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WO2012176612A1 - 車輪の超音波探傷方法 - Google Patents

車輪の超音波探傷方法 Download PDF

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Publication number
WO2012176612A1
WO2012176612A1 PCT/JP2012/064433 JP2012064433W WO2012176612A1 WO 2012176612 A1 WO2012176612 A1 WO 2012176612A1 JP 2012064433 W JP2012064433 W JP 2012064433W WO 2012176612 A1 WO2012176612 A1 WO 2012176612A1
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WO
WIPO (PCT)
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flaw
wheel
flange
array probe
echo
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/064433
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
仁 村越
高橋　健太
Original Assignee
新日鐵住金株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新日鐵住金株式会社 filed Critical 新日鐵住金株式会社
Priority to ES12802416.3T priority Critical patent/ES2657550T3/es
Priority to CA2839662A priority patent/CA2839662C/en
Priority to AU2012274664A priority patent/AU2012274664B2/en
Priority to CN201280040501.1A priority patent/CN103765205B/zh
Priority to EP12802416.3A priority patent/EP2728346B1/en
Priority to US14/128,649 priority patent/US9341598B2/en
Priority to JP2013521518A priority patent/JP5601603B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic flaw detection method in which an ultrasonic wave is transmitted to a rim surface on a flange side of a wheel by an array probe to detect a rim portion.
  • the present invention relates to an ultrasonic flaw detection method that lowers the intensity of the shape echo of the surface skin of the flange side rim surface so that flaw echo can be identified.
  • an ultrasonic flaw detection method for detecting flaws by transmitting ultrasonic waves from a flange-side rim surface by an array probe in which transducers are arranged in a straight line is used to detect flaws in a rim portion of a wheel such as a railway wheel. It is known (in this specification, a side surface on the side where a flange is formed in two side surfaces perpendicular to the wheel axis in the rim portion is referred to as a flange-side rim surface). In this method, the array probe is disposed to face the flange-side rim surface, and ultrasonic flaw detection is performed while rotating the wheel in the circumferential direction.
  • the area of the ultrasonic wave incident on the surface of the wheel (hereinafter also referred to as the incident region) is widened when viewed from the axial direction.
  • the angle formed by the transducer arrangement direction (hereinafter also referred to as the longitudinal direction) of the array probe and the radial direction of the wheel is set to 0 °.
  • an echo due to the shape of the surface skin roughness of the flange side rim surface (hereinafter referred to as the surface skin shape echo) is received by the array probe.
  • the present invention has been made to solve such a problem of the prior art, in an ultrasonic flaw detection method in which ultrasonic waves are transmitted to a flange side rim surface of a wheel by an array probe and flaw detection is performed on the rim portion. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic flaw detection method for reducing the intensity of the shape echo of the surface skin of the flange side rim surface so that the flaw echo can be identified.
  • the surface skin on the flange side rim surface of the wheel is composed of a large number of fine cutting traces by a cutting tool blade during surface processing, and the cutting traces are formed in a circumferential shape around the wheel axis. Since the angle formed by the transducer arrangement direction of the array probe and the radial direction of the wheel when viewed from the axial direction (hereinafter, this angle is also referred to as the probe arrangement angle) is 0 °, the radial direction of the wheel The ultrasonic wave transmitted from the array probe is reflected by a cutting trace perpendicular to the radial direction of the wheel and returns to the array probe as a surface skin shape echo.
  • the surface skin of the flange side rim surface is simply abbreviated as surface skin.
  • the present invention has been completed based on the results of the above-mentioned investigation by the present inventors. That is, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides an ultrasonic flaw detection method in which an ultrasonic wave is transmitted to the flange-side rim surface of a wheel by an array probe and flaw detection is performed on the rim portion.
  • the angle between the transducer array direction of the array probe and the radial direction of the wheel when viewed from the axial direction of the wheel is set to 20 to 60 ° with the transducer surface facing the flange-side rim surface.
  • an ultrasonic flaw detection method characterized by flaw detection.
  • the angle formed by the transducer arrangement direction of the array probe and the radial direction of the wheel when viewed from the axial direction of the wheel that is, the probe arrangement angle is set to 20 ° or more.
  • the shape echo of the surface skin on the side rim surface is difficult to return to the array probe. Accordingly, the intensity of the surface skin shape echo is likely to be lower than that of the flaw echo, and the flaw echo near the flange side rim surface can be easily identified from the surface skin shape echo.
  • the probe arrangement angle is set to 60 ° or less, the area of the incident region when flaw detection is performed while rotating the wheel is 1 ⁇ 2 or more compared to when the probe arrangement angle is 0 °. , Not so small. Therefore, by setting the probe arrangement angle to 20 to 60 °, it is possible to perform flaw detection by reducing the intensity of the shape echo on the surface skin.
  • Some wheels have a ring groove for soundproofing.
  • the ring groove is formed over the entire circumference in the circumferential direction from the inner surface of the rim portion toward the radially outer side.
  • the probe arrangement angle is 0 °
  • the ultrasonic wave transmitted to the inner side in the radial direction of the wheel is reflected by a ring groove perpendicular to the radial direction of the wheel, and the array probe. Therefore, it is difficult to distinguish the flaw echo from the vicinity of the ring groove from the shape echo of the ring groove.
  • the ring groove shape echoes are less likely to return to the array probe, and the ring groove shape echo intensity is likely to be lower than the scratch echoes. I understood. Thereby, it becomes easy to distinguish the flaw echo from the ring groove vicinity from the shape echo of the ring groove. Therefore, in order to detect flaws in two different areas near the surface skin and the ring groove, the intensity of the shape echoes on the surface skin and the ring groove can be increased by setting the probe placement angle to 20-60 °. The scratches can be detected with high accuracy by using a single array probe.
  • the probe arrangement angle is 0 °
  • the shape echo of the throat surface interposed between the surface of the flange portion and the tread surface (the surface where the rim portion is in contact with the rail) is easy to return to the array probe. It is difficult to distinguish flaw echoes from the vicinity of the throat surface from shape echoes on the throat surface. So, by tilting the probe placement angle so that the shape echo of the throat surface does not return to the array probe, we examined whether flaw echo from the vicinity of the throat surface could be identified from the shape echo of the throat surface. It was found that the probe placement angle should be 40-60 °.
  • the probe arrangement angle is set to 40 to 60 ° in order to detect flaws in two different regions near the flange side rim surface and near the throat surface.
  • the probe arrangement angle is set to 40 to 60 ° in order to detect flaws in three different areas near the flange-side rim surface, the ring groove, and the throat surface.
  • the surface skin of the flange side rim surface can be identified so that flaw echoes can be identified.
  • the intensity of the shape echo can be lowered.
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of an example of a wheel to which an ultrasonic flaw detection method according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an ultrasonic flaw detection apparatus used in the ultrasonic flaw detection method.
  • FIG. 2A is a configuration diagram of an ultrasonic flaw detector
  • FIG. 2B is a configuration diagram of an array probe included in the ultrasonic flaw detector.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the arrangement position of the array probe in the conventional ultrasonic flaw detection method.
  • FIG. 4 shows a B-scope when flaw detection is performed with the probe arrangement angle set to 0 °. 4A is a photograph of the B scope, and FIG.
  • FIG. 4B is a schematic diagram of the B scope.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a propagation path of ultrasonic waves transmitted to the flange-side rim surface.
  • FIG. 5A is a radial sectional view showing a propagation path viewed from the circumferential direction of the wheel
  • FIG. 5B is a plan view showing the propagation path viewed from the axial direction of the wheel.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the arrangement position of the array probe in the ultrasonic flaw detection method according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing a propagation path viewed from the axial direction of the wheel.
  • FIG. 8 is a diagram comparing the intensity of shape echoes on the surface skin, ring groove and throat surface when the probe arrangement angle is changed with the intensity of flaw echoes on artificial flaws provided on the rim.
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of a wheel showing an example of a wheel to which the ultrasonic flaw detection method according to the present embodiment is applied.
  • the wheel 1 is a railway wheel and includes a central boss portion 11 and a peripheral rim portion 12.
  • the rim portion 12 includes a flange portion 13 protruding to the outer peripheral side and a tread surface 14 in contact with the rail over the entire outer periphery.
  • a portion interposed between the surface of the flange portion 13 and the tread surface 14 is referred to as a throat surface 15.
  • the side surface on the side where the flange portion 13 is formed among the two side surfaces perpendicular to the axis of the wheel 1 is referred to as a flange-side rim surface 16.
  • FIG. 1 shows the wheel 1 having the ring groove 17 as an example.
  • the ring groove 17 is formed over the entire circumference in the circumferential direction from the inner surface of the rim portion 12 toward the radially outer side.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an ultrasonic flaw detection apparatus used in the ultrasonic flaw detection method according to the present embodiment.
  • FIG. 2A is a configuration diagram of an ultrasonic flaw detector
  • FIG. 2B is a configuration diagram of an array probe included in the ultrasonic flaw detector.
  • the ultrasonic flaw detector 2 includes an array probe 3 disposed to face the flange side rim surface 16 of the wheel 1. Also, an array flaw detector 4 that transmits a transmission / reception control signal to the array probe 3 and amplifies a signal received from the array probe 3, and various parameter settings for the array flaw detector 4 are performed.
  • a personal computer 5 having a function of receiving a signal from the array flaw detector 4 and creating an image of an A scope, a B scope, etc., and a control panel 7 for giving a rotation signal or the like to a rotation drive unit 6 to be described later And.
  • the wheel 1 having a horizontal axis is supported from the lower side, and the rotation drive unit 6 that rotates the wheel 1 to perform the flaw detection on the entire circumference of the rim 12 and the wheel 1 and the array probe 3 are submerged.
  • the array probe 3 includes a plurality of transducers 32 arranged in a straight line, and the surface of the array probe 3 to which ultrasonic waves are transmitted from the transducer 32 is referred to as a transducer surface 31.
  • the transducer surface 31 of the array probe 3 is disposed so as to face the flange-side rim surface 16, and the tank 1 and the array probe 3 are immersed in the tank 8 as a contact medium. Add water. Oil or the like can also be used as the contact medium.
  • the flaw detection conditions such as the intensity and scanning speed of ultrasonic waves transmitted from the array probe 3 are set in the personal computer 5, and the flaw detection conditions are converted into transmission / reception control signals by the array flaw detector 4 and transmitted to the array probe 3. Is done.
  • the array probe 3 transmits ultrasonic waves to the rim portion 12 from the flange side rim surface 16 and transmits a signal corresponding to the echo received from the rim portion 12 to the array flaw detector 4.
  • the array flaw detector 4 amplifies the signal received from the array probe 3 and transmits it to the personal computer 5, and the personal computer 5 displays images of the A scope, B scope, and the like. Further, a rotation signal is transmitted from the personal computer 5 to the rotation drive unit 6 via the control panel 7 to rotate the wheel 1. In this way, the rim portion 12 is flaw-detected in the circumferential direction.
  • Transmission / reception of ultrasonic waves from the array probe 3 is performed by, for example, linear scanning (in linear scanning, several transducers 32 constituting the array probe 3 are set as one transmission unit, and ultrasonic waves are transmitted in one transmission unit. Is transmitted so that the ultrasonic waves from each transducer 32 are parallel to each other, or the transmission timing of each transducer 32 is shifted to concentrate the ultrasonic waves from each transducer 32 at one point.
  • the array probe 3 is controlled by the transmission / reception control signal from the array flaw detector 4 so that the transmission units are sequentially shifted along the arrangement direction of the transducers 32.
  • a method of parallel scanning of ultrasonic waves) and steering scan is a transmission unit of several transducers 32 constituting the array probe 3 and transmits ultrasonic waves in the transmission unit.
  • the ultrasonic waves from each transducer 32 are transmitted in parallel with each other, or the transmission timing of each transducer 32 is shifted to concentrate the ultrasonic waves from each transducer 32 at one point. In this state, scanning is performed by changing the emission angle.
  • the ultrasonic flaw detection method is characterized by the arrangement position of the array probe 3, and the arrangement position of the array probe 3 will be described.
  • the transducer arrangement direction (longitudinal direction) of the array probe 3 when viewed from the axial direction is generally set so that an area through which an incident region passes when a flaw is detected by rotating a wheel is increased.
  • the angle formed by the radial direction of the wheel (probe arrangement angle) was set to 0 °.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the arrangement position of the array probe in the conventional ultrasonic flaw detection method. In FIG. 3, only a part of the wheel 1 is shown. The incident region extends in the radial direction.
  • FIG. 4 shows the B scope when flaw detection is performed with the probe arrangement angle set to 0 °.
  • 4A is a photograph of the B scope
  • FIG. 4B is a schematic diagram of the B scope.
  • the horizontal axis represents the ultrasonic wave propagation time
  • the vertical axis represents the ultrasonic wave scanning position. That is, the horizontal axis indicates the depth position from the flange-side rim surface 16, and the vertical axis indicates the radial position on the flange-side rim surface 16.
  • the shape of the rim portion is indicated by a solid line.
  • the rim portion 12 that images the B scope is provided with an artificial scratch having a flat bottom hole of 1 mm ⁇ perpendicularly toward the flange side rim surface 16 from the rim surface opposite to the flange side rim surface 16.
  • the distance from the flange side rim surface 16 to the tip of the artificial flaw is 50 mm, and the echo (flaw echo) at the tip of the artificial flaw is detected by the B scope.
  • a surface echo appears in the vicinity of the flange-side rim surface 16.
  • a shape echo of the surface skin appears from the flange side rim surface 16 to a position deeper than the surface echo.
  • a shape echo of the ring groove 17 appears at a position deeper than the ring groove 17 and a position deeper than the ring groove 17, and a shape echo of the throat surface 15 appears near the throat surface 15. If the artificial flaw is provided at a location where the shape echo of the ring groove 17 and the throat surface 15 appears, the strength of the flaw echo of the artificial flaw is compared with the strength of the shape echo of the ring groove 17 and the throat surface 15. In the case of equal or less, detection of the artificial flaw is difficult.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a propagation path of the ultrasonic wave transmitted to the flange-side rim surface 16.
  • FIG. 5A is a radial sectional view showing a propagation path viewed from the circumferential direction of the wheel 1
  • FIG. 5B is a plan view showing the propagation path viewed from the axial direction of the wheel 1.
  • the surface skin of the flange side rim surface 16 of the wheel is composed of a large number of fine cutting traces by a cutting tool blade during surface processing, and the cutting traces are formed in a circle around the wheel axis.
  • the ultrasonic wave U1 transmitted obliquely from the transducer 32 toward the radially inner side with respect to the entire flange-side rim surface 16 is reflected radially inward if the flange-side rim surface 16 is flat.
  • the flange side rim surface 16 has a large number of cut trace irregularities in the radial direction. Accordingly, a part of the ultrasonic wave is reflected by the flange-side rim surface 16 and returned to the vibrator 32 when viewed from the circumferential direction of the wheel 1.
  • a part of the ultrasonic wave U2 transmitted obliquely from the vibrator 32 toward the outer side in the radial direction with respect to the entire flange-side rim surface 16 is also seen on the flange-side rim surface 16 when viewed from the circumferential direction of the wheel 1. Reflected and returned to the vibrator 32.
  • the propagation path seen from the axial direction of the wheel 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 5B, only a few cutting traces are drawn for convenience. Since the probe arrangement angle is 0 °, the ultrasonic wave U3 from the vibrator 32 is reflected perpendicularly to the cutting trace and returns to the vibrator 32. If the flange-side rim surface 16 has irregularities in the circumferential direction, the flange-side rim surface 16 is dispersed and reflected in the circumferential direction by the flange-side rim surface 16, but the flange-side rim surface 16 is circumferentially formed by a cutting tool blade during surface processing. Since it is a cut surface of a smooth surface, many ultrasonic waves return to the vibrator 32 when viewed from the axial direction of the wheel 1.
  • a part of the ultrasonic waves transmitted from the array probe 3 returns to the array probe 3 when viewed from both the circumferential direction and the axial direction of the wheel 1. Therefore, a part of the ultrasonic wave transmitted from the array probe 3 is reflected on the surface skin and returns to the array probe 3 and appears on the B scope as a shape echo of the surface skin.
  • the surface skin shape echoes returning to the array probe 3 in this way are not echoes of ultrasonic waves transmitted / received from the transducer 32 in a direction substantially perpendicular to the entire flange-side rim surface 16 but obliquely.
  • the surface echo of the flange side rim surface 16 (the surface echo of the flange side rim surface 16 is formed by the ultrasonic waves transmitted and received in a direction substantially perpendicular to the entire flange side rim surface 16. ) Has a longer propagation time than Therefore, in the B scope, the shape echo of the surface skin appears up to a position deeper than the surface echo of the flange-side rim surface 16. For this reason, it becomes difficult to detect a flaw at the position of the B scope where the surface skin shape echo appears.
  • the probe arrangement angle is 0 °
  • the ultrasonic waves U4 and U5 from the transducer 32 are reflected perpendicularly to the throat surface 15 and the ring groove 17 as shown in FIG. Come back. Therefore, shape echoes of the throat surface 15 and the ring groove 17 appear in the B scope. For this reason, it becomes difficult to detect a flaw at the position of the B scope where the shape echoes of the throat surface 15 and the ring groove 17 appear.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the arrangement position of the array probe.
  • the wheel 1 shows only a part.
  • the incident area is oblique to the radial direction.
  • FIG. 7 is a plan view showing the propagation path of the ultrasonic wave as viewed from the axial direction of the wheel 1.
  • the propagation path of the ultrasonic wave seen from the circumferential direction of the wheel 1 when the probe arrangement angle is larger than 0 ° is the same as that when the probe arrangement angle is 0 °, and FIG.
  • the ultrasonic wave transmitted from the transducer 32 toward the radially inner side and the radially outer side is reflected by the flange-side rim surface 16 and returns to the transducer 32.
  • the ultrasonic wave U7 transmitted from the transducer 32 toward the outside in the radial direction is difficult to return to the transducer 32 after being reflected by the cutting trace.
  • the probe arrangement angle is larger than 0 °, the ultrasonic wave U8 transmitted from the transducer 32 toward the throat surface 15 is difficult to return to the transducer 32 after being reflected by the throat surface 15. Similarly, the ultrasonic wave U9 transmitted from the vibrator 32 toward the ring groove 17 is difficult to return to the vibrator 32 after being reflected by the ring groove 17.
  • FIG. 8 is a diagram comparing the strength of the shape echoes of the surface skin, the ring groove 17 and the throat surface 15 with the strength of the flaw echoes of the artificial flaw provided on the rim portion 12 when the probe arrangement angle is changed. It is.
  • the array probe 3 used had 128 transducers, a transducer pitch of 1 mm, a simultaneous excitation number of 24, and an array probe length of 128 mm. Moreover, the width
  • the artificial flaw is an artificial flaw having a flat bottom hole of 1 mm ⁇ perpendicularly from the rim surface opposite to the flange-side rim surface 16 toward the flange-side rim surface 16.
  • the flange side rim surface 16 was provided at a position of 50 mm.
  • the sensitivity of the transducer 32 was adjusted so that the intensity of the flaw echo of the artificial flaw was the same at any probe arrangement angle.
  • A, surface skin, and ring groove when the surface skin of the flange side rim surface 16, the strength of the shape echoes from the ring groove 17 and the throat surface 15 are sufficiently lower than the strength of the flaw echo of the artificial flaw. No.
  • the probe placement angle may be set as follows. Although four types of array probes 3 having different widths were used, all of the array probes 3 had the same result.
  • the probe arrangement angle is preferably 20 to 45 °, more preferably 30 to 45 °.
  • the probe arrangement angle is preferably 20 to 45 °, more preferably 30 to 45 °.
  • the probe arrangement angle is preferably 40 to 45 °, more preferably 45 °.
  • FIG. 8 does not show the result at a probe arrangement angle larger than 45 °, but at the probe arrangement angle larger than 45 ° and smaller than 90 °, the shape from the surface skin, the ring groove 17 and the throat surface 15 is not shown.
  • the intensity of the echo was sufficiently lower than that of the artificial flaw.
  • the probe arrangement angle is set to 60 ° or less so that the area through which the incident region passes becomes 1 ⁇ 2 or more compared to when the probe arrangement angle is 0 °.
  • the probe arrangement angle may be 70 ° or less or 80 ° or less.
  • the probe arrangement angle is set to 20 to 60 °. More preferably, the probe arrangement angle is set to 30 to 60 °. This makes it difficult for surface skin shape echoes to return to the array probe. Therefore, the intensity of the shape echo of the surface skin is lower than that of the flaw echo from the artificial flaw, and the flaw echo from the vicinity of the flange side rim surface 16 can be easily identified from the shape echo of the surface skin.
  • the probe arrangement angle is set to 20 to 60 °. More preferably, the probe arrangement angle is set to 30 to 60 °. As a result, the intensity of the shape echo of the ring groove 17 becomes lower than that of the flaw echo from the artificial flaw. Thereby, it becomes easy to distinguish the flaw echo from the ring groove 17 vicinity from the shape echo of the ring groove 17. Accordingly, in order to detect flaws in two different areas near the surface skin and near the ring groove 17, the shape echoes of the surface skin and the ring groove 17 can be detected only by setting the probe arrangement angle to 20 to 60 °. The intensity can be lowered, and a single array probe can detect flaws with high accuracy.
  • the probe arrangement angle is set to 40 to 60 °. More preferably, the probe arrangement angle is set to 45 to 60 °. As a result, the intensity of the shape echo of the throat surface 15 is lower than that of the flaw echo from the artificial flaw. Thereby, it becomes easy to identify the flaw echo from the vicinity of the throat surface 15 from the shape echo of the throat surface 15. Therefore, in a wheel having no ring groove 17, the probe arrangement angle is set to 40 to 60 ° in order to detect flaws in two different regions near the flange-side rim surface 16 and the throat surface 15.
  • the intensity of the shape echoes on the surface skin and the throat surface 15 can be reduced, and the flaws can be detected with high precision by one array probe.
  • the probe arrangement angle is set to 40 to 60 °. As long as it is set to 1, the intensity of the shape echoes of the surface skin of the flange side rim surface 16, the ring groove 17 and the throat surface 15 can be lowered, and the flaws can be detected with high precision by one array probe.

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Abstract

【課題】アレイ探触子による車輪のフランジ側リム面の超音波探傷方法において、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くする超音波探傷方法を提供する。 【解決手段】超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置は、車輪１のフランジ側リム面１６に対向して配置されるアレイ探触子３を備えている。また、アレイ探触子３への送受信制御信号を送信する等の機能を奏するアレイ探傷器と、アレイ探傷器に対する各種パラメータ設定を行ったり、アレイ探傷器からの信号を受信してＡスコープ、Ｂスコープ等の画像を作成する等の機能を奏するパーソナルコンピュータとを備えている。探傷するときには、振動子面をフランジ側リム面１６に対向させてアレイ探触子３を配置する。このとき、軸方向から見たときのアレイ探触子３の振動子配列方向と車輪１の径方向とが成す角度を２０～６０°にして探傷する。

Description

車輪の超音波探傷方法
　本発明は、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法に関する。特に、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くする超音波探傷方法に関する。
　従来から、鉄道車輪等の車輪のリム部のきずを検出するのに、振動子を直線状に配列したアレイ探触子によってフランジ側リム面から超音波を送信して探傷する超音波探傷方法が知られている（本明細書では、リム部において、車輪の軸に垂直な二つの側面の内でフランジが形成されている側の側面をフランジ側リム面という）。この方法においては、アレイ探触子をフランジ側リム面に対向させて配置し、車輪を周方向に回転させながら超音波探傷する。このとき、一般的に、車輪を回転させて探傷するときに、超音波が車輪の表面に入射する領域（以下、入射領域ともいう）の面積が広くなるように、軸方向から見たときのアレイ探触子の振動子配列方向（以下、長手方向ともいう）と車輪の径方向とが成す角度を０°にしている。
　しかしながら、この超音波探傷においては、フランジ側リム面の表面肌の粗さ等の形状によるエコー（以下、表面肌の形状エコーという）がアレイ探触子に受信されるので、フランジ側リム面の近傍にきずが有っても、そのきずエコーの強度が表面肌の形状エコーの強度と同等以下の場合には、きずを検出し難い。従って、フランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くすることが望まれる。
　また、アレイ探触子による超音波探傷において、探傷を行う領域以外の領域の形状エコーがアレイ探触子に戻らないように、被探傷物への超音波の入射角度を決定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような方法によっても、アレイ探触子の振動子面が対向している被探傷物の表面肌からの形状エコーの強度を低くすることはできない。
日本国特開２００７－９３３１１号公報
　本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するためになされたものであり、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法において、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くする超音波探傷方法を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために本発明者が鋭意検討したところ、次の知見を得た。
　車輪のフランジ側リム面の表面肌は、表面加工時のバイトの刃による細かい多数の切削跡から成り、切削跡は車輪の軸を中心として円周状に形成されている。そして、軸方向から見たときのアレイ探触子の振動子配列方向と車輪の径方向とが成す角度（以下、この角度を探触子配置角度ともいう）が０°なので、車輪の径方向に送信されたアレイ探触子からの超音波が、車輪の径方向と垂直に交差する切削跡で反射して表面肌の形状エコーとしてアレイ探触子に戻ってくる。そのために、フランジ側リム面の近傍からのきずエコーをフランジ側リム面の表面肌（以下、フランジ側リム面の表面肌を単に表面肌とも略す）の形状エコーから識別するのが難しい。
　そこで、切削跡の形状エコーがアレイ探触子に戻ってこない程度に探触子配置角度を傾けることにより、フランジ側リム面の近傍からのきずエコーを表面肌の形状エコーから識別できないかを検討したところ、そのように識別できる探触子配置角度を見い出した。
　本発明は、上記の本発明者の検討結果に基づき完成されたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法であって、前記アレイ探触子の振動子面を前記フランジ側リム面に対向させ、前記車輪の軸方向から見たときの該アレイ探触子の振動子配列方向と該車輪の径方向とが成す角度を２０～６０°にして探傷することを特徴とする超音波探傷方法を提供する。
　本発明によれば、車輪の軸方向から見たときのアレイ探触子の振動子配列方向と車輪の径方向とが成す角度、つまり探触子配置角度を２０°以上にしているので、フランジ側リム面の表面肌の形状エコーがアレイ探触子の方に戻り難くなる。従って、表面肌の形状エコーの強度がきずエコーと比べて低くなり易くなり、フランジ側リム面の近傍のきずエコーを表面肌の形状エコーから識別し易くなる。
　また、探触子配置角度を６０°以下にしているので、車輪を回転させながら探傷するときの入射領域の面積が、探触子配置角度が０°のときと比べて１／２以上になり、それ程小さくならない。
従って、探触子配置角度を２０～６０°にすることにより、表面肌の形状エコーの強度を低くして探傷を行うことができる。
　また、車輪には、防音のためのリング溝を有するものがある。リング溝は、リム部の内側面から径方向外側に向けて周方向全周に亘って形成されている。
　そのような車輪において、探触子配置角度が０°であると、車輪の径方向内側に送信された超音波が、車輪の径方向と垂直に交差するリング溝で反射してアレイ探触子に戻り易いので、リング溝近傍からのきずエコーをリング溝の形状エコーから識別し難い。
　しかしながら、探触子配置角度を２０～６０°にすると、リング溝の形状エコーがアレイ探触子の方に戻り難くなるので、リング溝の形状エコーの強度がきずエコーと比べて低くなり易いことが分かった。これにより、リング溝近傍からのきずエコーをリング溝の形状エコーから識別し易くなる。
　従って、表面肌近傍及びリング溝近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を２０～６０°に設定しさえすれば、表面肌及びリング溝の形状エコーの強度を低くし、１個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
　また、探触子配置角度が０°であると、フランジ部の表面と踏面（リム部がレールと接する面）との間に介在するスロート面の形状エコーがアレイ探触子に戻り易いので、スロート面近傍からのきずエコーをスロート面の形状エコーから識別するのが難しい。そこで、探触子配置角度をスロート面の形状エコーがアレイ探触子に戻ってこない程度に傾けることにより、スロート面近傍からのきずエコーをスロート面の形状エコーから識別できないかを検討したところ、探触子配置角度を４０～６０°にすれば良いことを見い出した。
　従って、リング溝を有さない車輪においては、フランジ側リム面近傍及びスロート面近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を４０～６０°に設定しさえすれば、フランジ側リム面の表面肌及びスロート面の形状エコーの強度を低くし、１個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
　また、リング溝を有する車輪においては、フランジ側リム面近傍、リング溝近傍及びスロート面近傍の三つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を４０～６０°に設定しさえすれば、フランジ側リム面の表面肌、リング溝及びスロート面の形状エコーの強度を低くし、１個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
　本発明によれば、アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法において、きずエコーを識別できるようにフランジ側リム面の表面肌の形状エコーの強度を低くすることができる。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法が適用される車輪の一例を示す車輪の径方向断面図である。 図２は、同超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置の一例を説明する図である。図２（ａ）は、超音波探傷装置の構成図であり、図２（ｂ）は、超音波探傷装置が備えるアレイ探触子の構成図である。 図３は、従来の超音波探傷方法における、アレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。 図４は、探触子配置角度を０°にして探傷したときのＢスコープである。図４（a）は、Ｂスコープの写真であり、図４（ｂ）は、Ｂスコープの模式図である。 図５は、フランジ側リム面に送信された超音波の伝搬経路を示す図である。図５（a）は、車輪の周方向から見た伝搬経路を示す径方向断面図であり、図５（ｂ）は、車輪の軸方向から見た伝搬経路を示す平面図である。 図６は、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法におけるアレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。 図７は、車輪の軸方向から見た伝搬経路を示す平面図である。 図８は、探触子配置角度を変化させたときの、表面肌、リング溝及びスロート面の形状エコーの強度を、リム部に設けた人工きずのきずエコーの強度と比較した図である。
　以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法について説明する。本実施形態に係る超音波探傷方法では、車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部の探傷を行う。
　図１は、本実施形態に係る超音波探傷方法が適用される車輪の一例を示す車輪の径方向断面図である。
　車輪１は鉄道車輪であり、中心のボス部１１と、周辺のリム部１２とを備える。リム部１２は、外周側に突出したフランジ部１３とレールに接する踏面１４とを外周全周に亘って具備している。本明細書では、フランジ部１３の表面と踏面１４との間に介在する箇所をスロート面１５という。また、リム部１２において、車輪１の軸に垂直な二つの側面の内でフランジ部１３が形成されている側の側面をフランジ側リム面１６という。
　車輪１には、防音のためのリング溝１７を有するものと有さないものとがあるが、図１は、例としてリング溝１７を有する車輪１を示している。リング溝１７は、リム部１２の内側面から径方向外側に向けて周方向全周に亘って形成されている。
　図２は、本実施形態に係る超音波探傷方法に用いる超音波探傷装置の一例を説明する図である。図２（ａ）は、超音波探傷装置の構成図であり、図２（ｂ）は、超音波探傷装置が備えるアレイ探触子の構成図である。
　超音波探傷装置２は、車輪１のフランジ側リム面１６に対向して配置されるアレイ探触子３を備えている。また、アレイ探触子３への送受信制御信号を送信すると共にアレイ探触子３から受信した信号を増幅する等の機能を奏するアレイ探傷器４と、アレイ探傷器４に対する各種パラメータ設定を行ったり、アレイ探傷器４からの信号を受信してＡスコープ、Ｂスコープ等の画像を作成する等の機能を奏するパーソナルコンピュータ５と、後述する回転駆動部６に回転信号等を与えるための制御盤７とを備えている。
　また、軸の方向を水平にされた車輪１を下側から支え、リム部１２全周の探傷を行うべく車輪１を回転させる回転駆動部６と、車輪１及びアレイ探触子３を水浸させるための槽８とを備えている。アレイ探触子３は、直線状に配列された複数の振動子３２を具備しており、振動子３２から超音波が送信させるアレイ探触子３の面を振動子面３１という。
　次に、以上に説明した超音波探傷装置２を用いた超音波探傷方法の一例について説明する。
　超音波探傷するときには、アレイ探触子３の振動子面３１をフランジ側リム面１６に対向するように配置し、車輪１とアレイ探触子３とが浸漬するように槽８に接触媒質として水を入れる。接触媒質としては油等を用いることも可能である。パーソナルコンピュータ５に、アレイ探触子３から送信する超音波の強度や走査速度等の探傷条件を設定し、探傷条件はアレイ探傷器４によって送受信制御信号に変換されてアレイ探触子３に送信される。アレイ探触子３は、リム部１２にフランジ側リム面１６から超音波を送信し、リム部１２から受信したエコーに応じた信号をアレイ探傷器４に送信する。アレイ探傷器４は、アレイ探触子３から受信した信号を増幅等してパーソナルコンピュータ５に送信し、パーソナルコンピュータ５は、Ａスコープ、Ｂスコープ等の画像を表示する。また、パーソナルコンピュータ５から制御盤７を介して回転駆動部６に回転信号を送信し、車輪１を回転させる。このようにして、リム部１２の探傷を周方向に行う。
　アレイ探触子３からの超音波の送受信は、例えば、リニアスキャン（リニアスキャンとは、アレイ探触子３を構成する幾つかの振動子３２を１送信単位とし、該１送信単位で超音波を送信するときに、各振動子３２からの超音波が互いに平行になるように送信したり、各振動子３２のそれぞれの送信のタイミングをずらして各振動子３２からの超音波を一点に集中させて送信する。そして、その状態で、振動子３２の配列方向に沿って、順次送信単位をずらせていくようにアレイ探傷器４からの送受信制御信号によってアレイ探触子３を制御することにより、超音波を平行走査する方法）やステアリングスキャン（ステアリングスキャンとは、アレイ探触子３を構成する幾つかの振動子３２を１送信単位とし、該１送信単位で超音波を送信するときに、各振動子３２からの超音波が互いに平行になるように送信したり、各振動子３２のそれぞれの送信のタイミングをずらして各振動子３２からの超音波を一点に集中させて送信する。そして、その状態で、出射角を変えていくことにより走査する方法）によって行う。
　本発明に係る超音波探傷方法は、アレイ探触子３の配置位置に特徴を有しており、アレイ探触子３の配置位置について説明する。従来は、一般的に、車輪を回転させて探傷するときに入射領域が通過する面積が広くなるように、軸方向から見たときのアレイ探触子３の振動子配列方向（長手方向）と車輪の径方向とが成す角度（探触子配置角度）を０°にしていた。
　図３は、従来の超音波探傷方法における、アレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。図３では、車輪１は一部のみを示している。
　入射領域が径方向に延びている。
　このように、探触子配置角度を０°にして探傷したときのＢスコープを図４に示す。図４（a）は、Ｂスコープの写真であり、図４（ｂ）は、Ｂスコープの模式図である。いずれの図も横軸が超音波の伝搬時間であって、縦軸が超音波の走査位置である。つまり、横軸がフランジ側リム面１６からの深さ位置を示し、縦軸がフランジ側リム面１６での径方向の位置を示す。なお、図４において、リム部の形状を実線で示している。
　このＢスコープを撮像したリム部１２には、フランジ側リム面１６の反対側のリム面から、フランジ側リム面１６に向けて垂直に１ｍｍφの平底穴の人工キズを設けている。フランジ側リム面１６から人工きずの先端までの距離は５０ｍｍであり、人工きずの先端のエコー（きずエコー）がＢスコープで検出されている。
　Ｂスコープでは、フランジ側リム面１６の近傍に表面エコーが現れている。そして、フランジ側リム面１６から、表面エコーよりも更に深い位置にかけて表面肌の形状エコーが現れている。この表面肌の形状エコーが現れている箇所に前記人工きずの先端を設けていたとすると、該人工きずのきずエコーの強度が表面肌の形状エコーの強度と比べて同等以下の場合には、該人工きずの検出は困難である。
　また、リング溝１７の位置及びリング溝１７より深い位置にリング溝１７の形状エコーが現れ、スロート面１５の近傍にスロート面１５の形状エコーが現れている。このリング溝１７とスロート面１５の形状エコーが現れている箇所に前記人工きずを設けていたとすると、該人工きずのきずエコーの強度がリング溝１７とスロート面１５の形状エコーの強度と比べて同等以下の場合には、該人工きずの検出は困難である。
　図５は、フランジ側リム面１６に送信された超音波の伝搬経路を示す図である。図５（a）は、車輪１の周方向から見た伝搬経路を示す径方向断面図であり、図５（ｂ）は、車輪１の軸方向から見た伝搬経路を示す平面図である。
　最初に、車輪１の周方向から見た伝搬経路を、図５（a）を参照して説明する。
　車輪のフランジ側リム面１６の表面肌は、表面加工時のバイトの刃による細かい多数の切削跡から成り、切削跡は車輪の軸を中心として円周状に形成されている。
　振動子３２から、径方向内側に向けて、フランジ側リム面１６全体に対して斜めに送信された超音波Ｕ１は、フランジ側リム面１６がフラットであれば、径方向内側に反射される。しかし、フランジ側リム面１６は、径方向に多数の切削跡の凹凸を有している。従って、超音波の一部は、車輪１の周方向から見るとフランジ側リム面１６で反射して振動子３２に戻る。また、振動子３２から、径方向外側に向けて、フランジ側リム面１６全体に対して斜めに送信された超音波Ｕ２の一部も、車輪１の周方向から見るとフランジ側リム面１６で反射して振動子３２に戻る。
　次に、車輪１の軸方向から見た伝搬経路を、図５（ｂ）を参照して説明する。なお、図５（ｂ）では、便宜上、切削跡を数本しか描いていない。
　探触子配置角度が０°なので、振動子３２からの超音波Ｕ３が切削跡と垂直に反射し、振動子３２に戻ってくる。フランジ側リム面１６が周方向に凹凸を有していれば、フランジ側リム面１６で周方向に分散して反射するが、フランジ側リム面１６は表面加工時のバイトの刃によって周方向に滑らかな面の切削跡になっているので、車輪１の軸方向から見ると多くの超音波が振動子３２に戻ってくる。
　このように、アレイ探触子３から送信された超音波の一部が、車輪１の周方向及び軸方向の両方から見たときにアレイ探触子３に戻る。従って、アレイ探触子３から送信された超音波の一部は、表面肌に反射してアレイ探触子３に戻り、表面肌の形状エコーとしてＢスコープに現れる。
　このようにしてアレイ探触子３に戻ってくる表面肌の形状エコーは、振動子３２からフランジ側リム面１６全体に対して略垂直な方向に送受信された超音波によるエコーでなく、斜めに送受信された超音波によるエコーなので、フランジ側リム面１６の表面エコー（フランジ側リム面１６の表面エコーはフランジ側リム面１６全体に対して略垂直な方向に送受信された超音波によって形成される）よりも伝搬時間が長くなる。従って、Ｂスコープにおいて、表面肌の形状エコーは、フランジ側リム面１６の表面エコーよりも深い位置にまで現れる。このために、表面肌の形状エコーが現れているＢスコープの位置に在るきずの検出が困難になる。
　また、探触子配置角度が０°なので、図５（ｂ）に示すように、振動子３２からの超音波Ｕ４、Ｕ５がスロート面１５及びリング溝１７と垂直に反射し、振動子３２に戻ってくる。従って、スロート面１５とリング溝１７の形状エコーがＢスコープに現れる。このために、スロート面１５とリング溝１７の形状エコーが現れているＢスコープの位置に在るきずの検出が困難になる。
　本実施形態では、探触子配置角度を０°よりも大きくして超音波探傷する。
　図６は、アレイ探触子の配置位置を示す斜視図である。車輪１は一部のみを示している。入射領域が径方向と斜めになっている。また、図７は、車輪１の軸方向から見た超音波の伝搬経路を示す平面図である。
　探触子配置角度を０°よりも大きくした場合の車輪１の周方向から見た超音波の伝搬経路は、探触子配置角度が０°の場合と同様であり、図５（ａ）を用いて説明したのと同様に、振動子３２から、径方向内側及び径方向外側に向けて送信された超音波の一部は、フランジ側リム面１６で反射して振動子３２に戻る。
　車輪１の軸方向から見た超音波の伝搬経路では、図７に示すように、探触子配置角度が０°よりも大きいので、振動子３２から径方向内側に向けて送信された超音波Ｕ６は、切削跡で反射した後に、振動子３２に戻り難くなる。また、振動子３２から径方向外側に向けて送信された超音波Ｕ７も、切削跡で反射した後に、振動子３２に戻り難くなる。
　また、探触子配置角度が０°よりも大きいので、振動子３２からスロート面１５に向けて送信された超音波Ｕ８は、スロート面１５で反射した後に、振動子３２に戻り難くなる。同様に、振動子３２からリング溝１７に向けて送信された超音波Ｕ９は、リング溝１７で反射した後に、振動子３２に戻り難くなる。
　図８は、探触子配置角度を変化させたときの、表面肌、リング溝１７及びスロート面１５の形状エコーの強度を、リム部１２に設けた人工きずのきずエコーの強度と比較した図である。
　用いたアレイ探触子３は、振動子数が１２８個、振動子のピッチが１ｍｍ、同時励振数が２４、アレイ探触子の長さが１２８ｍｍであった。また、アレイ探触子の幅は、７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１２．５ｍｍの４種類であった。
　人工きずは、図４に示すＢスコープと同様に、フランジ側リム面１６の反対側のリム面からフランジ側リム面１６に向けて垂直に１ｍｍφの平底穴の人工きずを、人工きずの先端がフランジ側リム面１６から５０ｍｍの位置になるように設けた。
　いずれの探触子配置角度においても、人工きずのきずエコーの強度が同一になるように振動子３２の感度を調整した。
　図８では、フランジ側リム面１６の表面肌、リング溝１７及びスロート面１５からの形状エコーのそれぞれの強度が人工きずのきずエコーの強度よりも充分に低い場合をＡ、表面肌、リング溝１７及びスロート面１５からの形状エコーのそれぞれの強度が人工きずのきずエコーの強度よりも低く、人工きずとの強度の差が小さいが、人工きずのきずエコーを識別できる場合をＢ、表面肌、リング溝１７及びスロート面１５からの形状エコーのそれぞれの強度が人工きずのきずエコーの強度と同等以上の場合をＣとして表わした。
　フランジ側リム面１６の表面肌、リング溝１７及びスロート面１５の形状エコーの強度を、人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、次のような探触子配置角度にするとよい。なお、幅の異なる４種類のアレイ探触子３を用いたが、いずれのアレイ探触子３も同様の結果だった。
　表面肌の形状エコーの強度を人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、探触子配置角度は２０～４５°がよく、更に好ましくは３０～４５°がよい。
　リング溝１７の形状エコーの強度を人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、探触子配置角度は２０～４５°がよく、更に好ましくは３０～４５°がよい。
　スロート面１５の形状エコーの強度を人工きずのきずエコーの強度よりも低くするには、探触子配置角度は４０～４５°がよく、更に好ましくは４５°がよい。
　図８では、４５°より大きい探触子配置角度での結果を示していないが、４５°より大きく９０°より小さい探触子配置角度では、表面肌、リング溝１７及びスロート面１５からの形状エコーの強度は、人工きずのきずエコーの強度よりも充分に低かった。
　しかしながら、探触子配置角度を大きくすると、車輪を回転させて探傷するときに入射領域が通過する面積が小さくなる。従って、入射領域が通過する面積が、探触子配置角度が０°のときと比べて１／２以上になるように、探触子配置角度を６０°以下にする。ただし、入射領域が通過する面積が小さくても良い場合には、探触子配置角度を７０°以下や８０°以下にしてもよい。
　従って、フランジ側リム面１６の表面肌の形状エコーの強度を低くして超音波探傷するには、探触子配置角度を２０～６０°にする。更に好ましくは、探触子配置角度を３０～６０°にする。このことにより、表面肌の形状エコーがアレイ探触子の方に戻り難くなる。従って、表面肌の形状エコーの強度が人工きずからのきずエコーと比べて低くなり、フランジ側リム面１６の近傍からのきずエコーを表面肌の形状エコーから識別し易くなる。
　また、車輪１がリング溝１７を有している場合にも、探触子配置角度を２０～６０°にする。更に好ましくは、探触子配置角度を３０～６０°にする。このことにより、リング溝１７の形状エコーの強度が人工きずからのきずエコーと比べて低くなる。これにより、リング溝１７近傍からのきずエコーをリング溝１７の形状エコーから識別し易くなる。
　従って、表面肌近傍及びリング溝１７近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を２０～６０°に設定しさえすれば、表面肌及びリング溝１７の形状エコーの強度を低くし、１個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
　また、スロート面１５の形状エコーの強度を低くして超音波探傷するには、探触子配置角度を４０～６０°にする。更に好ましくは、探触子配置角度を４５～６０°にする。このことにより、スロート面１５の形状エコーの強度が人工きずからのきずエコーと比べて低くなる。これにより、スロート面１５近傍からのきずエコーをスロート面１５の形状エコーから識別し易くなる。
　従って、リング溝１７を有さない車輪においては、フランジ側リム面１６近傍及びスロート面１５近傍の二つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を４０～６０°に設定しさえすれば、表面肌及びスロート面１５の形状エコーの強度を低くし、１個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
　また、リング溝１７を有する車輪においては、フランジ側リム面１６近傍、リング溝１７近傍及びスロート面１５近傍の三つの異なる領域のきずを検出するのに、探触子配置角度を４０～６０°に設定しさえすれば、フランジ側リム面１６の表面肌、リング溝１７及びスロート面１５の形状エコーの強度を低くし、１個のアレイ探触子によってきずを精度良く検出することができる。
　なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
１・・・車輪
１６・・・フランジ側リム面
３・・・アレイ探触子
３１・・・振動子面

Claims (2)

  1. 　アレイ探触子によって車輪のフランジ側リム面に超音波を送信し、リム部を探傷する超音波探傷方法であって、
    　前記アレイ探触子の振動子面を前記フランジ側リム面に対向させ、前記車輪の軸方向から見たときの該アレイ探触子の振動子配列方向と該車輪の径方向とが成す角度を２０～６０°にして探傷することを特徴とする超音波探傷方法。
  2. 　前記角度を４０～６０°にすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
PCT/JP2012/064433 2011-06-22 2012-06-05 車輪の超音波探傷方法 WO2012176612A1 (ja)

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