JP5061891B2 - 亀裂状欠陥深さの測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検査体に発生した亀裂状欠陥の深さを超音波法により測定する方法に関する。詳しくは、亀裂先端の幅が狭くても、亀裂状欠陥の深さを精度良く、簡便に測定する方法に関する。

部材には応力を受けて、表面から内部に向かって亀裂が発生することがある。この欠陥に対して寿命評価を行うために、その深さを測定する必要がある。
亀裂状欠陥の非破壊検査には超音波探傷試験が行われており、その亀裂状欠陥の深さの測定方法として、送信用斜角探触子および受信用垂直探触子を配置し、送信用斜角探触子から送信し、亀裂先端で反射されてくるエコーおよび亀裂先端で部材底面に向かって回折し、部材底面で反射してくるエコーを受信用垂直探触子で受信し、これら二つのビーム路程を用いて幾何学的に亀裂状欠陥の深さを求める方法（特許文献１参照。）が知られている。

しかしながら、この方法は比較的精度が良く、簡便で良い方法であるが、亀裂先端の幅が小さい時、先端が細かく分岐している時などに、一方のエコー、特に亀裂先端で反射されてくるエコーが検出されずに亀裂状欠陥の深さを求めることができないことがある。したがって、より精度が高く、簡便な亀裂状欠陥の深さを測定する方法が望まれている。
特開平１１−５１９０９号公報

本発明は、亀裂先端の幅が狭くても、亀裂状欠陥の深さを精度良く、簡便に測定する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、亀裂先端で反射されてくるエコーに対応するビーム路程、または亀裂先端で被検査体底面に向かって回折し、その底面で反射してくるエコーに対応するビーム路程のうちどちらか一つのビーム路程のみを用いても、幾何学的に亀裂状欠陥の深さを求めることができることを見出し、本発明に至った。

すなわち本発明は、被検査体に発生した亀裂状欠陥の深さを超音波法により測定する方法において、斜角探触子を被検査体上に配置して超音波を送信し、この斜角探触子に対向して前記被検査体に発生した亀裂状欠陥の真上に垂直探触子を配置し、該欠陥先端からの縦波回折波または該欠陥先端で該被検査体底面に向かって回折し、該被検査体底面で反射してくる縦波回折底面波を受信し、得られる該縦波回折波に対応する斜角探触子から垂直探触子までのビーム路程（Ｗ_１）または該縦波回折底面波に対応する斜角探触子から垂直探触子までのビーム路程（Ｗ_２）に基づいて幾何学的に該亀裂状欠陥の深さを求めることを特徴とする亀裂状欠陥深さの測定方法である。

本発明の方法によって、亀裂先端の幅が狭くても、亀裂状欠陥の深さを精度良く、簡便に測定することができる。

本発明の一実施形態を示す。図１は概略断面図であり、亀裂状欠陥３（深さ：ｄ）が被検査体（厚さ：ｔ）の下部に存在し、送信用の斜角探触子１が被検査体上に配置され、この斜角探触子に対向して受信用の垂直探触子２が配置されている。斜角探触子および垂直探触子は超音波探傷装置（図示されていない。）に接続され、制御、処理が行われる。

斜角探触子から縦波または横波の超音波を屈折角θで送信する。送信された超音波は亀裂状欠陥先端で回折し、また、亀裂状欠陥先端で被検査体底面に向かって回折し、被検査体底面で反射されて垂直探触子で受信される。亀裂状欠陥の無いところでは受信信号は得られない。
垂直探触子を走査し、亀裂状欠陥先端からの縦波回折波（Ｌ_１エコー）または亀裂状欠陥先端で被検査体底面に向かって回折し、被検査体底面で反射してくる縦波回折底面波（Ｌ_２エコー）を受信し、これらのエコーが最大となる位置（亀裂状欠陥の真上）に配置する。この結果、斜角探触子と垂直探触子との間の距離Ｙが決定される。
斜角探触子から送信する超音波が縦波または横波であっても垂直探触子では縦波の超音波が受信される。

本発明においては、縦波回折波（Ｌ_１エコー）に対応する斜角探触子から垂直探触子までのビーム路程（Ｗ_１）または縦波回折底面波（Ｌ_２エコー）に対応する斜角探触子から垂直探触子までのビーム路程（Ｗ_２）のいずれかに基づいて幾何学的に亀裂状欠陥の深さを求める。
Ｗ_１およびＷ_２の長さは、超音波の発信から受信までの時間と予め決まっている被検査体内の縦波または横波の伝播速度とから求められ、通常、超音波探傷装置で処理される。

具体的には、Ｗ_２はＷ_１より亀裂状欠陥の深さの２倍長いこと、三角形の定理に基づいて計算する。その計算式を以下に示す。なお式中、ｄは亀裂状欠陥の深さ、ｔは被検査体の厚さを表す。
（１）縦波送信でＬ_１エコーが検出されている場合、次式（１）で亀裂状欠陥の深さが求められる。
ｄ＝ｔ−(Ｗ₁ ²−Ｙ²)／２Ｗ₁ ・・・・・（１）
（２）縦波送信でＬ_２エコーが検出されている場合、次式（２）で亀裂状欠陥の深さが求められる。
ｄ＝Ｙ²−Ｗ₂ ²＋２ｔＷ₂／２(２ｔ−Ｗ₂) ・・・・・（２）
（３）横波送信でＬ_１エコーが検出されている場合、次式（３）で亀裂状欠陥の深さが求められる。
ｄ＝ｔ−(−ｂ−√(ｂ²−ａｃ))／ａ ・・・・・（３）
ただし、ａ＝１−γ²、γ＝Ｃ_L／Ｃ_S 、ｂ＝−Ｗ₁ 、ｃ＝Ｗ₁ ²−γ²＋Ｙ²
Ｃ_L：縦波音速、Ｃ_S：横波音速
（４）横波送信でＬ_２エコーが検出されている場合、次式（４）で亀裂状欠陥の深さが求められる。
ｄ＝(−ｂ±√（ｂ²−ａｃ))／ａ ・・・・・（４）
ただし、ａ＝１−γ²、γ＝Ｃ_L／Ｃ_S 、
ｂ＝−Ｗ₂＋ｔ(１＋γ²) 、ｃ＝(Ｗ₂−ｔ) ²−γ² (Ｙ²＋ｔ²)
Ｃ_L：縦波音速、Ｃ_S：横波音速

超音波の送信角度（屈折角）θは、図１に示すとおり、超音波の送信方向と垂線との角度である。被検査体の材質、厚さなどにもよるが、回折エコーの識別性（S／N比）は、屈折角θが約６４°で最大となり、一方、回折エコーの感度（振幅）は、屈折角θが約６２°を超えると低下してゆく。識別性と感度のバランスを考慮して、屈折角θは約６２〜６６°で行うのが好ましい。

本発明の方法によって、従来、Ｌ_１エコーが検出できず、測定し難かった亀裂幅が狭い欠陥、浅い欠陥も、約１ｍｍ以内の精度で亀裂状欠陥の深さを測定できる。

以下、本発明を実施例で更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
被検査体として次の疲労割れ試験片（表１）を準備した。

使用機器類を以下に示す。
（１）超音波探傷装置：EPOCH 4 PLUS（オリンパス社製）
（２）超音波探触子

（３）ウェッジ
・可変角斜角ウェッジ：ABWX-1001（オリンパス社製）
・縦波78°ウェッジ：362-001-051（GE社製）
・縦波60°ウェッジ：210-852-131（GE社製）
・横波45°ウェッジ：ABWM-4T（オリンパス社製）
（４）接触媒質：ソニコート BSL‐400 （サーンガスニチゴウ社製）

実験例１
被検査体として上記の試験片Ｎｏ．１の疲労割れ試験片について、送信用斜角探触子として上記のＶ４０６、可変角斜角ウェッジ、受信用垂直探触子として上記のＶ１０９を用いて屈折角θの影響について測定した。
屈折角はスネルの法則を基に計算した値で設定し、その後、標準試験片（STB-A1）を用いて実測した。
探傷波形の一例を図２に示す。縦波で屈折角６４°、探触間距離Ｙが４５ｍｍの時のものである。Gainは７７．７dBであった。
結果を表３および図３に示す。

*：屈折角（計算）が80°の時のGainを基準とし、その差で表わす。

Ｌ_１エコーとＬ_２エコーがそれぞれ認められている。屈折角６６°を超えたあたりから、計算値で設定した屈折角とSTB-A1で実測した屈折角の差が大きくなり、それに伴い感度及び識別性の低下が認められる。

Ｌ_１エコーの識別性（S／N比）は屈折角６４°が最大（Ｓ／Ｎ比＝３．７）であり、Gain(感度)は屈折角が６２°を超えると、屈折角が大きくなるほどGainが下がる特性が認められる。

実験例２
被検査体として上記の試験片Ｎｏ．１の疲労割れ試験片について、送信用斜角探触子として上記のＶ５４３、縦波７８°ウェッジ、横波４５°ウェッジ、受信用垂直探触子として上記のＶ１０９を用いて亀裂状欠陥の深さを測定した。
なお、探触子のゼロ点調整は、亀裂深さが既知のスリット試験片のＬ_１エコーで行なった。

得られた探傷波形を図４に示す。
縦波（78°，実測64°）送信ではＬ_１エコーとＬ_２エコーが認められる。探触子間距離は６０．０ｍｍで、それぞれの路程は、Ｗ_１＝８４．１４ｍｍ、Ｗ_２＝９８．３７ｍｍであった。
上記の式（１）を用いて計算した亀裂状欠陥の深さは７．２ｍｍであった。
上記の式（２）を用いて計算した亀裂状欠陥の深さは６．９ｍｍであった。

なお、従来の特許文献１に記載の方法では次式（５）で亀裂状欠陥の深さを求める。
ｄ＝（Ｗ_２−Ｗ_１＝）／２ ・・・・・（５）
この式（５）を用いて計算した亀裂状欠陥の深さは７．１ｍｍであった。

横波送信ではＬ_１エコーは認められず、Ｌ_２エコーが認められる。探触子間距離は２５．０ｍｍで、ビーム路程は、Ｗ_２＝９４．２７ｍｍであった。
従来の方法では亀裂状欠陥の深さを求めることはできず、上記の式（４）を用いて計算した亀裂状欠陥の深さは６．８ｍｍであった。

実験例３
被検査体として上記の試験片Ｎｏ．２、３、４の疲労割れ試験片について、送信用斜角探触子として上記のＶ５４４、縦波６０°ウェッジ、受信用垂直探触子として上記のＶ１１１を用いて亀裂状欠陥の深さを測定した。
なお、試験片は疲労試験機を用いて人工的に疲労割れを発生させたものである。
結果を表４に示す。

試験片Ｎｏ．２、３、４について、試験片を破壊して亀裂深さを調査した。断面観察にて割れ状況を確認した結果、試験片Ｎｏ．２については亀裂の幅も比較的大きく、これに対して、Ｎｏ．３、４は亀裂幅が１μｍ以下と非常に小さい。これらの亀裂について拡大投影機を用いて亀裂深さの測定を行った結果を表４に観察値として示した。測定値と観察値は約１ｍｍ以内で一致している。

本発明の一実施形態を示す概略断面図である。 実験例１で得られた探傷波形の一例を示す図である。 屈折角とＳ／Ｎ比、Gainとの関係を示す図である。 実験例２で得られた探傷波形を示す図である。

符号の説明

１ 斜角探触子
２ 垂直探触子
３ 亀裂状欠陥
θ 屈折角
ｄ 亀裂状欠陥
ｔ 被検査体厚さ
Ｙ 探触子間距離
Ｌ_１ 欠陥先端からの縦波回折波
Ｌ_２ 欠陥先端で回折し、該被検査体底面で反射してくる縦波回折底面波エコー

Claims (1)

1. 被検査体に発生した亀裂状欠陥の深さを超音波法により測定する方法において、斜角探触子を被検査体上に配置して超音波を送信し、この斜角探触子に対向して前記被検査体に発生した亀裂状欠陥の真上に垂直探触子を配置し、該欠陥先端からの縦波回折波または該欠陥先端で該被検査体底面に向かって回折し、該被検査体底面で反射してくる縦波回折底面波を受信し、得られる該縦波回折底面波に対応する斜角探触子から垂直探触子までのビーム路程（Ｗ_２）に基づいて次式（２）から亀裂状欠陥の深さｄを求める、または次式（４）から亀裂状欠陥の深さｄを求めることを特徴とする亀裂状欠陥深さの測定方法。
   ｄ＝Ｙ_２−Ｗ_２ ^２＋２ｔＷ_２／２(２ｔ−Ｗ_２) ・・・・・（２）
   （式中、ｔは被検査体の厚さ、Ｙは探触子間距離を表す。）
   ｄ＝(−ｂ±√（ｂ^２−ａｃ))／ａ ・・・・・（４）
   （式中、ａ＝１−γ^２、γ＝Ｃ_Ｌ／Ｃ_Ｓ、ｂ＝−Ｗ_２＋ｔ(１＋γ^２)、
   ｃ＝(Ｗ_２−ｔ)^２−γ^２(Ｙ^２＋ｔ^２)であり、Ｃ_Ｌは縦波音速、Ｃ_Ｓは横波音速を表す。）

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