JP2009243890A - Ultrasonic inspection device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検査対象物の内部欠陥の有無を非破壊検査する超音波検査装置及び超音波検査方法に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic inspection apparatus and an ultrasonic inspection method for nondestructive inspection for the presence or absence of internal defects in an inspection object.
検査対象物、例えば航空エンジン用の回転部品の、素材内部の健全性評価には超音波検査が行われ、特に検査対象物を水に浸して超音波検査を行う水浸法が用いられる。 Ultrasonic inspection is performed for soundness evaluation inside a material of an inspection object, for example, a rotating part for an aero engine. In particular, a water immersion method is used in which an ultrasonic inspection is performed by immersing the inspection object in water.
又、検査対象物がビレット(例えばφ200mm×1〜3m)の様な厚い素材の場合、超音波の減衰が大きく、中心部の検査が困難になる。従って、厚い素材については、集束探触子を用いることで超音波の広がりを抑制し、深層部を高感度で検査するのに有効である。 Further, when the inspection object is a thick material such as a billet (for example, φ200 mm × 1 to 3 m), the attenuation of the ultrasonic wave is large, and the inspection of the central portion becomes difficult. Therefore, for thick materials, the use of a focusing probe is effective in suppressing the spread of ultrasonic waves and inspecting deep layers with high sensitivity.
集束探触子を用いた場合、通常の探触子は、1の焦点(単焦点)を有するので、超音波検査は肉厚方向で限られた範囲に限定される。この為、肉厚方向全域の超音波検査を行う場合は、焦点距離の異なる複数の探触子を用意し、各探触子毎に超音波検査を行い、検査対象物の肉厚方向全域に亘って欠陥の有無を検査していた。 When a focusing probe is used, an ordinary probe has one focal point (single focal point), and thus ultrasonic inspection is limited to a limited range in the thickness direction. For this reason, when performing ultrasonic inspection in the entire thickness direction, prepare multiple probes with different focal lengths, perform ultrasonic inspection for each probe, and in the entire thickness direction of the inspection object. It was inspected for defects.
斯かる単焦点の探触子を用いた場合、測定対象物に対して複数回の超音波検査を行わなければならず、又1回の検査毎に探触子を交換する作業が伴い、超音波検査時間が長くなると共に作業性が悪いという問題があった。 When such a single-focus probe is used, the object to be measured must be subjected to ultrasonic inspection multiple times, and the probe must be replaced for each inspection. There was a problem that the ultrasonic inspection time was increased and workability was poor.
又、検査対象物が大型になると、探触子の振動子も大型となり、静電容量が増大し、超音波の周波数が低下する問題もある。 In addition, when the inspection object becomes large, the transducer of the probe becomes large, and there is a problem that the capacitance increases and the frequency of the ultrasonic wave decreases.
これに対し、複数の焦点距離を有し、或は焦点距離の調整が可能なアレイ型超音波深触子がある。 On the other hand, there is an array type ultrasonic deep touch element having a plurality of focal lengths or capable of adjusting the focal length.
アレイ型超音波深触子は、探触子が小さく分割された所要数の振動子から構成され、又各振動子を個別に位相制御を行って発振させる制御装置を具備し、各振動子の発振時期(位相)を個別に制御することで、探触子全体が1つの焦点距離を有し、又焦点距離が変更され、更に探触子が複数の焦点距離を有する様、各振動子の位相が制御されているものがある。 The array-type ultrasonic probe is composed of a required number of transducers into which a probe is divided into small pieces, and includes a control device that oscillates each transducer by performing phase control individually. By individually controlling the oscillation timing (phase), the entire probe has one focal length, the focal length is changed, and the probe has a plurality of focal lengths. Some are phase controlled.
斯かるアレイ型超音波深触子では、探触子が大型となっても超音波の周波数低下がなく、又焦点距離の変更の度に探触子を交換する必要がなく、更に一度の超音波検査で肉厚方向全域に亘って欠陥の有無を検査することも可能となる。一方で、アレイ型超音波深触子を用いて超音波検査を行うには、高価なアレイ型超音波深触子用の制御装置が必要となる等の問題があった。 In such an array type ultrasonic deep probe, even if the probe becomes large, there is no decrease in the frequency of the ultrasonic wave, and it is not necessary to replace the probe every time the focal length is changed. It is also possible to inspect the presence or absence of defects over the entire thickness direction by ultrasonic inspection. On the other hand, in order to perform ultrasonic inspection using the array type ultrasonic deep touch element, there is a problem that an expensive control device for the array type ultrasonic deep touch element is required.
本発明は斯かる実情に鑑み、複数の焦点距離を有する探触子を提供し、又探触子の発振制御が単焦点用の探触子の制御装置で行える様にしたものである。 In view of such circumstances, the present invention provides a probe having a plurality of focal lengths, and allows the oscillation control of the probe to be performed by a probe control device for a single focal point.
本発明は、探触子の振動子膜を複数のエリアに分割し、各エリアが異なる焦点距離を持つ様に各エリアの曲面を設定した超音波検査装置に係るものである。 The present invention relates to an ultrasonic inspection apparatus in which a transducer membrane of a probe is divided into a plurality of areas, and the curved surface of each area is set so that each area has a different focal length.
又本発明は、前記エリアがスイッチング手段を介して制御装置に接続され、該制御装置は複数の前記エリアの1つを選択して駆動する様構成した超音波検査装置に係るものである。 The present invention also relates to an ultrasonic inspection apparatus configured such that the area is connected to a control device via switching means, and the control device selects and drives one of the plurality of areas.
又本発明は、前記振動子膜は同心リング状に分割されて前記エリアが形成された超音波検査装置に係るものである。 The present invention also relates to an ultrasonic inspection apparatus in which the vibrator film is divided into concentric rings to form the area.
又本発明は、前記振動子膜は、短冊状に分割して前記エリアが形成され、進行方向に沿って順番に配置された超音波検査装置に係るものである。 The present invention also relates to an ultrasonic inspection apparatus in which the vibrator film is divided into strips to form the area, and the vibrator film is arranged in order along the traveling direction.
又本発明は、前記エリアはマッチング手段を介して前記制御装置に接続された超音波検査装置に係るものである。 Further, the present invention relates to an ultrasonic inspection apparatus in which the area is connected to the control apparatus via matching means.
又本発明は、前記超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、1つのエリアで検査対象物の全長を探傷した後、他のエリアを順次選択して全長を肉厚方向全域に亘って探傷を行う超音波検査方法に係るものである。 Further, the present invention is an ultrasonic inspection method using the ultrasonic inspection apparatus, wherein after the entire length of the inspection object is detected in one area, the other areas are sequentially selected to extend the entire length in the entire thickness direction. The present invention relates to an ultrasonic inspection method for flaw detection.
更に又本発明は、前記超音波検査装置を用いた超音波検査方法であって、複数のエリアを繰返し駆動しながら検査対象物の全長を探傷する超音波検査方法に係るものである。 Furthermore, the present invention relates to an ultrasonic inspection method using the ultrasonic inspection apparatus, in which the entire length of the inspection object is flawed while repeatedly driving a plurality of areas.
本発明によれば、探触子の振動子膜を複数のエリアに分割し、各エリアが異なる焦点距離を持つ様に各エリアの曲面を設定したので、複数の焦点距離を有する探触子が得られ、又探触子は各エリア毎に駆動すればよく、単焦点用の探触子の制御装置で行える。又検査対象物の大型化に対応して、探触子を大きくした場合でもエリア分割しているので、超音波の周波数低下を防止でき、又近距離での検出感度も損われることがないという優れた効果を発揮する。 According to the present invention, the transducer membrane of the probe is divided into a plurality of areas, and the curved surface of each area is set so that each area has a different focal length. In addition, the probe may be driven for each area, and the probe control device for a single focus can be used. Also, in response to the increase in the size of the inspection object, the area is divided even when the probe is enlarged, so that it is possible to prevent the ultrasonic frequency from being lowered and the detection sensitivity at a short distance is not impaired. Exhibits excellent effects.
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜図3により本発明で用いられる探触子について説明する。 The probe used in the present invention will be described with reference to FIGS.
探触子1は、検査対象物2の表面に対し所定距離離れた位置に保持される。尚、図示していないが前記探触子1、前記検査対象物2は水中に配置されている。
The
前記探触子1の前記検査対象物2に対峙する面には圧電素子である振動子膜3が設けられる。該振動子膜3は、前記検査対象物2の形状に適合した平面形状、曲面を有しており、前記検査対象物2の断面形状が円の長尺材料であると、前記振動子膜3の断面形状は前記検査対象物2の軸心と平行な長軸を有する楕円、或は略楕円(以下、楕円と称す)であり、又、前記検査対象物2の表面に沿う様な曲面となっている。
A
ここで、前記振動子膜3の曲面の形状は、楕円の図心を含む任意の平面で断面した場合に前記振動子膜3の断面が示す曲線が放物線となる様に形成されている。
Here, the shape of the curved surface of the
前記振動子膜3は、同心リング状に所要数のエリアに分割(図示では4分割)され、更に各リングは周方向に所要分割されている。分割された部位は、それぞれ物理的に分離しており、各部位の面積は等しくてもよい。
The
該各部位は振動子4を構成し、該各振動子4にはそれぞれに制御装置(後述)が電気的に接続されている。
Each part constitutes a
又、各リングに属する振動子4が、それぞれ振動子群、即ちA群5、B群6、C群7、D群8を形成し、各振動子群は、それぞれマッチング回路10,11,12,13及びスイッチング手段14を介して制御装置15に接続されている。
In addition, the
前記マッチング回路10,11,12,13は、各振動子群の振動子4が同一条件で発振する様に該振動子4の発振状態を調整する。前記スイッチング手段14は、切換えスイッチ16,17,18,19をON/OFFして前記各振動子群のいずれか1つが前記制御装置15に接続される様にする。
The
該制御装置15は、前記スイッチング手段14で選択された1つの振動子群の個々の前記振動子4にパルス電流を印加し、該振動子4を発振させ、超音波を発生させる。又、該振動子4が受信した超音波を電気信号として検出する。
The
各振動子群を同時に、同一条件で発振させることで、各振動子群が1つの振動子として駆動され、超音波を発生する。 By simultaneously oscillating each transducer group under the same conditions, each transducer group is driven as one transducer and generates ultrasonic waves.
前記した様に、各振動子群の振動子4は同一条件で超音波を発生する様になっており、超音波を所定の距離(所定の焦点距離)に集束させるには、前記振動子4の発振面が凹曲面となっている必要があり、又前記振動子膜3、或は各振動子群が連続した凹曲面を形成することが要求され、更に焦点距離に応じて凹曲面の曲率、曲率状態が設定される。
As described above, the
本発明では、図1に見られる様に、各振動子群毎に、異なる焦点距離を有する様に構成され、前記振動子膜3の中心に位置する前記A群5は前記検査対象物2の表面を含む表面近傍の位置に焦点距離を有し、前記振動子膜3の周辺に位置する前記A群5と前記B群6と前記C群7と前記D群8を合わせた集合は前記検査対象物2の中心部に焦点を有する様に設定され、前記A群5と前記B群6を合わせた集合、前記A群5と前記B群6と前記C群7を合わせた集合は前記検査対象物2の表面と、中心の中間に焦点を有する。
In the present invention, as shown in FIG. 1, each vibrator group is configured to have a different focal length, and the
又、超音波の集束する部分は、深さ方向に幅を持っており、各振動子群から発せられる超音波の集束部分が傷を検出する探傷ゾーン21,22,23,24となっており、該探傷ゾーン21,22,23,24は、所要範囲でオーバラップしている。
In addition, the ultrasonic focusing portion has a width in the depth direction, and the ultrasonic focusing portions emitted from each transducer group are
前記振動子膜3の、分割された前記A群5、前記B群6、前記C群7、前記D群8がそれぞれ異なる焦点距離を有する様に、前記振動子膜3の曲面が決定され、中心部で短焦点距離、周辺部に行くに従って焦点距離が長くなる様な曲面とされる。
The curved surface of the
而して、前記検査対象物2が断面円の長尺物であった場合、前記振動子膜3の曲面形状は、上記した様に、該振動子膜3の図心を含む任意の平面で断面した場合に前記振動子膜3の断面が示す曲線は、放物線となる様に形成されている。
Thus, when the
前記振動子膜3の曲面形状を、図4、図5に於いて説明する。
The curved surface shape of the
図4(A)は、断面が円で長尺物の前記検査対象物(ビレット)2を示し、該検査対象物2の軸心に対してφの角度で、前記振動子膜3を断面した場合の前記検査対象物2と前記振動子膜3との関係を、図4(B)で示している。
FIG. 4A shows the inspection object (billet) 2 having a circular cross section and a long object, and the
図中、a:AA′断面の短軸とビレット2の表面との交点、b:任意の超音波の進行方向とビレット2の表面との交点、c:任意の超音波の進行方向と探触子の交点、d:AA′断面の長軸とビレット2の表面の交点、f:焦点距離、o:ビレット2の中心(原点)、D:探触子半径、F:焦点の深さ(メタルトラベル)、R:短軸の長さ(ビレット半径)、R/cosφ:長軸の長さ、WP:水距離(探触子とビレット2との距離)、k:点bと原点oを結ぶ直線、l:点bに於ける接戦、m:直線oaに平行で点bを通過する直線、n:点bに於ける法線、α:超音波の屈折角、β:超音波の入射角、γ:法線nがビレット中心軸oaと成す角度、θ:直線kとmとの成す角度を示す。
In the figure, a: intersection of the short axis of the AA ′ cross section and the surface of the
而して、図4(B)中、原点oに関して、前記振動子膜3の断面が示す曲線f(x,y)は、図5中に示す式によって示される。
Thus, in FIG. 4B, with respect to the origin o, the curve f (x, y) indicated by the cross section of the
以下、本発明に係る超音波検査装置の作用について説明する。 The operation of the ultrasonic inspection apparatus according to the present invention will be described below.
先ず、前記切換えスイッチ16をONとし、前記A群5と前記制御装置15とを接続する。尚、前記切換えスイッチ16の操作は、前記制御装置15の指令により自動で行ってもよく、或は手動で行ってもよい。
First, the
前記検査対象物2を回転し、又前記探触子1を前記検査対象物2に対して相対的に移動させる。
The
所定の時間間隔で、前記A群5の前記各振動子4に電流パルスを印加し、超音波を発生させ、探傷を行う。前記電流パルスの時間間隔と、移動速度との関係は、電流パルス毎に形成される前記探傷ゾーン21,21同士が所要範囲オーバラップするものとする。
At predetermined time intervals, current pulses are applied to the
前記検査対象物2の全長に亘って探傷が完了すると、前記切換えスイッチ16をOFFとすると共に前記切換えスイッチ17をONとし、又は、前記切換えスイッチ16をONのまま前記切換えスイッチ17をONとし、同様にして前記探傷ゾーン22について探傷を行う。又、前記探傷ゾーン23,24についても前記C群7、前記D群8により、順次探傷を行えば、前記検査対象物2の内部全域について超音波探傷を行うことができる。
When flaw detection is completed over the entire length of the
尚、前記探触子1の移動速度を遅くして、前記A群5、前記B群6、前記C群7、前記D群8を繰返し切換え、一度で内部全域の超音波探傷を行う様にしてもよい。
The moving speed of the
図6(A)は本発明に係る探触子1の探傷結果を示し、図6(B)は全ての振動子4についてアレイ型超音波深触子用の制御装置により、位相制御を行って検査した場合の探傷結果を示している。尚、図中、L25〜L100は、検査用の傷を設けた深さを示している。例えば、L25は深さ25mmの位置に検査用の傷が設けられている。L25の例を取れば、(A)(B)いずれの場合も、検査対象物2の表面と底面で超音波の反射があると共に、深さ25mmのところで超音波の反射が見られる。又、(A)(B)のいずれも、深さ25mmのところでの超音波の大きさは同等である。尚、傷を示す反射波の大きさは、他の場合、L50、L75、L100の場合も同様であり、本発明の探触子1の探傷性能は、アレイ型超音波深触子用の制御装置を用いた場合と同等であることが分る。
FIG. 6 (A) shows the flaw detection result of the
次に、図7により、他の実施の形態を説明する。 Next, another embodiment will be described with reference to FIG.
該他の実施の形態では、振動子膜3を短冊状のエリアに分割して、更にエリアを分割して振動子群を形成し、A群5、B群6、C群7、D群8を進行方向に沿って順番に配置したものであり、各振動子群毎に曲率が異なる曲面となっており、前記A群5、前記B群6、前記C群7、前記D群8がそれぞれ異なる焦点距離を有し、各エリアは、それぞれ深さの異なる探傷ゾーン21,22,23,24を有している。
In the other embodiment, the
本実施の形態では、各エリア間の進行方向ピッチPは、相対速度vとするとし、前記A群5→前記B群6→前記C群7→前記D群8→前記A群5と順次繰返し、パルス電流を印加する時間間隔をtとすると、P=vtである。
In this embodiment, it is assumed that the traveling direction pitch P between the areas is a relative speed v, and the
相対速度と、パルス電流を印加する時間間隔とをマッチングさせることで、同じ進行方向位置で深さの異なる部位を順次探傷することができる。 By matching the relative speed with the time interval during which the pulse current is applied, it is possible to detect flaws at different positions in the same traveling direction.
尚、前記振動子膜3の曲面の形状は、検査対象物2の断面形状によって異なり、前記振動子膜3の断面が示す曲線は、放物線に限定されるものではない。又、各エリアの分割数は任意であり、各エリアが分割されていない1枚の振動子4で構成されてもよい。
Note that the shape of the curved surface of the
本発明によれば、検査対象物2の大型化に対応して、探触子1を大きくした場合に、超音波の周波数低下を防止でき、又近距離での検出感度も損われることがない。更に、複数の焦点距離を有する探触子1を、単焦点の探触子用の制御装置で駆動できる。
According to the present invention, when the
1 探触子
2 検査対象物
3 振動子膜
4 振動子
5 A群
6 B群
7 C群
8 D群
10 マッチング回路
11 マッチング回路
12 マッチング回路
13 マッチング回路
14 スイッチング手段
15 制御装置
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