WO2008007460A1 - Ultrasonic scanning device and method - Google Patents

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WO2008007460A1
WO2008007460A1 PCT/JP2007/000740 JP2007000740W WO2008007460A1 WO 2008007460 A1 WO2008007460 A1 WO 2008007460A1 JP 2007000740 W JP2007000740 W JP 2007000740W WO 2008007460 A1 WO2008007460 A1 WO 2008007460A1
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flaw
ultrasonic
probe
scratch
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Hiroyuki Fukutomi
Shan Lin
Tetsuo Fukuchi
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Central Research Institute of Electric Power Industry
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flaw detection method and apparatus. More specifically, the present invention detects the crack edge position, scratch depth, or scratch height from the back surface of a scratch including microscopic damage on a surface crack or a corroded portion close to the surface layer of a thick inspection object.
  • the present invention relates to an ultrasonic flaw detection method and apparatus suitable for the inspection.
  • the T0FD method using surface waves is generally used for estimating the crack depth of a surface crack (Non-Patent Document 1).
  • the TOFD method as shown in Fig. 13, the beam path length T of the surface wave when there is no crack. And there is a path difference between the beam path length of the surface wave when there is a crack. Therefore, the beam path T of the surface wave when there is no crack. Is obtained in advance, and the beam path length “ ⁇ ” of the surface wave when there is a crack is obtained, and the flaw depth d is estimated from the relationship shown in Equation 1.
  • the beam path length is the probe on the transmitting side. The distance that the beam passes between the child and the receiving probe.
  • Flaw height measurement may also be performed by an oblique flaw detection method using an oblique probe (Non-Patent Document 2).
  • Non-Patent Document 2 Non-Patent Document 2
  • the present inventors and others have used austenitic stainless steel and inconel (registered trademark of Special Metals Corporation) that are mainly used for in-reactor structures and circulation piping of the primary system structure of nuclear power plants.
  • SP0D method Short Path of Diffraction
  • This SP0D method combines an oblique probe and a vertical probe, and diffracted waves that are generated at the edge of the wound by injecting an ultrasonic pulse from an oblique direction to the wound in the object to be inspected.
  • the height of the wound is obtained from the difference in arrival time between the component that propagates directly above the wound and the component that propagates above the wound once reflected by the back surface of the inspection object, as received by the vertical probe above. It is.
  • Non-Patent Document 1 “Enomoto Nondestructive Inspection Association Standard” issued by Enomoto Nondestructive Inspection Association
  • Non-Patent Document 2 Issued by Enomoto Nondestructive Inspection Association “Standard Method for Measurement of Scratch Height by End Echo Method” issued by Enomoto Nondestructive Inspection Association
  • Non-patent document 3 Proposal of a simple flaw sizing method in the ⁇ ultrasonic flaw detection test on pages 21-26 of the 2nd Annual Meeting of the Japan Society for Conservation Science July 2005
  • a surface crack is a shape change part where stress concentration tends to occur in a structure, for example, a welded part where thick pipes such as a thick pipe base or a T-shaped joint are connected at an angle. Often occurs. It is difficult to perform flaw detection by arranging a surface crack in such a shape-changed part so that it is sandwiched between two probes. Furthermore, with the TOFD method, the echoes of the received surface waves are weak, and it has been impossible to estimate accurately. Therefore, it is difficult to determine the depth of the crack by detecting the surface crack from the opening using the TO FD method.
  • the TOFD method uses austenitic stainless steels mainly used for in-reactor structures and circulation pipes of primary structures of nuclear power plants that require nondestructive measurement of flaw depth.
  • austenitic stainless steels mainly used for in-reactor structures and circulation pipes of primary structures of nuclear power plants that require nondestructive measurement of flaw depth.
  • attenuation and noise cannot be used greatly.
  • microscopic damage Such a mass such as microscopic damage can be judged as a corrosion or deteriorated part (hereinafter referred to as a corroded part).
  • a corrosion or deteriorated part hereinafter referred to as a corroded part.
  • the depth of the interface between the corroded part and the healthy part is determined. The position cannot be determined.
  • Non-Patent Document 3 proposes a surface crack or a corroded part close to the surface layer of a thick inspection object such as a thick pipe welded part
  • a surface crack or a corroded part close to the surface layer of a thick inspection object such as a thick pipe welded part
  • the edge of the surface is too far away from the back surface of the object being examined, for example, if the scratch height is too high, even if it is a scratch near the surface layer, a scratch on the front surface, or a scratch on the back surface, it is far from the back surface In this case, the diffracted wave reflected from the back of the object to be inspected cannot return to the receiving probe and the reflected echo from the bottom may not be visible.
  • the SP0D method which determines the scratch height from the arrival time difference between the component that propagates directly above the scratch of the diffracted wave generated at the edge of the scratch and the component that propagates above the scratch after being reflected by the back surface, It may not be possible to determine the surface crack depth. This also applies to the diffracted wave that occurs at the interface between the corroded part and the normal part, and the diffracted wave that propagates through the corroded part and reflects on the bottom surface is greatly attenuated and cannot be detected. In other words, it is not visible on the oscilloscope.
  • the present invention provides a simple and accurate method for determining the position, depth, or height of a scratched edge including a microscopic damage or a corroded surface near the surface layer of a surface crack or thick object to be inspected. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic flaw detection method and apparatus capable of detection.
  • the present inventors have found that, among the components of the diffracted wave generated due to the presence of a flaw, the component returning to the incident source is weak and is directly below the flaw, that is, ultrasonic waves The component that goes to the back (bottom) side opposite to the surface on which light is incident is the strongest, and then the component that goes directly above the flaw (the surface side of the object to be inspected) is strong. In the case of a flaw or a flaw near the surface in the sample, the component that goes directly above the flaw is less attenuated by the shorter propagation distance than the component that goes up once after reflecting off the bottom surface.
  • the ultrasonic wave is incident on the object to be inspected from the oblique direction by the oblique probe, and is generated at the end of the flaw in the object to be inspected.
  • the diffracted wave is detected by the vertical probe above the flaw, and the flaw between the transmitting oblique probe and the receiving vertical probe of the component of the diffracted wave that propagates directly above the flaw is detected.
  • the position of the edge of the wound from the surface of the object to be inspected is obtained using the trigonometric method.
  • Beam path length propagation time X sound speed of incident ultrasonic waves. In materials where the sound speed of ultrasonic waves is considered to be substantially constant, if the propagation time can be detected, the beam The path is calculated by calculation.
  • the ultrasonic flaw detection method of the present invention obtains the edge position of a flaw by using a diffracted wave component that propagates directly from the flaw toward the flaw detection surface above, so that surface cracks and thick wall If the corroded part close to the surface of the object to be inspected is propagated toward the edge of the wound including microscopic damage and the lower part of the wound (the surface opposite to the surface on which the ultrasonic wave is incident), is it reflected on the bottom once? It is suitable for obtaining the depth of damage from the surface of the inspection object or the height of the damage from the back surface of the inspection object in situations where it is difficult to detect the upward diffracted wave component.
  • the scratch is microscopic damage
  • a large amplitude ultrasonic wave is incident as an ultrasonic wave
  • the beam path or Find the propagation time difference the case where the distance from the bottom surface where the diffracted wave is reflected to the edge of the scratch is far away, such as scratches close to the surface of the object to be inspected or scratches on the surface, If the height is too high, the scratch height from the back surface can be obtained from the difference from the thickness of the object measured by another method.
  • the interval between the incident position and the detection position of the ultrasonic wave may be obtained from, for example, the propagation time of the surface wave, or the interval between the transmission oblique probe and the reception vertical probe. Or the interval between the ultrasonic wave incident position and the detection position on the surface side of the object to be inspected may be held at a constant interval in advance.
  • an ultrasonic wave generation source as an oblique probe, a piezoelectric vibrator or a magnetostrictive vibrator is generally used. However, in some cases, an ultrasonic wave may be excited by a laser. good.
  • Laser ultrasonic methods excite ultrasonic waves in a non-contact manner, making them suitable for measurements in high-temperature environments and for measuring objects with complex shapes.
  • ultrasonic flaw detection using piezoelectric elements Compared with, there is a strong surface wave reception signal, so it is suitable for estimating the flaw height from the relationship between the propagation time of the surface wave and the diffracted wave propagating above the flaw.
  • an interferometer is preferably used as the receiving vertical probe.
  • this laser ultrasonic method there are a plurality of lasers, and it takes time so that the ultrasonic waves generated by shifting the laser irradiation interval via the delay generator simultaneously reach any one point. It is preferable to apply a delay and control the propagation direction.
  • an ultrasonic flaw detector includes a transmitting oblique angle probe that injects an ultrasonic beam from an oblique direction with respect to a flaw in an inspection object, and a circuit that propagates above the flaw.
  • the diffracted wave component that propagates directly from the beam path through the damage between the probe and the receiving vertical probe and the interval between the incident position of the ultrasonic wave and the detection position, or above the surface wave and the flaw
  • an arithmetic processing unit for calculating the position of the edge of the flaw from the surface of the object to be inspected using a trigonometric method from the difference in propagation time to the receiving vertical probe.
  • the upward diffracted wave component propagating along the shortest beam path next to the diffracted wave component propagating directly below the flaw is passed through the wedge. Since it is received directly, it is less affected by attenuation and can be received as a stronger signal. Therefore, even non-skilled inspectors can measure with high accuracy without variation in the measurement results.
  • the ultrasonic flaw detection method and apparatus of the present invention damage or the like is caused on the surface of the inspection object. Even if it exists near the layer, the position from the surface of the object to be inspected to the edge of the scratch can be obtained. Therefore, the presence or absence of a flaw near the surface layer, the position of the flaw from the front or back surface of the inspection object, specifically the depth of the surface flaw, the depth of corrosion of the flaw from the surface, or the presence or absence of a closed flaw near the surface layer The height of the scratches on the back surface can be obtained from the position and the known thickness of the object to be inspected obtained by another measurement method.
  • the position of the end of the flaw can be easily calculated. In other words, it is possible to estimate the flaw depth on the surface of the object to be inspected regardless of the material and the shape change of the measurement surface.
  • the ultrasonic flaw detection method and apparatus of the present invention it becomes possible to detect a flaw in an inspection object such as a blowhole during welding, so that these initial defects are measured in advance. This makes it possible to evaluate the performance of the product.
  • the ultrasonic flaw detection method of the present invention as set forth in claim 4, even a weak reflection source such as an interface between a healthy part and a corroded part in an object to be inspected can be kept at the shortest distance. Since the component of the diffracted wave that goes directly to the vertical probe that becomes the strong signal next to the component that faces the bottom surface is used, the diffracted wave can be received at a detectable level ⁇ intensity. Therefore, the depth of the corroded part from the surface of the object to be inspected or the height of the corroded part from the back surface should be determined by using the position of the interface between the corroded part and the healthy part in combination with other measurement methods or visual judgment. Can do.
  • FIG. 1 An explanatory view of a flaw detection and flaw depth estimation method by the ultrasonic flaw detection method of the present invention.
  • FIG. 2 An example of received waveforms of surface waves and diffracted waves at the time of flaw depth estimation.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a flaw detection and flaw height estimation method by the ultrasonic flaw detection method of the present invention.
  • FIG. 4 An explanatory diagram showing an example of an ultrasonic flaw detector that excites ultrasonic waves by a laser.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing an example of an ultrasonic flaw detector using a piezoelectric vibrator.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of an example of an embodiment for detecting damage in an inspection object.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the detection principle of the interface of the back corroded portion in the inspection object.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of a received waveform in the detection method of FIG. 7, with the vertical axis representing the displacement and the horizontal axis representing the beam path.
  • FIG. 9 is a diagram showing the principle of detecting the interface of the surface corroded portion of the inspection object.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of a received waveform in the detection method of FIG. 9, with the vertical axis representing displacement and the horizontal axis representing beam path length.
  • FIG. 11 An explanatory diagram showing a method for detecting the edge of a flaw in an object to be inspected while moving the irradiation position of the excitation laser by placing the receiving probe fixed above the slits .
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing a method for detecting the edge of a flaw in an inspection object while simultaneously moving the receiving probe and the excitation laser irradiation positions at regular intervals.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a conventional method for estimating the crack depth of a surface crack by the TOFD method.
  • ultrasonic waves are incident on the inspection object from an oblique direction by using an oblique angle probe, and diffracted waves generated at the edge of the inspection object are detected.
  • Beam path and ultrasonic incidence via a flaw between the transmitting oblique probe and the receiving vertical probe of the component detected by the vertical probe above and propagating directly above the diffracted wave The object to be inspected using the trigonometric method from the distance between the position and the detection position, or from the propagation time difference between the surface wave reflected by these relationships and the diffracted wave directly propagating above the flaw to the receiving vertical probe The position of the edge of the scratch from the surface of the surface is obtained.
  • Equation 2 Equation 2
  • Beam path length Propagation time X Sound velocity of incident ultrasonic wave (2) Since the relationship of (2) holds, if the propagation time can be detected in materials where the sound velocity of ultrasonic waves is considered to be substantially constant, the beam path length W t can be calculated. Desired.
  • the surface wave 15 propagating on the surface 13 of the inspection object 6 from the incident point toward the receiving vertical probe (detection position) has a right triangle relationship.
  • the detection is not limited to the longitudinal wave, and a transverse wave may be used.
  • the receiving vertical probe receives not only longitudinal waves but also transverse waves. Experiments have confirmed that both waves are more accurate and have superior mouth bath durability. Therefore, there is a case where the shear wave is strong depending on the detection position, so by using one or both of the longitudinal wave and the shear wave, it is possible to detect the damage more clearly by using the better detection result. it can.
  • a piezoelectric vibrator is generally used as a magnetostrictive vibrator, but in some cases, a laser may be used.
  • the ultrasonic wave can be excited in a non-contact manner, which is suitable for measurement in a high-temperature environment or measurement of an object having a complicated shape.
  • the present inventors have found that when a supersonic wave excited by a laser is used, a strong surface wave reception signal exists compared to a case where an ultrasonic wave is incident using a piezoelectric element. .
  • an interferometer is used as a receiving vertical probe for detecting a diffracted wave, which can be performed in a non-contact manner. It is very effective and preferable.
  • the arrival point vibrates with a small displacement of nm or less. Therefore, when laser light is irradiated to the position where the ultrasonic waves are to be detected, a minute optical frequency transition (Doppler shift) occurs in the reflected light. If the stability of the frequency and phase of the laser beam is sufficiently high, this minute optical frequency transition can be measured using the interference effect.
  • a laser is used as an oblique angle probe
  • an interferometer is generally used as a receiving vertical probe. However, when detection under contact is possible, a piezoelectric element is a magnetostrictive vibrator. A reception vertical probe may be used.
  • a plurality of lasers 2 are used as shown in FIG. 4, and each laser 2 is irradiated via the delay generator 3. It is preferable to control the propagation direction by applying a time delay so that all longitudinal waves or transverse waves of ultrasonic waves generated by shifting the timing reach one arbitrary point that becomes the detection Boyne simultaneously.
  • ultrasonic waves that are sequentially excited by the laser beams 9 irradiated on the object 6 to be inspected are synthesized, and an ultrasonic wave having a large amplitude can be formed.
  • the detection sensitivity is good and highly accurate flaw detection can be performed.
  • the propagation direction of the excited waves can be controlled. For example, if the time delay is set to be small, the incident angle of the combined wave is small, and if the time delay is set to be large, the incident angle of the combined wave can be increased. Therefore, the incident angle of the beam can be controlled by controlling the delay time. Furthermore, by controlling the arrival order of the waves excited by the plurality of lasers 2 and combining the waves, it is possible to generate a narrowband ultrasonic wave with energy concentrated near the fundamental frequency.
  • a YAG laser having a Q switch, a C 0 2 laser, an excimer laser, or the like is used as the laser 2 on the transmission side in this embodiment.
  • a laser pulse is generated with a time delay.
  • the interferometer 7 is preferably a two-wave mixing interferometer, for example.
  • the interferometer 7 is not limited to this, and other known or new interferences such as Fabry-Perot interferometer (CFPI). A meter may be used.
  • a personal computer 12 for data collection and as a control device is connected to the interferometer 7 via an oscilloscope 11 and a band pass filter 10.
  • the signal detected by the interferometer 7 is recorded by the oscilloscope 11 through the band-pass filter 10 and further taken into the converter 12.
  • the computer 12 stores a program that defines the operation procedure of the central processing unit and the central processing unit (not shown), a memory that stores data processed by the central processing unit, and stored data. It has storage means, display means, input means such as a keyboard and mouse, etc., and together with the oscilloscope 11 and the bandpass filter 10, a function corresponding to a flaw detector is constructed.
  • reference numerals 4a and 4b are mirrors
  • 5 is a condensing lens.
  • the bandpass filter 10 is a low bandpass filter, for example, and is used for noise removal or the like.
  • the processing for delaying the time so that the ultrasonic wave reaches an arbitrary point at the same time can be easily performed by, for example, monitoring of the oscilloscope 11.
  • Can do Specifically, first, a waveform excited by one arbitrarily selected laser 2 is detected and recorded on the screen of the oscilloscope 11. Next, the remaining lasers 2 are sequentially excited one by one, and the resulting waveforms are observed on the oscilloscope 11 1 while matching the laser waveform peaks recorded previously. Set the time delay for 2.
  • the delay time may be obtained in advance by calculation using trigonometry. Further, a laser delay time may be obtained in advance for each thickness, material, and irradiation position interval of the object 6 to be inspected.
  • the ultrasonic flaw detection method of the present invention can be implemented with the apparatus configured as described above.
  • This ultrasonic flaw detector uses an oblique probe 2 for transmitting an ultrasonic beam incident on an object 6 to be inspected.
  • control 'data acquisition computer 12 has a function corresponding to a flaw detector by the AZ D conversion board 24 and the pulse receiver 23.
  • a flaw detector may be used separately, and only the data collection may be performed by the computer 12.
  • the scan conditions are set and the scan control during the flaw detection is all performed by the computer 12.
  • the computer 12 has a component between the transmitting oblique probe 21 and the receiving vertical probe 2 2 that directly propagates above the scratches of the diffracted wave 17.
  • the incident ultrasonic wave via the scratch 20 between the entire beam path W t and the interval S between the incident position of the ultrasonic wave and the detection position S, or incident toward the scratch 20 and reach the scratch 20 from to the propagation time difference of the object in the wound 2 0 of the incident ultrasonic 1 6 and the surface wave 1 5 propagating directly upwardly as diffracted wave (t t _ t s), the object to be inspected using trigonometry
  • the position of the edge of the scratch 20 from the surface 13 of 6 is calculated by the central processing unit.
  • the oscilloscope 1 as a display means simultaneously with the component 1 signal directly propagating above the scratch 1 7 It is displayed in 1 to indicate the difference in arrival time to the flaw detection surface.
  • FIG. 1 shows an explanatory diagram of an embodiment in which the ultrasonic flaw detection method of the present invention is applied to the measurement of the depth of a surface crack.
  • a laser is used as a transmitting probe, and an interferometer and a detecting laser are used as receiving vertical probes.
  • the irradiation point of the excitation laser beam 9 and the illumination of the detection laser beam 8 It is supposed to move the same amount in the same direction while maintaining a certain distance S from the shooting point. In this case, since the signal can be obtained simply by moving the irradiation point of the excitation laser beam 9 and the irradiation point of the detection laser beam 8, it takes time to select the fixed position of one probe. There is nothing. Therefore, the detection laser beam
  • the irradiation position of the detection laser 8 may be the position of the surface crack.
  • the interval S between the ultrasonic incident position and the detection position and the ultrasonic incident angle 0 are constant, the center of the ultrasonic beam spreading in an arc shape does not necessarily hit the tip of the scratch. Since the diffracted wave is generated even when the part away from the tip of the scratch 20 hits the tip of the scratch 20, the tip of the scratch 20 can be detected. Further, the irradiation position of the excitation laser light 9 may be scanned.
  • the surface wave 15 having a short beam path is first scratched t s after the ultrasonic wave is incident, and then damaged by the ultrasonic wave incident.
  • An incident ultrasonic wave with a path length W t that propagates directly as a diffracted wave through 20 through the flaw is detected after t t .
  • the beam path W s of the surface wave 1 5 and the total beam path W t of the ultrasonic wave in the inspection object 6 are as follows.
  • the flaw depth d of the surface crack 20 can be obtained from Equation 3 developed from the Pythagorean theorem.
  • the interval S between the irradiation position of the excitation laser beam 9 and the irradiation position of the detection laser beam 8, that is, the path length W s of the surface wave may be calculated from the propagation time of the surface wave 15 or the interval may be set in advance. It may be set to a constant value, or may be measured for each flaw detection.
  • the speed of sound C depends on the material of the object to be inspected and is obtained in advance.
  • FIG. 3 shows the principle for obtaining the height d of the back surface flaw of the thick object to be inspected.
  • Ultrasonic flaw detector 1 shown in Fig. 4 The ultrasonic wave whose propagation direction in the object to be inspected 6 is controlled by the time delay set for each of the plurality of lasers 2 in the laser beam 1 6 has a beam path W t 1 Propagates to scratch 20 and diffracts at the edge of scratch 20 to generate diffracted wave 17.
  • the component 18 that propagates directly to the top of the wound 20 in the diffraction wave 17 propagates directly to the surface 13 of the inspection object 6 at the beam path W t 2 .
  • a longitudinal surface wave 15 propagates near the surface of the object 6 to be inspected with a beam path length W s.
  • W t 2 can be obtained from Equation 6, and the flaw height d can be obtained by subtracting W t 2 from the thickness T of the inspection object 6.
  • the thickness T of the object to be inspected 16 can be easily achieved by a thickness gauge or the like. Therefore, even if the reflection of the diffracted wave 17 from the back surface 14 cannot be detected, if the distance W t 2 from the scratch edge of the back surface opening scratch to the front surface 13 of the object to be inspected is obtained, the inspection of the scratch 20 It is possible to obtain the height d from the object rear surface 20.
  • W t 2 C (t t _ t s 2 ) Z2 t t ... (6)
  • the ultrasonic flaw detection method of the present invention similarly applies to a closed spherical defect such as a blow hole during welding that has been difficult to detect in the past, such as a blow hole during welding.
  • the presence of the edge of the flaw can be detected, and the depth position of the damage from the surface of the inspection object can be estimated.
  • the flaw 20 when the flaw 20 is near the surface of the object 6 to be inspected, or when the flaw height is high even if it is a flaw on the back surface, it is reflected once by the back surface 20 of the thick inspection object 6. After that, it is useful when the diffracted wave (not shown) propagating upward on the surface side of the inspection object 6, that is, 20 cannot be received.
  • the position from the surface 13 of the object to be inspected to the edge of the scratch 20 can be obtained by the above-described method.
  • whether the flaw 20 is an open flaw or a closed flaw can be easily determined by using another ultrasonic flaw detection method in combination. For example, when the oblique angle flaw detection method is used, a strong reflected wave from the opening is received as the opening echo, so that it can be determined by the presence or absence of the opening echo.
  • the receiving vertical probe 2 receives the diffracted wave including the harmonic component. For example, when an ultrasonic wave having a frequency of 5 MHz is incident, the receiving vertical probe 2 2 receives the second harmonic of 1 OMHz.
  • the position of the microscopic damage 20 from the surface of the object to be inspected can be estimated from the arrival time difference between the diffracted wave 18 and the surface wave 15 that propagate directly upward from the microscopic damage 20.
  • a large amplitude ultrasonic wave can detect finer scratches as the frequency becomes higher, use an ultrasonic wave that has a higher frequency within the range that can be received by the receiving vertical probe. Is preferred.
  • the ultrasonic wave having a large amplitude is attenuated more than the normal ultrasonic wave, if the propagation distance of the ultrasonic wave is long, it is diffused and attenuated and can be received by the receiving vertical probe.
  • the harmonic component of the signal level cannot be detected.
  • the diffracted wave 18 that propagates directly from the tip of the wound 20 toward the reception vertical probe 22 is directly received by the reception vertical probe 22 without passing through the wedge. By doing so, it is possible to receive a strong signal with the least attenuation. Therefore, if the current general wedge is used, the receiving vertical probe can receive the second harmonic up to 16 MHz.
  • the receiving vertical probe is used.
  • the ultrasonic flaw detection method of the present invention provides a sound part 26 and a corroded part 25 in the inspection object 6. It can also be applied to the detection of the interface 27 with the.
  • a weak diffracted wave propagating upward from the interface 2 7 out of the diffracted wave 17 generated at the interface 2 7 when the ultrasonic wave 16 is incident from the transmitting oblique probe 21 1
  • the incident wave 16 may be an ultrasonic wave having a normal amplitude in the ultrasonic flaw detection method, or may be a non-linear ultrasonic wave using a large amplitude ultrasonic wave.
  • microscopic damage in the inspected object occurs as a group, it is also possible to determine the corresponding part as a corroded or deteriorated part (hereinafter referred to as a corroded part).
  • the reception vertical probe 2 2 is fixed on the corroded portion 25 and the waveform is observed while the transmission oblique probe 21 is scanned in the direction of the arrow in the figure.
  • a received waveform as shown in FIG. 8 is obtained.
  • the displacement peak 28 shows the diffracted wave 18 from the interface 27, and the continuous displacement after the peak 28 shows the scattered wave 29 from the back surface 14.
  • the transmission oblique probe 21 and the reception vertical probe 2 2 2 are moved with a constant interval S, but the measurement of the interval between the two probes is performed. It may be performed each time.
  • the scattered wave 29 appears after the peak 28, the presence of a back corroded portion can be confirmed.
  • the received waveform as shown in FIG. “ ⁇ can be obtained by trigonometry as described above.
  • the scattered wave 29 from the interface 27 is received, and then the diffracted wave from the interface 27 is received. It receives peak 28 of 1 8. Therefore, it can be determined whether surface corrosion occurs from the front surface or back surface corrosion occurs from the back surface, depending on whether the scattered wave 29 or peak 28 appears first.
  • an electromagnetic ultrasonic probe (EMAT) using Lorentz force may be used as the probe.
  • the laser is used to excite the object to be inspected.
  • the inspection object 6 may be placed in the water for flaw detection (water immersion method).
  • the position of the receiving vertical probe 22 is directly above the scratch 20, it is not limited to being directly above in a strict sense, and diffraction directly propagates above the scratch 20. As long as the wave 18 can be received, the receiving position can be appropriately shifted depending on the situation.
  • the probe especially the wedge, is not used. Since the receiving vertical probe 22 cannot be brought into close contact with the flaw detection surface, it is preferable to use a probe having flexibility on the flaw detection surface.
  • a flexible probe 7 for example, a soft probe manufactured by Japan Probe Co., Ltd. can be used.
  • the inspection object 6 is as thin as 2 Omm, it is difficult to detect with the detection laser. Therefore, a receiving vertical probe 22 using a piezoelectric element having a fundamental frequency of 5 MHz and a diameter of 8 mm was used.
  • the receiving vertical probe 22 is fixed in advance above the slit 20. And the irradiation position of the excitation laser beam 9 on the transmission side was moved. the other one is
  • the excitation laser beam 9 and the reception vertical probe 22 are simultaneously set with the interval S between the irradiation positions of the reception vertical probe 22 and the excitation laser beam 9 being constant. Aligned and moved in the same direction by the same amount.
  • X represents the distance between the laser irradiation position and the slit 20 at the start of scanning
  • S represents the distance between the laser irradiation position and the receiving probe 22. Scanning was performed 1 mm at a time.
  • An arrow indicated by reference numeral 30 indicates the scanning direction.
  • Table 1 shows the flaw detection results.
  • flaw detection methods using surface waves and upward diffracted waves no error occurs when slit 20 is 2 mm or 5 mm, and the error is only 0.4 mm (5% error) even when 8 mm. It was confirmed that the height of the flaw can be measured with high accuracy. Thus, according to the ultrasonic flaw detection method of the present invention, it was confirmed that the measurement accuracy of the flaw height can be improved.

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Description

明 細 書
超音波探傷装置及び方法
技術分野
[0001] 本発明は、 超音波探傷方法及び装置に関する。 更に詳述すると、 本発明は、 表面き裂あるいは厚肉の被検査物の表層に近い腐食部ゃ微視損傷を含む傷の 傷端部位置、 傷深さ若しくは裏面からの傷高さを検出するのに好適な超音波 探傷方法及び装置に関する。
背景技術
[0002] 原子力プラントの配管の溶接部のような、 厚肉配管溶接部に対する表面き裂 の傷深さや、 表層に近い腐食部ゃ微視損傷を含む傷の深さや傷位置あるいは 裏面からの傷高さなどを非破壊で検査するには、 従来から超音波探傷試験が 実施されている。 そして、 厚肉配管溶接部に対する非破壊検査には、 単に傷 の有無を検出するだけでなく、 傷深さや傷高さ、 傷の大きさ等を精度良く測 定する必要が高まっている。 この欠陥のサイジングには発生端と終端を高精 度に検出することが不可欠であることから、 近年では、 フェーズドアレイ法 や TOFD (Time Of Flight Diffraction) 法、 斜角探傷法などの超音波探傷試 験法の適用が考えられている。
[0003] 例えば、 表面き裂の傷深さの推定には、 表面波を利用した T0FD法が一般に用 いられている （非特許文献 1 ) 。 TOFD法によれば、 図 1 3に示すように 、 き裂のない場合の表面波のビーム路程 T。と、 き裂のある場合の表面波のビ ーム路程 との間には路程差が生じる。 そこで、 き裂のない場合の表面波の ビーム路程 T。を予め求めておき、 き裂のある場合の表面波のビーム路程 "Π を求めて、 式 1に示す関係から傷深さ dの推定を行う。 ここで、 ビーム路程 とは、 送信側探触子と受信側探触子との間でビームが経由する距離をいう。
d = 1 /2 (Ττ-Το) … （1 )
[0004] また、 斜角探触子を用いた斜角探傷法による傷高さ測定が行われることもあ る （非特許文献 2) 。 [0005] さらに、 本発明者等によって、 原子力プラントの一次系構造物の炉内構造物 や循環配管等に主に使用されているオーステナイ卜系ステンレス鋼やインコ ネル （Special Metals Corporationの登録商標） の溶接部周辺の傷特に裏 面開口傷の傷高さの測定に好適な SP0D法 （Short Path of Diffraction：短経 路回折波法） と呼ばれる超音波測定法が提案されている （非特許文献 3) 。 この SP0D法は、 斜角探触子と垂直探触子とを組み合わせ、 被検査物中の傷に 対し斜め方向から超音波パルスを入射して傷の端部において発生する回折波 を、 傷の上方で垂直探触子により受信するようにして、 傷の上方へ直接伝播 する成分と一度被検査物の裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との 到達時間差から傷高さを求めるものである。
[0006] 非特許文献 1 ：社団法人 曰本非破壊検査協会発行 「曰本非破壊検査協会規格
T0FD法による傷高さの測定方法」 平成 1 3年 1 2月 1曰発行
非特許文献 2 :社団法人 曰本非破壊検査協会発行 「曰本非破壊検査協会規格 端部エコー法による傷高さの測定方法」 平成 9年 6月 1曰発行
非特許文献 3： 日本保全学会第 2回学術講演会要旨集第 21頁〜第 26頁の Γ 超音波探傷試験における簡便な傷サイジング手法の提案」 2005年 7月 8 曰配布
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] しかしながら、 表面き裂は、 構造物の応力集中の起こり易い形状変化部分例 えば厚肉配管の管台あるいは T形継ぎ手などの厚肉配管同士が角度をつけて 接続される溶接箇所などに生じることが多い。 このような形状変化部分にあ る表面き裂を 2つの探触子で挟むように配置して探傷を行うことは困難であ る。 更に、 TOFD法では、 受信する表面波のエコーも弱く、 推定を精度良 く行うことが不可能であった。 したがって、 TO FD法を用いて表面き裂を 開口部から探傷し、 傷深さを求めることには困難が伴う。 特に、 TOFD法 は、 傷深さの非破壊測定が求められる原子力プラントの一次系構造物の炉内 構造物や循環配管等に主に使用されているオーステナイ卜系ステンレス鋼や インコネルなどに対して、 減衰やノイズが大きく使えないという問題がある
[0008] また、 斜角探傷法を用いて表面き裂の下端の検出を行う場合でも、 傷の下端 からの回折波のエコーを検出することができず、 傷深さの推定を行うことは できない。 これは、 斜め上方への回折波のエネルギーが元々弱いうえに、 ビ ーム路程が長くなる分だけ拡散減衰することにより、 検出可能な程度の回折 波エコーが得られないことに起因する。
[0009] さらに、 被検査物中に腐食部が存在している場合、 腐食部とその周りの健全 部とは元々同じ物性であり、 腐食してもその物性が大きく異ならないことか ら、 それらの界面では超音波のほとんどが透過し、 発生する反射波及び回折 波が微弱となる。 このため、 T O F D等の一般的な超音波測定法では腐食部 と健全部との境界面の検出が難しく、 表面に表れていない腐食の有無を非破 壊で検出すること、 さらには腐食部が表面に表れていても、 腐食部の深さを 検出することは難しかった。 このことは、 初期段階の疲労き裂、 閉じたき裂 、 粒界クリープボイド、 微視剥離等の閉じた欠陥全般であって入射波波長よ リもはるかに小さな欠陥 （以下、 微視損傷という） などが集団となって被検 査物中に生じた場合においても同様である。 このような微視損傷等の塊は、 腐食、 劣化部分 （以下、 腐食部という） と判断することができ、 従来の超音 波探傷法では、 腐食部と健全部との境界面の深さ位置を求めることはできな い。
[0010] さらに、 本発明者等によって提案された非特許文献 3記載の S P O D法によ つても、 厚肉配管溶接部のような厚肉被検査物の表面き裂や表層に近い腐食 部ゃ微視損傷などを含む傷の被検査物表面からの傷深さあるいは被検査物裏 面からの傷高さを検出する場合においては、 最も強いエネルギーが得られる 下向きの回折波成分を利用するといつても、 被検査物裏面で反射した後に傷 の上方に伝播する回折波のビーム路程が長くなるため減衰により信号を検出 することができないことが判明した。 円弧状 （球面状） に広がる回折波のう ち、 直下へ向かう成分は最も強い。 しかし、 厚肉の被検査物においては、 傷 の端部が被検査物の裏面からあまりにも離れている場合、 例えば表層付近に ある傷や表面開口傷や裏面開口傷であってもその傷高さがあまりにも高く裏 面から離れている場合では、 被検査物裏面で反射した回折波が受信側探触子 まで戻ってくることができず、 底面からの反射エコーが見えないことがある 。 このため、 傷の端部で発生する回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一 度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との到達時間差から傷高さを 求める SP0D法では、 表面き裂の傷深さなどを求めることができない場合があ る。 このことは、 腐食部と正常部との界面で起こる回折波においても同様で 、 腐食部を伝播して底面で反射する回折波は大きく減衰し検出することがで きない。 つまり、 オシロスコープ上で見えない。
[001 1 ] そこで本発明は、 表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食部ゃ微視損傷 を含む傷の傷端部位置、 傷深さあるいは傷高さを簡単かつ精度良く検出する ことができる超音波探傷方法及び装置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
[0012] かかる目的を達成するため、 本発明者等は、 種々研究の結果、 傷の存在によ つて発生する回折波の成分のうち、 入射元へ戻る成分は弱く、 傷の直下即ち 超音波を入射する表面とは反対側の裏面 （底面） 側へ向かう成分が最も強く 、 その次に直接傷の上方 （被検査物の表面側） へ向かう成分が強いという関 係にあるが、 表面開口傷や試料中の表面に近いところにある傷の場合には、 一旦底面で反射してから上に向かう成分よりも、 直接傷の上方に向かう成分 の方が伝播距離が短い分だけ減衰が少ないことから、 結果として最も強い信 号となって明瞭に受信できることを知見するに至った。 このことに本発明者 等は着目し、 傷に到達した後に回折波として傷の上方へ直接伝播する超音波 のビーム路程及び被検査物表面上の超音波の入射位置と検出位置との距離か ら、 あるいはこれらの関係が反映する表面波と傷の上方へ直接伝播する回折 波成分との受信用垂直探触子までの伝播時間差から、 三角法 （ピタゴラスの 定理） を用いて表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食部ゃ微視損傷を 含む傷の端部位置、 傷深さあるいは傷高さを求めるに至った。 [0013] 即ち、 請求項 1記載の超音波探傷方法は、 被検査物に対して斜角探触子によ つて斜め方向から超音波を入射させ、 被検査物中の傷の端部で発生する回折 波を傷の上方で垂直探触子によって検出し、 回折波のうち直接傷の上方に伝 播する成分の送信用斜角探触子と受信用垂直探触子との間の傷を経由したビ ーム路程と超音波の入射位置と検出位置の間隔とから、 あるいはこれらの関 係が反映する表面波と傷の上方へ直接伝播する回折波との受信用垂直探触子 までの伝播時間差から、 三角法を用いて被検査物の表面からの傷の端部の位 置を求めるものである。 ここで、 ビーム路程と伝播時間との関係は、 ビーム 路程 =伝播時間 X入射超音波の音速であることから、 超音波の音速が実質一 定と考えられる材料中では、 伝播時間が検出できればビーム路程は演算によ リ求められる。
[0014] また、 本発明の超音波探傷法は、 傷から直接上方の探傷面へ向けて伝播する 回折波成分を利用して傷の端部位置を求めることから、 表面き裂や厚肉の被 検査物の表層に近い腐食部ゃ微視損傷を含む傷の端部位置並びに傷の下方 （ 超音波を入射する面とは反対側の面） に向けて伝播し一旦底面で反射してか ら上に向かう回折波成分の検出が難しい状況下での被検査物の表面からの傷 深さあるいは被検査物裏面からの傷高さを求めるのに適している。 ここで、 傷が微視損傷の場合には、 超音波として大振幅超音波を入射し、 微視損傷か ら上方に直接伝播する回折波の高調波成分を検出することにより、 ビーム路 程あるいは伝播時間差を求める。 さらに、 厚肉配管溶接部の如く、 被検査物 の表層に近い傷や表面開口傷のように回折波が反射する底面から傷の端部ま での間隔が離れているケースや裏面開口傷の高さがあまりにも高い場合には 、 他の方法で測定した被検査物厚みとの差分から裏面からの傷高さを求める ことができる。
[0015] また、 超音波の入射位置と検出位置との間隔は、 例えば表面波の伝播時間か ら求めても良いし、 あるいは送信用斜角探触子と受信用垂直探触子との間隔 を実測したり、 若しくは被検査物の表面側における超音波の入射位置と検出 位置との間隔を予め定間隔に保持しておくようにしても良い。 [0016] さらに、 斜角探触子としての超音波発生源としては、 圧電振動子ゃ磁歪振動 子の使用が一般的であるが、 場合によってはレーザによって超音波を励起さ せるようにしても良い。 レーザ超音波法によると、 非接触で超音波を励起さ せられるので高温環境下での測定や複雑な形状を有する物の測定などに好適 であるが、 さらに圧電素子を用いた超音波探傷法に比べて、 強い表面波の受 信信号が存在することから、 表面波および傷の上方に伝播する回折波の伝播 時間の関係から傷高さの推定を行う場合に好適である。 ここで、 斜角探触子 としてレーザを用いる場合には、 受信用垂直探触子としては干渉計の使用が 好ましい。 さらに、 このレーザ超音波法の場合には、 レーザは複数であり、 遅延発生器を介してレーザの照射間隔をずらすことによリ発生した超音波が 任意の 1点に同時に到達するように時間遅延をかけ、 伝播方向の制御を行う ものであることが好ましい。
[0017] また、 本発明にかかる超音波探傷装置は、 被検査物中の傷に対し斜め方向か ら超音波ビームを入射する送信用斜角探触子と、 前記傷の上方へ伝播する回 折波を受信する受信用垂直探触子と、 前記受信用垂直探触子が受信した前記 傷端部で発生する回折波の前記傷の上方へ直接伝播する成分の前記送信用斜 角探触子と前記受信用垂直探触子との間の前記損傷を経由したビーム路程と 前記超音波の入射位置と検出位置の間隔とから、 あるいは表面波と傷の上方 へ直接伝播する前記回折波成分との前記受信用垂直探触子までの伝播時間差 から、 三角法を用いて前記被検査物の表面からの前記傷の端部の位置を算出 する演算処理部とを備えるものである。
発明の効果
[0018] 本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、 傷の直下へ向けて伝播する回 折波成分の次に強く且つ最短のビーム路程で伝播する上方への回折波成分を ゥエッジを介さず直接受信するので、 減衰の影響を受け難く、 より強い信号 として受信することができる。 したがって、 熟練の検査員でなくとも測定結 果にばらつきなく、 精度良く測定できる。
[0019] また、 本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、 損傷等が被検査物の表 層付近に存在している場合であっても、 被検査物表面から傷の端部までの位 置を求めることができる。 したがって、 表層付近における傷の有無や傷の被 検査物表面または裏面からの位置、 具体的には表面傷の深さや表面からの傷 の腐食の深さあるいは表層付近の閉じた傷などの有無とその位置、 さらには 別の測定法などで求められた被検査物の既知の厚みから裏面開口傷の高さな どを求めることができる。
[0020] しかも、 本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、 傷の端部の位置は、 簡単に算出することができる。 つまり、 材質や測定面の形状変化などに左右 されずに被検査物表面の傷深さの推定を行うことが可能となる。
[0021 ] また、 本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、 溶接時のブローホール 等の被検査物中の傷の検出を行うことが可能となるため、 これらの初期欠陥 を予め計測することで製品の性能評価を行うことが可能となる。
[0022] また、 請求項 4記載の本発明の超音波探傷方法によれば、 被検査物中の健全 部と腐食部との界面のような微弱な反射源であっても、 最短距離で尚かつ底 面に向く成分に次いで強い信号となる垂直探触子に直接向かう回折波の成分 を用いるので、 回折波を検出可能なレベル■強さで受信することができる。 したがって、 腐食部と健全部の界面の位置を他の測定法あるいは目視判断な どとの併用により、 被検査物表面からの腐食部の深さあるいは裏面からの腐 食部の高さを求めることができる。
[0023] さらに、 請求項 5記載の発明にかかる超音波探傷法によれば、 最短のビーム 路程で伝播する上方への回折波成分をゥエッジを介さず直接受信するので、 減衰の影響を受け難く、 より高い周波数の高調波成分を受信することができ る。 つまり、 検出用の超音波の周波数を従来よりも高くできるので、 検出分 解能が高く、 より微細な損傷を検出することができる。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1 ]本発明の超音波探傷方法による探傷、 傷深さの推定方法の説明図である [図 2]傷深さの推定時の表面波及び回折波の受信波形の一例を示す図である。 [図 3]本発明の超音波探傷方法による探傷、 傷高さの推定方法の説明のための 図である。
[図 4]レーザによって超音波を励起する超音波探傷装置の一例を示す説明図で める。
[図 5]圧電振動子を用いた超音波探傷装置の一例を示す説明図である。
[図 6]被検査物中の損傷を検出する実施形態の一例の説明図である。
[図 7]被検査物中の裏面腐食部の界面の検出原理を説明する図である。
[図 8]図 7の検出方法における受信波形の一例を示すグラフであり、 縦軸に変 位を、 横軸にビーム路程を示す。
[図 9]被検査物の表面腐食部の界面の検出原理を示す図である。
[図 10]図 9の検出方法における受信波形の一例を示すグラフであり、 縦軸に 変位を、 横軸にビーム路程を示す。
[図 11 ]受信側探触子をスリツ卜の上方に固定的に配置し、 励起レーザの照射 位置を移動させながら被検査物中の傷の端部を検出する方法を示す説明図で める。
[図 12]受信探触子及び励起レーザの照射位置を一定間隔として同時に移動さ せながら被検査物中の傷の端部を検出する方法を示す説明図である。
[図 13]従来の T O F D法による表面き裂の傷深さ推定方法の説明のための図 である。
符号の説明
1 超音波探傷装置
2 レーザ
3 遅延発生器
6 被検査物
7 干渉計
8 検出用レーザ
1 2 パーソナルコンピュータ
1 3 被検査物表面 1 4 被検査物裏面
1 5 表面波
1 6 被検査物に入射された超音波
1 7 回折波
1 8 上方へ伝播する回折波
2 1 送信用斜角探触子
2 2 受信用垂直探触子
2 5 腐食部
2 6 健全部
2 7 腐食部と健全部との界面
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、 本発明の構成を図面に示す実施の一形態に基づいて詳細に説明する。
[0027] 本発明の超音波探傷方法は、 斜角探触子によって被検査物に対して斜め方向 から超音波を入射させ、 被検査物中の傷の端部で発生する回折波を傷の上方 で垂直探触子によって検出し、 回折波の直接上方に伝播する成分の送信用斜 角探触子と受信用垂直探触子との間の傷を経由したビーム路程と超音波の入 射位置と検出位置の間隔とから、 あるいはこれらの関係が反映する表面波と 傷の上方へ直接伝播する回折波との受信用垂直探触子までの伝播時間差から 、 三角法を用いて被検査物の表面からの傷の端部の位置を求めるようにして いる。
[0028] ビーム路程と伝播時間との間には、 式 2
ビーム路程 =伝播時間 X入射超音波の音速 … （2 ) の関係が成立することから、 超音波の音速が実質一定と考えられる材料中で は、 伝播時間が検出できればビーム路程 W tは演算により求められる。 また 、 図 1に示すように、 超音波の入射地点から傷 2 0に到達するまでのビーム 1 6に対し、 傷 2 0の端部で発生した回折波 1 7の直上へ直接向かう成分 1 8と、 入射地点から受信用垂直探触子 （検出位置） に向けて被検査物 6の表 面 1 3を伝播する表面波 1 5とは直角三角形の関係にある。 このことから、 被検査物の表面 1 3に沿って伝播する表面波 1 5と被検査物 6中を伝播して 傷 2 0で回折波 1 7を生じる超音波 1 6との伝播時間差あるいはそれぞれの ビーム路程から三角法を用いて表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食 部ゃ微視損傷を含む傷の被検査物の表面あるいは裏面からの端部までの距離 、 即ち傷深さあるいは傷高さを求めることができる。 回折波の傷の直上へ直 接向かう成分の伝播距離が傷までの深さ分だけと短いため、 拡散減衰が少な く、 回折波を精度良く検出することが可能となる。
[0029] ここで、 受信波としては縦波の利用が好ましい。 この場合、 横波より速く探 触子に到達することの他に、 波長が長いため金属組織による影響を受け難い ためである。 しかしながら、 検出に用いるのは縦波に限定されるものではな く、 横波を用いても良い。 受信用垂直探触子では縦波だけでなく、 横波も受 信される。 両波はより高精度で口バス卜性にも優れていることが実験で確認 された。 したがって、 検出位置によっては横波が強い場合もあるので、 縦波 か横波のいずれか一方若しくは双方を用いることで、 よリ検出結果の良い方 を用いることでより明確な損傷の検出を行うことができる。
[0030] この超音波探傷方法並びに装置における送信用斜角探触子としては、 圧電振 動子ゃ磁歪振動子の使用が一般的であるが、 場合によってはレーザを用いる ようにしても良い。 レーザを用いて超音波を励起させる場合には、 非接触で 超音波を励起させられるので高温環境下での測定や複雑な形状を有する物の 測定などに好適である。 さらに本発明者等は、 レーザにより励起された超音 波を用いる場合には、 圧電素子を用いて超音波を入射する場合に比べて、 強 い表面波の受信信号が存在することを知見した。 このため、 圧電素子を用い た超音波探傷法に比べて、 強い表面波の受信信号が存在することから、 三角 法を用いて厚肉被検査物の表面き裂や表層に近い腐食部ゃ微視損傷を含む傷 の被検査物表面からの傷深さあるいは被検査物裏面からの傷高さを求める場 合に好適である。 勿論、 圧電振動子ゃ磁歪振動子などを用いた一般的な送信 用斜角探触子並びに受信用垂直探触子によっても問題なく傷などを検出でき ることは言うまでもない。 即ち、 レーザ超音波法でも圧電素子を用いた超音 波探傷法のいずれでも傷深さを精度良く推定することが可能である。
[0031 ] そして、 送信用斜角探触子としてレーザを用いる場合には、 回折波の検出を 行う受信用垂直探触子としては干渉計を用い、 これによつて非接触で行うこ とがよリ効果的であり好ましい。 被検査物中を伝播した超音波振動が被検査 物表面に到達すると、 到達点が n m以下の微小な変位で振動する。 そこで、 超音波を検出したい位置にレーザ光を照射すると、 その反射光には微小な光 周波数遷移 （ドップラーシフト） が発生する。 レーザ光の周波数と位相の安 定度が十分高ければ、 この微小な光周波数遷移が干渉効果を用いて計測でき る。 尚、 斜角探触子としてレーザを用いる場合の受信用垂直探触子としては 干渉計の使用が一般的であるが、 接触下での検出が可能な場合には圧電素子 ゃ磁歪振動子の受信用垂直探触子を用いるようにしても良い。
[0032] さらに、 レーザを被検査物に照射して超音波を励起させる場合には、 図 4に 示すように、 複数のレーザ 2を用い、 遅延発生器 3を介して各レーザ 2の照 射タイミングをずらすことにより発生した全ての超音波の縦波あるいは横波 が検出ボイン卜となる任意の 1点に同時に到達するように時間遅延をかけ、 伝播方向の制御を行うことが好ましい。 この場合には、 被検査物 6に照射さ れた各レーザ光 9によつて順次励起された超音波が合成され、 振幅の大きな 超音波を形成できる。 これにより、 検出感度もよく、 高精度な探傷を行うこ とが可能となる。 また、 各レーザ 2から異なるタイミングで励起用のレーザ 光 9を送信し、 超音波を発生させることで、 励起された波の伝播方向の制御 が可能となる。 例えば、 時間遅延を少なく設定すれば、 合成波の入射角は小 さくなリ、 時間遅延を大きく設定すれば、 合成波の入射角を大きくすること ができる。 そこで、 遅延時間を制御することによりビームの入射角を制御す ることができる。 更に、 複数のレーザ 2で励起された波の到達順序を制御し 、 波を合体させることで基本周波数付近にエネルギーの集中した狭帯域超音 波を発生させることができる。
[0033] この実施形態における送信側のレーザ 2としては、 Qスィッチを備える Y A Gレーザ、 C 0 2レーザ、 エキシマレーザ等が用いられている。 そして、 遅延 発生器 3によつて検出用レーザ 8のトリガ信号に対する各送信側レーザ 2の Qスィッチの遅延時間が設定されることにより、 レーザパルスが時間を遅ら せて生成される。 また、 干渉計 7としては、 例えば二光波混合干渉計を用い ることが好ましいが、 これに限られるものではなく、 フアブリ ■ペロー型干 渉計 （C F P I ) 等の他の公知のまたは新規の干渉計を用いるようにしても 良い。 さらに、 干渉計 7にはデータ収集用並びに制御装置としてのパーソナ ルコンピュータ 1 2がオシロスコープ 1 1及びバンドパスフィルタ 1 0を介 して接続される。 そして、 干渉計 7により検出された信号は、 バンドパスフ ィルタ 1 0を通じてオシロスコープ 1 1によって記録され、 さらにコンビュ ータ 1 2に取り込まれる。 コンピュータ 1 2は、 図示していない中央演算処 理装置と中央演算処理部の動作手順を規定するプログラムや中央演算処理部 によって処理されるデータなどを記憶するメモリ、 並びに取り込まれたデー タを格納する記憶手段、 表示手段、 キーボードやマウスなどの入力手段など を備え、 オシロスコープ 1 1及びバンドパスフィルタ 1 0と共に探傷器に相 当する機能を構築する。 尚、 図中の符号 4 a、 4 bはミラー、 5は集光用レ ンズである。 バンドパスフィルタ 1 0は、 例えばローバンドパスフィルタで あり、 ノイズの除去等に用いる。
[0034] このように構成された超音波探傷装置によれば、 超音波を任意の 1点に同時 に到達するように時間遅延をかける処理は、 例えばオシロスコープ 1 1のモ ニタリングにより簡便に行うことができる。 具体的には、 まず任意に選択し た一つのレーザ 2により励起された波形の検出を行ってオシロスコープ 1 1 の画面上に記録する。 次に、 残りのレーザ 2を 1つずつ順次励起し、 それぞ れ得られた波形をオシロスコープ 1 1上で観察しながら、 先に記録されたレ 一ザの波形のピークと一致させるようにレーザ 2について時間遅延を設定す る。 勿論、 予め三角法を用いた計算により遅延時間を求めるようにしても良 い。 また、 被検査物 6の厚さ、 材質、 照射位置間隔毎に、 レーザの遅延時間 を予め求めておいても良い。
[0035] また、 圧電素子を用いた探触子を利用する場合には、 例えば図 5に例示する ような構成の装置で本発明の超音波探傷方法を実施可能である。 この超音波 探傷装置は、 被検査物 6に対し超音波ビームを入射する送信用斜角探触子 2
1と、 被検査物 6中を傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用垂直探触 子 2 2と、 データ収集用並びに制御装置としてのパーソナルコンピュータ 1 2を備え、 AZ D変換ボード 2 4を介して接続されたパルスレシーバ 2 3を 介して送信用探触子 2 1並びに受信用探触子 2 2の送受信の動作を制御する ように設けられている。
[0036] ここで、 制御 'データ取得用のコンピュータ 1 2は、 AZ D変換ボード 2 4 とパルスレシーバ 2 3とによって、 探傷器に相当する機能を構成する。 勿論 、 探傷器を別途使用し、 データ収集のみをコンピュータ 1 2で行うようにし ても良い。 さらに、 スキャン条件の設定、 探傷時の走査コントロールなどは 全てコンピュータ 1 2において行う。
[0037] 尚、 いずれの方式においてもコンピュータ 1 2においては、 回折波 1 7の傷 の上方に直接伝播する成分の送信用斜角探触子 2 1と受信用垂直探触子 2 2 との間の傷 2 0を経由した入射超音波 1 6の全ビーム路程 W tと超音波の入 射位置と検出位置の間隔 Sとから、 あるいは傷 2 0に向けて入射されかつ傷 2 0に到達して回折波として傷 2 0の上方へ直接伝播する入射超音波 1 6と 表面波 1 5との被検査物中の伝播時間差 （t t _ t s) から、 三角法を用いて 被検査物 6の表面 1 3からの傷 2 0の端部の位置を中央演算処理部で演算す るようにしている。 同時に、 超音波ビームの表面波 1 5と傷 2 0の端部に達 したときに発生する回折波 1 7の傷の上方へ直接伝播する成分 1 8の信号と を同時に表示手段としてのオシロスコープ 1 1に表示して探傷面への到達時 間差を示すようにしている。
[0038] 図 1に、 本発明の超音波探傷方法を表面き裂の傷深さ測定に適用した実施形 態の説明図を示す。 尚、 本実施形態においては、 送信側探触子としてレーザ 、 受信用垂直探触子として干渉計と検出用レーザを用いた場合について説明 する。
[0039] 本実施形態において、 励起用レーザ光 9の照射地点と検出用レーザ光 8の照 射地点とは一定の間隔 Sを保ちながら、 同じ方向に同量ずつ移動するものと している。 この場合、 一体的に励起用レーザ光 9の照射地点と検出用レーザ 光 8の照射地点とを移動させるだけで信号が得られるので、 一方の探触子の 固定位置の選定に時間をとられることがない。 したがって、 検出用レーザ光
8の照射位置が表面き裂 2 0の上方に達すると、 傷 2 0の下端からの回折波 を検出する。 これにより、 目視で判別できないような表面き裂でも発見する ことが可能となる。 尚、 表面き裂 2 0の位置が予めわかっている場合には、 検出用レーザ 8の照射位置を当該表面き裂の位置としても良いのは、 勿論で ある。 超音波の入射位置と検出位置との間隔 S並びに超音波の入射角 0を一 定にする場合、 円弧状に広がる超音波のビーム中心が必ずしも傷の先端に当 たるとは限らないが、 ビーム中心から離れた部分が傷 2 0の先端に当たって も回折波は発生することから、 傷 2 0の先端を検出することができる。 また 、 励起レーザ光 9の照射位置を走査させるようにしても良い。
[0040] 超音波の入射により、 受信用垂直探触子 2 2では図 2に示すように、 まずビ ーム路程が短い表面波 1 5が超音波の入射時から t s後に、 次に傷 2 0を経由 して回折波として傷の上方へ直接伝播される路程 W tの入射超音波が t t後に 検出される。 表面波 1 5のビーム路程 W sと被検査物 6の中における超音波 の全ビーム路程 W tとは、 音速を Cとすると、 前述の式 2の関係から、 W s = C t s、 W t = C t tで表される。 このことより、 表面き裂 2 0の傷深さ d は、 ピタゴラスの定理から展開された式 3により求めることができる。 尚、 励起レーザ光 9の照射位置と検出用レーザ光 8の照射位置との間隔 S即ち表 面波の路程 W sは、 表面波 1 5の伝播時間から算出しても良いし、 予め間隔 を一定の値に設定したり、 あるいは探傷毎に実測するようにしても良い。 ま た、 音速 Cは被検査物の材質に依存するものであり、 予め求められる。
d = (W t 2 _W s 2) / 2 W t … ( 3 )
[0041 ] 次に、 図 3に肉厚被検査物の裏面傷の高さ dを求める場合の原理を示す。 図
4に示す超音波探傷装置 1の複数のレーザ 2に各々設定された時間遅延によ リ被検査物 6の中での伝播方向が制御された超音波 1 6は、 ビーム路程 W t 1 で傷 20まで伝播し、 さらに傷 20の端部で回折し回折波 1 7を生じる。 回 折波 1 7にうち、 傷 20の直上へ直接伝播する成分 1 8はビーム路程 Wt 2で 被検査物 6の表面 1 3まで直接に伝播する。 同時に、 縦波の表面波 1 5がビ ーム路程 W sで被検査物 6の表面付近を伝播する。
[0042] 表面波 1 5と入射超音波 1 6の上方へ伝播する回折波 1 8の到着時刻 t s， t tから、 以下の式 4、 式 5が与えられる。
WS = C - t s … （4)
Wt 1+Wt 2 = C■ t t … (5)
[0043] 更に、 Wt 2を式 6により求めることができ、 傷高さ dは、 被検査物 6の厚さ Tから Wt 2を引くことにより求めることができる。 尚、 被検査物 1 6の厚み Tは厚さ計等により簡単に図ることが可能である。 そこで、 裏面 1 4からの 回折波 1 7の反射が検出できない場合でも、 裏面開口傷の傷の端から被検査 物の表面 1 3までの距離 Wt 2が求まれば、 傷 20の被検査物裏面 20からの 高さ dを求めることが可能である。
Wt 2 = C ( t t_ t s 2) Z2 t t … (6)
[0044] また、 本発明の超音波探傷方法は、 従来では検出が困難であった被検査物中 で閉じた傷例えば溶接時のブローホール等の閉じた球状の欠陥に対しても同 様に傷の端部の存在を検出でき、 損傷の被検査物表面からの深さ位置を推定 することができる。 特に、 図 6に示すように、 傷 20が被検査物 6の表層付 近にある場合あるいは裏面開口傷でも傷高さが高い場合等において、 厚肉の 被検査物 6の裏面 20で一度反射した後に被検査物 6の表面側即ち 20の上 方へ伝播する回折波 （図示省略） が受信できない場合において有用である。
[0045] 即ち、 被検査物の表面 1 3からの傷 20の端部までの位置は上述の手法によ つて求まる。 一方、 傷 20が開口傷か閉じた欠陥かどうかは、 他の超音波探 傷法を併用することにより簡単に判別することが可能である。 例えば、 斜角 探傷法を用いた場合であれば、 開口部からの強い反射波を開口部エコーとし て受信するので、 その開口部エコーの有無により判断することができる。 よ つて、 本発明の超音波測定方法と斜角探傷法を組合せることにより従来の超 音波探傷法では困難であったブローホール等の内在球状欠陥 1 2の底面から の高さ位置 dを推定することが可能となる。
[0046] さらに、 通常の超音波探傷試験に用いられる超音波の振幅 （1 n m程度） に 代えて、 少なくとも 5倍から数十倍程度の振幅を持つ大振幅超音波を用いれ ば、 微視損傷が被検査物中に存在する場合には、 この微視損傷を閉口させ、 超音波の引張相での部分的な波の透過に伴い、 回折波 1 7に高調波成分を発 生させる （回折波形の非線形性） 。 したがって、 受信用垂直探触子 2は高調 波成分を含む回折波を受信することとなる。 例えば、 周波数 5 M H zの超音 波を入射すると、 受信用垂直探触子 2 2では 1 O M H zの 2次高調波が受信 される。 そこで、 受信した回折波 1 8に高調波成分が含まれるか否かにより 被検査物中に微視損傷が存在するか否かの判断、 即ち、 微視損傷の検出をす ることができる。 更に、 微視損傷 2 0から上方に直接伝播する回折波 1 8と 表面波 1 5との到達時間差から、 微視損傷 2 0の被検査物表面からの位置を 推定することができる。 この場合、 大振幅超音波は、 周波数が高周波数にな る程よリ微細な傷が検出できることから、 受信用垂直探触子で受信可能な範 囲でより高周波数となる超音波を用いることが好ましい。
[0047] ここで、 振幅の大きい超音波は、 通常の超音波に比べて減衰が大きいことか ら、 超音波の伝播距離が長いと、 拡散減衰して受信用垂直探触子で受信可能 な信号レベルの高調波成分を検出できない。 しかしながら、 本発明では、 傷 2 0の先端から直接上方即ち受信用垂直探触子 2 2へ向けて伝播する回折波 1 8を受信用垂直探触子 2 2でゥエッジを介さずに直接受信することにより 、 最も減衰を少なくして強い信号のまま受信可能となる。 したがって、 現在 の一般的なゥエッジを用いた場合であれば、 受信用垂直探触子は最大 1 6 M H zまで 2次高調波が受信可能となる。
[0048] 尚、 微視損傷 1 4の有無のみを検出の目的とする場合は、 受信用垂直探触子
2 2は、 少なくとも回折波 1 8及びその高調波成分が受信可能であれば良い
[0049] 更に、 本発明の超音波探傷方法は、 被検査物 6中の健全部 2 6と腐食部 2 5 との界面 2 7を検出する場合にも適用できる。 例えば、 図 7に示すように、 送信用斜角探触子 2 1から超音波 1 6を入射し、 界面 2 7で生じる回折波 1 7のうち界面 2 7から上方に伝播する微弱な回折波 1 8を短いビーム路程で 捉えることによって、 最小限の減衰で検出することができる。 尚、 入射波 1 6には、 超音波探傷法において通常の振幅の超音波を用いても、 大振幅超音 波を用いて非線形超音波を利用しても良い。 また、 被検査物中の微視損傷が 集団となって生じた場合における当該箇所も、 腐食、 劣化部分 （以下、 腐食 部という） と判断することができる。
[0050] ここで、 受信用垂直探触子 2 2を腐食部 2 5の上に固定して送信用斜角探触 子 2 1を図中の矢印方向に走査しながら波形の観察を行うと、 界面 2 7が存 在する場合、 図 8に示すような受信波形が得られる。 変位のピーク 2 8は、 界面 2 7からの回折波 1 8を示し、 ピーク 2 8以降の連続した変位は裏面 1 4からの散乱波 2 9を示している。 尚、 本実施形態では、 送信用斜角探触子 2 1及び受信用垂直探触子 2 2は、 間隔 Sを一定にして移動するものとして いるが、 2つの探触子間隔の計測をその都度行うようにしても良い。 尚、 図 8に示すように散乱波 2 9がピーク 2 8の後に表れるときには裏面腐食部の 存在が確認できる。
[0051 ] これとは逆に、 図 9に示すように被検査物 6の表層に腐食部 2 5がある場合 には、 図 1 0に示すような受信波形を示し、 その界面 2 7の深さ "Πは前述し た通り三角法により求めることができる。 ここで、 表面腐食の場合には、 ま ず界面 2 7からの散乱波 2 9を受信して、 その後界面 2 7からの回折波 1 8 のピーク 2 8を受信する。 したがって、 散乱波 2 9とピーク 2 8のどちらが 先に表れるかで、 表面から起こる表面腐食か、 裏面から起こる裏面腐食かの 判断ができる。
[0052] 尚、 上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定される ものではなく、 本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で ある。 例えば、 探触子には、 ローレンツ力を利用した電磁超音波探触子 （E M A T ) を用いるようにしても良い。 また、 レーザで超音波を被検査物に励 起させる場合には、 被検査物 6を水中に設置して探傷を行う （水浸法） よう にしても良い。
[0053] また、 受信用垂直探触子 22の配置位置は、 傷 20の直上であることが最も 好ましいものの、 厳密な意味で直上であることに限られず、 傷 20の上方へ 直接伝播する回折波 1 8を受信できる範囲において状況に応じて適宜受信位 置をずらすことができる。
[0054] また、 探触子 2 1， 22を当てる探傷面に凹凸、 例えば溶接の余盛りや面の 変形部位、 非研磨部位等が存在する場合には、 探触子特にゥエッジを用いな い受信用垂直探触子 22を探傷面に密着させられないため、 探傷面に柔軟性 のある探触子を用いることが好ましい。 このような柔軟探触子 7としては、 例えばジャパンプローブ社製のソフ卜プローブ等の使用が可能である。
[0055] また、 送信用探触子及び受信用探触子のいずれか一方または双方の周囲に水 槽を設けて探触子を水浸させた状態で送信ないし受信することも可能である 。 尚、 局部水浸法は、 水中で送信側探触子の角度を変えることにより、 送信 側探触子でも用いることが可能である。
実施例
[0056] (実施例 1 )
本発明の超音波探傷方法の有用性について実験を行った。 本実験では、 表 面を研磨した幅 4 OmmX長さ 8 OmmX厚み 2 Ommのアルミニウム被検 査物 6を用いた。 尚、 実験では、 被検査物 6に幅 0. 5mm、 高さがそれぞ れ 2mm、 5mm、 8 mmのスリット 20を入れ、 傷の代用とした。 本実験 では、 1本のレーザを用いて超音波を励起するようにした。 尚、 縦波超音波 の入射角は 45° に制御した。
[0057] 被検査物 6の厚さは 2 Ommと薄いので、 検出用レーザでは検出が困難であ る。 そこで、 基本周波数 5MH z、 直径 8 mmの圧電素子による受信用垂直 探触子 22を用いた。
[0058] 走査は、 図 1 1及び図 1 2に示す 2つの走査方法により行った。 一つは、 図
1 1に示すように受信用垂直探触子 22を予めスリッ卜 20の上方に固定的 に配置し、 送信側の励起用レーザ光 9の照射位置を移動させた。 もう一つは
、 図 1 2に示すように、 受信用垂直探触子 22及び励起用レーザ光 9の各照 射位置の間隔 Sを一定にして励起レーザ光 9と受信用垂直探触子 22とを同 時に同量だけ同方向へ揃えて移動させるようにした。 尚、 Xは、 走査開始時 のレーザ照射位置とスリット 20との距離、 Sはレーザ照射位置と受信探触 子 22との距離を示す。 尚、 走査は 1 mmずつ行った。 また、 符号 30で示 す矢印は走査方向を示す。
探傷結果を表 1に示す。 表面波及び上方回折波を用いた探傷方法の場合、 ス リット 20が 2mmまたは 5mmの場合には、 誤差が生じず、 8mmの場合 でも誤差はわずか 0. 4 mm (5%の誤差） であり、 高い精度で傷の高さを 計測できることが確認できた。 このように、 本発明の超音波探傷方法によれ ば、 傷高さの測定精度を高められることが確認できた。
[表 1]
表面波-上 ¾Θ折波を用いた方法 スリット長 計測結果 誤差
(mm) (mm) (mm)
2.0 2.0 0,0
5.0 5.0 0.0
8.0 8.4 0.4

Claims

請求の範囲
[1 ] 斜角探触子によって被検査物に対して斜め方向から超音波を入射させ、 前記 被検査物中の傷の端部で発生する回折波を前記傷の上方で垂直探触子によつ て検出し、 前記回折波の直接上方に伝播する成分の前記送信用斜角探触子と 前記受信用垂直探触子との間の前記損傷を経由したビーム路程と前記超音波 の入射位置と検出位置の間隔とから、 あるいは表面波と傷の上方へ直接伝播 する前記回折波成分との前記受信用垂直探触子までの伝播時間差から、 三角 法を用いて前記被検査物の表面からの前記傷の端部の位置を求めるものであ る超音波探傷方法。
[2] 前記傷は表面き裂であり、 前記被検査物の表面からの傷深さを求めるもので ある請求項 1記載の超音波探傷方法。
[3] 前記傷は被検査物中の損傷であり、 前記損傷の前記被検査物表面からの深さ 位置を求めるものである請求項 1記載の超音波探傷方法。
[4] 前記傷は腐食部であり、 前記被検査物中の健全部と腐食部との界面の前記被 検査物表面あるいは裏面からの深さあるいは高さを求めるものである請求項 1記載の超音波探傷方法。
[5] 前記傷は微視損傷であり、 超音波として大振幅超音波を入射し、 前記微視損 傷から上方に直接伝播する回折波の高調波成分を検出して前記回折波成分の 前記ビーム路程あるいは前記伝播時間を求めるものである請求項 1記載の超 音波探傷方法。
[6] 前記被検査物の表面を伝播する表面波及び前記傷の端部から上方に回折する 回折波成分を検出して、 前記表面波と前記回折波成分との伝播時間差から三 角法を用いて前記傷端部の前記被検査物の表面からの傷端部位置を求め、 前 記被検査物の厚さとの差分から裏面開口傷あるいは被検査物中の傷の裏面か らの高さを求めるものである請求項 1記載の超音波探傷方法。
[7] 前記超音波の入射位置と検出位置との間隔は表面波の伝播時間から求められ る請求項 1記載の超音波探傷方法。
[8] 前記超音波の入射位置と検出位置との間隔は予め求められ、 定間隔に保持さ れていることを特徴とする請求項 1記載の超音波探傷方法。
[9] 前記斜角探触子はレーザである請求項 1記載の超音波探傷方法。
[10] 前記レーザは複数であり、 遅延発生器を介してレーザの照射間隔をずらすこ とにより発生した超音波が任意の 1点に同時に到達するように時間遅延をか け、 伝播方向の制御を行うものである請求項 9記載の超音波探傷方法。
[11 ] 被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用斜角探触 子と、 前記傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用垂直探触子と、 前記 受信用垂直探触子が受信した前記傷端部で発生する回折波の前記傷の上方へ 直接伝播する成分の前記送信用斜角探触子と前記受信用垂直探触子との間の 前記損傷を経由したビーム路程と前記超音波の入射位置と検出位置の間隔と から、 あるいは表面波と傷の上方へ直接伝播する前記回折波成分との前記受 信用垂直探触子までの伝播時間差から、 三角法を用いて前記被検査物の表面 からの前記傷の端部の位置を算出する演算処理部とを備える超音波探傷装置
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