JP5295531B2 - 表面傷検出用超音波探傷方法及び装置 - Google Patents
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Description
実験は、図1に概要を示すマルチビームレーザ超音波測定システムを用いて行った。このシステムは超音波の励起源である8台のNd:YAG レーザ(No.1からNo.8)1と超音波を検出するフォトリフラクティブ型干渉計(フォトリトラクティブ型レーザ干渉計:TECNAR製TWM)12から成る。8台の励起用レーザ1としてはNd:YAGレーザ(Big Sky Laser製CFR200、波長532nm、最大パルスエネルギー120mJ、パルス幅約10ns、繰り返し20Hz)を用い、検出用レーザ10としてはパルス動作が可能なロングパルスレーザ(TECNAR製PDL、波長1064nm、ピーク出力500W、繰り返し20Hz)を用いた。また、二光波混合型レーザ干渉計3の出力信号はノイズを除去するためのバンドパスフィルタ(NF Electronic Instruments製FV-628S、透過帯域0.8MHz〜5MHzに設定)を介し、デジタルオシロスコープ(テクトロニクス製TDS5054、帯域500MHz、サンプリング速度5GS/s)によって測定した。
マルチビームレーザ超音波測定システムを用いたトーンバースト表面波の発生手順を示す。
(1)基準とするレーザ光(例えば、#1のレーザ)のみを試験片に照射して、超音波波形を測定する。
(2)基準以外のレーザ(#2から#8)を個別に照射したときのそれぞれの超音波波形と上記で測定した超音波波形を比較して表面波に対応する波形が重なるようにそれぞれの照射タイミングを決定する。
(3)基準以外からの表面波の振幅を基準の波形の振幅と一致するように偏光プリズムで照射エネルギを調節する。
(4)発生させたいトーンバースト表面波の基本周波数をfとした場合、#Nのレーザには、(N-1)/fの時間遅延を(2)で決定したタイミングに加算する。
以上の手順で基本周波数fのトーンバースト表面波が発生し、トーンバースト波の周波数特性を制御することができる。上記手順で発生するトーンバースト波は8波であるが、2台の励起用レーザに同じ時間遅延を与えることで、4波の超音波を発生することもできる。同様に2波の超音波も発生できる。また、時間遅延を0にすることで、すべてを重ね合わせた1つのパルス超音波も発生できる。これらの超音波は、複数台のレーザからのエネルギが1つの波に与えられるので大きな振幅を得ることができる。尚、予め計算により被検査物6の材質、照射位置間隔毎に、レーザの遅延時間を予め求めておいても良い。
マルチビームレーザ超音波測定システムで発生させたパルス表面波の周波数特性を測定した。試験片にはアルミニウム製ブロックを用いた。図3に1台の励起用レーザのみによる超音波波形と時間遅延なしの8台の励起用レーザによる超音波波形を示し、図4(A),(B)にそれぞれの高速フーリエ変換による周波数解析結果を示す。図3から明らかなように8台の励起用レーザを用いることでパルス表面波の振幅を増加させることができた。また、その周波数特性を1台のみの場合と比較すると、傾向はほぼ一致していることが確認でき、パルス表面波は3MHz以下において広帯域の周波数特性を有することがわかった。
本発明者等は、上述のトーンバースト表面波の周波数特性から、特定の周波数成分のみを有するトーンバースト表面波を発生させ、これを用いることで効率よく表面傷の検出を行うことができることを知見するに至った。図7にその概念図を示す。同図(A)のパルス波の場合、励起される超音波は広帯域の周波数特性を有するため、低い周波数成分は透過し、検出される。一方、狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト表面波の場合、同図(B)のように低い周波数では透過波を検出できるが、 同図(C)のように、高い周波数では、超音波は傷によって遮断されて、透過波が消失することになる。また、その周波数をより高くすることで、より微小な傷の検出も可能になる。
図8に示す、長さ100mm、幅50mm、厚み20mmのアルミニウム製ブロックに0.25mm、0.5mm、1mmの深さのスリット15を導入した3種類の試験片と参照用としてスリットのない試験片とを製作した。また、励起および検出用レーザとスリット15との位置関係は図9に示すとおりである。励起用レーザと検出用レーザのほぼ中間にスリットを配置してスリット15を透過する超音波を検出した。実験は図9(A) の配置で、参考のために#1のレーザのみを用いた場合、1MHz、2MHz、2.5MHzのトーンバースト表面波の場合を行なった。また、同図(B)に示すスリットが30度傾斜した場合について、1MHzのトーンバースト表面波を用いて実験した。
図10に1台の励起用レーザによるパルス表面波のスリット透過波の波形を示す。上からスリットなし、深さ0.25mm、0.5mm、1mmのスリットの場合の波形である。また、図11にそれぞれの周波数解析結果を示す。スリットなしの場合の波形は広帯域の周波数特性を示すが、スリットの深さが増加するに伴って、その幅広いピークの高周波側から徐々に低下することが確認された。深さ1mmのスリットの場合は、ピークの確認が困難となった。図10の波形からも透過波の振幅が徐々に低下し、深さ1mm では透過波が消失することがわかった。そして、スリット無しの場合と深さ0.25mmのスリット有りとの場合とではその透過波の波形・振幅にはそれほど違いがなく、判別しがたい。また、深さ0.5mmのスリット有りの場合でも透過波の存在が確認でき、スリット無しの参照データが存在しないと、傷の有無は簡単には判別できないことが明らかである。これらの結果より、スリットの深さに応じて周波数特性および波形が変化することがわかり、1mm以上の傷の検出は波形のみからでも可能であると考えられるが、より微小な傷の検出には周波数解析が必要であることがわかった。
次に、本発明の提案したトーンバースト表面波による微小傷の検出手法を疲労傷に適用し、その有効性を検討した。
長さ148mm、幅15mm、厚さ34mmのステンレス鋼製ブロックから成る図18に示す疲労傷試験片を用いて、疲労傷の検出に有効か否かを確認した。ブロックの中央には深さが1〜2mm 程度の疲労傷16が設けられている。深さが1〜2mmであるので、上述の実験の結果から1MHz のトーンバースト表面波を用いることとした。励起用および検出用レーザの位置関係は図18のとおりである。同図に示すように、励起用レーザと検出用レーザの間隔を固定して、傷の方へ向かって1mmずつ走査して、波形を収集した。走査範囲はスリットを基準に両側に5mmずつとした。
図19にトーンバースト表面波による探傷結果を示す。図中のxは走査位置を表し、x=0のとき検出用レーザが傷開口部直上であることを示す。つまり、x=-5から-1は励起用レーザと検出用レーザの間に傷はなく、1MHzのトーンバースト表面波の透過波が観測されていることがわかる。一方、x=0以上では、透過波が消失していることから、励起用レーザと検出用レーザ間に深さ1mm 以上の傷が存在することを示している。これらの結果から、トーンバースト表面波を用いた表面探傷によってRF波形の振幅の変化から疲労傷を検出できることを確認した。
4 励起用レーザー光
7 遅延発生器
8 被検査物
10 検出用レーザー源
12 干渉計
13 バンドパスフィルタ
14 オシロスコープ(表示装置)
15 スリット
16 疲労傷
Claims (5)
- 複数のレーザー光の被検査物に対する照射のタイミングに時間遅延を相互に与えて前記被検査物に超音波を励起させることにより、前記被検査物に対して基本周波数とその高調波成分とが明瞭に得られる狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト波形の表面波を伝播させ、表面傷を透過する透過波を受信用探触子で検出し、前記受信用探触子から出力されるRF波形の振幅の変化で表面傷の有無を判断するものである超音波探傷方法。
- 前記トーンバースト波の周波数を変化させ、透過波の消失時の周波数から表面傷の深さの推定を行うものである請求項1記載の超音波探傷方法。
- 前記トーンバースト波の発生位置と検出位置との間隔を固定して、一定方向に走査して波形を収集し、透過波が消失あるいは出現したときに、表面傷の有無を推定するものである請求項1または2記載の超音波探傷方法。
- 前記トーンバースト波は8波以上である請求項1から3のいずれか1つに記載の超音波探傷方法。
- 複数のレーザー光の被検査物に対する照射のタイミングに時間遅延を相互に与えて基本周波数とその高調波成分とが明瞭に得られる狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト波形の表面波を前記被検査物に対し伝播させる複数のレーザから成る送信用探触子と、前記時間遅延を与える遅延発生器と、二光波混合型レーザ干渉計を用いる受信用探触子と、前記受信用探触子が受信した前記トーンバースト波の透過RF波形を表示する表示器とを備え、前記RF波形の振幅の変化から表面傷の有無並びに深さを判断可能とする超音波探傷装置。
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