JP5709357B2

JP5709357B2 - 超音波探傷装置および超音波探傷方法

Info

Publication number: JP5709357B2
Application number: JP2009044901A
Authority: JP
Inventors: 川浪　精一; 精一川浪; 是木村; 正義中井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010197314A

Description

本発明は、超音波探傷、例えば、ステンレスの溶接部等を対象として行う超音波探傷に用いて好適な超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。

例えば、金属の溶接部分等の内部に生じた亀裂等の欠陥を非破壊で検査する方法として超音波探傷（Ultrasonic Testing: UT）が知られている。このような超音波探傷法の１手法として、フェーズドアレイ法がある。これは、例えば、一方向またはマトリクス状に配置された複数の振動子を個別に制御し、各振動子を振動させるタイミングをずらすことによって、各振動子から発せられる超音波ビームの合成波を生成し、この合成波を検査対象物の任意の検査対象位置に当てたときの反射波または回折波を受信して解析することで、検査対象位置における亀裂等の欠陥の有無や欠陥のサイズ等を検査する方法である。また、特に、溶接部中の検査を行う場合は材料中のノイズを低減するために、送信と受信を別々の振動子で行う２探触子型の探傷装置がよく用いられる。

特開２００７−３２２３５０号公報

しかしながら、例えば、従来の２探触子型のフェーズドアレイ法では、送信用探触子と受信用探触子とを一方向に配列された複数の振動子でそれぞれ構成した場合、任意の位置に超音波を集束させることができないという問題があり、このため、送信用探触子と受信用探触子とを構成する振動子をマトリクス状に配置したものが使用されていた。従って、探触子が大型化する傾向にあり、さらに、各振動子に対して駆動装置をそれぞれ設ける必要があることから、駆動装置の大型化、処理の煩雑さを招いていた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、装置の小型化及び制御内容の簡便化を図ることのできる超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、複数の振動子が一方向に配列された送信用探触子と、複数の振動子が一方向に配列された受信用探触子とを備える二探触子法による超音波探傷装置であって、前記送信用探触子及び前記受信用探触子は、これらを構成する前記振動子の配列方向に並んで配置されているとともに、該配列方向に傾斜する配置面上に配置され、前記送信用探触子は、前記配列方向に沿うように、検査対象の内部に向けて超音波を射出し、前記配置面は、前記検査対象と接触する底面に対して傾斜する斜面とされている超音波探傷装置を提供する。

本発明によれば、複数の振動子が一方向に配列された送信用探触子と、複数の振動子が一方向に配列された受信用探触子とが、これらを構成する振動子の配列方向に並んで配置されている。
このように、送信用探触子と受信用探触子とを構成する振動子を振動子の配列方向に一列に並んで配置させることで、振動子がマトリクス状に配置されている従来のフェーズドアレイの超音波探傷装置に比べて、振動子の数を低減させることが可能となり、各振動子を駆動する駆動回路についても数の低減を図ることが可能となる。これにより、制御の簡便化、装置の小型化を図ることができる。

ところで、マトリクス状に配置された振動子の数を減らそうと考えた場合、例えば、マトリクスの列、行の数を少なくすることが考えられる。しかしながら、どのように減らせばいいのか、また、送信用探触子と受信用探触子とを別個に設けて配置するのか、更に、送信用探触子と受信用探触子とを別個に設ける場合には、これらをどのような配置にすればよいのか等、様々な条件を決定しなければならない。また、このような配置等を考慮する場合には、できるだけ少ない振動子の数で、より効果の高い探傷結果が得られるような配置にすることが望ましい。また、特に、従来の２探触子型の探傷装置では、送信用探触子及び受信用探触子を一方向に配列された振動子でそれぞれ構成してしまうと、一定の焦点深さで探傷が行えないという問題が生じるため、この問題を解消するような振動子の配置並びに探触子の配置を考えることが重要となる。

本願発明者らは、上記の点について考察したところ、送信用と受信用の探触子がそれぞれ一方向に配列された複数の振動子で構成されている従来の２探触子型の探傷装置は、送信用探触子と受信用探触子とがそれらの振動子の配列方向が交差するように配置されていることが原因で、一定の焦点深さで探傷が行えないという問題が生じていることに気づき、送信用探触子と受信用探触子とをそれらの振動子の配列に沿って一列に並べて配置するという本発明を発案するに至った。このような配置とすることで、送信用と受信用の振動子が個別に設けられている２探触子型の探傷装置であっても、超音波の屈折角と焦点深さとを任意に変えることができる。このように、本発明は、探傷において不都合な点を解消して探傷を効果的に行うことのできる配置及び構成に着目してされたものであり、屈折角及び焦点深さの両方を自由に調整できるという効果を奏する。

上記超音波探傷装置において、前記底面と、前記配置面とを有する支持部材を備え、前記送信用探触子と前記受信用探触子とは、共通の前記支持部材に固定配置されていてもよい。

このように、送信用探触子と受信用探触子とを共通の支持部材に固定配置することで、送信用探触子と受信用探触子との位置関係を一定に保つことができる。これにより、支持部材を走査することにより、送信用探触子と受信用探触子とを互いの位置関係を一定に維持したまま容易に移動させることができ、また、超音波ビームの屈折角や焦点深さに関する制御を簡便化することができる。
本発明は、複数の振動子が一方向に配列された送信用探触子と、複数の振動子が一方向に配列された受信用探触子と、支持部材とを備え、前記支持部材は、検査対象と接触する底面と、前記送信用探触子及び前記受信用探触子が配置されるとともに、前記底面に対して傾斜する斜面とされた配置面とを備え、前記送信用探触子及び前記受信用探触子は、これらを構成する前記振動子の配列方向に並んで配置されているとともに、前記配置面の傾斜方向に沿うように配置され、前記送信用探触子は、前記配列方向に沿うように、前記検査対象の内部に向けて超音波を射出する超音波探傷装置を提供する。

上記超音波探傷装置において、前記送信用探触子及び前記受信用探触子が備える各振動子は、前記配列方向と直交する方向に所定の曲率で湾曲していてもよい。

このように曲率を加えることで、超音波を焦点位置において、線状から点状のビーム形状にして超音波ビームの高い集束効果を得ることが出来る。

上記超音波探傷装置において、前記送信用探触子の振動子の曲率と前記受信用探触子の振動子の曲率とは異なっていてもよい。

例えば、曲率はビームを集束させたい領域と振動子の位置関係から決まる。本発明では、送信用探触子の振動子と受信用探触子の振動子とがその配列方向に沿って並んで配置されているため、送信用探触子の振動子から集束位置までの距離と、受信用探触子の振動子から集束位置までの距離とは異なることとなる。従って、この距離に応じてそれぞれの曲率を変えることにより、所望の位置にビームを集束させることができる。

本発明は、複数の振動子を一方向に配列させた送信用探触子と、複数の振動子を一方向に配列させた受信用探触子とを、これらを構成する前記振動子の配列方向に傾斜する配置面に、該配列方向に沿うように並べて配置し、且つ、前記送信用探触子からこれら振動子の配列方向に沿うように検査対象の内部に向けて超音波を射出させ、前記配置面は、前記検査対象と接触する底面に対して傾斜する斜面とされている二探触子法による超音波探傷方法を提供する。

本発明によれば、装置の小型化及び制御内容の簡便化を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示したブロック図である。本発明の一実施形態に係るプローブの構成を示した図である。本発明の位置実施形態に係る超音波探傷装置による探傷の手順を示したフローチャートである。探傷検査中における超音波ビームの様子を示した図である。送信用探触子の振動子と受信用探触子の振動子とが同じ曲率で湾曲している場合を示した図である。

以下に、本発明に係る超音波探傷装置および超音波探傷方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、超音波探傷装置１０は、複数の振動子を備えたプローブ１１と、このプローブ１１を制御する制御装置２０とを備えている。

プローブ１１は、図２に示すように、複数の振動子１３が一方向に配列された送信用探触子１４と、複数の振動子１５が一方向に配列された受信用探触子１６と、送信用探触子１４及び受信用探触子１６を支持する支持部材１７とを備えている。
送信用探触子１４及び受信用探触子１６は、これらを構成する振動子１３，１５の配列方向に並んで配置されている。ここで、送信用探触子１４及び受信用探触子１６は、共に、支持部材１７の斜面上に配置されている。ただし、振動子１３の配列方向と振動子１５の配列方向が、ＸＹ平面（支持部材１７の底面に相当）を平面視したときに、同一方向となっていればよく、本実施形態のように送信用探触子１４及び受信用探触子１６が同一平面上に配置されている必要はない。例えば、送信用探触子１４を含む平面と、受信用探触子１６を含む平面とが所定角度を有して交差する関係となっていてもよい。
また、これら振動子１３，１５は、超音波ビームの射出方向に沿って配置されている。換言すると、送信用探触子１４は振動子１３の配列方向に沿うように、検査対象内部に向けて超音波を射出させる。

上記振動子１３，１５は、圧電素子からなり、電気信号に応じた振動を発するとともに、外部から受けた振動に応じた電気信号を発する。これら振動子１３，１５は、超音波を送信するときの入射角度、反射波を受信するときの屈折角度がいずれも可変とされており、いわゆるフェーズドアレイとされている。各振動子１３，１５の入射角度、屈折角度は、制御装置２０によってそれぞれ調整される。

制御装置２０は、図１に示すように、送信用探触子の各振動子を振動させるための駆動用電気信号を生成する信号生成部２１と、受信用探触子の各振動子で検出される振動に応じた電気信号を受信する反射信号受信部２２と、受信した電気信号を解析する解析部２３とを備えている。また、制御装置２０には表示装置３０が接続されており、解析部２３による解析結果が表示されるようになっている。

次に、超音波探傷装置の作用について図３を参照して説明する。
まず、図４に示すように、検査対象物の適切な位置にプローブ１１がセットされ（図３のステップＳＡ１）、続いて、検査対象物において欠陥が生じていると推定される位置が検査対象位置として設定される（図３のステップＳＡ２）。

次に、送信用探触子１４から射出させたいビーム形状に応じた遅延パターンが信号生成部２１により生成され、この遅延パターンに基づく駆動用電気信号が送信用探触子１４の各振動子１３に与えられる。

これにより、各振動子１３からは、各遅延時間に応じたタイミングでそれぞれ超音波が射出され、その合成波である超音波ビームが検査対象位置として設定した位置に向けて伝播する（図３のステップＳＡ３）。この位置に傷等が発生していた場合には、この傷によって反射された反射波が受信用探触子１６の各振動子１５により受信される（図３のステップＳＡ４）。各振動子１５では、反射波に対応する電気信号が生成され、この電気信号が反射波受信部２２を介して解析部２３に与えられる。
解析部２３は、反射波受信部２２から受信した電気信号を解析することにより、検査対象物に発生している亀裂等の欠陥のサイジング、例えば、位置検出、大きさ検出等を行う（図３のステップＳＡ５）。

そして、所定の範囲においてスキャンが終了するまで、ステップＳＡ２において検査対象位置が随時更新され、各位置における探傷が行われる（ステップＳＡ２〜ＳＡ５）。そして、所定の範囲においてスキャンが終了すると（図３のステップＳＡ６において「ＹＥＳ」）、解析部２３は解析結果を表示装置３０に出力する。これにより、表示装置３０の画面には、探傷結果が表示される（図３のステップＳＡ７）。

以上説明してきたように、本実施形態に係る超音波探傷装置及び超音波探傷方法によれば、複数の振動子１３が一方向に配列された送信用探触子１４と、複数の振動子１５が一方向に配列された受信用探触子１６とをこれらを構成する振動子１３，１５の配列方向に沿って並べて配置したので、マトリクス状に振動子が配置されているフェーズドアレイの超音波探傷装置に比べて、振動子の数を大幅に低減させることができ、また、各振動子を駆動する駆動回路についても数の低減を図ることが可能となる。これにより、制御の簡便化、装置の小型化、探触子及び制御装置のコスト低減を図ることができる。

また、上述のように送信用探触子１４と受信用探触子１６とを配置することで、リニア型の探触子であっても、換言すると、マトリクス状に振動子を配置しなくても、超音波の屈折角と焦点深さとを任意に変えることが可能となる。

なお、本実施形態では、送信用探触子１４と受信用探触子１６とを共通の支持部材１７に固定していたが、この態様に限られない。例えば、送信用探触子１４と受信用探触子１６とは、別個の支持部材に取り付けられていても良い。また、支持部材を介することなく、直接的に検査対象の表面に配置されてもよい。

また、本実施形態において、送信用探触子１４及び受信用探触子１６が備える各振動子１３，１５は、それらの配列方向と直交する方向に所定の曲率で湾曲していてもよい。この場合、図５に示すように、送信用探触子１４の振動子１３と受信用探触子１６の振動子１５とが同じ曲率で湾曲していてもよいし、送信用探触子１４の振動子１３の曲率と受信用探触子１６の振動子１５の曲率とは異なっていてもよい。
このように、振動子１３，１５を所定の曲率で湾曲させることで、超音波の集束効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態において、送信用探触子１４は受信用探触子として機能することができ、また、受信用探触子１６は送信用探触子として機能することは可能である。この送受信の切替えについては、制御装置２０からどの振動子に対して駆動信号が出力されるのかによる。

１０超音波探傷装置
１１プローブ
１３，１５振動子
１４送信用探触子
１６受信用探触子
２０制御装置
２１信号生成部
２２反射信号受信部
２３解析部
３０表示装置

Claims

複数の振動子が一方向に配列された送信用探触子と、複数の振動子が一方向に配列された受信用探触子とを備える二探触子法による超音波探傷装置であって、
前記送信用探触子及び前記受信用探触子は、これらを構成する前記振動子の配列方向に並んで配置されているとともに、該配列方向に傾斜する配置面上に配置され、
前記送信用探触子は、前記配列方向に沿うように、検査対象の内部に向けて超音波を射出し、
前記配置面は、前記検査対象と接触する底面に対して傾斜する斜面とされている超音波探傷装置。
前記底面と、前記配置面とを有する支持部材を備え、
前記送信用探触子と前記受信用探触子とは、共通の前記支持部材に固定配置されている請求項１に記載の超音波探傷装置。
複数の振動子が一方向に配列された送信用探触子と、
複数の振動子が一方向に配列された受信用探触子と、
支持部材と
を備え、
前記支持部材は、
検査対象と接触する底面と、
前記送信用探触子及び前記受信用探触子が配置されるとともに、前記底面に対して傾斜する斜面とされた配置面と
を備え、
前記送信用探触子及び前記受信用探触子は、これらを構成する前記振動子の配列方向に並んで配置されているとともに、前記配置面の傾斜方向に沿うように配置され、
前記送信用探触子は、前記配列方向に沿うように、前記検査対象の内部に向けて超音波を射出する超音波探傷装置。
前記送信用探触子及び前記受信用探触子が備える各振動子は、前記配列方向と直交する方向に所定の曲率で湾曲している請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波探傷装置。
前記送信用探触子の振動子の曲率と前記受信用探触子の振動子の曲率とが異なっている請求項４に記載の超音波探傷装置。
複数の振動子を一方向に配列させた送信用探触子と、複数の振動子を一方向に配列させた受信用探触子とを、これらを構成する前記振動子の配列方向に傾斜する配置面に、該配列方向に沿うように並べて配置し、且つ、前記送信用探触子からこれら振動子の配列方向に沿うように検査対象の内部に向けて超音波を射出させ、
前記配置面は、前記検査対象と接触する底面に対して傾斜する斜面とされている二探触子法による超音波探傷方法。