[发明专利]超声波计测方法以及超声波计测装置

说明书

技术领域

本发明涉及使用超声波以非破坏的方式评价钢材焊接部的品质的超声波计测方法以及超声波计测装置。

背景技术

已知钢材的焊接部处焊接金属(焊接部)的边界的剖面形状(以下，称为“焊接边界剖面形状”)会对钢材的强度等造成影响。例如，在专利文献1中，就记载了钢管的焊接部处焊接边界剖面形状对焊接部的韧性带来影响。因此，从钢材的品质管理、品质保证的观点考虑，提出有将焊接边界剖面形状图像化以非破坏的方式进行评价的技术。例如，在专利文献2中，记载了接收来自母材部与焊接部之间的边界的反射波来进行图像化的技术。具体而言，在该技术中，一边移动探测器，或者一边切换阵列探头的振子(元件)，一边接收朝向母材部与焊接部之间的边界倾斜地发送的超声波的反射波，根据接收到的反射波，来确定反射点并进行图像化。另外，在专利文献3中，记载有使超声波的接收元件与发送元件分开检测超声波的串联计测技术。

然而，一般而言，在焊接部结晶组织的方向是一致的，所以焊接部具有声学各向异性。根据专利文献1，对于奥氏体系不锈钢等焊接部的声学各向异性较大的钢材，母材部的声学阻抗(＝介质密度×声速)Z₁与焊接部的声学阻抗Z₂的差成为相对较大的值。例如，在母材部的声速V₁是3200m/s，焊接部的声速V₂是2500m/s的情况下，介质密度几乎为恒定值，所以母材部的声学阻抗Z₁与焊接部的声学阻抗Z₂之比为1比0.78。

这里，已知在不同介质间的边界面的每单位面积的反射率取决于二者的声学阻抗。根据非专利文献1，在超声波从声学阻抗Z_a的介质向声学阻抗Z_b的介质垂直地入射时的边界面的每单位面积的反射率(声压)r_ab，如下式(1)所示。

公式1

因此，对于上述例子的焊接部的声学各向异性较大的钢材，在超声波从声学阻抗Z₁的母材部向声学阻抗Z₂的焊接部垂直地入射时的边界面的每单位面积的反射率r₁₂，根据上述式(1)为－0.12。这里，负的反射率表示超声波的相位翻转，所以每单位面积的反射率为12％。

专利文献1：日本特开2009－233679号公报

专利文献2：日本特开2009－069077号公报

专利文献3：日本特开2007－163470号公报

非专利文献1：(社)日本非破坏检查协会，超声波探伤试验III(2001)((社)日本非破壊検査協会、超音波探傷試験III(2001))

一般而言，碳钢的焊接部的声学各向异性比奥氏体系不锈钢的焊接部的声学各向异性小。图25是表示在通过以往的埋弧焊焊接的碳钢的焊接部中测定出的横波声速、和基于测定出的横波声速计算出的反射率的图。如图25所示，在碳钢的焊接部，在与焊接线方向平行的位移方向A和垂直的位移方向B，几乎没有横波声速的差异。

对于该碳钢，通过上述式(1)计算出从母材部向焊接部垂直地入射的超声波的边界面的每单位面积的反射率。在计算每单位面积的反射率时，假定母材部与焊接部的介质密度相同。母材部的横波声速为与焊接部的焊接线方向平行的位移方向A的横波声速和垂直的位移方向B的横波声速的平均值，焊接部的横波声速为与焊接部的焊接线方向垂直的位移方向B的横波声速。

如图25所示，所计算出的每单位面积的反射率为0.0％～0.2％，为前述奥氏体系不锈钢的母材部与焊接部之间的边界面的每单位面积的反射率(12％)的六十分之一那么小的值。由此可知，在焊接部的声学各向异性较小的碳钢中，在从母材部向焊接部垂直地入射的超声波的边界检测反射波很困难。

接下来，对从母材部向焊接部以入射角α入射的超声波的反射波进行考察。根据非专利文献1，在向每单位面积的反射率为100％的宽度2a的带状反射体，以入射角α入射超声波的情况下，朝向反射角β的方向的综合反射率(＝全反射声压/全入射声压)r’(α，β)使用波数k如下式(2)所示。

公式2

此外，波数k使用波长λ如下式(3)所示。另外，在波长λ、频率f以及声速V之间，下式(4)的关系成立。

公式3

公式4

V＝fλ…(4)