JP4909045B2

JP4909045B2 - 超音波探傷装置

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Publication number: JP4909045B2
Application number: JP2006338818A
Authority: JP
Inventors: 章浩切東; 正義中井; 是木村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2008151598A

Description

本発明は、超音波探傷、特に、ステンレスの溶接部等を対象として行う超音波探傷に用いて好適な超音波探傷装置に関するものである。

従来、金属の溶接部分等の内部に生じた亀裂等の欠陥を非破壊で検査する方法として超音波探傷が知られている。このような超音波探傷法として、フェイズドアレイ法がある。これは、一列或いは２次元状（マトリクス状）に配置された複数の振動子を個別に制御し、各振動子を振動させるタイミングをずらすことによって、各振動子から発せられる超音波ビームの合成波を生成し、この合成波を検査対象物の任意の検査対象箇所に当てたときの反射波または回折波を受信して解析することで、検査対象箇所における亀裂等の欠陥の有無を検査する方法である（例えば、特開２００５−１４８００９号公報参照）。

しかしながら、このように超音波ビームを検査対象物に照射させても、検査対象物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信することができないことがある。
したがって、従来は、以下のような手順により、最適な超音波探傷の探傷条件を決定していた。

まず、検査対象物と同様の材料からなるテストピースを作成し、このテストピースの所定の位置に、超音波ビームの反射波が確実に受信できるような深さの亀裂を人工的に形成する。この亀裂の形成は、例えば、深さ数ｍｍ程度の孔をテストピースの所定の位置に形成することにより行われる。
続いて、このテストピースにプローブを設置し、振動子の設置位置、振動子からテストピースに入射させる超音波の角度（以下「入射角」という。）、当該超音波が亀裂によって反射されて受信されるときの角度（以下「屈折角」という）等の探傷条件を異ならせたときの反射波をそれぞれ受信し、反射波のＳＮ比が最も高かったときの探傷条件を最適な探傷条件として決定する。ここで、探傷条件とは、上述のように、例えば、上記振動子の設置位置、入射角、屈折角等である。

このようにして、テストピースにおける最適な探傷条件を見出すと、次に、検査対象物と同様の材料からなるテストピースに、実際と同様の手法で亀裂を発生させ、つまり、腐食による亀裂を検出する場合には、薬品等をテストピースに含侵させることにより亀裂を自然に発生させる。そして、このような自然な亀裂が生じたテストピースに対して、上述最適な探傷条件で超音波探傷を行い、確実に亀裂を検出することができるか否かを検証する。この結果、亀裂の検出ができなかった場合には、上記探傷条件を微調整し、亀裂を検出できるようにする。そして、亀裂が検出できたことを確認すると、このときの探傷条件によって、実機検査を実施する。
特開２００５−１４８００９号公報

しかしながら、上述したような従来の方法では、検査員が手動で振動子の設置位置等を変えなければならなかったため、検査員の負担が大きかった。
また、テストピースを２段階にわたって作成しなければならないため、手間や時間、コストがかかるという問題もあった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、超音波探傷の探傷条件を容易に決定することのできる超音波探傷装置および超音波探傷方法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、２次元状に配置された複数の振動子を備えるプローブと、複数の前記振動子のうち、少なくとも一つの振動子を送信用振動子として選択するとともに、前記送信用振動子の各々と一対となる少なくとも一つの受信用振動子を選択し、前記送信用振動子および前記受信用振動子として選択する振動子を順次切り替える振動子走査部と、テストピース内の特定の位置に形成された人工欠陥に向けて前記送信用振動子から超音波を送信させるとともに、前記人工欠陥にて反射された反射波を前記受信用振動子により受信させる送受信制御部と、前記受信用振動子によって受信された反射波の電気信号をそのときの送信用振動子および受信用振動子の組み合わせの情報を含む探傷条件と対応付けて蓄積するデータ収録部と、前記データ収録部に蓄積されたデータを解析することにより、最適な探傷条件を決定する探傷条件決定部とを具備する超音波探傷装置を提供する。

このような構成によれば、２次元状に配置された複数の振動子の中から少なくとも一つの振動子が送信用振動子として選択されるとともに、これと一対となる受信振動子が振動子走査部により選択される。続いて、送受信制御部の作用により、選択された送信用振動子から超音波がテストピース内の人工欠陥に対して送信され、このときの反射波が受信用振動子によって受信され、この反射波の電気信号がそのときの送信用振動子と受信用振動子との組み合わせと対応付けられてデータ収録部に記録される。
この場合において、上記送信用振動子と受信用振動子とは、振動子送信部によって順次切り替えられるので、異なる複数の位置から超音波を自動で送信させることができるとともに、異なる複数の位置で反射波を受信することができる。これにより、検査員の手を煩わせることなく、さまざまな探傷条件下における反射波を容易にデータ収録することが可能となる。更に、異なる複数の探傷条件下において取得した反射波を解析し、最も好ましい反射波が得られたときの探傷条件を抽出するので、最適な探傷条件を得ることができる。

上記超音波探傷装置において、前記送受信制御部は、前記送信用振動子から送信させる超音波の入射角および前記受信用振動子により受信させる反射波の屈折角の少なくともいずれか一方を所定の角度間隔で変化させることとしてもよい。

このような構成によれば、送信用振動子及び受信用振動子を駆動する際にも、それぞれの入射角或いは屈折角が所定の角度間隔で変化させられるので、より詳細な探傷条件下における反射波をデータ収録することが可能となる。

上記超音波探傷装置では、前記探傷条件決定部によって決定された前記探傷条件で、検査対象物の超音波探傷を行う場合において、前記送受信制御部が、前記送信用振動子の入射角及び前記受信用振動子の屈折角の少なくともいずれか一方を所定の角度間隔で変化させ、このときに受信された反射波に基づいて欠陥の解析を行うこととしてもよい。

このような構成によれば、探傷条件決定部により決定された最適な探傷条件（振動子の位置、入射角、屈折角度等）を用いて検査対象物に対する超音波探傷を行う。この場合において、送受信制御部は、送信用振動子の入射角、受信用振動子の屈折角の少なくともいずれか一方を所定の角度間隔で変化させる。これにより、実機とテストピースとで固体差があったとしても、実機における最適な条件下における反射波を受信することが可能となる。この結果、探傷精度を向上させることができる。

本発明によれば、超音波探傷の探傷条件を容易に決定することができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る超音波探傷装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示したブロック図である。
図１に示すように、超音波探傷装置１０は、複数の振動子１１を備えたプローブ１２と、このプローブ１２を制御する制御部２０とを備えている。

本実施形態において、振動子１１は、２次元状に配置されている。各振動子１１は、圧電素子からなり、電気信号に応じた振動を発するとともに、外部から受けた振動に応じた電気信号を発する。これら振動子１１は、超音波を送信するときの入射角度、反射波を受信するときの屈折角度がいずれも可変とされている。入射角度、屈折角度は、後述する制御部２０によってそれぞれ調整される。

制御部２０は、振動子走査部２１、送受信制御部２２、データ収録部２３、探傷条件決定部２４、及び解析部２５を主な構成として備えている。
振動子走査部２１は、２次元状に配置された複数の振動子１１のうち、少なくとも一つの振動子１１を送信用振動子として選択するとともに、送信用振動子の各々と一対となる少なくとも一つの受信用振動子を選択し、これら送信用振動子および受信用振動子として選択する振動子１１を順次切り替える。

送受信制御部２２は、振動子走査部２１により選択された送信用振動子に対して駆動用電気信号を与えることにより、送信用振動子から超音波をテストピース内に送信させる。また、送受信制御部２２は、受信用振動子によって受信された反射波、つまり、上記送信用振動子から送信され、テストピース内に形成された人工欠陥によって反射された反射波に対応する電気信号を受信する。送受信制御部２２により受信された反射波に対応する電気信号は、このときの送信振動子と受信振動子との組み合わせを含む探傷条件に対応付けられてデータ収録部２３に記録される。

探傷条件決定部２４は、データ収録部２３に蓄積された上記電気信号を解析することにより、最も好ましい反射波の電気信号を特定し、この電気信号に対応付けられている探傷条件を最適な探傷条件として決定する。
解析部２５は、実機、つまり、検査対象物に対する探傷検査において得られた反射波に対応する電気信号を解析することにより、検査対象物に発生している亀裂等の欠陥のサイジング、例えば、位置検出、大きさ検出等を行う。

次に、このような構成を備える超音波探傷装置１０によって、テストピースの特定の位置における最適な探傷条件を決定する探傷条件決定方法について説明する。
まず、検査対象物と同じ材質のテストピースを用意し、このテストピースの所定の位置に、検査対象物に実際に発生する亀裂と同様の手順により亀裂を人工的に形成する。例えば、薬品をテストピースの所定の位置に含浸させることにより、実際に発生する亀裂と同じような擬似亀裂を生じさせる。
続いて、このテストピースにプローブ１２をセットし、この状態で超音波探傷装置１０を起動させる。
図２は、テストピース上にプローブ１２をセットしたときのテストピースの断面図を示した図である。図２において、符号Ｓは部材Ｓ１と部材Ｓ２とを接合するステンレス等の接合部である。符号Ｇは、接合部Ｓに人工的に形成された亀裂である。

この状態において、まず、制御部２０の振動子走査部２１は、送信用振動子として駆動させる振動子の領域を選定する。ここでは、図３に示すように、右端の３行４列の領域Ａを選定する。
続いて、振動子走査部２２は、受信用振動子として駆動させる振動子の領域を選定する。ここでは、図３に示す左端の３行４列の領域ａを選定する。

次に、振動子走査部２１は、領域Ａ内に属する振動子の中から送信用振動子を選択する。ここでは、図４に示すように、送信用振動子として、１行目に配置された３つの振動子１１からなる振動子群Ａ１を送信用振動子として選択する。
続いて、振動子走査部２１は、領域ａ内に属する振動子の中から受信用振動子を選択する。ここでは、図４に示すように、受信用振動子として、１行目の３つの振動子１１からなる振動子群ａ１を受信用振動子として選択する。

このようにして、送信用振動子、受信用振動子が選択されると、これらの情報が送受信制御部２２に与えられる。送受信制御部２２は、送信用振動子として選択された振動子群Ａ１を構成する各振動子１１に駆動用電気信号をそれぞれ与えることで、各超音波１１から超音波を送信させる。これにより、図５に示すように、各振動子１１から送信された超音波の合成波である超音波ビームがテストピースの接合部Ｓ内の所定の位置において反射され、この反射波が受信用振動子として選択された振動群ａ１を構成する各々の振動子１１によって受信される。

この場合において、送受信制御部２２は、振動子群Ａ１の各振動子１１が送信する超音波の入射角度を所定の角度間隔で変化させことにより、振動子群Ａ１が送信した超音波ビームの集束位置をテストピースの接合部Ｓ内で上下左右に少しずつ移動させる。これにより、少しずつずれた位置で反射された反射波を受信用振動子ａ１によってそれぞれ受信させることが可能となる。

このようにして、受信用振動子ａ１によって受信された反射波に対応する電気信号は、この電気信号が受信されたときの送信用振動子Ａ１および受信用振動子ａ１の組合せ、並びに、超音波ビームの入射角度、及び、反射波の屈折角度等の各種情報からなる探傷条件に対応付けられてデータ収録部２３に記録される。

振動子群Ａ１と振動子群ａ１による超音波探傷が一通り終わると、振動子走査部２１は、送信用振動子および受信用振動子として次の振動子群、例えば、図６に示すように、今まで選択していた振動子群Ａ１，ａ１にそれぞれ隣接する２行目の振動子群Ａ２、ａ２を選択する。これにより、振動子群Ａ２、振動子群ａ２による超音波探傷が同様の手順で行われ、そのときの反射波の電気信号が探傷条件に対応付けられてデータ収録部２３に記録される。

このようにして、送信用振動子および受信用振動子が順次切り替えられることにより、領域Ａ及び領域ａ内における全ての振動子を選択し終わると、振動子走査部２１は、領域Ａ及び領域ａとして異なる領域を選定する。ここでは、図７に示すように、領域Ａに代えて、領域Ａに隣接する３行４列の領域Ｂを選定するとともに、領域ａに代えて、領域ａに隣接する３行４列の領域ｂを選定する。

そして、これら領域Ｂ、ｂについても、上述した領域Ａ，ａと同様の手順で送信用振動子及び受信用振動子が順次切り替えられるとともに、そのときの探傷結果が探傷条件に対応付けられてデータ収録部２３に記録される。

このようにして、異なる複数の探傷条件下における反射波の電気信号が取得されてデータ収録部２３に記録されると、探傷条件決定部２４は、これらの電気信号に基づいて最適な探傷条件を決定する。具体的には、探傷条件決定部２４は、データ収録部２３に記録された電気信号の中から最もＳＮ比の高い電気信号を抽出し、この電気信号が得られたときの探傷条件を最適な探傷条件として決定する。
そして、この最適な探傷条件が以下に示すように、実際の検査対象物における超音波探傷検査で用いられることとなる。

上記探傷条件決定部２４によって決定された探傷条件を適用して、検査対象物の検査を行う場合、検査対象物にプローブ１２を設定した状態において、送受信制御部２２は最適な探傷条件における送信用振動子と受信用振動子とを駆動させる。例えば、最適な探傷条件として、送信用振動子として振動子群Ａ２が、受信用振動子ａ２が選定された場合、送受信制御部２２は、振動子群Ａ２に対して駆動用電気信号を与える。なお、このときの駆動用電気信号は、最適な探傷条件である入射角で超音波を送信させる信号とされている。
この結果、最適な入射角で振動子群Ａ２から超音波ビームが検査対象物に送信される。この超音波ビームは、集束位置における欠陥の状態に応じて反射され、この反射波が最適な探傷条件とされたときの振動子群ａ２により受信される。

この反射波に対応する電気信号は、送受信制御部２２により受信され、解析部２３に出力される。解析部２３は、この電気信号を解析することにより、当該超音波ビームの集束位置における欠陥の有無、また、欠陥が発生していた場合には、その大きさ、形状等を特定する。このように、検査対象物と同じ材質で作成されたテストピースにおいて最適な探傷条件として決定された探傷条件下で、実際の検査対象物に対して超音波探傷検査を行うので、検査精度を向上させることが可能となる。

なお、上記実機検査においては、図８に示すように、送受信制御部２２が上記振動子群Ａ２から送信する超音波の入射角度、並びに、振動子群ａ２における屈折角度を所定の角度間隔で変化させることとしてもよい。このように、実機検査において、入射角および屈折角についても所定の角度間隔で変化させることにより、探傷条件を微調整することができる。

そして、このように探傷条件を調整したときにおける反射波の電気信号を比較し、最もＳＮ比の高い電気信号を用いて欠陥の解析を行うことで、検査精度を更に向上させることが可能となる。このように、実機において、最適な探傷条件として決定された探傷条件を調整しながら超音波探傷を行い、そのときの結果を比較して欠陥の解析を行うので、実機とテストピースとにおける個体差による検査誤差を解消し、欠陥の解析を高い精度で行うことが可能となる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る超音波探傷装置によれば、最適な探傷条件を決定する場合において、送信用振動子と受信用振動子とが自動的に順次切り替えられるので、異なる複数の位置から超音波を自動で送信させることができるとともに、異なる複数の位置で反射波を受信することができる。これにより、検査員の手を煩わせることなく、さまざまな探傷条件下における反射波を容易にデータ収録することが可能となる。そして、この結果に基づいて、最適な探傷条件を抽出することができる。

更に、各送受信位置において、入射角度と屈折角度とを変化させることにより、更に細かい探傷条件を決定することが可能となる。これにより、検査精度を更に向上させることができる。

また、上記最適な探傷条件を適用して検査対象物の探傷検査を行う場合においても、超音波の入射角度および屈折角度を所定の角度間隔で変化させることにより、探傷条件を調整するので、テストピースと実機との誤差を解消でき、実機に最適な探傷条件下における探傷結果を得ることができる。これにより、欠陥の解析を高い精度で行うことができる。

なお、本実施形態においては、領域Ａ、ａを選定した後に、この領域Ａ，ａとは重ならない領域Ｂ、ｂを選定していたが、これに代えて、図９に示すように、例えば、領域Ａ、ａを１列分ずらした領域Ｃ，ｃを選定することとしてもよい。このように、１列ずつ領域をずらすことにより、より細やかな探傷条件下における探傷結果を得ることができる。

また、本実施形態においては、上述のように領域を選定していたが、この領域の選定は、省略することが可能である。例えば、これらの領域を定めずに、２次元状に配置された複数の振動子の中から任意に送信用振動子及び受信用振動子を選択することとしてもよい。また、一度選択した振動子を複数回にわたって選択することも可能である。
更に、各振動子は、送信用振動子および受信用振動子のいずれにも適用することができるので、送信用振動子として選択した振動子を、その後、受信用振動子として再度用いることとしてもよい。

また、送信用振動子および受信用振動子を選択する順序は、上記例に限られず、例えば、選択順序を予め登録しておき、この順序に基づいて振動子の選択をすることとしてもよい。このとき、上述した実施形態のように、隣接する振動子を順次選択するような走査方法のほか、ランダムに振動子を順次選択するような選択方法としてもよい。

また、本実施形態では、１行３列からなる３つの振動子を１セットとして取扱い、３つの振動子から超音波を送信させることとしたが、同時に駆動させる、つまり、略同時に超音波を送信させる振動子の数については限定されない。例えば、１つずつ駆動することとしてもよいし、ｎ×ｍからなる２次元的に配置された振動子を同時に駆動させることとしてもよい。

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。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示した図である。テストピースにプローブを設置したときの断面図である。領域の設定について説明するための図である。送信用振動子及び受信用振動子の選択について説明するための図である。送信用振動子から超音波が送信され、その反射波が受信用振動子によって受信されたときの状態を説明するための図である。送信用振動子及び受信用振動子の選択について説明するための図である。領域の設定及び送信用振動子及び受信用振動子の選択について説明するための図である。検査対象物の探傷検査において、入射角および屈折角を変化させた場合を説明するための図である。領域の他の選定例を示した図である。

符号の説明

１０超音波探傷装置
１１振動子
１２プローブ
２０制御部
２１振動子走査部
２２送受信制御部
２３データ収録部
２４探傷条件決定部
２５解析部

Claims

２次元状に配置された複数の振動子を備えるプローブと、
複数の前記振動子のうち、少なくとも一つの振動子を送信用振動子として選択するとともに、前記送信用振動子の各々と一対となる少なくとも一つの受信用振動子を選択し、前記送信用振動子および前記受信用振動子として選択する振動子を順次切り替える振動子走査部と、
テストピース内の特定の位置に形成された人工欠陥に向けて前記送信用振動子から超音波を送信させるとともに、前記人工欠陥にて反射された反射波を前記受信用振動子により受信させる送受信制御部と、
前記受信用振動子によって受信された反射波の電気信号をそのときの送信用振動子および受信用振動子の組み合わせの情報を含む探傷条件と対応付けて蓄積するデータ収録部と、
前記データ収録部に蓄積されたデータを解析することにより、最適な探傷条件を決定する探傷条件決定部と
を具備する超音波探傷装置。
前記送受信制御部は、前記送信用振動子から送信させる超音波の入射角および前記受信用振動子により受信させる反射波の屈折角の少なくともいずれか一方を所定の角度間隔で変化させる請求項１に記載の超音波探傷装置。
前記探傷条件決定部によって決定された前記探傷条件で、検査対象物の超音波探傷を行う場合において、
前記送受信制御部は、前記送信用振動子の入射角及び前記受信用振動子の屈折角の少なくともいずれか一方を所定の角度間隔で変化させ、このときに受信された反射波に基づいて欠陥の解析を行う請求項１または請求項２に記載の超音波探傷装置。