WO2014007111A1 - 鋼材の品質評価方法及び品質評価装置 - Google Patents

鋼材の品質評価方法及び品質評価装置 Download PDF

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steel material
echo signal
quality evaluation
signal
ultrasonic
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穣 松井
裕美 吉田
章敏 松井
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects

Definitions

  • the present invention relates to a steel material quality evaluation method and a quality evaluation apparatus for detecting a steel material using ultrasonic waves and evaluating the quality of the steel material based on the flaw detection result.
  • a sheet steel material is manufactured through a plurality of processes such as continuous casting, hot rolling, pickling, cold rolling, and galvanization.
  • Defects that are a problem in the final product of such a thin steel material are surface defects that are problematic in appearance and defects immediately below the surface layer (in the range of about 50 ⁇ m to 10 mm in depth from the surface) that are manifested by pressing. These defects may occur in each of the aforementioned processes.
  • defects generated in the continuous casting process include alumina inclusions and powder inclusions.
  • one of the causes of surface defects is that bubbles under the surface of the steel material appear on the surface during scale-off treatment in the hot rolling process, and the scale is clogged in the bubbles.
  • the ultrasonic flaw detection method is an inspection method widely used for flaw detection inside a steel product.
  • the generally known ultrasonic flaw detection method is a method for flaw detection using a vertical pulse echo method in which an ultrasonic signal is incident perpendicular to the flaw detection surface. Are acoustically coupled with oil or water, and an echo signal is received by an ultrasonic probe.
  • the central part of the thickness of the material to be inspected can be sufficiently detected, but the extreme surface layer part several millimeters below the surface is a dead zone where ultrasonic signals and echo signals cannot be detected. Can't flaw to get into.
  • Patent Document 1 discloses the time width of a surface echo signal received by increasing the frequency of an ultrasonic signal in a method for flaw detection using a vertical pulse echo method through water. A method for detecting a multiple reflection echo signal which is shortened and is generated by a defect existing in a surface layer portion is described. According to this method, since it becomes possible to detect a defect echo signal that could not be detected in the conventional dead zone region, it is possible to detect defects in the extreme surface layer portion.
  • 11 and 12 respectively show the ultrasonic signal when the surface layer portion (in the range of several mm to 10 mm from the surface) of the inspection object having a rough surface is detected using the ultrasonic flaw detection method described in Patent Document 1. It is a figure which shows the waveform of a reflection path
  • FIG. 11 when the surface S of the material to be inspected is rough, the ultrasonic signal transmitted from the ultrasonic flaw detector 100 and reflected by the defect D inside the material to be inspected is reflected at the mountain portion of the surface S.
  • the path R1 and the valley portion of the surface S propagate along the reflection path R2.
  • the echo signals received by the ultrasonic flaw detector 100 are the surface echo signal ES1 and the defect echo signal propagated through the reflection path R1 (see FIG. 11) shown in FIG.
  • the surface echo signal ES1 propagated through the reflection path R1 there is a time difference between the surface echo signal ES1 propagated through the reflection path R1 and the surface echo signal ES2 propagated through the reflection path R2.
  • the sound speed of steel is about 5900 m / s and the sound speed in water is about 1490 m / s.
  • a surface echo signal ES2 propagated through the reflection path R2 appears at a position corresponding to about 4 mm below the surface with respect to the surface echo signal ES1 propagated through the path R1. For this reason, as shown in FIGS.
  • the time width of the surface echo signal ES included in the echo signal received by the ultrasonic flaw detector 100 becomes long, and the surface echo signal ES detects a defect. Therefore, the noise enters the flaw detection gate set for this reason, and the S / N is lowered. As a result, the surface layer defect cannot be detected with high accuracy.
  • Patent Document 2 discloses that the surface of a steel material is ground and then the surface of the steel material is detected by using an ultrasonic flaw detection method, thereby suppressing the generation of noise due to surface irregularities. How to do is described. However, according to the technique described in Patent Document 2, it becomes impossible to detect defects in the ground surface portion.
  • Inspected materials are not only those having a flat surface, but also have a non-flat portion having a rough surface and large irregularities compared to the average surface roughness of the flat portion.
  • a dent may be generated by a scale being pushed into the surface in a rolling process or the like, or a dent may be present in a part that has been partially maintained.
  • a recess called an oscillation mark exists on the surface of the continuously cast steel piece. For this reason, provision of the technique which can detect the defect of the surface layer part which has an unevenness
  • This invention is made in view of the said subject, The objective is to provide the quality evaluation method and quality evaluation apparatus of the steel material which can detect a defect of the surface layer part which has an unevenness
  • a quality evaluation method for a steel material scans an ultrasonic signal toward a surface facing the surface of a steel material including a surface layer portion, A step of receiving an echo signal from the steel material generated by scanning, and calculating a propagation path of the echo signal from the surface using the waveform data of the echo signal, and a scanning direction of the ultrasonic signal from the calculated propagation path A step of calculating a shape profile of the surface in the step, and a detection range of an echo signal derived from a defect in the steel material is set as a flaw detection gate based on the shape profile of the surface, and the maximum value of the echo signal in the set flaw detection gate And a step of generating and outputting a defect instruction image in which is mapped.
  • the step of calculating the shape profile calculates an envelope waveform with respect to a waveform of an echo signal from the surface, and calculates the propagation path length from the envelope waveform.
  • the method further includes a step of calculating a shape profile of the surface in the scanning direction on the ultrasonic signal by performing a smoothing process on the profile of the propagation path in the scanning direction of the ultrasonic signal.
  • the quality evaluation method for a steel material according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the smoothing process is a smoothing process using a moving average process.
  • the step of receiving the echo signal includes the step of receiving a line-focused ultrasonic signal through water, And a second piezoelectric vibrator that receives the echo signal, and the first piezoelectric vibrator and the second piezoelectric vibrator comprise the first piezoelectric vibration.
  • flaw detection means arranged opposite to each other through an acoustic separator so that the intersection position of the ultrasonic signal transmitted by the child and the central axis of the received signal visual field is located within a predetermined depth range in the steel material It is characterized by performing.
  • the first and second piezoelectric vibrators may be disposed on a surface where the first piezoelectric vibrator and the second piezoelectric vibrator face each other.
  • signals transmitted or received are arranged to be diffused and focused.
  • the steel material quality evaluation apparatus scans an ultrasonic signal toward a surface facing the surface of the steel material including the surface layer portion, and the ultrasonic signal
  • a flaw detection means for receiving an echo signal from the steel material generated by scanning, and a propagation path of the echo signal from the surface using the waveform data of the echo signal, and scanning of the ultrasonic signal from the calculated propagation path
  • a calculation means for calculating a shape profile of the surface in the direction, and a detection range of an echo signal derived from a defect in the steel material is set as a flaw detection gate based on the shape profile of the surface, and the echo signal in the set flaw detection gate is set
  • Image generation means for generating and outputting a defect instruction image in which the maximum value is mapped.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a steel quality evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the flow of the quality evaluation process for steel material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an echo signal generated along with scanning of an ultrasonic signal.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of calculating the propagation path of the B echo.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of calculating a B scope image.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of smoothing the B scope image.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method for generating a defect instruction image.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a C scope image and a B scope image.
  • FIG. 9A is a side view showing the configuration of the ultrasonic probe.
  • FIG. 9B is a plan view showing the configuration of the ultrasonic probe.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the configuration of the piezoelectric vibrator.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a reflection path of an ultrasonic signal when a surface layer portion of a test object having a rough surface is detected.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating waveforms of an echo signal and a gate signal when a surface layer portion of a test object having a rough surface is detected.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a steel quality evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the quality evaluation apparatus for steel material includes an ultrasonic flaw detector 10, a flaw detector control unit 11, an A / D conversion unit 12, a waveform memory 13, and a black skin shape profile.
  • a calculation unit 14, a defect instruction imaging unit 15, and a defect instruction output unit 16 are provided as main components.
  • the ultrasonic flaw detector 10 transmits an ultrasonic signal toward the steel material 1 and receives a reflection signal of the ultrasonic signal from the steel material 1 as an echo signal.
  • the flaw detector control unit 11 controls driving of the ultrasonic flaw detector 10 and outputs an echo signal received by the ultrasonic flaw detector 10 to the A / D converter 12.
  • the A / D converter 12 converts the waveform data of the analog echo signal output from the flaw detector control unit 11 into the waveform data of the digital echo signal, and converts the waveform data of the echo signal converted into the digital form It is stored in the waveform memory 13.
  • the black skin shape profile calculation unit 14, the defect instruction imaging unit 15, and the defect instruction output unit 16 are realized by an information processing apparatus such as a microprocessor executing a computer program.
  • the black skin surface profile calculation unit 14 calculates the shape profile of the black skin surface S1 of the steel material 1 using the waveform data of the echo signal stored in the waveform memory 13.
  • the defect instruction imaging unit 15 generates, as a defect instruction image, an image of a defect existing on the surface layer portion of the steel material 1 based on the shape profile of the black skin surface S1 of the steel material 1 calculated by the black skin surface shape profile calculation unit 14. To do.
  • the defect instruction output unit 16 outputs the defect instruction image generated by the defect instruction imaging unit 15.
  • the steel material quality evaluation apparatus having such a configuration detects defects in the surface layer portion having irregularities by executing the following quality evaluation process.
  • operation movement of the quality evaluation apparatus of the steel materials at the time of performing quality evaluation processing is demonstrated.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the flow of quality evaluation processing according to an embodiment of the present invention.
  • an ultrasonic flaw detector 10 has a surface S ⁇ b> 2 (hereinafter referred to as a scanning plane S ⁇ b> 2) facing the black skin surface S ⁇ b> 1 of a plate-shaped steel material 1 cut out from a continuously cast steel piece.
  • the steel material 1 is set so as to face (see FIG. 1), and starts at the timing when the quality evaluation apparatus is instructed to execute the quality evaluation process, and the quality evaluation process proceeds to step S1.
  • step S1 the flaw detector control unit 11 sets the value of the program counter p for designating the length direction position of the steel material 1 to 1. Thereby, the process of step S1 is completed and a quality evaluation process progresses to the process of step S2.
  • step S2 the flaw detector control unit 11 reads the width direction scanning data Data (p) corresponding to the value of the program counter p. Thereby, the process of step S2 is completed and the quality evaluation process proceeds to the process of step S3.
  • the flaw detector control unit 11 moves the steel material 1 and the ultrasonic flaw detector 10 to move the ultrasonic flaw detector 10 to the position in the length direction of the steel material 1 corresponding to the program counter p. Moving.
  • the flaw detector control unit 11 moves the steel material 1 and the ultrasonic flaw detector 10 relatively along the width direction of the steel material 1 in accordance with the width direction scanning data Data (p) read out in the process of step S2.
  • the ultrasonic signal is scanned toward the scanning surface S2.
  • the flaw detector controller 11 outputs an echo signal received by the ultrasonic flaw detector 10 to the A / D converter 12.
  • the A / D converter 12 converts the waveform data of the analog echo signal output from the flaw detector control unit 11 into the waveform data of the digital echo signal, and the waveform of the echo signal converted into the digital form Data is stored in the waveform memory 13. Thereby, the process of step S3 is completed and the quality evaluation process proceeds to the process of step S4.
  • the black skin shape profile calculation unit 14 extracts an echo signal (hereinafter referred to as B echo) from the black skin surface S1 from the waveform data of the echo signal stored in the waveform memory 13. Then, the shape profile (B scope image, bottom surface position information) of the black skin surface S1 is calculated using the extracted B echo.
  • B echo an echo signal
  • FIGS. 3 As shown in FIG. 3, by sending an ultrasonic signal from the ultrasonic flaw detector 10, B echo EB from the black skin surface S1 of the steel material 1, echo signal from the defect D in the steel material 1 (hereinafter referred to as F echo). And EF and an echo signal ES from the scanning plane S2 is generated.
  • the black skin surface profile calculation unit 14 calculates the propagation path length (propagation time or depth position) of the B echo. Specifically, as shown in FIG. 4, the black skin surface profile calculation unit 14 uses the B echo gate to convert the B echo waveform data from the waveform data of the echo signal stored in the waveform memory 13.
  • the propagation path length ⁇ T is calculated from the rise of the B echo waveform BL in the B echo gate.
  • an envelope waveform (detection waveform) L1 is calculated by subjecting the absolute value of the B echo waveform BL to processing such as low-pass filter processing and moving average processing.
  • the black skin shape profile calculation unit 14 determines the propagation path length ⁇ T of the B echo EB in the scanning direction of the ultrasonic signal based on the propagation path length ⁇ T of the B echo. Is generated as a shape profile of the black skin surface S1 in the scanning direction of the ultrasonic signal. Thereby, the process of step S4 is completed and the quality evaluation process proceeds to the process of step S5.
  • the black skin shape profile calculation unit 14 performs a smoothing process on the shape profile of the black skin surface S1 generated by the process of step S4.
  • the shape profile of the black skin surface S1, including the F echo immediately below the black skin surface S1 is captured.
  • the black skin shape profile calculation unit 14 performs a smoothing process on the shape profile of the black skin surface S1, thereby calculating the shape of the true black skin surface S1.
  • the smoothing process can be performed by performing a moving average process or a low-pass filter process using a digital IIR filter, FIR filter, or the like.
  • the defect instruction imaging unit 15 sets the F echo detection range as a flaw detection gate based on the shape profile of the black skin surface S1 smoothed by the process of step S5. Specifically, as shown in FIG. 7, the defect instruction imaging unit 15 sets a predetermined amplitude range based on the shape profile of the black skin surface S1 as a flaw detection gate. Then, the defect indication imaging unit 15 generates an F echo profile (F scope image) in the scanning direction of the ultrasonic signal with reference to the black skin surface S1 using the flaw detection gate, and maximizes the amplitude of the F echo. The value (maximum echo height) and its position coordinates are calculated.
  • the flaw detection gate By setting the flaw detection gate based on the shape profile of the black skin surface S1, the flaw detection gate can be set so as to follow the unevenness of the black skin surface S1, so that defects on the surface layer portion having the unevenness can be detected with high accuracy. it can. Thereby, the process of step S6 is completed and the quality evaluation process proceeds to the process of step S7.
  • step S7 the defect instruction imaging unit 15 outputs the maximum echo height calculated by the process of step S6 and its position coordinates to a temporary storage memory (not shown). Thereby, the process of step S7 is completed, and the quality evaluation process proceeds to the process of step S8.
  • the flaw detector control unit 11 determines whether or not there is unprocessed width direction scanning data Data (p). If there is unprocessed width direction scanning data Data (p) as a result of the determination, the flaw detector control unit 11 advances the quality evaluation process to the process of step S9. On the other hand, when there is no unprocessed width direction scanning data Data (p), the flaw detector control unit 11 advances the quality evaluation process to the process of step S10.
  • step S9 the flaw detector control unit 11 increments the value of the program counter p by one. Thereby, the process of step S9 is completed, and the quality evaluation process returns to the process of step S2.
  • the defect indication imaging unit 15 maps the maximum echo height and the position coordinates of each width direction scanning data Data (p) output to a temporary storage memory (not shown) in the length direction of the steel material 1. By doing so, a defect instruction image is generated.
  • the defect instruction output unit 16 outputs the defect instruction image generated by the defect instruction imaging unit 15. Thereby, the process of step S10 is completed and a series of quality evaluation processes are complete
  • the defect indication imaging unit 15 performs a labeling process on the position coordinates having the maximum echo height equal to or higher than a preset threshold value, and determines the number of defects, the defect diameter, the defect depth based on the labeling process result. It is also possible to calculate and output the size.
  • the flaw detector control unit 11 is a scanning surface S2 facing the black skin surface S1 of the steel material 1 including the surface layer portion. And the echo signal from the steel material 1 generated along with the scan of the ultrasonic signal is received, and the black skin shape profile calculation unit 14 uses the waveform data of the echo signal to obtain the black skin surface.
  • the propagation path of the echo signal from S1 is calculated, the shape profile of the black skin surface S1 in the scanning direction of the ultrasonic signal is calculated from the calculated propagation path, and the defect indication imaging unit 15 and the defect indication output unit 16 are A defect indication image in which the detection range of an echo signal derived from a defect in the steel material 1 is set as a flaw detection gate based on the shape profile of the black skin surface S1, and the maximum value of the echo signal in the set flaw detection gate is mapped Generated and output.
  • the flaw detection gate can be set to follow the unevenness of the black skin surface S1, so that the surface layer portion having the unevenness can be set. Defects can be detected with high accuracy.
  • Example 1 a steel material having a width (C direction) of 300 mm, a length (L direction) of 300 mm, and a thickness of 5 mm is processed from a continuously cast steel piece, and the black skin surface is scanned with ultrasonic waves from an ultrasonic probe.
  • the steel material was installed so that the surface was opposite, and the reflected signal from the inside of the steel material was received while mechanically scanning the ultrasonic probe.
  • the ultrasonic probe uses a single probe with a frequency of 5 MHz, a transducer diameter of ⁇ 12.8 mm, and a focal length of 60 mm, and a steel material having a width of 300 mm ⁇ length of 300 mm is 280 mm in the center width direction of the steel material and 200 mm in the length direction.
  • the ultrasonic wave was transmitted and received with the flaw detection pitch being 0.5 mm pitch in both the C direction and the L direction of the steel material.
  • the mechanical scanning direction of the ultrasonic probe was the width direction (C direction), and the flaw detection was performed 400 times while shifting by 0.5 mm in the length direction.
  • the received waveform was stored in the waveform memory for each scan, and the nth received waveform in the C direction was linked as Data (n) and stored in the waveform memory. Then, after ultrasonically flaw-detecting the entire surface of the steel material and measuring the received waveform, flaw detection was performed under the black skin.
  • the absolute value of the received waveform is subjected to moving average processing of 50 points (equivalent to 0.1 ⁇ sec in propagation time), the envelope waveform is calculated, and the position where the amplitude of the envelope waveform is equal to or greater than the threshold Tb Calculated by reading. Since it is preferable that the threshold value Tb for calculating the propagation path of the B echo is as small as possible, a steel material having no defect is flawed in advance and set as the maximum value of noise level of the flaw detection waveform +0.5 dB. In smoothing filter processing for the shape profile of the black skin, 10 points of moving average processing were performed and smoothing processing was performed. FIG.
  • FIG. 8 shows a two-dimensional image (C scope image and B scope image) obtained by flaw detection of a defect (depth direction: 0.1 mm to 2.0 mm) immediately below the black skin surface according to this example.
  • a defect depth direction: 0.1 mm to 2.0 mm
  • Example 2 In Example 1, a single probe having a frequency of 5 MHz, a vibrator diameter of 12.8 mm, and a focal length of 60 mm was used as the ultrasonic probe. However, when a single probe is used as an ultrasonic probe, a dead zone occurs due to the influence of the reflected wave from the steel surface, so it is possible to detect within 3 mm from the bottom of the steel surface where the ultrasonic signal enters. Can not. Therefore, in this example, ultrasonic flaw detection was performed using an ultrasonic probe as shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the ultrasonic probe used in this embodiment includes a piezoelectric vibrator 51 and a piezoelectric vibrator 52, and the piezoelectric vibrator 51 and the piezoelectric vibrator 52. Are arranged opposite to each other with an acoustic separator 53 interposed therebetween.
  • the piezoelectric vibrators 51 and 52 have a shape capable of transmitting and receiving ultrasonic signals in a line focus shape. Specifically, when the shape of the piezoelectric vibrators 51 and 52 is a rectangular shape, as shown in FIG. 10, the piezoelectric vibrators 51 and 52 are arranged so that the ultrasonic signal is focused on the long side LS side. The short side SS side is formed so as to be flat so that the ultrasonic signal is diffused.
  • the piezoelectric vibrators 51 and 52 may be formed by attaching an acoustic lens to a flat piezoelectric vibrator so that an ultrasonic signal can be transmitted and received in a line focus form.
  • the piezoelectric vibrator 51 uses the acoustic coupling method as a water immersion method, that is, transmits a line-focused ultrasonic signal UB through water.
  • the piezoelectric vibrator 52 has a line focus-like reception signal field RS, and receives an echo signal generated with the ultrasonic signal UB transmitted by the piezoelectric vibrator 51.
  • the piezoelectric vibrators 51 and 52 are formed such that signals transmitted or received are diffused and converged in directions perpendicular to and parallel to the surfaces of the piezoelectric vibrator 51 and the piezoelectric vibrator 52 facing each other. Has been.
  • the piezoelectric vibrator 51 and the piezoelectric vibrator 52 adjust the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the central axis with respect to the normal line of the steel material surface S1, thereby the center of the ultrasonic signal UB transmitted by the piezoelectric vibrator 51.
  • the intersection position P between the axis L1 and the central axis L2 of the received signal visual field RS is arranged so as to be located within a predetermined depth range Dc in the steel material.
  • the piezoelectric vibrator 51 and the piezoelectric vibrator 52 are arranged such that the focal depth F in the steel is within a predetermined depth range Dc in the steel.
  • the piezoelectric transducer 51 and the piezoelectric transducer 52 are directed in a direction different from the regular reflection direction. For this reason, the signal transmitted from the piezoelectric vibrator 51 and reflected by the surface of the steel material is not easily received by the piezoelectric vibrator 52, and the amplitude of the surface reflected wave (S echo) is reduced. Further, since the acoustic separator 53 blocks the scattered wave that is reflected on the surface of the steel material and leaks into the piezoelectric vibrator 52, the amplitude of the surface reflected wave is further reduced, and the dead zone can be reduced as much as possible. .
  • the two-divided probe used for the flaw detection of a thick plate has the same configuration as the ultrasonic probe used in the present embodiment at first glance.
  • the wedge is made of a resin material, and the acoustic coupling method is a water thin film method (gap method).
  • the ultrasonic probe used in the present embodiment does not use a wedge, so no noise is generated due to distance fluctuation.
  • the ultrasonic signal is increased in frequency to narrow the dead zone of the S echo, and the ultrasonic signal is focused in order to receive the reflected wave from the defect with a high S / N ratio.
  • the ultrasonic probe used in this example is arranged so that the side where the line-focused ultrasonic signal is diffused intersects the depth direction of the steel material. A reflected wave from a defect existing in the measurement depth range Dc shown in FIG. 9A can be received.
  • the dead zone can be narrowed and a wide depth range of the steel material can be detected without increasing the frequency of the ultrasonic signal.
  • the present invention it is possible to provide a quality evaluation method and a quality evaluation apparatus for a steel material that can detect flaws in the surface layer having irregularities with high accuracy.

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Abstract

　鋼材の品質評価装置は、表層部を含む鋼材１の黒皮面Ｓ１に対向する走査面Ｓ２に向けて超音波信号を走査し、超音波信号の走査に伴い発生する鋼材１からのエコー信号を受信する探傷子制御部１１と、エコー信号の波形データを用いて黒皮面Ｓ１からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出する黒皮面形状プロファイル計算部１４と、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて鋼材１内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する欠陥指示画像化部１５及び欠陥指示出力部１６と、を備えている。

Description

鋼材の品質評価方法及び品質評価装置
　本発明は、超音波を利用して鋼材を探傷し、探傷結果に基づいて鋼材の品質を評価する鋼材の品質評価方法及び品質評価装置に関するものである。
　一般に、薄板鋼材は、連続鋳造、熱延、酸洗、冷延、及び亜鉛メッキといった複数の工程を経て製造される。このような薄板鋼材の最終製品において問題となる欠陥は、外観上の問題となる表面欠陥やプレス処理によって顕在化する表層(表面から深さ５０μｍ～１０ｍｍ程度の範囲)直下の欠陥である。これらの欠陥は、前述の各工程で発生する可能性がある。例えば、連続鋳造工程において発生する欠陥としては、アルミナ性介在物やパウダー性介在物がある。また、熱延工程におけるスケールオフ処理の際、鋼材の表層下の気泡が表面に現れ、気泡の中にスケールが詰まることも、表面欠陥の原因の一つと言われている。こうした介在物や気泡は、通常、連続鋳造された鋼片の表層直下に多く存在するため、連続鋳造機の鋳型内での電磁攪拌やブレーキ技術等により、できる限り鋼片の表層直下に欠陥を発生させないような取り組みが実施されている。
　連続鋳造工程の鋳造条件が適切であるか否かを判断するために鋼片の品質を評価する方法の一つとして、鋼片から切り出された被検査材の表面を数ミリ程度研削した後、超音波探傷法を利用して被検査材を探傷することによって、被検査材内部の介在物や気泡の分布状態を統計的に調べる方法がある。超音波探傷法は、鉄鋼製品内部の欠陥の探傷に広く使われている検査方法である。一般的に知られている超音波探傷法は、探傷面に対して垂直に超音波信号を入射させる垂直パルスエコー法で被検査材を探傷する方法であり、超音波探触子と被検査材とを油や水で音響結合し、超音波探触子でエコー信号を受信する。しかしながら、この超音波探傷法によれば、被検査材の肉厚の中央部は十分に探傷できるが、表面下数ミリの極表層部は、超音波信号やエコー信号が探傷不可能な不感帯領域に入るために、探傷することができない。
　このような背景から、被検査材の極表層部(表面から深さ５０μｍ～２ｍｍ程度の範囲)の欠陥を探傷する方法として、超音波信号の周波数を例えば５０ＭＨｚ程度に高周波化する方法が提案されている。具体的には、特許文献１には、水を介して垂直パルスエコー法で被検査材を探傷する方法において、超音波信号の周波数を高周波化することによって受信される表面エコー信号の時間幅を短くし、表層部に存在する欠陥によって発生する多重反射エコー信号を検出する方法が記載されている。この方法によれば、従来は不感帯領域に入り検出できなかった欠陥エコー信号が検出できるようになるので、極表層部の欠陥を探傷することができる。
特開平０１－２３７４４９号公報 特開平０９－２５７７６２号公報
　しかしながら、特許文献１記載の超音波探傷方法には以下に示すような問題点がある。以下、図１１及び図１２を参照して、特許文献１記載の超音波探傷方法の問題点について説明する。
　図１１及び図１２はそれぞれ、特許文献１記載の超音波探傷方法を利用して表面が粗い被検査材の表層部（表面から数ｍｍ～１０ｍｍ程度の範囲）を探傷した際の超音波信号の反射経路及びエコー信号の波形を示す図である。図１１に示すように、被検査材の表面Ｓが粗い場合、超音波探傷子１００から送出され、被検査材内部の欠陥Ｄで反射された超音波信号は、表面Ｓの山の部分では反射経路Ｒ１、表面Ｓの谷の部分では反射経路Ｒ２を伝播する。このため、表面Ｓが粗い被検査材を探傷する場合、表面Ｓの凹凸によって超音波信号の伝播時間に差が生じる。一方、図１２（ｃ）に示すように、超音波探傷子１００が受信するエコー信号は、図１２（ａ）に示す反射経路Ｒ１（図１１参照）を伝播した表面エコー信号ＥＳ１及び欠陥エコー信号ＥＦ１を含むエコー信号と図１２（ｂ）に示す反射経路Ｒ２（図１１参照）を伝播した表面エコー信号ＥＳ２及び欠陥エコー信号ＥＦ２を含むエコー信号との和である。
　以上の理由から、反射経路Ｒ１を伝播した表面エコー信号ＥＳ１と反射経路Ｒ２を伝播した表面エコー信号ＥＳ２との間には時間差が発生する。具体的には、被検査材が鋼であり、仮に表面に１ｍｍの凹みがある部分を探傷したとすると、鋼の音速は約５９００ｍ／ｓ、水中の音速は約１４９０ｍ／ｓであるので、反射経路Ｒ１を伝播した表面エコー信号ＥＳ１に対して表面下約４ｍｍに相当する位置に反射経路Ｒ２を伝播した表面エコー信号ＥＳ２が現れる。このため、図１２（ｃ），（ｄ）に示すように、超音波探傷子１００が受信するエコー信号に含まれる表面エコー信号ＥＳの時間幅は長くなり、表面エコー信号ＥＳが欠陥を検出するために設定された探傷ゲート内に入り込んでノイズとなり、Ｓ／Ｎが低下し、結果として表層部の欠陥を精度高く検出できなくなる。
　なお、このような問題を解決するために、特許文献２には、鋼材表面を研削した後に超音波探傷法を利用して鋼材を探傷することによって、表面の凹凸に起因するノイズの発生を抑制する方法が記載されている。しかしながら、特許文献２記載の技術によれば、研削された表層部分の欠陥を探傷することができなくなる。
　被検査材は表面が平坦なものばかりではなく、平坦部の平均表面粗さに比べて、その表面が粗く、大きな凹凸を有する非平坦部を有するものが多い。例えば厚板や継目無管等では、圧延等の工程において表面にスケール等が押し込まれることによって凹みが生じたり、部分的に手入れを行なった部位に凹みが存在したりする場合がある。また、連続鋳造された鋼片の表面には、オシレーションマークと呼ばれる凹みが存在する。このため、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く検出可能な技術の提供が期待されていた。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷可能な鋼材の品質評価方法及び品質評価装置を提供することにある。
　上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の品質評価方法は、表層部を含む鋼材の表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信するステップと、前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップと、前記表面の形状プロファイルに基づいて鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力するステップと、を含むことを特徴とする。
　本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記形状プロファイルを算出するステップは、前記表面からのエコー信号の波形に対する包絡線波形を算出し、該包絡線波形から前記伝播路程を算出し、超音波信号の走査方向における伝播路程のプロファイルに対し平滑化処理を施すことによって、超音波信号に走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップを含むことを特徴とする。
　本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記平滑化処理は、移動平均処理を用いた平滑化処理であることを特徴とする。
　本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記エコー信号を受信するステップを、水を介してラインフォーカス状の超音波信号を送信する第１の圧電型振動子と、ラインフォーカス状の受信信号視野を有し、前記エコー信号を受信する第２の圧電型振動子と、を備え、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが、第１の圧電型振動子が送信する超音波信号と前記受信信号視野の中心軸との交差位置が鋼材中の所定の深さ範囲内に位置するように音響隔離板を介して対向配置されている探傷手段を用いて行うことを特徴とする。
　本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記第１及び第２の圧電型振動子は、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが対向する面に対して垂直及び平行な方向ではそれぞれ送信又は受信する信号が拡散及び集束するように配置されていることを特徴とする。
　上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の品質評価装置は、表層部を含む鋼材の表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信する探傷手段と、前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出する算出手段と、前記表面の形状プロファイルに基づいて鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する画像生成手段と、を備えることを特徴とする。
　本発明に係る鋼材の品質評価方法及び品質評価装置によれば、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷することができる。
図１は、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、超音波信号の走査に伴い発生するエコー信号を示す模式図である。 図４は、Ｂエコーの伝播路程の算出方法を説明するための図である。 図５は、Ｂスコープ像の算出方法を説明するための図である。 図６は、Ｂスコープ像の平滑化方法を説明するための図である。 図７は、欠陥指示画像の生成方法を説明するための図である。 図８は、Ｃスコープ像及びＢスコープ像の一例を示す図である。 図９Ａは、超音波探触子の構成を示す側面図である。 図９Ｂは、超音波探触子の構成を示す平面図である。 図１０は、圧電型振動子の構成を説明するための模式図である。 図１１は、表面が粗い被検査材の表層部を探傷した際の超音波信号の反射経路を示す図である。 図１２は、表面が粗い被検査材の表層部を探傷した際のエコー信号及びゲート信号の波形を示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置及び品質評価方法について説明する。
〔品質評価装置の構成〕
　始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置の構成について説明する。
　図１は、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置は、超音波探傷子１０、探傷子制御部１１、Ａ／Ｄ変換部１２、波形メモリ１３、黒皮面形状プロファイル計算部１４、欠陥指示画像化部１５、及び欠陥指示出力部１６を主な構成要素として備えている。
　超音波探傷子１０は、鋼材１に向けて超音波信号を送出し、鋼材１からの超音波信号の反射信号をエコー信号として受信するものである。
　探傷子制御部１１は、超音波探傷子１０の駆動を制御すると共に、超音波探傷子１０が受信したエコー信号をＡ／Ｄ変換部１２に出力するものである。
　Ａ／Ｄ変換部１２は、探傷子制御部１１から出力されたアナログ形態のエコー信号の波形データをデジタル形態のエコー信号の波形データに変換し、デジタル形態に変換されたエコー信号の波形データを波形メモリ１３内に格納するものである。
　黒皮面形状プロファイル計算部１４、欠陥指示画像化部１５、及び欠陥指示出力部１６は、マイクロプロセッサ等の情報処理装置がコンピュータプログラムを実行することによって実現される。
　黒皮面形状プロファイル計算部１４は、波形メモリ１３内に格納されているエコー信号の波形データを用いて鋼材１の黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出する。
　欠陥指示画像化部１５は、黒皮面形状プロファイル計算部１４によって算出された鋼材１の黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて鋼材１の表層部に存在する欠陥の画像を欠陥指示画像として生成する。
　欠陥指示出力部１６は、欠陥指示画像化部１５が生成した欠陥指示画像を出力する。
〔品質評価処理〕
　このような構成を有する鋼材の品質評価装置は、以下に示す品質評価処理を実行することによって、凹凸を有する表層部の欠陥を探傷する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、品質評価処理を実行する際の鋼材の品質評価装置の動作について説明する。
　図２は、本発明の一実施形態である品質評価処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すフローチャートは、オペレータが、連続鋳造された鋼片から切り出された板状の鋼材１の黒皮面Ｓ１に対向する表面Ｓ２（以下、走査面Ｓ２と表記）が超音波探傷子１０に対向するように鋼材１をセッティングし（図１参照）、品質評価装置に対して品質評価処理の実行を指示したタイミングで開始となり、品質評価処理はステップＳ１の処理に進む。
　ステップＳ１の処理では、探傷子制御部１１が、鋼材１の長さ方向位置を指定するプログラムカウンタｐの値を１に設定する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ２の処理に進む。
　ステップＳ２の処理では、探傷子制御部１１が、プログラムカウンタｐの値に対応する幅方向走査データData(p)を読み出す。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ３の処理に進む。
　ステップＳ３の処理では、探傷子制御部１１が、鋼材１と超音波探傷子１０とを相対的に移動させることによってプログラムカウンタｐに対応する鋼材１の長さ方向位置に超音波探傷子１０を移動する。探傷子制御部１１は、ステップＳ２の処理によって読み出された幅方向走査データData(p)に従って、鋼材１と超音波探傷子１０とを鋼材１の幅方向に沿って相対的に移動させながら超音波探傷子１０から超音波信号を送信することにより走査面Ｓ２に向けて超音波信号を走査する。探傷子制御部１１は、超音波探傷子１０が受信したエコー信号をＡ／Ｄ変換部１２に出力する。そして、Ａ／Ｄ変換部１２は、探傷子制御部１１から出力されたアナログ形態のエコー信号の波形データをデジタル形態のエコー信号の波形データに変換し、デジタル形態に変換されたエコー信号の波形データを波形メモリ１３内に格納する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ４の処理に進む。
　ステップＳ４の処理では、黒皮面形状プロファイル計算部１４が、波形メモリ１３内に格納されているエコー信号の波形データから黒皮面Ｓ１からのエコー信号（以下、Ｂエコーと表記）を抽出し、抽出されたＢエコーを用いて黒皮面Ｓ１の形状プロファイル（Ｂスコープ像，底面位置情報）を算出する。ここで、図３～図５を参照して、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルの算出方法について詳しく説明する。図３に示すように、超音波探傷子１０から超音波信号を送出することにより、鋼材１の黒皮面Ｓ１からのＢエコーＥＢ、鋼材１中の欠陥Ｄからのエコー信号（以下、Ｆエコーと表記）ＥＦ、及び走査面Ｓ２からのエコー信号ＥＳが発生する。
　黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出する際、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、Ｂエコーの伝搬路程（伝播時間又は深さ位置）を算出する。具体的には、図４に示すように、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、Ｂエコーゲートを利用して波形メモリ１３内に格納されているエコー信号の波形データからＢエコーの波形データを抽出し、Ｂエコーゲート内におけるＢエコーの波形ＢＬの立ち上がりから伝播路程ΔＴを算出する。Ｂエコーの伝播路程ΔＴを算出する際には、Ｂエコーの波形ＢＬの絶対値にローパスフィルタ処理や移動平均処理等の処理を施すことによって包絡線波形（検波波形）Ｌ１を算出し、包絡線波形Ｌ１の振幅が閾値Ｔｂ以上になる伝播時間を伝播路程ΔＴとすることが望ましい。そして、図５（ａ），（ｂ）に示すように、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、Ｂエコーの伝播路程ΔＴに基づいて、超音波信号の走査方向におけるＢエコーＥＢの伝播路程ΔＴのプロファイルを超音波信号の走査方向における黒皮面Ｓ１の形状プロファイルとして生成する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ５の処理に進む。
　ステップＳ５の処理では、黒皮面形状プロファイル計算部１４が、ステップＳ４の処理によって生成された黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに対して平滑化処理を施す。ステップＳ４の処理では、黒皮面Ｓ１の直下にあるＦエコーも含めて黒皮面Ｓ１の形状プロファイルとしてとらえてしまう。このため、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、図６に示すように黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに対し平滑化処理を施すことにより、真の黒皮面Ｓ１の形状を算出する。平滑化処理は、移動平均処理又はデジタルＩＩＲフィルタやＦＩＲフィルタ等を用いたローパスフィルタ処理を施すことによって行うことができる。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ６の処理に進む。
　ステップＳ６の処理では、欠陥指示画像化部１５が、ステップＳ５の処理によって平滑化された黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいてＦエコーの検出範囲を探傷ゲートとして設定する。具体的には、図７に示すように、欠陥指示画像化部１５は、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを基準とした所定振幅の範囲内を探傷ゲートとして設定する。そして、欠陥指示画像化部１５は、探傷ゲートを利用して黒皮面Ｓ１を基準にした超音波信号の走査方向におけるＦエコーのプロファイル（Ｆスコープ像）を生成し、Ｆエコーの振幅の最大値（最大エコー高さ）及びその位置座標を算出する。黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて探傷ゲートを設定することによって、黒皮面Ｓ１の凹凸に追従するように探傷ゲートを設定できるので、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷することができる。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ７の処理に進む。
　ステップＳ７の処理では、欠陥指示画像化部１５が、ステップＳ６の処理によって算出された最大エコー高さ及びその位置座標を図示しない一時記憶メモリに出力する。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ８の処理に進む。
　ステップＳ８の処理では、探傷子制御部１１が、未処理の幅方向走査データData(p)があるか否かを判別する。判別の結果、未処理の幅方向走査データData(p)がある場合、探傷子制御部１１は品質評価処理をステップＳ９の処理に進める。一方、未処理の幅方向走査データData(p)がない場合には、探傷子制御部１１は品質評価処理をステップＳ１０の処理に進める。
　ステップＳ９の処理では、探傷子制御部１１が、プログラムカウンタｐの値を１増数する。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ２の処理に戻る。
　ステップＳ１０の処理では、欠陥指示画像化部１５が、図示しない一時記憶メモリに出力された各幅方向走査データData(p)の最大エコー高さ及びその位置座標を鋼材１の長さ方向にマッピングすることによって欠陥指示画像を生成する。そして、欠陥指示出力部１６は、欠陥指示画像化部１５が生成した欠陥指示画像を出力する。これにより、ステップＳ１０の処理は完了し、一連の品質評価処理は終了する。
　なお、ステップＳ１０の処理において、欠陥指示画像化部１５は、予め設定した閾値以上の最大エコー高さを有する位置座標にラベリング処理を施し、ラベリング処理結果に基づいて欠陥個数、欠陥径、欠陥深さ等を算出、出力してもよい。
　以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置によれば、探傷子制御部１１が、表層部を含む鋼材１の黒皮面Ｓ１に対向する走査面Ｓ２に向けて超音波信号を走査し、超音波信号の走査に伴い発生する鋼材１からのエコー信号を受信し、黒皮面形状プロファイル計算部１４が、エコー信号の波形データを用いて黒皮面Ｓ１からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出し、欠陥指示画像化部１５及び欠陥指示出力部１６が、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて鋼材１内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する。このような構成によれば、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて探傷ゲートを設定することによって、黒皮面Ｓ１の凹凸に追従するように探傷ゲートを設定できるので、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷することができる。
〔実施例１〕
　本実施例では、連続鋳造された鋼片から幅（Ｃ方向）300mm×長さ（Ｌ方向）300mm×厚み5ｍｍの鋼材を加工し、黒皮面を超音波探触子から超音波を走査する面と反対面になるように鋼材を設置し、超音波探触子を機械走査しながら、鋼材内部からの反射信号を受信した。このとき、超音波探触子は周波数5MHz、振動子径φ12.8mm、焦点距離60mmの単一プローブを用い、幅300mm×長さ300ｍｍの鋼材に対し鋼材の中央幅方向280mm、長さ方向200mmの範囲を、探傷ピッチを鋼材のＣ方向、Ｌ方向共に0.5mmピッチとして超音波の送受信を行った。また、超音波探触子の機械走査方向は幅方向（Ｃ方向）とし、長さ方向に0.5mmずつずらしながら400回探傷を行った。また、一度の走査毎に受信波形は波形メモリに格納し、ｎ回目のＣ方向の受信波形をData(n)として紐付けして波形メモリに格納した。そして、鋼材全面を超音波探傷して受信波形を測定した後、黒皮面下の探傷を行った。
　Ｂエコーの伝播路程は、受信波形の絶対値に50点（伝播時間で0.1μsec相当）の移動平均処理を行い、包絡線波形を算出し、包絡線波形の振幅が閾値Tb以上となる位置を読み取ることによって算出した。Ｂエコーの伝播路程を算出する際の閾値Tbはできるだけ小さいことが好ましいことから、事前に欠陥のない鋼材を探傷し、その探傷波形のノイズレベルの最大値＋0.5dBとして設定した。黒皮面の形状プロファイルに対する平滑フィルタ処理では、10点の移動平均処理を行い、平滑化処理を実施した。図８は、本実施例による黒皮面直下の欠陥（深さ方向0.1mm～2.0mm）を探傷して得られた２次元画像（Ｃスコープ像及びＢスコープ像）を示す。本実施例により、従来超音波探傷法では困難であった深さ0.1mmにあるφ0.8mm程度の気泡欠陥を検出することができた。以上のことから、本実施例によれば、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷できることが確認できた。
〔実施例２〕
　実施例１では、超音波探触子として、周波数5MHz、振動子径φ12.8mm、焦点距離60mmの単一プローブを用いた。しかしながら、超音波探触子として単一プローブを用いた場合、鋼材表面からの反射波の影響によって不感帯が生じるため、超音波信号が入射する鋼材表面下から3mm程度の範囲内を探傷することができない。そこで、本実施例では、図９Ａ，９Ｂに示すような超音波探触子を用いて超音波探傷を行った。
　図９Ａ，９Ｂはそれぞれ、超音波探触子の構成を示す側面図及び平面図である。図９Ａ，９Ｂに示すように、本実施例において用いた超音波探触子は、圧電型振動子５１と、圧電型振動子５２と、を備え、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とは音響隔離板５３を介して対向配置されている。
　圧電型振動子５１，５２は、ラインフォーカス状に超音波信号を送受信可能な形状を有している。具体的には、圧電型振動子５１，５２の形状が長方形形状である場合、図１０に示すように、圧電型振動子５１，５２は、長辺ＬＳ側には超音波信号が集束するように曲率を付け、短辺ＳＳ側は超音波信号が拡散するように平坦なままにすることによって形成されている。なお、ラインフォーカス状に超音波信号を送受信可能なように平坦な圧電型振動子に音響レンズを取り付けることによって圧電型振動子５１，５２を形成してもよい。
　本実施形態では、圧電型振動子５１は、音響結合方法を水浸法として、すなわち水を介してラインフォーカス状の超音波信号ＵＢを送信する。圧電型振動子５２は、ラインフォーカス状の受信信号視野ＲＳを有し、圧電型振動子５１が送信した超音波信号ＵＢに伴い発生するエコー信号を受信する。また、圧電型振動子５１，５２は、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とが対向する面に対して垂直及び平行な方向ではそれぞれ送信又は受信する信号が拡散及び集束するように形成されている。
　また、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とは、鋼材表面Ｓ１の法線に対する中心軸の角度φ１，φ２を調整することによって、圧電型振動子５１が送信する超音波信号ＵＢの中心軸Ｌ１と受信信号視野ＲＳの中心軸Ｌ２との交差位置Ｐが鋼材中の所定の深さ範囲Ｄｃ内に位置するように配置されている。また、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２は、鋼中の焦点深さＦが鋼材中の所定の深さ範囲Ｄｃ内に位置するように配置されている。
　このような構成を有する超音波探触子によれば、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とは正反射方向とは異なる方向に向くことになる。このため、圧電型振動子５１から送信され、鋼材の表面で反射した信号は、圧電型振動子５２で受信されにくくなり、表面反射波（Ｓエコー）の振幅が小さくなる。さらに、音響隔離板５３が、鋼材の表面で反射し、圧電型振動子５２に洩れ込んでくる散乱波を遮るので、表面反射波の振幅がさらに小さくなり、不感帯を限りなく低減させることができる。
　なお、厚板の探傷等に用いられている２分割型探触子は、一見、本実施例で用いた超音波探触子と同じ構成を有している。しかしながら、２分割型探触子では、楔を樹脂系素材とし、音響結合法を水薄膜法（ギャップ法）としている。このため、２分割型探触子と鋼材との間のギャップ（距離）が少しでも開く方向に変動すると、楔底面部分と鋼材表面との間で多重反射が起き、ノイズが発生する。これに対して、本実施例で用いた超音波探触子では、楔を用いていないので、距離変動に伴うノイズは発生しない。
　また、従来の技術では、Ｓエコーの不感帯域を狭めるために超音波信号を高周波化し、且つ、欠陥からの反射波をＳ／Ｎ比良く受信できるようにするために超音波信号を集束させている。しかしながら、超音波信号を高周波化し、且つ、集束させた場合、探傷可能な鋼材の深さ範囲が狭くなる。これに対して、本実施例で用いた超音波探触子は、ラインフォーカス状の超音波信号が拡散する側が鋼材の深さ方向に対し交差するように配置されているので、交差範囲、すなわち図９Ａに示す測定深さ範囲Ｄｃ内に存在する欠陥からの反射波を受信することができる。これにより、超音波信号を高周波化せずとも不感帯域を狭め、且つ、鋼材の広い深さ範囲を探傷できる。
　以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
　本発明によれば、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷可能な鋼材の品質評価方法及び品質評価装置を提供することができる。
　１　鋼材
　１０，１００　超音波探傷子
　１１　探傷子制御部
　１２　Ａ／Ｄ変換部
　１３　波形メモリ
　１４　黒皮面形状プロファイル計算部
　１５　欠陥指示画像化部
　１６　欠陥指示出力部
　５１，５２　圧電型振動子
　５３　音響隔離板
　Ｄ　欠陥
　Ｓ１　黒皮面
　Ｓ２　走査面

Claims (6)

  1. 　表層部を含む鋼材の表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信するステップと、
    　前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップと、
    　前記表面の形状プロファイルに基づいて鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力するステップと、
    　を含むことを特徴とする鋼材の品質評価方法。
  2. 　前記形状プロファイルを算出するステップは、前記表面からのエコー信号の波形に対する包絡線波形を算出し、該包絡線波形から前記伝播路程を算出し、超音波信号の走査方向における伝播路程のプロファイルに対し平滑化処理を施すことによって、超音波信号に走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の鋼材の品質評価方法。
  3. 　前記平滑化処理は、移動平均処理を用いた平滑化処理であることを特徴とする請求項２に記載の鋼材の品質評価方法。
  4. 　前記エコー信号を受信するステップを、水を介してラインフォーカス状の超音波信号を送信する第１の圧電型振動子と、ラインフォーカス状の受信信号視野を有し、前記エコー信号を受信する第２の圧電型振動子と、を備え、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが、第１の圧電型振動子が送信する超音波信号と前記受信信号視野の中心軸との交差位置が鋼材中の所定の深さ範囲内に位置するように音響隔離板を介して対向配置されている探傷手段を用いて行うことを特徴とする請求項１～３のうち、いずれか１項に記載の鋼材の品質評価方法。
  5. 　前記第１及び第２の圧電型振動子は、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが対向する面に対して垂直及び平行な方向ではそれぞれ送信又は受信する信号が拡散及び集束するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の鋼材の品質評価方法。
  6. 　表層部を含む鋼材の表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信する探傷手段と、
    　前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出する算出手段と、
    　前記表面の形状プロファイルに基づいて鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する画像生成手段と、
    　を備えることを特徴とする鋼材の品質評価装置。
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