JPS59116543A - 電子セクタ−走査による角鋼片の探傷法 - Google Patents

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】 本発明は、角鋼片の表面皮下を含む内部欠陥を有効に検
出するための超音波探傷法に関するもの探傷を可能なら
しめることを目的としている。

線材、棒鋼の二次加工段階では、近年省力・省エネルギ
・コストダウンを目的とした工程省略が進められておシ
、線材、棒鋼に対する加工条件は過酷になる一方である
。そのため線材、棒鋼の内部に存在する微細な介在物に
起因する冷間鍛造時の加工割れ、伸線時の断線が問題化
され、この対策として、製銑、製鋼段階での介在物の除
去及び混入防止のだめの炉外精錬技術と共に、品質保証
の観点から微細な介在物含有の有無を検出する検査技術
の確立が必要不可欠々ものとなってきている０ このだめの検査技術として、棒鋼製品については棒鋼を
回転させるかもしくは棒鋼の回りを探触子を回転させ乍
ら収束超音波ビームを材中に入射させる超音波探傷法も
知られているが、線材製品については径が細いため同様
の探傷法は適用できず、またコイル状にされた最終段階
での全周全長に亘る機器探傷は現状では不可能である。

ところで、問題となる線材、棒鋼中の介在物はその素材
段階から存在するものであり、従って角鋼片の段階で介
在物を検出すれば製品の内部品質を保証することにもな
り、特に線材の場合では製品の内部探傷の代用として、
角鋼片内部の超音波探傷が活用される。そして、この中
間工程への内部探傷の導入は、欠陥鋼片を事前に除去す
ることができること、甘た製品段階での探傷に比較して
被探傷材の長さが短く探傷処理能率が良いこともあって
、多大な効用が得られるが、反面その信頼性を確保する
ために微細な介在物に対しても高い検出精度を発揮する
ものであることが要求されている。

従来、角鋼片の超音波探傷法としては、２分割探触子に
よシ垂直探傷する方法が知られている。

しかしこの方法では、内部に存在する欠陥は検出し得る
が、角鋼片の表面皮下に存在する欠陥は検出できないと
いう大きな問題がある。すなわち、実際に角鋼片から製
品に加工するさい、加工割れ等で問題となる介在物はそ
の表面皮下に存在することが多く、表面皮下を含む内部
欠陥を検出する探傷法の確立が望まれている。

このような技術的課題に鑑み、本発明は角゛鋼片の表面
皮下を含む内部欠陥を有効に検出することができる新し
い超音波探傷法を開発したものであって、これによって
有害な欠陥の有無を角鋼片の段階で的確に探知できるよ
うにし、ひいては角鋼＆ンラインでの高速探傷を可能な
らし めたものである。

本発明による超音波探傷法は、要約すると、次のような
技術的手段を結合して構成されるものである。

α、電子走査アレイ型探触子を用いて、角鋼片の縦波斜
角探傷を行なうこと。

ｂ、探触子は、角鋼片軸方向に垂直な面内で材表面から
所定の距離だけ離れた位置に材面に対して所定の各度で
固定すること。

Ｃ０超音波ビームを入射面の中央部から入射し、電子セ
クター走査すると　　！Ｏ亭”Ａ、値に隣接する側面の
表面層を探傷すること。

以下、上記の本発明に係る探傷手段について、各々詳述
して行く。

先ず本発明で斜角探傷法を導入することについて説明す
る。

従来角鋼片の内部欠陥の探傷には、前述の如く超音波垂
直探傷法が応用されているが、この場合には第１図に示
すように、探触子（１）から角鋼片（２）に発信された
超音波（Ｓｌがその入射面で反射エコー（Ｓｌ）、底面
で反射エコー（Ｂ１）を生じ、表面近傍は不感帯と々る
欠点がある。これに対して斜角探傷法を用いる場合には
、第２図に示すように、超音波（Ｓｌの入射面からの反
射エコー（Ｓｌ）は相当残存しているが、角鋼片（２）
の側面からの反射エコー（Ｓ２）は下方に進向するため
、側面では反射エコーによる不感帯を生じない。そこで
斜角探傷法を用い、その入射面に隣接する側面を探傷域
とすることによって、角鋼片（２）の表面から内部せで
不感帯なしすることを基本原理とするものである。

次に超音波に縦波を用いることおよび縦波斜角探傷によ
る探傷領域について説明する。

先ず縦波を用いる理由は次の通シである。すなわち、斜
角探傷法に横波を用いた場合では、第３図からも判るよ
うに、屈折角３４Ｑ以下では往復通過率が小さめこと、
屈折角３ｏ０〜４００の範囲で探傷する場合では入射面
の形状、入射角の設定の僅かな誤差によって往復通過率
が激変すること、また往復通過率の変動の少ない屈折角
５ｄ〜６５°の範囲を使用すると、幾何学的に探傷領域
である入射面に隣接する側面の下方が探傷できないこと
の欠点がある。一方縦波を用いた場合では、屈折角の変
化による往復通過率の変動が比較的少なく連続的である
ことの利点があシ、かかる点から縦波を導入する。

該縦波斜角探傷法を用いてセクター走査する場合の有効
な探傷領域について説明すると、屈折角が大きくなると
横波の影響を受けること（第３図参照）、また側面反射
エコーの受信により側表面近傍のＳ／Ｎが低下すること
から、屈折角は最大５０゜定される。

上記のような斜角探傷法を用いて目的とする角鋼片の全
面全長に亘ってオンラインで探傷するためには、超音波
ビームを高速で走査させ斤ければならない。この場合、
走査方式を大別すると機械的走査と電子走査とに分けら
れる。しかして本発明で採用されるセクター走査、即ち
超音波ビームを振る方式にあっても、機械的走査と電子
走査の二つの走査方式が対比される。

そこで今、既知の機械的セクター走査方式の概要を掲げ
、その問題点を明らかにする。

機械的セクター走査として、第５図に示すような反射板
式の走査手段が提案されている。すなわち、振動子（３
）は反射板（４）に対し固定する一方、該反射板（４）
を振動させ、角鋼片（２）に対し超音波ビームＳを振り
走査させるものである。この走査手段では、質量的に軽
い反射板（４）を低速振動させるだけでよいため作動構
造は簡単であるが、反面水中（５）で反射板（４）を振
動させるため反射板（４）のひずみ等の問題がある。

しかして本発明は上記のような問題を抱える機械的セク
ター走査手段の適用を排し、電子走査アレイ型探触子を
用いて、電子セクター走査することを特徴とするもので
ある。すなわち、この電子セクター走査によれば、上記
機械的走査手段のもつ欠点が解消される上に、高速走査
が容易になし得る等の種々の利点がある。

ところで、本発明で採用される電子セクター走査に対比
されるものとして、電子リニア走査がある。すなわち、
この走査手段は電子走査アレイ型探触子を用いる点では
変りないが、探触子からの超音波ビームを入射面上に平
行移動させて走査させるものである。しかして両者の走
査手段を比較すると、後者の走査手段では感度のバラツ
ギの調整が困難であること、入射面の凹凸の影響を受け
やすいこと等の難点があシ、この点電子セクター走査に
よる場合の方が有利である。なお電子リニア走査との比
較については、後で述べられる。

本発明に係る電子セクター走査の原理と概要を説明する
と、次の通りである。

先ず電子走査アレイ型探触子は、第６図に示すように、
多数の振動子素子（３）を基体（６）平面上に一列に配
列させ、その表面にコーティング（７）を施して構成さ
れる。該探触子からの超音波ビームの制御は、各素子（
３）の送受波のタイミングを遅延時間制御回路で調整す
ることにより行なわれる。例えば第７図（Ｄに示すよう
に遅延時間を設定しない場合には、その超音波ビームＳ
は単一の大口径振動子からの波面と等価な波面を形成す
るが、この遅延時間を適宜に設定すると、第７図（ｎａ
）のようにビームＳを傾けたシ、第７図（■ｂ）のよう
に絞ったシあるいＩｉ第７図（ＵＱ）のようにビームＳ
を絞って傾ける波面を自在に形成することができる。

このような探触子を電子走査し、超音波ビームを入射面
上に振る電子セクター走査の特徴を要約すると、次の通
りである。

（１）高速走査性 機械的走査に比べて高速走査が容易である。

（１１）鋭い指向性 電子走査型探触子は多数の振動子エレメントを同時に動
作させるため、全体としては大口径の振動子と同じであ
り、指向性の鋭い超音波ビームを作ることができる。

０１１）電子収束 電子走査型探触子は、前述の通シ、送受波信号に所定の
遅延時間を与えることによシ、凹面振動子やレンズ付き
振動子と同様にビームを細く絞り分解能を上げた探傷を
可能にする。そしてこの焦点距離は任意に設定できるた
め、材中の探傷領域にビームを収束させることによって
微小な欠陥の検出精度を向上させることができると同時
に、欠陥位置推定精度も向上する。参考として、角鋼片
探傷時の超音波ビーム径とφ２の横穴に対するＳ／Ｈの
関係を第８図に示す。

ＯＶ）　　探触子を固定した状態で超音波ビームをセク
ター走査させることが出来るので、一つの探触子で広い
探傷域が得られる。

また電子リニア走査の場合と比較すると、電子リニア走
査のもつ下記の欠店が解消される。

（１）電子リニア走査の場合、送受信エレメントを順次
ずらすため、エレメント総数が多くなシ全体として振動
子径が犬きくなる。

（１１）切り換えに多数のリレーが必要であシ、このリ
レーの寿命が短い。

（ＩＩ＋）　　送受信エレメントを順次ずらすため、送
受信器（Ｔ／’ＲＵｎｉｔ　）とエレメントが１対１の
対応にならないため、感度バラツキの調整が困難である
。

ＯＶ）　　超音波ビームの入射点の移動量が大きいため
角鋼片の表面凹凸の影響を受は屈折角が変化限欠陥位置
推定精度が劣化する。

次に、このような特徴を有する電子セクター走査を行な
うための探触子セット方法および具体的なセクター走査
回路構成例を掲げる。

電子走査アレイ型探触子においては、グレーティングロ
ーブの発生を防ぐために必要とされる振動子エレメント
間隔ｄは、超音波ビーム（Ｓｌの最大傾斜角を±θ。と
すれば、 一一一ヨし−□−λ：超超音波伝播媒質中ｄく　　１＋
１ｓｉｎθｏ１　　　　波長で表わされる。よって超音
波ビーム（Ｓｌの傾斜角を犬きくするためには、λ一定
ではそのエレメント間隔ｄを小さくしなければならない
（第９図（ａｌ　（ｂｌにエレメント幅と最大ビーム傾
斜角θ０との関係を示す）。すなわち、エレメント幅は
小さくする必要がある。

探触子のセット法は、この特性を利用して次の二連シの
方法を提案することができる。

（１）一つは、角鋼片軸方向に垂直な面内でその材表面
から所定の距離に位置して、探触子をその入射面に対し
て水平にセットする方法である。

但し、この場合には探触子の各エレメント幅を小さくし
、分割数を多くする。このセット法による場合の特徴は
、最大ビーム傾斜角が大きいので、入射面に隣接する両
側面の探傷が可能となることである。

（１１）　　もう一つは、やはり角鋼片軸方向に垂直な
面内でその材表面から所定の距離に位置して、探触子を
その入射面に対してセクター走査の振）の中心となる入
射角分だけ傾斜させてセットする方法である。このセッ
ト法による場合の特徴は、ビーム傾斜角の絶対値が小さ
くなるので、最大遅延時間が小さくて済むことである。

またビーム傾斜角の絶対値が小さくなるので、探触子の
エレメント分割数が少なくてもよい○今、角鋼片（２）
に対して上記のような所定の状態で探触子（１）をセッ
トし、セクター走査するさいの様子を概念的に示すと、
第１０図（ａ］　（ｂ）　（ｃｌに示す通シである。

第１１図と第１２図は角鋼片（２）に対する探触子［１
）の配置状態の応用例を示す。まず第１１図の例の場合
では、角鋼片（２）の各面に対して平行に一個づつ探触
子（１）が配置される０すなわち、１個の探触子（１）
で図示の如く入射面に＠接する角鋼片（２）の両側面下
半分を探傷するのであり、４個の探触子＋１１で角鋼片
（２）の全表面層を探傷するのである。−力筒１２図の
例の場合では、角鋼片（２）の各面に対して所定の角度
をもって２個づつ探触子（１１が配置される。

すなわち、この場合には１個の探触子（１）で図示の如
く入射面に隣接する角鋼片（２）の片側面下半分を探傷
し、合計８個の探触子（１）を用いて角鋼片全表面層を
探傷するのである。いずれの配置による場合でも、オン
ラインで角鋼片全表面層に亘る高速探傷が可能とされる
。

次に電子セクター走査に必要な回路構成例を第１３図に
示す。すなわち、図例は総エレメント分割数３２個の探
触子（１）をセクター走査するときの例であって、探触
子ｆｌと送受信器（８）とは遅延回路（９）を介して１
対１に対応して接続され、その遅延回路（９）による遅
延時間設定を順次変えることによって超音波ビームの傾
き角を変化させ、ビームを振ることによって走査させる
。

次に角鋼片の表面欠陥を弁別するための処理について説
明する。上記に述べた本発明の電子セクター走査による
斜角探傷法によれば、目的とする角鋼片の全表面層に亘
シその表面皮下痢を含む内部欠陥を高速で精度よく検出
することができる。

ところで、角鋼片の表面層を探傷すると、表面皮下欠陥
のみならず表面疵も同時に検出され、その探傷結果には
表面欠陥探傷によシ検出した情報も含まれている。しか
るに、表面疵については鋼片加工工程のチッピングやグ
ラインダによる加工によって除去することができ、製品
の二次加工時に問題となるものではなく、それ故表面疵
を含１ない内部欠陥（もちろん表面皮下欠陥を含む）の
みを検出することが必要である。

しかして内部欠陥の検出にば〜既述の角鋼片内部からの
超音波斜角探傷の結果よシ表面欠陥探傷の結果を差し引
けばよい。下記表に各表面欠陥探傷法をその検出能と共
に示す。

表面欠陥の検出能がその表面欠陥探傷法により異なるこ
とから判るように、どの表面欠陥探傷法と組み合せるか
によって内部欠陥の検出特性が決定される。

表面欠陥弁別のための情報処理法として、基本的には第
１４図に示すように、情報１から情報２を差し引けばよ
いが、超音波斜角探傷は欠陥位置推定精度を低下させる
要因を多く含んでいるため、情報１は表面欠陥探傷から
の欠陥位置情報（情報２）に比べて信頼性が低く、欠陥
位置推定誤差範囲が大きい。そのため第１５図に示すよ
うな表面欠陥に対して、欠陥位置情報として図中の印の
位置に欠陥があるも−のとして情報１１情報２を得た場
合、これらの情報をそのまま情報処理すると、別個の欠
陥と判断され、情報工は内部欠陥情報として残される。

すなわち、内部欠陥を有しないのに内部欠陥材とされる
。

これを防ぐために情報２に一定の領域をもたせ、その領
域に入る情報１はキャンセルすることによって表面欠陥
を内部欠陥と誤検出することを防止する。ここで情報２
にもたせる領域をどの程度にするかは情報ｌの精度の良
否によるが、この精度は超音波ビーム径（細い程よい即
ち絞った状態）、入射面形状（入射面に凹凸があると見
かけ１屈折角が変化するので入射点の変動が少なくかつ
入射面が平坦である程よ−）に起因するところ大であり
、この面で電子リニア走査に比較すると電子セクター走
査は有オリである。

そこで電子セクター走査によって斜角探傷する場合では
、より一層欠陥位置推定精度を向上するために次の二つ
の方法を併用することができる。

一つは入射面の凹凸の影響が最も少ないと考えられる血
中央部から超音波を入射することである。

つまりこうすることにより、第１６図（ａ）　（ｂ）に
示す如く、角鋼片（２１の表面に凹凸があっても、血中
央部ではほぼ平坦と近似することができる。

もう一つの方法は、第１７図に示すような入射面の傾斜
による見かけ上の屈折角の変化（Ｓｏ→Ｓ）を補正する
ために、コーナ一部からのエコーを検出し、その最大値
を示す入射角を求めることである。そしてその値より入
射面の傾斜を算出し、所以上述べたように、本発明の超
音波探傷法によれば、従来の内部探傷法では鋼片表面か
ら数肩π−の領域は探傷不能であるに対し、角鋼片の全
表面層を未探傷域なくオンラインで高速探傷することが
可能で、角鋼片の表面層全長に亘り、ひいては製品とし
ての棒鋼、線材の表面皮下並びに内部に亘シ、迅速的確
に品質保証を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の垂直探傷法による不感帯を示す図である
。第２図は本発明に係る斜角探傷法による不感帯を示す
図である。第３図は入射角による縦波、横波の往復通過
率の変化を示す図である。 第４図は本発明拠係る縦波斜角探傷による探傷領域を示
す図である。第５図は機械的セクター走査手段の概略を
示す図である。第６図は電子走査アレイ型探触子の構造
概様を示す図である。第７図ＣＩ）、ＣＩＩａＸＩ［ｂ
ＸＩＩｃ）は電子走査アレイ型探触子による超音波ビー
ムの制御態様を示す図である。第８図は角鋼片探傷時の
超音波ビーム径とφ２横穴に対するｓ／Ｈの関係を示す
図である。第９図ｆａｌ　（ｂｌは電子走査型探触子の
もつ振動子エレメント幅と最大ビーム傾斜角との関係を
示す図である。第１０図（ａｌ　Ｃｂ）（ハ））は角鋼
片に対する電子セクター走査の様子を概念的に示す図で
ある。第１１図と第１２図は角鋼片に対する探触子の配
置状態の応用例を示す図である。 第１３図は電子セクター走査を行なうための回路構成例
を示す図である。第１４図は表面欠陥弁別のための情報
処理と検出パターンを示す図である。第１５図は超音波
斜角探傷による欠陥位置情報と表面探傷による欠陥位置
情報との関係から表面欠陥を内部欠陥と誤判定しないた
めの処理を概念的に示す図である。第１６図（ａｌ［有
］）は入射面の凹凸の影響と超音波ビームの入射位置と
の関係を示す図である。 第１７図は入射面の傾斜による見かけ上の屈折角の変化
を示す図である。 （１）・・・探触子、（２）・・・角鋼片、Ｓ・・・超
音波ビーム。 將　許　出　願　人　　株式会社神戸製鋼所「−−−−
−ｍ＝　第７図　−一一一一（１）　　　　　（ＩＩａ
）　　　　　　（Ｉｌｂ）　　　　　（Ｉｌｃ）第８図 赴音１妙−とｒ−ムイ盃ミ　（ｍｍ） ｒ　第９　図　− （ａ）　　　　　（ｂ） Ｆ第１０図　−八 第１１図　　　　　　　第１２図 第１３　図 ８　９　　１ 第１４　図 ０月　、め郁父麟　−＆ｉ欠醋　・欠醸孜Ｓ情暖第１５
図 Ａイン芝ルマ（るＴ功ν讃ｋｆる伯撓 −＠室を詠煽

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　電子走査アレイ型探触子を用いる縦波斜角探傷法
   であって、前記探触子を、角鋼片軸方向に垂直な面内で
   その材表面から所定の距離で、かつ又材表面に対して所
   定の角度でセットし、前することを特徴とする電子セク
   ター走査による角鋼片の表面層探傷法。