JPH09257759A - Ｃスキャン超音波探傷方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧延金属板の切出しサンプルのなかの10〜 1
00μm 程度の内部欠陥の検出に用いるのに好適なＣスキ
ャン超音波探傷方法および装置を提供する。 【解決手段】 超音波送信子21からの線状に集束した超
音波ビームと超音波受信子22の線状に集束した受信ビー
ムとが重なるようにして探傷する第１の工程と、超音波
送信子21からの線状に集束した超音波ビームと超音波受
信子22の線状に集束した受信ビームとが直交するように
して探傷する第２の工程とを組み合わせることにより、
被検査板10の内部欠陥を表面近傍の不感帯なしで、形態
まで含め検出可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、Ｃスキャン超音
波探傷方法および装置に係り、特に圧延金属板の切出し
サンプルのなかの10〜 100μm 程度の内部欠陥の検出に
用いるのに好適なＣスキャン超音波探傷方法および装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車や缶などの素材となる薄鋼
板は、軽量化、素材コストの削減などの要請で薄肉化が
進むととともに、部品点数を削減して製作コストを低減
するため、プレス、絞り等の加工において素材の著しい
変形を伴う強い加工が施されるようになっている。鋼板
に強い加工を施すとき、変形の著しい部分に非金属介在
物等からなる内部欠陥が存在すると割れが発生するが、
鋼板の肉厚が小さいほど内部欠陥による割れの発生は顕
著となり、かつ、割れの原因となる内部欠陥のサイズも
微小化する。また、欠陥の形態と割れの発生にも関係が
あり、欠陥形態として球状の単体、一方向に伸延した単
体、微小球状欠陥の集合体などがあるが、それぞれによ
って割れの発生しやすさには違いがみられる。また、サ
ワーガス用のラインパイプに用いられる厚鋼板など使用
条件の厳しい製品も増加し、10μm以上の大きさから水
素誘起割れの原因となって有害とされ、欠陥形態によっ
ても水素誘起割れの発生しやすさは相違する。このよう
なことから、前記した鋼板では内部欠陥を極力少なくす
ること、欠陥形態を割れの発生しにくいものとすること
などが要求され、製品の内部欠陥の発生レベルおよびそ
の形態を微小欠陥まで含め評価することが必要になって
いる。

【０００３】このような鋼板の内部欠陥検出およびその
形態の評価手段として、製品の一部をサンプルとして切
出し、このサンプルのなかの内部欠陥をＣスキャン超音
波探傷装置と称される装置を用いて探傷することが広く
用いられてきた。図６に従来のＣスキャン超音波探傷装
置による探傷法を示す。すなわち、溶媒液中に浸漬され
た被検査板101 の上方の点集束型超音波送受信子102
は、コントローラ114 の信号によって移動する走査装置
104 によって走査され、かつ電気パルス発生器116 から
一定時間間隔で送信される電気パルスを超音波に変換
し、被検査板101 に向けて略垂直に超音波ビーム103 を
送信するとともに、被検査板101 の内部欠陥、表面およ
び裏面などの反射波を受信し、電気信号に変換する。受
信した信号は受信増幅器111 で増幅され、ゲート回路11
2 で欠陥からの反射波が抽出される。抽出された信号は
ピーク値検出回路113 に送られ、ここで欠陥反射波の振
幅が検出され、コントローラ114 に送信される。コント
ローラ114 は前記欠陥反射波の振幅と前記走査装置104
の位置信号とを表示器115 に出力し、表示器115 は内部
欠陥の２次元分布図を表示し、このようにして内部欠陥
を検出する。

【０００４】このような１つの点集束型の超音波送受信
子102 で被検査板101 に略垂直に超音波を送信し、被検
査板からの反射波を受信して欠陥を検出する方法では、
超音波ビームが表面に入射したとき、大振幅であり、か
つ、残響がしばらく持続する表面反射波が発生するた
め、表面近傍の欠陥反射波が前記表面エコーあるいはそ
の残響と重なり、その存在が識別できなくなり、表面近
傍の欠陥が検出できないという問題があった。

【０００５】また、Ｃスキャン超音波探傷方法あるいは
装置に関する従来技術としては、高周波の超音波を用い
る特開昭59−17153 号公報あるいは特開平５−333000号
公報が挙げられる。前者は30〜100MHz、後者は15〜50MH
z の何れも高周波数の超音波を用いビーム径を小さくす
ることにより、分解能を向上させ、内部欠陥の検出能を
向上させたものである。また、後者は、超音波周波数、
焦点距離および被検査板と焦点位置との関係を最適化す
ることにより、表面近傍に存在する微小欠陥の検出を確
実にし、探傷結果の定量的評価を可能としたものであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平５−33
3000号公報では表面直下の不感帯が低減されているとは
いえ、皆無とは言えず、垂直探傷法によるＣスキャン超
音波探傷には依然として表面近傍に存在する微小欠陥が
検出できないという問題が残されている。また、点集束
型の送受信子を用いたＣスキャン超音波探傷では、超音
波送受信子を２次元的に走査して内部欠陥の検出を行う
ため、探傷に時間がかかるという問題点がある。

【０００７】ところで、本発明者らは、既に特開平７−
253414号公報において、被検査板を挟んでラインフォー
カス超音波送信子と前記超音波ビームの幅方向に複数の
超音波振動子を並べてなる１次元アレー型超音波受信子
とを対向配置し、前記送信子から帯状超音波ビームを被
検査板に向けてほぼ垂直に送信し、被検査板に入射した
超音波によって生起された内部欠陥からの反射波を前記
１次元アレー型超音波受信子によって受信し、受信され
た超音波を増幅し、反射波のみを抽出した後に所定の振
幅に達した反射波の有無を検出することを特徴とする超
音波探傷方法および装置を提案し、これにより、表面直
下の不感帯なしに、板厚方向の全域にわたり一度に一定
幅の線状の領域を高速に探傷することが可能になった。

【０００８】しかしながら、この方法では、微小な欠陥
までその有無は明瞭にわかるものの、送受信する超音波
が２次元的に集束していないため、集束していない超音
波ビームの幅方向の分解能が低く、欠陥の形態を判別す
ることができないという問題があった。この発明は、前
記したような従来技術の有する課題を解消すべくなされ
たもので、Ｃスキャン超音波探傷において、被検査板の
表面近くの不感帯がなく、板厚方向全断面の探傷が高速
にでき、かつ、微細な内部欠陥の形態まで検出すること
が可能なＣスキャン超音波探傷方法および装置を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、液中に浸漬さ
れた被検査板を挟んで、ラインフォーカス型の超音波送
信子とラインフォーカス型の超音波受信子とを対向配置
して走査するとともに、前記超音波送信子から線状に集
束した超音波ビームを被検査板内に略垂直に入射し、前
記超音波ビームの透過波と前記超音波ビームによって生
起された内部欠陥からの反射波とを前記超音波受信子で
受信し、受信された信号に基づいて被検査板の内部欠陥
を検出する方法であって、前記超音波送信子からの線状
に集束した超音波ビームと前記超音波受信子の線状に集
束した受信ビームとが重なるようにして探傷する第１の
工程と、前記超音波送信子からの線状に集束した超音波
ビームと前記超音波受信子の線状に集束した受信ビーム
とが直交するようにして探傷する第２の工程と、からな
ることを特徴とするＣスキャン超音波探傷方法である。

【００１０】また、本発明は、被検査板の表面に超音波
を略垂直に送信するラインフォーカス型の超音波送信子
と、被検査板を挟んで前記超音波送信子と対向する位置
に配置し、超音波の反射波と、超音波によって生起され
た内部欠陥からの反射波とを受信するラインフォーカス
型の超音波受信子と、前記超音波送信子からの線状に集
束した超音波ビームと前記超音波受信子の線状に集束し
た受信ビームとを重なる位置から直交する位置にまで、
前記超音波送信子および／または前記超音波受信子を回
転する回転機構と、前記超音波送信子と前記超音波受信
子とを被検査板を挟んで支持する支持アームと、該支持
アームを走査する走査装置と、前記超音波受信子からパ
ルス状の超音波ビームを送信するための電気パルスを発
生する電気パルス発生装置と、前記超音波受信子からの
受信信号を増幅する受信増幅器と、増幅された信号から
内部欠陥からの反射波を抽出するゲート手段と、を備え
たことを特徴とするＣスキャン超音波探傷装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を詳細に説明する。図１は本発明の構成と第１の工程
のビームの状態を示す、一部斜視図を含むブロック線図
であり、図２は本発明の第２の工程のビームの状態を示
す斜視図である。

【００１２】これらの図において、21は振動子幅がＷと
されるラインフォーカス型の超音波送信子（以下、単に
超音波送信子という）、22は同じく振動子幅がＷとされ
るラインフォーカス型の超音波受信子（以下、単に超音
波受信子という）で、薄鋼板の被検査板10を挟んで対向
配置される。23は超音波送信子21、超音波受信子22を支
持するコの字状の支持アームである。24は超音波受信子
22と支持アーム23との間に介装されて超音波受信子22を
90°回転させるための回転機構である。25は支持アーム
23を走査する走査装置である。なお、超音波送信子21お
よび超音波受信子22と被検査板10との間には、超音波伝
播媒質として好適に使用される水が介在されている。

【００１３】31は内蔵したクロック回路（図示せず）か
ら、一定の時間間隔で電気パルスを超音波送信子21に内
蔵した圧電振動子（図示せず）に送信する電気パルス発
生器である。32は超音波受信子22からの信号を受信する
受信増幅器、33はゲート回路、34はピーク値検出回路、
35はコントローラ、36は表示器、37はメモリ装置であ
る。

【００１４】超音波送信子21は、電気パルス発生器31か
ら一定の時間間隔で送信された電気パルスを超音波に変
換し、水を介して被検査板10に略垂直に送信ラインフォ
ーカスビーム（以下、単に送信ビームという）40を送信
する。超音波受信子22は、被検査板10に入射した超音波
によって生起された内部欠陥からの反射波を受信ライン
フォーカスビーム（以下、単に受信ビームという）50に
よって水を介して受信する。受信増幅器32で増幅された
受信信号はゲート回路33に送られ、ゲート回路33は内部
欠陥からの反射波を、前記受信信号から抽出する。抽出
した信号はピーク値検出回路34に送信され、ピーク値検
出回路34では前記反射波の振幅を検出して、アナログ量
またはディジタル量としてコントローラ35に出力する。
そして、支持アーム23はコントローラ35からの信号で駆
動される走査装置25によって走査され、これによって対
向配置された超音波送信子21と超音波受信子22を被検査
板10の面を方形走査し、その内部欠陥を探傷する。

【００１５】そこで、探傷の第１の工程では、図１に示
したように、超音波受信子22の受信ビーム50は超音波送
信子21から送信される送信ビーム40と平行になるように
され、ラインフォーカスビームの幅Ｗをインデックス送
り量として２次元走査がなされる。このとき、コントロ
ーラ35は欠陥反射波の振幅と走査装置25の位置信号とを
表示器36に出力し、内部欠陥の２次元分布図を作成する
とともに、一定のしきい値以上の振幅の欠陥反射波が検
出された位置をメモリ装置37に記憶する。

【００１６】次に、探傷の第２の工程では、図２に示す
ように、支持アーム23と超音波受信子22との間に介装さ
せた回転機構24によって超音波受信子22を90°回転さ
せ、超音波受信子22の受信ビーム50が超音波送信子21か
ら送信される送信ビーム40と直交するようにし、メモリ
装置37に記憶された内部欠陥の位置の近傍で微小な測定
ピッチ、たとえば0.1mm 以下（検出すべき内部欠陥の大
きさにより変える）で２次元走査がなされる。このと
き、コントローラ35は欠陥反射波の振幅と走査装置25の
位置信号とを表示器36に出力し、内部欠陥の形態を示す
２次元分布図を作成する。この第２の工程は、探傷の第
１の工程で検出された欠陥すべてについて実施がなされ
ることにより、内部欠陥を形態まで含め、検出すること
が可能となる。

【００１７】ここで、内部欠陥が、図３に示すように被
検査板10の表面近く、すなわち被検査板10の表面11から
の距離ｄがｔ／２（ｔ；被検査板10の厚さ）以下に存在
する場合の検出方法について、具体的に説明する。すな
わち、超音波送信子21から送信された超音波の送信ビー
ム40は、水中を伝播し、被検査板10の表面11に達する
と、被検査板10に入射し、その内部に伝播する。このと
き、被検査板10の内部に伝播した超音波は、内部欠陥13
が超音波の伝播経路に存在すると、最初に該内部欠陥13
で１回反射し、表面11に向かい、表面11で反射して、被
検査板10の厚さｔ内を１回（ 0.5往復または片道）伝播
し、裏面12から水中に伝播して超音波受信子22に受信さ
れる反射波52と、最初に被検査板10の厚さｔ内を１回
（ 0.5往復または片道）伝播し、裏面12で反射し、内部
欠陥13に向かい、内部欠陥13で１回反射した後、裏面12
から水中に伝播し受信される反射波53が生起される。な
お、上記の反射波52および53は、さらに裏面12で１回以
上反射し、被検査板10の厚さｔ内を１往復以上して、超
音波受信子22に受信される反射波が生起されるが、図示
を略した。

【００１８】前出の図３に示したように、内部欠陥13が
被検査板10の表面11の近く、すなわち表面からの距離ｄ
がｔ／２以下に存在する場合は、反射波53が反射波52よ
りも遅れて超音波受信子22に達することになる。さら
に、超音波受信子22で受信される信号の時間的な動きに
ついて、図４で説明する。この図４において、符号51は
被検査板10の厚さｔ内を１回（ 0.5往復または片道）伝
播した直接透過波の信号であり、符号54は被検査板10の
厚さｔ内を１回（ 0.5往復または片道）伝播し、さらに
被検査板10を１往復した２次透過波の信号である。ま
た、τ₀ は被検査板10の厚さｔ内を１回（ 0.5往復また
は片道）伝播した直接透過波51が超音波受信子22に到達
した時刻、τ₁ は超音波が被検査板10の厚さｔを伝播す
るのに要する時間である。

【００１９】符号52，53は前記したように内部欠陥13に
よる反射波であり、反射波53の伝播距離が反射波52の伝
播距離よりも大きいために、反射波53が遅れて受信され
る。この図より、内部欠陥13による反射波53は被検査板
10の厚さｔ内を１回（ 0.5往復または片道）伝播した直
接透過波51が超音波受信子22に到達した時刻τ₀ から超
音波が被検査板10の厚さｔを伝播するのに要する時間τ
₁ 経過した以後であって、直接透過波51およびその残響
による不感帯領域から外れたところに現れ、かつ、時刻
τ₀ から（２×τ₁ ）経過以前であって、２次透過波54
よりも早い時間に現れる。また、内部欠陥が表面に近く
なるほどτ₂ （τ₂ ；超音波が被検査板10中を距離２ｄ
だけ伝播するのに要する時間）が小さくなるが、２次透
過波54よりも早い時間に現れる。そのため、内部欠陥13
が表面の直下に存在しても、本発明により、内部欠陥13
による反射波53を明瞭に識別して抽出できるので、確実
に内部欠陥の検出が可能である。

【００２０】以上は、内部欠陥13が表面近くに存在する
場合について説明したが、次に裏面12の近く、すなわち
表面11からの距離ｄがｔ／２以上に存在する場合につい
て説明する。この場合、図４と異なり内部欠陥による反
射波52の伝播距離が反射波53の伝播距離よりも大きくな
るので、反射波52が遅れて受信される。この反射波52が
前述したと同様に、直接透過波51による不感帯領域から
外れたところに現れ、また、２次透過波54よりも早い時
間に現れる。そのため、内部欠陥13が裏面12の直下に存
在しても、本発明により、内部欠陥13による反射波52を
明瞭に識別して抽出できるので内部欠陥13が検出できる
のである。このことから、内部欠陥13が表面の直下およ
び裏面の直下を含むいずれの位置にあっても、本発明に
よれば、表面の不感帯がなく、内部欠陥からの反射波を
明瞭に識別して抽出できるので、内部欠陥を確実に検出
できるのである。

【００２１】このようにして、探傷の第１の工程におい
ては、内部欠陥13の検出のみを目的とし、超音波送信子
21から送信される送信ビーム40と超音波受信子22の受信
ビーム50が平行に重なるようにして探傷を行う。両ビー
ムが重なりあっている部分の内部欠陥を検出できるの
で、１回の超音波送受信で両ビームが重なりあっている
領域の探傷が可能である。例えば、周波数25MHz 、振動
子幅６mmのラインフォーカス型の超音波送信子21および
超音波受信子22を用いると、探傷し得る幅も約６mmとな
る。ところで、通常の点集束型超音波送受信子を用いた
Ｃスキャン探傷では、ｙ方向に測定ピッチ0.1mm 以下で
２次元走査する必要があり、60回以上のストローク走査
が必要である。したがって、本発明の第１の探傷の工程
では、従来法に比べ、１／60以下の短時間で高速に欠陥
の検出が可能である。

【００２２】しかし、この第１の工程のみでは、送受信
する超音波ビームが２次元的には集束していないため、
集束していない方向での分解能が低く、欠陥の有無は明
瞭にわかるものの、欠陥の形態まで検出することはでき
ない。そこでこの発明では、探傷の第２の工程におい
て、超音波受信子22を90°回転して超音波送信子21から
送信される送信ビーム40と超音波受信子22の受信ビーム
50が直交するようにして、前記第１段階の探傷において
欠陥が検出された部位の近傍のみの探傷を行う。この場
合、ラインフォーカスビームの交差によって、超音波ビ
ームを２次元的に集束させるのと同様の分解能が得られ
るので、欠陥の形態まで分解能よく検出することが可能
になる。この第２の工程では、ラインフォーカスビーム
の交差点を被検査板10に対して、例えば測定ピッチ0.1m
m 以下で２次元走査する必要があるが、探傷の第１の工
程で検出された内部欠陥10の近傍のみでこの走査を行え
ばよいので、走査が必要な領域の面積は小さく、被検査
板全面を２次元走査する場合の所要時間よりもはるかに
少ない時間で探傷が可能である。

【００２３】なお、上記の態様は、超音波受信子22を回
転機構24を介して支持アーム23に取り付け、探傷の第１
の工程が終了した後、超音波受信子22を90°回転させた
後に第２の工程を行う場合について説明したが、本発明
はこれに限られるものでなく、超音波送信子21を回転機
構24を介して支持アーム23に取り付けて超音波送信子21
を回転させるようにしてもよい。

【００２４】また、回転機構24は、図示しない駆動装置
によって超音波送信子21または超音波受信子22を回転さ
せるものでもよい。また、回転機構24は手動によって超
音波送信子21または超音波受信子22を90°回転可能なよ
うに支持アーム23に超音波送信子21または超音波受信子
22を取り付けたものでもよい。また、上記の例では支持
アーム23により被検査板10に対して対向配置された超音
波送信子21と超音波受信子22を走査するようにしたが、
被検査板10を走査するように構成してもよいことはいう
までもない。

【００２５】

【実施例】厚さ 4.0mmの薄鋼板を探傷する際に、本発明
を適用した。このとき、超音波送信子21および超音波受
信子22には、ラインフォーカス型で超音波の周波数が25
MHz 、振動子幅Ｗが６mm、水中での焦点距離Ｆが38mmの
ものを用いた。そして、まず、超音波送信子21から送信
される送信ビーム40と超音波受信子22の受信ビーム50が
平行に重なるようにして探傷を行った。このときの超音
波送信子21と超音波受信子22との位置関係は、図５に示
すように、超音波送信子21と被検査板10である薄鋼板と
の距離Ｌ₁ を11mm、また超音波受信子22と薄鋼板との距
離Ｌ₂ を11mmとし、送信ビーム40の振動子幅と受信ビー
ム50の振動子幅を一致させるようにして設置した。

【００２６】この第１工程の探傷を行った後、回転機構
24を操作して超音波受信子22を90°回転させて、送信ビ
ーム40と受信ビーム50とを直交させ、第１工程で検出さ
れた欠陥の近くを測定ピッチ 0.002mmとして第２工程の
探傷を行った。その結果、欠陥の厚さ方向の位置によら
ず、10μｍφの円盤状の超微小欠陥を形態まで含めて検
出することができた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、圧延金属板などの被検査板のなかの微細な介在物等
の内部欠陥を、表面近くの不感帯なく、短時間で検出す
ることが可能となり、また、欠陥の形態も詳細に評価で
きるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成と第１の工程のビームの状態を示
す一部斜視図を含むブロック線図である。

【図２】本発明の第２の工程のビームの状態を示す斜視
図である。

【図３】内部欠陥からの反射波の伝播経路を示す断面図
である。

【図４】受信される超音波信号と時間との関係を示す説
明図である。

【図５】本発明の超音波送信子と超音波受信子の位置関
係を示す説明図である。

【図６】従来例を示す一部斜視図を含むブロック図であ
る。

【符号の説明】

10 被検査板 11 表面 12 裏面 13 内部欠陥 21 超音波送信子（ラインフォーカス型の超音波送信
子） 22 超音波受信子（ラインフォーカス型の超音波受信
子） 23 支持アーム 24 回転機構 25 走査装置 31 電気パルス発生器 32 受信増幅器 33 ゲート回路 34 ピーク値検出回路 35 コントローラ 36 表示器 37 メモリ装置 40 送信ビーム（送信ラインフォーカスビーム） 50 受信ビーム（受信ラインフォーカスビーム） 51 直接透過波 52 内部欠陥からの反射波 53 内部欠陥からの反射波 54 ２次透過波

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液中に浸漬された被検査板を挟んで、ラ
   インフォーカス型の超音波送信子とラインフォーカス型
   の超音波受信子とを対向配置して走査するとともに、前
   記超音波送信子から線状に集束した超音波ビームを被検
   査板内に略垂直に入射し、前記超音波ビームの透過波と
   前記超音波ビームによって生起された内部欠陥からの反
   射波とを前記超音波受信子で受信し、受信された信号に
   基づいて被検査板の内部欠陥を検出する方法であって、 前記超音波送信子からの線状に集束した超音波ビームと
   前記超音波受信子の線状に集束した受信ビームとが重な
   るようにして探傷する第１の工程と、前記超音波送信子
   からの線状に集束した超音波ビームと前記超音波受信子
   の線状に集束した受信ビームとが直交するようにして探
   傷する第２の工程と、からなることを特徴とするＣスキ
   ャン超音波探傷方法。
2. 【請求項２】 被検査板の表面に超音波を略垂直に送信
   するラインフォーカス型の超音波送信子と、 被検査板を挟んで前記超音波送信子と対向する位置に配
   置し、超音波の反射波と、超音波によって生起された内
   部欠陥からの反射波とを受信するラインフォーカス型の
   超音波受信子と、 前記超音波送信子からの線状に集束した超音波ビームと
   前記超音波受信子の線状に集束した受信ビームとを重な
   る位置から直交する位置にまで、前記超音波送信子およ
   び／または前記超音波受信子を回転する回転機構と、 前記超音波送信子と前記超音波受信子とを被検査板を挟
   んで支持する支持アームと、 該支持アームを走査する走査装置と、 前記超音波送信子からパルス状の超音波ビームを送信す
   るための電気パルスを発生する電気パルス発生装置と、 前記超音波受信子からの受信信号を増幅する受信増幅器
   と、 増幅された信号から内部欠陥からの反射波を抽出するゲ
   ート手段と、を備えたことを特徴とするＣスキャン超音
   波探傷装置。