技術紹介

フェーズドアレイ法による異材継手の欠陥検出技術
芝田三郎 *

Saburou Shibata

近年、新しい検査方法としてフェーズドアレイ探傷法（Ultrasonic Phased Array）の実機への適用が注目されてきている。これは、リアルタイムで欠陥を画像化できることと任意の方向へビームを伝搬させ、且つ任意の深さに焦点を結ぶことで測定精度の向上が見込めるためであり、またコンピュータ技術などの著しい進歩で装置やプローブが小型化し、現場での適用が極めて簡便になってきたことによるところが大きい。当社でも、従来から本技術に着目し検討を進めており、原子力プラントでは SCC の検出と高さ測定等の実機に適用しその有効性を明らかにしてきている。本報告では、フェーズドアレー探傷法の適用拡大の一つとして、異材継手への適用検討について述べる。

キーワード：超音波探傷法、異種金属溶接、柱状晶、音響異方性、フェーズドアレイ法、アレイプロー
ブ、セクタスキャン

1.

どの複雑な現象を起す。

はじめに

現在は、垂直法と斜角法を組合せた探傷法が慎沸騰水型原子炉圧力容器のノズル部は、低合金重に適用されているが、この複雑な現象を探傷波鋼の管台と SUS 配管との異材継手になっている形（A スコープ）より目視で判断する必要があるものがある。

ために、検査には高度な技量と経験を必要として低合金鋼のノズル開先面及びノズル内面には予いる。このために、更なる検査精度の向上ととも

め SUS 系でバタリングされ、後に SUS 配管とオーに、客観性のある探傷手法が強く望まれてきていステナイト系溶接金属で突合せ溶接される。オーる。

1）〜 4）

があ一方、オーステナイト系ステンレス鋼突合せ溶るために、超音波の直進性が損なわれ、かつ溶接接部に発生する応力腐食割れ（SCC）の超音波探部の組織が粗いために減衰も生じやすい。特にこ傷試験おいて、フェーズドアレー探傷法が検査精の異材継手においては母材（低合金鋼）／バタリ度向上にも優れていることが確認されている。本ング部、バタリング部／突合せ溶接金属部や突合報告では、このフェーズドアレー探傷法を異材継せ溶接金属／母材（SUS）の界面が複雑に入り混手に用いたときの探傷結果を従来のパルス反射法じっており、界面で超音波は屈折、反射や散乱なと比較して報告する。

ステナイト系溶接金属には音速異方性＊元検査事業部

技術部

NDE 技術グループ課長（現 株式会社アデルコ）

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IIC REVIEW/2007/10. No.38

種類とした。3 種類の各ノッチに対してノッチ深2. 試験方法
2.1

さが 1, 3, 5, 10, 20mm の 5 種類の一連のノッチを試験体作製した。

試験に供した試験体の形状を図１に示す。炭な お、 肉 盛 厚 さ は、 開 先 面 上 で 10 〜 13mm、

素 鋼 の 開 先 面 お よ び 裏 面 に 肉 盛 溶 接（ 初 層：

配管内面側で 5 〜 7mm となるように溶接し、そWEL309、残層：WEL308）した肉盛材とステンの後機械加工している。

レス鋼（SUS304）とを開先角度 30 度のＶ開先部で突合せ溶接（溶材：WEL309）した平板試験体

2.2（500L × 250W × 30t）に、溶接線方向へ平行に2.2.1

超音波探傷試験方法
パルス式超音波反射法

長さ 10mm のノッチ（開口幅 0.5mm）を裏面側に従来の探傷手法として、周波数 2.25MHz、屈折施した試験体を試験に供した。ノッチは、溶接線

角 45 度、交軸深さは 35mm とした広帯域形の二中心線より SUS 配管側に８mm 離れて開口部が分割形縦波斜角探触子（Harisonic 社製）を用いた。

SUS 配管に位置する A ノッチ、溶接線中心から縦波斜角探触子を用いたのは、オーステナイト系

炭素鋼配管側に 10mm 離れて開口部が配管開先面溶接部の柱状晶の向きに対する音速の変化率が横上のバタリング部に位置する B ノッチ及び溶接波に比べて相当小さく、音速異方性の影響を軽減

中心線より 30mm 炭素鋼配管側に離れて開口部ができることが知られているためである。広帯域

配管内面側バタリング部に位置する C ノッチの 3形の二分割型探触子としたのはノイズを低減し、図1

試験に用いた試験体の形状

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SN 比の向上を計ることを目的としている。超音させるダイナミックフォーカッシング及びこれら波探傷装置には、IR 社製の ScanMaster を用いてを複合して行う探傷方法など種々の使用方法があいる。

る。本試験においては、屈折角 65 度のくさびに

なお、走査方法は、方形走査により、手動にてフェーズドアレー探触子を設置し、フェーズドア探傷を行っている。対比きずには母材に加工したレー探触子をセクタスキャンさせ、屈折角で 0 度

φ 3.2 横穴を用いており、これの距離振幅特性曲〜 70 度の範囲でのセクタスキャンを用いている。

線を基準としている。

また、同時に裏面近傍に集束させるダイナミックフォーカッシングを併せて使用した。

2.2.2

ノッチの検出の目的に対しては、溶接中心線よ

フェーズドアレー探傷法

フェーズドアレー探傷装置には R/D Tech 社のり 20mm の位置に探触子の入射点（垂直探傷におμ− Tomo Scan Focus を用い、探触子には 5MHzける入射点）を一致させ、平行走査を行って画像で 32 チャンネルのリニアフェーズドアレー探触化を行った。一方、きずの高さ測定の目的では、子（外形寸法；72 × 8 × 45）を用いている。装さらに前後走査に相当するリニアスキャンを併用

置の外観を図２に示す。

して、得られた断面画像を重ね合わせて評価した。
3.
3.1

探傷結果及び考察

ノッチの検出性

パルス反射法とフェーズドアレー探傷でのノッチの検出性の比較を表１に示す。ノッチの開口部におけるコーナー反射によるきずの検出性とノッチの端部における端部エコーの検出性を区分して示している。なお、パルス反射法での検出性はエコー高さで表し、一方フェーズドアレー探傷では、得られた探傷図形より SN 比を読み取って表示している。
図2

パルス反射法では、20％ DAC を検出レベルとフェーズドアレー探傷装置の外観してきずを評価することも多い。20％未満のものを検出困難として網掛けしている。一方、フェーフェーズドアレー探傷とは、微小な素子を多数ズドアレー探傷では SN 比が 3dB 未満のものを検隣接して配置して各素子を励起させるタイミング出困難として網掛けしている。両者の検出性は概をコンピュータで制御したもので、一定の数の素して同等か、あるいはフェーズドアレー探傷がや子を同時励起させ、後に励起する素子を一つ毎にや優れていると考えられる。

ずらせて行うリニアスキャン、各素子の励起させ

図３は、深さ 5mm の炭素鋼配管開先面バタリるタイミングをずらすことで超音波の送信方向をング部及び炭素鋼配管内面バタリング部に位置す順次変化させるセクタスキャン、同じく励起させる B ノッチ及び C ノッチの探傷波形を示しているタイミングを調整することで任意の深さに集束る。特に溶接金属内に存在する B ノッチのエコー

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表１

異材継手におけるパルス反射法とフェーズドアレイ法の検出性評価結果

SUS母材側からの探傷
30SUS

W39
Y28%6.520%未満

W48
Y37%25DAC20%

W40
Y33%12.520%未満

C/S

5C/S側からの探傷
37SUS

W48
Y36%28DAC20%C/S

5開口部エコー端部エコー（a） B ノッチ（5mm 深さ）探傷波形

28SUS

5C/S

W46
Y37%68DAC50%

C/S側からの探傷
35SUS

W36
Y24%2320%未満

W42
Y29%2220%未満

SUS母材側からの探傷

5W39
Y30%64DAC50%C/S

開口部エコー（b） C ノッチ（5mm 深さ）探傷波形

図3

パルス反射法での探傷結果の例
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端部エコー

図4

フェーズドアレー探傷法での探傷結果の例

高さは低く、健全部での発生するノイズとの識別画像化したときの B スコープ（断面画像）を示す。に、充分な知識と探傷技量が必要であるといえる。

最下段にはきずのない健全部での探傷画像も示し

図４には、同じく深さ 5mm の B ノッチ、C ノッ比較している。ノッチが深くなるにつれてノッチ

チのフェーズとアレー探傷結果を示している。探先端部の端部エコー位置あるいは欠陥面の像が上傷図形よりきずを識別する分、より客観的な判断部（探傷面側）に伸びてくる様子がよくわかる。

が可能であるといえる。

健全部においても裏面にいくつかの指示が得ら

パルス反射法での探傷では、方形走査により広れているのがわかる。母材と溶接部で音速が異ない範囲を探傷しているのに対し、今回のフェーズり、またバタリング部と突合せ溶接の界面においドアレー探傷では平行走査の直線走査のみできずても音速異方性のある柱状晶の成長の向きが異なを検出している。このようにセクタスキャンを用るために、超音波の進行方向における音速が異ないることで、探傷を迅速に行え、かつ検出性も方る。したがって。音速と密度の積で求められる音

形走査を行ったパルス反射法と同等の検出性が確

響インピーダンスも異なることによって界面で反保されていることがわかる。

射が生じ、特にコーナー反射となる裏面で指示を示す結果になると考えられる。

3.2

今回の探傷では、裏面近傍で集束させるダイナ

きず高さ測定精度

図５に、セクタスキャンに前後走査を組合せてミックフォーカッシング機能を用いているため

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図5

セクタスキャンに前後走査を加えたきず高さ測定結果に、このノイズの指示を小さくできたことがきず

位置の溶接線直交方向の測定精度にも影響を及ぼの検出や高さ測定をより容易にしている一つの要す。図７に、溶接線直交方向におけるきずの端部因と考えられる。

位置の測定誤差をパルス反射法とフェーズドア

図６にパルス反射法とフェーズドアレー探傷法

レー探傷法で比較して示す。両者の誤差の程度はを比較して、きず高さ測定精度を比較している。

ほぼ同等であるが、きずの深さ測定誤差以上に溶これらの結果に特に際立った差異があるとはいえ接線直交方向の位置のずれが大きいといえる。

ないが、図５に示すように、前後走査をも加味し４．まとめたフェーズドアレー探傷では、きずの断面像を明確に表示できるので、より客観性に優れた信頼性の高い結果が得られると考えられる。

オーステナイト系ステンレス鋼溶接部は音速異方性を持ち、超音波の直進性が損なわれるほか、組織が粗く減衰が大きいことなどより低合金鋼や3.3炭素鋼の溶接部に比べてはるかに超音波探傷試験

その他

きず高さ測定における誤差の要因に、音速異方が困難になる。著者らは従来からこの問題を定量性を有する溶接金属部での超音波のビームの湾曲的に検討し、柱状晶の向きに対する音速変化率がをあげることができる。このことは、きずの端部横波に比べてはるかに小さな縦波を用い、かつ̶ 12 ̶

図６

図7

きず高さ測定精度の比較

きず端部の溶接線直交方向の位置測定誤差の比較

SN 比を改善するために広帯域形の二分割形探触波探傷精度の比較検討を行った。この結果、縦波子を用いることで検査精度改善を大きく改善できのセクタスキャンを行うことで、直線状の平行走ることを提言している。

査のみで従来のパルス反射法と同等あるいは同等

今回は、この検討結果に基づく探傷法を従来型以上の検査精度が得られることを確認した。

パルス反射法として用い、近年注目されている

特に、従来のパルス反射法では方形走査（超音フェーズドアレー探傷との異材継手における超音波が探傷範囲をカバーさせるための溶接線に対し

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て直交方向と平行方向を組合せた走査法）を行う

Means of Transmitter-Receiver Type Longitudinal-

必要があるのに対して、フェーズドアレー探傷でWave Angle-Beam Probe,Materials Evaluation

はセクタスキャンによる平行走査で、探傷が極め（April1982/Volume40/Number5）て迅速に行え、かつ画像化により客観的に判断で

2）米山、芝田、岸上：オーステナイト系ステンきる長所が確認できた。また、きずの高さ測定にレス鋼溶接部の超音波探傷に関する一実験、おいても、更に前後走査をも併用して画像化する（ そ の 1）、NDI 資 料 2660（1978.1） 昭 和 52

ことで、きずの断面像を明瞭に得ることができ、

年客観的な評価が可能になっている。これらより、

3）米山、芝田、岸上：オーステナイト系ステン

フェーズドアレー探傷法が異材継手においても適レス鋼溶接部の超音波探傷に関する一実験、用が有効であることを確認した。

（昭和 52 年度秋季大会講演概要集Ⅱ -5（1977）.
p275

参考文献

4）米山、芝田、岸上：各種縦波探触子を用いた

1）H.Yoneyama,S.shibata,M.kishigami:Ultorasonicステンレス鋼溶接部の超音波探傷、NDI 資料

Testing of Austenitic Stainless Steel Weldments by2705（1978.11）

元検査事業部
技術部 NDE グループ課長（現 株式会社アデルコ）

芝田 三郎
TEL. 045-759-2163
FAX. 045-759-2146

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