KR102648455B1 - 초음파 탐상 방법, 초음파 탐상 장치, 강재의 제조 설비, 강재의 제조 방법, 및 강재의 품질 관리 방법 - Google Patents
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Abstract
초음파 탐상 방법은, 초음파 탐촉자로부터 검사재에 초음파 신호를 송신하고, 검사재의 내부에서 반사된 초음파 신호를 반사 신호로서 초음파 탐촉자에 있어서 수신함으로써, 검사재의 내부를 검사하는 초음파 탐상 방법으로서, 검사재와 초음파 탐촉자의 위치를 변화시키면서, 반사 신호를 초음파 탐촉자에서 수신하는 수신 스텝과, 수신 스텝에서 수신된 반사 신호로부터, 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는 추출 스텝과, 예상 음압과, 추출 스텝에서 추출된 결함 신호의 강도로부터 얻어지는 수신 음압으로부터, 결함의 형상을 추정하는 결함 형상의 추정 스텝을 포함하고, 상기 예상 음압이, 상기 초음파 탐촉자의 초음파 지향성으로부터 예상되는, 가상 결함에 의한 결함 신호의 강도이다.
Description
본 발명은, 초음파 탐상 방법, 초음파 탐상 장치, 강재의 제조 설비, 강재의 제조 방법, 및 강재의 품질 관리 방법에 관한 것이다.
환봉체 내부의 결함은, 그 환봉체를 소재로 하는 기계 부품을 제조할 때에는 균열의 기점이 되는 경우가 있고, 제조 후에는 기계 부품의 강도나 수명을 저하시킨다. 그 때문에, 환봉체 내부를 초음파 탐상하고, 내부 결함을 평가하는 것이 종래부터 실시되고 있다. 종래의 환봉체의 초음파 탐상 장치에서는, 수직용 및 사각용 (斜角用) 의 단일 탐촉자를 환봉체에 대해 둘레 방향 및 축 방향으로 상대적으로 이동시키는 방법, 혹은 어레이 탐촉자에 의해 초음파 빔의 방향을 전환함으로써 전체 단면의 탐상을 실시하는 방법이 실시되고 있다.
단일 탐촉자 또는 어레이 탐촉자에 의한 사각 탐상에서는, 주로 강재 표층 부근의 내부 개재물이나 균열을 검출한다. 표층 부근의 균열인 경우에는, 표층으로부터 내부로 진전되고, 반사 지향성을 갖는 것 (이하,「표층 결함」이라고 한다) 이 많이 확인된다. 이와 같은 표층 결함이 검출된 경우, 결함이 절삭 가능한 범위 (예를 들어, 표층으로부터의 깊이 2 ㎜ 까지) 이면 이것을 제거하고, 결함이 절삭 가능한 범위 외인 경우에는, 제품의 격하, 또는 내질 불량품으로서 처리된다.
표층 결함이 절삭 가능 범위 내에 있는지의 여부를 판정하는 방법으로서, 예를 들어, 수직 탐상과 사각 탐상을 조합하여 판정하는 방법이 있다. 절삭 가능 범위보다 내측을 수직 탐상의 검출 게이트로서 설정함으로써, 수직 탐상에서는 검출되지 않고, 사각 탐상에서 검출된 결함은, 절삭 가능 범위 내에 존재하게 된다.
그러나, 상기 판정 방법의 대상이 되는 결함은, 기본적으로는 지향성을 갖지 않는 결함이고, 탐상 단면 내에서 원 형상의 단면을 갖는 무지향성 결함이다. 표층으로부터 진전하는 표면 균열은, 수직 탐상에서는 검출을 할 수 없기 때문에, 절삭 가능 범위 외까지 진전하고 있었다고 해도 절삭 가능 범위 내로서 판정된다. 이 경우, 표층이 절삭된 강재가 표면 균열을 가진 상태로 출하되고, 출하된 강재를 추가로 압연, 단조 가공하는 단계에서, 표층 결함을 기점으로 한 큰 균열이 발생할 가능성이 있다. 그 때문에, 탐상 데이터로부터 표층 균열의 깊이를 도출하여, 합격 여부 판정을 실시하는 탐상 방법이 필요하다.
초음파 탐촉자를 사용한 표면 결함 깊이의 도출 방법으로는, 표층 결함으로부터의 코너 반사파와 단부로부터의 회절파의 강도가 최대가 되는 초음파 탐촉자의 위치, 노정의 차이로부터 도출하는 방법이 있다. 그러나, 단부로부터의 회절파는 코너 반사파보다 강도가 상당히 작고, 출현하는 노정도 가깝기 때문에, 회절파와 반사파를 분리할 수 없을 가능성이 있다. 또, 고노이즈 환경하에서는, 충분한 S/N 이 얻어지지 않아, 회절파를 검출할 수 없을 가능성도 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 2 개의 초음파 탐촉자를 사용하여, 코너 반사파와 단부 회절파의 시간차로부터 표층 결함의 길이를 구하는 방법이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2 에는, 복수의 주파수로 탐상을 실시함으로써 결함 깊이를 구하는 방법이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 3 에는, 표층 결함과 내부 개재물을 결함 에코의 특징을 사용하여 변별하는 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 1 에서 개시된 방법에서는, 코너 반사파와 단부 회절파를 각각의 초음파 탐촉자에서 수신함으로써 변별을 가능하게 하고 있지만, 미소 결함의 경우에는, 단부 회절파가 미소하여 검출할 수 없다는 문제가 있다.
또, 특허문헌 2 에서 개시된 방법에서는, 2 개 이상의 주파수를 사용함으로써, 대략적으로 결함의 깊이를 변별하는 것은 가능하지만, 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법으로 결함 깊이를 고분해능, 광범위하게 얻기 위해서는 탐상 주파수를 늘릴 필요가 있다. 그 때문에, 탐상 시간의 증대, 또는 설비 규모가 커지는 것에 의한 고비용화, 메인터넌스 부하의 증대라는 문제가 발생한다.
또, 특허문헌 3 에서 개시된 방법에서는, 표층 결함과 내부 개재물을 결함 에코의 특징을 사용하여 변별하는 점에 대해서는 기술되어 있지만, 표층 결함의 깊이의 도출이나 합격 여부 판정 방법에 대해서는 기술되어 있지 않았다.
여기서, 통상적인 초음파 탐상에서는, 결함의 형상에 관계없이 일정한 임계값을 형성하여 합격 여부의 판정을 실시한다. 그러나, 본래, 지향성 결함과 무지향성 결함인 경우에서는, 반사율이나 지향성이 상이하기 때문에, 동일한 임계값을 사용하여 판정을 실시하는 것만으로는 유해 또는 무해를 변별할 수 없다. 또, 사각 탐상으로는, 지향성 결함으로서 결함을 검출하지만, 표면 결함의 길이를 추정할 수 없으면, 적절한 합격 여부 판정이나 표면 절삭에 의한 결함의 제거를 실시할 수 없다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 검사재 내부의 결함의 형상을 고정밀도로 추정할 수 있는 초음파 탐상 방법 및 초음파 탐상 장치를 제공하는 것에 있다. 또, 본 발명의 다른 목적은, 강재를 양호한 수율로 제조 가능한 강재의 제조 설비 및 강재의 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은, 고품질의 강재를 제공 가능한 강재의 품질 관리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 요지는 이하와 같다.
[1] 초음파 탐촉자로부터 검사재에 초음파 신호를 송신하고, 상기 검사재의 내부에서 반사된 초음파 신호를 반사 신호로서 상기 초음파 탐촉자에 있어서 수신함으로써, 상기 검사재의 내부를 검사하는 초음파 탐상 방법으로서, 상기 검사재와 상기 초음파 탐촉자의 위치를 변화시키면서, 상기 반사 신호를 상기 초음파 탐촉자에서 수신하는 수신 스텝과, 상기 수신 스텝에서 수신된 상기 반사 신호로부터, 상기 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는 추출 스텝과, 예상 음압과, 상기 추출 스텝에서 추출된 상기 결함 신호의 강도로부터 얻어지는 수신 음압으로부터, 상기 결함의 형상을 추정하는 결함 형상의 추정 스텝을 포함하고, 상기 예상 음압은, 상기 초음파 탐촉자의 초음파 지향성으로부터 예상되는, 가상 결함에 의한 결함 신호의 강도인, 초음파 탐상 방법.
[2] 상기 결함 형상의 추정 스텝은, 상기 수신 음압으로부터 상기 결함의 지향성의 유무를 판정하고, 판정한 상기 결함의 지향성의 유무에 맞춘 예상 음압과, 상기 수신 음압으로부터 결함의 형상을 추정하는, [1] 에 기재된 초음파 탐상 방법.
[3] 상기 결함 형상의 추정 스텝은, 상기 예상 음압과 상기 초음파 탐촉자에서 수신된 각 위치 관계에 있어서의 상기 수신 음압의 상관을 사용하여, 상기 결함의 형상 및 깊이를 추정하는, [1] 또는 [2] 에 기재된 초음파 탐상 방법.
[4] 초음파 탐촉자로부터 검사재에 초음파 신호를 송신하고, 상기 검사재의 내부에서 반사된 초음파 신호를 반사 신호로서 상기 초음파 탐촉자에 있어서 수신함으로써, 상기 검사재의 내부를 검사하는 초음파 탐상 장치로서, 상기 검사재와 상기 초음파 탐촉자의 위치를 변화시키면서, 상기 반사 신호를 수신하는 수신 수단과, 상기 수신 수단에서 수신된 상기 반사 신호로부터, 상기 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는 추출 수단과, 상기 초음파 탐촉자의 초음파 지향성으로부터 예상되는, 가상 결함에 의한 결함 신호의 강도인 예상 음압을 산출하는 예상 음압 산출 수단과, 상기 예상 음압과, 상기 추출 수단에서 추출된 상기 결함 신호의 강도로부터 얻어지는 수신 음압으로부터, 상기 결함의 형상을 추정하는 결함 형상의 추정 수단을 구비하는 초음파 탐상 장치.
[5] 강재를 제조하는 제조 설비와, 상기 제조 설비에 의해 제조된 상기 강재의 내부를 검사하는 [4] 에 기재된 초음파 탐상 장치를 구비하는 강재의 제조 설비.
[6] 강재를 제조하는 제조 스텝과, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 초음파 탐상 방법에 의해, 상기 제조 스텝에 있어서 제조된 강재의 내부를 탐상하는 탐상 스텝을 포함하는 강재의 제조 방법.
[7] [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 초음파 탐상 방법에 의해, 강재의 내부를 탐상하는 탐상 스텝과, 상기 탐상 스텝에 의해 얻어진 탐상 결과로부터 상기 강재의 품질 관리를 실시하는 품질 관리 스텝을 포함하는 강재의 품질 관리 방법.
본 발명에 관련된 초음파 탐상 방법 및 초음파 탐상 장치에 의하면, 초음파 탐촉자의 지향성으로부터 산출된 예상 음압을 사용함으로써, 검사재에 존재하는 결함의 형상을 추정할 수 있다. 이로써, 검사재 내부의 결함이 존재하는 범위가 명확해져, 보다 고품질인 제품의 제조나 수율의 향상이 가능해진다. 또, 본 발명에 관련된 강재의 제조 설비 및 강재의 제조 방법에 의하면, 강재를 양호한 수율로 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 관련된 강재의 품질 관리 방법에 의하면, 고품질의 강재를 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 신호 처리 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3 은, 무지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 (傳搬) 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4 는, 무지향성 결함의 제 2 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5 는, 무지향성 결함의 제 3 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6 은, 무지향성 결함의 제 4 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7 은, 지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 8 은, 지향성 결함의 제 2 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9 는, 지향성 결함의 제 3 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10 은, 지향성 결함의 제 4 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11 은, 초음파 탐촉자와, 겉보기 초음파 탐촉자의 위치 관계를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12 는, 무지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 13 은, 무지향성 결함의 제 2 ∼ 제 4 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 14 는, 지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 15 는, 지향성 결함의 제 2 ∼ 제 4 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16 은, 초음파 탐촉자의 위치를 바꾸면서 무지향성 결함으로부터의 반사 신호를 수신했을 때의, 결함 신호군을 화상화한 예를 나타내는 도면이다.
도 17 은, 초음파 탐촉자의 위치를 바꾸면서 지향성 결함으로부터의 반사 신호를 수신했을 때의, 결함 신호군을 화상화한 예를 나타내는 도면이다.
도 18 은, 결함 화상 영역을 설정한 예를 나타내는 도면이다.
도 19 는, 특정한 결함 형상을 가정했을 때에 얻어진 예상 음압의 산출 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 20 은, 실제의 결함 신호 데이터로부터 얻어진, 결함으로 판정된 수신 음압의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 신호 처리 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3 은, 무지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 (傳搬) 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4 는, 무지향성 결함의 제 2 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5 는, 무지향성 결함의 제 3 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6 은, 무지향성 결함의 제 4 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7 은, 지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 8 은, 지향성 결함의 제 2 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9 는, 지향성 결함의 제 3 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10 은, 지향성 결함의 제 4 반사 모델의 전반 경로를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11 은, 초음파 탐촉자와, 겉보기 초음파 탐촉자의 위치 관계를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 12 는, 무지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 13 은, 무지향성 결함의 제 2 ∼ 제 4 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 14 는, 지향성 결함의 제 1 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 15 는, 지향성 결함의 제 2 ∼ 제 4 반사 모델의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압의 산출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 16 은, 초음파 탐촉자의 위치를 바꾸면서 무지향성 결함으로부터의 반사 신호를 수신했을 때의, 결함 신호군을 화상화한 예를 나타내는 도면이다.
도 17 은, 초음파 탐촉자의 위치를 바꾸면서 지향성 결함으로부터의 반사 신호를 수신했을 때의, 결함 신호군을 화상화한 예를 나타내는 도면이다.
도 18 은, 결함 화상 영역을 설정한 예를 나타내는 도면이다.
도 19 는, 특정한 결함 형상을 가정했을 때에 얻어진 예상 음압의 산출 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 20 은, 실제의 결함 신호 데이터로부터 얻어진, 결함으로 판정된 수신 음압의 일례를 나타내는 도면이다.
[초음파 탐상 장치]
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태인 초음파 탐상 장치의 구성 및 그 동작에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시형태인 초음파 탐상 장치의 구성에 대하여, 도 1 을 참조하여 설명한다. 초음파 탐상 장치 (1) 는, 수침 탐상법 (이하, 수침법으로 표기) 을 이용한 초음파 탐상 방법에 의해, 검사체를 초음파 탐상하는 장치이다. 초음파 탐상 장치 (1) 는, 초음파를 사용하여, 예를 들어, 주조된 강편을 압연하여 제조된 환봉체 (RB) 에 존재하는 결함을 검출한다. 또한, 결함의 존재 위치는, 환봉체 (RB) 의 표층 및 내부이지만, 이후, 표층을 포함하여「내부」로 나타내는 것으로 한다.
본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 장치 (1) 는, 복수의 초음파 탐촉자 (11), 프로브 헤드 (12), 가대 (13), 회전 구동 장치 (14), 펄서 (15), 리시버 (16), A/D 컨버터 (17), 기록 장치 (18), 신호 처리 장치 (19), 및 표시 장치 (20) 를 주된 구성 요소로서 구비하고 있다.
초음파 탐촉자 (11) 는, 검사재 (예를 들어, 환봉체 (RB)) 의 외부에 배치되어, 검사재에 대한 위치 관계를 변화시키면서 초음파를 송신하고, 또한 결함 신호를 수신한다. 도 1 에 나타낸 초음파 탐상 장치 (1) 에 있어서는, 초음파 탐촉자 (11), 리시버 (16), A/D 컨버터 (17), 및 기록 장치 (18) 가 수신 수단에 해당한다.
또한 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 장치 (1) 는, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 반사 신호로부터, 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는, 추출 수단을 구비한다. 또, 초음파 탐상 장치 (1) 는, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 결함 신호의 특징으로부터, 결함종을 판정하는, 결함종의 판정 수단을 구비한다. 또, 초음파 탐상 장치 (1) 는, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성을 고려하여 예상되는, 가상 결함에 의한 결함 신호의 강도인 예상 음압을 미리 산출하는, 예상 음압 산출 수단을 구비한다.
또, 초음파 탐상 장치 (1) 는, 검사재와 초음파 탐촉자 (11) 의 각 위치 관계에 있어서, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성으로부터 예상되고, 또한 예상 음압 산출 수단에서 미리 산출되는 예상 음압과, 추출 수단에서 추출된 결함 신호의 강도로부터 얻어지는 수신 음압으로부터, 결함의 형상 (이하,「결함 형상」이라고 한다) 을 추정하는, 결함 형상의 추정 수단을 구비한다. 또, 초음파 탐상 장치 (1) 는, 추정된 결함 형상에 기초하여 검사재의 합격 여부 판정을 실시하고, 당해 검사재의 절삭량을 결정하는, 판정 수단을 구비한다. 도 1 에 나타낸 초음파 탐상 장치 (1) 에 있어서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 추출 수단, 결함종의 판정 수단, 예상 음압 산출 수단, 결함 형상의 추정 수단 및 판정 수단에 해당한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 수신 음압이란, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 결함 신호에 대하여, 시간 범위를 설정하고, 설정된 시간 범위 내의 신호 진폭의 최대값을 나타낸다.
초음파 탐촉자 (11) 는, 수침법에 있어서의 매질인 물을 개재하여, 환봉체 (RB) 로부터 소정 거리 떨어진 위치에 1 개 이상 배치되어 있다. 이 초음파 탐촉자 (11) 는, 초음파로 탐상 중에는 펄서 (15) 로부터 출력되는 펄스 신호에 의해 여진됨으로써, 초음파 신호를 환봉체 (RB) 에 송신한다. 그리고, 환봉체 (RB) 의 내부를 전반하여 반사된 초음파 신호 (이하,「반사 신호」라고 한다) 는, 초음파 탐촉자 (11) 를 통하여 리시버 (16) 에 의해 수신된다.
프로브 헤드 (12) 는, 초음파 탐촉자 (11) 를 구비하고, 환봉체 (RB) 의 상부에 배치된 가대 (13) 상을 이동할 수 있도록 구성되어 있다. 이로써, 초음파 탐촉자 (11) 는, 환봉체 (RB) 의 축 방향으로 주사 가능해진다. 환봉체 (RB) 를 회전 구동 장치 (14) 에 의해 화살표로 나타내는 원주 방향으로 회전시키면서, 프로브 헤드 (12) 를 주사시키면서, 추가로 결함 신호를 리시버 (16) 에서 수신한다. 이 결과, 환봉체 (RB) 의 전체 체적을 초음파 탐상할 수 있다. 즉, 초음파 탐상 장치 (1) 는, 환봉체 (RB) 에 대한 초음파 탐촉자 (11) 의 위치를 변화시키면서, 초음파 탐촉자 (11) 에서 1 개 또는 복수의 초음파를 송수신할 수 있다.
회전 구동 장치 (14) 의 회전 속도 및 프로브 헤드 (12) 의 주사 속도는, 환봉체 (RB) 의 전체 체적이 부족없이 초음파 탐상되도록 설정되어 있다. 또한, 환봉체 (RB) 를 회전시키지 않고, 프로브 헤드 (12) 를 환봉체 (RB) 의 주위를 회전시켜, 환봉체 (RB) 의 전체 체적을 초음파 탐상하도록 해도 된다. 또한, 본 실시형태에 있어서,「검사체 (즉 환봉체 (RB)) 에 대한 초음파 탐촉자 (11) 의 위치를 변화시킨다」란, 어느 특정한 1 개의 초음파 탐촉자 (11) 가, 검사체에 대해 이동하는 것을 나타내고 있다. 복수의 초음파 탐촉자 (11) 가 있는 경우에는, 프로브 헤드 (12) 가 고정되어, 초음파 탐촉자 (11) 사이에서 결함 신호의 수신이 이동하는 것도 포함된다.
리시버 (16) 에 의해 수신된 아날로그 형태의 반사 신호는, 펄서 (15) 로부터 출력되는 펄스 신호에 동기하면서 A/D 컨버터 (17) 에 의해 디지털 데이터로 변환되어, 기록 장치 (18) 에 보존된다. 이로써, 환봉체 (RB) 의 전체 체적의 반사 신호가 기록 장치 (18) 에 보존된다. 보존된 반사 신호는, 신호 처리 장치 (19) 에 의해 결함 신호 등으로 신호 처리되고, 신호 처리 결과는 표시 장치 (20) 에 표시된다. 신호 처리는, 초음파로 탐상 중에 보존되는 반사 신호에 대해 축차 실시되는 경우나, 모든 반사 신호가 보존된 후에 실시되는 경우가 있다. 또, 신호 처리는, 보존되는 전체 데이터에 대해서뿐만 아니라, 일부 데이터에 대해서 선택적으로 실시되는 경우도 있다.
신호 처리 장치 (19) 는, 보존된 반사 신호로부터 결함 지점의 추출을 실시하고, 검사재 중의 결함으로부터의 반사를 결함 신호로서 기록 장치 (18) 에 보존한다. 또, 신호 처리 장치 (19) 는, 보존된 결함 신호에 대하여, 신호 처리의 하나로서 결함종의 판정을 실시한다. 또한, 신호 처리 장치 (19) 는, 보존된 결함 신호에 대하여, 신호 처리의 하나로서 결함 형상의 추정을 실행한다. 또한, 결함종의 판정에 있어서, 개구 합성 등의 신호 처리를 실시하는 경우도 있다. 또, 신호 처리 장치 (19) 는, 초음파 탐촉자 (11) 의 지향성으로부터 예상되는, 가상 결함에 의한 결함 신호의 강도인 수신 음압 (이하,「예상 음압」이라고 한다) 을 미리 산출한다. 그리고, 미리 산출한 예상 음압과, 실제로 측정한 결함 신호의 수신 음압에 기초하여, 결함 형상을 추정한다. 여기서, 결함 형상의 추정에 사용되는 결함 신호로는, 보존된 결함 신호의 미처리 데이터를 사용하는 경우뿐만 아니라, 개구 합성이나 주파수 필터 등의 신호 처리를 실시한 신호 처리 후의 데이터를 사용하는 경우도 있다.
즉, 신호 처리 장치 (19) 는, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 반사 신호로부터, 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는, 추출 수단을 구비한다. 또, 신호 처리 장치 (19) 는, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 결함 신호의 특징으로부터 결함종을 판정하는, 결함종의 판정 수단을 구비한다. 또, 신호 처리 장치 (19) 는, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성을 고려하여 예상되는, 가상 결함에 의한 결함 신호의 수신 음압을 미리 산출하는, 예상 음압 산출 수단을 구비한다. 또, 신호 처리 장치 (19) 는, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 각 위치 관계에 있어서의 수신 음압과, 미리 산출된 예상 음압으로부터 결함 형상을 추정하는, 결함 형상의 추정 수단을 구비한다. 그리고, 신호 처리 장치 (19) 는, 추정된 결함 형상에 기초하여 검사재의 합격 여부 판정이나 절삭 필요량의 결정을 실시하는, 판정 수단을 구비한다.
[초음파 탐상 방법]
다음으로, 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법에 대해 설명한다. 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법은, (I) 수신 스텝, (II) 추출 스텝, (III) 추정 스텝, 및 (IV) 판정 스텝의 4 개의 스텝을 포함한다. 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법에서는, (I) 수신 스텝의 다음으로 (II) 추출 스텝이 실행되고, (II) 추출 스텝의 다음으로 (III) 추정 스텝이 실행되고, (III) 추정 스텝의 다음으로 (IV) 판정 스텝이 실행된다.
수신 스텝 I 에서는, 검사재 (예를 들어, 환봉체 (RB)) 와 초음파 탐촉자 (11) 의 위치 관계를 변화시키면서, 초음파 탐촉자 (11) 에 의해 하나 또는 복수의 반사 신호를 수신한다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 검사재가 환봉체 (RB) 이므로, 상기 서술한 사각 탐상의 예가 된다. 수신 스텝 I 에서는, 공지된 초음파 탐촉자 (11) 에 의한 결함 신호의 수신 방법을 사용할 수 있다. 일례로는, 상기 서술한 초음파 탐촉자 (11), 리시버 (16), A/D 컨버터 (17), 및 기록 장치 (18) 의 동작에 의해 실현시킬 수 있다.
추출 스텝 II 에서는, 수신 스텝 I 에 있어서 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 하나 또는 복수의 반사 신호로부터, 검사재 중에 실재하는 결함에서 반사된 초음파 신호를, 결함 신호로서 추출한다. 추출된 결함 신호는, 기록 장치 (18) 에 보존된다. 실제로 수신된 반사 신호로부터의 결함 신호의 추출은, 신호 처리 장치 (19) 의 동작에 의해 실현시킬 수 있다.
추정 스텝 III 에서는, 추출 스텝 II 에서 추출된 결함 신호의 특징으로부터, 당해 결함이 지향성 결함인지, 또는 무지향성 결함인지를 판정한다. 그리고, 검사재와 초음파 탐촉자 (11) 의 각 위치 관계에 있어서, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성으로부터 미리 산출된 예상 음압과, 초음파 탐촉자 (11) 에 의해 실제로 수신된 결함 신호의 수신 음압을 비교함으로써, 결함 형상을 추정한다. 결함 형상의 추정에 사용하는 예상 음압의 산출 방법은, 본 발명에 있어서 가장 중요한 기술이다. 이 때문에, 예상 음압의 산출 방법은, 나중에 상세하게 설명한다.
판정 스텝 IV 에서는, 추출 스텝 II 에 있어서 반사 신호로부터 추출된 결함 신호에 대하여, 추정 스텝 III 에 의해 추정된 결함 형상에 기초하여, 검사재의 합격 여부 및/또는 필요 절삭량을 판정한다.
상기와 같은 스텝을 실시하는 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법에 의하면, 결함 형상 및 결함이 존재하는 존재 깊이 (이하, 간단히「깊이」라고 한다) 를 정확하게 추정할 수 있다. 이로써, 검사재의 합격 여부 판정, 및/또는 검사재가 불합격인 경우의 표면 절삭량을 결정할 수 있다. 그 결과, 제품의 품질 및 수율을 향상시킬 수 있다.
＜(I) 수신 스텝＞
본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 수신 스텝 I 에 있어서, 결함 신호를 수신할 때의 신호 처리 장치 (19) 및 기록 장치 (18) 의 동작에 대하여, 도 2 를 참조하면서 설명한다. 수신 스텝 I 에서는, 먼저 수신 수단에 의해 환봉체 (RB) 내로부터의 반사 신호를 수신한다 (스텝 S21). 다음으로, 수신한 반사 신호를 기록 장치 (18) 에 보존한다 (스텝 S22).
＜(II) 추출 스텝＞
추출 스텝 II 에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 수신 스텝 I 에서 기록 장치 (18) 에 보존된 반사 신호에 대하여, 미리 정해 둔 임계값으로 임계값 판정을 실시한다 (스텝 S23). 신호 처리 장치 (19) 는, 임계값을 초과한 반사 신호에는 결함이 있다고 판정하고, 결함 신호로서 추출한다. 추출된 결함 신호는, 재차 기록 장치 (18) 에 보존된다. 결함이 있다고 판정된 반사 신호 (즉 결함 신호) 에 대해서는, 이후의 스텝 S13 이후의 신호 처리가 실시된다. 한편, 결함이 없다고 판정된 반사 신호에 대해서는, 스텝 S13 이후의 신호 처리가 실시되지 않는다.
＜(III) 추정 스텝＞
다음으로, 본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 추정 스텝 III 에 있어서, 결함 형상을 추정할 때의 신호 처리 장치 (19) 및 기록 장치 (18) 의 동작에 대하여, 도 2 를 참조하면서 설명한다. 추정 스텝 III 에서는, 초음파 탐촉자 (11) 로 측정된 결함 신호로부터의 수신 음압에 기초하여, 먼저 결함의 지향성의 유무를 판정하고, 그 후, 상기 결함의 지향성의 유무에 맞춘 예상 음압과, 실제로 측정된 수신 음압에 기초하여, 결함 형상을 추정한다. 추정 스텝 III 은, 구체적으로는, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 탐상 화상 취득 스텝 (S13), 결함종의 판정 스텝 (S14), 결함 형상의 추정 스텝 (S15) 의 순서로 실행된다. 검사재를 환봉체 (RB) 로 하여, 각 스텝에 대해 상세하게 설명한다.
(탐상 화상 취득 스텝)
스텝 S13 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 스텝 S23 에서 특정된, 미리 설정된 임계값을 초과한 파형 위치를 기준으로 하고, 기록 장치 (18) 에 있어서 기록된 결함 신호 중에서, 미리 설정된 범위 내의 복수의 결함 신호의 판독을 실시한다. 이로써, 실제로 결함이 존재하는 위치 등의 정보를 포함한 결함 신호군을 추출할 수 있다. 요컨대, 실제로 존재하는 결함으로부터 반사되어, 수신된 초음파 신호의 정보를 얻을 수 있다. 후술하는 스텝 S14 이후에는, 여기서 얻어지는 결함 신호군으로부터 수신 음압 등의 특징량을 추출하고, 결함종의 판정, 결함 형상의 추정을 실시한다.
또한, 결함 신호 상태에 따라서는, 결함 신호를 판독 출력 후에, 신호 처리 장치 (19) 에서 개구 합성이나 주파수 필터 등의 신호 처리를 실시하고 나서, 결함 신호군으로 해도 된다. 또, 본 스텝 S13 에 있어서, 시각적으로 알기 쉽게 하기 위해서, 수신 신호군을 화상화해도 된다. 예를 들어, 결함 신호의 진폭을 휘도로, 결함 신호의 수신 시간을 세로축으로, 결함 신호의 파형수를 가로축으로 변환하여, 화상으로서 표시할 수 있다. 본 실시형태에서는, 결함 신호군을 본 스텝 S13 에서 화상화한 것으로서, 이후의 처리를 설명한다.
스텝 S13 은, 초음파로 반사 신호를 기록하면서 축차 실시할 뿐만 아니라, 초음파로 반사 신호의 기록이 종료된 후에 실시해도 된다. 여기서 판독된 결함 신호군에 대하여, 스텝 S14 및 스텝 S15 의 처리가 실행된다. 이로써, 스텝 S13 의 처리는 완료되고, 스텝 S14 의 처리로 진행된다.
(결함종의 판정 스텝)
스텝 S14 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 스텝 S13 에서 판독된 결함 신호의 특징과 스텝 S12 에서 산출된 예상 음압의 특징을 사용하여, 검출된 결함종이 지향성 결함인지, 또는 무지향성 결함인지를 판정한다. 결함종의 판정 방법에 대해서는, 나중에 상세하게 설명한다. 이로써, 스텝 S14 의 처리는 완료되고, 스텝 S15 의 처리로 진행된다.
(결함 형상의 추정 스텝)
스텝 S15 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 스텝 S13 에서 산출된 결함 신호와 스텝 S12 에서 산출된 예상 음압을 비교함으로써, 결함 형상 및 깊이를 추정한다. 스텝 S15 의 처리에서는, 구체적으로는, 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신된 각 위치 관계에 있어서의 결함 신호의 수신 음압의 변화와, 스텝 S12 에서 산출된 예상 음압의 변화의 상관을 사용하여, 결함의 기울기를 포함하는 결함 형상 및 깊이를 추정한다.
결함 형상에 대해서는, 지향성 결함인 경우에는 깊이 및 기울기 각도가 추정되고, 무지향성 결함인 경우에는 결함 직경 및 깊이 위치가 추정된다. 결함 형상의 추정 방법에 대해서는, 나중에 상세하게 설명한다. 이로써, 스텝 S15 의 처리는 완료되고, 스텝 S16 의 처리로 진행된다. 또, 이로써, 추정 스텝 III 의 처리는 완료되고, 판정 스텝 IV 의 처리로 진행된다.
＜(IV) 판정 스텝＞
다음으로, 본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 판정 스텝 IV 에 있어서, 검사재의 합격 여부 및/또는 필요 절삭량을 판정할 때의 신호 처리 장치 (19) 및 기록 장치 (18) 의 동작에 대하여, 도 2 를 참조하면서 설명한다. 판정 스텝 IV 에 있어서의 판정은, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 합격 여부 및/또는 절삭량 판정 스텝 (스텝 S16) 이 실행된다. 검사재를 환봉체 (RB) 로 하여, 당해 스텝에 대해 상세하게 설명한다.
(합격 여부 및/또는 절삭량 판정 스텝)
스텝 S16 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 스텝 S15 에서 추정된 결함 형상 및 깊이에 기초하여, 검사재의 합격 여부 판정을 실시하거나, 또는, 당해 검사재의 필요 절삭량을 결정한다. 또한 신호 처리 장치 (19) 가, 스텝 S15 에서 추정된 결함 형상 및 깊이에 기초하여, 검사재의 합격 여부 판정을 실시하여, 당해 검사재의 필요 절삭량을 결정하는 것으로 해도 된다.
예를 들어, 스텝 S15 의 결과, 지향성 결함 또는 무지향성 결함이, 표층으로부터 2 ㎜ 이내의 거리에 존재한다고 추정된 경우에는, 합격 (메인터넌스 필요재) 으로 하고, 그 이외의 경우에는 불합격으로 한다. 결함의 존재 범위 및 필요 절삭량의 산출에는, 무지향성 결함 및 지향성 결함의 형상을 고려하는 것으로 한다. 예를 들어, 스텝 S15 에서 추정되는 결함 형상으로부터, 결함이 존재하는 범위가 표층하 1.5 ㎜ 까지인 경우에는, 결함이 검출된 지점을 1.5 ㎜ 이상 절삭 또는 메인터넌스를 실시한다. 이로써, 일련의 판정 스텝 IV 는 완료된다.
[예상 음압의 산출 방법]
다음으로, 본 발명의 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 추정 스텝 III 에 있어서, 결함 형상을 추정할 때에 사용하는, 초음파 탐촉자 (11) 의 지향성으로부터 예상되는, 가상 결함으로부터의 반사에 의한 결함 신호의 수신 음압 (즉 예상 음압) 의 산출 방법에 대하여, 도 2 를 참조하면서 설명한다. 예상 음압의 산출 방법은, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 탐상 조건 입력 스텝 (S11), 예상 음압 산출 스텝 (S12) 의 순서로 실행된다. 검사재를 환봉체 (RB) 로 하여, 각 스텝에 대해 상세하게 설명한다.
(탐상 조건 입력 스텝)
스텝 S11 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 환봉체 (RB) 의 치수, 초음파 탐촉자 (11) 의 치수 및 형상, 측정 피치, 환봉체 (RB) 와의 위치 관계, 초음파 탐상 범위 등의 초음파 탐상 조건을 취득한다. 또한, 초음파 탐상 조건은, 초음파로 결함 신호를 취득하기 전에 취득되는 경우뿐만 아니라, 초음파로 반사 신호의 취득 중 또는 초음파로 반사 신호의 취득 후에 취득되는 경우도 있다. 이로써, 스텝 S11 의 처리는 완료되고, 스텝 S12 의 처리로 진행된다.
(예상 음압 산출 스텝)
다음으로, 스텝 S12 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 스텝 S11 의 처리에 있어서 취득한 초음파 탐상 조건을 사용하여, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성에 기초하여, 예상 음압을 산출한다. 또, 스텝 S12 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성을 고려한 예상 음압으로서, 무지향성 결함인 경우와 지향성 결함인 경우의 2 종류의 경우의 예상 음압을 산출한다. 또, 실제로 측정한 반사 신호 및 그 반사 신호로부터 산출된 수신 신호는, 사용하지 않고 산출한다. 즉, 검사재 중에 실존하는 결함이 아니라, 가상 결함을 설정하고, 그 가상 결함에서 반사된 결함 신호의 수신 음압을, 예상 음압으로서 산출하게 된다.
또, 결함 형상 (예를 들어, 지향성 결함인 경우에는 깊이와 각도, 무지향성 결함인 경우에는 깊이와 반경) 에 의해 예상 음압은 바뀐다. 그래서, 스텝 S12 에서는, 가상 결함의 결함 형상을 복수 종류 설정하고, 각각의 설정에 대한 예상 음압을 산출해 두는 것이 바람직하다. 이 경우, 스텝 S14 이후에서의 처리로, 복수 종류의 결함 형상에 대한 각 예상 음압을 비교하고, 가까운 예상 음압을 사용하여 스텝 S14 이후의 신호 처리를 실시할 수 있다. 또, 이 스텝 S12 에 있어서, 나중에 설명하는 도 16 및 도 18 에서 사용하는 분할 영역을 산출하고, 스텝 S14 이후에 설정할 수 있도록 해도 된다.
또, 스텝 S12 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성을 고려한 예상 음압으로서, 후기하는 4 개의 반사 모델 (도 3 ∼ 도 10 참조) 중, 1 개 이상의 반사 모델의 전반 경로의 수신 음압을 산출한다. 또, 스텝 S12 의 처리에서는, 신호 처리 장치 (19) 가, 초음파 탐촉자 (11) 및 결함의 각 위치 관계로부터 계산되는 전반 경로와, 초음파 탐촉자 (11) 또는 결함의 중심축이 이루는 지향성으로부터, 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성을 고려한 예상 음압을 산출한다. 예상 음압의 산출 방법에 대해서는, 나중에 상세하게 설명한다. 이로써, 스텝 S12 의 처리는 완료된다.
또한, 탐상 조건 입력 스텝 S11 과 예상 음압 산출 스텝 S12 는, 초음파에 의한 결함 신호의 취득 전, 취득 중 또는 취득 후 중 어느 타이밍에서 실시해도 된다. 상기 서술한 결함종의 판정 스텝 S14 보다 전에, 예상 음압 산출 스텝 S12 가 완료되어, 예상 음압이 산출되어 있으면 된다. 바꿔 말하면, 추정 스텝 III 중의 결함종의 판정 스텝 S14 가 개시되기 전에, 예상 음압 산출 스텝 S12 가 완료되어 있으면 된다. 한편, 수신 스텝 I, 추출 스텝 II 및 탐상 화상 취득 스텝 S13 에 대하여, 예상 음압 산출 스텝 S12 의 타이밍은 임의로 해도 된다.
또, 탐상 조건 입력 스텝 S11 및 예상 음압 산출 스텝 S12 는, 초음파에 의한 결함 신호를 수신할 때마다 실시할 필요는 없다. 예를 들어, 검사체의 형상이나, 초음파 탐촉자 (11) 와 검사체의 상대 이동 속도가 대체로 동일한 경우 등은, 검사체가 몇 회 변경이 되어도, 그때마다 스텝 S11 및 스텝 S12 를 실시할 필요는 없다. 스텝 S12 에서 예상 음압을 한 번 구해 두면, 검사체가 몇 회 변경되어도, 동일한 예상 음압을 사용하여 본 발명에 관련된 초음파 탐상 방법을 실시할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 지향성이란, 특정한 방향에 초음파 음압이 강하게 분포하여, 전반하는 성질을 나타내고 있다. 일반적인 단일 초음파 탐촉자의 경우, 근거리 음장 이원에서는 탐촉자 중심축 상에서의 음압이 최대가 되는 것을 나타내고 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 초음파 탐촉자 (11) 의 초음파 지향성을 고려한 예상 음압의 산출 방법 (도 2 의 스텝 S12) 에 대하여, 도 3 ∼ 도 15 를 참조하면서 상세하게 설명한다.
환봉체 (RB) 의 내부에 존재하는 결함은, 지향성 결함과 무지향성 결함으로 크게 분류된다. 지향성 결함은, 띠상이나 원판상의 반사면을 갖고, 특정한 방향에 강한 반사 지향성을 갖고 있다. 사각 탐상에 의해 검출되는 표면 균열은, 지향성 결함인 경우가 많다. 이에 대하여, 무지향성 결함은, 표층 근방에 존재하는 개재물 등이며, 구상 또는 원기둥상의 결함이다.
사각 탐상에서는, 동일한 결함 대상에 대해 복수의 전반 경로에 의한 반사 신호가 얻어지는 것이 알려져 있다. 무지향성 결함인 경우의 반사 신호의 전반 경로를 도 3 ∼ 도 6 에, 지향성 결함인 경우의 반사 신호의 전반 경로를 도 7 ∼ 도 10 에 나타낸다.
도 3 및 도 7 은, (A) 초음파 탐촉자 (11), 결함, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델을 나타내고 있다. 또, 도 4 및 도 8 은, (B) 초음파 탐촉자 (11), 결함, 검사재 (환봉체 (RB)) 의 벽면, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델을 나타내고 있다. 또, 도 5 및 도 9 는, (C) 초음파 탐촉자 (11), 검사재의 벽면, 결함, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델을 나타내고 있다. 또, 도 6 및 도 10 은, (D) 초음파 탐촉자 (11), 검사재의 벽면, 결함, 검사재의 벽면, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델을 나타내고 있다.
또한, 도 3 ∼ 도 10 에 있어서, 부호 11 은 실제의 초음파 탐촉자를, 부호 21 은 사각 탐상에 있어서의 겉보기 초음파 탐촉자를, 부호 F 는 무지향성 결함을, 부호 Fd 는 지향성 결함을, 각각 나타내고 있다. 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법에서는, 각 전반 경로의 경우에 대하여, 결함과 초음파 탐촉자의 위치 관계로부터 예상 음압의 산출을 실시한다.
도 11 은, 초음파 탐촉자 (11) 와, 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 위치 관계를 나타내고 있다. 초음파 탐촉자 (11) 의 입사각을 φ1, 탐촉자 폭을 Dw1, 탐촉자 높이를 Dh, 웨지 거리를 L1, 웨지 내 음속을 Cwed, 강 중 음속을 Cs 로 하면, 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 굴절각 φ2, 탐촉자 폭 Dw2, 웨지 거리 L2 는, 하기 식 (1) ∼ 하기 식 (3) 으로 나타낸다.
또한, 여기서, 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 란,「검사재 중에 존재하고, 굴절을 고려하지 않고 직접 전반한다고 가정할 수 있는」가상적인 초음파 탐촉자를 나타낸다. 본 실시형태에서 사용하고 있는 사각 탐상법에 있어서, 초음파를 굴절시켜 검사재 중에 입사시킬 때에, 검사재 중에서의 초음파의 전반은, 마치 검사재 중에 있는 겉보기 초음파 탐촉자로부터 직접 전반한 초음파로 간주할 수 있다. 또한, 초음파 탐촉자 (21) 는, 실제로는 검사재의 외부에 있고, 웨지부 (도시 생략) 의 매질 내에 존재한다.
예상 음압의 값을 구하기 위해서 필요한 전반 경로는, 이 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 로부터의 전반 경로를 사용하여 도출한다. 또한, 이번에는 계산을 간이하게 하기 위해서 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 를 사용하여 계산을 실시하지만, 각 전반 경로에 대해 스넬의 법칙에 따르는 굴절 현상을 고려하여, 초음파 탐촉자 (21) 로부터의 전반 경로를 도출해도 된다.
먼저, 무지향성 결함에 있어서의 예상 음압의 산출 방법에 대해 설명한다. 도 3 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압은, 도 12 를 사용하여 산출한다. 원점을 O, 환봉체 (RB) 의 반경을 r, 결함 회전각을 θr, 결함 위치의 깊이를 t 로 하면, 무지향성 결함 (F) 의 좌표 F (XF, YF) 는, 하기 식 (4) 및 하기 식 (5) 로 나타낸다.
또, 직선 OF 와, 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 가 이루는 각을 Ψp 로 하면, 당해 이루는 각 Ψp 는, 식 (6) 으로 나타낸다.
또, 송신 음압을 P0, 탐촉자 면적을 A, 주파수를 Fr, 선분 OF 의 길이를 x, 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 초음파에 대한 지향성 계수를 Dp, 결함 형상의 반사율을 γ, 결함 반경을 d, 결함 길이를 L 로 하면, 탐촉자 면적 A, 반사율 γ 및 지향성 계수 Dp 는, 하기 식 (7) ∼ 하기 식 (12) 로 나타낸다.
도 3 의 전반 경로에 있어서의, 예상 음압 PF1 은, 초음파 탐촉자 (21) 의 송신시의 지향성 계수 Dp (Ψp) 와, 결함의 반사율 γ (x) 와, 초음파 탐촉자 (21) 의 수신시의 지향성 계수 Dp (Ψp) 의 곱으로 나타낸다. 상기 식 (7) ∼ 상기 식 (12) 로부터, 예상 음압 PF1 은, 하기 식 (13) 이 된다. 또, 도 3 의 전반 경로에 있어서의 전반 시간 T1 은, 선분 OF 의 왕복 거리를 강 중 음속으로 나눈 것으로 나타내기 때문에, 하기 식 (14) 가 된다.
도 4 ∼ 도 6 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압은, 도 13 을 사용하여 산출한다. 법선 S 에 대한 무지향성 결함 F 의 경상 (鏡像) F' 의 좌표를 F'(XF', YF'), 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 경상을 22, 원점 O 의 경상을 O', 선분 OF' 의 길이를 x2, 선분 O'F' 의 길이를 X2', 선분 O'F' 와 경상 O' 의 중심축 C' 가 이루는 각을 Ψp1' 로 하면, 경상 F' 의 좌표 F'(XF', YF') 는, 하기 식 (15) 및 하기 식 (16) 으로 나타낸다.
도 4 및 도 5 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압 PF2 는, 초음파 탐촉자 (21) 의 송신시의 지향성 계수 Dp (Ψp1) 와, 결함의 반사율 γ (x2) 와, 초음파 탐촉자 (21) 의 수신시의 지향성 계수 Dp (Ψp1') 의 곱으로 나타낸다. 식 (15) 및 식 (16) 으로부터, 예상 음압 PF2 는, 하기 식 (17) 이 된다. 또, 도 4 및 도 5 의 전반 경로에 있어서의 전반 시간 T2 는, 선분 OF' 와 F'O' 의 합계 거리를 강 중 음속으로 나눈 것으로 나타내기 때문에, 하기 식 (18) 이 된다.
도 6 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압 PF3 은, 초음파 탐촉자 (21) 의 송신시의 지향성 계수 Dp (Ψp1) 와, 결함의 반사율 γ (x2) 와, 초음파 탐촉자 (21) 의 수신시의 지향성 계수 Dp (Ψp1) 의 곱으로 나타낸다. 그 때문에, 예상 음압 PF3 은, 하기 식 (19) 가 된다. 또, 도 6 의 전반 경로에 있어서의 전반 시간 T3 은, 선분 OF' 의 왕복 거리를 강 중 음속으로 나눈 것으로 나타내기 때문에, 하기 식 (20) 이 된다.
이상과 같이, 상기 식 (13), 상기 식 (14), 상기 식 (17) ∼ 상기 식 (20) 에 의해 얻어지는 각 전반 경로로부터의 예상 음압 및 전반 시간을 사용함으로써, 환봉체 (RB) 와 초음파 탐촉자 (11) 의 위치 관계를 변화시키면서, 무지향성 결함을 탐상했을 때에 예상되는 수신 음압 및 전반 시간을 이론적으로 시뮬레이트할 수 있다.
다음으로, 지향성 결함에 있어서의 예상 음압의 산출 방법에 대해 설명한다. 도 7 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압은, 도 14 를 사용하여 산출한다. 원점을 O, 결함 회전각을 θr2, 결함 기울기각을 θc, 결함의 깊이를 dc, 지향성 결함 Fd 의 지향성 계수를 Dc, 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 초음파에 대한 지향성 계수를 Dp, 결함 형상의 반사율을 γ2, 결함 길이를 L2, 지향성 결함 Fd 의 중점의 좌표를 M(Xm, Ym), 선분 OM 과 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 중심축 C 가 이루는 각을 Ψp3, 지향성 결함 Fd 의 중심축과 선분 OM 이 이루는 각을 Ψc, 선분 OM 의 길이를 x3 으로 하면, 지향성 결함 Fd 의 중점의 좌표 M(Xm, Ym), 이루는 각 Ψp3 및 이루는 각 Ψc 는, 하기 식 (21) ∼ 하기 식 (24) 로 나타낸다.
또, 지향성 결함 Fd 의 지향성 계수 Dc 및 결함 반사율 γ2 는, 하기 식 (25) ∼ 하기 식 (29) 로 나타낸다.
도 7 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압 PF4 는, 초음파 탐촉자 (21) 의 송신시의 지향성 계수 Dp (Ψp3) 와, 결함의 반사율 γ2 (x3) 와, 결함에서의 반사시의 지향성 계수 Dc (Ψc, -Ψc) 와, 초음파 탐촉자 (21) 의 수신시의 지향성 계수 Dp (Ψp3) 의 곱으로 나타낸다. 식 (21) ∼ 식 (29) 로부터, 예상 음압 PF4 는, 하기 식 (30) 이 된다. 또, 도 7 의 전반 경로에 있어서의 전반 시간 T4 는, 선분 OM 의 왕복 거리를 강 중 음속으로 나눈 것으로 나타내기 때문에, 하기 식 (31) 이 된다. 또한, 초음파 탐촉자 (21) 의 지향성 계수 Dp 는, 무지향성 결함인 경우와 동일한 것이다.
도 8 ∼ 도 10 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압은, 도 15 를 사용하여 산출한다. 법선 S2 에 대한 지향성 결함 Fd 의 경상을 Fd', 경상 Fd' 의 중점의 좌표를 M(Xm', Ym'), 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 경상을 22, 원점 O 의 경상을 O', 선분 OM' 의 길이를 x4, 선분 O'M' 의 길이를 x4', 선분 OM' 와 겉보기 초음파 탐촉자 (21) 의 중심축 C 가 이루는 각을 Ψp4, 선분 M'O 와 경상 Fd' 중심축이 이루는 각을 Ψc2, 선분 M'O' 와 경상 Fd' 의 중심축이 이루는 각을 Ψc3, 선분 M'O' 와 경상 (22) 의 중심축이 이루는 각을 Ψp4' 로 하면, 경상 Fd' 의 중점의 좌표 M (Xm', Ym'), 이루는 각 Ψp4 및 이루는 각 Ψc2 는, 하기 식 (32) ∼ 하기 식 (35) 로 나타낸다.
도 8 및 도 9 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압 PF5 는, 초음파 탐촉자 (21) 의 송신시의 지향성 계수 Dp (Ψp4) 와, 결함의 반사율 γ2 (x4) 와, 결함에서의 반사시의 지향성 계수 Dc (Ψc2, Ψc3) 와, 초음파 탐촉자 (21) 의 수신시의 지향성 계수 Dp (Ψp4') 의 곱으로 나타낸다. 식 (32) ∼ 식 (35) 로부터, 예상 음압 PF5 는, 하기 식 (36) 이 된다. 또, 도 8 및 도 9 의 전반 경로에 있어서의 전반 시간 T5 는, 선분 OM' 와 선분 M'O' 의 합계 거리를 강 중 음속으로 나눈 것으로 나타내기 때문에, 하기 식 (37) 이 된다. 또한, 초음파 탐촉자 (21) 의 지향성 계수 Dp 는, 무지향성 결함인 경우와 동일한 것이다.
도 10 의 전반 경로에 있어서의 예상 음압 PF6 은, 초음파 탐촉자 (21) 의 송신시의 지향성 계수 Dp (Ψp4) 와, 결함의 반사율 γ2 (x4) 와, 결함에서의 반사시의 지향성 계수 Dc (Ψc2, -Ψc2) 와, 초음파 탐촉자 (21) 의 수신시의 지향성 계수 Dp (Ψp4) 의 곱으로 나타낸다. 그 때문에, 예상 음압 PF6 은, 하기 식 (38) 이 된다. 또, 도 10 의 전반 경로에 있어서의 전반 시간 T6 은, 선분 OM' 의 왕복 거리를 강 중 음속으로 나눈 것으로 나타내기 때문에, 하기 식 (39) 가 된다. 또한, 초음파 탐촉자 (11) 의 지향성 계수 Dp 는, 무지향성 결함인 경우와 동일한 것이다.
이상과 같이, 상기 식 (30), 상기 식 (31), 상기 식 (37) ∼ 상기 식 (39) 에 의해 얻어지는, 각 전반 경로로부터의 예상 음압 및 전반 시간을 사용함으로써, 환봉체 (RB) 와 초음파 탐촉자 (11) 의 위치 관계를 변화시키면서, 지향성 결함을 탐상했을 때의 예상되는 수신 음압 및 전반 시간을 이론적으로 시뮬레이트할 수 있다. 또, 상기 식 (13), 상기 식 (17), 상기 식 (19), 상기 식 (30), 상기 식 (36) 및 상기 식 (38) 중 어느 것에도, 초음파 탐촉자 (21) 의 초음파에 대한 지향성 계수 Dp 가 포함되어 있다. 이들의 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 예상 음압은, 초음파 탐촉자 (21) 의 초음파 지향성을 고려하여 산출되어 있다.
여기서, 예상 음압 산출 스텝 S12 는, 예상 음압을 산출하는 구체적인 방법으로서,
(A) 초음파 탐촉자 (11), 결함, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델,
(B) 초음파 탐촉자 (11), 결함, 검사재의 벽면, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델,
(C) 초음파 탐촉자 (11), 검사재의 벽면, 결함, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델,
(D) 초음파 탐촉자 (11), 검사재의 벽면, 결함, 검사재의 벽면, 초음파 탐촉자 (11) 의 순서로 전반하는 반사 모델,
중 어느 하나 이상을 사용하여, 예상 음압을 산출할 수 있다. 또한, 상기 (A) ∼ (D) 의 모델 중, 2 개 이상을 사용하여 예상 음압을 산출하는 것이 보다 바람직하다. 그 이유는, 경로가 상이한 복수의 예상 음압을 사용하여 비교를 실시함으로써, 결함의 종류의 판정, 결함 형상의 예측 정밀도가 높아지기 때문이다.
또, 실제로는, 상기 (A) ∼ (D) 에 나타낸 복수의 전반 경로에 의한 반사 신호가 동시에 수신되기 때문에, 결함 신호로부터는, 어느 전반 경로에 의한 신호인지는 구별이 되지 않는다. 본 실시형태에서는, 가상 결함에 의한 예상 음압과 실제로 측정된 결함 신호로부터 산출한 수신 음압을 비교함으로써, 결함의 종류나 깊이 정보를 포함하는 결함 형상을 추정하는 것을 가능하게 한다.
[결함종의 판정 방법]
다음으로, 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 추정 스텝 III 에 있어서, 결함종의 판정 방법 (도 2 의 결함종의 판정 스텝 S14) 에 대하여, 도 16 ∼ 도 18 을 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에서는, 수신된 반사 신호로부터 추출된 채의 결함 신호군을 사용하여 결함종의 판정을 실시하는 경우에 대해 설명한다.
초음파 탐촉자 (11) 의 위치를 바꾸면서 결함으로부터의 반사 신호를 수신했을 때의, 결함 신호군을 화상화한 예를, 도 16 및 도 17 에 나타낸다. 도 16(b) 및 도 17(b) 의 결함 신호군의 화상은, 결함 신호의 진폭 강도를 휘도로 변환한 것이다. 또, 도 16 은, 무지향성 결함의 판정 방법의 예를, 도 17 은, 지향성 결함의 판정 방법의 예를, 각각 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 16(a) 는, 초음파 탐촉자 (11) 로부터 본 무지향성 결함의 위치가, F1, F2, F3 의 순서로 이동하는 예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 16(b) 은, 도 16(a) 와 같이 결함과 초음파 탐촉자의 상대 위치가 변화했을 때에 얻어지는 결함 신호군에 대하여, 결함 신호의 진폭 강도를 휘도로 변환하여 화상화한 것이다. 도 16(b) 중의 부호 I1, I2, I3 은, 각각 도 3 ∼ 도 6 에 예시한 반사 경로에 의해 얻어지는 신호를 나타내고 있다.
도 4 와 도 5 의 전반 경로는 상이하지만, 경로 길이는 동일하기 때문에, 결함 이미지는 2 경로의 합계 I2 로서 얻어진다. 도 16(c) 는, 회전 각도 R 을, 도 16(a) 및 도 16(b) 의 회전 각도 R1, R2, R3 으로 한 경우에 있어서의, 결함 신호군의 파형의 변화를 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 도 16(b) 에 있어서의 회전 각도 R 이, R1, R2, R3 의 각각인 경우의, 신호 강도와 수신 시간 T 의 관계를 나타내고 있다. 도 16(c) 에 나타내는 바와 같이, 동일한 신호라도, 회전 각도 R 이 바뀌면 신호 강도의 세기도 바뀐다. 그리고, 도 16 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 무지향성 결함인 경우에는, 복수 경로에서의 결함으로부터의 반사 신호를 확인할 수 있고, 도 16(b) 의 화상은 결함 위치나 탐상 조건 등에 따라 변화한다.
도 17(a) 는, 초음파 탐촉자 (11) 로부터 본 지향성 결함의 위치가, Fd1, Fd2, Fd3 의 순서로 이동하는 예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 17(b) 는, 도 17(a) 와 같이 결함과 초음파 탐촉자의 상대 위치가 변화했을 때에 얻어지는 결함 신호군에 대하여, 결함 신호의 진폭 강도를 휘도로 변환하여 화상화한 것이다. 도 17(b) 중의 I'1 은, 도 7 ∼ 도 10 중 어느 반사 경로에 의해 얻어지는 신호를 나타내고 있다.
도 8 과 도 9 의 전반 경로는 상이하지만, 경로 길이는 동일하기 때문에, 결함 이미지는 2 경로의 합계 I'1 로서 얻어진다. 어느 전반 경로에 의해 결함 이미지가 얻어지는지는, 결함 형상에 따라 상이하고, 2 개 이상의 결함 이미지가 확인되는 경우도 있다. 도 17(c) 는, 회전 각도 R 을 도 17(a) 및 도 17(b) 의 R1, R2, R3 으로 한 경우에 있어서의, 결함 신호군의 파형의 변화를 나타내고 있다. 바꾸어 말하면, 도 17(b) 에 있어서의 회전 각도 R 이, R1, R2, R3 각각인 경우의, 신호 강도와 수신 시간 T 의 관계를 나타내고 있다. 도 17(c) 에 나타내는 바와 같이, 동일한 신호라도, 회전 각도 R 이 바뀌면 신호 강도의 세기도 바뀐다. 그리고, 도 17 로부터 알 수 있는 바와 같이, 지향성 결함인 경우에는, 단일 경로에서의 결함으로부터의 반사 신호를 확인할 수 있고, 도 17(b) 의 화상은 결함 위치나 탐상 조건 등에 따라 변화한다.
도 16 및 도 17 에 나타내는 바와 같이, 결함과의 위치 관계의 변화에 수반하여, 결함으로부터의 반사 신호의 수신 시간 및 신호 강도는 변화한다. 또, 실제로는, 예를 들어, 컬러 맵이나 그라데이션에 의해 신호 강도의 강약이 표시되지만, 도 16 및 도 17 에서는, 신호 강도의 강약의 표시는 생략한다.
결함 신호군은, 결함 신호의 파형수와 시간 방향에서 정해지는 특정 범위에서 잘라내어진 복수의 결함 신호이다. 그에 대하여, 본 스텝 S14 에서 산출되는 수신 음압은, 결함 신호군인 특정한 시간 범위 내에서의 최대값을 각 파형으로 계산한 것을 나타내고 있다. 또, 도 2 의 각 스텝의 관계를 정리하면, 스텝 S13 에서는, 신호 처리 장치 (19) 에 의해, 결함 신호군의 화상화와 기록 장치 (18) 로의 보존까지를 실시한다.
한편, 스텝 S14 에서는, 신호 처리 장치 (19) 에 의해, 도 16 및 도 17 에 나타낸 영역으로 세분화하고, 그것에 기초한 각 영역에서의 수신 음압을 산출하고, 그것들 수신 음압으로부터 결함종의 판정까지를 실시한다. 구체적으로 설명하면, 신호 처리 장치 (19) 는, 보존된 결함 신호로부터 결함 신호군을 추출하여 화상으로 하고, 추출된 결함 신호군에 대하여, 사전에 스텝 S12 에서 설정된 영역으로 분할하고 (예를 들어, 영역 1, 영역 2 및 영역 3 의 3 개 지점), 분할된 각 영역 (예를 들어, 각 파형의 특정 시간 범위 내) 에서, 진폭 최대값을 수신 음압으로서 산출한다. 그리고, 산출된 각 영역의 수신 음압에 기초하여, 결함종의 판정을 실시한다. 또한, 분할 영역은, 스텝 S12 에 있어서 산출되고, 스텝 S14 에서 사전에 설정되는 것이 가장 바람직하지만, 결함 신호군의 휘도 분포에 따라서 분할 영역을 설정해도 된다. 또, 분할수는「3」으로 하는 것이 가장 바람직하지만, 그 이외로 설정해도 된다.
「예상 음압의 산출 방법」에서 설명한 바와 같이, 환봉체 (RB) 의 표층 부근의 결함은, 무지향성 결함이면 도 3 ∼ 도 6 의 전반 경로를 생각할 수 있고, 지향성 결함이면 도 7 ∼ 도 10 의 전반 경로를 생각할 수 있다. 무지향성의 결함인 경우, 상기 서술한 (A) ∼ (D) 의 4 종류의 전반 경로로부터의 반사 신호가 동시에 수신된다. 단, 도 4 및 도 5 는 전반 시간이 동일하기 때문에, 도 16(c) 에 나타내는 바와 같이, 수신 시간이 상이한 3 종류의 파형으로서 관측된다. 한편, 지향성 결함인 경우에는, 결함의 반사 지향성의 영향에 의해, 도 17(c) 에 나타내는 바와 같이, 1 종류의 전반 경로로부터의 반사 신호가 커진다. 단, 도 7 ∼ 도 10 의 어느 전반 경로로부터의 반사 신호가 커지는지는, 결함 형상에 의존한다.
본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법에서는, 상기의 특징을 이용하여 지향성 결함과 무지향성 결함을 변별한다. 즉, 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법에서는, 결함 신호군 중으로부터, 결함 화상 영역을 설정한다. 설정되는 각 결함 화상 영역은, 상기 (A) ∼ (D) 의 모델 어느 것의 반사 신호를 포함하고, 신호 강도가 최대가 되는 위치를 기준으로 시간 방향과 회전 각도 방향으로 설정된 소정의 범위이다.
도 18 에, 결함 화상 영역을 설정한 예를 나타낸다. 세로축은 수신 시간 T 이고, 아래로 갈수록, 시간이 경과하고 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 가로축은 회전 각도 R 이고, 오른쪽으로 갈수록, 회전 위치가 증가하는 것을 나타내고 있다. 수신 음압의 이미지는, 3 개의 영역으로 나누어져, 위에서부터 IF1, IF2, IF3 으로 한다. 검출 최대값 Pmax 는, 결함 신호 내에서의 진폭 최대값의 좌표를 나타낸다.
계속해서, 설정된 결함 화상 영역을, 검출 최대값을 기준으로 한 선분 1, 선분 2, 선분 3 및 선분 4 에 의해, 영역 1, 영역 2 및 영역 3 으로 분할한다. 계속해서, 분할된 영역에 대하여, 각각 설정된 임계값을 사용하여 결함의 유무를 판정한다. 각각의 영역의 임계값은, 실험적 및 경험적으로 결정할 수 있지만, 상기의 예상 음압의 산출 결과로부터 정량적으로 결정할 수도 있다.
그리고, 3 개의 영역에 신호가 존재하는 경우에는 무지향성 결함으로 판정하고, 2 개 이하의 영역에 신호가 존재하는 경우에는 지향성 결함으로 판정한다. 혹은, 2 개 이상의 영역에 신호가 존재하는 경우에는 무지향성 결함으로 판정하고, 1 개의 영역에 신호가 존재하는 경우에는 지향성 결함으로 판정한다. 또한, 상기의 설명에서는, 초음파 탐촉자 (11) 에 의해 수신된 반사 신호로부터 추출된 채의 결함 신호를 사용한 경우에 대해 설명했지만, 추출된 결함 신호에 대해 신호 처리, 화상 처리를 실시한 것을 사용하는 경우도 있다.
[결함 형상의 추정 방법]
다음으로, 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법의 추정 스텝 III 에 있어서, 결함 형상을 추정하는 방법 (도 2 의 결함 형상의 추정 스텝 S15) 에 대하여 설명한다. 결함 형상의 추정에는, 산출한 예상 음압과 전반 시간의 양방을 사용하는 것이 바람직하지만, 예상 음압만을 사용하여 결함 형상의 추정을 실시하는 것도 가능하다. 이하, 예상 음압만을 사용한 결함 형상의 추정 방법에 대하여, 도 19 및 도 20 을 참조하면서 설명한다.
여기서, 상기 서술한 예상 음압의 산출을 실시하고, 각 반사 모델 (도 3 ∼ 도 10 참조) 에 있어서의 예상 음압을 산출하고, 또한 서로 합한 것이, 실제로 초음파 탐촉자 (11) 에서 수신되는 결함 신호로부터의 수신 음압이 된다.
도 19 는, 특정한 결함 형상을 가정했을 때에 얻어진 예상 음압 E1 의 산출 결과의 일례를 나타내고 있다. 도 19 에 있어서, 세로축은 수신 시간 T 이고, 아래로 갈수록, 시간이 경과하고 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 가로축은 회전 각도 R 이고, 오른쪽으로 갈수록, 회전 위치가 증가하고 있는 것을 나타내고 있다. 예상 음압의 이미지는, 1 개의 영역이고, IE1 로 한다. 또, 아래의 그래프는, 스텝 S14 에 있어서 결함 신호군으로부터 산출한 수신 음압의 궤적을 나타내고 있다. 또, 예상 음압 E1 은, 범위 내의 최대 예상 음압에 대한 비율로 나타낸다. 얻어진 예상 음압 E1 로부터 N 점의 점집합 S0 을 발출하고, 실측의 결함 신호로부터의 수신 음압과의 비교를 실시한다. 회전 각도 R 의 간격을 dx, n 번째의 플롯을 (xn, yn) 로 하면, xn 은 하기 식 (40) 으로 나타낸다.
도 20 은, 실제의 결함 신호 데이터로부터 얻어진, 결함으로 판정된 수신 음압 E2 의 일례를 나타내고 있다. 도 20 에 있어서, 세로축은 수신 시간 T 이고, 아래로 갈수록, 시간이 경과하고 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 가로축은 회전 각도 R 이고, 오른쪽으로 갈수록, 회전 위치가 증가하고 있는 것을 나타내고 있다. 수신 음압의 이미지는, 1 개의 영역이고, IE2 로 한다. 또, 아래의 그래프는, 결함 신호군으로부터 산출한 수신 음압의 궤적을 나타내고 있다. 또, 수신 음압 E2 는, 범위 내의 최대 수신 음압에 대한 비율로 나타낸다. 얻어진 수신 음압 E2 로부터 회전 각도 간격 dx 에서 추출한 N 점의 점집합을 S 로 하고, S 의 n 번째의 플롯을 (xn, yn') 로 하고, 평가 함수 E 를 하기 식 (41) 과 같이 부여한다. 단, 연속하는 N 점은, E 가 최소가 되는 조합에서 추출한 결함 신호로부터 선택한다.
가상 결함의 형상의 설정값을 바꾸어 산출된 복수의 예상 음압에 대하여, 상기 식 (40) 및 상기 식 (41) 에 의한 계산을 실시하여, 가장 E 가 작아지는 가상 결함의 형상의 설정값을, 결함 형상의 추정값으로서 결정한다. 지향성 결함인 경우에는, 가상 결함의 깊이와 진전 각도를 변화시키면서 복수의 예상 음압을 산출하고, 무지향성 결함인 경우에는, 결함의 깊이 위치와 결함 직경을 변화시키면서 복수의 예상 음압을 산출한다. 또, 예상 음압의 절대값과 이미 알려진 결함 형상에서의 수신 음압의 실측값을 조합하여, 결함 형상의 추정을 실시해도 된다.
또, 상기의 식 (40) 및 식 (41) 에 의한 계산을 전반 경로에 대해 실시함으로써, 결함 형상을 추정하는 것도 가능하다. 또, 전반 경로와 예상 음압을 조합하여, 산출값과 비교함으로써 결함 형상을 추정할 수도 있다.
이상 설명한 본 실시형태에 관련된 초음파 탐상 방법 및 초음파 탐상 장치 (1) 에 의하면, 초음파 탐촉자 (11) 의 지향성으로부터 산출된 예상 음압을 사용함으로써, 검사재 내부의 결함 형상을 추정할 수 있다. 이로써, 검사재 내부의 결함이 존재하는 범위가 명확해져, 보다 고품질인 제품의 제조나 수율의 향상이 가능해진다.
이상, 본 발명자들에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 실시형태에 의한 본 발명의 개시의 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 경우는 없다.
예를 들어, 본 발명을 강재의 제조 설비를 구성하는 검사 장치로서 적용할 수 있다. 구체적으로는, 공지 또는 기존의 강재의 제조 설비에 의해 제조된 강재의 내부를, 본 발명에 관련된 초음파 탐상 장치 (1) 로 검사하여 탐상하도록 해도 된다. 또, 본 발명을 강재의 제조 방법에 포함되는 검사 스텝으로서 적용할 수 있다. 구체적으로는, 공지 또는 기존의 강재의 제조 스텝에 있어서 제조된 강재의 내부를, 본 발명에 관련된 초음파 탐상 방법으로 검사하여 탐상하도록 해도 된다. 이와 같은 강재의 제조 설비 및 강재의 제조 방법에 의하면, 강재를 양호한 수율로 제조할 수 있다.
또한 본 발명을 강재의 품질 관리 방법에 적용하고, 강재의 내부를 검사하여 탐상함으로써 강재의 품질 관리를 실시하도록 해도 된다. 구체적으로는, 본 발명에서 강재의 내부를 탐상 스텝에서 탐상하고, 탐상 스텝에서 얻어진 탐상 결과로부터 강재의 품질 관리를 실시할 수 있다. 탐상 스텝에서는, 강재 내부의 결함을 찾아, 결함의 유무, 결함 위치, 결함 사이즈 등에 대한 결과를 얻는다. 다음으로 계속되는 품질 관리 스텝에서는, 탐상 스텝에 의해 얻어진, 결함의 유무, 결함 위치, 결함 사이즈에 관한 결과에 기초하여, 제조된 강재가 미리 지정된 기준을 만족하고 있는지의 여부를 판정하여, 강재의 품질을 관리한다. 이와 같은 강재의 품질 관리 방법에 의하면, 고품질의 강재를 제공할 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시형태, 실시예, 및 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
1 : 초음파 탐상 장치
11 : 초음파 탐촉자
12 : 프로브 헤드
13 : 가대
14 : 회전 구동 장치
15 : 펄서
16 : 리시버
17 : A/D 컨버터
18 : 기록 장치
19 : 신호 처리 장치
20 : 표시 장치
21 : 겉보기 초음파 탐촉자
F : 무지향성 결함
Fd : 지향성 결함
RB : 환봉체 (검사재)
11 : 초음파 탐촉자
12 : 프로브 헤드
13 : 가대
14 : 회전 구동 장치
15 : 펄서
16 : 리시버
17 : A/D 컨버터
18 : 기록 장치
19 : 신호 처리 장치
20 : 표시 장치
21 : 겉보기 초음파 탐촉자
F : 무지향성 결함
Fd : 지향성 결함
RB : 환봉체 (검사재)
Claims (8)
- 초음파 탐촉자로부터 검사재에 초음파 신호를 송신하고, 상기 검사재의 내부에서 반사된 초음파 신호를 반사 신호로서 상기 초음파 탐촉자에 있어서 수신함으로써, 상기 검사재의 내부를 검사하는 초음파 탐상 방법으로서,
상기 검사재와 상기 초음파 탐촉자의 위치를 변화시키면서, 상기 반사 신호를 상기 초음파 탐촉자에서 수신하는 수신 스텝과,
상기 수신 스텝에서 수신된 상기 반사 신호로부터, 상기 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는 추출 스텝과,
상기 추출 스텝에서 추출된 상기 결함 신호의 강도로부터 얻어지는 수신 음압에 기초하여 상기 결함의 지향성의 유무를 판정하고, 예상 음압과, 상기 수신 음압으로부터, 상기 결함의 형상을 추정하는 결함 형상의 추정 스텝을 포함하고,
상기 예상 음압은, 상기 초음파 탐촉자의 초음파 지향성으로부터 예상되고, 가상 결함의 결함 형상에 대하여 산출되고, 판정된 상기 결함의 지향성의 유무에 맞춘 결함 신호의 강도인, 초음파 탐상 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 결함 형상의 추정 스텝은, 상기 예상 음압과 상기 초음파 탐촉자에서 수신된 각 위치 관계에 있어서의 상기 수신 음압의 상관을 사용하여, 상기 결함의 형상 및 깊이를 추정하는, 초음파 탐상 방법. - 삭제
- 초음파 탐촉자로부터 검사재에 초음파 신호를 송신하고, 상기 검사재의 내부에서 반사된 초음파 신호를 반사 신호로서 상기 초음파 탐촉자에 있어서 수신함으로써, 상기 검사재의 내부를 검사하는 초음파 탐상 장치로서,
상기 검사재와 상기 초음파 탐촉자의 위치를 변화시키면서, 상기 반사 신호를 수신하는 수신 수단과,
상기 수신 수단에서 수신된 상기 반사 신호로부터, 상기 검사재 중의 결함으로부터의 반사인 결함 신호를 추출하는 추출 수단과,
상기 초음파 탐촉자의 초음파 지향성으로부터 예상되고, 가상 결함의 결함 형상에 대하여 산출된 결함 신호의 강도인 예상 음압을 산출하는 예상 음압 산출 수단과,
상기 추출 수단에 의하여 추출된 상기 결함 신호의 강도로부터 얻어지는 수신 음압에 기초하여 상기 결함의 지향성의 유무를 판정하고, 판정된 상기 결함의 지향성의 유무에 맞춘 상기 예상 음압과, 상기 수신 음압으로부터, 상기 결함의 형상을 추정하는 결함 형상의 추정 수단을 구비하는 초음파 탐상 장치. - 강재를 제조하는 제조 설비와,
상기 제조 설비에 의해 제조된 상기 강재의 내부를 검사하는 제 5 항에 기재된 초음파 탐상 장치를 구비하는 강재의 제조 설비. - 강재를 제조하는 제조 스텝과,
제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 초음파 탐상 방법에 의해, 상기 제조 스텝에 있어서 제조된 강재의 내부를 탐상하는 탐상 스텝을 포함하는 강재의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 초음파 탐상 방법에 의해, 강재의 내부를 탐상하는 탐상 스텝과,
상기 탐상 스텝에 의해 얻어진 탐상 결과로부터 상기 강재의 품질 관리를 실시하는 품질 관리 스텝을 포함하는 강재의 품질 관리 방법.
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