技術論文

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発
加藤

恵之*1・竹本

省一*2・佐藤海広*1・塗嘉夫*3

Development of Evaluation Technique of Non-metallic Inclusions
in Steel by High-Frequency-Ultrasonic Detection
Yoshiyuki Kato, Shoichi Takemoto, Kaiko Sato and Yoshio Nuri

Synopsis: Development of evaluation method of medium-size of nonmetallic inclusions is one of important subjects in ironand steel materials engineering. Automatic evaluation of inclusions by the ultrasonic method was examined aboutsteel grades. The fundamental characteristics, e.g. detectability of inclusions, were examined by focal-type highfrequency ultrasonic probe of 50-125 MHz. In this ultrasonic method the inspection weight was 1g to several tens
g per specimen, and the object of the evaluation was mainly the medium-size inclusions which size was 20-200µ m.
· Evaluation of medium-size inclusions used to be difficult, but it became possible by the application of this ultrasonic method of higher–frequency focusing probe. Detecting limit of inclusions by this ultrasonic probe was confirmed that it was almost equal to 1/4 of a wavelength.
· Since echo amplitude falls as a defect deviates from the focus position, the revision of echo amplitude is necessary for both axial and radial directions. It is possible to correct the axial deviation by a quadratic equation.
However correction of the radial one requires narrow scanning pitch measurement, because of the difficulty tolocated individual defect.
· Heat-treatment condition of a sample has an influence on echo amplitude. Discrimination between voids andinclusions is possible by the analysis of wave form.
Key words: non-metallic inclusion; UST; echo amplitude; acoustic impedance; SUJ2; focusing probe.

1．緒言きである。Fig.1 3，7-10）に示すように，これらの評価方法によってカバーされない中間領域，すなわち径20−200 µ m

自動車の低燃費化，軽量化の問題は，高強度材の開発，の中型介在物に対する試験評価・保証方法は十分に確立さ耐疲労寿命の改善へと展開し，結果として材料設計におけれているとは言い難い。そこで，より検出能の高い探触子る材料の強度アップにつながった。鋼中の大型介在物量がを用いることにより介在物の粒径分布の迅速評価技術と中激減し鋼材の清浄度は著しく向上したものの，依然として

大型介在物の定量的検出評価法を検討した。

中大型の介在物に起因する疲労破壊は解決すべき重要課題

近代超音波技術の発展に貢献したのはLangevanである。

であり改めて注目をされてきている 。ところが疲労破壊

彼は1917年に水晶振動子を用いてはじめて実用的な超音波につながるといわれる鋼材の介在物の大きさ，およびその発信器の試作に成功した。その後，第2次大戦中のレーダ分布を知る上で，現在の評価法は必ずしも十分な情報を与ーの開発研究からパルスの技術が応用されソナーなどに超えるものとは言えない2）。光学顕微鏡法は介在物の標準評

音波の用途が広がった 12）。戦後はファインセラミックスとして使われているが，被検面積の小さいことか（Fine ceramics）の出現により優れた圧電材料が開発され探

1）

価法

3-6）

傷装置（振動子）が高性能化されている13）。

ら大型介在物の出現を十分予測できない。また一方では，
大型介在物やかみ込み物の検査に適用されるUST法は，逆鉄鋼業においては，超音波技術は製造ラインの品質管理に探触子の検出能の問題から，小型介在物の評価には不向用として適用され自動探傷装置の開発が行われてきた11-13）。

*1
*2
*3

技術研究所
技術管理部
技術研究所

プロセス開発グループ
条鋼管理第1グループ
プロセス開発グループ，工博

35

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

2．実験方法

超音波探傷技術と介在物評価のかかわりは，1958年ごろにはすでにアメリカ，ヨーロッパで始まっており，軸受鋼に2・1

おいて非金属介在物の大きさ，位置，形態と寿命の関係の

超音波探傷装置研究が行われている14）。1965-1970年にアメリカでは大学実験に使用した超音波探傷装置は高周波探傷器を使用

や鉄鋼，自動車，ベアリングメーカーなどの研究機関を中し，反射エコー強度と位相を複合評価する機能を備え，介心としてASTM委員会―E4のもとで5-10MHzの周波数を中在物と空孔との識別が可能である。またこの高周波探傷器

15-19）。

は1.5〜150MHzの広い周波数帯域と，高精度の7軸スキャ

Bastienは鋼材の検査に対する超音波探傷法の役割についナ装置を備え，平面，側面，円柱，円筒，円錐，球面およて，超音波法は種々の制約はあるも欠陥の探知と位置決め

びこれらを組合せた走査が可能である。表示画像は平面にはよい結果をもたらすが，欠陥の大きさを決めるには正（Cスコープ）および側面（Bスコープ）カラー表示され確さに欠けると述べていることは注目される 。

（Fig.2），測定結果はファイルに保存が可能である。最小走心に介在物評価法の研究が精力的にすすめられた20）

その後はより高い周波数の探触子の製造が困難であった

査ピッチは0.005mmで，超音波探触子は水浸型―焦点型，こと，高周波超音波法は周波数が高くなるにつれて鋼材内

周波数は50,80,100,125MHzを使用した。Fig.3, Fig.4および部における減衰が大きくなり浸透できる深さが浅くなるな

Table 1に測定条件を示す。

どの理由から，超音波技術を利用した革新的な進展は見られていない21-28）。
50MHz以上の探触子を用いた例として松崎ら29），村井ら
30）が鋼の超音波検査において，気泡とアルミナ介在物の反①

射パルスの位相が180度異なること，すなわち気泡からの③反射波形が逆転することから気泡と介在物が超音波により識別できることを報告している。
一方，高周波探触子についてはポリマー技術の進歩により，振動子を薄くし曲率半径を小さくした探触子の製造が可能になった31-33）。しかし，過去の介在物の評価研究の中では超音波ビーム径が介在物径より圧倒的に大きいことから鋼中介在物の大きさを評価した記述はほとんど見られない。
②

そこで，著者らは超音波反射強度と欠陥径の関係を求め①C-scope

ることを目的として，新しく検出能の高い超音波探触子，②B-scope

すなわち「浸漬型＋焦点型＋高周波探触子（50−125MHz）」③B-scopeを導入した。

Scanning Pitch（X0.030×Y0.030）
Fig. 2. C-scope and B-scope color image in ultrasonic testing.
U.S. method（ordinary）

100000.0
Inspected weight／g10000.0
1000.0
100.0
10.0
1.0
0.1
0.01

Table1. Condition of ultrasonic detectiion

Slime method8）Frequency（MHz）

US method
Acid
Extraction（Focal type） Step down
→LasermethodScattering／ ＜This study＞ Magnetic
9,10）
Diffraction
Particle7）
T.［O］
Microscopic
method（JK）3）
1

10

100

50

Focal Point in Water（mm）

80

100 125

12.5

Water Path（mm）

6.5

Dead Zone（mm）

0―0.5

Gate Range Below Surface（mm） 1.0―2.0 or 1.0―1.5
1.5

Focal point Below Surface（mm）＜Detectability＞＊1）

1000

Size of Defect／ µ m
Fig. 1. Relationship between size of defects and measurement
methods.

1／2―Wavelength（ µ m）

59

37

30

24

1／4―Wavelength（ µ m）

30

18

15

12

Wavelength＝Sound velocity／Frequency（Hz）×106（Sound velocity＝5900m／sec in steel）

＊1）

36

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高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

UltrasonicSearch Unit

Imaging
Unit

PC

Scanning（WATER）
Water Path
Dead Zone
Maximum Echo
Amplitude Point（Focal Point）

Material Path（Detective Depth）

Detection Area
Focal Point in Test Part（↑STEEL）
Focal Zone
（Maximum amplitude−6dB）

Focal Point in Water

Geometrical
Focal Point−6 dB beam dia.
−12 dB beam dia.

（a）Focal point in water（b）Focal point in Steel
Fig. 3. Focal length of an immersion transducerに鋼中の焦点位置におけるビーム直径の測定が必要である。

Indication

T

ところが微小欠陥を評価するための φ 10-100 µ mの基準

T：Transducer Echo
S：Surface Echo
F：Flaw Echo
B：Bottom Echo
S

試験片（以下，基準試験片Sとする）の製造技術は開発されていないため人工的に作成する必要があった。種々検討の結果，鋼線径と反射波強度の相関すなわち，微小欠陥の径に対する依存性を求めるため「熱硬化性樹脂材料」の中

GATE Bに欠陥径既知の材料として「鋼線」を埋め込んだ人工の基準試験片Sを作成しビーム径の測定に適用した。鋼線の直F径は10, 25, 50および100 µ mとし，長さは各々10mmとした。
埋め込み位置は表面から鋼線の上端までの距離dを1.5mm

Base lineとした（Fig.5）。
d＝1.5mmFig. 4. The oscilloscope indications of（T），（S），（F），（B）Echo and the gate position．

2・2

Steel wire

高周波超音波試験用の基準試験片の作成と探触子基10mm

本特性の調査2・2・1 人工基準試験片の作成（ φ 10―100 µ m）

Resin

鋼中の介在物の大きさを評価するためには欠陥の大きさ
既知の基準試験片が必要であり，走査ピッチの決定のためFig. 5. Standard test pieces s （Steel wire buried in resin.）37

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高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

水浸法による超音波測定の場合，鋼中探傷深さ（MP）

ル穴上端までの距離を0.1から2.0mmまで深さ0.1mmピッにより決定される。ここ

チ，穴の間隔は探触子の振動子直径（最大5mm）より大きは（1）式で示したSnellの法則

34）で，水中焦点距離（F），水距離（WP），試験片中の音速

い7mmとしドリル穿孔を行った。これらの4個の試験片を（C tm），水中の音速（C w）とし，この式は鋼中のおおよそ使用し，代表的な熱処理条件である焼入焼戻し（QT），球の焦点位置を求めるのに使われる。

状化焼なまし（A），焼ならし（N）処理を行い，鍛造仕上

MP＝（ F− WP）・（Cw/Ctm）‥‥‥‥‥‥‥（1）り（As Forged）と比較した。測定は焦点位置を探傷ゲート

これを参考に試験片中のMPと鋼材の実最高反射強度のの中央にセットし，それぞれの穴の直上に探触子を移動し位置（実焦点）の関係を求めた。

軸方向の反射波強度分布を測定した。

2・2・3

注）QT：Quench−Tempered, A: Annealed, N: Normalizedのそ基準試験片Sによる焦点位置での「半径方向の反射波強度の分布」とビーム直径の測定

れぞれ略号。

上記4種の樹脂埋め基準試験片Sを用いて各探触子の焦点2・3位置における反射波のビーム特性の測定を行った。反射波

熱処理条件の補正方法および表面粗さの影響の調査

2・3・1

超音波探傷に及ぼす熱処理条件の補正方法

強度の測定は，まず鋼線の真上で最高反射強度を示す位置

反射波強度の減衰は熱処理組織に著しく敏感であるとさを求め，この位置を探触子の中心軸とし，基準試験片Sのれ，一般に水冷材の場合，減衰は最も小さく，油冷→空冷

鋼線の上を横切って直角な方向に走査を行った。走査ピッ→炉冷の順に冷却速度が遅くなるにつれ減衰は大きくなる

チは装置の最小値である5 µ mピッチとした。このようにと言われている35）。ここで四つの熱処理条件（QT，A，N，して得られた反射波強度分布曲線から「最高反射波強度−

およびAs Forged）について次の2種類の試験片について反6dB」，すなわち反射波強度の半減する位置のビーム幅をビ

射強度の調査を行った。まず，Fig.6（b）に示す試験片にーム径として求めた 。

ついて表面から2mmの深さ，すなわちドリル穴上端まで

2・2・4

焦点位置の近傍における「軸方向の反射波強度

1.5mmの人工欠陥がセットされ，次にFig.6（c）に示す厚さ

分布」

1.5mmの薄板試験片についてそれぞれに同じ熱処理を行

6）

また，焦点ゾーンにおける軸方向も反射波強度は低下

い，人工欠陥および底面からの反射波強度，結晶粒度（Gs）（減衰）する。反射波強度に対する補正は従来より距離振等の比較調査を行った。いずれも試験に使用した探触子の幅補正（Distance Amplitude Correction）と呼ばれているもの

焦点位置を欠陥の上端あるいは底面（反射面）にセットし，である。Fig.6（a）に示すように4本の鋼製四角柱，10×

最大反射波強度を得られるようにした。試験材は同一鋼種，30×160を平面研磨し測定面に平行に φ 1.0mm×深さ

同一部位から切り出し，以下の試料調整を行った。

4mm×20個のドリル穴（横穴）をあけた。測定面からドリ・20W×20L×6T→深さ2.0mmに φ 1.0ドリル穿孔→熱処理
・20W×20L×1.5T→熱処理→研磨→UST （底面波調査）

Drill hole φ 1.0
140

10

7

2・3・2

10

表面粗さの影響の調査

表面粗さについては水浸法は影響を受けにくいとされて
10

2.0

0.6

→研磨→UST（ドリル穴からの欠陥波調査）いる36）が供試材の表面状態も種々のものがあり，とくに表4面波の飛び込みの影響に注目した。0.4〜12.8 µ mの表面粗30度の試験片（Ry＝Rmax）について調査を行った37）。表面粗度の測定はJIS B 0601（1994）にしたがって実施した。
2・4（a）Specimen for the curve of distance amplitude correction

2.0

φ 1.0 Drill hole調査
ビレット（ φ 167）を φ 65に鍛造した後， 外周と中心の20×20×1.5

間のD/4位置から試料1（20×80×8）を切出し，焼入処理

6

Steel

後，研磨を行った（Fig.7）。試料1についてまず光学顕微鏡

204（c）Specimen for bottom echo20

反射波強度と酸溶解抽出による介在物直径との関係

式の画像解析装置（QTM）による介在物の試験判定を行い
粒径分布を測定した。そして，超音波探傷試験のために

Steel
20×20×1.5

ASTM Steel Block：STB-010の φ 0.4mm平底穴の標準試験片
38）により感度校正を行なった。次に試料1から超音波検査

試料として複数の小片（10×20×8mm3，試料2）を切出し

Alumina cement
or Solder

超音波試験を行なった。超音波による探傷体積は10×20×（b）Specimen for φ 1―flaw echo （d）Specimen for bottom echo

0.46＝98mm3（3個＝294mm3）である。反射波高が検出さFig. 6. Standard blocks for distance amplitude correction.

れたすべての介在物について，それぞれの介在物の真上に

38

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高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

探触子を移動しオシロスコープ上から反射波強度と欠陥の径と反射波強度の間には比例関係が認められた。φ 100 µ m

位置（深さ）を求めた。次に，介在物抽出のため温硫硝酸の鋼線の反射波形と φ 100 µ m以下の波径はFig.8-2（a）,

法でこの試験片を酸溶解し，抽出した介在物を φ 8 µ mメ（b）に示すように異なっており，φ 100 µ mの場合は反射波

ッシュのフィルターでろ過し，さらにフィルター上でその強度が強く樹脂表面で反射して再入射する強度の大きい超残渣をAu蒸着し，50倍でSEM観察を実施した。そしてその音波が認められた。鋼線と試料表面との間で多重反射が生介在物の写真撮影を行い，10 µ m以上の介在物について直Maximum echo amplitude（％）

径と個数を測定した。一方，酸溶解の介在物個数のカウン
トは少なくとも超音波探傷で検出した個数の評価が必要
で，抽出総個数を考慮し粒径10 µ m以上の介在物個数を調
査した。
2・5

気泡界面およびアルミナ介在物界面からの反射波形
および反射波強度調査

欠陥の検出における超音波探傷法の一つの弱点は，空洞と介在物の識別が難しいことである。村井ら30）は，焦点型
探触子の反射波形について指標を提案し，正の反射波強度
をP，負の反射波強度をNとしたとき，その比｛P/A＝P/

200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0

□125MHz△100MHz◆ 80MHz■ 50MHz0（P＋N）｝により介在物（Al 20 3）と気泡の識別が可能であ

20

40

60

80

100

120

Diameter of steel wire（ µ m）

るとしている。
実験は，Fig.6（d）に示すように厚さ1.5mmの焼入れした

Fig. 8-1. Relationship between flaw echo amplitude and flaw diameter of the steel wire in resin.

鋼の薄板裏面に，音響インピーダンスの異なる空気と水，
また模擬介在物として鋼とハンダ，またはキャスタブル耐
火物（アルミナ＋セメント）の接している無限平面状態を想定して試験片を作成し，反対側の面から超音波を入射し，板底面からの反射波強度，波形の反転有無およびP/A値を調査した。

3．実験結果3・1

焦点型高周波探触子の検出能と探傷条件の決定

3・1・1

人工基準試験片Sによる反射波強度と欠陥直径の相関関係

樹脂中に埋め込んだ径の既知の鋼線（基準試験片S）から得られた最高反射波強度から，各探触子の欠陥径と反射（a）Flaw diameter＜100 µ m （b）Flaw Diameter＝100 µ m

波強度の関係をまとめた（Fig.8-1）。φ 50 µ m以下の鋼線

Fig. 8-2. Wave form of flaw echo.

167mmRound
BilletCutting from midway of the 65mm Round bar
between the center and the outside（1/4D）．
Heat treatment
Polishing
Image Analysis
UST

Bar
65mmRound
Forging（Specimen 1）

Grinding
Dissolution
by Acid（Specimen 2）

Cutting
10×20×8 mm3Marking

Fig. 7. Specimen preparation for acid extraction.

39

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

じ，繰り返し反射が行われており，ある一定の大きさ以上

離波形は試料表面と欠陥の間の多重反射によって生成されの欠陥では大きさに関わらず多重反射により反射波強度がた疑似欠陥エコーと考えられるが水距離により疑似欠陥反一定値に近づくものと考えられる。欠陥の形状はたとえば

射波強度及びその位置は変化する。Fig.10は分離エコーの無限平面に近いもの，長円柱，球形などがあり，各々形状影響を抑えるためにその反射波強度が30%以下となる位に対応した欠陥反射率が報告されている 。

置，すなわちゲートの位置は始点を表面からの距離1.0mm

3・1・2の位置とし2.0mmを終点とする幅1.0mmの範囲に設定され

23）

鋼中焦点位置と適正ゲート位置

Fig.9に水距離（探触子から試験片間の距離）と鋼中焦点ていることを示す。

位置の関係を示す。鋼中焦点の移動距離は表面から深さ3・1・3

焦点位置における「半径方向」の反射波強度分3mmまでの距離である。式（1）の関係に対して最大反射

布と探傷ビーム直径

波高値を示す位置は探触子側にずれていることがわかっ

鉄線を樹脂に埋めた基準試験片Sを用いて，探触子の半た。この音響上の最大反射波強度を示す位置が実焦点とし径方向の移動距離と反射波強度との関係を調査した結果をて取り扱われる。

Fig.11に示す。横軸の零点は欠陥の真上に探触子が位置しまた表面近傍に不感帯がある。水中焦点距離PF＝ていることを示し，欠陥の中央から離れるに従い反射波強12.5mmの探触子の場合，表面エコーの分離による不感帯

度は徐々に低下する。

領域は表面から0.5mmの深さにまで達し，さらに水距離がビーム径は「最高強度―6dB」の範囲，すなわち反射波

小さくなる（すなわち鋼中焦点位置が深くなる）と分離し強度が低下し半減する位置のビームの直径である37）。各々た波形のピークがゲートの範囲内に入り，しきい値より大の探触子についてビーム径を求めた結果をTable 2に示す。

きい場合，画面全面に欠陥信号が表示され測定不能となる。

ビーム径はおおよそ150 µ mである。ここで100MHzの探触この場合感度を下げるか，あるいはゲート位置を表面から子を用い，樹脂埋め試験片の鋼線の直径10 µ mの場合，ビ後へ離して外乱の侵入を防ぐ必要がある。表面エコーの分

ーム径はおおよそ0.135mmである。ビーム径より小さい値に走査ピッチをセットすることにより走査する領域はビーからわずかに0.068mmずれた位置で，反射波強度は半減す

3Geometric focal point

ることになり，反射波強度を基準にして介在物径を求める

2.5場合，この反射波強度の低下が問題となる。

MP＝（F−WP）（Cw／Ctm）
F＝12.5mm
Cw＝1280m／sec
Ctm＝5900m／sec

2
1.5
1

120
Echo amplitude index（％）

Material path（Depth）, MP／mm

ム径によってカバーされる。ところがここで探触子の軸心Actual focal point

0.5
0
0

5

10

15

Water path, WP／mm
Fig. 9. Relationship between geometrical focal position（Equation（1））and actual acoustic focal position．

100

Frequency：100MHz
Defect size：10 µ m

Horizontal move

80
60
40

Beam diameter（Max. echo amplitude−6dB）

20
0
−0.2

Separated echo amplitude, H／％

Max. echo amplitude（100％）

−0.1

0.0

Specimen
Defect position

0.1

0.2

Distance from the prove center（mm）

300

PF＝0.75mm

250
PF＝1.12mm

200
150

Table2. Beam diameter（maximum amplitude−6dB）.

PF＝1.5mm

100

（mm）

GATE

Defect Size500Fig. 11. Relations between echo amplitude and defect position．
（ Parameter：100MHz, flaw diameter＝10 µ m）

Echo amplitude◆：＞50％△：30―50％□：＜30％
Separated echo

30％
0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Distance from the surface（mm）

Fig. 10. Appearance of separated echo from surface multiple echo
in near field and gate position（100MHz probe）．

40

Frequency（MHz）（ µ m）

50

80

100

125

10

0.150

0.125

0.135

0.145

25

0.169

0.134

0.145

0.155

50

0.147

0.136

0.145

0.150

100

0.165

0.144

0.150

0.152

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

3・4

実鋼試料の超音波反射欠陥波の強度分布と検出限界

反射波形および反射強度から正の反射波強度をP，負の超音波探傷結果と酸溶解抽出結果について介在物径の大反射波強度をNとしたとき，介在物（Al203）と気泡の識別を行うため，その比｛P/A = P/（P+N）｝を求めた（Fig.17）。

出した介在物の総個数について粒径分布を求め，一方超音Table 3に示すように空気，水の場合に実際にオシロスコー

波探傷で求められた欠陥個数分について粒径分布図の大きプ上で波形の反転が認められ，気泡性欠陥と介在物性欠陥な径のものから順に個数を数え，超音波検出個数の終点にの識別に有効であることを確認した。（P/A=0.6-0.7で波形なったところを検出限界（a）とした。これにより，反転する。）また空気および水界面からの反射波強度は同100MHz探触子の検出限界を17 µ mと推定した。同様にしじ大きさの介在物からの反射波と比較したとき約2倍の強て50MHz，125MHzの検出限界はそれぞれ25 µ m，12 µ m度を示す。P/Aの値については測定部位（形状）によりバと推定した。これらの検出限界はほぼ波長の1/4の値であラツキが生じることが認められており，さらに介在物と空った。

洞の共存については今後の検討課題としたい。

Number of Inclusions（294−1mm−3）

きなものから順に対応させて考えた。Fig.16に酸溶解で抽Table3. Acoustic impedance and measurement result.

↓（a）：Detection limit＝17 µ m
1000

Acoustic

100 MHz
Materials

Detected by UST（n＝132）

100

0

20

40

Flaw Echo

Z［10 kg／（m s）］ Amplitude（％）
6

10

1

Measurement Results

Impedance

60

2

P／A

steel

46.4

―

―

Air

0.0004

106

0.64＊

Water

1.5

99

0.65＊

Solder

25

44

0.45

Alumina43――（Alumina Cement）

―

59

0.44

＊：P／A＝0.6−0.7：Wave pulse phase is reversed

Diameter of Inclusion（ µ m）
Fig. 16. Number of inclusion extracted by acid. Lline（a）shows
minimum size of inclusion detected by UST.

4．考察
3・5

4・1

気泡と介在物の反射波の位相の反転と反射波強度

4・1・1

焦点型探触子は空洞からの反射波の位相が180度反転する

反射波強度と欠陥径の関係

ことが知られている。

欠陥径の基本計算式

介在物粒径分布の自動評価システムにおける反射波強度30）から欠陥（介在物，気泡）径を求める計算は，微小欠陥
Incidence（約100 µ m以下）の場合と大型欠陥の場合に分けて（2）Reflection

式および（5）式で説明される。
P

Alumina（1）微小欠陥径Di（欠陥径100 µ m以下）の計算式

PA

微小欠陥の場合の基本計算式は個々の探触について，

AN

Di＝ζ （F）

N‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（2）F＝θ （d, z, p ）ここで，F：反射波強度 （%）

Pinholeさらに，反射波強度の補正条件として
d：焦点位置（mm）
z ：欠陥位置（mm）
P：Positive echo amplitude（％）
N：Negative echo amplitude（％）
A＝P＋N
Discrimination between inclusions andpinholes by P／A value．
here,
P／A＝0.3〜0.45･･･Inclusion
P／A＝0.6〜0.7････Pinhole

p：材料特性補正係数
また，データ選択条件として探傷ピッチ（Sc），および介在物・気泡分離指標（P/A） が必要である。通常問題とする中小の介在物はビーム径（Table 3）より圧倒的に小さく，イメージ画像あるいは実測径としてとらえることができない。そこで反射波強度から欠陥径を求める関係式を導Fig. 17. Discrimination between inclusions and pinholes（MURAI-Processing）.

くことを課題とした。

42

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

Fig.18に示すように，100 µ m以下のアルミナ系介在物のここで，df ：大きな欠陥の粒径（ µ m）

反射波強度Fi（%）と欠陥径Di（ µ m）の関係は次の（3）

Di ：画像表示による検出欠陥サイズ（ µ m）
Bm ：ビーム径（ µ m）

式で求められる。
Di ＝0.34 × Fi + 11.85

である。

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（3）また，欠陥がビーム径（ここでは約100 µ m）以上の場

また反射波強度Fv（%）と空洞欠陥径Dv（μm）の関係

合は反射波強度はほぼ無限平面からの反射強度に近づき欠は同じFig.18に示すように次式（4）で表される。
Dv＝0.15 × Fv + 6.74

陥径と反射波強度の関係がなくなる。100 µ m以上は推定‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（4）ができないので無限薄板平面の底面反射波強度B1（一定値）をセットした（鉄―空気，鉄-アルミナ）。Table.3に示すよFlaw diameter（ µ m）

500
100MHz400

うにAl 2 0 3 からの底面波強度B1は空気界面の約1/2である

φ 0.4FBH（Fig.19）。
4・1・2 「軸方向」の反射波強度の減衰の補正

300

軸方向の反射波強度の低下について近似式で補正ができ200ないか検討を行った。

Inclusions

100

Fig.20 に今回の実験結果の一例を示す。基準となるQT材
Voids

について50―125MHz探触子の焦点位置からの軸方向のず

0
0

200

400

600

れによる反射波強度Fの低下は，今回使用した探触子の例

800として，次の二次式（6）により近似的に補正ができるこ

Flaw echo amplitude index（％）
Fig. 18. Relationship between flaw echo amplitude and flaw size insteel．

とが分かった。周波数f（MHz），軸方向焦点位置からのずれd（焦点位置:入射面より1.5mm），係数a，ただし，｜d｜≦0.3mmとして，
F＝1＋a×d2.・・・・・・・・・・・・・・（6）（2）大きな欠陥の計算式を得る。近似的にはFig.20のようにF＝c＋bd＋ad2で表わ

Fig.19.に鋼中の欠陥探傷におけるビームのX軸方向の移されるが一般的に（6）式の適用で補正を行う。

動距離と検出欠陥粒径の関係を示す。ビーム径が欠陥に接する点Bを始点とし，欠陥を横切ってX軸方向に移動し，ビームが欠陥から離れる点Cを終点とする。ここで，ビー

Relative amplitude of flaw echo

ム中心は点Aから点Bに移動し距離ADが画像上に表示される検出欠陥サイズがDiである。ビーム径Bm（ µ m）より大きな欠陥に対しての粒径df（ µ m）の評価は画像表示による検出欠陥サイズDi（ µ m）から式（5）により求めることができる。
df ≒ Di − Bm‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（5）Di：Detected diameter of flaw

1.2

0.8
0.6
0.4
0.2
0
−0.6

Bm／2

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

Fig. 20. Relationship between the distance from focal point andflaw echo amplitude．

Bm／2

4・1・3
C

B

y＝−7.0468x2−0.0455x＋0.9931
R2＝0.9922

Distance from focal point（mm）（C―scope Image）

A

100MHz1D「半径方向」のずれによる反射波強度の低下の補正と探傷ピッチ

焦点位置における半径方向（x,y）の反射波強度の低下については，介在物が探触子の真下に位置するときは補正の
df：Flaw diameter

必要はない。ところが探傷走査においてある走査ピッチで探傷する場合，介在物は必ずしも探触子の真下に来ない。

（df＝Di−Bm）

介在物の位置が探触子の軸心から半径方向に少しでもずれると反射波強度は低下する（Fig.21）。探触子からの距離がFig. 19. Measurement of a large size flaw．

43

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発大きいと反射強度の低下となり，連続的に探傷を行う場合

ここで，中心軸に沿って伝わる超音波を考えるとi→0で反射波強度のばらつきの大きな要因となる。したがって介あり見かけの振動子と試験体との距離は，在物の位置座標（x，y）を特定できない限り，探傷ピッチ

Lw'＝（Cw/ Ct）・Lw‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（8）を狭めて減衰を最小限に抑える以外にないと考えられる。
Fig.15に示す回帰直線の傾き（式（4））からおおよそ反射
波強度△3％の変動は介在物径△1 µ mの変動に対応する。

Dµ mオーダーの介在物径精度が要求される場合，最高反射

C

強度に対する反射強度の低下の許容幅は3％以内にすべきである。Fig.21に示すように反射強度の変動3％は探触子中
心からのずれ約10 µ mに相当するが，走査ピッチは安全をTransducer

みて10 µ m以下とすることが望ましい。したがって第一段
階走査（粗探傷）は探傷ピッチを大きくして広範囲に介在i

物を求め，第二段階走査（精密探傷）は粗探傷で求めた介

i

Lw

C′

在物近傍で探傷ピッチを10 µ m以下とした二段階走査が粒径分布評価に適する。

Lw′

Flaw Echo Amplitude（％）（Resin）
105

Center of transducer

100

100MHzInclusion size
φ 30 µ m

θAO（Steel）

Δ3％
95

θ

Δ6％
10 µ m90

B

15 µ m
85
−0.04

−0.02

0.00

Fig. 22. Position of virtual transducer.
0.02

0.04

Distance（mm）

D

Fig. 21. An example of echo from an inclusion in steel.

4・2

Transducer

微小欠陥反射強度と欠陥径（100 µ m以下）の推定

4・2・1

C

Virtual positionof transducer

試験体側からみた見かけの振動子の位置

焦点型垂直探触子について反射強度と欠陥の関係は仙田D′ら22）が試験体中からみた等価な音場特性を検討している。

Lw

Fig.22に示すように微小振動子dAから媒質1（エポキシ樹C′脂），媒質2（鋼）を経て微小反射源dSに入射する超音波は媒質1と媒質2（試験体）の境界面においてスネルの法則を

Lw′（Resin）

満たしている。
r

試験体中からみた見かけの振動子の位置を求める。すな
わち試験体の中に振動子を取り込んだ状態を想定すれば界r′

A（Steel）

Or′−Lw′

面での反射，透過を考えなくてよいことになる。見かけの振動子の位置は振動子の中心Cから角度 i の方向に伝わり
B ′点Aで屈折してBの方向へ伝わる超音波を考えると，中心軸との交点COが見かけの振動子位置である。振動子と試験

r−Lw

体との距離をLw，見かけの振動子と試験体との距離をLw'，
水中音速，試験体中の音速をそれぞれCw,Ctとすると，OA＝Lw・tan i＝ Lw'・tan θ であるから，

B

Lw'/ Lw＝（sin i/sin θ ）・（cos θ /cos i）＝（Cw/Ct）・（cos θ /cos i）‥‥‥‥（7）

Fig. 23. Radius of curvature at virtual position of transducer．

44

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

また，等価なみかけの振動子位置はFig.23に示すように率よりさらに小さな値となる。ここでは表面が滑らかな欠半径r'を考え，振動子の端点Cから出発した超音波の経路

陥と仮定し，超音波ビームに対し垂直な反射面を有する欠陥では γ I＝1と見なすことができる。欠陥の形状反射能率を考え，r>>D（すなわち i→0）とおくことによって，r'＝（Cw/Ct ）・r

は γ G＝PR／PL'で定義されているので， γ I＝1のとき γ G＝‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（9）PR／PLとなる。したがって欠陥エコー高さは主として，γ G，振動子の直径，見かけの振動子の直径をそれぞれD,D'とするとFig.23からD/2＝r・sin i，D'/2＝r'・sin θ であるから，PLに依存する。

D=D'となり，振動子の寸法は変わらない。これにより試験
体の中の欠陥からみて同一試験体に振動子を貼り付けた形

エネルギー反射率からみると，媒質1を伝播し垂直に媒となり，水-樹脂の界面の取り扱いが不要となることから，

質2に入射する音圧PLの超音波が，境界面で反射する音圧

樹脂中の鋼線からの反射の問題として単純に取り扱うことをPL'とするとき音圧反射率 γ Iは次式（11）で表される33）。

γ I＝PL'/ PL＝（Z2−Z1）／（Z1＋Z2） ‥‥‥‥（11）ができる。

ここで，Zは密度と音速の積である音響インピーダンス，
添え字は各材質を表す。

Table4. Acoustic impedance

オシロスコープ上に現れる反射波強度（波高）は音圧にAcoustic impedance

比例した電圧であり，エネルギーの平方根に比例した値とAir

0.0004

Water

1.48

なる。欠陥反射強度はTable 4,Table 5, Fig.24およびFig.25に

Resin

3.2

示すように前項の見かけの振動子の位置から媒質1（エポIron wire

45.8

Steel

45.3

Al2O3 Inclusion

40.0

1
1―r122

S1
r122

Table5. Reflection coefficient of sound pressure．
Medium 1―Medium 2

r12 or（r23）

Water―Resin

0.36

Resin―Iron wire

（0.87）

Water―Steel

0.94

Steel―Al2O3 inclusion（0.062）

Steel―Air（Void）（1.0）

r232（1―r122）
F1
r232（1―r122）2

Water
4・2・2

樹脂（エポキシ樹脂）-鉄線から鋼-Al203系介在Resin
Steel wire
Fig. 24. Energy reflection coefficient of normal beam incident．

物へ反射波強度の換算（長円柱）
振動子の送受信面と欠陥の反射面が振動子の中心軸，すなわちビーム中心軸上で距離Lだけ離れて対向している場
合，欠陥による反射波の平均受信音圧PRは，次の（10）式Transducer

Source of reflection（＝Defect）
PLのように表すことができる23）。
‥‥‥‥（10）φ 2d

PR＝ σ ・ γ G・PL'＝ σ ・ γ G・ γ I・PL

ここで，PL ：欠陥の反射面の中心に入射する超音波の音圧

P0PL' ：欠陥の反射面の中心で反射された直後の超音波の音圧（a）Transmission

γ I ：欠陥の界面反射能率
γ G ：欠陥の形状反射能率（ γ G＝PR／PL'）

Center of reflections

φ 2d…欠陥の形状，大きさ，欠陥から振動子までの距離によって決まる係数

PR= σ ･ γ G・PL′

PL′

σ ：受信音圧の補正係数
L

反射面が滑らかな欠陥では，界面反射能率 γ Iは欠陥反射
面における超音波の音圧反射率に等しい。しかし反射面が（b）Reception

粗い欠陥では超音波が反射面で散乱されるため，音圧反射

Fig. 25. Schematic diagram of normal detection

45

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

キシ樹脂）→媒質2（鉄線）の音圧反射率S1（表面反射率）

求められることが見出された。

を求めればよい。

4・3

音圧反射率から入射1に対し，介在物の粒径分布［酸溶解抽出法および光学顕微鏡の画像解析評価法によ・エポキシ樹脂−鉄線の場合：S1＝0.87の反射がある。

る非金属介在物径の対比］

・鋼−Al203系介在物の場合：S1＝0.062の反射がある。

DeHoffの式（12）は2次元分布を3次元分布に換算するも・鋼−空気（ボイド）の場合： S1＝0.999の反射がある。

のである。画像解析の粒径分布（二次元）はDeHoff38）の式

したがって，鋼ーAl203系介在物の欠陥反射強度は同一欠（12）より換算し，単位体積中の介在物個数（×1000／mm3）を求めることができる。

陥形状（ここでは長円柱）であれば，樹脂ー鉄線の場合のNV＝NA/dV＝（2/ π ）・（NA/dA）（0.062/0.87＝）約1/14である。一方Fig.26に示すように，‥‥‥‥（12）実鋼におけるAl 203介在物の反射強度から欠陥径 φ 25 µ m

ここで，NV ：単位体積中の介在物個数（n/mm3）（介在物）の反射強度をみると，これよりさらに10-12dB

dV ：3次元的な介在物粒径（mm）（約1/4）ほど低いことが示されている。樹脂-鉄線（長円NA ：単位面積中の介在物個数（n/mm2）柱欠陥）から反射率を求めた反射強度と実鋼における鋼−

dA ： 研磨面上の平均粒径（mm）

Al203系介在物（球状欠陥）の欠陥反射強度の差は欠陥形状
Number of Inclusions×1000（mm−3）の差と考えられ，球状欠陥の方が長円柱に比べ反射強度が低いことによるものと考えられる。
また鋼−空気（ボイド）の場合，音圧反射率の比は逆に（0.999/0.87＝）1.15（1.2dBアップ）と大きい値を示す。
ここで前述の形状欠陥の差（-12dB）を取り込むと実鋼におけるボイドグループの上限近くに反射強度の予測値が求められる。したがって，微小欠陥（10-100 µ m）について欠陥径が既知であれば，媒質1，媒質2の各音響インピーダ
ンスおよび音圧反射率から反射強度が求められることになり，おおよその反射波強度−欠陥径の関係式（検量線）がRelative echo amplitude 20log（H/H0）/dB

12＋1.2dB

−12dB

1000
100
10
1

0

20

40

60

Diameter of inclusion（ µ ｍ）

画像解析による粒径分布と酸抽出による粒径分布を同一図にプロットした結果をFig.27に示す。顕微鏡観察で検出

Base echo amplitude

0

Acid extruction
Image analisis（QTM）

10000

Fig. 27. Comparison of the distribution of inclusion diameter
between by Quantitative Television Microscope method（a）and Acid Extraction-SEM method（b）.

Resin-Steel Wire□：50MHz◆：80MHz■：100MHz△：125MHz

6

100000

されていない介在物径に関しては予測ができないが，画像−6

解析の結果を3次元に換算した分布は酸溶解の粒径分布と■：Steel−void

比べるとわずかに左寄りの分布になっているも，画像解析＊：（1/14）×Echo
amplitude（−22.9dB）

データと酸溶解データはお互いにほぼ同じ分布である。
4・4

−12

探傷のフロー

高周波超音波法の介在物評価へ適用は迅速測定（自動評Calc.（100MHz）価）と中型介在物の評価技術の確立が目的である。今回の
−18

−12dB

一連の調査で確立した高周波超音波探傷法（粗探傷―精密探傷の二段階探傷）の標準的フローをFig.28に示す。

−24◆：Steel−Al203 Inclusion

5．結言
−30
0

20

40

60

80

中型介在物（径20―数100μm）を対象とした，高周波

100 120 140 160

超音波探傷法（50-125MHz）による新しい介在物粒径評価

Flaw diameter / µ m法を見出した。

Fig. 26. Relationship between flaw diameter and echo amplitude
of some defects.（Conversion of echo amplitudo byacoustic impedance from epoxy resin-steelwire to steelAl2O3 inclusion and steel-void）【検出能力】
・径20-100 µ mの範囲で介在物径と反射波強度の間に相関46

Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発

倍でありこの二つの条件から気泡を分離評価することがCalibration（B010, φ 0.40mmFBH）

できることが確認された。
【自動処理システム】

Specimen set（Flat type）

・上記の知見により粒径分布の自動評価，評価精度向上のため粗探傷―精密探傷の二段階走査方式により，反射波
強度から欠陥径を自動評価する一連の迅速，大体積の評

Input of measurement conditions
Scanning Pitch, Gate Position, Sensitivity
Focal point, The number of specimen

価システムを確立した。

文
Detection（Rough）

献（Precise）
1） Y.Murakami: CAMP-ISIJ, 4（1991）, 1174.

Output of Image

2） Y.Murakami and T.Toriyama: Tetsu-to-Hagané, 79（1993）, 1380.

Data save3） ASTM E45: Annual Book of ASTM Standards

Vol. 03.01.（1998）.

4） DIN50602: September, （1985）.

・Distance Amplitude Correction
・Material Sensitivity Correction
・Echo Amplitude―Flow Size Conversion
・Discrimination between Inclusions andpinholes5） JIS Z 0555: JIS Handbook―Ferrous Materials & Metallurgy Ⅰ（1999）.
6） Annual Book of ASTM Standards, Section3，Metals Test Methods andAnalytical Procedures, Vol. 03.03 ; Nondestructive testing. American Society
for Testing and Materials, Philadelphia, PA.
7） ASTM E45: Magnetic Particle Method, Annual Book of ASTM Standards, Vol.
03.01.（1998）.
8） H. Hoff and H. Lessing: Stahl und Eisen, 76 （1956）, 1442.

［OUTPUT］
・Image（C―Scope, B―Scope, Etc.）
・Distribution of Particle Size・Severity
・Predicted Maximum Inclusion Diameter（√ Area max.）40, 41）9） Y. Yuhara and T. Suzuki：Readout, No.4, （1992）, 30.
10） J. Chino, K. Sugimoto, M. Nagata, H. Yoshikawa, T. Kubo and I. Ibuki: CAMPISIJ, 4（1991）, 1428.
11） W. T. Lankford, Jr, N. L. Samways, R. F. Craven and H.E. McGannon: The making, shaping and treating of steel―10th Edition, US Steel, （1985）, 1453.

Fig. 28. Testing prosedure.

12） K.Takagi: NDI Handbook （Binran）, Maruzen, （1999）, 2.
13） K. Honda: NHK BOOKs, No.710, Tokyo（1994）, 21.
14） W. W. Bayre and J. A. Erickson: ASTM Proceedings, June（1965）.

があり，反射波強度による粒状介在物径の評価が可能で15） W. W. Bayre and D. D. McCormack: Materials Evaluation, February（1970）,あることが明らかになった。

25.

・焦点型高周波超音波探傷（PF=12.5mm）の検出限界はほ16） R.N. Cressman and A. J. Plante: Blast Furnace and Steel Plant, March

ぼ波長の1/4の値である。

（1969）, 232.

・媒質1（透過体），媒質2（欠陥・反射体）としたときそ17） J. B Morgan: Materials Evaluation, June（1970）, 121.

れぞれの音響インピーダンス，音圧反射率のデータベー

18） S. S. Daniel and R. A. Rege: J. of. Metals, July（1971）, 26.

スから任意の材質中の欠陥の反射強度が求められること

19） W. H. Burr: ASTM STP 575, （1975）, 178.

を見出した。樹脂中-鋼線（10-50 µ m）の間の反射波強20） P. Bastien: NDI International. December（1977）, 297.

度から鋼中―Al203系介在物，鋼中ーミクロボイド（空孔）21） G .Canella, F. Monti, L. Pedicelli and A.L Erede: NDT INTERNATIONAL,16の反射強度が求められる。

（1983）, 151.

【反射強度の減衰補正】

22） T. Senda, S. Hirose, H. Uragaki,H.Aoki, K. Kubo and H.Harimoto：J. of the・超音波の焦点位置近傍における減衰補正として，軸方向

Japanese Society for Non-Destructive Inspection, 32（1983）, 734.

の距離振幅補正は二次式で行う。半径方向の補正は走査23） S. Hirose, H. Uragaki and T. Senda：J. of the Japanese Society for Non-

ピッチを狭くして10 µ m以下にすることにより減衰の影

Destructive Inspection, 36（1987）, 881.

響を最小限にとどめることができることを見出した。熱24） S. Satonaka, I. Tatsukawa and M. Yamamoto：Quarterly J. of the Japanese

処理条件の影響も大きく無視できないので反射波強度のWelding Society, 3（1985）, 875.

補正が必要である。

25） N. Ishikawa and T. Fujimori：Tetsu-to-Hagané, 71（1985）, 242．

・気泡と介在物の反射波について気泡は波形が反転するこ

26） J. D. Stover, R. V. Colarik and D. M. Keener: Proceedings of the 31stとが確認され，また気泡からの反射波強度は介在物の2Mechanical Working and Steel Proceeding Conference, ISS-AIME, October

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Sanyo Technical Report Vol.7 (2000) No.1

高周波超音波探傷による鋼中介在物の評価技術の開発（1989）, 431.

34） Ultrasonic Technical Handbook ：Nikkan Kogyo Shimbun, Tokyo, （1996）,

27） Peter Glaws：Japan-US Joint Seminar, （1996）, 35.

25.

28） J.Hering: HTM, 54（1999）, 259.

35） S.Kasori: The ultrasonic wave and its application, Denpaーjikken-sha,Tokyo,

29） T. Matsuzaki, H. Tanaka, H. Nakamura, K. Uchino, and H. Kobayashi：CAMP-（1970）, 54.

ISIJ, 5（1992）, 290.

36） NDI Technical Handbook： Nikkan Kogyo Shimbun, Tokyo,（1978）, 402.

30） J. Murai, T. Ida and T. Shiraiwa： J. of the Japanese Society for Non-

37） JIS B 0601 （1994）: JIS Handbook.

Destructive Inspection, 47（1998）.

38） ASTM E127：Annual Book of ASTM Standards

31） Fujimori: Electronics Books -Application of Ultrasonic Technique-, Akiba-Vol. 03.03,（1995）.

39） R.T.DeHoff and F.N.Rhines：Quantitative Microscopy, McGraw-Hill,

Shuppan, （1986）, 26.

（1968）, 128.

32） Unpublished work, Kraut Kramer, （1989）.

40） Y.Murakami：Metal Fatigue - Effects of Small Defects and Nonmetallic

33） New NDI Technical Handbook： Nikkan Kogyo Shimbun, Tokyo, （1992）,

Inclusions, Yokendo, Tokyo, （1993）, 233.

234.

41） E.J.Gumbel：Statistics of Extremes, （1957）.

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