JP2001050941A

JP2001050941A - 可変角超音波探触子及び可変角超音波探傷装置

Info

Publication number: JP2001050941A
Application number: JP11229455A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Hashimoto; 達也橋本; Yukimichi Iizuka; 幸理飯塚; Yasuhiro Matsufuji; 泰大松藤
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】屈折角を変えることができ、かつ、屈折角を
変更しても超音波ビーム幅を所定の幅にすることができ
る安価な探触子を提供する。【解決手段】移動楔３は、半円形楔楔２に密着してお
り、半円形楔２の円周面に沿って移動できるようになっ
ている。振動子群４は、移動楔３上に長方形の振動子を
一列に密着配置したものであり、振動子選択スイッチ６
と各々の振動子が配線５で結ばれている。そして、各々
の振動子を独立して励振できるようになっている。移動
楔３の位置を変えることにより屈折角を換え、励振する
振動子の数を変えることにより振動子幅を変えることが
できる。遅延回路等を有しないので、リニアアレイ型探
触子に比して安価である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接鋼管の溶接部
などの超音波探傷試験に用いられる可変角探触子及び超
音波探傷装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶接鋼管の溶接部の超音波探傷試
験には斜角探傷法が用いられている。この斜角探傷法に
おいては、たとえば屈折角45°、60°、70°といった所
定の斜角探触子を用いて、所定の位置から探傷を行って
いる。しかし、探傷するための超音波の屈折角は、常に
一定ではなく、鋼管の曲率に依存して変える必要がある
ため、鋼管製造工程中のオンライン探傷では、製品が変
わるたびに探触子の交換作業、即ち、所定の屈折角の探
触子を取り付ける作業が発生している。この不便さをな
くすために、可変角探触子、及びリニアアレイ型探触子
が開発された。

【０００３】可変角探触子は、図５に示すように、半円
形楔２１上を移動可能な回転楔２２に振動子２３が密着
固定されたものである。半円形楔２１の平面側を被検査
体２４の表面に密着させ、振動子２３から超音波を発信
する。この超音波は、回転楔２２を介して半円形楔２１
に入射するが、回転楔２２と半円形楔２１の材質が同じ
であるため、両者の界面で反射や屈折が起こらず、超音
波は直進し、被検査体２４に入射する。

【０００４】この探触子においては、回転楔２２を半円
形楔２１の周りに回動させることによって、振動子２３
から発信された超音波が被検査体２４に入射する角度を
変えることができ、これにより被検査体２４での屈折角
を変えることができる。従って、製品の種類に応じて探
触子を換える必要が無く、単に回転楔２２と半円形楔２
１の相対位置関係を調整すればよい。

【０００５】しかしながら、この可変角探触子は一つの
探触子により任意の屈折角の探傷ができるものの、振動
子が１枚で構成されているため、図６に示すごとく、入
射角と屈折角が変化すると見かけの振動子幅が変わると
いう問題点を有する。すなわち、回転楔２２と半円形楔
２１中の超音波のビーム２５の幅は一定であるが、図６
（ａ）のように入射角が小さい場合には、被検査体２４
中での超音波ビーム２６ａの幅は大きく、入射角が大き
くなるに従って、図６（ｂ）のように、被検査体２４中
での超音波ビーム２６ｂの幅は小さくなる。よって、見
かけの振動子２３’の幅は、実際の振動子２３の幅に対
して小さくなってしまう。

【０００６】見かけの振動子幅が変わると、探傷領域や
探傷感度が変化してしまう。よって、この方式の可変角
探触子は、製造工程中において製品の品質を保証するた
めのオンライン探傷器には使用することができず、その
応用範囲は、欠陥を検出するための最適な屈折角の当た
りをつける手動探傷で用いられる程度にとどまってい
る。

【０００７】このような問題点を解消する装置として、
リニアアレイ探触子が発明された。それは図７に示すよ
うな構成の探触子である。この探触子において、振動子
３１は複数に分割されてダンパー材３２中に一列に並ん
でいる。そして、これらの振動子３１は、独立に励振さ
せることができるようになっているので、送受信パルス
遅延回路３３により、これらの振動子３１のそれぞれ
を、順に遅延時間をもたせて励振させ、超音波を送信す
ると、音響結合材３４中での各振動子３１からの超音波
の合成波形は３５のような平面波となり、矢印３６で示
す方向に進行する。この平面波は、音響結合材３４と被
検査体３７との間で屈折し、被検査体３７中では矢印３
８の方向に進む。送受信パルス遅延回路３３で遅延させ
る各振動子間の遅延時間を変えることにより、任意の方
向に超音波を送信できる。

【０００８】超音波の受信に際しても、送受信パルス遅
延回路３３により、各振動子３１から受信する時間体
（ゲート）を順次ずらすことにより、特定方向からの超
音波のみを受信することができ、かつ、ずらす時間を変
更することにより、受信角度を変えることができる。

【０００９】このリニアアレイ探触子においては、振動
させたり受信に使用したりする振動子３１の数を変える
ことができるので、それに応じて超音波ビームを絞るこ
とも拡げることも可能である。このリニアアレイ探触子
で溶接鋼管の溶接部を探傷すると、ビーム幅も任意に変
えることができ、屈折角も任意に変えることができるの
で、鋼管の曲率が変わっても探触子を変えることなく任
意の感度で探傷できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このリ
ニアアレイ探触子で任意の方向に超音波を送受信するに
は、振動子の数だけ、超音波を発生させるパルサーとプ
リアンブ及び遅延回路が必要となり、複雑な装置構成に
なってしまう。そのため装置コストも高くなり、溶接鋼
管のオンライン探傷では、いまだ標準的な探触子として
用いられるに至っていない。

【００１１】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
てもので、溶接鋼管の溶接部を超音波探傷する際に、鋼
管の曲率が変わっても探触子を交換することなく屈折角
を変えることができ、かつ、入射角、即ち屈折角を変更
しても超音波ビーム幅を所定の幅にすることができる探
触子を安価に提供することと、探触子の種類や位置を変
えずに、溶接部位を感度差なく全面探傷できる超音波探
傷装置を安価に提供することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、超音波放出面（超音波受信面）と振動
子のなす角度を変化させることにより、超音波放出面か
ら放出される超音波の角度又は超音波受信面で受信され
る超音波の角度を可変とした可変角超音波探触子であっ
て、振動子が複数の単位振動子に分割されており、作動
させる振動子の数が可変とされ、作動させる振動子の数
によって、送信又は受信される超音波のビーム幅を変え
ることが可能なことを特徴とする可変角超音波探触子
（請求項１）である。

【００１３】本手段においては、振動子が複数の単位振
動子に分割されており、作動させる振動子の数が可変と
されているので、作動させる振動子の数によって、送信
又は受信される超音波のビーム幅を変えることができ
る。また、超音波放出面（超音波受信面）と振動子のな
す角度を変化させることにより、超音波が放出されたり
受信されたりする方向を変えることができる。よって、
本手段においては、任意の屈折角で、任意の幅の超音波
を送受信することができるが、リニアアレイ型探触子の
ように遅延回路を必要としないので、安価な探触子とす
ることができる。なお、超音波放出面（超音波受信面）
と振動子のなす角度を変化させるのは、電動で行うよう
にすることが好ましい。

【００１４】前記課題を解決するための第２の手段は、
被検査体に超音波を送受信できる超音波探傷装置であっ
て、前記第１の手段である可変角超音波探触子と、当該
超音波探触子の、超音波放出面（超音波受信面）と振動
子のなす角度を変化させる第１の制御装置と、作動させ
る振動子を決定する第２の制御装置とを有することを特
徴とする超音波探傷装置（請求項２）である。

【００１５】本手段においては、要求される探傷角度と
ビーム幅に応じて、第１の制御手段により超音波放出面
（超音波受信面）と振動子のなす角度を変化させ、第２
の制御手段により、作動させる振動子を決定してビーム
幅を変化させることができる。よって、１種類の探触子
で、探傷感度を変えることなく、種々の被検査体の検査
を行なうことができ、かつ、探触子とその制御回路が安
価なので、装置全体として、構成が簡単で安価なものと
することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の１例で
ある可変角超音波探触子の概要を示す図である。図１に
おいて、１は被検査体、２は可変角探触子の半円形楔、
３は移動楔、４は振動子群、５は配線、６は振動子選択
スイッチ、７は超音波探傷装置、８は半円形楔中の超音
波ビーム、９は被検査体中の超音波ビーム（屈折波）で
ある。

【００１７】移動楔３は、半円形楔楔２に密着してお
り、半円形楔２の円周面に沿って移動できるようになっ
ている。半円形楔２と移動楔３は同じ材料でできている
ので、音響インピーダンスは同じであり、両者の境界に
おいて超音波の反射や屈折は発生しない。振動子群４
は、移動楔３上に長方形の振動子を一列に密着配置した
ものであり、振動子選択スイッチ６と各々の振動子が配
線５で結ばれている。そして、各々の振動子を独立して
励振できるようになっている。

【００１８】振動子選択スイッチ６は、超音波探傷装置
７のパルサーレシーバーと振動子群４とを電気的に短絡
したり、絶縁することができる振動子選択スイッチであ
り、振動子群４の個々の振動子に対して短絡及び絶縁の
設定が可能なものである。

【００１９】次に、本探触子の使い方を具体的例を用い
て説明する。被検査体１を鋼（横波音速3250m/s）と
し、可変角探触子の楔材２、３にはアクリル（音速2730
m/s）を用いた場合に、探傷周波数５Mhzで、探傷ビーム
の拡がり角φ_-6が４度、屈折角60度〜70度の探傷を行う
とする。但し、拡がり角φ_-6は、送受信した超音波ビー
ムのエネルギーが、最大の値から６dB低い値になる角度
とする。

【００２０】被検査体中での超音波の屈折角θ_r、楔材
２、３と被検査体１の音速から、探傷で必要とする入射
角θ_iは、スネルの法則を用いて計算される。すなわち θ_r = sin^-1（2730・sinθ_r/3250） …（１）これより、屈折角60度〜70度に対応する入射角の可変範
囲は46.6°〜52.1°である。

【００２１】拡がり角は、回折理論から振動子の大きさ
と、探傷波長を用いて（２）式により計算できる。 φ_-6 = sin^-1(0.443・λ/A’) …（２）ただし、λは探傷波長、Ａ’は屈折した後の見かけの振
動子の大きさである。すなわち、探触子から発するビー
ム幅は、屈折する際にビームが小さくなる割合、縮小率
Ｆで除して求める必要がある。（２）式にφ_-6＝４°、
λ＝0.65mmを代入して、Ａ’＝4.0mmとなる。縮小率Ｆ
は、入射角と屈折角の値から幾何学的に求まり、スネル
の法則を用いて、屈折角と音速のみであらわすと、
（３）式のようになる。 F = cosθ_r/{1 - (2730/3250)²・sin²θ_r}^1/2 …（３）本実施の形態においては、屈折率θ_rと縮小率Ｆの関係
は図２に示すようなものとなる。図より、屈折角60度の
場合は、Ｆ＝0.72であり、屈折角70度の場合は、Ｆ＝0.
56である。よって、それぞれの場合の探触子のビーム幅
は、5.6mmおよび、7.1mmになるように、振動子選択スイ
ッチを設定してやればよい。その他の角度についても、
同様の手順で設定することにより、常に同じビーム幅こ
こでは、屈折角が60度〜70度までの探傷を例にとったの
で、屈折角に依存する超音波の伝播効率を無視したが、
実際は、アクリルと鋼の間には、図３に示すような屈折
角に依存した往復透過率の関係があり、大きな角度範囲
を探傷する場合には、ビーム幅だけでなく、往復透過率
も考慮する必要がある。

【００２２】図４は、本発明の実施の形態の１例である
超音波探傷装置を示す概要図である。図４において、１
は被検査体、９ａ、９ｂは被検査体中の超音波ビーム、
１０は溶接部、１１は本発明の実施の形態の１例である
可変角探触子、１２は演算部、１３はパルサーレシーバ
ー、１４は振動子数選択回路、１５は入射角制御回路、
１６は入力部、１７は出力部であり、１１〜１７により
超音波探傷装置が構成されている。

【００２３】入力部１６から、溶接鋼管の肉厚、外径及
び、探触子の設置位置、探傷位置、探傷スキップ数、探
傷ビーム幅、屈折角の可変ピッチ等の探傷条件が入力さ
れると、演算部１２は、肉厚、外径から溶接鋼管の幾何
学的形状を計算し、さらに、探傷位置と探傷スキップ数
から探傷に必要な屈折角の可変範囲を算出する。そし
て、その屈折角の可変範囲を満たす入射角の値を、探傷
毎に前記の実施の形態で示したように算出し、入射角制
御装置１５にその値を送る。また、その際、入射角と屈
折角の関係を利用して、探傷毎に探傷条件を満たすため
の作動振動子の数を前記の実施の形態で示したように計
算し、振動子数選択装置１４に送る。

【００２４】演算部１２は、上に述べたように探傷に必
要な入射角及び、その時の作動振動子の数を計算するの
に同期して、パルサーレシーバー１３に探傷開始のトリ
ガー信号を送る。パルサーレシーバー１３は、超音波を
送受信するための周知の装置である。

【００２５】振動子数選択装置１４は、演算部１２から
作動振動子数の算出値をもらうと、直ちに可変角探触子
１１で作動する振動子をパルサーレシーバ１３と短絡す
る。また、入射角制御装置１５もほぼ同じタイミング
で、演算部１２から送られた入射角に可変角探触子１１
の入射角を設定する。

【００２６】また、演算部１２は、パルサーレシーバー
１３から得られた探傷波形から、伝播時間を利用して、
探傷部位に相当する場所のエコー高さを抽出し、送信の
際に設定した、屈折角、入射角、ビーム路程から往復透
過率の補正、距離補正等の感度補正を行って欠陥に相当
するレベルかどうか判断し、出力部１７に結果を送る。

【００２７】演算部１１は、このような動作を、一定間
隔で行いながら、入力部９により入力された探傷範囲を
満たすように屈折角の可変ピッチにて、屈折角を変動さ
せて探傷を行う。このような動作により、図４に示すよ
うに、超音波ビーム９ａで内面側の溶接部を、超音波ビ
ーム９ｂで外面側の溶接部を、同一の可変角探触子１１
で測定することができ、その場合の、見かけ上の探触子
幅を同一にすることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明によれば、任意の屈折角で、任意の幅の
超音波を送受信することができるが、リニアアレイ型探
触子のように遅延回路を必要としないので、安価な探触
子とすることができる。

【００２９】請求項２に係る発明によれば、１種類の探
触子で、探傷感度を変えることなく、種々の被検査体の
検査を行なうことができ、かつ、探触子とその制御回路
が安価なので、装置全体として、構成が簡単で安価なも
のとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例である可変角超音波
探触子の概要を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態における屈折率θ_rと縮小
率Ｆの関係を示す図である。

【図３】アクリルと鋼の間における、屈折角と往復透過
率の関係を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態の１例である超音波探傷装
置を示す概要図である。

【図５】従来の可変角探触子の例を示す図である。

【図６】従来の可変角探触子において、入射角と屈折角
が変化した場合の、みかけの振動子幅の変化を示す図で
ある。

【図７】従来のリニアアレイ探触子と、それによる探傷
方法を示す図である。

【符号の説明】

１…被検査体２…可変角探触子の半円形楔３…移動楔４…振動子群５…配線６…振動子選択スイッチ７…超音波探傷装置８…半円形楔中の超音波ビーム９、９ａ、９ｂ…被検査体中の超音波ビーム（屈折波）１０…溶接部１１…可変角探触子１２…演算部１３…パルサーレシーバー１４…振動子数選択回路１５…入射角制御回路１６…入力部１７…出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松藤泰大東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 2G047 AB01 AB07 BB02 BC07 EA14 EA16 GB02 GB17 GF15 GG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波放出面（超音波受信面）と振動子
のなす角度を変化させることにより、超音波放出面から
放出される超音波の角度又は超音波受信面で受信される
超音波の角度を可変とした可変角超音波探触子であっ
て、振動子が複数の単位振動子に分割されており、作動
させる振動子の数が可変とされ、作動させる振動子の数
によって、送信又は受信される超音波のビーム幅を変え
ることが可能なことを特徴とする可変角超音波探触子。
【請求項２】被検査体に超音波を送受信できる超音波
探傷装置であって、請求項１に記載の可変角超音波探触
子と、当該超音波探触子の、超音波放出面（超音波受信
面）と振動子のなす角度を変化させる第１の制御装置
と、作動させる振動子を決定する第２の制御装置とを有
することを特徴とする超音波探傷装置。