JP6500865B2 - 超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Description

本発明は丸棒鋼の超音波探傷方法および超音波探傷装置に関する。

丸棒鋼の内部の欠陥は、その丸棒鋼を素材として製造された機械部品において疲労破壊の原因となる等により、後に有害となる場合がある。そのため、丸棒鋼の内部を超音波探傷し、内部欠陥を評価することが従来から行われている。

例えば特許文献１には、超音波探触子を走査しながら丸棒鋼の超音波探傷を行う方法が開示されている。また、特許文献２には、超音波探傷において、アレイ状の超音波探触子（以下、「アレイ探触子」という）による電子フォーカスを用いて焦点を形成することにより、検出能および分解能を向上させる方法が開示されている。

特開２０１５−０９９０１８号公報 特開２０１３−２４２２２０号公報

しかしながら、特許文献１で開示された探傷方法は、非集束超音波探触子を用いた場合は検出能および分解能が十分ではないという問題があった。また、集束超音波探触子を用いた場合においても、焦点が固定となるため、一定の深さの範囲しか検出能および分解能を高くできないという問題があった。さらに、特許文献１で開示された探傷方法は、直径が１００ｍｍ以上あるような丸棒鋼の表面から離れた位置に超音波ビームを集束させることが難しいという問題もあった。

特許文献２で開示されたようなアレイ探触子を用いた探傷方法では、多数の素子を用いるため装置が複雑化して高コストになるという問題があった。特に、直径が１００ｍｍ以上あるような丸棒鋼に対して、大きな開口を形成して焦点を形成しようとすると、使用する素子が大きすぎて装置を構成すること自体が困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置構成を複雑化することなく、検出能および分解能を向上させることができる超音波探傷方法および超音波探傷装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波探傷方法は、超音波探傷により丸棒鋼の内部の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分の受信波形を記録する記録ステップと、前記丸棒鋼の直径をＬ_Ｄ、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１、前記丸棒鋼の表面から前記非集束超音波探触子までの距離をＬ_ｗ、前記丸棒鋼の外部における前記超音波ビームの音速をＶ_０、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの音速をＶ_１、とした場合において、前記記録ステップで記録した受信波形の中から、下記式（１）を満たすような円周方向範囲θ_１の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが下記式（３）を満たすように、開口合成処理を行う開口合成処理ステップと、を含むことを特徴とする。

ただし、

また、本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記記録ステップは、前記非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向および軸方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分、および前記丸棒鋼の軸方向における全長分の受信波形を記録し、前記開口合成処理ステップは、前記丸棒鋼の内部の軸方向における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１ｂ、とした場合において、前記記録ステップで記録した受信波形の中から、前記式（１）を満たすような円周方向範囲θ_１、かつ下記式（４）を満たすような軸方向範囲Ｌ_２の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが前記式（３）を満たすように、開口合成処理を行うことを特徴とする。

ただし、

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波探傷装置は、超音波探傷により丸棒鋼の内部の欠陥を検出する超音波探傷装置であって、非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分の受信波形を記録し、前記丸棒鋼の直径をＬ_Ｄ、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１、前記丸棒鋼の表面から前記非集束超音波探触子までの距離をＬ_ｗ、前記丸棒鋼の外部における前記超音波ビームの音速をＶ_０、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの音速をＶ_１、とした場合において、前記記録した受信波形の中から、下記式（６）を満たすような円周方向範囲θ_１の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが下記式（８）を満たすように、開口合成処理を行うことを特徴とする。

ただし、

また、本発明に係る超音波探傷装置は、上記発明において、前記非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向および軸方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分、および前記丸棒鋼の軸方向における全長分の受信波形を記録し、前記丸棒鋼の内部の軸方向における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１ｂ、とした場合において、前記記録した受信波形の中から、前記式（６）を満たすような円周方向範囲θ_１、かつ下記式（９）を満たすような軸方向範囲Ｌ_２の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが前記式（８）を満たすように、開口合成処理を行うことを特徴とする。

ただし、

本発明によれば、超音波探触子を丸棒鋼に対して相対的に走査しながら受信波形を記録し、所定の走査範囲における受信波形を開口合成処理によって合成するため、少数の超音波探触子によって等価的に集束ビームを形成できるようになり、検出能および分解能が向上する。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、丸棒鋼の内部で超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図４は、図３におけるＡ_１部の拡大図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、丸棒鋼の内外で超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、超音波探触子を丸棒鋼の円周方向に回転させて超音波ビームを送受信した際の、超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、超音波探触子を丸棒鋼の円周方向に回転させて超音波ビームを送受信した際の、超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、開口合成処理の方法を説明するための説明図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法において、超音波探触子の走査方法を説明するための、丸棒鋼の展開図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法において、丸棒鋼の内部で超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法において、丸棒鋼の内部で超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示す図である。 図１２は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、開口合成処理の方法を説明するための説明図である。 図１３は、本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法において、開口合成処理の方法を説明するための説明図である。 図１４は、従来の超音波探傷方法を説明するための説明図である。 図１５は、従来の超音波探傷方法を説明するための説明図である。 図１６は、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法と、従来の超音波探傷方法とにおいて、それぞれの超音波ビームのビーム幅を比較した図である。 図１７は、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法と、従来の超音波探傷方法とにおいて、それぞれの超音波ビームのビーム幅を比較したグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

実施形態に係る超音波探傷方法は、鋳造された鋼片を圧延して形成される丸棒鋼（被検体）を、水侵探傷法（以下、「水侵法」という）を利用した超音波探傷によって探傷する方法である。以下では、まず本実施形態に係る超音波探傷方法を実施する際に利用する超音波探傷装置の構成について、図１を参照しながら説明する。

超音波探傷装置１は、図１に示すように、非集束超音波探触子１０と、回転駆動装置２０と、媒質槽３０と、情報処理装置４０と、表示装置５０と、を備えている。なお、同図では本発明に関係する構成のみを図示し、その他の構成は図示を省略している。

非集束超音波探触子（以下、「超音波探触子」という）１０は、超音波ビームを形成し、水侵法によって丸棒鋼Ｓの超音波探傷を行う。超音波探触子１０は、丸棒鋼Ｓの表面から所定間隔だけ離れた位置に配置され、後記する回転駆動装置２０によって回転される丸棒鋼Ｓの表面（周面）を走査する。なお、超音波探触子１０は、図示しない駆動装置によって、丸棒鋼Ｓの軸方向にも移動可能に構成されている。

回転駆動装置２０は、探傷対象である丸棒鋼Ｓをその中心軸（図１の一点鎖線参照）回りに回転させる。媒質槽３０は、例えば水等の超音波伝搬媒質が満たされており、内部に丸棒鋼Ｓおよび超音波探触子１０が配置される。

情報処理装置４０は、超音波探触子１０を制御し、当該超音波探触子１０によって取得された受信波形を処理する。この情報処理装置４０は、具体的にはＣＰＵ、ディスク装置、メモリ装置等を備える一般的なコンピュータで構成される。情報処理装置４０は、機能的には、後記する実施形態に係る超音波探傷方法における記録ステップを実行する記録手段と、開口合成処理ステップを実行する開口合成処理手段と、を備えている。

表示装置５０は、超音波探傷の結果を表示するものであり、具体的には液晶ディスプレイ等で構成される。表示装置５０による表示内容および表示形式は特に限定されないが、表示装置５０は、例えば後記する開口合成処理ステップを経て合成した受信波形の信号レベルを、チャート等によって表示する。

[第１実施形態]
以下、超音波探傷装置１を利用した超音波探傷方法の第１実施形態について、図１〜図８を参照しながら説明する。

本実施形態では、まず図１に示すように、丸棒鋼Ｓの円周方向に対して超音波探触子１０を相対的に走査しながら、超音波ビームの送受信を行う。具体的には、回転駆動装置２０によって回転速度Ｖ_φ（ｄｅｇ／ｓ）で丸棒鋼Ｓを回転させることにより円周方向の走査を行う。

なお、丸棒鋼Ｓおよび超音波探触子１０は超音波伝搬媒質（ここでは水とする）によって満たされた媒質槽３０内に配置されているため、超音波探触子１０と丸棒鋼Ｓの表面（周面）との間の超音波ビームが伝搬する領域は、水によって満たされている。

このとき、例えば以下の参考文献１によれば、超音波ビームが伝搬する領域の断面図は、図２に示すようなものとなる。すなわち、超音波探触子１０から送信された超音波ビームは、当該超音波探触子１０の１．６Ｘ_０以上遠方においては、角度φ_０で拡散する。

参考文献１：「超音波探傷試験ＩＩ」、一般社団法人日本非破壊検査協会、2000年版、p17

図２において、Ｘ_０は近距離音場限界距離のことであり、下記式（１１）のように示すことができる。また、角度φ_０は、丸棒鋼Ｓの外部（超音波伝搬媒質内）における、丸棒鋼Ｓの径方向（図１のｘｙ平面）を基準とした超音波ビームの拡散角度のことであり、下記式（１２）のように示すことができる。

上記式（１１）および上記式（１２）において、λは超音波ビームの波長、Ｄは丸棒鋼Ｓの径方向（図１のｘｙ平面）を基準とした超音波探触子１０の幅、をそれぞれ示している。以下では、丸棒鋼Ｓの表面が超音波探触子１０に対して１．６Ｘ_０以上遠方であることを前提に説明する。

超音波ビームの屈折を考慮したとき、丸棒鋼Ｓの内部において、１回の送受信で超音波ビームが伝搬する領域は、図３および図４に示すものとなる。すなわち、丸棒鋼Ｓの径方向（図１のｘｙ平面）を基準とした超音波ビームの角度φ_１は、下記式（１３）のように示すことができる。

上記式（１３）において、Ｖ_１は丸棒鋼Ｓの内部における超音波ビームの音速、Ｖ_０は丸棒鋼Ｓの外部（超音波伝搬媒質内）における超音波ビームの音速、である。

なお、図３は、丸棒鋼Ｓの径方向における断面を模式的に示しており、図中のＬ_ｗは丸棒鋼Ｓの表面から超音波探触子１０までの距離、Ｌ_Ｄは丸棒鋼Ｓの直径、をそれぞれ示している。また、図４は、図３のＡ_１部を拡大したものである。同図では、丸棒鋼Ｓの円周方向の曲率による、丸棒鋼Ｓの表面の方線方向の変化は無視し、丸棒鋼Ｓの周面を直線で図示している。

このとき、超音波ビームの屈折の影響を考慮すると、丸棒鋼Ｓの内部で超音波ビームが伝搬する領域は、図５における点Ｐ_０を起点に角度φ_１で拡がる。ここで、同図における点Ｐ_０は、丸棒鋼Ｓの内部において角度φ_１で拡散する超音波ビームを、送信元の超音波探触子１０に向かって遡った場合の起点（丸棒鋼Ｓの内部を拡散する超音波ビームの原点）であり、丸棒鋼Ｓの表面と超音波探触子１０との間に存在する。また、同図におけるＸは、点Ｐ_０から丸棒鋼Ｓの表面までの距離を示している。

ここで、丸棒鋼Ｓに入射する超音波ビームの幅は、下記式（１４）のように示すことができる。

そして、上記式（１４）は、「ｃｏｓφ_０＝ｃｏｓφ_１＝１」と近似して式変形すると、下記式（１５）となる。さらに、下記式（１６）に示した超音波ビームの屈折におけるスネルの法則を考慮すると、下記式（１５）は下記式（１７）のように示すことができる。

図６は、超音波探触子１０が丸棒鋼Ｓの円周方向に角度θ_０だけ回転した後に超音波ビームを送受信した場合の、超音波ビームが伝搬する領域を模式的に示している。このとき、丸棒鋼Ｓの中心点Ｐ_Ｃと、水平方向の中心線Ｌ_Ｃ上において超音波ビームが伝搬する限界範囲である点Ｐ_１との距離ｙは、図７に示した三角関数を用いた計算により、下記式（１８）のように示すことができる。

上記式（１８）では、「０ｄｅｇ＜θ_０−φ_１＜９０ｄｅｇ」を仮定している。そして、上記式（１８）は、下記式（１９）のように式変形することができる。

上記式（１８）および式（１９）において、Ｌ_１は点Ｐ_０（図５参照）から丸棒鋼Ｓの中心点Ｐ_Ｃまでの距離であり、下記式（２０）のように示すことができる。

本実施形態では、以上を考慮した上で開口合成処理を行う。まず、図８の矢印Ｂに示すように、超音波探触子１０を丸棒鋼Ｓの円周方向に相対的に走査しながら、当該超音波探触子１０によって超音波ビームを送受信する。これにより、丸棒鋼Ｓの円周方向における全周分の受信波形を記録する（記録ステップ）。そして、１回の開口合成処理ごとに、前記記録した波形から開口合成処理に用いる波形を選択し、伝搬時間に基づいた位相整合を取った上で、丸棒鋼Ｓの全周分の波形を合成する（開口合成処理ステップ）。

本実施形態における開口合成処理では、開口合成によって焦点を形成する領域（図８の符号Ａ_２参照）に超音波ビームが伝搬しているような配置での受信波形のみを用いる。すなわち、本実施形態では、開口合成に用いる波形を取得する際に、丸棒鋼Ｓの中心点Ｐ_Ｃから点Ｐ_２までの各点で超音波ビームが伝搬しているようにする。なお、図８における点Ｐ_２は、開口合成の基準となる超音波探触子１０（同図のハッチング参照）が存在する側と反対側の表面、すなわち超音波探触子１０から最も離れた丸棒鋼Ｓの表面の点のことを示している。

これは、開口合成の際の超音波探触子１０の位置の両端において、点Ｐ_２に超音波ビームが届いているという条件であり、上記式（１９）等から、この条件は下記式（２１）のように示すことができる。

また、開口合成により等価的に形成される超音波ビームは、検出能向上のために集束効果が得られるような条件でなければならない。すなわち、超音波ビームは、開口合成により合成される等価的な開口幅（合成開口の幅）をＤ’、焦点距離をＦ_ｏｐ、でそれぞれ表した場合において、下記式（２２）で定義される集束係数Ｊについて、Ｊ≧１でなければならない。

また、上記式（２２）における開口幅Ｄ’は、下記式（２３）のように示すことができる。

また、上記式（２２）における焦点距離Ｆ_ｏｐは、点Ｐ_２に焦点を置いたとき、かつ屈折に関して平面に対する垂直入射を仮定し、下記式（２４）とした上で、下記式（２５）が満たされるようにする必要がある。

なお、ここでは点Ｐ_２に対する集束のみを考慮したが、点Ｐ_２で上記式（２５）が成り立てば、中心点Ｐ_Ｃから点Ｐ_２に至る各点で上記式（２５）が成り立つ。なぜなら、点Ｐ_２よりも超音波探触子１０に近い場所に超音波ビームを集束させると、点Ｐ_２に集束させた場合よりも焦点距離Ｆ_ｏｐが小さくなり、上記式（２２）により、集束係数Ｊが大きくなるためである。

以上を踏まえて、本実施形態では、前記した記録ステップで記録した受信波形の中から、上記式（２１）を満たすような円周方向範囲θ_１の受信波形を用いて開口合成処理を行う。すなわち、本実施形態では、図８に示すように、基準位置（同図のハッチング参照）から±θ_１の範囲内の受信波形を選択して開口合成することにより、中心点Ｐ_Ｃから点Ｐ_２に至る各点の受信波形を取得する。そして、このような処理を、基準位置を変えながら丸棒鋼Ｓの全周について行うことにより、丸棒鋼Ｓの径方向の断面全体の受信波形を取得する。また、その際に、開口合成により形成される超音波ビームの集束係数Ｊが上記式（２５）を満たすように、開口合成処理を行う。

本実施形態に係る超音波探傷方法によれば、超音波探触子１０を丸棒鋼Ｓに対して相対的に走査しながら受信波形を記録し、所定の走査範囲における受信波形を開口合成処理によって合成するため、少数の超音波探触子１０によって等価的に集束ビームを形成できるようになり、検出能および分解能が向上する。また、丸棒鋼Ｓの円周方向に集束ビームを形成するようにしたため、圧延により延伸された欠陥の検出を効果的に行うことが可能となる。

[第２実施形態]
以下、超音波探傷装置１を用いた超音波探傷方法の第２実施形態について、図９〜図１３を参照（適宜図２、図５、図８も参照）しながら説明する。

本実施形態では、まず図９に示すように、丸棒鋼Ｓの円周方向および軸方向に対して超音波探触子１０を相対的に走査しながら、超音波ビームの送受信を行う。具体的には、回転駆動装置２０によって回転速度Ｖ_φ（ｄｅｇ／ｓ）で丸棒鋼Ｓを回転させることにより円周方向の走査を行うとともに、図示しない駆動装置によって超音波探触子１０を丸棒鋼Ｓの軸方向に速度Ｖ_Ｌ（ｍｍ／ｓ）で動かすことにより軸方向の走査を行う。なお、この際の丸棒鋼Ｓに対する超音波探触子１０の相対的な動きとしては、図９に示すように、丸棒鋼Ｓの表面に対してらせん状の動きとなる。

このとき、超音波ビームが伝搬する領域の断面図は、前記したように、図２に示したものとなり、超音波探触子１０から送信された超音波ビームは、当該超音波探触子１０に対して、１．６Ｘ_０以上遠方においては、角度φ_０で拡散する。また、丸棒鋼Ｓの外部（超音波伝搬媒質内）における超音波ビームの拡散角度φ_０は、前記したように、上記式（１２）のように示すことができる。なお、以下においても、丸棒鋼Ｓの表面が、超音波探触子１０に対して１．６Ｘ_０以上遠方である（図２参照）ことを前提に説明する。

ここで、上記式（１２）において、丸棒鋼Ｓの径方向を基準とした超音波探触子１０の幅（以下、「径方向の幅」という）と、丸棒鋼Ｓの軸方向を基準とした超音波探触子１０の幅（以下、「軸方向の幅」という）とが異なる場合、丸棒鋼Ｓ（超音波伝搬媒質内）の外部における超音波ビームの拡散の仕方も異なる。

すなわち、超音波探触子１０における径方向の幅をＤ_ａとした場合、丸棒鋼Ｓの径方向（図１のｘｙ平面）を基準とした超音波ビームの拡散角度φ_０ａは、下記式（２６）のように示すことができる。また、超音波探触子１０における軸方向の幅をＤ_ｂとした場合、丸棒鋼Ｓの軸方向（図１のｙｚ平面）を基準とした超音波ビームの拡散角度φ_０ｂは、下記式（２７）のように示すことができる。

また、超音波ビームの屈折を考慮したとき、丸棒鋼Ｓの内部において、１回の送受信で超音波ビームが伝搬する領域は、図１０および図１１に示すものとなる。すなわち、丸棒鋼Ｓの径方向（図１のｘｙ平面）を基準とした超音波ビームの拡散角度φ_１ａは、下記式（２８）のように示すことができる。また、丸棒鋼Ｓの軸方向（図１のｙｚ平面）を基準とした超音波ビームの拡散角度φ_１ｂは、下記式（２９）のように示すことができる。

なお、図１０は、丸棒鋼Ｓの径方向における断面を模式的に示しており、図中のＡ_１部は図４と同様である。また、図１１は、丸棒鋼Ｓの軸方向における断面を模式的に示している。

このとき、超音波ビームの屈折の影響を考慮すると、丸棒鋼Ｓの内部で超音波ビームが伝搬する領域は、前記した図５における点Ｐ_０を起点に角度φ_１で拡がる。また、同図に示すように、丸棒鋼Ｓに入射する超音波ビームの幅は上記式（１４）のように示すことができる。そして、上記式（１４）は、上記式（１７）へと式変形することができる。

ここで、上記式（１４）〜上記式（１６）において、拡散角度φ_０，φ_１は、丸棒鋼Ｓの径方向と軸方向とでそれぞれ異なる。しかしながら、上記式（１７）においてこの違いはキャンセルされているため、点Ｐ_０および距離Ｘは、丸棒鋼Ｓを径方向と軸方向のどちらの断面で見ても同じとなる。

本実施形態では、以上を考慮した上で開口合成処理を行う。まず、図８の矢印Ｂに示すように、超音波探触子１０を丸棒鋼Ｓの円周方向に相対的に走査すると同時に、図１２の矢印Ｃに示すように、超音波探触子１０を丸棒鋼Ｓの軸方向に相対的に走査し、当該超音波探触子１０によって超音波ビームを送受信する。これにより、丸棒鋼Ｓの円周方向における全周分、および丸棒鋼Ｓの軸方向における全長分の受信波形を記録する（記録ステップ）。そして、１回の開口合成処理ごとに、前記記録した波形から開口合成処理に用いる波形を選択し、伝搬時間に基づいた位相整合を取った上で、丸棒鋼Ｓの全周分および全長分の波形を合成する（開口合成処理ステップ）。

本実施形態において、丸棒鋼Ｓの円周方向における開口合成処理では、開口合成によって焦点を形成する領域（図８の符号Ａ_２参照）に超音波ビームが伝搬しているような配置での受信波形のみを用いる。すなわち、前記した記録ステップで記録した受信波形の中から、上記式（２１）を満たすような円周方向範囲θ_１の受信波形を用いて開口合成処理を行う。

より具体的には、図８に示すように、基準位置（同図のハッチング参照）から±θ_１の範囲内の受信波形を選択して開口合成することにより、中心点Ｐ_Ｃから点Ｐ_２に至る各点の受信波形を取得する。そして、このような処理を、基準位置を変えながら丸棒鋼Ｓの全周について行うことにより、丸棒鋼Ｓの径方向の断面全体の受信波形を取得する。なお、図８において、超音波探触子１０は実際には丸棒鋼Ｓの軸方向にも同時に移動するが、軸方向には射影してみているものとする。

また、本実施形態において、丸棒鋼Ｓの軸方向における開口合成処理では、開口合成によって焦点を形成する領域（図１２および図１３の符号Ａ_３参照）に超音波ビームが伝搬しているような配置での受信波形のみを用いる。すなわち、前記した記録ステップで記録した受信波形の中から、下記式（３０）を満たすような軸方向範囲Ｌ_２の受信波形を用いて開口合成を行う。

より具体的には、図１２および図１３に示すように、基準位置（図１２のハッチング参照）を中心とした軸方向範囲Ｌ_２の範囲内の受信波形を選択して開口合成することにより、中心点Ｐ_Ｃから点Ｐ_２に至る各点の受信波形を取得する。そして、このような処理を、基準位置を変えながら丸棒鋼Ｓの全長について行うことにより、丸棒鋼Ｓの軸方向の断面全体の受信波形を取得する。なお、図１３において、超音波探触子１０は実際には丸棒鋼Ｓの円周方向にも同時に移動するが、円周方向には円筒状に射影してみているものとする。

ただし、

また、ここでは中心点Ｐ_Ｃに対する開口合成のみを考慮したが、図１３等から明らかなように、中心点Ｐ_Ｃで超音波ビームが届いていれば、中心点Ｐ_Ｃから点Ｐ_２に至る各点で超音波ビームが届く。

以上を踏まえて、本実施形態では、前記した記録ステップで記録した受信波形の中から、上記式（２１）および上記式（３０）を満たすような円周方向範囲θ_１および軸方向範囲Ｌ_２の受信波形を用いて開口合成処理を行う。そして、その際に、開口合成により形成される超音波ビームの集束係数Ｊが上記式（２５）を満たすように、開口合成処理を行う。

本実施形態に係る超音波探傷方法によれば、超音波探触子１０を丸棒鋼Ｓに対して相対的に走査しながら受信波形を記録し、所定の走査範囲における受信波形を開口合成処理によって合成するため、少数の超音波探触子１０によって等価的に集束ビームを形成できるようになり、検出能および分解能が向上する。また、丸棒鋼Ｓの円周方向および軸方向に集束ビームを形成するようにしたため、圧延により延伸された欠陥の検出を効果的に行うことが可能となる。

以下、本発明による具体的な実施例における効果を、従来の方法と比較しながら説明する。ここで、本発明と対比される従来方法１は、図１４に示すように、開口合成処理を行うことなく、超音波探触子１０によって丸棒鋼Ｓの探傷を行う超音波探傷方法である。また、従来方法２は、図１５に示すように、アレイ探触子１１０による開口合成処理により丸棒鋼Ｓの探傷を行う超音波探傷方法である。

まず、本発明の第１実施形態と同様に、丸棒鋼Ｓの円周方向のみの探傷を行った場合について説明する。本発明、従来方法１および従来方法２に共通する条件を表１に示し、それ以外の条件を表２に示す。なお、表２の「開口合成」欄において、「±１０°」とは円周方向範囲θ_１＝±１０°で開口合成を行うことを、「なし」とは開口合成を行わないことを、「１６ｃｈ」とは１６個の素子からなるアレイ探触子１１０によって開口合成を行うことを示している。

ここで、本発明は、以下に示すように、上記式（２１）および上記式（２５）をそれぞれ満たしている。

一方、従来方法１および従来方法２は、円周方向範囲θ_１で開口合成を行っていないため、上記式（２１）および上記式（２５）をともに満たさない。

そのため、図１６および図１７に示すように、本発明における点Ｐ_２の位置のおけるビーム幅Ｗ_Ｂ１は、従来方法１のビーム幅Ｗ_Ｂ２および従来方法２のビーム幅Ｗ_Ｂ３よりも小さくなる。ここで、超音波探傷の際の分解能および検出能は、超音波ビームのビーム幅と反比例する。従って、ビーム幅Ｗ_Ｂ１が最も小さい本発明は、集束の効果により、従来方法１，２よりも分解能および検出能が高くなる。なお、図１６において、中心点Ｐｃから点Ｐ_２までの間に示したハッチングは、各探触子による測定範囲を示している。

続いて、本発明の第２実施形態と同様に、丸棒鋼Ｓの円周方向および軸方向の探傷を行った場合について説明する。本発明、従来方法１および従来方法２に共通する条件を表１に示し、それ以外の条件を表３に示す。なお、表３の「開口合成」欄において、「円周方向±１０° 軸方向５．６ｍｍ」とは、円周方向範囲θ_１＝±１０°かつ軸方向範囲Ｌ_２で開口合成を行うことを示している。

ここで、本発明は、以下に示すように、上記式（２５）および上記式（３０）をそれぞれ満たしている。

一方、従来方法１および従来方法２は、円周方向範囲θ_１および軸方向範囲Ｌ_２で開口合成を行っていないため、上記式（２５）および上記式（３０）をともに満たさない。

そのため、図１６および図１７に示すように、本発明における点Ｐ_２の位置のおけるビーム幅Ｗ_Ｂ１は、従来方法１のビーム幅Ｗ_Ｂ２および従来方法２のビーム幅Ｗ_Ｂ３よりも小さくなる。従って、ビーム幅Ｗ_Ｂ１が最も小さい本発明は、集束の効果により、従来方法１，２よりも分解能および検出能が高くなる。

以上、本発明に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

例えば第１実施形態および第２実施形態に係る超音波探傷方法では、超音波探触子１０に対して丸棒鋼Ｓを回転（丸棒鋼Ｓを自転）させることにより、丸棒鋼Ｓの円周方向を走査していたが、それとは反対に、丸棒鋼Ｓに対して超音波探触子１０を回転（超音波探触子１０が丸棒鋼Ｓの周囲を公転）させることにより丸棒鋼Ｓの円周方向を走査しても構わない。

また、第２実施形態に係る超音波探傷方法では、丸棒鋼Ｓに対して超音波探触子１０を軸方向に移動させることにより、丸棒鋼Ｓの軸方向を走査していたが、それとは反対に、超音波探触子１０に対して丸棒鋼Ｓを軸方向に移動させることにより、丸棒鋼Ｓの軸方向を走査しても構わない。

１ 超音波探傷装置
１０ 非集束超音波探触子（超音波探触子）
２０ 回転駆動装置
３０ 媒質槽
４０ 情報処理装置
５０ 表示装置
１１０ アレイ探触子
Ｓ 丸棒鋼

Claims (4)

1. 超音波探傷により丸棒鋼の内部の欠陥を検出する超音波探傷方法であって、
   非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分の受信波形を記録する記録ステップと、
   前記丸棒鋼の直径をＬ_Ｄ、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１、前記丸棒鋼の表面から前記非集束超音波探触子までの距離をＬ_ｗ、前記丸棒鋼の外部における前記超音波ビームの音速をＶ_０、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの音速をＶ_１、とした場合において、前記記録ステップで記録した受信波形の中から、下記式（１）を満たすような円周方向範囲θ_１の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが下記式（３）を満たすように、開口合成処理を行う開口合成処理ステップと、
   を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
   

   

   ただし、
   

   

   
2. 前記記録ステップは、前記非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向および軸方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分、および前記丸棒鋼の軸方向における全長分の受信波形を記録し、
   前記開口合成処理ステップは、前記丸棒鋼の内部の軸方向における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１ｂ、とした場合において、前記記録ステップで記録した受信波形の中から、前記式（１）を満たすような円周方向範囲θ_１、かつ下記式（４）を満たすような軸方向範囲Ｌ_２の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが前記式（３）を満たすように、開口合成処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
   

   

   ただし、
   

   
3. 超音波探傷により丸棒鋼の内部の欠陥を検出する超音波探傷装置であって、
   非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分の受信波形を記録し、
   前記丸棒鋼の直径をＬ_Ｄ、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１、前記丸棒鋼の表面から前記非集束超音波探触子までの距離をＬ_ｗ、前記丸棒鋼の外部における前記超音波ビームの音速をＶ_０、前記丸棒鋼の内部における前記超音波ビームの音速をＶ_１、とした場合において、前記記録した受信波形の中から、下記式（６）を満たすような円周方向範囲θ_１の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが下記式（８）を満たすように、開口合成処理を行うことを特徴とする超音波探傷装置。
   

   

   ただし、
   

   

   
4. 前記非集束超音波探触子を前記丸棒鋼の円周方向および軸方向に相対的に走査しながら、前記非集束超音波探触子によって超音波ビームを送受信し、前記丸棒鋼の円周方向における全周分、および前記丸棒鋼の軸方向における全長分の受信波形を記録し、
   前記丸棒鋼の内部の軸方向における前記超音波ビームの拡散角度をφ_１ｂ、とした場合において、前記記録した受信波形の中から、前記式（６）を満たすような円周方向範囲θ_１、かつ下記式（９）を満たすような軸方向範囲Ｌ_２の受信波形を用いるとともに、開口合成により形成される前記超音波ビームの集束係数Ｊが前記式（８）を満たすように、開口合成処理を行うことを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷装置。
   

   

   ただし、
   

   

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