JP3638814B2 - 自動超音波探傷装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は鉄鋼ラインの中でも特に断面形状が円柱状のビレット、棒材等の内部に存在するきずをオンラインで検査するための自動超音波探傷装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の自動超音波探傷装置における探触子と探触子ホルダーを示す断面図である。図において１は丸棒等の被検材、２は被検材１の中心に対して超音波を送受信する垂直探触子、３は反時計方向に被検材１表面に対して斜めに超音波を送受信する第１の斜角探触子、４は時計方向に被検材１表面に対して斜めに超音波を送受信する第２の斜角探触子、５は上記垂直探触子２を取付けるスペーサ、６は上記斜角探触子３、４を取付けるスペーサ、７は上記スペーサ５、６を所定の位置で固定する探触子ホルダー、８は探触子ホルダー７の内側に満たされた水等から成る接触媒質、９は被検材１のほぼ中心付近に存在するきず、１０は被検材１の外表面付近に存在するきず、Ｌ１は垂直探触子２と被検材１表面との距離、Ｌ２は斜角探触子３、４と被検材１表面との距離である。
【０００３】
従来の自動超音波探傷装置は図５のように構成されており、例えば被検材１の外径範囲がφ１８からφ１３１まで存在する場合には上記外径範囲をφ１８からφ３４までの範囲をサイズ１区分、φ３５からφ７４までの範囲をサイズ２区分、φ７５からφ１３１までの範囲をサイズ３区分というように分類し、上記サイズ区分内で所定のＳ／Ｎが確保できるように垂直探触子２と斜角探触子３、４の条件（周波数、振動子寸法、音響レンズの曲率半径）と、垂直探触子２と被検材１表面との距離Ｌ１、及び斜角探触子３、４と被検材１表面との距離Ｌ２を設定する。また、上記サイズ区分毎に外径寸法の異なる探触子ホルダー７をサイズ区分の数だけ備え、被検材１の外径寸法が上記に示す１つのサイズ区分の範囲内で変化する場合にはスペーサ５、６を交換して常に垂直探触子２と被検材１表面との距離Ｌ１と、斜角探触子２と被検材１表面との距離Ｌ２とを一定となるようにして使用する。すなわち、上記の様にサイズ区分内で距離Ｌ１、Ｌ２が一定であることは、特に垂直探触子２と被検材１表面間を超音波が何回も往復して発生する多重エコーのパターンが区分毎にほぼ決定されるため、送信の繰返し周波数を容易に決定することができ、さらに斜角探触子３、４においては被検材１表面に対して常に一定の角度で超音波を送受信できる条件を整えることになる。
【０００４】
次に超音波の伝搬について説明すると、垂直探触子２から被検材１中心に向かって送信された超音波は探触子ホルダー７内に充満された接触媒質８を経由して中心付近のきず９に到達して、再び逆の経路で反射して垂直探触子２に受信され、斜角探触子３から接触媒質８を経由して被検材１表面の所定の位置に斜めに送信された超音波はスネルの法則により被検材１の外表面部方向に伝搬して外表面付近のきず１０に到達して再び逆の経路で反射して斜角探触子３に受信される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の自動超音波探傷装置では被検材１のサイズが変化する場合には探触子ホルダー７の交換や、スペーサ５、６を交換するために検査ラインを３０分程度止めて作業しなければならないと言う課題があり、さらにサイズ区分毎に探触子ホルダー７やスペーサ５、６を複数保有しなければならず、装置の価格が高くなるという課題があった。
【０００６】
また、垂直探触子２が最低でも被検材１の外径サイズ区分の数だけ必要となり、装置の価格が高くなるという課題があった。
【０００７】
また、斜角探触子３、４が最低でも被検材１の外径サイズ区分の数だけ必要となり、装置の価格が高くなるという課題があった。
【０００８】
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、被検材の外径サイズがφ１８からφ１３１の範囲において１個の探触子ホルダーと１種類１個の垂直探触子と１種類２個の斜角探触子で構成し、被検材の外径サイズ変更時に発生する検査ラインの停止時間の短縮と、安価な装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明における自動超音波探傷装置においては、２個の斜角探触子の被検材中心からの垂直距離を一定に保ちつつお互いの２個の斜角探触子の中心位置を被検材中心に対して水平方向で互いに逆方向に移動させる右ネジ部と左ネジ部をそれぞれの端に備えたウオームホイルシャフトと、上記ウオームホイルシャフトの右ネジ部に結合される第１のナットと、左ネジ部に結合される第２のナットと、上記第１、第２のそれぞれのナットに結合されたスライドプレートと、上記スライドプレートに固定されて互いに逆方向に斜めに超音波を送受信する２個の斜角探触子と、上記２個の斜角探触子の水平方向における中心線上で、かつ上記斜角探触子に対して１８０゜対向する位置で固定配置される１個の垂直探触子と、上記ウオームホイルシャフトとスライドプレートと２個の斜角探触子と１個の垂直探触子とを保持しながら被検材の外周面上を回転するホルダーとを備えたものである。
【００１０】
また、垂直探触子は周波数を７ＭＨｚ、振動子寸法を２０ｍｍ、音響レンズ（音速２５００ｍ／ｓ）の曲率半径を８０ｍｍとしたものである。
【００１１】
また、斜角探触子は周波数を５ＭＨｚ、振動子寸法を２８ｍｍ、音響レンズ（音速２５００ｍ／ｓ）の曲率半径を４７．５ｍｍとしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す自動超音波探傷装置を示す断面図である。図において１〜１０は従来の装置と同じであり、１１はこの発明による垂直探触子、１２はこの発明による斜角探触子、１３はウオーム、１４はウオームホイルシャフト、１５はスライドプレート、１６ａは右ネジ部、１６ｂは左ネジ部、１７は第１のナット、１８は第２のナット、１９は探触子ホルダー、Ｘ−Ｘ’は被検材１の中心を通る水平な中心線、Ｙ−Ｙ’は被検材１の中心を通る垂直な中心線、Ｙ１は被検材１の中心から垂直探触子１１表面までの距離、Ｙ２は被検材１の中心から斜角探触子１２表面までの距離、Ｘ１は斜角探触子１２の中心と被検材１中心線Ｙ−Ｙ’間の偏芯量である。
【００１３】
上記のように構成された自動超音波探傷装置では垂直探触子１１は被検材１の垂直な中心線Ｙ−Ｙ’上に固定されているため、被検材１の外径サイズがφ１８からφ１３１まで変化しても超音波を必ず被検材１の中心に向けて送受信することができる。一方斜角探触子１２においては被検材１の外径サイズがφ１８からφ１３１までの変化しても常に被検材１表面に対する超音波の入射角を一定にするために、外径サイズの変化に応じて斜角探触子１２の中心と被検材１の垂直な中心線Ｙ−Ｙ’との偏芯量Ｘ１を可変させる必要がある。
【００１４】
次に斜角探触子１２の偏芯量Ｘ１の可変方法について説明する。探触子ホルダー９の外側に突出したウオーム１３を回転させると、その回転力はウオームホイルシャフト１４に伝達されてウオームホイルシャフト１４は回転する。この時ウオームホイルシャフト１４の右端には右ネジ部１６ａ、左端には左ネジ１６ｂをそれぞれ取付けておくことにより、上記右ネジ部１６ａと左ネジ部１６ｂの回転力を受ける第１のナット１７と第２のナット１８はそれぞれ被検材１の垂直な中心線Ｙ−Ｙ’に対してお互いに接近したり、遠ざかったりするように線対称な動きをする。上記第１のナット１７と第２のナット１８にはスライドプレート１５が取付けられ、さらにスライドプレート１５にはそれぞれ斜角探触子１２が取付けられているため、ウオーム１３の回転に合わせて２個の斜角探触子１２はそれぞれの偏芯量Ｘ１を可変する動作が可能となり、被検材１の外径サイズがφ１８からφ１３１まで変化してもウオーム１３の回転数を自動制御するだけで被検材１表面に対するそれぞれの斜角探触子１２から送受信される超音波の入射角を一定に制御できる。
【００１５】
また、被検材１の水平な中心線Ｘ−Ｘ’に対して垂直探触子１１までの距離Ｙ１と斜角探触子１２までの距離Ｙ２が被検材１の外径サイズによらずに一定であるため、探触子ホルダー１９が被検材１の周囲を回転する装置では常に安定したホルダー１９の回転バランスが得られることになる。
【００１６】
実施の形態２．
図２はこの発明による実施の形態２を示す垂直探触子の断面図、表１は被検材１の外径が１８ｍｍの時の垂直探触子の中心と被検材中心との偏芯による中心きずの感度変化量を示す表、表２は被検材１が１３１ｍｍの時の垂直探触子の中心と被検材中心との偏芯による中心きずの感度変化量を示す表である。図において２０は超音波を送受信する振動子、２１は樹脂から成る音響レンズ、２２はダンパ、Ａは振動子２０の開口寸法、Ｒは音響レンズ２１の曲率半径、ΔＸは被検材１の垂直な中心線Ｙ−Ｙ’と垂直探触子１１の中心との偏芯量である。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【表２】

【００１９】
上記のように構成された垂直探触子１１では超音波を送受信する振動子２０の被検材１と対向する前面側には超音波を収束する目的でエポキシ樹脂等のプラスチックから成る音響レンズ２１を備え、振動子２０の後面側には振動子２０の自由振動を抑制するダンパ２２が備えられている。この発明による装置では被検材１の水平中心Ｘ−Ｘ’と垂直探触子１１との距離Ｙ１が一定であるため被検材１の外径サイズがφ１８の時は水平距離Ｌ１が長くなり、外径サイズがφ１３１の時は水平距離Ｌ１が短くなる。従って、垂直探触子１１の設計のポイントはφ１８の被検材１の内部で超音波がなるべく狭くなる様にすることと、φ１３１の被検材１と垂直探触子１１との偏芯に対する感度の安定性を両立させることが必要となる。すなわち、被検材１の表面形状が円筒状、あるいは円柱状の場合には接触媒質８との音速差から超音波的には被検材１表面は拡散型の音響レンズとなるため、例えば直径１ｍｍの横穴から成る人工欠陥に対してＳ／Ｎ比を２６ｄＢ以上得られるようにするためには超音波ビームを収束させる必要がある。しかし、極度の収束は被検材１と垂直探触子１１との偏芯に対する感度の変化を大きくすることになり兼ねないので、最適な条件を求める必要がある。最適な条件設定においてφ１８の被検材１外径では音響レンズ２１で超音波を収束するより、被検材１表面での超音波の拡散の影響が大きいので、表１に示すように振動子２０の開口寸法Ａと音響レンズ２１の曲率半径Ｒとの組合せにおいて例えば−３ｄＢより感度変化量が小さい条件の選択肢は広い。一方、被検材１外径がφ１３１の方は垂直探触子１１に設けられた音響レンズ２１の影響をまともに受けるので、製鉄所の実ラインで許容する偏芯（約２ｍｍ）状態でも欠陥検出感度が大幅（−３ｄＢ）に変化しないようにするためには、表２に示すように振動子２０の開口寸法Ａが１７．５ｍｍの場合には音響レンズ２１の曲率半径Ｒが８０ｍｍの組合せか、振動子２０の開口寸法Ａが２０ｍｍの場合には音響レンズ２１の曲率半径Ｒが７０ｍｍと８０ｍｍの組合せに限定される。すなわち、表１と表２において振動子２０の開口寸法Ａと音響レンズ２１の曲率半径Ｒとの組合せ上最も感度変化の少ない条件は振動子２１の開口寸法Ａが２０ｍｍで音響レンズ２１の曲率半径Ｒが８０ｍｍで構成した垂直探触子１１となる。尚、上記音響レンズの音速は２５００ｍ／ｓの場合である。また、被検材１の表面で発生する表面エコーのパルス幅を狭くするために高い周波数を選択した方が良いが、周波数が高すぎると被検材１の組織からの乱反射による林状エコーが発生するため周波数は７ＭＨｚが最適である。
【００２０】
実施の形態３．
図３はこの発明による実施の形態３を説明する断面図、図４は被検材外径がφ１８における横軸を音響レンズの曲率半径Ｒ、縦軸を振動子の開口寸法Ａとして横波による横穴欠陥エコーと縦波による底面エコーとの比を相対変化量で現わしたＳ／Ｎ等高線図である。図において３０は被検材１中に発生する横波、３１は被検材１中の略中心を通過する縦波、イは周波数＝５ＭＨｚ、振動子開口寸法Ａ＝１５ｍｍ、音響レンズ曲率半径Ｒ＝５０ｍｍの時のＳ／Ｎ特性点、ロはこの発明による斜角探触子１２の条件（周波数＝５ＭＨｚ、振動子開口寸法Ａ＝２８ｍｍ、音響レンズ曲率半径Ｒ＝４７．５ｍｍ）を含むＳ／Ｎ特性範囲である。
【００２１】
上記のように構成された斜角探触子１２では被検材１の外径サイズが最も小さい時に超音波ビームの副ビームが被検材１の中心付近を縦波３１で伝搬して底面エコーとして受信されるが、上記縦波３１はＳ／Ｎ特性のノイズの主要因となるため極力レベルを小さくしなければならない。一方、上記縦波３１は被検材１の外径が大きくなるにしたがって無視できるレベルまで低下するため、被検材１の外径範囲としてφ１８からφ１３１に１種類で対応する斜角探触子１２を得るためには最小径のφ１８において横波３０によるきずエコーと縦波３１による底面エコーの比を所定の値（例えば２６ｄＢ以上）にすることが必要である。
【００２２】
上記に示す被検材１の外径がφ１８における直径１ｍｍの横穴１０からの横波３０エコーと被検材１の中心付近を通過する縦波３１エコーとの比をＳ／Ｎとして計算した結果を図４にＳ／Ｎ等高線図として現わしたが、イの点が周波数５ＭＨｚ、振動子２０の開口寸法Ａ＝１５ｍｍ、音響レンズ２１の曲率半径Ｒ＝５０ｍｍの条件の斜角探触子１２における実測のＳ／Ｎ点（＝１６ｄＢ）であり、上記条件では目的のＳ／Ｎ（２６ｄＢ以上）に対して１０ｄＢ不足しているため、上記条件を基準にして振動子２０の開口寸法Ａと音響レンズ２１の曲率半径ＲをパラメータとしてＳ／Ｎ比が２６ｄＢ以上を満足する条件を計算した結果、図中のロの領域が基準としたＳ／Ｎ点イに対して９ｄＢから１２ｄＢのＳ／Ｎ向上範囲であり、実際にこの範囲ロの条件で振動子２０の開口寸法Ａを２８ｍｍ、音響レンズ２１の曲率半径Ｒを４７．５ｍｍとして斜角探触子を製作してＳ／Ｎを実測すると３０ｄＢのＳ／Ｎが得られた。図４によると振動子２０の開口寸法Ａが２５．５ｍｍ以上の時で音響レンズ２１の曲率半径Ｒが約４５ｍｍから４９ｍｍ位の組合せでＳ／Ｎ比として２６ｄＢ以上を満足できるが、斜角探触子１２の製造誤差を考慮しつつ小型化を図るためには振動子２０の開口寸法Ａを２８ｍｍ、音響レンズ２１の曲率半径Ｒを４７．５ｍｍとするのが良い。尚、上記音響レンズの音速は２５００ｍ／ｓの場合である。また、被検材１の表面で発生する表面エコーのパルス幅を狭くするために高い周波数を選択した方が良いが、周波数が高すぎると被検材１の組織からの乱反射による林状エコーが発生するため周波数は５ＭＨｚが最適である。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は、上記に説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を有する。
【００２４】
探触子ホルダー部にウオームとウオームホイルシャフトと右ネジ部と左ネジ部を設け、上記右ネジ部と左ネジ部にナットを介してスライドプレートを設け、上記スライドプレート上に斜角探触子を固定しているため、被検材のサイズが変更される場合でもウオームを回転させて斜角探触子を水平方向に移動させるだけで良く、サイズ交換に伴う条件変更時間を大幅に短縮することが可能となり、さらに探触子ホルダー、垂直探触子、斜角探触子も被検材の外径サイズがφ１８からφ１３１の範囲ではそれぞれ１種類で対応できるため低価格な装置を実現できる。
【００２５】
また、垂直探触子の周波数を７ＭＨｚ、振動子の開口寸法を２０ｍｍ、音響レンズの曲率半径を８０ｍｍ（但しレンズの音速を２５００ｍ／ｓとした時）としているため、１種類の探触子で被検材の外径範囲φ１８からφ１３１に対して安定した高いＳ／Ｎ比を提供できる。
【００２６】
また、斜角探触子の周波数を５ＭＨｚ、振動子の開口寸法を２８ｍｍ、音響レンズの曲率半径を４７．５ｍｍ（但しレンズの音速を２５００ｍ／ｓとした時）としているため、１種類の探触子で被検材の外径範囲φ１８からφ１３１に対して安定した高いＳ／Ｎ比を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１の自動超音波探傷装置を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態２の垂直探触子を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３の斜角探触子を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態３の斜角探触子のＳ／Ｎ等高線図である。
【図５】 従来の自動超音波探傷装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 被検材、１１ 垂直探触子、１２ 斜角探触子、１３ ウオーム、１４ ウオームホイルシャフト、１５ スライドプレート、１６ａ 右ネジ部、１６ｂ左ネジ部、１７ 第１のネット、１８ 第２のナット、１９ 探触子ホルダー、２０ 振動子、２１ 音響レンズ、２２ ダンパ、３０ 横波、３１ 縦波、ロ 斜角探触子のＳ／Ｎ領域。

Claims (3)

1. 円柱状の被検材中心に対して垂直に超音波を送受信する垂直探触子と、上記被検材に互いに逆方向に斜めに超音波を送受信する第１、第２の斜角探触子とを備えて被検材の内部に存在するきずを検査する自動超音波探傷装置において、上記第１、第２の斜角探触子の被検材中心からの垂直距離を一定に保ちつつお互いの第１、第２の斜角探触子の中心位置を被検材中心に対して水平方向で互いに逆方向に移動させる右ネジ部と左ネジ部をそれぞれの端に備えたウオームホイルシャフトと、上記ウオームホイルシャフトの右ネジ部に結合される第１のナットと、上記左ネジ部に結合される第２のナットと、上記第１、第２のそれぞれのナットに結合されたスライドプレートと、上記スライドプレートに固定されて互いに逆方向に斜めに超音波を送受信する第１、第２の斜角探触子と、上記第１、第２の斜角探触子の水平方向における中心線上で、かつ上記斜角探触子に対して１８０゜対向する位置で固定配置される垂直探触子と、上記ウオームホイルシャフトとスライドプレートと第１、第２の斜角探触子と垂直探触子とを保持しながら被検材の外周面上を回転するホルダーとを備えた事を特徴とする超音波自動探傷装置。
2. 上記垂直探触子は被検材直径が１８ｍｍから１３１ｍｍの範囲において所定のＳ／Ｎ（φ１横穴でＳ／Ｎ≧２６ｄＢ）を１種類の条件で確保できるように周波数を７ＭＨｚ、振動子寸法を２０ｍｍ、音響レンズ（音速は２５００ｍ／ｓ）の曲率半径を８０ｍｍとした事を特徴とする請求項１記載の自動超音波探傷装置。
3. 上記斜角探触子は被検材直径が１８ｍｍから１３１ｍｍの範囲において所定のＳ／Ｎ（φ１横穴でＳ／Ｎ≧２６ｄＢ）を１種類の条件で確保できるように周波数を５ＭＨｚ、振動子寸法を２８ｍｍ、音響レンズ（音速は２５００ｍ／ｓ）の曲率半径を４７．５ｍｍとした事を特徴とする請求項１記載の自動超音波探傷装置。

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