(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚肉被検査物の表層付近の傷を検出可能とする超音波探傷方法において、斜角探触子によって被検査物に対して斜め方向から超音波を入射させて前記被検査物中の傷の端部で回折波を発生させると共に、前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分を垂直探触子によって検出し、前記送信用斜角探触子と前記受信用垂直探触子との間の前記被検査物中の傷の端部を経由して前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分のビーム路程Ｗｔと前記超音波の入射位置と検出位置の間隔である前記送信用斜角探触子と前記受信用垂直探触子との間の表面波のビーム路程Ｗｓとから、あるいは前記表面波と傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する前記回折波成分との前記受信用垂直探触子までの伝播時間差（ｔｔ−ｔｓ）から、三角法を用いた数式１あるいは数式２
ｄ＝（Ｗｔ２−Ｗｓ２）／２Ｗｔ     …（数式１）
Ｗｔ２＝Ｃ（ｔｔ２−ｔｓ２）／２ｔｔ        …（数式２）
但し、ｄは表面からの傷深さ、
Ｃは音速、
Ｗｔ２は傷の端部で発生する回折波成分のうち傷の直上の被検査物の表面 へ直接伝播する成分のビーム路程である。
によって前記被検査物の表面からの前記傷の端部の位置を求めるものである超音波探傷方法。
【請求項２】
前記傷は表面き裂であり、前記被検査物の表面からの傷深さｄを求めるものである請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記傷は被検査物中の損傷であり、前記損傷の前記被検査物表面からの深さ位置Ｗｔ２を求めるものである請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項４】
前記傷は腐食部であり、前記被検査物中の健全部と腐食部との界面の前記被検査物表面からの深さを求めるものである請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項５】
前記傷は微視損傷であり、超音波として大振幅超音波を入射し、前記微視損傷から上方に直接伝播する回折波の高調波成分を検出して前記回折波成分の前記ビーム路程あるいは前記伝播時間を求めるものである請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項６】
前記超音波の入射位置と検出位置との間隔は表面波の伝播時間から求められる請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項７】
前記超音波の入射位置と検出位置との間隔は予め求められ、定間隔に保持されていることを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項８】
前記斜角探触子はレーザである請求項１記載の超音波探傷方法。
【請求項９】
前記レーザは複数であり、遅延発生器を介してレーザの照射間隔をずらすことにより発生した超音波が任意の１点に同時に到達するように時間遅延をかけ、伝播方向の制御を行うものである請求項８記載の超音波探傷方法。
【請求項１０】
厚肉被検査物の表層付近の傷を検出可能とする超音波探傷装置において、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用斜角探触子と、前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波を受信する受信用垂直探触子と、前記受信用垂直探触子が受信した前記傷端部で発生する回折波の前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する成分の前記送信用斜角探触子と前記受信用垂直探触子との間の前記被検査物中の傷の端部を経由して前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分のビーム路程Ｗｔと前記超音波の入射位置と検出位置の間隔である表面波のビーム路程Ｗｓとから、あるいは前記表面波と傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する前記回折波成分との前記受信用垂直探触子までの伝播時間差（ｔｔ−ｔｓ）から、三角法を用いた数式１あるいは数式２
ｄ＝（Ｗｔ２−Ｗｓ２）／２Ｗｔ     …（数式１）
Ｗｔ２＝Ｃ（ｔｔ２−ｔｓ２）／２ｔｔ        …（数式２）
但し、ｄは表面からの傷深さ、
Ｃは音速、
Ｗｔ２は傷の端部で発生する回折波成分のうち傷の直上の被検査物の表面へ直接 伝播する成分のビーム路程である。
によって前記被検査物の表面からの前記傷の端部の位置を算出する演算処理部とを備える超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷方法及び装置に関する。更に詳述すると、本発明は、表面き裂あるいは厚肉の被検査物の表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の傷端部位置、傷深さ若しくは裏面からの傷高さを検出するのに好適な超音波探傷方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントの配管の溶接部のような、厚肉配管溶接部に対する表面き裂の傷深さや、表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の深さや傷位置あるいは裏面からの傷高さなどを非破壊で検査するには、従来から超音波探傷試験が実施されている。そして、厚肉配管溶接部に対する非破壊検査には、単に傷の有無を検出するだけでなく、傷深さや傷高さ、傷の大きさ等を精度良く測定する必要が高まっている。この欠陥のサイジングには発生端と終端を高精度に検出することが不可欠であることから、近年では、フェーズドアレイ法やTOFD（Time Of Flight Diffraction）法、斜角探傷法などの超音波探傷試験法の適用が考えられている。【０００３】
例えば、表面き裂の傷深さの推定には、表面波を利用したTOFD法が一般に用いられている（非特許文献１）。ＴＯＦＤ法によれば、図１３に示すように、き裂のない場合の表面波のビーム路程Ｔ０と、き裂のある場合の表面波のビーム路程Ｔ１との間には路程差が生じる。そこで、き裂のない場合の表面波のビーム路程Ｔ０を予め求めておき、き裂のある場合の表面波のビーム路程Ｔ１を求めて、式１に示す関係から傷深さｄの推定を行う。ここで、ビーム路程とは、送信側探触子と受信側探触子との間でビームが経由する距離をいう。
ｄ＝１／２（Ｔ１−Ｔ０）    …（１）【０００４】
また、斜角探触子を用いた斜角探傷法による傷高さ測定が行われることもある（非特許文献２）。【０００５】
さらに、本発明者等によって、原子力プラントの一次系構造物の炉内構造物や循環配管等に主に使用されているオーステナイト系ステンレス鋼やインコネル（Special  Metals  Corporationの登録商標）の溶接部周辺の傷特に裏面開口傷の傷高さの測定に好適なSPOD法（Short Path of Diffraction：短経路回折波法）と呼ばれる超音波測定法が提案されている（非特許文献３）。このSPOD法は、斜角探触子と垂直探触子とを組み合わせ、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波パルスを入射して傷の端部において発生する回折波を、傷の上方で垂直探触子により受信するようにして、傷の上方へ直接伝播する成分と一度被検査物の裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との到達時間差から傷高さを求めるものである。【０００６】
【非特許文献１】社団法人 日本非破壊検査協会発行「日本非破壊検査協会規格  TOFD法による傷高さの測定方法」平成１３年１２月１日発行
【非特許文献２】社団法人 日本非破壊検査協会発行「日本非破壊検査協会規格  端部エコー法による傷高さの測定方法」平成９年６月１日発行
【非特許文献３】日本保全学会第２回学術講演会要旨集第２１頁〜第２６頁の「超音波探傷試験における簡便な傷サイジング手法の提案」２００５年７月８日配布
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、表面き裂は、構造物の応力集中の起こり易い形状変化部分例えば厚肉配管の管台あるいはＴ形継ぎ手などの厚肉配管同士が角度をつけて接続される溶接箇所などに生じることが多い。このような形状変化部分にある表面き裂を２つの探触子で挟むように配置して探傷を行うことは困難である。更に、ＴＯＦＤ法では、受信する表面波のエコーも弱く、推定を精度良く行うことが不可能であった。したがって、ＴＯＦＤ法を用いて表面き裂を開口部から探傷し、傷深さを求めることには困難が伴う。特に、ＴＯＦＤ法は、傷深さの非破壊測定が求められる原子力プラントの一次系構造物の炉内構造物や循環配管等に主に使用されているオーステナイト系ステンレス鋼やインコネルなどに対して、減衰やノイズが大きく使えないという問題がある。【０００８】
また、斜角探傷法を用いて表面き裂の下端の検出を行う場合でも、傷の下端からの回折波のエコーを検出することができず、傷深さの推定を行うことはできない。これは、斜め上方への回折波のエネルギーが元々弱いうえに、ビーム路程が長くなる分だけ拡散減衰することにより、検出可能な程度の回折波エコーが得られないことに起因する。【０００９】
さらに、被検査物中に腐食部が存在している場合、腐食部とその周りの健全部とは元々同じ物性であり、腐食してもその物性が大きく異ならないことから、それらの界面では超音波のほとんどが透過し、発生する反射波及び回折波が微弱となる。このため、ＴＯＦＤ等の一般的な超音波測定法では腐食部と健全部との境界面の検出が難しく、表面に表れていない腐食の有無を非破壊で検出すること、さらには腐食部が表面に表れていても、腐食部の深さを検出することは難しかった。このことは、初期段階の疲労き裂、閉じたき裂、粒界クリープボイド、微視剥離等の閉じた欠陥全般であって入射波波長よりもはるかに小さな欠陥（以下、微視損傷という）などが集団となって被検査物中に生じた場合においても同様である。このような微視損傷等の塊は、腐食、劣化部分（以下、腐食部という）と判断することができ、従来の超音波探傷法では、腐食部と健全部との境界面の深さ位置を求めることはできない。【００１０】
さらに、本発明者等によって提案された非特許文献３記載のＳＰＯＤ法によっても、厚肉配管溶接部のような厚肉被検査物の表面き裂や表層に近い腐食部や微視損傷などを含む傷の被検査物表面からの傷深さあるいは被検査物裏面からの傷高さを検出する場合においては、最も強いエネルギーが得られる下向きの回折波成分を利用するといっても、被検査物裏面で反射した後に傷の上方に伝播する回折波のビーム路程が長くなるため減衰により信号を検出することができないことが判明した。円弧状（球面状）に広がる回折波のうち、直下へ向かう成分は最も強い。しかし、厚肉の被検査物においては、傷の端部が被検査物の裏面からあまりにも離れている場合、例えば表層付近にある傷や表面開口傷や裏面開口傷であってもその傷高さがあまりにも高く裏面から離れている場合では、被検査物裏面で反射した回折波が受信側探触子まで戻ってくることができず、底面からの反射エコーが見えないことがある。このため、傷の端部で発生する回折波の傷の上方へ直接伝播する成分と一度裏面で反射した後に傷の上方に伝播する成分との到達時間差から傷高さを求めるSPOD法では、表面き裂の傷深さなどを求めることができない場合がある。このことは、腐食部と正常部との界面で起こる回折波においても同様で、腐食部を伝播して底面で反射する回折波は大きく減衰し検出することができない。つまり、オシロスコープ上で見えない。【００１１】
そこで本発明は、表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の傷端部位置、傷深さあるいは傷高さを簡単かつ精度良く検出することができる超音波探傷方法及び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】
【００１２】
かかる目的を達成するため、本発明者等は、種々研究の結果、傷の存在によって発生する回折波の成分のうち、入射元へ戻る成分は弱く、傷の直下即ち超音波を入射する表面とは反対側の裏面（底面）側へ向かう成分が最も強く、その次に直接傷の上方（被検査物の表面側）へ向かう成分が強いという関係にあるが、表面開口傷や試料中の表面に近いところにある傷の場合には、一旦底面で反射してから上に向かう成分よりも、直接傷の上方に向かう成分の方が伝播距離が短い分だけ減衰が少ないことから、結果として最も強い信号となって明瞭に受信できることを知見するに至った。このことに本発明者等は着目し、傷に到達した後に回折波として傷の上方へ直接伝播する超音波のビーム路程及び被検査物表面上の超音波の入射位置と検出位置との距離から、あるいはこれらの関係が反映する表面波と傷の上方へ直接伝播する回折波成分との受信用垂直探触子までの伝播時間差から、三角法（ピタゴラスの定理）を用いて表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の端部位置、傷深さあるいは傷高さを求めるに至った。【００１３】
即ち、請求項１記載の発明は、厚肉被検査物の表層付近の傷を検出可能とする超音波探傷方法において、斜角探触子によって被検査物に対して斜め方向から超音波を入射させて被検査物中の傷の端部で回折波を発生させると共に、傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分を垂直探触子によって検出し、送信用斜角探触子と受信用垂直探触子との間の被検査物中の傷の端部を経由して傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分のビーム路程Ｗｔと超音波の入射位置と検出位置の間隔である送信用斜角探触子と受信用垂直探触子との間の表面波のビーム路程Ｗｓとから、あるいは表面波と傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分との受信用垂直探触子までの伝播時間差から、三角法を用いた数式１あるいは数式２
ｄ＝（Ｗｔ２−Ｗｓ２）／２Ｗｔ     …（数式１）
Ｗｔ２＝Ｃ（ｔｔ２−ｔｓ２）／２ｔｔ        …（数式２）
但し、ｄは表面からの傷深さ、
Ｃは音速、
Ｗｔ２は傷の端部で発生する回折波成分のうち傷の直上の被検査物の表面へ直接 伝播する成分のビーム路程である。
によって被検査物の表面からの傷の端部の位置を求めるものである。ここで、ビーム路程と伝播時間との関係は、ビーム路程＝伝播時間×入射超音波の音速であることから、超音波の音速が実質一定と考えられる材料中では、伝播時間が検出できればビーム路程は演算により求められる。
【００１４】
また、本発明の超音波探傷法は、傷から直接上方の探傷面へ向けて伝播する回折波成分を利用して傷の端部位置を求めることから、表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の端部位置並びに傷の下方（超音波を入射する面とは反対側の面）に向けて伝播し一旦底面で反射してから上に向かう回折波成分の検出が難しい状況下での被検査物の表面からの傷深さを求めるのに適している。ここで、傷が微視損傷の場合には、超音波として大振幅超音波を入射し、微視損傷から上方に直接伝播する回折波の高調波成分を検出することにより、ビーム路程あるいは伝播時間差を求める。
【００１５】
また、超音波の入射位置と検出位置との間隔は、例えば表面波の伝播時間から求めても良いし、あるいは送信用斜角探触子と受信用垂直探触子との間隔を実測したり、若しくは被検査物の表面側における超音波の入射位置と検出位置との間隔を予め定間隔に保持しておくようにしても良い。【００１６】
さらに、斜角探触子としての超音波発生源としては、圧電振動子や磁歪振動子の使用が一般的であるが、場合によってはレーザによって超音波を励起させるようにしても良い。レーザ超音波法によると、非接触で超音波を励起させられるので高温環境下での測定や複雑な形状を有する物の測定などに好適であるが、さらに圧電素子を用いた超音波探傷法に比べて、強い表面波の受信信号が存在することから、表面波および傷の上方に伝播する回折波の伝播時間の関係から傷高さの推定を行う場合に好適である。ここで、斜角探触子としてレーザを用いる場合には、受信用垂直探触子としては干渉計の使用が好ましい。さらに、このレーザ超音波法の場合には、レーザは複数であり、遅延発生器を介してレーザの照射間隔をずらすことにより発生した超音波が任意の１点に同時に到達するように時間遅延をかけ、伝播方向の制御を行うものであることが好ましい。【００１７】
また、本発明にかかる超音波探傷装置は、厚肉被検査物の表層付近の傷を検出可能とする超音波探傷装置において、被検査物中の傷に対し斜め方向から超音波ビームを入射する送信用斜角探触子と、前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波を受信する受信用垂直探触子と、前記受信用垂直探触子が受信した前記傷端部で発生する回折波の前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する成分の前記送信用斜角探触子と前記受信用垂直探触子との間の前記被検査物中の傷の端部を経由して前記傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する回折波成分のビーム路程Ｗｔと前記超音波の入射位置と検出位置の間隔である表面波のビーム路程Ｗｓとから、あるいは前記表面波と傷の直上へ向けて最短ビーム路程で直接伝播する前記回折波成分との前記受信用垂直探触子までの伝播時間差（ｔｔ−ｔｓ）から、三角法を用いた数式１あるいは数式２
ｄ＝（Ｗｔ２−Ｗｓ２）／２Ｗｔ     …（数式１）
Ｗｔ２＝Ｃ（ｔｔ２−ｔｓ２）／２ｔｔ        …（数式２）
但し、ｄは表面からの傷深さ、
Ｃは音速、
Ｗｔ２は傷の端部で発生する回折波成分のうち傷の直上の被検査物の表面へ直接 伝播する成分のビーム路程である。
によって被検査物の表面からの傷の端部の位置を算出する演算処理部とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、傷の直下へ向けて伝播する回折波成分の次に強く且つ最短のビーム路程で伝播する上方への回折波成分をウェッジを介さず直接受信するので、減衰の影響を受け難く、より強い信号として受信することができる。したがって、熟練の検査員でなくとも測定結果にばらつきなく、精度良く測定できる。【００１９】
また、本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、損傷等が被検査物の表層付近に存在している場合であっても、被検査物表面から傷の端部までの位置を求めることができる。したがって、表層付近における傷の有無や傷の被検査物表面または裏面からの位置、具体的には表面傷の深さや表面からの傷の腐食の深さあるいは表層付近の閉じた傷などの有無とその位置を求めることができる。
【００２０】
しかも、本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、傷の端部の位置は、簡単に算出することができる。つまり、材質や測定面の形状変化などに左右されずに被検査物表面の傷深さの推定を行うことが可能となる。【００２１】
また、本発明の超音波探傷方法並びに装置によれば、溶接時のブローホール等の被検査物中の傷の検出を行うことが可能となるため、これらの初期欠陥を予め計測することで製品の性能評価を行うことが可能となる。【００２２】
また、請求項４記載の本発明の超音波探傷方法によれば、被検査物中の健全部と腐食部との界面のような微弱な反射源であっても、最短距離で尚かつ底面に向く成分に次いで強い信号となる垂直探触子に直接向かう回折波の成分を用いるので、回折波を検出可能なレベル・強さで受信することができる。したがって、腐食部と健全部の界面の位置を他の測定法あるいは目視判断などとの併用により、被検査物表面からの腐食部の深さを求めることができる。
【００２３】
さらに、請求項５記載の発明にかかる超音波探傷法によれば、最短のビーム路程で伝播する上方への回折波成分をウェッジを介さず直接受信するので、減衰の影響を受け難く、より高い周波数の高調波成分を受信することができる。つまり、検出用の超音波の周波数を従来よりも高くできるので、検出分解能が高く、より微細な損傷を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の超音波探傷方法による探傷、傷深さの推定方法の説明図である。
【図２】傷深さの推定時の表面波及び回折波の受信波形の一例を示す図である。
【図３】本発明の超音波探傷方法による探傷、傷高さの推定方法の説明のための図である。
【図４】レーザによって超音波を励起する超音波探傷装置の一例を示す説明図である。
【図５】圧電振動子を用いた超音波探傷装置の一例を示す説明図である。
【図６】被検査物中の損傷を検出する実施形態の一例の説明図である。
【図７】被検査物中の裏面腐食部の界面の検出原理を説明する図である。
【図８】図７の検出方法における受信波形の一例を示すグラフであり、縦軸に変位を、横軸にビーム路程を示す。
【図９】被検査物の表面腐食部の界面の検出原理を示す図である。
【図１０】図９の検出方法における受信波形の一例を示すグラフであり、縦軸に変位を、横軸にビーム路程を示す。
【図１１】受信側探触子をスリットの上方に固定的に配置し、励起レーザの照射位置を移動させながら被検査物中の傷の端部を検出する方法を示す説明図である。
【図１２】受信探触子及び励起レーザの照射位置を一定間隔として同時に移動させながら被検査物中の傷の端部を検出する方法を示す説明図である。
【図１３】従来のＴＯＦＤ法による表面き裂の傷深さ推定方法の説明のための図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  超音波探傷装置
２  レーザ
３  遅延発生器
６  被検査物
７  干渉計
８  検出用レーザ
１２  パーソナルコンピュータ
１３  被検査物表面
１４  被検査物裏面
１５  表面波
１６  被検査物に入射された超音波
１７  回折波
１８  上方へ伝播する回折波
２１  送信用斜角探触子
２２  受信用垂直探触子
２５  腐食部
２６  健全部
２７  腐食部と健全部との界面
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の一形態に基づいて詳細に説明する。【００２７】
本発明の超音波探傷方法は、斜角探触子によって被検査物に対して斜め方向から超音波を入射させ、被検査物中の傷の端部で発生する回折波を傷の上方で垂直探触子によって検出し、回折波の直接上方に伝播する成分の送信用斜角探触子と受信用垂直探触子との間の傷を経由したビーム路程と超音波の入射位置と検出位置の間隔とから、あるいはこれらの関係が反映する表面波と傷の上方へ直接伝播する回折波との受信用垂直探触子までの伝播時間差から、三角法を用いて被検査物の表面からの傷の端部の位置を求めるようにしている。【００２８】
ビーム路程と伝播時間との間には、式２
ビーム路程＝伝播時間×入射超音波の音速      …（２）
の関係が成立することから、超音波の音速が実質一定と考えられる材料中では、伝播時間が検出できればビーム路程Ｗｔは演算により求められる。また、図１に示すように、超音波の入射地点から傷２０に到達するまでのビーム１６に対し、傷２０の端部で発生した回折波１７の直上へ直接向かう成分１８と、入射地点から受信用垂直探触子（検出位置）に向けて被検査物６の表面１３を伝播する表面波１５とは直角三角形の関係にある。このことから、被検査物の表面１３に沿って伝播する表面波１５と被検査物６中を伝播して傷２０で回折波１７を生じる超音波１６との伝播時間差あるいはそれぞれのビーム路程から三角法を用いて表面き裂や厚肉の被検査物の表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の被検査物の表面あるいは裏面からの端部までの距離、即ち傷深さあるいは傷高さを求めることができる。回折波の傷の直上へ直接向かう成分の伝播距離が傷までの深さ分だけと短いため、拡散減衰が少なく、回折波を精度良く検出することが可能となる。【００２９】
ここで、受信波としては縦波の利用が好ましい。この場合、横波より速く探触子に到達することの他に、波長が長いため金属組織による影響を受け難いためである。しかしながら、検出に用いるのは縦波に限定されるものではなく、横波を用いても良い。受信用垂直探触子では縦波だけでなく、横波も受信される。両波はより高精度でロバスト性にも優れていることが実験で確認された。したがって、検出位置によっては横波が強い場合もあるので、縦波か横波のいずれか一方若しくは双方を用いることで、より検出結果の良い方を用いることでより明確な損傷の検出を行うことができる。【００３０】
この超音波探傷方法並びに装置における送信用斜角探触子としては、圧電振動子や磁歪振動子の使用が一般的であるが、場合によってはレーザを用いるようにしても良い。レーザを用いて超音波を励起させる場合には、非接触で超音波を励起させられるので高温環境下での測定や複雑な形状を有する物の測定などに好適である。さらに本発明者等は、レーザにより励起された超音波を用いる場合には、圧電素子を用いて超音波を入射する場合に比べて、強い表面波の受信信号が存在することを知見した。このため、圧電素子を用いた超音波探傷法に比べて、強い表面波の受信信号が存在することから、三角法を用いて厚肉被検査物の表面き裂や表層に近い腐食部や微視損傷を含む傷の被検査物表面からの傷深さあるいは被検査物裏面からの傷高さを求める場合に好適である。勿論、圧電振動子や磁歪振動子などを用いた一般的な送信用斜角探触子並びに受信用垂直探触子によっても問題なく傷などを検出できることは言うまでもない。即ち、レーザ超音波法でも圧電素子を用いた超音波探傷法のいずれでも傷深さを精度良く推定することが可能である。【００３１】
そして、送信用斜角探触子としてレーザを用いる場合には、回折波の検出を行う受信用垂直探触子としては干渉計を用い、これによって非接触で行うことがより効果的であり好ましい。被検査物中を伝播した超音波振動が被検査物表面に到達すると、到達点がｎｍ以下の微小な変位で振動する。そこで、超音波を検出したい位置にレーザ光を照射すると、その反射光には微小な光周波数遷移（ドップラーシフト）が発生する。レーザ光の周波数と位相の安定度が十分高ければ、この微小な光周波数遷移が干渉効果を用いて計測できる。尚、斜角探触子としてレーザを用いる場合の受信用垂直探触子としては干渉計の使用が一般的であるが、接触下での検出が可能な場合には圧電素子や磁歪振動子の受信用垂直探触子を用いるようにしても良い。【００３２】
さらに、レーザを被検査物に照射して超音波を励起させる場合には、図４に示すように、複数のレーザ２を用い、遅延発生器３を介して各レーザ２の照射タイミングをずらすことにより発生した全ての超音波の縦波あるいは横波が検出ポイントとなる任意の１点に同時に到達するように時間遅延をかけ、伝播方向の制御を行うことが好ましい。この場合には、被検査物６に照射された各レーザ光９によって順次励起された超音波が合成され、振幅の大きな超音波を形成できる。これにより、検出感度もよく、高精度な探傷を行うことが可能となる。また、各レーザ２から異なるタイミングで励起用のレーザ光９を送信し、超音波を発生させることで、励起された波の伝播方向の制御が可能となる。例えば、時間遅延を少なく設定すれば、合成波の入射角は小さくなり、時間遅延を大きく設定すれば、合成波の入射角を大きくすることができる。そこで、遅延時間を制御することによりビームの入射角を制御することができる。更に、複数のレーザ２で励起された波の到達順序を制御し、波を合体させることで基本周波数付近にエネルギーの集中した狭帯域超音波を発生させることができる。【００３３】
この実施形態における送信側のレーザ２としては、Ｑスイッチを備えるＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザ等が用いられている。そして、遅延発生器３によって検出用レーザ８のトリガ信号に対する各送信側レーザ２のＱスイッチの遅延時間が設定されることにより、レーザパルスが時間を遅らせて生成される。また、干渉計７としては、例えば二光波混合干渉計を用いることが好ましいが、これに限られるものではなく、ファブリ・ペロー型干渉計（ＣＦＰＩ）等の他の公知のまたは新規の干渉計を用いるようにしても良い。さらに、干渉計７にはデータ収集用並びに制御装置としてのパーソナルコンピュータ１２がオシロスコープ１１及びバンドパスフィルタ１０を介して接続される。そして、干渉計７により検出された信号は、バンドパスフィルタ１０を通じてオシロスコープ１１によって記録され、さらにコンピュータ１２に取り込まれる。コンピュータ１２は、図示していない中央演算処理装置と中央演算処理部の動作手順を規定するプログラムや中央演算処理部によって処理されるデータなどを記憶するメモリ、並びに取り込まれたデータを格納する記憶手段、表示手段、キーボードやマウスなどの入力手段などを備え、オシロスコープ１１及びバンドパスフィルタ１０と共に探傷器に相当する機能を構築する。尚、図中の符号４ａ、４ｂはミラー、５は集光用レンズである。バンドパスフィルタ１０は、例えばローバンドパスフィルタであり、ノイズの除去等に用いる。【００３４】
このように構成された超音波探傷装置によれば、超音波を任意の１点に同時に到達するように時間遅延をかける処理は、例えばオシロスコープ１１のモニタリングにより簡便に行うことができる。具体的には、まず任意に選択した一つのレーザ２により励起された波形の検出を行ってオシロスコープ１１の画面上に記録する。次に、残りのレーザ２を１つずつ順次励起し、それぞれ得られた波形をオシロスコープ１１上で観察しながら、先に記録されたレーザの波形のピークと一致させるようにレーザ２について時間遅延を設定する。勿論、予め三角法を用いた計算により遅延時間を求めるようにしても良い。また、被検査物６の厚さ、材質、照射位置間隔毎に、レーザの遅延時間を予め求めておいても良い。【００３５】
また、圧電素子を用いた探触子を利用する場合には、例えば図５に例示するような構成の装置で本発明の超音波探傷方法を実施可能である。この超音波探傷装置は、被検査物６に対し超音波ビームを入射する送信用斜角探触子２１と、被検査物６中を傷の上方へ伝播する回折波を受信する受信用垂直探触子２２と、データ収集用並びに制御装置としてのパーソナルコンピュータ１２を備え、Ａ／Ｄ変換ボード２４を介して接続されたパルスレシーバ２３を介して送信用探触子２１並びに受信用探触子２２の送受信の動作を制御するように設けられている。
【００３６】
ここで、制御・データ取得用のコンピュータ１２は、Ａ／Ｄ変換ボード２４とパルスレシーバ２３とによって、探傷器に相当する機能を構成する。勿論、探傷器を別途使用し、データ収集のみをコンピュータ１２で行うようにしても良い。さらに、スキャン条件の設定、探傷時の走査コントロールなどは全てコンピュータ１２において行う。  【００３７】
尚、いずれの方式においてもコンピュータ１２においては、回折波１７の傷の上方に直接伝播する成分の送信用斜角探触子２１と受信用垂直探触子２２との間の傷２０を経由した入射超音波１６の全ビーム路程Ｗｔと超音波の入射位置と検出位置の間隔Ｓとから、あるいは傷２０に向けて入射されかつ傷２０に到達して回折波として傷２０の上方へ直接伝播する入射超音波１６と表面波１５との被検査物中の伝播時間差（ｔｔ−ｔｓ）から、三角法を用いて被検査物６の表面１３からの傷２０の端部の位置を中央演算処理部で演算するようにしている。同時に、超音波ビームの表面波１５と傷２０の端部に達したときに発生する回折波１７の傷の上方へ直接伝播する成分１８の信号とを同時に表示手段としてのオシロスコープ１１に表示して探傷面への到達時間差を示すようにしている。【００３８】
図１に、本発明の超音波探傷方法を表面き裂の傷深さ測定に適用した実施形態の説明図を示す。尚、本実施形態においては、送信側探触子としてレーザ、受信用垂直探触子として干渉計と検出用レーザを用いた場合について説明する。【００３９】
本実施形態において、励起用レーザ光９の照射地点と検出用レーザ光８の照射地点とは一定の間隔Ｓを保ちながら、同じ方向に同量ずつ移動するものとしている。この場合、一体的に励起用レーザ光９の照射地点と検出用レーザ光８の照射地点とを移動させるだけで信号が得られるので、一方の探触子の固定位置の選定に時間をとられることがない。したがって、検出用レーザ光８の照射位置が表面き裂２０の上方に達すると、傷２０の下端からの回折波を検出する。これにより、目視で判別できないような表面き裂でも発見することが可能となる。尚、表面き裂２０の位置が予めわかっている場合には、検出用レーザ８の照射位置を当該表面き裂の位置としても良いのは、勿論である。超音波の入射位置と検出位置との間隔Ｓ並びに超音波の入射角θを一定にする場合、円弧状に広がる超音波のビーム中心が必ずしも傷の先端に当たるとは限らないが、ビーム中心から離れた部分が傷２０の先端に当たっても回折波は発生することから、傷２０の先端を検出することができる。また、励起レーザ光９の照射位置を走査させるようにしても良い。【００４０】
超音波の入射により、受信用垂直探触子２２では図２に示すように、まずビーム路程が短い表面波１５が超音波の入射時からｔｓ後に、次に傷２０を経由して回折波として傷の上方へ直接伝播される路程Ｗｔの入射超音波がｔｔ後に検出される。表面波１５のビーム路程Ｗｓと被検査物６の中における超音波の全ビーム路程Ｗｔとは、音速をＣとすると、前述の式２の関係から、Ｗｓ＝Ｃｔｓ、Ｗｔ＝Ｃｔｔで表される。このことより、表面き裂２０の傷深さｄは、ピタゴラスの定理から展開された式３により求めることができる。尚、励起レーザ光９の照射位置と検出用レーザ光８の照射位置との間隔Ｓ即ち表面波の路程Ｗｓは、表面波１５の伝播時間から算出しても良いし、予め間隔を一定の値に設定したり、あるいは探傷毎に実測するようにしても良い。また、音速Ｃは被検査物の材質に依存するものであり、予め求められる。
ｄ＝（Ｗｔ２−Ｗｓ２）／２Ｗｔ      …（３）【００４１】
次に、図３に肉厚被検査物の裏面傷の高さｄを求める場合の原理を示す。図４に示す超音波探傷装置１の複数のレーザ２に各々設定された時間遅延により被検査物６の中での伝播方向が制御された超音波１６は、ビーム路程Ｗｔ１で傷２０まで伝播し、さらに傷２０の端部で回折し回折波１７を生じる。回折波１７のうち、傷２０の直上へ直接伝播する成分１８はビーム路程Ｗｔ２で被検査物６の表面１３まで直接に伝播する。同時に、縦波の表面波１５がビーム路程Ｗｓで被検査物６の表面付近を伝播する。
【００４２】
表面波１５と入射超音波１６の上方へ伝播する回折波１８の到着時刻ｔＳ，ｔｔから、以下の式４、式５が与えられる。
ＷＳ＝Ｃ・ｔＳ                  …（４）
Ｗｔ１＋Ｗｔ２＝Ｃ・ｔｔ           …（５）【００４３】
更に、Ｗｔ２を式６により求めることができ、傷高さｄは、被検査物６の厚さＴからＷｔ２を引くことにより求めることができる。尚、被検査物１６の厚みＴは厚さ計等により簡単に図ることが可能である。そこで、裏面１４からの回折波１７の反射が検出できない場合でも、裏面開口傷の傷の端から被検査物の表面１３までの距離Ｗｔ２が求まれば、傷２０の被検査物裏面２０からの高さｄを求めることが可能である。
Ｗｔ２＝Ｃ（ｔｔ２−ｔｓ２）／２ｔｔ        …（６）
【００４４】
また、本発明の超音波探傷方法は、従来では検出が困難であった被検査物中で閉じた傷例えば溶接時のブローホール等の閉じた球状の欠陥に対しても同様に傷の端部の存在を検出でき、損傷の被検査物表面からの深さ位置を推定することができる。特に、図６に示すように、傷２０が被検査物６の表層付近にある場合あるいは裏面開口傷でも傷高さが高い場合等において、厚肉の被検査物６の裏面２０で一度反射した後に被検査物６の表面側即ち２０の上方へ伝播する回折波（図示省略）が受信できない場合において有用である。【００４５】
即ち、被検査物の表面１３からの傷２０の端部までの位置は上述の手法によって求まる。一方、傷２０が開口傷か閉じた欠陥かどうかは、他の超音波探傷法を併用することにより簡単に判別することが可能である。例えば、斜角探傷法を用いた場合であれば、開口部からの強い反射波を開口部エコーとして受信するので、その開口部エコーの有無により判断することができる。よって、本発明の超音波測定方法と斜角探傷法を組合せることにより従来の超音波探傷法では困難であったブローホール等の内在球状欠陥１２の底面からの高さ位置ｄを推定することが可能となる。【００４６】
さらに、通常の超音波探傷試験に用いられる超音波の振幅（１ｎｍ程度）に代えて、少なくとも５倍から数十倍程度の振幅を持つ大振幅超音波を用いれば、微視損傷が被検査物中に存在する場合には、この微視損傷を閉口させ、超音波の引張相での部分的な波の透過に伴い、回折波１７に高調波成分を発生させる（回折波形の非線形性）。したがって、受信用垂直探触子２は高調波成分を含む回折波を受信することとなる。例えば、周波数５ＭＨｚの超音波を入射すると、受信用垂直探触子２２では１０ＭＨｚの２次高調波が受信される。そこで、受信した回折波１８に高調波成分が含まれるか否かにより被検査物中に微視損傷が存在するか否かの判断、即ち、微視損傷の検出をすることができる。更に、微視損傷２０から上方に直接伝播する回折波１８と表面波１５との到達時間差から、微視損傷２０の被検査物表面からの位置を推定することができる。この場合、大振幅超音波は、周波数が高周波数になる程より微細な傷が検出できることから、受信用垂直探触子で受信可能な範囲でより高周波数となる超音波を用いることが好ましい。【００４７】
ここで、振幅の大きい超音波は、通常の超音波に比べて減衰が大きいことから、超音波の伝播距離が長いと、拡散減衰して受信用垂直探触子で受信可能な信号レベルの高調波成分を検出できない。しかしながら、本発明では、傷２０の先端から直接上方即ち受信用垂直探触子２２へ向けて伝播する回折波１８を受信用垂直探触子２２でウェッジを介さずに直接受信することにより、最も減衰を少なくして強い信号のまま受信可能となる。したがって、現在の一般的なウェッジを用いた場合であれば、受信用垂直探触子は最大１６ＭＨｚまで２次高調波が受信可能となる。【００４８】
尚、微視損傷１４の有無のみを検出の目的とする場合は、受信用垂直探触子２２は、少なくとも回折波１８及びその高調波成分が受信可能であれば良い。【００４９】
更に、本発明の超音波探傷方法は、被検査物６中の健全部２６と腐食部２５との界面２７を検出する場合にも適用できる。例えば、図７に示すように、送信用斜角探触子２１から超音波１６を入射し、界面２７で生じる回折波１７のうち界面２７から上方に伝播する微弱な回折波１８を短いビーム路程で捉えることによって、最小限の減衰で検出することができる。尚、入射波１６には、超音波探傷法において通常の振幅の超音波を用いても、大振幅超音波を用いて非線形超音波を利用しても良い。また、被検査物中の微視損傷が集団となって生じた場合における当該箇所も、腐食、劣化部分（以下、腐食部という）と判断することができる。【００５０】
ここで、受信用垂直探触子２２を腐食部２５の上に固定して送信用斜角探触子２１を図中の矢印方向に走査しながら波形の観察を行うと、界面２７が存在する場合、図８に示すような受信波形が得られる。変位のピーク２８は、界面２７からの回折波１８を示し、ピーク２８以降の連続した変位は裏面１４からの散乱波２９を示している。尚、本実施形態では、送信用斜角探触子２１及び受信用垂直探触子２２は、間隔Ｓを一定にして移動するものとしているが、２つの探触子間隔の計測をその都度行うようにしても良い。尚、図８に示すように散乱波２９がピーク２８の後に表れるときには裏面腐食部の存在が確認できる。【００５１】
これとは逆に、図９に示すように被検査物６の表層に腐食部２５がある場合には、図１０に示すような受信波形を示し、その界面２７の深さＴ１は前述した通り三角法により求めることができる。ここで、表面腐食の場合には、まず界面２７からの散乱波２９を受信して、その後界面２７からの回折波１８のピーク２８を受信する。したがって、散乱波２９とピーク２８のどちらが先に表れるかで、表面から起こる表面腐食か、裏面から起こる裏面腐食かの判断ができる。【００５２】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、探触子には、ローレンツ力を利用した電磁超音波探触子（ＥＭＡＴ）を用いるようにしても良い。また、レーザで超音波を被検査物に励起させる場合には、被検査物６を水中に設置して探傷を行う（水浸法）ようにしても良い。【００５３】
また、受信用垂直探触子２２の配置位置は、傷２０の直上であることが最も好ましいものの、厳密な意味で直上であることに限られず、傷２０の上方へ直接伝播する回折波１８を受信できる範囲において状況に応じて適宜受信位置をずらすことができる。【００５４】
また、探触子２１，２２を当てる探傷面に凹凸、例えば溶接の余盛りや面の変形部位、非研磨部位等が存在する場合には、探触子特にウェッジを用いない受信用垂直探触子２２を探傷面に密着させられないため、探傷面に柔軟性のある探触子を用いることが好ましい。このような柔軟探触子７としては、例えばジャパンプローブ社製のソフトプローブ等の使用が可能である。【００５５】
また、送信用探触子及び受信用探触子のいずれか一方または双方の周囲に水槽を設けて探触子を水浸させた状態で送信ないし受信することも可能である。尚、局部水浸法は、水中で送信側探触子の角度を変えることにより、送信側探触子でも用いることが可能である。
【実施例】
【００５６】
（実施例１）
本発明の超音波探傷方法の有用性について実験を行った。本実験では、表面を研磨した幅４０ｍｍ×長さ８０ｍｍ×厚み２０ｍｍのアルミニウム被検査物６を用いた。尚、実験では、被検査物６に幅０．５ｍｍ、高さがそれぞれ２ｍｍ、５ｍｍ、８ｍｍのスリット２０を入れ、傷の代用とした。本実験では、１本のレーザを用いて超音波を励起するようにした。尚、縦波超音波の入射角は４５°に制御した。【００５７】
被検査物６の厚さは２０ｍｍと薄いので、検出用レーザでは検出が困難である。そこで、基本周波数５ＭＨｚ、直径８ｍｍの圧電素子による受信用垂直探触子２２を用いた。【００５８】
走査は、図１１及び図１２に示す２つの走査方法により行った。一つは、図１１に示すように受信用垂直探触子２２を予めスリット２０の上方に固定的に配置し、送信側の励起用レーザ光９の照射位置を移動させた。もう一つは、図１２に示すように、受信用垂直探触子２２及び励起用レーザ光９の各照射位置の間隔Ｓを一定にして励起レーザ光９と受信用垂直探触子２２とを同時に同量だけ同方向へ揃えて移動させるようにした。尚、ｘは、走査開始時のレーザ照射位置とスリット２０との距離、Ｓはレーザ照射位置と受信探触子２２との距離を示す。尚、走査は１ｍｍずつ行った。また、符号３０で示す矢印は走査方向を示す。【００５９】
探傷結果を表１に示す。表面波及び上方回折波を用いた探傷方法の場合、スリット２０が２ｍｍまたは５ｍｍの場合には、誤差が生じず、８ｍｍの場合でも誤差はわずか０．４ｍｍ（５％の誤差）であり、高い精度で傷の高さを計測できることが確認できた。このように、本発明の超音波探傷方法によれば、傷高さの測定精度を高められることが確認できた。
【表１】
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【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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