ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷方法および探傷装置

【課題】ＴＯＦＤ法によって溶接で接続されたノズルのきずの位置を容易に算出できるノズル用の探傷装置およびその方法を提供する。
【解決手段】ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷装置は、溶接部６０を挟んで配置される、送信側探触子１２および受信側探触子１１とを含む。送信側探触子１２は６０°で溶接部６０に超音波ビームを送信し、受信側探触子１１は超音波ビームによる溶接部６０のきず７０からの回折波を受信する。装置はさらに、送信探触子１２から受信探触子１１への超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を算出する楕円軌跡算出手段と、受信探触子の受信角度を複数切替えて、算出された楕円軌跡上で複数の回折波のエコー高さを算出するエコー高さ算出手段と、楕円軌跡算出手段の算出した楕円軌跡とエコー高さ算出手段の算出したエコー高さに基づいて溶接部のきずの位置を算出するきず位置算出手段とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は溶接部の探傷方法および探傷装置に関し、特に、溶接で接続されたノズルを探傷するＴＯＦＤ（Time Of Flight Diffraction）法を用いた探傷方法および探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＯＦＤ法は、試験体表面に2個の縦波探触子（送信用探触子と受信用探触子）を一定の間隔で対向させ、試験体表面を伝わるラテラル波または試験体裏面からの反射波と欠陥先端からの回折波の伝播時間の差を利用して、欠陥検出または欠陥寸法測定を行なう方法である。ＴＯＦＤ法は、解析に際し、欠陥先端で生じるモード変換横波等の影響を受けないように最も早く受信する縦波だけに着目する。また、通常は、指向性の鈍い探触子を使用することで一度に広い範囲の試験を行なう。
【０００３】
従来のＴＯＦＤを用いた探傷装置が、例えば特開２００５−７００１７号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１によれば、対となる送波用探触子１と受波用探触子２を、対象物３の表面に一定距離を隔てて配置し、送波用探触子１から対象物中に超音波を放射し、該対象物中に存在欠陥の端部で生じる回折波を受波用探触子２で受波して、回折波の縦波成分と横波成分を各々検出し、検出された縦波成分と前記横波成分の到達時刻差に基づいて、該回折波を生じた欠陥端部から受波用探触子２に至る距離Ｌを推定するという点を開示する。また、特許文献は、送信用探触子から受信用探触子に至る伝播経路長を互いに等しくするきずの上端部の位置は、送信用探触子と受信用探触子との位置を焦点とする楕円軌跡の上に存在するという点を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７００１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＴＯＦＤ法を用いた探傷を行なう探傷装置の治具や小径管円周継手の溶接部の検査は上記のように構成されていた。それぞれ、送信側と受信側とを含む一組の探触子を溶接線を中央にして所定の間隔を保持して探傷する構成であった。このような構成であれば、溶接部が両探触子の中央部に位置するように配置される場合は探傷が可能であるが、ノズルの溶接部のような、溶接線が送信用および受信用探触子の中央部に位置しない場合には探傷ができないという問題があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、ＴＯＦＤ法によって溶接で接続されたノズルのきずの位置を容易に検出できるノズル用の探傷装置およびその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷方法は、送信側探触子と受信側探触子とを前記溶接部を挟んで配置し、送信側探触子から所定の角度で溶接部に超音波ビームを送信し、受信側探触子で溶接部のきずからの回折波を受信し、送信側探触子から受信側探触子への超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を算出し、受信探触子の受信角度を複数切替えて、算検出された楕円軌跡上で複数の回折波のエコー高さを算出し、算出された複数の回折波のエコー高さに基づいて溶接部のきずの位置を算出する。
好ましくは、溶接部のきずの位置は、受信角度を複数切替えた受信回折波の強度に応じてきずの位置を検出する。
【０００８】
この発明の他の局面においては、ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷装置は、溶接部を挟んで配置される、送信側探触子および受信側探触子を含み、送信側探触子は所定の角度で前記溶接部に超音波ビームを送信し、受信側探触子で溶接部のきずからの回折波を受信し、送信側探触子から受信側探触子への超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を算出する楕円軌跡算出手段と、受信側探触子の受信角度を複数切替えて、算出された楕円軌跡上で複数の回折波のエコー高さを算出するエコー高さ算出手段と、楕円軌跡算出手段の算出した楕円軌跡とエコー高さ算出手段の算出したエコー高さに基づいて溶接部のきずの位置を検出するきず位置算出手段とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、所定の間隔で送信側探触子と受信側探触子とを配置し、送信側探触子から受信側探触子への超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を算出して、受信側探触子の受信角度を複数切替えて、楕円軌跡上で複数の回折波のエコー高さを算出して、楕円軌跡上で検出したエコー高さに基づいて溶接部のきずの位置を算出するため、送受信側探触子間の偏った位置に溶接部が位置する場合においてもきずの位置を容易に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】横穴試験体を示す図である。
【図２】横穴試験体を示す図である。
【図３】横穴試験体を示す図である。
【図４】溶接によってノズルを胴部に接続した場合の送受信探触子の配置位置を示す図である。
【図５】開先形状を示す断面図である。
【図６】板厚が２００ｍｍの場合の探傷可能領域を示す図である。
【図７】溶接部で接続されたノズルを有する胴部における探触子の配置を示す断面図である。
【図８】溶接部で接続されたノズルを有する胴部における探触子の配置を示す平面図である。
【図９】溶接部におけるきずへの送信側探触子からの超音波の送信と、きずから受信側探触子が受信する超音波の受信角度の考え方を示す図である。
【図１０】送受信探触子を用いてきず位置を算出するための概念を示す図である。
【図１１】送受信探触子を用いてきず位置を検出する方法を示す図である。
【図１２】探傷装置のブロック図である。
【図１３】特定のソフトウエアを用いたＴＯＦＤ法での結果表示画面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、この発明の基本的な考え方について説明する。発明者らは、ノズルを溶接で接合した場合の溶接部の欠陥（きず）をどの範囲で検出可能かを知るために、きずを模した横穴を有する横穴試験体１０１〜１０３を制作し、それを探傷試験器で探傷して、きずの位置を求めるための送受信探触子の位置および送受信角度を見つけだした。
【００１２】
なお、「きず」とは非破壊試験の結果から判断される不完全部又は不連続部のことであり、このうち、不合格となるきずを「欠陥」という。
【００１３】
製作した横穴試験体１０１を図１に示す。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は正面図（図１（Ａ）においてＢ−Ｂで示す矢視図）であり、図１（Ｃ）は側面図（図１（Ａ）においてＣ−Ｃで示す矢視図）である。図１を参照して、横穴試験体１０１は、長さ８００ｍｍ、高さ２５０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの直方体の板であって、図に示すように、異なる位置に貫通孔１０２、１０３を有している。具体的には、横穴試験体１０１は、深さ２０ｍｍと５０ｍｍの位置に径５ｍｍの貫通孔１０２，１０３を有している。
【００１４】
横穴試験体１０２を図２に示す。図２（Ａ）は平面図であり、図２（Ｂ）は正面図（図２（Ａ）においてＢ−Ｂで示す矢視図）であり、図２（Ｃ）は側面図（図２（Ａ）においてＣ−Ｃで示す矢視図）である。図２を参照して、横穴試験体１０２は、長さ８００ｍｍ、高さ２５０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの直方体の板であって、図に示すように、深さ３０ｍｍと１００ｍｍの位置に径５ｍｍの貫通孔１１２，１１３とを有している。
【００１５】
同様に、図３を参照して、横穴試験体１０３は、深さ１５０ｍｍと２００ｍｍの位置に径６ｍｍの貫通孔１２２，１２３を有している。
【００１６】
図４は溶接によってノズル１３１を胴部１３３に接続した場合に、発明者らが考えた送受信探触子の配置位置を示す図である。図４を参照して、胴部１３３にノズル１３１を溶接した場合に、ノズルネック部１３２に受信側探触子１１を配置し受信側探触子１１に対して溶接部１３４を挟んで送信側探触子１２を配置するようにした。
【００１７】
ここで、送信側探触子１２は周波数が５ＭＨｚ、その送信角度が送信側探触子１２の載置されている平面から反時計方向に６０°で送信する。
【００１８】
探傷範囲の検討に先立ち、開先形状を仮定した。図５は、既存のノズル開先形状をベースとした、板厚２００ｍｍの胴部の開先形状（図中斜線部）を示す。図５を参照して、開先１３５は上部１１５と下部１１６とを有し、上部１１５の寸法は１１５ｍｍで開先角度θは３５°である。板厚が変わっても開先角度はそのままとしてビード幅が狭くなるような溶接部を仮定した。このとき、ノズル１３１側のビード止端部を基準位置（図中Ｙ＝０で示す）とした。
【００１９】
探傷範囲の確認に際しては、横穴試験体１０１，１１１，１２１を用いて送信受信探触子を所定の間隔に配置し、横穴に対して相対的に送信受信探触子を移動させて、最大エコーが得られた位置、エコー高さが最大エコーの１／２（−６ｄＢ）および１／４（−１２ｄＢ）となる位置を調べ、探触子、位置ごとに結果をまとめて探傷範囲とした。
【００２０】
上記の条件で板厚をいろいろ変化させて寸法に応じて探傷配置と探傷可能範囲について検討した。図６は板厚が２００ｍｍの場合の探傷可能領域を示す図である。斜線で示した範囲が探傷可能領域である。ここでは送信探触子が４個用いられる。受信側探触子４１に近いほうから第１〜第４送信側探触子４２〜４５という。第１および第２送信側探触子４２，４３の送信条件は５MHz６０°であり、第３および第４送信側探触子４４，４５の送信条件は２ＭＨｚ６０°である。
【００２１】
なお、図６において、Ｙ＝０は基準位置を示し、受信側探触子４１は基準位置から左側に距離ａ離れた位置に載置され、送信側探触子４２〜４５は基準位置から右側に、それぞれ、距離ｅ、ｄ、ｃ、ｂ離れた位置に載置される。また、送信側探触子４２の下端の左側から斜め左下方向に延びる二点鎖線で示した線が溶接部の形状である。
【００２２】
なお、受信側探触子４１の受信条件は、送信条件が５ＭＨｚ６０°のものについては、５ＭＨｚで５°、２５°、および、６０°であり、送信条件が２Ｈｚ６０°のものについては、２ＭＨｚで５°、２５°、および、６０°である。
【００２３】
図６に示すように、２００ｍｍの板厚において、送信側探触子の送信条件を２ＭＨｚ、５ＭＨｚ、６０°とし、受信側探触子の受信条件は、２ＭＨｚで５°、２５°および６０°ならびに５ＭＨｚ、６０°、５ＭＨｚで５°、２５°および６０°であれば、必要な領域を探傷できる。このように、板厚に応じて溶接部をカバーできるように送信側および受信側探触子を配置すればノズルの溶接部の探傷が可能であることがわかる。
【００２４】
次に、具体的なノズル溶接部の探傷方法および探触子の配置の決定方法について説明する。上記のことから、ノズル溶接部の探傷方法および探触子の配置を次のように決定した。
【００２５】
探傷は管胴部の内面からも可能であるが、外面側から行なう。また、送信および受信周波数は適用する板厚ごとに縦波５ＭＨｚまたは２ＭＨｚを使用する。具体的には板厚５０ｍｍ以下のとき縦波５ＭＨｚを使用し、板厚５０ｍｍ〜２００ｍｍのとき縦波２ＭＨｚと５ＭＨｚとを併用する。
【００２６】
また、送信側探触子および受信側探触子の組合せは次のようにする。
【００２７】
溶接部全体をカバーするために３種類の受信角度で探傷する。
【００２８】
送信側６０°と受信側５°、送信側６０°と受信側２５°、送信側６０°と受信側６０°のそれぞれの探触子の組合せとする。
【００２９】
次に探触子の配置について説明する。図７は溶接部６０で接続されたノズル６１を有する胴部６２における探触子の配置を示す図である。図７を参照して、は溶接部６０を挟んで受信側探触子５１と送信側探触子５２、５３が配置される。また、図８（Ａ）は図７に示したような探触子において、好ましい配置を示す平面図である。また、図８（Ｂ）は図８（Ａ）と同様の図であるが、ノズル６１の径が大きい場合を示す図である。具体的には、図８（Ａ）はノズル溶接部半径が１５０ｍｍの場合の図であり、図８（Ｂ）はノズル溶接部半径が３００ｍｍの場合を示す図である。
【００３０】
図７および図８を参照して、第１送信側探触子５２と第２送信側探触子５３とが溶接部６０を挟んでノズル６１の反対側に載置され、受信側探触子５１がノズル６１側に載置される。
【００３１】
また、図８（Ａ）に示すように、６０°の送信側探触子５２ｃと５°の受信側探触子５１ｃの組と、２５°の送信側探触子５２ｂと２５°の受信側探触子５１ｂの組と、６０°の送信側探触子５２ａと６０°の受信側探触子５１ａの組との３組の送信側および受信側探触子をノズル溶接部６０の中心から扇状に並べて探傷すれば、一度にその部分の探傷が可能になる。
【００３２】
次に、この実施の形態におけるきずの高さおよびきずの深さの評価方法について説明する。図９は溶接部におけるきずへの送信側探触子１２からの超音波の送信と、きずから受信側探触子１１が受信する超音波の受信角度の考え方を示す図である。ここでは、ノズルの溶接部を探傷するために、受信側探触子１１は溶接部６０の近傍に配置され、送信側探触子１２は溶接部６０から離れた位置に配置される。
【００３３】
送信側探触子１２と受信側探触子１１との超音波入射位置の間隔をｆとする。送信側探触子１２から受信側探触子１１へ送信される超音波ビームのうち、きず７０を反射する伝播経路長ｗを有する楕円軌跡を求め、これと、受信側探触子１１におけるエコー高さの高い受信角度θとの交点がきず７０で反射する位置を示す。
【００３４】
きず７０で反射する伝播経路長ｗは探傷図形から読取れるため、楕円軌跡が算出され、受信側探触子１１による受信角度θが推定できれば、きずの位置を算出することが可能になる。
【００３５】
受信側探触子１１の受信角度θとしては最もエコー高さが高い角度を求める必要がある。これは、受信側探触子１１において受信角度をスキャンすればよい。
【００３６】
一方で、複数の角度、例えば、５°、２５°、６０°の各々の角度で受信側探触子で検出した同一のきずと推定されるエコーのエコー高さから求めてもよい。周波数、振動直径が同一の探触子は、超音波ビームの拡がりがほぼ同様と考え、各々の探触子のエコー高さの比から受信角度を求める。例えば、図９において、θが５°と２５°とのエコー高さの比が１：２であれば、θが５°と２５°との間を２：１に按分した位置にきずが存在すると判断できる。
【００３７】
次に、きずの深さの算出方法について説明する。前述のようにきず位置は、送受信側探触子１１、１２の間隔ときずの上端部の位置における伝播経路長と受信波のエコー高さから計算される。
【００３８】
図１０は送受信探触子を用いてきず位置を算出するための具体的な方法を示す図である。図１０（Ａ）は概念を模式化した図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のように模式化される前の実際の送信側探触子１２と、受信側探触子１１と、両者によって特定されるきず７０の位置関係を示す図である。
【００３９】
ここで、Ｘ＝０およびＹ＝０の位置を原点とし、焦点Ｆの位置に送信側探触子１１と受信側探触子１２とが位置するものとする。ｗ／２＋ｗ／２＝ｗは送信側探触子１２から受信側探触子１１への超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を形成する距離であり、θは異なる受信側探触子の受信波のエコー高さから求めた受信角度である。
【００４０】
また、ａは楕円の長辺であり、ｂは楕円の短辺であり、ｃはエコー高さから求めた受信波のＹ軸の切片である。
【００４１】
この例であれば、楕円の軌跡と受信側探触子１１の位置から受信角度θで引いた直線との交点１４（○で示す）がきず７０の位置として推定される。
【００４２】
具体的には、きず７０の位置１４は、楕円と直線の連立式から求める。このようにすれば、交点の座標（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００４３】
次に、きず７０の高さの算出について説明する。上で求めたきず７０の上端位置１４のＸ座標上にきずがあるものとして、きず７０の下端からのエコーの伝播距離から計算される楕円の式にＸ座標の値を代入して下端位置を求める。そして上端位置と下端位置との差をきず７０の高さとする。
【００４４】
ここで、交点を求める関係式は次のとおりである。
ｙ＝√（（1-Ｘ^２）／ａ^２）＊ｂ^２）
ｙ＝ｔａｎη×Ｘ＋ｃ
【００４５】
次に、具体的な算出方法について説明する。ここでは、図１〜３に示したような複数の貫通孔を有する試験体を用いて、貫通孔をきずとして検出し、その位置を求める場合を説明する。図１１はパソコンの表示画面を示す図である。図１１（Ａ）は受信角度が６０°の探触子で受信した場合の試験体におけるある特定のきずに対して、そのきずの位置をカーソルで特定する場合を示す図であり、図１１（Ｂ）はその場合のエコー高さを示す図である。図１１（Ａ）において横軸は試験体の端部からの距離を示し、縦軸は伝播時間を示す。図１１（Ｂ）において横軸は試験体の端部からの距離を示し、縦軸はエコー高さを示す。同様に、図１１（Ｃ）と（Ｄ）は受信角度が２５°の場合の、図１１（Ｅ）と（Ｆ）とは受信角度が５°の場合の、きずの位置と、エコー高さを示す。
【００４６】
図１１（Ａ）および（Ｂ）を参照して、受信角度が６０°の探触子で受信した場合のきずの位置の特定方法について説明する。図１１（Ａ）に示すように、画面上には試験体に設けられた複数のきずが画面上に参照番号７１,７２等で示すように表示される。表示されたそれぞれのきずのうち、所望のきず(ここでは参照番号７２)をカーソル線８１〜８３で選択する。ここでカーソル線８２はきずの上端部の位置を、カーソル線８３はきずの下端部の位置を示す。
【００４７】
図１１（Ａ）において、きずの位置を特定すると、その位置におけるのエコー波形８６が図１１（Ｂ）に示すように表示される。ここでカーソル線８２で示すきずの上端部がエコー波形８６の極小部８６ａに対応し、カーソル線８３で示すきずの下端部がエコー波形８６の極大部８６ｂに対応する。このようにしてきずの位置を特定すると、その時のエコー高さ等のデータが自動的に後に説明する、図１３（Ａ）に示すように入力される。
【００４８】
図１２に図１１に示したような表示画面を表示する表示部を有する探傷装置２０のブロック図を示す。図１２を参照して、探傷装置２０は、制御部２１と、表示部２２と、演算部２３と、受信側探触子１１と送信側探触子１２とのインターフェースとなるＩ／Ｏ部２４とを有するパソコンであって、制御部２１が表示部２２、演算部２３、Ｉ／Ｏ部２４を制御してきずの位置を特定する。
【００４９】
次に、探傷装置２０を用いたきず７０の位置の解析方法について説明する。探傷装置２０は、きずの深さ算出機能を備えている。この機能は、エクセル（登録商標）のような表計算ソフトウエアに連動して、探傷結果のカーソル表示位置や伝播時間とエコー高さ等をこの表計算ソフトウエアに与えて表計算ソフトウエア上で算出し、その結果を表示部に表示する機能である。
【００５０】
なお、上記したように算出結果はカーソルの動きにあわせてリアルタイムで表示部２２に表示される。
【００５１】
一例として、図１３にこのソフトウエアを用いたＴＯＦＤ法での結果表示画面を示す。
【００５２】
図１３（Ａ）は図１１に示したようにカーソルを用いてきずの位置を特定したときのソフトウエアの表示画面例を示す図である。ここでは、ある探傷例における、受信側探触子の公称屈折角と、探傷ゲイン値と、上端エコー高さと、下端エコー高さと、上端ビームの伝播時間と、下端ビームの伝播時間とが、それぞれの角度ごとに自動的に入力された状態を示す。上記したように、受信側探触子１１の公称屈折角ごとに、探傷感度のゲインが調整され、上端エコー高さ、下端エコー高さ、上端伝播時間、下端伝播時間が表示される。
【００５３】
これが入力されると、図１２（Ｂ）に示すように、きず位置、きず深さ、および、きず高さが上記の式に基づいて自動的に算出される。
【００５４】
なお、上記実施の形態においては、屈折角として、５°、２５°、６０°の場合について説明したが、これに限らず、溶接部をカバーできれば、３つの角度に限らず、２つの角度等であってもよいし、複数の角度において、他の組合せでもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態において、送信角度は６０°の場合について説明したが、これに限らず、任意の角度であってもよい。
【００５６】
図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではない。本発明と同一の範囲内において、または均等の範囲内において、図示した実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
この発明に係るＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷装置および探傷方法は、溶接で接続されたノズルのきずの位置等を簡単に算出できるため、ノズルの溶接部の探傷装置、および、その方法として有利に利用される。
【符号の説明】
【００５８】
１１，４１受信側探触子、１２，４２送信側探触子、２０探傷装置、２１制御部、２２表示部、２３演算部、２４Ｉ／Ｏ部、６０溶接部、６１，１３１ノズル、６２，１３３胴部、１０１、１１１，１２１横穴試験体、１０２，１０３、１１２，１１３，１２２，１２３貫通孔。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷方法であって、
送信側探触子と受信側探触子とを前記溶接部を挟んで配置し、
前記送信側探触子から所定の角度で前記溶接部に超音波ビームを送信し、
前記受信側探触子で前記超音波ビームによる前記溶接部のきずからの回折波を受信し、
前記送信探触子から前記受信探触子への前記超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を算出し、
前記受信探触子の受信角度を複数切替えて、前記検出された楕円軌跡上で複数の回折波のエコー高さを算出し、
前記検出された複数の回折波のエコー高さに基づいて前記溶接部のきずの位置を算出する、ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷方法。
【請求項２】
前記溶接部のきずの位置の検出は、受信角度を複数切替えた回折波の強度に応じて検出する、請求項１に記載のＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷方法。
【請求項３】
ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷装置であって、
溶接部を挟んで配置される、送信側探触子および受信側探触子を含み、
前記送信側探触子は所定の角度で前記溶接部に超音波ビームを送信し、
前記受信側探触子は前記超音波ビームによる前記溶接部のきずからの回折波を受信し、
前記送信探触子から前記受信探触子への前記超音波の伝播経路長を等しくする楕円軌跡を算出する楕円軌跡算出手段と、
前記受信探触子の受信角度を複数切替えて、前記算出された楕円軌跡上で複数の回折波のエコー高さを算出するエコー高さ検出手段と、
前記楕円軌跡算出手段の算出した楕円軌跡と前記エコー高さ算出手段の算出したエコー高さに基づいて前記溶接部のきずの位置を算出するきず位置算出手段とを含む、ＴＯＦＤ法を用いた溶接部の探傷装置。

【図１】