WO2020039850A1 - 接合界面の評価方法および接合界面の評価装置 - Google Patents

接合界面の評価方法および接合界面の評価装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a bonding interface evaluation method and a bonding interface evaluation device.
  • Non-Patent Document 1 As a method for detecting a minute defect or the like, the present inventors have developed a water immersion imaging method using ultrasonic waves (for example, see Non-Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such a problem, and a bonding interface evaluation method and a bonding interface evaluation apparatus capable of accurately evaluating the bonding state of an unbonded portion such as a kissing bond or a corona bond.
  • the purpose is to provide.
  • the present inventor believes that longitudinal waves used in conventional ultrasonic measurement are compression waves, and propagate while pressing against the interface, whereas shear waves are shear waves and have excellent detectability of discontinuities, and are standard in ultrasonic flaw detection. Focusing on the fact that it is frequently used as a method, we focused on measurement using transverse waves. Conventionally, as a method of injecting a shear wave into a solid, a special shear wave piezoelectric element is vertically incident through a highly viscous couplant, or a transverse wave is incident by obliquely injecting a longitudinal wave using a wedge. However, there is no simple method for injecting a transverse wave perpendicular to the bonding interface without using a special element or couplant, and measurement has been difficult. Then, the present inventor focused on the point that, when an ultrasonic wave is incident on a minute region into a solid, a longitudinal wave and a transverse wave are simultaneously generated in an arc shape, like the seismic wave, and reached the present invention.
  • the method for evaluating a bonding interface is a method for evaluating a bonding interface for evaluating a bonding state of a bonding interface between materials, and transmits a transverse ultrasonic wave in a direction substantially perpendicular to the bonding interface. Transmitting step, receiving the reflected wave of the shear wave transmitted in the transmitting step, the reflected signal reflected at the bonding interface and / or the transmitted signal transmitted through the bonding interface, Evaluating a bonding state of the bonding interface based on a predetermined physical quantity of the reflection signal and / or the transmission signal.
  • a bonding interface evaluation apparatus is a bonding interface evaluation apparatus for evaluating a bonding state of a bonding interface between materials, and transmits an ultrasonic transverse wave in a direction substantially perpendicular to the bonding interface.
  • Transmitting means provided so as to be able to receive the reflected signal of the transverse wave transmitted from the transmitting means, the reflected signal reflected at the bonding interface and / or the transmitted signal transmitted through the bonding interface;
  • Analyzing and evaluating means configured to evaluate a bonding state of the bonding interface based on a predetermined physical quantity of the reflected signal and / or the transmitted signal of the transverse wave received by a receiving means.
  • the transmitting step simultaneously transmits the longitudinal wave and the transverse wave of the ultrasonic wave
  • the receiving step includes the longitudinal wave transmitted in the transmitting step, at the bonding interface.
  • a reflected signal reflected and / or a transmitted signal transmitted through the bonding interface is also received, and the evaluating step includes, among the signals received in the receiving step, at least the physical quantity of the reflected signal of the longitudinal wave or the transmitted signal.
  • the bonding state of the bonding interface is evaluated using the physical quantity of the reflected signal or the transmitted signal of the transverse wave.
  • the transmitting means is provided so as to be able to simultaneously transmit the longitudinal wave and the transverse wave of the ultrasonic wave
  • the receiving means the longitudinal wave transmitted from the transmitting means
  • a reflection signal reflected at the bonding interface and / or a transmission signal transmitted through the bonding interface is also provided so as to be receivable
  • the analysis and evaluation means includes at least the reflection signal of the longitudinal wave among the signals received by the reception means.
  • the physical state of the transmitted signal and the physical amount of the reflected signal or the transmitted signal of the transverse wave are used to evaluate a bonding state of the bonding interface.
  • the method for evaluating a bonding interface according to the present invention is suitably performed by the evaluation apparatus for a bonding interface according to the present invention.
  • the bonding interface evaluation method and the bonding interface evaluation apparatus according to the present invention transmit a transverse wave of ultrasonic waves, or a longitudinal wave and a transverse wave, in a direction substantially perpendicular to the bonding interface, as follows.
  • the bonding state at the bonding interface can be evaluated. When an interface between materials is joined like a nugget at the time of spot welding, neither a longitudinal wave nor a transverse wave is reflected at the interface, and a physical quantity such as an amplitude of a transmitted signal becomes large.
  • the longitudinal wave and the transverse wave are reflected at the interface, so that the physical quantity of the reflected signal increases.
  • longitudinal waves that are compression waves are easily transmitted, but shear waves that are shear waves are easily reflected.
  • the physical quantity of the transmitted signal and the reflected signal of the shear wave tends to increase. For this reason, when only the shear wave is used, by comparing the physical quantities of the reflected signal and / or the transmitted signal of the shear wave, even if the materials are in contact with each other, the interface is open, or the materials are in contact with each other.
  • the method for evaluating a bonding interface and the apparatus for evaluating a bonding interface according to the present invention can accurately evaluate even a bonding state of an unbonded portion such as a kissing bond or a corona bond.
  • the transmission of the ultrasonic wave can use only any method or means as long as it can generate only a transverse wave, or can generate a longitudinal wave and a transverse wave at the same time.
  • a point sound source, a line sound source, a small-sized sound source having a diameter of 3 to 10 mm or less, an elongated linear sound source having a width of 3 to 10 mm or less, or a probe having these may be used.
  • any method or means may be used to receive the reflected signal or the transmitted signal as long as it can receive only the transverse wave, or can receive the longitudinal wave and the transverse wave, for example, using a probe or the like. May be.
  • the physical quantity used for the evaluation is a waveform, an amplitude, or a spectrum of a reflected signal or a transmitted signal.
  • the bonding state of the bonding interface it is preferable to evaluate the bonding area of the bonding interface, the opening of the interface, or the bonding strength.
  • the receiving step receives at least the transmitted signal of the longitudinal wave and the transverse wave
  • the evaluating step includes transmitting the transmitted signal of the longitudinal wave received in the receiving step.
  • the joining state of the joining interface may be evaluated based on a difference or a ratio between the physical quantity and the physical quantity of the transmission signal of the shear wave.
  • the receiving unit is configured to receive at least the transmitted signal of the longitudinal wave and the transverse wave
  • the analysis and evaluation unit is configured to receive the vertical signal received by the receiving unit.
  • the method for evaluating the bonding interface and the apparatus for evaluating the bonding interface according to the present invention include the combination of the transmission signal of the longitudinal wave and the reflection signal of the shear wave, the longitudinal wave. Or a combination of a reflected signal of a longitudinal wave and a reflected signal of a shear wave. Further, transmission signals and reflection signals of longitudinal waves and transmission signals and reflection signals of shear waves may be used. In any of these cases, the bonding state at the bonding interface can be accurately evaluated.
  • the transmitting step transmits the longitudinal wave and the transverse wave from a probe
  • the receiving step includes transmitting the reflected signal and / or the transmitted signal with the probe. You may receive it.
  • the bonding interface evaluation device has one probe provided so as to be able to transmit and receive ultrasonic waves, and the transmitting unit transmits the longitudinal wave and the transverse wave from the probe.
  • the receiving means may be configured to receive the reflected signal and / or the transmitted signal with the probe. In this case, it is possible to transmit a longitudinal wave and a transverse wave and to receive a reflected signal and a transmitted signal using one probe.
  • the probe preferably has a diameter of 10 mm or less.
  • the transmitting step transmits the longitudinal wave and the transverse wave from a plurality of probes, respectively, and the receiving step includes the reflection signal and the reflected signal of each probe. And / or the transmitted signal may be received by each probe.
  • the bonding interface evaluation device has a plurality of probes provided so as to be able to transmit and receive ultrasonic waves, and the transmitting means, from each probe, respectively, the longitudinal wave and the transverse wave And the receiving means may be configured to receive the reflected signal and / or the transmitted signal of each probe by each probe.
  • the bonding state of the bonding interface can be evaluated with higher accuracy by using a detection method or a flaw detection method using a plurality of probes, such as a phased array method.
  • a detection method or a flaw detection method using a plurality of probes such as a phased array method.
  • a procedure for obtaining not only a longitudinal wave but also a transverse wave acoustic image is added, and the bonding state can be evaluated with high accuracy based on the difference in behavior between the two images.
  • each probe has a diameter of 10 mm or less.
  • the bonding interface evaluation method and the bonding interface evaluation apparatus can evaluate the bonding state of any interface as long as it is a bonding interface between materials.
  • bonding spot welding, FSW (friction) It is possible to evaluate a bonding state of a bonding interface between materials bonded by various kinds of welding, such as stirring welding, pressure welding, and diffusion bonding.
  • a bonding interface evaluation method and a bonding interface evaluation device capable of accurately evaluating the bonding state of an unbonded portion such as a kissing bond or a corona bond.
  • a method for evaluating a bonding interface according to an embodiment of the present invention relates to a method of irradiating a pulse laser to one point on an end surface of a glass plate, and using a photoelastic visualization method, each wave in the glass plate 3 seconds after laser irradiation.
  • 5 is a visualized image showing the propagation state of the image.
  • A-scope of a transmission echo acquired on the back surface of the steel plate The image shows the position of the transmitted signal of the longitudinal wave (transmitted longitudinal wave) (the position of the horizontal line in the figure).
  • B A-scope at the position of the vertical line in the B-scope image Image
  • C B-scope image showing the position of the transmissive signal (transmitted lateral wave) of the transverse wave (position of the horizontal line in the figure)
  • D vertical line in the B-scope image It is an A-scope (A-scope) image in a position.
  • the method for evaluating a bonding interface according to an embodiment of the present invention relates to (A) a structure in which a nugget is formed in a spot weld between materials and a corona bond is formed around the nugget, and (B) a structure in which a spot weld is formed.
  • an acoustic image of a longitudinal wave (L wave Image) and an acoustic image of a transverse wave (S wave ⁇ Image) of a joint interface between materials by water immersion imaging. is there.
  • a bonding interface evaluation apparatus 10 is a bonding interface evaluation apparatus 10 for evaluating a bonding state of a bonding interface 2 between materials 1a and 1b. It has a stylus 11 and an analysis evaluation means 12.
  • the probe 11 is provided so as to be capable of transmitting and receiving ultrasonic waves, and constitutes transmitting means and receiving means.
  • the probe 11 has a small area sound source having a diameter of 3 to 10 mm or less, and transmits a longitudinal ultrasonic wave from the surface of one material 1a to the joint interface 2 between the materials 1a and 1b to be evaluated. By doing so, the longitudinal wave is converted into a transverse wave on the surface of the material 1a, and the transverse wave can also propagate through the material 1a.
  • the probe 11 is configured to be able to simultaneously transmit longitudinal and transverse ultrasonic waves in a direction substantially perpendicular to the bonding interface 2 to be evaluated.
  • the probe 11 transmits the transmitted longitudinal wave, the reflected signal reflected at the bonding interface 2 and the transmitted signal transmitted through the bonding interface 2, and the transmitted transverse wave, the reflected signal reflected at the bonding interface 2 and the transmitted signal. 2 can be received.
  • the transmitted signal is that a longitudinal wave and a transverse wave transmitted from the surface of one material 1a are transmitted through the bonding interface 2, reflected on the opposite surface of the other material 1b, and transmitted through the bonding interface 2 again. This is the returned signal.
  • the transmitting means may be capable of transmitting only the transverse wave instead of the probe 11.
  • the receiving means may be capable of receiving only the transverse wave instead of the probe 11.
  • the analysis and evaluation means 12 is composed of a computer, and is configured to evaluate the bonding state of the bonding interface 2 using a signal received by the probe 11. Specifically, the analysis / evaluation unit 12 is configured to evaluate the bonding state of the bonding interface 2 based on the amplitude intensity of the transmitted signal of the shear wave and the amplitude intensity of the reflected signal of the shear wave among the received signals. Alternatively, the analysis / evaluation means 12 may include, among the received signals, the amplitude intensity of the transmitted signal of the shear wave and the amplitude intensity of the reflected signal of the shear wave, the amplitude intensity of the transmitted signal of the longitudinal wave and the amplitude intensity of the transmitted signal of the shear wave, and the transmission of the longitudinal wave.
  • the longitudinal wave reflected signal amplitude signal and the shear wave transmitted signal amplitude intensity are used to determine a difference or a ratio between the two amplitude intensities, and the bonding state of the bonding interface 2 is evaluated based on the magnitude of the difference or the ratio.
  • the evaluation is not limited to the amplitude intensity, and a waveform or a spectrum may be used.
  • the bonding interface evaluation method is preferably performed by the bonding interface evaluation device 10.
  • a probe 11 is placed on the surface of one material 1a with respect to the bonding interface 2 between the materials 1a and 1b to be evaluated.
  • a longitudinal wave and a transverse wave of ultrasonic waves are simultaneously transmitted from the installed probe 11 in a direction substantially perpendicular to the bonding interface 2.
  • the probe 11 transmits the longitudinal wave, the reflected signal reflected at the joint interface 2 and the transmitted signal transmitted through the joint interface 2, and the transmitted transverse wave reflected signal reflected at the joint interface 2 and the joint signal.
  • the transmission signal transmitted through the interface 2 is received.
  • the analysis and evaluation means 12 obtains the amplitude intensity of the transmitted signal of the shear wave and the amplitude intensity of the reflected signal of the shear wave among the signals received by the probe 11. Alternatively, among the signals received by the probe 11, the amplitude intensity of the transmitted signal of the shear wave, the amplitude intensity of the reflected signal of the shear wave, the amplitude intensity of the transmitted signal of the longitudinal wave, and the amplitude of the transmitted signal of the shear wave of the signals received by the probe 11 are analyzed by the analysis and evaluation means 12.
  • amplitude intensity of longitudinal wave transmitted signal and amplitude of shear wave reflected signal amplitude intensity of longitudinal wave reflected signal and amplitude of shear wave transmitted signal
  • amplitude intensity of longitudinal wave reflected signal and shear wave transmitted signal amplitude intensity of longitudinal wave reflected signal and shear wave reflection
  • amplitude intensity of longitudinal wave reflected signal and shear wave reflection Utilizing at least one set of amplitude intensities of the signal, a difference or ratio between the two amplitude intensities is determined.
  • the materials 1a and 1b are in contact with each other or the interface is opened depending on the amplitude intensity of the transmitted or reflected signal of the shear wave obtained by the analysis evaluation means 12, or the difference or ratio of the two amplitude intensities. Even if the materials 1a and 1b are in contact with each other, it is possible to evaluate a detailed bonding state such as whether the interface is bonded or not bonded. In addition, if measurement data under specific bonding conditions is collected, evaluation of bonding strength can be expected.
  • the bonding interface evaluation method and the bonding interface evaluation apparatus 10 can be applied to a bonding state of an unbonded portion such as a kissing bond or a corona bond shown in FIG. , Can be accurately evaluated.
  • one probe 11 can transmit a longitudinal wave and a transverse wave, and can receive a reflected signal and a transmitted signal, and can evaluate a bonding state.
  • FIG. 3A shows a position (position of a horizontal line in the figure) of a transmitted signal (transmitted longitudinal wave) of a longitudinal wave in the obtained B-scope image
  • FIG. 3B shows an A-scope display at the position of the vertical line.
  • FIG. 3 (C) shows a position (position of a horizontal line in the figure) of a transmitted signal of a transverse wave (transmitted transverse wave) in the obtained B-scope image
  • FIG. 3D shows an A-scope display at the position of the vertical line.
  • the transmitted signals of the longitudinal wave and the transverse wave were clearly confirmed.
  • FIG. 4 (A) an experiment for generating a longitudinal wave and a transverse wave was performed using the probe 11 having a piezoelectric element as the transmitting means.
  • FIG. 4 (A) in the experiment, two types of probes 11 having a diameter of 30 mm and 6 mm were used, the probe 11 was placed on a steel plate, and a longitudinal wave was transmitted. The reflected echo was measured.
  • FIGS. 4B and 4C show the measurement results of the probes 11 having diameters of 30 mm and 6 mm, respectively. 4B and 4C, the waveform P is a longitudinal wave reflected echo reflected by a longitudinal wave, and the waveform S is a transverse wave reflected echo reflected by a transverse wave.
  • the probe 11 having a large diameter has basically high directivity and a longitudinal wave plane wave is incident, the longitudinal wave is strongly incident, and the longitudinal wave reflected echo of P is reflected. It was confirmed that the amplitude increased. In addition, since the amplitude of the transverse wave generated by the mode conversion at the time of incidence is small, it was confirmed that the amplitude of the S-wave reflected echo becomes small.
  • the probe 11 having a small diameter has a small element area, so that the energy of the transmitted ultrasonic wave becomes low ( ⁇ 30 dB, and the amplitude of P becomes large as shown in FIG.
  • a point sound source-like tendency occurs at the time of incidence, a transverse wave is also generated strongly, and it has been confirmed that the amplitude of the transverse reflected echo of S becomes relatively large.
  • the bonding interface evaluation method and the bonding interface evaluation apparatus 10 can evaluate any bonding state of any interface as long as the bonding interface is between materials. Acoustic measurement using only longitudinal waves, not only at the welding interface 2 but also at the bonding interface between materials joined by various welding methods such as bonding, FSW (friction stir welding), pressure welding, diffusion bonding, etc. Then, it can be applied to the evaluation of the bonding interface which is difficult to evaluate.
  • FSW frequency stir welding
  • pressure welding pressure welding
  • diffusion bonding diffusion bonding
  • the bonding interface evaluation method and the bonding interface evaluation apparatus 10 include a plurality of probes 11 and transmit longitudinal waves and transverse waves from each of the probes 11, respectively.
  • Each probe 11 may receive the reflected signal and the transmitted signal of the longitudinal wave and the transverse wave transmitted from each probe 11.
  • the bonding state of the bonding interface 2 can be evaluated with higher accuracy by using a detection method or a flaw detection method using a plurality of probes 11 such as a phased array method.
  • a detection method or a flaw detection method using a plurality of probes 11 such as a phased array method.
  • a shear wave acoustic image is also measured and used together, so that the bonding state can be evaluated with high accuracy.
  • a longitudinal wave is transmitted vertically from the surface of one material 1a (the upper surface in FIGS. 5A and 5B) by a standard acoustic lens for water immersion measurement.
  • a transverse wave converted from a longitudinal wave is also generated on the surface of one material 1a, but since the strength is small, it can be ignored here.
  • the amplitude of the longitudinal wave reflected wave at the bonding interface 2 was extracted with an electric gate and visualized according to the existing standard bonding interface evaluation procedure.
  • the image (L ⁇ wave ⁇ Image) is shown in FIGS. 5 (A) and (B).
  • the bonding strength between the central nugget and the corona bond is low. Despite the great difference, it is black and difficult to distinguish.
  • shear wave shear wave measurement has higher interface measurement sensitivity than compressional wave longitudinal wave measurement and can evaluate joint failure at the interface that cannot be detected by existing longitudinal wave measurement. There was no simple measurement method that could be made normal incidence.
  • the method for evaluating a bonding interface and the apparatus for evaluating a bonding interface according to the present invention include a mode conversion transverse wave generated when a longitudinal wave ultrasonic wave is incident on a small area, including a direct contact of a probe, alone or vertically. It proposes a highly versatile acoustic measurement and evaluation method for a joint interface by using it for measurement together with waves.

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Abstract

【課題】キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供する。 【解決手段】探触子11などの送信手段により、材料1a,1b同士の接合界面2に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波、または、縦波と横波とを同時に送信する。送信した横波の、接合界面2で反射した反射信号および/または接合界面2を透過した透過信号、ならびに、縦波を利用する場合には、送信した縦波の、接合界面2で反射した反射信号および/または接合界面2を透過した透過信号を、探触子11などの受信手段により受信する。受信した信号のうち、横波の反射信号または透過信号の物理量、ならびに、縦波を利用する場合には、縦波の反射信号または透過信号の所定の物理量を利用して、解析評価手段12により、接合界面2の接合状態を評価する。

Description

接合界面の評価方法および接合界面の評価装置
 本発明は、接合界面の評価方法および接合界面の評価装置に関する。
 従来、材料同士を接着や溶接などにより接合した接合界面の接合状態を評価する代表的方法として、超音波の縦波を接合界面に対して垂直に入射し、その入射波が接合界面から反射した波や、接合界面を透過した波を受信し、その受信した反射波や透過波を利用して界面接合の良否を定量評価する垂直探傷が広く行われている(例えば、特許文献1または2参照)。
 しかし、このような従来の縦波を利用した垂直探傷では、材料同士が接触しているが接合していない、いわゆるキッシングボンドと呼ばれる接合部や、スポット溶接時のナゲット周囲のコロナボンドについても、界面での反射エコーが発生しないため、接合した健全部と誤認するという問題があった。そこで、この問題を解決するために、入射波としてバースト超音波を利用する方法が開発されている(例えば、特許文献3または4参照)。
 なお、微細欠陥などを検出する方法としては、本発明者等により、超音波を用いた水浸映像法が開発されている(例えば、非特許文献1参照)。
特開昭60-228959号公報 特開平5-288722号公報 特開2001-305109号公報 特開2006-84305号公報
三原毅、高橋優樹、鈴木裕、斎藤隆、田代発造、「非線形超音波計測が可能な高機能剥離映像装置の開発」、鉄と鋼、2012年、Vol.98、No11、p.575-582
 しかしながら、特許文献3および4に記載のような縦波バースト超音波を利用した方法では、接合状態を正確に評価することができるキッシングボンドやコロナボンドは極めて限定的であるという課題があった。
 本発明は、このような課題に着目してなされたもので、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供することを目的とする。
 本発明者は、従来の超音波計測に用いられる縦波は粗密波であり、界面を押し付けながら伝搬するのに対し、横波はせん断波で不連続部の検出性に優れ、超音波探傷における標準法として多用されていることに着目し、横波を用いた計測に着眼した。従来、固体内への横波超音波の入射方法として、特殊な横波圧電素子を粘度の高い接触媒質を介して垂直入射する方法か、くさびを使って縦波を斜角入射することで横波を入射する方法がとられているが、接合界面に垂直に、特殊な素子や接触媒質を使わず、簡便に横波を入射する方法は存在せず、計測は困難であった。そこで、本発明者は、固体内に向かって超音波を微小領域に入射した時、地震波動同様、縦波と横波とが円弧状に同時に発生する点に着目して、本発明に至った。
 すなわち、本発明に係る接合界面の評価方法は、材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信する送信工程と、前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号を受信する受信工程と、前記受信工程で受信した前記横波の前記反射信号および/または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価する評価工程とを、有することを特徴とする。
 本発明に係る接合界面の評価装置は、材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信可能に設けられた送信手段と、前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号を受信可能に設けられた受信手段と、前記受信手段で受信した前記横波の前記反射信号および/または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成された解析評価手段とを、有することを特徴とする。
 本発明に係る接合界面の評価方法で、前記送信工程は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信し、前記受信工程は、前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号も受信し、前記評価工程は、前記受信工程で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価することが好ましい。また、本発明に係る接合界面の評価で、前記送信手段は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信可能に設けられ、前記受信手段は、前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号も受信可能に設けられ、前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていることが好ましい。
 本発明に係る接合界面の評価方法は、本発明に係る接合界面の評価装置により好適に実施される。本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波、または、縦波と横波とを送信することにより、以下のようにして、接合界面の接合状態を評価することができる。スポット溶接時のナゲットのように、材料同士の界面が接合している場合には、縦波も横波もその界面ではほとんど反射せず、透過信号の振幅等の物理量が大きくなる。また、界面が開いた完全に非接合の場合には、縦波も横波もその界面で反射するため、反射信号の物理量が大きくなる。また、キッシングボンドやコロナボンドのように、材料同士が接触しているが接合していない界面では、粗密波である縦波は透過しやすいが、せん断波の横波は反射しやすいため、縦波の透過信号および横波の反射信号の物理量が大きくなる傾向がある。このため、横波のみを利用する場合には、横波の反射信号および/または透過信号の物理量を比較することにより、材料同士が接触しているか界面が開いているか、材料同士が接触していても界面が接合しているか未接合か、といった接合状態を評価することができる。また、縦波も利用する場合には、少なくとも縦波の反射信号または透過信号の物理量と、横波の反射信号または透過信号の物理量とを利用することにより、さらに詳細な接合状態を評価することができる。このように、本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態であっても、正確に評価することができる。
 本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置で、超音波の送信は、横波のみを生成可能、または、縦波と横波とを同時に生成可能であれば、いかなる方法や手段を使用してもよく、例えば、点音源や線音源、径が3~10mm以下の小面積の音源、幅が3~10mm以下の細長い線状の音源、これらを有する探触子などを使用してもよい。また、反射信号や透過信号の受信は、横波のみを受信可能、または、縦波と横波とを受信可能であれば、いかなる方法や手段を使用してもよく、例えば、探触子などを使用してもよい。また、評価に利用する物理量は、反射信号または透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであることが好ましい。また、接合界面の接合状態の評価では、接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価することが好ましい。
 本発明に係る接合界面の評価方法で、前記受信工程は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信し、前記評価工程は、前記受信工程で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価してもよい。本発明に係る接合界面の評価装置で、前記受信手段は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信するよう構成されており、前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていてもよい。また、本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、縦波の透過信号と横波の透過信号の組合せ以外にも、縦波の透過信号と横波の反射信号の組合せ、縦波の反射信号と横波の透過信号の組合せ、または、縦波の反射信号と横波の反射信号の組合せを利用してもよい。また、縦波の透過信号および反射信号、ならびに、横波の透過信号および反射信号を利用してもよい。これらのいずれの場合でも、接合界面の接合状態を、正確に評価することができる。
 本発明に係る接合界面の評価方法で、前記送信工程は、探触子から前記縦波および前記横波を送信し、前記受信工程は、前記反射信号および/または前記透過信号を前記探触子で受信してもよい。本発明に係る接合界面の評価装置は、超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた一つの探触子を有し、前記送信手段は、前記探触子から前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、前記受信手段は、前記探触子で前記反射信号および/または前記透過信号を受信するよう構成されていてもよい。この場合、一つの探触子を使用して、縦波および横波の送信、ならびに、反射信号や透過信号の受信を行うことができる。なお、探触子は、径が10mm以下であることが好ましい。
 また、本発明に係る接合界面の評価方法で、前記送信工程は、複数の探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信し、前記受信工程は、各探触子の前記反射信号および/または前記透過信号を、各探触子で受信してもよい。本発明に係る接合界面の評価装置は、超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた複数の探触子を有し、前記送信手段は、各探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、前記受信手段は、各探触子の前記反射信号および/または前記透過信号を、各探触子で受信するよう構成されていてもよい。この場合、フェーズドアレイ法など、複数の探触子を使用する探査方法や探傷方法を利用して、より高精度に接合界面の接合状態を評価することができる。例えば、フェーズドアレイ法などを利用したとき、縦波だけでなく、横波の音響画像を得る手順も加え、両方の画像の挙動の差異により、接合状態を高精度に評価することができる。なお、各探触子は、径が10mm以下であることが好ましい。
 本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、材料同士の接合界面であれば、どのような界面の接合状態でも評価可能であり、例えば、接着や、スポット溶接やFSW(摩擦撹拌接合)などの各種溶接、圧接、拡散接合等により接合された材料同士の接合界面の接合状態を評価することができる。
 本発明によれば、キッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態を正確に評価することができる接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を提供することができる。
本発明の実施の形態の接合界面の評価装置の、(A)ナゲットが形成された溶接部、(B)コロナボンドである溶接部での使用状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、ガラス板の端面の1点にパルスレーザーを照射したときの、光弾性可視化法による、レーザー照射から3秒後の、ガラス板中の各波の伝搬状態を示す可視化画像である。 本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、図2に示すパルスレーザーを鋼板の表面に照射したときの、(A)鋼板の裏面で取得された透過エコーのBスコープ(B-scope)画像に、縦波の透過信号(透過縦波)の位置(図中の横線の位置)を示したもの、(B)そのBスコープ画像中の縦線の位置でのAスコープ(A-scope)画像、(C)Bスコープ(B-scope)画像に、横波の透過信号(透過横波)の位置(図中の横線の位置)を示したもの、(D)そのBスコープ画像中の縦線の位置でのAスコープ(A-scope)画像である。 本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、(A)探触子により鋼板の表面から縦波を送信する実験の側面図、(B)直径が30mmの探触子を使用したときの、鋼板の裏面での反射エコー、(C)直径が6mmの探触子を使用したときの、鋼板の裏面での反射エコーである。 本発明の実施の形態の接合界面の評価方法に関し、(A)材料同士のスポット溶接部にナゲットが形成され、その周囲にコロナボンドが形成されている構造、および、(B)スポット溶接部にナゲットが形成されず、コロナボンドのみが形成されている構造に対する、水浸映像法による、材料同士の接合界面の縦波の音響映像(L wave Image)および横波の音響映像(S wave Image)である。
 以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
 図1乃至図5は、本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置を示している。
 図1に示すように、本発明の実施の形態の接合界面の評価装置10は、材料1a,1b同士の接合界面2の接合状態を評価するための接合界面の評価装置10であって、探触子11と解析評価手段12とを有している。
 探触子11は、超音波を送信可能かつ受信可能に設けられており、送信手段および受信手段を構成している。探触子11は、径が3~10mm以下の小面積の音源を有し、評価対象の材料1a,1b同士の接合界面2に対し、一方の材料1aの表面から超音波の縦波を送信することにより、その材料1aの表面で縦波が横波に変換し、その横波も材料1a中に伝搬可能になっている。こうして、探触子11は、評価する接合界面2に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信可能に構成されている。
 また、探触子11は、送信した縦波の、接合界面2で反射した反射信号および接合界面2を透過した透過信号、ならびに、送信した横波の、接合界面2で反射した反射信号および接合界面2を透過した透過信号を受信可能に構成されている。なお、透過信号とは、一方の材料1aの表面から送信した縦波および横波が、接合界面2を透過し、他方の材料1bの反対側の表面で反射し、再び接合界面2を透過して戻ってきた信号である。また、送信手段は、探触子11ではなく、横波のみを送信可能なものであってもよい。また、受信手段も、探触子11ではなく、横波のみを受信可能なものであってもよい。
 解析評価手段12は、コンピュータから成り、探触子11で受信した信号を利用して、接合界面2の接合状態を評価するよう構成されている。具体的には、解析評価手段12は、受信信号のうち、横波の透過信号の振幅強度や、横波の反射信号の振幅強度によって、接合界面2の接合状態を評価するよう構成されている。または、解析評価手段12は、受信信号のうち、横波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の反射信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、および、縦波の反射信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、のうちの少なくとも1組の振幅強度を利用して、それらの2つの振幅強度の差または比を求め、その差または比の大きさによって、接合界面2の接合状態を評価するよう構成されている。なお、評価には、振幅強度に限らず、波形やスペクトラムを利用してもよい。
 本発明の実施の形態の接合界面の評価方法は、接合界面の評価装置10により好適に実施される。本発明の実施の形態の接合界面の評価方法は、まず、図1に示すように、評価対象の材料1a,1b同士の接合界面2に対し、一方の材料1aの表面に探触子11を設置する。設置した探触子11から、接合界面2に対してほぼ垂直方向に、超音波の縦波と横波とを同時に送信する。送信後、探触子11により、送信した縦波の、接合界面2で反射した反射信号および接合界面2を透過した透過信号、ならびに、送信した横波の、接合界面2で反射した反射信号および接合界面2を透過した透過信号を受信する。
 解析評価手段12により、探触子11で受信した信号のうち、横波の透過信号の振幅強度や、横波の反射信号の振幅強度を求める。または、解析評価手段12により、探触子11で受信した信号のうち、横波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、縦波の透過信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、縦波の反射信号の振幅強度と横波の透過信号の振幅強度、および、縦波の反射信号の振幅強度と横波の反射信号の振幅強度、のうちの少なくとも1組の振幅強度を利用し、それらの2つの振幅強度の差または比を求める。
 このとき、図1(A)に示す溶接時のナゲットのように、材料1a,1b同士の界面が接合している場合には、縦波も横波もその界面ではほとんど反射せず、透過信号の振幅強度が大きくなる。また、界面が開いた完全に非接合の場合には、縦波も横波もその界面で反射するため、反射信号の振幅強度が大きくなる。また、図1(B)に示すキッシングボンドやコロナボンドのように、材料1a,1b同士が接触しているが接合していない界面では、粗密波である縦波は透過しやすいが、せん断波の横波は反射しやすいため、縦波の透過信号および横波の反射信号の振幅強度が大きくなる傾向がある。このため、解析評価手段12で求めた横波の透過信号や反射信号の振幅強度、あるいは、2つの振幅強度の差または比の大きさにより、材料1a,1b同士が接触しているか界面が開いているか、材料1a,1b同士が接触していても界面が接合しているか未接合か、といった詳細な接合状態を評価することができる。また、特定の接合条件下での計測データが集まれば、接合強度の評価も期待できる。
 このように、本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置10は、図1(B)に示すキッシングボンドやコロナボンドのような未接合部の接合状態であっても、正確に評価することができる。また、一つの探触子11で、縦波および横波の送信、ならびに、反射信号および透過信号の受信を行い、接合状態を評価することができる。
[横波発生の確認およびエコーの測定]
 探触子11などの送信手段の入射面積が小さいほど、横波の入射効率が相対的に高くなることを確認する実験を行った。まず、パルスレーザーにより縦波および横波を発生させる実験を行った。実験では、音速が5500m/s、厚みが20mmのガラス板を用い、ガラス板の端面の1点にパルスレーザーを照射して熱膨張を発生させ、縦波を発生させた。発生した波がガラス板中を伝搬する様子を、光弾性可視化法で観察した。レーザー照射から3秒後の伝搬の様子を、図2に示す。図2に示すように、縦波だけでなく、横波、ヘッドウェーブ、表面波(SSCWなど)の波面が認められる。このことから、点音源や線音源のように入射面積が小さい場合には、横波の入射効率が相対的に高くなり、試料表面から縦波と横波が入射しやすくなるため、反射信号および透過信号の計測により、接合状態の評価が可能になるといえる。
 このパルスレーザーを鋼板に照射して縦波および横波を発生させ、鋼板の裏面で縦波および横波の透過信号を測定する実験を行った。実験では、鋼板の一方の表面にパルスレーザーを照射し、鋼板の他方の表面側で、レーザー干渉計を走査して、透過エコーのBスコープ画像を取得した。得られたBスコープ(B-scope)画像に、縦波の透過信号(透過縦波)の位置(図中の横線の位置)を示したものを図3(A)に、そのBスコープ画像中の縦線の位置でのAスコープ(A-scope)表示を図3(B)に示す。また、得られたBスコープ(B-scope)画像に、横波の透過信号(透過横波)の位置(図中の横線の位置)を示したものを図3(C)に、そのBスコープ画像中の縦線の位置でのAスコープ(A-scope)表示を図3(D)に示す。図3に示すように、縦波および横波の透過信号が明瞭に確認された。
 次に、送信手段として、圧電素子を有する探触子11を用いて、縦波および横波を発生させる実験を行った。図4(A)に示すように、実験では、直径が30mmおよび6mmの2種類の探触子11を用い、探触子11を鋼板の上に置いて縦波を送信し、鋼板の裏面での反射エコーを測定した。直径が30mmおよび6mmの各探触子11での測定結果を、それぞれ図4(B)および(C)に示す。図4(B)および(C)中のPの波形が縦波入射の縦波反射エコーであり、Sの波形が横波入射の横波反射エコーである。
 図4(B)に示すように、大きい径の探触子11は、基本的に指向性が高く、縦波平面波が入射されるため、縦波が強く入射され、Pの縦波反射エコーの振幅が大きくなることが確認された。また、入射時にモード変換で発生する横波の振幅は小さいため、Sの横波反射エコーの振幅は小さくなることが確認された。これに対し、図4(C)に示すように、小さい径の探触子11は、素子面積が小さくなるため、送信超音波のエネルギーは低くなる(-30dBで、Pの振幅が図4(B)と同等になる)が、入射時に点音源的な傾向が生じるため、横波も強く発生し、相対的にSの横波反射エコーの振幅が大きくなることが確認された。
 図4に示す実験の結果から、探触子11の圧電素子のサイズを小さくすることにより、送信超音波エネルギーは小さくなるものの、縦波反射エコーを基準にして、横波反射エコーの振幅が相対的に大きくなることがわかる。このことから、探触子11の素子サイズをできるだけ小さくすると、横波の入射効率が相対的に高くなり、横波を用いた測定に有利であるといえる。
 本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置10は、材料同士の接合界面であれば、どのような界面の接合状態でも評価可能であり、図1に示すようなスポット溶接の接合界面2だけでなく、例えば、接着や、FSW(摩擦撹拌接合)などの各種溶接、圧接、拡散接合等により接合された材料同士の接合界面のうち、縦波のみを用いた音響計測では評価困難な接合界面の評価にも適用することができる。
 なお、本発明の実施の形態の接合界面の評価方法および接合界面の評価装置10は、複数の探触子11を有し、各探触子11から、それぞれ縦波および横波を送信すると共に、各探触子11から送信された縦波および横波の反射信号および透過信号を、各探触子11で受信してもよい。この場合、フェーズドアレイ法など、複数の探触子11を使用する探査方法や探傷方法を利用して、より高精度に接合界面2の接合状態を評価することができる。例えば、フェーズドアレイ法などを利用する場合は、縦波超音波を用いる既存の計測に加え、横波の音響画像も計測して併用することで、接合状態を高精度に評価することができる。
[横波を利用した場合の効果の検討]
 縦波と横波とを利用した場合の効果について検討するため、材料1a,1b同士をスポット溶接した接合界面2に対して、縦波の透過信号および横波の透過信号の測定を行った。測定は、図5(A)に示すように、スポット溶接部にナゲットが形成され、その周囲にコロナボンドが形成されている構造、および、図5(B)に示すように、スポット溶接部にナゲットが形成されず、全てコロナボンド構造の模擬材料に対して行った。測定には、非特許文献1に示す、超音波を利用した水浸映像法を使用した。
 測定では、水浸計測用の標準的音響レンズにより、一方の材料1aの表面(図5(A)および(B)では上面)から、垂直方向に縦波を送信する。なお、この音響レンズは、一方の材料1aの表面で、縦波が変換した横波も発生するが、その強度が小さいため、ここでは無視できる。ここでは、縦波(L wave)計測については、既存の標準的な接合界面の評価手順に従い、接合界面2における縦波反射波振幅を電気的ゲートで抽出して映像化した。その映像(L wave Image)を、図5(A)および(B)中に示す。縦波の計測においては、従来報告されているように、図5(A)および(B)ともに、接合界面2では反射エコーが観察されないため、中央のナゲット部とコロナボンド部は、接合強度が大きく異なるにもかかわらず、黒くなっており、判別は困難である。
 次に、試料表面からの計測において、水浸計測法で横波を接合界面2へ垂直に入射する手段が無いため、縦波を裏面に集束し、裏面で発生するモード変換横波が、裏面から接合界面2へ入射するときの、透過横波の振幅を映像化した。その映像(S wave Image)を、図5(A)および(B)中に示す。横波の計測においては、正常接合のナゲット部では、図5(A)に示すように、音響像が白くなっており、横波が十分な強度で透過しているのに対し、密着しながら接合強度の無いコロナボンド部では、図5(B)に示すように、中央部の音響像が黒くなっており、横波が透過していないことが確認された。このように、図5(A)および(B)の各構造について、既存の縦波音響映像(L wave Image)では、両者の判別が困難なのに対し、横波の音響映像(S wave Image)を利用すれば、健全接合と不健全接合とを区別して評価することができる。
 以上のように、せん断波の横波計測は、粗密波の縦波計測より界面の計測感度が高く、既存の縦波計測では検出できない界面の接合不良を評価できるが、従来、試料表面から横波を垂直入射できる簡便な計測手法が無かった。本発明に係る接合界面の評価方法および接合界面の評価装置は、探触子の直接接触を含め、小面積で縦波超音波を入射する時に発生するモード変換横波を、単独で、または、縦波と一緒に計測に用いることにより、汎用性の高い接合界面の音響計測・評価方法を提案するものである。
  1a,1b 材料
  2 接合界面
 10 接合界面の評価装置
 11 探触子
 12 解析評価手段

Claims (14)

  1.  材料同士の接合界面の接合状態を評価する接合界面の評価方法であって、
     前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信する送信工程と、
     前記送信工程で送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号を受信する受信工程と、
     前記受信工程で受信した前記横波の前記反射信号および/または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価する評価工程とを、
     有することを特徴とする接合界面の評価方法。
  2.  前記送信工程は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信し、
     前記受信工程は、前記送信工程で送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号も受信し、
     前記評価工程は、前記受信工程で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価することを
     特徴とする接合界面の評価方法。
  3.  前記受信工程は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信し、
     前記評価工程は、前記受信工程で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価することを
     特徴とする請求項2記載の接合界面の評価方法。
  4.  前記送信工程は、探触子から前記縦波および前記横波を送信し、
     前記受信工程は、前記反射信号および/または前記透過信号を前記探触子で受信することを
     特徴とする請求項2または3記載の接合界面の評価方法。
  5.  前記送信工程は、複数の探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信し、
     前記受信工程は、各探触子の前記反射信号および/または前記透過信号を、各探触子で受信することを
     特徴とする請求項2または3記載の接合界面の評価方法。
  6.  前記探触子は、径が10mm以下であることを特徴とする請求項4または5記載の接合界面の評価方法。
  7.  前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであり、
     前記評価工程は、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価することを
     特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の接合界面の評価方法。
  8.  材料同士の接合界面の接合状態を評価するための接合界面の評価装置であって、
     前記接合界面に対してほぼ垂直方向に、超音波の横波を送信可能に設けられた送信手段と、
     前記送信手段から送信した前記横波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号を受信可能に設けられた受信手段と、
     前記受信手段で受信した前記横波の前記反射信号および/または前記透過信号の所定の物理量に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成された解析評価手段とを、
     有することを特徴とする接合界面の評価装置。
  9.  前記送信手段は、超音波の縦波と前記横波とを同時に送信可能に設けられ、
     前記受信手段は、前記送信手段から送信した前記縦波の、前記接合界面で反射した反射信号および/または前記接合界面を透過した透過信号も受信可能に設けられ、
     前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した信号のうち、少なくとも前記縦波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記反射信号または前記透過信号の前記物理量とを利用して、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていることを
     特徴とする接合界面の評価装置。
  10.  前記受信手段は、少なくとも前記縦波および前記横波の前記透過信号を受信するよう構成されており、
     前記解析評価手段は、前記受信手段で受信した前記縦波の前記透過信号の前記物理量と、前記横波の前記透過信号の前記物理量との差または比に基づいて、前記接合界面の接合状態を評価するよう構成されていることを
     特徴とする請求項9記載の接合界面の評価装置。
  11.  超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた一つの探触子を有し、
     前記送信手段は、前記探触子から前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
     前記受信手段は、前記探触子で前記反射信号および/または前記透過信号を受信するよう構成されていることを
     特徴とする請求項9または10記載の接合界面の評価装置。
  12.  超音波を送信可能かつ受信可能に設けられた複数の探触子を有し、
     前記送信手段は、各探触子から、それぞれ前記縦波および前記横波を送信するよう構成されており、
     前記受信手段は、各探触子の前記反射信号および/または前記透過信号を、各探触子で受信するよう構成されていることを
     特徴とする請求項9または10記載の接合界面の評価装置。
  13.  前記探触子は、径が10mm以下であることを特徴とする請求項11または12記載の接合界面の評価装置。
  14.  前記物理量は、前記反射信号または前記透過信号の波形、振幅またはスペクトラムであり、
     前記解析評価手段は、前記接合界面の接合状態として、前記接合界面の接合面積、界面の開口または接合強度を評価するよう構成されていることを
     特徴とする請求項8乃至13のいずれか1項に記載の接合界面の評価装置。
     
PCT/JP2019/029575 2018-08-22 2019-07-29 接合界面の評価方法および接合界面の評価装置 WO2020039850A1 (ja)

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