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、

計測自動制御学会東北支部第 282回研究集会 (2013.
07.
17)
資料番号 282・7

溶接欠陥を持つ試料から発生する 2次高調波超音波の検出

DetectionofSecon
dHarmonicU
ltrasonicWave
GeneratedfromS
pecimenw
ithWeldDefect
0杉 浦 竜 也 ぺ 福 田 誠 へ 今 野 和 彦 *OTatsuyaSugiura，* MakotoFukuda，* KazuhikoImano**秋田大学
事大学院工学資源学研究科

G
raduateSchoolofEngineeringandResourceScience，AkitaUniversityキーワード :2次高調波超音波(SecondHarmonicUltrasonicWave)，Lamb波(LambWave)
溶接欠陥 (WeldDefect)，接触型音響非線形性(ContactAcousticNonlinearity)

連絡先:干 010
・850
2 秋田市手形学園町 1・1 秋 田 大 学 大 学 院 工 学 資 源 学 研 究 科 電 気 電 子 工 学 専 攻福田誠， Tel:(018)889・2484，Fax:(018)837・0406，E‑mail:mfukuda@gipc.akita‑u.ac.jp
1.はじめに溶接は建設や自動車業界などにおいて多搬が可能な Lamb波の利用が期待されている3)

また，パルスエコー法では金属と欠陥(空く使用されている.溶接部において，初期段気)との音響特性インピーダンスの差を利用

階の疲労き裂や応力腐食割れのような閉口しているが，き裂幅が m オーダの欠陥であき裂が存在した場合，閉口き裂が進展し開口る関口き裂の場合，音響特性インピーダンスき裂となり破壊や破損等につながる可能性2がある).之叫の差が小さいため関口き裂の検出は困難と裂の早期検出が望まれる.

(ContactAcousticNonlinearity:CAN)とし、う現なる.そこで，近年，接触型音響非線形性溶接欠陥の検出には様々な検査法がある象を用いた方法が注目されているの .CANは，が，溶接内部に存在する欠陥の検出には超音弾性連続体に存在する閉口き裂にき裂幅よ波探傷試験が用いられている.超音波探傷試りも大きい振動振幅を持つ有限振幅超音波

験では，溶接部に対して超音波を入射し，欠を入射した場合にき裂面を能動的に開閉さ陥部からの反射波を受波することにより欠せたときの非線形振動により，高調波成分陥の有無を判断するパルスエコー法を用い(2f，ミメ…)もしくは分調波成分 (jl2，s3，…)

る 1) しかし，パルスエコー法では測定がが発生する現象である 5) ここで fは入射波

point‑to‑pointであるため，検査対象が配管等の周波数を示している.非線形超音波を用いの複雑な形状であると使用できない場合がた溶接欠陥の検出に関しては，過去に分調波存在する.そこで，減衰が少なく，長距離伝を用いた溶接欠陥の検出が報告されているの.

.
・司'︒
向‑‑‑‑'¥N¥r→
Incident¥
Vave惨Crackwidth(nmorder)(的き裂面に入射する前F
requency[MHz](a) 振幅変位 1nm

Compression‑
‑
‑vvv
‑
→
TransmittedWave
Close(b) 圧縮相の透過
Frequency伊田z)

引(b) 振幅変位 10nm

Open(c) 引張相の反射
Fig.1 2次高調波成分の発生原理
Fr伺uen句 作 目4しかし，分調波を発生させるためには，高調(c) 振幅変位 100nm波を発生させる場合に比べさらに大振幅のF
ig.
2 解析による 2次高調波成分の検出

音波を閉口き裂面に入射させる必要がある
ため分調波の検出は容易ではない.そこで，聞を閉じた後，部分的にき裂面を透過する.

一度に広範囲の測定が可能である Lamb波おig.l(c)のように，有限振幅超音波
しかし， Fよび高調波成分の中で最も検出が容易であの引張相はき裂面を引き離す方向に応力をる 2次高調波成分を用いることが，溶接欠陥与えるため，引張相はき裂面を透過せず，反の新たな検出方法として活用できると考え射をする.これを繰り返すことで透過波およられる.

び反射波が半波整流されたような波形とな

本報告では，溶接欠陥である閉口き裂の早りひずみが生じ， 2次高調波成分が発生する.

期検出を目的として，溶接欠陥を持つ試料に2・2. 数値解析による 2次高調波成分の検出

Lamb波を伝搬させ， CANにより溶接欠陥かCANの現象により，閉口き裂から発生するら発生する 2次高調波成分の検出を行う.

2次高調波成分の検出が可能であるかを数値解析手法により検討する.き裂幅 10nmの閉2. 閉口き裂から発生する 2次高調波成分

口き裂に対して，中心周波数 500kHZ(基本・1. 2次高調波成分の発生原理2波)の超音波を伝搬させる.入力波形の振幅変CANにより閉口き裂から発生する 2次高位を 1nm，10nmおよび 100nmとし， 2次高ig.
lに示す.Fig.l(a)調波成分の発生原理を F調波成分の検出を行う.各振幅における周波のように，関口き裂に対して有限振幅超音波数スベクトルを Fig.2に示す.各周波数スベig.l(b)のように，有限振が入射した場合， Fクトルは各基本波成分のスベクトルのピー

幅超音波の圧縮相はき裂面同士を衝突させク値で正規化している. F
ig.2(a)および 2(b)る方向に応力が働くため，圧縮相はき裂の隙より，き裂幅より小さい振幅(lnm)および等2"mm

L200mmT'EE‑‑&高T
E
E‑‑E
H
R.
‑E‑‑1 Lク

一h U H

つλR側 Crack

み→X

F
ig.
4 測定システム

solOOmmoSO

100200(x方向反射波測定実験)

x40mm付近から， x軸の負方向に 18mm程のF
ig.
3 炭素鋼平板の概略図長さで存在している.関口き裂の先端は複雑

ig.3に示す位置に分岐していることから， Fm)の超音波を入射した場合，しい振幅(10nにおいて溶接欠陥が存在していると考えら

1.0 MHZ(2次高調波)の周波数スペクトルはれる.

71dBであり， 2次高調波成分が検出されて・

3‑2. 測定システム

ig.3(c)よいないことが確認できる.一方， F

本報告で用いる炭素鋼平板中の溶接欠陥

り，き裂幅よりも大きい振幅(100nm)の超音を，従来のパルスエコー法により検出するた波を入射した場合では， 2次高調波成分の周

ig.
4に示す.
めに構築した測定システムを F0dBであり， 2次高調波
波数スペクトルは・4

超音波パルサーからパルス波を炭素鋼平板0dB以上増加している. 2成分の検出量が 3に入射させ，受波波形をオシロスコープに取次高調波成分の検出量が増加したのは， CANり込む.受波波形より，反射波の受波時聞かの現象により関口き裂から発生したものでら溶接欠陥の検出を行う.

あると考えられる.上記の現象を利用すれば，x軸の正方向に超音波を伝搬させ，y軸の正.2次高調波成分の検出量の増加から閉口き裂方向に 10mmずつ探触子の位置を移動させの検出が可能であると考えられる.本報告でる実験を x 方向反射波測定実験とする.次は， 2次高調波成分の検出量の増加に着目しに，y軸の正方向に超音波を伝搬させ，x軸のて溶接欠陥の検出を行う.

正方向に 10mmずつ探触子の位置を移動させる実験を ，y方向反射波測定実験とする .x3. パルスエコー法による溶接欠陥の検出

方向反射波測定実験では，超音波の伝搬距離

3‑1.炭素鋼平板00mmであり ，y方向反射波測定実験では4本報告では，材料の特性が溶接に適してい00mmである.伝は，超音波の伝搬距離は 2ることから多くの分野で使用されている炭搬距離と炭素鋼平板の縦波音速より，炭素鋼ig.3に本報
素鋼平板を試料として用いる. F平板の端からの反射波受波時間を算出する

告で用いる炭素鋼平板の形状と寸法を示す.

x方向反射波測定実験では 68μsであり，と，本報告で用いる炭素鋼平板は，非破壊試験用y方向反射波測定実験では 34μsである.

sonぉpection社， PL 18399)であ標準試験片 (3・3. 測定結果る 7) この平板は 2つの母材を突き合わせ溶

x方向反射波測定実験の結果の一例として，接したものであり，溶接欠陥としてルート部溶接欠陥が存在していると考えられる ，y =に対し平行に走る割れ状の欠陥であるルー20mmの測定点における受波波形を F
ig.5(a)トクラックが存在している.溶接欠陥は平板に示す.また，溶接欠陥が存在していないと，y=Ommとすると ，y=の左下端を x=Omm

考えられる ，y=60mmの測定点における受3.
.
な0.
30.
2

乙0.
10てヨヨ Oc.
~ ‑0.
1‑0.
2‑
0.
3o

10050P
ropagationt
im
e[μ5]

(a)

(a) y=20m mにおける時間波形
60.
30.
2乙0.
1U

=0c.

司350.1・68μs

‑
0.
2・0.
3〉jo

50

100P
ropa伊tiont
im
e[~5]

F
requency!
[MHz](b) y=60m mにおける時間波形(b) 群速度Fig.
5 x方向反射波測定実験の結果の一例

Fig.
7 速度分散曲線

次に，x方向反射波測定実験における，各75測定点の lつ目の反射波が受波された時間を........7叫~8 凶ig.
6(a)に示し，y方向反射波比較した結果を F.
= 'g lド測定実験における，各測定点の lつ目の反射

65ig.
波が受波された時間を比較した結果を F60'‑‑‑::
l:406080Distancey[mm]6(b)に示す. Fig.6より，すべての測定点で，100

炭素鋼平板の端からの反射波が受波される(的 x方向反射波測定実験時間において，反射波が検出されていること40がわかる.これより，炭素鋼平板中の溶接欠4ω
卜 〆 3.

守

35ド30陥は，従来のパルスエコー法では検出できな.
‑.

い閉口き裂であると考えられる.
4. Lamb波の発生原理および駆動周波数25

本報告では，減衰が少なく長距離伝搬が可50100150Distancex[mm]能であることから，有限振幅超音波として(b) y方向反射波測定実験

Lamb波を用いる.Lamb波は平板材料中におFig.
6 測定結果の比較いてモード変換を繰り返すため，伝搬挙動が複雑となる.複雑な Lamb波の伝搬挙動は，

ig.
5(b)に示す.Fig.
5より，超音波波波形を F

Rayleigh‑
Lamb方程式に平板中の縦波音速 CL入射後， 1つ目の反射波は溶接欠陥の有無におよび横波音速 CTを代入することにより求限らず， 68μsであることがわかる.

めることができる. F
ig.
7に本報告で用いる
4，.
ーY↑10050oA.
‑

yx50Transducer

100X200Transducer(a) x方向 2次高調波検出実験
Fig.
8 測定システム

炭素鋼平板 (CL=5700m/s，CT=3200m/s)の速ig. 7では 3次以上の伝度分散曲線を示す. F

搬モードは省略している.また， Fig. 7は炭0'50T
ransducer

素鋼平板の厚さ d=10m mで正規化を行って100(b) y方向 2次高調波検出実験いる.
Lamb波を用いて 2次高調波成分の検出を

Fig.
9 測定方法行う場合，送波した周波数の 2倍の周波数に.
送波したモードと同一速度を有する高次の振し，バイポーラ増幅器によって 140Vp̲pまモードが存在することが望ましい 8) Fig.7で増幅させ，送波用斜角探触子に印加する.

より，本報告では送波に 235 kHzの SOモー

その後，平板中を伝搬した Lamb波を受波用

ドを，受波は 2倍の周波数である 470祉 fzの斜角探触子で受波し，直流成分を除去するた

Alモードを利用する.

めに HighPassFilter(カットオフ周波数λ=1kHz)を通過させ， V
ectorSignalAnalyzerに取5. 溶接欠陥から発生する 2次高調波の検出り込み，周波数スベクトルを観測する.発振5・1.測定システム

器 2では， PIAを行うために発振周期を変えて，正位相と逆位相の信号を交互に送波する.

本報告では，溶接欠陥として存在する閉口5・2. 測定方法

き裂から発生する 2次高調波成分の検出を行う.一般に， 2次高調波成分の周波数スペク

本報告の測定方法を Fig.9に示す.Fig.
9(a)トルは基本波成分の周波数スペクトルよりのように， x軸方向にLamb波を伝搬させ，yも小さい. 2次高調波成分を効率良く検出す

軸の正方向に 20m mずつ探触子を移動させるために，本報告ではアベレージング機能にる測定を x方向 2次高調波検出実験とする.

より，リアルタイムで基本波成分を低減させ

ig.
9(b)のように，y軸方向に Lamb波次に， F2 次高調波成分を強調する P
ulseInv
ersionを伝搬させ，x軸の正方向に 20mmずつ探触Averaging(PIA)法を用いる 9)子を移動させる測定を y方向 2次高調波検出

本報告で用いる，透過法により関口き裂か実験とする.各測定回数は 5固とする.また，ら発生する 2次高調波成分を検出するために送波用斜角探触子と受波用斜角探触子の位構築した測定システムを Fig.8に示す.送波置を取り換え， Lamb 波の伝搬方向を変え同用斜角探触子から 235kHzの Lamb波を炭素様に 2次高調波成分の検出実験を行う.

鋼平板に伝搬させるために，発振器 lより駆なお， x方向 2次高調波検出実験での Lamb

動周波数 235kHzのパースト正弦波 8波を発波の伝搬距離 1=185m mとし，y方向 2次高5，.

[﹀E]

写・20100

告 ‑30z言。

az~・40ω

吾・50

100・ω

出o

100200

Propagationtim
e[μs1・60~o3000.
20.
40.
60.
8Frequency[lv1Hz1(c) y=20mmにおける周波数スベクトル

100冨・20hUFE]ω吉三島E︿(a) y=20mmにおける受波波形‑
100o

10020040.

300P
ropagationtime[IlS10.
60.
8Frequency[J¥居Iz](b) y=60m mにおける受波波形(d) y=60m mにおける周波数スベクトル

Fig.1
0 x方向 2次高調波検出実験結果の一例
amh波の伝搬距離/=85調波検出実験での L

ig.10(d)に示す. Fig.10(c)数スベクトルを Fm mとする.

および 10(d)より，閉口き裂が存在している

5・3. x方向 2次高調波検出実験と考えられる測定点において， 2次高調波成x方向 2次高調波検出実験における ，X軸正分の検出量が 8dB増加している.これより，方向に Lamb波を伝搬させた際の結果の一例

2次高調波成分の検出量に着目することで閉として，閉口き裂が存在していると考えられ口き裂の検出が可能であると考えられる.

IA法適用
る，y=20mmの測定点における P

次に，探触子を 20mm間隔で移動させた際

ig.10(的に示す.閉口き裂が前の受波波形を Fの各測定点における 2次高調波成分の検出量存在していないと考えられる ，y= 80m mのig.11に示す. F
ig.l1(a)を比較した結果を F

測定点における PlA法適用前の受波波形をはL
amb波を x軸の正方向に伝搬させた際のF
ig.10(b)に示す. Lamb波を用いた従来の斜結果を示しており， F
ig.l1(b)はLamb波を x角探傷法では，透過波の受波波形より欠陥の軸の負方向に伝搬させた際の結果を示して検出を行う.しかし， F
ig.10(a)および 10(b)ig.11のプロットは 5回の測定におけいる. Fの受波波形である時間波形からでは，閉口きる平均値を表しており，エラーパーはばらつ裂の有無は確認できないことがわかる.これ

きを示している.なお，各周波数スペクトルより，炭素鋼平板中の閉口き裂は，従来の斜IA法適用前の基本波成分のスペクトルは， P

角探傷法では検出が困難であると考えられのピーク値で正規化を行っている.

Fig.11より， Lamb波の伝搬方向によらず，る.

y=20m mの測定点における PlA法適用後閉口き裂が存在していると考えられる y=20の周波数スベクトルを F
ig.10(c)に示す .ym mの測定点で他の測定点に比べて 2次高調80mmの測定点における P
IA法適用後の周波波成分の検出量が約 7dB増加していること
6，i〆‑33dB0
匂一〆=王・35
E5‑4. Y方向 2次高調波検出実験

oe‑
40

測定点における 2次高調波成分の検出量を比T41EO

探触子を 20m m間隔で移動させた際の各4/

国~ ‑
30460

800E545

較した結果を F
ig.12 に示す. Fig.12(a)はLamb波を y 軸の正方向に伝搬させた際の結・ロわ』

o2040果を示しており， F
ig.12(b)は Lamb波を y軸

100Distancey[mm]の負方向に伝搬させた際の結果を示してい

ig.12のプロットは 5回の測定におけるる. F(a) 正方向 Lamb波 伝 搬
回平均値を表しており，エラーパーはばらつき

ω句ヨを示している.なお，各周波数スベクトルは，

Z・
303

呈・3S2

PIA法適用前の基本波成分のスベクトノレのピE

国uO
e 40t0Emーク値で、正規化を行っている.

宣F
ig.12より， Lamb波の伝搬方向によらず，:; 45。

ロれ』204060

閉口き裂が存在していると考えられる x=6010080Distancey[mm]mm‑‑80m mの測定点で他の測定点に比べて(b) 負方向 Lamb波 伝 搬

2次高調波成分の検出量が約 4dB増加していF
ig.1
1 x方向 2次高調波検出実験の結果る.これは閉口き裂において CANにより 2次高調波成分の検出量が増加したためであ呈J
u‑80mmると考えられる.これより x= 60mm‑〆=z J41dRてヨ

玉L邑‑
お355uT〆t

IZ E。

Oe 40iIに閉口き裂が存在していると推定できる.

i5‑5. 考察
本報告では，透過法により閉口き裂から発Ea生する 2次高調波成分の検出を行った. Fig.

mL

制搬↑

一一叫時一

山'抑oxa一11および Fig.12より， Lamb波の伝搬方向に限らず，閉口き裂が存在していると考えられ﹃﹁∞:2.‑30印蜘向十

(a)

問問

zr，、

ω町方十拍正十毛‑4Sる x=60mm，.
.
.x=80m m，y=20mmの範囲

U

司3において，他の測定点と比較して 2次高調波

2五‑
3550E

歪I

成分の検出量が増加していることが確認で

I・
2‑
400

きた. 2次高調波成分の検出量の増加は閉口E
恒三・4SNo20 40 60 80100120140160180200

き裂から発生したものであると考えること

gDist
anc
ex[mm]ができ ，x=60mm‑‑x=80mm，y=20m mの(b) 負方向 Lamb波 伝 搬

範囲に閉口き裂が存在していると考えるこ

Fig.12 y方向 2次高調波検出実験の結果とができる.これは，溶接欠陥が存在していると考えられる範囲とほぼ一致することから，本手法を用いて，溶接欠陥として存在すがわかる.これは閉口き裂において CANにる閉口き裂の検出への可能性を示すことがより 2次高調波成分の検出量が増加したためできた.

であると考えられる.これより y=20mm付
近に関口き裂が存在していると推定できる.
7

t6. おわりに3) J.P.Sargent:Insight，Vo.
l48，No.3，pp.

本報告では，溶接欠陥を持つ炭素鋼平板中160・167(2006)に Lamb波を伝搬させ， 2次高調波成分を用4) 1. Yu. SolodovProc. 1994 IEEE

いて溶接欠陥の検出を行った.その結果，閉ULTRASONICS SYMPOSIUM ， pp.

口き裂が存在していると考えられる x= 60

1279・1238(1994)

m m‑x=80m m，y=20m mの測定範囲にお5) K.Kawashima，R. Omote，T.ltoandH.

いて，他の測定範囲に比べて 2次高調波成分

Fujita:Ultrasonics，Vo.
l48，pp.6
11・615の検出量の増加を確認できた.また，溶接欠(2002)

陥が存在していると考えられる範囲とほぼ

keuchi，Y.Shintaku，6) S.Horinouchi，M.I一致することも確認できた.これより，本手Y.Ohara，andK.Yamanaka:Jpn. J. Appl.

法を用いて，従来の超音波探傷試験では検出

Phys，Vo.
I51，pp.07GB15・1・5(2012)できない溶接欠陥の検出への可能性を示す7) htt
p://www.
sonaspection.
coml
SonaCatalog.

ことができた.

pdf

今後の課題として，溶接欠陥から発生した8) C.Pruell，J.‑
Y.Kim，J.Qu，L.J.Jacobs:

2次高調波がどのように平板中を伝搬していNDT&EIntemational，Vo.
l42，pp.199・203るのかを把握するために，溶接欠陥を伝搬す(2009)9) M.Fukuda，
M.
NishihiraandK.
Imano:Jpn.

る Lamb波の伝搬解析を行うことなどが挙げられる.

J.Appl.Phys，Vo.
I
4S，
No.SB，pp.
4556‑4559(2006)《参考文献》
1) 溶接学会:

溶接技術の基礎"精輿社，

pp.194‑219(2005)2) 杉本幸郎:日本音響学会誌 J 61巻， 11号， pp.671‑676(2005)

8