JP4636967B2 - 超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料又は無機材料からなる被検査体の内部に超音波を入射させ、被検査体内部の欠陥から反射してくる反射エコーを検出することにより、当該欠陥を検出する超音波探傷法に関する。特に、被検査体の超音波照射断面が薄く、かつ探傷すべき欠陥が奥深い部分にあるときに用いて好適な超音波探傷技術である。

鋼材やアルミ材などの金属材料や無機材料の内部にある介在物や、鋼材同士を溶接したときの溶接部の不良といった被検査体の欠陥を検出するために、被検査体に超音波を入射させて当該欠陥による反射エコーの有無を調べることが広く行われている。例えば、超音波を被検査体の表面に垂直に入射させる垂直探傷法や、斜めに入射させる斜角探傷法がある。また、接触媒質と被検査体との音響的なカップリングを安定させ、精密な探傷を行うために、超音波を発信、受信する超音波探触子、及び被検査体を水中に配設して測定する水浸式超音波探傷法が通常利用される（非特許文献１）。

図２は、超音波探傷方法を説明する図である。

超音波探触子２１と比べて大きな面を持つ金属板１１の被検査体の内部にある欠陥４１（介在物や空隙など）を垂直探傷法で検出するときには、図２（ａ）に示すように配置して、集束型探触子２１を金属板１１の面内方向に二次元走査して測定すればよい。ここで、３１は、超音波である。一方、図２（ｂ）に示したような超音波探触子２１の寸法と比べて薄い金属板材１２の深い部位にある欠陥４１の検出や、図２（ｃ）に示した金属板１４上に別の薄い金属板１５をロウ付けや溶接等によって接合したときの接合部５１の検査をするときには、超音波探触子から出射する超音波の大半を薄い金属板内に入射させて、深さ方向に伝播させにくいので、垂直探傷法では高感度に欠陥検出するのが難しかった。すなわち、超音波を入射する深さに対して、入射方向と垂直な板厚が薄い被検査体や棒状の被検査体の内部を検査する場合においては以下の問題があった。
（ａ）欠陥が物体の中央にある場合と端部にある場合では有効な超音波ビームの拡がりが異なるために欠陥の感度が大きく異なってしまい、両者を同じしきい値で検出することが困難である。
（ｂ）ＳＮが悪い場合には端部にある欠陥を見逃す場合がある。

そのため、板の広い面や、棒の側面に超音波を入射させて探傷検査することが普通に行われている。図３に示した斜角探傷法で欠陥するときには、送信用と受信用に２つの超音波探触子６，７が必要である。被検査部の形状で、受信用の探触子が設置できないときには、１つの探触子で測定する必要があった。

しかしながら、被検査体の形状や被検査体周辺の環境によっては、板状や棒状の被検査体の狭い面に超音波を入射させる必要がある。

新非破壊検査便覧（日刊工業新聞社1992年10月15日発行）、P295図2.379、 P297 図2.280、 P307 図2.392

板状、棒状、及び管状の被検査体の端面など狭い面（入射面）に超音波を入射させて反射エコーを検出するとき、超音波探触子が、入射面の中心部にあるときと端部にあるときとでは、欠陥による反射エコーの強度が大きく異なることがあった。そして、超音波探触子を走査して自動的に反射エコー高さを弁別するときに大きな誤差を含むことが多かった。また、検出したい欠陥寸法が小さいとき等はSN比が低下するため、端部の欠陥を見逃す可能性もある。

このような状況に鑑みて本発明は、超音波探触子の寸法と比べて薄い板状、細い棒状、または薄肉の管状の被検査体の欠陥を高感度に検出することを第一の目的とする。また、超音波の伝播方向と直交する被検査体断面全体に亘って可及的に均一な感度で欠陥検出することを第二の目的とする。

本発明の超音波探傷方法は、少なくとも１つの平面を有する被検査体を水槽中に設置し、超音波探触子によって、被検査体の平面（入射面）に超音波探触子を対向させて該平面に垂直に超音波を入射させ、被検査体内部の欠陥による反射エコーを検出する超音波探傷方法であって、超音波入射方向と垂直な被検査体の幅方向の端部に超音波探触子の中心があるときに被検査体の内部に入射する超音波エネルギー（Ｅ１）と、中心にあるときに被検査体の内部に入射する超音波エネルギー（Ｅ２）の比（Ｅ１／Ｅ２）が、−３ｄＢ以上になるように前記超音波探触子の寸法を定めて測定することを特徴とする。

また、もう一つ発明である超音波探傷方法は、前記超音波探触子の振動子は円形または楕円形の集束型であって、超音波入射方向と垂直な被検査体の幅方向の端部に超音波探触子の中心があるときの前記超音波エネルギーＥ１を、前記入射面上の超音波スポット面積（Ｓ（ａ／２））で評価し、幅方向の中心に超音波探触子の中心があるときの前記超音波エネルギーＥ２を前記入射面上の超音波スポット面積（Ｓ（０））で評価し、前記比（Ｅ１／Ｅ２）が、−３ｄＢ以上になるように前記超音波探触子の寸法を定めて測定することを特徴とする。

本発明の超音波探傷方法においては、幅の小さな板状、棒状、又は薄肉の管状の被検査体について、狭い入射面に超音波を入射させて反射エコーを検出する際に、入射面の中心部また端部に入射させるときのそれぞれの有効な超音波強度の比を所定範囲内になるようにしたので、被検査材の断面全体に亘ってほぼ均一に高感度で欠陥検出することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

本発明においては、振動子中心が被検査体の入射面の端部にあるときと中央にあるとき、それぞれの有効ビーム面積の比が所定の値以上になるように超音波振動子の直径を定める。図１を用いて、本実施形態の水浸探傷法における具体的な決定方法を以下に示す。図１において、超音波探触子２で超音波３を発生させて幅ａの被検査体１に入射させて、欠陥からの反射エコーを超音波探触子２で検知する。超音波探触子は集束型でも非集束型でも良いが、集束型について説明する。超音波探触子２から発射された超音波３は水から被検査体へ入射する際に屈折し、被検査体中の点Ｐに収束するものとする。

超音波探触子２の焦点距離Fと被検査体１の中の検出深さ（検査する位置）ｔと、超音波探触子２と被検査体１との距離（以後、水距離と呼ぶ）Lの間には（１）式の関係が成立つ。

ここで、Ｃ_ｓは被検査体の縦波音速、Ｃ_ｗは水の縦波音速、ｒ_０は探触子の振動子半径である。

一方、振動子半径r₀と入射面での超音波ビームの半径ｒの間には（２）式が成立つ。したがって、集束型超音波探触子を用いて検出したい深さに超音波を集束させた場合に、被検査体の入射面での超音波ビーム半径ｒは（３）式で表される。

超音波探触子から出射する超音波全体の強度のうち被検査体へ入射する強度の比率は、入射面上の超音波スポットの面積（有効ビーム面積）の比で近似できる。入射面での超音波ビームの半径ｒ、被検査体の幅a、入射面上の超音波スポットの図、振動子が中央にあるときと端部にあるときの有効なビーム面積（それぞれS(0)とS(a/2)）、及びデシベルで表示した有効ビーム面積比（S(a/2)/ S(0)）の関係を、超音波振動子が円形である場合について表１に示す。有効ビーム面積比をRで示すが、Rは、欠陥が中央にあるときと端部にあるときの信号強度を表すと考えられる。たとえば、振動子が小さくてｒ≦（ａ／２）のときには、被検査体の縁では同じ大きさの欠陥であっても検出信号は６ｄＢ小さくなる。Ｒは、超音波振動子の半径が無限大であっても零である。Rを所定の値（-3dB以上が好ましい）となるように振動子径を選ぶことにより、全面積にわたってほぼ均等な感度で欠陥を検出可能となる。また、SN比の劣化により端部の欠陥を見逃すこともない。

F、L、r0から（３）式により求められる入射面での超音波ビーム径rと被検査体厚さaを用いて、表１にしたがい所定の感度差となるように超音波ビーム径rを決定する。さらに（３）式を逆に計算して超音波振動子径r₀を決定する。

被検査体の超音波伝播深さtから必要とされる超音波探触子の焦点距離Fと水距離Lを決定する。Lをあまり大きくするとFが大きくなり、(F・λ)/2r₀（ただし、λは超音波の波長）に比例する集束深さでのスポット径が大きくなるので注意が必要である。また、Lの決定には超音波探触子と被検査体の間で発生する多重反射エコーが検査部に混入しないように注意が必要である。距離Ｌは測定時に適宜決めれば良く、近似的に零としても良い。そのとき、ｒ_０≒ｒとなる。

また、超音波振動子が楕円形の場合の有効ビーム面積比も、上記の円形の場合と同様に導出することが出来て、結果を表２に示す。楕円形超音波振動子の長軸方向を入射面の幅方向に向けることによって入射面でのケラレを補償すると、検査する位置での超音波スポットの形状を円形により近づけることができる。

被検査体として鋼材（ＳＳ４００）の板に人工欠陥を作製して、超音波探触子の感度試験をした。超音波伝播経路に垂直な方向の幅（厚さ）が薄い図４に示す形状（板材）の被検査体を用いた。人工欠陥としてφ0.5mm、深さ2mmの縦穴が、下面中央部（F1）と、欠陥端部が被検査体の側面から1mmとなる場所（F2）の２箇所に設けた。

使用したプローブは周波数15MHz、超音波振動子直径12mm(半径r₀＝6mm)、焦点距離F=100mmであり、t=24mmから水距離L=4mmで実験を行った。被検査体の幅ａは5mm、入射面での半径ｒは5.8mmで、表１の(c)のケースの相当する。この場合に算出されるエコー強度の比はR= -1.1dBであった。

実際に測定したF1とF2欠陥から得られる反射エコーの様子を図5に示す。図中に破線で囲んだ欠陥エコー高さを正負振幅の大きいほうで測定すると、図５(a)からF1エコー高さは95%、図５(b)からはF2エコー高さが86%である。R=20log(86/95)=-0.85dBで上記の表１に基づく計算値に近く、２つの欠陥をほぼ同様の感度で検出可能であることを確認した。

本発明の超音波探傷方法に超音波振動子の寸法で決めるための説明図である。 超音波探触子と被検査体との配置の説明図で、（ａ）は幅広の被検査体、（ｂ）は幅の狭い板材、（ｃ）は板材を接合した被検査体の場合の配置である。 斜角探傷法の配置図である。 実施例の試料の説明図である。 実施例の反射エコーの例である。

符号の説明

１ 被検査体
２ 超音波探触子
３ 超音波
４ 欠陥
５１ 接合部（ロウ付け、溶接部）
６ 超音波探触子（送信）
７ 超音波探触子（受信）

Claims (2)

1. 少なくとも１つの平面を有する被検査体を水槽中に設置し、超音波探触子によって、被検査体の平面（入射面）に超音波探触子を対向させて該平面に垂直に超音波を入射させ、被検査体内部の欠陥による反射エコーを検出する超音波探傷方法であって、
   超音波入射方向と垂直な被検査体の幅方向の端部に超音波探触子の中心があるときに被検査体の内部に入射する超音波エネルギー（Ｅ１）と、
   幅方向の中心に超音波探触子の中心があるときに被検査体の内部に入射する超音波エネルギー（Ｅ２）の比（Ｅ１／Ｅ２）が、−３ｄＢ以上になるように前記超音波探触子の寸法を定めて測定することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記超音波探触子の振動子は円形または楕円形の集束型であって、超音波入射方向と垂直な被検査体の幅方向の端部に超音波探触子の中心があるときの前記超音波エネルギーＥ１を、前記入射面上の超音波スポット面積（Ｓ（ａ／２））で評価し、
   幅方向の中心に超音波探触子の中心があるときの前記超音波エネルギーＥ２を前記入射面上の超音波スポット面積（Ｓ（０））で評価し、
   前記比（Ｅ１／Ｅ２）が、−３ｄＢ以上になるように前記超音波探触子の寸法を定めて測定することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。

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