JP2014070968A - 超音波検査装置および超音波検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接熱影響部に発生する損傷を選択的に短時間で容易に検出できる超音波検査装置を提供する。
【解決手段】超音波を用いて溶接部を検査する超音波検査装置は、溶接部に超音波を送信し、その反射波を受信する少なくとも一つの超音波センサと、領域特定のために超音波センサで溶接部を走査して得られた第１の受信信号に基づいて溶接熱影響部を特定し（ステップＳ１０１）、損傷分析のために超音波センサで溶接部を走査して得られた第２の受信信号に基づいて、溶接部における溶接欠陥または損傷を検出し、特定された溶接熱影響部１０Ｃに存在する損傷を抽出し（ステップＳ１０２）、抽出された損傷の程度である損傷率を演算する（ステップＳ１０４）演算部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶接部を超音波で検査する超音波検査装置および超音波検査方法に関する。

火力発電プラントの高経年化により、配管等の構造材料の高温・応力下での健全性（クリープ損傷の程度）を非破壊で診断できる技術が重要になってきている。一方で、運転温度が高い火力発電プラントでは、構造材料としてクロム比率の高い鉄鋼材料（以下、高クロム鋼とも言う。）を溶接して用いるようになってきている。しかし、高クロム鋼の特徴として溶接箇所における溶接熱影響部で内部から劣化が進行する点があげられる。そのため、その劣化の進行程度を検査する必要がある。

構造材料を非破壊検査する方法としてレプリカ法が知られている。レプリカ法は構造材料の金属表面の組織を非破壊的に観察する方法なので、構造材料の表面の損傷状況を把握できるが、構造材料の材料内部の損傷状況は検査できない。

初期の劣化状態を検出する方法として、送信する周波数の高調波成分を抽出する技術が知られている。例えば、特許文献１には、超音波探触子の後方散乱波もしくは表面波の送信周波数成分と高調波成分のイメージを作成し、両者の比率から残存寿命を評価する方法が示されている。

また、特許文献２には、組織変化を検出する方法として、試験体基準部の基準信号との差分処理で組織変化を検出する方法が示されている。

特開２００５−１２８０１８号公報 特開２００７−０８５９４９号公報

従来の溶接部の超音波検査装置では、溶接金属部や母材部の材料組織ノイズや溶接欠陥と区別して、溶接金属熱影響部に発生する損傷を検出することができなかった。とりわけ金属製の構造材料内のクリープ損傷の初期段階の状態の検出に対して適用できるものではなかった。

（１）請求項１に記載の発明は、超音波を用いて溶接部を検査する超音波検査装置において、溶接部に超音波を送信し、その反射波を受信する少なくとも一つの超音波センサと、演算部とを有する。演算部は、領域特定のために超音波センサで溶接部を走査して得られた第１の受信信号に基づいて溶接熱影響部を特定し、損傷分析のために超音波センサで前記溶接部を走査して得られた第２の受信信号に基づいて、溶接部における溶接欠陥または損傷を検出し、特定された溶接熱影響部に存在する損傷を抽出し、抽出された損傷の程度である損傷率を演算することを特徴とする。
（２）請求項８に記載の発明は、超音波を用いて溶接部を検査する超音波検査方法において、領域特定のために、超音波センサで溶接部を走査しつつ溶接部に超音波を送信し、その反射波を第１の受信信号として受信し、損傷分析のために、超音波センサで溶接部を走査しつつ溶接部に超音波を送信し、その反射波を第２の受信信号として受信し、得られた第１の受信信号に基づいて溶接熱影響部を特定し、第２の受信信号に基づいて、特定された溶接熱影響部に存在する損傷を抽出し、特定された溶接熱影響部で検出される損傷の程度を損傷率として演算し、演算した損傷率を出力することを特徴とする。

本発明によれば、溶接熱影響部を特定し、特定された溶接熱影響部に存在する損傷による受信信号を抽出するようにした。そのため、溶接金属部の溶接欠陥ノイズや母材部の組織ノイズから区別して損傷を表す受信信号を検出することが可能となり、金属材料の劣化を初期段階で検出することができる。

本発明による溶接部の超音波検査装置の第１の実施形態を説明するための、装置と検査対象を含む全体概略図である。 本発明による第１の実施形態の超音波検査装置での動作フローを示す図である。 本発明による第１の実施形態の超音波検査装置で溶接熱影響部の位置を決定する測定結果を模式的に示す図である。（ａ）は検査対象の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の検査対象の上面側を図で横方向に超音波探触子を走査して測定された反射波強度の変化の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態による溶接熱影響部の計測位置を超音波信号分布上に表示した結果を模式的に示す図である。（ａ）は検査対象の断面図を示す。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ（ａ）に示す位置Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３で検出される超音波信号の時間スペクトラムである。 図４で示すように超音波探触子６Ｂの各走査位置で測定された反射波強度を、走査距離を横軸に、超音波伝搬時間を縦軸にとった分布図（Ｂスコープ）で表示した模式図である。 本発明の第１の実施形態による信号データを損傷率に変換する際に参照するデータを説明する図である。 本発明の第１の実施形態の変形例１を説明するための図である。（ａ）は検査対象の断面図を示す。（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）に示す位置Ａ、Ｃで検出される超音波信号の時間スペクトラムである。 本発明の第１の実施形態の変形例２を説明するための検査対象の断面図である。（ａ）は検査対象の断面図を示す。（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ（ａ）に示す位置Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３で検出される超音波信号の時間スペクトラムである。 本発明の第２の実施形態による超音波検査装置での動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による溶接部図面の例である。 本発明の第３の実施形態による超音波検査装置の全体構成のブロック図である。 本発明の第３の実施形態による超音波検査装置での動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図１〜１２を参照して説明する。
−第１の実施形態−
図１は、本発明による超音波検査装置の第1の実施形態の概略を示すブロック図である。超音波検査装置は、検査対象１０に超音波を入射するとともに、検査対象１０で反射あるいは散乱された超音波を検出する超音波センサ、すなわち超音波探触子６Ａ、６Ｂと、超音波送受信部２と、データ収録部３と、データ解析部４と、表示部５とを備えている。また、データ解析部４は、種々のデータを記憶するデータ記憶部４Ａを備える。

検査対象１０は、例えば圧力容器や配管の継手溶接部であり、実施形態の超音波検査装置は、溶接部の溶接欠陥と溶接熱影響部のボイドなどの損傷を検査する。検査対象１０の母材部１０Ａには、溶接による溶融池である溶接金属部１０Ｂおよび溶接熱影響部１０Ｃが存在している。

超音波送受信部２は、超音波を送信するために超音波探触子６Ａ、６Ｂに送信波形、すなわち送信信号を印加し、さらに各探触子からの受信波形、すなわち受信信号を増幅する。超音波送受信部２は、超音波探触子６Ａ，６Ｂに信号を印加する信号発生器や送信アンプ、受信アンプを内部に備えるが、これらの図示は省略する。

超音波探触子６Ａ、６Ｂの超音波送受信部２への接続は、同軸ケーブルを介して行われる。また、超音波送受信部２は、同軸ケーブルによりデータ収録部３に接続される。データ収録部３は、アナログ信号である超音波の受信波形をデジタル信号であるデジタル波形に変換する機能を有する。データ収録部３は、例えば、市販の外付けＡ／Ｄ変換器、またはコンピュータ組み込み式のボードタイプのＡ／Ｄ変換器を利用してもよい。

データ解析部４は、例えばコンピュータであり、データ収録部３で収録したデジタル波形を解析する機能を有し、解析結果がデータ記憶部４Ａに記憶される。解析内容は後述する。
なお、データ記憶部４Ａには、超音波探触子６Ａ、６Ｂから検査対象１０に入射する超音波の入射状態、例えば、超音波出力と入射角度や、解析結果と比較して溶接熱影響部の損傷度を算出するため形状データも記憶される。形状データは、たとえばＣＡＤデータあるいは計測データである。

表示部５には、データ解析部４で生成された画像情報、例えばＢスコープが表示される。さらに、必要に応じて、データ収録部３からデータ解析部４に入力されるデジタル波形信号がＡスコープで表示される。このデジタル波形信号は、超音波送受信部２の受信アンプからの出力信号をデータ収録部３でサンプリングしたそのままの信号である。

次に超音波探触子６Ａ、６Ｂについて説明する。
超音波探触子６Ａは、少なくとも１つ以上の超音波振動子を有する。超音波振動子で発生した超音波は検査対象１０の入射面１０Ｄ、すなわち超音波探触子６Ａの走査面に対して概略垂直方向に送信される。この超音波が検査対象１０に入射すると、検査対象１０の内部または底面１０Ｅで反射し、反射信号として超音波探触子６Ａで受信される。超音波探触子６Ａに含まれる振動子は、縦波または横波を発生するもので、例えば圧電素子によって構成されている。

超音波探触子６Ｂは、少なくとも１つ以上の超音波振動子を有し、検査対象１０の溶接熱影響部１０Ｃに向けて超音波を概略斜めに送信し、検査対象１０の内部で反射した信号を受信する。超音波探触子６Ｂに含まれる振動子は、縦波または横波を発生するもので、例えば圧電素子によって構成されており、例えば樹脂製のくさびを介して検査対象１０に斜めに超音波を入射する方式を用いる。

金属製圧力容器や配管などの溶接部の溶接欠陥を探傷する検査装置では、検査対象表面の溶接部位を横切るように走査を行う。すなわち、超音波探触子６Ａは、検査対象１０の表面に垂直である厚み方向に超音波を送信し、反射波を受信する。超音波探触子６Ｂは、検査対象１０の厚み方向である基準線に対して傾いた所定の角度で超音波を送信し、すなわち斜入射角度で超音波を入射し、反射波を受信する。

ここで、本実施形態の超音波検査装置の動作を、図２の処理フロー図、および検査時の動作を示す図３〜図５を参照して説明する。

−溶接熱影響部１０Ｃの領域特定処理−
ステップＳ１０１において、超音波を送受信して反射波振幅から溶接熱影響部１０Ｃの領域を決定する。このステップＳ１０１において、超音波送受信部２は、超音波探触子６Ａに選択的に送信信号を印加する。検査対象１０の表面に概略垂直に入射した超音波７Ａ（図１参照）は検査対象１０で反射する。超音波探触子６Ａは、検査対象１０から反射されて戻ってくる超音波の反射波を受信する。このとき、超音波探触子６Ａを、例えば図１に示す左から右方向に手動または移動装置で走査し、母材部１０Ａ、溶接熱影響部１０Ｃ、溶接金属部１０Ｂを含んだ範囲の反射波を受信する。すなわち、検査対象１０の探傷領域を横断するように超音波探触子６Ａを走査する。

図３は、超音波探触子６Ａの位置と受信した反射波の測定値２１を模式的に説明する図である。
この実施形態の超音波検査装置の検査対象１０は、例えば高クロム鋼で製造された圧力容器や配管である。高クロム鋼は、溶接熱影響部１０Ｃの結晶粒が母材部１０Ａおよび溶接金属部１０Ｂの結晶粒よりも小さく、溶接熱影響部１０Ｃでの超音波の減衰が小さい。また、溶接金属部１０Ｂに溶接欠陥が存在すると、超音波の減衰が大きくなる。これらの前提を踏まえて図３を説明する。

（１）検査対象１０の母材部１０Ａにのみ超音波が入射する位置（図３（ａ）位置Ａ１）では、超音波探触子６Ａからの超音波は、減衰が大きい母材部１０Ａだけを通過して超音波底面反射波として超音波探触子６Ａで受信される。この受信信号の強度、すなわち反射波強度を基準反射波強度Ｒｓ０と呼ぶ。

（２）検査対象１０の溶接熱影響部１０Ｃを通過して母材部１０Ａに超音波が入射する位置（図３（ａ）のＰ１とＰ２の間の位置）で観測される反射波強度は、検査対象１０の母材部１０Ａにのみ超音波が入射する位置（図３（ａ）位置Ａ１）での基準反射波強度よりも大きくなる。

（３）検査対象１０の溶接金属部１０Ｂに超音波が入射し、さらに溶接熱影響部１０Ｃを通過して母材部１０Ａに超音波が入射する位置（図３（ａ）の位置Ａ２）で観測される反射波強度は、超音波の減衰が大きい溶接金属部１０Ｂ、減衰が小さい溶接熱影響部１０Ｃ、減衰が大きい母材部１０Ａをそれぞれ通過することにより、図３（ａ）の位置Ｐ１とＰ２の間で観測される反射波強度から減少する。この反射波強度は、溶接金属部１０Ｂと母材部１０Ａ内の超音波の経路長さに依存し、溶接金属部１０Ｂ内の経路長が長いほど反射波強度は低下する。

（４）検査対象１０の溶接金属部１０Ｂに超音波が入射し、底面反射波が溶接金属部１０Ｂを通って超音波探触子６Ａで受信する位置（図３（ａ）の位置Ａ３）で観測される反射波強度Ｒｓminは、超音波の減衰が大きく、かつ、溶接欠陥が存在するので、反射波強度は位置Ａ２の反射波強度よりも小さくなる。

図３（ｂ）の反射波の測定値２１について、基準波強度をＲｓ０、最大値をＲｓmax、最小値をＲｓminとする。超音波探触子６Ａの走査に伴い、測定値２１は次のように変化する。
基準波強度Ｒｓ０である変化点２２Ａから最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｂに向けて増加し始める。測定値２１は、最大値Ｒｓmaxの変化点２２Ｂから最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｃに向けて減少し始める。超音波探触子６Ａがさらに走査されると、測定値２１は、最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｄから最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｅに向けて再び増加し始める。さらに測定値２１は、最大値Ｒｓmaxの変化点２２Ｅから基準波強度Ｒｓ０となる変化点２２Ｆに向けて減少し始める。

図３（ｂ）の測定値２１の最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｂは、検査対象１０の表面に入射した超音波が底面で反射し表面から出射するまでの経路中の減衰が最も小さいときに得られる。これは、図３（ａ）の位置Ｐ２に超音波が入射するときである。最大値２２Ｅも同様に経路中の減衰が最も小さいときに得られる。基準波強度Ｒｓ０が得られる変化点２２Ａに対応する走査位置Ｐ１と、最大値Ｒｓmaxが得られる変化点２２Ｂに対応する走査位置Ｐ２の走査方向の差Ｌ１が溶接熱影響部１０Ｃの走査方向の幅Ｗ１に相当する。

一方、図３（ｂ）の測定値２１の最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｃは、検査対象１０の表面に入射した超音波が底面で反射し表面から出射するまでの経路中の減衰が最も大きいときに得られる。これは、図３（ａ）の位置Ｐ３からＰ４の間に超音波が入射するときである。最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｄも同様に経路中の減衰が最も大きいときに得られる。最小値Ｒｓminが得られる変化点２２Ｃに対応する走査位置Ｐ３と、最小値Ｒｓminが得られる変化点２２Ｄに対応する走査位置Ｐ４との走査方向の差Ｌ２が溶接金属部１０Ｂの底面における走査方向の幅Ｗ２である。

演算部４は、走査位置Ｐ１〜Ｐ４と、溶接熱影響部１０Ｃの走査方向の幅Ｗ１と、走査方向の差Ｌ１およびＬ２と、溶接金属部１０Ｂの底面における走査方向の幅Ｗ２と、検査対象１０の厚さＴとに基づいて、検査対象１０内での溶接熱影響部１０Ｃの領域を特定することができる。

実際には、溶接熱影響部１０Ｃは、溶接施工の開先形状や入熱条件に依存しており、溶接熱影響部１０Ｃと溶接金属部１０Ｂとの境界面が明瞭にならない場合、さらに開先形状が狭い場合は最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｃと最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｄの形状が明瞭とならない場合もある。その場合は、最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｂや最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｅから溶接熱影響部１０Ｃの領域の中心を求め、溶接施工で予め設定した開先角度θや溶接熱影響部１０Ｃの経験値である幅Ｄを基に、溶接熱影響部１０Ｃの領域を決定してもよい。すなわち、溶接熱影響部１０Ｃの領域の形状を表わすデータである角度θは溶接施工での溶接部の開先形状で定まり、また、幅Ｄはこの開先形状と入熱条件とから、蓄積された溶接施工のデータを基に定めることができる。

以上説明したように、ステップＳ１０１では、超音波探触子６Ａから検査対象１０の走査面１０Ｄに略垂直に超音波を入射して反射波強度を測定することにより、検査対象１０の溶接部の組織構造を反映した反射波強度を測定する。必要に応じて、溶接施工で予め設定した角度θや幅Ｄを基に、溶接熱影響部１０Ｃの領域を決定してもよい。

溶接金属部１０Ｂで超音波の減衰が大きく、溶接熱影響部１０Ｃでは減衰が小さくなるのは、高クロム鋼の特性である。構造材料に高クロム鋼を用いない場合は、材料によっては、反射波の測定値２１について、図３（ｂ）の最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｂ、２２Ｅや、逆に図３の最小値Ｒｓminとなる変化点２２Ｃ、２２Ｄの形状が図３（ｂ）に例示する形状と異なる可能性もある。また、溶接施工の開先形状や入熱条件に依存して溶接熱影響部１０Ｃの幅や結晶粒の大きさ等も変化する。しかし、このような場合でも、図３（ｂ）のような反射強度変化のデータが得られ、これらから溶接熱影響部１０Ｃの位置を検出、すなわち領域を特定することができる。

−溶接熱影響部１０Ｃ内の損傷の有無の特定処理−
次に、ステップＳ１０２において、超音波探触子６Ｂを検査対象１０の上面１０Ｄで走査しつつ超音波を送受信して反射波強度を測定し、検査対象１０の深さ方向の反射強度分布を測定し（Ｂスコープ）、ステップＳ１０１で決定した溶接熱影響部１０Ｃの領域内からの反射波の信号データを抽出する。

このステップＳ１０２において、超音波送受信部２は、検査対象１０の入射面に対して所定の角度で斜め方向に伝搬した超音波７Ｂ（図１、図４参照）が、検査対象１０の内部で反射して戻る超音波を受信するように、超音波探触子６Ｂに選択的に送信信号を印加し、反射信号を受信する。この際に、超音波探触子６Ｂの位置を、例えば図４（ａ）に示すように、検査対象１０の走査面１０Ｄの左から右方向に手動または移動体で走査し、母材部１０Ａ、溶接熱影響部１０Ｃ、溶接金属部１０Ｂを含んだ範囲の反射波を受信する。

このときの反射波強度の超音波伝搬距離に対する変化の例を図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に模式的に示す。図４（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ、超音波探触子６Ｂが、図４（ａ）の位置Ｂ１〜Ｂ３にある場合に対応する。
なお、図４（ａ）では、溶接熱影響部１０Ｃの内部に損傷部（ボイド）が含まれていると仮定している。これは、溶接熱影響部１０Ｃの結晶粒が小さい領域では内部に損傷が発生し易いことに基づいている。

超音波探触子６Ｂから、検査対象１０の上面１０Ｄで斜め方向から入射した超音波は、検査対象内部で一部散乱され、検査対象内部の組成あるいは組織が変化する部分で反射されて、超音波探触子６Ｂに戻り検出される。斜め方向から入射した場合は、底面１０Ｅで反射した超音波は図４（ａ）で大部分が左側に向かい、超音波探触子６Ｂには反射波は殆ど戻って来ない。

組成あるいは組織が変化する部分では、超音波の伝搬速度が変化し、超音波は反射される。特に、ボイドや亀裂などの損傷部では超音波の反射は多くなる。図４（ｂ）では、超音波探触子６Ｂの走査位置Ｂ１において、溶接熱影響部１０Ｃの左側の損傷部１０Ｖ１で反射された超音波が中央部右寄りに検出されていることを示している。
また、図４（ｄ）では、超音波探触子６Ｂの走査位置Ｂ３において、溶接熱影響部１０Ｃの右側の損傷部１０Ｖ２で反射された超音波が中央部に検出されていることを示している。

図４（ｃ）は、超音波探触子６Ｂの走査位置Ｂ２に対応し、超音波の伝搬経路に特に反射する組織がないため、図４（ｃ）の中央部分には溶接金属部１０Ｂからの散乱波がバックグラウンド信号として検出されていることを示している。
なお、図４（ｃ）の右側の底面１０Ｅの反射波には、図４（ａ）から分かるように、溶接熱影響部１０Ｃと溶接金属部１０Ｂの境界での反射波も含まれている。

なお、ボイドや亀裂などの損傷は、溶接熱影響部１０Ｃ以外でも発生する可能性があるが、この場合は、上記の説明から分かるように、検出される反射超音波が溶接熱影響部１０Ｃ以外から発生しているものであることを容易に判別することができる。

超音波探触子６Ｂの各走査位置で測定された反射波強度を、走査距離を横軸に、超音波伝搬時間を縦軸にとった分布図（Ｂスコープ）で表示すると、図５の模式図のようになる。ここで、領域２４Ａ、２４Ｂの部分の信号はそれぞれ溶接熱影響部１０Ｃ内の損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの反射波に相当する。領域２５の信号は溶接金属部１０Ｂ内からの散乱波、領域２６の信号は送信信号の検査対象１０の表面付近での残響（散乱波）である。また、領域２７の信号は母材部１０Ａからの散乱波である。

図４での説明から分かるように、溶接熱影響部１０Ｃの損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２に対応する領域２４Ａ、２４Ｂの信号強度と、検査対象１０の上面１０Ｄ付近に対応する領域２６の信号強度は高く、溶接金属部１０Ｂに対応する領域２５と、母材部１０Ａに対応する領域２７での信号強度は低くなっている。

図５において、点線２３Ａ、２３Ｂは、ステップＳ１０１で決定した溶接熱影響部１０Ｃの領域の境界である。この点線２３Ａ、２３Ｂを図５の反射波強度分布データ（Ｂスコープ）に重ね合わせることにより、溶接熱影響部１０Ｃ内の損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの信号かどうかを容易に判別することができる。
溶接熱影響部１０Ｃからの信号は、損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの信号の他に、これらの損傷部以外の散乱波や、溶接金属部１０Ｂまたは母材部１０Ａとの境界での反射の信号も含まれているが、損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの信号に比べると小さく、図４（ｂ）〜（ｄ）で示すように、これらの信号が１つのピークを形成している。

以上により、溶接熱影響部１０Ｃ内の損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの信号の同定が行われたので、この損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの信号（反射信号）の強度を算出する（ステップ１０３）。

次に、ステップＳ１０４において、抽出した損傷部１０Ｖ１または１０Ｖ２の反射信号強度を損傷率に変換する。例えば、溶接部に損傷が発生している構造材料を利用して、予め図６に示すような損傷率と超音波信号反射信号強度のサンプル点２８を複数取得して、マスターカーブ２９を求めておく。このようなマスターカーブ２９を用いて、損傷率に変換する。例えば、領域２４Ａの信号強度を図６の関係と比べることで損傷率に変換できる。同様に、領域２４Ｂの信号強度についても、損傷率を求めることができる。

以上述べた第１の実施形態によれば次のような作用効果を得ることできる。
（１）超音波を用いて溶接部を検査する第１の実施形態の超音波検査装置は、溶接部に超音波を送信し、その反射波を受信する超音波センサ６Ａ，６Ｂと、超音波センサ６Ａ，６Ｂで受信した第１および第２の受信信号に基づいて溶接熱影響部１０Ｃを特定するとともに、溶接熱影響部１０Ｃ内に存在する損傷を検出し、損傷率を演算する演算部４を備える。
このような超音波検査装置によれば、溶接熱影響部１０Ｃを特定するようにしたので、金属材料の劣化を初期段階で検出する際に、検出された超音波の反射信号が溶接熱影響部内のボイドなどの損傷によるものか、あるいは溶接金属部の溶接欠陥ノイズや母材部の組織ノイズによるものかを容易に区別することができる。また、溶接熱影響部１０Ｃに存在する損傷の損傷率を精度よく演算することができる。

とくに高クロム鋼の溶接部では、溶接熱影響部１０Ｃ、母材部１０Ａ、溶接金属部１０Ｂにおいて、損傷以外の反射波、例えば溶接欠陥信号や組織境界信号が生じるので、溶接熱影響部１０Ｃからの反射波を明瞭に区別して検出できることで、損傷の発生しやすい溶接熱影響部の状態を確実に把握することができる。

（２）溶接部の形状データを記憶するデータ記憶部４Ａを設け、演算部すなわちデータ解析部４は、第１の受信信号と形状データとに基づいて溶接熱影響部１０Ｃを特定するようにした。その結果、第１の受信信号だけでは溶接熱影響部１０Ｃの特定が困難なときでも、形状データを参照して正確に溶接熱影響部１０Ｃを特定できる。
（３）第２の受信信号の強度に対する損傷率の関係を表す対応関係であるマスターカーブを参照して、溶接熱影響部１０Ｃで損傷が検出された領域内の第２の受信信号の強度に基づいて損傷率を演算するようにした。その結果、損傷率の演算が簡素化される。

（変形例１）
なお、上記の説明の損傷部１０Ｖ１または１０Ｖ２からの反射波ピークの強度の算出においては、図４（ｂ）〜（ｄ）のような超音波伝搬距離の全領域に対する反射波の強度分布（スペクトル）から求める以外に、損傷部からの反射波のピークのみを検出するように、信号検出時に時間ウィンドウ（ゲート）を設定して行ってもよい。ステップＳ１０１で溶接熱影響部１０Ｃからの反射信号が検出される超音波伝搬距離（信号遅延時間）が確定するので、これに基づいて溶接熱影響部１０Ｃからの反射信号のみを検出するように時間ウィンドウ（ゲート）を設定すればよい。

たとえば、図７（ａ）に示すように、斜め入射した超音波が溶接熱影響部１０Ｃを通過し、この部分の反射波を超音波探触子６Ｂで検出する時間ウィンドウ（ゲート）のタイミングを、超音波探触子６Ｂの移動に合わせて変更することにより、溶接熱影響部１０Ｃからの反射信号のみを検出することができる。

あるいは、溶接熱影響部１０Ｃの範囲からの反射信号を検出するような固定された幅の時間ウィンドウ（ゲート）を超音波探触子６Ｂの移動に合わせて時間的に移動してもよい。これは、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、横軸（超音波伝搬距離）で、超音波探触子６Ｂの移動に対応して移動する損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２からの反射波のピークに合わせてウィンドウ（ゲート）を移動することに対応する。

このように反射信号を測定することにより、ステップＳ１０２の動作の殆どを省略することができ、測定時間を短縮できる。

（変形例２）
溶接熱影響部１０Ｃ内の損傷部は、溶接熱影響部１０Ｃ内でほぼ中央部、すなわち検査対象１０の厚み方向で中央部に形成されることが多いので、上記変形例１でさらに、信号検出時に時間ウィンドウ（ゲート）を検査対象１０の厚み方向で中央部のみからの信号を検出するように設定する（図８（ａ）参照）。

たとえば、検査対象１０の厚み方向中央部の所定の範囲のみから反射される超音波を検出するように、時間ウィンドウ（ゲート）の幅と時間的位置を固定して設定することができる。この場合は図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、常に同じ横軸（超音波伝搬距離）の位置に所定の幅のウィンドウを固定することに対応する。

このようにして反射信号を測定する時間ウィンドウ（ゲート）を幅および時間的位置を固定することにより、ステップＳ１０２の動作の殆どを省略することができるとともに、処理するデータ量を大幅に削減できるので測定時間をさらに短縮できる。

なお、このウィンドウ位置は厚み方向中央部以外であっても、ほぼ同じ厚み方向の位置で固定するようにしてもよい。溶接部の形状や材質さらには溶接時の周囲の温度環境によっては、溶接熱影響部１０Ｃ内の損傷部は厚み方向中央部からずれる可能性もあるからである。

−第２の実施形態−
本発明の第２の実施形態による溶接部の超音波検査装置は、溶接熱影響部の領域を決定する精度を向上させるように改良したものである。
本実施形態における超音波検査装置の基本構成は、図１に示す第１の実施形態と同じであるので、相違点のみ主に説明する。
本実施形態の超音波検査装置の動作の概略を、図９のフローチャート、および図１０を参照して説明する。

ステップＳ２０１において、超音波を送受信して、反射波振幅から溶接熱影響部１０Ｃの位置を決定する。このステップＳ２０１は、第１の実施形態の図２で示したステップＳ１０１と略同じであり、測定値２１の最大値Ｒｓmaxとなる変化点２２Ｂ、２２Ｅから、溶接熱影響部１０Ｃの位置を検出する。ステップＳ１０１と異なる点は、この後、溶接熱影響部１０Ｃの幅Ｄや角度θを、溶接図面データを用いて、検査対象である種々の溶接部に応じて設定することである。

ステップＳ２０２において、溶接図面を参照して溶接熱影響部１０Ｃの領域を決定する。溶接図面は、例えば、図１０に示すような例であり、それぞれ実際はたとえばＣＡＤデータで与えられる。溶接熱影響部１０Ｃの幅Ｄや角度θは、実際は溶接部ごとに、溶接施工の開先形状や入熱条件に依存して変化するが、第１の実施の形態ではこれを溶接部に拘わらず固定値を採用した。しかし、溶接施行用のＣＡＤデータを参照することで、溶接熱影響部１０Ｃの領域を、溶接部ごとのＣＡＤデータから読み取った幅Ｄや角度θも参照してより正確に特定できる。

なお、上記では溶接施工の断面のみを参照して説明したが、検査対象１０はこの断面に直角な方向に２次元的な大きさを持っており、このような溶接施工は検査対象１０の例えば上面１０Ｄ側から連続的な線状となるように行われる。この連続的な溶接施工では、検査対象の厚みや周囲条件が変化することもあるので、これらに対応して開先形状や入熱条件を変更して溶接を行う。したがって、溶接施工の条件が様々に変化しうるような複雑な形状の検査対象において、ＣＡＤデータ等を用いることにより溶接熱影響部の幅や角度を正確に設定することができる。

ステップＳ２０３〜Ｓ２０５は、各々、第１の実施形態のステップＳ１０２〜Ｓ１０４と同様であるので、説明を省略する。
以上述べたように、本発明の第２の実施形態を用いて、溶接熱影響部１０Ｃの領域を決定する精度が向上する。

なお、上記の第１の実施の形態で説明した溶接施工での溶接熱影響部１０Ｃの形状パラメータである角度θや幅Ｄ、あるいは、第２の実施の形態で説明したＣＡＤデータは、図１で説明した記憶部４Ａに適宜記憶しておき、表示用のプログラムを動作させて表示部５に表示する（たとえば図３（ａ）参照）。これに超音波探触子６Ａ、６Ｂで検出した超音波のデータ解析部４での解析結果を重畳して表示することにより、溶接熱影響部からの超音波信号が検出されていることを視認することができる。

さらに、このように溶接熱影響部の形状を表示部５に表示しておき、この表示された形状の上で、上記で説明たように、図７（ａ）や図８（ａ）に示すように、ウィンドウ（ゲート）を設定することにより、図７（ｂ）や図８（ｂ）〜（ｄ）に示す、超音波の反射波を検出するためのウィンドウを設定することが可能である。図７（ａ）や図８（ａ）に示すような、画面上のウィンドウ（ゲート）の位置と、図７（ｂ）や図８（ｂ）〜（ｄ）に示す反射波検出のウィンドウ（ゲート）の位置は、超音波の入射角度および検査対象の超音波伝搬速度あるいは、図７（ｂ）や図８（ｂ）〜（ｄ）の実測スペクトルから容易に関係付けられる。

以上説明した第２の実施形態の超音波検査装置によれば、第1の実施形態の装置と同様な作用効果が得られる他、次の作用効果も得られる。
（１）溶接施工の図面に対応したＣＡＤデータ用いることにより、溶接部ごとに、溶接施工における検査対象の詳細な開先形状や入熱条件を考慮して溶接熱影響部１０Ｃの領域を特定することができ、損傷診断の精度が向上する。

−第３の実施形態−
本発明の第３の実施形態の超音波検査装置では、超音波アレイセンサを用いて、溶接熱影響部１０Ｃを特定する超音波センサと、損傷を検出する超音波センサとを兼用している。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る超音波検査装置のブロック図であり、検査対象１０と、これに超音波を入射するアレイ型超音波センサ１１、送・受信部１２、受信信号および探傷画像を表示する表示部１３で構成されている。

アレイ型超音波センサ１１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１４で構成される。アレイ型超音波センサ１１は、検査対象１０の探傷面に設置された後、送・受信部１２から供給される駆動信号により超音波１５を発生する。この超音波は検査対象１０内に伝播され、検査対象１０内で反射する。このような反射波を受信して送・受信部１２に入力する。

送・受信部１２は、アレイ型超音波センサ１１により超音波の送信と受信を行う。送・受信部１２は、計算機１２Ａと遅延時間制御部１２Ｂ、パルサー１２Ｃ、レシーバ１２Ｄ、それにデータ収録部１２Ｅを備える。このように構成された送・受信部１２は、パルサー１２Ｃが駆動信号をアレイ型超音波センサ１１に供給し、これによりアレイ型超音波センサ１１から入力される受信信号をレシーバ１２Ｄが処理する。

計算機１２Ａは、データ収録部１２Ｅから必要とされる外部データを読込んで演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１２Ｅへ出力する。また、計算機１２Ａは、遅延時間制御部１２Ｂとパルサー１２Ｃ、レシーバ１２Ｄを制御し必要な動作が得られるようにする。
まず、遅延時間制御部１２Ｂは、パルサー１２Ｃから出力される駆動信号のタイミングとレシーバ１２Ｄによる受信信号の入力タイミングの双方を制御し、これによりフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１１の動作を行わせる。フェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１１の動作とは、超音波１５の焦点位置と入射角度１６を制御して超音波を送信し受信する動作である。フェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１１により、レシーバ１２Ｄからデータ収録部１２Ｅに受信信号が供給される。

続いて、データ収録部１２Ｅは、供給された受信信号を処理し、収録データとして収録すると同時に計算機１２Ａにデータを送る。計算機１２Ａは各圧電振動素子で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理し、各超音波の入射角度ごとの波形に適宜の内挿処理を施し、ピクセルと呼ばれる２次元正方格子を単位としたピクセル形式の２次元探傷データを作成する。２次元探傷データは画像化されて表示部１３に表示される。

表示部１３は、２次元探傷データを表示する２次元表示画面１３Ｂ、および各圧電振動子の波形信号を表示する波形表示画面１３Ａを備えている。また、図１には表示部１３は一つしか示していないが、波形表示画面１３Ａと２次元表示画面１３Ｂは、複数の表示部に分担させて表示してもよい。

第３の実施形態の超音波検査装置の動作を図１２のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ３０１において、遅延時間を制御してアレイ型超音波センサ１１から超音波を送受信して、反射波振幅から溶接熱影響部１０Ｃの位置を決定する。この際に、検査対象１０の入射面に垂直方向に超音波を送信するように遅延時間を制御する。検査対象１０の概略垂直方向に伝搬した超音波は、検査対象１０の底面で反射して戻る底面反射波を受信する。

ステップＳ３０２において、遅延時間を制御してアレイ型超音波センサ１１から超音波を送受信して反射波強度分布を測定し、ステップＳ３０１で決定した溶接熱影響部１０Ｃの領域内の信号データを抽出する。このステップＳ３０１において、超音波送受信部２は、アレイ型超音波センサ１１に送信信号を印加する遅延時間を制御して、検査対象１０の入射面に対して斜め方向に超音波を入射させる。斜め方向に伝搬した超音波は、検査対象１０の内部で反射して戻る超音波反射波を受信する。この後のステップＳ３０２〜Ｓ３０４は、第１の実施形態の図２で示したステップＳ１０２〜Ｓ１０４と同等である。
なお、ステップＳ３０３は、第１の実施形態のステップＳ１０３と同じであるので、説明を省略する。

以上述べたように、第３の実施形態によれば、第１の実施形態の超音波検査装置と同様の作用効果を有するとともに、次の作用効果も得ることができる。
（１）１つのアレイ型超音波センサを用いて遅延時間を制御することにより、第１、第２の実施形態のように複数の超音波探触子を用いる必要が無く、測定手順を簡素化できる。

なお、この第３の実施形態の超音波検査装置を、前述の第１の実施形態の変形例１や２のように動作させることも可能であり、このように動作させることで、測定時間の短縮や処理データの削減が可能となる。

（変形例３）
以上で説明した溶接熱影響部１０Ｃの損傷部１０Ｖ１、１０Ｖ２の反射波強度から算出した損傷率が所定値以上のときに、演算部４が警告を出力するようにしてもよい。また、演算部４は、損傷率を所定時間間隔で演算して記憶し、この損傷率の時間変化を演算し、その時間変化に基づいて、たとえばクリープ損傷が発達して亀裂となり、問題が発生すると思われる時期を推定することも可能である。

この変形例３の超音波検査装置では次のような作用効果を得ることができる。
（１）演算部４は、損傷率が所定の損傷率より大きい場合に警告を出力するように構成すれば、保守作業での信頼性が向上する。
（２）演算部４は、損傷率の時間変化に基づいて、損傷率が所定の損傷率に達する前に警告を出力するように構成すれば、より確実に溶接部の寿命予測を行うことができる。
（３）したがって、問題が発生した場合、あるいは問題が発生するより充分前に部品交換等のアラームを発生するなどの機能を盛り込むことができる。その結果、より安全性の高い溶接部の超音波検査装置とすることができる。

以上の実施形態や変形例をさらに以下のように変形することができる。
（１）以上説明した第１実施形態では、平面状に広がった検査対象の表面で、溶接部位を横切るように超音波探触子６Ａ，６Ｂを走査し、この表面に垂直に超音波を送受信するか、あるいはこの表面に斜め方向から超音波を送受信するように説明したが、検査対象は平面状に限定されない。
（２）超音波探触子６Ａ，６Ｂを搭載した移動体を検査対象１０の表面で移動させて検査対象１０を走査するように構成してもよい。超音波探触子６Ａ，６Ｂを作業者が手動で検査対象表面を走査することもできる。

以上の説明は本発明の実施形態および変形実施の例であり、本発明はこれらの実施形態や変形実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。とりわけ本発明では、第１および第２の実施形態のそれぞれに、第３の実施形態および変形例１〜３を適宜組み合わせて実施することが可能である。このように第１〜第３の実施形態および変形例１〜３を組み合わせて実施することにより、使いやすくかつ迅速に金属部材の溶接部の損傷状態を検査できる超音波検査装置とすることができる。もちろん、検査対象の材料は高クロム鋼に限定されないし、検査対象は圧力容器や配管にも限定されない。

１…超音波検査装置
２…超音波送受信部
３…データ収録部
４…データ解析部
４Ａ…データ記憶部
５…表示部
６Ａ…超音波センサ
６Ｂ…超音波センサ
７Ａ…超音波
７Ｂ…超音波
１０…検査対象
１０Ａ…母材部
１０Ｂ…溶接金属部
１０Ｃ…溶接熱影響部
１０Ｄ…検査対象１０の上面（超音波探触子の走査面）
１０Ｅ…検査対象１０の底面
１１…アレイ型超音波センサ
１２…送・受信部
１２Ａ…計算機
１２Ｂ…遅延時間制御部
１２Ｃ…パルサー
１２Ｄ…レシーバ
１２Ｅ…データ収録部
１２Ｆ…データ記憶部
１３…表示部
１３Ａ…波形表示画面
１３Ｂ…２次元表示画面
１４…圧電振動素子
１５…超音波
１６…入射角度
２１…測定値
２２Ａ〜２２Ｆ…測定値の変化点
２３…溶接熱影響部１０Ｃの領域の境界線
２４Ａ、２４Ｂ…溶接熱影響部１０Ｃからの反射波信号
２５…溶接金属部１０Ｂ内からの散乱波信号
２６…送信信号の検査対象表面からの残響（散乱）信号
２７…母材部１０Ａ内からの散乱波信号
２８…超音波信号振幅のサンプル点
２９…損傷率マスターカーブ

Claims (10)

1. 超音波を用いて溶接部を検査する超音波検査装置において、
   前記溶接部に超音波を送信し、その反射波を受信する少なくとも一つの超音波センサと、
   領域特定のために前記超音波センサで前記溶接部を走査して得られた第１の受信信号に基づいて前記溶接熱影響部を特定し、損傷分析のために前記超音波センサで前記溶接部を走査して得られた第２の受信信号に基づいて、前記溶接部における溶接欠陥または損傷を検出し、前記特定された溶接熱影響部に存在する損傷を抽出し、前記抽出された損傷の程度である損傷率を演算する演算部とを備えることを特徴とする超音波検査装置。
2. 請求項１に記載の超音波検査装置において、
   前記演算部は、前記溶接部の形状データを記憶するデータ記憶部を有し、
   前記演算部は、前記第１の受信信号と前記形状データとに基づいて前記溶接熱影響部を特定することを特徴とする超音波検査装置。
3. 請求項１に記載の超音波検査装置において、
   前記演算部は、前記第２の受信信号の強度に対する損傷率の関係を表す対応関係を記憶する記憶部を有し、
   前記対応関係を参照して、前記溶接熱影響部で損傷が検出された領域における第２の受信信号の強度に基づいて前記損傷率を演算することを特徴とする超音波検査装置。
4. 請求項１に記載の超音波検査装置において、
   前記超音波センサとして、第１および第２の超音波センサを有し、
   前記第１の受信信号は、前記第１の超音波センサから前記溶接部に第１の角度で入射した超音波の受信信号であり、
   前記第２の受信信号は、前記第２の超音波センサから前記溶接部に第２の角度で入射した超音波の受信信号であることを特徴とする超音波検査装置。
5. 請求項１に記載の超音波検査装置において、
   前記超音波センサとして、超音波アレイセンサを有し、
   前記第１の受信信号は、前記超音波アレイセンサから略垂直角度で前記溶接部に入射した超音波の受信信号であり、
   前記第２の受信信号は、前記超音波アレイセンサから斜入射角度で前記溶接部に入射した超音波の受信信号であることを特徴とする超音波検査装置。
6. 請求項３に記載の超音波検査装置において、
   前記演算部は、前記損傷率が所定の損傷率より大きい場合に警告を出力することを特徴とする超音波検査装置。
7. 請求項３に記載の超音波検査装置において、
   前記演算部は、前記損傷率の時間変化に基づいて、前記損傷率が所定の損傷率に達する前に警告を出力することを特徴とする超音波検査装置。
8. 超音波を用いて溶接部を検査する超音波検査方法において、
   領域特定のために、超音波センサで前記溶接部を走査しつつ前記溶接部に超音波を送信し、その反射波を第１の受信信号として受信し、
   損傷分析のために、前記超音波センサで前記溶接部を走査しつつ前記溶接部に超音波を送信し、その反射波を第２の受信信号として受信し、
   前記得られた第１の受信信号に基づいて前記溶接熱影響部を特定し、
   前記第２の受信信号に基づいて、前記特定された溶接熱影響部に存在する損傷を抽出し、
   前記特定された溶接熱影響部で検出される前記損傷の程度を損傷率として演算し、
   前記演算した損傷率を出力することを特徴とする超音波検査方法。
9. 請求項８に記載の超音波検査方法において、
   前記溶接部の形状データを記憶し、
   前記第１の受信信号と前記形状データとに基づいて前記溶接熱影響部を特定することを特徴とする超音波検査方法。
10. 請求項８に記載の超音波検査方法において、
    前記第２の受信強度に対する損傷率の関係を表す対応関係を記憶し、
    前記対応関係を参照して、前記損傷が検出された領域での第２の受信信号の強度に基づいて前記損傷率を演算することを特徴とする超音波検査方法。

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