JP5123644B2 - 超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波探傷方法および超音波探傷装置に関し、特に、被検体に存在する欠陥を精度良く検出できる超音波探傷方法および超音波探傷装置に関するものである。

近年、金属の溶接部分等を検査対象として、内部の亀裂等の欠陥を非破壊で検査するため、超音波探傷法が用いられている。このような超音波探傷法としては、フェーズドアレイ法がある。これは、図６（ａ）に示すように、複数の振動子１３１を独立に制御可能なフェーズドアレイ型の送受信センサ１３０を用いるもので、個々の振動子１３１を振動させるタイミングをずらすことによって、個々の振動子１３１から発する波を合成することで生成される合成波を集束させ、その方向を制御するものである。このような方法によって超音波の合成波を被検体１０１の任意の検査対象箇所に当て、亀裂等の欠陥が生じているか否かを検査する（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

しかし、このように超音波を集束させても、被検体１０１の粒子の異方性によって、合成波の進行方向が曲がり、検査対象箇所からの反射波を受けることができず、いわゆるＳＮ比が低い状態となって、欠陥の検査も行えないことがある。
このような点に関して有効な解決策として、事前に超音波を被検体１０１に向けて発し、そ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、検査対象箇所に到達させる方法がある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−３０５１１５号公報 特開２００１−３４３３７０号公報 特開平６−３４１９７８号公報

しかしながら、上述した従来技術においては、被検体が、ステンレスの溶接部１０２や鋳造体である場合、図６（ｂ）に示すように、結晶粒が大きいため、超音波が検査対象箇所に至る前に、結晶粒の境界で反射による散乱や屈折が生じ、その反射波自体を得ることができないため、検査を行うことができないという問題がある。これは、事前に反射波を観測する特許文献３に記載の方法でも、上記と同様の理由から反射波そのものを得ることができないため、時間の観測すらできず、解決できない問題である。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、溶接部等の被検体の構造や材質によって超音波の散乱や屈折が生じる場合でも、存在する欠陥を精度良く検出できる超音波探傷方法および超音波探傷装置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、送信センサと、受信センサと、集束型の送受信センサとを備え、溶接部を含む被検体を超音波探傷する超音波探傷装置の超音波探傷方法であって、前記送信センサから固定角で拡散して発せられた超音波の反射波を前記受信センサにより複数位置で受信する送受信ステップと、前記送受信ステップによる超音波の伝搬時間、並びに前記送信センサおよび前記受信センサの位置情報に基づき、前記被検体中の音速分布を算定する音速分布算定ステップと、前記送受信センサの収束位置を特定する収束位置特定ステップと、前記被検体中の音速分布に基づき前記特定した収束位置に前記送受信センサによる超音波が収束するような遅延時間を算出する遅延時間算出ステップと、前記遅延時間の設定の下に前記送受信センサによる送受信を行って前記被検体中の欠陥を判別する欠陥検出ステップとを有し、前記送信センサは、互いに異なる位置に配置されたセンサ群であって前記溶接部を跨いだ両側に設置され、前記受信センサは、前記溶接部上に設置される超音波探傷方法を提供する。

本発明によれば、溶接部等の被検体の構造や材質によって超音波の散乱や屈折が生じる場合でも、送受信センサによる超音波を特定した収束位置に確実に収束させることができ、欠陥の検出精度を向上させることができる。
上記超音波探傷方法において、送信センサは、互いに異なる位置に配置されたセンサ群であって溶接部を跨いだ両側に設置され、受信センサは、溶接部上に設置される。
このようにすることで、音速分布の精度を向上させることができ、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができる。この結果、欠陥検出精度をより向上させることができる。

上記超音波探傷方法において、前記集束型の送受信センサは、例えば、フェーズドアレイ型センサである。
このようにすることで、欠陥の検出精度をより向上させることができる。

上記超音波探傷方法において、前記送信センサは、例えば、フェーズドアレイ型センサである。
このようにすることで、音速分布算定のための送受信ステップにおける受信側の検出性が高まり、音速分布の精度を向上させることができ、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができる。この結果、欠陥検出精度をより向上させることができる。

上記超音波探傷方法において、前記受信センサは、互いに異なる位置に配置されたセンサ群であってもよい。
このようにすることで、音速分布の精度を向上させることができ、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができる。この結果、欠陥検出精度をより向上させることができる。

上記超音波探傷方法において、前記受信センサは、所定の測定ピッチで走査されることとしてもよい。
このようにすることで、音速分布算定のための送受信ステップにおいて、任意の分解能で超音波の到達時間の測定を行うことができ、測定ピッチを細かくすることにより測定分解能を向上させることができる。また、２次元走査を行うことにより音速分布の精度を向上させることができ、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができる。これにより、欠陥検出精度をより向上させることができる。

上記超音波探傷方法は、特に、溶接部を有する被検体の欠陥検出に適用されるのに好適である。

本発明は、送信センサと、受信センサと、集束型の送受信センサと、これら各種センサの超音波の送受信により被検体を超音波探傷する制御手段とを備えた超音波探傷装置であって、前記制御手段は、前記送信センサから固定角で拡散して発せられた超音波の反射波を前記受信センサにより複数位置で受信し、該超音波の送受信における超音波の伝搬時間、並びに前記送信センサと前記受信センサの位置情報に基づき、前記被検体中の音速分布を算定し、前記送受信センサの収束位置を特定し、前記被検体中の音速分布に基づき前記特定した収束位置に前記送受信センサによる超音波が収束するような遅延時間を算出し、該遅延時間の設定の下に前記送受信センサによる送受信を行って前記被検体中の欠陥の有無を判別する超音波探傷装置を提供する。

本発明の超音波探傷方法および超音波探傷装置によれば、溶接部等の被検体の構造や材質によって超音波の散乱や屈折が生じる場合でも、送受信センサによる超音波を特定した収束位置に確実に収束させることができ、欠陥の検出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、本発明の超音波探傷方法および超音波探傷装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

〔参考例１〕
図１は参考例１に係る超音波探傷方法を説明するフローチャートであり、また図２は本参考例の超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図である。
本参考例に係る超音波探傷装置は、送信センサ１０および受信センサ２０（図２（ａ）参照）と、集束型の送受信センサとしてフェーズドアレイＵＴ３０（図２（ｃ）参照）と、これら各種センサの超音波の送受信により被検体１を超音波探傷する図示しない制御装置（制御手段）とを備える。

なお、以下の説明では、図２に示すように、溶接部３を持つ被検体１を対象として超音波探傷を行うものとする。溶接部３の超音波探傷では、音響異方性があって超音波の散乱、屈折や減衰があり、さらに被検体１の母材部と溶接部３の境界から返ってくるエコー等の雑音が生じるおそれがある。
制御装置は、入力部および表示部等を備えたユーザインタフェース部と、マイクロプロセッサＭＰＵやＤＳＰ等を備えた情報処理部と、各種センサとのインタフェースを司るインタフェース部とを備えている。

集束型の送受信センサとして使用するフェーズドアレイＵＴ３０は、振動子（圧電素子）３１を複数並べたアレイ構造を持ち、制御装置の情報処理部により収束位置が設定され、該収束位置に応じた各振動子３１のそれぞれから発信する超音波の遅延時間が算出され、これの情報がインタフェース部を介して電気的に設定されると、それぞれの振動子３１から発せられる超音波の位相がずれて、超音波の合成波面の進行方向が調整されることとなる。

次に、図１のフローチャートに従って、本参考例に係る超音波探傷方法を説明する。まず、送信センサ１０から超音波４１を固定角で拡散して発信し（ステップＳ１０１）、受信センサ２０（互いに異なる位置に配置された受信センサ２１−１〜２１−Ｎ；Ｎは任意の正整数）により各点で超音波を受信する（ステップＳ１０２）。

このとき、図２（ａ）に示すように、送信センサ１０および受信センサ２０を被検体１の一方の面に配置する。具体的には、送信センサ１０は、該面において母材部と溶接部３の境界から一定の距離を持って配置され、受信センサ２０（受信センサ２１−１〜２１−Ｎ）は、溶接部３上と、送信センサ１０を設置した位置と溶接部３を跨いだ反対側の母材部上に、互いに異なる位置に配置される。

次に、ステップＳ１０１およびＳ１０２により得られた超音波の送受信における超音波の伝搬時間データ（即ち、送信センサ１０による超音波の発信時間と、各受信センサ２１−１〜２１−Ｎで受信される超音波の到達時間）に基づいて、送信センサ１０と受信センサ２０（受信センサ２１−１〜２１−Ｎ）の位置関係を考慮し、トモグラフィ技術を用いて被検体１中の音速分布を算定する（ステップＳ１０３）。

被検体１中の音速分布は、例えば図２（ｂ）に示すようになる。トモグラフィ技術としては、例えば、公知技術文献１（榊原 淳一 外、”音響トモグラフィを用いた構造物設備診断技術”，ＪＦＥ技法No．１１，ｐ５０−５５）に示された手法を用いることが可能である。また、トモグラフィ技術以外にも、例えば、公知技術文献２（永井著、”超音波ホログラフィ−開口合成による映像−”，日刊工業新聞社，pp．９０−１２０，１９８９年６月３０日）に示された手法や、公知技術文献３（R. K. Mueller他著、”Reconstructive Tomogyaphy and Applications to Ultrasonics", Proceeding of The IEEE, Vol. 67, No. 4, April 1979）に示された手法、例えば、ＡＲＴ（Algebraic Reconstruction Techniques）といった手法を用いることも可能である。

次に、得られた音速分布に基づいて欠陥検出を行う。まず、送受信センサ（フェーズドアレイＵＴ）３０の収束位置を特定する（ステップＳ１０４）。なお、収束位置は、超音波の送受信（ステップＳ１０１およびＳ１０２）で得られたデータに基づきＴＯＦＤ（Time Of Flight Diffraction）法で評価して、大凡の見当を付けて特定してもよいし、或いは、任意に設定してもよい。

次に、特定した収束位置で送受信センサ（フェーズドアレイＵＴ）３０による超音波が収束するように、各振動子３１のそれぞれから発信する超音波の遅延時間を計算し（ステップＳ１０５）、送受信センサ（フェーズドアレイＵＴ）３０から超音波を送信する（ステップＳ１０６）。図２（ｃ）に示すように、溶接部３内の収束位置Ｐに欠陥が存在する場合には、該欠陥面からの反射波を送受信センサ（フェーズドアレイＵＴ）３０で受信する（ステップＳ１０７）こととなり、受信した振動子３１を特定して解析することにより、欠陥の位置（高さ）を正確に評価することができる。

以上説明したように、本参考例の超音波探傷方法および超音波探傷装置によれば、送受信ステップ（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）により、送信センサ１０から固定角で拡散して発せられた超音波の反射波を受信センサ２０により複数位置で受信する。そして、該送受信ステップによる超音波の伝搬時間、並びに送信センサ１０および受信センサ２０の位置情報に基づき、被検体１中の音速分布を音速分布算定ステップ（ステップＳ１０３）により算定し、収束位置特定ステップ（ステップＳ１０４）により送受信センサ３０の収束位置を特定する。更に、遅延時間算出ステップ（ステップＳ１０５）により、被検体中１の音速分布に基づき特定した収束位置に送受信センサ３０による超音波が収束するような遅延時間を算出し、欠陥検出ステップ（ステップＳ１０６，Ｓ１０７）により、遅延時間の設定の下に送受信センサ３０による送受信を行って被検体１中の欠陥を判別する。

これにより、溶接部等の被検体の構造や材質によって超音波の散乱や屈折が生じる場合でも、送受信センサ３０による超音波を特定した収束位置に確実に収束させることができ、欠陥の検出精度を向上させることができる。

〔参考例２〕
次に、参考例２に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置について説明する。図３は本参考例に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図である。本参考例は、上述した参考例１の送受信ステップ（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）において、送信センサにフェーズドアレイＵＴ１１を用いたものである。

参考例１では、送信センサ１０として振動子１個のセンサを使用し、固定角で広がりのある超音波を発信して、異なる位置の受信センサ２１−１〜２１−Ｎで超音波を受信したが、溶接部３中などでは超音波が散乱・減衰して超音波の強度が弱くなり、受信センサ２１−１〜２１−Ｎで受信できないおそれがある。これに対し、本参考例では、送信センサにフェーズドアレイＵＴ１１を用いることで、ビームスキャンを実施し、超音波が散乱・減衰する溶接部３中などでも超音波の透過性を高め、受信センサ２０（受信センサ２１−１〜２１−Ｎ）の検出性の向上を図る。

このように、本参考例では、音速分布算定のための送受信ステップにおける受信側の検出性が高まるので、音速分布の精度向上が期待される。この結果、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができ、欠陥検出精度をより向上させることができる。

〔参考例３〕
次に、参考例３に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置について説明する。図４は本参考例に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は送信センサ１０および受信センサ２１の設置面側の平面図である。

本参考例は、参考例１の送受信ステップ（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）において、１個の受信センサを使用し、該受信センサ２１を（溶接部３上と、送信センサ１０を設置した位置と溶接部３を跨いだ反対側の母材部上の）測定面上で走査させて、任意の測定ピッチで超音波の到達時間を測定するものである。なお、受信センサ２１の走査は、１次元ではなく２次元に拡げるのが望ましい。

また、参考例１のように、受信センサ２０に、互いに異なる位置に配置された受信センサ２１−１〜２１−Ｎを用いる場合には、一度に各受信点における到達時間の測定が行えるという利点があるが、受信センサの個数（Ｎ個）が多く必要であり装置コストが増えるという事情がある。また、受信センサ２１−１〜２１−Ｎが配置される位置が測定点であり、受信センサの個数（Ｎ個）に測定の分解能が限定されるという事情もある。

本参考例では、測定面上で受信センサ２１を任意の測定ピッチで走査させるので、任意の分解能で超音波の到達時間の測定を行うことができ、測定ピッチを細かくすることにより測定分解能を向上させることができる。また、受信センサ２１の２次元の走査により、音の２次元的な曲がりも測定することが可能となり、音速分布の精度を向上させることができる。この結果、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができ、欠陥検出精度をより向上させることができる。

〔実施形態〕
次に、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置について説明する。図５は本実施形態に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図であり、図５（ａ）は送信センサ１０から超音波を発信した際の様子を、また図５（ｂ）は送信センサ１２から超音波を発信した際の様子をそれぞれ示す。

本実施形態は、参考例１の送受信ステップ（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）において、溶接部３を跨いだ両側にそれぞれ設置される２個の送信センサ１０，１２を使用し、また、受信センサ２０（受信センサ２１−１〜２１−Ｎ）を溶接部３上の互いに異なる位置に設置して送受信を行うものである。

参考例１では、受信センサ２０（受信センサ２１−１〜２１−Ｎ）を、溶接部３上と、送信センサ１０を設置した位置と溶接部３を跨いだ反対側の母材部上に、互いに異なる位置で配置したが、本実施形態では溶接部３上だけでよいため、上述した参考例１と同等の超音波の到達時間の測定分解能をより少ない個数の受信センサで実現できる。また参考例１と同じ個数の受信センサ２１−１〜２１−Ｎを用いれば、より測定分解能を向上させることができる。つまり、音速分布の精度を向上させることができる。この結果、欠陥検出における超音波の収束性をより高めることができ、欠陥検出精度をより向上させることができる。

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、具体的な構成はこれら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。

例えば、参考例１から参考例３及び実施形態では、被検体中の音速分布を算定するに際して、送信センサおよび受信センサを一方の面に配置して、他方の面からの反射波の到達時間を測定して行ったが、受信センサを送信センサの設置面と対向する面に設置して、超音波の透過波の到達時間を測定して音速分布を算定するようにしてもよい。

参考例１に係る超音波探傷方法を説明するフローチャートである。 参考例１に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図である。 参考例２に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図である。 参考例３に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図である。 実施形態に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置による超音波探傷を説明する説明図である。 従来の超音波探傷を説明する説明図である。

符号の説明

１ 被検体
３ 溶接部
１０，１２ 送信センサ
１１ 送信センサ（フェーズドアレイＵＴ）
２０，２１−１〜２１−Ｎ 受信センサ
３０ 送受信センサ（フェーズドアレイＵＴ）
３１ 振動子
４１〜４５ 超音波

Claims (6)

1. 送信センサと、受信センサと、集束型の送受信センサとを備え、溶接部を含む被検体を超音波探傷する超音波探傷装置の超音波探傷方法であって、
   前記送信センサから固定角で拡散して発せられた超音波の反射波を前記受信センサにより複数位置で受信する送受信ステップと、
   前記送受信ステップによる超音波の伝搬時間、並びに前記送信センサおよび前記受信センサの位置情報に基づき、前記被検体中の音速分布を算定する音速分布算定ステップと、
   前記送受信センサの収束位置を特定する収束位置特定ステップと、
   前記被検体中の音速分布に基づき前記特定した収束位置に前記送受信センサによる超音波が収束するような遅延時間を算出する遅延時間算出ステップと、
   前記遅延時間の設定の下に前記送受信センサによる送受信を行って前記被検体中の欠陥を判別する欠陥検出ステップと
   を有し、
   前記送信センサは、互いに異なる位置に配置されたセンサ群であって前記溶接部を跨いだ両側に設置され、前記受信センサは、前記溶接部上に設置される超音波探傷方法。
2. 前記集束型の送受信センサは、フェーズドアレイ型センサである請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 前記送信センサは、フェーズドアレイ型センサである請求項１または請求項２に記載の超音波探傷方法。
4. 前記受信センサは、互いに異なる位置に配置されたセンサ群である請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波探傷方法。
5. 前記受信センサは、所定の測定ピッチで走査される請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波探傷方法。
6. 送信センサと、受信センサと、集束型の送受信センサと、これら各種センサの超音波の送受信により溶接部を含む被検体を超音波探傷する制御手段とを備えた超音波探傷装置であって、
   前記制御手段は、前記送信センサから固定角で拡散して発せられた超音波の反射波を前記受信センサにより複数位置で受信し、該超音波の送受信における超音波の伝搬時間、並びに前記送信センサと前記受信センサの位置情報に基づき、前記被検体中の音速分布を算定し、前記送受信センサの収束位置を特定し、前記被検体中の音速分布に基づき前記特定した収束位置に前記送受信センサによる超音波が収束するような遅延時間を算出し、該遅延時間の設定の下に前記送受信センサによる送受信を行って前記被検体中の欠陥の有無を判別し、
   前記送信センサは、互いに異なる位置に配置されたセンサ群であって前記溶接部を跨いだ両側に設置され、前記受信センサは、前記溶接部上に設置される超音波探傷装置。

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