JPH11125621A

JPH11125621A - 斜角探傷用電子走査式探触子

Info

Publication number: JPH11125621A
Application number: JP9290654A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Yamada; 裕久山田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】幅の小さい超音波振動子を使用する場合で
も、製造を容易とした性能の安定した斜角探傷用電子走
査式探触子を提供する。【解決手段】被検体２の表面に対向する平坦な底面と
第一及び第二の斜面を所定のピッチで反復させて形成し
た鋸場状の表面とを有する板状又は棒状の楔体と、前記
第一及び第二の斜面のうち一方の斜面のそれぞれに配置
された複数個の超音波振動子が一体的に形成された併合
振動子ＴＡとを備える。各併合振動子ＴＡ内の超音波振
動子は、表面部のみに切り込みを入れて個別の各超音波
振動子に区分し、裏面部はＴＡ内では連続したものとす
ることにより、容易に複数の超音波振動子Ｔが一体的に
形成された併合振動子ＴＡを得ることができる。併合振
動子ＴＡを用いることにより、幅の小さい超音波振動子
を用いる場合でも、従来のものに比べて大幅に製造工程
を簡素化し、性能の安定した斜角探傷用電子走査式探触
子を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、鋼材の溶
接部内部にある欠陥を検査する自動探傷装置などに使用
される斜角探傷用電子走査式探触子（フェイズドアレイ
探触子）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の溶接部内部にあるきず等の欠陥の
有無を非破壊検査する手法として、超音波斜角探傷法が
広く用いられている。この超音波斜角探傷は、探触子を
用いて行われる。特に、かかる探触子として、特開平７
−２２９８７９号公報に記載されているような斜角探傷
用電子走査式探触子が提案されている。図４はその斜角
探傷用電子走査式探触子の概略構成図である。図４に示
す斜角探傷用電子走査式探触子は、楔５０と、複数の超
音波振動子５１とを備える。楔５０は、被検体の表面に
対向する平坦な底面と、第一及び第二の斜面を所定のピ
ッチで反復させて形成された鋸歯状の表面とを有する。
超音波振動子５１は、第一及び第二の斜面のうち一方の
斜面のそれぞれに一個ずつ配置される。

【０００３】上記の斜角探傷用電子走査式探触子は、超
音波振動子５１が配置されたすべての斜面に対し、その
斜面の中心から楔５０の底面までの距離は等しい。通
常、超音波は楔の中を通過する際に減衰する。従って、
各超音波振動子によって、斜面の中心から楔の底面まで
の距離が異なると、材料中に入る超音波の振幅が異なる
ため、この誤差を補正する必要がある。しかし、上記の
特開平７−２２９８７９号公報に記載されている斜角探
傷用電子走査式探触子は、かかる補正を必要としない点
で優れている。

【０００４】尚、超音波振動子５１が、図４に示すよう
に斜面に取り付けられているのは、以下の理由による。
通常、溶接部の探傷には屈折角θが４５°から７０°の
横波が利用される。楔として通常使用されるアクリル樹
脂内を伝播する縦波の伝播速度（音速）は約２７３０ｍ
／ｓであるから、上記の屈折角の横波を発生させるため
には、スネルの法則によれば、約３７°から５３°の方
向に縦波を偏向させる必要がある。しかし、一個の超音
波振動子の幅を１ｍｍ程度とし、探傷周波数５ＭＨｚと
すると、この超音波振動子の指向角は理論的に約３１°
にすぎないため、被検体に対して平行な平面に配置され
た超音波振動子では、所望の屈折角の横波の発生に必要
な３７°から５３°の範囲の偏向角は実現できない。こ
のため、超音波振動子を被検体に対して傾けて配置する
必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば板厚
が１９ｍｍの鋼板同士の突き合わせ溶接部について、屈
折角７０度の超音波斜角探傷を行う場合、振動子を走査
させる距離、すなわち、超音波振動子全体の長手方向の
幅は約１００ｍｍ必要になる。かかる走査範囲を１ｍｍ
の探傷ピッチで探傷するためには、幅１ｍｍ以下の超音
波振動子が約１００チャンネル（個）必要となる。した
がって、このような階段状アレイ探触子を製造する場
合、約１００個の幅１ｍｍ以下の超音波振動子を一つず
つ各斜面に貼り付けなければならない。かかる作業は、
極めて煩雑な作業となり、かつ、貼り付け方に起因する
感度などの性能のばらつきを生じやすくなる。検査の精
度を向上させるために、より幅の狭い超音波振動子を配
置するときには、この配置の作業はさらに困難なものと
なり、製造上および性能上、問題となる。

【０００６】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、幅の小さい超音波振動子を使用する場合でも、
製造が容易でかつ性能の安定した斜角探傷用電子走査式
探触子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】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の発明に係る斜角探傷用電子走査式探
触子は、被検体の表面に対向する平坦な底面と第一及び
第二の斜面を所定のピッチで反復させて形成した鋸歯状
の表面とを有する板状又は棒状の楔体と、前記第一及び
第二の斜面のうち一方の斜面のそれぞれに配置された複
数個の超音波振動子が一体的に形成された併合振動子と
を備えることを特徴とするものである。一つの斜面に設
ける併合振動子内の超音波振動子の数をｎ個とすれば、
ｎ個の超音波振動子は一体的に形成されているので、各
斜面に超音波振動子を設ける作業は、１／ｎとなり、製
造作業の簡素化および性能の安定化を図ることができ
る。各併合振動子内のｎ個の超音波振動子は、表面部の
みに切り込みを入れて個別の各超音波振動子に区分し、
裏面部は前記ｎ個の超音波振動子について連続したもの
とすることにより、容易にｎ個の超音波振動子が一体的
に形成された併合振動子を得ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態
である斜角探傷用電子走査式探触子の概略構成図、図２
は斜角探傷用電子走査式探触子の超音波振動子の幅を決
定する方法を説明する図である。本実施形態の斜角探傷
用電子走査式探触子は、多数の鋸歯状の山部が形成され
た楔体１と、楔体１の山部の一方の各斜面に設けられた
３つの超音波振動子Ｔが一体的に形成された併合振動子
ＴＡとを備えている。なお、２は被検体である鋼材であ
る。

【０００９】本実施形態に使用する併合振動子ＴＡは、
３個の超音波振動子Ｔを切り離さずに、ダンパー５の張
り付けられていない面のみに切り込みを入れて形成した
ものである。このダンパー５は超音波振動子から発生す
る超音波の波数を制限する目的で付加されるものであ
り、例えば、重金属粒子を樹脂で固めたもの等が用いら
れる。切り込みの深さは、隣り合う超音波振動子が互い
に他の超音波振動子の影響を受けない範囲内であればよ
い。

【００１０】本実施形態の併合振動子ＴＡは、上記のよ
うに構成したことにより、ダンパーのない面のみに切り
込みを入れて区分した３個の超音波振動子Ｔを一つの振
動子として取り扱うことができる。すなわち、各斜面に
超音波振動子を張り付ける際には、３個の超音波振動子
Ｔを一つの振動子として貼り付け作業を行うことができ
るので、貼り付け作業は、従来のものに比べて約１／３
の労力で足りる。

【００１１】また、本実施形態の併合振動子ＴＡは、各
併合振動子内のダンパー５側の面の電極４が繋がってい
るので、３個の超音波振動子の下部電極の配線を１回の
作業で行うことができ、したがって各超音波振動子毎に
配線を行う従来のものに比べて、配線作業における省労
力化を図ることができる。次に、図１に示す本実施形態
の斜角探傷用電子走査式探触子を用いて、板厚が１９ｍ
ｍの鋼板同士の突き合わせ溶接部を探傷する場合につい
て説明する。ＪＩＳＺ３０６０「鋼溶接部の超音波探傷
試験方法及び等級分類方法」によれば、周波数５ＭＨ
ｚ、超音波振動子寸法１０ｍｍ×１０ｍｍ、屈折角７０
度の探触子を用い、直射から一回反射の範囲で、探触子
を走査することが標準となっている。以下、これに適合
する本実施形態の斜角探傷用電子走査式探触子について
説明する。

【００１２】一回反射の範囲まで走査するには、本実施
形態では、板厚１９ｍｍ、屈折角７０度であるから、約
１００ｍｍの走査幅が必要である。探傷するときの溶接
部に直交する方向の走査ピッチを１ｍｍとする。楔体１
としてアクリル樹脂を使用すると、その内部を伝播する
縦波の速度は２７３０ｍ／ｓであり、鋼材中を伝播する
横波の速度は３２３０ｍ／ｓであるから、鋼材中に屈折
角θが７０度の横波を発生するには、スネルの法則から
楔体中の縦波の入射角αは５２．４度となる。したがっ
て、楔体１の鋸歯状の表面の併合振動子ＴＡを設置する
側の斜面の傾斜角は５２．４度に設定する。また、楔体
１の鋸歯状の山部の角度は９０度に設定する。

【００１３】次に、図２を用いて斜角探傷用電子走査式
探触子の超音波振動子の幅を決定する方法について説明
する。上述した１ｍｍの走査ピッチを得るためには、上
記５２．４度の入射角で、各超音波振動子から発射した
超音波ビームの中心軸の鋼材２の表面上でのピッチを１
ｍｍにする必要がある。これを鋸歯状の面に投影する
と、以下のようなギャップを含めた超音波振動子の幅ｗ
が得られる。

【００１４】ｗ＝１．０×ｃｏｓ５２．４°＝０．６（ｍｍ）また、各超音波振動子の幅を０．５ｍｍ、振動子間のギ
ャップを０．１ｍｍとすると、併合振動子の幅ｗＡは、ｗＡ＝０．５×３＋０．１×２＝１．７（ｍｍ）となる。したがって、鋸歯状の斜面の併合振動子を設け
る面の幅は併合振動子のｗＡにギャップ分の０．１ｍｍ
を足して１．８ｍｍとなる。

【００１５】また、併合振動子ＴＡ間の距離ｈ（すなわ
ち、鋸歯の反対側の斜面の幅）は２．３４ｍｍ（ｈ＝
１．８×ｔａｎ５２．４°）となり、鋸歯状の山のピッ
チは約３ｍｍとなる。また、各斜面の長さは、各併合振
動子の長さを従来型探触子と同じく１０ｍｍにした場
合、音場のひろがりを考えて１５ｍｍ程度とし、山の数
は３４個とする。

【００１６】このような楔体に併合振動子を３４個の斜
面のそれぞれに設置し、そのうちの１６の各超音波振動
子を一組として動作させることにより、幅が１０ｍｍ、
長さが１０ｍｍの寸法の１個の斜角振動子を設置した場
合と同様の効果が得られる。また、併合振動子の下端か
ら被検体である鋼材の表面までの距離を約７ｍｍとし
た。この距離は楔体内での超音波の減衰を少なくするに
は短くするほど良いが、楔体内で乱反射する超音波を十
分に減少させるにはある程度の距離も必要なことも勘案
して、最適値を実験的に求めることになる。

【００１７】次に、本実施形態の斜角探傷用電子走査式
探触子を、板厚１９ｍｍの鋼板の突き合わせ溶接部を有
する鋼材上に接触媒体（グリセリン）を介して配置し、
その突き合わせ溶接部を探傷するときの動作について説
明する。接触媒体を用いるのは、斜角探傷用電子走査式
探触子と鋼材の間に空気層が介在すると、超音波が伝播
しなくなるからである。

【００１８】まず、超音波振動子Ｔ１からＴ１６までに
送信パルスを印加するが、各併合振動子ＴＡ内では３個
の超音波振動子に同時に印加し、また、隣接する併合振
動子ＴＡの超音波振動子Ｔ間（例えば、図１の超音波振
動子Ｔｎ−２とＴｎ−３の間）は、ｔ＝ｈ／ｖ０（ｖ０：楔体内の縦波音速）ずつ遅らせて送信パルスを順次印加する。各超音波振動
子から発した縦波は、各超音波振動子Ｔの法線方向に伝
播し、入射角αは５２．４度と変わらず、鋼材中に屈折
角７０度の横波が伝播していく。

【００１９】また、アレイ型探触子において広く知られ
ているように、本発明においても各超音波振動子に印加
する送信パルスのタイミングを制御することによって、
合成される超音波を収束させたり、偏向させることも可
能である。溶接部中を伝播する横波の伝播経路内にきず
等が存在すると、そこで反射波が発生し、この反射波の
うち入射経路と逆の経路をたどって戻る成分が超音波振
動子に受信される。きず等の欠陥が存在しなければ反射
波は発生しない。溶接部まで超音波パルスが往復するの
に要する時間が経過した後、次の超音波振動子の組であ
るＴ２からＴ１７に、同様に送信パルスを印加する。こ
のように、超音波振動子を１個ずつずらすことにより選
択した新たな１６個の振動子の組に、上述した遅延時間
を持たせながら順次送信パルスを印加するという具合
に、同様の動作を繰り返す。最後に、振動子Ｔ８７から
Ｔ１０２までの１６個の超音波振動子の組に順次送信パ
ルスを印加し、それによる反射波を受信すれば、直射か
ら一回反射までの探傷作業は終了する。

【００２０】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が
可能である。例えば、別の実施例を図３に示す。本実施
例では、切り込みを深くしてダンパーまで切り離して
も、各超音波振動子はダンパーにより繋がっているの
で、貼り付け作業回数を少なくすることができる。ただ
し、この場合はダンパー側の面の電極も切り離されてし
まうので、配線作業の労力は従来型と同じである。

【００２１】また、上記の実施形態では、予め製作され
た振動子に切り込みを入れることにより、複数の超音波
振動子を形成する場合について説明したが、振動子を製
作する際に、複数の各超音波振動子に区分した形で形成
するようにしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数個の超音波振動子が一体的に形成された併合振動子を
用いることにより、幅の小さい超音波振動子を使用する
場合でも、従来のものに比べて大幅に製造作業の簡素化
を図り、もって性能の安定化を図ることができる斜角探
傷用電子走査式探触子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である斜角探傷用電子走査
式探触子の概略構成図である。

【図２】本実施例において形態である斜角探傷用電子走
査式探触子の概略構成図である。

【図３】本発明の一実施形態である斜角探傷用電子走査
式探触子の概略構成図である。

【図４】従来の斜角探傷用電子走査式探触子の概略構成
図である。

【符号の説明】

１楔体２鋼材３圧電体４電極５ダンパーＴ超音波振動子ＴＡ併合振動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体の表面に対向する平坦な底面と第
一及び第二の斜面を所定のピッチで反復させて形成した
鋸歯状の表面とを有する板状又は棒状の楔体と、前記第
一及び第二の斜面のうち一方の斜面のそれぞれに配置さ
れた複数個の超音波振動子が一体的に形成された併合振
動子とを備える斜角探傷用電子走査式探触子であって、
前記併合振動子は、圧電体を対向する電極板により挟み
込み、一方の電極板の外面にダンパーを貼り付け、他方
の電極板には切り込みを入れることにより、個別の超音
波振動子に区分されていることを特徴とする斜角探傷用
電子走査式探触子。