JP2008070189A - 超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料に対してその全断面での探傷を可能にする。
【解決手段】 圧延用のビレットＭの表面Ｍａに表層部用探触子１と内質部用探触子２を設け、表層部用探触子２には送信振動子２１と受信振動子２２を備えて、これら送信振動子２１と受信振動子２２を互いの超音波ビーム軸が上記表層部内で交差するようにするとともに、内質部用探触子１には送受信振動子１１を備えて、その超音波ビームが内質部内で集束するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波探傷方法および超音波探傷装置に関し、特に、結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料の探傷に好適な超音波探傷方法および装置に関する。

圧延用のビレット等では一般に結晶粒径は断面表層部（以下、単に表層部という）から断面内質部（以下、単に内質部という）までほぼ均一でその径も小さい。このような材料に対する超音波探傷は従来、平面型の送受信振動子を備えた探触子を使用して材料断面内にほぼ平行な超音波ビームを発信し、材料内の内部割れ等の欠陥部で反射された超音波を受信して受信超音波の波形より欠陥の有無判定を行っていた。

この場合、送受信振動子では材料表面での超音波反射の影響で当該振動子を設けた側の材料表層部の探傷はできない（不感帯）ため、上記振動子とは反対側の材料表層部で生じた反射波を受信して材料表層部の欠陥の有無を判定していた。

なお、特許文献１には、材料表面に複数の振動子を設けてこれら振動子の超音波ビーム軸が材料内部の一点で集束するようにし、一つの振動子から発した超音波の反射波を他の振動子で順次受信して、受信超音波を合成することにより材料内部の欠陥を検出する超音波探傷法が示されている。
特開２００５−２３３８７４

ところで圧延用のビレットには、鋼種によってその表層部から内質部へ向けて漸次結晶粒径が大きくなる場合がある。このような内質部が粗い材料に対しては内質部での減衰が大きくなるため、振動面を球面にして発信超音波を一点に集束させるようにした送受信振動子を使用する必要がある。

しかし、集束効果を向上させるために上記送受信振動子の振動子サイズを大きくすると不感帯が大きくなるとともに、内質部での超音波減衰が大きいために振動子と反対側の材料表層部で生じた反射波を受信することが困難となり、材料の全断面に亘る探傷ができないという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料に対してその全断面での探傷を可能にする超音波探傷方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明の超音波探傷方法は、結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料を探傷する超音波探傷方法であって、送信振動子の超音波ビーム軸と受信振動子の超音波ビーム軸を上記表層部内で互いに交差させて受信超音波の波形より当該表層部内における傷検出を行うとともに、送受信振動子の超音波ビームを上記内質部内で集束させて受信超音波の波形より当該内質部内における傷検出を行う。

本第１発明においては、送信振動子と受信振動子は超音波ビーム軸を材料の表層部内で互いに交差させてあるから、送信振動子から出力された超音波は、材料表面での反射による不感帯を生じることなく表層部中の欠陥で反射されて受信振動子に入力する。これにより、表層部内に生じた欠陥が確実に検出される。また、材料の内質部内で超音波ビームを集束させた送受信振動子から出力された超音波は内質部で減衰することなく当該内質部中の欠陥で反射されて再び送受信振動子に入力する。これにより、内質部内に生じた欠陥が確実に検出される。

本第２発明では、上記送受信振動子の超音波周波数を上記送信振動子および受信振動子の超音波周波数に比して相対的に低くする。本第２発明においては、結晶粒径が相対的に大きい内質部での超音波の減衰が最小限に抑えられる。

本第３発明の超音波探傷装置では、結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料（Ｍ）を探傷する超音波探傷装置であって、上記材料（Ｍ）の表面（Ｍａ）に表層部用探触子（２）と内質部用探触子（１）を設け、表層部用探触子（２）には送信振動子（２１）と受信振動子（２２）を備えて、これら送信振動子（２１）と受信振動子（２２）を互いの超音波ビーム軸（Ａｘ，Ａｙ）が上記表層部内で交差するようにするとともに、内質部用探触子（１）には送受信振動子（１１）を備えて、その超音波ビームが上記内質部内で集束するようにする。本第３発明においても本第１発明と同様の作用効果が得られる。

なお、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示すものである。

以上のように、本発明の超音波探傷方法および装置によれば、結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料に対してその全断面での探傷を良好に行うことができる。

図１は材料たる圧延用のビレットＭに対して探触子１，２を位置させた状態を示すもので、１５５角〜１６０角の断面を有する長尺直方体形の、ビレットＭの上面Ｍａに接して内質部用と表層部用の二種類の探触子１，２が隣接して配設されている。内質部用探触子１は下方のビレット深さ方向へ超音波を出力しその反射波を受信する単一の送受信振動子１１で構成されている。一方、表層部用探触子２は分割形成された送信振動子２１と受信振動子２２で構成されて、送信振動子２１はビレット深さ方向へ超音波を出力し、受信振動子２２はその反射波を受信する。そして、これら探触子１，２は図の矢印で示すようにビレット幅方向へ往復移動させられつつビレット長手方向へ移動させられてビレットＭの上面Ｍａ全面で走査させられる。各探触子１，２はそれぞれ信号処理器３１，３２に接続されており、信号処理器３１，３２はそれぞれ探触子１，２に対して発信信号を出力するとともに探触子１，２の受信信号を入力してその信号波形よりビレットＭ内部の割れ等の欠陥の有無を判定する。こうした隣接配設により、探傷時の操作性を向上させることができる。また、探触子を配設した面（ビレット）側の表層部を直接探傷でき、ビレット内に超音波を通して、反対側の面の表層部を探傷する場合に比して、探傷の精度を向上させることができる。

ここで、本発明の被検査対象である上記ビレットＭの、断面内での結晶粒径分布の一例を図２の線Ｘで示す。線Ｘは、フェライト系ステンレス鋼（ＪＩＳ ＳＵＳ４３０）の結晶粒径分布を示しており、このような鋼種では、熱処理によって結晶粒を微細化できないため、圧延によって表層部がわずかに微細化されるだけである。図より明らかなように、ビレットＭはその断面内の表面から深さ方向で結晶粒径が０．２ｍｍ程度から１．６ｍｍ以上へと漸次大きくなっている。これに対して従来一般的なビレットでは、図２の線Ｙで示すように、その断面内で結晶粒径は表面から内部までほぼ均一で、その径も０．１ｍｍ以下と小さい。なお、線Ｙは、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ４３５）の結晶粒径分布を示している。

ここにおいて、本実施形態では、図３に示すように、内質部用探触子１の送受信振動子１１の、振動面１１ａの形状を下方へ向く曲率半径２００ｍｍの円形の凹状球面とし、かつ集束効果を上げるために振動面サイズを直径４０ｍｍと大きくしてある。そして、ビレットＭの内質部では前述のように結晶粒径が大きいため、出力超音波の減衰を避けるべく発信超音波の周波数は１ＭＨｚと相対的に低周波にし、加えて波数１．５〜２の広帯域波として探傷分解能を向上させている。これにより、送受信振動子１１から出力された超音波はビレットＭの上面（表面）Ｍａから下方ｈ（本実施形態では８０ｍｍ）の点に集束し、表面下３０〜１４０ｍｍのビレット内質部の探傷を行うことができる。ここで、発信超音波の周波数は０．７〜２．０ＭＨｚの範囲とするのが良く、振動面サイズは直径３０〜４０ｍｍの範囲とするのが良い。また、振動子として高強度の超音波を送受信可能なコンポジット型のものを使用するのが好ましい。このような内質部用探触子１の仕様の詳細を表１に示す。

表層部用探触子２の送信振動子２１と受信振動子２２の振動面２１ａ，２２ａはいずれも１０ｍｍと１５ｍｍの長方形で、図４（１）に示すような短辺方向の曲率半径１５０ｍｍと図４（２）に示すような長辺方向の曲率半径２００ｍｍの下方へ向く凹状面となっている。なお、図４（１）と図４（２）は振動面２１ａ，２２ａを９０度異なる側面方向から見たものである。本探触子２で使用する超音波の周波数は２ＭＨｚと相対的に高周波にし、加えて波数１．５〜２の広帯域波として探傷分解能をより向上させている。送信振動子２１と受信振動子２２は互いの超音波ビーム軸Ａｘ，Ａｙを図４（１）に示すように交差させてあり、これによってビレットＭの表面から下方３〜２２ｍｍの範囲に交軸範囲Ｒが生じて、表面下２〜３０ｍｍのビレット表層部の探傷を行うことができる。ここで、発信超音波の周波数は２．０〜５．０ＭＨｚの範囲とするのが良い。このような表層部用探触子２の仕様の詳細を表１に示す。なお、表１に示す振動子傾斜角とは、上述のように交軸範囲を探触子側に近づけるために、２つの振動子に設けた角度である。本実施形態では、図４に示すように振動子傾斜角θを７．２°に設定している。

以上の各超音波探触子１，２で得られる受信信号を図５（１），（２）に模式的に示す。図５（１）は内質部用探触子１の受信信号を示し、その波形は、ビレットＭの表面と裏面での反射波による信号ピークＰ１，Ｐ２を生じるとともに、ビレット内質部に欠陥がある場合にはこれら信号ピークＰ１，Ｐ２の間に上記欠陥での反射波による信号ピークＰ３を生じる。なお、表面反射波による信号ピークを生じる、いわゆる不感帯Ｚｄは、振動子サイズを相対的に大きくしたことによって比較的広くなっている。

図５（２）には表層部用探触子２の受信信号を示し、その波形は、上記内質部用探触子１の受信信号では不感帯Ｚｄとなっているビレット表層部において、欠陥がある場合に当該欠陥での反射波によって信号ピークＰ４を生じる。このようにして、結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示すビレットＭの、表層部から内質部までの探傷が可能となる。そして、上記ビレットＭを適宜反転させて、異なる側面を上面にし探触子を走査することにより、ビレットＭの内部を全て探傷することができる。

本発明の一実施形態を示す、探触子を位置させたビレットの斜視図である。 ビレット断面の結晶粒径分布を示すグラフである。 内質部用探触子の超音波ビームを示す概略側面図である。 表層部用探触子の超音波ビームを示す概略側面図である。 探触子の信号波形を示す図である。

符号の説明

１…表層部用探触子、１１…送受信振動子、２…内質部用探触子、２１…送信振動子、２２…受信振動子、Ａｘ，Ａｙ…ビーム軸、Ｍ…ビレット（材料）。

Claims (3)

1. 結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料を探傷する超音波探傷方法であって、送信振動子の超音波ビーム軸と受信振動子の超音波ビーム軸を前記表層部内で互いに交差させて受信超音波の波形より当該表層部内における傷検出を行うとともに、送受信振動子の超音波ビームを前記内質部内で集束させて受信超音波の波形より当該内質部内における傷検出を行うことを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記送受信振動子の超音波周波数を前記送信振動子および受信振動子の超音波周波数に比して相対的に低くした請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 結晶粒径が表層部で相対的に小さく内質部で相対的に大きい分布を示す材料を探傷する超音波探傷装置であって、前記材料の表面に表層部用探触子と内質部用探触子を設け、前記表層部用探触子には送信振動子と受信振動子を備えて、これら送信振動子と受信振動子を互いの超音波ビーム軸が前記表層部内で交差するようにするとともに、内質部用探触子には送受信振動子を備えて、その超音波ビームが前記内質部内で集束するようにしたことを特徴とする超音波探傷装置。

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