JPS5943350A - 溶接部検出装置 - 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】 本発明は電縫管等の金属材の溶接部を検出する溶接部検
出装置に関する。

近年、電縫管等の溶接鋼管は溶接技術の進歩により継ぎ
目（シーム部）の信頼性が著しく向上している。この様
な溶接鋼管は継き目無し鋼質に比べ低価格であり、油井
管やラインバイブとして多く用いられる様になっている
。この様な溶接鋼管はその信頼性を向上させる為に当然
製造工程に於いて溶接部の検査が行われる。この溶接部
の検査項目としては水圧試験や超音波試験等があり、こ
れらの検査を行うに当たっては溶接部が所定位置にくる
様にしなければならない。この位置合せ作業は２個のタ
ーニングローラ上に鋼管を載置し、該鋼管を低速で回転
させることにより行われる。

従って、上記位置合せ作業を行う為に電縫管の溶接部を
検出することが必要となる。従来から、この溶接部の検
出は検査員の目視により行われている。しかしながら、
鋼管表面より目視により溶接部を捜すことは難しく熟練
を要し、作業能率が悪いと云う欠点があった。

この為溶接部を自動的に検出する装置の開発が強く要望
され、各種方法が提案されている。その１つの方法とし
て、例えば特開昭５１−１３３０７３号公報に記載され
ている様な渦流方式と云うものがある。しかし、この渦
流方式は溶接部を焼きなまし処理していない鋼管には有
効であるが、焼きなまし処理した鋼管では溶接部と非溶
接部の透磁率の差が小さくなり、溶接部の検出が難しい
と云う欠点がある。

他の方法としては、例えば特開昭５０−３６１８６号公
報に記載されている様に圧電形超音波探触子を用いて超
音波の減衰度によって溶接部を検出する超音波方式があ
る。本発明者達はこの超音波方式を用いて実験したとこ
ろ、電縫質の溶接部と非溶接部に於ける超音波の減衰量
に殆んど差がなく溶接部の検出を行うことが不可能であ
った。この原因について本発明者達は失敗を繰返しなが
ら種種の実験と検討を行った結果、溶接部の組成に原因
があることを見い出し、近年非破壊検査分野で利用され
ている電磁超音波法を応用して溶接部の検出を実現し得
る溶接部検出装置を提供した。本方式の詳細は特願５６
−１３８４６４に記載されているが、金属材に横波モー
ドの超音波を発生させ、金属材中を伝播した前記横波超
音波の減衰量により溶接部を検出するものである。

一般に、電縫管は第１図に示した様な工程で製造される
。コイル状に巻かれた帯鋼１が巻き解かれ、ホーミング
ミル２Ａ、２Ｂにより成形された後抵抗溶接される。こ
の様に、突き合せ溶接された鋼管の溶接部の組織を調べ
てみると第２図に示した様になっている。即ち、溶接部
では溶接部を中心として組織が山状の流れとなっている
。一方、非溶接部（母材）では内外面に対して組織が平
行な流れとなっている。

第３図（ａ）及び（ｂ）で示す如く、鋼管１０に直流磁
界を与え、送受信コイル１３により縦波（同図（ａ））
と横波（同図（ｂ））の電磁超音波を発生させると、第
３図（ａ）では縦波を、同図（ｂ）では横波の電磁超音
波を鋼管１０内に発生させることが出来る。この様な電
磁超音波を鋼管１０内に発生させると、第４図に示す如
く、横波では溶接部で著しい反射波Ｂｎ（ｎは自然数）
の減衰が発生し、これに対して、縦波では溶接部と非溶
接部とで反射波Ｂｎのレベル差がみられないことがわか
る。この原因は、第２図に示す様に横波では組織の流れ
（一般にはメタルフローと称される）が導波管の様な役
割を果し、超音波が矢印の如く散乱するのに対して、縦
波では組織の流れに影響されず散乱しない為である。

鋼管を焼きなまし処理しても、第２図に示した組織の流
れは変化しない為、焼きなまし材でも横波を使用すれば
溶接部の検出を可能とすることが出来る。

ところで、第１図に示した様なホーミングミル２Ａ、２
Ｂを用いる電縫管の製造工程では、ロールの調整不良や
ロールエッジの焼付け等により電縫管の外面軸方向に連
続して生じる１本又は２本の一般にロールマークと呼ば
れる擦傷が発生する。

更に、この擦傷の他に帯鋼が圧延中に生じる欠陥等によ
って電縫管に発生する欠陥は種々のものがある。第５図
及び次頁の表はこれら種々の欠陥を整理したものであり
、同一Ｎｏ．がそれぞれ対応している。即ち、表中左側
から欠陥名称、欠陥の形態及び特徴、最後に欠陥が生じ
る原因が掲げられており、図にはその状態が示されてお
り、１０種類程の欠陥が電縫管に生じる。この様な欠陥
は圧延技術の向上等により発生頻度が少なくなって来て
はいるが、第５図及び次表中のロールマーク、ストレー
トナーマーク、ビード削り不良等の欠陥は現状でも可成
り発生しているのが実状である。

ところで、第５図及び上表に示した様な欠陥が電縫管に
あると、電縫管（鋼管１０）に横波の電磁超音波を発生
させても、第２図に示した様な溶接部の反射波Ｂｎの減
衰に似た現象が電縫管の各欠陥部位で発生し、溶接部と
見分けがつかなくなる。即ち、横波の反射波Ｂｎの減衰
が電縫管の溶接部で発生したものであるのか、或は欠陥
部位で発生したものであるのかが解らなくなる欠点があ
った。

本発明の目的は、上記の欠点を解消し、被検査材の溶接
部で発生する電磁超音波の底面エコーの減衰と被検査材
の欠陥部位によって発生する電磁超音波の底面エコーの
減衰とを明確に区別して、確実に電縫管の溶接部の位置
を検出し得る溶接部検出装置を提供することにある。

本発明は、金属材に横波超音波を発生させる超音波発生
手段と、前記金属材中を伝播した横波超音波を検出する
超音波検出手段とを有する溶接部検出装置に於いて、検
出手段により検出された横波超音波を周波数分析し、こ
の相対レベルの大きさにより溶接部を検出する構成を採
ることにより、上記目的を達成する。

次に本発明の原理について説明する。第６図は被検査材
に横波モードの電磁超音波を入射した時生じる底面エコ
ーが減衰する現象の要因を分析したものである。この底
面エコーの減衰は、発明者等の実験に依れば、電磁的要
因及び被検査材の形状にはあまり影響を受けず、溶接部
の組織に大きな影響を受けることが解った。ところが、
前述の第５図に示した様な欠陥が被検査材に生じると、
被検査材の形状や電磁的要因を無視することが出来なく
なってくる。形状変化による音響（底面４エコー）の影
響は明らかであるが、電磁的要因による影響は次に述べ
る様な理由によるものである。

今、Ｂを磁束密度、Ｉを送信バルス電流、Ｍを相互イン
ダクタンス、Ｌを受信マイル自己インダクタンス、Ｊを
渦電流、ｖを弾性波の伝播速度とすると、電磁超音波法
による受信電圧Ｖ（超音波を電圧で受信する）は、 Ｖ＝ｆ（Ｂ、Ｉ、Ｍ、Ｌ、Ｊ、ｖ）・・・（１）で示さ
れる。即ち受信電圧はＢ、Ｉ、Ｍ、Ｌ、Ｊ、ｖの関数と
なっており、これらに影響を受けると云うことである。

一方、送信パルス電流は一般に１から５ＭＨｚと高周波
で励振されるが、この励振によって被検査材の表面に流
れる渦電流Ｊは、今、ｘを表皮効果による渦電流の表面
からの深さ、δを表皮の厚さ、μを透磁率、σを導電率
、ωを角周波数とすると で示される。被検査材が一様な場合は、（２）式で示さ
れる渦電流Ｊは送信パルス電流■に比例し、表皮の深さ
δで１／ｅに指数関数的に減少する。しかしながら、第
５図に示す様な欠陥が被検査材に現われると、第６図に
示した透磁率及び導電率が変化し、従って（２）式より
渦電流Ｊが変化してしまう。この渦電流Ｊが変化すると
（１）式より受信電圧Ｖも変化してしまう。即ち、（１
）、（２）式より、被検査材の透磁率及び導電率が変化
すると渦電流が変化し、この渦電流の変化によって受信
電圧が変化してしまう。この受信電圧Ｖが変化すると云
うことは、被検査材の欠陥に対して電磁超音波による底
面エコーが減衰することを意味するが、この減衰は被検
査材溶接部のメタルフローなる組織変化に対応して超音
波が散乱し減衰するものとは因子が違う（透磁率及び導
電率の変化であるから）為、両者の底面エコーの減衰は
原理的に分離することが出来る。

第７図は被検査材の溶接部で生じた底面エコーの減衰と
欠陥部で生じた底面エコーの減衰とを比較した図であり
、底面エコーの減衰状態を上段の時間領域と下段で示し
た周波数領域について母材部Ａ、溶接部Ｂ、欠陥部Ｃに
ついてそれぞれ示したものである。但し図中Ｔは送信波
を示しＥは底面エコー波を示している。溶接部Ｂと欠陥
部Ｃの底面エコー波の減衰状態、特に周波数領域に於け
る減衰状態をみると、明らかにそのレベルが違っており
、本発明はこの違いを区別することにより、被検査材の
溶接部を確実に検出するものである。

以下本発明の一実施例を従来例と同部品は同符号を用い
て第８図に従って説明する。

第８図は本発明の溶接部検出装置の一実施例を示す構成
図である。被検査材である鋼管１０の表面に近接して、
内部に直流コイル１４が巻装されだ断面がＥ字型の電磁
石鉄心１５が配置され、この電磁石鉄心１５の中央脚先
端には送受信コイル１３が取付けてある。電磁石鉄心１
５に巻装されている直流コイル１４には励磁電源１６が
接続され、この励磁電源１６により直流コイル１４が励
磁される。電磁石鉄心１５の中央脚部に取付けられてい
る送受信コイル１３はパルス発生器１７に接続されてお
り、このパルス発生器１７によりパルス電流が供給され
る。又、送受信コイル１３は増幅器１８に接続され、こ
の増幅器１８に送受信コイル１３で受信した鋼管１０の
底面エコー受信信号が入力されて増幅され、次段の周波
数分析計１９に入力される。この周波数分析計１９はパ
ルス発生器１７が送信パルスＴを発生させてから一定時
間だけ出力を生じる時間制御回路２０からの出力信号が
入力されている間だけ、前記増幅器１８からの底面エコ
ー信号をフーリエ級数展開して、周波数スペクトル分析
を行う。この周波数分析計１９による周波数スペクトル
分析結果は次段の比較器２１に送られる。この比較器２
１では底面エコー波の周波数スペクトル分析結果の相対
レベルが、同比較器２１に入力される設定値Ｌと比較さ
れ、前記相対レベルがこの設定値Ｌ以下である時、出力
Ｐを発生し、鋼管１０の被溶接部（母材部）１１と溶接
部１２との判定を行う。

尚、増幅器１８の出力は第７図の上段で示した時間領域
の底面エコー波であり、周波数分析計１９の出力は第７
図の下段に示した周波数領域に於ける底面エコー波に相
当している。この第７図の溶接部Ｂと欠陥部Ｃの下段を
比較すると解る様に相対レベルが明瞭に異なっている為
、比較器２１は溶接部１２を確実に判定することが出来
る。

本実施例に依れば鋼管１０の底面エコー波を送受信コイ
ル１３で受信した後、周波数分析計１９により周波数ス
ペクトル分析を行い、この分析結果の相対レベルを比較
器２１により設定値Ｌと比較して、鋼管１０の溶接部１
２を判定することにより、鋼管１０に発生する種々の欠
陥による底面エコーの減衰と、鋼管１０の溶接部１２に
よる底面エコーの減衰とを明瞭に区別する効果があり、
鋼管１０に種々の欠陥が存在していても常に正確に鋼管
１０の溶接部１２を検出し得る効果がある。

尚、本実施例は電縫管溶接部の検出を行う検出装置につ
いて説明したが、被検査材からの電磁超音波の受信電圧
が被検査材の欠陥その他により影響を受けるものであれ
ば、部材の溶接の合否判定、超音波探傷装置の感度向上
、超音波肉厚測定装置の感度向上等へ容易に本発明を適
用し得ることは明瞭である。

以上記述した如く本発明の溶接部検出装置に依れば、被
検査材中を伝播した横波超音波を検出した後、該検出し
た横波超音波の減衰度を周波数分析してその相対レベル
を基準レベルと比較することにより、被検査材の欠陥部
による底面エコーの減衰と被検査材の溶接部による底面
エコーの減衰を常に明確に区別して、被検査材の溶接部
を確実に検出することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来からの電縫管を製作する工程を示した説明
図、第２図は電縫管の溶接部と非溶接部における超音波
縦波と横波の伝播状態を示した説明図、第３図（ａ）及
び（ｂ）は電縫管に電磁超音波を発生させてその底面エ
コーを受信する方法を示した説明図、第４図は縦波モー
ドの超音波と横波モードの超音波における電縫管溶接部
の反射波の減衰状態を比較した説明図、第５図は電縫管
に生じる種々の欠陥を示した説明図、第６図は電磁超音
波の横波モードで底面エコーが減衰する要因分析を示し
た説明図、第７図は電縫管の名部位に於ける底面エコー
検出波形の時間領域と周波数領域との減衰状態を示した
波形線図、第８図は本発明の溶接部検出装置の一実施例
を示す構成図である。 １０・・・鋼管、１２・・・溶接部、１３・・・送受信
コイル、１４・・・直流コイル、１５・・・電磁鉄心、
１７・・・パルス発生器、１８・・・増幅器、１９・・
・周波数分析計、代理人　弁理士　高橋明夫 弔／図 弔７図 ３０３− 化３図 （θう （ｂ） に−）／／−図 職５［凶

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、金属材に横波超音波を発生させる超音波発生手段と
   、前記金属材中を伝播した横波超音波を検出する超音波
   検出手段とを有する溶接部検出装置において、前記超音
   波検出手段により検出された時間領域の超音波信号を周
   波数分析する周波数分析手段と、この周波数分析された
   超音波信号の相対レベルを所定値と比較する比較手段と
   を設置、前記周波数分析した超音波の相対レベルの大小
   により溶接部を検出するようにしたことを特徴とする溶
   接部検出装置。