JP6871534B2 - 対比試験片及び超音波フェーズドアレイ探傷試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波フェーズドアレイ探傷試験に用いられるマトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置の感度調整や距離振幅特性曲線（ＤＡＣ線）図の作成等の校正に用いられる対比試験片及び超音波フェーズドアレイ探傷試験方法に関するものである。

上記マトリックスアレイ探触子は、複数の超音波素子が二次元的に並べられた探触子であり、複数の超音波素子が縦横に並んだ単純な格子状の探触子が知られているほか、複数の超音波素子が同心円状に並んだアニュラーアレイ探触子や、円環状に並んだサーキュラーアレイ探触子等が知られている。

このようなマトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置を用いて超音波フェーズドアレイ探傷試験を行う場合は、被試験体上にマトリックスアレイ探触子をセットし、このマトリックスアレイ探触子における複数の超音波素子の励振タイミングをずらすことで、被試験体に設定した測定線と直交する面内で超音波を走査させ、この被試験体に内在するきず等の指示で反射して戻る反射波を複数の超音波素子で受信して、前記被試験体の内部における指示の有無を画像で評価する。このような探傷試験は、ボイラや原子力プラント等の構造物における溶接部の検査に広く利用されている。

上記超音波探傷試験装置の感度調整や距離振幅特性曲線図の作成等の校正に用いられる対比試験片は、目的に応じて全体の形状や寸法が定められると共に、導入傷の種類や位置や寸法が定められ、被試験体の材質と同じか同等の材質で作成される。

例えば、特許文献１には、この対比試験片に類する標準試験片（JIS規格に定められたＳＴＢ−Ａ２）が記載されている。この標準試験片には、板厚を貫通する方向に大小の円形穴が多数形成されており、そのうちのいくつかの円形穴は探傷感度を調整するのに用いられる。

この標準試験片のような探傷感度調整用の円形穴を有する試験片で、マトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置の感度調整を行う場合には、この試験片における探傷感度調整用の円形穴と平行を成す探傷面上にマトリックスアレイ探触子を設置し、マトリックスアレイ探触子における複数の超音波素子の各励振タイミングを中央で遅くその両側で早くなるようにコントロールして、各超音波素子からの超音波の位相が探傷感度調整用の円形穴の一点で揃うようにする（フォーカスをかける）。

そして、このとき得られる反射振幅値が超音波探傷試験装置の表示器上で、例えば、８０％になるように探傷試験装置感度を調整して、これを基準感度とする。

特開平０６−１３８１０６号公報

しかしながら、上記した試験片では、図７に示すように、各超音波素子１０３ａからの超音波の位相が探傷感度調整用の円形穴１１５における一点１１５ｐで揃うようにしたとしても（フォーカスをかけたとしても）、各超音波素子１０３ａには、各々から発した超音波の進行方向と直交する面で反射したエコーが最も強く戻るので、各超音波素子１０３ａからの超音波の位相が大きくずれてしまい、超音波探傷試験装置の緻密な感度調整やマトリックスアレイ探触子１０３の性能確認を行うことができないという問題があり、これを解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上述した課題に着目してなされたものであり、マトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置の緻密な感度調整を行うことができると共に、マトリックスアレイ探触子の性能確認を行うことが可能な対比試験片及び超音波フェーズドアレイ探傷試験方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するべく、本発明の第１の態様は、複数の超音波素子が二次元的に並べられたマトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置の校正用の対比試験片であって、前記超音波探傷試験装置の前記マトリックスアレイ探触子が設置される探傷面と、前記探傷面上に配置される前記マトリックスアレイ探触子の超音波入射点を中心として試験片内部に放射状に形成された複数の平底穴を備え、前記複数の平底穴の各平底面は、前記超音波入射点を通して入射する前記マトリックスアレイ探触子からの超音波を該超音波入射点に向けて反射するべくそれぞれ正対して配置されている構成としている。

本発明の第２の態様において、前記複数の平底穴は、互いに同一の面上に位置している構成としている。

本発明の第３の態様において、前記複数の平底穴の各平底面は、互いに同一の線上に位置している構成としている。

本発明の第４の態様は、マトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置を用いた超音波フェーズドアレイ探傷試験方法において、請求項１〜３のいずれかに記載の対比試験片による前記超音波探傷試験装置の校正工程を含む構成としている。

本発明に係る対比試験片では、探傷面上に超音波探傷試験装置のマトリックスアレイ探触子をセットし、このマトリックスアレイ探触子における複数の超音波素子の各励振タイミングをコントロールして、各超音波素子からの超音波の位相が平底穴の平底面で揃うようにすると、平底穴の平底面は、マトリックスアレイ探触子からの超音波を超音波入射点に向けて反射するように正対して配置されているので、すなわち、超音波の進行方向と直交するように配置されているので、平底面で反射した超音波は位相がほとんどずれることなくマトリックスアレイ探触子に戻ることとなり、したがって、超音波探傷試験装置の感度調整やマトリックスアレイ探触子の性能確認を行い得ることとなる。

本発明に係る対比試験片によれば、マトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置の感度調整を行うことができると共に、マトリックスアレイ探触子の性能を確認することが可能になるという優れた効果がもたらされる。

感度調整時に本発明に係る対比試験片が適用される超音波探傷試験装置の概略構成説明図である。 本発明の一実施形態に係る対比試験片の全体斜視説明図である。 図２の対比試験片の作用を示すイメージ図である。 図２の対比試験片の部分側面説明図である。 図２の対比試験片を用いて得た超音波探傷試験装置の基準感度に基づいて作成した距離振幅特性曲線（ＤＡＣ線）図である。 超音波探傷試験装置のマトリックスアレイ探触子により溶接部に対して超音波探傷試験を実施している状況を示す平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。 従来の試験片で感度調整を行う場合における超音波の位相のずれを示すイメージ図である。

以下、本発明に係る対比試験片を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は、本発明に係る対比試験片の一実施形態を示しており、この実施形態では、本発明に係る対比試験片で校正が成される超音波探傷試験装置の試験対象が溶接部である場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、超音波探傷試験装置１は、超音波パルス信号を励振する機能及び受信機能を有するパルサーレシーバ２と、マトリックスアレイ探触子３と、アナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）４と、演算部５と、モニタ６を備えており、パルサーレシーバ２には、複数の超音波素子３ａのそれぞれに印加するパルス信号を所望のタイミングで発生させる遅延回路及び超音波素子３ａからの各受信信号を所望のタイミングで合成する同期回路が具備されている。

マトリックスアレイ探触子３は、複数の超音波素子３ａを縦横に格子状に配置して成り、縦波を横波にモード変換して斜角探傷を行うものであって、パルサーレシーバ２で発生させたパルス信号による超音波を発振して溶接部Ｗに入射させると共に溶接部Ｗ内からの反射波を受信する。

マトリックスアレイ探触子３の複数の超音波素子３ａで各々受信される反射波は電気信号に変換され、電気信号に変換された反射波はパルサーレシーバ２に同期して入力されて合成される。この合成されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換されて、演算部５で信号処理される。

演算部５は、制御回路や画像処理回路等の各種処理回路を具備しており、この演算部５では、上記回路によって指示有無の判定や指示高さ等の評価が成される。

出力装置としてのモニタ６は、演算部５で反射波を処理して取得される受信波形の可視化画像を表示して、溶接部Ｗ内の指示Ｆの有無や、溶接部Ｗに指示Ｆが内在している場合の位置及び高さ（溶接部Ｗの深さ方向の長さ）を含む性状等の指示情報を表示するようにしている。

この超音波探傷試験装置１では、パルサーレシーバ２の遅延回路により、マトリックスアレイ探触子３の互に隣接する超音波素子３ａの励振タイミングを一端側から他端側にかけて僅かずつ遅れるようにコントロールすると、超音波の伝搬方向は母材Ｓの探傷面Ｓａに対して傾く。この隣接する超音波素子３ａの励振タイミングを僅かずつ遅らせて超音波の伝搬方向を想定する方向（所望の方向）に変える制御が走査角度制御、いわゆるステアリング制御である。この際、遅延時間を段階的に変化させると、すなわち、超音波の伝搬方向を想定する方向に段階的に変化させると、セクタ走査が成されることとなる。

一方、パルサーレシーバ２の遅延回路により、マトリックスアレイ探触子３の格子状に並ぶ複数の超音波素子３ａの励振タイミングを両端部側で早くそして中央で遅くなるようにコントロールすると、各超音波素子３ａからの超音波の位相が集束点で揃う。この超音波を想定する（所望の）集束点で集束させる制御が集束点制御、いわゆるフォーカスをかけるフォーカシング制御であり、超音波素子３ａの励振タイミングを任意に設定することで、集束点までの距離を変えることができ、想定する集束点を左右に振ることで、セクタ走査を行わせることができる。

図２に示すように、このような超音波探傷試験装置１の感度調整や距離振幅特性曲線図の作成等の校正に用いる対比試験片１０は、超音波探傷試験装置１の試験対象である溶接部Ｗと同じ材質から成っている。

この対比試験片１０は、マトリックスアレイ探触子３が設置される探傷面１１と、この探傷面１１と対向する底面１２と、探傷面１１及び底面１２間に位置する半径Ｒの円弧面１３を備えており、この円弧面１３の中心が探傷面１１上においてマトリックスアレイ探触子３の超音波入射点Ｏとして設定されている。
なお、探傷面１１及び底面１２間に位置する面は円弧面１３に限定されるものではなく、半径Ｒの球面（球面の一部）や平面であったりしてもよいほか、凹凸面であってもよい。

また、この対比試験片１０は、探傷面１１上に配置されるマトリックスアレイ探触子３の超音波入射点Ｏから円弧面１３に向けて放射状で且つ同一の面Ａ上に位置するようにして形成された複数の平底穴１５を備えている。これらの平底穴１５の各一端は円弧面１３で開口１５ａとしてそれぞれ形成され、各他端は平底面１５ｂとしてそれぞれ形成されている。

この平底穴１５は口径数ｍｍの円形穴であり、例えば、円弧面１３側から超音波入射点Ｏに向けてドリルで穴を穿った後、エンドミルで平底面１５ｂを仕上げて形成される。

この場合、複数の平底穴１５の各平底面１５ｂは、互いに同一の線Ｂ上に配置されており、いずれも超音波入射点Ｏからの超音波を該超音波入射点Ｏに向けて反射するべく形成されている、すなわち、超音波の進行方向と直交するように形成されている。つまり、平底穴１５の平底面１５ｂは、図３に示すように、マトリックスアレイ探触子３の複数の超音波素子３ａからの位相を揃えた超音波が強く反射して戻るように複数の超音波素子３ａに正対して形成されている。

なお、複数の平底穴１５の各平底面１５ｂがそれぞれ位置する線Ｂと、超音波入射点Ｏとの距離Ｙは、実際の超音波探傷試験時における溶接部Ｗ及びマトリックスアレイ探触子３の間隔と、マトリックスアレイ探触子３の寸法を考慮して決定される。

次に、上記した超音波探傷試験装置１を用いた溶接部Ｗに対する超音波フェーズドアレイ探傷試験方法の実施要領を説明する。

まず、溶接部Ｗに対する超音波探傷試験に先立って、上記対比試験片１０を用いて超音波探傷試験装置１の感度調整及び距離振幅特性曲線図の作成を行う（校正工程）。

すなわち、図４に示すように、対比試験片１０における探傷面１１に設定した超音波入射点Ｏ上にマトリックスアレイ探触子３をセットし、マトリックスアレイ探触子３における格子状に並ぶ複数の超音波素子３ａの励振タイミングを両端部側で早くそして中央で遅くなるようにコントロールして、対比試験片１０の内部に深さ方向に並んで配置されている平底穴１５（１５ｈ１〜１５ｈ５）における各平底面１５ｂで各超音波素子３ａからの超音波の位相が揃うようにする（フォーカスをかける）。

そして、平底穴１５（１５ｈ１〜１５ｈ５）における各平底面１５ｂのうちの任意の平底面１５ｂからの反射振幅値がモニタ６上で例えば８０％となるように装置感度を調整して、これを基準感度とする。

次いで、この基準感度に基づいて、平底穴１５（１５ｈ１〜１５ｈ５）における各平底面１５ｂで反射して戻る各反射波を複数の超音波素子３ａで受信して合成することで受信波形をそれぞれ取得し、各々の反射振幅値を計測する。

これに続いて、図５に示すように、平底穴１５（１５ｈ１〜１５ｈ５）の平底面１５ｂの各深さと、各平底面１５ｂからの反射振幅値との関係をグラフ化して、各平底面１５ｂの深さ毎の反射振幅値を結んだ線をＨ線と規定し、このＨ線から６ｄＢ下（１／２反射振幅値）の線をＭ線と規定し、このＭ線からさらに６ｄＢ下の線をＬ線と規定する。すなわち、距離振幅特性曲線図を作成する。

このようにして、距離振幅特性曲線図を作成した後、試験対象である溶接部Ｗに対して超音波探傷試験を実施する。
すなわち、図６に示すように、母材Ｓの探傷面Ｓａ上における溶接部Ｗの溶接線Ｌから距離Ｙだけ離れた位置にマトリックスアレイ探触子３をセットする。この際、図示しないグリセリンペーストやマシン油等の接触媒質を探傷面Ｓａに塗布してマトリックスアレイ探触子３と探傷面Ｓａとの間に空気層ができるのを回避する。

この状態で探傷を開始し、溶接部Ｗに沿う溶接線Ｌと直交する面内において、パルサーレシーバ２の遅延回路により、マトリックスアレイ探触子３の格子状に並ぶ複数の超音波素子３ａの励振タイミングを両端部側で早くそして中央で遅くなるようにコントロールし、集束点を溶接部Ｗの深さ方向に移動させるべく超音波を３次元的にセクタ走査させる。

そして、この超音波のセクタ走査範囲内における走査角度毎に、溶接部Ｗ内で反射して戻る反射波を複数の超音波素子３ａで受信して合成することで受信波形をそれぞれ取得する。

マトリックスアレイ探触子３を溶接線Ｌに沿って左方向（図６（ａ）矢印方向）に一定の間隔でステップを刻んで移動させる毎にこの超音波の３次元的なセクタ走査を実施し、この溶接部Ｗに対する超音波探傷試験は、溶接部Ｗを挟んで＋側及び−側の両側で実施する。

上記超音波のセクタ走査で取得した反射波の受信波形中に、予め設定された指示有無判定閾値（溶接部Ｗの内部の深さに応じた指示有無判定閾値）を超える反射振幅値の指示Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃがある場合には、これらの指示Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃの深さ及び反射振幅値を図５の距離振幅特性曲線図に当てはめて比較する。

図５の距離振幅特性曲線図において、例えば、判定基準をＬ線以上とした場合には、指示Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃがいずれも不合格欠陥であると判定し、判定基準をＭ線以上とした場合には、指示Ｆａのみが不合格欠陥であると判定すると共に、指示Ｆｂ，Ｆｃが合格欠陥であると判定する。

そして、上記超音波の３次元的なセクタ走査を溶接線Ｌに沿って一定の間隔でステップを刻んで実施すると、指示Ｆの全容を把握し得ることとなり、モニタ６では、溶接線Ｌと交差する各断面で実施した３次元的なセクタ走査の結果を積算することで得られる指示長さが表示される。

上記したように、本実施形態に係る対比試験片１０では、探傷面１１上にマトリックスアレイ探触子３をセットし、このマトリックスアレイ探触子３の各超音波素子３ａからの超音波の位相が平底穴１５の平底面１５ｂで揃うようにすると、この平底面１５ｂは、マトリックスアレイ探触子３からの超音波を超音波入射点Ｏに向けて反射するように正対して配置されているので、すなわち、超音波の進行方向と直交するように配置されているので、平底面１５ｂで反射した超音波は位相がほとんどずれることなくマトリックスアレイ探触子３に戻ることとなり、その結果、超音波探傷試験装置１の感度調整やマトリックスアレイ探触子３の性能確認を行い得ることとなる。

また、本実施形態に係る対比試験片１０では、マトリックスアレイ探触子３の超音波入射点Ｏから円弧面１３に向けて放射状に形成された複数の平底穴１５が同一の面Ａ上に位置するようにしているうえ、これらの平底穴１５の各平底面１５ｂが互いに同一の線Ｂ上に位置するようにしているので、複数の平底穴１５の成形加工が容易なものとなると共に、演算部５の校正に係る演算が簡易なものとなる。

一方、本実施形態に係る超音波フェーズドアレイ探傷試験方法では、溶接部Ｗの探傷試験を行うのに先立って、超音波探傷試験装置１の感度調整やマトリックスアレイ探触子３の性能確認を行うようにしているので、指示Ｆの有無の判定が精度よく成されることとなる。

上記実施形態では、対比試験片１０の複数の平底穴１５が同一の面Ａ上に位置するようにしているが、これに限定されるものではなく、複数の平底穴１５が面Ａに対して角度を持って配置されていてもよい。

また、上記実施形態では、対比試験片１０における複数の平底穴１５の各平底面１５ｂが互いに同一の線Ｂ上に位置するようにしているが、これに限定されるものではなく、複数の平底穴１５の各平底面１５ｂが互いに線Ｂから離れて形成されていてもよい。

さらに、上記実施形態では、本発明に係る超音波フェーズドアレイ探傷試験方法の試験対象が溶接部Ｗである場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、ゴム等の弾性体やプラント等の大型構造物の探傷試験に用いてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１ 超音波探傷試験装置
３ マトリックスアレイ探触子
３ａ 超音波素子
１０ 対比試験片
１１ 探傷面
１５ 平底穴
１５ｂ 平底面
Ｏ マトリックスアレイ探触子の超音波入射点

Claims (4)

1. 複数の超音波素子が二次元的に並べられたマトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置の校正用の対比試験片であって、
   前記超音波探傷試験装置の前記マトリックスアレイ探触子が設置される探傷面と、
   前記探傷面上に配置される前記マトリックスアレイ探触子の超音波入射点を中心として試験片内部に放射状に形成された複数の平底穴を備え、
   前記複数の平底穴の各平底面は、前記超音波入射点を通して入射する前記マトリックスアレイ探触子からの超音波を該超音波入射点に向けて反射するべくそれぞれ正対して配置されている対比試験片。
2. 前記複数の平底穴は、互いに同一の面上に位置している請求項１に記載の対比試験片。
3. 前記複数の平底穴の各平底面は、互いに同一の線上に位置している請求項２に記載の対比試験片。
4. マトリックスアレイ探触子を有する超音波探傷試験装置を用いた超音波フェーズドアレイ探傷試験方法において、
   請求項１〜３のいずれかに記載の対比試験片による前記超音波探傷試験装置の校正工程を含む超音波フェーズドアレイ探傷試験方法。

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