JP3726067B2 - Ultrasonic flaw detection method and ultrasonic flaw detection apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を用いて被試験体のキズの有無を調べる超音波探傷方法と、この探傷方法が適用される超音波探傷装置に関する。特には、探傷検出感度を向上し、高精度の探傷検査を行うことができる超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
鉄道車両の輪軸の探傷検査を例に採って、従来の技術及び課題を説明する。
鉄道車両の輪軸は、車両全体を支える重要部品である。輪軸は、左右の車輪が車軸に圧入されて一体になったものである。輪軸を備えた車両は、運行中、車軸と車輪の嵌め合い部分(輪座)に摩擦力と微小な相対すべりが生じる。そして、これらが原因となって疲労強度が低下し、車軸表面からき裂が生じる可能性がある。このき裂を早期に検出するために、定期的に車軸の検査を行っている。
【0003】
このき裂チェックのための探傷検査は、従来より超音波を用いた非破壊的な方法がほとんどであり、例えば以下の通りに行っている。
図14は、従来の探傷検査で用いられる探触子の一例を模式的に示す側面図である。
図15(A)は同探触子から発生した超音波の伝搬状態を説明するための軸方向断面図であり、図15(B)は径方向断面図であり、図15(C)は受信されるエコーの波形図である。
【0004】
図14に示すように、探触子1は、圧電体からなる平面振動子3を備えている。平面振動子3は、アクリル等の合成樹脂からなるくさび材(シュー材)5の背部傾斜面に取り付けられている。平面振動子3の背面には、タングステン等の高比重部材からなるダンパー材7が取り付けられている。
【0005】
探触子1は、くさび材5を被試験体(中ぐり車軸)10の表面に当てて使用する。このとき、くさび材5と被試験体10表面(車軸の中ぐり孔内面)との間には、超音波の伝わりを良くするため油を塗っておく。平面振動子3にパルス発生装置(図示されず)から電気パルスが加わると、超音波ビームが発生する。この超音波ビームは、くさび材5を通って被試験体10内を斜めに進行する。そして、被試験体10のキズ10Xから反射したエコーが、再び探触子1に戻って電気信号に変換され、電気波形として検出される。
【0006】
ところで、従来の探触子1は平面振動子3を用いているため、図15(A)に示すように、発生した超音波ビームが車軸10の中ぐり孔内面で屈折した後、若干広がりながら伝搬する。また、中ぐり孔内面が円弧状であるため、図15(B)に示されているように、車軸10の外側に入射する超音波ほど屈折角が大きくなり、探触子1のサイズや車軸10の内径、外径によっては、車軸表面における超音波ビームの広がり具合が異なる。そのため、超音波エネルギ密度が低く、探傷感度も高くしにくいという課題がある。
【0007】
さらに、車軸10の輪座面の探傷検査においては、キズエコー以外に圧入エコーも反射される。この圧入エコーは、輪座における車軸と車輪との微小な接触具合によって反射されるエコーである。従来の平面振動子3では、キズエコーに圧入エコーが混在して検出されるので、図15(C)に示すように、検出される電気波形は多数に重なる。そのため、圧入エコー群の重なり具合によっては、圧入エコーと本来のキズエコーとの識別が難しい。一方、探触子1を操作する際には、波数を少なくするため、ダンパー材7を平面振動子3の背面に貼る等をしてダンピングを効かせ、振動の残響が短時間ですぐにおさまるようにしている。ところが、このようにダンピングを効かせると、送受する超音波そのものが弱くなるという問題が起こる。
【0008】
キズエコーと圧入エコーを精度良く見分けるためには、超音波ビームを集中させ、キズエコーの検出感度を増すとともに圧入エコーの波の重なりを小さくして、大きな圧入エコーを発生させないことが有用である。
本発明は、上記の観点に着目してなされたもので、探傷検出感度を向上し、高精度の探傷検査を行うことができる超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の前提とする超音波探傷方法は、探触子から被試験体に超音波を入射し、被試験体から反射してくる反射波(エコー)を検出して被試験体の探傷を行う超音波探傷方法であって、 前記被試験体の探傷点で前記超音波を3次元的に点集束させる。
【0010】
本発明の超音波探傷方法は、探触子から被試験体に超音波を入射し、被試験体から反射してくる反射波(エコー)を検出して被試験体の探傷を行う超音波探傷方法であって、 前記被試験体の検査面上のある点(ターゲットポイント)を設定し、 前記被試験体の超音波入射面上を複数の小領域に分割し、 前記ターゲットポイントから前記各小領域を経由して前記超音波が屈折しながら伝搬する方向を算出し、音響的距離が相対的に等しい点の座標を求め、 該点の座標を統合して探触子の出力面を求め、 該出力面を有する探触子を用い、前記ターゲットポイントで前記超音波を3次元的に点集束させることを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、被試験体の探傷点(ターゲットポイント)で超音波を3次元的に点集束させることにより、超音波エネルギ密度を高くし、探傷検出感度を向上することができるので、高精度の探傷検査を行うことができる。
本発明を鉄道車両の輪軸のき裂検査に適用した場合は、キズエコーの検出感度を増すとともに圧入エコーの波の重なりを小さくできる。
【0012】
本発明においては、前記被試験体が軸であり、前記探触子の出力面を、次式を満たす点を統合して求めるものとすることができる;
【数4】
【0013】
また、本発明においては、前記被試験体が中ぐり軸であり、前記探触子の出力面を、次式に基づく座標点Tijを統合して求めるものとすることができる;
【数5】
【0014】
さらに、本発明においては、前記探触子の出力面と前記ターゲットポイントとの間を前記超音波が屈折する際における、前記小領域の各相互間の位相変化の差を調整するものとすることができる。
この場合、より高精度な探傷検査を実現できる。
【0015】
本発明においては、次式を満たすように前記探触子の出力面を前記ターゲットポイントに近づけて、前記位相変化の差を調整するものとすることができる;
【数6】
【0016】
本発明の超音波探傷装置は、被試験体に超音波を入射し被試験体から反射してくる反射波(エコー)を検出する探触子を備える超音波探傷装置であって、 前記探触子が、前記被試験体の検査面上のある点(ターゲットポイント)から、前記被試験体の超音波入射面を複数に分割した小領域を経由して、前記超音波が屈折しながら伝搬する方向を算出し、音響的距離が相対的に等しい点の座標を統合してなる出力面を有することを特徴とする。
【0017】
本発明の超音波探傷装置においては、前記探触子の出力面と前記ターゲットポイントとの間を前記超音波が屈折する際に、前記小領域の各相互間の位相変化の差を調整する位相差調整手段をさらに備えるものとすることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。以下の実施例では、本発明を鉄道車両の輪軸の探傷検査に適用した場合について説明する。
図1は、本発明に係る超音波探傷方法の概要を説明するための輪軸周りの断面図である。
図2(A)は同探触子から発生した超音波の伝搬状態を説明するための軸方向断面図であり、図2(B)は径方向断面図であり、図2(C)は受信されるエコーの波形図である。
【0019】
図1に示す輪軸11は、車軸12に車輪13が圧入されたものである。図1では、車軸12の端部側(ジャーナル部12A及び車輪圧入部12B)を拡大して示している。ジャーナル部12Aは軸受け14を介して車軸箱(図示されず)に取り付けられ、車輪圧入部12Bには車輪13が嵌合わされている。車輪圧入部12Bの軸表面が輪座面である。本実施例の車軸12は、中ぐり孔15を有する中ぐり車軸である。中ぐり車軸は、例えば300系新幹線以降の鉄道車両に用いられており、ばね下荷重を軽減できる、あるいは、探傷検査に好適である等の利点を有する。
【0020】
図2(A)及び(B)に分かり易く示すように、本発明に係る探触子は、出力面が3次元曲面状をした曲面振動子23を備えている。この曲面振動子23は、従来の探触子(図14参照)と同様に、くさび材(シュー材)25やダンパー材(図示されず)と一体化したものである。図1及び図2(A)に示すように、曲面振動子23の出力面から発生した超音波ビームは、くさび材25を通って車軸12内を斜めに進行する。そして、この超音波ビームは、車軸12のキズ(探傷点)12Xにおいて集束し、且つ、超音波の位相が揃うようになっている。そのため、曲面振動子23で受信される反射エコーは、図2(C)に示すように、リンギングが少なく、クリアーな波形を得ることができる。
【0021】
以下、このような3次元曲面状の出力面を有する曲面振動子23の形状解析について述べる。
まず、図3を参照して、曲面振動子の形状設計法の概要について説明する。
図3は、本発明に係る曲面振動子の形状設計法を説明するための模式的斜視図である。
【0022】
(a)最初に、次の(a1)〜(a3)の手順で、曲面振動子23の出力面の各点と車軸12表面の超音波ビームの集束点(ターゲットポイント;この場合キズ12X)との音響的な距離が一致するように設定する。
(a1)車軸12の内面にメッシュMを切る(複数の小領域へ仮想的に分割する)。
(a2)メッシュMの各点とターゲットポイント12Xを結ぶ直線(図3中の点線)を考える。
(a3)この直線から、曲面振動子23への超音波経路と伝搬時間を算出し、曲面振動子23の出力面の曲面形状を求める。
【0023】
(b)次に、超音波ビームがターゲットポイント12Xで反射するまでの伝搬経路を考え、拡散に伴う振幅の変化、屈折時の振幅変化・位相変化の差から、トータルとして振動子全面で位相が一致するように、振動子の形状を補正して最終的な曲面形状を算出する。
【0024】
次いで、振動子の出力面の形状解析について詳しく説明する。本実施例では、前述の中ぐり車軸用の探触子の形状解析について述べる。
図4〜図13は、本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
以下の説明では、超音波が波線理論にしたがって伝搬すると仮定して解析を進める。
【0025】
まず、図4(A)に示すように、中ぐり車軸内筒面上にトランスデューサー(探触子)の寸法程度の領域を設定し、前記(a)で述べたように、その領域をメッシュに分割する。そして、分割された各メッシュの中点とターゲットポイントとを通り、各メッシュの中点からの音響的距離が等しくなる点(すなわち伝搬時間が等しくなる点)の集合を求めて、これをトランスデューサーの形状とする。すなわち、図4(B)により詳細に示すように、車軸表面上にとったターゲットポイントを点Cとし、車軸内面に設けた各メッシュMの中点を点Pij(周方向i番目、長手方向j番目)とする。
【0026】
トランスデューサーの一点Tijから放射された超音波ビームが点Pijを通り、点Cに到達するまでの伝搬時間tijは、トランスデューサー前面の音響伝達媒質(シュー材)の音速をvc、車軸の音速vsとすると、次の「数7」で表される;
【数7】
したがって、この伝搬時間tijが任意の一定時間t0になるとすると、次の「数8」が得られる;
【数8】
この「数8」を満たす点の集合が、求めるトランスデューサーの形状(振動子の出力面形状)となる。
【0027】
いま、車軸の内径をra、外径をrb、基準点からターゲットまでの距離をzb、メッシュの周方向間隔(ラジアン)をΔα、長手方向間隔(距離)をΔzとし、点Pijにおける法線ベクトルをnijとする。ターゲットポイントC、各メッシュの中点Pij、法線ベクトルnij、各メッシュの中点からターゲットポイントまでのベクトルPijCは、それぞれ次の「数9」で与えられる(図4(B)参照);
【数9】
【0028】
図5に示すように、直線PCと法線ベクトルnijを含む面をSとすると、トランスデューサーの一点Tijから放射された超音波は、S面内で屈折する。このとき入射角をθi、屈折角をθrとすると、これらの角度の間にはスネルの法則から次式
【数10】
の関係がある。ここで、直線PC、PTの単位ベクトルをそれぞれlij、mijとし、
【数11】
とおく。
【0029】
そして、これら単位ベクトルlij、mijと法線ベクトルnijとの内積・を計算すると、次の「数12」及び「数13」の関係式が得られる;
【数12】
【数13】
【0030】
さらに、「数11」、「数12」、「数13」より
【数14】
が得られるとともに、「数12」、「数14」より
【数15】
が得られる。
【0031】
また、「数11」より、単位ベクトルlijの内積・として
【数16】
が得られる。そして、「数16」と「数15」より
【数17】
が得られるとともに、「数17」と「数10」より
【数18】
が得られる。
【0032】
次に、幾何学的にδ<0でなければならないので、
【数19】
となる。このとき、
【数20】
より、γ<0である条件を満たす。
【0033】
また、「数10」及び「数18」より
【数21】
となる。よって、次の「数22」が得られる;
【数22】
以上より、δ、γ、θiの全てが既知となり、単位ベクトルlijが求められる。
【0034】
ここで、
【数23】
とすると
【数24】
であり、したがって「数8」より
【数25】
となる。
【0035】
以上よりベクトルPijTijが決まり、求めるTijの座標は
【数26】
となる。
【0036】
ここで求めたTijの座標、つまり設計すべきトランスデューサーの出力面の形状は、第一次近似的なもの(音響的な距離に基づいて設計したもの)である。そのため、さらに高精度の設計のためには、境界面での屈折時の位相変化の差を考慮する必要がある。そこで、キズをターゲットポイントとした場合の、受信振幅と位相変化の差を考慮したトランスデューサーの出力面の形状の補正について述べる。
【0037】
(I)伝搬距離に伴う減衰
ここでは、トランスデューサーの一メッシュ点(ポイントトランスデューサー)から放射された超音波が球面波となって伝搬し、その後、キズで反射して再びトランスデューサーの同一点で受信した際の受信振幅について解析する。超音波振幅の減衰は、拡散による減衰、屈折時の減衰、及び、伝搬媒質による減衰等に関係するが、ここでは設計形状に関係しない伝搬媒質の減衰は無視して解析する。
【0038】
反射ターゲットとして微小球反射源を考える。まず、球面波の拡散による振幅の減少について解析する。
超音波を集束する探触子としては、2種類のタイプが考えられる。一つは前述のシュー付きタイプであり、もう一つはシューなしで液体などの接触媒質に直接接触するタイプである。シュー付きのタイプは、検査時にシューと車軸の間に約0.2mm程度の油層のギャップを設けるが、このギャップは薄いので存在を無視する。
【0039】
ポイントトランスデューサーから出たビームがターゲットに到達するまでの経路は、図6のように表すことができる。
ここで、最大入射角になる面上での超音波の拡がりを考える。トランスデューサーの一点から放射した超音波は、拡がりながら伝搬する。この拡がりの大きさは、シューと車軸との境界面において、弧ABであるとする(図7(A)参照)。さらに、車軸中を伝わった波が微小球反射源に到達したときの拡がりの大きさが弧CDであるとする(図7(B)参照)。すると、スネルの法則により入射角θiと屈折角θrの間には、次の「数27」が成り立つ;
【数27】
【0040】
「数27」の両辺を微分すると、
【数28】
であり、したがって
【数29】
が成り立つ。
【0041】
そこで、図7(A)のように、虚像の探触子位置をO1とし、O1B=r1´とすると
【数30】
であり、扇O1AB∽扇O1A´B´であるから
【数31】
となる。
【0042】
一方、入射角が最大となる面と垂直な面上では、超音波のみかけの入射角は0°となる。そのため、放射時の新たな超音波の拡がりはなく、図7(B)に示すように、扇OCD∽扇OC´D´となる。したがって、微小曲面ABCD上での超音波の振幅をA0とすると、微小球反射源における微小曲面A´B´C´D´上での振幅A1は、
【数32】
となる。ここで、K1はシューから車軸への透過率である。
【0043】
微小球反射源での反射、すなわち半球面上に散乱し、車軸の入射位置に戻ってきた超音波の振幅(これをA2とする)は、球面状散乱であるので伝搬距離r2に反比例し、
【数33】
となる(図8参照)。ここで、K2は固体−空気境界面での反射率とする。
なお、微小球の半径は、理想的には小さいほど解析しやすいが、無限小にすると反射波の振幅が0になるので、ここでは簡単のため微小球の半径を単位の1とする。この微小球に入射した超音波は、上半球面上に散乱すると考え、上式「数33」の比例関係を等号で関係付けることにする。すなわち、次式が成り立つ;
【数34】
【0044】
ここで、車軸からシューに透過する超音波の伝わりを考える。シューから車軸への透過の場合と同様に解析すると、探触子位置(探傷面からr1の位置)における超音波の振幅(A3とする)は、
【数35】
となる。ここで、弧E´F´と弧G´H´は、それぞれ振動子位置における最大入射角を含む面上、及び、最小入射角を含む面上での超音波の拡がりの大きさである(図9(A)、(B)参照)。さらに、K3は車軸からシューへの透過率である。
【0045】
したがって、全行程における超音波の受信振幅は、
【数36】
で与えられる。なお、この振幅A3は前述したように相対的な振幅を表している。
【0046】
(II)各境界面における透過率・反射率
前述と同様に、シュー付きのタイプのものでは、カップラント層の存在を無視する。しかし、カップラント層の存在を無視しても、シューと車軸は固体接触していないので、接触面で互いにすべりが許される。そのため、境界面でのせん断応力と接線方向変位の連続性はないものとする。
【0047】
シューから固体境界面に縦波を入射した場合でもシューなしタイプと同様に扱え、図10に示すように、反射波・透過波が発生する。ここで、入射角をθl1、縦波の屈折角をθl2、横波の屈折角をθt2とし、入射波(縦波)の音速をvl1、透過波縦波の音速をvl2、横波の音速をvt2とする。そして、密度をρとし、Lameの定数をμ、λで表すと、次の「数37」が得られる;
【数37】
【0048】
さらに、各波の反射率・透過率は、次の「数38」で表すことができる;
【数38】
したがって、横波の透過率K1(=Tt/Li)は、
【数39】
となる。
【0049】
固体と気体の境界面に横波が入射した場合は、図11に示すような反射波が発生する。このとき、各波の反射率は、次の「数40」で表すことができる;
【数40】
したがって、横波の反射率K2(=Tr/Ti)は、
【数41】
となる。なお、ここでは微小球反射源に入射する場合を扱うので、入射角は常に0°(垂直入射)である。したがってK2=−1となる。
【0050】
車軸からシューへと横波を入射した場合は、図12に示すのような反射波・透過波が発生する。このとき、各波の反射率・透過率は、次の「数42」で表すことができる;
【数42】
この場合も、シューから車軸への入射と同様に、せん断応力と接線変位は連続でないとする。透過率(縦波)K3(=Lt/Ti)は、
【数43】
となる。
以上で、K1、K2、K3が決定できる。
【0051】
(III)位相変化
系としての透過率・反射率の総合特性をKとし、その実数部をKRe、虚数部をKImとする。ポイントトランスデューサー各点での受信振幅は、次の「数44」で表すことができる;
【数44】
【0052】
「数44」は、さらに
【数45】
と表すことができる。なお、「数45」において、K0は系の透過率・反射率の総合特性値であり、αは系の総合位相変化の値である。いま、シュー内の波長(シューなしタイプではカップラント内での波長)をλcとすると、トランスデューサーのメッシュの各小領域での位相ずれを補正するためには、
【数46】
だけトランスデューサーを近づければよい(図13参照)。
【0053】
なお、本実施例では、中ぐり軸を例に挙げて説明したが、本発明は通常の中実軸にも適用することが可能である。さらに、被検査物の形状や材質等に応じて、屈折時の位相変化の差も適宜補正することが可能である。
【0054】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、探傷検出感度を向上し、
より高精度の探傷検査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波探傷方法の概要を説明するための輪軸周りの断面図である。
【図2】図2(A)は同探触子から発生した超音波の伝搬状態を説明するための軸方向断面図であり、図2(B)は径方向断面図であり、図2(C)は受信されるエコーの波形図である。
【図3】本発明に係る曲面振動子の形状設計法を説明するための模式的斜視図である。
【図4】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図5】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図6】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図7】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図8】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図9】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図10】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図11】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図12】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図13】本実施例に係る振動子の出力面の形状解析を説明するための説明図である。
【図14】従来の探傷検査で用いられる探触子の一例を模式的に示す側面図である。
【図15】図15(A)は同探触子から発生した超音波の伝搬状態を説明するための軸方向断面図であり、図15(B)は径方向断面図であり、図15(C)は受信されるエコーの波形図である。
【符号の説明】
11 輪軸 12 車軸
12A ジャーナル部 12B 車輪圧入部
13 車輪 15 中ぐり孔
21 探触子 23 曲面振動子
25 くさび材(シュー材)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic flaw detection method for examining the presence or absence of scratches on a test object using ultrasonic waves, and an ultrasonic flaw detection apparatus to which this flaw detection method is applied. In particular, the present invention relates to an ultrasonic flaw detection method and an ultrasonic flaw detection apparatus that can improve the flaw detection sensitivity and perform a highly accurate flaw detection inspection.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Conventional techniques and problems will be described by taking a flaw detection inspection of a wheel shaft of a railway vehicle as an example.
The wheel shaft of a railway vehicle is an important part that supports the entire vehicle. The wheel axle is an integrated body in which the left and right wheels are press-fitted into the axle. A vehicle equipped with a wheel shaft generates frictional force and minute relative slip at the fitting portion (wheel seat) between the wheel shaft and the wheel during operation. These factors can cause a decrease in fatigue strength and can cause cracks from the axle surface. In order to detect this crack at an early stage, the axle is regularly inspected.
[0003]
For the flaw detection inspection for the crack check, most of the conventional non-destructive methods using ultrasonic waves are performed as follows, for example.
FIG. 14 is a side view schematically showing an example of a probe used in a conventional flaw detection inspection.
FIG. 15A is an axial sectional view for explaining a propagation state of ultrasonic waves generated from the probe, FIG. 15B is a radial sectional view, and FIG. FIG.
[0004]
As shown in FIG. 14, the probe 1 includes a
[0005]
The probe 1 is used by placing the
[0006]
By the way, since the conventional probe 1 uses the
[0007]
Further, in the flaw detection inspection of the wheel seat surface of the
[0008]
In order to distinguish the scratch echo from the press-in echo with high accuracy, it is useful to concentrate the ultrasonic beam to increase the detection sensitivity of the scratch echo and reduce the overlap of the waves of the press-in echo so as not to generate a large press-in echo.
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned viewpoint, and an object thereof is to provide an ultrasonic flaw detection method and an ultrasonic flaw detection apparatus capable of improving flaw detection sensitivity and performing a highly accurate flaw detection inspection. .
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the ultrasonic flaw detection method as a premise of the present invention, ultrasonic waves are incident on a test object from a probe, and a reflected wave (echo) reflected from the test object is detected to detect the test object. an ultrasound flaw detection method, the Ru is three-dimensionally point focus the ultrasound at the test points of the test object.
[0010]
In the ultrasonic flaw detection method of the present invention, ultrasonic flaw detection is performed by detecting a reflected wave (echo) reflected from the test object by injecting ultrasonic waves from the probe to the test object. A method is provided in which a certain point (target point) on an inspection surface of the test object is set, an ultrasonic incident surface of the test object is divided into a plurality of small regions, and each small point is formed from the target point. Calculating the direction in which the ultrasonic wave propagates while being refracted through a region, obtaining the coordinates of points with relatively equal acoustic distances, and integrating the coordinates of the points to obtain the output surface of the probe; A probe having the output surface is used to focus the ultrasonic wave three-dimensionally at the target point.
[0011]
According to the present invention, the ultrasonic energy density can be increased and the flaw detection sensitivity can be improved by focusing the ultrasonic wave three-dimensionally at the flaw detection point (target point) of the test object. Accurate flaw detection inspection can be performed.
When the present invention is applied to a crack inspection of a wheel shaft of a railway vehicle, it is possible to increase the detection sensitivity of scratch echoes and reduce the overlap of waves of press-in echoes.
[0012]
In the present invention, the device under test may be an axis, and the output surface of the probe may be obtained by integrating points satisfying the following formula;
[Expression 4]
[0013]
In the present invention, the DUT may be a boring axis, and the output surface of the probe may be obtained by integrating coordinate points T ij based on the following equation:
[Equation 5]
[0014]
Furthermore, in the present invention, when the ultrasonic wave is refracted between the output surface of the probe and the target point, a difference in phase change between the small regions is adjusted. Can do.
In this case, more accurate flaw detection inspection can be realized.
[0015]
In the present invention, the output surface of the probe is brought close to the target point so as to satisfy the following formula, and the difference in phase change can be adjusted;
[Formula 6]
[0016]
The ultrasonic flaw detector of the present invention is an ultrasonic flaw detector provided with a probe that detects a reflected wave (echo) that is incident on a test object and that is reflected from the test object. The child propagates while refracting the ultrasonic wave from a certain point (target point) on the inspection surface of the DUT through a small area obtained by dividing the ultrasonic incident surface of the DUT. A direction is calculated, and an output surface is formed by integrating coordinates of points having relatively equal acoustic distances.
[0017]
In the ultrasonic flaw detector according to the present invention, when the ultrasonic waves are refracted between the output surface of the probe and the target point, the difference in phase change between the small regions is adjusted. Phase difference adjusting means may be further provided.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, it demonstrates, referring drawings. In the following embodiments, a case where the present invention is applied to a flaw detection inspection of a wheel shaft of a railway vehicle will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view around the wheel axis for explaining the outline of the ultrasonic flaw detection method according to the present invention.
2A is an axial sectional view for explaining a propagation state of ultrasonic waves generated from the probe, FIG. 2B is a radial sectional view, and FIG. FIG.
[0019]
A
[0020]
2A and 2B, the probe according to the present invention includes a
[0021]
Hereinafter, the shape analysis of the
First, an outline of the shape design method of the curved vibrator will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining the shape design method of the curved vibrator according to the present invention.
[0022]
(A) First, according to the following procedures (a1) to (a3), each point on the output surface of the
(A1) The mesh M is cut on the inner surface of the axle 12 (virtually divided into a plurality of small areas).
(A2) Consider a straight line (dotted line in FIG. 3) connecting each point of the mesh M and the
(A3) From this straight line, the ultrasonic path and propagation time to the
[0023]
(B) Next, the propagation path until the ultrasonic beam is reflected at the
[0024]
Next, the shape analysis of the output surface of the vibrator will be described in detail. In the present embodiment, the shape analysis of the above-described boring axle probe will be described.
4 to 13 are explanatory diagrams for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the present embodiment.
In the following description, the analysis proceeds on the assumption that ultrasonic waves propagate according to the wave line theory.
[0025]
First, as shown in FIG. 4 (A), an area about the size of the transducer (probe) is set on the inner cylindrical surface of the boring axle, and the area is meshed as described in (a) above. Divide into Then, a set of points that pass through the midpoint of each divided mesh and the target point and have the same acoustic distance from the midpoint of each mesh (that is, the points at which the propagation times are equal) is obtained, and this is set as the transducer. The shape of That is, as shown in more detail in FIG. 4B, the target point taken on the axle surface is a point C, and the middle point of each mesh M provided on the axle inner surface is a point P ij (i-th circumferential direction, longitudinal direction). jth).
[0026]
The propagation time t ij until the ultrasonic beam radiated from one point T ij of the transducer passes through the point P ij and reaches the point C is the velocity of sound of the acoustic transmission medium (shoe material) in front of the transducer v c , When the sound velocity v s of the axle, it is expressed by the following "
[Expression 7]
Therefore, if this propagation time t ij is an arbitrary fixed time t 0 , the following “Equation 8” is obtained;
[Equation 8]
A set of points satisfying this “Equation 8” is a transducer shape to be obtained (an output surface shape of the vibrator).
[0027]
Here , the inner diameter of the axle is r a , the outer diameter is r b , the distance from the reference point to the target is z b , the mesh circumferential interval (radian) is Δα, the longitudinal interval (distance) is Δz, and the point P ij Let n ij be the normal vector at. The target point C, the midpoint P ij of each mesh, the normal vector n ij , and the vector P ij C from the midpoint of each mesh to the target point are respectively given by the following “Equation 9” (FIG. 4B). reference);
[Equation 9]
[0028]
As shown in FIG. 5, when a plane including the straight line PC and the normal vector n ij is S, the ultrasonic wave radiated from one point T ij of the transducer is refracted in the S plane. At this time, when the incident angle is θ i and the refraction angle is θ r , the following equation is obtained between these angles from Snell's law:
There is a relationship. Here, the unit vectors of the straight lines PC and PT are defined as l ij and m ij , respectively.
[Expression 11]
far.
[0029]
Then, by calculating the inner product of the unit vectors l ij and m ij and the normal vector n ij , the following relational expressions of “
[Expression 12]
[Formula 13]
[0030]
Furthermore, from "
From "
Is obtained.
[0031]
Further, from “
Is obtained. From “Equation 16” and “
From "Equation 17" and "
Is obtained.
[0032]
Second, geometrically δ <0, so
[Equation 19]
It becomes. At this time,
[Expression 20]
Therefore, the condition that γ <0 is satisfied.
[0033]
From “
It becomes. Thus, the following “Equation 22” is obtained;
[Expression 22]
From the above, all of δ, γ, and θ i are known, and the unit vector l ij is obtained.
[0034]
here,
[Expression 23]
Then, [Equation 24]
Therefore, from [Equation 8], [Equation 25]
It becomes.
[0035]
From the above, the vector P ij T ij is determined, and the coordinates of T ij to be obtained are:
It becomes.
[0036]
The coordinates of T ij obtained here, that is, the shape of the output surface of the transducer to be designed is a first-order approximation (designed based on the acoustic distance). Therefore, in order to design with higher accuracy, it is necessary to consider the difference in phase change during refraction at the boundary surface. Therefore, the correction of the shape of the output surface of the transducer in consideration of the difference between the reception amplitude and the phase change when the scratch is the target point will be described.
[0037]
(I) Attenuation with propagation distance Here, the ultrasonic wave radiated from one mesh point (point transducer) of the transducer propagates as a spherical wave, and then is reflected by a scratch and again at the same point of the transducer. Analyze the received amplitude when receiving with. The attenuation of the ultrasonic amplitude is related to attenuation due to diffusion, attenuation during refraction, attenuation due to the propagation medium, and the like, but here, the attenuation of the propagation medium not related to the design shape is ignored and analyzed.
[0038]
Consider a microsphere reflection source as a reflection target. First, the decrease in amplitude due to spherical wave diffusion is analyzed.
There are two types of probes that focus ultrasonic waves. One is the above-mentioned type with a shoe, and the other is a type that directly contacts a contact medium such as a liquid without a shoe. In the type with a shoe, an oil layer gap of about 0.2 mm is provided between the shoe and the axle at the time of inspection. However, since this gap is thin, the existence is ignored.
[0039]
The path until the beam emitted from the point transducer reaches the target can be expressed as shown in FIG.
Here, the spread of the ultrasonic wave on the surface having the maximum incident angle is considered. The ultrasonic wave radiated from one point of the transducer propagates while spreading. The size of the spread is assumed to be an arc AB at the boundary surface between the shoe and the axle (see FIG. 7A). Furthermore, it is assumed that the magnitude of the spread when the wave transmitted through the axle reaches the microsphere reflection source is the arc CD (see FIG. 7B). Then, according to Snell's law, the following “Equation 27” holds between the incident angle θ i and the refraction angle θ r ;
[Expression 27]
[0040]
Differentiating both sides of “Equation 27”,
[Expression 28]
Therefore, [Equation 29]
Holds.
[0041]
Therefore, as shown in FIG. 7A, if the probe position of the virtual image is O 1 and O 1 B = r 1 ′,
, And the because it is fan-O 1 AB∽ fan O 1 A'B' [number 31]
It becomes.
[0042]
On the other hand, the apparent incident angle of ultrasonic waves is 0 ° on a plane perpendicular to the plane having the maximum incident angle. Therefore, there is no spread of new ultrasonic waves at the time of radiation, and as shown in FIG. 7B, a fan OCD / fan OC′D ′ is obtained. Therefore, when the amplitude of the ultrasonic wave on the minute curved surface ABCD is A 0 , the amplitude A 1 on the minute curved surface A′B′C′D ′ in the microspherical reflection source is
[Expression 32]
It becomes. Here, K 1 is the transmittance from the shoe to the axle.
[0043]
Reflection at the microsphere reflection source, that is, the amplitude of the ultrasonic wave scattered on the hemisphere and returned to the incident position on the axle (referred to as A 2 ) is spherical scattering, and is therefore inversely proportional to the propagation distance r 2 . And
[Expression 33]
(See FIG. 8). Here, K 2 is the reflectance at the solid-air interface.
Note that the smaller the radius of the microsphere, the easier it is to analyze. However, when the radius is infinitely small, the amplitude of the reflected wave becomes 0. Therefore, for the sake of simplicity, the radius of the microsphere is set to 1. The ultrasonic wave incident on the microsphere is considered to be scattered on the upper hemisphere, and the proportional relationship of the above equation “Expression 33” is related by an equal sign. That is, the following equation holds:
[Expression 34]
[0044]
Here, let us consider the transmission of ultrasonic waves transmitted from the axle to the shoe. Analyzing in the same manner as in the case of transmission from the shoe to the axle, the amplitude of the ultrasonic wave (referred to as A 3 ) at the probe position (position r 1 from the flaw detection surface) is
[Expression 35]
It becomes. Here, the arc E′F ′ and the arc G′H ′ are the magnitudes of the spread of ultrasonic waves on the plane including the maximum incident angle and the plane including the minimum incident angle at the transducer position, respectively ( (See FIGS. 9A and 9B). Further, K 3 is the transmittance from the axle to the shoe.
[0045]
Therefore, the reception amplitude of the ultrasonic wave in the whole process is
[Expression 36]
Given in. The amplitude A 3 represents a relative amplitude as described above.
[0046]
(II) Transmittance / reflectance at each interface As in the case described above, the presence of the coupling layer is ignored for the type with a shoe. However, even if the presence of the coupling layer is ignored, since the shoe and the axle are not in solid contact, they are allowed to slide on the contact surface. Therefore, it is assumed that there is no continuity between shear stress and tangential displacement at the boundary surface.
[0047]
Even when a longitudinal wave is incident on the solid boundary surface from the shoe, it can be handled in the same manner as the shoeless type, and a reflected wave and a transmitted wave are generated as shown in FIG. Here, the incident angle is θ l1 , the refraction angle of the longitudinal wave is θ l2 , the refraction angle of the transverse wave is θ t2 , the sound velocity of the incident wave (longitudinal wave) is v l1 , the sound velocity of the transmitted wave longitudinal wave is v l2 , and the transverse wave. Is set to v t2 . If the density is ρ and the Lame constant is expressed by μ and λ, the following “Expression 37” is obtained;
[Expression 37]
[0048]
Furthermore, the reflectance and transmittance of each wave can be expressed by the following “Equation 38”;
[Formula 38]
Therefore, the transmissivity K 1 (= Tt / Li) of the transverse wave is
[39]
It becomes.
[0049]
When a transverse wave enters the boundary surface between the solid and the gas, a reflected wave as shown in FIG. 11 is generated. At this time, the reflectance of each wave can be expressed by the following “Equation 40”;
[Formula 40]
Therefore, the reflectance K 2 (= Tr / Ti) of the transverse wave is
[Expression 41]
It becomes. Here, since the case where the light is incident on the microsphere reflection source is handled, the incident angle is always 0 ° (perpendicular incidence). Therefore, K 2 = −1.
[0050]
When a transverse wave enters the shoe from the axle, a reflected wave / transmitted wave as shown in FIG. 12 is generated. At this time, the reflectance and transmittance of each wave can be expressed by the following “Equation 42”;
[Expression 42]
Also in this case, it is assumed that the shear stress and the tangential displacement are not continuous as in the case of the incident from the shoe to the axle. Transmittance (longitudinal wave) K 3 (= Lt / Ti) is
[Expression 43]
It becomes.
Thus, K 1 , K 2 , and K 3 can be determined.
[0051]
(III) Assume that the total characteristic of transmittance and reflectance as a phase change system is K, the real part is K Re , and the imaginary part is K Im . The received amplitude at each point of the point transducer can be expressed by the following “Equation 44”;
(44)
[0052]
"Equation 44" is
It can be expressed as. In “Equation 45”, K 0 is the total characteristic value of transmittance and reflectance of the system, and α is the value of the total phase change of the system. Now, if the wavelength in the shoe (wavelength in the coupling for the shoeless type) is λ c , in order to correct the phase shift in each small area of the transducer mesh,
[Equation 46]
It is only necessary to bring the transducer closer (see FIG. 13).
[0053]
In this embodiment, the boring shaft has been described as an example. However, the present invention can also be applied to a normal solid shaft. Furthermore, the difference in phase change during refraction can be corrected as appropriate according to the shape, material, etc. of the object to be inspected.
[0054]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the flaw detection sensitivity is improved,
More accurate flaw detection inspection can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view around a ring axis for explaining an outline of an ultrasonic flaw detection method according to the present invention.
2A is an axial sectional view for explaining a propagation state of ultrasonic waves generated from the probe, FIG. 2B is a radial sectional view, and FIG. C) is a waveform diagram of received echoes.
FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining a shape design method of a curved vibrator according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the shape analysis of the output surface of the vibrator according to the embodiment.
FIG. 14 is a side view schematically showing an example of a probe used in a conventional flaw detection inspection.
15A is an axial sectional view for explaining a propagation state of ultrasonic waves generated from the probe, FIG. 15B is a radial sectional view, and FIG. C) is a waveform diagram of received echoes.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記被試験体の検査面上のある点(ターゲットポイント)を設定し、
前記被試験体の超音波入射面上を複数の小領域に分割し、
前記ターゲットポイントから前記各小領域を経由して前記超音波が屈折しながら伝搬する方向を算出し、音響的距離が相対的に等しい点の座標を求め、
該点の座標を統合して探触子の出力面を求め、
該出力面を有する探触子を用い、前記ターゲットポイントで前記超音波を3次元的に点集束させることを特徴とする超音波探傷方法。An ultrasonic flaw detection method in which ultrasonic waves are incident on a test object from a probe and a reflected wave (echo) reflected from the test object is detected to detect the test object.
Set a point (target point) on the inspection surface of the DUT,
Dividing the ultrasonic incident surface of the DUT into a plurality of small regions,
Calculate the direction in which the ultrasonic wave propagates while being refracted from the target point via the small areas, and obtain the coordinates of the points where the acoustic distance is relatively equal,
The coordinates of the points are integrated to obtain the probe output surface,
An ultrasonic flaw detection method characterized in that a probe having the output surface is used to three-dimensionally focus the ultrasonic wave at the target point.
前記探触子が、前記被試験体の検査面上のある点(ターゲットポイント)から、前記被試験体の超音波入射面を複数に分割した小領域を経由して、前記超音波が屈折しながら伝搬する方向を算出し、音響的距離が相対的に等しい点の座標を統合してなる出力面を有することを特徴とする超音波探傷装置。An ultrasonic flaw detector comprising a probe for detecting a reflected wave (echo) reflected from a test object by applying an ultrasonic wave to the test object,
The probe refracts the ultrasonic wave from a certain point (target point) on the inspection surface of the device under test through a small area obtained by dividing the surface of the ultrasonic wave of the device under test into a plurality of parts. An ultrasonic flaw detector characterized by having an output surface that calculates the propagation direction while integrating the coordinates of points with relatively equal acoustic distances.
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