超音波検査方法
【課題】一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定する超音波検査方法を提供することにある。
【解決手段】
送信用と受信用の２つの超音波探触子１０２Ｂ１，１０２Ｂ２を結晶成長方向に平行方向に対向させ、被検体１０１に対して斜め方向に縦波超音波を伝搬させる。これにより、音響異方性を有する結晶組織から構成される被検体１０１に対して超音波１０４Ａ”，１０４Ｂ”を入射させ、被検体内を伝搬する超音波の音速と伝搬時間に基づいて、被検体の厚さを測定する。
【解決手段】
送信用と受信用の２つの超音波探触子１０２Ｂ１，１０２Ｂ２を結晶成長方向に平行方向に対向させ、被検体１０１に対して斜め方向に縦波超音波を伝搬させる。これにより、音響異方性を有する結晶組織から構成される被検体１０１に対して超音波１０４Ａ”，１０４Ｂ”を入射させ、被検体内を伝搬する超音波の音速と伝搬時間に基づいて、被検体の厚さを測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査方法に係り、特に、一方向凝固材や単結晶などのように音響異方性を有する鋳造物の、厚さ等の寸法を測定するに好適な超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属などの板厚や寸法測定には、縦波あるいは横波の反射波を用いた超音波探傷方法が用いられている。パルス状の縦波または横波超音波を被検体表面から被検体内部へ伝搬させ、被検体の底面から反射される反射波を受信する。この反射波の伝搬時間、または多重反射波間の伝搬時間差を計測し、被検体の厚さの伝搬時間と音速を乗算することで、伝搬距離に換算し、厚さを測定する。
【０００３】
圧延材や鍛造材など、結晶組織を均質にする加工を施した金属材料の場合、超音波の音速は、伝搬方向によらずほぼ一定の値を取る。この特性を持つ材料のことを、等方性材料と呼び、等方性を持つ材料については、上記の方法により高精度に厚さを測定することができる。
【０００４】
一方、鋳造物は、溶融した金属が冷却される過程で形成される粗大な凝固組織（結晶粒）から構成される。この凝固組織は、超音波の伝わる方向ごとに、音速や減衰率等の音響的な特性が異なる性質（音響異方性）を持つことが一般に知られている。
【０００５】
例えば、ステンレス鋼やニッケル基合金等のオーステナイト系の材料の場合、結晶粒は立方晶の単結晶であり、冷却過程において結晶方位が＜１００＞方向に揃いながら凝固する。この＜１００＞方向を結晶成長方向と言う。凝固組織は複数の結晶粒から構成されているため、鋳造物の音響特性は複数の結晶粒の特性の統計量に依存する。すなわち、結晶成長方向は、平均値として＜１００＞方向に向いており、ばらつきはおよそ１５度程度である。さらに、結晶成長方向に直交する方向については、それぞれの結晶粒において、結晶方位がランダムな方向を向くことが知られている。
【０００６】
したがって、鋳造物などの粗大な凝固組織から成る被検体の厚さを測定のうち、特に、結晶成長方向に直交する方向の厚さを測定する場合には、板厚方向に関して、結晶方位がランダムとなり、音響異方性により超音波の伝搬方向によって超音波音速の値が変化するために、精度のよい厚さ測定が困難となる。
【０００７】
これに対して、被検体と同等の結晶方位をもつ校正用の試験体により、予め実効的な音速値を測定し、厚さ測定をする方法も知られている。しかしながら、結晶方位が結晶成長方向＜１００＞に直交する方向がランダムとなっているため、校正試験体によって被検体の音速を再現することは困難である。
【０００８】
したがって、精度のよい測定を行うためには、凝固組織を構成する結晶粒の結晶方位を予め測定する必要があり、簡便な計測ができないという問題点がある。
【０００９】
また、等方性材料に対する検査方法が直接有効でない異方性材料の超音波検査方法として、被検体の結晶成長方向と一致する振動方向を持った横波超音波を入射させる手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３３８０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、鋳造物などの凝固組織においては、結晶粒の結晶成長方向は統計的なばらつきを持つために、特許文献１記載のように、横波超音波の振動方向を結晶成長方向である＜１００＞と一致させるには、被検体を構成する結晶粒の結晶成長方向を予めマクロ観察等の別の手法で測定しておく必要がある。さらに、結晶成長方向を予め測定したとしても、被検体の厚さを測定する箇所に位置する結晶粒において、被検体表面内に結晶成長方向＜１００＞が存在するするとは限らないため、結晶成長方向に振動方向を持つ横波を伝搬させることが困難である。
【００１２】
よって、被検体が音響異方性を持ち、かつ、音響異方性の原因となる凝固組織を構成する結晶粒の結晶方位が統計的なばらつきを持つ場合においては、被検体の厚さを精度良く測定するには、予め組織方向を測定する必要があり、簡便に精度良く測定することが困難であるという問題点があった。
【００１３】
本発明の目的は、一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定する超音波検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、音響異方性を有する結晶組織から構成される被検体に対して超音波を入射させ、前記被検体内伝搬する超音波の音速と伝搬時間に基づいて、前記被検体の厚さを測定する超音波検査方法であって、送信用と受信用の２つの超音波探触子を結晶成長方向に平行方向に対向させ、前記被検体に対して斜め方向に縦波超音波を伝搬させるようにしたものである。
かかる方法により、縦波超音波を結晶粒が音響異方性を持つ被検体中に斜め方向に伝搬させることにより、結晶成長方向に対して直交する方向の厚さを測定する場合において、結晶粒ごとにランダムな向きをとる結晶方位（結晶成長方向と直交する成分）について、統計的なランダムさの影響を受けにくい斜め方向に伝搬する超音波の伝搬時間に注目することで、平均的な伝搬時間を計測することができる。したがって、被検体中の平均的な縦波超音波の伝搬時間と、縦波超音波の超音波音速から、一方向凝固材鋳造物などの金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをも被検体に対して、被検体中を縦波超音波が伝搬する距離から被検体の厚さを求めることができる。その結果、一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記縦波超音波の音速として、結晶方位＜１１０＞方向に伝搬する縦波音速の最大値と最小値の平均音速を用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体の説明図である。
【図４】一方向凝固材における超音波音速の変化の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる平均音速の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる校正試験体の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法における伝搬時間の求め方の説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の測定原理の説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の測定原理の説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における測定原理の説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における厚さの計算方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜図８を用いて、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【００１９】
縦波垂直超音波探触子１０２は、遅延剤１０２Ａを介して、被検体１０１に接触している。被検体１０１は、一方向凝固材からなる。遅延剤１０２Ａは、ポリスチレン等の合成樹脂性のブロックであり、被検体表面１０１Ａからの反射波を得るために用いられる。縦波垂直超音波探触子１０２と遅延剤１０２Ａとの間、及び遅延剤１０２Ａと被検体１０１との間は、それぞれ、接触媒質を介して接触させるようにする。なお、被検体１０の表面１０１Ａが平面加工されてない場合は、被検体１０１との接触性改善を図るために、遅延剤１０２Ａの形状を例えば曲面形状に加工してもよいものである。
【００２０】
縦波垂直超音波探触子１０２は、超音波を送信及び受信するものであり、圧電変換素子１０２Ｂを備えている。超音波探傷器１０３は、パルサー１０３Ａと、レシーバ１０３Ｂとを備えている。
【００２１】
縦波超音波探触子１０２は、超音波探傷器１０３のパルサー１０３Ａから電圧を供給され、超音波探触子１０２内の圧電変換素子１０２Ｂにより、電気信号を振動に変化させる。この振動により、被検体１０１内部に縦波の超音波１０４が発生する。超音波１０４は、被検体１０１の表面１０１Ａに対して垂直方向に送信され、被検体１０１の表面１０１Ａで反射される反射波１０４Ａと、底面１０１Ｂで反射される反射波１０４Ｂが生成される。
【００２２】
反射した超音波１０４Ａ，１０４Ｂは、再び超音波探触子１０１の圧電変換素子で振動から電気信号に変換される。受信された電気信号は、超音波探傷器１０３のレシーバ１０３Ｂで受信され、表示装置１０５に波形信号１０６Ａ，１０６Ｂとして表示される。ここで、波形信号１０６Ａは被検体の表面からの反射波の波形であり、波形信号１０６Ｂは被検体の底面からの反射波の波形である。これらの波形信号１０６Ａ，１０６Ｂから、被検体１０１を伝搬した時間差Ｔ１を測定して、超音波音速に時間差Ｔ１を乗算することで、厚さを評価することができる。
【００２３】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体１０１の詳細について説明する。
図２及び図３は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体の説明図である。
【００２４】
図１に示したように、被検体１０１である一方向凝固材は、一方向凝固材と呼ばれる鋳造品であり、ある特定の結晶方位が揃った複数の結晶粒１０１Ｃから構成される多結晶体である。
【００２５】
特定の結晶方位とは、鋳造品が冷却過程で成長する結晶方位を指し、ステンレス鋼やニッケル基合金などの立方晶系の金属の場合、図２に示すように、結晶成長方向２０１は、結晶方位＜１００＞に揃う性質がある。一方、結晶成長方向２０１に直交する結晶方位はランダムな分布となる。
【００２６】
以上から、一方向凝固材を構成する結晶粒は、結晶成長方向２０２が＜１００＞方向、結晶成長方向２０２を回転中心とした回転角２０２はランダムというモデルで、近似的に取り扱うことができる。
【００２７】
従って、図２に示すように、一方向凝固材において、結晶成長方向に直交する方向の板厚２０３を測定する場合、結晶成長方向に直交する方向のランダム性により、厚さを測定する箇所によって、超音波伝搬方向と結晶粒なす角が異なる状況が発生する。例えば、図３（Ａ）に示すような結晶粒３０１の場合には、超音波伝搬方向に対して、約４５°方向に結晶方位＜１００＞が傾斜している。また、図３（Ｂ）に示すような結晶粒３０２に対しては、結晶方位＜１００＞とほぼ平行方向に超音波が伝搬する。
【００２８】
次に、図４を用いて、一方向凝固材における超音波音速の変化について説明する。
図４は、一方向凝固材における超音波音速の変化の説明図である。なお、図４において、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００２９】
図４（Ａ）は、超音波伝搬方向１０４と、結晶方位のなす角度θ１の関係を図示している。
【００３０】
図４（Ｂ）は、超音波伝搬方向１０４と、結晶方位のなす角度θ１による超音波音速の変化の例として、ニッケル基合金の場合の縦波超音波の理論値を示している。
【００３１】
超音波伝搬方向と＜１００＞が平行なとき（θ１が０°のとき）に最も音速が遅く、約５３００ｍ／ｓであり、＜１００＞と４５°方向の場合に最も音速が早く、約６１００ｍ／ｓとなることが分かる。このように一方向凝固材では、厚さ測定箇所の結晶粒の結晶方位がランダムな方向を向くために、結晶粒を伝わる音速を定めることができない。
【００３２】
超音波による厚さ測定は、超音波音速と伝搬時間の乗算により計算されるので、音速の値を決められないと、板厚を決めることができない。
【００３３】
そこで、本実施形態では、平均的な音速値を利用して、厚さを測定する。平均音速を求める従来手法として、被検体を模擬した校正用試験体を用いて、平均音速を評価する方法がある。しかしながら、被検体にはランダム性が存在するため、統計的に有意な音速値を得るためには、複数の校正試験体で複数箇所の測定を行う必要がある。
【００３４】
次に、図５を用いて、本実施形態による超音波検査方法にて用いる平均音速について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる平均音速の説明図である。
【００３５】
図５（Ａ）に示すように、平均音速を求めるために、結晶方位として、＜１００＞方向、＜１１０＞方向、＜２１０＞方向の３方向を考える。そして、それぞれの方向について音速を求める。
【００３６】
図５（Ｂ）は、＜１００＞方向、＜１１０＞方向、＜２１０＞方向の３方向に伝搬する縦波超音波音速を示しており、本実施例では、３方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値を平均音速として用いる。
【００３７】
すなわち、結晶成長方向に対して直交する方向の厚さを測定する場合において、結晶粒ごとにランダムな向きをとる結晶方位（結晶成長方向と直交する成分）について、３つの結晶方位＜１００＞、＜１１０＞、＜２１０＞と平行方向に伝搬する超音波の音速の平均値を用いることで、凝固組織を構成する結晶方位の平均音速を近似的に与えることができる。そして、被検体中の超音波伝搬時間と、平均音速から、一方向凝固材鋳造物などの金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをも被検体に対して、被検体中を縦波超音波が伝搬する距離から被検体の厚さを求めることができる。
【００３８】
ここで、超音波伝搬方向と＜１００＞が平行なとき（θ１が０°のとき），すなわち、＜１００＞方向の音速が約５３００ｍ／ｓであり、＜１００＞と４５°方向，すなわち、＜１１０＞方向の音速が約６１００ｍ／ｓであり、＜１００＞と２２．６°方向，すなわち、＜２１０＞方向の音速が約５９００ｍ／ｓであるので、これらの平均値は、約５８００ｍ／ｓとなる。
【００３９】
このように平均音速を用いることで、結晶成長方向に直交する方位のランダムさを平均値で置き換えることで、誤差を少なくして音速値を定めることで厚さを評価できるようになる。また、特定の結晶方位に伝搬する超音波の音速により平均音速を算出するため、結晶方位が既知の校正試験体を作成すればよいので、一方向凝固材の結晶組織を模擬した校正試験体を複数準備することは不要とり、簡便な校正が可能となる。
【００４０】
平均音速を求める方法として、＜１００＞方向、＜１１０＞方向の２方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値を求めると、音速の最大値と最小値の平均を取るることとなり、この場合、平均音速は約５７００ｍ／ｓとなる。但し、図５（Ｂ）に示すように、＜１００＞方向と超音波伝搬方向のなす角度を０°〜４５°まで変化させたときの音速の変化は、０°の時の音速と４５°の時の音速を結ぶ線よりも上に凸となっている。従って、＜１００＞方向、＜１１０＞方向の２方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値では、０°〜４５°まで変化させたときの音速の平均値よりも僅かに小さくなる。それに対して、＜２１０＞方向を加えて、＜１００＞方向、＜１１０＞方向、＜２１０＞方向の３方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値をとると、約５８００ｍ／ｓとなる。この平均音速を用いて、数種類の試験体の厚さを計測した所、比較的良く一致していたので、この３方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値を平均音速として用いることで、誤差を少なくできる。
【００４１】
次に、図６を用いて、本実施形態による超音波検査方法にて用いる校正試験体の構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる校正試験体の説明図である。
【００４２】
本実施形態で用いる校正試験体の材質は、一方向凝固材と同等の材質を用いて、単結晶材として試験体を製作する。
【００４３】
校正試験体の結晶方位は、超音波伝搬方向に対して、結晶方位が＜１００＞方向の試験体６００Ａ（図６（Ａ））、＜１１０＞方向の試験体６００Ｂ（図６（Ｂ））、＜２１０＞方向の試験体６００Ｃ（図６（Ｃ））となる３種類とする。
【００４４】
また、試験体形状として、図６（Ｄ）に示すように、例えば、厚さの異なる部分（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を備えた階段形状試験体６００となるように加工する。階段形状試験体６００は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示した異なる結晶方位にそれぞれについて用意される。
【００４５】
そして、図６（Ｄ）に示すように、超音波探触子１０２を用いて、階段形状試験体６００の厚さの異なる部分（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）のそれぞれについて音速を算出し、それらの平均をその結晶方位に対する音速とする。さらに、３種類の結晶方位に対する縦波超音波音速をそれぞれ測定する。そして、３つの音速の平均値として平均音速を算出する。この平均音速と被検体中の伝搬時間を乗算することで、被検体の厚さを求めることができる。
【００４６】
次に、図７を用いて、本実施形態による超音波検査方法における伝搬時間の求め方について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法における伝搬時間の求め方の説明図である。
【００４７】
受信波形１０６Ａ，１０６Ｂから、被検体中の伝搬時間を測定するためには、たとえば、図７に示すように、被検体表面１０１Ａからの反射波１０６Ａに時間ゲートΔｔＡを設定し被検体底面１０１Ｂからの反射波１０６Ｂに時間ゲートΔｔＢを設定する。例えば、ゲート内の信号のうち、強度が最大となる点同士の時間差として、伝搬時間Ｔ１を求めることができる。
【００４８】
図６のように校正試験体を用いて予め測定しておいた平均音速を表示装置１０５に設定しておくことで、表示装置１０５の表示部１０５Ａに、当該平均音速を表示し、また、伝搬時間Ｔ１から算出した板厚を表示部１０５Ｂに表示する。
【００４９】
次に、図８を用いて、本実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
図８は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の内容を示すフローチャートである。
【００５０】
予め、結晶方向が＜１００＞、＜１１０＞、＜２１０＞となる３種類の校正試験体を用いて、平均音速を算出する（ステップＳ１０）。
【００５１】
また、探傷器に対して、時間ゲートを設定し（ステップＳ２０）、ステップＳ１０で算出した平均音速を設定する（ステップＳ３０）。
【００５２】
時間ゲートを設定した波形間の伝搬時間Ｔ１と平均音速とを乗算し、（厚さ＝伝搬時間×平均音速／２）として、板厚を算出し（ステップＳ４０）、被検体の厚さを求めて表示する（ステップＳ５０）。
【００５３】
なお、上式において、２で除算するのは、往復の伝搬経路ではなく、片道の伝搬経路に相当する距離（＝厚さ）を計算するためである。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、被検体が一方向凝固材であり、結晶成長方向に直交する方向の結晶方位がランダムとなる場合であっても、縦波超音波の平均音速を用いて、被検体の厚さを測定することができる。
【００５５】
次に、図９〜図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
最初に、図９を用いて、本実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５６】
本実施形態では、横波垂直探触子１０２’を用いている。その他の構成は、図１に示したものと同様である。なお、被検体表面１０１Ａからの反射波を受信するために、遅延剤１０２Ｂを備えるものとする。また、横波垂直探触子１０２’には、せん断方向の振動を与える圧電変換素子１０２Ｂ’を用いる。
【００５７】
次に、図１０及び図１１を用いて、本実施形態による超音波検査方法の測定原理について説明する。
図１０及び図１１は、本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の測定原理の説明図である。
【００５８】
図１０に示すように、一方向凝固材などのように音響異方性を有する材料に超音波を入射すると、一般に、振動方向が直交する３種類の超音波として伝搬する。
【００５９】
第一は、伝搬方向１０４に対して、進行方向に近い方向で振動する波１０４Ｄであり、一般には縦波として取り扱う。縦波と区別をする場合は、準縦波（quasi longitudinal wave）と呼ぶ場合もある。
【００６０】
第二と第三は、準縦波に直交する振動方向を持つ波で、ともに、進行方向の直交方向に近い振動をする点は共通である。第二と第三の波は、等方性媒質では物理的に区別することができず、横波と呼ばれている。異方性媒質の場合は、互いに振動方向が直交する２種類の横波が存在する。２種類の横波１０４Ｃ，１０４Ｂは、振動方向だけでなく伝搬する際の音速も異なるという性質がある。
【００６１】
図１１は、２種類の横波１０４Ｃ，１０４Ｂが理想的な異方性材料である単結晶を伝搬するときの音速を示している。なお、図１１の計算では、材料をニッケル基合金とし、超音波伝搬方向１０４が結晶方位＜１００＞方向と一致しており、第１の横波１０４Ｃの振動方向が結晶方位＜１００＞と平行、第２の横波１０４Ｂの振動方向が結晶方位＜１００＞と直交している場合を計算している。
【００６２】
一方向凝固材は、結晶成長方向が平均的に＜１００＞方向を向いており、多結晶から構成されているため、単結晶のような理想的な状況とならない。また、一方向凝固材を構成する各結晶粒の結晶方位を正確に予め予測することは困難である。
【００６３】
従って、本実施形態では、受信される超音波のうち、伝搬時間の早い方に中に注目して被検体中の伝搬時間とする。これは、図１１に示す理想状態において、＜１００＞と超音波伝搬方向のなす角度によらず、音速が一定値となる第２の横波１０４Ｂが、依存性のある第１の横波１０４Ｃよりも常に音速が早い点に注目したものである。
【００６４】
この方法によれば、被検体を構成する結晶粒の結晶方位＜１００＞が予め分からない場合であっても、図９に示したように、被検体を伝搬して受信される２つの信号１０６Ｂ，１０６Ｃのうち、伝搬時間の早い方の第２の横波１０４Ｂの受信信号１０６Ｂに注目し、被検体表面１０１Ａで反射される信号１０６Ａとの時間差を測定して、伝搬時間Ｔ１とすることで、被検体の厚さを測定することができる。
【００６５】
すなわち、本実施形態では、伝搬時間から厚さを測定するために用いる超音波音速として、図１１に示した音速の早い振動方向を持つ第２の横波１０４Ｂの音速を用いる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態では、被検体が一方向凝固材であり、結晶成長方向に直交する方向の結晶方位がランダムとなる場合であっても、横波超音波のうち、伝搬時間が短い振動方向を持つ横波の伝搬時間及び音速を用いることで、被検体の厚さを測定することができる。
【００６７】
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００６８】
本実施形態では、縦波斜角探触子１０２”を用いている。その他の構成は、図１に示したものと同様である。なお、被検体１０１の表面１０１Ａから斜め方向に超音波を入射させるために、遅延剤１０２Ｂ”を備えるものとする。
【００６９】
縦波斜角探触子１０２”は、被検体１０１の表面１０１Ａに設置される。縦波斜角探触子１０２”は、送信用の圧電振動素子１０２Ｂ１と、受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２とを備える。送信用の圧電振動素子１０２Ｂ１と、受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２との間には、コルク等からなる遮音材１０２Ｄを設置する。送信用の圧電振動素子１０２Ｂ１から縦波超音波を発生させ、遅延材１０２Ｂ”により屈折させて、被検体１０１の内部に斜め方向に超音波を伝搬させる。被検体１０１の底面１０１Ｂで反射された縦波超音波１０４Ｂ”が受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２で受信され、探傷器１０３に信号として送られる。受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２で受信される超音波としては、前記の他に、送信側から受信側に直接伝搬する成分１０４Ａ”ものがある。
【００７０】
そこで、送信側から受信側に直接伝搬する直達成分１０６Ａ”と、被検体１０１の底面１０１Ｂで反射された成分１０６Ｂ”の伝搬時間差Ｔ１から被検体の厚さを評価する。
【００７１】
次に、図１３を用いて、本実施形態による超音波検査方法における測定原理について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における測定原理の説明図である。
【００７２】
図１３（Ａ）に示すように、超音波伝搬方向１０４Ｂ”とし、このとき、送信用の探触子と受信用の探触子を、結晶方位＜１００＞方向に並べている。そして、超音波伝搬方向１０４Ｂ”と、被検体の表面に直交する方向とのなす角度をθ２とする。
【００７３】
図１３（Ｂ）は、一方向凝固材のような音響異方性を有する材料に対して、斜め方向に縦波が伝搬する場合の音速を示している。図１３（Ｂ）の計算では、材料をニッケル基合金とし、送信用の探触子と受信用の探触子を、結晶方位＜１００＞方向に並べた設定とした。超音波伝搬方向１０４Ｂ”と、被検体の表面に直交する方向とのなす角度θ２を横軸に、縦波超音波音速を縦軸にプロットしている。なお、縦波音速は、結晶成長方向＜１００＞に直交する方位がランダムであることの効果を考慮して、音速が最も早くなる場合（伝搬時間が最も短くなる場合）と、音速が最も遅くなる場合（伝搬時間が最も長くなる場合）の２種類を計算している。例えば、図３（Ａ）に示すような結晶粒３０１の場合が音速が遅くなり、また、図３（Ｂ）に示すような結晶粒３０２の場合が音速が早くなる。
【００７４】
図１３（Ｂ）において、図１に示したような縦波垂直探触子を用いる場合は、横軸の角度が９０度の場合に相当し、音速の最大値と最小値の差ΔＶａｃが最も大きくなる条件になっている。従って、相対的に、縦波垂直探触子を用いる測定方法は、結晶方位のランダムさの影響を最も受けやすい。この課題を克服するのが、本実施形態である。
【００７５】
本実施形態では、超音波伝搬方向１０４Ｂ”と、被検体の表面に直交する方向となす角度θ２が約３０〜６０度の範囲となるように、縦波斜角超音波探触子を、結晶成長方向に平行に対向させて配置する。
【００７６】
このとき、結晶成長方向＜１００＞に直交する方位がランダムであることの効果を考慮した音速の最大値と最小値の差が、縦波垂直探触子の場合（図１３（Ｂ）の横軸が９０度）と比較して、小さくなっている。すなわち、縦波垂直探触子を用いることで、結晶方位のランダムさの影響を軽減し、より高精度な測定が可能となる。
【００７７】
また、角度θ２が約３０〜６０度の範囲（図１３（Ｂ）中に、点線の矩形で示す範囲）においては音速が極大値となるために、角度θ２の変化に対する音速の変化量が、他の角度範囲と比較して小さい値となる。角度θ２は、被検体の板厚に応じて変化する量であるため、測定対象となる被検体の板厚が未知な場合においても、結晶方位のランダムさの影響を低減させることが可能となる。
【００７８】
超音波音速としては、音速の変化量が一定となる範囲（３０〜６０度）の平均的な音速として、＜１１０＞方向に伝搬する音速、すなわち、図１３（Ｂ）で横軸が４５度に対応した音速の最大値と最小値の平均音速を用いる。
【００７９】
次に、図１４を用いて、本実施形態による超音波検査方法における厚さの計算方法について説明する。
図１４は、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における厚さの計算方法の説明図である。
【００８０】
縦波斜角探触子で得られた直達信号１０４Ａ”と反射成分１０４Ｂ”の時間差Ｔ１と音速Ｖを乗算し、２で除算することで、片道の伝搬経路Ｗ（＝（Ｖ×Ｔ）／２）を求める。
【００８１】
送信用探触子と受信用探触子の間の距離の半分の値をＬとする。なお、Ｌは探触子の配置で決まっているので、測定時には既知の値である。
【００８２】
センサ間距離の半値Ｌと片道伝搬路程Ｗから、三平方の定理により、深さＤ（板厚）を、√（Ｌ２−Ｗ２）として計算することができる。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態によれば、被検体が一方向凝固材であり、結晶成長方向に直交する方向の結晶方位がランダムとなる場合であっても、縦波超音波を斜め方向に伝搬させることで、結晶方位のランダムさの影響を低減し、被検体の厚さを測定することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０１…被検体
１０２…超音波探触子
１０３…超音波探傷器
１０４…超音波伝搬経路
１０５…表示装置
１０６…受信波形
Ｔ１…超音波伝搬時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波検査方法に係り、特に、一方向凝固材や単結晶などのように音響異方性を有する鋳造物の、厚さ等の寸法を測定するに好適な超音波検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属などの板厚や寸法測定には、縦波あるいは横波の反射波を用いた超音波探傷方法が用いられている。パルス状の縦波または横波超音波を被検体表面から被検体内部へ伝搬させ、被検体の底面から反射される反射波を受信する。この反射波の伝搬時間、または多重反射波間の伝搬時間差を計測し、被検体の厚さの伝搬時間と音速を乗算することで、伝搬距離に換算し、厚さを測定する。
【０００３】
圧延材や鍛造材など、結晶組織を均質にする加工を施した金属材料の場合、超音波の音速は、伝搬方向によらずほぼ一定の値を取る。この特性を持つ材料のことを、等方性材料と呼び、等方性を持つ材料については、上記の方法により高精度に厚さを測定することができる。
【０００４】
一方、鋳造物は、溶融した金属が冷却される過程で形成される粗大な凝固組織（結晶粒）から構成される。この凝固組織は、超音波の伝わる方向ごとに、音速や減衰率等の音響的な特性が異なる性質（音響異方性）を持つことが一般に知られている。
【０００５】
例えば、ステンレス鋼やニッケル基合金等のオーステナイト系の材料の場合、結晶粒は立方晶の単結晶であり、冷却過程において結晶方位が＜１００＞方向に揃いながら凝固する。この＜１００＞方向を結晶成長方向と言う。凝固組織は複数の結晶粒から構成されているため、鋳造物の音響特性は複数の結晶粒の特性の統計量に依存する。すなわち、結晶成長方向は、平均値として＜１００＞方向に向いており、ばらつきはおよそ１５度程度である。さらに、結晶成長方向に直交する方向については、それぞれの結晶粒において、結晶方位がランダムな方向を向くことが知られている。
【０００６】
したがって、鋳造物などの粗大な凝固組織から成る被検体の厚さを測定のうち、特に、結晶成長方向に直交する方向の厚さを測定する場合には、板厚方向に関して、結晶方位がランダムとなり、音響異方性により超音波の伝搬方向によって超音波音速の値が変化するために、精度のよい厚さ測定が困難となる。
【０００７】
これに対して、被検体と同等の結晶方位をもつ校正用の試験体により、予め実効的な音速値を測定し、厚さ測定をする方法も知られている。しかしながら、結晶方位が結晶成長方向＜１００＞に直交する方向がランダムとなっているため、校正試験体によって被検体の音速を再現することは困難である。
【０００８】
したがって、精度のよい測定を行うためには、凝固組織を構成する結晶粒の結晶方位を予め測定する必要があり、簡便な計測ができないという問題点がある。
【０００９】
また、等方性材料に対する検査方法が直接有効でない異方性材料の超音波検査方法として、被検体の結晶成長方向と一致する振動方向を持った横波超音波を入射させる手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−３３８０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、鋳造物などの凝固組織においては、結晶粒の結晶成長方向は統計的なばらつきを持つために、特許文献１記載のように、横波超音波の振動方向を結晶成長方向である＜１００＞と一致させるには、被検体を構成する結晶粒の結晶成長方向を予めマクロ観察等の別の手法で測定しておく必要がある。さらに、結晶成長方向を予め測定したとしても、被検体の厚さを測定する箇所に位置する結晶粒において、被検体表面内に結晶成長方向＜１００＞が存在するするとは限らないため、結晶成長方向に振動方向を持つ横波を伝搬させることが困難である。
【００１２】
よって、被検体が音響異方性を持ち、かつ、音響異方性の原因となる凝固組織を構成する結晶粒の結晶方位が統計的なばらつきを持つ場合においては、被検体の厚さを精度良く測定するには、予め組織方向を測定する必要があり、簡便に精度良く測定することが困難であるという問題点があった。
【００１３】
本発明の目的は、一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定する超音波検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、音響異方性を有する結晶組織から構成される被検体に対して超音波を入射させ、前記被検体内伝搬する超音波の音速と伝搬時間に基づいて、前記被検体の厚さを測定する超音波検査方法であって、送信用と受信用の２つの超音波探触子を結晶成長方向に平行方向に対向させ、前記被検体に対して斜め方向に縦波超音波を伝搬させるようにしたものである。
かかる方法により、縦波超音波を結晶粒が音響異方性を持つ被検体中に斜め方向に伝搬させることにより、結晶成長方向に対して直交する方向の厚さを測定する場合において、結晶粒ごとにランダムな向きをとる結晶方位（結晶成長方向と直交する成分）について、統計的なランダムさの影響を受けにくい斜め方向に伝搬する超音波の伝搬時間に注目することで、平均的な伝搬時間を計測することができる。したがって、被検体中の平均的な縦波超音波の伝搬時間と、縦波超音波の超音波音速から、一方向凝固材鋳造物などの金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをも被検体に対して、被検体中を縦波超音波が伝搬する距離から被検体の厚さを求めることができる。その結果、一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記縦波超音波の音速として、結晶方位＜１１０＞方向に伝搬する縦波音速の最大値と最小値の平均音速を用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、一方向凝固材鋳造物などの、金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもつ場合において、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体の説明図である。
【図４】一方向凝固材における超音波音速の変化の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる平均音速の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる校正試験体の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法における伝搬時間の求め方の説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の内容を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の測定原理の説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の測定原理の説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における測定原理の説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における厚さの計算方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜図８を用いて、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。
【００１９】
縦波垂直超音波探触子１０２は、遅延剤１０２Ａを介して、被検体１０１に接触している。被検体１０１は、一方向凝固材からなる。遅延剤１０２Ａは、ポリスチレン等の合成樹脂性のブロックであり、被検体表面１０１Ａからの反射波を得るために用いられる。縦波垂直超音波探触子１０２と遅延剤１０２Ａとの間、及び遅延剤１０２Ａと被検体１０１との間は、それぞれ、接触媒質を介して接触させるようにする。なお、被検体１０の表面１０１Ａが平面加工されてない場合は、被検体１０１との接触性改善を図るために、遅延剤１０２Ａの形状を例えば曲面形状に加工してもよいものである。
【００２０】
縦波垂直超音波探触子１０２は、超音波を送信及び受信するものであり、圧電変換素子１０２Ｂを備えている。超音波探傷器１０３は、パルサー１０３Ａと、レシーバ１０３Ｂとを備えている。
【００２１】
縦波超音波探触子１０２は、超音波探傷器１０３のパルサー１０３Ａから電圧を供給され、超音波探触子１０２内の圧電変換素子１０２Ｂにより、電気信号を振動に変化させる。この振動により、被検体１０１内部に縦波の超音波１０４が発生する。超音波１０４は、被検体１０１の表面１０１Ａに対して垂直方向に送信され、被検体１０１の表面１０１Ａで反射される反射波１０４Ａと、底面１０１Ｂで反射される反射波１０４Ｂが生成される。
【００２２】
反射した超音波１０４Ａ，１０４Ｂは、再び超音波探触子１０１の圧電変換素子で振動から電気信号に変換される。受信された電気信号は、超音波探傷器１０３のレシーバ１０３Ｂで受信され、表示装置１０５に波形信号１０６Ａ，１０６Ｂとして表示される。ここで、波形信号１０６Ａは被検体の表面からの反射波の波形であり、波形信号１０６Ｂは被検体の底面からの反射波の波形である。これらの波形信号１０６Ａ，１０６Ｂから、被検体１０１を伝搬した時間差Ｔ１を測定して、超音波音速に時間差Ｔ１を乗算することで、厚さを評価することができる。
【００２３】
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体１０１の詳細について説明する。
図２及び図３は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の検査対象である被検体の説明図である。
【００２４】
図１に示したように、被検体１０１である一方向凝固材は、一方向凝固材と呼ばれる鋳造品であり、ある特定の結晶方位が揃った複数の結晶粒１０１Ｃから構成される多結晶体である。
【００２５】
特定の結晶方位とは、鋳造品が冷却過程で成長する結晶方位を指し、ステンレス鋼やニッケル基合金などの立方晶系の金属の場合、図２に示すように、結晶成長方向２０１は、結晶方位＜１００＞に揃う性質がある。一方、結晶成長方向２０１に直交する結晶方位はランダムな分布となる。
【００２６】
以上から、一方向凝固材を構成する結晶粒は、結晶成長方向２０２が＜１００＞方向、結晶成長方向２０２を回転中心とした回転角２０２はランダムというモデルで、近似的に取り扱うことができる。
【００２７】
従って、図２に示すように、一方向凝固材において、結晶成長方向に直交する方向の板厚２０３を測定する場合、結晶成長方向に直交する方向のランダム性により、厚さを測定する箇所によって、超音波伝搬方向と結晶粒なす角が異なる状況が発生する。例えば、図３（Ａ）に示すような結晶粒３０１の場合には、超音波伝搬方向に対して、約４５°方向に結晶方位＜１００＞が傾斜している。また、図３（Ｂ）に示すような結晶粒３０２に対しては、結晶方位＜１００＞とほぼ平行方向に超音波が伝搬する。
【００２８】
次に、図４を用いて、一方向凝固材における超音波音速の変化について説明する。
図４は、一方向凝固材における超音波音速の変化の説明図である。なお、図４において、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００２９】
図４（Ａ）は、超音波伝搬方向１０４と、結晶方位のなす角度θ１の関係を図示している。
【００３０】
図４（Ｂ）は、超音波伝搬方向１０４と、結晶方位のなす角度θ１による超音波音速の変化の例として、ニッケル基合金の場合の縦波超音波の理論値を示している。
【００３１】
超音波伝搬方向と＜１００＞が平行なとき（θ１が０°のとき）に最も音速が遅く、約５３００ｍ／ｓであり、＜１００＞と４５°方向の場合に最も音速が早く、約６１００ｍ／ｓとなることが分かる。このように一方向凝固材では、厚さ測定箇所の結晶粒の結晶方位がランダムな方向を向くために、結晶粒を伝わる音速を定めることができない。
【００３２】
超音波による厚さ測定は、超音波音速と伝搬時間の乗算により計算されるので、音速の値を決められないと、板厚を決めることができない。
【００３３】
そこで、本実施形態では、平均的な音速値を利用して、厚さを測定する。平均音速を求める従来手法として、被検体を模擬した校正用試験体を用いて、平均音速を評価する方法がある。しかしながら、被検体にはランダム性が存在するため、統計的に有意な音速値を得るためには、複数の校正試験体で複数箇所の測定を行う必要がある。
【００３４】
次に、図５を用いて、本実施形態による超音波検査方法にて用いる平均音速について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる平均音速の説明図である。
【００３５】
図５（Ａ）に示すように、平均音速を求めるために、結晶方位として、＜１００＞方向、＜１１０＞方向、＜２１０＞方向の３方向を考える。そして、それぞれの方向について音速を求める。
【００３６】
図５（Ｂ）は、＜１００＞方向、＜１１０＞方向、＜２１０＞方向の３方向に伝搬する縦波超音波音速を示しており、本実施例では、３方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値を平均音速として用いる。
【００３７】
すなわち、結晶成長方向に対して直交する方向の厚さを測定する場合において、結晶粒ごとにランダムな向きをとる結晶方位（結晶成長方向と直交する成分）について、３つの結晶方位＜１００＞、＜１１０＞、＜２１０＞と平行方向に伝搬する超音波の音速の平均値を用いることで、凝固組織を構成する結晶方位の平均音速を近似的に与えることができる。そして、被検体中の超音波伝搬時間と、平均音速から、一方向凝固材鋳造物などの金属凝固組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをも被検体に対して、被検体中を縦波超音波が伝搬する距離から被検体の厚さを求めることができる。
【００３８】
ここで、超音波伝搬方向と＜１００＞が平行なとき（θ１が０°のとき），すなわち、＜１００＞方向の音速が約５３００ｍ／ｓであり、＜１００＞と４５°方向，すなわち、＜１１０＞方向の音速が約６１００ｍ／ｓであり、＜１００＞と２２．６°方向，すなわち、＜２１０＞方向の音速が約５９００ｍ／ｓであるので、これらの平均値は、約５８００ｍ／ｓとなる。
【００３９】
このように平均音速を用いることで、結晶成長方向に直交する方位のランダムさを平均値で置き換えることで、誤差を少なくして音速値を定めることで厚さを評価できるようになる。また、特定の結晶方位に伝搬する超音波の音速により平均音速を算出するため、結晶方位が既知の校正試験体を作成すればよいので、一方向凝固材の結晶組織を模擬した校正試験体を複数準備することは不要とり、簡便な校正が可能となる。
【００４０】
平均音速を求める方法として、＜１００＞方向、＜１１０＞方向の２方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値を求めると、音速の最大値と最小値の平均を取るることとなり、この場合、平均音速は約５７００ｍ／ｓとなる。但し、図５（Ｂ）に示すように、＜１００＞方向と超音波伝搬方向のなす角度を０°〜４５°まで変化させたときの音速の変化は、０°の時の音速と４５°の時の音速を結ぶ線よりも上に凸となっている。従って、＜１００＞方向、＜１１０＞方向の２方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値では、０°〜４５°まで変化させたときの音速の平均値よりも僅かに小さくなる。それに対して、＜２１０＞方向を加えて、＜１００＞方向、＜１１０＞方向、＜２１０＞方向の３方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値をとると、約５８００ｍ／ｓとなる。この平均音速を用いて、数種類の試験体の厚さを計測した所、比較的良く一致していたので、この３方向に伝搬する縦波超音波音速の平均値を平均音速として用いることで、誤差を少なくできる。
【００４１】
次に、図６を用いて、本実施形態による超音波検査方法にて用いる校正試験体の構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法にて用いる校正試験体の説明図である。
【００４２】
本実施形態で用いる校正試験体の材質は、一方向凝固材と同等の材質を用いて、単結晶材として試験体を製作する。
【００４３】
校正試験体の結晶方位は、超音波伝搬方向に対して、結晶方位が＜１００＞方向の試験体６００Ａ（図６（Ａ））、＜１１０＞方向の試験体６００Ｂ（図６（Ｂ））、＜２１０＞方向の試験体６００Ｃ（図６（Ｃ））となる３種類とする。
【００４４】
また、試験体形状として、図６（Ｄ）に示すように、例えば、厚さの異なる部分（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を備えた階段形状試験体６００となるように加工する。階段形状試験体６００は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示した異なる結晶方位にそれぞれについて用意される。
【００４５】
そして、図６（Ｄ）に示すように、超音波探触子１０２を用いて、階段形状試験体６００の厚さの異なる部分（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）のそれぞれについて音速を算出し、それらの平均をその結晶方位に対する音速とする。さらに、３種類の結晶方位に対する縦波超音波音速をそれぞれ測定する。そして、３つの音速の平均値として平均音速を算出する。この平均音速と被検体中の伝搬時間を乗算することで、被検体の厚さを求めることができる。
【００４６】
次に、図７を用いて、本実施形態による超音波検査方法における伝搬時間の求め方について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法における伝搬時間の求め方の説明図である。
【００４７】
受信波形１０６Ａ，１０６Ｂから、被検体中の伝搬時間を測定するためには、たとえば、図７に示すように、被検体表面１０１Ａからの反射波１０６Ａに時間ゲートΔｔＡを設定し被検体底面１０１Ｂからの反射波１０６Ｂに時間ゲートΔｔＢを設定する。例えば、ゲート内の信号のうち、強度が最大となる点同士の時間差として、伝搬時間Ｔ１を求めることができる。
【００４８】
図６のように校正試験体を用いて予め測定しておいた平均音速を表示装置１０５に設定しておくことで、表示装置１０５の表示部１０５Ａに、当該平均音速を表示し、また、伝搬時間Ｔ１から算出した板厚を表示部１０５Ｂに表示する。
【００４９】
次に、図８を用いて、本実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
図８は、本発明の第１の実施形態による超音波検査方法の内容を示すフローチャートである。
【００５０】
予め、結晶方向が＜１００＞、＜１１０＞、＜２１０＞となる３種類の校正試験体を用いて、平均音速を算出する（ステップＳ１０）。
【００５１】
また、探傷器に対して、時間ゲートを設定し（ステップＳ２０）、ステップＳ１０で算出した平均音速を設定する（ステップＳ３０）。
【００５２】
時間ゲートを設定した波形間の伝搬時間Ｔ１と平均音速とを乗算し、（厚さ＝伝搬時間×平均音速／２）として、板厚を算出し（ステップＳ４０）、被検体の厚さを求めて表示する（ステップＳ５０）。
【００５３】
なお、上式において、２で除算するのは、往復の伝搬経路ではなく、片道の伝搬経路に相当する距離（＝厚さ）を計算するためである。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、被検体が一方向凝固材であり、結晶成長方向に直交する方向の結晶方位がランダムとなる場合であっても、縦波超音波の平均音速を用いて、被検体の厚さを測定することができる。
【００５５】
次に、図９〜図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
最初に、図９を用いて、本実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５６】
本実施形態では、横波垂直探触子１０２’を用いている。その他の構成は、図１に示したものと同様である。なお、被検体表面１０１Ａからの反射波を受信するために、遅延剤１０２Ｂを備えるものとする。また、横波垂直探触子１０２’には、せん断方向の振動を与える圧電変換素子１０２Ｂ’を用いる。
【００５７】
次に、図１０及び図１１を用いて、本実施形態による超音波検査方法の測定原理について説明する。
図１０及び図１１は、本発明の第２の実施形態による超音波検査方法の測定原理の説明図である。
【００５８】
図１０に示すように、一方向凝固材などのように音響異方性を有する材料に超音波を入射すると、一般に、振動方向が直交する３種類の超音波として伝搬する。
【００５９】
第一は、伝搬方向１０４に対して、進行方向に近い方向で振動する波１０４Ｄであり、一般には縦波として取り扱う。縦波と区別をする場合は、準縦波（quasi longitudinal wave）と呼ぶ場合もある。
【００６０】
第二と第三は、準縦波に直交する振動方向を持つ波で、ともに、進行方向の直交方向に近い振動をする点は共通である。第二と第三の波は、等方性媒質では物理的に区別することができず、横波と呼ばれている。異方性媒質の場合は、互いに振動方向が直交する２種類の横波が存在する。２種類の横波１０４Ｃ，１０４Ｂは、振動方向だけでなく伝搬する際の音速も異なるという性質がある。
【００６１】
図１１は、２種類の横波１０４Ｃ，１０４Ｂが理想的な異方性材料である単結晶を伝搬するときの音速を示している。なお、図１１の計算では、材料をニッケル基合金とし、超音波伝搬方向１０４が結晶方位＜１００＞方向と一致しており、第１の横波１０４Ｃの振動方向が結晶方位＜１００＞と平行、第２の横波１０４Ｂの振動方向が結晶方位＜１００＞と直交している場合を計算している。
【００６２】
一方向凝固材は、結晶成長方向が平均的に＜１００＞方向を向いており、多結晶から構成されているため、単結晶のような理想的な状況とならない。また、一方向凝固材を構成する各結晶粒の結晶方位を正確に予め予測することは困難である。
【００６３】
従って、本実施形態では、受信される超音波のうち、伝搬時間の早い方に中に注目して被検体中の伝搬時間とする。これは、図１１に示す理想状態において、＜１００＞と超音波伝搬方向のなす角度によらず、音速が一定値となる第２の横波１０４Ｂが、依存性のある第１の横波１０４Ｃよりも常に音速が早い点に注目したものである。
【００６４】
この方法によれば、被検体を構成する結晶粒の結晶方位＜１００＞が予め分からない場合であっても、図９に示したように、被検体を伝搬して受信される２つの信号１０６Ｂ，１０６Ｃのうち、伝搬時間の早い方の第２の横波１０４Ｂの受信信号１０６Ｂに注目し、被検体表面１０１Ａで反射される信号１０６Ａとの時間差を測定して、伝搬時間Ｔ１とすることで、被検体の厚さを測定することができる。
【００６５】
すなわち、本実施形態では、伝搬時間から厚さを測定するために用いる超音波音速として、図１１に示した音速の早い振動方向を持つ第２の横波１０４Ｂの音速を用いる。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態では、被検体が一方向凝固材であり、結晶成長方向に直交する方向の結晶方位がランダムとなる場合であっても、横波超音波のうち、伝搬時間が短い振動方向を持つ横波の伝搬時間及び音速を用いることで、被検体の厚さを測定することができる。
【００６７】
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法の内容について説明する。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法に用いる超音波検査装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００６８】
本実施形態では、縦波斜角探触子１０２”を用いている。その他の構成は、図１に示したものと同様である。なお、被検体１０１の表面１０１Ａから斜め方向に超音波を入射させるために、遅延剤１０２Ｂ”を備えるものとする。
【００６９】
縦波斜角探触子１０２”は、被検体１０１の表面１０１Ａに設置される。縦波斜角探触子１０２”は、送信用の圧電振動素子１０２Ｂ１と、受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２とを備える。送信用の圧電振動素子１０２Ｂ１と、受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２との間には、コルク等からなる遮音材１０２Ｄを設置する。送信用の圧電振動素子１０２Ｂ１から縦波超音波を発生させ、遅延材１０２Ｂ”により屈折させて、被検体１０１の内部に斜め方向に超音波を伝搬させる。被検体１０１の底面１０１Ｂで反射された縦波超音波１０４Ｂ”が受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２で受信され、探傷器１０３に信号として送られる。受信用の圧電振動素子１０２Ｂ２で受信される超音波としては、前記の他に、送信側から受信側に直接伝搬する成分１０４Ａ”ものがある。
【００７０】
そこで、送信側から受信側に直接伝搬する直達成分１０６Ａ”と、被検体１０１の底面１０１Ｂで反射された成分１０６Ｂ”の伝搬時間差Ｔ１から被検体の厚さを評価する。
【００７１】
次に、図１３を用いて、本実施形態による超音波検査方法における測定原理について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における測定原理の説明図である。
【００７２】
図１３（Ａ）に示すように、超音波伝搬方向１０４Ｂ”とし、このとき、送信用の探触子と受信用の探触子を、結晶方位＜１００＞方向に並べている。そして、超音波伝搬方向１０４Ｂ”と、被検体の表面に直交する方向とのなす角度をθ２とする。
【００７３】
図１３（Ｂ）は、一方向凝固材のような音響異方性を有する材料に対して、斜め方向に縦波が伝搬する場合の音速を示している。図１３（Ｂ）の計算では、材料をニッケル基合金とし、送信用の探触子と受信用の探触子を、結晶方位＜１００＞方向に並べた設定とした。超音波伝搬方向１０４Ｂ”と、被検体の表面に直交する方向とのなす角度θ２を横軸に、縦波超音波音速を縦軸にプロットしている。なお、縦波音速は、結晶成長方向＜１００＞に直交する方位がランダムであることの効果を考慮して、音速が最も早くなる場合（伝搬時間が最も短くなる場合）と、音速が最も遅くなる場合（伝搬時間が最も長くなる場合）の２種類を計算している。例えば、図３（Ａ）に示すような結晶粒３０１の場合が音速が遅くなり、また、図３（Ｂ）に示すような結晶粒３０２の場合が音速が早くなる。
【００７４】
図１３（Ｂ）において、図１に示したような縦波垂直探触子を用いる場合は、横軸の角度が９０度の場合に相当し、音速の最大値と最小値の差ΔＶａｃが最も大きくなる条件になっている。従って、相対的に、縦波垂直探触子を用いる測定方法は、結晶方位のランダムさの影響を最も受けやすい。この課題を克服するのが、本実施形態である。
【００７５】
本実施形態では、超音波伝搬方向１０４Ｂ”と、被検体の表面に直交する方向となす角度θ２が約３０〜６０度の範囲となるように、縦波斜角超音波探触子を、結晶成長方向に平行に対向させて配置する。
【００７６】
このとき、結晶成長方向＜１００＞に直交する方位がランダムであることの効果を考慮した音速の最大値と最小値の差が、縦波垂直探触子の場合（図１３（Ｂ）の横軸が９０度）と比較して、小さくなっている。すなわち、縦波垂直探触子を用いることで、結晶方位のランダムさの影響を軽減し、より高精度な測定が可能となる。
【００７７】
また、角度θ２が約３０〜６０度の範囲（図１３（Ｂ）中に、点線の矩形で示す範囲）においては音速が極大値となるために、角度θ２の変化に対する音速の変化量が、他の角度範囲と比較して小さい値となる。角度θ２は、被検体の板厚に応じて変化する量であるため、測定対象となる被検体の板厚が未知な場合においても、結晶方位のランダムさの影響を低減させることが可能となる。
【００７８】
超音波音速としては、音速の変化量が一定となる範囲（３０〜６０度）の平均的な音速として、＜１１０＞方向に伝搬する音速、すなわち、図１３（Ｂ）で横軸が４５度に対応した音速の最大値と最小値の平均音速を用いる。
【００７９】
次に、図１４を用いて、本実施形態による超音波検査方法における厚さの計算方法について説明する。
図１４は、本発明の第３の実施形態による超音波検査方法における厚さの計算方法の説明図である。
【００８０】
縦波斜角探触子で得られた直達信号１０４Ａ”と反射成分１０４Ｂ”の時間差Ｔ１と音速Ｖを乗算し、２で除算することで、片道の伝搬経路Ｗ（＝（Ｖ×Ｔ）／２）を求める。
【００８１】
送信用探触子と受信用探触子の間の距離の半分の値をＬとする。なお、Ｌは探触子の配置で決まっているので、測定時には既知の値である。
【００８２】
センサ間距離の半値Ｌと片道伝搬路程Ｗから、三平方の定理により、深さＤ（板厚）を、√（Ｌ２−Ｗ２）として計算することができる。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態によれば、被検体が一方向凝固材であり、結晶成長方向に直交する方向の結晶方位がランダムとなる場合であっても、縦波超音波を斜め方向に伝搬させることで、結晶方位のランダムさの影響を低減し、被検体の厚さを測定することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０１…被検体
１０２…超音波探触子
１０３…超音波探傷器
１０４…超音波伝搬経路
１０５…表示装置
１０６…受信波形
Ｔ１…超音波伝搬時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響異方性を有する結晶組織から構成される被検体に対して超音波を入射させ、前記被検体内伝搬する超音波の音速と伝搬時間に基づいて、前記被検体の厚さを測定する超音波検査方法であって、
送信用と受信用の２つの超音波探触子を結晶成長方向に平行方向に対向させ、
前記被検体に対して斜め方向に縦波超音波を伝搬させることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
請求項１記載の超音波検査方法において、
前記縦波超音波の音速として、結晶方位＜１１０＞方向に伝搬する縦波音速の最大値と最小値の平均音速を用いることを特徴とする超音波検査方法。
【請求項１】
音響異方性を有する結晶組織から構成される被検体に対して超音波を入射させ、前記被検体内伝搬する超音波の音速と伝搬時間に基づいて、前記被検体の厚さを測定する超音波検査方法であって、
送信用と受信用の２つの超音波探触子を結晶成長方向に平行方向に対向させ、
前記被検体に対して斜め方向に縦波超音波を伝搬させることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
請求項１記載の超音波検査方法において、
前記縦波超音波の音速として、結晶方位＜１１０＞方向に伝搬する縦波音速の最大値と最小値の平均音速を用いることを特徴とする超音波検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−５３０２７（Ｐ２０１２−５３０２７Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６６０２６（Ｐ２０１０−２６６０２６）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【分割の表示】特願２０１０−１９６９８９（Ｐ２０１０−１９６９８９）の分割
【原出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【分割の表示】特願２０１０−１９６９８９（Ｐ２０１０−１９６９８９）の分割
【原出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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