超音波による非破壊検査の基礎と応用
川 田良 暁機 械 建 設 系

1．はじめに

超音波とは人間の可聴域の上限である 20ｋ
Hz 以上の音で人の耳では聞き取れない周波数帯の音波のことである．近年，超音波は医療用の超音波エコー検査や振動を利用した様々な製品などを始め，幅広い分野で利用されている．その中で，本研究では，この超音波を用いて，様々な製品に利用されているアルミニウム合金ダイカストの内部欠陥を検出することを目的としている．特にダイカスト製品は，自動車や航空機のエンジンに使用され，人が直接関わる製品が多く，高い安全性が要求される．しかし，ダイカスト製品には，完全に除去することが出来ない欠陥が内在している．その一つに破断チル層(Fig.1)があり，外的負荷や繰返し荷重などを受けた際，母相との境界から剥離を起こし，破壊の原因になる可能性が高い．また従来の垂直方向の測定では困難な表面近傍の破断チル層が破壊の危険性が高いと考えられる．そこで本研究では，超音波の浸透が深く，かつ超音波の伝搬が帯状になる非収束型の探触子を用い，表面近傍の破断チル層を検出することを最終目標としている．これまでの研究では，ダイカスト材中にφ0.5mm～2.0ｍｍの人工穴を開けた試験片での測定及び，内部に幅 10ｍｍ，厚さ 2ｍｍのアルミナ平板を埋め込んだ試験片に対し，超音波測定を行い良好な結果を得た．本研究では，幅 2ｍｍ，厚さ 0.2mm と，より破断チル層に近いアルミナ薄片を導入し超音波測定を行った．その結果，超音波測定によってアルミナ薄片を検出することができ，欠陥のおおよその大きさを推定できる，２次元マッピング表示法の開発にも成功し，目標を達成した．

Fig.1 破断チル層から破壊した試験片断面2.超音波の基礎
2.超音波の基礎
2.1

超音波探触子

超音波技術を非破壊検査に応用する場合，最も重要となる機器に超音波探触子（プローブ）がある．超音波探触子には，測定対象に直 接 超 音 波 探 触 子 を当 てる直 接 接 触 法(Fig.2(a))，水中で測定を行う水浸法(Fig.2(b))の２つに分 類 され要求される測定に応 じ て 適切 に 選択 する．また，これらの超音波探触子は，発 信 周波数，振動子直 径 ，焦点距 離，収束方 式 ，入 射角度 など様々なパラメータ ーがあるが，それらを 適 切 に利用することにより，様々な測定が可能となる．
これらの探触子にはそれぞれに特 徴 があり，直接接触法は，比較 的振動子直 径が大きく，低 周波数が 主流 なため，広 範囲 で深い検査が可能である．しかし，微小範囲の測定が難しく，発信波と表面反射が重なってしまうという問
題点 もある．また，接触 媒体 であるグ リ ースの塗布量 などにも 影響 される．対して，水浸法では，超音波を収束できる利 点 があり，ミリオ ーダーの 微小 欠陥の検出が可能である．また，接触 媒体には水を使用するため，発 信波と表面 反射 波を分離できるという特 徴 もある．しかし， 常 に水 槽 や水 風 船 のような，水 環 境を 必要とするため設置に工夫が必要となる．

(a)直接接触法(b)水侵法

Fig.2 超音波探触子の種類
2.2

表面弾性波 (SAW)

2.3 超音波波形の読み方

超音波発信器が受信 した波形データはオシロスコープに表示されデジタルデータとして保存 する．ここで得られた波 形例 を Fig.4 に示す．
超音波波 形 は通常 ，図 に示した，３種類 の 反射 波が得られる．また，超音波の伝搬 経路 をイメ ージするため，プローブから発 信 された超音波の伝搬経路と試験片の関係を Fig.4 上部に示す．初めに一番強度の高い，材 料表面からの反射波が得られ，材料底面からの反射波が得られる．材料内部に欠陥が存在する場合は，表面 反射 波と 底 面 反射 波の間に欠陥からの反射 波が 現 れる．また得られた波 形 の表面 反射 波から 底 面 反射 波までの 時 間 差 と材 料 の ヤング率 から，材 料 の音 速 を求めることができ，同時 に欠陥までの 時 間 差 を測定し， ヤ ング 率と音 速 の関 係 から表面から欠陥までの深さを推定することができる．

このように探触子には，いろいろな特徴があるが，従来の垂直方向での測定では，材料 表面からの反射波(S)と表面近傍の欠陥からの反射 波(D)が重なってしまい表面近傍の欠陥検出が困難となる．そこで，Fig.3 のように探触子を 斜 めから入 射 し，材 料 表面に表面 弾 性波(Surface Acoustic Wave)を発生させることにより，表面近傍の欠陥検出が可能となる．

Fig.3 超音波波形例

3．実験方法2．1 試験片の製作

Fig.3 表面弾性波測定の概念図

アルミニウム合金ダイカスト(ADC12)を 溶解し，アルゴンガスを用いて脱ガス処理 した後 ，長 さ 80mm，幅 60mm，深さ 7mm の金型に 流 し込んだ．次いで，冶具 により底 面から約 3mmの深さになるよう，厚さ 0.2mm，幅 2mm のアルミナ薄片を表面から突刺して試験片とした．次
いで，フライス加工により試験片の測定面及び側 面の面出し 加 工を行った．最 後 に測定面を研 磨紙 により仕 上 げた後 ，超音波測定を行った．
2．2 超音波測定

めに表面 弾 性波(SAW)を用いてアルミナ薄片の検出と位置を特定するため線測定を行った． この時の測定概略を Fig.4 に示す．探触子は非集束型 5MHz 縦波用を用い，試験片からの高さ 15mm とした．探触子を試験片表面から 30°傾けて超音波を発信し，試験片表面に表面 弾 性波を発 生 させた．測定はアルミナ薄片直上位置を X=0 とし，アルミナ薄片の手前 X=-15mm から X=10mm まで，1mm 間 隔で行った．またアルミナ薄片の深さ方向の応答を確認するため，試験片表面を 0.1mm 間隔で研磨しながら超音波試験を行った．
初Fig.5 2 次 元計 測 法の概 略 図

3．実験結果表面 弾 性波(SAW)を用いた線 測定で得られた波形の一つを例として Fig.6 に示す．図より
表面反射波の後方にアルミナ薄片からの反射波が検出された．

Intensity , V10Al 2O3-1202530Time , µs35Fig.6 SAW 測定で取得した波形例
Fig.4 線測 定法 の概 略 図

次いで，Fig.5 のように探触子とアルミナ薄片の距離を一定とし，探触子を 0.1mm 間隔で縦 方向に 移 動させ ，アルミナ薄片の２次元マッピング測定を行った．マッピングの範囲は縦方向に 12ｍｍとし，合計 121 点の波形データを得た．得られた波形は超音波の波の影響を軽減 するため，ウ ェ ーブ レ ット 変換 を用いてスムージング化した後，121 点の波形データを順番に重ね合わせることにより，２次元マッピングイメージを構築 した．

得られた 各 測定 位置 とアルミナ薄片からの反射 波 強 さをプロットすると，Fig.7(a)の結果となり，アルミナ薄片深さが 0.7mm でアルミナ薄片からの反射 波が確認できることが分かった．
次いで，アルミナ薄片の深さが 0.4ｍｍを境に大きな反射波が得られた．また，アルミナ薄片直上位置 X=0 に接近するに従い反射波強さが増加し，アルミナ薄片位置を特定することができた．またアルミナ薄片までの深さが浅くなるに従い，検出される 範囲 も広くなっていることが分かった．Fig.7(b)はアルミナ薄片深さが0.75mm から 0.5mm までの結果を拡大した結果であり，この結果からも深さによる強度変化及び測定範囲の拡大が確認された．

0.06
Intensity , V

Intensity , V0.6Depth = 0.3mm
Depth = 0.4mm
Depth = 0.5 mm
Depth = 0.6mm
Depth = 0.75mm
Noise level

0.4

0.2

0-100
Measurement Point , mm（a）

Depth = 0.5 mm
Depth = 0.6mm
Depth = 0.75mm
Noise level

0.04

Surface Reflection area

0.80.02

0-10-8-6-4
Measurement Point , mm(b)-2

Fig.7 線測定結果
次いで，SAW 波 形 を元に２次元マッピング
謝辞
測定した結果を Fig.8 に示す．超音波の特性
本研究は，平成 24 年度科学研究費補助金
上，厚さ方向に広がりが見られるが，構築 した（奨励研究）24917011，埼玉大学工学部機
マッピングにより，導入したアルミナ薄片の 形
械工学科個人研修の予算により行われた．
状とほぼ同様のマッピングイメージを得ることができた．

Fig.8

2 次 元マッピングイメージ

4． まとめ1.探触子が，アルミナ薄片に接近するに従い反射波強さが上昇することから，アルミナ薄片の位置を特定することができた．
2.アルミナ薄片までの深さが 0.4ｍｍ以下から明確な反射波を得ることができた．
3.表面弾性波（SAW）の２次元測定により，アルミナ薄片のおおよその大きさをマッピングすることができた．