測定事例 - 超音波探傷 White Paper - Ultrasonic Flaw Detection

溶接部の探傷では通常、一探触子の斜角探触子を使用します。垂直探触子では、余盛のため探触子を密着させることが困難であることと、板厚方向の割れを検出することができないからです。
JIS Z 3060では、斜角探触子の公称周波数、振動子の公称寸法および屈折角を以下のように定めています。

探傷器の調整

STB-A1試験片またはA3系試験片を使用して、入射点の測定、測定範囲の調整、屈折角の測定を行います。
入射点、STB屈折角、測定範囲および探傷感度は、作業開始時だけでなく、作業開始後4時間以内ごとおよび作業終了時に点検し、これら条件の変化量を確認する必要があります。

探傷感度の調整

STB-A2系試験片やA3系試験片、RB-41を用い、標準穴のエコー高さがH線に一致するように探傷感度を調整します。

探傷

きずの傾きによる見落としを防ぐため、使用するビーム路程が250mm以下の場合は、超音波を溶接部に直接当てる直射法と、超音波を底面に当て反射した超音波で溶接部を狙う1回反射法を組み合わせ、かつ余盛の両側から探傷します（片面両側）。

板厚が厚く、ビーム路程が250mmを超える場合は、表面側だけでなく、底面側を含めた両側から探傷します（両面両側）。

検出レベルは、M線を超えるきずを対象とするM検出レベルと、L線を超えるきずを対象とするL検出レベルのいずれかを、当事者間の話し合いで決めます。
定められた範囲を探触子走査し、M検出レベルの場合は最大エコー高さがM線を超えるきずを、L検出レベルの場合は最大エコー高さがL線を超えるきずを評価対象とします。評価対象のきずエコーを検出したら、その時の探触子位置、ビーム路程、エコー高さの領域区分等の必要事項を記録します。

次に、きずの指示長さを測定します。きずの指示長さとは、溶接線に平行な方向の長さです。きずの最大エコー高さを検出した位置から、左右走査（溶接線に平行に探触子を走査）を行い、エコー高さがL線を超える範囲がきず指示長さとなります。

平板突合せ継手溶接部の探傷では斜角探触子を使用しましたが、T継手溶接部の探傷では、斜角探触子に加えて垂直探触子も使用します。
JIS Z 3060では、垂直探触子の公称周波数および振動子の公称寸法を以下のように定めています。
斜角探触子については、平板突合せ継手溶接部の探傷を参照ください。

探傷器の調整

斜角探傷では、STB-A1試験片またはA3系試験片を使用して、入射点の測定、測定範囲の調整、屈折角の測定を行います。
垂直探傷子では、STB-A1試験片等を用いて、測定範囲の調整を行います。
入射点、STB屈折角、測定範囲および探傷感度は、作業開始時だけでなく、作業開始後4時間以内ごとおよび作業終了時に点検し、これら条件の変化量を確認する必要があります。

探傷感度の調整

斜角探傷ではSTB-A2系試験片やRB-41を、垂直探傷ではRB-41を用い、標準穴のエコー高さがH線に一致するように探傷感度を調整します。

探傷

きずの傾きによる見落としを防ぐため、使用するビーム路程が250mm以下の場合は、超音波を溶接部に直接当てる直射法と、超音波を底面に当て反射した超音波で溶接部を狙う1回反射法を組み合わせて探傷します（片面片側）。

板厚が厚く、ビーム路程が250mmを超える場合は、表面側だけでなく底面側からも探傷します（両面片側）。

垂直探傷では、直交する外面に探触子を接触させ探傷します。

検出レベルは、M線を超えるきずを対象とするM検出レベルと、L線を超えるきずを対象とするL検出レベルのいずれかを、当事者間の話し合いで決めます。
定められた範囲を探触子走査し、M検出レベルの場合は最大エコー高さがM線を超えるきずを、L検出レベルの場合は最大エコー高さがL線を超えるきずを評価対象とします。評価対象のきずエコーを検出したら、その時の探触子位置、ビーム路程、エコー高さの領域区分等の必要事項を記録します。

次に、きずの指示長さを測定します。きずの指示長さとは、溶接線に平行な方向の長さです。きずの最大エコー高さを検出した位置から、左右走査（溶接線に平行に探触子を走査）を行い、エコー高さがL線を超える範囲がきず指示長さとなります。

鋼の角継手溶接部の超音波探傷は、T継手溶接部と同様に、斜角探触子と垂直探触子を使用します。
JIS Z 3060では、垂直探触子の公称周波数および振動子の公称寸法を以下のように定めています。
斜角探触子については、平板突合せ継手溶接部の探傷を参照ください。

探傷器の調整

斜角探傷では、STB-A1試験片またはA3系試験片を使用して、入射点の測定、測定範囲の調整、屈折角の測定を行います。
垂直探傷子では、STB-A1試験片等を用いて、測定範囲の調整を行います。
入射点、STB屈折角、測定範囲および探傷感度は、作業開始時だけでなく、作業開始後4時間以内ごとおよび作業終了時に点検し、これら条件の変化量を確認する必要があります。

探傷感度の調整

斜角探傷ではSTB-A2系試験片やRB-41を、垂直探傷ではRB-41を用い、標準穴のエコー高さがH線に一致するように探傷感度を調整します。

探傷

きずの傾きによる見落としを防ぐため、超音波を溶接部に直接当てる直射法と、超音波を底面に当て反射した超音波で溶接部を狙う1回反射法を組み合わせて探傷します（片面片側）。

垂直探傷では、直交する外面に探触子を接触させ探傷します。

検出レベルは、M線を超えるきずを対象とするM検出レベルと、L線を超えるきずを対象とするL検出レベルのいずれかを、当事者間の話し合いで決めます。
定められた範囲を探触子走査し、M検出レベルの場合は最大エコー高さがM線を超えるきずを、L検出レベルの場合は最大エコー高さがL線を超えるきずを評価対象とします。評価対象のきずエコーを検出したら、その時の探触子位置、ビーム路程、エコー高さの領域区分等の必要事項を記録します。

次に、きずの指示長さを測定します。きずの指示長さとは、溶接線に平行な方向の長さです。きずの最大エコー高さを検出した位置から、左右走査（溶接線に平行に探触子を走査）を行い、エコー高さがL線を超える範囲がきず指示長さとなります。

鋼の円周継手溶接部の超音波探傷では、平板突合せ継手溶接部の探傷と同様に、斜角探触子を使用します。
JIS Z 3060では、使用する斜角探触子の公称周波数、屈折角および振動子の公称寸法を以下のように定めています。

試験体の曲率半径が小さい場合、探触子と試験体の接触面積も小さくなり、適切な探傷が行えなくなるため、探触子の接触面を曲面加工する必要があります。

探傷器の調整

STB-A1試験片またはA3系試験片を使用して、入射点の測定、測定範囲の調整、屈折角の測定を行います。
入射点、STB屈折角、測定範囲および探傷感度は、作業開始時だけでなく、作業開始後4時間以内ごと、および作業終了時に点検し、これら条件の変化量を確認する必要があります。

探傷感度の調整

RB-41A、RB-41B、RB-42またはRB-A6を用い、調整します。

探傷

きずの傾きによる見落としを防ぐため、2方向以上の超音波ビームで行います。

検出レベルは、M線を超えるきずを対象とするM検出レベルと、L線を超えるきずを対象とするL検出レベルのいずれかを、当事者間の話し合いで決めます。
定められた範囲を探触子走査し、M検出レベルの場合は最大エコー高さがM線を超えるきずを、L検出レベルの場合は最大エコー高さがL線を超えるきずを評価対象とします。評価対象のきずエコーを検出したら、その時の探触子位置、ビーム路程、エコー高さの領域区分等の必要事項を記録します。

次に、きずの指示長さを測定します。きずの指示長さとは、溶接線に平行な方向の長さです。きずの最大エコー高さを検出した位置から、左右走査（溶接線に平行に探触子を走査）を行い、エコー高さがL線を超える範囲がきず指示長さとなります。

鋼の長手継手溶接部の超音波探傷では、円周継手溶接部の探傷と同様に、斜角探触子を使用します。
JIS Z 3060では、使用する斜角探触子の公称周波数、屈折角および振動子の公称寸法を以下のように定めています。

試験体の曲率により、探触子と試験体の接触面積が小さくなり適切な探傷が行えなくなるため、以下に従い探触子の接触面を曲面加工します。

探傷器の調整

STB-A1試験片またはA3系試験片を使用して、入射点の測定、測定範囲の調整、屈折角の測定を行います。
入射点、STB屈折角、測定範囲および探傷感度は、作業開始時だけでなく、作業開始後4時間以内ごと、および作業終了時に点検し、これら条件の変化量を確認する必要があります。

探傷感度の調整

RB-41A、RB-41B、RB-43を用い、探傷感度を調整します。

探傷

探傷は、きずの傾きによる見落としを防ぐために2方向以上の超音波ビームで行います

検出レベルは、M線を超えるきずを対象とするM検出レベルと、L線を超えるきずを対象とするL検出レベルのいずれかを、当事者間の話し合いで決めます。
定められた範囲を探触子走査し、M検出レベルの場合は最大エコー高さがM線を超えるきずを、L検出レベルの場合は最大エコー高さがL線を超えるきずを評価対象とします。評価対象のきずエコーを検出したら、その時の探触子位置、ビーム路程、エコー高さの領域区分等の必要事項を記録します。

次に、きずの指示長さを測定します。きずの指示長さとは、溶接線に平行な方向の長さです。きずの最大エコー高さを検出した位置から、左右走査（溶接線に平行に探触子を走査）を行い、エコー高さがL線を超える範囲がきず指示長さとなります。

下の絵は、健全な鋳鉄品と、きずのある鋳鉄品の超音波探傷のイメージ図です。
健全な鋳鉄品では、送信パルスと底面エコーの間にエコーが表示されませんが、きず（引け巣）がある鋳鉄品の測定では、きずからのエコーが表示されます。
このきずエコーの表示有無により、きずの有無を判断します。

対比試験片

検査に当たり、まず検出したいきずの位置および大きさを決めます。次に、その位置に人工きず（ドリルの平底穴や横穴）を施した対比試験片を作成します。
対比試験片は、試験条件を決めるために大切な試験片です。

探触子（プローブ、トランスデューサー）

一般的に2～5MHzの周波数の探触子を使用し検査を行います。
厚物の測定では、周波数が低く、径が大きい探触子を使用し、薄物や表面近くにあるきずの探傷ではニ振動子探触子を使用します。
また、探傷面が粗い場合は、保護膜付きの探触子や粘性のある接触媒質を使用します。

探傷

超音波探傷器で、ゼロ点および音速、測定範囲を調整します。次に、作成した対比試験片の人工きずからの最大エコー高さが、80％になるように感度を調整します。これが試験感度となります。

きずを見逃さないように、探傷感度に6dBまたは12bB足し、粗探傷を行います。きずを検出した場合、鋳鉄品の該当箇所に印をつけ、探傷感度を試験感度に戻し、再度その傷を探傷します。最大エコー高さが80%を超えた場合、きずの大きさは人工きずよりも大きいものと判断することができます。

感度調整

実際の施工に用いた同種のアンカーボルトを使用し、感度の調整を行います。
探触子をボルト頭部に密着させ、底面（先端）エコーのエコー高さを80%に調整します。ゲートレベルを20～50%に、ゲート幅はアンカーボルトの長さ以上に設定します。探傷器に表示される長さが実測長の±1%を超える場合は、音速を調整し±1%以内にします。なお、ビーム路程の測定は、ピーク位置で行います。

アンカーボルトの長さ測定

探触子が密着できるようにアンカーボルトの頭部を平滑に処理します。また汚れなどが付着している場合はきれいに拭き取ります。頭部の凹みの処理や汚れの除去を行わないと、超音波がボルトに入射できないため、測定ができない場合があります。

ボルト頭部に探触子を接触させ、ボルト先端からの底面（先端）エコーの中で、最もビール路程が短いエコー高さを50～80%に調整し、ピーク位置でビーム路程を読み取ります。読み取った値を、アンカーボルトの測定値とします。
底面（先端）エコーが確認できない場合や、設計長との差が大きい場合は、頭部処理を入念に行い、再度測定を実施します。アンカーボルトの曲りが大きい場合には測定できない場合もあります。測定ができない場合は、「測定不能」とします。

必要事項を測定結果として記録します。
DFXシリーズおよびST-10では、ボタン１つで測定画面（Aスコープ、測定条件）を保存することができるため、現場での測定結果の記録を効率化することができます。

通常、公称周波数が2～5MHz、振動子の公称寸法が10～20mmの垂直探触子を使用しますが、容器の形状や表面状態、液体の種類により超音波の減衰が大きく測定できない場合があります。そのような場合は、状況にあわせて適切な探触子を使用してください。

まず、内部の液体の水位（液面高さ）が既知の容器を用意し、容器の底部に探触子を密着させます。探傷器に表示された第一回底面エコーと第二回底面エコーを使用して液体の音速とゼロ点の調整を行います。ビーム路程はピーク位置で測定を行い、エコー高さはそれぞれ80%になるよう調整し二点校正（音速とゼロ点の調整）を実施します。調整後、一回目の底面エコーのエコー高さが80%になるように、再度感度を調整します。

次に、測定を行う容器の底部に探触子を密着させます。液体表面に波が生じないようにゆっくり接触させてください。振動等により液体表面に波が生じると、探触子からの距離が安定しないため、探傷器本体に測定値が表示されない場合があります。

容器の底に探触子を接触させることができない場合は、側面に接触させることでおおよその水位（液面高さ）を把握することができます。
内部に液体がある箇所では、探触子から容器に入射した超音波は液体を伝播し、反対側の容器側面に反射し底面エコーとして探傷器に表示されます。一方、液体が無い箇所では底面エコーは表示されません。
探触子を容器に接触したまま下から上にスキャンしていくと、液体が無い箇所で底面エコーが消失します。その消失点がおおよその水位（液面高さ）となります。

探触子との接触面の材質が金属の場合は、公称周波数5MHzの一振動子探触子を、樹脂の場合は2～5MHzの一振動子探触子を使用します。素材の厚みが薄い場合は、遅延材付きの探触子を使用します。探触子は、素材の厚さや表面状態・形状等により、状況に応じ適切な探触子を選択ください。

接着（溶着）には、金属と金属や樹脂と樹脂のように似た素材同士の接着（溶着）と、樹脂と金属のように異なる素材での接着があります。似た素材での接着と異なる素材での接着では、判定方法が若干異なります。
初めに似た素材同士の接着・剥離検査方法について説明し、次に異なる素材での接着について説明します。

似た素材同士の接着（音響インピーダンスが近い素材同士の接着）

金属と金属、樹脂と樹脂の接着（溶着）は、音響インピーダンスが近い素材同士の接着となります。
音響インピーダンスが近い素材間では、境界面で反射する超音波は少なく、大部分が透過します。境界面で反射した超音波エコーの高さを超音波探傷器で観察すると、接着時には大部分のエコーが透過してしまうため、境界面からのエコーは非常に低くなります。
一方、剥離している場合は境界面でエコーがすべて反射し戻ってきますので、高いエコーを観察することができます。
金属と金属の溶接・ろう付けや、樹脂同士の接着のように音響インピーダンスが近い素材の接着は、このように比較的簡単に識別することができます。

異なる素材の接着（音響インピーダンスが異なる素材の接着）

一方で、金属と樹脂のように異なる素材の接着は、音響インピーダンスが異なる素材の接着となります。
音響インピーダンスが異なる素材間では、境界面でを透過する超音波はわずかで、大部分が反射します。このため、接着時と剥離時の境界面からのエコー高さの差は僅かとなります。
ただ、境界面からの多重エコーで比較すると、接着時はわずかながら境界面を透過する超音波が存在するため減衰率が剥離時よりも高くなります。
以下は、接着時の境界面からの多重エコーと、剥離時の境界面からの多重エコーです。比較しやすくするために、接着時の境界面からの多重エコーをもとにDAC線を作成しています。剥離時は、多重エコーが全体的に高くなりDAC線を超えていることが分かります。
このように、異なる素材の接着・剥離検査は、多重エコーをもとに判定します。

異なる素材の接着で、樹脂側に探触子を接触させることができる場合は、位相の反転から接着を確認する方法（異材の接着・剥離検査）の方がより簡易的に判定できますので、そちらを参照ください。

樹脂（ゴム）と金属（セラミック）の接着・剥離検査では、探触子との接触面が樹脂の場合には2～5MHz、ゴムの場合には0.5～2MHzの公称周波数の垂直探触子を使用します。ただし、樹脂やゴムの厚みや表面状態・形状等により、金属との境界面で反射したエコーが表示されない場合は、より低周波で振動子径の大きな探触子を使用する等、状況に応じ適切な探触子を選択ください。

まず、超音波探傷器の波形表示を「RF」に設定します。次に、探触子を樹脂（ゴム）側に密着させます。
金属側にしか探触子を接触させることができない場合には、今回の方法は適用できず、別の方法（エコー高さの減衰カーブから溶着・剥離を識別する方法）で判定します。

樹脂と金属が適切に接着している場合と、剥離している場合では、樹脂と金属の境界で反射するエコーの位相が180度反転します。
以下の接着が良好な場合と、剥離の場合のエコーを比較すると、位相が上下に判定していることが分かります。
このように、樹脂・ゴム等の音響インピーダンスが相対的に低い素材側から、金属・セラミック・ガラス等の音響インピーダンスが相対的に高い素材の接着・剥離の確認は、エコーの位相変化を読み取ることで識別することができます。

繰返し反射する超音波のパターン（減衰率、波形）は、溶接状態（良好、未溶接、小ナゲットなど）により異なります。
超音波によるスポット溶接検査では、この特徴を利用し、スポット溶接部の合否判定を行います。