ることが行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】所で、図６（Ａ）に示
すように、探触子２を二つの異なる超音波周波数を送受
信する二つの振動子１ａ、１ｂを超音波ビ−ム放射方向
へ縦並びに置き、または同図（Ｂ）に示すように、重ね
て一体型にし、これを電気的に切り換え交互に駆動して
探傷する、省人化および自動化のための超音波探傷装置
が試験された。このニつの超音波周波数を用いた探傷法
（以下、二周波探傷という）による装置は、異なる超音
波ビ−ムが被検査材内部で生ずる透過減衰の差が傷エコ
−と圧入エコ−の判別に有効であるとの仮説の下に試作
したものである。しかし前記縦置型は、探傷部に二つの
超音波ビ−ムの焦点を合わせるために超音波斜角屈折角
を同一にできない等、探触子の走査範囲を一定に出来な
かった。また前記一体型では、駆動しない振動子が駆動
中の振動子に影響を与えて、前記二超音波周波数を明確
に分離できず、一定の特長を掴むことが出来なかった。
結局、前記ニ振動子併用形手段を用いた探傷操作では、
的確で安定した反射エコ−、すなわち圧入エコ−を求め
るための探傷が行えなかった。

【０００５】そこで、同一大きさの被検査材の同じ探傷
位置から得た多数の探傷デ−タを分析して、傷エコ−と
圧入エコ−を調べた。例えば、該二種のエコ−が存在す
る反射エコ−パルス波形中の、２ＭＨｚと５ＭＨｚによ
る二周波探傷で得たエコ−高さは、傷エコ−では二つと
も同一高さであった。ところが圧入エコ−は、二周波探
傷で得た波形は傷エコ−よりは充分に低く、かつ２ＭＨ
ｚ周波数による探傷で得た圧入エコ−高さは、５ＭＨｚ
周波数による探傷で得たものより必ず低く、両圧入エコ
−高さ間に一定の減衰値の存在が明らかだった。さらに
前記周波数５ＭＨｚを４ＭＨｚに置き換えても、減衰値
が変化するだけで、この傾向は変わらなかった。その理
由は、内部応力が発生するとその部位に密度の不連続が
生じ、密度が濃くなった部位では波長が短いものの方が
エネルギ−損失を増すので、二周波数の特性の違いによ
りその減衰値は一定になると推論する。なおＴは、送信
直接波を示す。

【０００６】しかし、この観測結果を適用して自動的に
探傷操作を行うためには、二つの超音波周波数Ａ、Ｂに
よる探傷が行える二個の探触子を構成して、被検査材の
同一位置で当接して、自動的にかつ適正に探傷操作が出
来なければならない。本発明は、上記問題点に鑑み二つ
の超音波周波数Ａ、Ｂによる探傷によって傷エコ−と誤
認しないで圧入エコ−を確認できる探傷方法を確立し、
かつ二つの超音波周波数Ａ、Ｂを一個の探触子で探傷出
来る手段を示すと共に、存在する圧入エコ−を特別に画
像表示することにより、併存する傷エコ−と識別できる
超音波探傷方法とその装置を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波探傷
方法は、同一超音波周波数を送受信可能の二枚の振動子
を一体化した探触子を用いて、二つの超音波周波数Ａと
Ｂによる二周波探傷による操作を行って標準試験片反射
エコ−パルスを受信し、その傷エコ−高さを一定化する
受信器の感度調整を行い、その上で被検査材に対して、
前記受信器を用いて前記二周波探傷操作を行って得た二
つの被検査材反射エコ−パルスと標準試験片反射エコ−
パルスを比べて、各反射エコ−パルス中の同一の対応関
係にあるエコ−高さの相違を比較し、エコ−高さがほぼ
等しいものを傷エコ−とし、Ａの周波数受信時のエコ−
高さが、Ｂの周波数受信時のエコ−高さより小である場
合に、その同一の対応関係にある組の反射エコ−は内部
応力エコ−である、と判定するものである。

【０００８】そして本発明装置は、コントロ−ラ−を内
設するデジタル探傷器と、その前後に設けて、二つの超
音波周波数を送信または受信するための切換回路と、二
つの超音波周波数ＡとＢを受信するための切換回路と、
前記二超音波周波数を送信して標準試験片から反射エコ
−パルスを、被検査材から反射エコ−パルスを各々受信
して、それらの中で同一の対応関係にある二組の受信反
射エコ−パルスを記憶するメモリと、前記反射エコ−パ
ルス中の前記組毎にエコ−高さを比較判定する判定回路
を有する探傷装置に、２Ａなる超音波周波数を送受信可
能の振動子を二枚接着して一体化した振動子を装着した
斜角探触子または縦波斜角探触子を付設して構成するも
のである。

【０００９】

【作用】予め傷相当標準試験片に対するニ周波探傷によ
って受信器の感度調整をした上で、被検査材に対してニ
周波探傷による操作を行うので、被検査材内部に圧入エ
コ−があれば、一定の透過減衰量の差を示す同一の対応
関係にある二組のエコ−高さが示され、その現れたエコ
−高さの違いを随時記憶するメモリに基づいて自動判別
するので、内部応力の存在の判定を誤らない。またその
結果は、画像表示と合わせて記憶するので、内部応力を
取り除いても、その記録を再生して応力発生部位を特定
できる。また２Ａなる超音波周波数の送受信が可能な同
一大きさの二枚の振動子を接着剤で一体化した探触子を
斜角探触子または縦波斜角探触子に付設して構成するの
で、探傷に用いる二つの周波数の切換操作は容易に行え
ると共に、被検査材に一探触子として当接可能になりか
つニ超音波周波数による探傷操作を同一当接位置で探傷
するので誤操作を起こさない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る超音波探傷
方法とその装置を図によって説明する。図１は、本発明
装置を説明するもので、（Ａ）はその構成を示すブロッ
ク図、（Ｂ）は（Ａ）のデジタル探傷器の構成を示すブ
ロック図、（Ｃ）は探触子の１実施例を示す側断面図、
図２は、本発明方法を説明するフロ−チャ−ト図、図３
は、本発明を車軸探傷に適用した実施例を説明するもの
で、（Ａ）は車軸の測定状態を示す側面図、（Ｂ）はＡ
周波数測定時のエコ−パルス波形図、（Ｃ）はＢ周波数
測定時のエコ−パルス波形図、（Ｄ）はモニタ−表示画
面を説明するエコ−パルス波形図、図４は、本発明を適
用した自動車軸探傷装置を説明する配置側面図、そし
て、図５は、本発明の原理を傷相当標準試験片に対する
測定結果と共に説明するもので、（Ａ）はＡ周波数測定
時のエコ−パルス波形図、（Ｂ）はＢ周波数測定時のエ
コ−パルス波形図である。

【００１１】本発明方法について、図１と図５を併用し
ながら説明する。本発明方法は、図２に示すように、傷
相当標準試験片（以下、標準試験片という）１１を用い
る操作（Ｓ１、Ｓ２）と被検査材１０による探傷操作
（Ｓ３以降）の二段階から成る。標準試験片１１は、被
検査材に貼付する小幅小片で、例えば車軸探傷では、車
軸と同材のものを用いて車軸半径の曲率に従って加工
し、車軸に貼付するものであり、該小片に、例えば１な
いし２ｍｍの一定深さの標準傷に相当するものを加工し
て、その既知傷を探傷して得る反射エコ−パルス波形が
表示する状態を知るために用意される。まず該標準試験
片に対して、超音波周波数Ａ及びＢＭＨｚにつき二周波
探傷を行い（Ｓ１）、図５に示すように、例えばＡ＝２
ＭＨｚと、Ｂ＝４ＭＨｚについて得られた反射エコ−パ
ルス波形ａ１（ＡＭＨｚ）、ｂ１（ＢＭＨｚ）それぞれ
を記憶し、それらを読み出して、前記両パルス波形ａ
１、ｂ１のエコ−高さ（ｈａ、ｈｂ）を一定に揃える受
信器の感度調整を行い、メモリ（１）として記憶する
（Ｓ２）。

【００１２】同様にして被検査材について、前記ステ−
ジ（Ｓ１、Ｓ２）で行ったと同じ二周波探傷（Ｓ３〜Ｓ
４）を行い、メモリ（２）として記憶する。そして両メ
モリ（１、２）を読み出す（Ｓ５）。さらに、被検査材
で得たＡ超音波周波数での反射エコ−パルス波形ａ１と
Ｂ超音波周波数での同パルス波形ｂ１を比較し、エコ−
Ｆと対応関係にある組と、エコ−Ｓｉａ、Ｓｉｂの対応
関係にある組を、前記メモリ（１）と照合して選び出
す。そして後者に相当する組（Ｓｉａ、Ｓｉｂ）があれ
ば、該組のそれぞれのエコ−高さ（ｈ、ｈ′）を比較し
（Ｓ６）、一定のしきい値減衰値（ｈ−ｈ′）がなけれ
ば、圧入エコ−は無いものとして探傷操作を終了する。
しかし前記一定のしきい値減衰値が存在すれば、「局部
内部応力発生」ありを判定（Ｓ７）し、その結果を前記
パルス波形ｂ２内に圧入エコ−を特徴的に示す。例え
ば、モニタ−に画像表示し（Ｓ８）、あるいは印刷し
（Ｓ９）、また記憶媒体にメモリし（Ｓ１０）、これら
を選択的に実行して探傷操作を終了する。以上のしきい
値減衰値有無の判別は、後述するＣＰＵがそれに内蔵す
るソフトウエアにより自動的に行われる。

【００１３】次に本発明装置の構成を説明する。図１
（Ｃ）に示すように、１は、探触子２に装着する二枚の
振動子１ａ、１ｂ（＝１ａ）を接着剤で貼り合わせて一
体化した振動子で、二枚の振動子毎にデジタル探傷器４
に接続する。該デジタル探傷器は、切換回路５を介して
受信信号を振り分けて記憶させる二つのメモリ６ａと６
ｂと、該メモリ６ａ、６ｂから読み出した信号を比較、
判定する判定回路８に接続する。なお、切換回路５と二
つのメモリ６ａ、６ｂと判定回路８には、それぞれの制
御用に、ここに記載しない制御用メモリ付きのＣＰＵ７
を配設する。判定回路８には表示用のモニタ−９又はこ
こに図示しない液晶表示器ＬＣＤが接続され、選択的に
プリンタ９ａ及びメモリ９ｂを配設して、本発明装置を
構成する。デジタル探傷器４は、同図（Ｂ）に示すよう
に、前記超音波周波数Ａ、Ｂを発生するパルス発生器３
１、３２と反射エコ−パルスを受信する受信器４１、４
２とを、それぞれが一対になるように該探傷器に接続し
て設けると共に、前記各受信器が受信する信号を切換ス
イッチ４３を介してアナログ／デジタル変換を行うＡ／
Ｄ変換回路４４と、前記パルス発生器に送受信繰り返し
のタイミング調整と該Ａ／Ｄ変換回路の調整を行うコン
トロ−ラ３によって構成している。

【００１４】

【実施例】次に、本発明方法とその装置の実施例を図に
より説明する。図１（Ｃ）に示すように、本実施例の斜
角探触子において、探触子２は、超音波周波数ＡＭＨｚ
の送受信可能な一枚の振動子１ａ、１ｂを相互に二枚接
着して一体化した一つの振動子１とした上で、樹脂製の
くさび材の斜角面に貼付、固定し、外皮で覆って構成す
る。その操作は、ＢＭＨｚの超音波周波数は、被検査材
１０に当接する振動子１ｂを駆動して送信し、ＡＭＨｚ
の超音波周波数は、二振動子１ａ、１ｂを共に駆動して
送信する。

【００１５】さらに本発明の実施例を、車両の車軸外表
面に探触子２を接触させて超音波探傷操作する自動車軸
探傷装置１６について、図を用いて説明する。図４に示
すように、自動車軸探傷装置１６は、車軸１０ａに圧
入、嵌合した二つの車輪１０ｂを、試験室中央に回転自
在に懸架して配設し、試験室下部に設置した車輪駆動装
置１４によって、試験室外の操作盤１５によって任意な
回転数で駆動可能になっている。さらに該車軸上方に
は、上下に伸縮自在のア−ムが設けられ、その先端に設
置して探傷状態とする斜角探触子１２ａを有する探触子
装置１２を、横行懸架装置の随所に複数装置を配置し
て、任意な操作によって、車軸外壁面の適切な位置に降
下して当接出来るようになっている。加えて車軸１０ｂ
両端には、探傷状態可能の縦波斜角探触子１３を所定数
配設して成る。操作盤１５には本発明装置を内設し、前
記車軸の駆動操作と探傷操作が試験室外で全て行えるよ
うになっている。

【００１６】以上のように構成した本発明による探傷操
作を、図２、図３及び図５を用いて説明する。予め本発
明装置の前記受信器を標準試験片による前記感度調整を
行って、その結果を記憶して置く。すなわち、傷エコ−
Ｆ、一定の高さｈａ、ｈｂに調整され、探傷に超音波周
波数Ａ＝２ＭＨｚ、Ｂ＝４ＭＨｚを用いて、内部応力発
生部位が存在する場合のしきい値減衰量ｈ−ｈ′は、前
記ＣＰＵに書き込んだソフトウエアにより、例えば４ｄ
Ｂに自動設定され、それ以上の値の場合に判定を行う。
そこで図３（Ａ）に示すように、車軸１０ａに車輪１０
ｂを填め込み、圧入によって内部応力発生が予想される
部位の探傷を可能とするように、図示点線で示す超音波
の軌跡が描ける位置に、該車軸外表面位置に斜角探触子
１２及び縦波斜角探触子１３を配置して、車軸１０ａ内
部の探傷操作を行う。すると同図（Ｂ）、（Ｃ）に示す
ように、探傷超音波周波数Ａによる反射エコ−パルスａ
２が圧入エコ−Ｓｉａと共に、同様に同周波数Ｂによる
反射エコ−パルスｂ２が圧入エコ−Ｓｉｂと共に、それ
ぞれメモリ（３）としてメモリ６ａに記憶される。これ
ら記憶したメモリ（２）と（３）は、メモリ６ａ、６ｂ
から読み出されて判定回路８において、ＣＰＵ７が、圧
入エコ−Ｓｉａ、Ｓｉｂのエコ−高さの差ｈ−ｈ′を演
算する。そして前記メモリ（２）として記憶し、ＣＰＵ
のソフトに組み込まれたしきい値減衰値４ｄＢと演算値
ｈ−ｈ′が照合される。

【００１７】その結果、しきい値減衰量範囲に該演算値
がほぼ含まれる場合は、探傷操作した車軸内部に内部応
力発生部位が存在すると決定させる。その決定は、同図
（Ｄ）に示すように、モニタ−９表示画面に前記反射エ
コ−パルス波形を示し、該当する圧入エコ−Ｓｉｃを他
のエコ−表示とは異なる点線で表示する。あるいはここ
に図示しない別の手段、例えば異なる色、点滅などの特
別な表示で示す。この圧入エコ−Ｓｉｃを含む前記反射
エコ−パルス波形は別に接続するプリンタ９ａに出力さ
れ、あるいはフロッピ−ディスク等の記憶媒体９ｂに記
憶させる。

【００１８】

【発明の効果】本発明の内部応力発生部位探傷方法とそ
の装置は、二探触子による探傷操作を一探触子によって
可能にしたので、探触子の移動の必要がなくなり、かつ
誤操作のない的確で精密な探傷が行える他、傷エコ−
と、特に圧入エコ−の判別をオペレ−タの熟練した手操
作から開放して、自動判別可能にしたことで超音波探傷
の自動化の範囲を広げると共に、応力原因を取り去れば
消滅してしまう内部応力や残留応力を本発明技術によっ
て記憶保存が可能になったことによって、被検査材の現
状認識を明確にし、応力腐食、座屈など予見し得る原因
に対する対症療法を行い易くするなど、物理的、工学的
な適用範囲に優れ、広くその経済効果を上げることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波探傷装置を説明するもので、
（Ａ）はその構成を示すブロック図、（Ｂ）は（Ａ）の
デジタル探傷器の構成を示すブロック図、（Ｃ）は探触
子を示す側断面図である。

【図２】本発明の超音波探傷方法を説明するフロ−チャ
−ト図である。

【図３】本発明を車軸探傷に適用した実施例を説明する
もので、（Ａ）は車軸の測定状態を示す側面図、（Ｂ）
はＡ周波数測定時のエコ−パルス波形図、（Ｃ）はＢ周
波数測定時のエコ−パルス波形図、（Ｄ）はモニタ−表
示画面を説明するエコ−パルス波形図である。

【図４】本発明を車軸探傷に適用した自動車軸探傷装置
を説明する配置側面図である。

【図５】本発明の原理を傷相当標準試験片に対する測定
結果と共に説明するもので、（Ａ）はＡ周波数測定時の
エコ−パルス波形図、（Ｂ）はＢ周波数測定時のエコ−
パルス波形図である。

【図６】従来の二周波型探触子を説明するもので、
（Ａ）は並置型を示す側断面図、（Ｂ）は一体型を示す
側断面図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ 振動子 ２ 探触子 ３ コントロ−ラ ３１、３２ パルス発生器Ｔ1、Ｔ2 ４ デジタル探傷器 ４１、４２ 受信器Ｒ1、Ｒ2 ４３ 切換スイッチ ４４ Ａ／Ｄ変換回路 ５ 切換回路 ６ａ、６ｂ、９ｂ メモリ ７ ＣＰＵ ８ 判定回路 ９ モニタ− ９ａ プリンタ １０ 被検査材 １０ａ 車軸 １０ｂ 車輪 １１ 傷相当標準試験片 １２ 斜角探触子、探触子装置 １２ａ 探傷状態の斜角探触子 １３ 探傷状態の縦波斜角探触子 １４ 車輪駆動装置 １５ 操作盤 １６ 自動車軸探傷装置 ａ１、ｂ１ 標準試験片反射エコ−パルス
波形 ａ２、ｂ２ 被検査材反射エコ−パルス波
形 ｈ、ｈ′ 反射エコ−高さ（被検査材） ｈａ、ｈｂ 反射エコ−高さ（標準傷） Ａ、Ｂ 超音波周波数 Ｆ 傷・介在物反射波エコ− Ｓｉａ、Ｓｉｂ 内部応力反射波エコ−（圧入
エコ−） Ｓｉｃ 画像処理した内部応力反射エ
コ− Ｔ 送信直接波

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意に選定する一定の送信周期毎に超音
   波パルスを送信し、その反射エコ−パルスを受信するこ
   とによって、被検査材内部を探傷する方法であって、同
   一超音波周波数を送受信可能の二枚の振動子（１ａ、１
   ｂ）を一体化した探触子（２）を用いて、 １）予め被検査材（１０）に対して傷相当標準試験片
   （１１）を使用した、二つの超音波周波数Ａ、Ｂ（Ａ＜
   Ｂ）による探傷操作を行って標準試験片反射エコ−パル
   ス（ａ１、ｂ１）を受信し、その傷エコ−高さ（ｈａ、
   ｈｂ）を一定化する受信器（３１、３２）の感度調整を
   行い、その結果を記憶した上で、 ２）被検査材に対して、前記受信器を用いて前記二超音
   波周波数による探傷操作を行って被検査材反射エコ−パ
   ルス（ａ２、ｂ２）を受信し、記憶する、 ３）前記Ａ、Ｂの二周波数探傷によって同一の対応関係
   にある被検査材反射エコ−パルスのエコ−高さの相違を
   比較して、エコ−高さがほぼ等しいものを傷エコ−と
   し、Ｂの周波数受信時のエコ−高さ（ｈ′）が、Ａの周
   波数受信時のエコ−高さ（ｈ）より小である場合（ｈ＞
   ｈ′）に、その同一の対応関係にある組の反射エコ−は
   局部内部応力エコ−である、と判定することを特徴とす
   る超音波探傷方法。
2. 【請求項２】 任意に選定する一定の送信周期毎に超音
   波パルスを送信し、その反射エコ−パルスを受信するこ
   とによって、被検査材内部を探傷する装置であって、コ
   ントロ−ラ−（３）を内設するデジタル探傷器（４）
   と、二つの超音波周波数ＡとＢを受信するための切換回
   路（５）と、前記二超音波周波数を送信して標準試験片
   （１１）から反射エコ−パルス（ａ１、ｂ１）を、被検
   査材（１０）から反射エコ−パルス（ａ２、ｂ２）を各
   々受信して、それらの中で同一の対応関係にある二組の
   受信反射エコ−パルス（ａ１とａ２、ｂ１とｂ２）を記
   憶するメモリ（６ａ、６ｂ）と、前記反射エコ−パルス
   中の前記組毎にエコ−高さを比較判定する判定回路
   （８）を有する探傷装置に、２Ａなる超音波周波数を送
   受信可能の振動子（１ａ）を二枚接着して一体化した振
   動子（１）を装着した斜角探触子（１２）または探傷状
   態可能の縦波斜角探触子（１３）を付設して構成するこ
   とを特徴とする超音波探傷装置。