JPS6321135B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鋼材等の被検体の表面に開口する亀裂
状欠陥の検出ならびにその深さを測定するための
超音波による亀裂検査方法に関する。

従来、第１図に示すように金属材料によつてな
る被検体１の表面１Ａに開口をもつ亀裂Ｆを非破
壊的に検査するには、該亀裂Ｆを挾んで１対の電
流電極２Ａ，２Ｂともう１対の電圧電極３Ａ，３
Ｂとを配し、亀裂を越えて流れる電流による電
圧降下Ｖを測定して亀裂の存在を検出し、かつそ
の深さを推定するいわゆる電気抵抗法が広く用い
られている。

また超音波を利用して亀裂検査を行なう方法と
しては被検体材料内での超音波散乱を利用して亀
裂深さを定量的に評価する方法が提唱されてい
る。この方法では第２図に示すように亀裂Ｆの一
方の側に超音波送波子４を配置し、超音波ビーム
４ａを斜めに入射させ、他方の側から斜め方向に
感受指向領域５ａをもつ超音波子５を配置して送
受波子の位置関係l₁，l₂を、亀裂Ｆの先端部Ftに
おける超音波散乱波ｓをもつとも良好に受信する
ように選択することによつて、送波子４，受波子
５および亀裂Ｆの幾何学関係から亀裂の深さｄの
測定が行われていた。

しかし、前述したような電気抵抗法による方法
では、測定される電圧値と亀裂深さとの関係は被
検体の材質はもとより亀裂の長さや深さに基づく
形状に影響される複雑な関数関係となり、亀裂の
深さを正確に求めることは極めて困難であり、ま
た電極を被検体面に対して確実に接触させること
を要するので、測定の能率が極めて低いという欠
点がある。

また第２図に示すような超音波散乱波ｓの最適
受信状態における送・受波子４及び５の配置関係
から亀裂深さｄを求める方法も、一般には超音波
ビーム４ａが相当の径を有するところから送・受
波器の位置関係から亀裂Ｆの深さｄを求める場合
の精度を然程高くすることは期待できない。さら
に送・受波器の位置を調節するための機械的な動
作を必要とするので、測定の能率を高くできない
という欠点がある。

本発明の目的は上述のような従来の亀裂検査の
方法では測定結果に十分な信頼性がなく、また検
査の能率が低いという欠点を除き、被検体の表面
に開口するあらゆる方向の亀裂深さを能率よくか
つ正確に測定し得る新規な亀裂検査方法を提供す
るにある。

本発明の特徴は、表面に開口をもつ亀裂の生じ
ている被検体に対して該亀裂の一方の側から超音
波を入射させ、これが被検体内部の特に亀裂の先
端部の領域で散乱されて生ずる散乱波が再び被検
体面に到達するまでの時間は、亀裂の深さによつ
て異なることを利用して、亀裂が有る場合を無い
場合とで、超音波送出後散乱波を受信するまでの
時間の差を検出し、この時間差から亀裂の深さを
決定するようにしたところにある。加えて本発明
では、２対の送受波子を互い交叉的に配置するこ
とで、亀裂が任意の方向性をもつ場合についても
検知能力を有するようにしたことである。

第３図〜第５図は、本発明の前提を成す原理を
説明するための図である。第３図はその基本構成
図であり、被検体１に対して送波子４と受波子５
とが並置され、両者の中間には超音波を遮断する
仕切板６が設けてある。パルサー回路７で発生し
た送信パルス信号７ａが送波子４を励振すると該
送波子から超音波パルスのビーム４ａが超音波伝
達媒体８を介して被検体１に向つて送出される。
送波子４の超音波放射面４Ａを凹面に形成するか
もしくは図には示していないが音響レンズを介す
ることにより、放射される超音波ビーム４ａが被
検体表面１Ａの近傍のＰなる位置で一旦集束され
るようにしている。かようにして被検体１の内部
に透入した上記超音波ビーム４a′が被検体内部に
向う程拡散し∠P₁，Ｐ，P₂の角度範囲に指向領
域を形成して、亀裂Ｆの付近のごく表層部から深
部に亘つて超音波が透入するようになり、その透
入領域で被検体材質組織による散乱波ｓを生ず
る。

一方、受波子５も送波子４と同様に被検体表面
１Ａの近傍に焦点Ｑを形成する集束性の機能をも
たせ、被検体内では∠q₁，Ｑ，q₂なる角度範囲で
受信感度指向領域を形成するようにしてある。し
たがつて受波子５の感度指向領域は被検体のごく
表層部から深部に亘り、この領域内で発生する上
述の組織散乱波ｓが受波子５によつて受信され
る。受波子５から得られる受信々号５ａは受信器
９によつて増幅検波されて信号９ａとなり、その
波形は送信パルス信号７ｂで同期された表示装置
１０に表示される。

いま、送受波器４及び５が第４図ａのように欠
陥のない被検体１に設定される場合は、第５図ａ
に示すように受信々号９ａのうちの散乱波ｓの信
号の始点soは、超音波パルスのビーム４ａが送波
子４の超音波放射面４Ａから送出される時点To
から被検体１の中で最も浅い位置の散乱源Ｒの散
乱波s_Rが受波子５の感受面５Ａに到達するまでの
時間toだけ送信パルス信号７ｂに対して遅れて現
われる。

次に第４図ｂに示すように被検体１の表面１Ａ
に開口する亀裂欠陥Ｆが存在するとき、送波子４
及び受波子５の焦点ＰおよびＱがちようど亀裂欠
陥Ｆをはさむような位置関係に送波子４及び受波
子５を配置するようにする。この場合第４図ｂに
示すように、受信される最初の散乱波は亀裂欠陥
Ｆの先端部F_Tの位置で生じた散乱波s_Fによるもの
であるから、受信々号９ａのうち散乱波の信号９
asの始点s_OFはsoよりも時間Δt遅れて現われる。
Δtは超音波が第４図ａの径路4A−Ｒ−5Aを伝播
する時間toと、径路4A−F_T−5Aを伝播する時間
t_Fの差であり、亀裂欠陥Ｆの深さｄと共に増加す
る。しかも、Δtとｄとの関係は直線的関係とな
ることは明らかである。したがつて、散乱波信号
の始点の時間t_Fの変化を計測することにより、亀
裂Ｆの深さｄが容易に求められる。

以上の説明では送波子４及び受波子５の中間に
亀裂欠陥Ｆが位置するように該送・受波子と設定
し、望ましくは亀裂の開口が送波子４と受波子５
を結ぶ方向とが直交するような関係、換言すれば
仕切板６の先端部が亀裂Ｆの開口に沿うようにし
て送受波を配置する場合について述べた。

しかしながら、一般に送受波子を機械的に操作
して亀裂の検出を行なう場合は、亀裂開口部の方
向と送受波子の設定の向きとを常に上述のような
関係に適合させるには人為的な操作を必要とす
る。

そこで、亀裂の方向性に拘らず、亀裂を検出
し、かつその深さを測定するこのできる送受波子
が望まれる。本発明は、この要望をも満たすもの
で、その一実施例を第６図によつて説明する。

第６図において、１対の相対向する送波子４Ｘ
及び受波子５Ｘとこれと交叉的に配置された他の
１対の送波子４Ｙと受波子５Ｙとが組合わされて
１組の送受波器が構成されている。各送受波子の
間は仕切板６で音響的に絶縁されている。送波子
４Ｘおよび受波子５Ｘならびに送波子４Ｙおよび
受波子５Ｙの各対はそれぞれ第３，４図の送波子
４および受波子５と全く同様の機能をもつものと
する。このとき、たとえば第７図ａのように亀裂
欠陥Ｆが送波子４Ｙおよび受波子５Ｙの間で両者
を結ぶ方向（Ｙ方向）に対し直交的関係にある場
合は、該送受波子の対４Ｙ，５Ｙによつて亀裂欠
陥Ｆが検出され、かつ深さの評価がなされること
は言うまでもない。

このことは亀裂欠陥Ｆが送波子４Ｘおよび受波
子５Ｘの間で両者を結ぶ方向（Ｘ方向）に対して
直交的な関係になる場合も同様に該送受波子の対
４Ｘ，５Ｘによつて亀裂Ｆが検出・評価される。

次に第７図ｂのように亀裂欠陥ＦがＸ，Ｙいず
れの方向に対しても斜交している場合は、４Ｘ及
び５Ｘ，４Ｙ及ぴ５Ｙなる両者の組の送受波子に
よつて亀裂が検出できることは容易に理解でき
る。したがつて第６図のように２組の送受波子が
交叉的に配列された構成を用いることによつて送
受波子の向きに関係なくすべての方向の亀裂欠陥
を検出できる。

第６図のような送受波子の構成によつて得られ
る信号から亀裂深さの情報を得るための信号処理
方法の一例を第８図及び第９図によつて説明す
る。第８図において、７Ｘ及び７Ｙはパルサー回
路で、それぞれ超音波送信パルス７Xa，７Yaを
発生して送波子４Ｘ，７Ｙに加える。パルス信号
７Xa，７Yaはたとえば同期パルス発生器７０に
おいて適当な周期τで発生するパルス信号Toが
交互２系統に分配され、それぞれ送波子４Ｘ，４
Ｙに加えられるようにし、かようにして超音波パ
ルスを被検体に向けて送出する。受波子５Ｘ，５
Ｙはそれぞれ送波子４Ｘ，４Ｙによつて送出され
た超音波パルスによる散乱波を受信し、受信々号
５Xa，５Yaが得られる。これらの信号はさらに
受信器９Ｘ，９Ｙで増幅・検波され、９Xa，９
Yaとなる。被検体の亀裂欠陥が検出されている
場合は、正常部の場合に対して散乱波の受信波形
の立上り点Sox，S_OYに遅れΔtx，Δt_Yを生ずる。

１０Ｘ，１０Ｙはパルス遅延整形回路で、パル
サー回路７Ｘ，７Ｙで発生する超音波送信パルス
Tox，T_OYをたとえば時間to遅延させ、パルス
T_XO，T_YOを発生させる。遅延時間toは被検体正
常部について超音波パルスが送信されてから散乱
波が受信されるまでの時間に等しくするものとす
る。１１Ｘ，１１Ｙは亀裂信号発生部で、それぞ
れ入力パルスTxo，T_Yｏを始点とし散乱波信号
の立上り点sox，so_Yを終点とする時間幅Δtx，
Δt_Yなるパルス信号１１Xa，１１Yaを発生する。
これらの信号は亀裂評価部１２に加えられ、時間
幅Δtx，Δt_Yのうち大いなる方の値に相当する振
幅をもつ電圧信号V_Fが、１２の出力として得ら
れるものとする。したがつて亀裂評価部の出力１
２ａにおいて信号V_Fが現われることは、亀裂欠
陥が存在することを意味し、またその振幅は亀裂
の深さを表わす。

かようにして２組の送受波子を互い交叉的に配
置することにより、亀裂欠陥の方向性の如何に拘
らず、これを検知し評価を行なうことが可能とな
る。

以上述べたように、本発明によれば、超音波送
受波子を被検体表面に対して音響的に接触させつ
つ摺動させるのみで、あらゆる方向の亀裂に対し
て、時間のフアクターでもつて高精度かつ能率的
にその深さを計測することが可能となる。また計
測結果は直ちに電気的信号として得ることが可能
なので、機械・構造物あるいはその部材等の欠陥
検査を能率よく実施することが可能となり、特に
自動検査にも極めて好適に利用できるので、その
工業分野にもたらす効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来用いられている電気抵抗法による
亀裂深さ測定方法の原理説明図、第２図は従来用
いられている超音波散乱波を利用した亀裂深さ測
定方法の原理説明図、第３図は本発明の前提を成
す原理を説明するための亀裂検査装置の基本構成
説明図、第４図は本発明の原理を成す亀裂検出の
作用説明図、第５図は散乱波信号より亀裂の検出
及び評価を行うための原理説明図、第６図は本発
明になる亀裂検査装置における送受波子の一実施
例構成図、第７図は第６図送受波子による亀裂検
出の機能説明図、第８図は第６図送受波子を用い
た亀裂検査装置の概略構成図、第９図は第８図装
置の動作機構を説明するための信号系列図。 １……被検体、１Ａ……被検体表面、４……送
波子、４ａ……超音波ビーム、５……受波子、１
２……亀裂信号処理部、Ｆ……亀裂欠陥、Ft…
…亀裂欠陥先端部、ｓ……散乱波。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体表面に開口する亀裂を挟んで超音波送
   波子及び受波子を並置し、当該亀裂を検査するも
   のにおいて、前記送波子及び受波子は複数組の対
   の送波子及び受波子を互いに交叉的に配置し、前
   記各送波子より送出された超音波が前記被検体内
   の亀裂先端部の材料組織によつて散乱されて生ず
   る散乱エコーを前記各送波子となる一方の各受波
   子で受信すると共に、前記超音波の送出後前記散
   乱エコーを前記各受波子で受信するまでの各時間
   を検出し、前記亀裂の無い場合の当該検出時間と
   前記亀裂がある場合の各検出時間との差から亀裂
   深さを決定することを特徴とする超音波による亀
   裂検査方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記複数組
   の送波子および受波子によつて夫々検出される前
   記検出時間の差の大小関係を判別し、その最大値
   を用いて前記亀裂深さを決定することを特徴とす
   る超音波による亀裂検査方法。