WO2011142474A1

WO2011142474A1 - 溶接部の組織形状の画像化方法及びその装置

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Publication number: WO2011142474A1
Application number: PCT/JP2011/061132
Authority: WO
Inventors: 穣松井; 飯塚　幸理; 高田　一; 孝文尾関
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2011-11-17
Also published as: EP2570806A4; RU2012152942A; CN102893145A; KR20130004387A; CN104132997A; EP2570806A1; JP5824858B2; KR101391493B1; CN104132997B; CN102893145B; KR101391520B1; CN104111285A; KR20140022116A; JP2011257384A; EP2570806B1; CN104111285B; EP3054291B1; KR101391516B1; EP3054291A1; RU2521720C1

Abstract

溶接部の組織形状を非破壊検査で迅速かつ正確（明瞭）に画像化する。具体的には、被検査体Ｓの溶接方向と直交する断面を超音波ビームＢで走査しながら被検査体内部からの反射信号を受信し、受信した反射信号に基づいて走査した断面を画像化して溶接部２の組織を検査するための溶接部の組織形状の画像化に際して、平均点数ｍで移動平均波形Ｒａを減算することで、受信信号の低周波成分を除去して、溶接部の組織からの反射信号を抽出し、抽出された反射信号のみを増幅したり、被検査体の溶接方向に対して異なる複数の位置で、溶接方向と直交する断面を集束された超音波ビームで走査して、得られた超音波の受信信号に基づいて走査した断面を画像化し、溶接方向に対する複数の位置で走査して得られた複数の画像を重ね、重なり合う画素の最大値を保持することにより、溶接部の組織からの反射波を強調する。

Description

溶接部の組織形状の画像化方法及びその装置

　本発明は、自動車（ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ）等に用いられるホイール（ｗｈｅｅｌ）の溶接部や、鋼板の付き合わせ溶接部（ｂｕｔｔ　ｗｅｌｄ）、隅肉溶接部（ｆｉｌｌｅｔ　ｗｅｌｄ）、鋼管の溶接部（ｗｅｌｄｉｎｇ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）の品質評価（ｑｕａｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）に用いるのに好適な、溶接部の組織形状（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒｍ）を非破壊検査（ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）で迅速かつ正確（明瞭）に画像化（ｉｍａｇｉｎｇ）することが可能な溶接部の組織形状の画像化方法及び装置に関する。

　溶接部の品質をチェックする方法として、以下の方法が挙げられる。

（１）破壊検査（ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）
　被検査体（ｔｅｓｔ　ｏｂｊｅｃｔ）よりサンプル（ｓａｍｐｌｅ）を切り出して、断面（ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ）を研磨後、腐食液（ｅｔｃｈｉｎｇ　ａｇｅｎｔ）で腐食して観察、測定する。

（２）間接測定（ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）
　例えば、ホイールの溶接部の品質評価方法として特許文献１に開示されている評価方法がある。この方法は、ホイールの溶接部の溶接中のリム（ｒｉｍ）外側表面温度分布と溶接部の物理的性状（ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｎａｔｕｒｅ）（溶け込み形状、溶け込み深さ、強度など）との関係をあらかじめ求めておく工程と、ホイールの実溶接時、ホイールの溶接部の溶接中のリム外側表面温度分布を計測し、該計測データ（ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａ）と、先に求めてあるリム外側表面温度分布と溶接部の物理的性状との関係を比較して、ホイールの溶接部の物理的性状を推定する工程とからなる。

（３）非破壊試験
　特許文献２に代表される超音波を用いた溶接断面の画像化方法が考案されている。溶接部の組織は一般的に母材部分よりも粒が粗大である。その為、結晶粒径が異なるため、溶接部の組織と母材部分では音速（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ）に極僅かな差が生じる。超音波の周波数（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を、例えば、２０ＭＨｚ~５０ＭＨｚというように高くして、かつ音響レンズ（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｌｅｎｓ）やアレイプローブ（ａｒｒａｙ　ｐｒｏｂｅ）などにより細く絞られた（集束された）超音波ビーム（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｂｅａｍ）で溶接方向と直交する断面をスキャン（ｓｃａｎ）しながら反射波（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｗａｖｅ）を受信して、受信した信号を輝度変換（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）して画像化すると、溶接部の組織と母材部分との境界面（ｂｏｕｎｄｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ）の形状を可視化することができる。

特開平１１−１０１７６０号公報特開２００８−１１１７４２号公報

　しかし、従来の溶接部の品質評価方法（ｑｕａｌｉｔｙ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）には以下の問題がある。

（１）破壊試験
　製品そのものを破壊するわけにはいかないので、一定量のサンプルによるテスト（ｔｅｓｔ）を繰り返し、テストと同一の溶接条件（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）で製品が溶接されているものとして、品質を保証する方法（ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ）であるため、製品ごとの検査はされていない。また判定に時間と費用がかかる。

（２）間接測定（特許文献１）
　溶接中の被検査体の表面温度分布と溶接部の物理的性状との関係にはばらつきがあるのが普通であり、良品（ｎｏｎ−ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ）を不良品（ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ）と判定したり、逆に不良品と良品と判定したりすることがある。

（３）非破壊試験（特許文献２）
　溶接部の組織からの反射波は非常に微弱なものであり、受信した信号を増幅し、該増幅された信号を輝度変換して画像化する。このとき、集束された（ｆｏｃｕｓｅｄ）超音波ビームを用いるため、溶接部の組織からの反射波が得られないことがある。また、受信信号（ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｓｉｇｎａｌ）を増幅する際に、溶接部の組織からの反射波以外の信号、たとえば、表面反射波（ｓｕｒｆａｃｅ−ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｗａｖｅ）や送信波（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｐｕｌｓｅ）の尾引き（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔａｉｌｉｎｇ）、超音波プローブ内の残響（ｅｃｈｏ）なども強調され、明瞭な画像を得難い。

　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、破壊試験や間接測定によるのではなく、非破壊試験において溶接部の組織を明瞭に可視化することを課題とする。

　本発明は被検査体の溶接方向と直交する断面を超音波ビームで走査しながら被検査体内部からの反射信号（ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｓｉｇｎａｌ）を受信し、受信した反射信号に基づいて走査した断面を画像化して溶接部の組織を検査するための溶接部の組織形状の画像化方法において、溶接部の組織からの反射波を強調することにより、前記課題を解決したものである。

　前記画像化の際に、受信して離散値化された信号波形（ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｖｅ　ｆｏｒｍ）Ｒｂに対して、移動平均点数（ａｖｅｒａｇｅ　ｓｃｏｒｅ）ｍで移動平均波形（ｍｏｖｉｎｇ　ａｖｅｒａｇｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ）Ｒａを減算することで、受信信号の低周波成分（ｓｌｏｗｌｙ　ｖａｒｙｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を除去して、溶接部の組織からの反射信号を抽出し、抽出された反射信号のみを増幅することにより、より明瞭に溶接部の組織からの反射波を強調することができる。

　前記移動平均波形Ｒａを算出する際に、抽出したい周波数の一波長の長さをＰｔ［ｓｅｃ］、離散値化のサンプリング周波数（ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）Ｓｐ［Ｈｚ］として、移動平均点数ｍをＰｔ×Ｓｐ［点］とすることが良い。

　又、被検査体の溶接方向に対して異なる複数の位置で、溶接方向と直交する断面を集束された超音波ビームで走査して、得られた超音波の受信信号に基づいて走査した断面を画像化し、溶接方向に対する複数の位置で走査して得られた複数の画像を重ね、重なり合う画素の最大値を保持することにより、溶接部の組織からの反射波を強調することができる。

　又、前記超音波ビームの送受信を所定の周波数で繰返すと共に、受信した反射信号を超音波ビームの送信と同期して加算することにより、溶接部の組織からの反射波を強調することができる。

　ここで、前記超音波ビームの最大走査速度（ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｃａｎ　ｓｐｅｅｄ）がＶｍ［ｍｍ／ｓｅｃ］で、走査ピッチ（ｓｃａｎ　ｐｉｔｃｈ）がＤ［ｍｍ］、同期加算の平均点数（ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）がＫ［点］のとき、超音波の繰返し送受信周波数（ｒｅｐｅａｔｅｄ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）Ｋｐ［Ｈｚ］を次式
　Ｋｐ＝Ｖｍ×（１／Ｄ）×Ｋ
により決定することができる。

　本発明は、又、被検査体の溶接方向と直交する断面を超音波ビームで走査しながら被検査体内部からの反射信号を受信し、受信した反射信号に基づいて走査した断面を画像化して溶接部の組織を検査するための溶接部の組織形状の画像化装置において、溶接部の組織からの反射波を強調する手段を備えたことを特徴とする溶接部の組織形状の画像化装置を提供するものである。

　従来技術では、画像化して得られた断面形状をより明瞭にするために、輝度を増幅するなどした際、強調したい信号以外の信号（ノイズ（ｎｏｉｓｅ））も一緒に増幅してしまうため、明瞭な画像を得ることが難しかった。例えば、形状をより鮮明に見るために、輝度を増幅して表示すると、表面反射波または送信波の尾引きや探触子内部の残響も一緒に強調されてしまうという問題があった。さらに超音波ビームを集束しているために、溶接部の組織形状の影響を受けやすく、部分的に形状に「抜け（ｄａｒｋｎｅｓｓ　ａｒｅａ）」が出来るという問題もあった。ここで、「抜け」とは画像において不明瞭な部分のことである。

　本発明によれば、被検査体の溶接方向と直交する断面で超音波ビームを走査し、走査して得られた各受信信号に現われるベースノイズ（ｂａｓｅ　ｎｏｉｓｅ）を移動平均処理（ｍｏｖｉｎｇ−ａｖｅｒａｇｅ　ｍｅｔｈｏｄ）で抽出し、これを受信信号から減算した後、減算後の信号の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を増幅したことで明瞭に溶接部の組織の形状を画像化することが可能となった。さらに溶接線（ｗｅｌｄ　ｌｉｎｅ）の長手方向に対して複数箇所で画像化した画像を重ね合わせて、重なり合う画素について振幅を比較して、画素の値の最大値を抽出することで、溶接部の組織形状の「抜け」を低減させ、より明瞭な可視化が可能となった。

本発明の実施形態を示す、一部ブロック図（ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ）を含む斜視図（ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｖｉｅｗ）前記実施形態における同期加算処理（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の一例を説明する図同じく矩形パルス信号（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｐｕｌｓｅ　ｓｉｇｎａｌ）の変換部の動作イメージを説明する図本発明における溶接部の組織と母材との境界から反射が得られる原理を説明する図前記実施形態における移動平均信号の減算処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｏ　ｓｕｂｔｒａｃｔ　ｍｏｖｉｎｇ　ａｖｅｒａｇｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ）を説明する図同じく移動平均信号の減算処理の効果を示す図本発明による最大輝度の抽出処理の必要性を示す図前記実施形態における最大輝度の抽出処理を説明する図同じく測定した波形をメモリに格納する方法を説明する図前記最大輝度の抽出処理における画像変換（ｉｍａｇｅ　ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）を説明する図最大輝度の抽出処理前の画像の例を示す図最大輝度の抽出処理の効果を示す図本発明の実施例における画像化方法全体の手順を示すフローチャート同じく１断面画像化方法及び画像化結果の例を示す図同じく最大輝度の抽出処理の例を示す図

　本発明を実施するための実施形態について、図１を用いて説明する。図１において、Ｓは被検査体、１は母材、２は溶接部の組織、３は超音波プローブ、Ｂは超音波ビーム（以下、単にビームとも称する）、４はＣ方向（被検査体の横断（クロス）方向）走査手段、５はＬ方向（被検査体の長手方向）走査手段、６は超音波送信手段、７は超音波受信手段、８はＡ／Ｄ変換部（ａｎａｌｏｇ／ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、９は信号処理部（ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）であり、１０は移動平均波形の減算部、１１は最大輝度の抽出処理部、１２は出力部（ｏｕｔｐｕｔ　ｐａｒｔ）である。

　被検査体Ｓに対して、超音波プローブ３をＣ方向走査手段４で走査しながら、予め設定した測定ピッチＤ［ｍｍ］毎に、超音波送信手段６で超音波プローブ３の振動子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を駆動させて超音波を送信し、被検査体Ｓから反射してきた超音波信号を超音波受信手段７で受信し、Ａ／Ｄ変換部８で離散値変換（ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を行い、信号処理部９に受信信号を繰り返し取り込んでいく。このとき、音響結合方法（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ）は、全没水浸法（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）、局部水浸法（ｌｏｃａｌ　ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）、直接接触法（ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｅｔｈｏｄ）、薄膜結合法（ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ）のいずれの方法でもかまわない。

　超音波プローブ３で受信された反射波は超音波受信手段７で初期増幅および主増幅、フィルタ処理が施され、Ａ／Ｄ変換部８によりアナログ信号から離散値変換されて、信号処理部９に送られる。

　被検査体Ｓの溶接部２の組織からの反射波は通常の探傷で捕まえる反射信号よりもかなり微弱なものであり、電気ノイズに対して信号対ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）を向上させるために、離散値変換前後で同期加算の平均処理を施すことが好ましい。以下に同期加算平均処理の一例を述べる。

　図２に同期加算の平均処理の例を説明するための図を示す。図２において、１３はＣ方向走査手段４を制御して超音波プローブをＣ方向に走査するためのＣ方向走査手段の制御部、１４は超音波プローブ３のＣ方向における位置を検出して、予め設定された間隔Ｄ［ｍｍ］でパルス信号を出力するＣ方向位置の検出手段、１５はＣ方向位置検出手段１４より入力されたパルス信号を変換してパルス信号を出力する矩形パルス信号の変換部である。

　Ｃ方向走査手段の制御部１３によりＣ方向走査手段４は制御されて超音波プローブ３を走査する。このとき、Ｃ方向走査手段４の最大走査速度をＶｍ［ｍｍ／ｓｅｃ］、走査ピッチをＤ［ｍｍ］、同期加算の平均点数をＫ［点］とする。予め、走査ピッチＤ［ｍｍ］毎にＣ方向位置の検出手段１４から矩形パルス信号（たとえば、ＴＴＬレベル信号（ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　ｌｏｇｉｃ　ｌｅｖｅｌ　ｓｉｇｎａｌ））が出力されるように設定しておく。超音波プローブ３をＣ方向走査手段４で走査したとき、走査ピッチＤ［ｍｍ］毎に矩形パルス信号が出力され、この矩形パルス信号は矩形パルス信号の変換部１５に入力される。ここで、走査ピッチＤ（ｍｍ）は測定空間分解能である。

　図３は矩形パルス信号の変換部１５の動作イメージを説明する図である。図３の（Ａ）は矩形パルス信号の変換部１５に入力される信号、図３の（Ｂ）は矩形パルス信号の変換部１５から出力される信号である。図３に示すように矩形パルス信号の変換部１５に入力されるＤ［ｍｍ］毎のパルス信号に同期して、次式で示される繰返し周波数（ＰＲＦ）Ｋｐ［Ｈｚ］で矩形パルス信号をＫ回出力する。

　Ｋｐ＝Ｖｍ×（１／Ｄ）×Ｋ・・・（１）

　予め設定されたＤ［ｍｍ］毎に矩形パルス信号がＫ回出力されるので、このパルスに同期させて超音波の送受信を行い、Ｋ個の受信信号を取得して、同期加算の平均点数Ｋ［点］の同期加算の平均処理を行う。このようにすることで、Ｃ方向走査手段４の加減速に関係なく、所定のＤ［ｍｍ］毎に同期加算の平均された受信信号を取得することができる。

　同期加算の平均処理は、図１および図２におけるＡ／Ｄ変換部８で離散値化した後、信号処理部９で行っても良いし、専用のハードウエア（ｈａｒｄｗａｒｅ）で処理を行い、Ｄ／Ａ変換された出力結果をＡ／Ｄ変換部８で取り込むようにしても良く、その処理手順は本発明の要旨を逸脱しない範囲でさまざまに変形することが可能である。

　Ｃ方向に走査して超音波を送受信する際に、送信する超音波のビームサイズ（ｂｅａｍｓｉｚｅ）は小さいことが好ましい。図４に超音波による母材と溶接部の組織の境界からの反射が得られるメカニズム（ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）を示す。

　溶接部２の組織は母材１よりも結晶粒が粗大で、結晶ごとに音速が異なる。ビームサイズが大きい場合、図４の（Ａ）のように、結晶方位による音速の違いが平均化されてしまい、母材１と溶接部２とで音速がほぼ同じになってしまい、境界面からの反射波を得難くなる。一方でビームサイズを小さくすると、図４の（Ｂ）のように、音速の平均化の影響は小さく、溶接部２と母材１とで音速がわずかに異なり、ビームサイズが大きいときよりも反射波を得やすくなる。したがって、超音波ビームＢのビームサイズは小さいことが好ましく、そのビームサイズは溶接部２の組織の平均粒径まで絞ることが好ましい。具体的には、好ましいビームサイズは、ホイールのリム溶接では７０~１００μｍ程度、ＵＯＥ鋼管や電縫溶接管などでは、３００~１０００μｍ程度である。ビームサイズが小さい超音波ビームを送信する手段としては、超音波プローブ３は、単一の振動子からなるプローブ、または複数の振動子が１次元または２次元に配置されたアレイプローブのいずれを用いてもかまわない。単一の振動子からなるプローブを用いるときは、送信周波数を、たとえば、５０ＭＨｚ程度と高く設定し、音響レンズにより超音波ビームを絞る。アレイプローブを用いるときは、単一の振動子からなるプローブを用いるときと同様に、送信周波数は高くして、各振動子の送信タイミング（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｔｉｍｉｎｇ）を制御することで、超音波ビームを絞る。

　被検査体Ｓに対して、超音波送信手段６により超音波プローブ３の振動子を駆動して超音波を送信する。溶接部２の組織から得られる反射波は非常に微弱な信号のため、電気ノイズに対して、Ｓ／Ｎを確保するために、超音波の送信電圧は２００~３００Ｖ以上が好ましい。

　図１および図２におけるＡ／Ｄ変換部８で離散値化された信号は、移動平均波形の減算部１０に送られる。Ａ／Ｄ変換部８で離散値化された波形の振幅をそのまま増幅して、輝度変換すると、溶接部２の組織からの反射エコー以外のエコー、たとえば、ＴパルスまたはＳエコーの尾引きや、超音波プローブ内部の残響ノイズ（ｅｃｈｏ　ｎｏｉｓｅ）といった低周波のベースノイズも同時に増幅されてしまい、結果として明瞭な画像を得ることができない。ここで、Ｔパルスは直接接触法における送信パルス、Ｓエコーは水浸法における被検査体表面からの反射エコーのことである。
　そこで、図１および図２における移動平均波形の減算部１０では、図５に示すように、受信しＡ／Ｄ変換された波形に対してベースノイズのみを抽出し、このベースノイズを波形形状から減算し、その後、増幅することで、被検査体Ｓ内部からの反射波のみを強調する。波形の移動平均点数ｍは、送信波形パルスの一波長の長さをＰｔ［ｓｅｃ］、離散値のサンプリング周波数をＳｐ［Ｈｚ］として、次式で求められる値にすることが好ましい。

　ｍ＝Ｐｔ×Ｓｐ　・・・（２）

　送信パルスの一波長の長さＰｔは、被検査体Ｓの底面反射波（ｂｏｔｔｏｍ　ｅｃｈｏ）のエコーを事前に測定し、測定された波形形状から決定する。被検査体Ｓの組織による周波数の減衰を考慮しなくて良い場合には、水浸法（全没水浸法や局部水浸法、水柱法を含む）の場合は、被検査体Ｓの表面反射波を用いて一波長の長さを測定し、その波形から決定しても良い。また、一度画像化した後、任意に強調したい反射波形を選択し、その波形形状からＰｔを決定しても良い。

　強調したい周波数の一波長の長さ分だけ移動平均処理を行うと、図５に示すように、送信波形パルスまたは抽出した周波数成分の波形のみが相殺されて、ベースノイズのみを抽出することができ、このベースノイズを元信号から減算することで、ベースノイズを除去することができる。ゆえに移動平均波形の減算処理を実施することで、ベースノイズは強調されずに溶接部２の組織からの反射エコーのみを増幅することが可能となる。移動平均波形の減算処理は、一断面分に相当する超音波波形を受信した後に一括して計算しても良いし、走査しながら超音波の送受信毎に計算しても良い。

　図６に移動平均波形の減算処理の効果を示す。図６は、周波数５０ＭＨｚ、焦点近傍での超音波ビームサイズが７０μｍ程度の超音波ビームを用いて、ホイールのリム溶接部分を画像化した例である。超音波プローブをＸＹ走査（スキャン）可能なスキャナー（ｓｃａｎｎｅｒ）に取り付け、Ｃ方向に走査しながら超音波の送受信を行い、受信信号をＡ／Ｄ変換装置で離散値化して計算機（ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ）に取り込み、輝度変換して表示したものである。図６（Ａ）は移動平均波形の減算処理を実施する前の例であり、図６の（Ｂ）は図６の（Ａ）に対して移動平均波形の減算処理を実施した例である。Ａ／Ｄ変換装置のサンプリング点数は５００ＭＨｚとしている。移動平均波形の減算処理に用いる波形は５０ＭＨｚの周波数成分のみを残せるように、（２）式を用いてｍ＝１０点として計算している。

　図６の（Ａ）では、溶接部２の組織の反射以外にも低周波成分が増幅されているのがわかる。しかし、本発明を実施した図６の（Ｂ）では低周波成分が除去され、溶接部２の組織が明瞭に画像化されていることがわかる。

　次に、図１および図２における最大輝度の抽出処理部１１について説明する。超音波の反射波形の振幅を輝度変換して断面形状を画像化すると、図７に示す例のように、部分的に「抜け」が生じてしまうことがある（図７中の点線内）。これを解決するために、最大輝度の抽出処理を施す。

　最大輝度の抽出処理について、主に図１と図８を用いて説明する。図８は図１および図２における最大輝度の抽出処理部１１の詳細を示す図であり、１６はＬ方向走査手段５の制御部、１７はメモリ制御部、１８は画像変換部、１９は最大輝度の計算部である。

　まず、図１において位置Ｐ１においてＣ方向走査手段４で超音波プローブ３を走査しながら、超音波を送受信し、受信した信号をＡ／Ｄ変換部８で離散値変換して、信号処理部９に送る。信号処理部９で前述の同期加算の平均処理や移動平均波形の減算処理などの前処理が行われ、最大輝度の抽出処理部１１の内部にあるメモリＭ１~Ｍｎに格納される。メモリ制御部１７はＬ方向走査手段の制御部１６から、超音波で計測した位置の情報を取得して、位置Ｐ１で計測した受信信号であればメモリＭ１に、位置Ｐ２で計測した受信信号でればメモリＭ２にというように、位置Ｐｎで計測した受信信号をメモリＭｎに格納する。
　位置Ｐｓで測定した波形をメモリＭｓに格納する方法について、図９を用いて説明する。図９中、Ｄ１~ＤｍはＣ方向に対して波形を測定した位置である。図９ではＣ方向に対してｍ点の位置で波形を測定したと仮定する。この場合、各波形はＡ／Ｄ変換部８によって離散値化され、前述の移動平均波形の減算処理といった前処理が施され、メモリＭｓに格納される。Ａ／Ｄ変換部８では波形をＳｄ点に離散値化する。メモリＭｓは二次元のマトリクスになっている。メモリＭ１~Ｍｎはそれぞれ、二次元構造としている。以下、位置Ｐｓにおいて、Ｃ方向の位置Ｄ、波形の伝搬時間方向ｔにおける離散値化された値はＭｓ（ｘ、ｔ）と表記することにする。

　メモリＭ１~Ｍｎに格納された波形データは、図８に示す如く、画像変換部１８を介して、画像データＢ１~Ｂｎに変換される。超音波の受信信号および、同期加算の平均処理や移動平均波形の減算処理などの前処理された超音波の受信信号は、図９の（Ａ）に示すような、正負の振幅を持った波形形状をしている。画像変換部１８で超音波の受信信号から画像に変換するには、図１０の（Ａ）のように正負に振幅を持った波形に対して全波整流を行い、図１０の（Ｂ）に示す、負の振幅を正側に折り返した形状に一度変換する。その後、全波整流された波形の振幅に輝度を割り当てる。割り当ての関係を次式に示す。

　メモリに格納されている、Ｃ方向に走査して得られた波形全てに、この動作を繰り返し行い、超音波波形から画像を作成する。以下、画像Ｂｎ上の任意の位置（ｘ，ｙ）における輝度をＢｎ（ｘ，ｙ）と表記することにする。ここで、ｘはＣ方向、ｙは深さ方向の位置である。
　作成された画像Ｂ１~Ｂｎから次式に示すように重なり対応する各画素データを比較して最大輝度を抽出し、出力画像Ｂを作成する。

　Ｂ（ｘ，ｙ）＝Ｍａｘ｛Ｂｓ（ｘ，ｙ）　；ｓ＝１~ｎ｝・・・（４）

　図１１は最大輝度の抽出処理に用いる画像の例であり、長手方向に０．５ｍｍずつＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各位置で、周波数５０ＭＨｚ、超音波ビームＢの焦点近傍でのビームサイズ径が７０μｍ程度を送信可能なプローブ３で０．１ｍｍピッチで超音波を送受信して、Ａ／Ｄ変換後に前述の移動平均波形の減算処理を実施して、全波整流（ｆｕｌｌ−ｗａｖｅ　ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）し、得られた信号振幅を輝度変換して作成した画像である。Ｐ１~Ｐ４の４枚の画像の最大輝度を抽出して画像化した結果が図１２である。図１１の各画像と比較して、図１２は溶接部２の組織が明瞭に可視化できており、最大輝度の抽出処理の効果を確認することができる。

　なお、超音波の送受信の方式は垂直法（ｓｔｒａｉｇｈｔ　ｂｅａｍ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）に限定されず、斜角法（ａｎｇｌｅ　ｂｅａｍ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）やタンデム法（ｔａｎｄｅｍ　ｐｒｏｂｅ　ｍｅｔｈｏｄ）に適用してもかまわない。

　又、本発明の適用対象はホイールの溶接部に限定されず、鋼板の付き合わせ溶接部、隅肉溶接部、鋼管の溶接部等にも同様に適用可能である。

　ＵＯＥ鋼管（ＵＯＥ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）の溶接部の組織形状に対し、タンデム法（ｔａｎｄｅｍ　ｐｒｏｂｅ　ｍｅｔｈｏｄ）を適用して、本発明による画像化（ｉｍａｇｉｎｇ）を行なった。
　図１３に本実施例における画像化方法全体のフローチャート（ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ）を示す。管軸方向に走査（スキャン）しながら１断面におけるビーム走査（ｂｅａｍ　ｓｃａｎｎｉｎｇ）および画像化を複数行ない、得られた複数の１断面画像を最大輝度の抽出処理により合成し、溶接部の画像を取得している。
　具体的には、図１３の左側に示したステップ１００で、プローブ３０を管軸方向（図１４の紙面に垂直な方向）走査開始位置に合わせる。
　次いで、ステップ１１０で１断面の画像化を実行する。具体的には、図１３の右側に示す如く、先ずステップ１１１で、ビームＢを走査開始位置（図１４では左側の位置）に合わせる。
　次いでステップ１１２でタンデム法による測定を行う。
　ステップ１１３で肉厚方向の走査が完了したか否かを判定し、完了していない場合には、ステップ１１４で、プローブ３０のアレイ設定を変更することによって、ビームを肉厚方向に１ピッチ分（例えば０．５ｍｍ）移動（電子走査）して、ステップ１１２に戻る。
　一方ステップ１１３の判定結果が正であり、肉厚方向の走査が完了したと判定されるときには、ステップ１１５に進み、管軸と垂直な方向（図１４の左右方向）の走査が完了したか否かを判定する。判定結果が否であった場合にはステップ１１６に進み、ビームＢを管軸と垂直方向に１ピッチ分（例えば０．１ｍｍ）移動（機械走査）する。次いでステップ１１７に進み、ビームＢを肉厚方向走査開始位置（例えば被検査体Ｓの表面位置）に合わせて、ステップ１１２に戻る。
　一方、ステップ１１５の判定結果が正であり、管軸と垂直な方向の走査が完了したと判定されたときには、ステップ１１８に進み、測定結果から１断面の画像を作成して、１断面画像化を終了する。
　ステップ１１１から１１８を繰り返して、ステップ１１０の１断面の画像化を実行した後、図１３左側のステップ１２０に進み、管軸方向走査が完了したか否かを判定する。判定結果が否である場合にはステップ１３０に進み、プローブ３０を管軸方向に１ピッチ分（例えば１０ｍｍ）移動して、ステップ１１０に戻り、次の１断面における画像化を実行する。
　ステップ１２０の判定結果が正であり、管軸方向の走査が完了したと判定されるときには、ステップ１４０に進み、最大輝度抽出処理画像の作成が完了したか否かを判定する。判定結果が否である場合には、ステップ１５０に進み、画像化領域中の一点を指定し、ステップ１６０で、全画像の輝度読取が完了したか否かを判定する。
　ステップ１６０の判定結果が否である場合には、ステップ１７０へ進み、取得した画像から指定点に対応する画素の輝度を読み取り、ステップ１６０に戻る。
　一方ステップ１６０の判定結果が正であり、全画像の輝度読取（ｒｅａｄｉｎｇ　ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ｖａｌｕｅ）が完了したと判定されたときには、ステップ１８０に進み、得られた輝度中の最大輝度（ｍａｘｉｍａｌ　ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ｖａｌｕｅ）を抽出して、ステップ１４０に戻る。
　一方、ステップ１４０の判定結果が正であり、最大輝度の抽出処理画像の作成が完了したと判定されるときには、ステップ１９０に進み、得られた最大輝度を合成して画像を作成し、処理を終了する。
　図１４に本実施例における１断面の画像化方法及び画像化結果の例を示す。プローブとしては周波数１０ＭＨｚのアレイプローブ３０を用い、水浸法（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）により計測を行なっている。アレイプロープ３０は遅延時間制御（ｄｅｌａｙ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａｒｒａｙ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ）および音響レンズにより送信ビーム・受信ビームの集束を行なっており、ビーム径は約１ｍｍである。超音波ビームＢの走査は、肉厚方向についてはアレイプローブ３０の送受信振動子選択および遅延時間制御（ｄｅｌａｙ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａｒｒａｙ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ）による電子走査（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｃａｎｎｉｎｇ）より行なっており、管軸と垂直方向については機械走査（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｃａｎｎｉｎｇ）により行なっている。この方法で、肉厚方向に０．５ｍｍピッチ、管軸と垂直方向に０．１ｍｍピッチでビーム走査を行ないつつ計測を行ない、検出した反射信号に基づき画像化を行なった。計測対象は、厚さ３８ｍｍのＵＯＥ鋼管の溶接部であり、画像化範囲は肉厚方向外面から内面まで、管軸と垂直方向は溶接部を中心に５０ｍｍの範囲である。
　図１５に本実施例における最大輝度の抽出処理の例を示す。図１４に記載の方法による１断面の画像化を、管軸方向１０ｍｍピッチで移動しながら１０回実行し、得られた１０断面の画像から最大輝度の抽出処理を行なって画像を合成した。これにより、１回の画像化では溶接部の境界線上の全ての点において信号が得られない場合でも溶接部の境界線全体を画像化することが可能である。図１５には比較のため、ＵＯＥ鋼管の溶接部の断面マクロ写真の例を示している。写真との比較から、本実施例ではＵＯＥ鋼管の溶接部の溶接部と母材の境界線、および溶接部中央（溶接組織の向きが変化している）が画像化できていることがわかる。

　Ｓ…被検査体、１…母材、２…溶接部、３…超音波プローブ、Ｂ…超音波ビーム
　４…Ｃ方向走査手段、５…Ｌ方向走査手段、６…超音波送信手段
　７…超音波受信手段、８…Ａ／Ｄ変換部、９…信号処理部、
　１０…移動平均波形の減算部、１１…最大輝度の抽出処理部、１２…出力部
　１３…Ｃ方向走査手段の制御部、１４…Ｃ方向位置検出手段
　１５…矩形パルス信号の変換部、１６…Ｌ方向走査手段の制御部
　１７…メモリ制御部（ｍｅｍｏｒｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、１８…画像変換部（ｉｍａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
　１９…最大輝度の計算部（ｍａｘｉｍａｌ　ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ）
　３０…アレイプローブ
Ｐ１、Ｐ２、・・Ｐｓ・・Ｐｎ・・・スキャン位置、Ｄ・・・走査ピッチ、

Ｒｂ−Ｒａ・・・移動平均波形減算処理波形
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、・・Ｍｓ・・Ｍｎ・・・メモリ、
Ｄ１，Ｄ２，・・・・Ｄｍ・・・位置、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、・・Ｂｎ・・Ｂｓ（ｘ、ｙ）・・・画像データ

Claims

　被検査体の溶接方向と直交する断面を超音波ビームで走査しながら被検査体内部からの反射信号を受信し、受信した反射信号に基づいて走査した断面を画像化して溶接部の組織を検査するための溶接部の組織形状の画像化方法において、
　溶接部の組織からの反射波を強調する溶接部の組織形状の画像化方法。
　前記画像化の際に、受信して離散値化された信号波形Ｒｂに対して、移動平均点数ｍで移動平均波形Ｒａを減算することで、受信信号の低周波成分を除去して、溶接部の組織からの反射信号を抽出し、抽出された反射信号のみを増幅することにより、溶接部の組織からの反射波を強調する請求項１に記載の溶接部の組織形状の画像化方法。
　前記移動平均波形Ｒａを算出する際に、抽出したい周波数の一波長の長さをＰｔ［ｓｅｃ］、離散値化のサンプリング周波数Ｓｐ［Ｈｚ］として、移動平均点数ｍをＰｔ×Ｓｐ［点］とする請求項２に記載の溶接部の組織形状の画像化方法。
　被検査体の溶接方向に対して異なる複数の位置で、溶接方向と直交する断面を集束された超音波ビームで走査して、得られた超音波の受信信号に基づいて走査した断面を画像化し、溶接方向に対する複数の位置で走査して得られた複数の画像を重ね、重なり合う画素の最大値を保持することにより、溶接部の組織からの反射波を強調する請求項１に記載の溶接部の組織形状の画像化方法。
　前記超音波ビームの送受信を所定の周波数で繰返すと共に、受信した反射信号を超音波ビームの送信と同期して加算することにより、溶接部の組織からの反射波を強調する請求項１に記載の溶接部の組織形状の画像化方法。
　前記超音波ビームの最大走査速度がＶｍ［ｍｍ／ｓｅｃ］で、走査ピッチがＤ［ｍｍ］、同期加算の平均点数がＫ［点］のとき、超音波の繰返し送受信周波数Ｋｐ［Ｈｚ］を次式
　Ｋｐ＝Ｖｍ×（１／Ｄ）×Ｋ
により決定する請求項５に記載の溶接部の組織形状の画像化方法。
　被検査体の溶接方向と直交する断面を超音波ビームで走査しながら被検査体内部からの反射信号を受信し、受信した反射信号に基づいて走査した断面を画像化して溶接部の組織を検査するための溶接部の組織形状の画像化装置において、
　溶接部の組織からの反射波を強調する手段を備えた溶接部の組織形状の画像化装置。
　前記反射波を強調する手段が、前記画像化に際し、受信して離散値化された信号波形Ｒｂに対して、移動平均点数ｍで移動平均波形Ｒａを減算することで、受信信号の低周波成分を除去して、溶接部の組織からの反射信号を抽出し、抽出された反射信号のみを増幅することにより、溶接部の組織からの反射波を強調する請求項７に記載の溶接部の組織形状の画像化装置。
　前記移動平均波形Ｒａを算出する際に、抽出したい周波数の一波長の長さをＰｔ［ｓｅｃ］、離散値化のサンプリング周波数Ｓｐ［Ｈｚ］として、移動平均点数ｍをＰｔ×Ｓｐ［点］とする請求項８に記載の溶接部の組織形状の画像化装置。
　前記反射波を強調する手段が、被検査体の溶接方向に対して異なる複数の位置で、溶接方向と直交する断面を集束された超音波ビームで走査して、得られた超音波の受信信号に基づいて走査した断面を画像化し、溶接方向に対する複数の位置で走査して得られた複数の画像を重ね、重なり合う画素の最大値を保持する請求項７に記載の溶接部の組織形状の画像化装置。
　前記反射波を強調する手段が、前記超音波ビームの送受信を所定の周波数で繰返すと共に、受信した反射信号を超音波ビームの送信と同期して加算請求項７に記載の溶接部の組織形状の画像化装置。
　前記超音波ビームの走査の最大走査速度がＶｍ［ｍｍ／ｓｅｃ］で、走査ピッチがＤ［ｍｍ］、同期加算平均点数がＫ［点］のとき、超音波の繰返し送受信周波数Ｋｐ［Ｈｚ］を次式
　Ｋｐ＝Ｖｍ×（１／Ｄ）×Ｋ
により決定する請求項１１に記載の溶接部の組織形状の画像化装置。