技術紹介

Multi2000 超音波探傷システムを用いた探傷手法の紹介
荒川敬弘 *1

Arakawa Takahiro

寺久保麻美 *2
Terakubo Asami

フェーズドアレイ探触子の各素子の励起を比較的自在に制御できる Multi2000 超音波探傷システムを用いて、従来は困難であった測定を可能にする新たな手法を開発したので報告する。一つは、各素子で表面波を受信し、表面波の伝搬時間差と素子間距離の関係から、統計処理を用いて高精度に表面波音速を測定する手法であり、また一つは、試験片表層部の深さ方向に多数の交軸点を設け、集束させたビームによるTOFD 探傷を行い、得られた波形を合成することで表層部の微小き裂の深さを測定する手法である。
キーワード：フェーズドアレイ探傷、表面波音速、TOFD 法、表層部き裂、深さ測定

1. はじめに

2. Multi2000 の概要

超音波探傷装置もデジタル化が進み、アナログ

Multi2000 探傷システムでは、予め探傷の手順の探傷器も希少な存在となってきた。コンピューをリストに表し、リストに従った探傷が行われる。

タ技術の進歩と相まって、超音波探傷試験はデジ

図 1 に探傷リストの例を示している。このリス

タル化により、さらに進化してきているように思えトの作成を支援するための多様なツールが準備さる。

れている。

例えば、目的に応じた信号処理を施すことによ

探 傷 の 手 順 は Sequence、Shot、Element で 区 分（1）

り、ミクロン程度の減肉を監視したり 、探傷時のされる。Sequence は素子の組合せを意味し、例え（2）（3）に寄与することが可能であば同一の探傷を順次素子の組合せを変えて行うリる。一方、微小な素子を配列したフェーズドアレ

ニアスキャンでは、Sequence のみが 0 から順次変イ探触子の各素子の励起を自在に制御することに化する。Shot は使用する素子の組合せを一定にしよりさまざまな音場を形成して複雑な探傷を行うて行われる複数の探傷を意味し、例えばセクタスことが、デジタル化の進歩で可能になってきた。

キャンでは屈折角の変化に伴って Shot が 0 から順ノイズレベルの低減

Multi2000（仏 M2M 社製：インサイト株式会社

次変化する。Element は各 Shot を構成する各素子販売）超音波探傷システムは、特に自在な探傷をを意味し、各素子が励起する遅延時間や各素子の可能にしたものの一つである。著者らは Multi2000

感度差を補正するための補正電圧などが表記され探傷システムを活用して、超音波探傷試験の高度ている。

化を検討しており、いくつかの例を紹介する。

リストに表された探傷の組合せは、一つの Salvo*1：フェロー 工学博士 横浜国立大学 安心・安全の科学研究教育センター*2：研究開発センター 研究開発グループ—

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客員教授

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と称され、複数の Salvo を組み合わせることによ置は、くさびおよび試験片の音速に依存して変化りさらに複雑な探傷も可能になる。例えば、セする。未知の試験片の表面音速を測定するので、クタスキャンによる溶接部両側からの探傷に、絶対音速としては誤差が必然的に生じる。

TOFD 探傷を組み合わせて同時に探傷を行うことくさびを音速 3100m/sec. の表面波に併せて作製しも可能である。この多様な機能を用いると特殊なた表面波探触子を用いて音速の異なる試験片で音ニーズへの対応も容易になる。

速を測定したときの測定誤差を、入射点位置がスネルの法則により変化するとして求めた音速の誤差の3. 表面波音速の測定検討結果を図 2 に示す。ここでの誤差は、公称入射表面波の音速は、一般に二つの表面波探触子を点間距離を 50mm とし、超音波のくさび内伝搬距離一定距離離して表面波を送受信し、表面を表面波を 20.8mm として求めた。表面波音速が 2900m/sec.

が伝搬した距離を伝搬時間で除して求められる。の試験片における誤差は 0.9％となり、この値は経表面波の伝搬距離は二つの探触子の入射点間距

年劣化や表面改質により変化が予測される音速変離として求められる。しかし、探触子の入射点位

図1

Multi2000 探傷システムの探傷リストの例—

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化率に比べて無視できない値であるといえる。

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図2

表面波探触子による音速計測における試験片音速変化に伴う誤差の予測

著者らは、より正確な絶対音速を評価する計測手法として、フェーズドアレイ探触子を用いることを検討した。フェーズドアレイ探触子のそれぞれ一つの素子間で超音波の送受信を行うと、素子間で試験片表面を伝搬するレーリー波や縦波成分のラテラル波を受信できる。
図 3 に 32 チャンネルのフェーズドアレイ探触子を用い、端に位置する一つの素子を送信用に用い、残りの素子で順次切り替えて受信したときの探傷結果の例を示している。図の横軸は受信したチャンネル番号を示しており、素子間隔に伴う表面波の送受信間距離を示している。縦軸は伝搬時

図3間であり、エコー高さが濃淡で表示されている。

フェーズドアレイ探触子の素子間の送受信
結果の例

図中にそれぞれ、レーリー波の送受信と考えられるエコーやラテラル波の送受信によると考えられるエコーが直線上に観察できる。この傾きより音速を求めることが可能である。フェーズドアレ
イ探触子の素子幅は小さく、レーリー波やラテラル波を送受信するのに適していると考えられる。
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SN 比を改善し、より精度よく音速を求めるた

ステンレス鋼製試験片を浸し、試験片温度を温かめに、外部より表面波探触子でレーリー波を送信くした後に徐冷する過程の音速変化を求めた。温し、フェーズドアレイ探触子の各素子で順次受信度は熱電対により監視した。

することを行った。すなわち、各素子での伝搬時用いた送信用の表面波探触子は、公称周波数間差を求める結果になる。伝搬時間差を求めるた

2.25MHz であり、受信用フェーズドアレイ探触子めに、二つの波形のうちの一つの波形を Dt ごと移は 2.25MHz で素子間隔 1mm の 32 チャンネルであ動させ、二つの波形の積の累積値を求め、最大とる。結果を図 5 に示しているが、わずか 15℃の温なる累積値のときの Dtn を伝搬時間差とする波形度差であるにもかかわらず音速の変化を精度良く相関法を用いた。得られた各素子の伝搬時間差と捉えているといえる。今回の計測のサンプリング伝搬距離との関係より最小二乗法により傾きを求周波数は 100MHz であり、超音波の最大伝搬距離め、これより音速を算定した。図 4 に、音速測定差においてのサンプリングピッチは約 3m/sec. のの手順の概要と測定例を示している。

音速差の誤差に相当する。統計処理を用いること

本測定法が音速の微小変化の測定に有効であるより、さらに高精度の探傷が可能になっているとかを検証するために、温度変化に伴う音速変化のいえる。

測定を行った。試験は温湯中にオーステナイト系

図4

フェーズドアレイ探触子を用いた表面波音速の測定手順の概要と測定例—

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図5オーステナイト系ステンレス鋼の表面波音速の温度依存性の測定結果

4. 表面微小きずの深さ測定
き裂の精度良い深さ測定法として、TOFD 法が知られている。図 6 に示すように、この方法は、二つの斜角探触子を一定間隔で対向させて配置して超音波を送受信する方法である。き裂のない場合には、表面を伝搬するラテラル波と裏面で反射する底面エコーの波形のみが得られる。一方、き裂が存在すると、き裂端部からの散乱波が受信さ

図6

TOFD 法によるき裂深さ測定の概要れる。この散乱波の伝搬時間より幾何学的にき裂端部の深さを求めることができる。しかし、き裂貼り合わせ、対称軸には超音波の透過を妨げるたの端部が表層部近傍にある場合には、ラテラル波めの音響分割面を設けたくさびを使用した。二つとき裂端部の散乱波が互いに干渉し、き裂端部をのくさびを貼り合わせたのは、可能な限り二つの明確に識別することができなくなり、表層部の微入射点間距離を短くし、より浅い位置に集束位置小き裂の深さ測定は困難とされている。

を設定するためである。このくさびに 10MHz で表層部の微小き裂の測定精度向上を目的に32ch の二つのフェーズドアレイ探触子（素子間隔Multi2000 超音波探傷システムの活用を検討した。

0.6mm）を対向して搭載した。フェーズドアレイ

対向した二つの探触子の入射点間距離を極力短く探触子を用いたのは、交軸点深さを種々変化させするためのくさびを試作し、かつ二つのフェーズるためのセクタスキャンと集束探傷を同時に行うドアレイ探触子を搭載して、交軸点を深さ方向にためである。図 7 に、探傷方法の概要を示してい順次変化させるアレイ TOFD 探傷を Multi2000 探る。

傷システムで行った。
屈折角 45 度の二つの縦波用くさびを対称形に—

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11:57:18交軸点を深さ方向に種々変化させることによし、伝搬経路の等しいきず端部の回折波が重ね合り、き裂の端部位置に近い交軸点で正確なき裂のせで強調される様子を示している。

像を捉えることを期待した。さらに得られた全て交軸点の異なる TOFD 探傷画像を重ね合わせるの探傷画像を加算することによってき裂の端部を手法を用いて、人工放電加工ノッチの深さ測定精強調できることを期待した。

度の検証を行った。用いた試験片は、板厚 20mm

交軸点を変化させると、試験片への超音波の入の鋼製試験片表面に、長さ 10mm で深さ 0.1、0.2、射点位置が変化する。このためにラテラル波の伝0.3、0.4、0.5、0.75、1.0、1.5 お よ び 2mm の 表 面搬時間も変化する。しかし、き裂端部の回折波は、開口放電加工ノッチを設けたものである。

最短時間で伝搬する経路を通る（スネルの法則）

今回の探傷では、32ch のうち、よりくさびの対ので、伝搬時間は変化しないと考えた。従って、称軸に近い 28ch の素子を用いて、より浅い交軸交軸点の異なる波形の和を求めると、伝搬時間が点位置での超音波の屈折角をより適正にするよう変化するラテラル波は減衰し、伝搬時間の等しいに配慮した。交軸点位置は、くさびの対称軸上でき裂端部の回折波は強調され、SN 比を改善する試験体表面直下の深さ 0.01mm から深さ 6.4mm のことが期待された。

間を 40 等分し、41 個の交軸点を設定し、41 回のTOFD 探傷を連続して行った（鋼試験片の場合に屈折角約 36 度から 77 度のセクタスキャンを設定した結果となる）。それぞれの交軸点近傍で超音波ビームが集束する集束探傷を行っている。
深さ 1.0mm のノッチの探傷結果の例を図 9 に示す。代表的な交軸点深さで探傷したときの探傷画像を、異なる交軸点深さの 41 回の探傷画像を合成した画像と比較している。各交軸点深さの単独の探傷画像からはノッチ先端からの回折波の明確な特定は困難であるが、合成した探傷画像からはノッチ先端の回折波を明確に特定することができ、深さの測定が可能であるのがわかる。

図7

それぞれの探傷画像に、試験片表面を伝搬した探傷要領ラテラル波が観察されるが、ラテラル波の伝搬時
図 8 に交軸点の異なる波形の重ね合せの効果を間は交軸点深さが深くなるほどより長くなり、交模式的に示している。
（a）図は、伝搬経路の予測軸点が異なる 41 回の探傷波形を合成した探傷画図であり、交軸点の比較的浅い場合とより深い交像のラテラル波のパルス幅はきわめて短くなって軸点の場合で、ラテラル波の伝搬距離は変化するいるのがわかる。交軸点深さが深くなると、超音が、きず端部の回折波では、最短伝搬時間となる波の入射点間距離が長くなり、ラテラル波の伝搬同一の伝搬経路になると考えられる。（b）図は、時間も長くなると考えられる。また、伝搬時間が重ね合せの効果を示しており、きずのない場合はわずかに変化する 41 回の探傷波形を合成すると、交軸点の差で伝搬距離の異なるラテラル波が減衰

ラテラル波はパルスの最初の部分を残して平滑化—

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振幅値

振幅値

（ａ） 伝搬経路の予測

伝搬時間（ msec.）

振幅値

振幅値

伝搬時間（ msec.）

伝搬時間（ msec.）

振幅値

振幅値

伝搬時間（ msec.）

伝搬時間（ msec.）

伝搬時間（ msec.）（ｂ） 重ね合せの効果

図8

交軸点の異なる波形の重ね合せによる SN 比改善の様子されてパルス幅も短くなると考えられる。

深さ測定は困難であったが、0.3mm 以上の深さの各ノッチに対する測定結果を図 10 に示す。なお、ノッチでは、ラテラル波ときず端部の回折波の伝図中には、直径 32mm の配管の軸に直交する方向搬時間差は、いずれもノッチ深さと良い相関関係に設けた深さ 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 および 0.75mmにあり、また伝搬経路より予測した値とも一致し深さの表面開口放電加工ノッチの同様の手法によていた。これより、従来は測定が困難であった微る深さ測定結果も併せて示している。0.2mm 深さ

小な表層部きずの評価が可能になったといえる。

までのノッチでは、指示は明瞭に得られているが、—

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図9

深さ 1mm の開口ノッチの探傷結果：交軸点を変えた各探傷の B スコープ像（上段）と、41 回の探傷結果を合成した波形による B スコープ像および A スコープ（下段）の比較

図 10

表層部の微小放電加工ノッチに対する深さ測定結果（ラテラル波とき裂端部の回折波の伝搬時間差とノッチ深さの関係）—

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5. まとめ

参考資料

Multi2000 探傷システムは、素子の自在な組合せ（1） 熱田・加藤・斎藤・荒川・畠中「高温での減や、励起のタイミングを自在に設定できる機能を搭

肉の高精度連続監視」、IIC REVIEW、No.42、載し、ユーザーとのインターフェースが開かれたシ

pp.37-42、2009-10

ステムの一つである。このシステムを用いて、新（2） 畠中・井戸・降駒・荒川「9％ Ni 鋼溶接部のたな探傷手法の構築が可能であることを紹介した。

超音波 TOFD 法による探傷へのウェーブレッ

この他にも、複数の探傷（Salvo）を組み合わせて、ト信号処理手法の検討」、非破壊検査第 53 巻

溶接線の両側からのフェーズドアレイやその他の2 号、2004 年（4）（3） 中島「リアルタイムウェーブレットの超音波探傷を同時に行う方法へも適用している 。

探傷への応用」、IIC REVIEW、No.37、pp.19-

今後も、デジタル化の進歩と共にユーザーへのインターフェースがより自在に使い勝手の良いも28、2007-4のになっていくことを期待している。特に、探傷（4） 荒川「石油タンク底板溶接部のコーティングデータの電子カルテとしても、ユーザーのパソコ上からの非破壊検査技術の検討」日本高圧力ンとの探傷データの通信により多様化していくこ

技術協会技術セミナー資料「第 13 回エネルとを期待している。

ギー貯槽等技術基準と安全性」、2013 年 2 月

フェロー 工学博士
横浜国立大学 安心・安全の科学
研究教育センター 客員教授

研究開発センター
研究開発グループ

寺久保 麻美荒川 敬弘

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—

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