JPH07325070A - 超音波法による欠陥深さの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被検査体の形状を変えることなく、高い検出感
度で欠陥の深さを測定する。 【構成】被検査体３に発生した欠陥４の深さを超音波法
により測定する。被検査体３に発生した欠陥４の真上に
縦波垂直探触子１を設けるとともに、この縦波垂直探触
子１に対向して横波斜角探触子２を設ける。これらの探
触子１，２を二探触子法として一方を送信用とし、他方
を受信用とし、欠陥４の先端部でモード変換して伝播す
る端部エコーの送信から受信に至る伝播時間を測定す
る。その測定結果を幾何学的に求めた超音波ビームの伝
播ルートから導き出した計算式にあてはめて計算するこ
とにより欠陥の深さを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は構造物の非破壊検査等に
より発見された欠陥（クラックとも割れとも称す）に対
して寿命評価を行う点から必要となる欠陥の深さ（大き
さ）を測定するための超音波法による欠陥深さの測定方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】構造物の非破壊検査においては、強度上
許容されるサイズの模擬欠陥と比較して欠陥の検出感度
および合否を決定している。しかし、重要な構造物にお
いて合格範囲であるが欠陥が発見された場合、および欠
陥として検出されてもすぐに補修ができない場合などに
おいて、構造物の寿命評価を行うために欠陥のサイズを
測定する必要があった。

【０００３】この欠陥サイズ測定方法としては、例えば
特開昭54-55493号公報，特開平３−146859号公報などに
開示されているように、渦流探傷，電気抵抗法，超音波
探傷における端部エコー法などが知られている。渦流探
傷や電気抵抗法では探傷面側に欠陥がなければ測定でき
ない上に測定値にばらつきが大きい欠点がある。

【０００４】また、探傷面と反対側から発生した欠陥の
深さを測定できる端部エコー法においては、主として図
４（ａ）に示すように被検査体３に発生した欠陥４の先
端に横波斜角探触子２から超音波ビーム、つまり、横波
入射ビーム７を照射して得られる端部エコーの反射成分
６ａをもとの横波斜角探触子２で検出する端部エコー法
と、図４（ｂ）に示すように端部エコーの回析成分６を
他方の横波斜角探触子２で検出する二探触子端部エコー
法がある。

【０００５】これらの端部エコーは極めて微弱であるた
め、結晶粒界ノイズ等とのＳ／Ｎ比が非常に悪く、超音
波のモードや屈折角の選定、欠陥４の端部に超音波を集
中させるための焦点型探傷子の採用などＳ／Ｎ比向上の
ため種々の検討がされてきている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特にオーステナイト系
ステンレス鋼等の減衰の大きな材料においては、ノイズ
エコーの妨害により欠陥端部からの信号を正しく認識す
ることが困難であり、端部エコーが検出不能となること
もかなりあった。したがって、欠陥の長さ方向に数ミリ
ピッチで深さを測定して、欠陥のプロフィールを測定す
るなどということは不可能であった。

【０００７】本発明者らは欠陥４の先端部に欠陥面と平
行する方向から縦波の超音波ビームを照射した場合、欠
陥４の先端部から欠陥面に対しておよそ下方45°の方向
に従来の端部エコーで利用されていた反射成分（図４中
符号６ａ）、または回折成分（図４中符号６）より10倍
以上強い端部エコーが横波にモード変換されて放出され
ることを見出した。

【０００８】この現象は逆のルート、すなわち欠陥４の
先端部に対して欠陥面とおよそ45°をなす方向から横波
の超音波ビームを当てた場合においても、欠陥４の先端
部より欠陥４面と平行で欠陥４の先端部から遠ざかる方
向に縦波にモード変換された強い端部エコーが放出され
る。

【０００９】従来はモード変換による音速の差や、複雑
な反射経路等のため、このモード変換された端部エコー
は注目されていなかった。上述のように従来の端部エコ
ー法ではＳ／Ｎ比が悪いなかでの測定となり、欠陥の先
端部エコーの識別が難しい課題がある。

【００１０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、被検査体に発生した欠陥に対して被検査体の
形状を変えることなく、きわめて強い端部エコーを観測
できるようにして、Ｓ／Ｎ比のすぐれた測定が可能で、
測定精度が高く欠陥の深さを測定できる超音波法による
欠陥深さの測定方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は被検査体に発生
した欠陥の深さを超音波法により測定する方法におい
て、前記被検査体に発生した欠陥の真上に縦波垂直探触
子を設けるとともに、この縦波垂直探触子に対向して横
波斜角探触子を設け、これらの探触子の一方を送信用と
し、他方を受信用とし、前記欠陥の先端部でモード変換
して伝播する端部エコーの送信から受信に至る伝播時間
を測定し、その測定結果を幾何学的に求めた超音波ビー
ムの伝播ルートから導き出した計算式にあてはめて計算
することにより欠陥の深さを求めることを特徴とする

【００１２】

【作用】図１に示したように、被検査体３の上面に欠陥
４の真上に位置して縦波垂直探触子１と、この探触子１
からずらして角度３θを有する位置に横波斜角探触子２
を設け、欠陥４の真上から縦波垂直探触子１により欠陥
４の先端に向けて縦波超音波を入射する。入射した縦波
超音波ビーム５は、欠陥４の先端に照射すると横波にモ
ード変換された端部エコー６ｂが欠陥４とおよそ45°を
なす角度で欠陥の両側に放出される。

【００１３】このモード変換した端部エコー６ｂは図４
で説明した端部エコーの反射成分６ａ、および端部エコ
ーの回折成分６よりもかなり強いエコーであるため、底
面で１回反射しても十分に強いエコーとして横波斜角探
触子２で受信され、結晶粒界ノイズ等とのＳ／Ｎ比は極
めて良好である。

【００１４】図１において、被検査体３の板厚をｔ、欠
陥深さをｄ、横波斜角探触子２の屈折角をθとすれば、
欠陥４の先端でモード変換して放出される横波端部エコ
ー６ｂが被検査体３の底面に入反射する角度もθであ
る。この場合、縦波入射ビーム５と底面で１回反射する
モード変換した横波端部エコー６ｂの伝搬に要する時間
をＴとすれば、Ｔは（１）式で示される。

【００１５】

【数１】 （１）式においてＣ_L は被検査体中における縦波の音
速、Ｃ_S は横波の音速である。この（１）式から欠陥深
さｄは次の（２）式として求められる。

【００１６】

【数２】

【００１７】なお、上記の説明では本発明の欠陥深さの
測定方法について垂直探触子を送信側、斜角探触子を受
信側としたが、斜角探触子を送信側、垂直探触子を受信
側としても、まったく同様である。

【００１８】

【実施例】図２を参照しながら本発明に係る超音波法に
よる欠陥深さの測定方法の第１の実施例を説明する。図
２（ａ）は被検査体３の大きさの寸法を示しており、左
側は長手方向の側面で、右側は幅方向の側面である。被
検査体３は厚さ20mm，幅60mm，長さ 100mmの大きさを有
するステンレス鋼（SUS304）製の平板で、中央部に欠陥
４として疲労き裂を発生させている。

【００１９】被検査体３に発生した欠陥４の真上に縦波
垂直探触子１を設け、この探触子１の両側に所定の間隔
をもって横波斜角探触子２を設けている。これらの探触
子１，２はいずれか一方が送信用で、他方が受信用とす
るが、何れを選ぶかは予め決めておく。被検査体３にお
ける縦波音波は5790m/s ，3100m/s である。

【００２０】欠陥上部に垂直探触子１を配置し、欠陥の
先端に向けて縦波超音波を入射すると、欠陥４の先端部
より下方約45°方向に強い横波超音波が発生するので、
底面で１回反射したこの横波を横波斜角探触子２で検出
する。

【００２１】この時の垂直探触子１から発信され、横波
斜角探触子２で受信されるまでの超音波の伝搬時間を測
定し、計算式（２）で計算することで欠陥の深さを求め
ることができる。

【００２２】測定結果を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）
中、たて軸は欠陥の深さをクラック高さ（mm）として示
し、よこ軸は測定位置（幅方向）を（mm）で示してい
る。また、図中、白丸は斜角探触子２を右側に置いて測
定した場合の測定結果を、黒丸は左側に置いて測定した
場合の測定結果を、実線によるカーブは測定後、被検査
体３を破断させてクラック（欠陥）の深さを実測したき
裂先端のプロフィールを示している。

【００２３】図２（ｂ）から明らかのように、本実施例
によれば左右からの測定値と実測値はよく一致してお
り、また欠陥深さを測定するための端部エコー６ｂの検
出性はほぼ 100％であることが認められる。

【００２４】つぎに図３を参照しながら本発明に係る超
音波法による欠陥深さの測定方法の第２の実施例を説明
する。この第２の実施例は被検査体３の上面から下方に
欠陥４が生じている場合の欠陥４の深さを測定する例で
ある。図３（ａ）では欠陥４の深さが浅い場合の例を示
し、図３（ｂ）では欠陥４の深さが深い場合の例を示し
ている。

【００２５】図３（ａ），（ｂ）ともに欠陥４の真上に
縦波垂直探触子１を設け、横波斜角探触子２を（ａ）の
場合には探触子１から遠ざけて設け、（ｂ）の場合には
近づけて設けている。

【００２６】この第２の実施例では図３（ａ），（ｂ）
ともに検出しようとしている端部エコー６ｂはかなり強
いため、図示したように垂直縦波成分６ｂが被検査体３
の底面で反射しても十分強いエコーとして検出でき、前
記第１の実施例と同様の理論で欠陥４の深さを測定する
ことができる。

【００２７】すなわち、欠陥４の開口端から欠陥４と平
行な縦波超音波を探触子１から入射すると、欠陥４の先
端部から下方45°に強い横波超音波が発生する。この横
波超音波を横波斜角探触子２で検出する。

【００２８】この時の縦波垂直接触し１から発信され横
波斜角探触子２で受信されるまでの超音波の伝搬時間を
測定し前述した計算式（２）により計算することで欠陥
４の深さを求めることができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、被検査体に発生した欠
陥に対して被検査体の形状を変えることなく、きわめて
強い端部エコーを観測できるため、Ｓ／Ｎ比のすぐれた
測定が可能で、精度の向上が期待できる。よって、本発
明を用いることにより容器や構造物などの安全性評価、
残存寿命の推定を行うことが可能になるなど、その効果
は多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波法による欠陥深さの測定方
法の作用を説明するための概略断面図。

【図２】（ａ）は本発明の第１の実施例における被検査
体の大きさを示す側面図、（ｂ）は被検査体の欠陥深さ
を測定した結果を示す曲線図。

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施例を説明するため
の概略断面図、（ｂ）は（ａ）の他の例を示す概略断面
図。

【図４】（ａ）は従来の超音波法による欠陥深さの測定
方法を説明するための概略断面図、（ｂ）は（ａ）にお
ける他の例を示す概略断面図。

【符号の説明】

１…縦波垂直探触子、２…横波斜角探触子、３…被検査
体、４…欠陥、５…縦波入射ビーム、６…端部エコー、
６ａ…端部エコーの反射成分、６ｂ…モード変換した端
部エコー、７…横波入射ビーム。

フロントページの続き (72)発明者 立石 修一 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 日鉄 テクノス株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査体に発生した欠陥の深さを超音波
   法により測定する方法において、前記被検査体に発生し
   た欠陥の真上に縦波垂直探触子を設けるとともに、この
   縦波垂直探触子に対向して横波斜角探触子を設け、これ
   らの探触子の一方を送信用とし、他方を受信用とし、前
   記欠陥の先端部でモード変換して伝播する端部エコーの
   送信から受信に至る伝播時間を測定し、その測定結果を
   幾何学的に求めた超音波ビームの伝播ルートから導き出
   した計算式にあてはめて計算することにより欠陥の深さ
   を求めることを特徴とする超音波法による欠陥深さの測
   定方法。
2. 【請求項２】 前記欠陥の先端部に縦波の超音波を入射
   し、この先端部から発生する横波の超音波を横波斜角探
   触子で受信することを特徴とする請求項１記載の超音波
   法による欠陥深さの測定方法。
3. 【請求項３】 前記欠陥の先端部に横波の超音波を入射
   し、この先端部から発生する縦波の超音波を縦波斜角探
   触子で受信することを特徴とする請求項１記載の超音波
   法による欠陥深さの測定方法。