JP4928930B2 - 超音波探傷装置および超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷、特に、ステンレスの溶接部等を対象として行う超音波探傷に用いて好適な超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。

従来、金属の溶接部分等の内部に生じた亀裂等の欠陥を非破壊で検査する方法として超音波探傷が知られている。このような超音波探傷法として、フェイズドアレイ法がある。これは、一列或いはマトリクス状に配置された複数の振動子を個別に制御し、各振動子を振動させるタイミングをずらすことによって、各振動子から発せられる超音波ビームの合成波を生成し、この合成波を検査対象物の任意の検査対象位置に当てたときの反射波または回折波を受信して解析することで、検査対象位置における亀裂等の欠陥の有無や欠陥のサイズ等を検査する方法である。

しかしながら、このように超音波ビームを検査対象物に照射させても、検査対象物の粒子の異方性によって合成波の進行方向が曲がり、検査対象位置からの反射波を受信することができないことがある。この場合、いわゆるＳＮ比が低い状態となって検査が不可能となる。
このような点に関し、例えば、事前に超音波ビームを検査対象物に照射し、この反射波が戻ってくるまでの時間を観測し、実際に検査を行うときには、戻ってきた反射波を反転させた信号を送信することで、検査対象位置に超音波ビームを到達させる方法が知られている（例えば、特開平６−３４１９７８号公報参照）。
また、特開２００５−１４８００９号公報には、検査対象物と同じ材質で作成されたテストピースの略全面における既知の位置に、複数の人工欠陥を形成し、各人工欠陥に対して事前に超音波を射出し、この反射波を反転させた信号パターンと各人工欠陥の位置とを対応付けてデータベース化することで、検査対象物の探傷検査を行うことが開示されている。
特開平６−３４１９７８号公報 特開２００５−１４８００９号公報

しかしながら、上記特許文献２の超音波探傷装置による検査では、実際の検査対象物とテストピースとは物が異なるため、上記データベース化された情報を用いて検査を行っても、超音波ビームを検査対象位置に到達させることができないおそれがあり、反射波を確実に受信することができないという問題があった。
また、遅延時間についても必ずしも適切な時間が採用されているとはいえず、実際の検査対象物とテストピースとの個体差による遅延時間の誤差が考慮されていなかった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、超音波探傷の精度を向上させることのできる超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、それぞれ異なる条件下において、検査対象物内の所定の検査対象位置に超音波ビームを集束させる少なくとも２つの遅延パターンに基づいて、駆動用電気信号をそれぞれ生成する信号生成部と、各前記駆動用電気信号に応じた超音波ビームを前記検査対象物内に射出するとともに、その反射波を受信するプローブと、前記プローブにより受信された各反射波のＳＮ比を比較し、ＳＮ比の最も高い反射波が得られたときの前記遅延パターンを特定し、この遅延パターンを所定の条件に基づいて調整することにより複数の調整遅延パターンを生成する調整部とを備え、前記調整遅延パターンに応じた各超音波ビームを前記検査対象物内に照射させてその反射波を受信し、これらの反射波の中で最も高いＳＮ比が得られた反射波を用いて、欠陥の解析を行う超音波探傷装置を提供する。

このような構成によれば、少なくとも２つの遅延パターンに基づく超音波ビームを検査対象物に照射させて反射波を受信し、受信した反射波のＳＮ比が最も高いときの遅延パターンを特定することで、上記遅延パターンの中で最も適した遅延パターンを抽出することができる。更に、この遅延パターンを微調整した複数の調整遅延パターンを生成し、この調整遅延パターンに基づく超音波ビームを検査対象物に照射させて反射波を受信し、これらの反射波の中で最も高いＳＮ比が得られた反射波を特定する。これにより、上記遅延パターンを検査対象物に更に適したパターンにすることができる。そして、このときの電気信号に基づいて欠陥の解析を行うので、欠陥の溝の深さや位置の検出精度を向上させることができる。

前記調整部は、前記遅延パターンを複数の制御点を通るスプライン曲線として取り扱い、各制御点を所定の条件に応じて移動させることにより、複数の前記調整遅延パターンを生成する請求項１に記載の超音波探傷装置。

このように、遅延パターンを複数の制御点を通るスプライン曲線ｆ（ｘ）として取り扱い、各制御点を所定の条件に応じて移動させることにより、複数の調整遅延パターンを生成するので、複数の調整遅延パターンを容易に生成することができる。

本発明は、それぞれ異なる条件下において、検査対象物の所定の検査対象位置に超音波ビームを集束させる少なくとも２つの遅延パターンに基づいて、駆動用電気信号をそれぞれ生成し、各前記駆動用電気信号に応じた超音波ビームを前記検査対象物内に射出するとともに、その反射波を受信し、各前記反射波のＳＮ比を比較し、ＳＮ比の最も高い反射波が得られた遅延パターンを特定し、特定した前記遅延パターンを所定の条件に基づいて調整することにより複数の調整遅延パターンを生成し、前記調整遅延パターンに基づく超音波ビームを前記検査対象物内に照射させて、その反射波を受信し、受信した反射波の中で最も高いＳＮ比が得られた反射波を用いて、欠陥の解析を行う超音波探傷方法を提供する。

上記超音波探傷方法において、前記遅延パターンを複数の制御点を通るスプライン曲線として取り扱い、各制御点を所定の条件に応じて移動させることにより、複数の前記調整遅延パターンを生成することとしてもよい。

本発明によれば、超音波探傷の精度を向上させることができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示したブロック図である。
図１に示すように、超音波探傷装置１０は、複数の振動子１１を備えたプローブ１２と、このプローブ１２を制御する制御部２０とを備えている。
本実施形態において、振動子１１は、所定の方向に沿って一列に配置されている。各振動子１１は、圧電素子からなり、電気信号に応じた振動を発するとともに、外部から受けた振動に応じた電気信号を発する。

制御部２０は、プローブ１２の各振動子１１を振動させるための駆動用電気信号を生成する信号生成部２１と、プローブ１２で検出される振動に応じた電気信号を受信する反射信号受信部２２と、受信した電気信号を解析する解析部２３と、駆動用電気信号を生成するときに用いる遅延パターンを調整する調整部２４と、複数の遅延パターンが格納されているデータベース（記憶部）２５とを備えている。

データベース２５には、例えば、検査対象物の材料が均一であると仮定したときの遅延パターンと、検査対象物の材料が不均一であると仮定したときの遅延パターンとが予め格納されている。また、材料が不均一であると仮定したときの遅延パターンは、その不均一のレベルに応じて複数の遅延パターンが格納されている。このように、データベース２５には、互いに異なる条件下における複数の遅延パターンが格納されている。

なお、これらの遅延パターンは、以下のような方法により生成されたものである。
例えば、材料が均一であるテストピースを作成し、このテストピースの所定の位置に既知の人口欠陥を形成する。このとき、形成する人口欠陥の大きさは、超音波ビームが、この人工欠陥によって確実に反射されるような大きさとする。

続いて、上記テストピースに対し、プローブ１２を所定の位置にセットする。続いて、信号生成部２１は、各振動子１１から発する超音波の合成波である超音波ビームが人工欠陥の位置に集束するような電気信号Ｓ１を生成し、これをプローブ１２の各振動子１１に与える。これにより、各振動子１１は、与えられた電気信号Ｓ１の波形に応じたタイミングで振動し、超音波を射出する。

このとき、各振動子１１には、超音波が人工欠陥の位置に到達するように、振動を発生させるタイミング（遅延時間）を異ならせた波形を有する電気信号Ｓ１が信号生成部２１から与えられるので、各振動子１１から発せられた超音波の合成波である超音波ビームは、既知の人工欠陥に到達して反射され、この反射波がプローブ１２に向けて戻り、各振動子１１によって受信されることとなる。振動子１１では、反射波の振動に応じた電気信号Ｓ２が生成され、この電気信号Ｓ２が制御部２０の反射信号受信部２２により受信される。

解析部２３では、受信した電気信号Ｓ２に基づいて、各振動子１１のそれぞれに対応した反射波の電気信号Ｓ２を反転（時間的に反転）させた電気信号（以下、この電気信号を「駆動用電気信号Ｓ３」といい、この駆動用電気信号Ｓ３における各振動子１１の遅延時間の組合せを「遅延パターン」という。）が生成される。
ここで、反射波は、当該テストピースの材質特有の反射経路を通って各振動子１１に受信されたものであるので、上記遅延パターンは、当該材質および人工欠陥の形成位置に応じた波形となる。
そして、このテストピースの略全面に渡って多数の人工欠陥を形成し、各人工欠陥においても同様の検査を行うことにより、各人工欠陥の形成位置に対する遅延パターンを生成し、人工欠陥の形成位置と遅延パターンとを対応付けてデータベース２５に格納する。

同様に、材料の均一レベルを異ならせた複数のテストピースを作成し、各テストピースに対しても同様の検査を行うことにより、テストピース毎に、各人工欠陥の形成位置に対応する遅延パターンを生成し、これらを対応付けてデータベース２５に格納する。
この結果、データベース２５には、材料の均一レベル（材質）毎に、各人工欠陥の形成位置と遅延パターンとが対応付けられて格納される。
なお、本実施形態では、説明の便宜上、上記材料の不均一レベルとして３つのレベルを設定し、これらをそれぞれレベル１、レベル２、レベル３と称する。また、上述した材料が均一であるものをレベル０と称する。

次に、実際の検査時における超音波探傷方法について図２を参照して説明する。
まず、検査対象物において欠陥が生じていると推定される位置を検査対象位置として設定する。続いて、検査対象物の適切な位置にプローブ１２をセットする。

続いて、信号生成部２１により、基準レベルが選定される（図２のステップＳＡ１）。本実施形態では、基準レベルとして、レベル０が選定される。続いて、信号生成部２１により、基準レベルであるレベル０に対応する複数の遅延パターンのうち、超音波ビームを上記検査対象位置に集束させる遅延パターンがデータベース２５から読み出され、この遅延パターンに基づく駆動用電気信号Ｓ３が生成されて、プローブ１２の各振動子１１に与えられる（ステップＳＡ２）。

これにより、図３に示すように、各振動子１１からは、各遅延時間に応じたタイミングでそれぞれ超音波が射出され、その合成波である超音波ビームが、当該検査対象物の材料が均一であると仮定した場合の検査対象位置Ｐ１で集束する。
集束した超音波ビームは、検査対象位置Ｐ１の欠陥の有無、状況等に応じて反射され、この反射波はプローブ１２の各振動子１１により受信される。各振動子１１では、反射波に対応する電気信号Ｓｒが生成され、この電気信号Ｓｒが反射波受信部２２を介して解析部２３に与えられる（ステップＳＡ３）。

続いて、信号生成部２１により、比較レベルが選定される（ステップＳＡ４）。本実施形態では、比較レベルとして、レベル１が選定される。続いて、信号生成部２１により、比較レベルであるレベル１に対応する複数の遅延パターンのうち、超音波ビームを上記検査対象位置に集束させる遅延パターンがデータベース２５から読み出され、この遅延パターンに基づく駆動用電気信号Ｓ３が生成されて、プローブ１２の各振動子１１に与えられる（ステップＳＡ５）。
これにより、図４に示すように、上述と同様に、駆動用電気信号Ｓ３に対応する超音波ビームが、当該検査対象物の材料が不均一であると仮定した場合の検査対象位置Ｐ２で集束し、この反射波がプローブ１２の各振動子１１によって受信され、この反射波に対応する電気信号Ｓｃが反射波受信部２２を介して解析部２３に与えられる（ステップＳＡ６）。

解析部２３は、上記比較レベルのときの電気信号ＳｃのＳＮ比が基準レベルのときの電気信号ＳｒのＳＮ比よりも大きいか否かを判定する（ステップＳＡ７）。この結果、比較レベルのときのＳＮ比の方が大きい場合には（ステップＳＡ７において「ＹＥＳ」）、比較レベルの遅延パターンを調整部２４に与える。
調整部２４は、解析部２３から取得した遅延パターンを所定の条件に応じて調整することにより、複数の調整遅延パターンを生成する（ステップＳＡ８）。
この調整遅延パターンの生成は以下の手順により行われる。

まず、図５に示すように、解析部２３から取得した遅延パターンを複数の制御点を通るスプライン曲線ｆ（ｘ）として表す。図５において、ｙ軸は遅延時間、ｘ軸はプローブ１２の振動子の位置に対応している。
なお、ここで、上記制御点は、遅延パターンをスプライン曲線として表す際に定義される点であり、上記振動子１１の位置とは関係がない。つまり、各制御点と各振動子１１とがそれぞれ１対１で対応しているわけではない。また、本実施形態のように、８つの振動子１１が１列に配置されたプローブ１２の場合には、制御点は最大で６つとすることが好ましい。制御点が多いと、曲線の変形処理に係る処理負担が増大するためである。

次に、調整部２４は、制御点を所定の条件に基づいてｙ軸方向に移動させることにより、遅延パターンを調整する。
具体的には、連続する３つの制御点Ｃ１〜Ｃ３のパターンが、図６に示すように単純増加であった場合には、中央の制御点Ｃ２を以下の範囲で所定量移動させる。
ｙ１＜ｙ２＜ｙ３ （１）
上記（１）式において、ｙ１は制御点Ｃ１のｙ座標値、ｙ２は制御点Ｃ２のｙ座標値、ｙ３は制御点Ｃ３のｙ座標値である。
上記所定量とは、例えば、図６に示すように、中央の制御点Ｃ２の移動可能幅Ｗ（＝ｙ３−ｙ１）を所定の数（例えば、２〜１０のいずれかの整数）で分割したときの１分割幅である。なお、制御点Ｃ１〜Ｃ３が単純減少であった場合には、上記（１）式において、ｙ１とｙ３とを入れ替えればよい。

また、図７に示すように、連続する３つの制御点Ｃ１〜Ｃ３のうち、中央の制御点Ｃ２が極大値を取る場合には、両端の制御点Ｃ１，Ｃ３のうち、中央の制御点Ｃ２のｙ座標の値に近い値を有する制御点を選択し、この選択した制御点Ｃｓのｙ座標の値ｙｓで決定される以下の範囲で、中央の制御点Ｃ２を所定量移動させる。
ｙ２−（ｙ２−ｙｓ）＜ｙ２＜ｙ２＋（ｙ２−ｙｓ） （２）

なお、この場合における所定量は上述と同様に決定される。また、中央の制御点Ｃ２が最小値をとる場合も同様に取り扱うことができる。

調整部２４は、上述したような各種条件に従って、各制御点を所定量移動させることにより、複数の調整遅延パターンを作成すると、これらを信号生成部２１に与える。
信号生成部２１は、調整部２４から与えられた複数の調整遅延パターンに基づいて、それぞれ対応する駆動用電気信号Ｓ３を生成し、これらを順番にプローブ１２の振動子１１に与える（図２のステップＳＡ９）。
この結果、図８に示すように、調整部２４により作成された各調整遅延パターンに基づく超音波ビームの照射が行われ、このときの反射波の電気信号が反射信号受信部２２を介して解析部２３に入力される（ステップＳＡ１０）。

解析部２３は、各調整遅延パターンに対応する反射波の電気信号のＳＮ比の中から最もＳＮ比の高い電気信号を特定し、特定した電気信号を用いて欠陥のサイジング等の解析を行う（ステップＳＡ１１）。

なお、図２に示したステップＳＡ７において、比較レベルのときの電気信号ＳｃのＳＮ比が基準レベルのときの電気信号ＳｒのＳＮ比よりも小さかった場合には（ステップＳＡ７において「ＮＯ」）、ステップＳＡ１２に移行し、比較レベルとして異なるレベル、例えば、レベル２を選定し、上記ステップＳＡ５に戻り、上述の処理を実行する。

以上説明したように、本実施形態に係る超音波探傷装置および超音波探傷方法によれば、データベース２５に格納されている遅延パターンの中で基準レベルよりも適した遅延パターンを抽出し、更に、この遅延パターンを調整することで、最もＳＮ比の高い電気信号を取得するので、検査対象物の内部に発生した欠陥の状態が反映された反射波を確実に受信することができる。この結果、欠陥の溝の深さや位置の検出精度を向上させることができる。
なお、上述した実施形態では、比較レベルに対応する電気信号ＳｃのＳＮ比と基準レベルに対応する電気信号ＳｒのＳＮ比とを比較した結果、比較レベルの方が高いＳＮ比を示していれば、この比較レベルに対応する遅延パターンの調整に移行することとしたが、これに代えて、各レベル０〜３における遅延パターンに基づく超音波ビームの照射を行い、この結果、ＳＮ比の最も高い電気信号を得たときの遅延パターンを特定し、この遅延パターンを調整することとしてもよい。このようにすることで、データベース２５に格納されている遅延パターンの中で、最適な遅延パターンを抽出することが可能となる。

また、上記実施形態では、基準レベルとしてレベル０を選定することとしたが、レベル０〜レベル３のうち、いずれを選定してもよい。例えば、検査対象物の材質に最も近似すると推定されるレベルを基準レベルとして選定することとしてもよい。

また、上述した実施形態では、所定の方向に沿って一列に振動子が配置されたプローブを用いたが、これに限られず、図９に示すように、マトリクス状（２次元状）に振動子１１が配置されたプローブ１２´を用いて超音波探傷を行うこととしてもよい。この場合には、遅延パターンは、図９に示すように、３次元的に表現されたものを用いることとなる。

更に、図１０に示すように、送信と受信とで異なる振動子１１を用いるＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction Technique）法を用いることとしてもよい。この場合には、送信側プローブ１２ａから検査対象位置へ向かう超音波ビームの経路と、反射波が検査対象位置から受信側プローブ１２ｂへ向かう経路とが異なるため、受信側プローブ１２ｂの遅延パターンを固定させた状態で、送信側プローブ１２ａの遅延パターンを変化させて、最適な遅延パターンを求め、続いて、送信側プローブ１２ａの遅延パターンを最適な遅延パターンに固定させた状態で受信側プローブ１２ｂの遅延パターンを変化させて最適な遅延パターンを求める。この場合における最適な遅延パターンは、上述と同様である。

また、ＴＯＦＤ法においては、送信用プローブ１２ａは受信用プローブ１２ｂにもなりえ、受信用プローブ１２ｂは送信用プローブ１２ａにもなりえるので、上述したように、送信用プローブ１２ａの最適な遅延パターンを求めた後に、送信用プローブ１２ａと受信用プローブ１２ｂとを切り替え、受信用プローブ１２ｂから超音波ビームを射出させることで、受信用プローブ１２ｂの最適な遅延パターンを求めることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、図２のステップＳＡ８において、遅延パターンから調整遅延パターンを求めることとしたが、これに代えて、各遅延パターンに対して予め複数の調整遅延パターンを作成してデータベース２５に格納しておき、この調整遅延パターンをデータベース２５から読み出して利用することとしてもよい。このように、調整遅延パターンについても予めデータベース２５に格納しておくことで、処理時間の短縮を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した図である。 本発明の超音波探傷方法の手順を示したフローチャートである。 基準レベルに係る遅延パターンに応じた超音波ビームを検査対象物に照射した場合の超音波ビームの経路の一例を示した図である。 比較レベルに係る遅延パターンに応じた超音波ビームを検査対象物に照射した場合の超音波ビームの経路の一例を示した図である。 遅延パターンをスプライン曲線で表した図である。 調整遅延パターンを生成する手順を説明するための図である。 調整遅延パターンを生成する手順を説明するための図である。 調整遅延パターンに応じた超音波ビームを検査対象物に照射した場合の超音波ビームの経路の一例を示した図である。 振動子を二次元配列にした場合を説明するための図である。 ＴＯＦＤ法に適用した場合について説明するための図である。

符号の説明

１０ 超音波探傷装置
１１ 振動子
１２ プローブ
２０ 制御部
２１ 信号生成部
２２ 反射信号受信部
２３ 解析部
２４ 調整部
２５ データベース

Claims (4)

1. それぞれ異なる条件下において、検査対象物内の所定の検査対象位置に超音波ビームを集束させる少なくとも２つの遅延パターンに基づいて、駆動用電気信号をそれぞれ生成する信号生成部と、
   各前記駆動用電気信号に応じた超音波ビームを前記検査対象物内に射出するとともに、その反射波を受信するプローブと、
   前記プローブにより受信された各反射波のＳＮ比を比較し、ＳＮ比の最も高い反射波が得られたときの前記遅延パターンを特定し、この遅延パターンを所定の条件に基づいて調整することにより複数の調整遅延パターンを生成する調整部と
   を備え、
   前記調整遅延パターンに応じた各超音波ビームを前記検査対象物内に照射させてその反射波を受信し、これらの反射波の中で最も高いＳＮ比が得られた反射波を用いて、欠陥の解析を行う超音波探傷装置。
2. 前記調整部は、前記遅延パターンを複数の制御点を通るスプライン曲線として取り扱い、各制御点を所定の条件に応じて移動させることにより、複数の前記調整遅延パターンを生成する請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. それぞれ異なる条件下において、検査対象物の所定の検査対象位置に超音波ビームを集束させる少なくとも２つの遅延パターンに基づいて、駆動用電気信号をそれぞれ生成し、
   各前記駆動用電気信号に応じた超音波ビームを前記検査対象物内に射出するとともに、その反射波を受信し、
   各前記反射波のＳＮ比を比較し、ＳＮ比の最も高い反射波が得られた遅延パターンを特定し、特定した前記遅延パターンを所定の条件に基づいて調整することにより複数の調整遅延パターンを生成し、
   前記調整遅延パターンに基づく超音波ビームを前記検査対象物内に照射させて、その反射波を受信し、受信した反射波の中で最も高いＳＮ比が得られた反射波を用いて、欠陥の解析を行う超音波探傷方法。
4. 前記遅延パターンを複数の制御点を通るスプライン曲線として取り扱い、各制御点を所定の条件に応じて移動させることにより、複数の前記調整遅延パターンを生成する請求項３に記載の超音波探傷方法。

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