JP4399325B2 - 浸炭層の検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、浸炭層の検出方法に関し、特に、精度良く浸炭層を検出できる浸炭層の検出方法に関する。

超音波探傷装置を用いた試験体の浸炭層の検出方法が、たとえば、特開２０００−３２１０４１号公報（特許文献１）に記載されている。

特許文献１によれば、金属管の外面に間隔をおいて超音波斜角探傷試験用の送信側探触子と受信側探触子とを設け、超音波Ｖ透過法の試験により、浸炭層の厚さ等を測定している。
特開２０００−３２１０４１号公報（段落番号００１６等）

従来の超音波探傷装置を用いた試験体の浸炭層の検出方法においては、横波４５度等を主ビームとした超音波Ｖ透過法を用いている。この方法では、探傷感度を高めて探傷した場合、浸炭層がない場合でも探傷表面を伝播する縦波、横波、表面波などの妨害パルスが、表示器上で底面反射パルスの前に出現する。そのため、浸炭層の判別が困難になり、浸炭層の判別には相当の熟練が必要であり、浸炭層の検出が困難であった。

この発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、試験体に形成された浸炭層を容易に検出できる、浸炭層の検出方法を提供することを目的とする。

この発明にかかる、表面と、前記表面に対向する底面とを有する試験体において、浸炭層を検出する、浸炭層の検出方法においては、試験体の表面または底面からその内部側には浸炭層が形成され、試験体の表面から、横波縦波モード変換を起こしやすいパルスを出射するステップと、試験体の底面から、モード変換した底面モード変換パルスを表面で入射するステップと、浸炭層によって形成された境界面から、モード変換した境界面モード変換パルスを表面で入射するステップと、底面モード変換パルスおよび境界面モード変換パルスを用いて浸炭層を検出する検出ステップとを含む。

試験体の表面から、横波縦波モード変換を起こしやすいパルスを出射し、試験体の底面から入射した、モード変換した底面モード変換パルスに基づいて浸炭層を検出する。測定用の底面モード変換パルスを他の妨害パルスと分離できるため、測定パルスの判別が容易となる。

その結果、浸炭層を容易に検出できる、浸炭層の検出方法が提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明する。この発明にかかる浸炭層の検出においては、横波縦波モード変換パルスを利用したＶ透過法を採用する。以下の説明においては、この横波縦波モード変換パルスを利用したＶ透過法を、モード変換パルスＶ透過法という。

図１は、浸炭層の検出にモード変換パルスＶ透過法を用いた場合の、試験片２０と、試験片２０を測定する、超音波探傷装置１０の全体構成を示す図である。図１を参照して、超音波探傷装置１０は、超音波パルスを出射する送信側探触子Ｔと、送信側探触子Ｔから出射された超音波パルスを受信する受信側探触子Ｒと、受信側探触子Ｒの受信した超音波パルスを表示する、図示のない表示部を有する、超音波探傷器１５とを含む。試験体２０は、表面１１と底面１３とを含む。

図１には、さらに、送信側探触子Ｔから出射された超音波パルス、および受信側探触子Ｒで受信される、試験体２０の底面１３で反射する底面反射パルスの経路も示している。

図１を参照して、送信側探触子Ｔと、受信側探触子Ｒとが、試験体２０の表面１１上に、所定の探触子間距離２Ｙを開けて配置されている。
（１）浸炭層がなく健全な場合
まず、超音波探傷器１５を用いて、試験体２０に浸炭層がなく健全な場合について、図１および図２を参照して説明する。なお、ここで、図２は、表示部に表示されるビーム路程とエコー高さとの関係を示す図である。

図１を参照して、まず試験体２０の底面１３で反射したモード変換パルスが、表示部上で最大になるように、探触子間距離２Ｙを設定し、モード変換した底面パルスのビーム路程と、探触子間距離２Ｙを読みとる。送信側探触子Ｔからは、横波縦波モード変換を起こしやすい、θｓの角度の横波１６ａと、θＬの角度の縦波１７ａが出射され、それぞれのモード変換した底面反射パルス１６ｂ、１７ｂが、受信側探触子Ｒで受信される。このとき、モード変換をせずに横波モード、縦波モードで反射した底面反射パルス１６ｃ、１７ｃも試験体２０内を伝播している。なお、図１においては、横波は、太線で、縦波は、細線で示している。

これらのモードの超音波ビームは拡がっているため、モード変換パルスが最大になる探触子間距離２Ｙの位置に探触子を配置しても、表示部には、モード変換底面パルス３１の波形だけでなく、横波の底面反射パルス３２や、図示のない縦波の底面反射パルスが現れる（図２（Ａ）参照）。ここでは、モード変換底面パルスの最大値が８０％のエコー高さになるよう超音波探傷器１５を設定した状態の表示例を示している。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の同じ位置において、探傷感度を高めた状態を示す図である。図に示すように、モード変換底面パルスの探傷感度を高めた波形３１ａや横波の底面反射パルスの探傷感度を高めた波形３２ａが表示される。図２（Ｂ）を参照して、探触子間距離２Ｙを狭くする方向や、広くする方向に送受信側探触子Ｔ，Ｒを走査しても、浸炭層の境界面がないため、表示部には、モード変換による底面パルス３１ａの前後に浸炭層境界面からのパルスは現れない。
（２）浸炭層がある場合
次に、浸炭層等がある場合について説明する。浸炭層が存在する場合にモード変換パルスＶ透過法を用いると、その境界面でモード変換による反射や屈折が生じ、底面反射パルスとビーム路程の異なるパルスが表示部に現れる。モード変換パルスＶ透過法は、これらのパルスと底面反射パルスのビーム路程の差から浸炭層の厚さを求める。

超音波探傷器１５を用いて、実際に浸炭層が生じている試験体を探傷したときの実測データについて説明する。

（ｉ）浸炭層が試験体の底面側に存在する場合
超音波探傷器１５を用いて、浸炭層が試験体３０の底面側に存在する場合について説明する。図３は、試験体３０の底面１３側に浸炭層２５が存在する場合の、送信側探触子Ｔから出射され、受信側探触子Ｒで受信される超音波パルスの経路を示す図である。

図３を参照して、送信側探触子Ｔからは、横波４１ａが出射され、それが底面１３でモード変換して反射され、受信側探触子Ｒ２で受信される。同時に、縦波４２ａが出射され、同じく底面１３でモード変換して横波４２ｃとして受信側探触子Ｒ２に入射する。一方、横波４１ａおよび縦波４２ａのうち、境界面４５で反射した波は、それぞれモード変換して縦波４１ｂ、または横波４２ｂとなり、受信側探触子Ｒ１で受信される。

したがって、浸炭層２５が試験体３０の底面１３側に存在する場合には、試験体２０の底面１３で反射したモード変換パルスと、浸炭層の境界面４５で、反射したモード変換パルスが表示部に現れる。

この場合の測定方法について説明する。まず、試験体３０の底面１３で反射したモード変換パルスが、表示部上で、最大になるように、探触子間距離２Ｙを設定し、たとえば、底面モード変換パルスを表示部で８０％にゲイン調整した、モード変換した底面パルスのビーム路程と探触子間距離２Ｙを読みとる。

つぎに、同位置で探傷感度を高めた後、探触子間距離２Ｙを狭くする方向に送受信側探触子Ｔ，Ｒを走査したとき、浸炭層２５の境界面４５でモード変換したパルスが受信側探触子Ｒ１に受信され、表示部にはモード変換による底面反射パルスに対して、ビーム路程が短い位置に浸炭層２５の境界面４５からの反射パルスが現れるはずである。

次に実際の測定データについて説明する。図４（Ａ）は、上記したように、底面反射パルスが、最大になる位置で、パルス高さを、表示部で８０％に設定したときの、探傷図形であり、モード変換底面パルス３３が表示されている。これに対して、図４（Ｂ）は、同位置で探傷感度を高めて、探触子間距離２Ｙを狭くする方向に送受信探触子Ｔ，Ｒを走査し、浸炭層２５の境界面４５からの反射パルスが表示部で最大となるように、探触子間距離２Ｙを設定したときの探傷図形である。表示部にはモード変換による底面反射パルス３３ａに対して、ビーム路程が短い位置に浸炭層２５の境界面４５からの反射パルス３４ａが現れている。

図４を参照して、浸炭層２５が底面１３側に存在する場合、探触子間距離２Ｙを初期の設定から狭くする方向に走査したとき、浸炭層２５の境界面４５からの反射したパルス３４ａが、表示部で最大となる探触子間距離２Ｙが存在し、表示部に現れる。

これは、試験体３０の底面１３側に浸炭層２５が設けられている場合には、モード変換パルスＶ透過法を用いて、底面１３側の浸炭層２５を検出できることを証明している。

（ｉｉ）浸炭層が試験体の表面側に存在する場合
次に、超音波探傷器１５を用いて、浸炭層２５が試験体３１の表面１１側に存在する場合について説明する。図５はこの場合の各パルスの経路を示す図である。図５を参照して、送信側探触子Ｔから出射された横波５１ａは、底面１３で反射し、モード変換して縦波５１ｂとなって、受信側探触子Ｒ１で受信される。縦波５２ａは、境界面４５を直進し、底面で１３反射し、モード変換して横波５２ｂとなって同じく受信側探触子Ｒ１で受信される。縦波５２ａの一部は、境界面４５で屈折して、横波５２ｃとなり、底面で反射して縦波５２ｄとして受信側探触子Ｒ２の位置で受信される。

浸炭層２５が試験体３１の表面１１側に存在する場合には、試験体３１の底面１３で反射したモード変換パルスと、浸炭層２５の境界面４５で、屈折したモード変換パルスが表示部に現れる。

この場合の測定方法について説明する。まず試験体３１の底面１３で反射したモード変換パルスが、表示部上で、最大になるように、探触子間距離２Ｙを設定し、たとえば、底面モード変換パルスを表示部で８０％にゲイン調整した、モード変換した底面パルスのビーム路程と探触子間距離２Ｙを読みとる。

つぎに、同位置で探傷感度を高めた後、探触子間距離２Ｙを広くする方向に送受信側探触子Ｔ，Ｒを走査したとき、浸炭層の境界面でモード変換したパルスが受信側探触子Ｒに受信され、表示部には、モード変換による底面反射パルスに対して、ビーム路程が短い位置に浸炭層境界面で屈折したパルスが現れるはずである。

次に実際の測定データについて説明する。図６（Ａ）は、上記したように、底面反射パルスが、最大になる位置で、パルス高さを、表示部で８０％に設定したときの、探傷図形であり、モード変換底面パルス６１が表示されている。図６（Ｂ）は、同位置で探傷感度を高めて、探触子間距離２Ｙを広くする方向に送受信探触子Ｔ，Ｒを走査し、浸炭層２５の境界面４５で屈折したパルスが表示部で最大となるように、探触子間距離２Ｙを設定したときの探傷図形である。モード変換底面パルスの探傷感度を上げた波形６１ａと、境界面４５での屈折したモード変換パルス６２ａが表示されている。

浸炭層２５が表面１１側に存在する場合、探触子間距離２Ｙを初期の設定から広くする方向に走査したとき、浸炭層２５の境界面４５で屈折したパルスが、表示部で最大となる探触子間距離２Ｙが存在し、表示部に現れる。

これは、試験体３１の表面側に浸炭層２５が設けられている場合には、モード変換パルスＶ透過法を用いて、表面側の浸炭層２５を検出できることを証明している。

以上のように、モード変換パルスＶ透過法を用いれば、実際の浸炭層の検出に効果があることが証明された。

次に、実際に浸炭が生じている試験体で浸炭層２５の厚さを測定した場合の、測定値と実測値との関係について説明する。図７は、測定値と、実測値の関係を示すグラフである。図７において、底面１３側の測定値を○で、表面１１側の測定値を□で表している。図に示すように、底面１３側と、表面１１側のいずれにおいても、測定値と実測値とは、直線３８に沿うように並んでおり、この検出方法を用いて浸炭層の厚さを測定できることがわかる。

なお、浸炭層の検出に、モード変換パルスＶ透過法を用いることの利点として、横波によるＶ透過法よりも、底面パルス高さが最大となる探触子間距離が長いため、板厚が薄い試験体（５ｍｍ程度）に対しても、探触子接近限界に制限されないで主ビームで探傷することが可能である。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

超音波探傷装置の構成および、試験体に浸炭層が存在しない場合の、各種パルスの経路を示す図である。 試験体に浸炭層が存在しない場合の、ビーム路程とエコー高さとの表示例を示す図である。 試験体の底面側に浸炭層が存在する場合の、各種パルスの経路を示す図である。 試験体の底面側に浸炭層が存在する場合の、ビーム路程とエコー高さとの表示例を示す図である。 試験体の表面側に浸炭層が存在する場合の、各種パルスの経路を示す図である。 試験体の表面側に浸炭層が存在する場合の、ビーム路程とエコー高さとの表示例を示す図である。 測定値と実測値との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 超音波探傷装置、１１ 表面、１３ 底面、１５ 超音波探傷器、２０、３０、３１ 試験体、２５ 浸炭層、４５ 境界面、Ｔ 送信側探触子、Ｒ 受信側探触子。

Claims (1)

1. 表面と、前記表面に対向する底面とを有する試験体において、浸炭層を検出する、浸炭層の検出方法であって、
   前記試験体の表面または底面からその内部側には浸炭層が形成され、
   前記試験体の表面から、横波縦波モード変換を起こしやすいパルスを出射するステップと、
   前記試験体の底面で、前記モード変換した底面モード変換パルスを前記表面へ入射するステップと、
   前記浸炭層によって形成された境界面で前記モード変換した境界面モード変換パルスを前記表面へ入射するステップと、
   前記表面へ入射された前記底面モード変換パルスおよび前記境界面モード変換パルスを用いて前記浸炭層を検出する検出ステップとを含む、浸炭層の検出方法。

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