CN104471386B - 超声波计测方法以及超声波计测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供超声波计测方法以及超声波计测装置。计测点设定部(51)设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点且与焊接线方向平行的虚拟反射面，阵列控制计算部(52)对计测点经由接触介质，以相对于虚拟反射面成规定的入射角发送满足规定式子而会聚的横波模式的超声波，回波高度提取部(53)检测上述发送出的超声波在母材部与焊接部之间的边界处的反射波，控制部(5)基于反射波来对焊接部的形状进行评价。

Description

超声波计测方法以及超声波计测装置

技术领域

本发明涉及使用超声波以非破坏的方式评价钢材焊接部的品质的超声波计测方法以及超声波计测装置。

背景技术

已知钢材的焊接部处焊接金属(焊接部)的边界的剖面形状(以下，称为“焊接边界剖面形状”)会对钢材的强度等造成影响。例如，在专利文献1中，就记载了钢管的焊接部处焊接边界剖面形状对焊接部的韧性带来影响。因此，从钢材的品质管理、品质保证的观点考虑，提出有将焊接边界剖面形状图像化以非破坏的方式进行评价的技术。例如，在专利文献2中，记载了接收来自母材部与焊接部之间的边界的反射波来进行图像化的技术。具体而言，在该技术中，一边移动探测器，或者一边切换阵列探头的振子(元件)，一边接收朝向母材部与焊接部之间的边界倾斜地发送的超声波的反射波，根据接收到的反射波，来确定反射点并进行图像化。另外，在专利文献3中，记载有使超声波的接收元件与发送元件分开检测超声波的串联计测技术。

然而，一般而言，在焊接部结晶组织的方向是一致的，所以焊接部具有声学各向异性。根据专利文献1，对于奥氏体系不锈钢等焊接部的声学各向异性较大的钢材，母材部的声学阻抗(＝介质密度×声速)Z₁与焊接部的声学阻抗Z₂的差成为相对较大的值。例如，在母材部的声速V₁是3200m/s，焊接部的声速V₂是2500m/s的情况下，介质密度几乎为恒定值，所以母材部的声学阻抗Z₁与焊接部的声学阻抗Z₂之比为1比0.78。

这里，已知在不同介质间的边界面的每单位面积的反射率取决于二者的声学阻抗。根据非专利文献1，在超声波从声学阻抗Z_a的介质向声学阻抗Z_b的介质垂直地入射时的边界面的每单位面积的反射率(声压)r_ab，如下式(1)所示。

公式1

因此，对于上述例子的焊接部的声学各向异性较大的钢材，在超声波从声学阻抗Z₁的母材部向声学阻抗Z₂的焊接部垂直地入射时的边界面的每单位面积的反射率r₁₂，根据上述式(1)为－0.12。这里，负的反射率表示超声波的相位翻转，所以每单位面积的反射率为12％。

专利文献1：日本特开2009－233679号公报

专利文献2：日本特开2009－069077号公报

专利文献3：日本特开2007－163470号公报

非专利文献1：(社)日本非破坏检查协会，超声波探伤试验III(2001)((社)日本非破壊検査協会、超音波探傷試験III(2001))

一般而言，碳钢的焊接部的声学各向异性比奥氏体系不锈钢的焊接部的声学各向异性小。图25是表示在通过以往的埋弧焊焊接的碳钢的焊接部中测定出的横波声速、和基于测定出的横波声速计算出的反射率的图。如图25所示，在碳钢的焊接部，在与焊接线方向平行的位移方向A和垂直的位移方向B，几乎没有横波声速的差异。

对于该碳钢，通过上述式(1)计算出从母材部向焊接部垂直地入射的超声波的边界面的每单位面积的反射率。在计算每单位面积的反射率时，假定母材部与焊接部的介质密度相同。母材部的横波声速为与焊接部的焊接线方向平行的位移方向A的横波声速和垂直的位移方向B的横波声速的平均值，焊接部的横波声速为与焊接部的焊接线方向垂直的位移方向B的横波声速。

如图25所示，所计算出的每单位面积的反射率为0.0％～0.2％，为前述奥氏体系不锈钢的母材部与焊接部之间的边界面的每单位面积的反射率(12％)的六十分之一那么小的值。由此可知，在焊接部的声学各向异性较小的碳钢中，在从母材部向焊接部垂直地入射的超声波的边界检测反射波很困难。

接下来，对从母材部向焊接部以入射角α入射的超声波的反射波进行考察。根据非专利文献1，在向每单位面积的反射率为100％的宽度2a的带状反射体，以入射角α入射超声波的情况下，朝向反射角β的方向的综合反射率(＝全反射声压/全入射声压)r’(α，β)使用波数k如下式(2)所示。

公式2

此外，波数k使用波长λ如下式(3)所示。另外，在波长λ、频率f以及声速V之间，下式(4)的关系成立。

公式3

公式4

V＝fλ…(4)

这里，对母材部与焊接部之间的边界的反射进行考察。作为反射体的母材部与焊接部之间的边界面是遍布钢材板厚方向的整体。另外，将上述式(2)中的a(＝反射体的宽度/2)设为10mm。另外，一般地，在钢材的横波斜角探伤时，应用f＝5MHz、V＝3200m/s，即λ＝0.64mm的超声波。此时，以入射角45°入射的超声波以反射角－45°反射的(沿入射的方向反射)情况下的综合反射率r’(45°，－45°)为0.0003。此外，该值是对每单位面积的反射率为100％的反射体计算的值。即，特别是如碳钢那样焊接部的声学各向异性较小的情况下，上述综合反射率为极小的值，所以如专利文献2所记载的那样，可知接收沿入射的方向反射的反射波来确定母材部与焊接部之间的边界很困难。

因此，对通过串联计测来检测从焊接部的声学各向异性较小的碳钢的母材部向焊接部以入射角α入射的超声波的反射波进行考察。根据专利文献3所记载的串联计测，以入射角α与反射角β相等的方式，适当地选择发送元件与接收元件即可。在该情况下，综合反射率r’(α，α)不管k、a如何都为1，得到较强的反射波。

在串联计测中，假定虚拟反射面，以相对于该虚拟反射面，入射角α与反射角β成为相同的值α的方式，来选定超声波的发送元件和接收元件。此时，若虚拟反射面的方向与实际反射面的方向偏离，则相对于虚拟反射面的入射角α以及反射角α与相对于实际反射面的入射角以及反射角偏离。若将该偏离角度设为θ，则在实际反射面的综合反射率r’(α+θ，α－θ)能够通过上述式(2)求出。

图26是表示在上述式(2)中，设a＝10mm、f＝5MHz、V＝3200m/s、α＝45°时的反射率的图。如图26所示，在实际反射面的综合反射率r’(45°+θ，45°－θ)为50％以上的范围是偏离角度θ为－0.8°～0.8°的范围。因此，即使在串联计测中，若实际反射面与虚拟反射面的偏离角度θ为1°以上，则反射波的检测也困难。

如以上那样，根据现有技术，对于焊接部的声学各向异性较小的碳钢，即使通过串联计测来检测在母材部与焊接部之间的边界反射的超声波的反射波也很困难。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够容易地检测在钢材的母材部与焊接部之间的边界反射的超声波的超声波计测方法以及超声波计测装置。

为了解决上述的课题，实现目的，本发明的超声波计测方法的特征在于，包含：计测点设定步骤，设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点并与焊接线方向平行的虚拟反射面；会聚光束设定步骤，对上述计测点经由接触介质，以相对于上述虚拟反射面成规定的入射角发送满足下式(5)而会聚的横波模式的超声波；检测步骤，检测上述发送的超声波的母材部与焊接部之间的边界的反射波；以及评价步骤，基于上述反射波来对焊接部的形状进行评价。

公式5

其中，

接触介质的声速V_T(mm/s)，

作为被检体的钢材的母材部的横波的声速V_R(mm/s)，

相对于焊接线方向的正交方向的发送部宽度D(mm)，

接触介质换算的焦点距离F(mm)，

假定的反射面与实际的反射面之间的偏离角度上限值θ_{H lin}(deg)

另外，本发明的超声波计测方法的特征在于，在上述发明中，按照在上述计测点设定步骤中设定的各个上述计测点，假定角度不同的多个虚拟反射面。

另外，本发明的超声波计测方法的特征在于，在上述发明中，将上述虚拟反射面与实际反射面一致的情况下的收发效率设为1，以使多个上述虚拟反射面中至少一个上述虚拟反射面的收发效率成为0.5以上的方式，假定法线方向区域所连续的多个上述虚拟反射面。

另外，本发明的超声波计测方法的特征在于，在上述发明中，上述偏离角度上限值θ_Hlim是2°。

另外，本发明的超声波计测方法的特征在于，在上述发明中，上述钢材的母材部对于声速成为最大的模式下的声速V_max以及声速成为最小的模式下的声速V_min，满足下式(6)。

公式6

另外，本发明的超声波计测方法的特征在于，在上述发明中，上述入射角为上述计测点处超声波的发送方向与上述虚拟反射面的法线方向所成的角，为0°以上10°以下或者35°以上55°以下。

另外，本发明的超声波计测方法的特征在于，在上述发明中，在上述超声波的收发时使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子束控制，来一边变更上述计测点一边进行超声波的收发。

另外，本发明的超声波计测装置的特征在于，具备：计测点设定单元，其设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点且与焊接线方向平行的虚拟反射面；会聚光束设定单元，其对上述计测点经由接触介质，以相对于上述虚拟反射面成规定的入射角发送满足下式(7)而会聚的横波模式的超声波；检测单元，其检测上述发送的超声波在母材部与焊接部之间的边界处的反射波；以及评价单元，其基于上述反射波来对焊接部的形状进行评价。

公式7

其中，

接触介质的声速V_T(mm/s)，

作为被检体的钢材的母材部的横波的声速V_R(mm/s)，

相对于焊接线方向的正交方向的发送部宽度D(mm)，

接触介质换算的焦点距离F(mm)，

假定的反射面与实际的反射面的偏离角度上限值θ_Hlin(deg)

为了解决上述的课题，实现目的，本发明的超声波计测方法的特征在于，包含：计测点设定步骤，设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点且与焊接线方向平行的角度不同的多个反射面；超声波光束设定步骤，对上述计测点经由接触介质，以相对于上述各反射面成规定的入射角发送横波模式的超声波；检测步骤，检测上述发送的超声波在母材部与焊接部之间的边界处的反射波；以及评价步骤，基于上述反射波来对焊接部的形状进行评价。

另外，本发明的超声波计测装置的特征在于，具备：计测点设定单元，其设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点且与焊接线方向平行的角度不同的多个反射面；超声波光束设定单元，其对上述计测点经由接触介质，以相对于上述各反射面成规定的入射角发送横波模式的超声波；检测单元，其检测上述发送的超声波在母材部与焊接部之间的边界处的反射波；以及评价单元，其基于上述反射波来对焊接部的形状进行评价。

根据本发明，能够容易地检测在钢材的母材部与焊接部之间的边界处反射的超声波。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的实施方式的超声波计测装置的结构的框图。

图2是表示基于超声波计测装置的超声波计测处理顺序的流程图。

图3是表示超声波阵列探测器作为靶子(target)的多个计测点的示意图。

图4是表示超声波阵列探测器作为靶子的多个计测点的示意图。

图5是表示超声波阵列探测器作为靶子的钢材的计测点的示意图。

图6是用于说明检测选通范围的设定方法的图。

图7是用于说明计测结果向显示部输出的图。

图8是用于说明圆盘形的缺陷中的反射波的示意图。

图9是用于说明检测与圆盘形的缺陷中的反射波同等的综合反射率的情况下的每单位面积的反射率的示意图。

图10是表示圆盘形的缺陷和、与该缺陷的反射波同等的综合反射率的反射波的每单位面积的反射率的关系的图

图11是用于说明超声波光束的表观的实际反射面的概念图。

图12是表示频率以及光束直径与综合反射率的偏离角度半值半宽之间的关系的图。

图13是用于说明会聚光束的设定的概念图。

图14是表示偏离角度半值半宽与F/D之间的关系的图。

图15是用于说明母材部与焊接部之间的边界的反射、母材部内面的反射中由于从横波向纵波的模式转换而引起的损失的图。

图16是表示本实施例1的设定条件的图。

图17是表示通过本实施例1获取的计测信号的波形的图。

图18是表示通过现有技术获取的计测信号的波形的图。

图19是表示超声波阵列探测器作为靶子的钢材的计测点的示意图。

图20是用于说明计测结果向显示部输出的图。

图21是表示3个虚拟反射面的综合反射率与偏离角度之间的关系的图。

图22是表示本实施例2的设定条件的图。

图23是表示通过现有技术获取的计测信号的波形的图。

图24是表示通过本实施例2获取的计测信号的波形的图。

图25是表示在以往的埋弧焊焊接的碳钢的焊接部测定出的横波声速和基于测定出的声速计算出的反射率的图。

图26是表示虚拟反射面和实际反射面的偏离角度与反射率之间的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的一个实施方式进行说明。此外，该实施方式并不对本发明造成限定。另外，在附图的记载中，对于相同部分标注相同的附图标记来表示。

[第1实施方式]

[钢材的母材部的声学各向异性]

首先，对本实施方式中的作为被检体的碳钢进行说明。以往，碳钢的焊接部的声学各向异性较小，检测母材部与焊接部之间的边界的反射波很困难。然而，即使是碳钢，在母材部具有声学各向异性的情况下，也能够检测母材部与焊接部之间的边界的反射波。因此，在本实施方式中，将母材部具有声学各向异性的碳钢作为被检体，计测超声波在母材部与焊接部之间的边界面处的反射波。此外，对于本实施方式所需要的母材部的声学各向异性的程度后述。

[装置的结构]

接下来，对作为本发明的一个实施方式的超声波计测装置的结构进行说明。图1是示意性地表示本实施方式的超声波计测装置的结构的框图。如图1所示，该超声波计测装置10具有：计测信号获取部1，其对被检体发送超声波，并接收由该发送出的超声波引起的超声波信号(计测信号)；输入部2，其输入各种信息；存储部3，其存储被检体的计测数据等；显示部4，其显示被检体的计测结果等；以及控制部5，其控制超声波计测装置10的各结构部。

计测信号获取部1进行串联计测，在该串联计测中将从发送部11发送的电信号的超声波信号从超声波阵列探测器12，作为超声波发送至外部，将在该超声波阵列探测器12接收到的超声波作为电信号的超声波信号即计测信号输出至接收部13。超声波阵列探测器12使用压电振子等来实现，通过施加来自发送部11的脉冲信号，将超声波发送至外部，接收来自外部的超声波，并转换为电信号。发送部11通过将超声波阵列探测器12的共振频率或者其附近频率的脉冲信号施加给超声波阵列探测器12，来将超声波从超声波阵列探测器12输出至外部。

输入部2使用电源开关以及输入键等输入设备来实现。另外，输入部2与操作者的输入操作对应地，对控制部5输入各种指示信息。例如，输入部2将被检体的计测开始或者计测结束等指示信息、指示被检体的计测数据的显示或者存储的指示信息等输入至控制部5。

存储部3使用硬盘等存储介质来实现，存储由控制部5指示的被检体的计测数据等各种信息。

显示部4使用液晶显示器等显示设备来实现，显示由控制部5显示指示的各种信息。具体而言，显示部4显示基于超声波计测的被检体的计测数据。

控制部5具有计测点设定部51、阵列控制计算部52、以及回波高度提取部53，并且控制上述超声波计测装置10的各个结构部。具体而言，控制部5使用存储有处理程序等的存储器以及执行处理程序的CPU等来实现。控制部5基于通过输入部2输入的指示信息，控制上述的计测信号获取部1、存储部3、以及显示部4的各动作时机等。

[超声波计测处理]

这里，参照图2所示的流程图，对基于超声波计测装置10的超声波计测处理顺序进行说明。图2的流程图例如，在存在通过操作者对被检体的超声波计测指示输入的时机开始，超声波计测处理进入步骤S1的处理。

在步骤S1的处理中，计测点设定部51决定计测点的扫描顺序。由此，步骤S1的处理结束，超声波计测处理进入步骤S2的处理。

这里，参照图3以及图4，说明计测点设定部51对计测点的扫描顺序。图3以及图4是表示在管状的被检体中，超声波阵列探测器12作为靶子的多个计测点的示意图。图中的各个○标记表示计测点a。图5是表示在本实施方式的钢材中，超声波阵列探测器12作为靶子的计测点的示意图。

如图3所示，超声波阵列探测器12将分布在管状的被检体6的板厚(壁厚)方向y的多个计测点a作为靶子发送超声波(横波模式)，在板厚方向y一边扫描一边计测反射波。之后，通过与针对圆周方向x的机械式扫描组合，能够得到表示计测结果的板厚方向y以及圆周方向x的二维图像。此外，在针对超声波阵列探测器12的圆周方向x进行机械式扫描时，超声波阵列探测器12相对于被检体6保持恒定姿势。

或者，如图4所示，超声波阵列探测器12以二维分布在管状的被检体6的板厚(壁厚)方向y以及圆周方向x的多个计测点a为靶子，在板厚方向y以及圆周方向x一边扫描一边计测反射波。此时，超声波阵列探测器12不进行机械式扫描，就能够得到表示计测结果的二维图像。

此外，图5是表示在本实施方式中超声波阵列探测器12作为靶子的钢材的计测点的示意图。如图5所示，在本实施方式中，以被检体6的母材部6A的内部的焊接部6B附近的计测点a为靶子。

在步骤S2的处理中，阵列控制计算部52进行超声波阵列探测器12的超声波光束的设定。阵列控制计算部52首先选择超声波阵列探测器12的发送元件组以及接收元件组。即，阵列控制计算部52计算相对于虚拟反射面(以入射角与反射角为相同的值α的方式假定的虚拟反射面)的入射方向以及反射方向，以满足该入射方向以及反射方向的方式，选择发送元件组的中心和接收元件组的中心。此时，阵列控制计算部52以发送元件组满足通过后述的会聚光束的设定而计算出的发送部宽度D的方式进行选择。

接下来，阵列控制计算部52计算选择出的各元件的传播路径，基于计算出的传播路径来计算各元件的传播时间。而且，阵列控制计算部52以超声波光束会聚到各计测点的方式，基于计算出的传播时间来设定各元件的发送时(或者接收时)的延迟时间。由此，步骤S2的处理结束，超声波计测处理进入步骤S3的处理。

在步骤S3的处理中，回波高度提取部53进行检测选通范围的设定，检测所接收到的反射波的强度。即，回波高度提取部53基于通过阵列控制计算部52计算出的传播时间来设定检测选通范围，并提取在该期间接收到的反射波的回波高度。

图6是用于说明检测选通范围的设定方法的图。如图6所示，从发送元件发送在计测点反射的反射波到达接收元件的时间，即，仅在发送侧传播时间(从发送元件到计测点的传播时间)t_T+接收侧传播时间(从计测点到接收元件的传播时间)t_R的前后的规定时间段，打开检测选通范围Δt接收反射波(回波)E，提取该反射波E的回波高度e。由此，排除阻碍回波N的影响，能够仅检测计测点处的反射波E。由此，步骤S3的处理结束，超声波计测处理进入步骤S4的处理。

此外，在没有虚拟反射面的情况下，无需设定检测选通范围。另外，根据计测点，发送侧(从发送元件到计测点的)传播时间以及接收侧(从计测点到接收元件的)传播时间是不同的，所以根据计测点适当地变更检测选通范围。

在步骤S4的处理中，控制部5通过将计测结果输出至显示部4，来对焊接边界剖面形状进行评价。图7是用于说明计测结果朝向显示部4输出的图。即，如图7所示，控制部5基于评价对象区域C的各计测点a，对由另行检测的超声波阵列探测器12的位置和通过计测点设定部51决定出的计测点a的位置确定的像素位置，设定与计测结果的回波高度对应的亮度来显示图像。由此，表示焊接边界剖面形状的图像被显示于显示部4。由此，步骤S4的处理结束，一系列的超声波计测处理结束。

[钢材的母材部的声学各向异性的要件]

对在作为本实施方式的被检体的碳钢中，在通过串联计测计测超声波的反射波时所需要的母材部的声学各向异性的程度进行说明。一般地，已知通过光束直径0.7mm左右的串联计测能够检测的缺陷尺寸是数十μm～100μm(参照专利文献3)。

这里，参照图8以及图9，对以与缺陷处的反射波同等的综合反射率能够检测反射波的实际反射面进行说明。图8是用于说明直径h的圆盘形缺陷处的反射波的示意图，图9是用于说明在检测与直径h的圆盘形缺陷处的反射波同等的综合反射率的反射波的情况下的、每单位面积的实际反射面的反射率的示意图。如图8所示，在超声波光束以入射角α入射至直径h的圆盘形缺陷时，若将缺陷处每单位面积的反射率假定为1(＝100％)，则超声波光束入射至缺陷的比例为(h·cosα)²/d²，所以综合反射率为(h·cosα)²/d²。因此，如图9所示，在检测与该缺陷的反射波同等的综合反射率(h·cosα)²/d²的反射波的情况下，超声波光束入射至实际反射面的比例是1(＝100％)，所以每单位面积的实际反射面的反射率为(h·cosα)²/d²。

在α＝45°、d＝0.7mm的情况下，通过上述式子表示的每单位面积的反射率为h的函数。图10是表示直径h的圆盘形缺陷和检测与该缺陷的反射波同等的综合反射率的实际反射面中每单位面积的反射率之间的关系的图，纵轴表示h，横轴表示每单位面积的反射率。缺陷能够以h≥0.05mm来检测，所以如图10所示，优选每单位面积的反射率是0.25％以上。另外，在缺陷的检测时，若h≥0.1mm则更为优选，所以如图10所示，更为优选每单位面积的反射率是1.0％以上。

接下来，对用于实现上述每单位面积的反射率的母材部的声学各向异性的程度进行说明。在碳钢的母材部，将声速成为最大的模式(由传播方向和位移方向来决定的)的声速设为V_max，将声速成为最小的模式下的声速设为V_min。另外，焊接部中的声速各向同性在任何传播方向，都为(V_max+V_min)/2。另外，母材部与焊接部的密度相同。在该情况下，以母材部中的声速成为最小的传播方向入射至与焊接部的边界时的每单位面积的反射率R能够通过下式(8)来表示(参照非专利文献1、式(1))。

公式8

因此，优选母材部具有下式(9)成立的声学各向异性。

公式9

另外，更为优选母材部具有下式(10)成立的声学各向异性。

公式10

[会聚光束的设定]

在本实施方式中，在步骤S2的超声波光束的设定中，通过以下的方式使超声波光束会聚而成为会聚光束，即使是串联计测，也能够扩大虚拟反射面与实际反射面的偏离角度θ的允许范围，即减弱反射指向性。

图11是用于说明超声波光束的表观的实际反射面的概念图。如图11所示，若超声波光束入射至实际反射面，则实际反射面中有助于反射的位置(表观的实际反射面)被限定。因此，能够将表观的实际反射面视为宽度2a的带状反射体。此时，若设入射角α、反射角β，则a＝d/2cosα，所以综合反射率r’(α，β)能够使用波数k通过以下的式(11)来表示(参照非专利文献1、式(2))。

公式11

若将虚拟反射面(入射角α，反射角α)与实际反射面的偏离角度设为θ，则入射超声波光束时的综合反射率r’(α+θ，α－θ)通过下式(12)来表示。此外，在导出式(12)时，应用由下式(13)所表示的三角函数的加法定理。

公式12

公式13

sin(α+θ)-sin(α-θ)＝2cosαsinθ…(13)

图12是表示频率f以及光束直径d、与通过上述式(12)计算出的综合反射率r’(α+θ，α－θ)的关系的图。在图12中，V＝3200m/s，横轴表示光束直径d，纵轴表示综合反射率r’(α+θ，α－θ)成为50％时的正的偏离角度θ_H(偏离角度半值半宽)。

这里，sinc(1.9)≈1/2，所以对于综合反射率r’(α+θ，α－θ)成为50％时的正的偏离角度θ_H，下式(14)成立。

公式14

kdsinθ_H＝1.9…(14)

即，θ_H能够通过下式(15)来表示。

公式15

并且，通过用反射波的声速V_R和频率f来表示波数k，θ_H通过下式(16)来表示。

公式16

图13是用于对会聚光束的设定进行说明的概念图。如图13所示，会聚光束由光束直径d、发送部宽度D、焦距F来设定。这里，光束直径d使用发送部宽度D、焦距(接触介质换算)F、发送波(接触介质)的声速V_T、频率f，表示为下式(17)(参照非专利文献1)。

公式17

通过将上述式(17)代入上述式(16)，θ_H通过下式(18)来表示。

公式18

图14是表示设被检体的横波的声速V_R＝3200m/s、接触介质的声速V_T＝1480m/s(使用水作为接触介质的情况)的情况下的θ_H与F/D之间的关系的图。这里，在将偏离角度半值半宽θ_H设为至少θ_Hlim以上的情况下，关于会聚光束，需要下式(19)成立。

公式19

优选，θ_Hlim＝2°。在该情况下，作为会聚光束的设定要件，下式(20)成立。

公式20

更为优选，θ_Hlim＝5°。在该情况下，作为会聚光束的设定要件，下式(21)成立。

公式21

此外，图15是用于说明母材部与焊接部之间的边界的反射、在母材部内面的反射时由于从横波向纵波的模式转换而引起的损失的图，横轴表示针对与焊接部的边界的入射角α，纵轴表示第二次反射(在母材部内面的反射)的横波的综合反射率(参照专利文献3)。在母材部与焊接部之间的边界面与母材部的板厚方向几乎平行的情况下，为了抑制由在母材部内面的反射、在被检体与接触介质之间的边界的折射时的模式转换而引起的损失，如图15所示，入射角α需要成为0°≤α≤10°以下或者35°≤α≤55°。更为优选，入射角α为40°≤α≤50°。

以上，如说明所示，根据本实施方式，使入射至钢材的母材部与焊接部之间的边界的超声波会聚，所以使有效的实际反射面的面积变窄而减弱反射指向性，能够容易地检测在钢材的母材部与焊接部之间的边界反射的超声波。

(实施例1)

接下来，对与上述第1实施方式对应的实施例1进行说明。图16是表示本实施例的设定条件的图。如图16所示，在本实施例中，为了简单，将被检体设为二维。另外，焊接部和母材部作为阻抗不同的部件强调了反射波。超声波阵列探测器的频率f设定为5MHz。虚拟反射面作为垂直方向，将与实际反射面的偏离角度θ设为5°。此时，发送部宽度D为19.9mm(20ch)，上述式(19)～(21)的左边(V_T/V_R)·(F/D)为2.2来进行了计测。此外，作为现有技术的比较例，发送部宽度D为5.9mm(6ch)，上述式(19)～(21)的左边(V_T/V_R)·(F/D)为∞(非会聚光束)来进行了计测。

图17表示通过本实施例获取到的计测信号的波形，图18表示通过现有技术获取到的计测信号的波形。如图17所示，不管虚拟反射面与实际反射面的偏离角度是否是5°，都能够以较高的信号电平检测反射波。此外，如图18所示，根据现有技术，与本实施例相比较反射波的信号电平较低，导致错误检测的可能性较高。

此外，在本实施例中并未提及焊接线方向，但也可以考虑焊接线方向的光束形状来选择超声波阵列探测器，根据被检体来设定焊接线方向的振子宽度、是否为会聚光束、会聚光束的焦距。

[第2实施方式]

第2实施方式的超声波计测装置取与图1所示的第1实施方式的超声波计测装置10相同的结构。另外，本实施方式的超声波计测处理，将与上述第1实施方式相同的碳钢设为被检体。因此，作为钢材的母材部的声学各向异性的要件，满足上述式(8)。另外，优选母材部具有上述式(9)或者(10)成立的声学各向异性。另一方面，本实施方式的超声波计测处理与上述第1实施方式的超声波计测处理，仅在图2所示的步骤S2的处理中，代替以被检体的母材部内部焊接部附近的计测点为靶子，使超声波光束会聚而成为会聚光束，而假定多个虚拟反射面P的点不同。

图19是表示在本实施方式中超声波阵列探测器12成为靶子的钢材的计测点的示意图。图19所示，在本实施方式中，在步骤S2的处理中，阵列控制计算部52以被检体6的母材部6A内部的焊接部6B附近的计测点a为靶子，假定多个虚拟反射面P，对各虚拟反射面(P1，P2)选择发送元件组的中心和接收元件群的中心，计算传播路径并进行超声波光束的设定。此外，此时，阵列控制计算部52考虑光束直径、指向性等，来选择各发送元件组的发送部宽度D。

在该情况下，在步骤S3的处理中，回波高度提取部53对于各虚拟反射面(P1，P2)，如图6所示，基于通过阵列控制计算部52计算出的各传播时间来设定检测选通范围，提取在该期间所接收到的反射波的回波高度。另外，在步骤S4的处理中，如图20所示，对于评价对象区域C的各计测点a，在由另行检测的超声波阵列探测器12的位置和通过计测点设定部51决定的计测点a的位置而确定的像素位置，设定与从各虚拟反射面(P1，P2)得到的计测结果的回波高度的代表值对应的亮度并显示图像。

此外，从各虚拟反射面得到的回波高度的代表值也可以为各回波高度的平均值或最大值等。或者，代表值的选定方法也可以根据计测点来改变。例如，在计测点靠近管状的被检体6的内周面的情况下，也可以采用从最外周面方向的虚拟反射面得到的回波高度，在计测点靠近管状的被检体6的外周面的情况下，也可以采用从最内周面方向的虚拟反射面得到的回波高度。

[多个虚拟反射面的设定]

在本实施方式中，如上述那样，在步骤S2的处理中，通过以以下的方式进行多个虚拟反射面的设定，即使是串联计测，也能够扩大虚拟反射面与实际反射面的偏离角度θ的允许范围，即减弱反射指向性。

如上所述，若假定角度不同的多个虚拟反射面来入射超声波光束，则在虚拟反射面附近，如图11所示，实际反射面中有助于反射的位置(表观的实际反射面)被限定。因此，能够将表观的实际反射面视为宽度2a的带状反射体。此时，若设入射角α、反射角β，则a＝d/2cosα，所以综合反射率r’(α，β)与上述式(11)相同，能够使用波数k通过以下的式(22)来表示(参照非专利文献1、式(2))。

公式22

若将虚拟反射面(入射角α，反射角α)与实际反射面的偏离角度设为θ，则入射了超声波光束时的综合反射率r’(α+θ，α－θ)通过下式(23)来表示。此外，在导出式(23)时，应用了由下式(24)来表示的三角函数的加法定理。

公式23

公式24

sin(α+θ)-sin(α-θ)＝2cosαsinθ…(24)

通过上述式(23)可知，各虚拟反射面的综合反射率被表示为与实际反射面的偏离角度θ的函数。图21是表示基于上述式(23)的各虚拟反射面的综合反射率、与各虚拟反射面和实际反射面的偏离角度θ之间的关系的图。这里，作为虚拟反射面，以5°增量假定了3个虚拟反射面(偏离角度θ的虚拟反射面P0、偏离角度θ-5°的虚拟反射面P1、偏离角度θ+5°的虚拟反射面P2)。另外，α＝45°，光束直径d＝2mm，频率f＝10MHz，V＝3200m/s。

如图21所示，偏离角度θ的虚拟反射面P0的综合反射率为50％时的正的偏离角度(偏离角度半值半宽)为2.8°。即，若偏离角度θ是2.8°以内，则综合反射率为50％以上能够检测反射波。另一方面，在本实施方式中，除了上述虚拟反射面P0以外，还检测偏离角度为θ－5°的虚拟反射面P1、偏离角度为θ+5°的虚拟反射面P2的综合反射率，所以通过与虚拟反射面P1的(θ－5°)的偏离角度半值半宽2.8°、和与虚拟反射面P2的(θ+5°)的偏离角度半值半宽2.8°，综合反射率为50％以上的偏离角度θ的范围放大到7.8°。即，可知通过以5°增量设定3个虚拟反射面，能够放大能够检测反射波的偏离角度θ的允许范围。

若将上述讨论进行一般性地描述，则也可以对于满足将上述式(23)的右边设为0.5的下式(25)的正值θ_1/2(若有多个则采用最小值)，以每个虚拟反射面的角度差为2θ_1/2以下的方式设定多个虚拟反射面。

公式25

此外，如上所述，在母材部与焊接部之间的边界面与母材部的板厚方向几乎平行的情况下，为了抑制母材部内面的反射、和在被检体与接触介质之间的边界的折射时由于模式转换而引起的损失，如图15所示，入射角α需要为0°≤α≤10°或者35°≤α≤55°。更为优选，入射角α为40°≤α≤50°。

以上，如说明的那样，根据本实施方式，设定多个入射至钢材的母材部与焊接部之间的边界的超声波的虚拟反射面来计测反射波，所以减弱反射波的反射指向性，能够容易地检测在钢材的母材部与焊接部之间的边界反射的超声波。

此外，也可以同时实施上述第1实施方式和第2实施方式，使入射至钢材的母材部与焊接部之间的边界的超声波会聚，设定多个虚拟反射面来计测反射波。

(实施例2)

接下来，对与上述第2实施方式对应的实施例2进行说明。图22是表示本实施例的设定条件的图。如图22所示，在本实施例中，为了简单，将被检体设为二维。另外，焊接部与母材部为阻抗不同的部件强调了反射波。超声波阵列探测器的频率f设定为5MHz。实际反射面为从垂直方向倾斜了5°的面，作为虚拟反射面设定从垂直方向倾斜0°和5°的2个虚拟反射面，入射非会聚光束来进行计测。

图23表示虚拟反射面从垂直方向倾斜0°的情况(与实际反射面的偏离角度5°)下所获取的计测信号的波形，图24表示虚拟反射面从垂直方向倾斜5°的情况(与实际反射面的偏离角度0°)下所获取的计测信号的波形。根据现有技术，如图23所示，在虚拟反射面与实际反射面的偏离角度是5°的情况下，反射波的信号电平较低而检测很困难。另一方面，根据本实施例，通过设定多个虚拟反射面，利用任意虚拟反射面总是对实际反射面进行最佳的测定，检测图23所示的计测信号和图24所示的计测信号，所以能够以较高的信号电平检测反射波。

此外，在本实施例中并未提及焊接线方向，但也可以考虑焊接线方向的光束形状来选择超声波阵列探测器，并根据被检体来设定焊接线方向的振子宽度、是否为会聚光束、会聚光束的焦距。

如以上那样，本发明的超声波计测方法以及超声波计测装置适于使用超声波对钢材的焊接部的品质非破坏地进行评价。

附图标记说明

1…计测信号获取部；11…发送部；12…超声波阵列探测器；13…接收部；2…输入部；3…存储部；4…显示部；5…控制部；10…超声波计测装置。

Claims (18)

1.一种超声波计测方法，其特征在于，包含：

计测点设定步骤，设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点且与焊接线方向平行的虚拟反射面；

会聚光束设定步骤，对所述计测点经由接触介质，以相对于所述虚拟反射面成规定的入射角发送满足下式(1)而会聚的横波模式的超声波；

检测步骤，检测所述发送的超声波在母材部与焊接部之间的边界处的反射波；以及

评价步骤，基于所述反射波来对焊接部的形状进行评价，

所述计测点设定步骤包括按所设定的各个所述计测点，假定角度不同的多个虚拟反射面的步骤，

公式1：

其中，

接触介质的声速V_T，其单位为mm/s，

作为被检体的钢材的母材部的横波的声速V_R，其单位为mm/s，

相对于焊接线方向的正交方向的发送部宽度D，其单位为mm，

接触介质换算的焦点距离F，其单位为mm，

假定的反射面与实际的反射面之间的偏离角度上限值θ_{H lim}，其单位为deg。

2.根据权利要求1所述的超声波计测方法，其特征在于，

将所述虚拟反射面与实际反射面一致的情况下的综合反射率设为1，以多个所述虚拟反射面中至少一个所述虚拟反射面的综合反射率成为0.5以上的方式，假定多个所述虚拟反射面。

3.根据权利要求1或2所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述偏离角度上限值θ_Hlim是2°。

4.根据权利要求1或2所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述钢材的母材部对于声速成为最大的模式下的声速V_max以及声速成为最小的模式下的声速V_min，满足下式(2)，

公式2：

$2.5\×{10}^{-3}\≤\frac{V_{\max }-V_{\min }}{V_{\max }+3V_{\min }}\mathrm{...}\left(2\right).$

5.根据权利要求3所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述钢材的母材部对于声速成为最大的模式下的声速V_max以及声速成为最小的模式下的声速V_min，满足下式(2)，

公式2：

$2.5\×{10}^{-3}\≤\frac{V_{\max }-V_{\min }}{V_{\max }+3V_{\min }}\mathrm{...}\left(2\right).$

6.根据权利要求1或2所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述入射角为所述计测点处超声波的发送方向与所述虚拟反射面的法线方向所成的角，为0°以上10°以下或者35°以上55°以下。

7.根据权利要求3所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述入射角为所述计测点处超声波的发送方向与所述虚拟反射面的法线方向所成的角，为0°以上10°以下或者35°以上55°以下。

8.根据权利要求4所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述入射角为所述计测点处超声波的发送方向与所述虚拟反射面的法线方向所成的角，为0°以上10°以下或者35°以上55°以下。

9.根据权利要求5所述的超声波计测方法，其特征在于，

所述入射角为所述计测点处超声波的发送方向与所述虚拟反射面的法线方向所成的角，为0°以上10°以下或者35°以上55°以下。

10.根据权利要求1或2所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

11.根据权利要求3所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

12.根据权利要求4所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

13.根据权利要求5所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

14.根据权利要求6所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

15.根据权利要求7所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

16.根据权利要求8所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

17.根据权利要求9所述的超声波计测方法，其特征在于，

在所述超声波的收发中使用阵列探头，通过切换该阵列探头的电子光束控制，来一边变更所述计测点一边进行超声波的收发。

18.一种超声波计测装置，其特征在于，具备：

计测点设定单元，其设定钢材内部焊接部附近的任意计测点，假定包含该计测点且与焊接线方向平行的虚拟反射面；

会聚光束设定单元，其对所述计测点经由接触介质，以相对于所述虚拟反射面成规定的入射角发送满足下式(3)而会聚的横波模式的超声波；

检测单元，其检测所述发送的超声波在母材部与焊接部之间的边界处的反射波；以及

评价单元，其基于所述反射波来对焊接部的形状进行评价，

所述计测点设定单元按所设定的各个所述计测点，假定角度不同的多个虚拟反射面，

公式3

其中，

接触介质的声速V_T，其单位为mm/s，

作为被检体的钢材的母材部的横波的声速V_R，其单位为mm/s，

相对于焊接线方向的正交方向的发送部宽度D，其单位为mm，

接触介质换算的焦点距离F，其单位为mm，

假定的反射面与实际的反射面之间的偏离角度上限值θ_{H lim}，其单位为deg。