閉じたき裂の高精度計測のための非線形超音波映像法の開発
小原良和裂(16) に適用し，有効性を実証してきた．さらに，最適映像

.

は じめに化条件の抽出や界面の非線形現象解明に有用な減衰 2 重節点(17)(18)の数値シミュレーション法の開発も進めてきた．ま東日本大震災以後，安全・安心な社会の重要性が再認識さた，閉じたき裂の更なる高選択性映像化を実現するため，異れているが，構造物の安全性保障には高精度な非破壊評価法

なる荷重における閉じたき裂の超音波フェーズドアレイ像のが必要である．き裂の計測には超音波が用いられているが，差 分 を 取 る 荷 重 差 分 法 ( load

疲労き裂や応力腐食割れ(stress corrosion crack: SCC)は，LDPA)(19)と広域加熱・局所冷却(global preheating and local

圧縮残留応力(1)やき裂面間の酸化膜生成(2)により，閉じるこcooling: GPLC)(20)による引張熱応力負荷方法の開発も行っとがある．この場合，超音波が透過するため，過小評価や見てきた．

逃しを引き起こす．
この解決法として，固体内界面における超音波の非線形現象を利用した非線形超音波が注目されている．これは，大振difference

phasedarray:

本稿では，航空機や発電プラントで特に問題となっている
閉じた疲労き裂と SCC の映像化に焦点を絞り，最新の研究状況について概説する．

幅超音波(周波数 f )の引張応力でき裂閉口部を開かせ，開閉振動を誘起することで，その部位で発生する高調波( 2f, 3f,.

閉じたき裂の映像法 SPACE…)(3) や分調(サブハーモニック)波( f / 2, f / 3, …)(4) を用いる．しかし，高調波は閉じたき裂だけではなく，探触子，液SPACE の概念図を図に示す．送信側には，絶縁耐圧が体カップラントなどでも発生する．それゆえ，き裂閉口部か高く，サイクル数が数個でも大振幅超音波を発生できるらの応答のみを抽出することは容易ではない．これに対し，

LiNbO3 探触子を試作した．受信側には深さ方向の映像化の分調波は，閉じたき裂でのみ発生するため，選択性に優れる．

ためアレイ探触子を用いた．送信探触子により大振幅超音波

我々は，閉じたき裂の透過波形計測の実験と 1 次元減衰を入射することで，き裂開口部では基本波の線形散乱が起こ

振動子モデルによる数値シミュレーションにより，分調波がり，閉口部では分調波の非線形散乱が起こる．これをアレイ

高い選択性に加えて，優れた時間分解能を持つことを見出し

探触子で受信し，ディジタルフィルタで各成分を分離後，遅た(5)(6)．この知見に基づき，閉じたき裂深さを計測できる映延則に従ってシフト加算することで，基本波( fundamental

像法(subharmonic phased array for crack evaluation:array: FA )像および分調波( subharmonic array: SA )像を得SPACE )を開発した(7)(8)． SPACE は，分調波に限らず，きる．これより，FA 像では過小評価してしまう閉じたき裂深裂の非線形超音波計測における世界で初めてのフェーズドア

さを SA 像により正確に計測できる．

レ イ 映 像 法 で あ る ． こ れ ま で ， 閉 じ た 疲 労 き 裂(7)(13) ，SCC(2)(8)(10)(14)(15) や材料製造プロセスで発生した閉じたき東北大学助教大学院工学研究科材料システム工学専攻(〒9808579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6602)
Development of Nonlinear Ultrasonic Imaging Method for Accurate Measurement of Closed Cracks; Yoshikazu Ohara(Department ofMaterials Processing, Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: ultrasonic nondestructive evaluation, nonlinear ultrasonic imaging method, closed cracks, crack depth measurement, subharmonic,
thermal stress
2014年 1 月 6 日受理[doi:10.2320/materia.53.100]

新 進 気 鋭

図1

SPACE の概念図．

図2

疲労き裂(A7075)の映像化結果開いたき裂および閉じたき裂の( a ) , ( d ) FA 像，( b ) , ( e ) SA 像，(c), (f)表面写真．

図3

疲労き裂( SUS316L )の映像の荷重依存性応力
拡大係数 K ＝ 2.8 ， 12.6 ， 16.7 MPa ･ m1/2 における(a), (d ), (g)FA像，(b ), (e), (h )SA 像，(c) ,(f), (i)き裂模式図．

. SPACE による疲労き裂の映像化
アルミニウム合金 A7075の板に， 3 点曲げ疲労試験(異なる疲労条件で 2 種類)により，深さ 20 mm の疲労き裂を作製した．測定条件として，入射周波数 7 MHz，変位振幅 17nmpp ，サイクル数 3 を選択した．開口条件( Kmax ＝ 5.3 ，Kmin＝0.6 MPa･m1/2)で導入された疲労き裂では，FA 像(図(a))で端部が観察され， SA 像(図 2(b))で観察されなかった．これより，開いたき裂と確認でき，開いたき裂には FA像が適することが分かった．き裂深さは(図 2 (c ))の表面観察結果と一致した．一方，閉口条件( Kmax ＝ 4.3 ， Kmin ＝ 0.6
MPa ･ m1/2 )で導入された疲労き裂では， FA 像(図 2 ( d ))で観察できなかった端部が SA 像(図 2 ( e ))で明瞭に観察された．これより，閉じたき裂には，SA 像が有効であることが分かった．
次に，原子力発電所のシュラウドや再循環系配管に使用されているオーステナイト系ステンレス鋼 SUS316L の実機に近い厚さ( 38 mm )の板を用い， 3 点曲げ疲労試験( Kmax ＝18.6 ， Kmin ＝ 0.6 MPa ･ m1/2 )により，深さ 9 mm の閉じたき裂を作製した．

MPa ･ m1/2 (曲げ応力では 100 MPa に相当)でも， A が閉口このき裂に，K が Kmax を越えない静的荷重を段階的に負していたことを示唆している．以上より，SPACE により，荷することで，き裂の閉口状態を変化させながら映像化し荷重変化に伴うき裂各部位の開閉状態も映像化できることもた．ここで，入射周波数 7 MHz，変位振幅 7 nmpp，サイク分かった．

ル数 3 を選択した．
静 的 荷 重 2, 9, 12 kN ( 応 力 拡 大 係 数 K ＝ 2.8, 12.6, 16.7.

SPACE による SCC の映像化

MPa･m1/2)を負荷した場合の FA 像と SA 像を図に示す．

各荷重で様々な映像が得られたが，全ての荷重条件に置いて，原子炉実機と同様の SCC を模擬するため，鋭敏化ステン

FA 像ではき裂深さを過小評価してしまったが， SA 像でレス鋼 SUS304 溶接試験片の熱影響部に，高温高圧水環境は，強く閉じたき裂に対しても，正確なき裂深さが得られる( 288 °C ) 中 で 残 留 応 力 に よ り SCC を 導 入 し た ． 本 実 験 でことが分かった．これは，SPACE が閉じたき裂の高精度計は，送受信同一の PZT アレイ探触子(32素子，0.5 mm ピッ測に有効であることを示す．また，K＝16.7 MPa･m1/2 のとチ)を用いる単一アレイ SPACE(15)を用いた．ここで，入射き ， SA 像 ( h ) で は A が 観 察 さ れ た ． こ れ は ， K ＝ 14.9

周波数 7 MHz，入力電圧 150 V，サイクル数 3 を選択した．

ま て り あ 第53巻 第 3 号(2014)
Materia Japan図4SCC の映像化結果(a)FA 像，(b)SA 像．

映像化結果を図に示す．FA 像では多数の線形散乱により SCC は映像化されなかった．これは，粗大結晶粒界での線形散乱によると考えられる．一方，SA 像では少数の明瞭な輝点(点 A ， B )として SCC が映像化された．これらは，高温高圧水での酸化膜生成により SCC が閉じていたことを示唆している．以上より，粗大結晶粒を有する閉じた SCC

図5GPLC と LDPA の 概 念 図  ( a ) GP 後 ・ LC 前 のPA 像，( b ) LC 後の PA 像，( c )差分像[＝( b )－(a)].の深さ計測にも SPACE が有効であることが実証された．

.

GPLC と LDPA による閉じたき裂の高選択性映像化

SPACE は閉じたき裂深さの計測に有効であるが，高い時間分解能を得るために短いバースト波を使用したため，スペクトルの広がりにより，底面などの強い線形散乱源が SA 像に現れることがあった．そこで，閉じたき裂の更なる高選択性映像化のための GPLC と LDPA の概念図を図に示す．
まず，広域加熱( global preheating: GP )後・局所冷却( localcooling: LC)前の線形フェーズドアレイ( PA )像(図 5( a))では，き裂開口部と底面，溶接欠陥が映像化されるが，閉じたき裂は映像化されない．そこで，冷却スプレーを試験片上面に噴射し急速に冷却すると，上面近傍が熱収縮する．これにより， 3 点曲げと同様の原理でき裂に引張熱応力が作用する．ここで，作用する引張熱応力は，試験片上面とき裂部の温度勾配に依存するため，GP 温度を変えることで，その大きさを制御できる．これにより，閉じたき裂端部は開口し，PA 像(図 5 ( b ))で映像化される．一方，その他の線形散乱源の応答は変化しない．それゆえ，LDPA により，LC 前後

図6GPLC の実験条件．の PA 像の差分像(図 5 ( c ))を取ることで，き裂以外の応答を除去し，閉じたき裂の応答変化のみを映像化できる．
本 実 験 で は ， ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 A7075 の CT ( compact

定された範囲を 10 s 間， 2 つの冷却スプレー( HFC 125a ，tension ) 試 験 片 の 閉 じ た 疲 労 き 裂 ( Kmax ＝ 9.0, Kmin ＝ 0.6－55°Cまで冷却可能)により左右から急速に局所冷却した．

MPa･m1/2)を用いた(図)．まず，真のき裂深さを調べるた

その過程を， PZT アレイ探触子( 5 MHz, 32 素子)と時間分め，油圧制御試験機でき裂に機械的に引張応力を負荷し，解能の高いパルス(100 V)波を用いた PA で映像化した．

PA で映像化した．その結果，11.3 mm であることが分かった．

GPLC で得られた PA 像の変化を図に示す．GP 後・LC前の PA 像(図 7 ( a ))では，き裂は映像化されなかった．こ

熱応力を用いた実験では，GP 温度50°Cを選択し，試験片

れは，無負荷ではき裂が閉じていたことを示唆している．一

底面からホットプレートで加熱した後，アクリル製の蓋で限方，LC 開始後の PA 像(図 7(b)(d))では，き裂は明瞭に映新 進 気 鋭漏洩箇所特定等に対する超音波計測技術への期待も高い．これらに対し，これまで蓄積してきた学術・技術基盤を総結集し，対象部位に最適な計測法へと発展させることで，廃炉の工期短縮にも貢献したいと考えている．
最後に，本稿で紹介した一連の研究を遂行するにあたり，終始懇切丁寧な御指導，御鞭撻を賜った東北大学大学院工学研究科 山中一司教授に深甚の謝意を表する．また，本誌において，著者の研究を紹介する機会を与えて頂いた関係各位に感謝申し上げる．

文

図7

GPLC によ り 得 られ た PA 像 と LDPA に よ り 得られた差分像．(a )GP 後・ LC 前の PA 像，(b )
(e)LC 開始後 2 s, 4 s, 10 s, and 15 s の PA 像．
(f)差分像．

像化された．また，最大き裂深さは， LC 開始後 t ＝ 4 s のPA 像(図 7 ( c ))で 11.3 mm だった．これは，実際のき裂深さと一致することから， GPLC により端部まで開口したと考えられる．これより， GPLC が強く閉じたき裂の開口法として有効であることが実証された．
次に，き裂応答のみを抽出するため，GP 後・LC 前の PA像(図 7 ( a ))と GPLC 適用後の PA 像(図 7 ( c ))に LDPA を適用した．その結果，差分像(図 7 ( f ))で，き裂の開閉に関係しない線形散乱源(ノッチ左端)の除去と，き裂端部と根元の応答変化の抽出に成功した．さらに，き裂端部と線形散乱源(ノッチ左端)の強度比(Ic/Il)として選択性を調べた．その結果， LDPA により 45.6 dB 向上した．これより， GPLCと LDPA の融合により，強く閉じたき裂の高選択性映像化が実現できることが実証された．

.

お わりに

本報では，金属材料を対象として，SPACE による閉じたき裂の高精度深さ計測と， GPLC と LDPA による閉じたき( 1 ) W. Elber: Eng. Fract. Mech., 2(1970), 37
45.
( 2 ) S. Horinouchi, M. Ikeuchi, Y. Shintaku, Y. Ohara and K.
Yamanaka: Jpn. J. Appl. Phys., 51(2012), 07GB15.
( 3 ) O. Buck, W. L. Morris and J. M. Richardson: Appl. Phys. Lett.,
33(1978), 371373.
( 4 ) I. Solodov and C. A. Vu: Acoust. Phys., 39(1993), 476
479.
( 5 ) K. Yamanaka, T. Mihara and T. Tsuji: Jpn. J. Appl. Phys., 43(2004), 30823087.
( 6 ) Y. Ohara, T. Mihara and K. Yamanaka: Ultrasonics, 43(2006),
194199.
( 7 ) Y. Ohara, T. Mihara, R. Sasaki, T. Ogata, S. Yamamoto, Y.
Kishimoto and K. Yamanaka: Appl. Phys. Lett., 90(2007),011902.
( 8 ) Y. Ohara, S. Yamamoto, T. Mihara and K. Yamanaka: Jpn. J.
Appl. Phys., 47(2008), 39083915.
( 9 ) 山本 摂，小原良和，三原 毅，山中一司非破壊検査， 57(2008), 198203.
( 10 ) 小原良和，山中一司電子情報通信学会和文論文誌( A )，J91A(12)(2008), 11161124.
( 11 ) 小原良和，橋本真琴，堀之内聡，新宅洋平，山中一司電子情報通信学会和文論文誌(A)，J94
A(11)(2011), 800808.
(12) Y. Ohara, Y. Shintaku, S. Horinouchi, M. Ikeuchi and K.
Yamanaka: Jpn. J. Appl. Phys., 51(2012), 07GB18.
(13) M. Ikeuchi, K. Jinno, Y. Ohara and K. Yamanaka: Jpn. J. Appl.
Phys., 52(2013), 07HC08.
(14) Y. Ohara, H. Endo, T. Mihara and K. Yamanaka: Jpn. J. Appl.
Phys., 48(2009), 07GD01.
( 15 ) 小原良和，堀之内聡，新宅洋平，柴崎 亮，山口雄一，田上稔，山中一司非破壊検査，60(2011), 658
664.
(16) 小原良和，山中一司検査技術，13(2008), 8
14.
(17) K. Yamanaka, Y. Ohara, M. Oguma and Y. Shintaku: Appl.
Phys. Express, 4(2011), 113121.
( 18 ) 山中一司，小原良和，小熊みゆき，新宅洋平非破壊検査，61(2011), 076601.
(19) Y. Ohara, S. Horinouchi, M. Hashimoto, Y. Shintaku and K.
Yamanaka: Ultrasonics, 51(2011), 661666.
(20) Y. Ohara, K. Takahashi, S. Murai and K. Yamanaka: Appl.
Phys. Lett., 103(2013), 031917.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

裂の高選択性映像化について述べた．
一方，高度経済成長期に建造されたインフラ設備の老朽化問題が昨今顕在化しており，政府も「インフラ長寿命化基本計画」において非破壊検査を重要推進項目に上げている．今後，金属だけではなく，緊急性の高いコンクリート構造物の検査法の開発も進めていく必要がある．
また，現在進行中の福島第一原発の廃炉には今後 30 ～ 40年かかると言われている．ここで，燃料デブリの形状・性状

献小原良和

2007年 3 月 東北大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2007年 4 月 東北大学未来科学技術共同研究センター
教育研究支援者
2007年 6 月 東北大学未来科学技術共同研究センター
産学官連携研究員
2008年 2 月 東北大学金属材料研究所 COE フェロー
2008年 5 月現職
専門分野超音波非破壊評価，非線形超音波◎主に閉じたき裂の非線形超音波計測の研究に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★の計測，ペデスタルの強度評価，サプレッションチェンバのま て り あ 第53巻 第 3 号(2014)
Materia Japan