JP2011519046A - 超音波検査方法および超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

入口を備えた穴部を具備する部品を検査する方法に関する。この方法は、超音波を液体のカップリング媒体を介して部品内に向ける工程と、超音波を液体のカップリング媒体を介して部品から受信する工程と、部品の特性を測定すべく受信された超音波を処理する工程とを含む。穴部の入口は、液体のカップリング媒体が穴部の入口の中に流れ込むのを防ぐべくテープでシールされる。テープは液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの４０％以内の音響インピーダンスを有する。液体のカップリング媒体（ほとんどの場合は水であるだろう）の音響インピーダンスと相対的に近い音響インピーダンスを有するテープを選択することによって、テープは、超音波に対して比較的透明であり、それ故に少なくとも穴部の壁中の欠陥部の有無が測定されることを可能とする。

Description

本発明は、超音波を用いて部品を検査するための方法および装置に関する。

図１は、穴部２を備えた複合材部品１を検査する従来の方法を示す。部品１は、水４を含む槽３内に浸される。超音波エネルギーが水４を通してトランスデューサー６から部品１内に放射される。超音波エネルギーは、部品１を通過後、反射板から離れるように向けられ、部品を通してトランスデューサー６に戻される。受信された超音波エネルギーは、部品の内部構造の画像を作成すべく超音波計測システム（図示せず）によって処理される。

層間剥離欠陥部５が穴部２から発生する。部品１が槽３内に設置されたとき、水４は穴部２内に流れ込み且つ層間剥離欠陥部５を満たす。結果として、欠陥部５を超音波計測システムによって検出することが困難になる。従って、従来の超音波の水侵法は、斯かる欠陥部を検出するのに信頼できない場合がある。

この問題に対する従来の一つの解決法は、トランスデューサーを直接パネルと接触させて設置することであり、その結果、液体のカップリング（coupling）媒体の必要性を除去する。しかしながら、この解決法は多大な労力および時間を必要としうる。従来の別の解決法は、位相配列の超音波装置を先の解決法と同様に直接パネルと接触させて使用することであり、その結果、液体のカップリング媒体の必要性を除去する。しかしながら、この解決法は高コストとなる可能性があり且つ特別に訓練された作業者を必要とする。

本発明の第一の態様では、入口を備えた穴部を具備する部品を検査する方法において、超音波を液体のカップリング媒体を介して部品内に向ける工程と、超音波を液体のカップリング媒体を介して部品から受信する工程と、部品の特性を測定すべく受信された超音波を処理する工程と、液体のカップリング媒体が穴部の入口の中に流れ込むのを防ぐべく穴部の入口をテープでシールする工程とを含み、テープが液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの４０％以内の音響インピーダンスを有する、方法が提供される。

本発明の第二の態様では、入口を備えた穴部を具備する部品を検査するための装置において、超音波計測装置と、穴部の入口をシールするためのテープであって、水の音響インピーダンスの４０％以内の音響インピーダンスを有するテープ（すなわち、テープは１．４９×１０⁶ｋｇ・ｓ^-1・ｍ^-2の４０％以内の音響インピーダンスを有する）とを具備する、装置が提供される。

液体のカップリング媒体（ほとんどの場合は水であるだろう）の音響インピーダンスと相対的に近い音響インピーダンスを有するテープを選択することによって、テープは、超音波に対して比較的透明であり、それ故に少なくとも穴部の壁中の欠陥部の有無が測定されることを可能とする。

典型的には、テープは液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの３０％以内の音響インピーダンスを有する。更に好ましくは、テープは液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの２０％以内の音響インピーダンスを有する。

典型的には、テープは、液体のカップリング媒体の縦波速度の４０％以内の縦波速度を有し、好ましくは３０％以内の縦波速度を有し、最も好ましくは２０％以内の縦波速度を有する。

典型的には、テープは、部品内に向けられた超音波を６ｄＢ未満だけ減衰させ、好ましくは４ｄＢ未満だけ減衰させる。

典型的には、部品は繊維強化複合材料のような積層材料から製造される。このとき、本方法は、部品内の層間剥離欠陥部の有無を検出するのに使用され、特に穴部の壁中の層間剥離欠陥部の有無を検出するのに使用されうる。

穴部は、二つの入口を備えた貫通穴であってもよく、或いは一つの入口のみを備えた止まり穴であってもよい。貫通穴の場合、典型的には、両方の入口がテープでシールされる。

図１は、従来の超音波水侵試験の配置における、穴部を備えた部品を示す。 図２は、テープでシールされた穴部を備えた部品を示す。 図３は、図２の部品を検査する方法を示す。 図４は、図２の部品を検査する代替的な方法を示す。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、部品１０を垂直に貫通するドリル穴部１１を具備する複合材部品１０を示し、ドリル穴部１１は上入口および下入口を作るべく複合材部品１０の上面１４および下面１５の両面を貫く。部品１０は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）複合材料から製造され、このとき複合材料の積層が穴部１１で終了する。層間剥離欠陥部１８が穴部１１の側面から発生することが示される。

テープ１９が穴部１１の上入口および下入口の両方をシールすべく貼り付けられる。テープ１９は、耐水性接着剤の薄い層（図示せず）を用いて、複合材部品１０の上面１４および下面１５に取り付けられる。部品１０にテープ１９を取り付けるのに使用される接着剤は室温で硬化し、このことはテープ１９を貼り付けることを容易にする。テープ１９が貼り付けられた後、図２に示されるように、スクレーパー１６が気泡を除去すべくテープ１９を横切って擦り付けられる。スクレーパー１６は、気泡が作業者によって見られることができるように透明である。

次に、部品１０は図３に示されるように水槽１２内に浸され、テープ１９は水１３が上入口または下入口を通して穴部１１に入るのを防ぐ。

超音波エネルギー２２が超音波トランスデューサー２０から放射され且つ水１３を介して部品１０内に向けられる。超音波エネルギーは、部品１０を通過後、ガラス反射板２１によって反射され、部品１０および水１３を通って超音波トランスデューサー２０に戻される。その後、受信された超音波２３は、部品１０の特性を測定すべく計測システム２４によって処理される。

トランスデューサー２０は、超音波エネルギーの短パルスを送信し、且つａ）部品の前面からの反射、ｂ）部品内の欠陥部からの反射、ｃ）部品の後面からの反射、およびｄ）反射板２１からの反射に起因する一連の反射パルスを受信する。計測システム２４は、複数の方法でこれらパルスを分析しうる。例として、計測システム２４は、部品内の欠陥部からのパルスｂ）の到着時間を計測しうる。この計測は部品内の欠陥部の有無および欠陥部の深さに関する情報を与える。或いは、パルスｄ）の振幅が計測されてもよい。このパルスは部品を二度通過しているので、このパルスの振幅は、部品を通しての部品全体の減衰損失の指標、すなわち欠陥部の有無の指標を与える。トランスデューサーは、部品の二次元画像を作成すべくラスターパターンで部品と平行に走査される。典型的には、データはカラー画像として表示され、ここで各ピクセルのカラーは、欠陥部の深さ、または部品を通しての減衰損失を示す。

槽１２内の水１３は、超音波エネルギーが比較的低く且つ均一な減衰で進むことができるカップリング媒体として作用する。テープ１９が、水１３が穴部１１の中に流れるのを防ぐので、層間剥離欠陥部１８は空気で満たされる。空気はカップリング媒体の水および部品１０の複合材料の両方よりも実質的に大きい音響インピーダンスを有す。その結果、超音波が欠陥部１８を通過するとき、超音波はより大きく減衰される。このことは、欠陥部１８が計測システム２４によって欠陥部１８の周辺部と区別されることを可能とする。

接着剤層とテープ１９との結合部は、部品内に向けられる超音波２２を各方向に６ｄＢ未満（好ましくは４ｄＢ未満）だけ減衰させる。このことは、十分な量の超音波エネルギーがトランスデューサー２０に戻されることを可能とし、それによりテープ領域内の部品の内部構造の検査が可能となる。

テープ１９および接着剤は、（１．４９×１０⁶ｒａｙｌ＝１．４９×１０⁶ｋｇ・ｓ^-1・ｍ^-2の音響インピーダンスを有する）水の音響インピーダンスと同等の音響インピーダンスを有する材料から製造される。このことは、計測システムによって作り出される超音波画像の解釈において、テープ１９または接着剤を考慮するための余分な作業が、ほとんど必要とされない、または全く必要とされないので有益である。

テープとしては、ＮＵＷＣ ＸＰ−１ポリウレタン尿素、ＰＲＣ−Ｄｅｓｏｔｏ社のＰＲ−１５４７またはＰＲ−１５９２、或いはＣｙｔｅｃｈ社のコナセイン（Conathane：登録商標）ＥＮ−７のような材料が適切である。これら材料は、約１．７１×１０⁶ｋｇ・ｓ^-1・ｍ^-2(rayl)、すなわち水の音響インピーダンスよりも約１５％高い音響インピーダンスを有する。このテープ材料は、各方向において３ｄＢよりも低い減衰損失を与えるであろうことが期待される。

このテープは、単純な押出加工によって、またはカレンダー加工によって製造される。

接着剤はスプレーまたは浸し塗り（dipping）によってテープに塗布される。接着剤として、エポキシ接着剤ＤＰ−１９０のような材料が適切である。テープを部品に固着するのに接着剤の薄い層のみが必要とされるので、接着剤の音響インピーダンスは決定的に重要ではない。

また好ましくは、テープ１９は水の縦波速度（１４３０ｍ／ｓ）と同等の縦波速度を有する。このことは、計測システムが追加の計測補償を導入する必要なしに受信された超音波信号を処理するための（パルス−エコー技術のような）タイム・オブ・フライト法を用いることを可能とする。

ＮＵＷＣ ＸＰ−１ポリウレタン尿素、ＰＲＣ−Ｄｅｓｏｔｏ社のＰＲ−１５４７およびＰＲ−１５９２、ならびにＣｙｔｅｃｈ社のコナセイン（Conathane：登録商標）ＥＮ−７は、室温の純水の密度と完全に同等の密度を有する（例えば、ＰＲ−１５４７は、１ｇ／ｃｍ³である水と比較して１．０５ｇ／ｃｍ³の密度を有する）。音響インピーダンスが（密度×速度）として計算されるので、このとき、これら材料が水の縦波速度と同等の縦波速度を有することが理解できる。

ダブルパス透過超音波伝送計測システムが図３に示されるが、シングルパス透過技術を含む他の計測モードが採用されてもよい。

更に、超音波トランスデューサー２０と部品１０との間のカップリングを提供する水路は、部品を水中に完全に浸す代わりに、ジェット水流を部品上に浴びせることによって提供されてもよい。例が図４に示され、図４において、送信機３０が、上方から部品上に噴出するジェット水流３１を介して超音波を部品内に向け、且つ受信機３２が、下方から部品上に噴出するジェット水流３３を介して部品から超音波を受信する。

記載例では水のカップリング媒体が使用されるが、その他適切な液体のカップリング媒体が使用されてもよい。この場合、好ましくは、テープおよび接着剤は、水の代替のカップリング媒体の音響インピーダンスおよび縦波速度と同等の音響インピーダンスおよび縦波速度を有すべく選択される。

本発明が、一つ以上の好ましい実施形態に関して上述されたが、添付の特許請求の範囲において定義された発明の範囲を逸脱することなく種々の変更または修正がなされうることが理解されるであろう。

Claims (14)

1. 入口を備えた穴部を具備する部品を検査する方法において、
   ａ. 超音波を液体のカップリング媒体を介して前記部品内に向ける工程と、
   ｂ. 超音波を前記液体のカップリング媒体を介して前記部品から受信する工程と、
   ｃ. 前記部品の特性を測定すべく前記受信された超音波を処理する工程と、
   ｄ. 前記液体のカップリング媒体が前記穴部の入口の中に流れ込むのを防ぐべく前記穴部の入口をテープでシールする工程とを含み、
   前記テープが前記液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの４０％以内の音響インピーダンスを有する、方法。
2. 前記テープが前記液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの３０％以内の音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記テープが前記液体のカップリング媒体の音響インピーダンスの２０％以内の音響インピーダンスを有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記テープが前記液体のカップリング媒体の縦波速度の４０％以内の縦波速度を有する、請求項１〜３に記載の方法。
5. 前記テープが前記液体のカップリング媒体の縦波速度の３０％以内の縦波速度を有する、請求項１〜４に記載の方法。
6. 前記テープが前記液体のカップリング媒体の縦波速度の２０％以内の縦波速度を有する、請求項１〜５に記載の方法。
7. 前記テープが、前記部品内に向けられる前記超音波を６ｄＢ未満だけ減衰させる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記テープが接着剤を用いて前記部品の表面に接着される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記接着剤が室温で硬化するエポキシ樹脂である、請求項８に記載の方法。
10. 前記部品が積層材料から製造される、請求項１〜９に記載の方法。
11. 前記受信された超音波が前記穴部の壁中の欠陥部の有無を測定すべく処理される、請求項１〜１０に記載の方法。
12. 入口を備えた穴部を具備する部品を検査するための装置であって、
    ａ. 超音波計測装置と、
    ｂ. 前記穴部の入口をシールするためのテープであって、水の音響インピーダンス（１．４９×１０⁶ｋｇ・ｓ^-1・ｍ^-2）の４０％以内の音響インピーダンスを有するテープと
    を具備する、装置。
13. 前記テープが水の音響インピーダンス（１．４９×１０⁶ｋｇ・ｓ^-1・ｍ^-2）の３０％以内の音響インピーダンスを有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記テープが水の音響インピーダンス（１．４９×１０⁶ｋｇ・ｓ^-1・ｍ^-2）の２０％以内の音響インピーダンスを有する、請求項１３に記載の装置。

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