技術資料＞チタン棒鋼向けフェーズドアレイ探傷技術の開発

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技術資料
Technical Data

チタン棒鋼向けフェーズドアレイ探傷技術の開発
森永武＊1，森大輔＊2，志田兼人＊3Development of an Inspection Method for Titanium Round Bar Using
Phased Array Ultrasonic TechniqueTakeru MORINAGA, Daisuke MORI and Kento SHIDA
Synopsis
Because titanium and titanium alloys have a variety of superior properties, they are used in many industrial fields andapplications. They are used as an implant material in the medical field due to superior biocompatibility. As they are thus usedas biomaterials, users require rigorous quality assurance and ultrasonic testing that can detect Flat Bottom Hole (FBH) inaccordance with Aerospace Material Specification 2631 (AMS 2631).
However, in conventional ultrasonic testing by a single probe, there is a trade-off between high detectability and inspection
speed. The phased array ultrasonic technique is an effective solution to this problem. In this method, electronic focusing with anarray probe consisting of multiple elements enables highly detectability and inspection speed.
In this paper, to develop an automated inspection system adopting the phased array ultrasonic technique in accordance withAMS 2631 Class AA, the following studies were conducted:(1) Design of concave array probe for titanium bar(2) Determination of the ultrasonic testing conditions that can detect FBH φ0.8 mm(3) Development of a following mechanism to prevent position aberration(4) Evaluation of detectability and reproducibility in an automated inspection system under dynamic conditions

1．緒言

ンと骨が光学顕微鏡レベルで直接密着する（2）人体に対する毒性および耐アレルギー性が他の金チタンおよびチタン合金は軽量かつ高強度に加え，耐食性に優れるという特性から，航空機をはじめ，プラント，医療用，民生品など，多岐にわたって利用されてい属に比べて低い（3）優れた力学的特性および耐久性（摩耗および耐食性）を有する

る．医療用においては，次に述べる優れた生体適合性かこれらの特性から生体材料として利用されるチタンおら，多くの医療器具，特に体内に埋入される人工骨や人よびチタン合金の品質要求は極めて厳格となる．そのた

1）

工歯根などのインプラント材として用いられる ．

めユーザからは，航空機向けチタン棒鋼およびビレッ（1）骨との親和性が高く，生体環境下では表面にリントの超音波探傷規格である，AMS（Aerospace Material酸カルシウムを形成し，インプラント体のチタSpeciﬁcation）2631 に準拠した出荷前段階の全長・全断

2024年 4月 10日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱技術開発研究所，技術士（経営工学）（P.E.Jp, Corporate Research & Development Center, Daido SteelCo., Ltd.）＊ 3 大同特殊鋼㈱星崎工場（Hoshizaki Plant, Daido Steel Co., Ltd．
）

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

12面の超音波探傷試験が要求される 2）．AMS 2631 では超Table 1. Development target.

音波探傷による平底穴（FBH：Flat Bottom Hole）の検出

Compliant Standard

では FBH φ0.8 mm を検出しなければならない．しかし，

AMS 2631 Class AA

従来のシングルプローブによる超音波探傷では，微小なReproducibilityについて規定されており，最も厳しい Class AA の基準

きずの検出能と高速な探傷速度は両立できないことが課題であった 3）．
この課題の解決策として，2000 年代から電子走査による超音波のフォーカスが可能な，フェーズドアレイ探傷法が導入されるようになってきた 4），5）．大同特殊鋼㈱Scanning speed
Coverage area per one
Array probe
Inspection field

AMS 2631 Class AA
FBH φ0.8 mm
Signal Noise Ratio ≧3(dynamic)±20 %100 mm/s
70 °
100 % volume inspection（以下，当社という）においても，Fig. 1 に示すような

2．フェーズドアレイ探傷法

返して全断面を保証する，チタン棒鋼用自動超音波探傷

フェーズドアレイ探傷法 11） は，Fig. 2 のように複数アレイプローブが直進走行し，端部到達後に回転を繰り装置を開発した 6），7）．の超音波振動子（以下，素子という）を配列させた，ア

しかし，チタン合金には α 型，β 型，α ＋ β 型のようレイプローブを用いた探傷方法である．従来のシングルに種々の組織があり，二相組織の α ＋ β 型では，各相プローブによる探傷は特定の方向，位置にしか超音波をのヤング率や密度が異なり，音響インピーダンスに差が伝播・集束させることができない．一方で，フェーズド

生じる

8）
，9）

．このため，二相の物性が大きく異なる鋼種
10）

アレイ探傷法では，各素子の送信と受信に適切な遅延時，十間を加え，超音波の位相を整合させることによって，任分な検出能が得られないことが課題となっていた．ま意の位置に集束させられる．これにより従来よりも高いた，チタン市場は拡大を続けており，当社においても，検出能が期待できる．

では，超音波が各相の粒界や集合組織で散乱し生産量の増加に伴って更なる探傷速度の向上も求められるようになってきた．
以上の背景から，本稿では開発目標を Table 1 とし，AMS 2631 Class AA に準拠した，より高精度かつ高速な，また，フェーズドアレイ探傷法においてリニアスキャンと呼ばれる方式では，Fig. 3 のように Virtual probe（または Aperture）と呼ばれる，同時励振する素子のグループ（Active elements）を順繰りに送信・受信する．これ

フェーズドアレイ探傷法を用いた自動超音波探傷装置をにより，プローブを機械走査せずに，素子配列方向の開発する．

断面を一度に探傷できる．リニアスキャンの分解能はVirtual probe の数で決まり，例えば Fig. 3 のように 2 素Phased arraypulser/receiver

子ずつ飛ばして送受信すれば，1 素子ずつの場合と比べて分解能は粗くなるが，2 倍の探傷速度となる．Virtual
Array probe

Scanningprobe 間の素子数はスキップ数と呼ばれ，実際の探傷においては Virtual probe の指向性と検出対象とするきずのサイズから決定する．

Rotation

Delay

Round bar

Delay

Water

Array probe
Immersion tankFig. 1. Automated ultrasonic inspection system.

Individual elements
θIncident wave front
Focus
Longitudinal beam testing

Refraction
angle
Focus

Angle beam testingFig. 2. Phased array ultrasonic techniques.

13

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Skip

Array probe

Focus

Fig. 3. Linear scan.

3．アレイプローブの設計
今回は AMS2631 Class AA で規定される FBH φ0.8 mmを検出するためのアレイプローブを設計し，Table 2 に示す仕様に決定した．設計にあたっては①周波数，②曲率，③素子ピッチを検討した．なお，アレイプローブの2nd Surface
reflection

Round bar’s diameter: D

1ch 3chWater path: Wp

Virtual probe(Active elements: 8ch)

1st Surface
reflection

Water velocity: CwAngle beam reflection(Velocity: Cs)

Refracted
Angle: θZ
Y

素子数は探傷器の制約上 128ch とした．
Longitudinal beam reflection (Velocity: CL)

Table 2. Specification of Array probe for titanium roundFig. 4. Theory for deciding water path.

bar.
Probe typeConcave array

Number of element

128ch

Frequency

Element pitch
Element size

Radius of curvature

3.

17 MHz0.7 mm0.6×10 mm
51 mm

周波数の検討一般に超音波探傷において，検出限界となるきず寸法
は，超音波の半波長から 1/4 波長程度とされる 12）．そのいによって，第 2 表面エコーが探傷範囲に入ってしまうと，きず信号と誤判定する可能性があるためである．ここで，適切な曲率および水距離 Wp を設定するための理論式は，斜角探傷で保証する丸棒表層からの深さを t とおくと，音速（水中：Cw，縦波：CL，横波：Cw）と屈折角 θ から次のように表される．
Longitudinal beam

（1）

Angle beam（2）

ため微小なきずを検出しようとする場合は，波長を短く丸棒の探傷においては，垂直探傷により，中心部を探（周波数を高く）する必要がある．前述のように α ＋ β傷し，底面エコーの影響を受けにくい斜角探傷により，型のチタン合金は二相組織であり，散乱減衰が大きくな表皮直下を探傷し，全断面を保証する．フェーズドアレ

る場合には，低周波を用いることが望ましい 13），14）．しイ探傷法では，同一のアレイプローブで縦波による垂直かし，微小なきずの検出能との両立を考慮し，今回は周探傷と，横波による斜角探傷を実施する 11）．そのため，波数を 7 MHz と決定した．

アレイプローブの曲率と水距離は式（1），（2）をともに

3.

2

曲率の検討

アレイプローブと丸棒は，全素子の水距離が一定となるように同心円配置とし，リニアスキャンするときの感度ばらつきが小さくなるようにした．このとき，アレイ満たすように，決定する必要がある．今回は対象とする材料径および音速から，アレイプローブの曲率は 51 mmと決定した．

3.

3

素子ピッチの検討

プローブの曲率および水距離は，第 2 表面エコーが丸棒

前節までに決定した周波数と曲率をもとに，超音波伝中の探傷範囲内に入らない値にする必要がある．これ

播解析を用いて最適なアレイプローブの素子ピッチをは，Fig. 4 に示すように材料中の音速と水中の音速の違検討する．解析手法は形状定義が容易なボクセル型有電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

14限要素法とし 15），伊藤忠テクノソリューションズ社製
ComWAVETMを用いる．チタン棒鋼の組織はボロノイ分割により結晶粒を模擬し，結晶粒ごとに異方性主軸を回16）垂直探傷では，素子ピッチが大きいほど Signal NoiseRatio（以下，S/N という）が高くなったが，斜角探傷においては，0.7 mm で S/N がピークとなった．この理由．超音波伝播解析におは，フェーズドアレイ探傷法において，素子ピッチを大いて，解析モデルの要素サイズは波長の 1/10 以下が望きくすると端部の素子と焦点の距離が遠くなることによ転させて粒界散乱を再現する

ましいとされる 17）．今回，周波数は 7 MHz と決定したる．送受信する超音波は各素子の合成波であり，それぞため，水中の音速と波長の関係から，0.02 mm 以下とす

れの音場は円筒波として考えられる場合が多い 18）．しればこの条件を満たす．しかし，対象とするチタン合金

かし，実際の素子は有限な大きさであり，超音波は指向の結晶粒径は 10 μm 程度であるため，結晶粒が 1 要素性を持つ 19）．すなわち，素子ピッチを大きくしすぎる

以上でモデル化できるように要素サイズは 0.005 mm とと，端部の素子から送信した超音波は焦点で十分な振幅する．その他の解析条件は Table 3 のとおりである．なが得られなくなる．

るよう，FBH φ1.2 mm とする．アレイプローブの素子しないよう，式（3）を満たす条件にする必要がある 20）．

お，ここでは人工きずのサイズは十分に信号が確認できまた素子ピッチについてはグレーティングローブが発生

ピッチを変え，垂直・斜角探傷の条件で解析した結果をFig. 5 に示す．

（3）
グレーディングローブとは Fig. 6 のように，超音波のTable 3. Simulation condition.
Simulation method

Voxel - FEM

集束方向とは異なる位置にも波が集束してしまう現象でCourant number

0.8

決定される．ここで，屈折角はスネルの法則に従い，斜0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 mm

射角は約 20 °）としている．前節までに決定した条件か

Mesh size

Frequency

Element pitch

Active elements

0.005 mmある．この現象は素子ピッチ d と波長 λ，屈折角 θ から7 MHz

角探傷時に縦波成分が入り込まない 45 °（このときの入32ch

ら，グレーディングローブが発生しない条件は，素子

Radius of curvature 51 mm
Sample diameter
Grain size

ピッチ 0.16 mm 以上であるため，円周方向の素子ピッ16 mm

チは Fig. 5 の結果より 0.7 mm とした．

10 μm

FBH φ1.2 mm
Longitudinal beam: Bottom / 0 °Focus / Beam angle
Angle beam: Surface / 45 °43 mm
Water path(Concentric circle position)
Defect size

また長手方向の素子サイズについては，想定する探傷ピッチから十分な感度を維持できるように超音波の指向性を考慮し，10 mm と決定した．
Array probe
Element pitch: dλ60

Signal/Noise50
θ40

Grating robe

30
Main robe

20

Fig. 6. Generation image of Grating robe.

Longitudinal beam testing

10Angle beam testing
00.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Element pitch [mm]Fig. 5. Relationship between element size and detectability
by numerical analysis.

4．探傷条件の検討

0.94.

1

探傷ピッチの検討

丸棒の自動超音波探傷装置においては，一定のピッチで探傷を繰り返し，全長・全周を探傷する．探傷ピッチ

15

技術資料＞チタン棒鋼向けフェーズドアレイ探傷技術の開発を短くするほど高精度かつ安定した探傷が可能となるが，100探傷速度が低下する．検出目標とする FBH φ0.8 mm は，80超音波の伝播方向に対する反射面積が小さいため，短いSignal [%]探傷ピッチが必要となる．実機開発にあたっては，探傷速度を考慮しつつ，安定して FBH φ0.8mm を検出可能な探傷条件を検討する．
まず，丸棒長手方向の探傷ピッチを検討する．3 章でし，丸棒長手方向に 0.2 mm ピッチで探傷した．実験条

604.8 mm

400件は Table 4 のとおりであり，FBH φ0.8 mm の信号値と，Angle mode’s noise: 19 %Longitudinal mode’s noise: 7 %-5-4-3-2-102345Fig. 8. Relation between displacement and signal.

Displacement＋X

Inspection pitch requiredfor detection of FBH φ0.8 mm

Array probe

Signal [%]Inspection
each 0.2 mm

Array probe

1

Displacement of the direction X [mm]その感度低下量から必要な長手方向の探傷ピッチを評価
－X

▲20 %

20設計したアレイプローブと丸棒を Fig. 7 のように配置した．

Longitudinal beam testing
Angle beam testing

UltrasonicPitch Δx②5-8ch

①1-4ch⑥21-24ch

Angle of rotation [deg.]Radius Inspection pitchFig. 9. Consideration method for circumferential inspection
pitch. (Ex. Number of elements: 24ch, Activeelements: 4ch)

FBHφ 0.8 mm

Fig. 7. Consideration method for inspection pitch of100

Table 4. Inspection condition.
MethodActive elements
Voltage
FilterFocus/Beam angle
SampleDefect size

Immersion
32ch
96 V

5 MHz high pass filter
Longitudinal beam: Bottom / 0 °Angle beam: Surface / 45 °Ti-15Mo, Diameter: 16 mm
FBH φ0.8 mm

Fig. 8 から探傷ピッチを 4.8 mm とすると FBH φ0.8 mm

Signal [％]direction X.

Longitudinal beam testing
Angle beam testing806040200-20-15-10-505101520Rotation angle [deg.]の信号値はピークから 20 % 低下することがわかる．実Fig. 10. Relation between rotation angle and signal.

で感度ばらつきを抑えることとした．

Fig. 10 から円周方向に約 2 °の変動であれば，隣り合機においては，長手方向の探傷ピッチ 3 mm とすること
次に円周方向の探傷ピッチ（スキップ数）について検う波形同士での感度のばらつきが抑えられることがわ討する．リニアスキャンにおいては Fig. 9 のように隣接かる．このとき，必要な Virtual probe のスキップ数はプ

はサンプルを 1 °ずつ回転させ，FBH φ0.8 mm を検出す

次に 1 つのアレイプローブで探傷可能なカバー範囲をする Virtual probe で適正な感度を保つ必要がある．今回ローブの曲率から 3 以下となる．

るために必要な Virtual probe のスキップ数を検討した．

検討する．Fig. 11 のように FBH φ0.8 mm を 1 °ずつ回の結果を Fig. 10 に示す．

囲（角度）を評価した．なお，ここでは各 Virtual probe

実験条件は長手方向と同様に Table 4 のとおりとし，そ転させ，両端の Virtual probe の感度分布から，カバー範電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

16のピークが 80 % となるように校正している．Fig.12 から両端の Virtual probe 間は 90 °であり，パス間のラップを考慮すると，少なくとも 5 回転以上で全断面を保証できる．

ゴーストエコー（Phantom indications）と呼ばれる妨害エコーが探傷範囲内に入ってしまい，誤検出の要因となる 21），22）．これは Fig. 13のように表面反射波または底面反射波が残響することによる．ゴーストエコーが発生しない PRFは水中（接触媒質）と材料中の拡散減衰と散乱Array probe減衰から定まる．今回は，実験から最適な PRFは 4 kHz以下とし，式（4）を用いて計算すると，最大走査速度は121 mm/sとなる．

Inspection area

1/PRF

1/PRF

97-128ch
Signal

1-32chTrig.1 S1ZYFig. 11. Consideration method for estimation of coveragearea per one Array probe.

Trig.1 S1

1-32ch97-128ch

Signal [%]804090 °

5.

1/PRF

B1 S2 B2
S3
B1 S2 B2
Trig.2 S1
Trig.3~

Phantom indications

S3

Trig.4~

1

材料倣い機構の開発

自動探傷において，搬送時のガタ振動や，材料曲がりによって，同心円状に配置した丸棒とアレイプローブの-30

0306090Angle of rotation [deg.]120

位置関係にズレが生じる．これにより超音波は設定した
屈折角および焦点と異なる方向に伝播する．その結果，Fig. 12. Coverage area per one Array probe.

21/PRF

5．実機探傷装置の開発

20

4.

1/PRF

Time

Trig.2~

Fig. 13. Generation image of Phantom indications.

60

0S3Signal

1/PRF

Cover area [deg.]

100

B1 S2 B2

きずからの信号値が低下し，見逃しとなる可能性がある．そこで，Fig. 14 のように，丸棒断面の水平方向（Y走査速度の検討方向）に対する位置ずれによる感度低下量を評価した結次にアレイプローブの走査速度について検討する．
フェーズドアレイ探傷法を用いて，丸棒を垂直・斜角探傷する場合の走査速度は探傷ピッチ，Virtual probe の数

果，± 0.5 mm 位置がずれた場合，信号値が約半減することがわかった．
そこで，位置ずれによる感度低下の防止機構として，（≒スキップ数），超音波の発振周期（PRF：Pulse Repeat

Fig. 15 に示す機械的な倣い機構を開発した．倣い機構

は長手方向の探傷ピッチ，s は Virtual probe のスキップ釣り合うようになっている．また断面方向にはバネ機構Frequency）を用い，式（4）から求められる．ここで∆ x

は 4 点ローラーが丸棒に着材し，上部に設けた回転軸で数．nch はアレイプローブの全素子数，nact. は同時励振数

で材料と直線上に並ぶように追従し，高さ方向の振動にである．

は上部に設けたバネ機構で対応する．また前後には材料（4）式（4）からわかるように，走査速度を上げるためには，PRFを早める必要がある．しかし，過剰に早くすると，検知センサを備え，脱輪を防止するシステムとなっている．

技術資料＞チタン棒鋼向けフェーズドアレイ探傷技術の開発

100

Displacement
Array probe

126040200-1.0

FBH φ 0.8 mm-0.50.00.51.0

Displacement of the direction Y [mm]Fig. 14. Relation between position aberration and signal.

Signal / Noise

Signal [%]Ultrasonic

Titaniumround bar

Longitudinal beam testing
Angle beam testing1480

1710864
20

Follow-up spring for vertical020

406080 100 120 140 160 180 200

Inspection Number
Follow-up springfor horizonal

Following up
to rotatory
Sensor for
detectingthe end of bar

Array probe

Z

Contact roller

ZX

2

Table 5. Specification of auto-inspection system.
Phased array ultrasonicInspection method
techniqueEquipment
Immersion tank
Scanning method

Y

Scanning speedcoverage area perone Array probe

Fig. 15. Following mechanism.

5.

Fig. 17. Dynamic results.

実機テスト

以上の検討により開発した自動超音波探傷装置を用い，FBH φ0.8 mm を加工したチタン棒鋼サンプルを探傷し，実機性能を評価した．Fig. 16 に示すように，垂直および斜角探傷の静的評価は，FBH φ0.8 mm を S/N＝ 3.8 以上で検出できることを確認した．また，Fig. 17

Detectability

Bar rotation – probe scanning
121 mm/s
90 °FBH φ0.8 mm(comply with AMS 2631)

6.

結言

本報告では AMS2631 Class AA に準拠したチタン棒鋼に示すように繰り返し動的探傷テストを N=200 で実施

向け探傷装置を開発するため，フェーズドアレイ探傷法

した結果は，S/N=3 以上かつ，信号値のばらつきは±の適用を検討し，アレイプローブの設計および実機適用20 ％以下となった．最終的に装置仕様を Table 5 のよう技術を考案した．実機化した自動超音波探傷装置を用にすることで，開発目標値を達成した．

を S/N=3 以上，ばらつき± 20 % 以下で検出できること

Array probeを確認した．現在，開発した装置は当社星崎工場にて 2基体制で稼働している．

Ultrasonic
Titaniumround barい，走査速度約 121 mm/s で動的評価し，FBH φ0.8 mm

Signal: 105 %Refracted
angle

Signal: 97 %（文献）1）鈴木昭弘：特殊鋼，69（2020），4，35．
Noise: 25 ％Noise: 8 ％Inspection area
FBH φ 0.8 mm

Longitudinal beam testing

Inspection area

Angle beam testingFig. 16. Static results.

2 ） S A E I n te r n a tio n a l： A ER O S PA C E M ATERIAL
SPECIFICATION 2631，REV.G（2022）．

3）森大輔，兼重健一：電気製鋼，83（2012），97．

4）Hajime Takada，Yasuo Tomura，Makoto Aratani，Takuya Yamazaki and Toshihiro Sasaki： Materials
Transactions，52（2011），531

5）山本和希，谷口玲：山陽特殊製鋼技報，18（2011），55．

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

186）森大輔，佐古崇，三ツ橋宗宏，札元峻嗣，前田和明：

超音波による非破壊評価シンポジウム，20（2013），

131．

7）佐古崇：電気製鋼，83（2012），177．

8）森永武，森大輔：電気製鋼，91（2020），97．

9）井原郁夫 編：超音波による非破壊検査・材料評価技術の進展，シーエムシー出版，2024，96．

10）伊藤良規，高枩弘行，木下敬之：神戸製鋼技報，66（2016），1，48．
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12）加藤恵之，竹本省一，佐藤海広，塗嘉夫：山陽特殊
製鋼技報，7（2000），35．

13）森永武，諸頭慧，岡田美典，奈良光洋：検査技術，
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14）日本非破壊検査協会：超音波探傷試験Ⅱ，2000，78．

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16）伊藤智啓，中村正也：材料とプロセス，17（2004），938．

17）林山，福冨広幸，緒方隆志：日本機械学会論文集（A編），72（2006），1876．

18）日本非破壊検査協会：超音波探傷試験Ⅲ，2017，279．

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20）安本浩二：日本放射線技術学会雑誌，60（2004），
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G. Aznar-Lapuente，J. Olite-Biurrun，A. López-Germán

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森永武

森大輔

志田兼人