JP5994852B2 - 鋼材の品質評価方法及び品質評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して鋼材を探傷し、探傷結果に基づいて鋼材の品質を評価する鋼材の品質評価方法及び品質評価装置に関するものである。

一般に、薄板鋼材は、連続鋳造、熱延、酸洗、冷延、及び亜鉛メッキといった複数の工程を経て製造される。このような薄板鋼材の最終製品において問題となる欠陥は、外観上の問題となる表面欠陥やプレス処理によって顕在化する表層(表面から深さ５０μｍ〜１０ｍｍ程度の範囲)直下の欠陥である。これらの欠陥は、前述の各工程で発生する可能性がある。例えば、連続鋳造工程において発生する欠陥としては、アルミナ性介在物やパウダー性介在物がある。また、熱延工程におけるスケールオフ処理の際、鋼材の表層下の気泡が表面に現れ、気泡の中にスケールが詰まることも、表面欠陥の原因の一つと言われている。こうした介在物や気泡は、通常、連続鋳造された鋼片の表層直下に多く存在するため、連続鋳造機の鋳型内での電磁攪拌やブレーキ技術等により、できる限り鋼片の表層直下に欠陥を発生させないような取り組みが実施されている。

連続鋳造工程の鋳造条件が適切であるか否かを判断するために鋼片の品質を評価する方法の一つとして、鋼片から切り出された被検査材の表面を数ミリ程度研削した後、超音波探傷法を利用して被検査材を探傷することによって、被検査材内部の介在物や気泡の分布状態を統計的に調べる方法がある。超音波探傷法は、鉄鋼製品内部の欠陥の探傷に広く使われている検査方法である。一般的に知られている超音波探傷法は、探傷面に対して垂直に超音波信号を入射させる垂直パルスエコー法で被検査材を探傷する方法であり、超音波探触子と被検査材とを油や水で音響結合し、超音波探触子でエコー信号を受信する。しかしながら、この超音波探傷法によれば、被検査材の肉厚の中央部は十分に探傷できるが、表面下数ミリの極表層部は、超音波信号やエコー信号が探傷不可能な不感帯領域に入るために、探傷することができない。

このような背景から、被検査材の極表層部(表面から深さ５０μｍ〜２ｍｍ程度の範囲)の欠陥を探傷する方法として、超音波信号の周波数を例えば５０ＭＨｚ程度に高周波化する方法が提案されている。具体的には、特許文献１には、水を介して垂直パルスエコー法で被検査材を探傷する方法において、超音波信号の周波数を高周波化することによって受信される表面エコー信号の時間幅を短くし、表層部に存在する欠陥によって発生する多重反射エコー信号を検出する方法が記載されている。この方法によれば、従来は不感帯領域に入り検出できなかった欠陥エコー信号が検出できるようになるので、極表層部の欠陥を探傷することができる。

特開平０１−２３７４４９号公報 特開平０９−２５７７６２号公報

しかしながら、特許文献１記載の超音波探傷方法には以下に示すような問題点がある。以下、図１１及び図１２を参照して、特許文献１記載の超音波探傷方法の問題点について説明する。

図１１及び図１２はそれぞれ、特許文献１記載の超音波探傷方法を利用して表面が粗い被検査材の表層部（表面から数ｍｍ〜１０ｍｍ程度の範囲）を探傷した際の超音波信号の反射経路及びエコー信号の波形を示す図である。図１１に示すように、被検査材の表面Ｓが粗い場合、超音波探傷子１００から送出され、被検査材内部の欠陥Ｄで反射された超音波信号は、表面Ｓの山の部分では反射経路Ｒ１、表面Ｓの谷の部分では反射経路Ｒ２を伝播する。このため、表面Ｓが粗い被検査材を探傷する場合、表面Ｓの凹凸によって超音波信号の伝播時間に差が生じる。一方、図１２（ｃ）に示すように、超音波探傷子１００が受信するエコー信号は、図１２（ａ）に示す反射経路Ｒ１（図１１参照）を伝播した表面エコー信号ＥＳ１及び欠陥エコー信号ＥＦ１を含むエコー信号と図１２（ｂ）に示す反射経路Ｒ２（図１１参照）を伝播した表面エコー信号ＥＳ２及び欠陥エコー信号ＥＦ２を含むエコー信号との和である。

以上の理由から、反射経路Ｒ１を伝播した表面エコー信号ＥＳ１と反射経路Ｒ２を伝播した表面エコー信号ＥＳ２との間には時間差が発生する。具体的には、被検査材が鋼であり、仮に表面に１ｍｍの凹みがある部分を探傷したとすると、鋼の音速は約５９００ｍ／ｓ、水中の音速は約１４９０ｍ／ｓであるので、反射経路Ｒ１を伝播した表面エコー信号ＥＳ１に対して表面下約４ｍｍに相当する位置に反射経路Ｒ２を伝播した表面エコー信号ＥＳ２が現れる。このため、図１２（ｃ），（ｄ）に示すように、超音波探傷子１００が受信するエコー信号に含まれる表面エコー信号ＥＳの時間幅は長くなり、表面エコー信号ＥＳが欠陥を検出するために設定された探傷ゲート内に入り込んでノイズとなり、Ｓ／Ｎが低下し、結果として表層部の欠陥を精度高く検出できなくなる。

なお、このような問題を解決するために、特許文献２には、鋼材表面を研削した後に超音波探傷法を利用して鋼材を探傷することによって、表面の凹凸に起因するノイズの発生を抑制する方法が記載されている。しかしながら、特許文献２記載の技術によれば、研削された表層部分の欠陥を探傷することができなくなる。

被検査材は表面が平坦なものばかりではなく、平坦部の平均表面粗さに比べて、その表面が粗く、大きな凹凸を有する非平坦部を有するものが多い。例えば厚板や継目無管等では、圧延等の工程において表面にスケール等が押し込まれることによって凹みが生じたり、部分的に手入れを行なった部位に凹みが存在したりする場合がある。また、連続鋳造された鋼片の表面には、オシレーションマークと呼ばれる凹みが存在する。このため、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く検出可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷可能な鋼材の品質評価方法及び品質評価装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の品質評価方法は、表層部を含む鋼材の表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信するステップと、前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップと、前記表面の形状プロファイルに基づいて鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記形状プロファイルを算出するステップは、前記表面からのエコー信号の波形に対する包絡線波形を算出し、該包絡線波形から前記伝播路程を算出し、超音波信号の走査方向における伝播路程のプロファイルに対し平滑化処理を施すことによって、超音波信号に走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記平滑化処理は、移動平均処理を用いた平滑化処理であることを特徴とする。

本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記エコー信号を受信するステップを、水を介してラインフォーカス状の超音波信号を送信する第１の圧電型振動子と、ラインフォーカス状の受信信号視野を有し、前記エコー信号を受信する第２の圧電型振動子と、を備え、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが、第１の圧電型振動子が送信する超音波信号と前記受信信号視野の中心軸との交差位置が鋼材中の所定の深さ範囲内に位置するように音響隔離板を介して対向配置されている探傷手段を用いて行うことを特徴とする。

本発明に係る鋼材の品質評価方法は、上記発明において、前記第１及び第２の圧電型振動子は、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが対向する面に対して垂直及び平行な方向ではそれぞれ送信又は受信する信号が拡散及び集束するように配置されていることを特徴とする。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の品質評価装置は、表層部を含む鋼材の表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信する探傷手段と、前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出する算出手段と、前記表面の形状プロファイルに基づいて鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する画像生成手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る鋼材の品質評価方法及び品質評価装置によれば、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷することができる。

図１は、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、超音波信号の走査に伴い発生するエコー信号を示す模式図である。 図４は、Ｂエコーの伝播路程の算出方法を説明するための図である。 図５は、Ｂスコープ像の算出方法を説明するための図である。 図６は、Ｂスコープ像の平滑化方法を説明するための図である。 図７は、欠陥指示画像の生成方法を説明するための図である。 図８は、Ｃスコープ像及びＢスコープ像の一例を示す図である。 図９Ａは、超音波探触子の構成を示す側面図である。 図９Ｂは、超音波探触子の構成を示す平面図である。 図１０は、圧電型振動子の構成を説明するための模式図である。 図１１は、表面が粗い被検査材の表層部を探傷した際の超音波信号の反射経路を示す図である。 図１２は、表面が粗い被検査材の表層部を探傷した際のエコー信号及びゲート信号の波形を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置及び品質評価方法について説明する。

〔品質評価装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置は、超音波探傷子１０、探傷子制御部１１、Ａ／Ｄ変換部１２、波形メモリ１３、黒皮面形状プロファイル計算部１４、欠陥指示画像化部１５、及び欠陥指示出力部１６を主な構成要素として備えている。

超音波探傷子１０は、鋼材１に向けて超音波信号を送出し、鋼材１からの超音波信号の反射信号をエコー信号として受信するものである。

探傷子制御部１１は、超音波探傷子１０の駆動を制御すると共に、超音波探傷子１０が受信したエコー信号をＡ／Ｄ変換部１２に出力するものである。

Ａ／Ｄ変換部１２は、探傷子制御部１１から出力されたアナログ形態のエコー信号の波形データをデジタル形態のエコー信号の波形データに変換し、デジタル形態に変換されたエコー信号の波形データを波形メモリ１３内に格納するものである。

黒皮面形状プロファイル計算部１４、欠陥指示画像化部１５、及び欠陥指示出力部１６は、マイクロプロセッサ等の情報処理装置がコンピュータプログラムを実行することによって実現される。

黒皮面形状プロファイル計算部１４は、波形メモリ１３内に格納されているエコー信号の波形データを用いて鋼材１の黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出する。

欠陥指示画像化部１５は、黒皮面形状プロファイル計算部１４によって算出された鋼材１の黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて鋼材１の表層部に存在する欠陥の画像を欠陥指示画像として生成する。

欠陥指示出力部１６は、欠陥指示画像化部１５が生成した欠陥指示画像を出力する。

〔品質評価処理〕
このような構成を有する鋼材の品質評価装置は、以下に示す品質評価処理を実行することによって、凹凸を有する表層部の欠陥を探傷する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、品質評価処理を実行する際の鋼材の品質評価装置の動作について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である品質評価処理の流れを示すフローチャートである。図２に示すフローチャートは、オペレータが、連続鋳造された鋼片から切り出された板状の鋼材１の黒皮面Ｓ１に対向する表面Ｓ２（以下、走査面Ｓ２と表記）が超音波探傷子１０に対向するように鋼材１をセッティングし（図１参照）、品質評価装置に対して品質評価処理の実行を指示したタイミングで開始となり、品質評価処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、探傷子制御部１１が、鋼材１の長さ方向位置を指定するプログラムカウンタｐの値を１に設定する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、探傷子制御部１１が、プログラムカウンタｐの値に対応する幅方向走査データData(p)を読み出す。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、探傷子制御部１１が、鋼材１と超音波探傷子１０とを相対的に移動させることによってプログラムカウンタｐに対応する鋼材１の長さ方向位置に超音波探傷子１０を移動する。探傷子制御部１１は、ステップＳ２の処理によって読み出された幅方向走査データData(p)に従って、鋼材１と超音波探傷子１０とを鋼材１の幅方向に沿って相対的に移動させながら超音波探傷子１０から超音波信号を送信することにより走査面Ｓ２に向けて超音波信号を走査する。探傷子制御部１１は、超音波探傷子１０が受信したエコー信号をＡ／Ｄ変換部１２に出力する。そして、Ａ／Ｄ変換部１２は、探傷子制御部１１から出力されたアナログ形態のエコー信号の波形データをデジタル形態のエコー信号の波形データに変換し、デジタル形態に変換されたエコー信号の波形データを波形メモリ１３内に格納する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、黒皮面形状プロファイル計算部１４が、波形メモリ１３内に格納されているエコー信号の波形データから黒皮面Ｓ１からのエコー信号（以下、Ｂエコーと表記）を抽出し、抽出されたＢエコーを用いて黒皮面Ｓ１の形状プロファイル（Ｂスコープ像，底面位置情報）を算出する。ここで、図３〜図５を参照して、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルの算出方法について詳しく説明する。図３に示すように、超音波探傷子１０から超音波信号を送出することにより、鋼材１の黒皮面Ｓ１からのＢエコーＥＢ、鋼材１中の欠陥Ｄからのエコー信号（以下、Ｆエコーと表記）ＥＦ、及び走査面Ｓ２からのエコー信号ＥＳが発生する。

黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出する際、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、Ｂエコーの伝搬路程（伝播時間又は深さ位置）を算出する。具体的には、図４に示すように、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、Ｂエコーゲートを利用して波形メモリ１３内に格納されているエコー信号の波形データからＢエコーの波形データを抽出し、Ｂエコーゲート内におけるＢエコーの波形ＢＬの立ち上がりから伝播路程ΔＴを算出する。Ｂエコーの伝播路程ΔＴを算出する際には、Ｂエコーの波形ＢＬの絶対値にローパスフィルタ処理や移動平均処理等の処理を施すことによって包絡線波形（検波波形）Ｌ１を算出し、包絡線波形Ｌ１の振幅が閾値Ｔｂ以上になる伝播時間を伝播路程ΔＴとすることが望ましい。そして、図５（ａ），（ｂ）に示すように、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、Ｂエコーの伝播路程ΔＴに基づいて、超音波信号の走査方向におけるＢエコーＥＢの伝播路程ΔＴのプロファイルを超音波信号の走査方向における黒皮面Ｓ１の形状プロファイルとして生成する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、黒皮面形状プロファイル計算部１４が、ステップＳ４の処理によって生成された黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに対して平滑化処理を施す。ステップＳ４の処理では、黒皮面Ｓ１の直下にあるＦエコーも含めて黒皮面Ｓ１の形状プロファイルとしてとらえてしまう。このため、黒皮面形状プロファイル計算部１４は、図６に示すように黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに対し平滑化処理を施すことにより、真の黒皮面Ｓ１の形状を算出する。平滑化処理は、移動平均処理又はデジタルＩＩＲフィルタやＦＩＲフィルタ等を用いたローパスフィルタ処理を施すことによって行うことができる。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、欠陥指示画像化部１５が、ステップＳ５の処理によって平滑化された黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいてＦエコーの検出範囲を探傷ゲートとして設定する。具体的には、図７に示すように、欠陥指示画像化部１５は、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを基準とした所定振幅の範囲内を探傷ゲートとして設定する。そして、欠陥指示画像化部１５は、探傷ゲートを利用して黒皮面Ｓ１を基準にした超音波信号の走査方向におけるＦエコーのプロファイル（Ｆスコープ像）を生成し、Ｆエコーの振幅の最大値（最大エコー高さ）及びその位置座標を算出する。黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて探傷ゲートを設定することによって、黒皮面Ｓ１の凹凸に追従するように探傷ゲートを設定できるので、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷することができる。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、欠陥指示画像化部１５が、ステップＳ６の処理によって算出された最大エコー高さ及びその位置座標を図示しない一時記憶メモリに出力する。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ８の処理では、探傷子制御部１１が、未処理の幅方向走査データData(p)があるか否かを判別する。判別の結果、未処理の幅方向走査データData(p)がある場合、探傷子制御部１１は品質評価処理をステップＳ９の処理に進める。一方、未処理の幅方向走査データData(p)がない場合には、探傷子制御部１１は品質評価処理をステップＳ１０の処理に進める。

ステップＳ９の処理では、探傷子制御部１１が、プログラムカウンタｐの値を１増数する。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、品質評価処理はステップＳ２の処理に戻る。

ステップＳ１０の処理では、欠陥指示画像化部１５が、図示しない一時記憶メモリに出力された各幅方向走査データData(p)の最大エコー高さ及びその位置座標を鋼材１の長さ方向にマッピングすることによって欠陥指示画像を生成する。そして、欠陥指示出力部１６は、欠陥指示画像化部１５が生成した欠陥指示画像を出力する。これにより、ステップＳ１０の処理は完了し、一連の品質評価処理は終了する。

なお、ステップＳ１０の処理において、欠陥指示画像化部１５は、予め設定した閾値以上の最大エコー高さを有する位置座標にラベリング処理を施し、ラベリング処理結果に基づいて欠陥個数、欠陥径、欠陥深さ等を算出、出力してもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である鋼材の品質評価装置によれば、探傷子制御部１１が、表層部を含む鋼材１の黒皮面Ｓ１に対向する走査面Ｓ２に向けて超音波信号を走査し、超音波信号の走査に伴い発生する鋼材１からのエコー信号を受信し、黒皮面形状プロファイル計算部１４が、エコー信号の波形データを用いて黒皮面Ｓ１からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における黒皮面Ｓ１の形状プロファイルを算出し、欠陥指示画像化部１５及び欠陥指示出力部１６が、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて鋼材１内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲を探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する。このような構成によれば、黒皮面Ｓ１の形状プロファイルに基づいて探傷ゲートを設定することによって、黒皮面Ｓ１の凹凸に追従するように探傷ゲートを設定できるので、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷することができる。

〔実施例１〕
本実施例では、連続鋳造された鋼片から幅（Ｃ方向）300mm×長さ（Ｌ方向）300mm×厚み5ｍｍの鋼材を加工し、黒皮面を超音波探触子から超音波を走査する面と反対面になるように鋼材を設置し、超音波探触子を機械走査しながら、鋼材内部からの反射信号を受信した。このとき、超音波探触子は周波数5MHz、振動子径φ12.8mm、焦点距離60mmの単一プローブを用い、幅300mm×長さ300ｍｍの鋼材に対し鋼材の中央幅方向280mm、長さ方向200mmの範囲を、探傷ピッチを鋼材のＣ方向、Ｌ方向共に0.5mmピッチとして超音波の送受信を行った。また、超音波探触子の機械走査方向は幅方向（Ｃ方向）とし、長さ方向に0.5mmずつずらしながら400回探傷を行った。また、一度の走査毎に受信波形は波形メモリに格納し、ｎ回目のＣ方向の受信波形をData(n)として紐付けして波形メモリに格納した。そして、鋼材全面を超音波探傷して受信波形を測定した後、黒皮面下の探傷を行った。

Ｂエコーの伝播路程は、受信波形の絶対値に50点（伝播時間で0.1μsec相当）の移動平均処理を行い、包絡線波形を算出し、包絡線波形の振幅が閾値Tb以上となる位置を読み取ることによって算出した。Ｂエコーの伝播路程を算出する際の閾値Tbはできるだけ小さいことが好ましいことから、事前に欠陥のない鋼材を探傷し、その探傷波形のノイズレベルの最大値＋0.5dBとして設定した。黒皮面の形状プロファイルに対する平滑フィルタ処理では、10点の移動平均処理を行い、平滑化処理を実施した。図８は、本実施例による黒皮面直下の欠陥（深さ方向0.1mm〜2.0mm）を探傷して得られた２次元画像（Ｃスコープ像及びＢスコープ像）を示す。本実施例により、従来超音波探傷法では困難であった深さ0.1mmにあるφ0.8mm程度の気泡欠陥を検出することができた。以上のことから、本実施例によれば、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷できることが確認できた。

〔実施例２〕
実施例１では、超音波探触子として、周波数5MHz、振動子径φ12.8mm、焦点距離60mmの単一プローブを用いた。しかしながら、超音波探触子として単一プローブを用いた場合、鋼材表面からの反射波の影響によって不感帯が生じるため、超音波信号が入射する鋼材表面下から3mm程度の範囲内を探傷することができない。そこで、本実施例では、図９Ａ，９Ｂに示すような超音波探触子を用いて超音波探傷を行った。

図９Ａ，９Ｂはそれぞれ、超音波探触子の構成を示す側面図及び平面図である。図９Ａ，９Ｂに示すように、本実施例において用いた超音波探触子は、圧電型振動子５１と、圧電型振動子５２と、を備え、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とは音響隔離板５３を介して対向配置されている。

圧電型振動子５１，５２は、ラインフォーカス状に超音波信号を送受信可能な形状を有している。具体的には、圧電型振動子５１，５２の形状が長方形形状である場合、図１０に示すように、圧電型振動子５１，５２は、長辺ＬＳ側には超音波信号が集束するように曲率を付け、短辺ＳＳ側は超音波信号が拡散するように平坦なままにすることによって形成されている。なお、ラインフォーカス状に超音波信号を送受信可能なように平坦な圧電型振動子に音響レンズを取り付けることによって圧電型振動子５１，５２を形成してもよい。

本実施形態では、圧電型振動子５１は、音響結合方法を水浸法として、すなわち水を介してラインフォーカス状の超音波信号ＵＢを送信する。圧電型振動子５２は、ラインフォーカス状の受信信号視野ＲＳを有し、圧電型振動子５１が送信した超音波信号ＵＢに伴い発生するエコー信号を受信する。また、圧電型振動子５１，５２は、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とが対向する面に対して垂直及び平行な方向ではそれぞれ送信又は受信する信号が拡散及び集束するように形成されている。

また、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とは、鋼材表面Ｓ１の法線に対する中心軸の角度φ１，φ２を調整することによって、圧電型振動子５１が送信する超音波信号ＵＢの中心軸Ｌ１と受信信号視野ＲＳの中心軸Ｌ２との交差位置Ｐが鋼材中の所定の深さ範囲Ｄｃ内に位置するように配置されている。また、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２は、鋼中の焦点深さＦが鋼材中の所定の深さ範囲Ｄｃ内に位置するように配置されている。

このような構成を有する超音波探触子によれば、圧電型振動子５１と圧電型振動子５２とは正反射方向とは異なる方向に向くことになる。このため、圧電型振動子５１から送信され、鋼材の表面で反射した信号は、圧電型振動子５２で受信されにくくなり、表面反射波（Ｓエコー）の振幅が小さくなる。さらに、音響隔離板５３が、鋼材の表面で反射し、圧電型振動子５２に洩れ込んでくる散乱波を遮るので、表面反射波の振幅がさらに小さくなり、不感帯を限りなく低減させることができる。

なお、厚板の探傷等に用いられている２分割型探触子は、一見、本実施例で用いた超音波探触子と同じ構成を有している。しかしながら、２分割型探触子では、楔を樹脂系素材とし、音響結合法を水薄膜法（ギャップ法）としている。このため、２分割型探触子と鋼材との間のギャップ（距離）が少しでも開く方向に変動すると、楔底面部分と鋼材表面との間で多重反射が起き、ノイズが発生する。これに対して、本実施例で用いた超音波探触子では、楔を用いていないので、距離変動に伴うノイズは発生しない。

また、従来の技術では、Ｓエコーの不感帯域を狭めるために超音波信号を高周波化し、且つ、欠陥からの反射波をＳ／Ｎ比良く受信できるようにするために超音波信号を集束させている。しかしながら、超音波信号を高周波化し、且つ、集束させた場合、探傷可能な鋼材の深さ範囲が狭くなる。これに対して、本実施例で用いた超音波探触子は、ラインフォーカス状の超音波信号が拡散する側が鋼材の深さ方向に対し交差するように配置されているので、交差範囲、すなわち図９Ａに示す測定深さ範囲Ｄｃ内に存在する欠陥からの反射波を受信することができる。これにより、超音波信号を高周波化せずとも不感帯域を狭め、且つ、鋼材の広い深さ範囲を探傷できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、凹凸を有する表層部の欠陥を精度高く探傷可能な鋼材の品質評価方法及び品質評価装置を提供することができる。

１ 鋼材
１０，１００ 超音波探傷子
１１ 探傷子制御部
１２ Ａ／Ｄ変換部
１３ 波形メモリ
１４ 黒皮面形状プロファイル計算部
１５ 欠陥指示画像化部
１６ 欠陥指示出力部
５１，５２ 圧電型振動子
５３ 音響隔離板
Ｄ 欠陥
Ｓ１ 黒皮面
Ｓ２ 走査面

Claims (5)

1. 平坦部の平均表面粗さと比較して表面粗さが大きい非平坦部を有する表面を備える鋼材の品質評価方法であって、
   表層部を含む前記表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信するステップと、
   前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップと、
   前記表面の形状プロファイルを基準とした所定距離の範囲内を鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲である探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力するステップと、を含み、
   前記形状プロファイルを算出するステップは、前記表面からのエコー信号の波形に対する包絡線波形を算出し、該包絡線波形から前記伝播路程を算出し、超音波信号の走査方向における伝播路程のプロファイルに対し平滑化処理を施すことによって、超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出するステップを含むことを特徴とする鋼材の品質評価方法。
2. 前記平滑化処理は、移動平均処理を用いた平滑化処理であることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の品質評価方法。
3. 前記エコー信号を受信するステップを、水を介してラインフォーカス状の超音波信号を送信する第１の圧電型振動子と、ラインフォーカス状の受信信号視野を有し、前記エコー信号を受信する第２の圧電型振動子と、を備え、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが、第１の圧電型振動子が送信する超音波信号と前記受信信号視野の中心軸との交差位置が鋼材中の所定の深さ範囲内に位置するように音響隔離板を介して対向配置されている探傷手段を用いて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼材の品質評価方法。
4. 前記第１及び第２の圧電型振動子は、第１の圧電型振動子と第２の圧電型振動子とが対向する面に対して垂直及び平行な方向ではそれぞれ送信又は受信する信号が拡散及び集束するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の鋼材の品質評価方法。
5. 平坦部の平均表面粗さと比較して表面粗さが大きい非平坦部を有する表面を備える鋼材の品質評価装置であって、
   表層部を含む前記表面に対向する面に向けて超音波信号を走査し、該超音波信号の走査に伴い発生する鋼材からのエコー信号を受信する探傷手段と、
   前記エコー信号の波形データを用いて前記表面からのエコー信号の伝播路程を算出し、算出された伝播路程から超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出する算出手段と、
   前記表面の形状プロファイルを基準とした所定距離の範囲内を鋼材内の欠陥に由来するエコー信号の検出範囲である探傷ゲートとして設定し、設定した探傷ゲート内のエコー信号の最大値をマッピングした欠陥指示画像を生成、出力する画像生成手段と、を備え、
   前記算出手段は、前記表面からのエコー信号の波形に対する包絡線波形を算出し、該包絡線波形から前記伝播路程を算出し、超音波信号の走査方向における伝播路程のプロファイルに対し平滑化処理を施すことによって、超音波信号の走査方向における前記表面の形状プロファイルを算出することを特徴とする鋼材の品質評価装置。