特開 2023-77504 超音波探傷方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023077504

(43)【公開日】2023-06-06

(54)【発明の名称】超音波探傷方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/04 20060101AFI20230530BHJP

【ＦＩ】

G01N29/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021190789

(22)【出願日】2021-11-25

(71)【出願人】

【識別番号】000003713

【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107700

【弁理士】

【氏名又は名称】守田 賢一

(72)【発明者】

【氏名】石谷 和典

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 光宏

【テーマコード（参考）】

2G047

【Ｆターム（参考）】

2G047AA05

2G047AB01

2G047AB02

2G047BB06

2G047BC07

2G047EA05

2G047GB24

2G047GF18

(57)【要約】

【課題】小径の棒材が位置ずれを生じた場合にも探傷感度を高く維持することが可能な超音波探傷方法を提供する。
【解決手段】集束超音波プローブ２から出力される超音波Ｕｓの集束点Ｐよりも当該プローブ２に近い領域内で、集束超音波プローブ２の近距離音場の音圧分布が極大でかつ集束超音波プローブ２の集束音場の音圧が所定以上の領域内に収まる外径の丸棒材Ｍを位置させて当該丸棒材Ｍの探傷を行う。
【選択図】 図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

集束超音波プローブから出力される超音波の集束点よりも当該プローブに近い領域内で、前記集束超音波プローブの近距離音場の音圧分布が極大でかつ前記集束超音波プローブの集束音場の音圧が所定以上の領域内に収まる外径の棒材を位置させて当該棒材の探傷を行う超音波探傷方法。

【請求項2】

前記棒材は丸棒材である請求項1に記載の超音波探傷方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は超音波探傷方法に関し、特に小径棒材の探傷に適した超音波探傷方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

水浸法による丸棒材の探傷をインラインで行う場合には例えば図１に示すような探傷設備が使用される。図１において、回転する円柱状の筐体１内には水が満たされており、筐体１の両端壁１１，１２には中心に、パッキンで液密性を確保しつつ丸棒材Ｍを貫通通過させるガイド部１３が設けられている。筐体１の中心部を貫通通過する丸棒材Ｍに対して、筐体１の周壁に設けられた超音波プローブ２が筐体１と一体に丸棒材Ｍの周囲を旋回してその探傷を行う。超音波プローブ２としては検出感度を向上させるために超音波を一点に集束させる集束プローブを使用することが多く、特許文献１に示すように、通常は丸棒材Ｍの中心に超音波を集束させるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１３３８５６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、筐体１に設けたガイド部１３は丸棒材Ｍの径のばらつき等に対応するためにその内径に余裕を持たせてあり、小径の丸棒材Ｍはガイド部１３を通過する際に比較的自由に変位して位置ずれを生じる。小径の丸棒材Ｍは曲率が大きいために、図２に示すように、わずかに位置ずれｄを生じても超音波プローブ２から発せられた超音波Ｕｓが大きく屈折し（屈折角θ）その経路が大きく変化して探傷領域から外れ、探傷感度が大きく低下するという問題があった。これを図３に示し、直径５０ｍｍの丸棒材Ｍでは位置ずれを生じても探傷感度はそれほど低下しないが、直径６ｍｍ（以下、φ６ｍｍのように記す）の丸棒材Ｍでは少しの位置ずれによっても探傷感度が大きく低下する。

【0005】

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、小径の棒材が位置ずれを生じた場合にも探傷感度を高く維持することが可能な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】

【0006】

上記目的を達成するために本発明の超音波探傷方法では、集束超音波プローブ（２）から出力される超音波（Ｕｓ）の集束点（Ｐ）よりも当該プローブ（２）に近い領域内で、前記集束超音波プローブ（２）の近距離音場の音圧分布が極大でかつ前記集束超音波プローブ（２）の集束音場の音圧が所定以上の領域内に収まる外径の棒材（Ｍ）を位置させて当該棒材（Ｍ）の探傷を行う。棒材（Ｍ）としては丸棒材が好適であるが、これに限定されず、角棒材でも良い。

【0007】

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を参考的に示すものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明の超音波探傷方法によれば、小径の棒材が位置ずれを生じた場合にも探傷感度を高く維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】探傷設備の全体斜視図である。

【図2】探傷設備の横断面図である。

【図3】径の異なる丸棒体の位置ずれに伴う感度低下を示す図である。

【図4】超音波プローブの集束音場の、異なる軸方向位置での音圧の拡がりを示す図である。

【図5】超音波プローブと丸棒材の位置関係を示す図である。

【図6】超音波プローブの近距離音場の軸方向における振幅分布を示す図である。

【図7】超音波プローブの集束音場の軸方向における振幅分布を示す図である。

【図8】超音波プローブと丸棒材の位置関係の一例を従来方法との比較で示す図である。

【図9】同一丸棒材の位置ずれに対する探傷感度の変化の一例を、従来方法との比較で示す図である。

【図10】丸棒材中のきずの深さ位置を示す図である。

【図11】丸棒材のきずの深さ位置に対する探傷感度の変化の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

【0011】

本実施形態における探傷設備はすでに説明した図１に示すものと同一で、集束超音波プロ―ブ（以下、単にプローブという）は本実施形態では平面視で円形のものを使用している。

【0012】

プロ―ブ２の音圧分布は集束点（焦点）に向けて大きくなり、集束点付近で最大になるが、集束点付近の音圧分布は非常に狭くなる（図４の線Ａ）。これが上述した、小径丸棒材Ｍが位置ずれを生じると屈折による超音波経路の変化によって探傷感度が大きく低下する原因である。一方、プローブ２の近傍位置では音圧分布は広くなるが十分な大きさの音圧が得られない（図４の線Ｂ）。これに対して、プローブ２と集束点の間の適当位置では、大きな音圧を維持しつつ音圧分布も十分に広く確保することができる（図４の線Ｃ）。

【0013】

そこで、本実施形態では図５に示すように、プローブ２から出力される超音波Ｕｓの集束点Ｐよりも当該プローブ２に近い領域内に丸棒材Ｍを位置させる。図５中、ｘはプローブ２の発振面中心から丸棒材Ｍの外周面までの水距離、Ｄはプローブの径、ｆは発振超音波の周波数、Ｆは集束距離である。

【0014】

ここで、プローブ２の音場は下式（１）で表され、プローブ２に近い近距離音場とプローブ２から遠い遠距離音場で構成される。式中、Ａ(x)は水距離ｘにおける振幅（プローブ２の直前における平均的な音圧に対する音圧比）、Ｃは水中での超音波の音速、λは水中での超音波の波長でＣ/fで算出され、ｆ、Ｄは上述したものである。

【0015】

【0016】

ところで、特に小径の丸棒材の探傷では、距離分解能を確保するために周波数を高くし、また音圧を確保するために振動子を大きくすることから、上述のように丸棒材Ｍを集束点Ｐよりもプローブ２に近い領域内に位置させると、近距離音場内に位置させることになる場合が多い。そして、この近距離音場ではプローブ２の中心軸Ｏ（図５）上の音圧変化は所定間隔で極大となることを繰り返すものとなっている

【0017】

図６には、超音波の周波数ｆを１５ＭＨｚ、プローブ径Ｄを１２ｍｍ、集束距離Ｆを１００ｍｍとした時の近距離音場の音圧変化を示す。図６より明らかなように、近距離音場では音圧変化が所定間隔で極大となることを繰り返すものとなっているが、このうち水距離４０ｍｍ、５０ｍｍ、７０ｍｍ、１１８ｍｍ付近の極大領域では、φ６ｍｍの小径丸棒材であれば、振幅０．８以上を確保できる領域内に丸棒材全体を収めることができることになる。

【0018】

一方、集束音場を考えると、プローブの中心軸上の音圧変化は下式（２）で与えられる。式中、Ａ(x)、ｘ、λ、ｆ、Ｄ、Ｆ、Ｃは上述したものであり、Ｊは集束係数である。

【0019】

【0020】

図７には、超音波Ｕｓの周波数ｆを１５ＭＨｚ、プローブ径Ｄを１２ｍｍ、集束距離を１００ｍｍとした時の収束音場の音圧変化を示す。なお、図7中、水距離６５ｍｍ以下は実際には振幅０ではなく上式（２）では計算不能な領域である。したがって、丸棒材Ｍは水距離６５ｍｍ以上に位置させる必要がある。一方、超音波Ｕｓの集束点Ｐがある水距離１００ｍｍ 近くでは振幅Ａ（ｘ）は大きくなるものの、既述のように集束点Ｐ付近の音圧分布は非常に狭くなるから、結局、丸棒材Ｍを位置させる水距離ｘは７０ｍｍに設定するのが良い。

【0021】

このような本実施形態における効果を確認するために、中心にφ０.４ｍｍの横穴（ＳＤＨ）を疑似きずＤfとして形成したφ６ｍｍの丸棒材Ｍに対して、図８（１）に示すように丸棒材Ｍの中心にプローブ２から出力される超音波Ｕｓを集束させた従来の方法と、図８（２）に示すように丸棒材Ｍの後方に超音波Ｕｓを集束させて、プローブ２から出力される超音波Ｕｓの集束点Ｐよりも当該プローブ２に近い水距離７０ｍｍの振幅極大領域内に丸棒材Ｍを位置させた本実施形態の方法につき、丸棒材Ｍの位置ずれに対する探傷感度の変化を比較した。これを図９に示す。なお、図８中、ＭDは丸棒材Ｍの直径である。

【0022】

図９より明らかなように、従来方法では丸棒材Ｍの位置ずれが生じると探傷感度が大きく低下するのに対して、本実施形態の方法では丸棒材Ｍの位置ずれを生じても探傷感度は十分高く維持される。さらに、丸棒材Ｍ中のきずの深さが図１０に示すように中心ａからｂ、ｃと１ｍｍずつ深くなっても、図１１に示すように探傷感度は十分高く維持される。なお、図１１の線ａ、ｂ、ｃは図１０中の各きず位置ａ、ｂ、ｃに対応している。これは図６に示した水距離７０ｍｍの振幅極大領域内に丸棒材Ｍが収まっていることによって、いずれの深さのきずも十分な感度で検出されるからである。

【0023】

なお、上記実施形態ではきず検出対象を丸棒材したが、本発明方法は角棒材にも適用可能である。また、プローブとしては平面視で棒材長手方向へ延びる長方形のものを使用できる。さらに、プローブを旋回させるのに代えて、プローブを周方向へ所定間隔で複数設置しても良い。

【符号の説明】

【0024】

１…筐体、２…集束超音波プローブ、Ｍ…丸棒材、Ｐ…集束点、Ｕｓ…超音波。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】