技術紹介

Adaptive TFM（ATFM）法を用いた溶接余盛上における超音波探傷法の適用検討
川崎拓 *1

Kawasaki Hiraku

溶接線に対して直交方向に進展するきずを検出するため、フレキシブルウェッジを用いた溶接部の余盛上からの超音波探傷を検討した。超音波取得方法に FMC 法を、探傷画像の構築に Adaptive TFM 法を採用することにより、溶接部のきずに対して超音波を集束させることで探傷が可能であることがわかった。
キーワード：超音波探傷、Full Matrix Capture、FMC、Total Focusing Method、TFM、ATFM 法、
フレキシブルウェッジ

一般的に超音波探傷では、アクリル等を遅延材1. はじめに（ウェッジ）として用いる。しかし、凹凸を有する超音波探傷技術は、継手溶接内部を非破壊で検面での探傷には表面形状に合わせて変形するフレ査する手法として広く用いられる。当社では、超キシブルな遅延材（フレキシブルウェッジ）が必要

音波フェーズドアレイ探傷（UPA：Ultrasonic Phasedとなる。フレキシブルウェッジを適用した場合、Array）技術をはじめ、高精度な検査技術を開発

探傷走査ごとに、探触子と試験体表面の距離や角（1）（2）

。配度が変化するため、UPA 法のように任意の点に管の継手で検査対象となるきずは、溶接線に対しフォーカスを設定する方法は適用できない。このて平行方向に進展するきずが主であるため、溶接課題を解決するため、新たな超音波波形処理技術

部近傍の母材表面から超音波を入射する斜角探傷である FMC/TFM（Full Matrix Capture/Total Focusing

し、各種配管の検査工事へ適用している（3）法を主体として開発してきた 。

Method）法を用いた、Adaptive TFM 法（以下、ATFM（4）（5）

一方、溶接線に対して直交方向に進展するきず法）が提案されている。ここでは、本手法を用を検出するためには、溶接線に対して平行方向にいた余盛上探傷の可能性を調査した結果を報告す

超音波を入射する必要があり、溶接線上から超音る。

波を入射することが望ましい。しかしその場合、2. ATFM 法

探触子の倣い性を確保するため、溶接余盛の研削作業などに時間を要することが多い。溶接余盛を従来の UPA 法は、複数の振動素子をアレイ状に研削せずに検査が可能であれば、検査作業の効率並べ、個々の素子の振動タイミングを電気的に制化が期待できる。

御しながら送受信することで、超音波ビームを任*1：元研究開発センター 研究開発グループ （現株式会社 IHI インフラ建設 鉄鋼事業部 鉄鋼管理部 DX 開発グループ）—28—

意の方向に偏向、集束、連続的に移動させて探傷の裏面、溶接部近傍に 4 カ所（①～④）、母材部にする技術である。一方、FMC/TFM は、アレイ状4 カ所（①’～④’）の計 8 カ所に EDM ノッチを付与に並べた複数の素子を 1 つずつ個別に振動させした。溶接部近傍のノッチ①②は図 1（b）に示すデータを取り、各素子の個別データを解析的に合ように溶接部の中心に、ノッチ③④は図 1（c）に成する技術である。解析時に合成条件を決めるこ示すように溶接部横のシーニングに付与した。とができるため、より精緻な探傷画像を得ることノッチの寸法は、幅 1.0mm、長さ 5.0mm、ノッチができる。

高さは①③①’③’
は 2.0mm、②④②’④’
は 4.0mm と今回は、表面形状に合わせて変形するフレキシした。座標軸は、溶接線に対して平行方向を X、ブルウェッジを試行した。この場合、探傷走査ご直行方向を Y、板厚方向を Z とする。とに探触子の角度や試験体表面までの距離が変化する。そこで、FMC/TFM 法の特性を活かし、ま4. 水浸探傷試験を用いた ATFM 法の基礎的な特性調査

ず試験体表面の形状と距離を把握し、その後、合4.1 試験概要成計算を補正する。それにより表面形状の影響がATFM 法の基礎的な特性を調査するため、水浸少ない探傷画像を得ることができる。

超音波探傷法を用いて、探触子の傾きや探触子と本研究では、FMC/TFM の探傷装置として AOS試験体の距離が固定された状態におけるきず検出（エーオーエス / アメリカ）社製 OEM-PA を使用し性を確認した。
図 2（a）に示すように、試験体を水槽内に設置た。

し、XY ステージに探触子を固定した。探触子は3. 試験体3MHz、128 素子のリニアアレイ探触子を使用し、使用した溶接継手を有する試験体を図 1（a）に探触子中心と試験体表面の距離（水距離）はおよそ示す。配管を模擬し、溶接方向に約 300mm の R が20mm に固定した。

ついており、板厚は 50mm である。図中赤線位置

探触子は、長手方向を溶接線と平行にセットし①'，②'④ʼ④ʼ

③ʼ

③ʼ

①，②（b）ノッチ①’、②’、①、②付与位置②ʼ①ʼ③'，④'④ʼ

③，④③ʼ（a）試験体写真②ʼ

①ʼ（c）ノッチ③’、④’、③、④付与位置

図1—

試験体概要
29—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

X
探触子

固定治具

Y

試験体

探触子（a）探傷時の写真（b）探傷概要図

図2

水浸探傷概要た。試験体は図 2（b）に示すように X 方向に R がついており、探触子表面から試験体表面までの距離は、各素子によって異なる。
TFM における画像化範囲は、探触子の直下 X 方

試験体表面

水中試験体底面

⺟材

向に 100mm、Z 方向に 80mm とした。この時、水距離が 20mm であることから、試験体内部における Z 方向の画像化範囲は 60mm となる。
4.2 母材 EDM ノッチを用いた特性調査
図 2（b）に示すように、高さ 4mm および 2mm の表面2ノッチが画像化範囲に入るように探触子を設置し、母材部のノッチを探傷した。図 3 に、同じ素子で送受信した際の 128 個の受信波形例を示す。

図3

横軸に素子番号（CH）、縦軸に水の音速で計算し受信信号例た探触子から伝搬した距離を、信号振幅値をカラーマップで表示している。縦軸に示す水距離化した結果を図 4 に示す。画像は、縦軸に深さ Z、20mm 近傍に取得された波形が試験体表面から反横軸に探触子長手方向 X、カラーマップに画像振射した信号であり、試験体の表面 R に沿って、各幅値を示す。画像振幅値は底面反射を 100％とし素子からの到達時間が変化していることが確認でて規格化した値となる。図 4（a）に一般的な TFMきる。縦軸 35mm 近傍の信号が試験体底面からの法で計算した画像化結果を示す。一般的な TFM反射波であり、画像化範囲は縦軸 20 ～ 35mm 近傍

では、表面形状を画像化計算に反映させないたとなる。なお、縦軸 40mm 近傍の信号は、探触子め、超音波の入射面である試験体表面を平面と仮と試験体表面の間を 2 回反射して到達した信号と定する。したがって、平面でない試験体では、探なる。

触子の中心以外は水から試験体へ超音波が入射す

次に得られた波形データから、内部状況を画像—る位置・屈折角が曖昧になる。全体に R を有し、30—

（a）一般的な TFM 画像

図4（b）ATFM 画像

母材部付与 ノッチ画像化結果

溶接部の凹凸がある今回の試験体では、ノッチか探傷では、ノッチは検出できず、加えて底面エらの反射は集束せず円弧上に広がり、底面からのコーもほとんど検出されなかった。

反射波も一部しか画像化できない。一方、図 4（b）

次に、図 6（a）に示すように探触子位置を母材に示す ATFM 法の画像化結果では、試験体表面の側にずらし、溶接部と母材部の境界に探触子の中形状と、探触子の各素子と表面の距離を反映させ心を設置してノッチ③④を探傷した。探傷結果をて画像化計算を行っているため、ノッチからの反図 6（b）に示す。本位置における探傷では、ノッ

射は球状に画像化されている。底面反射に着目すチからの反射波が検出され、ノッチの画像化が実ると、一般的な TFM 画像では画像化した範囲が現できている。
これらの結果より、余盛真上からの探傷では、およそ X：30 ～ 70mm だったが、ATFM 画像では余盛表面の細かい凹凸が影響して超音波が試験体X：20 ～ 80mm であった。
従来の UPA 法や TFM 法では、探触子表面の距表面で拡散してしまい、内部に入射できなかった離、探触子の傾き、試験体表面の R がわかっていが、探触子を母材側にずらすことにより、超音波ないと、超音波を集束することができない。ATFM

ビームの一部が凹凸のない母材表面から入射さ法では、これらを探傷時に自動で補正することかれ、ノッチに到達したと考えられる。したがって、ら、フレキシブルウェッジのような、探触子を固余盛上からの探傷で反射波が得られない場合は、定できない探傷法や、表面形状が一様ではない試探触子を母材側にずらして走査することが有効で験体に対して有効である。

ある。
5. 接触式 ATFM 法の検討

4.3 余盛上からのノッチ検出性確認

5.1 探触子と治具試験体裏面のシーニング部に付与したノッチに次に、探傷対象の形状に合わせて変化するフレ対して、余盛上から探傷した。
まず図 5（a）に示すように、余盛の真上に探触キシブルウェッジを用いて手走査における ATFM子を配置し、図 1 に示すノッチ③④を探傷した。

法の性能を調査した。今回は図 7 に示すハロゲン

図 5（b）に探傷結果を示す通り、余盛真上からのフリー材質のゴムに水を注入して使用するタイプ—

31—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

底面エコー（a）探触子位置

図5（b）ATFM 探傷結果

水浸探傷 シーニング部ノッチ探傷結果（余盛真上）

Y探触子
探 触子ZYZ2mm ノッチ2mm ノッチ4mm ノッチ4mm ノッチ

溶接部
溶 接部ノッチ
ノ ッチ（a）探触子位置

図6（b）ATFM 探傷結果

水浸探傷 シーニング部ノッチ探傷結果（母材側にシフト）像化した結果を図 8（d）（e）（f）に示す。UPA 法にを採用した。
本タイプでは探触子から試験体表面までの主伝おける画像化方法は、FMC にて取得したデータを搬体は水となるため、超音波探傷法の種類として用いて再構成した。この時、フォーカスの条件はは、「局部水浸探傷法」となる。使用した探触子は水 距 離 20mm、 フ ォ ー カ ス ポ イ ン ト X：-25 ～図 7（c）に示すように、探触子とフレキシブル+25mm（1mm ピッチ）、Z：50mm とした。図中のウェッジを合わせても片手で走査できる。探傷方

右方向がスキャン方向となり、図 8（a）
（d）はノッ向は X 方向とした。

チから X：-10mm 位置、図 8（b）（e）はノッチ真上、図 8（c）
（f）はノッチから X：+10mm 位置の結5.2 UPA 法との比較果となる。横軸を X 方向とし、横軸の 0mm およ母材部に付与した、高さ 4mm のノッチ（図 1（a）

び赤点線はノッチ位置を示している。

②’）を探傷した。探傷は糸引きのロータリーエンATFM 法の結果におけるノッチからの反射信号コーダを使用し、ノッチ真上より X 方向に ± 25mm（ノッチエコー）は、どの位置においても球状に集を 1mm ピッチでラインスキャンした。ATFM 法で束しており、位置精度が高い。加えて、底面エ画像化した結果を図 8（a）（b）（c）に、UPA 法で画コーも直線状に描写されている。一方、UPA 法に—32—

ゴム(ハロゲンフリー)

探触子接地面（a）ウェッジ写真（上面）（b）ウェッジ写真（側面）探傷方向

h=4mm（c）探傷の様子

h=2mm（d）探傷方向

図7フレキシブルウェッジ

スキャン方向底面エコー

横軸 X方向 [mm]ノッチ

図8

母材部付与 4mm ノッチ

おけるノッチエコーは円弧状に発散している。特の位置は実際の位置より X 方向にずれている。こに、図 8（e）0mm 位置では、反射信号が二つに分れは、走査時にエンコーダの糸で引っ張られた探離して描写されており、底面エコーも斜めになっ触子が、フレキシブルウェッジの影響で傾きをている。加えて、位置精度も低く、ノッチエコー持って走査されていたことが原因と考えられる。

—

33—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

このように UPA 法はフレキシブルウェッジを用したノッチ③の結果を図 10（a）（b）（c）に、溶接いた探傷には不向きだが、ATFM 法は、探傷ごと部に加工したノッチ①の結果を図 10（d）（e）（f）にに探触子の傾きを補正して画像化計算を行ってい示す。図中の右方向がスキャン方向となり、図 10るため、高い位置精度や集束性が得られる。

（a）（d）はノッチから -10mm 位置、図 10（b）（e）はノッチ真上、図 10（c）（f）はノッチ +10mm 位置5.3 余盛上探傷の結果である。各図の横軸は X 方向の位置であ溶接部および溶接部近傍に付与した、高さ 2mmり、横軸の 0mm および赤点線および赤丸はノッのノッチ（図 1 に示すノッチ①、③）に対し、余盛チ位置を示している。

上から探傷した。4 章の水浸探傷試験で余盛真上シーニング部の結果図 10（a）（b）（c）は底面反からは超音波が試験体に入射されなかったことか射が明瞭に描写されている。一方で、溶接部の結ら、図 9 に示すように、探触子を母材側に 5mm ず

果図 10（d）（e）（f）では、底面反射が複数合成されらして探傷した。ている。これは、探触子を母材側から溶接部に向探傷結果を図 10 に示す。シーニング部に加工かって斜めに超音波を入射しているため、母材裏面と溶接部の裏波からの反射が混合されたことによる。
図 10 に示す通り、ノッチ①およびノッチ③いずれの探傷結果においても、きず指示が球状に画像化しており、きず位置も正確であった。このことから、余盛中心から探触子を母材側にずらすこ溶接部とにより、シーニング部、溶接部いずれでも高さ2mm のノッチが検出可能であることを確認した。

図9

ここで、今回の探傷で取得した波形から、水距探傷の様子

スキャン方向横軸 X方向 [mm]
ノッチ③

底面エコー

シーニング部

ノッチ①

底面エコー

溶接部

図 10

溶接部近傍 2mm ノッチ—34—

離（探触子と試験体表面との距離）と探触子の傾き性がある。このことから、フレキシブルウェッジの状態を計算した。水距離の計算結果を図 11（a）

を使用する場合、傾きをおさえることが重要であに示す。横軸が X 方向の走査位置を示し、0mm がる。

ノッチ付与位置としている。縦軸は水距離を示し

6. まとめと今後ている。グラフには、母材部 4mm を探傷した際の水距離の結果（図 8）と、同様にノッチ①、ノッチ

本稿では、溶接線に対して直行方向に進展する③の結果を示している。走査距離 50mm 内におけきずの検出をするため、ATFM 法を用いた、溶接る水距離の変動は 0.4mm 程度であり、変動が少な部の余盛上からの超音波探傷を検討した。水浸探い、すなわち、フレキシブルウェッジでも水距離傷法を用いた基礎的な検証試験より、表面が平面はほぼ一定に保たれることが確認できた。

でない対象に対する ATFM 法の有効性を確認でき

次に、取得した波形より探触子から認識できるた。しかし、溶接部余盛の中心から超音波を入射表面形状を再現し、探触子と試験体表面の傾きをした場合、余盛表面の細かい凹凸によって超音波計算した。探触子と試験体表面の傾きを入射角とが試験体内部に入射されないことが判明した。こし、式（1）に示す、スネルの法則より試験体に入の課題に関しては、余盛中心からわずかに（5mm射される超音波の屈折角を求めた。

程度）母材側に探触子をずらすことにより、溶接

sin q A VA
=sin q B VB

部のきず検出が可能であることが確認できた。

（1）

フレキシブルウェッジを用いた、手走査におけ

この時、入射角を qA、屈折角を qB、VA を水、VBる ATFM 法の検討では、走査方向に対して探触子を試験体の音速とした。

が傾く傾向にあった。しかし、ATFM 法の特性上、計算結果を図 11（b）に示す。縦軸を屈折角、縦探触子の傾きに対して、自動で位置情報が補正さ軸の括弧内は入射角（探触子と試験体の傾き）を表れるため、不安定な余盛上からの探傷においても、している。いずれの探傷でも探傷時の屈折角はお超音波の集束性の高いきず検出が可能であった。

よそ 20deg 近く変動していることが確認できる。

このことから、ATFM 法を用いれば、余盛上から今回は探傷できたが、検出目標のきず位置が深いシーニング部や溶接部に発生するきずの検出は可と、屈折角で 20deg 変動した場合、探触子から発能であると考える。実機適用のためには、探触子生する超音波の主ビームが目標に到達しない可能の傾きを抑制するための治具開発が課題である。

（a）水距離（b）屈折角

図 11

走査時における探触子の状態—

35—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

（4） M. Karaman, P.-C. Li, and M. O’Donnell：

参考文献

Synthetic aperture imaging for small scale（1） 畠中宏明、長沼隼人、菅井孝郎、荒川敬弘、

systems,IEEE Transactions on Ultrasonic,

柳原有紗、野瀬裕之、田上稔：高 Cr 鋼溶接部

Ferroelectrics and Frequency Control, Vol.42、

クリープ損傷評価の信頼性向上に関する検No.3, 1995, pp.429-442（5） A. J. Hunter, B. W. Drinkwater and P. D. Wilcox：

討、IIC REVIEW、No.47、2012/04、pp.25-30（2） 船戸一寛、芝田三郎：新 UT（PhasedArray 法、The wavenumber algorithm for full-matrix imaging

TOFD 法）技術の実機適用状況、IIC REVEIW、

using an ultrasonic array, IEEE Transactions on

No.41、2009/04、pp.17-23

Ultrasonic, Ferroelectrics and Frequency Control,（3） 引地達矢、梶ヶ谷一郎、齋藤規子、中川博勝、

55（11）, 2008, pp.2450-2462

塩田佳紀：フェーズドアレイ法を用いた高クロム鋼溶接部の余寿命検査技術、IIC REVIEW、No.57、2017/04、pp.12-17

元研究開発センター 研究開発
グループ （現株式会社 IHI イン
フラ建設 鉄鋼事業部 鉄鋼管理部 DX 開発グループ）

川﨑

拓TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—36—