JPS6411144B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、丸棒鋼の超音波探傷方法に関し、丸
棒鋼中の微細な皮下非金属介在物等の表皮下欠陥
を超音波探傷法で検出する方法に関する。

（従来の技術） 丸棒鋼の製造ラインにおいては、製造段階のビ
レツト状態での探傷が一般に行なわれており、通
常、表面から深さが材直径の約10％の範囲内は探
傷し品質を保証している。従つて、最終検査で
は、その深さの範囲に存在する微細な非金属介在
物を検出する必要がある。しかし、この種の丸棒
鋼の表皮下の検査に超音波探傷法を採用する技術
は、従来、殆んど提案されていない。

これに比較的近い技術としては、米国において
ASTM規格E588にベアリング用鋼を超音波探傷
し、得られたエコーの頻度により鋼材の品質判定
を行なう方法が規定されている。これは、5MHz
又は10MHzの焦点型探触子を用いて垂直探傷を行
ない、基準を超えたエコーの数を計数積算し、そ
の積算値から介在物量を推定し品質レベルを判定
しようとするものである。

また、丸棒鋼の探傷法には、２分割型探触子を
用いたものも一部提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 垂直探傷であると、材表面からの反射エコーが
ノイズとなつて邪魔になり、表面直下にある非金
属介在物の検出ができないという欠点がある。

２分割型探触子を用いるものでは、表面下５mm
以浅は不感帯であつて探傷不能になるという欠点
がある。

本発明は上記に鑑み、丸棒鋼中の表皮下深さが
材直径の約10％以浅の欠陥を、材表面からのノイ
ズに邪魔されることなく検出できる超音波探傷方
法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の特徴とするところは、丸棒鋼に対して
外表面から屈折角45±8゜になるように超音波を入
射し、材中に入つた超音波が材表面で反射する第
１反射位置で該超音波を収束させ、前記第１反射
位置の前後域からの反射信号を捉えて表皮下欠陥
を検出する点にある。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

第１図は本発明方法を実施する超音波探傷装置
を示し、１は水槽、２は該水槽１の水中を通過す
る丸棒鋼であり、該水槽１の前後において一対の
スキユーロール３，３とピンチロール４とにより
夫々上下から挟持されている。

スキユーロール３，３は、第２図の如く水平面
内で丸棒鋼２に対し一定角度だけ傾斜するように
配置されており、軸受ケース５，５、軸受台６，
６を介して軸心廻り回転自在に支持されると共
に、巻掛伝動機構７を介して図外のモータにより
夫々矢印方向に駆動される。

ピンチロール４は、一対のスキユーロール３，
３間の上方位置で、それらスキユーロール３，３
と丸棒鋼の軸心に対して鏡映な軸心廻りに遊転自
在となるように支持部材８の下端に枢支されてい
る。これにより、丸棒鋼２はスキユーロール３，
３からの回転力を受けて、軸心廻りに回転しなが
ら長手方向に搬送される。

９は２焦点型レンズ１０を使用した点焦点型探
触子であつて、前後一対のピンチロール４間の中
央に位置し、かつ、丸棒鋼２に対して下側から超
音波を入射するように水槽１内に設定されてい
る。この探触子９は、探触子保持調整装置１１に
より上下並びに横方向に位置調整自在に支持され
ている。その他、１２は探傷器、１３は記録計、
１４はモニタ用オツシロスコープである。

丸棒鋼２の超音波探傷に際しては、先ず探触子
保持調整装置１１を操作して、探触子９の丸棒鋼
２に対する上下並びに横方向の位置を調整する。
この探触子９の上下方向の位置調節により、第３
図で示す探触子９から丸棒鋼２の超音波入射点ま
での水距離Ｈを調整する。また、探触子９の横方
向の位置調整により、探触子９の中心軸と、この
中心軸と平行な丸棒鋼２の中心軸とのずらせ量で
あるオフセツト量Ｗを調整する。

そして、各スキユーロール３，３を回転駆動す
ることで、丸棒鋼２は、スキユーロール３，３及
びピンチロール４によつて水槽１の前後で上下か
ら挟持された状態で、軸心廻りに回転しながら長
手方向に一定速度で搬送される。そして、探触子
９から超音波を発信することで探傷が行なわれ
る。

上記超音波探傷装置により、丸棒鋼２に対して
外表面から屈折角αが45±8⁰となるように超音波
を入射し、かつ、その丸棒鋼２の材中に入つた超
音波を材表面で反射する第１反射位置〔以下1B
点と略記する〕で収束させる。また、探傷器１２
では、1B点の前後の範囲Ｇにゲートをかけて、
その範囲Ｇから生じる反射信号を捉えて、丸棒鋼
２中の表面下約10％の範囲内にある非金属介在物
を検出する。

なお、上記探傷に際し、丸棒鋼２中の微細な介
在物を検出するためには、結晶粒界からのノイズ
の低減を図る必要があり、ビーム径の細い超音波
ビームを使用することが望ましい。一般に、レン
ズ１０等により超音波を収束させた時、その超音
波ビームに生じる広がり角θ（6dBダウンの広が
り角）は次の式で示される。

θ＝2sin^-1（0.51λ／Ｄ） λ：波長 Ｄ：探触子の直径 また、収束された超音波ビームのビーム径ｄ
は、焦点までの距離Ｌと式で表わされる広がり
角θとによつて次の式のように決まる。

ｄ＝2L tanθ／２ 但しｄは波長λ以下にはならない。

従つて、探触子９が大きく、波長が短かく、焦
点距離が短かくなるほど、超音波ビームは細く収
束することができ、その点での音圧も上昇して検
出感度を向上させることができ好ましい。

また、水中に丸棒鋼２を沈め、その外表面から
超音波を入射すると、丸棒鋼２の表面の曲率に起
因するレンズ効果により材中ではビームが広が
る。そのため、超音波ビームが第４図に示す如く
1B点に焦点を持つようにするためには、その広
がりを考慮して超音波ビームを材中に入射する必
要がある。この場合、レンズ１０を一定にすれ
ば、水距離Ｈを大きくすると焦点位置は手前に移
動し、小さくすると反対方向に移動する。このこ
とは、水距離Ｈを変化させて幾何光学的作図を行
なつた結果を示す第５図Ａ〜Ｃからもわかる。な
お、この作図結果からも明らかなように、水距離
Ｈを大きくすれば、1B点以遠でもう一度焦点を
結ぶ条件があることが分かる。

また、屈折角αを調整するためには、オフセツ
ト量Ｗを調整すればよい。これは、屈折角αとオ
フセツト量Ｗとの関係は次の式で示されること
による。

sin α＝Vs／Vw×Ｗ／Ｒ Vs：材中の横波音速、Vw：水中の音速、 Ｒ：材中の半径 すなわち、オフセツト量Ｗの概念を導入するこ
とで、探触子９の平行移動だけで屈折角αの制御
をでき、探傷作業の簡便化を図れる。

第６図乃至第８図に、丸棒鋼２中に直径１mmの
横穴人工欠陥を異なる深さに作り、そのエコー高
さを実際に測定した結果を示す。なお、丸棒鋼２
の外径40mm、２焦点レンズの焦点距離周方向69
mm、軸方向110mm、周波数5MHz、探触子径19mmと
した。また、第３図に示す丸棒鋼２中のa.b.c点
それぞれにおける信号を第６図及び第７図ではそ
れぞれ〇．△及び×印で示した。

第６図Ａ〜Ｄはそれぞれ異なつた深さの人工欠
陥での、屈折角45゜の時の水距離Ｈ（μsec）と感
度、即ち水距離Ｈとエコー高さ（Ｖ）との関係を
示す。

第７図Ａ〜Ｄはそれぞれ異なつた深さの人工欠
陥での、オフセツト変化（mm）と感度、即ち屈折
角（α）の変化とエコー高さ（Ｖ）との関係を示
す。

第８図はオフセツト変化（mm）、即ち屈折角
（α）の変化とノイズエコー高さ（Ｖ）（1B点か
らのノイズエコー）との関係を示す。

なお、第６図及び第７図のエコー高さは、探傷
器の感度を40dBにした時、第８図のノイズエコ
ー高さは探傷器の感度を80dBにした時のデータ
である。また、前述のようにオフセツト変化と屈
折角変化は一義的に対応していることから、第７
図及び第８図の横軸にはオフセツト量と屈折角を
併記している。更に、ノイズエコー高さは材表面
の微妙な凹凸によつて変化するため、第８図では
その最大値と最小値との上下幅を示し、それらの
平均値を〇印でプロツトしている。

第６図及び第７図より、1B点以降のＣ点にお
いて検出すると、水距離Ｈにそれほど依存せず、
高感度で検出できることがわかる。

これは、上記人工欠陥の探傷に際し丸棒鋼２に
入射した超音波ビームの実測形状が、第９図に示
すように、1B点以遠で細く収束されていること
と符号する。よつて、超音波ビームを1B点で収
束させれば、その1B点の前後域で高感度の探傷
をできることがわかる。

また、探傷器１２においてゲートをかける範囲
Ｇは、欠陥での超音波の反射が等方的であれば、
1B点の前方域のみ、あるいは1B点の後方域のみ
でよい。しかし、実欠陥での超音波の反射は異方
性があるため、丸棒鋼２の探触子９に対する軸中
心の相対回転により異なる２方向から欠陥を観察
できるように、1B点の前後域にゲートをかける
ものとする。

なお、第３図ではゲート範囲Ｇは、超音波の入
射位置から1B点までの長さをＬとして、1/2Ｌ〜
３／２Ｌの範囲、すなわち1B点の前後1/2Ｌの範囲
にゲートをかけているが、これに限定されるもの
でなく、1B点の前後域であればよく、その範囲
はニーズとの関係で定まる。

次に第８図から、屈折角αの変化によつてＳ／
Ｎが大きく変化することがわかる。すなわち、屈
折角αが35゜より小さくなると、ノイズエコーが
急増する。これは、1B点では屈折角αと同じ角
度で超音波ビームが当り、屈折角αが小さくなる
と、丸棒鋼２の表面の微細な凹凸に起因するノイ
ズエコーが大きくなることによる。従つて、屈折
角αは35゜以上とする必要がある。

次に、第１０図に屈折角αと探傷可能な深さの
材直径に対する百分率との関係を示す。これは、
第１４図に示すように丸棒鋼２の直径をＤ、探傷
可能な深さ（図示のように超音波の中心軸が通過
する領域）をｄとすると、以下の式により求め
られる。

ｄ／Ｄ×100＝（１／２Ｄ−１／２Ｄ・sinα）10
0／Ｄ ＝50（１−sinα） この結果、検出範囲を材直径の10％までとする
と、屈折角αの上限は53゜となることがわかる。

なお、第１４図から、前記ゲート範囲Ｇを1/2
Ｌ〜3/2Ｌとすれば、探傷可能な深さ領域をすべ
てカバーできることがわかる。

以上のことから、超音波の屈折角を45゜±8゜と
して、1B点の前後域からの反射信号を捉えれば、
材表面からのノイズに邪魔されることなく、材直
径の約10％以浅の欠陥を検出できることが確認さ
れる。

なお、一般に丸棒鋼２には製品相互間の製造誤
差による径のバラツキが生じることがある。この
誤差に起因するオフセツト量Ｗの変動に基づく屈
折角の変化を推定するため、対象としている丸棒
鋼２の公称径に対して、超音波を屈折角45°で入
射するオフセツト量で探傷した時に、外径誤差に
より屈折角が何度変るかを計算した結果を第１２
図に示す。その結果、実材の外径変動は±1.8％
であり、それによる屈折角の変動は約±1゜となる
ことがわかつた。従つて、探傷材の径にバラツキ
があるような場合は、その誤差の考慮も必要とな
る。

また、実際に探傷する場合、材料の曲りに起因
するオフセツト量の変動も考慮しておく必要があ
る。そこで、材料の曲りによる屈折角の変動に着
目して探傷精度と探傷装置との関係を説明する。

上記第２図の実施例のように、探触子９の前後
２箇所でスキユーロール３，３とピンチロール４
とにより丸棒鋼２を強制的に保持する場合、曲り
の影響は、次の式に表わされるような量で示さ
れ、これはオフセツト及び水距離の変動として現
われる。

Δζ＝X.Y Δζ：材中心の変位量（mm） Ｘ：材の曲り量mm／ｍ Ｙ：ピンチロール間距離 水距離の変動による感度の変化は、本発明の探
傷法を採用する場合には前述のように小さい。

オフセツトの変動による屈折角の変化を、屈折
角45±8゜の範囲内に変動を収めるための曲り許容
量は、径の誤差による第１２図の変動を考慮に入
れると、−2.1％〜＋1.8％となる。従つて、厳し
い方の1.8％をとると、曲りの許容量は、上記実
施例の装置では、次の式となる。

Xcr＝0.018／ＹＤ Ｄ：材料径 Xcr：曲り許容量 第１３図Ａに示す如く一対のスキユーロール１
５，１５上に管材１６を載せて搬送しながら探触
子１７，１８で探傷する場合、或いは同Ｂに示す
如く管材１６と同心状の回転リング１９に一対の
探触子１７，１８を設け、巻掛伝動機構２０を介
してモータ２１により回転リング１９を回転させ
ながら探傷する場合であれば、管材１６の径の誤
差の半分に相当するオフセツト変動が必然的に加
えられる。同様に45±8゜に屈折角を抑えるために
は、曲りによる屈折角変化分を0.9％に抑える必
要が生ずる。よつて、第１３図に示すような装置
の場合、曲りの許容量は次の式に示される。

Xcr＝0.019／ＹＤ 式と式とを比較すると、曲り許容量は、第
１３図に示す装置では前記実施例の装置に比べて
倍程小さくなる。例えば、材料径50mm．ピンチロ
ール間距離400mmの場合、式による曲り許容量
は2.25mm／ｍとなり、通常の丸棒鋼製品の品質管
理規準２mm／ｍの曲り以内となる。従つて、第１
３図に示すような装置では探傷のために材料の曲
りに対する管理を厳しくする必要があるのに対
し、前記実施例装置によれば、探傷のために特別
な曲りの管理が不要であり、第１３図のものを用
いるよりも第２図のものを用いた方が好ましい。
もつとも、材料の曲りに対する管理を厳しくする
ことに何ら支障がなければ、第１３図示の装置を
用いて探傷してもよい。

なお、軸方向に長い欠陥を探傷する場合には、
線焦点型の探触子を用いればよい。

（発明の効果） 本発明によれば、丸棒鋼に超音波を45゜±8゜で
入射し、材表面の第１反射位置で収束させてその
前後域からの反射信号により欠陥を検出するの
で、材直径の約10％以浅の欠陥をすべて、材表面
からのノイズに邪魔されることなく検出できる。

しかも、第１反射位置の前方域あるいは後方域
のみでなく、前後域からの反射信号を捉えるの
で、材の探触子に対する相対回転に伴なつて同じ
欠陥を異なる方向から２回探傷でき、対象物に方
向性がある場合にも確実に検出できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を例示するものであつ
て、第１図は探傷装置の概要を示す一部破断斜視
図、第２図はスキユーロール部の平面図、第３図
及び第４図は超音波の入射状態を示す説明図、第
５図は超音波の収束状況を示す幾何光学的な図、
第６図は水距離と感度との関係を示す図、第７図
は屈折角と感度との関係を示す図、第８図は屈折
角とノイズとの関係を示す図、第９図はビーム形
状の測定結果を示す図、第１０図は屈折角と探傷
可能な深さとの関係を示す図、第１１図はオフセ
ツト量と屈折角との関係を示す図、第１２図は外
径誤差と屈折角との関係を示す図、第１３図は異
なる探傷装置を示す図、第１４図は屈折角と探傷
深さとの関係の説明図である。 ２……丸棒鋼、３……スキユーロール、４……
ピンチロール、９……探触子、１０……レンズ、
１２……探傷器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 丸棒鋼に対して外表面から屈折角45±8゜にな
   るように超音波を入射し、材中に入つた超音波が
   材表面で反射する第１反射位置で該超音波を収束
   させ、前記第１反射位置の前後域からの反射信号
   を捉えて表皮下欠陥を検出することを特徴とする
   丸棒鋼の超音波探傷方法。