WO2007110900A1 - 欠陥検査装置及び欠陥検査方法 - Google Patents

欠陥検査装置及び欠陥検査方法 Download PDF

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WO2007110900A1
WO2007110900A1 PCT/JP2006/305978 JP2006305978W WO2007110900A1 WO 2007110900 A1 WO2007110900 A1 WO 2007110900A1 JP 2006305978 W JP2006305978 W JP 2006305978W WO 2007110900 A1 WO2007110900 A1 WO 2007110900A1
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Hiroaki Hatanaka
Nobukazu Ido
Minoru Tagami
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Ihi Corporation
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    • G01N2291/2693—Rotor or turbine parts

Definitions

  • the present invention relates to a defect inspection apparatus and a defect inspection method.
  • Metal parts exposed to high temperature and high stress such as boiler tubes and gas turbine engine rotor blades, may suffer voids or cracks due to fatigue failure or creep damage due to aging There is.
  • metal parts used in reforming plant pipes that produce mixed gas containing hydrogen by reforming natural gas or the like may cause defects such as voids and cracks due to hydrogen erosion. Inspecting the degree of progress of these defects and accurately predicting the remaining life of metal parts is very important in planning the timing of inspection and replacement of the metal parts.
  • FIG. 12 (a) shows an example of a noise signal detected when an ultrasonic wave is incident on an early metal part in which no defect has occurred.
  • W1 is an ultrasonic wave incident signal
  • WN is a noise signal
  • W2 is a bottom surface reflection signal detected by the reflected ultrasonic wave reflected from the bottom surface (back surface) of the metal part.
  • Figure 12 (b) shows the noise signal WN detected in this way, cut out in the time window corresponding to the time width Tg. This is a frequency spectrum obtained by FFT processing of the obtained signal.
  • FIG. 13 (a) shows an example of the noise signal WN detected when an ultrasonic wave is incident on a metal part for which a predetermined operating time has elapsed.
  • FIG. 13 (b) shows a frequency spectrum obtained by cutting out the noise signal WN detected in this way through a time window corresponding to the time Tg and subjecting the cut signal to FFT processing.
  • a characteristic curve indicating the relationship (hereinafter referred to as a remaining life curve).
  • the life consumption rate is the ratio of the time t elapsed from the operation start time of the metal part to the creep rupture life t.
  • Specified operating time has elapsed f
  • the lifetime consumption rate of the product is about 85% based on Fig. 14 above. Therefore, the remaining life is predicted to be 15% of the creep rupture life t.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 1646031
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is generated inside a material to be inspected.
  • the purpose is to quantitatively evaluate the distribution of defects.
  • an ultrasonic probe and a predetermined propagation medium via the ultrasonic probe are provided.
  • Ultrasonic transmission / reception means for receiving ultrasonic waves as noise signals while ultrasonic waves are incident on the surface of the material to be inspected provided with a defect existing inside the material to be inspected, and the noise signal Frequency spectrum calculating means for time-division by a time width corresponding to the position in the depth direction of the material to be inspected, and calculating a frequency spectrum for each time-divided noise signal, and based on the frequency spectrum Therefore, a means is used which comprises defect distribution detecting means for calculating a value indicating the degree of progress of the defect corresponding to the position in the depth direction of the material to be inspected.
  • the ultrasonic probe is moved along the surface of the material to be inspected.
  • the probe further comprises an ultrasonic probe driving means for lowering the ultrasonic probe toward the surface and contacting the surface, wherein the defect distribution detecting means is For each inspection position, a value indicating the degree of progress of the defect corresponding to the position in the depth direction of the material to be inspected is calculated, and two-dimensional distribution data of the value indicating the degree of progress of the defect is generated.
  • the ultrasonic probe is placed on the surface of the material to be inspected via the propagation medium. When contacting, it is characterized by rotating in the in-plane direction of the surface of the material to be inspected.
  • the ultrasonic transmission / reception means includes: an ultrasonic probe;
  • the ultrasonic wave reflected from the bottom surface is received as a bottom surface reflection signal, and based on the intensity of the bottom surface reflection signal, it is determined whether or not the ultrasonic wave is correctly incident on the material to be inspected. It further comprises a determining means.
  • the ultrasonic wave is detected in accordance with a time width in which the noise signal is time-divided in the first solving means.
  • Set frequency It is characterized by.
  • the first solving means is based on a value indicating the degree of progress of the defect. It further comprises a destruction life judging means for judging the destruction life of the inspection material.
  • an ultrasonic wave is incident on the surface of the material to be inspected via a predetermined propagation medium and exists inside the material to be inspected.
  • the ultrasonic wave scattered by the defect is detected as a noise signal, the detected noise signal is time-divided by a time width corresponding to the position in the depth direction of the material to be inspected, and each time-divided noise signal is detected.
  • a means is used in which a frequency spectrum is calculated, and a value indicating the degree of progress of defects corresponding to the position in the depth direction of the material to be inspected is calculated based on the frequency spectrum.
  • the first solution means an ultrasonic wave is incident at each inspection position on the surface of the material to be inspected, and the inspection position A value indicating the degree of progress of a defect corresponding to a position in the depth direction of the material to be inspected is calculated every time, and two-dimensional distribution data of a value indicating the degree of progress of the defect is generated.
  • the third solving means relating to the defect inspection method the first solution described above is used.
  • the propagation medium is an oil having a density of 1 (g / cm 3 ) or less and a kinematic viscosity of 100 (mm 2 Zs) or less.
  • the fourth solving means related to the defect inspection method the first solution described above is used.
  • the ultrasonic wave reflected from the bottom surface of the material to be inspected is detected as a bottom surface reflected signal, and the ultrasonic wave is correctly incident on the material to be inspected based on the intensity of the bottom surface reflected signal. It is characterized by determining whether or not the force.
  • the ultrasonic signal is time-divided according to a time width. It is characterized by setting the frequency.
  • the first solution means is based on a value indicating the degree of progress of the defect. Destruction life of inspection materials It is characterized by determining.
  • an ultrasonic wave is incident on the surface of a material to be inspected via a predetermined propagation medium, and the ultrasonic wave scattered by a defect existing inside the material to be inspected is used as a noise signal.
  • Detecting time-dividing the noise signal by a time width corresponding to a position in the depth direction of the material to be inspected, calculating a frequency spectrum for each time-divided noise signal, and based on the frequency spectrum Since the value indicating the degree of progress of the defect corresponding to the position in the depth direction of the material to be inspected is calculated, the defect distribution in the depth direction of the material to be inspected can be quantitatively evaluated.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a defect inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a detailed view around the ultrasound probe 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a detailed view showing a contact state of the ultrasonic probe 1 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a defect distribution detection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a defect distribution detected by a defect inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the characteristics of ultrasonic waves used in the defect inspection apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a defect distribution detected when an ultrasonic wave having a frequency band of 4 to 8 (MHz) is used in the defect inspection apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a defect distribution detected when an ultrasonic wave having a frequency band of 4 to 20 (MHz) is used in the defect inspection apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a defect distribution detected when an ultrasonic wave having a frequency band of 10 to 20 (MHz) is used in the defect inspection apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a defect distribution detected when an ultrasonic wave having a frequency band of 15 to 20 (MHz) is used in the defect inspection apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the lifetime consumption rate and the parameter indicating the scattered wave intensity when ultrasonic waves having respective frequency bands are used.
  • FIG. 12 is a first explanatory diagram showing a conventional defect detection method.
  • FIG. 13 is a second explanatory diagram showing a conventional defect detection method.
  • FIG. 14 is a third explanatory diagram showing a conventional defect detection method.
  • FIG. 1 is a configuration block diagram of a defect evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • This defect evaluation apparatus quantitatively evaluates the distribution of defects caused by tape damage inside the metal part (inspected material) R having welds R1 and R2.
  • the defect evaluation apparatus includes an ultrasonic probe 1, a probe driving unit 2, and an ultrasonic probe.
  • the acoustic wave transmission / reception unit 3, the AZD converter 4, the frequency spectrum calculation unit 5, the defect distribution detection unit 6, the image processing unit 7, the control unit 8, the storage unit 9, and the display unit 10 are included.
  • the ultrasonic probe 1 is a frequency band of 4 to 20 MHz input from the ultrasonic transmission / reception unit 3.
  • the ultrasonic wave having a region is incident on the surface of the material R to be inspected through a predetermined contact medium, while being scattered by defects such as voids and cracks existing inside the material R to be inspected (scattering).
  • the ultrasonic probe 1 is mechanically connected to the probe driving unit 2 and moved by the probe driving unit 2 in the X-axis direction, that is, along the surface of the material R to be measured. On the other hand, it moves up and down in the Z-axis direction, that is, in the direction perpendicular to the surface of the material R to be inspected.
  • FIG. 2 shows the detailed configuration of the periphery of the ultrasonic probe 1.
  • the ultrasonic probe 1 is gripped by a probe holder la, and the probe holder la is rotatably connected to a scanning unit connecting jig lc via a connection screw lb. .
  • the scanning part connecting jig lc is connected to a movable part (not shown) of the probe driving part 2 in the X and Z axis directions.
  • the contact medium C has a predetermined thickness on the surface of the material R to be inspected. It has been applied.
  • the contact medium C is preferably one having a low viscosity. For example, it is preferable to use an oil having a density of 1 (g / cm 3 ) or less and a kinematic viscosity of 100 (mmVs) or less.
  • the probe driving unit 2 is controlled under the control of the control unit 8.
  • the ultrasonic transmission / reception unit 3 generates an ultrasonic wave having a frequency band of 4 to 20 MHz under the control of the control unit 8 and outputs the ultrasonic wave to the ultrasonic probe 1 at a predetermined timing, while the ultrasonic probe 1
  • the received scattered wave and bottom reflected wave are detected, and an incident signal Wl indicating the incident ultrasonic wave, a noise signal WN indicating the scattered wave, and a bottom reflected signal W2 indicating the bottom reflected wave are output to the AZD converter 4 .
  • the AZD converter 4 includes the incident signal Wl and the noise signal W which are analog signals.
  • N and bottom reflection signal W2 are converted into digital signals and output to frequency spectrum calculation unit 5. Further, the AZD converter 4 outputs the bottom surface reflection signal W2 converted into a digital signal to the control unit 8.
  • the frequency spectrum calculation unit 5 performs the FFT processing of the noise signal WN based on the incident signal Wl, the noise signal WN, and the bottom reflection signal W2 converted into digital signals by the AZD converter 4! Information indicating the obtained frequency spectrum is output to the defect distribution detector 6.
  • the frequency spectrum calculation unit 5 determines the time width Tg from the time when the incident signal W1 is incident until the bottom surface reflected signal W2 is received as a plurality of time widths Tgl to The frequency spectrum is calculated by performing FFT processing for each of the noise signals WN1 to WNn divided into Tgn and cut out by the time windows corresponding to the divided time widths Tgl to Tgn.
  • the defect distribution detection unit 6 determines the frequency spectrum area value (S 1 to Sn) for each noise signal WNl to WNn. And calculated the area value (S 1 to Sn) by experimentation in advance.
  • the image processing unit 7 corresponds to the noise signals WNl to WNn (that is, each divided time width Tg 1) based on the vector area ratio for each of the noise signals WNl to WNn input from the defect distribution detection unit 6.
  • Image data indicating the relationship between the position in the depth direction of the material R to be inspected (corresponding to Tgn) and the spectral area ratio is generated and output to the control unit 8.
  • the image processing unit 7 is related to the depth direction and the X-axis direction of the material R to be inspected. Generate image data showing the distribution of the dimensional spectral area ratio.
  • the control unit 8 controls the overall operation of the present defect inspection apparatus based on a control program stored in the storage unit 9, and an ultrasonic probe by the probe driving unit 2 is used. While controlling the movement of the transducer 1 in the X-axis direction, the vertical movement in the Z-axis direction, the incidence of ultrasonic waves by the ultrasonic transmission / reception unit 3, etc., the image data input from the image processing unit 7 is stored in the storage unit 9. A display signal for displaying the image data is generated and output to the display unit 10 while being stored. Although details will be described later, the control unit 8 performs a coupling check based on the bottom surface reflection signal W2 input from the AZD converter 4.
  • the storage unit 9 stores a control program, image data, and other various data used by the control unit 8.
  • the display unit 10 displays an image showing the distribution of the two-dimensional spectral area ratio in the depth direction and the X-axis direction of the material R to be inspected based on the display signal input by the control unit 8.
  • Coupling check refers to whether or not the ultrasonic wave is correctly incident when the ultrasonic probe 1 is brought into contact with the surface of the material R to be inspected, to which the contact medium C has been applied in advance in order to make the ultrasonic wave incident. This is a process for judging the above.
  • the control unit 8 performs super-contact so as to contact the surface of the material R to be inspected via the contact medium C.
  • the probe driving unit 2 is controlled so that the acoustic probe 1 is lowered in the Z-axis direction.
  • the ultrasonic probe 1 is further lowered in the Z-axis direction by a certain distance. By doing so, as shown in FIG. 3, the distance between the probe holder la and the scanning section connecting jig lc is set.
  • the connecting screw lb rotates together with the probe holder la.
  • the contact medium C is well adapted to the contact surface of the ultrasonic probe 1, the air between the ultrasonic probe 1 and the material R to be inspected can be removed, and the ultrasonic wave can be incident correctly. it can.
  • connection screw lb It is desirable to provide a mechanism for returning the probe holder 1a to the original state.
  • the density of the contact medium C for propagating ultrasonic waves is
  • Use oil with l (g / cm 3 ) or less and kinematic viscosity of 100 (mm 2 Zs) or less In general, in non-destructive inspection using ultrasonic waves, a contact medium having a relatively high viscosity such as glycerin paste was used. This is because the higher the density and viscosity of the contact medium, the better the transmission efficiency of the ultrasonic wave, so that the incident intensity of the ultrasonic wave on the material to be inspected can be kept high, and as a result, the influence of noise due to disturbance is reduced. This is because it is possible.
  • the distance between the ultrasonic probe 1 and the surface of the material R to be inspected varies depending on the position where the ultrasonic wave is incident. It's easy to do. In other words, the incident intensity varies greatly depending on the position where the ultrasonic wave is incident, making it difficult to accurately detect the defect.
  • this defect inspection apparatus quantitatively detects minute defects caused by tape damage, the distance between the ultrasonic probe 1 and the surface of the material R to be inspected must be kept minimal and constant. There is. Therefore, by using the low-density and low-viscosity oil as described above, a uniform contact medium with a small film thickness can be formed, and defects can be accurately detected.
  • control unit 8 As described above, when the ultrasonic probe 1 is brought into contact with the surface of the material to be inspected, the control unit 8
  • the ultrasonic transmission / reception unit 3 is controlled, and ultrasonic waves are incident on the inside of the material to be inspected via the ultrasonic probe 1.
  • the incident ultrasonic waves are scattered by defects existing inside the material R to be inspected, and the ultrasonic probe 1 receives scattered waves generated by the scattering.
  • the ultrasonic wave (bottom reflected wave) reflected by the bottom surface (back surface) of the material to be inspected R is super high. Received by acoustic probe 1.
  • the ultrasonic transmission / reception unit 3 detects the scattered wave and the bottom reflected wave received by the ultrasonic probe 1, and the incident signal Wl indicating the incident ultrasonic wave, the noise signal WN indicating the scattered wave, and the bottom surface reflection.
  • Figure 4 shows the incident signal Wl, noise signal WN, and bottom reflection signal W2.
  • the AZD converter 4 outputs the bottom surface reflection signal W2 converted into a digital signal to the control unit 8.
  • the control unit 8 compares the amplitude of the bottom surface reflection signal W2 with a predetermined threshold value. When the amplitude is smaller than the threshold value, the control unit 8 determines that the ultrasonic wave is not correctly incident, and displays the determination result on the display unit 10. To inform the user that a coupling error has occurred. Then, the control unit 8 controls the probe driving unit 2 to move the ultrasonic probe 1 in the X-axis direction and detect the bottom surface reflection signal W2 again. When the ultrasonic probe 1 is moved in the X-axis direction, it is desirable to move the ultrasonic probe 1 after raising the surface force Z of the material R to be inspected once in the Z-axis direction.
  • control unit 8 compares the amplitude of the bottom surface reflection signal W2 with a predetermined threshold, and determines that the ultrasonic wave is correctly incident if the amplitude is equal to or greater than the threshold.
  • the defect inspection described below is started.
  • the control unit 8 controls the ultrasonic transmission / reception unit 3. Then, an ultrasonic wave is incident from the ultrasonic probe 1 into the material R to be inspected.
  • the ultrasonic transmission / reception unit 3 detects the scattered wave and bottom reflected wave received by the ultrasonic probe 1, and includes an incident signal W1 indicating the incident ultrasonic wave as shown in FIG. 4, a noise signal WN indicating the scattered wave,
  • the bottom reflection signal W2 indicating the bottom reflection wave is output to the AZD converter 4.
  • the AZD converter 4 converts the incident signal Wl, noise signal WN, and bottom surface reflection signal W2, which are analog signals, into digital signals and outputs them to the frequency spectrum calculation unit 5.
  • the frequency spectrum calculation unit 5 performs FFT processing on the noise signal WN based on the incident signal Wl, the noise signal WN, and the bottom reflection signal W2 digitally input by the AZD converter 4! Then, information indicating the frequency spectrum obtained from the FFT processing is output to the defect distribution detection unit 6. More specifically, the frequency spectrum calculation unit 5 calculates a time width Tg (see FIG. 4) from when the incident signal W1 is incident until the force bottom reflection signal W2 is received, to a plurality of time widths Tg 1 to Tgn. The frequency spectrum is calculated by performing FFT processing for each noise signal WN1 to WNn cut out by the time window corresponding to each divided time width Tg1 to Tgn.
  • Each of the divided time widths Tgl to Tgn corresponds to the position in the depth direction of the material R to be inspected.
  • the propagation speed of ultrasonic waves inside the material R to be inspected is assumed to be 5.95 (mm / ⁇ s) (general steel If the distance of lmm is converted into a time width, the following equation (1) is obtained.
  • each of the time widths Tgl to Tgn is obtained by equally dividing the time width Tg by 0.34 ( ⁇ s).
  • the time width Tg is divided into time widths Tgl to Tgn, and FFT processing is performed for each noise signal WN1 to WNn cut out in the time window corresponding to each time width Tgl to Tgn.
  • a frequency spectrum as shown in FIG. 13 (b) can be obtained at every lmm pitch with respect to the depth direction of the material R to be inspected.
  • the defect distribution detection unit 6 determines the frequency spectrum area value (S1 to Sn) for each of the divided noise signals WNl to WNn. ) And calculate the area value (S1 ⁇ Sn)
  • the toll area ratios Pl to Pn are output to the image processing unit 7.
  • Such a spectral area ratio is a value indicating the degree of progress of defects.
  • the image processing unit 7 corresponds to each noise signal WN1 to WNn (that is, corresponding to each divided time width Tgl to Tgn) based on the spectral area ratio Pl to Pn.
  • Image data showing the relationship between the position in the depth direction and the spectral area ratios P1 to Pn.
  • the image data indicates the relationship between the position in the depth direction of the material R to be inspected at the inspection position at a certain coordinate on the X axis and the spectral area ratio Pl to Pn.
  • the control unit 8 controls the probe driving unit 2 to move the ultrasonic probe 1 by a certain distance (for example, about several mm) in the X-axis direction (scanning direction).
  • image data is generated again by detecting the relationship between the position in the depth direction of the material R to be inspected in the X-axis coordinates and the spectral area ratios P 1 to Pn.
  • the distribution of the spectral area ratio that is, the distribution of defects, where the vertical axis is the position in the depth direction of the material R to be inspected and the horizontal axis is the X-axis coordinate, as shown in FIG. 5, is shown.
  • Image data can be obtained.
  • the control unit 8 generates a display signal for displaying the image data as described above and outputs the display signal to the display unit 10.
  • the display unit 10 determines the depth direction of the material R to be inspected and the display signal based on the display signal. An image showing the distribution of the two-dimensional spectral area ratio (defect distribution) in the X-axis direction is displayed.
  • Fig. 5 shows the distribution of defects from the operation start time (initial state) of the material R to be inspected until creep rupture (lifetime consumption rate 100%), and the value of the spectral area ratio is large.
  • the part that is, the degree of progress of the defect is large
  • the part is indicated by a pattern having a higher numerical value.
  • numbers from 1 (low progress) to 8 (high progress) are assigned according to the progress of defects.
  • the ultrasonic wave has a center frequency of 12 (MHz) and a frequency that decreases by 20 (dB) with respect to the peak intensity is 4, 20 (MHz), that is, 4 to 20 (MHz) frequency band.
  • the reason for using such supersonic waves will be explained below.
  • the time width Tg must be equally divided by 0.34 (s).
  • FIG. 7 shows the case where an ultrasonic wave having a frequency band of 4 to 8 (MHz) is used.
  • Fig. 8 shows the case where an ultrasonic wave having a frequency band of 4 to 20 (MHz) is used.
  • Fig. 10 shows the creep of the starting time force of the material R to be inspected when using ultrasonic waves having a frequency band of 15-20 (MHz). It shows the distribution of defects leading to destruction (lifetime consumption rate 100%).
  • FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the lifetime consumption rate and the parameter indicating the scattered wave intensity when ultrasonic waves having respective frequency bands are used.
  • the distribution of defects generated in the inspection material R is quantitatively evaluated.
  • the present invention is not limited to this, and based on the evaluation result of such a distribution of defects.
  • a configuration may be provided that includes a function (destructive life judging means) for predicting the remaining life of the material R to be inspected.
  • the remaining life curve force shown in FIG. 14 can predict the remaining life as in the past.
  • the defect distribution for each lmm is detected in the depth direction of the material R to be inspected.
  • the present invention is not limited to this, and the defect detection pitch in the depth direction is appropriately changed. It is possible. However, when changing the defect detection pitch in the depth direction, it is necessary to adjust the frequency of the ultrasonic wave used and the division time width of the time width Tg according to the change.

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Abstract

　本発明は、被検査材料の内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価することを目的とする。 　本発明では、この目的を達成するために、超音波探触子と、当該超音波探触子を介して、所定の伝播媒質が設けられた被検査材料の表面に超音波を入射する一方、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として受信する超音波送受信手段と、前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出手段と、前記周波数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する欠陥分布検出手段とを具備する。 　  　  　  　  　  　  　  　  　  　  　  　  　 

Description

欠陥検査装置及び欠陥検査方法
技術分野
[0001] 本発明は、欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関するものである。
背景技術
[0002] ボイラー管やガスタービンエンジンの動翼等、高温.高応力に曝される金属部品で は、経年劣化による疲労破壊やクリープ損傷によって空孔 (ボイド)やクラック等の欠 陥が生じる恐れがある。また、天然ガス等を改質することによって水素を含む混合ガ スを生成する改質工場の配管に使用される金属部品では、水素侵食によってボイド やクラック等の欠陥が生じる恐れがある。これら欠陥の進行度を検査し、金属部品の 余寿命を正確に予測することは、当該金属部品の検査や交換等の時期を計画する 上で非常に重要である。
[0003] 例えば、特許第 1646031号公報には、検査対象となる金属部品の表面力も超音 波を入射し、金属部品内部に存在する欠陥によって生じる超音波の散乱波をノイズ 信号として検出することで、欠陥の進行度を定量的に検査する技術が開示されてい る。また、欠陥の進行度と金属部品の余寿命との間には密接な関係があるため、欠 陥の進行度力も金属材料の余寿命を予測することができる。
[0004] 具体的には、欠陥が発生していない初期の金属部品に超音波を入射した場合に 検出されるノイズ信号を FFT処理して得られる周波数スペクトルの面積値 Sと、所定
0 の稼動時間が経過した金属部品に超音波を入射した場合に検出されるノイズ信号を
FFT処理して得られる周波数スペクトルの面積値 S との比 (スペクトル面積比 S ZS
X X 0
)を欠陥の進行度として求める。
[0005] 図 12 (a)は、欠陥が発生していない初期の金属部品に超音波を入射した場合に検 出されるノイズ信号の一例を示すものである。なお、この図において、符号 W1は超 音波の入射信号、 WNはノイズ信号、 W2は入射された超音波が金属部品の底面（ 裏面)で反射し、表面にて検出された底面反射信号である。図 12 (b)は、このように 検出されたノイズ信号 WNを時間幅 Tgに相当する時間窓で切り取り、当該切り取つ た信号を FFT処理して得られた周波数スペクトルである。図 13 (a)は、所定の稼動時 間が経過した金属部品に超音波を入射した場合に検出されるノイズ信号 WNの一例 を示すものである。この図に示すように、ある程度稼動時間が経過すると、欠陥が多く 発生するので、検出されるノイズ信号 WNも大きくなる。図 13 (b)は、このように検出さ れたノイズ信号 WNを、時間 Tgに相当する時間窓で切り取り、当該切り取った信号を FFT処理して得られる周波数スペクトルである。
[0006] つまり、図 12 (b)に示す周波数スペクトルの面積値 Sと、図 13 (b)に示す周波数ス
0
ベクトルの面積値 S との比がスペクトル面積比 S ZSである。一方、図 14は、事前
X X 0
に実験により求めておいたスペクトル面積比 s 属部品の寿命消費率との関
X Zsと金
0
係を示す特性曲線 (以下、余寿命曲線という）の一例である。ここで、例えばクリープ 損傷に関する余寿命曲線を想定した場合、寿命消費率とは、金属部品の稼動開始 時刻から経過した時間 tと、クリープ破断寿命 tとの比である。所定の稼動時間が経過 f
した金属部品に対して、スペクトル面積比 S ZS = 1. 5が得られたとすると、金属部
X 0
品の寿命消費率は、上記図 14に基づいて約 85%となることがわかる。よって、余寿 命はクリープ破断寿命 tの 15%であると予測される。
f
特許文献 1：特許第 1646031号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 確かに、上記従来技術では、欠陥の進行度を定量的に評価でき、欠陥の進行度と 金属部品の寿命消費率との関係に基づいて、金属部品の余寿命を予測することが できる。し力しながら、従来では金属部品の板厚方向全体に対して欠陥の進行度を 定量的に評価するものであり、板厚方向に対してどの部分に大きな欠陥が発生して いるのか、つまり板厚方向に対する欠陥の分布を定量的に評価するものではなかつ た。
[0008] このように、金属部品の内部に発生する欠陥の分布を定量的に評価することは、欠 陥の発生力 金属部品の破壊に至るまでのプロセスを調査する上で非常に重要であ る。
[0009] 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、被検査材料の内部に発生 する欠陥の分布を定量的に評価することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010] 上記目的を達成するために、本発明では、欠陥検査装置に係る第 1の解決手段と して、超音波探触子と、当該超音波探触子を介して、所定の伝播媒質が設けられた 被検査材料の表面に超音波を入射する一方、前記被検査材料の内部に存在する欠 陥によって散乱した超音波をノイズ信号として受信する超音波送受信手段と、前記ノ ィズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当 該時分割したノイズ信号毎に周波数スぺ外ルを算出する周波数スペクトル算出手段 と、前記周波数スペクトルに基づ 、て前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する 欠陥の進行度を示す値を算出する欠陥分布検出手段とを具備する、という手段を採 用する。
[0011] また、本発明では、欠陥検査装置に係る第 2の解決手段として、上記第 1の解決手 段において、前記超音波探触子を前記被検査材料の表面に沿って移動させると共 に、前記被検査材料の表面における検査位置毎に、前記超音波探触子を表面に向 かって下降させて当該表面に接触させる超音波探触子駆動手段をさらに備え、前記 欠陥分布検出手段は、前記検査位置毎に、被検査材料の深さ方向の位置に対応す る欠陥の進行度を示す値を算出し、当該欠陥の進行度を示す値の 2次元分布デー タを生成することを特徴とする。
[0012] また、本発明では、欠陥検査装置に係る第 3の解決手段として、上記第 2の解 決手段において、前記超音波探触子を、前記伝播媒質を介して被検査材料の表面 に接触させる際に、被検査材料表面の面内方向に回転させることを特徴とする。
[0013] また、本発明では、欠陥検査装置に係る第 4の解決手段として、上記第 1の解 決手段において、前記超音波送受信手段は、超音波探触子を介して、被検査材料 の底面で反射した超音波を底面反射信号として受信し、前記底面反射信号の強度 に基づ!/ヽて、超音波が前記被検査材料に正しく入射されて ヽるカゝ否かを判定する判 定手段をさらに備えることを特徴とする。
[0014] また、本発明では、欠陥検査装置に係る第 5の解決手段として、上記第 1の解決手 段にお 1、て、前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設 定することを特徴とする。
[0015] また、本発明では、欠陥検査装置に係る第 6の解決手段として、上記第 1の解決手 段にお 1ヽて、前記欠陥の進行度を示す値に基づ!ヽて前記被検査材料の破壊寿命を 判定する破壊寿命判定手段をさらに備えることを特徴とする。
[0016] 一方、本発明では、欠陥検査方法に係る第 1の解決手段として、被検査材料の表 面に所定の伝播媒質を介して超音波を入射して、前記被検査材料の内部に存在す る欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として検出し、当該検出した前記ノイズ 信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割し、当該時 分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出し、当該周波数スペクトルに基づ ヽ て前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す値を算出する 、という手段を採用する。
[0017] また、本発明では、欠陥検査方法に係る第 2の解決手段として、上記第 1の解決手 段において、前記被検査材料の表面における検査位置毎に超音波を入射し、前記 検査位置毎に前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度を示す 値を算出し、前記欠陥の進行度を示す値の 2次元分布データを生成することを特徴 とする。
[0018] また、本発明では、欠陥検査方法に係る第 3の解決手段として、上記第 1の解
決手段において、前記伝播媒質は、密度 l(g/cm3)以下、動粘度 100 (mm2Zs)以下 の油であることを特徴とする。
[0019] また、本発明では、欠陥検査方法に係る第 4の解決手段として、上記第 1の解
決手段にお ヽて、被検査材料の底面で反射した超音波を底面反射信号として検出 し、前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射さ れて 、る力否かを判定することを特徴とする。
[0020] また、本発明では、欠陥検査方法に係る第 5の解決手段として、上記第 1の解決手 段にお 1、て、前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設 定することを特徴とする。
[0021] また、本発明では、欠陥検査方法に係る第 6の解決手段として、上記第 1の解決手 段にお 1ヽて、前記欠陥の進行度を示す値に基づ!ヽて前記被検査材料の破壊寿命を 判定することを特徴とする。
発明の効果
[0022] 本発明によれば、被検査材料の表面に所定の伝播媒質を介して超音波を入射し て、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号と して検出し、前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間 幅で時分割し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出し、当該周波 数スペクトルに基づいて前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行 度を示す値を算出するので、被検査材料の深さ方向の欠陥分布を定量的に評価す ることが可能である。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置の構成ブロック図である。
[図 2]本発明の一実施形態に係る超音波探触子 1周辺の詳細図である。
[図 3]本発明の一実施形態に係る超音波探触子 1の接触状態を示す詳細図である。
[図 4]本発明の一実施形態に係る欠陥分布の検出方法を示す説明図である。
[図 5]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置によって検出した欠陥分布の模式 図である。
[図 6]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置で使用する超音波の特性を示す説 明図である。
[図 7]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、 4〜8 (MHz)の周波数帯 域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。
[図 8]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、 4〜20 (MHz)の周波数 帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。
[図 9]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、 10〜20 (MHz)の周波数 帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。
[図 10]本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置において、 15〜20 (MHz)の周波 数帯域を有する超音波を使用した場合に検出した欠陥分布の模式図である。
[図 11]各周波数帯域を有する超音波を使用した場合における、寿命消費率と散乱波 強度を示すパラメータとの関係を示す特性図である。 [図 12]従来の欠陥検出方法を示す第 1説明図である。
[図 13]従来の欠陥検出方法を示す第 2説明図である。
[図 14]従来の欠陥検出方法を示す第 3説明図である。
符号の説明
[0024] 1…超音波探触子、 2…探触子駆動部、 3…超音波送受信部、 4 AZDコン
バータ、 5…周波数スペクトル算出部、 6…欠陥分布検出部、 7…画像処理部、 8· ·· 制御部、 9…記憶部、 10…表示部
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図 1は、本発明の実施形態に係る欠陥評価装置の構成ブロック図である。なお、本 欠陥評価装置は、溶接部 R1及び R2を有する金属部品 (被検査材料) Rの内部にタリ ープ損傷によって発生する欠陥の分布を定量的に評価するものである。
[0026] 図 1に示すように、本欠陥評価装置は、超音波探触子 1、探触子駆動部 2、超
音波送受信部 3、 AZDコンバータ 4、周波数スペクトル算出部 5、欠陥分布検 出部 6、画像処理部 7、制御部 8、記憶部 9及び表示部 10から構成されている。
[0027] 超音波探触子 1は、超音波送受信部 3から入力される 4〜20MHzの周波数帯
域を有する超音波を、被検査材料 Rの表面に対し、所定の接触媒質を介して入射 する一方、被検査材料 Rの内部に存在するボイドやクラック等の欠陥によって散 乱した超音波 (散乱波)、及び被検査材料 Rの底面 (裏面）によって反射した超 音波 (底面反射波)を受信する。また、この超音波探触子 1は、探触子駆動部 2 に機械的に接続されており、当該探触子駆動部 2によって X軸方向、つまり被検 查材料 Rの表面に沿って移動する一方、 Z軸方向、つまり被検査材料 Rの表面に 対して垂直方向に上下動する。
[0028] 図 2は、上記超音波探触子 1の周辺の構成を詳細に示すものである。この図に 示すように、超音波探触子 1は探触子ホルダ laによって把持され、当該探触子 ホルダ laは接続ネジ lbを介して回転自在に走査部接続治具 lcに接続されて いる。走査部接続治具 lcは、探触子駆動部 2の X、 Z軸方向の可動部（図示せ ず）に接続されている。被検査材料 Rの表面には接触媒質 Cが予め所定の厚さで 塗布されている。この接触媒質 Cとしては、粘度の低いものが好ましぐ例えば、 密度 l(g/cm3)以下、動粘度 100 (mmVs)以下の油を使用することが好ま しい。
[0029] 図 1に戻って説明すると、探触子駆動部 2は、制御部 8の制御の下、超音波探
触子 1 (詳細には探触子ホルダ la、接続ネジ lb及び走査部接続治具 lcを含 む）を X軸方向に移動させると共に、 Z軸方向に上下動させる。超音波送受信部 3は、制御部 8の制御の下、 4〜20MHzの周波数帯域を有する超音波を生成し、 所定のタイミングで超音波探触子 1に出力する一方、超音波探触子 1が受信した 散乱波及び底面反射波を検出し、入射した超音波を示す入射信号 Wl、散乱波を 示すノイズ信号 WN、底面反射波を示す底面反射信号 W2を AZDコンバータ4 に出力する。
[0030] AZDコンバータ 4は、アナログ信号である上記入射信号 Wl、ノイズ信号 W
N及び底面反射信号 W2をデジタル信号に変換して周波数スペクトル算出部 5に出 力する。また、この AZDコンバータ 4は、デジタル信号化した底面反射信号 W2を制 御部 8に出力する。周波数スペクトル算出部 5は、 AZDコンバータ 4によってデジタ ル信号化された入射信号 Wl、ノイズ信号 WN及び底面反射信号 W2に基づ ヽてノィ ズ信号 WNの FFT処理を行!ヽ、当該 FFT処理から得られる周波数スペクトルを示す 情報を欠陥分布検出部 6に出力する。なお、詳細は後述するが、この周波数スぺタト ル算出部 5は、入射信号 W1を入射してカゝら底面反射信号 W2を受信するまでの時 間幅 Tgを、複数の時間幅 Tgl〜Tgnに分割し、当該分割した各時間幅 Tgl〜Tgn に相当する時間窓で切り取ったノイズ信号 WN 1〜WNn毎に FFT処理を行って周 波数スペクトルを算出する。
[0031] 欠陥分布検出部 6は、周波数スペクトル算出部 5から入力される周波数スペクトルを 示す情報に基づ 、て、各ノイズ信号 WNl〜WNn毎の周波数スペクトルの面積値（S 1〜S n)を算出し、当該面積値 (S 1〜S n)と、事前に実験によって求めておいた
X X X X
、欠陥のない被検査材料におけるノイズ信号の周波数スペクトルの面積値 s との比（
0 スペクトル面積比）を欠陥の進行度を示す値として算出し、各ノイズ信号 WN1〜WN n毎のスペクトル面積比を画像処理部 7に出力する。 [0032] 画像処理部 7は、欠陥分布検出部 6から入力されるノイズ信号 WNl〜WNn毎のス ベクトル面積比に基づいて、ノイズ信号 WNl〜WNnに対応する（つまり分割した各 時間幅 Tg 1〜Tgnに対応する）被検査材料 Rの深さ方向の位置とスペクトル面積比と の関係を示す画像データを生成して制御部 8に出力する。なお、詳細は後述するが 、超音波探触子 1は探触子駆動部 2によって X軸方向に移動するので、画像処理部 7は、被検査材料 Rの深さ方向及び X軸方向に関する 2次元のスペクトル面積比の分 布を示す画像データを生成する。
[0033] 制御部 8は、記憶部 9に記憶されて 、る制御プログラムに基づ 、て、本欠陥検査装 置の全体動作を制御するものであり、探触子駆動部 2による超音波探触子 1の X軸方 向への移動や Z軸方向の上下動、超音波送受信部 3による超音波の入射等を制御 する一方、画像処理部 7から入力される画像データを記憶部 9に記憶させると共に、 画像データを表示させるための表示信号を生成して表示部 10に出力する。また、詳 細は後述するが、制御部 8は、 AZDコンバータ 4から入力された底面反射信号 W2 に基づいて、カップリングチェックを行う。記憶部 9は、上記制御部 8で使用される制 御プログラム、画像データ、その他の各種データを記憶する。表示部 10は、制御部 8 力 入力される表示信号に基づいて、被検査材料 Rの深さ方向及び X軸方向に関す る 2次元のスペクトル面積比の分布を示す画像を表示する。
[0034] 次に、このように構成された本欠陥検査装置の欠陥検査動作について説明する。
[0035] 〔カップリングチェック動作〕
まず、カップリングチェック動作について説明する。カップリングチェックと は、超音波を入射するために、接触媒質 Cを予め塗布した被検査材料 Rの表面に 超音波探触子 1を接触させた際、正しく超音波が入射されているか否かを判定す る工程である。
[0036] 初期状態として、超音波探触子 1が図 2に示すような位置にあると想定すると、制御 部 8は、接触媒質 Cを介して被検査材料 Rの表面に接触するように超音波探触子 1を Z軸方向に下げるよう探触子駆動部 2を制御する。この時、超音波探触子 1が被検査 材料 Rの表面に接触した後、さらにある一定の距離だけ Z軸方向に下降させる。この ようにすることで、図 3に示すように、探触子ホルダ laと走査部接続治具 lcとの間隔 を狭める方向に力が加わるため、接続ネジ lbが探触子ホルダ laごと回転することに なる。これにより、超音波探触子 1の接触面に接触媒質 Cをよくなじませ、超音波探触 子 1と被検査材料 R間の空気を除去することができ、超音波を正しく入射することがで きる。
[0037] なお、超音波探触子 1を被検査材料 Rの表面に接触した後にさらに下降させる距 離は、超音波探触子 1がおよそ 90° 回転する程度に設定することが望ましい。また、 超音波探触子 1が被検査材料 Rの表面に接触したことを検知するセンサや、超音波 探触子 1が被検査材料 Rの表面カゝら離れた場合には、接続ネジ lbや探触子ホルダ 1 aが元の状態に戻るような機構を備えることが望ましい。
[0038] さらに、本実施形態では、超音波を伝播させるための接触媒質 Cとして、密度
l(g/cm3)以下、動粘度 100 (mm2Zs)以下の油を使用する。一般的に、超音波を用 Vヽた非破壊検査では、接触媒質としてグリセリンペースト等の粘度の比較的高 、もの が使用されていた。これは、密度及び粘度の高い接触媒質ほど超音波の伝達効率 が良いので、被検査材料に対する超音波の入射強度を高く維持することができ、そ の結果、外乱によるノイズの影響を低減することが可能であるからである。
[0039] しかしながら、上記のように密度及び粘度の高い接触媒質を使用した場合、超音波 を入射する位置によって、超音波探触子 1と被検査材料 Rの表面との距離に不均一 が発生しやすい。すなわち、超音波を入射する位置によって、入射強度が大きく変動 してしまい、正確に欠陥を検出することが困難となる。また、本欠陥検査装置は、タリ ープ損傷によって発生する微細な欠陥を定量的に検出するため、超音波探触子 1と 被検査材料 Rの表面との距離を極小且つ一定に保持する必要がある。従って、上記 のような低密度且つ低粘度の油を使用することによって、膜厚が小さぐ且つ均一な 接触媒質を形成することができ、正確に欠陥を検出することができる。
[0040] 上記のように、超音波探触子 1を被検査材料表面に接触させると、制御部 8は
超音波送受信部 3を制御して、超音波探触子 1を介して超音波を被検査材料尺の 内部に入射する。入射された超音波は、被検査材料 Rの内部に存在する欠陥によ つて散乱され、当該散乱によって生じる散乱波が超音波探触子 1にて受信される。 また、被検査材料 Rの底面 (裏面）によって反射した超音波 (底面反射波)も超 音波探触子 1にて受信される。
[0041] 超音波送受信部 3は、超音波探触子 1が受信した散乱波及び底面反射波を検出 し、入射した超音波を示す入射信号 Wl、散乱波を示すノイズ信号 WN、底面反 射波を示す底面反射信号 W2を AZDコンバータ 4に出力する。図 4に、上記入 射信号 Wl、ノイズ信号 WN及び底面反射信号 W2を示す。ここで、超音波が正 しく入射されていない場合、底面反射信号 W2の振幅は小さくなる。よって、底 面反射信号 W2の振幅が、所定の閾値より小さい場合に、正しく超音波が入射さ れて 、な 、と判定することができる。
[0042] 具体的には、 AZDコンバータ 4は、デジタル信号化した底面反射信号 W2を 制御部 8に出力する。制御部 8は、底面反射信号 W2の振幅と所定の閾値との比 較を行い、当該振幅が閾値より小さい場合に、正しく超音波が入射されていない と判定し、その判定結果を表示部 10に表示させ、ユーザにカップリングエラー が発生したことを報知する。そして、制御部 8は、探触子駆動部 2を制御して、 超音波探触子 1を X軸方向に移動させ、再び底面反射信号 W2を検出する。なお、 超音波探触子 1を X軸方向に移動させる場合、一旦超音波探触子 1を被検査材料 Rの表面力 Z軸方向に上昇させた後に移動させることが望ま 、。
[0043] 以上のように、制御部 8は、底面反射信号 W2の振幅と所定の閾値との比較を 行い、当該振幅が閾値以上であれば、正しく超音波が入射されていると判定し、 以下に説明する欠陥検査を開始する。
[0044] 〔欠陥検査〕
カップリングチェックが終了すると (この時、超音波探触子 1は接触媒質 Cを 介して被検査材料 Rの表面に接触している）、制御部 8は、超音波送受信部 3を 制御して、超音波探触子 1から超音波を被検査材料 Rの内部に入射する。超音波 送受信部 3は、超音波探触子 1が受信した散乱波及び底面反射波を検出し、図 4 に示すような入射した超音波を示す入射信号 W1、散乱波を示すノイズ信号 WN、 底面反射波を示す底面反射信号 W2を AZDコンバータ 4に出力する。 AZDコ ンバータ 4は、アナログ信号である上記入射信号 Wl、ノイズ信号 WN及び底面 反射信号 W2をデジタル信号に変換して周波数スペクトル算出部 5に出力する。 [0045] 周波数スペクトル算出部 5は、 AZDコンバータ 4によってデジタル信号ィ匕された入 射信号 Wl、ノイズ信号 WN及び底面反射信号 W2に基づ!/、てノイズ信号 WNの FF T処理を行 ヽ、当該 FFT処理から得られる周波数スペクトルを示す情報を欠陥分布 検出部 6に出力する。より具体的には、この周波数スペクトル算出部 5は、入射信号 W1を入射して力 底面反射信号 W2を受信するまでの時間幅 Tg (図 4参照）を、複 数の時間幅 Tg 1〜Tgnに分割し、当該分割した各時間幅 Tg 1〜Tgnに相当する時 間窓で切り取った各ノイズ信号 WN 1〜 WNn毎に FFT処理を行つて周波数スぺタト ルを算出する。
[0046] これらの分割した各時間幅 Tgl〜Tgnは、被検査材料 Rの深さ方向の位置に対応 するものである。例えば、被検査材料 Rの深さ方向に対して lmmピッチで欠陥を検 出する場合、被検査材料 R内部における超音波の伝播速度を 5.95 (mm/ μ s)と想 定し (一般の鋼材料における縦波音速）、この lmmという距離を時間幅に換算すると 下記（1)式のようになる。
1 (mm) /5.95 (mm/ μ s) X 2 = 0.34 ( s) (1)
[0047] つまり、各時間幅 Tgl〜Tgnは、時間幅 Tgを 0.34 ( μ s)で等分したものである。この ように、時間幅 Tgを各時間幅 Tgl〜Tgnに分割し、当該各時間幅 Tgl〜Tgnに相 当する時間窓で切り取つた各ノイズ信号 WN 1〜WNn毎に FFT処理を行うことによつ て、被検査材料 Rの深さ方向に対して lmmピッチ毎に図 13 (b)に示すような周波数 スペクトルを得ることができる。
[0048] 欠陥分布検出部 6は、周波数スペクトル算出部 5から入力される周波数スペクトルを 示す情報に基づいて、分割した各ノイズ信号 WNl〜WNn毎に、周波数スペクトル の面積値 (S 1〜S n)を算出し、当該面積値 (S 1〜S n)と、事前に実験によって
X X X X
求めてお 、た、欠陥のな 、被検査材料におけるノイズ信号の周波数スペクトルの面 積値 S との比 (スペクトル面積比）を算出して、各ノイズ信号 WNl〜WNn毎のスぺク
0
トル面積比 Pl〜Pnを画像処理部 7に出力する。このようなスペクトル面積比は、欠陥 の進行度を示す値である。
[0049] 画像処理部 7は、上記スペクトル面積比 Pl〜Pnに基づいて、各ノイズ信号 WN1〜 WNnに対応する（つまり分割された各時間幅 Tgl〜Tgnに対応する）被検査材料 R の深さ方向の位置とスぺクトル面積比 P 1〜Pnとの関係を示す画像データを生成す る。なお、この時点において、画像データは、 X軸上のある座標の検査位置における 被検査材料 Rの深さ方向の位置とスペクトル面積比 Pl〜Pnとの関係を示すものであ るので、一次元の画像データとなる。
[0050] 続いて、制御部 8は、探触子駆動部 2を制御して、超音波探触子 1を X軸方向（走 查方向）に一定距離 (例えば数 mm程度)移動させてカップリングチェックを行った後 、再び当該 X軸座標における被検査材料 Rの深さ方向の位置とスペクトル面積比 P 1 〜Pnとの関係を検出して画像データを生成していく。このような動作を繰り返すこと により、図 5に示すような、縦軸を被検査材料 Rの深さ方向の位置、横軸を X軸座標と するスペクトル面積比の分布、つまり欠陥の分布を示す画像データを得ることができ る。制御部 8は、上記のような画像データを表示させるための表示信号を生成して表 示部 10に出力し、表示部 10は上記表示信号に基づいて、被検査材料 Rの深さ方向 及び X軸方向に関する 2次元のスペクトル面積比の分布 (欠陥の分布）を示す画像を 表示する。
[0051] 図 5は、被検査材料 Rの稼動開始時刻 (初期状態)からクリープ破壊 (寿命消費率 1 00%)に至るまでの欠陥の分布を示すものであり、スペクトル面積比の値が大きい（ つまり欠陥の進行度が大きい）部位ほど、数値の高いパターンで示されている。ここ では、欠陥の進行度に応じて、 1 (進行度が低い）〜 8 (進行度が高い）までの数値を 割り当てている。
[0052] この図 5に示すように、稼動開始力 ある時間経過した場合の、被検査材料 R内部 のどの部位に、どの程度の大きさの欠陥が発生しているかを定量的に評価することが 可能である。図 5からは時間の経過（クリープ損傷の進行）と共に、溶接部 R1及び R2 周辺に大きな欠陥が多数生じていることがわかる。
[0053] ところで、本実施形態では、図 6 (a)に示すような振幅特性及び図 6 (b)
に示すような周波数特性を有する超音波を使用している。図 6 (b)に示すように、当 該超音波は、中心周波数が 12 (MHz)で、ピーク強度に対して 20 (dB)低下する周波 数が 4、 20 (MHz)、つまり 4〜20 (MHz)の周波数帯域を有している。このような超音 波を使用した理由について以下説明する。 [0054] まず、上述したように、被検査材料 Rの深さ方向に対して lmm毎のスペクトル面積 比を得る場合、時間幅 Tgを 0.34 ( s)で等分する必要がある。この 0.34 ( s)の時間 幅に収まる最低の周波数成分は、 1Z0.34 s) =2.95 (MHz)となるので、 2.95 (MH z)以下の周波数成分の解析を行うことは大きな誤差を含むことになつてしまう。従つ て、 2.95 (MHz)より大きな周波数帯域を有することは必須である。これが第 1の理由 である。
[0055] 次に、第 2の理由として、実際に超音波の周波数帯域を変えて、被検査材料 Rの深 さ方向及び X軸方向に関する 2次元の欠陥分布を評価した実験結果を用いて説明す る。なお、この実験では、図 1に示すような被検査材料 Rの溶接部周辺において、タリ ープ損傷によって発生した欠陥の分布について評価した。
[0056] 図 7は 4〜8 (MHz)の周波数帯域を有する超音波を用いた場合、図 8は 4〜20 (MH z)の周波数帯域を有する超音波を用いた場合、図 9は 10〜20 (MHz)の周波数帯域 を有する超音波を用いた場合、図 10は 15〜20 (MHz)の周波数帯域を有する超音 波を用いた場合のそれぞれ被検査材料 Rの稼動開始時刻力もクリープ破壊 (寿命消 費率 100%)に至るまでの欠陥の分布を示すものである。図 11は、各周波数帯域を 有する超音波を使用した場合における、寿命消費率と散乱波強度を示すパラメータ との関係を示す特性図である。
[0057] 図 7〜図 10に示すように、いずれの周波数帯域の場合であっても、寿命消費率の 上昇に応じて、図 5と同様な欠陥分布を得ることができる。し力しながら、図 11に示す ように、 10〜20 (MHz)及び 15〜20 (MHz)の周波数帯域を有する場合、寿命消費 率に対する散乱波強度を示すパラメータの変化量が小さぐ散乱波の検出感度が弱 いことがわ力る。
[0058] 一方、 4〜8 (MHz)の周波数帯域を有する場合、図 11から散乱波の検出感度が強 いことがわかる力 図 7に示すように、溶接部周辺以外の材料ノイズも大きくなつてお り、有意なノイズ信号 (クリープ損傷に起因する欠陥によって発生するノイズ信号)を 捉えることが困難となっている。従って、本実施形態では、これらの実験結果に基づ き、有意なノイズ信号を捉えることができ、散乱波の検出感度も強い 4〜20 (MHz)の 周波数帯域を有する超音波を使用することに決定した。 [0059] 以上のように、本実施形態によれば、被検査材料 Rの内部に発生する欠陥の分布 を定量的に評価することが可能であり、欠陥の発生力 被検査材料の破壊に至るま でのプロセスを調査する上で非常に有効である。
[0060] なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなぐ例えば以下のような変 形例が考えられる。
[0061] (1)上記実施形態では、被検査材料 Rの内部に発生する欠陥の分布を定量的に評 価したが、これに限定されず、このような欠陥の分布の評価結果に基づいて、被検査 材料 Rの余寿命を予測する機能 (破壊寿命判定手段)を備えるような構成にしても良 い。具体的には、従来のように図 14に示す余寿命曲線力も余寿命を予測することが できる。
[0062] (2)上記実施形態では、被検査材料 Rの深さ方向に対して lmm毎の欠陥分布を検 出したが、これに限定されず、深さ方向に対する欠陥の検出ピッチは適宜変更可能 である。しかし、深さ方向に対する欠陥の検出ピッチを変更する場合、当該変更に応 じて、使用する超音波の周波数や、時間幅 Tgの分割時間幅を調整する必要がある。
[0063] (3)上記実施形態では、クリープ損傷に起因する欠陥を検出する場合について説明 したが、これに限定されず、本欠陥検査装置は、水素侵食やその他の原因により発 生するボイドやクラック等の欠陥であっても検出することが可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 超音波探触子と、
当該超音波探触子を介して、所定の伝播媒質が設けられた被検査材料の表面に 超音波を入射する一方、前記被検査材料の内部に存在する欠陥によって散乱した 超音波をノイズ信号として受信する超音波送受信手段と、
前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時間幅で時分割 し、当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算 出手段と、
前記周波数スペクトルに基づ 、て前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する 欠陥の進行度を示す値を算出する欠陥分布検出手段と
を具備することを特徴とする欠陥検査装置。
[2] 前記超音波探触子を前記被検査材料の表面に沿って移動させると共に、前記被 検査材料の表面における検査位置毎に、前記超音波探触子を表面に向かって下降 させて当該表面に接触させる超音波探触子駆動手段をさらに備え、
前記欠陥分布検出手段は、前記検査位置毎に、被検査材料の深さ方向の位置に 対応する欠陥の進行度を示す値を算出し、当該欠陥の進行度を示す値の 2次元分 布データを生成することを特徴とする請求項 1記載の欠陥検査装置。
[3] 前記超音波探触子を、前記伝播媒質を介して被検査材料の表面に接触させる際 に、被検査材料表面の面内方向に回転させることを特徴とする請求項 2記載の欠 陥検査装置。
[4] 前記超音波送受信手段は、超音波探触子を介して、被検査材料の底面で反射し た超音波を底面反射信号として受信し、
前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射さ れている力否かを判定する判定手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項 1記載の欠陥検査装置。
[5] 前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設定すること を特徴とする請求項 1記載の欠陥検査装置。
[6] 前記欠陥の進行度を示す値に基づ!ヽて前記被検査材料の破壊寿命を判定する破 壊寿命判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項 1記載の欠陥検査装置。
[7] 被検査材料の表面に所定の伝播媒質を介して超音波を入射して、前記被検査材 料の内部に存在する欠陥によって散乱した超音波をノイズ信号として検出し、 当該検出した前記ノイズ信号を、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する時 間幅で時分割し、
当該時分割したノイズ信号毎に周波数スペクトルを算出し、
当該周波数スペクトルに基づ 、て前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する 欠陥の進行度を示す値を算出する
ことを特徴とする欠陥検査方法。
[8] 前記被検査材料の表面における検査位置毎に超音波を入射し、
前記検査位置毎に、前記被検査材料の深さ方向の位置に対応する欠陥の進行度 を示す値を算出し、
前記欠陥の進行度を示す値の 2次元分布データを生成する
ことを特徴とする請求項 7記載の欠陥検査方法。
[9] 前記伝播媒質は、密度 l(g/cm3)以下、動粘度 100 (mmVs)以下の油で
あることを特徴とする請求項 7記載の欠陥検査方法。
[10] 被検査材料の底面で反射した超音波を底面反射信号として検出し、
前記底面反射信号の強度に基づいて、超音波が前記被検査材料に正しく入射さ れている力否かを判定することを特徴とする請求項 7記載の欠陥検査方法。
[11] 前記ノイズ信号を時分割する時間幅に応じて前記超音波の周波数を設定すること を特徴とする請求項 7記載の欠陥検査方法。
[12] 前記欠陥の進行度を示す値に基づいて前記被検査材料の破壊寿命を判定するこ とを特徴とする請求項 7記載の欠陥検査方法。
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