JP2009150679A - 電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 直径が15〜100mmの丸棒鋼製品における、幅0.5μm程度以上の圧着状疵を含む、空隙タイプの表面疵の精度のよい検出ができる装置及びその方法を提供する。
【解決手段】 丸棒鋼に対向し、丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に複数の励起素子が整列し、探触子面と丸棒鋼の表面とが所定の水距離を有するように配置された少なくとも１つのアレイ探触子ユニットと、アレイ探触子ユニットの複数の励起素子のうち所定の範囲の相隣りあう複数の励起素子を選択して同時制御エレメント群を構成し、該同時制御エレメント群内の励起素子を同時に制御して所定の周波数の超音波ビームを生成し、該超音波ビームを丸棒鋼の内部へ所定の屈折角で入射させ丸棒鋼内の表面欠陥を検出する制御を行う制御部とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、丸棒鋼の表面欠陥（表面疵）のオンライン検査の装置および方法に関し、特に、電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価の装置および方法に関するものである。

特殊鋼からなる丸棒鋼は、鋼片が圧延されることで得られる。通常は、タンデムに並べられた粗列圧延機、中間列圧延機及び仕上列圧延機による多段圧延が施される。この圧延によって鋼片は徐々に細径化し且つ長尺化して、丸棒鋼が得られる。ユーザーの要求によっては、圧延によって得られた丸棒鋼に、さらに、熱処理、ピーリング加工などを施して丸棒鋼（成品）とする。

このように製造される丸棒鋼には表面疵が存在することがある。鋼片の疵に起因した表面疵の場合もあれば、圧延やそれより後の工程で発生する表面疵の場合もあるが、表面疵の形状・大きさによっては、丸棒鋼の品質を損なう。そこで丸棒鋼の用途にあわせた表面疵の検査を行い、高品質の丸棒鋼のみを出荷する必要がある。表面疵の検査方法には、超音波探傷法、漏洩磁束探傷法、渦流探傷法、磁粉探傷法などがあり、被検材の物性・寸法、自動探傷性、検出対象欠陥の種類・寸法などを考慮して、実際に採用する方法を決定する必要がある。

年々高度化する表面疵に関する品質要求に対応して、表面疵のうちでも疵幅0.5μm程度の圧着状疵の検出の必要性が高まっている。圧着状疵は、疵幅でいうと決して「大きな欠陥」でなく、むしろ「微小欠陥」に近いものではあるが、検査工程でケアしなくてはならない欠陥でもある。

しかしながら、圧着状疵は、漏洩磁束探傷法で普通にオンラインでの表面疵の検出ができる条件であっても「検出ができないもの」となる。表面疵の一種であることに違いはないが、十分に狭幅の欠陥であるために、漏洩磁束探傷では検出することは困難である。

渦流探傷法でも、圧着状疵を検出することはできない。磁粉探傷法は、きず検出能は高いが、官能検査であり、目視判定に頼るところが大きいため、きず評価が安定せず、作業性も低い。また、強磁性体の試験方法であり、非磁性の材料は検査できない。

一方、超音波探傷法については、特に電子走査式アレイ探触子を用いる超音波探傷法において、超音波ビームを制御できることから、装置構成および方法の観点から、きず検出能の向上の検討が可能と考えた。

従来のアレイ探触子を用いる超音波探傷による表面欠陥検出方法には、鋼板端部、端部近傍の欠陥を検出する超音波探傷方法がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の方法によれば、探触子から超音波を鋼板表面に入射する際、底面で反射した超音波が、鋼板端部を探傷するように、好ましくはアレイ探触子の複数の探触子列を用いて、鋼板表面に超音波を入射する際の屈折角を37〜65°として探傷する。

また、従来のフェーズドアレイ超音波探傷装置では、公称周波数1〜20MHzでの超音波探傷機器の動作が推奨されている（例えば、非特許文献１参照）。
特開2005-201800号公報 ASTM E2491-06

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、図をみる限り、水膜を設けるタイプの直接接触法であり、自動探傷性・作業性が不十分である。探触子面の摩耗の問題も発生する。エレメントが直線的に配列されたフラットな形状のアレイ探触子を用いており、丸棒探傷には適さない。一回反射法なので、鋼板底面(第１反射点)の形状・表面粗度の影響を受けて、表面欠陥の評価精度が低下する。

また、最小で0.5μmの疵幅の表面疵の検出を得るという目的においては、鋼中横波が使用できればよく、屈折角を37〜65°に限定する必要はない。また、非特許文献１に記載の評価方法では、最小で0.5μmの疵幅の表面疵の検出を得ること、例えば、直径10〜100mmの丸棒鋼材(特に太丸側)の探傷を行うこと、の両立の観点からは、探傷周波数を限定する必要がある。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、丸棒鋼製品における幅0.5μm程度以上の圧着状疵を含む空隙タイプの表面疵(焼き割れ・変態割れの表面欠陥)の検出評価にターゲットをおいた、電子走査式のフェーズドアレイ探触子を用いたオンライン精密超音波探傷法を提供することである。

本発明の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置は、丸棒鋼に対向し、丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に複数の励起素子が整列し、探触子面と丸棒鋼の表面とが所定の水距離を有するように配置された少なくとも１つのアレイ探触子ユニットと、アレイ探触子ユニットの複数の励起素子のうち所定の範囲の相隣りあう複数の励起素子を選択して同時制御エレメント群を構成し、該同時制御エレメント群内の励起素子を同時に制御して所定の周波数の超音波ビームを生成し、該超音波ビームを丸棒鋼の内部へ所定の屈折角で入射させ丸棒鋼内の表面欠陥を検出する制御を行う制御部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法は、丸棒鋼に対向し、丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に複数の励起素子が整列し、探触子面と丸棒鋼の表面とが所定の水距離を有するように配置された少なくとも１つのアレイ探触子ユニットの複数の励起素子のうち所定の範囲の相隣りあう複数の励起素子を選択して同時制御エレメント群を構成し、同時制御エレメント群内の励起素子を同時に制御して所定の周波数の超音波ビームを生成し、超音波ビームを丸棒鋼の内部へ所定の屈折角で入射させ丸棒鋼内の表面欠陥を検出することを特徴とする。

本発明の電子走査式アレイ探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法によれば、丸棒鋼製品における、幅0.5μm程度以上の圧着状疵を含む、空隙タイプの表面疵(焼き割れ・変態割れの表面欠陥)の精度のよい検出が可能となる。

以下、本発明の実施形態である電子走査式アレイ探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法について、図を参照して詳細に説明をする。

図１は、本実施形態の電子走査式アレイ探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置の構成を示す図である。図１（ｂ）は、本実施形態の電子走査式アレイ型探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置の正面図であり、図１（ａ）は、本実施形態の電子走査式アレイ型探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置を丸棒鋼のＴ断面で見た図である。

本実施形態の電子走査式アレイ型探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００（以下、単に、丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００ともいう）は、制御部１０と、２つのアレイ探触子ユニット２０−１、２０−２とから構成される。

制御部１０は、例えば、パーソナルコンピュータ等で構成される。

検査対象となる丸棒鋼Ａは、水槽３０の不図示の穴を通して搬送される。また、水槽３０内は水４０で満たされている。そして、水槽３０内の丸棒鋼Ａ全体が水４０に完全に浸ることにより、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００は、いわゆる水浸法による超音波探傷を行うことが可能である。なお、図面の簡略化のため、以後の図面においては水４０の記載を省略するが、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置においては、後述するアレイ探触子ユニット２０と丸棒鋼Ａとの間には水４０が存在し、水浸法による超音波探傷を行うものとする。

また、丸棒鋼材搬送(探傷)時の芯ずれを最小限にとどめるための最低限度の不図示の搬送用ガイドが付設されており、丸棒鋼Ａを図中のＢ方向へ搬送する。アレイ探触子ユニット２０−１、２０−２の動作は制御部１０で制御され、制御部１０は、アレイ探触子ユニット２０−１とアレイ探触子ユニット２０−２で検知された欠陥信号のすべてを総合して、丸棒鋼Ａ内の欠陥検出位置のマップなどを作成する。

また、アレイ探触子ユニット２０−１とアレイ探触子ユニット２０−２の丸棒鋼Ａに対向する面には、略円周面状の探触子面２０−１ａと２０−２ａが形成されている。図１（ａ）に示すように、アレイ探触子ユニット２０−１とアレイ探触子ユニット２０−２とを丸棒鋼Ａの上下に配置した場合には、アレイ探触子ユニット２０−１と２０−２との互いの略円周面状の探触子面２０−１ａと２０−２ａが組み合わさることにより、丸棒鋼Ａの中心軸を中心とした同心円状の探触子面を構成する。

このような構成により、アレイ探触子ユニット２０−１とアレイ探触子ユニット２０−２を丸棒鋼Ａの上下に配置した場合には、アレイ探触子ユニット２０−１とアレイ探触子ユニット２０−２の探触子面が丸棒鋼Ａの周囲の全方位（360°）をカバーすることが可能となる。

なお、アレイ探触子ユニットの数は２つに限られず、図２に示すように、多数のアレイ探触子ユニット２０−１〜２０−ｎを組み合わせることによって同心円状の探触子面を構成してもよい。

図３は、本実施形態のアレイ探触子ユニットの詳細な構成を示す図である。図３は、丸棒鋼ＡのＴ断面でみた図である。図に示すように、アレイ探触子ユニット２０の略円周面状の探触子面２０ａには、多数の励振素子（以下、単にエレメントともいう）２５が配置されている。例えば、励振素子２５は、探触子面２０ａに128エレメント配列されている。

ここで、多数の励振素子２５のうち、後述する超音波ビームの生成の際に同時制御される所定の範囲で整列した複数の励振素子２５の群を同時制御エレメント群２１と定義する。同時制御エレメント群２１は、例えば16,32,64といった個数の複数の励振素子２５の群により電子的にみかけ振動子がつくられたものである。

例えば、アレイ探触子ユニット２０の探触子面２０ａに励振素子２５が128エレメント配列されている場合には、左から1〜32番目の励振素子２５を同時制御する、左から2〜33番目の励振素子２５を同時制御する、・・・、左から97〜128番目の励振素子２５を制御する、といった具合に適宜選択して制御され、同時制御エレメント群２１を構成する。

本実施形態においては、同時制御エレメント群２１が生成する超音波ビームの探傷周波数を4〜20MHz、好ましくは5〜10MHzとする。これは、探傷周波数4MHz未満では幅0.5μmの圧着状疵を検出できないためである。また、直径50〜100mmの比較的太い丸棒鋼材の探傷の場合には、10MHzを超える探傷周波数で、鋼材中の超音波の減衰の影響が大きくなり、検出能が低下しはじめ、20MHzを超えると検出漏れがあるためである。

本実施形態においては、同時制御エレメント群２１の丸棒鋼Ａの探触子面２０ａの円周上方向の範囲の寸法(図中の円弧状の太い線Ｅの長さ)を8〜30mm、好ましくは10〜15mmとする。

これは、見かけの振動子径が小さいとき、すなわち、丸棒円周上方向の範囲での同時制御エレメント群２１の寸法が8mm未満のときには、超音波ビームのフォーカスが十分でなくなり、表面疵検出能が低下するためである。また、見かけの振動子径が大きいとき、すなわち、丸棒円周上方向の範囲での同時制御エレメント群２１の範囲の寸法が30mmを超えるときには、不感帯が大きくなり、特に細丸の棒鋼において、不感帯とゲートが干渉して、ノイズが大きくなるためである。なお、丸棒圧延方向に沿った方向の振動子寸法は10〜20mm(例えば15mm)程度であればよい。

図中のＡは、評価の対象となる丸棒鋼であり、その直径は15〜100mmである。図中のＣは、丸棒鋼Ａの表面付近に存在する表面疵である。

図中のＤは、同時制御エレメント群２１が生成する超音波ビームである。図に示すように超音波ビームＤの一部を丸棒鋼Ａの内部に入れて探傷する。

図中のｓは、超音波ビームＤの中心軸である。ｔは、超音波ビームＤの中心軸ｓでみた入射点での丸棒鋼Ａの表面に対する法線方向を示す。

図中のθａは、超音波ビームＤの中心軸ｓでみた入射点での丸棒鋼Ａの表面に対する入射角を示す。図中のθｂは、超音波ビームＤの中心軸ｓでみた入射点での丸棒鋼Ａの表面に対する横波屈折角を示す。本実施形態においては、横波屈折角θｂを30〜65°、好ましくは30〜45°とする。

これは、横波屈折角30から65°のときに、鋼中横波を有効に活用できるためである。また、縦波より横波の方が波長が短く、疵幅が極めて小さい疵や微小欠陥検出に向いている。特に屈折角30〜35°は、一般には縦波の影響を排除するとの観点から敬遠されるが、本発明者らの新たな知見によれば、疵幅0.5μmの表面疵の検出には、むしろ屈折角45°のときと、同等またはそれ以上であることが判明したためである。

図中のｌは、水距離であり、同時制御エレメント群２１の探触子面２０ａ表面と丸棒鋼Ａの表面との間の距離を示す。本実施形態においては、水距離ｌを15〜50mm、好ましくは19〜45mmとする。

これは、水距離ｌが15mm未満のときには、残響エコーが発生しやすいためである。鋼材の搬送状態をほぼ静止状態とできれば探傷できないことはないが、一般的な搬送速度(1〜2.5m/sec程度)での自動探傷性が著しく阻害される。

一方、水距離ｌが50mmを超えるときには、水中での超音波の減衰が大きくなり、表面疵検出能が低下するためである。特に疵幅0.5μmの表面疵では、検出もれが発生する。

図４は、本実施形態の同時制御エレメント群２１の作動状態を説明するための概念図である。同時制御エレメント群２１は、遅延回路２３と多数の励振素子２５ａ〜２５ｐとから構成される。

各励振素子２５ａ〜２５ｐは、制御部１０で制御される遅延回路２３に接続している。遅延回路２３からは、各励振素子２５ａ〜２５ｐに向けて励振パルス２２が発せられる。励振パルス２２を受信すると、各励振素子２５ａ〜２５ｐは超音波２４を発する。遅延回路２３により、励振パルス２２が発せられるタイミングが励振素子２５ごとに設定されうる。つまり同時制御エレメント群２１は、いわゆるアレイ探触子である。

図４の例では、励振素子２５ａ〜２５ｐは、同時に励振パルス２２を受信している。また同時に超音波２４を発している。そして、図４に示されるように、超音波２４の群（すなわち、超音波ビームＤ）は焦点Ｆ１で集束する。図４において矢印Ｕ１で示されているのは、超音波ビームＤの進行方向である。

図５にも、同時制御エレメント群２１が示されている。図５の例では、左端の励振素子２５ａが、最も遅く励振パルス２２を受信している。この左端の励振素子２５ａから離れた励振素子２５ほど、励振パルス２２を早く受信している。この左端の励振素子２５ａは、最も遅れて超音波２４を発している。この左端の励振素子２５から離れた励振素子２０ほど、超音波２４を早く発している。このタイミングのズレにより、図５に示されるように、超音波ビームＤは焦点Ｆ２で集束する。図５において矢印Ｕ２で示されているのは、超音波ビームＤの進行方向である。

図４及び図５の対比から明らかなように、超音波ビームＤの進行方向Ｕ２は、進行方向Ｕ１とは異なっている。同時制御エレメント群２１では、励振パルス２２の発信のタイミングの制御により、超音波ビームＤの進行方向を任意に設定することが可能であり、丸棒鋼Ａへの超音波ビームＤの入射角も任意に設定することが可能となる。

図６は、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置を用いた場合のＴ断面でみた垂直な表面疵（丸棒鋼の表面接線方向に対してはほぼ垂直に進展しており、丸棒鋼の圧延方向に長さをもっている疵、以下、単に、垂直疵とする）の探傷の模式図である。

図６（ａ）は、垂直疵Ｃ１の右側から超音波ビームを入射させる場合(屈折角θｂが32°の例)を示す図である。図６（ｂ）は、垂直疵Ｃ１の左側から超音波ビームを入射する場合(屈折角θｂが32°の例)を示す図である。図６（ｃ）は、垂直疵Ｃ１の右側から（ａ）の場合とは異なる屈折角で超音波ビームを入射する場合(屈折角θｂが42°の例)を示す図である。

同一の垂直疵Ｃ１に対し、図６（ａ）の場合と図６（ｂ）の場合とで、検出能は変わらないので、垂直疵Ｃ１の場合は、少なくとも垂直疵Ｃ１の左側・右側のどちらかから超音波が入射すれば、疵検出ができる。図6（ｃ）のように、入射角を変えた場合も同様である。

図７は、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置を用いた場合のＴ断面でみた斜めの表面疵（丸棒鋼の表面接線方向に対しては斜めに進展しており、丸棒鋼の圧延方向に長さをもっている疵、以下、単に、斜め疵とする）の探傷の模式図である。

図７（ａ）は、斜め疵Ｃ２の右側から超音波ビームを入射させる場合(屈折角θｂが32°の例)を示す図である。図７（ｂ）は、斜め疵Ｃ２の左側から超音波ビームを入射する場合(屈折角θｂが32°の例)を示す図である。図７（ｃ）は、斜め疵Ｃ２の右側から（ａ）の場合とは異なる屈折角で超音波ビームを入射する場合(屈折角θｂが42°の例)を示す図である。

また、図７は、斜め疵Ｃ２の向きが疵開口部での丸棒鋼Ａの表面に対する法線方向から25°傾いているときの事例を示す。

同一の斜め疵Ｃ２に対する検出能は、図７（ｂ）の場合より図７（ａ）、（ｃ）の場合の方が良好となる。特に図７（ｂ）の場合、斜め疵Ｃ２の検出もれが起こる場合があり、図７（ａ)のような超音波ビームＤの入射が不可欠となる。

実際には疵向きが法線方向に対して左側に傾いている鋼材も、右側に傾いている鋼材も探傷検査しなくてはならないが、図７（ａ）タイプの超音波ビームＤと図７（ｂ）タイプの超音波ビームＤを交互に、両者が干渉しないように発信することで、斜め疵Ｃ２の検出もれを防止できる。

本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法によれば、斜め疵の検出・非検出は、疵に対する超音波入射方向に左右されるが、屈折角に加え、疵の両側から超音波が入射できるようにすることにより、疵検出特性が疵の向きに影響されにくいようにすること可能としている。

本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法では、屈折角は固定しておいた方が探傷速度をあげやすいが、図７（ｃ）タイプのような第三の屈折角の超音波ビームも組み入れて探傷してもよい。表面疵検出精度を確保できる範囲で屈折角を変えるのは自由であり、例えば屈折角44°で疵の左右から超音波ビームＤを入射させる探傷を行うなどの方法であってもよい。

図８は、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法を用いた場合のＴ断面でみた超音波ビームの焦点位置のイメージ(焦点より後ろのビーム形状は省略している)を示す模式図である。

図８（ａ）は、表面疵開口部の検出をねらって超音波ビームの焦点を図中のＦａに制御したときを示す図である。図８（ｂ）は、超音波ビームの焦点を、超音波ビームの中心軸でみた進行方向に関して、図８（ａ）の状態よりも後側の図中のＦｂに制御したときを示す図である。図８（ｃ）は、超音波ビームの焦点を、超音波ビームの中心軸でみた進行方向に関して、図８（ａ）の状態よりも前側の図中のＦｃに制御したときを示す図である。

図９は、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法を用いた場合のＴ断面でみた超音波ビームの焦点位置と表面疵との位置関係の事例を示す模式図である。

図９（ａ）は、表面疵開口部の検出をねらって超音波ビームの焦点を図中のＦａに制御したときを示す図である。このようにすることで、表面疵ＣからのエコーのS/N比を最大化することができる。なお、表面疵ＣからのエコーのS/N比が損なわれない範囲内であれば、焦点位置がFa近傍で多少振れてもよい。

図９（ｂ）は、超音波ビームの焦点を、超音波ビームの中心軸でみた進行方向に関して、図９（ａ）の状態よりも後側の図中のＦｂに制御したときを示す図である。図９（ｃ）は、超音波ビームの焦点を、超音波ビームの中心軸でみた進行方向に関して、図９（ａ）の状態よりも前側の図中のＦｃに制御したときを示す図である。

超音波ビームＤの焦点位置を、超音波ビームＤの中心軸ｓでみた進行方向に関して、Ｆａ〜Ｆｃと変化させることにより、超音波ビームＤが表面疵Ｃにいろいろなあたり方をし、表面疵ＣからのエコーのS/N比が変動する中で、最大のS/N比の状態をみつけることで、さらに表面疵検出精度が向上する。

このように、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法によれば、表面疵に焦点があたる条件なので、表面疵からのエコーのS/N比が最大化できる。なお、焦点の形状はたとえば線焦点とする。

表面疵の深さ方向の長さが例えばミリオーダーあるいはそれ以上の寸法のとき、必ずしも表面疵開口部でのフォーカスで最大S/N比が得られるとは限らない。そこで、本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法では、フォーカス位置を表面疵開口部の検出を意図する位置とその前後の範囲に制御するものとする。これにより最大S/N比を得るための再探傷も不要となる。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００による丸棒鋼Ａの検査を所定の条件で行う。丸棒鋼Ａは、黒皮材、ピーリング材のいずれでもよい。条件を満たすことで、幅0.5μm以上の圧着状疵を含む表面疵Ｃの検出が可能となる。機械構造用鋼・軸受鋼・ステンレス鋼・工具鋼など（具体的には、ＳＣＲ４２０、ＳＵＪ２、ＳＵＳ３０４、ＳＫＤ６など）で同様の探傷条件とできる。

（代表例１）
本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００のアレイ探触子ユニット２０を、探傷周波数7MHzの超音波ビームを発することができるエレメント群を配したものとし、φ40mmの丸棒鋼Ａを探傷することを意図して、水距離ｌを32mmとなるようにセットする。

制御部１０のパソコン画面上で電子走査に関する条件を設定する。すなわち、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関し、アレイ探触子ユニット２０の略円周面の探触子面２０ａの円周上方向の範囲Ｅを11mmとなるようにし、丸棒鋼Ａの軸方向のサイズ15mmとあわせて、見かけ振動子面積が11mm×15mmとなるようにする。なお、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の軸方向のサイズは一般に固定値であることが多い。

超音波ビームＤの中心軸ｓでみた横波屈折角θｂが+45°,-45°となるようにする。なお、横波屈折角θｂを決めれば、水中縦波音速（1480m/sec）、鋼中横波音速（3230m/sec）の値を用いて、スネルの法則により超音波入射角θａが自動的に定まる。

超音波ビームＤの路程の方向に関して第１反射点（表面疵開口部を予定する位置）の前後にゲートを設定し、焦点Ｆを第１反射点の位置をねらって設定する。なお、ここでいうゲートとは、超音波ビームＤの路程方向の測定範囲のことで、例えば、表面下の丸棒Ａの直径の5%の寸法範囲（直径ｄに対して95〜100%ｄ）をカバーするように設定する。

さらに評価条件に関して、幅0.5μm以上の圧着状疵Ｃを検出できるエコーレベルを設定する。なお、幅0.5μm以上の圧着状疵を検出できるエコーレベルは、幅0.5μｍあるいはほぼ同様のサイズの人工表面疵を有する試験片を作製して検定（事前に決定）するのが好ましいが、間接的に確認する方法であってもよい。

超音波探傷による表面疵の探傷評価条件を設定の後、丸棒鋼Ａを所定の搬送速度で本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００内に装入・通過させ、水浸超音波探傷を行う。

疵検出の有無、また疵検出位置を示すマップを出力し、合否判定などを行う。なお、疵検出位置のマップは、例えば横軸に丸棒鋼材の軸方向の距離、縦軸にエコー高さをとるものである。

（代表例２）
本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００のアレイ探触子ユニット２０を、探傷周波数5MHzの超音波ビームを発することができる同時制御エレメント群を配したものとし、φ90mmの丸棒鋼Ａを探傷することを意図して、水距離ｌを30mmとなるようにセットする。

制御部１０のパソコン画面上で電子走査に関する条件を設定する。すなわち、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関し、アレイ探触子ユニット２０の略円周面の探触子面２０ａの円周上方向の範囲Ｅを13mmとなるようにし、丸棒鋼Ａの軸方向のサイズ15mmとあわせて、見かけ振動子面積が13mm×15mmとなるようにする。

超音波ビームＤの中心軸ｓでみた横波屈折角θｂが+45°,-45°となるようにする。超音波ビームＤの路程の方向に関して第１反射点（表面疵開口部を予定する位置）の前後にゲートを設定し、焦点Ｆを第１反射点の位置をねらって設定する。

さらに評価条件に関して、幅0.5μm以上の圧着状疵Ｃを検出できるエコーレベルを設定する。

超音波探傷による表面疵の探傷評価条件を設定の後、丸棒鋼Ａを所定の搬送速度で実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００内に装入・通過させ、水浸超音波探傷を行う。疵検出の有無、また疵検出位置を示すマップを出力し、合否判定などを行う。

（代表例３）
本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００のアレイ探触子ユニット２０を、探傷周波数7MHzの超音波ビームを発することができるエレメント群を配したものとし、φ36mmの丸棒鋼Ａを探傷することを意図して、水距離ｌを34mmとなるようにセットする。

制御部１０のパソコン画面上で電子走査に関する条件を設定する。すなわち、同時制御エレメント群２１による見かけの振動子の大きさに関し、アレイ探触子ユニット２０の略円周面の探触子面２０ａ円周上方向の範囲Ｅを11mmとなるようにし、丸棒鋼Ａの軸方向のサイズ15mmとあわせて、見かけ振動子面積が11mm×15mmとなるようにする。

超音波ビームＤの中心軸ｓでみた横波屈折角θｂが+32°,-32°となるようにする。

超音波ビームＤの路程の方向に関して第１反射点（表面疵開口部を予定する位置）の前後にゲートを設定し、焦点Ｆが第１反射点の位置およびその前後のゲート範囲内で変化するように設定する。

さらに評価条件に関して、幅0.5μm以上の圧着状疵Ｃを検出できるエコーレベルを設定する。

超音波探傷による表面疵の探傷評価条件を設定の後、丸棒鋼Ａを所定の搬送速度で本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置１００内に装入・通過させ、水浸超音波探傷を行う。疵検出の有無、また疵検出位置を示すマップを出力し、合否判定などを行う。

以下に、上記代表例を同様の方式で、探傷周波数、同時制御エレメント群の範囲寸法、水距離、横波屈折角、疵への超音波入射方向、及び、焦点位置に関するパラメータを変化させた実施例を作成し、本実施例の丸棒鋼の表面欠陥評価装置により水浸超音波探傷を行った結果を示す。

なお、下記図表中で数値範囲を示している欄は、その範囲内のいずれか１つの値をとるの意味である。また、不感帯の欄は、ゲート内への不感帯(表面エコーの侵入)の影響がないものを○、あるものを×と表示した。

また、表面疵の検出精度の欄は、対象の疵がS/N比が2.2以上で検出されるものを◎、S/N比が1.5以上2.2未満で検出されるものを○、S/N比が1.5未満となり検出非検出が明瞭に確認できないものを×、と表示した。「一般表面疵」は幅5μm以上の表面疵、「圧着状疵」は幅0.5μｍ以上5μｍ未満の表面疵、の意であり、主に焼き割れ・変態割れなどの空隙タイプの表面疵を意図している。

疵への超音波入射方向の欄は、「１方向」とは例えば+32°の屈折角だけで超音波を発信して探傷する場合、「2方向」とは例えば+45°と-45°の屈折角で超音波を発信して探傷する場合、の意味である。

（探傷周波数の影響）
探傷周波数の影響を表１に示す。

表１からは、φ15〜100mmの丸棒鋼を、鋼材直径の90〜100%の範囲にゲートをかけて、本実施例のアレイ探触子を備えた超音波探傷装置により、標準的な搬送速度(1〜2.5m/sec)の条件下で、超音波探傷を行うにあたり、同時制御エレメント群の範囲、軸方向のエレメント寸法、水距離、横波屈折角、疵への超音波入射方向、焦点位置、の条件が適正であれば、探傷周波数3〜25MHzで不感帯の発生（表面エコーのゲート内への侵入）はなく、良好な検出精度を確保しうることがわかる。

特に、エレメント群から発せられる超音波の探傷周波数を4〜20MHz（好ましくは5〜10MHz）とすることにより、表面疵をより高い検出精度で検出できることがわかる。

さらに探傷周波数の影響を詳細にみると、φ15〜φ49の丸棒鋼の探傷では、探傷周波数3〜25MHzのとき、一般表面疵に対して良好な検出精度を得ている。しかしながら、疵幅0.5μｍの圧着状表面疵は、探傷周波数3MHzでは検出できず、探傷周波数4〜25MHzの条件が必要となる。特に5〜20MHzの条件が最もよい。

同様にφ50〜100の丸棒鋼の探傷では、探傷周波数3〜25MHzのとき、一般表面疵を検出することができ、探傷周波数3〜20MHzのとき、特に良好な検出精度が得られる。しかしながら、圧着状表面疵は、探傷周波数3MHzや25MHzの条件では検出できず、探傷周波数4〜20MHzで検出できる。そして、探傷周波数5〜10MHzのとき、良好な検出精度が得られる。

以上を総合してφ15〜100の丸棒鋼を同一条件で探傷比較する観点からは、一般表面疵も圧着状表面疵も探傷周波数4〜20MHzで検出でき、探傷周波数5〜10MHzで良好な検出精度が得られることになる。

（同時制御エレメント群の範囲寸法の影響）
同時制御エレメント群の範囲寸法の影響を表２に示す。

表２からは、φ15〜100mmの丸棒鋼を、鋼材直径の90〜100%の範囲にゲートをかけて、本件のアレイ探触子を備えた超音波探傷装置により、標準的な搬送速度(1〜2.5m/sec)の条件下で、超音波探傷を行うにあたり、探傷周波数、軸方向のエレメント寸法、水距離、横波屈折角、疵への超音波入射方向、焦点位置、の条件が適正であれば、同時制御エレメント群の範囲を7〜35mmとしてφ35〜100mmの丸棒鋼の探傷を行えば、不感帯の発生（表面エコーのゲート内への侵入）がないことがわかる。

特に、同時制御エレメント群の丸棒鋼Ａの探触子面２０ａの円周上方向の範囲の寸法(図中の円弧状の太い線Ｅの長さ)を8〜35mm(好ましくは10〜35mm)とすることにより、表面疵をより高い検出精度で検出できることがわかる。

しかしながら、φ15〜34mmと小径の丸棒鋼を探傷するときには、同時制御エレメント群の範囲が35mmと大きいと、不感帯の発生があり、表面疵を検出できない。よって、φ15〜34mmの丸棒鋼の探傷では、同時制御エレメント群の範囲30mm以下、φ35〜100mmの丸棒鋼の探傷では同時制御エレメント群の範囲35mm以下で、表面疵を検出すべきといえるが、φ15〜100mmの丸棒鋼の探傷において、同時制御エレメント群の範囲を8mmとすると圧着状表面疵の検出精度が低下し、同時制御エレメント群の範囲を7mmとすると、表面疵が検出できなくなる。

（水距離の影響）
水距離の影響を表３に示す。「残響エコーの発生」の欄は、発生なしを○、発生ありを×とした。

表３からは、φ15〜100mmの丸棒鋼を、鋼材直径の90〜100%の範囲にゲートをかけて、本件のアレイ探触子を備えた超音波探傷装置により、標準的な搬送速度(1〜2.5m/sec)の条件下で、超音波探傷を行うにあたり、水距離ｌを15〜50mm(好ましくは19〜45mm)とすることにより、表面疵をより高い検出精度で検出できることがわかる。

また、探傷周波数、同時制御エレメント群の範囲、軸方向のエレメント寸法、横波屈折角、疵への超音波入射方向、焦点位置、の条件を適正にしていても、水距離を13mmと小さくすると、残響エコー(探触子と丸棒鋼表面との間を往復する超音波の影響)が発生し、表面疵の検出ができないことがわかる。

水距離15mm以上で残響エコーの発生はなくなり、水距離15〜50mmで良好な表面疵検出精度が得られる。水距離60mmとすると、残響エコーとは関係なく、一般表面疵の検出精度が低下し、圧着状表面疵は検出できない。

（横波屈折角の影響）
横波屈折角の影響を表４に示す。

表４からは、φ15〜100mmの丸棒鋼を、鋼材直径の90〜100%の範囲にゲートをかけて、本件のアレイ探触子を備えた超音波探傷装置により、標準的な搬送速度(1〜2.5m/sec)の条件下で、超音波探傷を行うにあたり、探傷周波数、同時制御エレメント群の範囲、軸方向のエレメント寸法、水距離、疵への超音波入射方向、焦点位置、の条件を適正にしていれば、横波屈折角28〜68°で不感帯の発生はないことがわかる。

しかしながら、横波屈折角が28°あるいは68°のときには表面疵を検出できず、横波屈折角が30°〜65°のときに表面疵を検出できることがわかる。そして、一般表面疵については横波屈折角30°〜65°、圧着状疵については横波屈折角30°〜45°で良好な検出精度を得ることができることがわかる。

（疵への超音波入射方向を１方向/2方向とすることの影響）
疵への超音波入射方向を１方向/2方向とすることの影響を表５に示す。1方向とは、表面疵を含む丸棒鋼のＴ断面を見たとき、疵の片側から超音波が照射されるような探傷の条件、2方向とは、疵の左側、右側から交互に超音波が照射されるような条件の意である。

表５からは、φ15〜100mmの丸棒鋼を、鋼材直径の90〜100%の範囲にゲートをかけて、本件のアレイ探触子を備えた超音波探傷装置により、標準的な搬送速度(1〜2.5m/sec)の条件下で、超音波探傷を行うにあたり、探傷周波数、同時制御エレメント群の範囲、軸方向のエレメント寸法、水距離、横波屈折角、焦点位置、の条件を適正にしていれば、疵への超音波入射方向が、1方向であっても2方向であっても、不感帯の発生はないことがわかる。

しかしながら、疵への超音波入射方向を1方向とする場合には、表面疵を含む丸棒鋼のＴ断面でみたときの丸棒鋼表面と疵とがなす角度が鈍角の側から超音波が照射されると、表面疵の検出精度は比較的良好であるものの、丸棒鋼表面と疵とがなす角度が鋭角の側から超音波が照射されると、表面疵の検出精度が悪くなったり、検出できなかったりする。疵への超音波入射方向を2方向とする場合は、かならず一方の方向が丸棒鋼表面と疵とがなす角度が鈍角の側からの超音波の照射となるので、表面疵の検出が安定することが表５からわかる。これらの傾向は、一般表面疵でも、圧着状表面疵でも同様である。

（焦点位置の影響）
焦点位置の影響を表６に示す。

表６からは、φ15〜100mmの丸棒鋼を、鋼材直径の90〜100%の範囲にゲートをかけて、本件のアレイ探触子を備えた超音波探傷装置により、標準的な搬送速度(1〜2.5m/sec)の条件下で、超音波探傷を行うにあたり、探傷周波数、同時制御エレメント群の範囲、軸方向のエレメント寸法、水距離、横波屈折角、疵への超音波入射方向、の条件を適正にしていれば、焦点の設定有無によらず、不感帯の発生はないことがわかる。

しかしながら、さらに、表面疵の検出精度についてみてみると、焦点の条件も重要とわかる。すなわち、丸棒鋼内の第１反射点近傍に焦点を設定しない場合には、丸棒鋼内の第１反射点近傍で表面疵を検出するものの、一般表面疵は検出できても、圧着状表面疵は検出できない。これに対し、丸棒鋼内の第１反射点近傍に焦点を設定した場合には、一般表面疵の検出精度を良好なものとでき、圧着状表面疵についても、満足な結果を得ることができる。

さらに丸棒鋼内を伝搬する超音波ビームの中心軸方向に関して、「第1反射点の0.5mm手前の位置〜第1反射点〜反射したあとの0.5mm後方の位置」の範囲で焦点を随時(所定のルールで)変える設定としたところ、検出精度は一層良好となった。このように、圧着状表面疵で良好な検出精度を得ることをターゲットとした条件設定でも、一般表面疵についても良好な検出精度を確保できることがわかる。

以上、説明したように本発明の電子走査式アレイ探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置及びその方法によれば、直径が15〜100mmの丸棒鋼製品における、幅0.5μm程度以上の圧着状疵を含む、空隙タイプの表面疵(焼き割れ・変態割れの表面欠陥)の精度のよい検出が可能となる。

本実施形態の電子走査式アレイ探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置の構成を示す図である。 本実施形態の電子走査式アレイ探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置の他の構成を示す図である。 本実施形態のアレイ探触子ユニットの詳細な構成を示す図である。 本実施形態の同時制御エレメント群２１の作動状態を説明するための概念図である。 本実施形態の同時制御エレメント群２１の作動状態を説明するための概念図である。 本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置を用いた場合のＴ断面でみた垂直な表面疵の探傷の模式図である。 本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置を用いた場合のＴ断面でみた斜めの表面疵の探傷の模式図である。 本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置を用いた場合のＴ断面でみた超音波ビームの焦点位置のイメージを示す模式図である。 本実施形態の丸棒鋼の表面欠陥評価装置を用いた場合のＴ断面でみた超音波ビームの焦点位置と表面疵との位置関係の事例を示す模式図である。

符号の説明

１００：電子走査式アレイ型探触子を用いた超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置
１０：制御部
２０：アレイ探触子ユニット
２１：同時制御エレメント群
２３：遅延回路
２５：励振素子
３０：水槽
４０：水

Claims (18)

1. 電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置であって、
   前記丸棒鋼に対向し前記丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に複数の励起素子が整列し、前記探触子面と前記丸棒鋼の表面とが所定の水距離を有するように配置された少なくとも１つのアレイ探触子ユニットと、
   前記アレイ探触子ユニットの複数の励起素子のうち所定の範囲の相隣りあう複数の励起素子を選択して同時制御エレメント群を構成し、該同時制御エレメント群内の励起素子を同時に制御して所定の周波数の超音波ビームを生成し、該超音波ビームを前記丸棒鋼の内部へ所定の屈折角で入射させ前記丸棒鋼内の表面欠陥を検出する制御を行う制御部と、
   を備えることを特徴とする電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
2. 前記制御部は、
   前記同時制御エレメント群が生成した超音波ビームが焦点を生成し、かつその焦点位置について、前記表面欠陥を前記表面欠陥の開口部で検出する制御を行い、前記表面欠陥からのエコーのS/N比を最大化することを特徴とする請求項１に記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
3. 前記制御部は、
   前記同時制御エレメント群が生成した超音波ビームが焦点を生成し、かつその焦点位置について、前記超音波ビームの中心軸でみた進行方向に関して前記表面欠陥の開口部の位置とその前後の位置となるように焦点を移動する制御を行い、前記表面欠陥からのエコーのS/N比を最大化することを特徴とする請求項１に記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
4. 前記アレイ探触子ユニットを複数備え、該複数のアレイ探触子ユニットは前記丸棒鋼の全周を包囲して配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
5. 前記同時制御エレメント群が生成する超音波ビームの探傷周波数は、4〜20MHzであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
6. 前記同時制御エレメント群の探触子面の前記丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周上方向の範囲の寸法は、8〜30mmであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
7. 前記水距離は、15〜50mmであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
8. 前記超音波ビームの中心軸でみた前記丸棒鋼への入射点での横波屈折角は、30°から65°であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
9. 前記制御部は、
   前記丸棒鋼の周方向に関しての両側から前記同時制御エレメント群が生成する超音波ビームを前記表面欠陥に照射する制御を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価装置。
10. 電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法であって、
    前記丸棒鋼に対向し前記丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周面状の探触子面に複数の励起素子が整列し、前記探触子面と前記丸棒鋼の表面とが所定の水距離を有するように配置された少なくとも１つのアレイ探触子ユニットの複数の励起素子のうち所定の範囲の相隣りあう複数の励起素子を選択して同時制御エレメント群を構成し、
    該同時制御エレメント群内の励起素子を同時に制御して所定の周波数の超音波ビームを生成し、
    該超音波ビームを前記丸棒鋼の内部へ所定の屈折角で入射させ前記丸棒鋼内の表面欠陥を検出することを特徴とする電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
11. 前記同時制御エレメント群が生成した超音波ビームが焦点を有し、かつその焦点位置について、前記表面欠陥を前記表面欠陥の開口部で検出し、前記表面欠陥からのエコーのS/N比を最大化することを特徴とする請求項１０に記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
12. 前記同時制御エレメント群が生成した超音波ビームが焦点を有し、かつその焦点位置について、前記超音波ビームの中心軸でみた進行方向に関して前記表面欠陥の開口部の位置とその前後の位置となるように焦点を移動し、前記表面欠陥からのエコーのS/N比を最大化することを特徴とする請求項１０に記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
13. 前記アレイ探触子ユニットを複数備え、該複数のアレイ探触子ユニットは前記丸棒鋼の全周を包囲して配置されることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
14. 前記同時制御エレメント群が生成する超音波ビームの探傷周波数は、4〜20MHzであることを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
15. 前記同時制御エレメント群の探触子面の前記丸棒鋼の中心軸を中心とした略円周上方向の範囲の寸法は、8〜30mmであることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
16. 前記水距離は、15〜50mmであることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
17. 前記超音波ビームの中心軸でみた前記丸棒鋼への入射点での横波屈折角は、30°から65°であることを特徴とする請求項１０から１６のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
18. 前記丸棒鋼の周方向に関しての両側から前記同時制御エレメント群が生成する超音波ビームを前記表面欠陥に照射することを特徴とする請求項１０から１７のいずれかに記載の電子走査式アレイ探触子を用いた水浸超音波探傷による丸棒鋼の表面欠陥評価方法。
    

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