JP2007093311A - 超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レールのヘッド部のような複雑な形状の被検材に対し、欠陥とは異なるサイドローブによる妨害エコーの影響なく探傷することを可能とする。
【解決手段】アレイ型探触子３を被検材１、２表面に対向配置し、電子走査により被検材１、２内部を探傷する超音波探傷方法であって、前記被検材１、２内部に存在する妨害エコーを生ずる部位６からの妨害エコーが前記アレイ型探触子３に戻らないように、前記アレイ型探触子３の中心軸を傾斜させるとともに、前記アレイ型探触子３の位置を決定して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レールのような複雑な形状をした被検材の内部欠陥を、アレイ型探触子を用いて超音波探傷する方法に関するものである。

レール等の形鋼は加熱した鋼片を、カリバーと呼ばれる上下の圧延ロール間の穴型を通すことによって圧延製造される。圧延されたレールは所定の長さに切断され、されに冷却後、ローラー矯正機によって曲がりが修正される。このようにして製造されたレールは、搬送途中で超音波探傷により内部欠陥の検査が行われる。

製造時のレールの超音波探傷方法については、例えば非特許文献１に記載がある。図６にその例を示す。単一型の超音波探触子を用い、レールのヘッド部については左右からそれぞれ２個、上から３個、ウェブ部については左から７個、ベース部については下から３個の計１７個によって、内部欠陥を垂直探傷するようになっている。しかしながら、このような単一型の超音波探触子による探傷方法は次のような問題があった。すなわち、探傷の抜けを減らすために、超音波ビームのカバー範囲を増やそうとすると、数多くの超音波探触子が必要となり、設備コストの増大を招く。図６の例では計１７個であるが、２０個以上という例もある。また、これらの各探触子の入射角を調整するためには、超音波探触子の保持機構部が非常に複雑になって設備コストが増大する上、故障もし易く、調整作業も手間を要するといった問題もある。

これに対し、アレイ型探触子を用い、電子的に超音波ビームの走査を行って探傷することで、超音波探触子の数を減らし、機構部を簡略化して、上記の問題を回避する例が知られている。

特許文献１では角鋼片の例であるが、角鋼片軸方向に垂直な面内でその材表面から所定の角度で、かつ又材表面に対して所定の角度でアレイ型探触子をセットし、セクタスキャンすることにより、垂直探傷と斜角探傷を同時に行って、内部欠陥と表層欠陥を少ない探触子数で探傷できるようにしている。

特許文献２では、アレイ型探触子の各素子を設定すべきビーム方向に応じて選択し、それらの各素子からの超音波を干渉させてサイドローブを所定方向に送信し、探傷領域を広くするようにしている。

特許文献３では、図７に示されるように、アレイ型探触子によりレール、特にヘッド部に対してセクタスキャンを行い、被検材の形状に合わせて超音波の照射１回毎に欠陥ゲートの設定を行うようにしている。
特開昭５９−１１６５４３号公報 特開昭６２−０３２３５６号公報 特開２００５−０３７４０７号公報 V.Deutsch et al., "New developments concerning ultrasonic testing of rails in production line", 14th World Conference on Non Destructive Testing (14th WCNDT), 1996, p.207-213

しかしながら、これらのアレイ型探触子を用いた超音波探傷方法でも、以下に述べるような問題が残されていた。アレイ型探触子による超音波ビームは、小さい複数の素子からの合成として形成される。この時、合成ビームの音場は、素子が細かくかつ多いほど単一型の超音波探触子と同等のビームが得られるが、実際には素子の大きさは限られ、コスト面から数もあまり多くできない。この場合、超音波のビームには、主方向のメインローブに加え、別の角度にサイドローブと呼ばれる副ビームが発生する。サイドローブの発生する角度θは、超音波の波長をλ、素子間のピッチをｄとすると、メインローブに対し次式にて示される。

ここでレールのヘッド部側面にアレイ型探触子を配置しての探傷を考えると、図２に示されるように、サイドローブがヘッド部付近のウェブ部に当たって反射する場合がある。ウェブは、アレイ探触子を配置したヘッド部側面とは反対側に位置するヘッド部対向面よりは手前であるから、探傷ゲート内にこのヘッド部付近のウェブ部からのエコーが入り、固定エコーとしてノイズとなってしまうことになる。従って、アレイ型探触子による超音波探傷方法も適用できる部位が限られていた。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、レールのヘッド部のような複雑な形状の被検材に対し、欠陥とは異なるサイドローブによる妨害エコーの影響なく探傷することが可能な、アレイ型探触子による超音波探傷方法を提供することである。

（１）本発明に係る超音波探傷方法は、アレイ型探触子を被検材表面に対向配置し、電子走査により被検材内部を探傷する超音波探傷方法であって、前記被検材内部に存在する妨害エコーを生ずる部位からの妨害エコーが前記アレイ型探触子に戻らないように、前記アレイ型探触子の中心軸を傾斜させるとともに、前記アレイ型探触子の位置を決定して配置することを主要な特徴とする。
（２）本発明に係る超音波探傷方法は、アレイ型探触子をレールのヘッド部の表面に対向配置し、電子走査によりレールのヘッド部の内部を探傷する超音波探傷方法であって、前記レールの内部におけるヘッド部とウェブ部の境界部位からの妨害エコーが前記アレイ型探触子に戻らないように、前記アレイ型探触子の中心軸を傾斜させるとともに、前記アレイ型探触子を前記ヘッド部の前記ウェブ部寄りの位置に配置することを主要な特徴とする。

レールのヘッド部のような複雑な形状をした被検材の内部探傷を、少ない素子数のアレイ型探触子で妨害エコーの問題なく探傷できるようになるため、少ない設備コストで広い探傷カバー範囲を得ることができ、製品の内部品質を高めることができる。

ここでは被検材がレールで測定部位が当該レールのヘッド部の場合について説明を行う。図１は、本発明の一実施例を示すもので、１と２は被検材であるレールで、１はヘッド部、２はウェブ部である。３はアレイ型探触子で、４は超音波ビームである。なお、図１に示す超音波ビーム４は、セクタスキャンで順次走査する全角度範囲を示したものであり、同時に図１に示される角度範囲の超音波ビームを送信するものでは無い。ここで、アレイ型探触子３は、外部より探傷できるようにレールのヘッド部１の外周面の近傍に対面配置され、かつヘッド部１の側面の内、側面中央よりウェブ部２に近い側に位置している。さらに、アレイ型探触子３の中心軸は、測定したいヘッド部１全体が超音波の電子走査範囲に入るように、水平より上側に傾けられている。アレイ型探触子３と被検材１、２との間は、音響接触媒質として５の水で結合されている。

ヘッド部１の側面にアレイ型探触子３を配置する際、被検材中の妨害エコーを発する部位、すなわちウェブ部とヘッド部の境界部位６、に近づく高さ位置にアレイ型探触子３を配置し、かつアレイ型探触子３の中心軸を水平より上側に傾けて配置しているので、サイドローブがウェブ部２（前述のウェブ部とヘッド部の境界部位６を含む）に当たらないようになる。あるいはウェブ部２に当たったとしても、斜めの角度で入射するため、その妨害エコーはアレイ型探触子３には戻らない。よって、妨害エコーの問題無く超音波探傷ができるようになる。

ここで、アレイ型探触子３を配置する位置については、ヘッド部１側面の中央より下が良く、ウェブ部とヘッド部の境界部位６からの垂線Ｎがヘッド部側面と交わる位置Ａよりもウェブ部２側がより好ましい。これは、ウェブ部とヘッド部の境界部位６からの垂線Ｎがヘッド部１側面と交わる位置Ａよりもウェブ部２側であれば、ウェブ部２方向に向かった超音波は必ずウェブ部２（前述のウェブ部とヘッド部の境界部位を含む）に対して斜めに入射するため、妨害エコーとならないためである。

アレイ型探触子３の中心軸を水平より傾ける角度については、ヘッド部１の中心方向を向くようにするのが良く、アレイ型探触子３の1素子の指向角より大きい角度となることが望ましい。サイドローブの強度は1素子の指向性に比例するので、上記のように傾ければ、妨害エコーを発する方向にはサイドローブは強度を持たないためである。

図４と図５に、アレイ型探触子３の位置と中心軸の角度による、妨害エコーの低減効果の一例を示す。図４はアレイ型探触子３の位置とサイドローブによる妨害エコーとの関係を調べた結果で、アレイ型探触子３の位置以外の条件は、後述する図２の比較例に準じた。この図４に示した結果からも、ウェブからの垂線がヘッド側面に当たる位置より下側にアレイ型探触子を配置させることで、妨害エコーが小さくなることが明らかである。一方、図５はアレイ型探触子３の中心軸の角度とサイドローブによる妨害エコーとの関係を調べた結果で、アレイ型探触子３の中心軸の角度以外の条件は、後述する図２の比較例に準じた。この図５に示した結果からも、1素子の指向角より大きい角度とすることで、妨害エコーが小さくなることが明らかである。

これらの結果からも、被検材に対するアレイ型探触子３の中心軸の角度と位置とを適切に選択し組み合わせることにより、妨害エコーの影響を極力小さくして、被品材内部を探傷することが可能であることが明らかである。

次に、従来技術と本発明との比較を図２と図３で説明する。測定対象としたヘッド部の大きさは、幅75mm、高さ40mmである。図１で説明した実施の形態と同一のものは同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図２は比較例の場合を示し、アレイ型探触子３がヘッド部１の側面中央に位置し、かつアレイ型探触子３の中心軸は水平に配置されている。超音波ビーム４の内の1本のメインローブを４１とし、この超音波ビーム４１に対するサイドロープを４３と付して示している。ここで、上記ヘッド部１のほぼ全断面を超音波ビーム４の角度範囲で探傷するように、セクタスキャンを行うためには、電子走査角度の範囲は、ヘッド部１の幅および高さの関係から水平方向を基準（0°）として、約−14゜方向〜＋14゜方向にする必要がある。したがって、スネルの法則より、アレイ型探触子の音響接触媒体である水５中での角度範囲は、水平方向を基準（0°）として−3.5゜方向〜＋3.5゜方向である。水５中でのサイドローブ４３のメインローブ４１に対する角度θは、式（１）に基づいて算出されるが、例えば、周波数を3MHz、素子ピッチを3mmピッチの場合で、水５中における音速を1480m/sとして考えると、θは9.5゜となる。よって、図２中超音波ビーム４１の水５中におけるサイドローブ４３は、水平方向を基準（0°）として−6.0゜方向、従って被検体のヘッド部１中では−25゜方向となり、図２中に示されるようにウェブ部とヘッド部の境界部位６に対して垂直に入射する面が存在することとなる。ここで、超音波ビーム４１の探傷ゲートの時間設定をヘッド部１の右端まで入力できるように広げていくと、ウェブ部とヘッド部の境界部位６で反射したサイドローブ４３が探傷ゲートの時間設定範囲内に入り、欠陥との識別が困難な妨害エコーとなる。ここでは、一例について説明したが、周波数λや素子ピッチｄによって、サイドローブ４３のメインローブ４１に対する角度θは変化するものの、図２のようにセクタスキャンを行う限り、超音波ビーム４の何れかのサイドローブが妨害エコーの原因となる。

図３は本発明例の場合を示し、アレイ型探触子３をヘッド部１側面の最もウェブ部２寄りとなる下端に位置させ、アレイ型探触子３発振面から垂直に発せられた超音波ビーム４がヘッド部１中央を通るように、アレイ型探触子の中心軸を水平より3.5゜上向きに傾け、水５中での角度範囲を、水平方向を基準（0°）として0°から7°までの設定としている。このようにするとヘッド部１内では、水平方向を基準（0°）として0゜方向から＋28゜方向までが電子走査範囲となる。比較例と同様に超音波ビーム４の内の1本である超音波ビーム４１のサイドローブ４３方向を計算すると、−11゜となり、図３中に示されるように、ウェブ部２（ウェブ部とヘッド部の境界部位６を含む）には入射しない。また、超音波ビーム４１の隣の超音波ビーム４２については、そのサイドローブ４４はウェブ部２（ウェブ部とヘッド部の境界部位６を含む）に入射する方向だが、ウェブ部２に対して斜めに入射するためエコーは探触子に戻らない。このように、本発明例ではアレイ型探触子３をヘッド部１側面のウェブ部２寄りに位置させているため、周波数λや素子ピッチｄが変わって超音波ビーム４の何れかのサイドローブの方向が上記とは変わったとしても、妨害エコーは発生しない。

以上のように、本発明により、レールのような複雑な形状をもつ被検材に対してアレイ型探触子による電子走査型超音波探傷法を行っても、サイドローブの影響なく被検材を探傷でき、アレイ型探触子を用いることで少ない探触子数で広いカバー範囲を得ることができることが確認された。

なお、本実施の形態では被検材がレールの場合について説明したが、本発明はこれに限るものでなく、形鋼や、溶接によって複雑な形状に組み合わされたものでも良い。また、電子走査の方法はセクタスキャンに限らず、リニアスキャンでも良い。

本発明にかかる超音波探傷方法の実施の形態の一例を模式的に示した図。 従来方法を模式的に示した図。 本実施の形態において妨害エコーの検出を低減できる仕組みを説明した図。 アレイ型探触子の位置とサイドローブによる妨害エコーとの関係を示した図。 アレイ型探触子の角度とサイドローブによる妨害エコーとの関係を示した図。 非特許文献１に示されているレールの超音波探傷方法の一例を示した図（従来方法）。 アレイ型探触子によりレールに対してセクタスキャンを行った例を示した図（従来方法）。

符号の説明

１ 被検材のヘッド部
２ 被検材のウェブ部
３ アレイ型探触子
４ 超音波ビーム
４１、４２ 超音波ビーム（メインローブ）
４３、４４ 超音波ビーム４１、４２のサイドローブ
５ 水（音響接触媒質）
６ ウェブ部とヘッド部の境界部位
Ａ ウェブ部とヘッド部の境界部位の垂線とヘッド部側面が交わる位置
ｄ アレイ型探触子の素子ピッチ
Ｎ ウェブ部とヘッド部の境界部位の垂線
λ 超音波の周波数
θ 超音波ビームのメインローブとサイドローブがなす角

Claims (2)

1. アレイ型探触子を被検材表面に対向配置し、電子走査により被検材内部を探傷する超音波探傷方法であって、
   前記被検材内部に存在する妨害エコーを生ずる部位からの妨害エコーが前記アレイ型探触子に戻らないように、前記アレイ型探触子の中心軸を傾斜させるとともに、前記アレイ型探触子の位置を決定して配置することを特徴とした超音波探傷方法。
2. アレイ型探触子をレールのヘッド部の表面に対向配置し、電子走査によりレールのヘッド部の内部を探傷する超音波探傷方法であって、
   前記レールの内部におけるヘッド部とウェブ部の境界部位からの妨害エコーが前記アレイ型探触子に戻らないように、前記アレイ型探触子の中心軸を傾斜させるとともに、前記アレイ型探触子を前記ヘッド部の前記ウェブ部寄りの位置に配置することを特徴とした超音波探傷方法。
   

Images