(57)【要約】【課題】  表面に凹凸や傾きが存在する試験体であってもその内部の検査を行うことの可能な超音波試験方法及び超音波試験装置を提供すること。【解決手段】  探触子１０から超音波を送受信することで、試験体１００の欠陥Ｓまたはきずを検出する。前記探触子が焦点型探触子であり、当該探触子の焦点Ｆを超音波送信下手側に超えた位置を検出対象とする。探触子は試験体内で超音波を放射状に拡大伝搬させるので、表面に凹凸や傾きが存在する試験体であってもその内部に存在する欠陥等Ｓへ超音波を照射し、その欠陥検査を行うことが可能である。探触子が送信及び受信を兼務させれば欠陥位置特定が容易である。受信超音波による画像を少なくとも２次元表示することで同様に欠陥位置特定が容易となる。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探触子から超音波を送受信することで、試験体の欠陥またはきずを検出する超音波試験方法であって、前記探触子が焦点型探触子であり、当該探触子の焦点を超音波送信下手側に超えた位置を検出対象とすることを特徴とする超音波試験方法。
【請求項２】
探触子から超音波を送受信することで、試験体の欠陥またはきずを検出する超音波試験方法であって、前記探触子が試験体内で超音波を放射状に拡大伝搬させ、当該拡大伝搬範囲を検出対象とするものであることを特徴とする超音波試験方法。
【請求項３】
前記探触子が送信及び受信を兼務することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波試験方法。
【請求項４】
受信超音波による画像を少なくとも２次元表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波試験方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の超音波試験方法に用いる超音波試験装置であって、焦点型探触子又は試験体内で超音波を放射状に拡大伝搬させる探触子を備えることを特徴とする超音波試験装置。
【請求項６】
前記探触子が試験体表面に対して傾動可能であることを特徴とする請求項５に記載の超音波試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は探触子から超音波を送受信することで、試験体の欠陥またはきずを検出する超音波試験方法及び超音波試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、余盛を有する溶接部のように試験体表面に凹凸や傾きがある場合には、超音波探傷法を用いて欠陥を検出することは困難であった。なぜならば、図２２に示すように、試験体表面に傾きがある場合、十分な強さの超音波を欠陥Ｓに照射することが困難だからである。詳しくは、試験体表面の傾きが大きい場合は、局部的に試験体表面の入射角が臨界角より大きくなり、超音波が試験体表面で全反射し、欠陥Ｓに超音波を照射（送信の趣旨。以下同）することができない。また、試験体表面が溶接部のように荒れている場合には、表面粗さによる超音波の乱反射が起きて超音波が減衰し、十分な強さの超音波を欠陥Ｓに照射することが困難となる。
【０００３】
また、試験体内部の欠陥自体に、試験体表面に対する傾きがある場合には、試験体表面から入射させた超音波が十分に反射できず欠陥を検出することが困難となる。また、超音波には指向性があり、超音波の中心軸ビームが最も超音波音圧が強く、該中心軸ビームより離れた位置のビームは欠陥からの反射ビームが弱い。よって、従来の方法によれば、中心軸ビーム延長上の限られた条件部分でのみ欠陥を検出できるに過ぎなかった。
【０００４】
また、超音波の拡がりについては、フラット型振動子２０の探触子を用いると図２３に示す拡がりを示すが、近距離音場Ｘｏ内では、ほぼ平行な超音波ビームとなる。つまり、図２３に示すような一様に弱い入射状況(平行ビーム)となり、十分な強さの超音波が欠陥に照射されない場合がある。
【０００５】
更に、試験体が厚い場合には母材部より、斜角探傷法にて欠陥を検出することができるが、薄板においてこの斜角探傷法を用いると、余盛等により探触子を近接させることができないことや、幾何学的に欠陥に対して超音波が入射できない現象もある。よって、この斜角探傷法を用いることは困難である。
【０００６】
また、凹凸を補正し、超音波を伝播させる面を平坦にする方法も存在する（特許文献１参照）。この補正方法で液体、固体等を用いて行っても超音波の伝播には試験体表面に空気層のない液体等の接触媒体が必要である。この方法によっても凹凸界面で同様に超音波が屈折し適切な検査が行えないという問題が生じていた。
【特許文献１】特開２００２−１３１２９７号
【０００７】
一方、焦点型の探触子を用いて探傷する方法は従来から知られている。一般に焦点型の探触子を用いるのは、超音波を検出した欠陥の端部に収束させ、その欠陥の寸法等を測定するのに利用している。つまり、欠陥の存在が分かっている場合には、超音波の焦点を調節し測定することが可能であるが、欠陥の存在が判断できていない場合には超音波の焦点をあわせることができないので、測定そのものが困難となる。つまり、焦点型の探触子を用いて、焦点を合わせて欠陥を検出することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、表面に凹凸や傾きが存在する試験体であってもその内部の検査を行うことの可能な超音波試験方法及び超音波試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波試験方法の特徴は、探触子から超音波を送受信することで、試験体の欠陥またはきずを検出する方法であって、前記探触子が焦点型探触子であり、当該探触子の焦点を超音波送信下手側に超えた位置を検出対象とすることにある。
【００１０】
本発明に係る方法の他の特徴は、探触子から超音波を送受信することで、試験体の欠陥またはきずを検出する方法であって、前記探触子が試験体内で超音波を放射状に拡大伝搬させ、当該拡大伝搬範囲を検出対象とすることにある。
いずれも放射状に超音波が拡散するので、表面の形状や角度に拘わらず超音波を試験体内の欠陥（きず）に到達させる確率が高くなり、欠陥検出の確率が向上する。
【００１１】
前記探触子が送信及び受信を兼務してもよく、欠陥の位置を特定するためには、受信超音波による画像を少なくとも２次元（３次元も可）表示することが望ましい。
一方、上記いずれかに記載の超音波試験方法に用いる超音波試験装置の特徴は、焦点型探触子又は試験体内で超音波を放射状に拡大伝搬させる探触子を備えることにある。また、入射角度によって超音波が試験体内部に伝搬しにくい場合は、前記探触子が試験体表面に対して傾動可能とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明に係る超音波試験方法及び装置の特徴によれば、より確実に欠陥を検出することが可能となった。本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。本実施形態を示す図１は、本発明の構成を示すブロック図である。本実施形態は試験体１００を水に沈める水浸法を用いている。この超音波試験装置１は、大略、焦点型探触子１０、パルサー／レシーバー２、スキャナ３、Ａ／Ｄコンバーター４、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略す）５、ＣＲＴ装置６及び水槽７により構成されている。パルサー／レシーバー２はＰＣ５に制御され、焦点型探触子１０から縦波の超音波を試験体１００に対し発信し受信する。焦点型探触子１０により受信された超音波はパルサー／レシーバー２及びＡ／Ｄコンバーター４を介してＰＣ５により後述のごとく処理され、ＣＲＴ装置６にその受信波形が表示される。
【００１４】
以下に、本実施形態における、放射状の超音波を試験体１００に入射させることにより、欠陥Ｓの検出、及び識別性が改善されることの説明を行う。図２〜図４は、焦点型探触子１０の焦点位置Ｆを変化させた場合における超音波の伝播経路を示す図である。試験体１００の表面で種々の入射角（θ１、θ１´、θ１´´）で超音波が入射されると、屈折角（θ２、θ２´、θ２´´）で屈折した超音波が試験体１００中を伝播する。図２〜図４に示すように、超音波の焦点が試験体１００の表面に近いほど、場合によっては試験体１００表面より上面（水中）に焦点Ｆを絞るほど、試験体１００中に拡がりを持った超音波が伝播されることになる。本発明では、当該探触子の焦点Ｆを超音波送信下手側に超えた位置、すなわち、矢印Ｂ，Ｂで囲まれた焦点Ｆより下の部分で試験体１００の内部を検出対象とする。換言すれば、探触子１０が試験体１００で超音波を矢印Ｂに示すように放射状に拡大伝搬させ、当該拡大伝搬範囲を検出対象とする。
【００１５】
図５は、実際に焦点型探触子１０の焦点位置Ｆを対象物１００の上部においた場合の欠陥Ｓに対する入射角δ１を示す図である。図５に示す欠陥Ｓに対する入射角δ１を、水中から試験体１００への入射角θ１が種々異なる場合について求めると、表１に示すように幅広い種々の入射角δ１が欠陥Ｓに入射する。尚、焦点型探触子１０の左右の走査は、超音波が欠陥Ｓにあたる手前から欠陥Ｓの直上を通過し、欠陥Ｓに超音波が当らなくまで走査した。
【００１６】
【表１】
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表１に示すように水中からの入射角θ１が約１０度で欠陥Ｓに対して９０度（−４５度〜＋４５度）の幅広い種々の方向からの超音波が欠陥Ｓに入射されることになる。図６（ａ）は入射角δ１が小さい範囲である場合の欠陥信号のＣＲＴ装置６の表示を示した模式図である。ＣＲＴ装置６には、試験体表面１００ａ、欠陥信号Ｇ１、裏面信号１００ｂが現れる。入射角δ１が小さい範囲である場合では、欠陥信号Ｇ１が僅かに現れるだけである。図６（ｂ）は入射角δ１が大きい範囲である場合の欠陥信号のＣＲＴ装置６の表示を示した模式図である。ＣＲＴ装置６には、試験体表面１００ａ、欠陥信号Ｇ２、裏面信号１００ｂが現れる。このように、入射角δ１が大きい範囲であると、種々の角度からの超音波が欠陥Ｓに対して入射され、反射面からの信号は、欠陥Ｓの信号が幾分曲率を有した大きな信号として検出される。
【００１７】
このように、焦点Ｆを絞った超音波ではなく、放射状の超音波を試験体１００に入射させることにより、より多くの反射波を受信することができ、図６（ｂ）に示すような欠陥Ｓの情報をはっきりと示した結果を得ることができる。よって、欠陥Ｓが小さい場合等においては識別が容易となる。更には、後述する補正を行うことにより、より明確な欠陥Ｓの存在の検出や、欠陥寸法（欠陥の高さ及び長さ）の測定も可能となる。なお、焦点Ｆは試験体表面である必要がなく、焦点Ｆを超音波送信下手側（試験体近接側）に超えた位置を検出対象とすべく試験体１００中で超音波が放射状に伝搬するようにすればよい。焦点Ｆの位置は試験体１００の表面直上もしくは内部でもよく、S/N等を考慮し最適配置を選択するのが望ましい。
【００１８】
次に、本実施形態を、実際に表面に勾配を有する試験体１００に適用した場合を説明する。図７は、２枚の金属板（１０１・１０２）を接合するために溶接した場合を示す図である。図７に示すように、試験体１００は溶接により接合部分に余盛１０３が生じ、更に、溶接が不完全で、内部に隙間状の欠陥Ｓが生じている。この試験体１００を超音波試験装置１により測定し、ＣＲＴ装置６に現れた結果を図８、図９、図１２に示す。
【００１９】
図８は、横軸に焦点型探触子１０の走査距離、縦軸に反射波の時間を取った検出結果である。これは、水槽７の水を超音波が進む音速（Ｃ１）と、試験体１００内部を超音波が進む音速（Ｃ２）が異なるため、実際の試験体１００の断面と比較すると、余盛１０３がより強調されて表示されてしまう。
【００２０】
図９は図８の情報をＰＣ５によって補正した結果である。ここで行った補正は、各データ採取位置で信号立ち上がり時間（t）を求めて、各立ち上がり時間を、次式を用いて変換する。
ｔ´＝ｔ×（Ｃ１÷Ｃ２）
図９は横軸に焦点型探触子１０の走査距離、縦軸に補正後の反射波の時間を取った検出結果である。この補正を行うことにより、余盛１０３の強調された部分が少なくなる。
【００２１】
図１２は、図９における縦軸の時間表示を、Ｃ２を用いて距離に変換したものであり、横軸は焦点型探触子１０の走査距離である。図１２において破線で表現されるのは、実際の試験体１００の状態を示す線である。縦軸で距離を示すように変換すれば、実際の試験体１００の断面図を示すことが可能になる。得られた結果と破線で示す実際の状態とを比較すると、欠陥Ｓの存在をはっきりと確認することができ、更には、その大きさ（寸法等）を検出・測定することが可能となる。
【００２２】
次に、探触子にフラット型を用いた場合と、焦点型を用いた場合とを比較した説明を行う。図１０は焦点型の探触子を用いて、放射状に広がる超音波を照射した場合を示す図である。図１１はフラット型の探触子を用いて並行な超音波を照射した場合を示す図である。図１０に示すように、焦点型の探触子を用いた場合では、試験体１００に余盛１０３の勾配がある場合でも、放射状に超音波が照射されるので、欠陥Ｓに超音波が確実に照射される。図１１に示すように、試験体１００に余盛１０３の勾配がある場合、並行な超音波は欠陥Ｓに照射されない可能性もある。
【００２３】
次に図７で示される試験体１００を超音波試験装置１にフラット型探触子２０を用いて測定した結果を図１３、図１４で示す。図１３は、フラット型探触子２０と試験体１００とを近距離音場状態で測定し、ＣＲＴ装置６に現れた結果である。また、図１４は超音波試験装置１にフラット型探触子２０を用いて、遠距離音場状態で測定し、ＣＲＴ装置６に現れた結果である。この図１３、図１４に示すように、フラット型探触子２０を用いた場合では、近距離音場、遠距離音場共に、欠陥Ｓを検出することができない。つまり、上述のように、フラット型探触子２０を用いた場合では、並行な超音波が欠陥Ｓを検出できないことになる。また、焦点型探触子１０を用いた場合は、既述の図１２のように、欠陥Ｓを確実に検出することが可能となる。
【００２４】
図１５は、従来の手法による、重ね溶接（金属板１０４に金属板１０５を重ねて溶接する）の隅肉部１０６の溶け込み不良を検出する場合を示す図である。図１５（ａ）は隅肉部１０６を厚めに溶接した場合を示す断面図、図１５（ｂ）は隅肉部１０６を薄めに溶接した場合を示す断面図である。ここでいう従来の手法とは、フラット型探触子２０を用いて測定することを示す。図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、フラット型探触子２０を用いた場合には、隅肉部１０６の溶接の盛り上りや傾斜によって、超音波が欠陥Ｓに照射されない可能性がある。
【００２５】
図１６は、本実施形態例の手法（焦点型探触子１０を用いる手法）による、重ね溶接（金属板１０４に金属板１０５を重ねて溶接する）の隅肉部１０６の溶け込み不良を検出する場合を示す図である。図１６に示すように、焦点型探触子１０を用いて、試験体１００に放射状に超音波を照射した場合には、欠陥Ｓに超音波を照射させることができ、欠陥Ｓを検出することが可能となる。また、本発明によれば、薄肉の溶接部近傍の欠陥も検出することが可能となる。
【００２６】
以上、本実施形態に示すように、試験体１００中に超音波を放射状に照射することにより、試験体１００表面の勾配等が存在したとしても欠陥Ｓを検出することが可能となる。また、換言すれば、この試験体１００中に放射状に広がる超音波を入射させ、伝播することは、見掛け上、試験体１００表面で小さな振動子を置き、試験体１００中に指向角の小さい球面波を発生させ、内在するあらゆる位置の欠陥に種々の方向から超音波を照射することと同じであるといえる。このように、放射状の超音波を試験体１００に入射させることにより、欠陥の検出性、識別性の改善に加え、欠陥寸法（高さ、長さ）の測定も、試験体１００の表面の凹凸、又は傾斜にかかわらず明瞭に行うことが可能となる。
【００２７】
超音波試験装置１も、上述の水浸法に限定されない。図１７に示す、ジェットノズルを用いた水浸法でも可能である。このジェットノズルを用いた水浸法とは、図１７に示すように、焦点型探触子１０をノズル８に内包させ、そのノズル８から水Ｗを放射させることにより、試験体１００と焦点型探触子１０との間に水Ｗを介在させる手法である。水槽７以外のその他の構成は、超音波試験装置１に準ずる。このジェットノズル８を用いた水浸法を用いることにより、既述の水浸法と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、図１８に示す、接触測定法でも可能である。この接触測定法とは、図１８に示すように、一端が開放されたケース９と、そのケース９に内包され、内部に水Ｗが充填されたゴム膜等の弾性体袋９１と、その弾性体袋９１の内部に設けられた焦点型探触子１０とにより構成され、水槽７以外のその他の構成は、超音波試験装置１に準ずる。この接触測定法によれば、試験体１００に接触媒質を介してケース９の開放された部位の弾性体袋９１を接触させることにより、試験体１００と焦点型探触子１０との間に空気を介在させないことが可能となる。これにより、既述の水浸法と同様の効果を得ることが可能となる。
【００２９】
次に、図１９、２０を参照しながら、入射角と超音波入射の可否の関係について説明する。図１９（ａ）のような緩やかな傾きの場合、超音波が屈折しても探触子１０から真下に進行する超音波があり、探触子１０から真下の欠陥（きず）Ｓを検出することは可能である。しかし、図１９（ｂ）のような急な傾きの場合、超音波はほとんどが全反射し、一部が試験体１００内部を進行するものの、屈折することにより、探触子１０から真下のきずＳが検出されず捉えられない。これについては、斜角法と考えると、きずを検出することは可能であるが、屈折角が不明であるため正確な位置が分からないので、きず高さもしくは深さの測定は不可能である。実際においては、Ａスコープ（波形表示）やＢスコープ（断面表示）を経験のある超音波技術者が観察しても、きずの識別は困難である。
【００３０】
図２０に示すように、凹凸表面の傾斜が急な場合（図1９（ｂ））の対策として、探触子１０を傾けて、データ採取を行うことにより、試験体１００中に超音波を進行させることができる。探触子１０から直線上のきずＳの検出が可能となり、データの遅延計算と回転させることにより、画像を再構築させ、正確な位置を求めることで、きず高さもしくは深さの測定が可能となる。
【００３１】
図２１に示す実施例非焦点型探触子３０を用いた例を示す。平板状の振動子を有する探触子本体３１に球状の遅延材３２を貼付ることにより、仮想焦点Ｆを中心として効率よく超音波を試験体Ｓ内で放射状に拡大伝搬させることが可能となる。また、遅延材３２は接触媒質や用いる材料により超音波の伝搬特性が変化するため、図２１の形状に限らずとも、例えば振動子３１を小さく形成すること等により放射状の超音波を発生させるように最適設計するのが望ましい。この場合、仮想の焦点Ｆより放射側に試験体１００が位置すればよい。
【００３２】
本発明は、上述の形式に囚われない。例えば、超音波は縦波に限定されず、他のモードの超音波についても同様に適用される。
上記各実施形態において一の探触子に送信及び受信を兼務させたが、送信用探触子と受信用探触子を異なるものとしてもよい。この場合、送信用探触子は焦点（仮想焦点）のあるものを用いるが、受信用探触子はフラット型のものであってもよい。但し、探触子が送信及び受信を兼務する方が、探触子の移動との関係で欠陥Ｓの位置を容易に特定しやすい利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、表面の角度が変化する試験体、表面に凹凸や傾斜を有する試験体、溶接部、薄板の接合部分等の内部におけるきず・欠陥を検出することが可能な超音波試験方法及び試験装置（探傷方法、探傷装置）として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態のブロック図である。
【図２】本実施形態を説明する概要図（焦点が試験体内部下部）である。
【図３】本実施形態を説明する概要図（焦点が試験体内部上部）である。
【図４】本実施形態を説明する概要図（焦点が試験体上面）である。
【図５】本実施形態を説明する概要図（欠陥を測定する状態）である
【図６】欠陥を検出した状態を示す模式図である。
【図７】本実施形態の試験体を示す断面図である。
【図８】得られた結果の時間軸を補正する前の状態を示す表示画面図である。
【図９】得られた結果の時間軸を補正した後の状態を示す表示画面図である。
【図１０】焦点型の探触子を用いた状態を示す概略図である。
【図１１】フラット型の探触子を用いた状態を示す概略図である。
【図１２】時間軸を距離に置き換えて表示す表示画面図である。
【図１３】フラット型の探触子を用いて近距離音場で測定した表示画面図である。
【図１４】フラット型の探触子を用いて遠距離音場で測定した表示画面図である。
【図１５】フラット型の探触子を用いた重ね溶接部の欠陥の測定方法を示す概略図である。
【図１６】本実施形態を用いた重ね溶接部の欠陥の測定方法を示す概略図である。
【図１７】ジェットノズルを用いた水浸法を示す概略図である。
【図１８】弾性体袋を用いた測定方法を示す概略図である。
【図１９】焦点型探触子と入射角との関係を示し、（ａ）は入射可能な場合、（ｂ）は入射不可能な場合を示す図である。
【図２０】焦点型探触子の角度を変更して超音波を入射可能とした状態を示す図である。
【図２１】仮想焦点を有する非焦点型探触子を用いた例を示す図である。
【図２２】従来の超音波垂直探傷法を示す概略図である。
【図２３】フラット型の探触子の音場を表す概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    超音波試験装置
２    パルサー／レシーバー
３    スキャナ
４    Ａ／Ｄコンバーター
５    パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
６    ＣＲＴ装置
７    水槽
８    ノズル
９    ケース
１０  焦点型探触子
２０  フラット型探触子
３０  焦点型探触子
３１  探触子本体
９１  弾性体袋
１００  試験体
１０１  金属板（突合せ溶接）
１０２  金属板（突合せ溶接）
１０３  余盛部
１０４  金属板（重ね合わせ溶接）
１０５  金属板（重ね合わせ溶接）
１０６  隅肉部
Ｓ      欠陥（きず）
Ｆ      焦点
Ｂ      超音波照射範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2006214996.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
2006214996.tif 000024
【図２２】
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【図２３】
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