(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
丸或いは角ビレットや鋼管の表面欠陥を検出する装置であって、表面波超音波を１８０°相対する方向に発振する発振センサーと、この発振センサーと同一の断面上の直近に配置され表面波を検出する受信センサーを１対として、前記丸或いは角ビレットや鋼管の周方向における９０°離れた位置に２対設け、これらの受信センサーで受信した信号を増幅する増幅器と、この増幅された信号のうち欠陥信号高さと直接受信信号の高さの比に基づいて欠陥の有無を判定する判定器を備えたことを特徴とする表面欠陥検出装置。
【請求項２】
受信センサーは、表面波超音波が伝搬するビーム幅の少なくとも１/ ２の軸方向長さを有し、丸或いは角ビレットや鋼管の周方向にわずかな距離を存して配置した２個で１チャンネルのセンサーとしたことを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種鉄鋼製品の素材である、例えば角ビレットの表面欠陥を検出する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の表面疵を検査する方法として、例えば、漏洩磁束探傷法や渦電流探傷法のような電磁気的な検査法がある。そして、漏洩磁束探傷法や渦電流探傷法のような電磁気的な検査法で、例えば角ビレットのような平面形状を有する材料を検査する場合には、センサーを平面走査する方法が多用されている。
【０００３】
しかしながら、これらの電磁気的な検査法ではセンサーの有効検査範囲が狭いので、平面走査法においてオンラインでの検査能率を確保するためには、多数のセンサーを使用した多チャンネル化や、高速走査機構を採用する必要が有る。
【０００４】
このうち、多チャンネル化を採用する場合には、多数のセンサーが必要となるので、設備コストが膨大となる。また、高速走査機構を採用する場合には、回転型や揺動型の高速スキャナーが必要となると共に、コーナーのＲ部分に沿った走査機構が必要となるので、装置構成が複雑になったり、材料との距離を０．数ｍｍと微妙な距離で保つための精度維持が困難であったりする。
【０００５】
そこで、表面波超音波法を用いた方法が種々提案されている。
例えば、特公昭５３−１７３１５号では、表面波超音波（以下、単に「表面波」と言う。）の伝搬に、カップリング水を供給する噴流ノズルを用いて表面波を発生させ、前記カップリング水の減衰による伝搬距離の短縮をカバーするためにセンサーを回転させる表面波探傷装置が提案されている。
【０００６】
また、特公昭５５−１９５０３号では、上記した特公昭５３−１７３１５号における、カップリング水による表面波の減衰に起因した伝搬距離の短縮対策として、エアーパージヘッダーを設けた表面波探傷装置が提案されている。
【０００７】
また、特開昭５２−９３３８９号では、鋼材のコーナー部の疵を探傷するために、コーナー側線と平行に表面波を伝搬させる探傷方法が提案されている。
また、特開昭５８−９２９５０号では、上下２個のタイヤ探触子から発せられる表面波を用い、欠陥からの反射信号を用いて表面に存在する疵を検出するに際し、被検査材の大きさ、反り等に拘らず、探触子の追従を安定して行える探傷装置が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公昭５３−１７３１５号や、特公昭５５−１９５０３号で提案された表面波探傷装置は、水を用いるので、十分な伝搬距離が得られないといった問題が有る。
【０００９】
また、特開昭５２−９３３８９号で提案された探傷方法では、コーナー側線と平行に表面波を伝搬させるために、コーナー部で発生する軸方向疵が検出できないといった問題が有る。
【００１０】
また、特開昭５８−９２９５０号で提案された探傷装置は、タイヤ探触子を使用しているが、タイヤ探触子を使用する場合には、表面波の入射を安定させるために、材料とタイヤの間に微量の水を供給する場合が有る。この場合、表面波が材料に入射する地点で反射が生じるために、入射点において不感帯が発生する。従って、特開昭５８−９２９５０号では、この不感帯の検査のために２個のタイヤ探触子を使用しているが、探傷時に、前記した水が材料の表面に残存していると、水によって表面波が反射して、誤検出の原因となる。
【００１１】
また、特開昭５８−９２９５０号で提案された探傷装置では、２個のタイヤ探触子を使用しているのに加えて、複雑な追従機構部が必要あるから、設備費の増大は避けられない。加えて、表面性状の悪い材料上を薄いゴムを用いたタイヤを走査させるので、タイヤの寿命が短いなど、実用化への問題が多い。
【００１２】
本発明は、上記した従来の問題点を解消できる表面波を用いた表面欠陥検出装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の表面欠陥検出装置は、表面波を材料の表面に沿って１８０°相対する円周方向に伝搬させ、材料の周方向における９０°離れた位置に配置した２対の受信センサーを用いて欠陥から反射した表面波を受信することとしている。そして、このようにすることで、不感帯を防止しつつ、欠陥の有無が判定できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図６に示すように、発振センサーから表面波を発振し、伝搬してきた表面波を受信センサーで受信して欠陥を検出する方法では、受信センサーで受信される信号には、欠陥からの反射信号のみならず、発振センサーの左右から伝搬して直接受信センサーで検出される信号や、おおむね１周を伝搬してきて受信センサーで検出される信号が存在する。このため、これらの受信される信号と同じ時間位置に存在する欠陥信号を識別できず、いわゆる不感帯が発生する。
【００１５】
一方、例えば角ビレットの同一断面上における、時計周り方向に１／８周離れた位置に、発振センサーと受信センサーを順に配置し、発振センサーから発振した表面波を、角ビレットの表面に沿って時計周り方向に９／８周伝搬させた場合において、角ビレットの表面に欠陥が存在しない場合における受信センサーでの表面波受信波形を図６（ａ）に、欠陥が存在する場合における受信センサーでの表面波受信波形（９／８周透過エコー）を図６（ｂ）に示すが、この図６に示したように、角ビレットの表面に欠陥が存在すると、一部のエネルギーが伝搬途中に反射されるので、受信センサーでの欠陥信号Ｆが検出される。
【００１６】
なお、図６におけるＴは発振センサーからの発振信号、ＤＲは例えば時計周り方向に１／８周のみ伝搬して受信センサーで直接受信された直接受信信号、Ｒｃｗは時計周り方向に９／８周伝搬して受信センサーで受信された受信信号（９／８周透過エコー）を、Ｒｃｃｗは反時計周り方向に７／８周伝搬して受信センサーで受信された受信信号（−７／８周透過エコー）を、Ｆは時計周り方向に伝搬した表面波が人工欠陥で反射し、受信センサーで受信された受信信号（反射エコー）を示す。
【００１７】
また、前記センサー配置とした時の角ビレットの各面に対するセンサー配置の位置関係を図５（ａ）に、また、有効探傷範囲と不感帯の関係を図５（ｂ）に示す。この図５（ｂ）では発振センサーと受信センサーを角ビレットのＡ面に設けて角ビレットを探傷した場合のＣＷ方向の伝搬波と、ＣＣＷ方向の伝搬波を区分して記述している。
【００１８】
ＣＷ方向に発振された表面波は、直後に直接受信波（信号）ＤＲとして受信され、円周方向に１周伝搬してＣＷ１波…として検出される。この１周伝搬する際、角ビレットのＢ面に欠陥が存在すると、図５中のＥ１〜Ｅ２（エッジ１〜エッジ２）に欠陥信号が検出される事になる。つまり、１周伝搬波に対して、反射波は反射された後に同経路をＣＷと逆方向に伝搬して行くために、前記Ｅ１〜Ｅ２の間で検出される事になる。
【００１９】
同様に、角ビレットのＣ面に欠陥が存在すると、図５中のＥ２〜Ｅ３（エッジ２〜エッジ３）に、角ビレットのＤ面に欠陥が存在すると、図５中のＥ３〜Ｅ４（エッジ３〜エッジ４）に、と言うように欠陥信号が検出されることになる。一方、ＣＣＷ方向ではおおむね角ビレットを１周した波が受信波ＣＣＷ１として検出される。このＣＣＷ方向に発振された表面波も、ＣＷ方向と同様に、角ビレットのＤ面に欠陥が存在すると、図５中のＥ４〜Ｅ３に、角ビレットのＣ面に欠陥が存在すると、図５中のＥ３〜Ｅ２に、角ビレットのＢ面に欠陥が存在すると、図５中のＥ２〜Ｅ１に、と言うように、角ビレットのおのおのの面からの欠陥信号が検出される事になる。
【００２０】
しかして、ＣＷのＥ２〜Ｅ３／Ｃ面とＣＣＷのＥ３〜Ｅ２／Ｃ面、更には２周目の伝搬波のＣＷ波のＥ４〜Ｅ１／Ａ面とＣＣＷのＥ１〜Ｅ４／Ａ面ではＣＷ１又はＣＷ２、ＣＣＷ１又はＣＣＷ２が検出されるために不感帯を生じるので、Ｃ面とＡ面は探傷出来ないことになる。
【００２１】
一方、発振センサーと受信センサーを配置したＡ面に対して両側面であるＤ面とＢ面は、本センサー配置により不感帯を生じる事なく探傷が可能である。従って、全面を探傷するためには、周方向における９０°離れた位置に２対のセンサーを配置すれば良い事になる。
【００２２】
しかし、ここでの問題は、受信センサーで受信された欠陥信号は、有効探傷ゾーンＺ中には角ビレットのＢ面からの場合と、Ｄ面からの場合がありうるので、例えば後工程での手入れ処理の場合に、いずれの面に欠陥が存在しているのかを特定する事が重要になる。
【００２３】
そこで、本受信センサーは２個のセンサーａ，ｂで構成すると共に、その長さは検出しようとする疵長さの１／２とし、図３（ｂ）に示すように、円周方向にわずかにずらせて配置しておく。また、発振センサーは検出しようとする疵長さと同等の有効長さを持たせておく。
【００２４】
前記の配置とした受信センサーでは、Ａ面の欠陥ａからの反射波ではセンサー２ａがセンサー２ｂよりも先に欠陥信号を受信する。また、ｃ面の欠陥ａからの反射波では、センサー２ｂがセンサー２ａよりも先に欠陥信号を受信するので、欠陥の存在する面を特定する事が可能となる。
【００２５】
本発明は、上記した知見によって成されたものであり、以下のような構成である。
すなわち、本発明の表面欠陥検出装置は、丸或いは角ビレットや鋼管の表面欠陥を検出する装置であって、１８０°相対する方向に表面波を発振する発振センサーと、この発振センサーと同一の断面上の直近に配置され表面波を検出する受信センサーを１対として、前記丸或いは角ビレットや鋼管の周方向における９０°離れた位置に２対設け、これらの受信センサーで受信した信号を増幅する増幅器と、この増幅された信号のうち欠陥信号高さと直接受信信号の高さの比に基づいて欠陥の有無を判定する判定器を備えたものである。そして、必要に応じて、受信センサーを、表面波が伝搬するビーム幅の少なくとも１/ ２の軸方向長さを有し、丸或いは角ビレットや鋼管の周方向にわずかな距離を存して配置した２個で１チャンネルのセンサーとする。
【００２６】
また、本発明の表面欠陥検出装置において、２個で１チャンネルのセンサーの軸方向長さを、表面波が伝搬するビーム幅の少なくとも１/ ２とするのは、受信される信号の大きさを同一にするためと、発振された表面波エネルギを効率良く受信するためである。
【００２７】
本発明の表面欠陥検出装置では、発振センサーから例えば角ビレットの表面に表面波を発振する。そして、この表面波を、発振センサーと同一の断面上に配置した受信センサーで受信し、これらの受信センサーで受信した信号を増幅した後、この増幅した信号の高さから判定器で欠陥の有無を判定するのであるが、オンラインの自動探傷ラインではセンサーと材料の相対位置を一定とするために追従機構が用いられるが、材料の凹凸や曲がりによっては必ずしも一定とする事は難しい。
【００２８】
そこで、本発明では、図２に示すように、欠陥信号ゲート（図６（ｂ）に示すＦゲート）と、直接受信信号ゲート（図６（ｂ）に示すＤＲゲート）の２個のゲートを使用している。
【００２９】
今、材料とセンサーの距離が変化して若干離れた場合、送受信効率が低下して欠陥信号が小さくなるので、欠陥を見逃す場合がある。逆に、近づくと、欠陥信号が大きくなるので有害でない欠陥を過検出する事となる。
【００３０】
そこで、離れた場合や近づいた場合にＤＲ信号も同様に変化する事を利用して、欠陥信号高さ比Ｆｎ（＝欠陥信号高さＤｎ／直接受信信号高さＤＲｎ）を用いれば、先の距離変化による欠陥の見逃しや過検出を防止する事が出来る。
【００３１】
そして、本発明の表面欠陥検出装置において、２対の送受信センサーを周方向における９０°離れた位置に設置した場合には、例えば角ビレットの場合には、１対のセンサーで生じる不感帯を生じる事なく、上下面に配置した受信センサーで両側面の欠陥を、また、側面に配置した受信センサーで上下面の欠陥を検出でき、欠陥が上下面か両側面のいずれに存在するのかを判定することができる。
【００３２】
また、本発明の表面欠陥検出装置において、受信センサーを、表面波が伝搬するビーム幅の少なくとも１/ ２の軸方向長さを有し、丸或いは角ビレットや鋼管の周方向にわずかな距離を存して配置した２個で１チャンネルのセンサーとすれば、これら両者で受信する信号の時間差から、欠陥がさらに上面か下面か、或いは、どちらの側面に存在するのかを判定することができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の表面欠陥検出装置を図１及び図２に示す一実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の表面欠陥検出装置の構成図、図２は本発明の表面欠陥検出装置における判定ロジックを示す図である。
【００３４】
図１において、１ａ，１ｂは表面波を発振する発振センサー、２ａ，２ｂは表面欠陥を検出しようとする角ビレット３において、前記発振センサー１ａ，１ｂと同一の断面上の直近に配置される受信センサーである。そして、発振センサー１ａ，１ｂは、発振器４からの電気信号により、図示しない磁界中にパルス状の渦電流を流して、表面波を発振させる。また、２対の干渉を防止するために発振センサー１ａ，１ｂは交互に発振される。
【００３５】
本発明の表面欠陥検出装置では、発振センサー１ａ，１ｂから発振される表面波は、少なくとも前記角ビレット３を、１周以上伝搬するものである。そして、この表面波は、角ビレット３の表面を、時計周り方向と、反時計周り方向に伝搬して受信センサー２ａ，２ｂで受信される。受信センサー２ａ，２ｂは、前記表面波を磁界中の材料振動（超音波振動）により生じる誘起電圧により電気信号として検出する。
【００３６】
５は前記受信センサー２ａ，２ｂで受信した信号をそれぞれの受信器１０ａ，１０ｂを介して増幅する増幅器であり、この増幅器５で増幅された信号は、判定器６に入力される。なお、図１に示す実施例では、増幅器５で増幅された信号はＣＲＴ７にも入力され、波形を確認できるものを示している。
【００３７】
判定器６では、ゲート器８から図６（ｂ）に示す位置となるようなＦゲート及びＤＲゲート信号に基づいて、欠陥からの反射信号の高さと直接受信信号の高さの比に基づいて、図２に示すようなロジックで、欠陥か否か、及び欠陥であれば、その欠陥が角ビレットの上下面か両側面のいずれに存在するものであるのかを判定する。なお、欠陥信号及び直接受信信号の高さの検出時には、後述するセンサー２ａａ又は２ａｂ、若しくは、センサー２ｂａ又は２ｂｂの中の大きい信号が用いられる。
【００３８】
例えば、判定器６には、角ビレット３の表面に加工した人工欠陥を用いて求めた欠陥信号高さ比の閾値ＡＲＭが予め入力されている。
【００３９】
検査が開始され、例えば受信センサー２ａでＦゲート及びＤＲゲートで予め設定された時間軸位置における信号が受信され、増幅器５で増幅された信号が判定器６に取り込まれると、その欠陥信号高さＤｎと直接受信信号高さＤＲｎとの比Ｆｎを求める。
【００４０】
そして、欠陥信号高さ比Ｆｎと前記閾値ＡＲＭを比較し、欠陥信号高さ比Ｆｎのほうが大きければ欠陥と判断する。これらの判定を行った後は警報を出す。一方、Ｆｎのほうが小さければ欠陥でないと判断する。このように判断した後は、検査中か否かを判断して、検査中でなければ、検査を終了し、検査中であれば、前記した判定器６での操作に戻る。
【００４１】
次に、図３に示すように、例えば受信センサー２ｂは、表面波が伝搬するビーム幅の少なくとも１/ ２の軸方向長さを有し、角ビレット３の周方向にわずかな距離を存して配置した２個のセンサー２ｂａ，２ｂｂで１チャンネルの受信センサー２ｂとしてあるので、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、これら両者で受信する信号の時間差から、欠陥９がセンサーに対して左右の側、つまり、上面か下面のどちらに存在するのかを判定することができる。
【００４２】
すなわち、受信センサー２ｂを構成する２個のセンサー２ｂａ，２ｂｂを、図３に示すように配置した場合には、角ビレット３の上面に欠陥９が存在する場合には、２個のセンサー２ｂａ，２ｂｂでの時計周り方向の表面波による受信信号は、図４（ａ）に示すように、角ビレット３の上面に近いほうのセンサー２ｂａが先に欠陥９からの反射信号を受信する。反対に、反時計周り方向の表面波による受信信号は、図４（ｂ）に示すように、角ビレット３の下面に近いほうのセンサー２ｂｂが先に欠陥９からの反射信号を受信する。
【００４３】
同様に、受信センサー２ａを構成する２個のセンサー２ａａ，２ａｂ（図示省略）を、角ビレット３の周方向にわずかな距離を存して配置した場合には、角ビレット３の両側面のいずれの側面に欠陥が存在するのかが判定できることは言うまでもない。
【００４４】
本実施例では、角ビレットの表面疵を検出する場合について説明したが、丸ビレットや鋼管の表面疵を検出する場合にも適用できることは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面欠陥検出装置は、１８０°相対する方向の表面波を材料の表面に沿って伝搬させ、この表面波をそれぞれの受信センサーで受信し、この受信信号のうち欠陥信号と直接受信信号の大きさの比により、欠陥の有無を判定するので、複雑な機構を採用すること無しに、距離変化の影響を受けずに、簡単な設備で表面欠陥を検出できる。
【００４６】
また、本発明の表面欠陥検出装置においては、２対の送受信センサーを周方向における９０°離れた位置に設置するので、不感帯を生じる事なく全周囲の探傷が可能であり、例えば角ビレットの場合には、欠陥が上下面か両側面のいずれに存在するのかを判定することができる。この方法は１方向に表面波を伝搬させる方法では４対の送受信センサーが必要であるが、本発明法によれば２対の送受信センサーで良く、設備の圧縮が可能である。
【００４７】
また、本発明の表面欠陥検出装置において、受信センサーを、表面波が伝搬するビーム幅の少なくとも１/ ２の軸方向長さを有し、丸或いは角ビレットや鋼管の周方向にわずかな距離を存して配置した２個で１チャンネルのセンサーとすれば、欠陥がさらに上面か下面か、或いは、どちらの側面に存在するのかを判定することができる。また、探傷ゾーンをＤＲ〜ＣＣＷ１の間とするので、送受信センサーの両側面に対して表面波の伝搬距離が同じとなり、同様の検出性能が得られる。また、ＣＷ１〜ＣＣＷ２間を探傷ゾーンとして利用しないので、表面波の伝搬距離が短くてすみ、減衰の影響によるＳ／Ｎ比の低下がない探傷方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面欠陥検出装置の構成図である。
【図２】本発明の表面欠陥検出装置における判定ロジックを示す図である。
【図３】請求項２に相当する受信センサーの配置例の説明図で、（ａ）は正面から見た図、（ｂ）は（ａ）図の側面から見た要部の図である。
【図４】図３の受信センサーで欠陥の反射信号を受信した場合のそれぞれのセンサーでの検出位置を示した図で、（ａ）は時計周り方向の場合、（ｂ）は反時計周り方向の場合を示す図である。
【図５】（ａ）は角ビレットに対するセンサーの位置関係を示す図、（ｂ）は表面波を角ビレットの表面に沿って、伝搬させた時の受信波形をＣＷ方向とＣＣＷ方向を区別して示したもので、有効探傷ゾーンと不感帯の発生を示した図である。
【図６】表面波を角ビレットの表面に沿って伝搬させた場合における表面波受信波形を示す図で、（ａ）は角ビレットの表面に人工欠陥が存在しない場合、（ｂ）は角ビレットの表面に人工欠陥が存在する場合であり、併せてＦゲートとＤＲゲートの設定の説明図でもある。
【符号の説明】
１ａ  発振センサー
１ｂ  発振センサー
２ａ  受信センサー
２ｂ  受信センサー
３    角ビレット
５    増幅器
６    判定器
９    欠陥
【図１】
0003752807.tif 000002
【図２】
0003752807.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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