JPWO2016163034A1 - 丸棒材の超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

本発明に従い、丸棒材の長軸方向に対して送信探触子と受信探触子とを対向配置し、該送信探触子および受信探触子と該丸棒材との角度および／または位置を調整して、該丸棒材の欠陥部からの反射エコーを検出することによって、直径が８ｍｍφ以下の丸棒材の超音波探傷試験において、表面エコー幅を効果的に小さく制御しつつ、横断面長さ１００μｍ以下の内部欠陥を検出するために必要な感度を確保し、さらに気泡起因の誤動作を防止することができる超音波探傷方法とする。

Description

本発明は、細径丸棒材の微小な内部欠陥を検出するための超音波探傷方法および超音波探傷装置に関するものである。

以下 図１を参照して、背景技術を説明する。
丸棒材の自動超音波探傷装置では、被検査材である丸棒材を、水や油中に一部或いは全長を浸漬して探傷する方法が一般的である（それぞれ水浸法、油浸法という）。
これら水浸法、油浸法では、探触子と被検査材間に適当な距離（水距離という）を確保して超音波を垂直に入射することで、内部欠陥（非金属介在物）を検出する超音波探傷を行い、これらは一般に、垂直法と言われている。

探触子の設置の一方式としては、図１に示したような、周方向に複数の探触子を固定配置して全断面をもれなく探傷する方式（固定配置方式）がある。

別の方式としては、回転探触子方式があるが、この方式では、１あるいは複数の探触子を被検査材の外周部を回転させる手段を取る。

前記した垂直法を用いたときの細径材での基本表示（ＪＩＳ Ｚ ２３００：２００９参照）を図２に示す。
前記した超音波探傷方式では、探触子の設置形態に差があるものの、探触子から被検査材に対して垂直に超音波を入射して、欠陥部からの反射エコーを検出する方法は同一である。

そして、垂直法では、表面エコー（被検査材表面での反射エコーを意味する）部を除いた送信探触子と反対側の断面領域を、図２に示したように、探傷領域とする必要がある。
したがって、前掲した図１の探触子Ｄでは、破線で示した領域：Ｍを探傷する必要があり、探触子Ｂでは、破線で示した領域：Ｎを探傷する必要がある。

さらに、図１の探触子ＡやＣについても同様に、送信探触子と反対側の断面領域を探傷する必要がある。
しかしながら、特に、直径が６ｍｍφ以下となる細径材では 細径材表面での反射エコーの幅が無視できなくなる。
それ故、被検査材横断面の中心部分も欠損なく、全断面にわたり探傷領域を確保するには、感度を下げて表面エコー幅を被検査材径の１／２未満に抑える必要が出てくる。
このため、太径材に比較して、きず検出能を十分確保できないという問題が存在する。

また、自動車部品等に使用される鋼材では、横断面における長さ：１００〜２００μｍあるいはこれ以下の長さの内部欠陥（非金属介在物）の検出が要求されるが、直径が６ｍｍφ以下の丸棒では、上述した表面エコーの幅の制限を満足しようとすると、欠陥の検出は容易ではなくなる。

丸棒の直径が６ｍｍφを超え８ｍｍφまでの範囲においては、垂直法での表面エコーの制限は、６ｍｍφ以下に比較して顕著ではなくなるものの、本発明による方法を適用することにより、垂直法に比べてより微小な介在物の検出が可能になる。
なお、８ｍｍφを超える径の丸棒では、粗粒材（粒度番号が８以下）においては（ビーム路程が長くなる効果により）散乱雑音が徐々に大きくなる一方で、細粒材（粒度番号が８超）では被検査材横断面中心部の欠陥からの反射エコーのビーム位置と底面側欠陥からの反射エコーのビーム位置が被検査材長手方向でずれてくるために単一探触子では両ビームを最大強度で受信することが難しくなる。そのため、本発明でも、通常の垂直法に対して優位性が少なくなる傾向にある。

さらに、本発明において解決するべきもう一つの課題について述べる。
一般に、水浸法（あるいは油浸法）では、水中（油浸法においては油中）を材料が通過する際に、水中（あるいは油中）に気泡が発生する。
特に、被検査材の終端部が通過直後の水中（油浸法においては油中）は、負圧となるため気泡が発生しやすい。

そして、一旦気泡が存在すると、この気泡による反射エコーの信号が発生し、探傷器の誤判定、すなわち欠陥が存在しないにもかかわらず欠陥信号と同様の信号が発生するという誤動作を引き起こす。
特に、油は、水に比較して粘性が高いため、発生した気泡が浮き上がりにくく誤動作が発生しやすい。
そして、この誤動作は、検査工程では大きな作業損失となって、実際の操業上無視できない問題になる。

本発明は、かかる事情に鑑み、直径が８ｍｍφ以下の丸棒材の超音波探傷試験において、表面エコー幅を効果的に小さく制御しつつ、横断面長さ１００μｍ以下の内部欠陥を検出するために必要な感度を確保し、さらには気泡起因の誤動作を防止することができる超音波探傷方法と、該探傷方法に用いて好適な超音波探傷装置を共に提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．直径：８ｍｍφ以下の丸棒材の超音波探傷方法であって、
上記丸棒材の長軸方向に対して送信探触子と受信探触子とを対向配置し、該送信探触子を傾斜して、入射超音波を斜入射し、該送信探触子および受信探触子と該丸棒材との角度および／または位置を調整して、該丸棒材の欠陥部からの反射エコーを検出することを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。

２．前記１に記載の超音波探傷方法において、
丸棒材の長軸に垂直方向の粒度番号が８超の場合には、
送信探触子の設置角に依らず、
送信探触子と受信探触子のピーク周波数を９ＭＨｚ以上とし、
丸棒材の長軸に垂直方向の粒度番号が８以下の場合には、
超音波探傷の音響結合に使用する媒質の音速をＣ（ｍ／秒）、丸棒材の縦波音速をＣ_Ｌ（ｍ／秒）、丸棒材の横波音速をＣ_Ｓ（ｍ／秒）とするとき、
θ_Ｌ＝ｓｉｎ^−１（Ｃ／Ｃ_Ｌ）
で決まる縦波臨界角θ_Ｌ（度）と、
θ_Ｓ＝ｓｉｎ^−１（Ｃ／Ｃ_Ｓ）
で決まる横波臨界角θ_Ｓ（度）とを用いて、
受信探触子設置場所に向かい、丸棒材の長軸方向に対する送信探触子の設置角（Ａ）が、９０＋θ_Ｌ度未満の場合には、
送信探触子と受信探触子のピーク周波数を１３ＭＨｚ以下とし、
受信探触子設置場所に向かい、丸棒材の長軸方向に対する送信探触子の設置角（Ａ）が、９０＋θ_Ｌ度超９０＋θ_Ｓ度未満の場合には、
送信探触子と受信探触子のピーク周波数を１１ＭＨｚ以下とすることを
特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。

３．前記１または２に記載の超音波探傷方法において、送信探触子は、焦点距離：１９ｍｍ以下の集束型探触子を使用するものとし、さらに該送信探触子の水距離（丸棒材表面と送信探触子送信面中心との距離）を、該送信探触子の焦点距離の１．３倍以下とすることを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。

４．前記１ないし３のいずれかに記載の超音波探傷方法において、
送信探触子と受信探触子の間に遮蔽板を設置することを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。

５．前記１ないし４のいずれかに記載の丸棒材の超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置であって、
丸棒材位置と、送信探触子および受信探触子の位置とを相対的に移動させる機構と、該送信探触子と該受信探触子とは対向配置して備え、該送信探触子および該受信探触子は、それぞれ角度調節機能および位置調節機能を有していることを特徴とする超音波探傷装置。

６．前記５に記載の超音波探傷装置において、
前記送信探触子と前記受信探触子とを丸棒材の周方向に固定配置することを特徴とする超音波探傷装置。

７．前記５に記載の超音波探傷装置において、
前記送信探触子と前記受信探触子とを丸棒材の周方向に回転させる機能を有することを特徴とする超音波探傷装置。

８．前記５ないし７のいずれかに記載の超音波探傷装置において、
送信探触子と受信探触子の間に遮蔽板を備えることを特徴とする超音波探傷装置。

本発明の探傷方法および探傷装置によれば、表面エコー幅を効果的に小さく制御しつつ、横断面長さ１００μｍ以下の内部欠陥を検出するために必要な感度を確保することができるので、直径が８ｍｍφ以下の丸棒材の超音波探傷を精度良く行うことができる。
さらに本発明の探傷方法および探傷装置によれば、水中、油中に発生する気泡起因のエコーによる誤動作を防止する効果を有する。

垂直法における探触子および被検査材の配置を示す図である。 垂直法を用い、細径材（４．３ｍｍφ）での基本表示を示す図である。 本発明に用いる超音波探傷装置の基本構成の一例を示す図である。 丸棒材径：細径材（４．３ｍｍφ）での基本表示を示す図である。 中心部の０．５ｍｍφ横穴、探触子と反対側の裏面部の０．５ｍｍφ横穴（横穴の中心−被検査材裏面間距離：０．３５ｍｍ）について、探査した結果を示す図である。 送信探触子と受信探触子とを設置した例を示す図である。 発明例１等に用いた、送信・受信探触子１対と、被検査材（丸棒材）の配置を示す図である。 発明例１の０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示を示す図である。 発明例１の健全部の基本表示を示す図である。 発明例２の０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示を示す図である。 発明例２の健全部の基本表示を示す図である。 発明例３の０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示を示す図である。 発明例３の健全部の基本表示を示す図である。 発明例４の０．５ｍｍφ中心部横穴（長さ７０ｍｍ）の基本表示を示す図である。 発明例４の健全部の基本表示を示す図である。 発明例５の０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示を示す図である。 発明例５の健全部の基本表示を示す図である。 発明例６に用いた、送信・受信探触子１対と、被検査材（丸棒材）の配置を示す図である。 遮蔽板を設置したときの、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示を示す図である。 同じく遮蔽板を設置したときの健全部の基本表示を示す図である。 図１９と、送信・受信探触子が上記と同一種類、同一配置で、それぞれ、遮蔽板を設置しないときの、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示を示す図である。 図２０と、送信・受信探触子が上記と同一種類、同一配置で、それぞれ、遮蔽板を設置しないときの、健全部の基本表示を示す図である。 被検査材横断面上の長さ５０μｍの介在物を示す写真である。 図２３の欠陥部の基本表示を示す図である。 発明例７で示した非金属介在物を、１探触子で垂直探傷法を用い探傷した探傷波形を示す図である。

以下、本発明を図３に基づき具体的に説明する。
本発明では、図３に示したように、丸棒材長軸を含む同一面上に、送信探触子と受信探触子（以下、送信・受信探触子ともいう）とを対向配置して２探触子法により欠陥を検出する。
そして、さらに反射法を使用し、送信探触子から送られる送信超音波によって生じる欠陥部からの反射エコーを受信探触子で受信する。

また、本発明では、図３に示したように、送信・受信探触子を用いた２探触子法により送信探触子を被検査材長軸に対する垂直方向（図中のＺ方向）から傾斜させる。
図３に示したように、送信探触子を傾斜して、入射超音波を斜入射することで、受信探触子で検出する表面エコー幅を、従来の垂直法に比較して大きく減少させることが可能となる。

そして、表面エコー幅を小さく制御することで、探傷領域として、被検査材横断面の中心部分を漏れなく確保することができ、かつ感度を垂直法に比べて高く設定することができるため、より微小な欠陥を検出することが可能となる。

ここで、丸棒材の超音波探傷において上述した探傷方法、すなわち、送信探触子と受信探触子を被検査材長軸方向（図３中のＸ方向）において対抗配置すること、さらには、反射法による反射エコーにより欠陥を検出することは、従来、検討、実施されていない。

本発明は、上述したような、送信・受信探触子の配置や、方法を採用することにより、丸棒材、特に細径材の微小欠陥検出において大きな効果を発現する。
本発明は、８ｍｍφ以下の丸棒材において、垂直法に比較し検出能力を大幅に向上させ、さらに、従来超音波探傷は困難として実施されていなかったおおよそ６ｍｍφよりも細径の領域においても超音波探傷を可能にする技術である。

なお、送信・受信探触子は、丸棒材長軸を含む同一面上に、対向配置することが好ましいが、各探触子のビーム幅の範囲であれば、同一面上から外して設置すること、あるいは両者の対抗角度をさらに斜に設置することも可能である。

本発明を適用する場合の丸棒材径は、８ｍｍφ以下とする。理由は前述したとおり、垂直法に比較して検出能力が大幅に向上する材径だからである。

さらに、本発明では、透過法ではなく、欠陥部からの反射エコーを検出する反射法を使用することで、微小な欠陥を検出可能としている。
透過法では、受信探触子で検出する健全部での透過波を基準とし、欠陥部における透過波の当該基準からの減少量によって欠陥を評価するのに対し、反射法では、欠陥部からの反射エコー強度により欠陥を評価するため、反射法の方が透過法に比べて高感度な評価が可能だからである。

一般に、結晶粒径が大きくなると結晶粒による超音波の散乱が増加して欠陥信号以外の雑音性信号が現れたり、あるいは超音波の減衰が顕著に現れたりする場合もある。
そこで、本発明では、結晶粒径の指標として用いられる粒度番号という量を用いる。
この粒度番号は、試験片断面の１ｍｍ^２当たりの平均結晶粒数：ｍを用いて次の式で計算されるＧの値として定義される。
ｍ＝８×２^Ｇ

散乱や、減衰に影響を及ぼす粒径の大きさは、超音波の波長と関係すると考えられており、粒径が波長に比べて十分に小さければ、散乱や、減衰の影響は無視できる。
一方、検出できる欠陥の大きさも、超音波の波長と関係し、波長が小さければ検出可能な欠陥も小さくなると考えられている。
従って、微小な欠陥まで検出するためには波長を短くすることが有効であるが、散乱や、減衰の影響が出てくる。
実際の探傷条件の設定においては、散乱・減衰の影響をそれほど受けずに微小欠陥まで検出できる適当な波長を選択することになる。

本発明の１つの要点である斜入射では、縦波臨界角θ_Ｌ、横波臨界角θ_Ｓなる角度が後述するとおりに定義でき、被検査材中の屈折波の縦波、横波の存在と関係づけられる。
これらの臨界角は、通常平面境界面に入射する場合を仮定しているが、丸棒表面において丸棒体長軸方向に入射する場合も同様に定義すると、
超音波探傷の音響結合に使用する媒質の音速をＣ（ｍ／秒）、丸棒材の縦波音速をＣ_Ｌ（ｍ／秒）、丸棒材の横波音速をＣ_Ｓ（ｍ／秒）とするとき、
θ_Ｌ＝ｓｉｎ^−１（Ｃ／Ｃ_Ｌ）
で決まる縦波臨界角θ_Ｌ（度）を用いて、
受信探触子設置場所に向かい、丸棒材の長軸方向に対する送信探触子の設置角：Ａが、９０＋θ_Ｌ度未満であるときには、丸棒材中の屈折波には縦波と横波がともに存在する。なお、上記設置角：Ａは、図３に示している。

さらに
θ_Ｓ＝ｓｉｎ^−１（Ｃ／Ｃ_Ｓ）
で決まる横波臨界角θ_Ｓ（度）を用いて、
上記設置角：Ａが、９０＋θ_Ｌ度超９０＋θ_Ｓ度未満であるときには、丸棒材中の屈折波は横波のみとなる。

次に超音波の波長について説明する。
超音波の波長は、
波長（ｍ）＝音速（ｍ／秒）／周波数（Ｈｚ）
で決まる。
ここで、横波の音速（鋼材では３２３０ｍ／秒）は縦波音速（鋼材では５９００ｍ／秒）の約半分なので、同一周波数で比較すると横波の波長は縦波の約半分になる。

本発明では、丸棒材の粒度番号が８を境にして探傷周波数を使い分けることが好ましい。
すなわち、粒度番号が８超の結晶粒が細かい丸棒材に対しては、送信探触子の設置角度に依らず、送信探触子、受信探触子のピーク周波数を９ＭＨｚ以上とすることが好ましい。

前述したように、上記設置角：Ａが９０＋θ_Ｌ度未満（設置角度Ｉ）の場合、丸棒材中の屈折波には縦波と横波がともに存在するものの、本発明では縦波で探傷する。これは、縦波の方が高効率で探傷可能であるからである。なお、本発明で、効率が高いという意味は音圧往復透過率を大きくできるという意味である。
一方、上記設置角：Ａが、９０＋θ_Ｌ度超９０＋θ_Ｓ度未満（設置角度ＩＩ）であるときには、丸棒材中の屈折波は横波のみとなる。

粒度番号が８超の結晶粒が細かい丸棒材では、散乱・減衰の影響が少ないので設置角度Ｉでの縦波、設置角度ＩＩでの横波ともに、ピーク周波数は９ＭＨｚ以上の周波数を選択で
きる。なお、上記ピーク周波数の上限に特に制限はないが、工業的に縦波では１４ＭＨｚ程度、横波では１３ＭＨｚ程度である。

ここで、この粒度番号が８超の場合における、縦波、横波の選択方法について補足する。
設置角度Ｉの領域で縦波を使用すると、設置角度ＩＩの領域に比べて、入射角や、屈折角が小さくなるので送信−受信探触子間距離を小さくすることができる、すなわち探傷装置長さを短くできる効果がある。
また、設置角度ＩＩの領域で横波を使用する場合は、設置角度Ｉの縦波より高効率で探傷可能である。
従って、それぞれの場合に応じてより適切な角度、波（縦波、横波）を選択することができる。

一方、丸棒材の粒度番号が８以下で、上記設置角：Ａが、９０＋θ_Ｌ度未満（設置角度Ｉ）では、送信探触子、受信探触子のピーク周波数をいずれも１３ＭＨｚ以下とする。
そして、設置角度Ｉでは、屈折波として、縦波、横波がともに存在するが、縦波で探傷する。縦波の方が高効率で探傷可能であるからである。

上記設置角：Ａが、９０＋θ_Ｌ度超で９０＋θ_Ｓ度未満（設置角度ＩＩ）の場合には、送信探触子、受信探触子のピーク周波数を１１ＭＨｚ以下とする。
そして、設置角度ＩＩでは屈折波として、横波のみが存在するので、横波で探傷する。粒度番号が８以下である時は、８超である場合に比較して結晶粒は大きく、散乱・減衰の影響が信号に表れやすいが、上記の周波数を上限として散乱・減衰の影響を抑えつつ探傷可能となるからである。
なお、上記ピーク周波数の下限に特に制限はないが、探傷効果が得られるのは、設置角度Ｉでは４ＭＨｚ程度まで、設置角度ＩＩでは２ＭＨｚ程度までである。

このような結晶粒度に応じた、探傷周波数や超音波の波長の選択により、エコーの散乱・減衰を回避しつつ、微小欠陥まで検出することが可能となる。

さらに、従来の垂直法と本発明による超音波探傷方法を比較すると、垂直法では、粒度番号：８超の鋼を探傷する場合、７ＭＨｚ程度が適当で、１０ＭＨｚ程度も可能である。しかし、垂直法では、被検査材中の屈折波は縦波で、１０ＭＨｚでの鋼中の波長は０．５９ｍｍである。一方、本発明を適用した場合、同じく粒度番号：８超の鋼では、被検査材中の屈折波として１０ＭＨｚの横波を使用すれば、この波長は０．３２ｍｍである。

ここで、一般的に検出可能な欠陥の大きさは、波長の１／１０程度と考えられている。よって、本発明を適用すると、上記説明のように、垂直法よりも短波長での探傷ができるため、微小欠陥の検出が可能となる。

一方、粒度番号：８以下の鋼の場合、垂直法では、１０ＭＨｚでの探傷が可能であるが、前述したように１０ＭＨｚの縦波の波長は０．５９ｍｍである。
本発明により、横波で探傷する場合には、横波の１１ＭＨｚ以下を用いるが、１１ＭＨｚの横波の波長は０．２９ｍｍである。
この場合も本発明を適用することで、垂直法より短波長での探傷が可能になる。
すなわち、本発明に用いる波長と垂直法に用いる波長とを比較すると上述のとおりであるが、この波長の相違に加え、本発明では前述したように斜入射を適用することにより表面エコーを低減し、ひいては感度を垂直法に比較して上げることが可能になる結果、より微小な欠陥まで検出可能になる。

さらに、マルテンサイト系の鋼の結晶粒について説明する。
一般的には焼き入れ、焼戻し工程（あるいは焼きなまし工程）を経た段階ではフェライト地に炭化物が分散した組織となる。
この組織のフェライト粒の大きさは顕微鏡で確認できないが、十分小さい（粒度番号：１０以上）と考えられ、超音波の散乱・減衰は少ない。

次に、ピーク周波数について説明する。
ピーク周波数はＪＩＳ Ｚ ２３５０：２００２「超音波探触子の性能測定方法」に定義されており、周波数スペクトルの最大振幅点の周波数である。

さらに、本発明における探傷屈折角の選択方法について説明する。
鋼材（縦波音速：５９００ｍ／秒、横波音速：３２３０ｍ／秒）で、音響結合媒質としてマシン油（縦波音速：１４００ｍ／秒）を使用した場合、縦波臨界角は１３．７度、横波臨界角は２５．７度である。
すなわち、入射角（丸棒材長軸方向に対する、探触子側への垂線を基準としたときの入射波の角度）が縦波臨界角を超え横波臨界角未満の範囲で、屈折角（丸棒材長軸方向に対する、探触子と反対側への垂線を基準としたときの屈折波の角度）を４０度から７０度あたりまで変化させることができる。

前述したように、このときの屈折波は横波である。
屈折角を４５度あたりに設定するとビーム路程を短くすることが可能で散乱・減衰の影響を受けにくくなる。
さらに本発明ではこの屈折角を選択することにより、音圧往復透過率（ＪＩＳ Ｚ ２３００：２００３）をほぼ最大にすること、すなわち探傷効率を垂直法よりも大きくすることが可能になる。

一方、屈折角を７０度あたりに設定するとビーム路程は長くなり散乱・減衰を受けやすくなるが、ビーム路程が長くなることにより底面エコーと底面近傍の表層下欠陥のビーム路程差を長くとることができる。このことにより底面側の表層下欠陥を検出しやすくなる。
さらに、入射角を縦波臨界角以下に設定することによって屈折波として縦波を用いることで、横波より波長を長くし減衰を抑えながら探傷することも可能になる。
さらに、縦波臨界角未満（設置角度Ｉの領域）で縦波を使用すると設置角度ＩＩの領域に比べ入射角、屈折角が小さくなるので送信−受信探触子間距離を小さくできる、すなわち探傷装置長さを短くできる利点がある。

この入射角を縦波臨界角以下に設定する場合は前述したとおり、屈折波には縦波、横波がともに存在する。一つの欠陥に対して縦波の欠陥エコー、横波の欠陥エコーが発生し欠陥エコーの判断が難しくなるが、縦波、横波で屈折角が異なるために受信探触子位置を調節することで縦波を選択的に受信することが可能である。
なお、このように丸棒材探傷において屈折角を選択することで散乱・減衰の影響を制御したり表皮下欠陥の検出能を向上したりすることは従来実現できていなかったもので、本発明により初めて実現可能となった。

次に本発明の別の効果、気泡起因エコーを回避する効果について述べる。
気泡起因の誤動作については前述したとおりである。
垂直法では気泡が存在すると気泡に対しほぼ垂直に入射波が入り、ほぼ垂直に反射するため大きな反射エコーが検出される。

これに対して、本発明を適用した場合、気泡に対し斜めに超音波が入射してこの反射エコーはほぼ入射方向に反射する。
このような反射エコーの方向の性質は気泡の形状が球状であることによる。
このため本発明を適用すると受信探触子に戻る気泡起因のエコーは皆無となる。
以下の実施例にも示したように、実際の自動超音波探傷ラインでの操業でも気泡起因のエコーによる誤動作は発生しないことを確認しており、本発明のもう一つの大きな効果である。

さらに補足すると、通常の垂直法ではこの気泡起因の誤動作をある程度防止するため不良品レベルの欠陥信号を複数回連続して検出した場合に限り不良品と判定する信号処理を使用する。

これに対して、本発明を適用すると気泡起因の誤動作がないので、上記した信号処理を使用せずに、不良品レベルの欠陥信号を１回以上検出しただけで、すべて不良品と判定することが可能であり、検査効率、すなわち、検査時間の短縮のみならず検査精度が極めて向上する。

また、垂直法では、上記信号処理により検査材長軸方向に５−１０ｍｍ程度以上の長さを有する欠陥のみ検出することになるが、本発明を適用すると一般的な探傷器を使用した場合でも１ｍｍ以下の長さの欠陥の検出が可能である。

さらに、本発明では、送信探触子として集束型探触子を使用することで超音波ビームを絞って被検査材中に入射させることが可能となる。
集束型探触子には、一般的には線集束型及び点集束型があるが、さらに特殊な集束ビーム形状を形成することも、本発明では適用可能である。
線集束型の場合は、探触子の凹部中心軸（非集束方向）が丸棒材長軸と一致するように配置するかあるいは長軸方向に対し垂直方向に配置するかは検出すべき欠陥により選択できる。一方、点収束型は丸棒材長軸方向に長さの短い欠陥を検出する場合に有効である。

本発明では、送信探触子の焦点距離は１９ｍｍ以下とすることが好ましい。ここで焦点距離は音響結合媒質として使用する媒質中での値である。送信探触子の焦点距離が１９ｍｍより大きくなると、丸棒材長軸方向のビーム幅が長くなって、表面エコーと、欠陥エコーの分離が悪くなり探傷が困難になるからである。
なお、音響結合媒質中での探触子の焦点距離は、ＪＩＳ Ｚ ２３５０：２００２に記載の方法により測定可能である。

本発明では、水距離を、接触媒質中における焦点距離の１．３倍以下とすることで、表面エコーや、欠陥エコーを、より高精度に制御することが可能となる。
すなわち、表面エコーを抑えて欠陥エコーを大きくとることが可能となる。
なお、本明細書では音響結合媒質として水以外の油などを使用する場合にも丸棒材表面と送信探触子中心との距離を表す語として水距離という語を使用している。
さらに補足すると、水距離は丸棒材表面と送信探触子の送信面中心部との超音波ビームに沿った距離であって探触子から丸棒表面への垂線に沿った距離ではない。

丸棒材径：４．３ｍｍφでの基本表示を、図４に示す。
また、図５には、中心部の０．５ｍｍφ横穴、探触子と反対側の裏面部の０．５ｍｍφ横穴（横穴の中心−被検査材裏面間距離：０．３５ｍｍ）について、探査した結果を示した。

垂直法では、丸棒材径が６．０ｍｍφ以上で、０．５ｍｍφ横穴についての信号強度対雑音比３以上でエコー高さ８０％の検査条件が可能であるが、４．３ｍｍφでは、表面エコー幅の制限から０．５ｍｍφ横穴のエコー高さを４０％程度に下げざるを得ない。

マシン油での焦点距離は１１ｍｍであるから、水距離は１４ｍｍ（＝１１ｍｍ×１．３）となり、欠陥エコー高さがほぼ垂直法での値と同等になっている。
したがって、水距離を焦点距離の１．３倍以下とすることで、本発明は、通常の垂直法よりも中心部・裏面部の欠陥エコーを大きく検出することが可能であることが分かる。

また、水距離を適当な値にすることで、中心部欠陥や、裏面部欠陥を同等の検出レベルで検査することも、あるいは、裏面部すなわち表面直下の欠陥をより高感度で検査することも可能となる。

本発明では、表面エコーを低減し、欠陥エコーを大きく取るために、受信探触子側の条件を規定することが好ましい。
送信探触子についての前述の規定のように、受信探触子についても、線集束探触子あるいは点集束探触子を使用する場合には、受信探触子の焦点距離を１９ｍｍ以下として、水距離は焦点距離の１．３倍以下にすることが有効である。

受信探触子の設置位置について述べる。
送信探触子に比べ受信探触子は欠陥エコー強度、表面エコー強度に与える影響は小さく、欠陥を評価できればその設置位置に限定はないが、集束型探触子を使用する場合の焦点距離は送信探触子と同値で良い。

また、水距離、設置角度のいずれも送信探触子と同値にすることが可能である。
送信探触子−受信探触子間距離：Ｌの適当な値の目安は、丸棒材長軸に垂直方向の断面での中心部欠陥による反射エコーを受信できる位置での送信探触子−受信探触子間距離：Ｌ１、底面による反射エコーを受信できる位置での送信探触子−受信探触子間距離：Ｌ２を用いて、Ｌ１からＬ２の範囲である。

具体的に図６に基づき説明すると、
丸棒材径をＤ（ｍｍφ）、送信探触子の水距離（丸棒材表面と送信探触子送信面中心との距離）をＷｄｔ（ｍｍ）、受信探触子の水距離（丸棒材表面と受信探触子受信面中心との距離）をＷｄｒ（ｍｍ）、送信探触子の設置角を９０＋θ_ｔ（設置角：Ａと同義）、受信探触子の設置角を９０＋θ_ｒとすると、送信探触子と受信探触子との距離：Ｌは、以下のＬ１（ｍｍ）からＬ２（ｍｍ）の範囲にすることが目安となる。
但し、
Ｌ１＝ Ｄ ＋ Ｗｄｔ×ｓｉｎθ_ｔ ＋ Ｗｄｒ×ｓｉｎθ_ｒ
Ｌ２＝ ５．５×Ｄ ＋ Ｗｄｔ×ｓｉｎθ_ｔ ＋ Ｗｄｒ×ｓｉｎθ_ｒ
である。

使用する探触子について説明する。
本発明には従来方式の探触子だけではなく、送信探触子、受信探触子にフェーズドアレー探触子（位相制御配列探触子）を用いてビームの角度及び集束範囲を電子的に制御することにより、被検査材中の欠陥位置に応じて検出能を独立に設計し、検出能の向上を図ることが可能になる。

より詳細に説明すると、例えば、表皮下介在物の検出能を上げるために、従来型探触子を使用する場合は、送信・受信探触子間距離を最適化することで、本発明の効果を得ることができるが、フェーズドアレー探触子を適用する場合には、表皮下近傍に焦点が一致するようなビームを形成し、このビームが丸棒材表面側を走査するように制御すれば良い。

また、本発明は、前述した送信・受信探触子間に、送信ビームを遮蔽するための遮蔽板を設置することで、表面エコーを効果的に低減することができる。
遮蔽板の位置は、所望の遮蔽効果、低減効果が得られるように、適宜決めることが可能である。

一般的には、送信・受信探触子間中間位置に、丸棒材の長軸に対して垂直に設置し、遮蔽板と丸棒材との距離は、表面エコー強度・幅、欠陥エコーの強度から判断して設定することができる。
表面エコー強度・幅が大きくなって探傷領域の確保が難しい場合、あるいは中心部欠陥のエコー高さに比較して裏面部欠陥のエコー高さが小さい場合には、遮蔽板を丸棒材に近接させることで適正化することができる。
一方、表面エコーが小さく抑えられすぎている場合、あるいは中心部欠陥のエコー高さに比較して裏面部欠陥のエコー高さが大きい場合には、遮蔽板を丸棒材から離すことで適正化することができる。

また、本発明に用いる遮蔽板は、送信超音波を音響的に遮蔽するための材質として吸音性能が高い樹脂材あるいはゴム材からなるものが好適である。
例えば、ゴム材を使用する場合は、ゴム材を支持枠に保持しやすい数ｍｍ厚程度の厚みを持ったものが良い。

丸棒材に近接する側の遮蔽板には支持枠は設けずに、残りの３辺を金属性の支持枠に固定して移動、保持できる構造が良い。
樹脂材を使用する場合には特に支持枠は設けなくても設置可能である。
また、丸棒材長軸方向に対し垂直方向の遮蔽板の幅は、送信超音波のビーム幅を考慮して、送信探触子の振動子径の２倍以上あれば良い。

本発明に従う超音波探傷を、実際の自動超音波探傷装置で実施する場合、最適な検査条件で検査するためには丸棒材径に応じて探触子位置を調整することが望ましいが、検査工程でのこの調整作業は負荷が大きい。
そこで、上記したような遮蔽板を用いると、探触子位置を固定したまま、遮蔽板の位置調整を行うだけで、最適な探傷状態を実現することが可能となるため、作業負荷軽減の効果が得られる。

次に、丸棒材と探触子の移動機構について述べる。
被検査材の全長、全断面にわたり探傷するためには被検査材と探触子が相対的に移動する機構、装置が必要である。
丸棒鋼材の自動探傷では鋼材の長軸方向移動が一般的であるが、比較的長さの短い丸棒体部品の自動探傷では部品の回転移動も容易に可能である。

一般的には、丸棒材と探触子はどちらか一方あるいは両者を長軸方向移動、周方向移動（回転）、あるいはこれらの移動を組み合わせた螺旋移動させる機構や、装置によって探傷することが可能で、この移動方式（どちらをどのように移動させるか）は主に被検査材の径、長さにより適当な方法を選択できる。

本発明に従う超音波探傷装置について述べると、前記した送信・受信探触子の対を丸棒材の周方向に固定配置するか、あるいは丸棒材の周方向に回転させることができる。

上記どちらの方式でも、丸棒材横断面の中心部欠陥のみならず、表面近傍に存在する内部欠陥でも全断面に亘って漏れなく検出することができる。
丸棒材の丸棒材長軸方向への移動機構を有し、丸棒材の回転機構を有していない場合であって、送信・受信探触子対が周方向に固定配置されている場合では、送信・受信探触子１対の探傷可能範囲に応じて、設置する探触子の対数を決定することが好ましい。

丸棒材の丸棒材長軸方向への移動機構を有し、丸棒材の回転機構を有していない場合で探触子の回転機構を有する場合には、周方向の必要な探傷間隔に応じて送信・受信探触子対の周方向回転数を決定することが可能である。

また、本発明における、送信探触子と受信探触子とは角度及び位置調節機能を有している。
まず、角度調節機構について説明する。
本発明では、丸棒材の長軸方向を基準にして所望の角度だけ探触子を傾斜させるため角度調節機構を採用することができる。

第１の方式は、回転板を使用して探触子を回転可能にする方式である。
具体的には、各探触子単体を支持する部品Ｉと探触子群全体を保持する部品ＩＩを有し、部品Ｉは回転板、部品ＩＩは部品Ｉの回転板を支持する機構を有し、この回転機構により部品ＩＩに対し部品Ｉの角度が相対的に変化するというものである。

第２の方式は、探触子あるいは探触子を保持する部品が探触子群全体を保持する部品に対し所望の角度だけ傾斜して設置できるように接続する、すなわち探触子群全体を保持する部品には、あらかじめ所望の角度で探触子を設置可能なように接続部を加工する方式で、角度を調節するためには別角度で加工した部品を別に用意する。
この方式は複数の部品を加工、準備する必要はあるが、前記の回転板方式に比べ設置機構自体は単純で部品全体の大きさも小さく作製することが可能である。また探触子の傾斜角度については、別の機構、例えば前記の方式による角度可変な機構で調査しておけばよい。

次に位置調整機構について述べる。
水距離の調整は、探触子群を固定する部品に対し、探触子自体をあるいは探触子を保持する部品を探触子送受信面に垂直に移動させて固定することで容易に実現可能である。
送信探触子、受信探触子間距離の調整は探触子群全体を保持する部品を送信探触子側と受信探触子側に２分割してこの両部品間距離を変化させることで実現できる。
より具体的には、いくつかの厚さのスペーサを用意し、このスペーサを交換することで可能になる。あるいは、両部品の間に空隙を設けておき、この空隙の厚さを調整することでも可能である。

〔発明例１〕
本発明例に用いた、送信・受信探触子１対と、被検査材（丸棒材）の配置を図７に示す。
被検査材は、マルテンサイト系耐熱鋼で、結晶粒度は１０以上である。
被検査材径は、４．３ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：１０ＭＨｚ（ピーク周波数：１０．３ＭＨｚ）の非集束型探触子で、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間距離は、１４．５ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに、９０＋１９度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに９．５ｍｍである。

図８は、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示である。
図９は、健全部の基本表示である。
本発明に従う探傷方法では、欠陥エコーが明瞭に確認でき、信号強度対雑音強度は６．５であった。なお、本発明例での被検査材中の屈折波は横波である。

〔発明例２〕
本発明例では、送信・受信探触子１対、被検査材の配置および被検査材を、発明例１と同じにした。
被検査材径は、６．４ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：１０ＭＨｚ（ピーク周波数：１０．５ＭＨｚ）の線集束型探触子で、焦点距離（上記マシン油での値）は１１ｍｍ、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間距離は、１０ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに９０＋１５度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに３．５ｍｍである。

図１０は、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示である。
図１１は、健全部の基本表示である。
本発明に従う探傷方法では、信号強度対雑音強度は８であった。なお、本発明例での被検査材中の屈折波は横波である。

〔発明例３〕
本発明例では、送信・受信探触子１対、被検査材の配置および被検査材を、発明例１と同じにした。
被検査材径は４．３ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：１０ＭＨｚ（ピーク周波数：１０．３ＭＨｚ）の非集束型探触子で、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間距離は、４５ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに９０＋２５度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに４ｍｍである。

図１２は、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示である。
図１３は、健全部の基本表示である。
本発明例では、信号強度対雑音強度比は３．４である。
なお、本発明例での被検査材中の屈折波は横波である。

〔発明例４〕
本発明例では、送信・受信探触子１対、被検査材の配置および被検査材を、発明例１と同じにした。
被検査材径は、６．４ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：１０ＭＨｚ（ピーク周波数：１０．５ＭＨｚ）の線集束型探触子で、焦点距離（上記マシン油での値）は１１ｍｍ、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間距離は１０ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに、９０＋９度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに３．５ｍｍである。

図１４は、０．５ｍｍφ中心部横穴（長さ７０ｍｍ）の基本表示である。
図１５は、健全部の基本表示である。
本発明例では、信号強度対雑音強度比は６である。
なお、図１４で欠陥エコーと表示した２つのエコーのうち表面エコーに近いエコーは縦波、遠い方は横波である。

〔発明例５〕
本発明例では、送信・受信探触子１対、被検査材の配置を、発明例１と同じにした。
被検査材は、フェライト組織の電磁ステンレス鋼で、結晶粒度は７である。
被検査材径は、８．０ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：５ＭＨｚの線集束型探触子（ピーク周波数５．１ＭＨｚ）で、焦点距離（上記マシン油での値は）１１ｍｍ、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間距離は、１９．２５ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに９０＋１９度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに５ｍｍである。

図１６は、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示である。
図１７は、健全部の基本表示である。
本発明例では、欠陥エコーが明瞭に確認でき、信号強度対雑音強度は８である。なお、本発明例での被検査材中の屈折波は横波である。

〔発明例６〕
本発明例に用いた、送信・受信探触子１対と、被検査材（丸棒材）の配置を図１８に示す。
被検査材は、マルテンサイト系耐熱鋼で、結晶粒度は１０以上である。
被検査材径は、３．８ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：１０ＭＨｚ（ピーク周波数：１０．５ＭＨｚ）の線集束型探触子で、焦点距離（上記マシン油での値）は１１ｍｍ、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間距離は７．７ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに、９０＋１９度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに８．５ｍｍである。

図１９は、遮蔽板を設置したときの、０．５ｍｍφ中心部横穴の基本表示である。
図２０は、同じく遮蔽板を設置したときの健全部の基本表示である。
図１９、図２０は、ともに、遮蔽板の厚さ：１．０ｍｍで、送信・受信探触子間の中央位置に、被検査材との間隔を０．２ｍｍとして設置した。
図２１、図２２は、送信・受信探触子が上記と同一種類、同一配置で、それぞれ、遮蔽板を設置しないときの、０．５ｍｍφ中心部横穴、健全部の基本表示である。
遮蔽板を設置しない場合にも欠陥エコーは十分に検出されるが、信号強度対雑音強度比は１．８に留まっている。これに対して、遮蔽板を設置した場合には、上記したように、信号強度対雑音強度比が３．１と大きく向上し、表面エコーも大幅に低減されていることが分かる。なお、本発明例での被検査材中の屈折波は横波である。

〔発明例７〕
本発明例では、送信・受信探触子１対、被検査材の配置を、発明例１と同じにし、さらに、この１対の送信・受信探触子と同等の探触子対を、被検査材の周方向に４５度ごとに計８対固定配置した。
被検査材は、無回転とし、被検査材長軸方向に直進させて探傷を行なった。
被検査材は、マルテンサイト系耐熱鋼で、結晶粒度は１０以上である。
被検査材径は、６．０５ｍｍφである。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
送信探触子、受信探触子ともに、公称周波数：１０ＭＨｚの線集束型探触子（ピーク周波数１０．５ＭＨｚ）、焦点距離（上記マシン油での値）は１１ｍｍ、振動子径は６．０ｍｍφである。
送信・受信探触子間の距離は、１５．８ｍｍとした。
探触子設置角度は、被検査材長軸を基準にして、送信・受信探触子ともに、９０＋１８度とした。
水距離は、送信・受信探触子ともに７．２ｍｍである。

上記探傷条件に従い、被検査材横断面上の長さ５０μｍの介在物を検出した（図２３）。
また、この欠陥部の基本表示を図２４に示す。
本発明例では、欠陥エコーが明瞭に確認でき、信号強度対雑音強度は９．５である。なお、本発明例での被検査材中の屈折波は横波である。

〔従来例〕
発明例７で示した非金属介在物を、１探触子で垂直法を用い探傷した探傷波形を図２５に示す。
音響結合媒質は、マシン油（音速：１４００ｍ／秒）を使用した。
探触子は、１０ＭＨｚの点集束型探触子で、焦点距離：１８ｍｍ（上記マシン油での値）、振動子径：６ｍｍφである。
探触子の水距離は、１６ｍｍである。

本従来例の欠陥によるエコー高さは、２０％程度となり、発明例７でのエコー高さ８０％に比べて低い。なお、信号強度対雑音強度は２である。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．直径：８ｍｍφ以下の丸棒材の超音波探傷方法であって、
上記丸棒材の長軸方向に対して送信探触子と受信探触子とを対向配置し、該送信探触子を傾斜して、入射超音波を斜入射し、該送信探触子および該受信探触子と該丸棒材との角度および／または位置を調整して、該丸棒材の表面エコーと底面エコーおよび該丸棒材の欠陥部からの反射エコーを検出することを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。

ここで、丸棒材の超音波探傷において上述した探傷方法、すなわち、送信探触子と受信探触子を被検査材長軸方向（図３中のＸ方向）において対向配置すること、さらには、反射法による反射エコーにより欠陥を検出することは、従来、検討、実施されていない。

なお、送信・受信探触子は、丸棒材長軸を含む同一面上に、対向配置することが好ましいが、各探触子のビーム幅の範囲であれば、同一面上から外して設置すること、あるいは両者の対向角度をさらに斜に設置することも可能である。

Claims (8)

1. 直径：８ｍｍφ以下の丸棒材の超音波探傷方法であって、
   上記丸棒材の長軸方向に対して送信探触子と受信探触子とを対向配置し、該送信探触子を傾斜して、入射超音波を斜入射し、該送信探触子および該受信探触子と該丸棒材との角度および／または位置を調整して、該丸棒材の欠陥部からの反射エコーを検出することを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。
2. 請求項１に記載の超音波探傷方法において、
   丸棒材の長軸に垂直方向の粒度番号が８超の場合には、
   送信探触子の設置角に依らず、
   送信探触子と受信探触子のピーク周波数を９ＭＨｚ以上とし
   丸棒材の長軸に垂直方向の粒度番号が８以下の場合には、
   超音波探傷の音響結合に使用する媒質の音速をＣ（ｍ／秒）、丸棒材の縦波音速をＣ_Ｌ（ｍ／秒）、丸棒材の横波音速をＣ_Ｓ（ｍ／秒）とするとき、
   θ_Ｌ＝ｓｉｎ^−１（Ｃ／Ｃ_Ｌ）
   で決まる縦波臨界角θ_Ｌ（度）と、
   θ_Ｓ＝ｓｉｎ^−１（Ｃ／Ｃ_Ｓ）
   で決まる横波臨界角θ_Ｓ（度）とを用いて、
   受信探触子設置場所に向かい、丸棒材の長軸方向に対する送信探触子の設置角が、９０＋θ_Ｌ度未満の場合には、
   送信探触子と受信探触子のピーク周波数を１３ＭＨｚ以下とし
   受信探触子設置場所に向かい、丸棒材の長軸方向に対する送信探触子の設置角が、９０＋θ_Ｌ度超９０＋θ_Ｓ度未満の場合には、
   送信探触子と受信探触子のピーク周波数を１１ＭＨｚ以下とすることを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。
3. 請求項１または２に記載の超音波探傷方法において、送信探触子は、焦点距離：１９ｍｍ以下の集束型探触子を使用するものとし、さらに該送信探触子の水距離（丸棒材表面と送信探触子送信面中心との距離）を、該送信探触子の焦点距離の１．３倍以下とすることを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波探傷方法において、
   送信探触子と受信探触子の間に遮蔽板を設置することを特徴とする丸棒材の超音波探傷方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の丸棒材の超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置であって、
   丸棒材位置と、送信探触子および受信探触子の位置とを相対的に移動させる機構と、該送信探触子と該受信探触子とは対向配置して備え、該送信探触子および該受信探触子は、それぞれ角度調節機能および位置調節機能を有していることを特徴とする超音波探傷装置。
6. 請求項５に記載の超音波探傷装置において、
   前記送信探触子と前記受信探触子とを丸棒材の周方向に固定配置することを特徴とする超音波探傷装置。
7. 請求項５に記載の超音波探傷装置において、
   前記送信探触子と前記受信探触子とを丸棒材の周方向に回転させる機能を有することを特徴とする超音波探傷装置。
8. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   送信探触子と受信探触子の間に遮蔽板を備えることを特徴とする超音波探傷装置。