JPS6269161A - 超音波探傷方法およびその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は超音波を利用して丸棒材の中心部（中心および
中心を含む位置をいう）における欠陥を探傷する方法δ
よびその装置に関する。

ここにいう丸棒（オとは、中実材のみならず円筒材（中
空材）も含み、金属および非金属（ガラス。

セラミックス、コンクリート、合成樹脂など）で超音波
が伝搬されｉｈる物体をいう。また丸棒材の中心部にお
ける欠陥とは、中心部に存在する欠陥はもらろん欠陥の
１部分が中心に存在している欠陥例えば中心と偏心して
いる欠陥、中心を横切っＣいる欠陥などの単一の欠陥を
いい、欠陥の形状および寸法は間はない。

〔発明の背景〕

いろいろな産業分野例えば電気１機械、化学等の分野に
おける各種のＡ置において、それらの装置を構成する回
動部材、嵌合部材、摺動部材等には、機構上、ｉ作上（
特に切削加工上）あるいは組立上などから各種の材質２
寸法、形状の丸棒材が各所に数多く使用されている。こ
のうち特に重要部分に使用されているこれらの丸棒月に
ついては有害となる欠陥は許されない。このため内部欠
陥の有ｊｊｊ％を調査して欠陥の存在が判明した場合に
は、その欠陥の位置、形状および大きさを知ることが、
その装置の強度、寿命等を解析する上で重要かつ不可欠
の情報となる。

このため超音波を利用した各種の欠陥の探傷方法が用い
られているが、このうちもっともよく用いられるのはパ
ルス反射法によるもので、なかでもＡスコープの図形を
もとにして欠陥を分類し評価する方法である。具体的に
は丸棒材に限らず一般の被検体に対１“る簡便な探傷方
法として、ＣＲ゛■゛上のＡスフ−１図形のエコー高さ
により欠陥や被検体に入射された超音波の減衰程度等を
評価する方法、／Ｘ陥エコーＦ　（以下Ｆエコーという
）の高さの底面エコーＢ（以下Ｂエコーという）の高さ
に対づる比）？／Ｂを用いる方法、などが広く用いられ
′（いる。そして被検体の（朶傷面があらくそのあらさ
の影響を排除する必要かある場合や自動探傷を目的とす
る場合などには上記方法の水浸法が用いられている。し
かし、これらの各方法はいずれもＣＲ′ｒ上のエコー高
さおよびビーム路程から欠陥の位置および大きさを６・
ト価する方法であるから、超音波減衰の大きい材料例え
ば鋳造品、鋳鋼品などではＦエコー、Ｂエコーとも大幅
に低下し、さらに林状エコーも出現して欠陥の評価が困
難になることが多く、また指向性が悪いことから欠陥の
検出精度の低下はまぬがれない。超音波減衰の大きい材
料に限らず一般の材料に対してもＣＲＴ上のエコー高さ
は、探触子の接触状態、探傷面のあらさや形状、底面の
形状等各種の影響を受けて変動しやすく標準試験片また
は対比標準の既知のエコー高さと比較して音場補正や欠
陥の形状などを推定して補正を行い、その上で欠陥の大
きさを推定することになる。このため探傷装置および探
傷技術にもよるが一般に精度のよい探傷は望めない。一
方欠陥の形状についてはＣＲＴ上のエコー高さおよびビ
ーム路程からは把握することはできず、検出される波形
の位置より定性的に形状を推定するにとどまる。したが
って上記従来のエコー高さおよびビーム路程を用いる方
法での欠陥の位置および大きさの検出は、超音波減衰の
大きい材料に対しては精度が低下して実用に供し得ない
場合があるものの、その他の材料に対しては一般に高精
度は望めないながらも方法が簡便なことから現状広く使
用されている。しかし欠陥の形状については前記のごと
く推定にとどまり精度よく把握する情報は得られない。

これに対してＡスフ−１表示の波形により欠陥を評価す
る方法を用いて丸棒を対象に欠陥の形状をも推定しよう
とする方法が、日本学術振興会編「超音波探傷法」改訂
新版１９８４年日刊工業新聞社発行第５３３頁〜第５３
５頁および第６３２頁〜６３５頁に紹介されている。紹
介されている方法は昭和３８年（１９６３年）日本非破
壊検査協会探傷図形小委員会が直径８０〜２００ｍｍの
丸鋼材を対象とし、その外径の既知な丸鋼材のＦエコー
の認められた位置における側面から円周を８等分した８
方向の探傷を行い、得られたＡスコープの波形から欠陥
の位置および大きさのみならず形状をも推定せんとする
方法で、〈８方向Ａスコ一プ表示法〉ともいわれている
方法である。本方法においては得られる波形のい）Ｆエ
コーの発生位置より欠陥の探傷面（外周面）からの深さ
を、（ｉｉ）Ｆエコーの発生数より欠陥が単一か複数か
を、（ｉｉｉ）Ｆエコーの高さとその変化状況より欠陥
がどのような方向性を有するが否かを、（１ｖ）さらに
Ｆエコーの程度をＦ　／　Ｂ　ＰのｄＢ値で表し、此の
い）〜（１ｖ）について欠陥が存在すると認められた丸
！１４材の横断面についてそれぞれ検出し、８方向より
の探傷波形を得、その探傷波形から欠陥を評価する。こ
の場合の評価は上記（ｉン〜（ｉｖ）の欠陥の判断要素
を一定の基準のちとにドエコーの発生位置を１００位の
数字、Ｆエコーの発生数を１０位の数字、Ｆエコーの探
傷位置による商さの変化を１位の数字とし、さらにドエ
コーの程度をあられず数値を４桁目の数字として４桁の
数字に分類し、例えば（ｉ）のＦエコーの発生位置では
その数字が０のときはＦエコーなし、１であれば丸鋼材
の中心に欠陥があることを示し、数字が２のときは丸鋼
材の中心以外に欠陥があることを示すものとし、（）１
）のＦエコーの発生数では０はＦエコーなし、■はＦエ
コーが１ないし２個、２はＦエコーが数個以上とし、（
ｉｉｉ　）のＦエコーの高さの変化では０はＦエコーな
し、１は高さの差小、２は高さの差入とし、（１ｖ）の
Ｆエコーの程度ではＯから６まで７段階に分けＯはＦ／
ＢＦのｄＢ値が〈−２５，１は−２４〜−１５，６は〉
＋２５のようにし、４桁の数字が例えば１１１１なら欠
陥が中心部にあり、単−型で非方向性でありＦ／ＢＦが
−２４〜−１５ｄＢであることを示すというように、丸
鋼材の横断面における・欠陥の形状および分布について
の状態を数字あるいは文字により表現して評価する。し
かし上記８方四Ａスコ一プ表示法は上述したとおり、Ｆ
エコーの発生イ１装置による欠陥の探傷面からの深さの
検出は、欠陥がその断面における中心部に存在するか否
かを判断するものであり、欠陥の方向性の検出と合わせ
て欠陥の形状を定性的に推定して判断するにとどまり、
形状を精度よく明石育にしかも定量的に把握することは
できない。

以上説明したように従来の探傷方法においては、丸棒材
の中心部における欠陥の位置、形状および寸法を精度よ
く明確にしかも定量的に探傷することはできず、その探
傷方法および装置の開発が待望されていた。− 〔発明の目的〕 本発明は上記従来技術の問題点を解消し、丸棒材の中心
部における欠陥の位置、形状および寸法を、丸棒材の外
径寸法が未知であっても精度よく明も育に、しかも定量
的に探傷することができる超音波探傷方法およびその装
置を１２供することを１」的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、探触子と音速の既知な丸棒材の被検体を音速
の既知な液体に浸１ｔＶＬ、被検体の中心部における欠
陥を探傷する超音波探傷において、被検体の中心軸と一
定の既知の距ｌ＋Ｉｌｆに設置した送受信兼用の探触子
により、前記中心軸の周り◇こ任、（モ、の角度ごとに
その中心軸に対してＪｌｆ：直にＭ　ｉｉ　ｍ、を発射
し、その発射された超音波の被検体の外周面および前記
欠陥の表１ｆＩＪがら反射する反射波を受信させ、この
受信した前記各反射波の波形をアナｌ：Ｊグ値で出力す
る探触子と接続さ、ｎた探傷器を設けて、その出力値の
Ａ　／　Ｌ）変換器を介した値より各反射波の発射から
受信までの時ＩＦｆｆを演算手段にょり計算させ、その
計算値と計算値に対応する各角度における探傷位置の番
号を順次メ゛［りに人力し、その記憶された情報を前記
演算手段を介することにより、探触子と被検体の外周面
および欠陥の表面までの各距離を求め、その求めた各距
離の差から被検体の中心軸に垂直な断面における欠陥の
位置、形状および７１法を表示させることにより、前記
欠陥を被検体の外径寸法が未知であっても精度よく明確
に、しかも定量的に探傷することができるよ・うにした
探傷方法およびその装置である。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を第１図ないし第３図により説明−４る
。第１図は本発明の探傷方法の説明図で、第２図は第１
図の方法により得られたＣ　Ｒ’ｒ上のエコーパターン
を示す図、第３図は本発明の探傷装置の説明図である。

１は丸棒材の被検体で、水あるいは油ムどの音速の既知
ム液体を入れた液槽（本実／ｉｌ＝例においては水槽）
内に浸）白されている。被検体１は音速の既知な材料で
、その中心軸Ｃ８の闇りに矢印方向に仔、ぎの角度例え
ば円ＩＩ　【）等分でｎ　＝　６なら６０’ごとに、ま
たｎ＝９なら４０６ごとに回動自在に図丞しない保持器
により支承されている。１．は被検体１の外周面である
３２は欠陥でその位置は被検体１の中心Ｃに存在するか
、中心Ｃと偏心しているが欠陥の中に中心Ｃが存在して
いる。図に示す欠陥２は理解を容易にするため中心Ｃに
存在する長円にしている。２．は欠陥２の表面である。

３は送受信兼用の探触子で被検体１の中心Ｃと既知の一
定の距離りを設け、中心軸Ｃ５に対して水を介して垂直
に超音波を発射できるように設置されている。したがっ
て発射された超音波の被検体１の外周面１．および欠陥
２の表面２１から反射４゛る反射波４，５は、一定の減
衰・散乱を経て探触子３に受信される。

探触子３からある任意の角度３６０　’　／　ｎごとに
回動する被検体１に対して超音波を発射し、ｉ番目の角
度における状態をみると第２図に示すよ−）に、時間軸
上に送信パルスＴから時間ｔｓｉ経過後に反射波４のエ
コーＳ１、同じく送信パルス′ｒから時間ｔｙｉ経過後
に反射波５のエコーＦ、がそれぞれ出現する。ここで水
の音速■１は既知であり次式から被検体１の中心Ｃから
外周面１．までの距離（被検体ｌの探触子３側の半径）
ｒｉが求められろ。ただしｉはｌ≦ｌ≦ｎの整数である
。

被検体ｌの外周面１３より欠陥２の表面ハまぐの距離ら
、は、被検体１の音速Ｖ、が既知であることがら次代？
ニアにめられる。

式＋１１．　（２＋で求めた距離の差（欠陥２の探触子
：３側の半径）ｐｌ、は次式 ％式％（３） となり被検体１の中心Ｃより欠陥２の表面２．までの寸
法が求められる。以上の操作を被検体Ｉがほぼ１回転し
て所定のｎ番目に至るまで繰り返して行うことによりｎ
個所における寸法ら、が求められ、その値を綿で結べば
欠陥２のその探傷した断面における位置、形状および寸
法を求めることができる。

被検体ｌの外周面１４の角度分；（す故ｎは偶数の場合
と奇数の場合がある。第１図はｎが偶数の場合を示した
もので、中心Ｃから反探触子３側の外１４面１８までの
距離（被検体１の反探触子３４１ｊｌｌの半径）　　’
Ｆａｎ／。は次式で求められろ。

ごこでｕｓ（ｉｎｎ／２１ば、１ｎｎ）２番目の角度に
おける送信パルス１゛から反射波４のエコーＳｉ＋ｎ／
２が出現するまでの時間である。またｉ＋ｎ／２番目の
角度における外ＩＡＩ而１．．より欠陥２の表面ハまで
の距鋪Ｉ　Ｗｆｉ＋、、／□、は、式（２）と同様にで
求められる。式（４１，＋５１で求めた距離の差（欠陥
２０反探触子３側の半径）　１１　Ｆ　ｌｉ＋、％７□
、は、１　Ｆ　（ｉ　ｊ　ｎ７２７″′″ｒ　ｆｊａｎ
／４）　　　ｊｌ！ｙ＋ｉ＋ｎ／り　”　”　（６１で
求められるから、ｉ番目の角度における欠陥２の直径Ｌ
８は、 Ｌ　Ｆｉ　”−Ｉ　Ｐｉ＋βＦ　（ｉ、ｎ／Ｋｌ　　・
・・・・（７）となる。また被検体ｌの直径り、は次式
で求められる。

Ｄ、ｚｒｌ十ｒ（、・１１／２）°°°゛°°（８）、
　　例えばｎ＝６でｉ＝２を代入すると、２番目の角度
すなわら測定開始位置（ｉ　＝　１）から被検体ｌを６
０°回動させた位置における距離１ｒｔと、５番目の角
度すなわちｉ＝ｌから被検体ｌを２４０°回動させたｉ
＝５の位置（ｉ＝２の対称位置）における距ｍ＝　１２
　Ｆ　Ｓをプラスしたものが欠陥２の直径ＬＦＺとなる
。一方向が奇数の場合には式（７）および（８）が、に
変形される。式（９）、　（１０）はいずれもｉ番目の
角度の対称位置をはさむ隣接した測定角度位置の２点、
すなわち（ｉ＋　（ｎ−１）／２番目とｉ＋（ｎ＋１）
／２番目）における測定値の平均値を採用することを示
す式である。例えばｎ＝９で＋−２の場合における【５
，２は、ｉ＝２における測定値にｉ＝６およびｉ＝７に
おける測定値の平均値をプラスしたものになる。

上記式（７）ないしα小により欠陥２の直径Ｌ　Ｆ　ｉ
および被検体１の直径Ｄ８が、被検体ｌの円周を任意に
等分したｎ個所で定量的に測定される。円周の等分数ｎ
は被検体の種類や欠陥の被検体に及ぼす影響度などによ
り自由に選定されるが、ｎが大きくなるほど測定される
欠陥の形状は真の形状に近似し、あたかもＢスコープで
得られる図形のようになり、球状、柱状のような立体状
の欠陥だけでなく面状、線状のような偏平な欠陥でも測
定することが可能になる。また探触子３を被検体１の中
心軸Ｃ８に沿って平行に変位させて前記方法で探傷すれ
ば、被検体１の各断面における欠陥の位置。

形状および寸法が測定できるから、欠陥の全体像を定量
的に測定することも可能である。さらに被検体１が円筒
状の場合における内周円の偏心や曲面形状の正否の測定
が、前記方法を使用することにより可能である。前記各
測定は本発明の方法がエコー高さを評価指標としないこ
とから、超音波減衰の大きい材料に対しても一般の材料
と同様に精度よく定量的に測定することができる。

なお本実施例においては被検体１を矢印方向に回動させ
るものとしたが矢印と反対方向でもよく、また被検体１
を固定し、探触子３を被検体１の中心軸Ｃ８と一定の距
ｇｌ　Ｌを保つ−で中心軸Ｃ３の周りに回動させてもよ
い。さらに４赦の探触子３を被検体ｌと同心で、かつ被
検体１のｊｈ１囲をｎ等分して配設し、これら各探触子
３と接続され一ζいる探傷器との接続を順次切り替える
ようにしてもよい。この方法は被検体１および探触子３
のいずれも回動しないが、あたかも前記被検体ｌと探触
子３とが相対的に３６０°／ｎづつ回動するのと同様で
あり、同一の作用・効果を奏する。

つぎに本発明の探傷装置の実鳥例を第、３図により説明
する。１は丸棒（、すの中心軸の周りに任、αの角度に
矢印方向に回動する被検体、２は欠陥、３は送受信兼用
の探触子である。６は探触子３と電気的に接続され探触
子３に対して所定の角度ごとに送受信させるとともに、
探触子３で受信された被検体３の外周面１．および欠陥
２の表面２□から反射された反射波の波形をアナログ値
で出力する探傷器である。７はＡ／Ｄ変換器、８はＡ／
Ｄ変換器７を介した探傷器６の出力値を計算する演算装
置で、前記反射波の発射から受信までの時間（ビーム路
程）か計算される。９はメモリで演算装置８で計算され
た３１算値と、その計グ値に対応する各角度における探
傷位置の番号が順次人力される。被検体１がほぼ１回転
しｎ番目の探傷終了後、メモリ９に記憶されていた情報
を演算装置８に戻し、各探傷位置における探触子３と被
検体１の外周面１４および欠陥２の表面２．までの距離
を計算させ、この計算値から順に各１−法を前記各式ろ
こ上り計算させ、その結果求められる被検体１の中心軸
に垂直な、１面におりる欠陥２の位置、形状および寸法
ならびに被検体１の形状および寸法が表示装置１０のＣ
ＲＴ上に表示される。表示方法は数値または形状および
数値のどうらでも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、探触子と音速の既知な丸
棒（４の被検体とを音速の既知な液体に浸漬し、被検体
の中心部における欠陥を探傷する超音波探傷において、
被検体の中心軸と一定の既知の距離に設置された送受信
兼用の探触子により、前記被検体の中心軸の周りに任意
の角度ごとに該中心軸に対して垂直に超音波を発射し、
その発射された超音波の被検体の外周面および前記欠陥
の表面から反射する反射波を受信させ、その受信された
前記各反射波の発射から受信までの時間より、探触子と
被検体の外周面および前記欠陥の表面までの各距離を求
め、その求めた各距離の差から被検体の中心軸に垂直な
断面におりる欠陥の位置。

形状および寸法を探傷するようにしたから、被検体の外
径寸法が未知であっても欠陥の位置、形状および寸法を
、被検体の形状及び外径寸法とともに精度よく明確に、
しかも定番的に探傷することができる優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

図はいずれも本発明の詳細な説明図で、第１図は本発明
の探傷方法の説明図、第２図は第１図の方法により得ら
れたＣＲＴ上のエコーパターンの説明図、第３図は本発
明の探傷装置の説明図である。 ■・・・被検体、■、・・・外周面、２・・・欠陥、２
１・・・表面、３・・・探触子、４，５・・・反射波、
Ｃ・・・中心、Ｃ３・・・中心軸、６・・・探傷器、７
・・・Ａ／Ｄ変喚器、８・・・演１γ装置、９・・・メ
モリ、１０・・・表示装置（ＣＲＴ）。 特許出ＩＮ人　　日立建機株式会社 代理人　弁理士　　秋　木　　正　実 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、探触子と音速の既知な丸棒材の被検体を音速の既知
   な液体に浸漬し、被検体の中心部における欠陥を探傷す
   る超音波探傷方法において、被検体の中心軸と一定の既
   知の距離に設置された送受信兼用の探触子により、前記
   中心軸の周りに任意の角度ごとに該中心軸に対して垂直
   に超音波を発射し、その発射された超音波の被検体の外
   周面および前記欠陥の表面から反射される反射波を受信
   させ、その受信された前記各反射波の発射から受信まで
   の時間より探触子と被検体の外周面および前記欠陥の表
   面までの各距離を求め、その求めた各距離の差から被検
   体の中心軸に垂直な断面における欠陥の位置、形状およ
   び寸法を探傷することを特徴とする超音波探傷方法。 ２、探触子により被検体の中心軸の周りに任意の角度ご
   とに行われる超音波の送受信が、探触子と被検体を相対
   的に３６０°／ｎづつ回動させて行われることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の超音波探傷方法。 ３、探触子により被検体の中心軸の周りに任意の角度ご
   とに行われる超音波の送受信が、被検体と同心で、かつ
   被検体の周囲をｎ等分して配設された複数の探触子と、
   これら各探触子と接続されている探傷器との接続を順次
   切り替えて行われることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の超音波探傷方法。 ４、探触子と音速の既知な丸棒材の被検体を音速の既知
   な液体に浸漬し、被検体の中心部における欠陥を探傷す
   る超音波探傷装置において、被検体の中心軸の周りに任
   意の角度ごとに該中心軸に対して垂直に超音波を発射し
   、その発射された超音波の被検体の外周面および前記欠
   陥の表面から反射される反射波を受信する送受信兼用の
   探触子が、被検体の中心軸と一定の既知の距離に設置さ
   れ、前記探触子と接続され該探触子に対して前記送受信
   させるとともに受信された前記各反射波の波形をアナロ
   グ値で出力する探傷器を設け、その出力値のＡ／Ｄ変換
   器を介した値より各反射波の発射から受信までの時間を
   計算する演算手段と、その計算値と計算値に対応する前
   記各角度における探傷位置の番号を順次記憶する記憶手
   段と、その記憶された情報を前記演算手段を介して欠陥
   および被検体を表示する表示手段とを備えたことを特徴
   とする超音波探傷装置。 ５、被検体の中心軸と一定の既知の距離に設置され探傷
   器と接続されている探触子が、被検体と同心で、かつ被
   検体の周囲をｎ等分して複数配設され、これらの各探触
   子と探傷器との接続を順次切り替えられるように構成し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の超音波
   探傷装置。