JP5677156B2 - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば試験体に発生した傷を非破壊で検出するための超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関するものである。

従来の超音波探傷装置としては、試験体内部の音響的不連続部分をアレイ探触子を用いて検出することで探傷する構成がある。例えば特許文献１には、試験体としての丸棒鋼の周囲にアレイ探触子が配置され、そのアレイ探触子から丸棒鋼に超音波ビームを照射する構成が開示されている。図４に示すように、特許文献１の超音波探傷装置１００は、丸棒鋼１２０の径方向の周囲に接触媒質１３０を介して複数の素子１１１からなるアレイ探触子１１０（１１０ａ〜１１０ｄ）を４個配置しており、アレイ探触子１１０の素子１１１は送受信器１４０からの励振信号を受けることで超音波を丸棒鋼１２０に照射する。そして、送受信器１４０によりアレイ探触子１１０の異なる素子１１１に順に励振信号を与えて照射位置を回転させ、丸棒鋼１２０が軸方向に搬送されることで丸棒鋼１２０全域を探傷可能にしている。例えば図５に示すように、アレイ探触子１１０ｃは、素子１１１から丸棒鋼１２０に対して垂直に超音波を照射し、丸棒鋼１２０の軸周辺の１／４の探傷領域１２２に傷１２１ａがある場合、傷１２１ａによる反射波を素子１１１で受信する（垂直探傷）。また、図６に示すように、アレイ探触子１１０ｃは、素子１１１から丸棒鋼１２０に対して斜角に超音波を照射し、丸棒鋼１２０の表面層の１／４の探傷領域１２５に傷１２１ｂがある場合、傷１２１ｂによる反射波を素子１１１で受信する（斜角探傷）。
アレイ探触子１１０ｃで受信する丸棒鋼１２０からの反射波（エコー）は、例えば図７に示すように、丸棒鋼１２０表面で反射された表面エコー１５１、探傷領域１２３（または探傷領域１２４）で反射された傷エコー１５２、探傷領域１２２（または探傷領域１２５）で反射された傷エコー１５３があり、表面エコー１５１が他のエコーに比べ非常に大きく時間的な尾引きが長いので、傷エコー１５２と重なるような状況になる。そこで、表面エコー１５１と傷エコー１５２を受信しないように、探傷領域１２２（または探傷領域１２５）からの傷エコー１５３だけを検出するための時間的範囲（探傷ゲート１５４）を予め設定している。よって、この超音波探傷装置１００においては、１個のアレイ探触子１１０ａで探傷できる領域（探傷領域）が丸棒鋼１２０全体の１／４であり、４個のアレイ探触子１１０ａ〜１１０ｄで丸棒鋼１２０全体を探傷する。

ここで、接触媒質１３０には気泡１３１や金属粉等が混在することが多く、これらの音響的不連続部分を反射源とする反射波（エコー）が発生し、アレイ探触子１１０がそのエコーを受信してしまう。このエコーは丸棒鋼１２０内部に傷が無い場合にも受信されるため、本来受信させたくないエコーである。以降、このような接触媒質１３０内部の音響的不連続部分によるエコーを「妨害エコー」と呼ぶ。アレイ探触子１１０が受信するエコーは、図８の一点鎖線の伝搬経路で示すように、直接気泡１３１で反射された直接エコーａ、丸棒鋼１２０の表面で反射された表面エコーｂ、丸棒鋼１２０の表面で反射された超音波が気泡１３１で反射され、再び丸棒鋼１２０の表面で反射された妨害エコーｃと、図８の実線の伝搬経路で示す丸棒鋼１２０内部の傷で反射された傷エコーｄがある。これらのエコーは、例えば図９に示すように、時間的に直接エコー１６１が一番早く受信され、次に表面エコー１６２が受信され、続いて妨害エコー１６３または傷エコー１６４が受信される。ここで、超音波探傷装置１００に傷エコー１６４を検出するための時間的範囲として探傷ゲート１６５が設定されている場合、直接エコー１６１と表面エコー１６２は、探傷ゲート１６５以外で受信され、傷として判定されないため問題にはならないが、妨害エコー１６３と傷エコー１６４は、気泡及び傷の位置関係によって、どちらが早く受信されるかが異なるため、妨害エコー１６３も傷エコーとして判定してしまい探傷試験結果の精度を劣化させてしまう。

このような妨害エコー１６３と傷エコー１６４を識別する技術が特許文献２，３に開示されている。特許文献２によれば、径の大きさが異なる２つの探触子を用いて、両者で受信したエコーを気泡エコー（妨害エコー）とし、大きな径の探触子だけで受信したエコーを介在物エコー（傷エコー）と識別していた。特許文献３によれば、アレイ探触子による超音波ビームの走査をインタリーブ化することで、例えば２回パルスを照射し、１回だけエコーが受信されれば気泡エコー（妨害エコー）として識別し、２回エコーが受信されれば傷エコーとして識別するように、エコーが受信される回数を用いて識別していた。

特開２０１０−１４５１１４号公報 特開２００１−４６０２号公報 特開２０００−２１４１００号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明は、偏芯を補正するように超音波ビームの方向を制御するものであり、受信した妨害エコーに関しては対応していない。特許文献２と特許文献３に記載された発明は、探傷方法自体が改良されておらず、妨害エコーの受信を低減させることができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、探傷方法を改良することで、受信する妨害エコーを低減させた超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波探傷装置は、異なるチャンネルをなす複数の素子を有し、該素子により接触媒質を介して試験体へ超音波を照射し、試験体からの反射波を接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、アレイ探触子の素子に励振信号を送信して駆動させ、アレイ探触子の素子からの電気信号を受信する送受信器とを備え、送受信器は、アレイ探触子の素子が超音波を照射してから所定時間を経過するまで、当該超音波を照射した素子とは異なる素子からの電気信号を受信して試験体内部の音響的不連続部を検出し、所定時間の経過後、超音波を照射させた素子からの電気信号を受信して試験体内部の音響的不連続部を検出するものである。
また、この発明に係る超音波探傷方法は、送受信器により、アレイ探触子の素子が超音波を照射してから所定時間を経過するまで、当該超音波を照射した素子とは異なる素子からの電気信号を受信して試験体内部の音響的不連続部を検出する第１のステップと、送受信器により、所定時間の経過後、超音波を照射させた素子からの電気信号を受信して試験体内部の音響的不連続部を検出する第２のステップと、を有するものである。

この発明に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法によれば、上記のように構成したことにより、１個のアレイ探触子で従来の２倍の探傷領域の試験を行うよう探傷方法が改良され、アレイ探触子の配置位置を上半分または下半分にして接触媒質内の気泡または金属粉による妨害エコーの受信を低減させることができる。その結果、探傷試験において妨害エコーによる誤判定が低減し、探傷試験結果の精度を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る超音波探傷装置における探傷試験の一例を説明する図（ａ）、（ｂ）である。 実施の形態１に係る超音波探傷装置における探傷試験の一例を説明する図（ａ）、（ｂ）である。 従来の超音波探傷装置の構成を示す図である。 従来の超音波探傷装置の探傷試験における動作を説明する図である。 従来の超音波探傷装置の探傷試験における動作を説明する図である。 従来の超音波探傷装置の探傷試験で受信したエコーを時系列で示す図である。 従来の超音波探傷装置の探傷試験におけるエコーを示す図である。 従来の超音波探傷装置の探傷試験で受信したエコーを時系列で示す図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る超音波探傷装置１の構成を示している。超音波探傷装置１は、容器（不図示）の下半分に配置されたアレイ探触子１０と、アレイ探触子１０を動作させる送受信器４０で構成されており、容器に満たされた接触媒質３０の中の略中心に位置するよう試験体２０が配置されている。

アレイ探触子１０は、２個のアレイ探触子１０ａ，１０ｂを組み合わせて構成されており、例えばアレイ探触子１０ａ，１０ｂを構成する複数の素子１１により試験体２０の下側から超音波を照射するよう配置されている。素子１１は、それぞれ送受信器４０からの励振信号に基づいて異なるチャンネルで超音波の送受信を行う機能を有しており、励振により超音波の出力とその反射波の受信を行うことができ、超音波を出力する素子とその反射波を受信する素子に分けて動作するよう構成することもできる。素子１１は、例えば容器中の接触媒質３０を介して試験体２０へ超音波を照射し、試験体２０表面、試験体２０内部の音響的不連続部または接触媒質３０内部の音響的不連続部で反射された反射波（エコー）を受信し、電気信号に変換して送受信器４０へ出力する。ここで、試験体２０内部の音響的不連続部とは、試験体２０内の傷または試験体２０内の介在物の傷を示しており、傷エコーの発生源である。また、接触媒質３０内部の音響的不連続部とは、気泡や金属粉であり、妨害エコーの発生源である。

図１におけるアレイ探触子１０は、試験体２０の下側から超音波を照射するように容器の下半分に配置されており、接触媒質３０より軽い気泡３１が容器の上側に移動することにより、気泡３１による妨害エコーの受信を低減するようにしている。

試験体２０は、例えば丸棒鋼であり、径周囲半分がアレイ探触子１０の素子１１と対向するよう接触媒質３０中に配置され、探傷試験時に軸方向に搬送される。
接触媒質３０は、例えば探傷試験用の容器中に満たされた水である。

送受信器４０は、アレイ探触子１０を構成する素子１１毎に励振信号を送信して素子１１を駆動させ、エコーの電気信号をアレイ探触子１０から受信し、その電気信号に基づき試験体２０内部の音響的不連続部（傷）を検出するよう機能する。
また、送受信器４０は、励振信号の送信と電気信号の受信を同じ素子１１に対して行う機能と、励振信号の送信と電気信号の受信を異なる素子１１に対して行う機能を有しており、これらの機能を併用して音響的不連続部を検出する。送受信器４０は、例えば、励振信号により素子（ここでは素子１１ａとする）を励振させて超音波を照射させ、予め設定した時間（所定時間）を経過するまで素子１１ａとは異なる素子（ここでは素子１１ｂとする）からの電気信号を受信し、所定時間経過後、受信対象を素子１１ｂから素子１１ａに切り替えて電気信号を受信する。送受信器４０は、予め設定した複数の時間的範囲内（探傷ゲート）に受信した傷エコーの電気信号に基づき傷エコーを検出し、試験体２０の音響的不連続部を傷として判定する。ここで、探傷ゲートとは、試験体２０内部の探傷範囲で反射されたエコーを受信するための時間的範囲であり、探傷範囲毎に予め設定されたものである。
さらに、送受信器４０は、素子１１毎に超音波の照射角度を変更可能に制御し、試験体２０に対する垂直探傷と斜角探傷を行うよう機能する。送受信器４０は、例えば垂直探傷により試験体２０の軸周辺を探傷し、斜角探傷により試験体２０の表面層を探傷することで、試験体２０全域を探傷する。

次に、実施の形態１の超音波探傷装置１における探傷試験の一例について説明する。図２（ａ）は垂直探傷による探傷試験を示しており、図２（ｂ）はその際のエコーを時系列で示している。なお、説明を容易にするため、図２（ａ）においてはアレイ探触子１０のうちアレイ探触子１０ａを用いて説明する。

超音波探傷装置１の送受信器４０は、図２（ａ）に示すように、アレイ探触子１０ａの素子１１ａへ励振信号を与え素子１１ａから試験体２０に対して垂直に超音波を照射させる。照射された超音波は、試験体２０の表面でアレイ探触子１０ａ側に反射され、素子１１ａの方向を中心として素子１１ｂの方向にも戻ってくるが、素子１１ｂで受信する表面エコーの方が素子１１ａで受信する表面エコーよりも小さい。送受信器４０は、励振信号を素子１１ａに送信してから（素子１１ａにより超音波が照射されてから）所定時間を経過するまで、素子１１ａとは異なる素子１１ｂにより、探傷領域２２における傷２１ａからの傷エコー５２の電気信号を受信する。送受信器４０は、超音波が照射されてから所定時間を経過すると、受信対象を素子１１ｂから素子１１ａに切り替え、探傷領域２３における傷２１ｂからの傷エコー５３の電気信号を受信する。

このとき、送受信器４０は、図２（ｂ）に示すように、超音波を照射してから所定時間を経過する時刻Ａまで、素子１１ｂからの電気信号を受信し、時刻Ａ以降に素子１１ａからの電気信号を受信する。最初に受信した表面エコー５１は、励振して超音波を出力した素子１１ａ（励振素子）で受信した表面エコー（図７で示した表面エコー１５１）よりも振幅が小さく、尾引きも短い。次に受信した傷エコー５２は、素子１１ａで受信した傷エコー（図７で示した傷エコー１５２）に比べて表面エコー５１と分離され（図７で示した傷エコー１５２と表面エコー１５１との間隔が離れ）、探傷が可能になっている。傷エコー５３は、素子１１ａで受信した傷エコーであり、従来の探傷方法と同じ方法で探傷される。ここで、送受信器４０は、傷エコー５２と傷エコー５３をそれぞれ受信するための複数の時間的範囲として探傷ゲート５４が設定されており、探傷ゲート５４内に受信したエコーの電気信号に基づき試験体２０の傷であるかを判定することで、表面エコー５１を探傷試験の判定に含めないようにしている。

図３（ａ）は斜角探傷による探傷試験を示しており、図３（ｂ）はその際のエコーを時系列で示している。なお、説明を容易にするため、図３（ａ）においてはアレイ探触子１０のうちアレイ探触子１０ｂを用いて説明する。

また、超音波探傷装置１の送受信器４０は、図３（ａ）に示すように、アレイ探触子１０ａの素子１１ａへ励振信号を与え素子１１ａから試験体２０に対して斜角（例えば試験体２０の面に対して１８°）に超音波を照射させる。照射された超音波は、試験体２０の表面で屈折して入射するが、試験体２０の表面でアレイ探触子１０ａ側にも反射され、表面エコーとして受信される。送受信器４０は、励振信号を素子１１ａに送信し、探傷領域２４における傷２１ｃからの傷エコー６２の電気信号を受信する。また、探傷領域２５における傷２１ｄからの傷エコー６３の電気信号を受信する。

このとき、送受信器４０は、図３（ｂ）に示すように、超音波を照射してから所定時間を経過する時刻Ｂまで探傷領域２４を探傷し、時刻Ｂ以降に探傷領域２５を探傷する。最初に受信した表面エコー６１は、垂直探傷の表面エコー（図２（ｂ）の表面エコー５１）よりも振幅が小さく、尾引きも短い。次に受信した傷エコー６２は、表面エコー６１と十分に分離されているため、探傷可能であり、従来の探傷方法と同じ方法で探傷される。傷エコー６３は、傷エコー６２と十分に分離されているため、従来の探傷方法と同じ方法で探傷される。ここで、送受信器４０は、傷エコー６２と傷エコー６３をそれぞれ受信するための複数の時間的範囲として探傷ゲート６４を予め設定しており、探傷ゲート６４内に受信したエコーの電気信号に基づき試験体２０の傷であるかを判定することで、表面エコー６１を探傷試験の判定に含めないようにしている。

このようにして、送受信器４０は、１個のアレイ探触子１０が試験体２０の２／４を探傷範囲とするよう動作させることで、アレイ探触子１０が従来の２倍の探傷領域の探傷試験を行うようにしている。すなわち、アレイ探触子を従来の数の１／２とすることができる。

以上のように、実施の形態１の超音波探傷装置１は、異なるチャンネルをなす複数の素子１１で超音波を送受信するアレイ探触子１０と、アレイ探触子１０を駆動させる送受信器４０とを備え、垂直探傷の場合には、送受信器４０により、素子１１を励振させると、励振素子と受信素子を異なる素子１１で行う機能を用いてエコーを受信し、素子１１を励振させてから所定時間経過後に励振素子と受信素子を同じ素子１１で行う機能を用いてエコーを受信するよう構成したことにより、１個のアレイ探触子１０ａ（または１０ｂ）で従来の２倍の探傷領域の試験を行うよう探傷方法が改良され、アレイ探触子１０（１０ａ，１０ｂ）の配置位置を下半分または上半分にして接触媒質３０内の気泡または金属粉による妨害エコーの受信を低減させることができる。その結果、探傷試験において妨害エコーによる誤判定が低減し、探傷試験結果の精度を向上させることができるという効果が得られる。

また、超音波探傷装置１は、例えば１個のアレイ探触子１０ａにより探傷領域２３の探傷に加えて探傷領域２２も探傷するよう探傷方法を改良したことにより、設置するアレイ探触子１０の個数を１／２にすることができる。その結果、従来の装置に比べてコストを低減できるという効果が得られる。

さらに、超音波探傷装置１は、複数の時間的範囲としての探傷ゲート５４（または６４）で受信したエコーの電気信号を試験体の音響的不連続部からのエコー（傷エコー）として検出するので、より確実に複数の探傷領域２２，２３，２４，２５毎に傷エコー５２，５３，６２，６３を検出することができるという効果が得られる。

なお、実施の形態１では、アレイ探触子１０が試験体２０の下側から超音波を照射するように容器の下半分に配置される構成で説明したが、試験体２０の上側から超音波を照射するように容器の上半分に配置するように構成してもよい。その場合、接触媒質３０より重い金属粉が容器の下側に移動することにより、金属粉による妨害エコーの受信を低減することができる。

なお、アレイ探触子１０の個数を従来と同じ個数設けるよう構成してもよい。その場合、コスト低減という効果は得られないが、より精度の良い探傷試験結果が得られるという効果が得られる。また、アレイ探触子１０を試験体の周囲に配置し、そのアレイ探触子１０の下半分を駆動させる探傷方法、またはアレイ探触子１０の上半分を駆動させる探傷方法を用いるようにしても良い。この場合もコスト低減という効果は得られないが、より精度の良い探傷試験結果が得られるという効果が得られる。

なお、実施の形態１では、２個のアレイ探触子１０ａ，１０ｂを用いた構成を説明したが、アレイ探触子１０の個数は２個に限定するものではなく、上述した探傷方法を用いて試験体を全面探傷できるよう構成されていれば良い。例えば、１個で全面探傷が可能な場合、１個のアレイ探触子を設ける構成でもよいし、２個で不十分な場合、３個以上のアレイ探触子を用いた構成であっても良い。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 超音波探傷装置、１０，１０ａ，１０ｂ，１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ アレイ探触子、１１，１１ａ，１１ｂ，１１１ 素子、２０ 試験体、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，１２１，１２１ａ，１２１ｂ 傷（試験体内部の音響的不連続部）、２２，２３，２４，２５，１２２，１２３，１２４，１２５ 探傷領域、３０，１３０ 接触媒質、３１，１３１ 気泡（接触媒質内の音響的不連続部）、４０ 送受信器、５１，６１，１５１，１６２ 表面エコー、５２，５３，６２，６３，１５２，１５３，１６４ 傷エコー、５４，１５４，６４，１６５ 探傷ゲート、１００ 従来の超音波探傷装置、１２０ 丸棒鋼（試験体）、１４０ 従来の送受信器、１６１ 直接エコー、１６３ 妨害エコー、１６５ 探傷ゲート。

Claims (10)

1. 異なるチャンネルをなす複数の素子を有し、該素子により接触媒質を介して試験体へ超音波を照射し、前記試験体からの反射波を前記接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、
   前記アレイ探触子の素子に励振信号を送信して駆動させ、前記アレイ探触子の素子からの電気信号を受信する送受信器とを備え、
   前記送受信器は、前記アレイ探触子の素子が超音波を照射してから所定時間を経過するまで、当該超音波を照射した素子とは異なる素子からの電気信号を受信して前記試験体内部の音響的不連続部を検出し、前記所定時間の経過後、前記超音波を照射させた素子からの電気信号を受信して前記試験体内部の音響的不連続部を検出する
   ことを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記送受信器は、前記アレイ探触子の素子毎に超音波照射角度を変更可能に制御し、前記試験体に対して垂直探傷および斜角探傷を行って前記試験体内部の音響的不連続部を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
3. 前記送受信器は、複数の探傷ゲート内に受信した電気信号に基づき前記試験体内部の音響的不連続部を検出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波探傷装置。
4. 前記アレイ探触子は、前記試験体の下側から超音波を照射するよう配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の超音波探傷装置。
5. 前記アレイ探触子は、前記試験体の上側から超音波を照射するよう配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の超音波探傷装置。
6. 異なるチャンネルをなす複数の素子を有し、該素子により接触媒質を介して試験体へ超音波を照射し、前記試験体からの反射波を前記接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、前記アレイ探触子の素子に励振信号を送信して駆動させ、前記アレイ探触子の素子からの電気信号を受信する送受信器とを用いた超音波探傷方法において、
   前記送受信器により、前記アレイ探触子の素子が超音波を照射してから所定時間を経過するまで、当該超音波を照射した素子とは異なる素子からの電気信号を受信して前記試験体内部の音響的不連続部を検出する第１のステップと、
   前記送受信器により、前記所定時間の経過後、前記超音波を照射させた素子からの電気信号を受信して前記試験体内部の音響的不連続部を検出する第２のステップと、
   を有することを特徴とする超音波探傷方法。
7. 前記送受信器により、前記アレイ探触子の素子毎に超音波照射角度を変更可能に制御し、前記試験体に対して垂直探傷を行う第３のステップと、
   前記送受信器により、前記アレイ探触子の素子毎に超音波照射角度を変更可能に制御し、前記試験体に対して斜角探傷を行う第４のステップとを有し、
   前記第３のステップおよび前記第４のステップで、それぞれ前記第１のステップおよび前記第２のステップを実行する
   ことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷方法。
8. 前記第１のステップおよび前記第２のステップでは、複数の探傷ゲート内に受信した電気信号に基づき前記試験体内部の音響的不連続部を検出することを特徴とする請求項６または請求項７記載の超音波探傷方法。
9. 前記アレイ探触子により、前記試験体の下側から超音波を照射する第５のステップをさらに有することを特徴とする請求項６から請求項８のうちのいずれか１項記載の超音波探傷方法。
10. 前記アレイ探触子により、前記試験体の上側から超音波を照射する第６のステップをさらに有することを特徴とする請求項６から請求項８のうちのいずれか１項記載の超音波探傷方法。

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