(57)【要約】【課題】溶接条件や測定者の技量に関わりなく、鋼床版とＵリブの溶接部の溶込み幅を高精度で測定することが可能な超音波探傷装置及び溶込み幅合否判定システムを提供する。【解決手段】鋼床版１５にＵリブ１６を隅肉溶接した際に形成される溶接部１７の溶込み幅Ｄを測定するための超音波探傷装置１０であって、送信用の表面ＳＶ波振動子と受信用の表面ＳＶ波振動子とが内蔵され、鋼床版１５上に載置される二振動子表面ＳＶ波探触子１１と、二振動子表面ＳＶ波探触子１１に装着され、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端部から前方に突出してＵリブ１６に当接する当接部材１２とを備えている。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
鋼床版にＵリブを隅肉溶接した際に形成される溶接部の溶込み幅を測定するための超音波探傷装置であって、
送信用の表面ＳＶ波振動子と受信用の表面ＳＶ波振動子とが内蔵され、前記鋼床版上に載置される二振動子表面ＳＶ波探触子と、前記二振動子表面ＳＶ波探触子に装着され、該二振動子表面ＳＶ波探触子の前端部から前方に突出して前記Ｕリブに当接する当接部材とを備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
請求項１記載の超音波探傷装置において、前記二振動子表面ＳＶ波探触子に装着され、該二振動子表面ＳＶ波探触子と前記Ｕリブとの間の距離を計測する変位計を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
鋼床版にＵリブを隅肉溶接した際に形成される溶接部の溶込み幅の合否を判定するシステムであって、
請求項１又は２記載の超音波探傷装置と、前記超音波探傷装置の出力信号に基づいて前記溶接部の溶込み幅の合否を判定する超音波探傷器とを備え、
前記超音波探傷器が、前記出力信号に基づいて前記溶接部の溶込み幅を算出する演算部と、前記演算部で算出された溶込み幅が規定値以上かどうか判定する判定部とを有することを特徴とする溶込み幅合否判定システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、鋼製橋梁構造物等において、鋼床版にＵリブを隅肉溶接した際に形成される溶接部の溶込み幅を測定するための超音波探傷装置及び溶込み幅合否判定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、既設の鋼製橋梁構造物において、鋼床版１５にＵリブ１６（トラフリブ）を隅肉溶接した際に形成される溶接部１７に、疲労亀裂が発生して問題となっている（図５参照）。この疲労亀裂は、Ｕリブ１６の裏面角部と溶接部１７との間に存在する未溶着部を起点として発生している。そのため、道路橋示方書には、Ｕリブ１６の板厚方向の溶込み深さ（溶込み幅）を板厚の７５％以上確保することが規定されている。しかし、従来の超音波探傷試験では溶込み幅の確認が難しいことから、溶接施工試験において所定の溶込み幅（Ｕリブの板厚の７５％以上）が確認された溶接条件で実際の溶接を行うことで、所定の溶込み幅が確保されていると見なしている。
【０００３】
一方、鋼床版とＵリブの溶接部の溶込み幅は、当該部位の疲労強度を大きく左右するため、製品品質の保証等の観点から、実際の溶込み幅を確認することが極めて重要である。
従来、溶接部の溶込み幅の測定には、斜角探触子を用いて、未溶着部先端（溶着部と未溶着部の境界）からのエコーを検出する端部エコー法が用いられている。しかしながら、この方法では、未溶着部先端からの端部エコーを検出できない場合があることに加え、検出したエコーの評価に高度な技量が要求されるため、測定精度が技術者の技量に依存する傾向が強かった。
【０００４】
そこで、特許文献１では、屈折角が７８〜８８°の範囲内に設定された、ＳＶ波を発信する探触子６４を、主板６１（鋼床版）のビード６３（溶接部）側の表面上に配置し、探触子６４の先端を、ビード６３の始端６３ａの位置（或いは始端６３ａから３ｍｍ以内の位置）に合わせた状態で超音波を送信し、回折現象によってビード６３内を拡がりながら進行する回折波の反射エコーを含む受信信号を取得して、未溶着部６５の寸法を推測する超音波探傷検査方法が開示されている（図６参照）。そして、この方法によれば、従来の一般的な斜角探傷法では対応できないような条件であっても、問題なく実施することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５１５０１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されている超音波探傷検査方法では、立板６２（Ｕリブ）の裏面角部６２ａを反射源とする反射エコーＡと、未溶着部先端６５ａを反射源とする反射エコーＢとを特定し、探触子６４の超音波入射点Ｐから立板６２の裏面角部６２ａまでの距離Ｙ１と、超音波入射点Ｐから未溶着部先端６５ａまでの距離Ｙ２との差から未溶着部６５の幅を求める。
【０００７】
しかし、上記方法の場合、Ｕリブが薄くなると、反射エコーＡと反射エコーＢとを特定するのが難しくなるという問題がある。例えば、溶込み幅を板厚の７５％以上とすると、６ｍｍ厚のＵリブの場合、未溶着部の幅は１．５ｍｍ以下となり、反射エコーＡと反射エコーＢの判別が非常に難しくなる。
また、ルートギャップが過大であったり、裏抜けがある場合や、溶込み不良が存在する場合など、Ｕリブの裏面角部からのエコーが得られない場合がある。
【０００８】
本考案はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶接条件や測定者の技量に関わりなく、鋼床版とＵリブの溶接部の溶込み幅を高精度で測定することが可能な超音波探傷装置及び溶込み幅合否判定システム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】
上記目的を達成するため、第１の考案は、鋼床版にＵリブを隅肉溶接した際に形成される溶接部の溶込み幅を測定するための超音波探傷装置であって、
送信用の表面ＳＶ波振動子と受信用の表面ＳＶ波振動子とが内蔵され、前記鋼床版上に載置される二振動子表面ＳＶ波探触子と、前記二振動子表面ＳＶ波探触子に装着され、該二振動子表面ＳＶ波探触子の前端部から前方に突出して前記Ｕリブに当接する当接部材とを備えることを特徴としている。
【００１０】
ここで、「表面ＳＶ波」は、対象物の表面を伝播し、該表面と直交する面内で振動するせん断波（横波）のことである。また、本明細書では、二振動子表面ＳＶ波探触子を基点として表面ＳＶ波が発信される方向を「前」側、その逆方向を「後」側とし、Ｕリブについては、外部に露出している面を「表」面、その裏側を「裏」面とする。
【００１１】
第１の考案では、二振動子表面ＳＶ波探触子により計測された、該二振動子表面ＳＶ波探触子の前端から未溶着部先端（溶着部と未溶着部の境界）までの距離Ｗと、角度ゲージ等を用いて計測された、鋼床版に対するＵリブの傾斜角度θとを用いて、溶接部の溶込み幅を算出するため、Ｕリブの裏面角部からのエコーを特定する必要がない。そのため、溶接条件や測定者の技量に関わりなく、鋼床版とＵリブの溶接部の溶込み幅を高精度で測定することができる。加えて、当接部材により、二振動子表面ＳＶ波探触子の前端からＵリブまでの距離Ｙが常に一定に保たれるので、距離Ｗに関する測定誤差が発生することがない。
【００１２】
また、第１の考案に係る超音波探傷装置では、前記二振動子表面ＳＶ波探触子に装着され、該二振動子表面ＳＶ波探触子と前記Ｕリブとの間の距離を計測する変位計を備えていてもよい。
【００１３】
当該構成では、二振動子表面ＳＶ波探触子に装着した変位計の出力を用いて、鋼床版に対するＵリブの傾斜角度θを算出することができるので、計測が容易になると共に、角度ゲージ等を使う場合に比べて高い精度を確保することができる。
【００１４】
また、第２の考案は、鋼床版にＵリブを隅肉溶接した際に形成される溶接部の溶込み幅の合否を判定するシステムであって、
第１の考案に係る超音波探傷装置と、前記超音波探傷装置の出力信号に基づいて前記溶接部の溶込み幅の合否を判定する超音波探傷器とを備え、
前記超音波探傷器が、前記出力信号に基づいて前記溶接部の溶込み幅を算出する演算部と、前記演算部で算出された溶込み幅が規定値以上かどうか判定する判定部とを有することを特徴としている。
【考案の効果】
【００１５】
第１の考案に係る超音波探傷装置では、Ｕリブの裏面角部からのエコーを特定する必要がないので、溶接条件や測定者の技量に関わりなく、鋼床版とＵリブの溶接部の溶込み幅を高精度で測定することができる。
【００１６】
また、第２の考案に係る溶込み幅合否判定システムでは、超音波探傷装置の出力信号に基づいて、超音波探傷器が溶接部の溶込み幅を算出して規定値以上かどうか判定するので、溶込み幅の合否をリアルタイムで確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本考案の一実施の形態に係る超音波探傷装置の模式図である。
【図２】二振動子表面ＳＶ波探触子の内部を示し、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は頂面図である。
【図３】同超音波探傷装置による探傷試験結果を示すグラフである。
【図４】本考案の一実施の形態に係る溶込み幅合否判定システムのブロック図である。
【図５】鋼製橋梁の部分詳細図である。
【図６】従来の超音波探傷検査方法を説明するための模式図である。
【考案を実施するための形態】
【００１８】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本考案を具体化した実施の形態につき説明し、本考案の理解に供する。
【００１９】
［超音波探傷装置］
本考案の一実施の形態に係る超音波探傷装置１０を図１に示す。超音波探傷装置１０は、鋼床版１５上に載置される二振動子表面ＳＶ波探触子１１と、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端部から前方に突出する当接部材１２と、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の上に固定された変位計１３とから概略構成されている。
【００２０】
二振動子表面ＳＶ波探触子１１は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、受信用の表面ＳＶ波振動子２０と送信用の表面ＳＶ波振動子２１とを備えている。受信用の表面ＳＶ波振動子２０と送信用の表面ＳＶ波振動子２１は、それぞれ異なる楔２２に設置されている。各楔２２はアクリル樹脂やポリイミド樹脂等からなり、直方体の後端部を斜めに切断した形状とされている。受信用の表面ＳＶ波振動子２０と送信用の表面ＳＶ波振動子２１は、各楔２２の後端部に形成された斜面２２ａ上に設置され、斜面２２ａと直交する方向に表面ＳＶ波が受発信される。なお、楔２２の底面に対する斜面２２ａの鉛直面内傾斜角度αは６０〜７０度程度とされている。また、受信用の表面ＳＶ波振動子２０と送信用の表面ＳＶ波振動子２１の音軸Ｓが交差するように、楔２２の前端面に対する斜面２２ａの水平面内傾斜角度βは２〜６度程度とされ、内方に向けて傾斜している。
【００２１】
一般に使用されている一振動子探触子では、送信パルス近傍に不感帯が存在する。一方、二振動子探触子では、送信パルスが表示器上に現れないため、不感帯が殆ど無く、未溶着部からのエコーが見えやすくなる。また、二振動子探触子の場合、音軸Ｓが交差する交差点近傍は、超音波ビームの幅が狭くエネルギーが高くなるため、未溶着部からのエコーが検出しやすくなる。
【００２２】
当接部材１２は、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端からＵリブ１６までの距離Ｙを一定に保つための部材であり、アクリル樹脂等からなる板材が二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端部から水平方向に延出している。なお、距離Ｙは２０〜３０ｍｍ程度でよい。
【００２３】
変位計１３には、接触式変位計を使用する。本実施の形態では、有底円筒状の筐体１３ｂと、筐体１３ｂ内に挿入され、筐体１３ｂの軸方向に進退するロッド１３ａとを有する差動トランス式変位計を使用する。ロッド１３ａは超音波探傷装置１０の前側かつ当接部材１２の上方に位置し、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前側からＵリブ１６までの距離Ａ（Ａ＞Ｙ）を計測する。
【００２４】
続いて、超音波探傷装置１０を用いて、鋼床版１５にＵリブ１６を隅肉溶接した際に形成される溶接部１７の溶込み幅Ｄを測定する方法について、図１を用いて説明する。なお、Ｕリブ１６の裏面角部と溶接部１７の間には、未溶着部１８が存在しているものとする。
（１）測定対象である溶接部１７の後方において、超音波探傷装置１０の前側を溶接部１７に向けた状態で、鋼床版１５上に超音波探傷装置１０を載置する。
（２）溶接部１７に向けて超音波探傷装置１０を前進させ、超音波探傷装置１０の当接部材１２の先端部をＵリブ１６に当接させる。
（３）この状態で、二振動子表面ＳＶ波探触子１１から溶接部１７に向けて表面ＳＶ波を発信する。表面ＳＶ波の一部は、溶接部１７の止端部（後端部）から溶接部１７の内部を伝搬して、未溶着部先端１９（未溶着部１８の後端）で反射する反射エコーとなる。この反射エコーを受信することによって、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端から未溶着部先端１９までの距離Ｗを計測する。また併せて、変位計１３により、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端からＵリブ１６までの距離Ａを計測する。
【００２５】
鋼床版１５に対するＵリブ１６の傾斜角度をθ、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端から当接部材１２の先端までの長さをＹ、当接部材１２の下面から超音波探傷装置１０の底部までの距離をＨ、ロッド１３ａの中心軸から当接部材１２の下面までの距離をＢとする。また、Ｕリブ１６の表面を延長した仮想線と鋼床版１５との交点を１６ａとし、交点１６ａと未溶着部先端１９との間の距離をＤ’とする。
【００２６】
このとき、溶接部１７の溶込み幅Ｄは次式で表される。
Ｄ＝Ｄ’・ｓｉｎθ＝Ｄ’・Ｂ／√｛（Ａ−Ｙ）２＋Ｂ２｝          …（１）
また、Ｄ’は次式で表される。
Ｄ’＝Ｗ−ｂ＝Ｗ−（Ｙ−ａ）＝Ｗ−Ｙ＋ａ                      …（２）
ここで、ｂは、二振動子表面ＳＶ波探触子１１の前端から交点１６ａまでの水平距離である。また、ａは、当接部材１２とＵリブ１６の当接点から交点１６ａまでの水平距離であり、次式で表すことができる。
ａ＝Ｈ／ｔａｎθ＝Ｈ（Ａ−Ｙ）／Ｂ                            …（３）
【００２７】
（３）式を（２）式に代入すると、
Ｄ’＝Ｗ−Ｙ＋Ｈ（Ａ−Ｙ）／Ｂ                                …（４）
となり、（４）式を（１）式に代入すると、
Ｄ＝｛Ｗ−Ｙ＋Ｈ（Ａ−Ｙ）／Ｂ｝Ｂ／√｛（Ａ−Ｙ）２＋Ｂ２｝    …（５）
となる。（５）式において、ＷとＡは超音波探傷装置１０によって計測され、Ｙ、Ｈ、Ｂは既知である。従って、溶接部１７の溶込み幅Ｄは、（５）式により算出することができる。
【００２８】
［超音波探傷試験］
超音波探傷装置１０の効果を検証するため、鋼床版にＵリブを隅肉溶接したモックアップ試験体を製作し、超音波探傷試験を実施した。モックアップ試験体のＵリブの板厚は６ｍｍと８ｍｍとし、各４０箇所の溶接部について超音波探傷試験を実施した。なお、Ｕリブの材質はＳＭ４９０ＹＡ、鋼床版の材質はＳＭ４９０ＹＢとした。
超音波探傷試験の結果を図３に示す。超音波探傷装置１０によって算出された溶接部の溶込み幅を横軸に、実測値を縦軸にそれぞれ示す。全溶接部の約８６％が±０．５ｍｍの誤差範囲内にあり、Ｕリブの板厚にかかわらず、溶接部の溶込み幅を高精度で測定できることが確認された。
【００２９】
［溶込み幅合否判定システム］
次に、鋼床版１５にＵリブ１６を隅肉溶接した際に形成される溶接部１７の溶込み幅Ｄの合否を判定するシステムについて説明する。
図４に、本考案の一実施の形態に係る溶込み幅合否判定システム３０のブロック図を示す。溶込み幅合否判定システム３０は、上述した超音波探傷装置１０と、超音波探傷装置１０の出力信号に基づいて溶接部１７の溶込み幅の合否を判定する超音波探傷器３１とを備えている（図４参照）。
【００３０】
超音波探傷器３１は、二振動子表面ＳＶ波探触子１１（送信用の表面ＳＶ波振動子２１）にパルスを発信する発信部３３、及び二振動子表面ＳＶ波探触子１１（受信用の表面ＳＶ波振動子２０）の出力信号を受信する受信部３２に加え、受信部３２の出力信号に基づいて溶接部１７の溶込み幅Ｄを（５）式により算出する演算部３４と、演算部３４で算出された溶込み幅Ｄが規定値（例えばＵリブ１６の板厚の７５％以上）以上かどうか判定する判定部３５とを有している。また、超音波探傷器３１には、溶込み幅Ｄの算出時に必要となるＹ、Ｈ、Ｂの各値やＵリブ１６の板厚、さらには溶込み幅Ｄの規定値等の入力を行う入力部３７と、判定結果を表示する表示部３６とが備えられている。
【００３１】
以上、本考案の実施の形態について説明してきたが、本考案は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、実用新案登録請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、変位計として差動トランス式の変位計を使用しているが、レーザー変位計など他の変位計でも良い。
【符号の説明】
【００３２】
１０：超音波探傷装置、１１：二振動子表面ＳＶ波探触子、１２：当接部材、１３：変位計、１３ａ：ロッド、１３ｂ：筐体、１５：鋼床版、１６：Ｕリブ、１６ａ：交点、１７：溶接部、１８：未溶着部、１９：未溶着部先端、２０：受信用の表面ＳＶ波振動子、２１：送信用の表面ＳＶ波振動子、２２：楔、２２ａ：斜面、３０：溶込み幅合否判定システム、３１：超音波探傷器、３２：受信部、３３：発信部、３４：演算部、３５：判定部、３６：表示部、３７：入力部、Ｓ：音軸
【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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