(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体接合面にバースト超音波を垂直あるいは斜めに入射し、界面を透過した波または反射した波の波形をデジタル収録し、入射波波形に対する透過または反射波波形のひずみ及びそれに伴う高調波振幅をデジタル的に検出することにより物体内部に存在する内部微視亀裂を検出することを特徴とする非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出方法。
【請求項２】
前記バースト超音波は広帯域パルス波あるいは一定周波数の縦波または横波バースト波であることを特徴とする請求項１に記載の非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出方法。
【請求項３】
バースト波形発生器、高出力アンプ、送信超音波探触子、受信探触子、デジタル波形記憶装置、パーソナルコンピュータを備え、前記送信超音波探触子と受信探触子との間に試験片を配置し、波形発生器から出力した波形を高出力アンプで増幅し、送信超音波探触子で励起し、受信探触子からの信号を増幅後、デジタル波形記憶装置に同期加算し、さらにパーソナルコンピュータを用いて前記同期加算した信号をデジタル波形処理により解析し、波形のひずみ、高調波振幅の非線形特徴を求めることを特徴とした非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体内部及び界面に存在する微視剥離、亀裂などの開口量と同程度の入射振幅の超音波を用いてそれら界面の接合強度、健全性を非破壊的に評価する非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造材料の劣化や損傷を非破壊的に検出・評価することは構造物の信頼性を確保するために不可欠である。従来から構造物等の接合部の内部欠陥検出は、微小振幅超音波を材料に入射し、内部欠陥からの反射波強度、背面散乱波強度などを測定することにより非破壊で行ってきた。こうした接合強度等の接合特性を非破壊で推定することを可能とする接合材の超音波検査方法として例えば特開平１１−２０１９４９号公報に記載されたもの等が知られている。
【０００３】
この公報に記載された超音波検査方法について図８を参照して簡単に説明すると、図中１０１は鋼管１０２、１０３が管端面において接合された接合材であり、接合界面１０４を挟んで、超音波発振探触子１０５及び受信探触子１０６が配置されている。
【０００４】
図示しない同期制御部において高周波パルスを発生させ、この高周波パルスを高周波ケーブルを介して超音波発振探触子１０５に送る。超音波発振探触子１０５に送られた高周波パルスは、超音波発振探触子１０５内の振動子の両面に張り付けられた電極に印加され、これにより振動子が厚さ方向に伸縮し、超音波が発生する。発生した超音波は、鋼管１０３に入射し、鋼管１０３の内周面及び外周面で全反射を繰り返しながら、鋼管１０２に向かって伝搬する。その過程で、超音波は、接合界面１０４を透過することになる。
【０００５】
予め定められた回数の反射が行われたところで、鋼管１０２上に配置された受信探触子１０６に超音波が受信される。受信された超音波は、受信探触子１０６に備えられた振動子に伝えられ、振動子を厚さ方向に伸縮させる。この機械的振動は、該振動子により電気信号に変換され、高周波ケーブルを介して図示しない検査装置の受信部に送られる。そして、超音波発振探触子５に投入した電気エネルギーに対する受信探触子６により受信された電気エネルギーの比から超音波の減衰量を測定する。この測定値に基づいて予め測定される既知の接合条件により接合された標準接合体の超音波減衰量と接合特性との相関関係より、前記被測定接合材の接合特性を検査するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような従来の超音波探傷或いは材料評価では通常振幅が１ｎｍ程度の微小振幅で低出力の超音波を利用しているため、超音波振幅と同程度の開口量の微小亀裂、微視的レベルで部分的に接触或いは結合している界面の健全性を評価できない。このため、例えばキッシングボンドと呼ばれる見かけ上結合しているがほとんど結合強度のない部分を不健全部として検出できない。
【０００７】
こうした背景の中で、最近、微小亀裂を検出する方法として非線形超音波が注目されている。この方法は、入射超音波振幅と同程度の開口を持つ亀裂に平面波を入射すると、圧縮側の波は亀裂の一部を閉口させて部分的に透過するが引張側の成分は亀裂面で反射される。この非線形性により透過波形の振幅は引張側と圧縮側で異なり、その差異は入射波振幅に依存する。この関係を定量化する事により内部微小亀裂検出を行うものである。
【０００８】
本発明は、従来の超音波探傷・評価で用いられるより振幅で数十倍程度、エネルギでは数百ないし千倍程度大きい一定周波数のバースト超音波を同種固体接合界面あるいは界種材料接合界面に入射することにより、界面に存在する微小剥離あるいは亀裂を圧縮相で部分的あるいは完全に閉口させ、これにより部分的に圧縮相の波を透過させることにより透過波形に現れる非線形性、あるいはこの閉口に伴う引張相での部分的波の透過に伴う引張相反射波形に現れる非線形性をデジタル信号処理により定量化し、接合界面強度及び界面の健全性を非破壊的に評価することを特徴とするものである。
本発明では、上記手法により通常の超音波探傷あるいは超音波顕微鏡で検出不可能な微視内部欠陥及び界面の不完全性を平均的に検出できる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
固体接合面にバースト超音波を垂直あるいは斜めに入射し、界面を透過した波または反射した波の波形をデジタル収録し、入射波波形に対する透過または反射波波形のひずみ及びそれに伴う高調波振幅をデジタル的に検出することにより物体内部に存在する内部微視亀裂を検出することを特徴とする非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出方法である。
前記バースト超音波は広帯域パルス波あるいは一定周波数の縦波または横波バースト波であることを特徴とする非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出方法である。
また、バースト波形発生器、高出力アンプ、送信超音波探触子、受信探触子、デジタル波形記憶装置、パーソナルコンピュータを備え、前記送信超音波探触子と受信探触子との間に試験片を配置し、波形発生器から出力した波形を高出力アンプで増幅し、送信超音波探触子で励起し、受信探触子からの信号を増幅後、デジタル波形記憶装置に同期加算し、さらにパーソナルコンピュータを用いて前記同期加算した信号をデジタル波形処理により解析し、波形のひずみ、高調波振幅の非線形特徴を求めることを特徴とした非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出装置である。
【００１０】
【実施の形態】
以下、本発明の測定原理を説明した後、本発明に係る装置の構成、作用、実験結果等を説明する。
〔測定原理〕
図１は一定周波数のバースト超音波の入射波振幅Ｄと亀裂の開口量Ｗの関係を示した図であり、図において、▲１▼は完全結合界面であり亀裂の無い領域、▲２▼は入射波振幅Ｄより小さいあるいは同程度の開口を持つ剥離又は亀裂の領域、▲３▼は入射波振幅Ｄよりはるかに大きな開口Ｗの剥離あるいは亀裂となっている領域である。
【００１１】
図２は亀裂の開口量Ｗと透過波形の関係を示す図である。
上記のような亀裂にバースト超音波を入射すると、図２（イ）に示すように
領域▲１▼（Ｗ＝０）では、入射波はそのまま透過する。
領域▲２▼（Ｗ＜Ｄ）では、入射波の圧縮相の波は部分的に亀裂を閉口させ、閉口後圧縮相の波を一部透過するが、引張相の波ほとんど透過しないか極わずか透過する。
領域▲３▼（Ｗ＞Ｄ）では、入射波は完全に反射し透過しない。
【００１２】
ところで実際の損傷領域は図２（ロ）に示すようにこれら３領域の組み合わせである。超音波振幅より小さな開口の亀裂が存在すると圧縮側の波が部分的に透過し、領域▲１▼と▲２▼の圧縮側透過波の振幅の和は引張側より大きくなる。この波形のひずみが高調波を伴う。
入射波振幅が増大すれば、圧縮側の波の透過率が高くなり高調波振幅が大きくなる。また、内部微小亀裂が増加すると、領域▲１▼が減少し領域▲２▼が増大するため、高調波振幅が大きくなると考えられる。
【００１３】
図３には各状態の界面における垂直変位と対応する力の関係を示す。これらの総和としての界面における垂直変位と対応する力の関係は模式的に図３右側に示すように非線形となる。引張及び圧縮側の力一変位関係は上記３種の状態の割合、界面の微視幾何学的及び界面特性に依存して変化する。図３に示す非線形特性に対応し、圧縮側の弾性係数は引張側のそれより大きくよって前者の波の速度は後者より速い。これにより入射波が正弦波であるとき透過波及び反射波波形はそれからひずむ。同様な関係が微視的に方向性を持つ界面にせん断応力が作用した場合にも成り立つ。
この現象を利用することにより、統計的意味で入射波振幅と同程度の開口を持つ微小亀裂の非破壊評価ができる。具体的には、高調波と亀裂の関係を既知の接合条件より求めておき、測定値を既知の接合条件と比較して被測定接合材の亀裂の有無、亀裂の平均密度、亀裂部の面積を測定する。
【００１４】
〔亀裂検出装置〕
図４は本発明に係る亀裂検出装置の構成図である。
図において、１はバースト波形発生器、２は高出力アンプ、３は送信超音波探触子、４は受信探触子、５はデジタル波形記憶装置、６はパーソナルコンピュータであり、このパーソナルコンピュータ６により波形発生装置１およびデジタル波形記憶装置を制御する。試験片７は送信超音波探触子３と受信探触子４との間に配置される。
【００１５】
上記装置により微小亀裂を測定する手法を説明すると、送信超音波探触子３と受信探触子４との間に試験片７を配置し、関数発生器で生成した一定周波数のバースト正弦波を波形発生器１から出力し、高出力アンプ２で増幅し、送信超音波探触子３を励起する。この時、弾性反発力により探触子が試験片から離れないように十分な圧縮力を各探触子に加えておく。受信探触子４の公称周波数は送信探触子５の公称周波数の正数倍（２あるいは３倍）とする。
【００１６】
受信探触子４からの信号を増幅後、デジタル波形記憶装置５に同期加算することにより、受信波形の確度を高める。パーソナルコンピュータ６を用いて同期加算した信号をデジタル波形処理により解析し、波形のひずみ、高調波振幅等の非線形特徴を求める。そして求めた非線形特徴を予め求めておいたデータと比較して亀裂の測定を行う。
【００１７】
〔実験〕
試験片として、ガスガンを用いた平板衝撃試験によって円盤状炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）試験片（直径６０ｍｍ、厚さ８ｍｍ）内部に微小亀裂を発生させたものを使用した。
受信超音波探触子３には、公称周波数５ＭＨｚ、直径６．４ｍｍの縦波探触子（Ｕｌｔｒａｎ  ＫＣ２５−５）を用い、受信探触子４には周波数１０ＭＨｚ、同一直径の縦波探触子（Ｕｌｔｒａｎ  ＫＣ２５−５）を用い、それぞれ取付具・カップラントを介して試験片に接触させた。
パーソナルコンピュータ６により強力バースト波発生装置１（ＲＩＴ３ＥＣ．ＲＡＭ１００００）を制御し、電圧２００〜４００Ｖ、波数１２のバースト波を送信超音波探触子３に入力した。受信探触子４により各段階での透過波波形をＦＦＴ処理し高調波波振幅比（Ａ2/Ａ1 ）を求めた。
【００１８】
〔試験片による受信波形の変化〕
励起電圧３９２Ｖでの試験片Ｓ（衝撃前）とＣ（衝撃応力２．７ＧＰａ）の受信波形を、引張側の最大振幅で無次元化したものを図５に示す。損傷を通過してきた波形では圧縮側振幅最大値が増加している事が分かる。
【００１９】
〔試験片による振幅スペクトルの変化〕
図５に示すように、衝撃前の試験片を透過した波に比べて２．７ＧＰａの衝撃を受けた試験片の波形は圧縮側の到着時間が早まり受信波形は鋸刃状に近づく。図６は図５に示した受信波形の振幅スペクトルを示しており、これら各波形の振幅スペクトルは図６に示すように、衝撃前では入射周波数５ＭＨｚの成分がほとんどであるが、衝撃を受けた試験片では１０ＭＨｚの高調波成分が明瞭に現れている。
【００２０】
図７は励起電圧と基本波振幅に対する２次高調波振幅の比の関係図であり、図中Ｃは衝撃応力が２．７ＧＰａ、Ｂは衝撃応力が２．４ＧＰａ、Ａは衝撃応力が１．６ＧＰａであり、Ｓは衝撃前を示す。送信探触子を励起する電圧（入射波振幅に対応）を増大させると、図７に示すように衝撃応力の高い試験片Ｃ及びＢは２次高調波振幅がほぼ比例的に増大する。また損傷の著しい試験片ほど高調波振幅比が大きく、電圧に対する増加も著しい事がわかる。これに対し、衝撃前および内部微視亀裂を発生させない低応力衝撃の試験片Ａでは二次高調波振幅に有意な変化は見られない。このことから図７の傾き及び飽和する入力電圧（入射振幅に対応）を用いて、微視亀裂の平均隙間を測定できる。
以上のように、非線形超音波を用いた本発明に係る内部微視亀裂検出法では、、高調波振幅比と励起電圧（入射波振幅）、衝撃応力（損傷状態）、の関係を求めることで、内部微小亀裂集団の検出ができる。
【００２１】
以上本発明に係わる実施形態について説明したが、装置を構成する部品の支持機構等については、装置設計時において、適宜選択することができる。
また、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００２２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、非線形超音波を用いた内部微視亀裂検出法により、通常の超音波探傷あるいは超音波顕微鏡で検出不可能な微視内部欠陥及び界面の不完全性を平均的に検出することができる。微視亀裂の平均隙間を推定することも可能である、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一定周波数のバースト超音波の入射波振幅Ｄと亀裂の開口量Ｗの関係を示した図である。
【図２】  亀裂の開口量Ｗと透過波形の関係を示す図である。
【図３】  各亀裂状態の界面における垂直変位と対応する力の関係を示す図である。
【図４】  本発明に係る亀裂検出装置の構成図である。
【図５】  励起電圧３９２Ｖでの試験片Ｓ（衝撃前）とＣ（衝撃応力２．７ＧＰａ）の受信波形を、引張側の最大振幅で無次元化した図である。
【図６】  図５に示した受信波形の振幅スペクトルを示す図である。
【図７】  励起電圧と基本波振幅に対する２次高調波振幅の比の関係図である。
【図８】  従来の超音波検査方法についての説明図である。
【符号の説明】
１            波形発生器
２            高出力アンプ
３            送信超音波探触子
４            受信探触子
５            デジタル波形記憶装置
６            パーソナルコンピュータ
７            試験片
【図１】
0003735006.tif 000002
【図２】
0003735006.tif 000003
【図３】
0003735006.tif 000004
【図４】
0003735006.tif 000005
【図５】
0003735006.tif 000006
【図６】
0003735006.tif 000007
【図７】
0003735006.tif 000008
【図８】
0003735006.tif 000009