(57)【要約】【課題】  ステンレス鋼溶接部裏面開口割れ等の欠陥高さを簡便に精度よく測定することの可能な超音波試験方法および試験装置を提供すること。【解決手段】  縦波斜角探触子１０の作動する振動子１１を送信波の属する平面の方向に試験体１００表面に沿って移動させる。そして、縦波、横波、モード変換波及びクリーピング波による画像が軌跡として表示されるように探触子位置と受信時間又はこれに相当する単位を軸とする座標に受信信号のＢスコープ画像を表示する。各軌跡の相対的な位置関係から波の種類に応じた反射経路と反射源と特定し、欠陥の位置及び大きさを推定する。例えば、欠陥が試験体の底に連通するものであり、クリーピング波、モード変換波及び欠陥先端部からの横波又は縦波の表れ方により欠陥の大きさを判別する。【選択図】    図１
2006322900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦波斜角探触子の作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させ、縦波、横波、モード変換波及びクリーピング波による画像が軌跡として表示されるように探触子位置と受信時間又はこれに相当する単位（以下、「受信時間等」）を軸とする座標に受信信号のＢスコープ画像を表示し、各軌跡の相対的な位置関係から波の種類に応じた反射経路と反射源と特定し、欠陥の位置及び大きさを推定する超音波試験方法。
【請求項２】
前記欠陥が試験体の底に連通するものであり、クリーピング波、モード変換波及び欠陥先端部からの横波又は縦波の表れ方により欠陥の大きさを判別することを特徴とする請求項１記載の超音波試験方法。
【請求項３】
同一欠陥部分から生じる横波及び縦波の軌跡から前記探触子位置及び受信時間等をそれぞれ求め、これら２組の探触子位置及び受信時間等の関係より同一欠陥部分の座標を求め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】
前記欠陥が試験体の底に連通するものであり、クリーピング波の軌跡から前記探触子位置及び受信時間等を求め、前記欠陥部分の前記底における位置を求め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５】
前記欠陥のうち中間部分から生じるモード変換波の軌跡の複数点から前記探触子位置及び受信時間等をそれぞれ求め、これら複数組の探触子位置及び受信時間等の幾何学的関係より中間欠陥部分の座標を求め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６】
同一欠陥部分から生じる縦波の軌跡上の少なくとも２点から前記探触子位置及び受信時間等をそれぞれ求め、これら２組以上の探触子位置及び受信時間等の関係より同一欠陥部分の座標を求め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７】
前記各方法により求めた欠陥部分の座標を二次元座標に表示することにより前記欠陥を画像化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８】
前記縦波斜角探触子を移動させることにより前記作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させ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９】
前記振動子が複数の列状振動子よりなり、前記作動する振動子を列状振動子内で切り替えて作動させることにより前記作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させ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１０】
請求項１〜９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、縦波斜角探触子と、この探触子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させた状態における座標を記録するエンコーダーと、前記探触子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させた場合に、縦波、横波、モード変換波及びクリーピング波による画像が表示されるように探触子位置と受信時間又はこれに相当する単位（以下、「受信時間等」）を軸とする座標に受信信号のＢスコープ画像を表示する表示装置とを備えたことを特徴とする超音波試験装置。
【請求項１１】
請求項１〜９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、試験体表面を転動する転動機構と、試験体表面に沿って転がる回転軸が互いに直交する一対のローラー及びこれら各ローラーに連携するエンコーダーとを備え、各ローラーの表面には各ローラーの転動軸に沿った方向に溝が形成されていることを特徴とする超音波試験装置。
【請求項１２】
前記転動機構が、前後一対ずつケーシングに揺動自在に取り付けられるアーム及びその先端のボールとよりなり、一対のアーム４４の傾きを同期させる調芯機構を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の超音波試験装置。
【請求項１３】
請求項１〜９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、Ｂスコープ画像の軌跡をカーソルで指示することにより前記各軌跡の相対的な位置関係を特定することを特徴とする超音波試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接部の亀裂等を簡便に検出可能な超音波試験方法および超音波試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オーステナイト系ステンレス鋼溶接部の超音波探傷試験はフェライト鋼に比べ超音波の透過性が悪く欠陥の検出及び欠陥高さ(深さ)測定の適用性が劣っていることが知られている。従来の欠陥サイジング方法は例えば非特許文献１に記載されているように以下の手法が使用されている。イ)横波斜角探触子で有害な欠陥を検出。ロ)割れの存在が疑われる場合には、クリーピング波探触子を使用して試験体の裏面（探触子を走査している反対側の面）からの割れの有無を確認。ハ)クリーピング波探触子を使用して、割れの大きさの大まかな分類（大、中、小の区分）を行う。ニ)割れの大きさの分類結果を参考にして、割れの高さ（深さ）測定にはイ)端部エコー法、ロ)ＴＯＦＤ法、ハ)フェーズドアレイ法等の方法が単独又は組み合わせで用いられている。また、特許文献１の如く端部エコーの最大値を利用した試験方法が知られている。
【非特許文献１】JEAG4207−2004「軽水型原子力発電所用機器の供用期間中検査における超音波探傷指針」
【特許文献１】特開平１１−２４８６９０号
【０００３】
これらの手法には次のような問題点があった。イ)試験を行う技術者が、クリーピング波探触子による方法、端部エコー法、TOFD法およびフェーズドアレイ法等の多くの技術に習熟していることが必要である。ロ)TOFD法は溶接部からのノイズがある場合には適用できない。ハ)端部エコー法、フェーズドアレイ法は欠陥の先端部からの信号と先端部以外の信号を識別するのが難しく、検査員の主観で測定結果が異なる。ニ)検査員の主観で測定結果が異なることから、測定値のばらつきが大きいなどである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ステンレス鋼溶接部裏面開口割れ等の欠陥高さを簡便に精度よく測定することの可能な超音波試験方法および試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波試験方法の特徴は、縦波斜角探触子の作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させ、縦波、横波、モード変換波及びクリーピング波による画像が軌跡として表示されるように探触子位置と受信時間又はこれに相当する単位（以下、「受信時間等」）を軸とする座標に受信信号のＢスコープ画像を表示し、各軌跡の相対的な位置関係から波の種類に応じた反射経路と反射源と特定し、欠陥の位置及び大きさを推定することにある。
【０００６】
ここで、振動子を移動させるには、「前記縦波斜角探触子を移動させることにより前記作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させる」態様がある。また、「前記振動子が複数の列状振動子よりなり、前記作動する振動子を列状振動子内で切り替えて作動させることにより前記作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させる」ようにしてもよい。
【０００７】
前記欠陥が試験体の底に連通するものである場合、クリーピング波、モード変換波及び欠陥先端部からの横波又は縦波の表れ方により欠陥の大きさを判別するとよい。
【０００８】
また、同一欠陥部分から生じる横波及び縦波の軌跡から前記探触子位置及び受信時間等をそれぞれ求め、これら２組の探触子位置及び受信時間等の関係より同一欠陥部分の座標を求めてもよい。
【０００９】
さらに、本発明は、前記欠陥が試験体の底に連通するものであり、クリーピング波の軌跡から前記探触子位置及び受信時間等を求め、前記欠陥部分の前記底における位置を求めることにある。
【００１０】
前記欠陥のうち中間部分から生じるモード変換波の軌跡の複数点から前記探触子位置及び受信時間等をそれぞれ求め、これら複数組の探触子位置及び受信時間等の幾何学的関係より中間欠陥部分の座標を求めることを特徴とする。
【００１１】
上記各特徴において、同一欠陥部分から生じる縦波の軌跡上の少なくとも２点から前記探触子位置及び受信時間等をそれぞれ求め、これら２組以上の探触子位置及び受信時間等の関係より同一欠陥部分の座標を求めてもよい。
【００１２】
さらに、前記各方法により求めた欠陥部分の座標を二次元座標に表示することにより前記欠陥を画像化する方法を採用してもよい。
【００１３】
また、本発明は、縦波斜角探触子と、この探触子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させた状態における座標を記録するエンコーダーと、前記探触子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させた場合に、縦波、横波、モード変換波及びクリーピング波による画像が表示されるように探触子位置と受信時間又はこれに相当する単位（以下、「受信時間等」）を軸とする座標に受信信号のＢスコープ画像を表示する表示装置とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の上記方法に用いる超音波試験装置の他の特徴は、試験体表面を転動する転動機構と、試験体表面に沿って転がる回転軸が互いに直交する一対のローラー及びこれら各ローラーに連携するエンコーダーとを備え、各ローラーの表面には各ローラーの転動軸に沿った方向に溝が形成されていることにある。一方のローラーが転動する際、他の溝は溝に沿った滑りを許容して、転動による直進性が向上することにより位置特定が容易となる。ここで、前記転動機構が、前後一対ずつケーシングに揺動自在に取り付けられるアーム及びその先端のボールとよりなり、一対のアーム４４の傾きを同期させる調芯機構を備えているとよい。同特徴により、様々な径の配管にも正確に沿わせることが可能となる。
【００１５】
また、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他の特徴は、Ｂスコープ画像の軌跡をカーソルで指示することにより前記各軌跡の相対的な位置関係を特定することにある。
【発明の効果】
【００１６】
上記本発明の特徴によれば、上述の受信信号のＢスコープ画像を表示し、各軌跡の相対的な位置関係から波の種類に応じた反射経路と反射源と特定し、欠陥の位置及び大きさを推定する。したがって、ステンレス鋼溶接部裏面開口割れ等の欠陥高さでも、簡便に精度よく測定することの可能な超音波試験方法および試験装置を提供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、以下の発明を実施するための最良の形態の項で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】
【００１７】
次に、図１〜図２７を参照しながら、本発明の第一の実施形態及び実施例について説明する。図１に示すように、本発明における超音波試験方法は、クリーピング波探触子と呼ばれる縦波斜角探触子１０を使用する一探触子斜角法である。探触子１０は試験体１００に対して横波超音波Ｓ及び縦波超音波Ｌを入射させている。位置検出器２０は探触子１０と連動し、探触子１０の空間的位置を検出する。探触子１０および位置検出器２０と接続された送受信装置３０は、ＣＰＵ３１、送信部３２、受信部３３、位置検出部３４、表示部３５、信号処理部３６で構成されている。
【００１８】
送信部３２で発生させた送信信号を探触子１０に入力し、試験体１００におけるエコーとして受信した複数種の超音波を受信部３３に入力し、信号処理部３６、ＣＰＵ３１で演算処理している。また、位置検出器２０からの信号を位置検出部３４に入力させ、信号処理部３６、ＣＰＵ３１で演算処理をすることで探触子１０の位置データを取得している。図２は、表示部３５で示されるデータであり、ＣＰＵ３１で演算処理されたデータである。
【００１９】
本実施形態における超音波試験方法では、探触子１０は、単一の振動子１１を楔１２に取り付けてなる。そして、探触子１０に位置検出器２０を取り付け、試験体１００上を欠陥Ｄに対して前後方向に走査させ、位置検出器２０から送られた探触子１０の位置信号と、探触子１０で受信された複数種の超音波の信号からＢスコープ画像を得る。図1に示すように試験体１００上で探触子１０を走査させると、図２，３に示すＢスコープ画像例を得る。
【００２０】
図３（ａ）に示すように、Ｂスコープ上には縦波Ｌ、横波Ｓ、モード変換波Ｍおよびクリーピング波Ｃによる欠陥からの信号が軌跡として表示される。図３，４中、Ｌは縦波、Ｓは横波（クリーピング波含む）、Ｍはモード変換波を示し、また、１は欠陥先端部、２は欠陥底部、ａは欠陥右側部、ｂは欠陥左側部をそれぞれ示し、以下同様である。図３（ａ）に示す画像例の各軌跡と反射源（欠陥Ｄ）との位置関係を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の例は、幅のある先端を有する欠陥Ｄの場合の画像例で、溶接欠陥の溶け込み不良の形状に対応している。なお、縦波Ｌ、横波Ｓは伝播速度が異なるため、表示位置か異なることになる。
【００２１】
一方、溝の幅が狭くなると破線で示した左先端部からの軌跡Ｌ１ｂ，Ｓ１ｂと実線で示した右先端部からの軌跡Ｌ１ａ，Ｓ１ａがそれぞれ接近する。割れの先端のように幅が狭い場合には、図３（ａ）に破線・実線で示した軌跡は一致して、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すようにＬ１ａ，Ｓ１ａが表れる。図４（ａ）（ｂ）に示す画像の比較から様々な欠陥Ｄ（割れ）高さの測定方法が可能となる。
【００２２】
次に、本実施形態における測定方法の説明を行う。
裏面開口割れの疑われる試験体１００の欠陥Ｄの位置でＢスキャン画像を採取する。まず、例えば、予想される欠陥Ｄ位置の近傍に探触子１０を置き、欠陥Ｄから遠ざかる方向に走査し、縦波Ｌによる溝底部のエコーが消滅する範囲まで走査する。
走査範囲は、0.5スキップ横波Ｓ位置＞探触子１０位置＞0.5スキップ縦波Ｌ位置、  データ採取範囲（時間軸）：超音波の伝搬時間0μsecから0.5スキップの縦波Ｌ伝ぱ時間より長い範囲で縦波Ｌによる欠陥Ｄ底部の信号が消滅する範囲までとする。
【００２３】
そして、裏面開口割れの有無と割れの大、中、小の区分を行う。区分は従来手法のＡスコープ画像のパターン(欠陥Ｄからの反射エコーの出現パターン)から行ってもよいが、Ｂスコープ画像の欠陥Ｄ(割れ)先端からの軌跡の出現位置をもとに判断しても良い。（図２６参照）
【００２４】
Ｂスコープ画像から割れ高さのサイジング法は次の通りである。
（1）Ｂスコープ画像に得られた各軌跡の相対位置から欠陥Ｄ（割れ先端、割れ底部、中間部）と超音波の経路（縦波Ｌ、横波Ｓ、モード変換波Ｍ、クリーピング波Ｃを判断する。）（図２５参照）
（2）解析手法の適用
割れ高さを求めるときの手法は以下による。
ａ  横波Ｓによる信号が得られる場合
イ)  割れ先端部の位置は横波Ｓと縦波Ｌの交点法で求める。
ロ)  割れ中間部の位置はモード変換波法で求める
ハ)  割れ底部は横波Ｓと縦波Ｌの交点法で求める。クリーピング波Ｃで求めても良い。
小欠陥でモード変換波Ｍの信号が得られない場合は、イ)とハ)を行う。  
ｂ  横波Ｓの信号が得られない場合
溶接部に余盛りがあって探触子１０を欠陥Ｄ側に接近できない場合。あるいは溶接部で横波Ｓが減衰して信号が得られない場合は以下の方法による。
イ)  割れ先端部の位置は縦波Ｌの交点法で求める。
ロ)  割れ中間部の位置はモード変換波法で求める。
ハ)  クリーピング波法で求める。
小欠陥でモード変換波の信号が得られない場合は、上記イ)とハ)を行う。以下、上記各測定法について詳解する。
【００２５】
第一測定例：縦波Ｌと横波Ｓの交点による割れ高さ測定法
欠陥Ｄ（割れ）先端部の信号が縦波Ｌの経路と横波Ｓの経路の両方で得られる場合の解析方法を図５〜図6に示す。図５は解析に使用する軌跡を実線で示した。図５中のSの記号を有するものは横波、Lの記号を有するものは縦波で得られたデータを示している。
（ａ）作図による解析方法
手順1  （図５）
図５に例示するように縦波Ｌでの欠陥先端Ｌ１ａ及び欠陥底部Ｌ２ａの超音波伝ぱ時間と、横波Ｓでの欠陥先端Ｓ１ａ及び欠陥底部Ｓ２ａの超音波伝ぱ時間をそれぞれの探触子位置から求める。
手順2  
【００２６】
試験体１００中の縦波Ｌでの超音波伝ぱ距離LLと横波Ｓでの超音波伝ぱ距離LSを(1)式及び(2)式から求める。
【数１】
2006322900.tif 000003
【数２】
2006322900.tif 000004
ここで、TO：超音波伝ぱ時間（探触子くさび内伝ぱ時間を含む）
TW：くさび内伝ぱ時間（往復）
VL：試験体中の縦波音速
Vs：試験体中の横波音速
LL：縦波伝ぱ距離（片道）
LS：横波伝ぱ距離（片道）
【００２７】
手順3  （図６ａ）
図６ａに示すように、それぞれの探触子位置での試験体１００中の超音波伝ぱ時間から計算した超音波の伝ぱ距離を半径として円を描き、交差した点が欠陥の先端および底部となる。
図５で伝ぱ時間を求めるための探触子位置YS1, YL1, YL2は画像の明瞭な位置で選べば良く、従来の端部エコー法のようにピーク位置を求める必要はない。YS2の位置は超音波伝ぱ時間が短い側の画像位置を使用する。伝ぱ時間が長い側を使用する場合は横波にクリーピング波の伝ぱ時間が加わるので、後述するクリーピング波の解析方法を使用する。
【００２８】
（ｂ）計算による解析の場合（図６ｂ）
計算により求める場合は図６ｂから円の半径をRa、Rbとし、円の中心A、Bの距離をＬとすると、円の交点の座標（Px, Py）, (Qx, Qy)は次式で求めることができる。
【数３】
2006322900.tif 000005
【数４】
2006322900.tif 000006
【数５】
2006322900.tif 000007
【数６】
2006322900.tif 000008
【００２９】
試験体１００中の円の交点は(5)式、（6）式において負の符号（−）で求める。作図又は計算によるこの解析方法は探触子１０の屈折角を使用しないので、従来使用されている端部エコー法に比べて誤差の要因が少ない長所を有している。従来行われているフェーズドアレイ法や端部エコー法は、欠陥先端部のピークエコー位置を求めるときに探傷者の主観が入る。本測定例はピーク位置を求めなくて良いので、探傷者の主観による誤差がない長所を有している。画像上で欠陥先端からのエコーや欠陥底部からのエコー位置が、他のエコーとの関係から特定できるので、従来のフェーズドアレイ法や端部エコー法のように欠陥先端部のエコーを特定する段階で誤認することがない長所を有している。
【００３０】
第二測定例：クリーピング波による割れ底部の位置測定法
前記の第一測定例以外に、クリーピング波Ｃを解析して欠陥Ｄの底部の位置を求めることができる。クリーピング波Ｃを含む超音波の経路が最短となる条件を図7から求める。超音波が経路ABCを伝ぱする時の伝ぱ時間Tは、V1を横波音速、V2を縦波音速とすれば次式で求められる。
【００３１】
【数７】
2006322900.tif 000009
（5）式をxで微分すると
【数８】
2006322900.tif 000010
ｆ’（ｘ）＝0のときにＴは最小となるので
【数９】
2006322900.tif 000011
2006322900.tif 000012
【数１０】
2006322900.tif 000013
（10）式を整理すると
【数１１】
2006322900.tif 000014
【００３２】
オーステナイト系ステンレス鋼の横波音速を3100 m/sec、縦波音速を5790 m/secとすると、θ1 ＝32.37°となる。クリーピング波Ｃの波形を解析するときに、最短の伝ぱ時間以降を観測すればよい。クリーピング波Ｃを含む経路で超音波の伝ぱ時間が最短となるときの横波屈折角θ1は(11)式で示されるが、画像を形成するのは最も音圧の大きいビーム中心の経路で、図7のθ1が探触子の横波屈折角で伝ぱし、試験体内表面で縦波Ｌにモード変換してBC間を進む。欠陥Ｄ底部で反射した波はCB間を縦波Ｌで戻りＢの位置で横波Ｓに変換した波がBA間を伝ぱして探触子１０に戻る。クリーピング波Ｃの解析に使用する画像を図8の実線で示した。
【００３３】
（ａ）作図による解析手順
手順1  （図８）
図８に示すように各探触子位置のときの超音波伝ぱ時間を求める。
手順２  （図9）
探触子位置から、使用した探触子の横波屈折角(θs)で試験体の内表面まで直線を引く。（図９の破線）
【００３４】
手順３  
クリーピング波で往復する伝ぱ時間TCを計算する。
【数１２】
2006322900.tif 000015
ここで、TO：超音波伝ぱ時間（探触子くさび内伝ぱ時間を含む）
TW：くさび内伝ぱ時間（往復）
TS：横波伝ぱ時間（往復）
【数１３】
2006322900.tif 000016
ｔ：試験体の厚さ
VS：横波音速
【００３５】
手順4  （図10）
クリーピング波の伝ぱ距離（片道）LCを求め、試験体の内表面と破線との交点を中心として半径LCの円を描く。
【数１４】
2006322900.tif 000017
【００３６】
手順５  （図11）
手順1〜手順４を繰り返す。
円と内表面との交点が反射源の位置となるが、図11に示すように反射源位置は一点に集中する。これにより解析方法の正当性を確認できる。
【００３７】
計算による解析の場合
探触子位置から反射源までの水平距離YFは次式で求める。
【数１５】
2006322900.tif 000018
【００３８】
第三測定例：モード変換波による欠陥Ｄ位置の測定法
モード変換波の経路から欠陥Ｄ先端と欠陥底部の中間部の反射源を求めることができる。モード変換波Ｍの経路は図12においてAB間を横波Ｓ、BE、EA間を縦波Ｌで伝ぱする。モード変換波Ｍが最短時間で伝ぱするときのθ1及びθ2を考える。図12に示すようにAEをCE軸で反転した線分EFを考えると、BEAの経路を最短時間で伝ぱするときにBEFは直線となる。従って、AB間を横波音速V1、BF間を縦波音速V2で進むときに合計時間Tが最短となるθ1、θ2を求めれば良い。
【００３９】
【数１６】
2006322900.tif 000019
(16)式をｘで微分すると
【数１７】
2006322900.tif 000020
ｆ’(x)＝0のときにTが最小となるので
【数１８】
2006322900.tif 000021
(18)式を整理すると
【数１９】
2006322900.tif 000022
【００４０】
(19)式はスネルの法則と同じ式である。すなわちモード変換波Ｍが最短時間で伝ぱする経路はθ1、θ2がスネルの法則を満足する。(19)式においてθ2＝90°の時は(11)式のクリーピング波Ｃの最短伝ぱ経路を表す式と同じになる。モード変換波の経路の伝ぱ時間と(19)式の関係からθ1、θ2を求めるのは数値計算による。実際の探傷では(19)式を満足しないで、超音波の広がりにより欠陥信号を得ていることを考える必要がある。図13は横波の入射角を固定してモード変換波の経路を考えた場合で、図13に示す楕円上の位置が可能な反射源位置となる。図13で経路２は底面のモード変換でスネルの関係を満足する。経路3はBEFが直線となる経路。経路5は探触子の縦波屈折角に等しい経路である。図13の各経路のエコー高さを考える。モード変換波の各経路のエコー高さ(h)は超音波の指向性と界面での反射損失の積に比例するので(20)式で表される。
【００４１】
【数２０】
2006322900.tif 000023
【００４２】
(20)式の計算結果からは図13の経路３（図12でBEFが直線となる経路）が最もエコー高さが高くなる経路で、欠陥面に超音波が入射する角度と反射する角度が等しい場合である。図13は横波Ｓの入射角度を固定して考えた場合で入射角度を変化させて考えることもできる。図14は横波Ｓの屈折角を変化させて作図した例で、探触子の横波屈折角で作図した場合と横波Ｓの角度を変化させた場合とで大きな差異が認められない。従って、探触子の横波屈折角を使用する方法でモード変換波Ｍの経路を代表させることができる。
【００４３】
（ａ）作図によるモード変換波Ｍの反射源位置の解析方法（傾きのない欠陥Ｄの場合）
モード変換波の解析に使用する画像を図15の実線で示した。モード変換波の解析では、傾きのない欠陥Ｄａ（試験体表面に垂直方向に伸びた欠陥）と、傾きを有する欠陥Ｄｂの解析を考える。欠陥が傾いているかいないかは、欠陥先端位置と欠陥底部位置を求めた結果から知ることができる。
【００４４】
手順1  （図15）
図15に示すように各探触子位置のときの超音波伝ぱ時間を求める。
手順2  （図16）
探触子位置から、使用した探触子の横波屈折角(θs)で試験体の内表面まで直線を引く。（図16の破線）
【００４５】
手順３  
モード変換波の縦波での伝ぱ時間TL を計算する。
【数２１】
2006322900.tif 000024
ここで、TO：超音波伝ぱ時間（探触子くさび内伝ぱ時間を含む）
TW：くさび内伝ぱ時間（往復）
TS：横波伝ぱ時間（片道）
【数２２】
2006322900.tif 000025
ｔ：試験体の厚さ
VS：横波音速
【００４６】
手順４  （図17）
モード変換波の縦波での伝ぱ距離LLを求め、点R1を中心として半径LLの円を描き、試験体表面と交わる点をQ1としてR1Q1を直線で結ぶ。
【数２３】
2006322900.tif 000026
【００４７】
手順5  （図18）
1  線分P1Q1を垂直に２等分する直線CC’を引き、直線R1Q1と交わる点をS1とする。
2  P1R1S1P1がモード変換波の経路となる。
【００４８】
手順6  （図19）
各探触子位置と超音波伝ぱ時間で手順1〜手順5を繰り返す。
【００４９】
（ｂ）  計算によるモード変換波の解析（傾きのない欠陥Ｄａの場合）（図12）
図12より、探触子位置から反射源までの水平距離YFは次式で求める。
【数２４】
2006322900.tif 000027
ここでθ1は探触子の横波屈折角、θ2は(19)式のLL（図12のBFの長さ）から次式で求める。
【数２５】
2006322900.tif 000028
図12より、探傷面から反射源までの深さｄは次式で求める。
【数２６】
2006322900.tif 000029
【００５０】
モード変換による解析は大きな欠陥の場合に、欠陥中央部の位置を与えてくれる。中欠陥では欠陥先端部の位置が得られる場合もあるが、縦波Ｌによる欠陥先端部の情報が得られる場合は、縦波Ｌによる解析結果を優先する。従来の端部エコー法が欠陥の先端と底部の位置情報を得ようとするのに対し、本手法は欠陥中央部の情報が加わるので解析の信頼性が向上する。
【００５１】
（ｃ）作図によるモード変換波の解析（傾いた欠陥の場合）
手順1〜3までは傾きのない欠陥の場合と同一の手順である。
手順1  （図15）
図15に示すように各探触子位置のときの超音波伝ぱ時間を求める。
手順2  （図16）
探触子位置から、使用した探触子の横波屈折角(θs)で試験体の内表面まで直線を引く。（図16の破線）
【００５２】
手順３
(27)式、(28)式、(29)式は(21)式、(22)式、(23)式と同一である。モード変換波の縦波での伝ぱ時間TL を計算する。
【数２７】
2006322900.tif 000030
ここで、TO：超音波伝ぱ時間（探触子くさび内伝ぱ時間を含む）
TW：くさび内伝ぱ時間（往復）
TS：横波伝ぱ時間（片道）
【数２８】
2006322900.tif 000031
ｔ：試験体の厚さ
VS：横波音速
【００５３】
手順４  欠陥の傾きを求める
欠陥の傾きは具体例1などに示す方法で、欠陥の先端部の座標および欠陥Ｄｂの底部の座標が得られるので、計算により求めるか又は作図による測定から求める。
【００５４】
手順5（図20）
モード変換波の縦波Ｌでの伝ぱ距離LLを求め、点R1を中心として半径LLの円を描く。LLは(29)式から計算できる。
【数２９】
2006322900.tif 000032
次に図20の(a)に示すように点P1を通り欠陥Ｄｂの傾き角αの直線を引き、円と交わる点をQ1としてR1Q1を直線で結ぶ。欠陥Ｄｂの傾き角が−αの場合は図20の(b)に示すように点Pを通り−αの傾きで直線を引き、円と交わる点をQ1としてR1Q1を直線で結ぶ。
【００５５】
手順6  （図20）
線分P1Q1を垂直に２等分する直線CC’を引き、直線R1Q1と交わる点をS1とする。P1R1S1P1がモード変換波の経路となる。
【００５６】
手順7  （図21）
各探触子位置と超音波伝ぱ時間で手順1〜手順65を繰り返す。
【００５７】
（ｄ）  計算によるモード変換波の解析（傾いた欠陥の場合）（図22）
図22より、試験体の厚さt1の補助線を描くとd1およびYF1は傾きのない欠陥Ｄａの場合の計算と同様に求められる。ｄ1およびYF1と欠陥の傾き角αから反射源位置Ｓの深さｄおよび探触子と反射源の水平距離YFを求めることができる。図22より、
【数３０】
2006322900.tif 000033
ここでθｓは横波Ｓの屈折角、αは欠陥の傾き角である。欠陥の傾き角が−αのときは
【数３１】
2006322900.tif 000034
となる。
【００５８】
次に横波Ｓでの超音波の伝ぱ距離P1R1の長さLSを求めると、
【数３２】
2006322900.tif 000035
縦波Ｌでの超音波の伝ぱ距離R1Q1の長さLLは（29）式より求まるのでθ2は次式で表される。
【数３３】
2006322900.tif 000036
ここでT1＝Ls×COSθ1となる。したがって、YF1およびｄ1は次式で求められる。
【数３４】
2006322900.tif 000037
【数３５】
2006322900.tif 000038
以上から反射源位置の深さｄおよび探触子１０からの水平距離YFは
【数３６】
2006322900.tif 000039
【数３７】
2006322900.tif 000040
と書ける。欠陥Ｄｂの傾き角が−αのときは
【数３８】
2006322900.tif 000041
【数３９】
2006322900.tif 000042
となる。
【００５９】
第四測定例：クリーピング波探触子による縦波交点法
縦波Ｌによる欠陥Ｄ先端からの反射画像を用いて欠陥先端の位置を求めることもできる。使用する画像を図23の実線で示した。
作図による解析手順
【００６０】
手順1  （図23）
図23に示すように各探触子位置のときの超音波伝ぱ時間を求める。
手順2  （図24）
それぞれの探触子位置での試験体中の超音波伝ぱ時間から計算した超音波の伝ぱ距離を半径として円を描き、交差した点が欠陥の先端となる。欠陥Ｄの底部を求めるときは、縦波Ｌによる欠陥Ｄ底部からの軌跡を用いて欠陥Ｄ先端の場合と同様に求める。図23で伝ぱ時間を求めるための探触子位置 YL1, YL2は画像の明瞭な位置で選べば良く、従来の端部エコー法のようにピーク位置を求める必要はない。計算による解析は式(3)〜式(6)の円の交点を求める方法を使用する。
【００６１】
図２５において、本発明の測定方法のフロー図を示す。探触子１０を走査させることにより、Ｂスコープ画像を得て、欠陥Ｄの大きさを判断することにより、その欠陥の大きさに応じた測定方法（第一測定例〜第四速定例）を選択する。欠陥Ｄの大きさを判断する際、図２に示されるＢスコープ画像を画像処理し、パターンマッチング等の画像認識手段を採用することにより、コンピュータソフトウエアを用いて欠陥Ｄの大きさを自動で識別させ、その大きさに応じた測定方法を自動で選択することも可能である。この場合、測定方法（第一〜第四測定例）のうち適切なものを適宜自動選択して上述のアルゴリズムを動作させ、上記欠陥Ｄの位置と大きさを自動的に算出させるとよい。
【実施例】
【００６２】
図２６、図２７で実施例を示す。図２６は欠陥Ｄの大きさの違いによる測定結果を示すものである。第一測定例〜第四測定例の方法を単独または組み合わせで用いて欠陥Ｄの高さを正確に測定することができる。図２７は疲労割れを挿入したオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部に対し、本発明を適用した結果を示す。本発明による測定値は挿入した疲労割れの製作値とよく一致している。本手法は作図による解析方法が使用できるだけでなく、計算により欠陥の寸法を求めることもできるので、図２の符号Ｐｘｙに示すように、得られた画像の軌跡上の点をマウスで走査するカーソルによりクリックすることで、割れ高さを自動的に計算させたり、計算結果としての割れを画像で表示することも可能である。図２の態様では、下側のタグに表示されているとおり、「縦波による欠陥先端」、「横波による欠陥先端」、「モード変換による欠陥中央部」、「クリーピング波による欠陥底部」をそれぞれ選択可能である。
【００６３】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、先の第一実施形態と同様の部材には同様の符号を付してある。
【００６４】
図２８〜図３０は探触子１０及び位置検出器２０の他の実施形態を示す。本実施形態における超音波探傷装置４０は、大略、ケーシング４１、４本のアーム４４、探触子１０、探触子ホルダー４８及び位置検出器２０を備えている。ケーシング４１は、小型で手の掌に収まるサイズで構成され、取り扱いが容易である。
【００６５】
アーム４４は軸４３ａを介してギヤ４３と共に前後一対ずつケーシング４１に揺動自在に取り付けられる。各アーム４４の先端には試験体表面を転動させるためのボール４４ａが取り付けられている。ギヤ４３はケーシング前後でそれぞれ互いに噛み合い、小径配管から平面まで対応するように一対のアーム４４の傾きを同期させる調芯機構４２を構成する。調芯機構４２、アーム４４，ボール４４ａにより転動機構を構成する。
【００６６】
探触子ホルダー４８は、ケーシング４１側の基部４８ａと揺動部４８ｃとの間をヒンジ４８ｂで弾性的に接続している。探触子１０を保持する保持部４８ｅは揺動部４８ｃと軸４８ｄで接続されている。この探触子ホルダー４８により探触子１０は常に試験体表面に同一角度で接触する。
【００６７】
位置検出器２０は、受け軸４７ａで揺動するローラホルダー４７に固定されたｘ，ｙ方向用ローラ４５ａ、４５ｂと、ｘ、ｙ方向用エンコーダ４６ａ、４６ｂとよりなる。ｘ方向用ローラ４５ａは、x方向に走査するときに滑らないようにｙ軸に沿った表面溝を加工する。またこの溝はｙ方向に走査するときに抵抗が小さくなる効果がある。ｘ方向用エンコーダ４６ａは、ｘ方向に走査した時の位置検出器２０の移動距離を位置検出装置３４に送る。ｙ方向用ローラ４５ｂは、ｙ方向に走査するときに滑らないようにｘ軸に沿った表面溝を加工してある。またこの溝はx方向に走査するときに抵抗が小さくなる効果がある。ｙ方向用エンコーダ４６ｂは、ｙ方向に走査した時の位置検出器２０の移動距離を位置検出装置３４に送る。ローラ受け軸４７は、ｘ方向用ローラ４５ａ、ｙ方向用ローラ４５ｂが受け軸４７ａを中心としてシーソー運動を行い試験体１００への倣い性を確保する。
【００６８】
試験に際しては、探触子ホルダー４８を把持し、探触子１０を試験体１００に押さえつけてｘ、ｙ方向に移動させる。また、本手法を達成するための超音波探傷装置４０は、図２８〜３０のような構造以外にも、例えばガイドレールを有して探触子１０をＸＹ方向に走査できる機構でもよく、空中超音波あるいは赤外線などで位置を検出できるものでも良い。
図３１は、表面開口割れおよび内部割れの高さの測定を行う他の実施形態の可能性を示す。図３１（ａ）は試験体１００における表面開口割れの高さの測定方法を示すものであり、縦波Ｌ、横波Ｓを測定することにより、欠陥Ｄの高さを測定することができるものと推定される。図３１（ｂ）は試験体１００の内部割れの高さの測定方法を示すものであり、縦波Ｌ、横波Ｓを測定することにより、欠陥Ｄの高さを測定することができるものと推定される。
【００６９】
上記実施形態では、「前記縦波斜角探触子を移動させることにより前記作動する振動子を送信波の属する平面の方向に試験体表面に沿って移動させる」ように構成した。しかし、図３２に示すように、「振動子が複数の列状振動子１１’よりなり、前記作動する振動子を列状振動子１１’内で切り替えて作動させることにより作動する振動子（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…）を送信波の属する平面の方向に試験体１００表面に沿って移動させる」ようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本手法はオーステナイト系ステンレス鋼溶接部の裏面開口割れ等の欠陥を対象としているが、フェライト系や他の材質の他の種類の欠陥にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の測定結果の表示画面を示す図である。
【図３】（ａ）探触子による試験体の走査画像を示す図である。（ｂ）探触子による試験体の走査画像（割れの場合）
【図４】（ａ）走査画像と反射源の関係（溝付き試験体）を示す図である。（ｂ）走査画像と反射源の関係（割れの場合）を示す図である。
【図５】欠陥先端と欠陥底部の伝搬時間を示す図である。
【図６】（ａ）縦波と横波の交点による欠陥（割れ）高さ測定法を示す図である。（ｂ）円の交点の計算を示す図である。
【図７】クリーピング波の最短伝ぱ経路を示す図である。
【図８】クリーピング波の伝ぱ時間を示す図である。
【図９】横波による伝ぱを示す図である。
【図１０】2次クリーピング波による伝ぱを示す図である。
【図１１】クリーピング波の反射源位置を示す図である。
【図１２】モード変換波の経路の計算を示す図である。
【図１３】超音波の拡がりによるモード変換波の経路を示す図である。
【図１４】横波屈折角を変化させて反射源位置を求めた場合を示す図である。
【図１５】モード変換波の伝ぱ時間を示す図である。
【図１６】横波による伝ぱを示す図である。
【図１７】縦波による伝ぱ距離を示す図である。
【図１８】モード変換波の経路を示す図である。
【図１９】モード変換波の反射源位置を示す図である。
【図２０】モード変換波の経路（傾いた欠陥）  （ａ）α度傾いた欠陥、（ｂ）−α度傾いた欠陥を示す図である。
【図２１】モード変換波の反射源位置を示す図である。
【図２２】モード変換波の経路の計算（傾いた欠陥）を示す図である。
【図２３】縦波先端反射波の伝ぱ時間を示す図である。
【図２４】クリーピング波探触子による縦波交点法を示す図である。
【図２５】Ｂスコープ上の軌跡の出現位置フロー図を示す図である。
【図２６】クリーピング波探触子による欠陥の画像を示す図である
【図２７】欠陥の画像化を示す図である
【図２８】探触子と位置検出器の他の実施形態を示す平面図である。
【図２９】図２８の側面図である。
【図３０】図２９の他方向側面図である。
【図３１】表面および内部欠陥への適用を示す図である。
【図３２】探触子の他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０：探触子、１１：振動子、１１’：振動子アレイ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…：振動子単位、２０：位置検出器、３０、送受信装置、３１：ＣＰＵ、３２：送信部、３３：受信部、３４：位置検出部、３５：表示部、３６信号処理部、４０：超音波探傷装置、４１：ケーシング、４２：調芯機構、４３：ギア、４４：アーム，４４ａ：ボール、４５ａ：ｘ方向用ローラ、４５ｂ：ｙ方向用ローラ、４６ａ：ｘ方向用エンコーダ、４６ｂ：ｙ方向用エンコーダ、４７：ローラホルダー、４７ａ：受け軸、４８：探触子ホルダ、４８ａ：基部、４８ｃ：揺動部、４８ｂ：ヒンジ、４８ｄ：軸、４８ｅ：保持部、１００：試験体、Ｌ：縦波、Ｓ：横波、Ｄ：欠陥、Ｍ：モード変換波、Ｃ：クリーピング波
【図１】
2006322900.tif 000043
【図２】
2006322900.tif 000044
【図３】
2006322900.tif 000045
【図４】
2006322900.tif 000046
【図５】
2006322900.tif 000047
【図６】
2006322900.tif 000048
【図７】
2006322900.tif 000049
【図８】
2006322900.tif 000050
【図９】
2006322900.tif 000051
【図１０】
2006322900.tif 000052
【図１１】
2006322900.tif 000053
【図１２】
2006322900.tif 000054
【図１３】
2006322900.tif 000055
【図１４】
2006322900.tif 000056
【図１５】
2006322900.tif 000057
【図１６】
2006322900.tif 000058
【図１７】
2006322900.tif 000059
【図１８】
2006322900.tif 000060
【図１９】
2006322900.tif 000061
【図２０】
2006322900.tif 000062
【図２１】
2006322900.tif 000063
【図２２】
2006322900.tif 000064
【図２３】
2006322900.tif 000065
【図２４】
2006322900.tif 000066
【図２５】
2006322900.tif 000067
【図２６】
2006322900.tif 000068
【図２７】
2006322900.tif 000069
【図２８】
2006322900.tif 000070
【図２９】
2006322900.tif 000071
【図３０】
2006322900.tif 000072
【図３１】
2006322900.tif 000073
【図３２】
2006322900.tif 000074