(57)【要約】  【課題】  アレイセンサの遅延時間制御が検査対象の状態に左右されずに得られるようにした超音波検査方法と装置を提供すること。  【解決手段】  溶接部を有する検査対象部位に対して、複数の振動素子から構成される超音波アレイセンサを用い、検査対象範囲に超音波を送信し、検査対象範囲からの超音波を受信することにより、検査対象の健全性を評価する方法において、シミュレータ１１を設け、検査対象範囲を通過した超音波の受信波強度分布から溶接部柱状晶分布を計算し、この柱状晶分布に基づくシミュレーションにより伝播経路を求め、超音波アレイセンサに供給すべき送信信号の遅延時間を決定するようにした超音波検査方法。  【選択図】  図１
2006138672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部を有する検査対象の検査対象範囲に、複数の振動素子を備えた超音波アレイセンサを用いて超音波を送信し、当該検査対象範囲から超音波を受信して前記検査対象の健全性を評価する超音波検査方法において、
前記検査対象範囲を通過した超音波の受信波強度分布に基いて前記検査対象範囲の柱状晶分布を計算し、この計算した柱状晶分布に基づくシミュレーションにより超音波の伝播経路を求め、前記超音波アレイセンサの各振動素子に供給すべき電気信号の遅延時間を、前記伝播経路に基いて決定することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項２】
表面に凹凸又は曲面を有する検査対象の検査対象範囲に、複数の振動素子を備えた超音波アレイセンサを用いて超音波を送信し、当該検査対象範囲から超音波を受信して前記検査対象の健全性を評価する超音波検査方法において、
前記検査対象部位の表面で反射された超音波に基いて当該表面の形状を測定し、この測定した表面の形状を境界面としたシミュレーションにより超音波の伝播経路を求め、前記アレイセンサの各振動素子に供給すべき電気信号の遅延時間を、前記伝播経路に基いて決定することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項３】
少なくとも２層の多層構造を有する検査対象の検査対象範囲に、複数の振動素子を備えた超音波アレイセンサを用いて超音波を送信し、当該検査対象範囲から超音波を受信して前記検査対象の健全性を評価する超音波検査方法において、
前記検査対象の各層の厚さと音速特性及び材料密度に関する媒質情報を蓄えた層構造データベースを有し、この層構造データベースに基づくシミュレーションにより超音波の伝播経路を求め、前記超音波アレイセンサの各振動素子に供給すべき電気信号の遅延時間を前記伝播経路に基いて決定することを特徴とする超音波検査方法。
【請求項４】
複数の振動素子からなる超音波アレイセンサと、検査対象の検査対象部位近傍で前記アレイセンサを移動する移動制御装置と、前記アレイセンサの移動距離を測定する移動距離制御装置と、前記アレイセンサの振動素子に供給すべき電気信号の供給時間を制御する遅延時間制御装置と、前記アレイセンサで受信した信号を処理する受信信号処理装置と、検査結果を表示する検査結果表示装置と、コンピュータとを備え、
前記請求項１と前記請求項２及び前記請求項３の何れかにおけるシミュレーション機能を前記コンピュータに組み込み、
前記請求項１と前記請求項２及び前記請求項３の何れかの超音波検査方法が実施できるように構成したことを特徴とした超音波検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料中に存在が想定されるきずやき裂などの欠陥を、超音波を用いて非破壊検査する方法と装置に係り、特に、材料中に溶接部などの不連続部分が存在する場合の超音波検査方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波を利用した非破壊検査に使用されるセンサには、超音波の送受信方向が固定されている単一振動子型センサと、送受信方向が変えられるアレイセンサとがあり、アレイセンサの場合は、複数の振動素子を備え、振動素子の各々に供給される送信用電気信号のタイミングを制御することにより、各振動素子から発生する超音波の位相の重ね合わせ位置が制御され、送信方向の変更が得られることになる。
【０００３】
このようなアレイセンサはフェーズドアレイ方式のセンサと呼ばれるが、このアレイセンサによれば、各振動素子に印加される電気信号のタイミング制御の仕方によって、図２に示すように、集束音場を形成することもできる。
【０００４】
この図２の場合、アレイセンサ２４を構成している複数の振動素子２５は、それぞれ遅延時間制御装置２３に電気的に接続されていて、該遅延時間制御装置２３から印加される電圧の印加時間、つまり図示の波形２６で表わされている遅延時間を２次関数的に変えて制御する。
【０００５】
そうすると各振動素子２５からは球面波２７が個々に送信されるが、このとき印加される電圧のタイミングが素子毎に異なっていることから、各球面波２７の位相が異なり、この結果、波動位相の干渉効果により、各球面波２７から干渉波２８が生成される。
【０００６】
そこで、この干渉波２８を集束目標点２９に焦点合わせしてやれば、集束音場を形成することができ、この集束音場を利用すれば、欠陥からのエコー(反射波)のレベルを大きくすることができ、従って、集束目標点２９の近傍にあるきず(疵)、き裂(亀裂)などの欠陥からの反射信号を高感度でＳＮ比良く検出できることになる。
【０００７】
次に、このような集束音場の形成に必要な遅延時間２６の設定について説明すると、まず、従来技術では、検査対象部位が単一材料及び均質物性材料であったため、超音波の伝播経路は直線的幾何学経路と考えていた。
【０００８】
そして、これを前提として集束点と各振動素子間の超音波伝播時間を、(直線的幾何学経路)／(材料の代表音速)として算出し、各振動素子までの伝播時間の差を用いて、アレイセンサの遅延時間を決定していた。
【０００９】
しかし、検査対象がオーステナイト系溶接部を持った材料や、凹凸又はグラインダなどによる仕上げを施した曲面を表面に持った材料、或いは多層構造の材料の場合は、材料の媒質境界での音波の反射及び屈折による経路変化があり、媒質毎に音速が異なっていたりする。
【００１０】
このため、前記従来の遅延時間算出法では、送信角度の制御及び集束音場形成が難しく、き裂からの反射信号のＳＮ比が低下して、欠陥からの超音波信号を検出できない場合がある。
【００１１】
そこで、このため、１軸方向に移動可能にして曲面をなす探傷面にも接触できるようにたセンサを用い、基準位置からの移動量を検出する機能を有したフェーズドアレイ式の超音波探傷装置において、探傷面形状、屈折、反射、モード変換等の伝播特性、及び音源位置を入力してコンピュータ上でシュミレーションを行い、音源からの音波のセンサの各振動子への到達時間を計算して各振動子に対する所要遅延時間を求め、該遅延時間で探傷プローブの各振動素子を駆動する方法について従来から提案がなされている(例えば、特許文献１参照。)。
【００１２】
上記従来技術は、探傷部位が単一材料、均質物性材料により構成され、探傷部位表面形状が既知な場合に適用可能であると記されている。
【００１３】
一方で、オーステナイト系溶接部のような異方性材料中では、溶接部柱状晶組織の方向に従い、超音波伝播方向が曲がることが知られている(例えば、非特許文献１参照。)。
【特許文献１】特開２００１−３０５１１５号公報
【非特許文献１】J.A.Ogilvy,“The Influence of austenitic Weld      Geometry and Manufacture on Ultrasonic Inspection of Welded”                        British Journal of ＮＤＴ, May,1987
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記従来技術は、検査対象がオーステナイト系溶接部を持った材料や、グラインダなどによる仕上げを施した曲面や凹凸を表面に持った材料、或いは多層構造の材料の場合について配慮がされておらず、これらの場合はシミュレーションによる遅延時間制御が実施できないという問題があった。
【００１５】
例えば検査対象がオーステナイト系溶接部を持った材料の場合、従来技術では、材料の媒質境界での音波の反射及び屈折による経路変化に関する情報を含んでいないシミュレーションとなり、集束音場を形成する遅延時間制御を実施することができない。
【００１６】
また、検査対象表面が曲面或いは凹凸をもつ場合、超音波が表面で散乱するため、検査対象内の想定した位置に超音波を送信することは難しく、従来技術では、超音波アレイセンサの形状を変形させることで課題を解決するものであるが、センサの変形量は有限であるため、センサ変形量以上の表面歪みには対応できない。
【００１７】
一方、複数の材料から構成される検査対象に対しては、材料毎に音速などの物性が変わるため、各材料間の境界面において反射及び屈折が起こり、超音波の伝播経路は歪曲する。このため、複数の材料から構成される検査対象に対しては、センサの移動量を求める必要はないが、材料の層構成情報及び各材料の音速情報が必要になり、材料層数が多い場合はシミュレーションの活用なくしてはアレイセンサの遅延時間計算は難しいが、従来技術ではシミュレーションができなかった。
【００１８】
従って、従来技術では、検査対象が溶接部を有する場合や表面に曲面又は凹凸をもつ場合、それに複数の材料から構成されている場合には、媒質境界での音波の反射及び屈折による経路変化や通過媒質毎の音速の変化などにより検査対象部位内での送信角度及び集束音場形成の制御が難しく、このため、き裂などの欠陥からの反射信号のＳＮ比が低下し、欠陥からの超音波信号の検出に問題が生じてしまう。
【００１９】
本発明の目的は、アレイセンサの遅延時間制御が検査対象の状態に左右されずに得られるようにした超音波検査方法と装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的は、溶接部を有する検査対象の検査対象範囲に、複数の振動素子を備えた超音波アレイセンサを用いて超音波を送信し、当該検査対象範囲から超音波を受信して前記検査対象の健全性を評価する超音波検査方法において、前記検査対象範囲を通過した超音波の受信波強度分布に基いて前記検査対象範囲の柱状晶分布を計算し、この計算した柱状晶分布に基づくシミュレーションにより超音波の伝播経路を求め、前記超音波アレイセンサの各振動素子に供給すべき電気信号の遅延時間を、前記伝播経路に基いて決定することにより達成される。
【００２１】
同じく、上記目的は、表面に凹凸又は曲面を有する検査対象の検査対象範囲に、複数の振動素子を備えた超音波アレイセンサを用いて超音波を送信し、当該検査対象範囲から超音波を受信して前記検査対象の健全性を評価する超音波検査方法において、前記検査対象部位の表面で反射された超音波に基いて当該表面の形状を測定し、この測定した表面の形状を境界面としたシミュレーションにより超音波の伝播経路を求め、前記アレイセンサの各振動素子に供給すべき電気信号の遅延時間を、前記伝播経路に基いて決定することにより達成される。
【００２２】
また、上記目的は、少なくとも２層の多層構造を有する検査対象の検査対象範囲に、複数の振動素子を備えた超音波アレイセンサを用いて超音波を送信し、当該検査対象範囲から超音波を受信して前記検査対象の健全性を評価する超音波検査方法において、前記検査対象の各層の厚さと音速特性及び材料密度に関する媒質情報を蓄えた層構造データベースを有し、この層構造データベースに基づくシミュレーションにより超音波の伝播経路を求め、前記超音波アレイセンサの各振動素子に供給すべき電気信号の遅延時間を前記伝播経路に基いて決定することにより達成される。
【００２３】
更に、上記目的は、複数の振動素子からなる超音波アレイセンサと、検査対象の検査対象部位近傍で前記アレイセンサを移動する移動制御装置と、前記アレイセンサの移動距離を測定する移動距離制御装置と、前記アレイセンサの振動素子に供給すべき電気信号の供給時間を制御する遅延時間制御装置と、前記アレイセンサで受信した信号を処理する受信信号処理装置と、検査結果を表示する検査結果表示装置と、コンピュータとを備え、請求項１と請求項２及び請求項３の何れかにおけるシミュレーション機能を前記コンピュータに組み込み、前記請求項１と前記請求項２及び前記請求項３の何れかの超音波検査方法が実施できるようにして達成される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、検査対象物内の所定の範囲に集束音場を形成することができるので、検査対象物が溶接部を有していたり、表面に曲面や凹凸を持っていたり、或いは、水も含めて複数の材料から構成されていたりしても、き裂などの欠陥からの反射信号に対して充分なＳＮ比を確保することができる。
【００２５】
従って、本発明によれば、微小な欠陥や軽微な欠陥からの超音波信号も確実に検出することができるので、検査対象部位の健全性評価に対する信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明による超音波検査方法と装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明による超音波検査方法の第１の実施形態で、この実施形態では、まず、超音波検査部位決定処理１２を実施し、決定された結果はシミュレータ１１の検査対象範囲情報１６として所定のメモリに設定される。
【００２８】
このときの検査部位としては、目視検査や渦電流検査、放射線検査などにより、き裂などの欠陥が存在する可能性が示された部位、或いは法令に基づき検査が要求されている部位が考えられる。
【００２９】
この実施形態では、この段階で、検査対象範囲に対して超音波を入射させ、検査対象範囲を通過した超音波の受信波強度分布を測定する。ここでの受信波強度分布とは、受信センサ位置における受信波信号強度の空間分布のことであり、その測定方法の一例について、図３を用いて説明する。
【００３０】
まず、図３において、このときは送信用と受信用に専用のアレイセンサを用い、図の右側にあるアレイセンサ２４を送信側Ｔ、左側を受信側Ｒとする。そしてアレイセンサ２４(Ｔ)から、検査対象である鋼材３２の中に超音波を送信する。
【００３１】
このとき各アレイセンサ２４のセンサ面と検査対象である鋼材３２の表面の間には、センサと超音波検査物体の間に介在させて超音波音波の伝達を改善させるための媒体として、例えば水を介在させた上で、遅延時間制御装置２３は、送信される超音波が一定の強度の平面波になるような遅延時間２６をもった励振電圧を発生し、送信側アレイセンサ２４(Ｔ)に印加する。
【００３２】
このときの鋼材３２の中の超音波経路３４は、溶接部３１の中では直線にはならず、図示のように歪曲してしまう。そこで、この溶接部３１を通過した超音波を受信すると、その強度分布は、図３の左上に示すような受信波強度分布を持ってしまう。
【００３３】
また、超音波は、溶接部３１を通過する際、経路が歪曲して拡散し、送信側アレイセンサ２４(Ｔ)の面積より広くなってまうため、図示のように、受信側センサ２４(Ｒ)を試験体(鋼材３２)の面上で順次移動させて測定する。
【００３４】
次に、この測定された強度分布に基いて溶接部３１の柱状晶分布計算処理１４を実行する。ここで、この柱状晶分布を計算する手法としては、下記の何れかの方法を用いる。
【００３５】
(1)
溶接部の柱状晶組織分布を調整しながら、受信波強度分布をシミュレータ１１で計算し、シミュレータによる計算結果と測定された受信波強度分布が一致する溶接組織を求める方法。
【００３６】
(2)
経験的に予測した柱状晶分布に対してシミュレータ１１により超音波の受信波強度分布を計算し、この受信波強度分布を溶接部データベース１５に記憶させておき、溶接部データベース１５に記憶されている受信波強度分布の計算結果と測定結果を比較することにより溶接組織を求める方法。
【００３７】
そこで、柱状晶分布計算処理１４では、これらの方法の何れかにより、例えば図４に示すような柱状晶分布を得ることができる。ここで、この図４の破線が柱状晶分布計算処理１４で得られる柱状晶軸の流れ、すなわち柱状晶方向３５を表わしている。
【００３８】
次に、シミュレータ１１の機能について説明する。上記したように、溶接部３１では、超音波は歪曲しながら伝播するので複雑な超音波経路となり、従ってシミュレータ１１で計算しなければ予測できない。
【００３９】
初めに、超音波経路がこのように複雑になる理由について説明すると、まず溶接部３１を伝播する超音波の縦波音速は、次の(数１)式で与えられる。
【数１】
2006138672.tif 000003
【００４０】
ここで、C11, C13, C33, C44は溶接部材料の各結晶軸方向での弾性定数で、ρは材料密度、θは柱状晶軸に対する超音波の入射方向であり、この(数１)式から、音速は超音波の入射方向θに応じて変化することが判る。
【００４１】
このような材料の中では、超音波は音速の早い方向に伝播する特性があり、このため、超音波の入射方向θに対する超音波の伝播方向特性β１は、例えば図５に示すような特性になる。
【００４２】
ここで、この図５は、シミュレータ１１による計算結果の一例で、例えば柱状晶軸に対する縦波超音波の入射方向が３０度であった場合、特性β１から、柱状晶軸に対して４４度の方向に伝播することを示している。
【００４３】
なお、この図５では、参考のため、鋼材の非溶接部での超音波の入射方向θに対する超音波の伝播方向特性をβ２で示してあり、非溶接部では均質なため超音波は歪曲せず、超音波の入射方向と伝播方向は当然一致する。
【００４４】
従って、溶接部３１における超音波の伝播経路を求めるには、(数１)式及び図５の内容を考慮したシミュレータの活用が必要であるが、これが、この実施形態に係るシミュレータ１１により与えられるようになっている。
【００４５】
図１の説明に戻り、以上のようにして柱状晶分布を計算したら、次にシミュレータ１１により検査対象範囲に集束音場を形成するアレイセンサの遅延時間計算処理２０を実行する。すなわち、シミュレータ１１では、音源を検査対象部位内に設定し、この音源から超音波を送信した場合に、溶接部及び材料界面での屈折を考慮して超音波伝播経路を求め、それに従って超音波アレイセンサの各振動素子への到達時間を算出するのである。
【００４６】
このため、シミュレータ１１は、超音波検査部位決定処理１２により設定された検査対象範囲情報１６を格納しているメモリと、密度、音速、弾性定数などの材料物性情報を格納した物性データベース１７、柱状晶分布計算処理１４から与えられた柱状晶データ１８を格納したメモリ、それに、これらの情報に基づき超音波の伝播経路を計算する伝播経路計算部１９とを備えている。
【００４７】
そして、これら算出された到達時間の差に基づいて遅延時間計算処理２０が実行され、次いで、遅延時間設定処理２１を実行し、遅延時間計算処理２０の計算結果からアレイセンサの遅延時間の設定に必要な計算を行い、遅延時間制御装置２３(図３)の遅延時間を設定した後、超音波検査実施及び評価処理２２を実施する。
【００４８】
次に、このときの遅延時間計算処理２０から超音波検査実施及び評価処理２２までの処理について、図６により説明する。このとき、一例として、溶接部３１を有する鋼材３２が検査対象部位であるとし、ここで、超音波を鋼材３２から柱状晶方向３５を有する溶接部３１に向かって送信し、その中に集束音場を形成させるようにした場合について説明する。
【００４９】
そこで、この図６では、集束目標点２９を検査対象範囲３３内に設定し、アレイセンサ２４から超音波を送信し、集束目標点２９の近傍からアレイセンサ２４の各振動素子２５に戻ってくる超音波経路３４を表示してあり、この伝播経路３４に従い、集束目標点２９からアレイセンサ２４を構成する振動素子２５への到達時間３６がシミュレータ１１の機能として求められる。
【００５０】
そして、この到達時間３６が最大になる時間を基準とし、(各振動素子の遅延時間)＝(到達時間が最大になる振動素子への到達時間)−(各振動素子への到達時間)となるように、各振動素子の遅延時間２６を決定する。
【００５１】
そして、この遅延時間２６に従ってアレイセンサ２４の各振動素子２５に励振電圧を与えることにより、集束目標点２９に集束音場を形成することができ、これを検査対象範囲にわたって逐次実行し、アレイセンサ２４の各振動素子２５で受信される反射波を分析するようにしてやれば、き裂などの欠陥からの反射信号に対して充分なＳＮ比が確保され、欠陥による超音波信号を明瞭に検出することができる。
【００５２】
従って、この実施形態によれば、検査対象に溶接部などがあっても、微小な欠陥や軽微な欠陥からの超音波信号を確実に検出することができ、検査対象部位の健全性評価に信頼性の向上をもたらすことができる。
【００５３】
ところで、超音波検査の対象とする部材には、表面に凹凸がある場合、或いは表面が曲面の場合もあり、この場合は表面で超音波が散乱してしまうので、検査対象内での正確な超音波伝播経路の予測が難しい場合がある。
【００５４】
そこで、次に、超音波検査対象物の表面に凹凸がある場合、或いは表面が曲面の場合に好適な超音波検査方法について、本発明の第２の実施形態として説明する。
【００５５】
図７は、本発明の第２の実施形態で、図示のように、この場合も、図１の第１の実施形態と同じく、まず、超音波検査部位決定１２を実施する。上記したように、超音波検査対象物の表面に凹凸がある場合、或いは表面が曲面の場合には、表面で超音波が散乱してしまうので、正確な超音波伝播経路の予測が難しい。
【００５６】
このため、シミュレータ１１で計算する前に、超音波による表面凹凸の計測処理４１を実行し、表面凹凸データ取得４２を行い、表面凹凸データ４３としてシミュレータ１１に設定する。
【００５７】
このとき、図８に示すように、溶接部３１には余盛などがあり、これに、例えばグラインダなどによる仕上げを施した面は、設計図面とは異なり、通常の平面や円弧面、楕円面のように、関数を用いた表現ができないような微小な凹凸を有する。
【００５８】
つまり、溶接部３１などの表面に仕上げを施工した場合、設計面５３とは異なる仕上げ面５４となり、このため、両面の差及び仕上げ面の凹凸が、検査対象部位への超音波入射経路を乱す。そのため、設計面５３を想定した超音波経路に従って計算した遅延時間では、仕上げ面５４の影響により、正しく集束音場を形成させることはできない。
【００５９】
そこで、この第２の実施形態では、計測処理４１を実行し、表面の凹凸をデジタルデータとして取得するようにしたもので、次に、この計測処理４１による表面凹凸データ取得４２の手法について説明する。
【００６０】
これは超音波の反射の乱れ、つまり表面反射波を利用して仕上げ面５４を計測するもので、まず、図８に示すように、超音波アレイセンサ２４を検査対象の表面から離して近傍に配置し、間に水を介在させた状態で検査対象の表面に超音波の送信波５１を発射する。
【００６１】
そうすると、表面反射波５２は、仕上げ面５４の局所的な傾きにより、送信波５１と異なる方向に向うので、超音波を送信した振動素子２５とは別の振動素子により受信されることになる。
【００６２】
そこで、アレイセンサ２４を構成する振動素子２５の１個から送信波５１を発信し、仕上げ面５４からの反射波５２を受信した振動素子２５を特定することにより、仕上げ面５４の局所的な傾きが分かる。
【００６３】
こうして送信波５１の出射と受信波５２の計測を異なった振動素子２５について、順次繰り返すことにより、局所的な傾き情報から連続的な傾き情報が得られ、仕上げ面５４の表面凹凸データ４２を取得することができる。
【００６４】
ところで、この表面凹凸データ４２の取得は、上記した方法に限らず、レーザによる距離計測や変形量計測センサによっても可能であり、この第２の実施形態では何れの方法を用いて実施してもよい。
【００６５】
上記した処理過程を踏んで得た表面凹凸データは、表面凹凸データ４３としてシミュレータ１１に取り込まれ、計算に使用される。このため、シミュレータ１１は、超音波検査部位決定処理１２により設定された検査対象範囲情報１６を格納しているメモリと、密度、音速、弾性定数などの材料物性情報を格納した物性データベース１７、表面凹凸データ４３を格納したメモリ、それに、これらの情報に基づき超音波の伝播経路を計算する伝播経路計算部１９とを備えている。
【００６６】
そして、シミュレータ１１では、音源を検査対象部位内に設定し、この音源から超音波を送信した場合に、検査対象内での超音波伝播経路及び表面凹凸での屈折角を考慮して超音波伝播経路を求め、それに従って超音波アレイセンサの各振動素子への到達時間を算出する。
【００６７】
これらの到達時間の差から計算処理することにより遅延時間計算２０がなされ、次いで、遅延時間設定処理２１を実行し、遅延時間計算処理２０の計算結果からアレイセンサの遅延時間の設定に必要な計算を行い、遅延時間制御装置２３(図３)の遅延時間を設定した後、超音波検査実施及び評価処理２２を実施する。
【００６８】
このときの遅延時間計算処理２０と遅延時間設定処理２１、それに超音波検査実施及び評価処理２２については、アレイセンサ２４を超音波送信用と受信用に共用して実行する点を除けば、図１で説明した第１の実施形態と同じであり、従って、このときも集束音場を形成することができ、これを検査対象範囲にわたって逐次実行することにより、き裂などの欠陥からの反射信号に対して充分なＳＮ比が確保され、欠陥による超音波信号を明瞭に検出することができる。
【００６９】
従って、この第２の実施形態によれば、検査対象が表面に凹凸や曲面をもっていた場合でも、微小な欠陥や軽微な欠陥からの超音波信号を確実に検出することができ、検査対象部位の健全性評価に信頼性の向上をもたらすことができる。
【００７０】
次に、本発明による超音波検査方法の第３の実施形態について、図９により説明すると、この実施形態は、検査対象の超音波検査部位が多層構造の場合に好適なものである。
【００７１】
図９において、この第３の実施形態でも、前記の実施形態と同様、まず、超音波検査部位決定処理１２を実行する。そして、この後、シミュレータ１１による検査対象範囲に対応したシミュレーションを実行する。
【００７２】
このとき、シミュレータ１１は、超音波検査部位決定処理１２により設定された検査対象範囲情報１６を格納しているメモリと、密度、音速、弾性定数などの材料物性情報を格納した物性データベース１７、材種、厚みなどの積層構造に関する層構造データベース５５、それに、これらの情報に基づき超音波の伝播経路を計算する伝播経路計算部１９とを備えている。
【００７３】
この第３の実施形態におけるシミュレータ１１でも、前記の各実施形態と同様に、音源を検査対象部位内に設定し、超音波を送信した場合に、材料界面での屈折角を考慮して超音波伝播経路を求め、それに従ってアレイセンサ２４の各振動素子２５への到達時間を算出する。そして、これらの到達時間差から計算することで、遅延時間計算２０が行える。
【００７４】
次いで、遅延時間設定処理２１を実行し、遅延時間計算処理２０の計算結果からアレイセンサの遅延時間の設定に必要な計算を行い、遅延時間制御装置２３(図３)の遅延時間を設定した後、超音波検査実施及び評価処理２２を実施する。
【００７５】
このときの遅延時間計算処理２０と遅延時間設定処理２１、それに超音波検査実施及び評価処理２２については、アレイセンサ２４を超音波送信用と受信用に共用して実行する点を除けば、図１で説明した第１の実施形態と同じであり、従って、この第３の実施形態によっても、欠陥による超音波信号をＳＮ比よく明瞭に検出することができる。
【００７６】
次に、この第３の実施形態における多層構造を持った超音波検査部位の超音波検査手法について、図１０により説明する。ここで、まず、この図１０に示す多層構造材は、材料Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚの４種の構造材から構成されているものとする。
【００７７】
このような多層構造材の場合、材料内部の欠陥もあるが、各材料の界面での不接合によるはく離欠陥が多い。そのため、ここでは、材料Ｙと材料Ｚの界面にある欠陥を検出するために、集束ビームを形成する場合を想定している。
【００７８】
そして、この第３の実施形態では、更に材料Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ間での音速差及び他の界面(材料Ｗと材料Ｘ間、材料Ｘと材料Ｙ間)における経路の屈折も考慮した計算ができるため、図１０に示す超音波経路３４がシミュレーションにより求められることになる。
【００７９】
なお、この図１０に示した超音波経路３４は、材料Ｗ、Ｘ、Ｙ内での音速を夫々Ｖｗ、Ｖｘ、Ｖｙとしたとき、一例としてＶｘ＞Ｖｙ＞Ｖｗとなっていたときの超音波経路を示したものである。
【００８０】
そこで、この計算処理を検査対象範囲３３内の他の界面や他の材料内に対しても実施し、アレイセンサの遅延時間計算処理２０を行なうことにより、はく離も含めた欠陥による超音波信号を明瞭に検出することができる。
【００８１】
従って、この第３の実施形態によれば、検査対象が多層構造材の場合でも、微小な欠陥や軽微な欠陥からの超音波信号を確実に検出することができ、検査対象部位の健全性評価に信頼性の向上をもたらすことができる。
【００８２】
なお、周知のように、超音波検査に際しては、センサと超音波検査物体の間の超音波音波の伝達を改善させるための媒体として、例えば水を介在させるのが一般的であり、従って、この図１０において、アレイセンサ２５が接している面側の材料Ｗについては、水であってもよい。
【００８３】
次に、図１１は本発明による超音波検査装置の一実施形態で、これは、上記した第１の実施形態と第２の実施形態、それに第３の実施形態のいずれの実施にも適用することができるようにした超音波検査装置の一例である。
【００８４】
この図１１の実施形態では、まず、検査対象である鋼材３１上に支柱６７と軌道６８を設置し、軌道６８上で台車６９が移動できるように構成し、この台車６９に伸縮自在な支持部材７０を取付け、この支持部材７０にアレイセンサ２４を保持させる。
【００８５】
そして移動制御装置６３により台車６９の移動と支持部材７０の伸縮を制御することにより、検査対象範囲３３までアレイセンサ２４を移動させ、その表面の近傍や表面に接した状態に任意に位置決めすることができるように構成してある。このとき遅延時間装置２３は、伝送線６５によりアレイセンサ２４に接続されている。
【００８６】
台車６９には移動距離を測定するエンコーダ(図示してない)と、支持部材７０の伸縮長さを測定するエンコーダ(これも図示してない)が搭載してあり、これらにより検出した距離データと長さデータが移動距離測定装置６４に供給され、アレイセンサ２４の位置が計算される。このとき台車６９と移動制御装置６３、それに移動距離測定装置６４も伝送線６５により接続されている。
【００８７】
遅延時間装置２３は、アレイセンサ２４による送信波のビーム形態を制御すると共に、アレイセンサ２４により検査対象範囲から受信される信号の処理も行い、受信波信号を受信信号処理装置６６に供給する働きをする。
【００８８】
そこで、受信信号処理装置６６は、受信した信号に基づいて信号源の位置を計算し、受信波の強度を計算する。そして、このときの受信波強度と、移動距離測定装置６４による測定された移動距離から、受信波強度分布計測機能７１により、図３に示すような受信波強度分布を求めることができ、この結果から、第１の実施形態で説明したようにして柱状晶分布計算処理１４を実行し、柱状晶データ１８を求めるようになっている。
【００８９】
シミュレータ１１はコンピュータ６１により構成され、検査対象部位における検査対象範囲情報１６、検査対象部位の表面凹凸データ４３、密度、音速などの材料物性情報を有する物性データベース１７、柱状晶分布計算１４から得られた柱状晶データ１８、材種、厚みなどの積層構造に関する層構造データベース５５、超音波経路を計算する伝播経路計算部１９を備えている。
【００９０】
そして、まず、検査対象が図３に示すように、溶接部３１を有する場合、本発明の第１の実施形態による方法により、柱状晶データ１８に従い複雑な超音波経路３４をシミュレータ１１で計算し、アレイセンサ２４の遅延時間を計算し、遅延時間制御装置２３に設定して検査を行う。
【００９１】
次に、検査対象が図８に示すように、表面に凹凸を有する場合、或いは表面に曲面を有する場合は、本発明の第２の実施形態による方法により、表面凹凸データを取得し、表面凹凸データ４３として、シミュレータ１１に組み込み、表面凹凸データ４３に従い複雑な超音波経路３４をシミュレータ１１で計算することにより、アレイセンサ遅延時間を計算するのである。
【００９２】
また、検査対象が図１０に示すように、多層構造材の場合、本発明の第３の実施形態による方法により、層構造データベース５５に従い複雑な超音波経路３４をシミュレータ１１で計算することにより、アレイセンサ遅延時間を計算する。
【００９３】
上記何れの場合も、シミュレータ１１により計算されたアレイセンサ遅延時間は遅延時間制御装置２３に設定される。そこで、遅延時間制御装置２３は、アレイセンサ遅延時間に応じて励振電圧発信時間を制御し、アレイセンサ２４を構成する振動素子２５に電気信号を供給し、超音波を発射させる。
【００９４】
そして、振動素子２５で受信された超音波を遅延時間制御装置２３で解析し、解析結果をコンピュータディスプレイなどの検査結果表示装置６２に供給し、画像や図形として表示させ、超音波検査評価が行なえるようにされる。なお、この検査結果表示装置６２は、コンピュータ６１自体が備えているモニタを利用してもよい。
【００９５】
この第４の実施形態によれば、検査対象が図３に示すように、溶接部３１を有する場合でも、図８に示すように、表面に凹凸を有する場合、或いは表面に曲面を有する場合でも、或いは図１０に示すように、多層構造材の場合でも、常に集束目標点２９に的確な焦点合わせができ、従って、この実施形態によれば、集束音場の形成による充分なＳＮ比の確保が得られ、欠陥による超音波信号を明瞭に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明による超音波検査方法の第１の実施形態を示す説明図である。
【図２】超音波アレイセンサを用いた集束音場形成方法の概念を説明するための模式図である。
【図３】第１の実施形態による受信波強度分布測定動作の説明図である。
【図４】第１の実施形態により受信波強度分布測定結果から計算された溶接部柱状晶データの一例を示す模式図である。
【図５】シミュレータにより計算された超音波入射方向と伝播方向の関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による検査動作の説明図である。
【図７】本発明による超音波検査方法の第２の実施形態を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による検査動作の説明図である。
【図９】本発明による超音波検査方法の第３の実施形態を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態による検査動作の説明図である。
【図１１】本発明による超音波検査装置の一実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００９７】
１１：シミュレータ
１２：超音波検査部位決定
１３：受信波強度分布計測
１４：柱状晶分布計算
１５：溶接データベース
１６：検査対象範囲情報
１７：物性データベース
１８：柱状晶データ
１９：伝播経路計算部
２０：遅延時間計算処理
２１：遅延時間設定処理
２２：超音波検査実施及び評価処理
２３：遅延時間制御装置
２４：超音波アレイセンサ
２５：振動素子
２６：遅延時間(励振電圧の遅延時間)
２７：球面波
２８：干渉波
２９：集束目標点(検査対象点ともなる)
３１：溶接部
３２：鋼材
３３：検査対象範囲
３４：超音波経路
３５：柱状晶方向
３６：振動素子への到達時間
４１：表面凹凸の計測処理
４２：表面凹凸データ取得
４３：表面凹凸データ
５１：送信波
５２：表面反射波
５３：設計面
５４：仕上げ面
５５：層構造データベース
６１：コンピュータ
６２：検査結果表示装置
６３：移動制御装置
６４：移動距離測定装置
６５：伝送線
６６：受信信号処理装置
６７：支柱
６８：軌道
６９：台車
７０：伸縮自在な支持部材
７１：受信波強度分布計測機能
【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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