JPS59116541A - 電子セクタ−、電子リニア走査併用による角鋼片の探傷法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、角鋼片の表面皮下を含む内部欠陥を有効に検
出するための超音波探傷法に関するもの探傷を可能なら
しめることを目的としている。

線材、棒鋼の二次加工段階では、近年省力・省エネルギ
・コストダウンを目的とした工程省略が進められてお９
、線材、棒鋼に対する加工条件は過酷になる一方である
。そのため線材、棒鋼の内部に存在する微細な介在物に
起因する冷間鍛造時、の加工割れ、伸線時の断線が問題
化され、この対策として、製銑、製鋼段階での介在物の
除去及び混入防止のだめの炉外精錬技術と共に、品質保
証の観点から微細な介在物含有の有無を検出する検査技
術の確立が必要不可欠なものとなってきている。

このための検査技術として、棒鋼製品については棒鋼を
回転させるかもしくは棒鋼の回りを探触子を回転させ乍
ら収束超音波ビームを材中に入射させる超音波探傷法も
知らｎているが、線材製品については径が細いため同様
の探傷法は適用できず、またコイル状にされた最終段階
での全周全長に亘る機器探傷は現状では不可能である。

ところで、問題となる線材、棒鋼中の介在物は、その素
材段階から存在するものであゃ、従って角鋼片の段階で
介在物を検出すれば製品の内部品質を保証することにも
なり、特に線材の場合では製品の内部探傷の代用として
、角鋼片内部の超音波探傷が活用される。そして、この
中間工程への内部探傷の導入は、欠陥鋼片を事前に除去
することができること、また製品段階での探傷に比較し
て被探傷材の長さが短く探傷処理能率が良いこともあっ
て、多大な効用が得られるが、反面その信頼性を確保す
るために微細な介在物に対しても高い検出精度を発揮す
るものであることが要求されている。

従来、角鋼片の超音波探傷法としては、２分割探か子に
より垂直探傷する方法が知られている。

しかしこの方法では、内部に存在する欠陥は検出し得る
が、角鋼片の表面皮下に存在する欠陥は検出できないと
いう大きな問題がある。すなわち、実際に角鋼片から製
品に加工するさい、加工割れ等で問題となる介在物はそ
の表面皮下に存在することが多く、表面皮下を含む内部
欠陥を検出する探傷法の確立が望寸れているためである
。

このような技術的課題に鑑み、本発明は角鋼片の表面皮
下を含む内部欠陥を有効に検出することができる新しい
超音波探傷法を開発したものであって、これによって有
害な欠陥の有無を角鋼片のめたものである。

本発明による超音波探傷法は、要約すると、次のような
技術的手段を結合して構成されるものである。

ａ、電子走査アレイ型探触子を用いて、角鋼片の縦波斜
角探傷を行なうこと。

ｂ、探触子は、角鋼片軸方向に垂直な面内で材表面から
所定の距離だけ離れた位置に材面に対して所定の角度で
固定すること。

Ｃ０超音波ビームを入射面の中央部から入射し、電子セ
クター＋リニア走査することによって１、（Ｄ　、”　
ｋ％る側面の表面層を探傷すること。

以下、上記の本発明に係る探傷手段について、各々詳述
して行く。

先ず本発明で斜角探傷法を導入することについて説明す
る。

従来角鋼片の内部欠陥の探傷には、前述の如く、超音波
垂直探傷法が応用されているが、この場合には第１図に
示すように、探触子（１）から角鋼片（２）に発信され
た超音波（Ｓ）がその入射面で反射エコー（Ｓｌ）、底
面で反射エコー（Ｂｌ）を生じ、表面近傍は不感帯とな
る欠点がある。これに対して斜角探傷法を用いる場合に
は、第２図に示すように、超音波（Ｓ）の入射面からの
反射エコー（Ｓｌ）は相当残存しているが、角鋼片（２
）の側面からの反射エコー（Ｃ２）は下方に進向するた
め、側面では反射エコーによる不感帯を生じない。そこ
で斜角探傷法を用い、その入射面に隣接する側面を探傷
域とすることによって、角鋼片（２）の表面から内部ま
で不感帯なしすることを基本原理とするものである。

次に超音波に縦波を用いることおよび縦波斜角探傷によ
る探傷領域について説明する。

先ず縦波を用いる理由は次の通りである。すなわち、斜
角探傷法に横波を用いた場合では、第８図からも判るよ
うに、屈折角８４°以下では往復通過率が小さいこと、
屈折角８０°〜４０°の範囲で探傷する場合では入射面
の形状、入射角の設定のわずかな誤差によって往復通過
率が激変すること、また往復通過率の変動の少ない屈折
角５０°〜６５°の範囲を使用すると、幾何学的に探傷
領域である入射面に隣接する側面の下方が探傷できない
ことの欠点がある。一方縦波を用いた場合では、屈折角
の変化による往復通過率の変動が比較的少なく連続的で
あることの利点がおり、かかる点から縦波を導入する。

該縦波斜角探傷法を用いてセクター走査する場合の有効
な探傷領域について説明すると、屈折角が大きくなると
横波の影響を受けること（第８図参照）、また側面反射
エコーの受信によシ側表面近傍のＳ／Ｎが低下すること
から、屈折角は最大に限定される。

上記のような斜角探傷法を用いて目的とする角鋼片の全
面全長に亘ってオンラインで探傷するためには、超音波
ビームを高速で走査させなければならない。この場合、
走査方式を大別すると機械的走査と電子走査とに分けら
れるが、後述する如く、高速走査性、指向性、欠陥位置
推定精度等の諸点で、後者の走査方式によるのが遥かに
有利である。また電子走査による場合でも、さらに電子
リニア走査と電子セクター走査とが対比される。

そこで電子走査の原理を下記に概説する。

先ず電子走査アレイ型探触子は、第５図に示すように、
多数の振動子素子（３）を基体（４）平面上に一列に配
列させ、その表面にコーティング（５）を施して構成さ
れる。該探触子からの超音波ビームの制御は、各素子（
３）の送受波のタイミングを遅延時間制御回路で調整す
ることにより行なわれる。例えば第６図（Ｉ）に示すよ
うに遅延時間を設定しない場合には、その超音波ビーム
Ｓは単一の大口径振動子からの波面と等価な波面を形成
するが、この遅延時間を適宜に設定すると、第６図（ｎ
ａ）のようにビームＳを傾けたり、第６図（ＩＩｂ）の
ように絞ったりあるいは第６図（ＩＩＣ）のようにビー
ムＳを絞って傾ける波面を自在に形成することができる
。

このような探触子を電子走査し、超音波ビームを入射面
上に平行移動させるがもしくは振る電子リニアもしくは
セクター走査の特徴を要約すると、次の通シである。

（１）高速走査性 機械的走査に比べて高速走査が容易である。

（ｉ）鋭い指向性 電子走査型探触子は多数の振動子エレメントを同時に動
作させるため、全体としては大口径の振動子と同じでお
り鋭い指向性を有している。

（１）電子収束 電子走査型探触子は、前述の通り、送受波信号に所定の
遅延時間を与えることにより、凹面振動子やレンズ付き
振動子と同様にビームを細く絞り分解能を上げた探傷を
可能にする。そしてこの焦点距離は任意に設定できるた
め、材中の探傷領域にビームを収束させることによって
微小な欠陥の検出精度を向上させることができると同時
に、欠陥位置推定精度も向上する。参考とし′そ、角鋼
片探傷時の超音波ビーム径と０２の横穴に対するＳ／Ｈ
の関係を第７図に示す。

叡）探触子を固定した状態で超音波ビームを走査させる
ことが出来るので、一つの探触子で広い探傷域が得られ
る。

次に、このような特徴を有する電子走査アレイ型探触子
を用いて電子リニア走査する場合と、電子セクター走査
する場合を対比して説明する。

まず電子リニア走査する場合では、探触子（１）を所定
の状態でセットして、第８図（＆）　（１））　（ｅ）
に示すよものである。このさい必要な走査回路例を挙げ
れば、第９図に示す通りである。すなわち、例えば総エ
レメント数６４個のリニアアレイ探触子を１６個のエレ
メントを１セツトとして、探触子（１）と送受信器（６
）とを先に述べた遅延回路（７）に加えてリードリレー
回路（８）を介して接続し、切換スイッチで順次送受信
のエレメントをずらし、超音波ビームを走査するのであ
る。

一方電子セクター走査する場合では、やはり探触子（１
）を所定の状態にセットして、第１０図（ａ）（ｂ）（
Ｃ）傷して行くものである。このさいの必要な走査回路
例を挙げれば、第１１図に示す通りである。すなわち、
例えば総分割エレメント数８２個の探触子（１）と送受
信器（６）とを遅延回路（７）を介して１対１に対応さ
せて接続し、その遅延回路（７）による遅延時間設定を
順次変えることによって、超音波ビームの傾き角を変化
させ、ビームを振る走査をするのである。

しかして本発明では、次のような理由から電子セクター
に電子リニア走査を組み合わせて走査する電子セクター
＋リニア走査を行なうことを特徴とするものである。

上記電子リニア走査と電子セクター走査とを比較すると
、後者は前記のもつ下記の欠点が解消される点で有利な
ものといえる。

（１）電子リニア走査の場合、送受信エレメントを順次
ずらすため、エレメント総数が多くなり全体として振動
子径が大きくなる。

（ｌｉ）切り換えに多数のリレーが必要であり、このリ
レーの寿命が短い。

偵）送受信エレメントを順次ずらすため、送受信器（Ｔ
　／　ＲＵｎｉｔ　）とエレメントが１対１の対応ニナ
ラないため、感度バラツキの調整が困難である。

（ＩＶ）超音波ビームの入射点の移動量が大きいため、
角鋼片の表面凹凸の影響を受は屈折角が変化し、欠陥位
置推定精度が劣化する。

しかし乍ら、他面において電子セクター走査の場合では
、第１２図ＣＩ）に示すように、超音波ビームＳを振る
ことによって、角鋼片（２）の入射面における入射点が
ずれる問題点がある。

そこで木発明では電子セクター走査のもつ上記問題点を
解決するため、リニア走査を組み合わせテ行ナイ、第１
２図〔ＩＩａＸＩＩｂＸＩＩＣ）に示すように、各ビー
ム傾斜角に応じて送受信エレメントをシフトさせ、これ
によって入射点のずれを最小限におさえ、電子セクター
走査以上に入射面の影響を受は難く、従って欠陥位置推
定精度の向上される走査方法を採用する。

次に、このような特徴を有する電子セクター＋リニア走
査を行なうための探触子セット方法について説明する。

電子走査アレイ型探触子においては、グレーティングロ
ーブの発生を防ぐために必要とされる振動子エレメント
間隔ａＨ１超音波ビーム（Ｂ）の最大傾斜角を±θ０と
すれば、 】 λ：超超音波伝播媒質中波長 で表わされる。よって超音波ビーム（Ｓ）の傾斜角を大
きくするためには、λ一定ではそのエレメント間隔ｄを
小さくしなければならない（第１８図（ａ）　（１））
にエレメント幅と最大ビーム傾斜角θ。との関係を示す
）。すなわち、エレメント幅は小さくする必要がある。

探触子のセット法は、この特性を利用して次の二通りの
方法を提案することができる。

（１）一つは、角鋼片軸方向に垂直な面内でその材表面
から所定の距離に位置して、探触子をその入射面に対し
て水平にセットする方法である。

但し、この場合にけ探触子の各エレメント幅を小さくシ
、分割数を多くする。とのセット法による場合の特徴は
、最大ビーム傾斜角が大きいので、入射面に隣接する両
側面の探傷が可能となることである。

（ｉｔ）もう一つは、やはり角鋼片軸方向に垂直な面内
でその材表面から所定の距離に位置して、探触子をその
入射面に対してセクター走査の振りの中心となる入射角
分だけ傾斜させてセットする方法である。このセット法
による場合の特徴は、ビーム傾斜角の絶対値が小さくな
るので、最大遅延時間が小さくて済むことである。また
ビーム傾斜角の絶対値が小さくなるので、探触子のエレ
メント分割数が大きくてもよい。

第１４図と第１５図は角鋼片（２）に対する探触子（１
）の配置状態の応用例を示す。まず第１４図の例の場合
では、角鋼片（２）の各面に対して平行に一個づつ探触
子（１）が配置される。すなわち、１個の探触子（１）
で図示の如く入射面に隣接する角鋼片（２）の両側面下
半分を探傷するのであシ、４個の探触子（１）で角鋼片
（２）の全表面層を探傷するのである。一方第１５図の
例の場合では、角鋼片（２）の各面に対して所定の角度
をもって２個づつ探触子（１）が配置される。

すなわち、この場合には１個の探触子（１）で図示の如
く入射面に隣接する角鋼片（２）の片側面下半分を探傷
し、合計８個の探触子（１）を用いて角鋼片全長面層を
探傷するのである。いずれの配置による場合でも、オン
ラインで嬌鋼片全表面層に亘る高速探傷が可能とされる
。

次に角鋼片の表面欠陥を弁別するための処理について説
明する。上記に述べた木発明の電子リニア走査による斜
角探傷法によれば、目的とする角鋼片の全表面に亘りそ
の表面皮下痢を含む内部欠陥を高速で精度よく検出する
ことができる。ところで、角鋼相の表面層を探傷すると
、表面皮下欠陥のみならず表面疵も同時に検出され、そ
の探傷結果には表面欠陥探傷によジ検出した情報も含ま
れている。しかるに、表面疵については鋼片加工工程の
チッピングやグラインダによる加工によって除去するこ
とができ、製品の二次加工時に問題となるものではなく
、それ故表面疵を含まない内部欠陥（もちろん表面皮下
欠陥を含む）のみを検出することが必要である。

しかして内部欠陥の検出には、既述の角鋼片内部からの
超音波斜角探傷の結果より表面欠陥探傷の結果を差ｑ引
けばよい。下記表に各表面欠陥探傷法をその検出能と共
に示す。

表面欠陥の検出能がその表面欠陥探傷法により異なるこ
とから判るように、どの表面欠陥探傷法と組み合せるか
によって内部欠陥の検出特性が決定される。

表面欠陥弁別のための情報処理法として、基本的には第
１６図に示すように、情報１から情報２を差し引けばよ
いが、超音波斜角探傷は欠陥位置推定精度を低下させる
要因を多く含んでいるため、情報１は表面欠陥探傷から
の欠陥位置情報（情報２）に比べて信頼性が低く、欠陥
位置推定誤差範囲が太きい。そのため第１７図に示すよ
うな表面欠陥に対して、欠陥位置情報として図中の印の
位置に欠陥があるものとして情報１、情報２を得た場合
、これらの情報をそのまま情報処理すると、別個の欠陥
と判断され、清瀬１は内部欠陥情報として残される。す
なわち、内部欠陥を有しないのに内部欠陥材とされる。

これを防ぐために情報２に一定の領域をもたせ、その領
域に入る情報１はキャンセルすることによって表面欠陥
を内部欠陥と誤検出することを防止する。ここで情報２
にもたせる領域をどの程度にするかけ情報１の精度の良
否によるが、この精度は超音波ビーム径（細い程よい即
ち絞った状態）、入射面形状（入射面に凹凸があると見
かけ上布折角が変化するので入射点の変動が少なくかつ
入射面が平担である程よい）に起因するところ大であり
、この面で電子リニア走査に比較すると電子セクター走
査並びに（電子セクタ＋リニア走査）は有利である。

そこで電子セクター＋リニア走査によって斜角探傷する
場合では、より一層欠陥位置推定精度を向上するために
次の二つの方法を併用す、ることかできる。

一つは入射面の凹凸の影響が最も少ないと考えられる血
中央部から超音波を入射することである。

つまりこうすることにょシ、第１８図Ｃａ）　（ｂ）に
示す如く、角鋼片（２）の表面に凹凸があっても、血中
央部ではほぼ平担と近似することができる。

もう一つの方法は、第１９図に示すような入射面の傾斜
による見かけ上の屈折角の変化（Ｓｏ−Ｓ　）を補正す
るために、コーナ一部からのエコーを検出し、その最大
値を示す入射角を求めることである。そしてその値より
入射面の傾斜を算出し、所以上述べたように、本発明の
超音波探傷法によれば、従来の内部探傷法では鋼片表面
から数量の領域は探傷不能であるに対し、角鋼片の全表
面層を未探傷域なくオンラインで高速探傷することが可
能で、角鋼片の表面層全長に亘シ、ひいては製品として
の棒鋼、線材の表面皮下並びに内部に亘す、迅速的確に
品質保証を与えることができる。

また本発明では電子セクター走査にリニア走査を組合わ
せ走査するものであるため、特に欠陥位置推定精度が向
上される特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の垂直探傷法による不感帯を示す図である
。第２図は本発明に係る斜角探傷法による不感帯を示す
図である。第８図は入射角による縦波、横波の往復通過
率の変化を示す図である。 第４図は本発明に係る縦波斜角探傷による探傷領域を示
す図である。第５図は電子走査アレイ型探触子の構造概
様を示す図である。第６図ＣＩ、ｌ）、ＣＩＩａ）（Ｉ
Ｉｂ）ＣＵｃ）　　は電子走査アレイ型探触子による超
音波ビームの制御態様を示す図である。第７図は角鋼片
探傷時の超音波ビーム径と０２横穴に対するＳ　／　Ｎ
の関係を示す図である。第８図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）
は角鋼片に対する電子リニア走査の様子を概念的に示す
図である。第９図は電子リニア走査を行なうための回路
構成例を示す図である。第１０図（ａ、）　（ｂ）　（
Ｃ）は角鋼片に対する電子セクター走査の様子を概念的
に示す図である。第１１図は電子セクター走査を行なう
ための回路構成例を示す図である。第１２図ＣＩ）、Ｃ
ＩＩａＸＩＩｂＸＩＩｃ〕　　は電子セクター走査と電
子セクター＋リニア走査を比較して示す図である。第１
８図は電子走査型探触子のもつ振動子エレメント幅と最
大ビーム傾斜角との関係を示す図である。第１４図と第
１５図は角鋼片に対する探触子の配置状態の応用例を示
す図である。第１６図は表面欠陥弁別のための情報処理
と検出パターンを示す図である。 第１７図は超音波斜角探傷による欠陥位置情報と表面探
傷による欠陥位置情報との関係から欠陥位置推定情報の
信頼性を高める処理を概念的に示す図である。第１８図
（ａ）　（ｂ）は入射面の凹凸の影響と超音波ビームの
入射位置との関係を示す図である。第１９図は入射面の
傾斜による見かけ上の屈折角の変化を示す図である。 （１）・・・探触子、（２）・・・角鋼片、Ｓ・・・超
音波ビーム。 特　許　出　願　人　　株式会社神戸製鋼所ぢＳ　９図 第１６Ｉ″′ｙＩ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電子走査アレイ型探触子を用いる縦波斜角探傷法で
   あって、前記探触子を、角鋼片軸方向に垂直な面内でそ
   の材表面から所定の距離で、かつ又材表面に対して所定
   の角度でセットし、前記探触子を電子セクター走査に電
   子リニア走査とを特徴とする電子セクター、電子リニア
   走査併用による角鋼片の表ホイ探傷法。