專利名稱：超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法和裝置。詳細(xì)而言，本發(fā)明 涉及適合測(cè)量厚不銹鋼或鎳鉻鐵耐熱耐腐蝕合金等不宜于超聲波探傷的材料 的傷高的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法和裝置。
背景技術(shù)：
已知沸水型輕水慢化反應(yīng)堆廠的再循環(huán)系統(tǒng)管道的焊接部產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋(Stress Corrosion Crack: SCC)。另一方面，已建火力發(fā)電設(shè)備的老化存在發(fā)展 趨勢(shì)，在歐美有以下經(jīng)驗(yàn)在陳年火力發(fā)電廠的高溫蒸汽管道中，因熱影響部 的蠕變點(diǎn)的發(fā)生、連通造成產(chǎn)生龜裂而引起的噴破事故。對(duì)此原子能廠管道的焊接部這樣的壁厚管道的焊接部的非破壞檢查中，以 往實(shí)施超聲波探傷檢查。又，對(duì)壁厚管道的焊接部的非破壞檢査要求高，不僅 需要檢測(cè)出上方有傷，而且需要高精度測(cè)量傷高。而且，測(cè)缺陷尺寸時(shí)檢測(cè)出 發(fā)生端和終端是不可欠缺的。因此，近年，要求高精度傷高測(cè)量和傷的早期發(fā) 現(xiàn)；目前考慮應(yīng)用相控陣法和TOFD(Time Of Flight Diffraction:飛行時(shí)間衍射) 法。超聲波探傷檢驗(yàn)的非破壞檢查， 一般為使用端部回波的傷高測(cè)量方法。此 端部回波法是至今一般一直慣用的方法。作為此方法的典型例，圖15示出使 用斜角探頭的情況(斜角探傷法)。以往使用端部回波的傷高測(cè)量方法一面使斜 角探頭101移動(dòng)、一面求出來(lái)自傷102的開(kāi)口端103的反射波(稱為邊角回波)104 最強(qiáng)的部位(參考圖16(A)),接著求出來(lái)自傷102的前端105的反射波(稱為端 部回波，下文無(wú)專門通知時(shí)，將上端部?jī)H記為端部)106最強(qiáng)的部位(參考圖 16(B))。然后，根據(jù)這兩個(gè)回波104、 106的到達(dá)時(shí)間t,與t2之差，算出傷高h(yuǎn)。 這里，超聲波束的中心軸與傷102的上端部105和開(kāi)口端103—致時(shí)，各自對(duì) 應(yīng)的回波104、 106的高度最大。再者，圖15中，符號(hào)107是作為發(fā)送波的超5
聲波束，101'、 107，是與傷102的上端部105—致時(shí)的位置上的斜角探頭和超 聲波束。因此，兩個(gè)回波104、 106并非同時(shí)以相同的強(qiáng)度出現(xiàn)。圖8示出對(duì)探頭從 開(kāi)始收到邊角回波的位置逐一按移動(dòng)量L接近裂縫時(shí)的接收波形的模擬結(jié)果。 從該圖判明，使探頭101靠近裂縫102時(shí)，首先邊角回波104最大，進(jìn)一步靠 近時(shí)端部回波106變大。設(shè)端部回波106和邊角回波104最大時(shí)的回波上升時(shí) 間為tt和te，則波束路程如式l所示。[式1]W「Cti/2，i =t、c其中，C是音速，在上述例子中為橫波音速。因此，能求出得到端部回波106和邊角回波104時(shí)的波束路程Wt和Wc， 并根據(jù)幾何關(guān)系由式2求出傷高h(yuǎn)。 [式2]h = (W c — W t) cos 0其中，e是折射角。圖7示出利用超聲波傳播有限單元模擬預(yù)測(cè)由橫波45 度斜角探頭入射的超聲波束的中心軸上存在傷端部時(shí)(圖15的位置l)的超聲波 波面的一個(gè)例子。根據(jù)該圖，橫波到達(dá)裂縫后，縱波和橫波衍射波從裂縫端部 擴(kuò)展成圓弧狀，并且返回探頭的衍射波作為端部回波被接收。又，如圖16所示，配置發(fā)送用探頭201和接收用探頭202，以接收從前端 105看與發(fā)送波相反的方向上傳播的衍射波，并測(cè)量傷的高度h。這是TOFD 法。TOFD法中，能由式3根據(jù)傷高和波束路程求出h。[式3]h = T - W t sin (cos" (W s / 2W t))其中，T是被檢查對(duì)象物的厚度，Ws是表面波的波束路程。非專利文獻(xiàn)l:社團(tuán)法人日本非破壞檢查協(xié)會(huì)發(fā)行《日本非破壞檢査協(xié) 會(huì)標(biāo)準(zhǔn)端部回波法的傷高測(cè)量方法》平成9年6月1日發(fā)行非專利文獻(xiàn)2:社團(tuán)法人日本非破壞檢査協(xié)會(huì)發(fā)行《日本非破壞檢査協(xié) 會(huì)標(biāo)準(zhǔn)TOFD法的傷高測(cè)量方法》平成9年6月1日發(fā)行
然而，TOFD法的波形容易觀看且檢查員造成的偏差小，能高精度測(cè)量傷高。但是，這限于碳鋼等，存在對(duì)晶粒大的材料(例如奧氏體類不銹鋼和鎳鉻鐵耐熱 耐腐蝕合金等)不能使用的問(wèn)題。g卩，主要用于原子能廠的初級(jí)結(jié)構(gòu)物的反應(yīng)堆 內(nèi)結(jié)構(gòu)物或循環(huán)管道等奧氏體類不銹鋼與碳鋼和鉻合金鋼不同，晶粒大且具有 非均勻彈性各向異性，因而在超聲波的衰減和直向傳播性等方面，存在難于檢 測(cè)出端部回波的問(wèn)題。又，焊接部比母材的壓延組織晶粒大，而且母材與焊接 部中音速不同。因此，原子能廠運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生的奧氏體類不銹鋼的焊接部周邊的 傷(尤其是背面開(kāi)口傷)的測(cè)量中，出現(xiàn)在晶界或焊接部邊界反射、折射、散射 造成的衰減和帶狀回波，難于判別成為噪聲的回波和傷端部產(chǎn)生的端部回波，所以不得不通過(guò)焊接部而且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)路程接收微弱衍射波的TOFD法不適用。另一方面，斜角探傷法對(duì)奧氏體類不銹鋼或鎳鉻鐵耐熱耐腐蝕合金(因科合 金，Special Metals Corporation的注冊(cè)商標(biāo))等也能用，但端部回波一般遠(yuǎn)小于 邊角回波，所以對(duì)不銹鋼焊接部的應(yīng)力腐蝕裂縫進(jìn)行探傷時(shí)，衍射波因基體材 料的晶界散射而衰減，有時(shí)焊接部的焊透邊界上的反射引起的回波(噪聲)與端 部噪聲強(qiáng)度相同。即，存在端部回波淹沒(méi)在噪聲中難于發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。還從分支 的應(yīng)力腐蝕裂縫的多個(gè)前端和彎曲部獲得端部回波。由于一面移動(dòng)探頭、 一面 査找端部回波的峰，含有完不成掌握真正的峰的問(wèn)題。這種狀況下，為了找出 來(lái)自應(yīng)力腐蝕裂縫的真正前端的端部回波，并根據(jù)符合該回波的tt高精度地求 出波束路程Wt，檢查員需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和技術(shù)，檢査員造成的偏差大，不能 高精度地測(cè)量。再有，在使用相控陣探頭的端部回波法中，必需以與來(lái)自焊接金屬的回波 區(qū)別的方式識(shí)別微弱的端部回波的傷高測(cè)量也與使用端部回波的傷高測(cè)量方 法(斜角探傷法)相同，難度高，依賴于檢査員技能大。本發(fā)明的目的在于提供一種檢查員造成的偏差小且能高精度測(cè)量傷高的超 聲波探傷法。其目的又在于提供一種比已有的端部回波法簡(jiǎn)便而且不受被檢査 對(duì)象物材料的制約地高精度進(jìn)行傷的檢測(cè)和高度測(cè)量的超聲波探傷法。具體而 言，其目的在于提供一種能用比已有端部回波法簡(jiǎn)便的方法對(duì)難于用TOFD法 的壁厚的不銹鋼焊接部的探傷進(jìn)行傷高測(cè)量的超聲波探傷法。本發(fā)明的目的又
在于提供一種能縮短檢查時(shí)間的超聲波探傷法。
為了到達(dá)上述目的，本發(fā)明人進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)、研究的結(jié)果，達(dá)到的見(jiàn)識(shí)為 傷上端部或傷下端部中產(chǎn)生的上端部衍射波或下端部衍射波如圖7所示，其傳 播不限于縱波和橫波，還往傷的上方(探觸面)集中能量，具有往傷的上方增強(qiáng) 的能量，即衍射波的往傷上方直接傳播的分量和一度在背面反射后傳播到傷上 方的分量具有最強(qiáng)能量。而且，達(dá)到的見(jiàn)識(shí)又為該衍射波的往傷上方直接傳 播的分量和一度在背面反射后傳播到傷上方的分量可作為探頭位置不變，同時(shí) 還具有到達(dá)時(shí)間差的強(qiáng)度大致相同的回波進(jìn)行測(cè)量。
本發(fā)明著眼于這種衍射波的往傷上方直接傳播的分量和一度在背面反射后 傳播到傷上方的分量，在傷上方配置接收用探頭，從而以短波束路程接收衍射 波。g卩，本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，對(duì)被檢查物中的傷從斜 方向入射超聲波脈沖，使傷的端部產(chǎn)生反射波，同時(shí)還在傷的上方接收衍射波。 又，本發(fā)明的超聲波探傷裝置具有對(duì)被檢査物的傷從斜方向入射超聲波束的 發(fā)送用探頭、接收往所述傷的上方傳播的衍射波的接收用探頭、以及顯示接收 用探頭接收的傷端部產(chǎn)生的衍射波的往傷上方傳播的分量的探傷器。
此情況下，衍射波的擴(kuò)散衰減和材料的金屬組織的散射衰減小，能接收強(qiáng) 端部回波。因此，只能接收直接往傷上方傳播的衍射波分量時(shí)，利用斜角探傷， 則能容易獲得邊角回波，所以根據(jù)用于發(fā)送的探頭獲得的邊角回波測(cè)量被檢査 對(duì)象物的厚度，或利用接收用探頭測(cè)量被檢查對(duì)象物的厚度，又根據(jù)直接往傷
上方傳播的衍射波的傳播時(shí)間tu和收發(fā)探頭之間的距離和入射角e求出傷前
端至接收用探頭的距離，并根據(jù)它們的差額測(cè)量傷的高度?；蛘?，使發(fā)送用探 頭(斜角探頭)在時(shí)間to發(fā)送的超聲波脈沖到達(dá)傷的端部并產(chǎn)生衍射波，而且用 傷的上方的接收用探頭在時(shí)間t 1接收該衍射波，在其后的時(shí)間t 2用發(fā)送用的 斜角探頭進(jìn)行接收時(shí)，由"=(^-to)-(t2-to)/2求出端部回波從傷的上端 到達(dá)接收用探頭前的時(shí)間"。因此，可根據(jù)被檢査物的壁厚與傷高位置的差額 求出傷高，即傷的長(zhǎng)度。又，2次接收直接往傷的上方傳播的衍射波分量時(shí)， 即接收內(nèi)傷那樣在傷上端部和傷下端部發(fā)生的上端衍射波和下端衍射波的情 況下，可根據(jù)它們的多大時(shí)間差(傳播時(shí)間差)求出傷高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，對(duì)被檢查物中的傷從斜方向 入射超聲波，使所述傷的端部產(chǎn)生衍射波，同時(shí)還在所述傷的上方接收傳播到 傷的上方的衍射波和一度在背面反射后傳播到傷的上方的衍射波，根據(jù)它們的 傳播時(shí)間差，測(cè)量所述傷的端部高度的位置。又，本發(fā)明的超聲波探傷裝置具 有對(duì)被檢査物的傷從斜方向入射超聲波束的發(fā)送用探頭、接收往所述傷的上 方傳播的衍射波的接收用探頭、以及探傷器，該探傷器將所述接收用探頭接收 的、在所述傷端部產(chǎn)生的衍射波的直接傳播到所述傷的上方的分量和一度在背 面反射后傳播到傷的上方的分量作為表示到達(dá)時(shí)間差(傳播時(shí)間差)的量，同時(shí) 進(jìn)行顯示。
此情況下，通過(guò)以短波束路程接收衍射波，使衍射波的擴(kuò)散時(shí)間和材料的 金屬組織的散射衰減小，而且將從傷前端往傷上方直接傳播的衍射波(下文簡(jiǎn)稱 為直接波)和在背面反射后往傷上方傳播的透射部(下文簡(jiǎn)稱為反射波)作為強(qiáng) 回波同時(shí)接收，并示出它們的到達(dá)時(shí)間差。因此，直接波與反射波的到達(dá)時(shí)間 差求出傷端部的高度位置差，進(jìn)而求出傷高。例如，如圖5所示，通過(guò)在傷的 正上方配置縱波垂直探頭直接接收的縱波衍射波L tl與在背面反射后被接收
的縱波衍射波Lt2各自的波束路程Wu和Wt2之差的一半為傷高。因此，根據(jù)
Wtl和Wt2的傳播時(shí)間ttl和U2的差額，利用式4能求出傷高，不取決于e。 [式4]
h=l/2(W t2-Wtl) = CL/2(t t2-ttl) 其中，Ct為縱波音速。
因此，傷為背面或探傷面上開(kāi)口的背面開(kāi)口傷或表面開(kāi)口傷的情況下，傷 端部高度位置本身表示離開(kāi)背面或探傷面的高度，所以直接求出傷的高度(也即 傷的長(zhǎng)度)。又，內(nèi)傷那樣將傷的兩端封閉的傷的情況下，傷的上端部和下端部 分別產(chǎn)生上端衍射波和下端衍射波，所以能根據(jù)各衍射波中直接到達(dá)傷的上方 的接收用探頭的回波與在背面反射后傳播的回波的到達(dá)時(shí)間差，求出各自的傷 端部高度位置后，求出傷高，或根據(jù)上端衍射波和下端衍射波直接到達(dá)接收用
探頭的回波的散到達(dá)時(shí)間差，求出傷高。
再者，往傷上方直接傳播的分量和一度在背面反射后傳播到上方的分量的 到達(dá)時(shí)間差，不受回來(lái)的回波的強(qiáng)度支配，所以從斜角探頭入射的超聲波脈沖， 未必使其中心軸與傷的端部一致，做成超聲波脈沖的中心軸位于傷的何處均
可。如果超聲波脈沖的中心位于傷的中心附近，就在傷端部產(chǎn)生各衍射波，獲 得往傷上方直接傳播的分量和一度在背面反射后傳播到傷上方的分量，所以未 必需要找到循環(huán)的峰位置。
這里，作為超聲波束，最好利用縱波，但對(duì)它沒(méi)有專門限定，也可用橫波。 作為用縱波的原因，除到達(dá)探頭比橫波快外，還由于波長(zhǎng)長(zhǎng)，不容易受金屬組 織影響。然而，橫波也能接收，所以某些原因使縱波不能接收時(shí)，可用橫波彌 補(bǔ)。
又，能使發(fā)送用探頭和接收用探頭分別移動(dòng)并進(jìn)行測(cè)量，但最好做成一體 型， 一面使其一起移動(dòng)、 一面進(jìn)行測(cè)量?；蛘?，也可將一方固定并使另一方移 動(dòng)，例如將接收用探頭固定在傷的上方并使發(fā)送用探頭移動(dòng)，最好反過(guò)來(lái)利用 將發(fā)送用探頭固定并使接收用探頭移動(dòng)進(jìn)行探傷。任一種作法都在進(jìn)行接收 時(shí)，衍射波的往傷上方直接傳播的回波和一度在背面反射后傳播到傷上方的回 波必然以相同的到達(dá)時(shí)間差同時(shí)出現(xiàn)，與信號(hào)強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。因此，能簡(jiǎn)便地找出 傷到達(dá)高度位置和傷高。又，利用連接構(gòu)件連接發(fā)送用探頭和接收用探頭，使 其間隔恒定地移動(dòng)的情況下，衍射波的往傷上方直接傳播的分量和一度在背面 反射后傳播到傷上方的分量以相同的強(qiáng)度同時(shí)出現(xiàn)，所以通過(guò)接近傷，波出現(xiàn)， 而且即使其強(qiáng)度變化，也到達(dá)時(shí)間都不變地出現(xiàn)，所以雖然不準(zhǔn)確求出從傷的 端部返回的波變成最強(qiáng)的位置，但也能測(cè)量傷的端部的位置，換句話說(shuō)，也能 測(cè)量傷的高度。又，最好連接構(gòu)件相對(duì)于至少一個(gè)探頭的安裝位置可變，使發(fā) 送用探頭和接收用探頭的間隔可調(diào)整。
而且，最好能在可接收背面上反射的衍射波的范圍中，根據(jù)狀況適當(dāng)選擇 接收用探頭的配置位置，并配置在傷的正上方。這時(shí)，能以最短波束路程接收 從傷前端直接傳播的衍射波和在背面反射后傳播的衍射波造成的強(qiáng)回波，所以 能使材料類型造成的超聲波衰減的影響最小。又，將接收用探頭設(shè)置得離開(kāi)傷
的正上方時(shí)，最好接收用探頭帶楔使用。將接收用探頭從傷上往橫向錯(cuò)開(kāi)時(shí)， 信號(hào)變?nèi)酰珟нm當(dāng)角度的楔則獲得強(qiáng)信號(hào)?？稍谀芙邮毡趁娣瓷涞难苌洳ǖ?范圍設(shè)置成離開(kāi)傷。例如，有時(shí)最好配置接收用探頭，使其在能接收傷的端部 衍射波的來(lái)自底面的反射波的范圍靠近斜角探頭。此情況下，要使發(fā)送用探頭 接近焊接部位并使超聲波束入射，也能因空間上的制約而將接收用探頭靠近發(fā) 送用探頭進(jìn)行使用。
本發(fā)明的超聲波探頭測(cè)量方法和裝置，最好將不銹鋼等那樣在晶粒大的材 料內(nèi)衰減小低中心頻率用作發(fā)送波，而將高于發(fā)送波的中心頻率用作接收波。 這時(shí)，即使不銹鋼等那樣晶粒大的材料的情況下，也發(fā)送時(shí)的超聲波衰減小， 并且接收時(shí)往傷上直接傳播的衍射波與在地面反射后往傷上傳播的衍射波容 易分離。
又，本發(fā)明的超聲波探傷測(cè)量裝置，最好具有可對(duì)探傷器的發(fā)送部和接收 部任意切換發(fā)送用探頭和接收用探頭的開(kāi)關(guān)電路，能選擇在發(fā)送用探頭發(fā)送后 由發(fā)送用探頭和接收用探頭兩者進(jìn)行接收的第1模式和由接收用探頭實(shí)施發(fā)送
和接收的第2模式。在這種情況下，第l模式中由于某些原因只能接收來(lái)自傷
端部的衍射波中直接傳播到傷的上方的分量，而不能接收由底部反射后傳播到
傷的上方的分量的衍射波時(shí)，也能根據(jù)從第2模式檢測(cè)出的被檢査物的厚度和 第1模式檢測(cè)出的傷端部衍射波的直接傳播到傷的上方的分量估計(jì)的傷前端的 位置(厚度方向)，估計(jì)傷高。
本發(fā)明的超聲波探頭檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法和裝置，僅用直接波與間接波 的到達(dá)時(shí)間差就能算出端部的高度位置，進(jìn)而能算出傷高，不需要以往在傷高 計(jì)算中事先求出發(fā)送用探頭的折射角，而且可用普通超聲波探傷器、縱波或橫 波斜角探頭和縱波垂直探頭，能簡(jiǎn)便地實(shí)施。
又，本發(fā)明可通過(guò)將發(fā)送用斜角探頭配置在一側(cè)，并將接收用垂直探頭配 置在傷的上方，進(jìn)行探傷，因此不能用同時(shí)將兩個(gè)探頭對(duì)置配置成把探傷區(qū)夾 在中間的TOFD法的存在空間上約束的情況下，也能實(shí)施。
根據(jù)本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法和裝置，由于做成以最短 波束路程接收衍射波，能簡(jiǎn)便且高精度測(cè)量超聲波衰減比碳鋼或鉻類合金鋼大
的不銹鋼或因科合金等的焊接部的傷高度。
又，根據(jù)本發(fā)明，由于衍射波的往傷的上方直接傳播的分量和一度在背面 反射后傳播到傷的上方的分量同時(shí)出現(xiàn)，能明確判讀到達(dá)時(shí)間差。而且，此直 接波和反射波呈現(xiàn)到達(dá)時(shí)間差，與接收回波的信號(hào)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，所以即使發(fā)送用 超聲波的中心與傷的端部不一致，也能準(zhǔn)確知道到達(dá)時(shí)間差。此外，還由于折 射角與回波的高度無(wú)關(guān)，可減少影響測(cè)尺寸誤差的因素。因而，能迅速測(cè)量， 同時(shí)還能提高定尺寸的精度。
圖1是示出一本發(fā)明超聲波探傷裝置的實(shí)施例的框圖。
圖2是示出圖1的開(kāi)關(guān)電路的圖，(A)是示出脈沖接收器、開(kāi)關(guān)電路和收發(fā)
用的各探頭的關(guān)系的功能框圖，(B)示出第l模式，(C)示出第2模式。
圖3是示出探頭座的俯視圖。 圖4是探頭座的側(cè)視圖。
圖5是示出一例本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法的原理圖。 圖6是示出探傷器顯示的往傷的上方直接傳播的衍射波和一度在背面反射
后傳播到傷的上方的衍射波的圖，(A)示出背面開(kāi)口傷，(B)示出內(nèi)傷的情況。 圖7是說(shuō)明超聲波束到達(dá)傷處并產(chǎn)生衍射波的狀態(tài)的模式圖。 圖8示出端部回波法中探頭從開(kāi)始接收邊角回波的位置按逐一移動(dòng)量接近
裂縫時(shí)(x-0—x-51)的對(duì)接收波形的模擬結(jié)果。
圖9是示出對(duì)一例被檢査對(duì)象物示出壁厚的不銹鋼管焊接部截面的圖。
圖IO是示出接收的從裂縫端部直接到達(dá)的衍射波的端部回波最大值的曲線圖。
圖11是為研究接收用的垂直探頭的中心頻率的影響而測(cè)量充分離開(kāi)焊接金 屬的位置的裂縫所得的結(jié)果，示出用中心頻率不同的垂直探頭接收高3毫米的 裂縫的Lu和Lt2所得的回波。
圖12示出用5兆赫的垂直振子接收焊接金屬附近的高3毫米和高6毫米的 裂縫的衍射波所得的回波。
圖13是對(duì)利用已有端部回波法和本發(fā)明方法測(cè)量焊接金屬部的裂縫高度的 結(jié)果進(jìn)行比較的曲線圖。圖14是示出另一本發(fā)明超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法的原理圖。 圖15是示出將斜角探頭用作端部回波法典型例時(shí)(斜角探傷法)的原理的說(shuō) 明圖。圖16是示出已有的使用端部回波的傷高測(cè)量方法中探傷器顯示的反射波狀 態(tài)的說(shuō)明圖，(A)示出求作為來(lái)自傷的開(kāi)口端的反射波的邊角回波最強(qiáng)的部位時(shí) 的狀態(tài)，(B)示出使探頭移動(dòng)并接收來(lái)自傷的前端的端部回波的狀態(tài)。圖17是示出T0FD法的測(cè)量原理的說(shuō)明圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明1是發(fā)送用探頭(斜角探頭)，2是接收用探頭，3是開(kāi)關(guān)電路，4是脈沖接收 器，5是模/數(shù)變換板，6是控制與數(shù)據(jù)獲取用個(gè)人計(jì)算機(jī)，7是連接構(gòu)件， 20是被檢査對(duì)象物，21是入射超聲波脈沖，22是往傷上方直接傳播的衍射波， 23是在背面反射后直接傳播到上方的衍射波，24是傷，25是傷上端部，26是 傷開(kāi)口部，27是背面，28是探傷面，29是焊接部，30是焊珠，T是被檢査對(duì) 象物的壁厚，h是傷高，Wu是往傷上方直接傳播的衍射波的路程，Wc是在 背面反射后往傷上方直接傳播的衍射波的路程，ttl是往傷上方直接傳播的衍 射波到接收用探頭的到達(dá)時(shí)間，tt2是在背面反射后往傷上方直接傳播的衍射波 到接收用探頭的到達(dá)時(shí)間。
具體實(shí)施方式
下面，根據(jù)附圖詳細(xì)說(shuō)明一本發(fā)明實(shí)施方式。圖1至圖4示出一本發(fā)明超聲波探傷裝置實(shí)施方式。此實(shí)施方式的超聲波 探傷裝置具有對(duì)被檢査物中的傷從斜方向入射超聲波束的發(fā)送用探頭1、接 收往傷的上方傳播的衍射波的接收用探頭2、以及同時(shí)顯示超聲波束到達(dá)傷的 端部時(shí)產(chǎn)生的衍射波的往傷的上方傳播的分量和一度在背面反射后傳播到傷 的上方的分量并示出對(duì)端傷面的到達(dá)時(shí)間差的探傷器。本實(shí)施方式中，將個(gè)人計(jì)算機(jī)6用作數(shù)據(jù)收集用和控制裝置，并設(shè)計(jì)成通 過(guò)經(jīng)模一數(shù)變換板5連接的脈沖接收器4和開(kāi)關(guān)電路3控制發(fā)送用探頭1和接 收用探頭2。作為發(fā)送用探頭l，在本實(shí)施方式的情況下，采用斜角探頭，并 采用垂直探頭作為接收用探頭2?？赏ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)電路3對(duì)脈沖接收器4的發(fā)送部 T和接收波R1、 R2切換這些發(fā)送用探頭l和接收用探頭2。開(kāi)關(guān)電路3可電切 換在斜角探頭1進(jìn)行發(fā)送后由斜角探頭1和垂直探頭2兩者進(jìn)行接收的第1模 式、以及由垂直探頭2實(shí)施發(fā)送和接收的第2模式?？刂婆c數(shù)據(jù)獲取用個(gè)人計(jì)算機(jī)6具有存儲(chǔ)規(guī)定中央運(yùn)算處理裝置和中央 運(yùn)算處理部的用作步驟的程序和中央運(yùn)算處理部處理的數(shù)據(jù)等的存儲(chǔ)器、存放 取入的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元、顯示單元、以及鍵盤(pán)或鼠標(biāo)等輸入單元等，并且由模 一數(shù)變換法5和脈沖接收器4構(gòu)成相當(dāng)于探傷器的功能。當(dāng)然，也可以另一種 途經(jīng)使用探傷器，個(gè)人計(jì)算機(jī)6僅進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。脈沖接收器4根據(jù)來(lái)自控制 與數(shù)據(jù)獲取用個(gè)人計(jì)算機(jī)6的中央運(yùn)算處理部的指令，或由該脈沖接收器4的 直接控制，進(jìn)行對(duì)發(fā)送用探頭1的發(fā)送啟動(dòng)和接收用探頭2的驅(qū)動(dòng)。再者，個(gè)人計(jì)算機(jī)6中，可做成具有運(yùn)算部，該運(yùn)算部求出往傷的上方直 接傳播的衍射波與一度在背面反射后傳播到傷的上方的衍射波在被檢查物中 的傳播時(shí)間差，并根據(jù)該傳播時(shí)間差(即對(duì)接收用探頭2的直接波與背面反射波 的到達(dá)時(shí)間差)，不管發(fā)送用探頭1的超聲波脈沖入射角e，利用上述式4求出 離開(kāi)背面28的傷端部25的高度位置(即，本例中為傷高)，或者算出離開(kāi)傷上 端部和傷下端部各自的背面的高度位置，并根據(jù)它們的差額求出傷高；進(jìn)而能 處理根據(jù)往傷的上方直接傳播的分量與一度在背面反射后傳播到傷的上方的 分量的傳播時(shí)間差算出離開(kāi)傷上端部和傷下端部各自的所述背面的高度位置 并求出傷高等求出基于接收用探頭2和發(fā)送用探頭1得到的衍射波到達(dá)時(shí)間信 息的各種上端部高度位置或傷高的運(yùn)算。此運(yùn)算部由存儲(chǔ)進(jìn)行上述各種運(yùn)算的 程序和各探頭1、 2取得的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元和中央運(yùn)算處理部構(gòu)成。掃描條件設(shè)定、探傷時(shí)的掃描命令等，全部在中央運(yùn)算處理部配備的控制 數(shù)據(jù)中進(jìn)行。通過(guò)模一數(shù)變換板5連接作為探傷器主體的脈沖接收器4和控制 與數(shù)據(jù)獲取用個(gè)人計(jì)算機(jī)6。再者，如圖6所示，顯示裝置在橫軸示出脈沖反 射波回來(lái)需要的時(shí)間，縱軸表示反射回來(lái)的超聲波的強(qiáng)度(回波高低)。
斜角探頭1和垂直探頭2在本實(shí)施方式的情況下，如圖3和圖4所示，由 板狀的連接構(gòu)件7連接，并構(gòu)成可間隔恒定地同時(shí)移動(dòng)。連接構(gòu)件7相對(duì)于至 少1個(gè)探頭(例如接收用的垂直探頭2)的安裝位置可變，使斜角探頭1與垂直探 頭2的間隔可調(diào)整。當(dāng)然，斜角探頭1與垂直探頭2的連接關(guān)系也可固定。本 實(shí)施方式的情況下，連接構(gòu)件7具有縱向貫穿的長(zhǎng)孔11，可利用該長(zhǎng)孔ll調(diào) 整探頭1與2的間隔。g卩，通過(guò)緊固螺絲8使連接構(gòu)件7的一端對(duì)一探頭(例如 斜角探頭l)固定，另一方面通過(guò)貫通長(zhǎng)孔11的緊固螺絲9和擋塊IO安裝另一 探頭(例如垂直探頭2)。斜角探頭1對(duì)夾在兩則的夾具12裝定緊固螺絲8，垂 直探頭2也同樣對(duì)夾在兩側(cè)的夾具13裝定緊固螺絲9。緊固螺絲9對(duì)擋塊10 固定，并將擋塊10固定于連接構(gòu)件7，從而進(jìn)行垂直探頭2對(duì)連接構(gòu)件7的定 位。在擋塊IO上設(shè)置小螺絲14，通過(guò)緊固此小螺絲14，使擋塊10與連接構(gòu) 件7—體化，構(gòu)成可固定接收用探頭2的位置。因此，通過(guò)松開(kāi)緊固螺絲9。 使產(chǎn)生圖他2的固定位置在長(zhǎng)孔11的范圍移動(dòng)，調(diào)整斜角探頭1與垂直探頭2 的間隔。
根據(jù)需要，使斜角探頭1和垂直探頭2以接近的方式使用，或以離開(kāi)的方 式使用。相互接近地使用時(shí)，最好構(gòu)成接收用探頭帶楔，以增強(qiáng)接收波的面外 位移。
再者，接收波最好是縱波。這是因?yàn)榇饲闆r下除到達(dá)探頭比橫波快外，還 由于波長(zhǎng)長(zhǎng)，不容易受金屬組織的影響。
本實(shí)施方式的超聲波探傷測(cè)量裝置，最好具有可對(duì)探傷器的發(fā)送部和接收 部任意切換發(fā)送用探頭1和接收用探頭2的開(kāi)關(guān)電路3，能選擇在發(fā)送用探頭 1發(fā)送后由發(fā)送用探頭1和接收用探頭2兩者進(jìn)行接收的第1模式和由接收用 探頭2實(shí)施發(fā)送和接收的第2模式。第l模式由于出現(xiàn)多個(gè)回波，對(duì)斜角探頭 1的接收信號(hào)獲得的回波和垂直探頭2的信號(hào)的回波的時(shí)間進(jìn)行比較，從而能 較準(zhǔn)確地識(shí)別需要的回波。例如，傷的端部產(chǎn)生的衍射波的斜向返回發(fā)送用探 頭1的分量比垂直傳播到傷的上方的分量路程長(zhǎng)，所以通過(guò)斜角探頭1接收反 射回波前搜索垂直探頭2接收的反射回波，能較準(zhǔn)確且方便地求出垂直往傷的 上方傳播的分量。第2模式能方便地測(cè)量被檢査對(duì)象物20的厚度T，所以例如 第1模式的測(cè)量中由于某些原因只能接收來(lái)自上端部25的衍射波中往傷24的 上方直接傳播的分量22，不能接收底面27反射后傳播到傷24的上方的衍射波 23的情況下，能估計(jì)根據(jù)用第2模式檢測(cè)出的被檢査對(duì)象物20的厚度T和用 第1模式檢測(cè)出的往傷24分上方直接傳播的衍射波22估計(jì)的傷前端25的傷 高位置。例如，第l模式中由于某些情況只能接收直接往傷上方傳播的衍射波分量 時(shí)，利用斜角探傷，則能容易獲得邊角回波，所以根據(jù)用于發(fā)送的探頭l獲得 的邊角回波測(cè)量被檢查對(duì)象物20的厚度T，或利用接收用探頭2測(cè)量被檢查對(duì) 象物20的厚度T,又根據(jù)直接往傷上方傳播的衍射波22的傳播時(shí)間t tl和收 發(fā)探頭之間的距離和入射角e求出傷前端25至接收用探頭2的距離，并根據(jù)它 們的差額測(cè)量傷24的高度?；蛘撸拱l(fā)送用探頭(斜角探頭)l在時(shí)間t。發(fā)送的 超聲波脈沖到達(dá)傷24的端部并產(chǎn)生衍射波，而且用傷的上方的接收用探頭2 在時(shí)間t 1接收該衍射波，在其后的時(shí)間12用發(fā)送用的斜角探頭1進(jìn)行接收時(shí)， 由t x = (t i - t o) - (t 2 - t o) / 2求出端部回波從傷的上端到達(dá)接收用探頭前的時(shí) 間tx。因此，可根據(jù)被檢查物的壁厚與傷高位置的差額求出傷高，即傷的長(zhǎng)度。接著，用上述裝置說(shuō)明本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法。此傷 高測(cè)量方法能與傷的產(chǎn)生方式和材料無(wú)關(guān)地求出傷的端部的位置，進(jìn)而求出傷 的高度。可是，在原子能廠等中實(shí)施的超聲波探傷檢驗(yàn)的傷高測(cè)量，逐一以背 面開(kāi)口傷為對(duì)象。這是因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生的傷大體上為從內(nèi)面開(kāi)口的傷(背面開(kāi)口 傷)，焊接中等情況下發(fā)生的內(nèi)傷不怎么成問(wèn)題。運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生的背面開(kāi)口傷在該 條件下不斷發(fā)展，成為斷裂的原因，問(wèn)題大。反之，焊接時(shí)等發(fā)生的內(nèi)傷等在 多數(shù)情況下傷不會(huì)再進(jìn)展，問(wèn)題小，且成問(wèn)題時(shí)形成別的征兆得以掌握，或傷 的類型和發(fā)生部位多時(shí)能事先預(yù)測(cè)。這時(shí)當(dāng)前的一般情況。因此，舉背面開(kāi)口傷為例，根據(jù)圖5說(shuō)明本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷 高測(cè)量方法。首先，在多數(shù)情況下，原子能廠在檢査焊接部時(shí)，進(jìn)行二次蠕變波的事前 檢査。二次蠕變波是與普通斜角探頭發(fā)送的超聲波束的射角(約45度)不同地通 過(guò)加大射角使底面上反射時(shí)沿底面?zhèn)鞑サ目v波。通過(guò)使用該二次蠕變波，傷存
在于朝向焊接部前的哪一方或位于管道周向的什么位置，作為事前信息，往往 清楚。因此，根據(jù)此二次蠕變波的事前檢査獲得的傷的位置，決定超聲波探傷 裝置的頭痛醫(yī)頭他l和接收用探頭2的配置位置。當(dāng)然，也可使用二次蠕變波 大致求出傷高，所以能預(yù)先進(jìn)行存在的傷是內(nèi)傷還是背面開(kāi)口傷的判斷后，啟 動(dòng)測(cè)量。這里，如圖5所示，發(fā)送用探頭l和接收用探頭2對(duì)探傷面的配置設(shè)定成 對(duì)被檢査物20中的傷24從斜向入射超聲波，使衍射波產(chǎn)生在傷20的端部25， 同時(shí)還在傷24的上方接收往傷24上方傳播的衍射波22和一度在背面27反射 后傳播到傷24的上方的衍射波23。這里，作為接收用探頭2，采用垂直探頭， 將其固定在傷24的上方，最好固定在探傷面28的正上方。另一方面，作為發(fā) 送用探頭l，采用斜角探頭，根據(jù)決定的步驟的運(yùn)作，從離開(kāi)傷的位置往傷進(jìn) 行掃描。這時(shí)，往傷24的上方直接傳播的衍射波22與一度在背面27反射后 傳播到傷24的上方的衍射波23的到達(dá)時(shí)間差(tt2-tu)不受返回的回波的強(qiáng)度 支配，所以雖然斜角探頭入射的超聲波脈沖未必使其中心軸與傷的端部一致， 但只要做成超聲波脈沖的中心軸位于傷的任何處就可以。超聲波脈沖的中心位 于傷的中心附近，則傷端部產(chǎn)生各自的衍射波，得到往傷的上方直接傳播的分 量和一度在背面反射后傳播到傷的上方的分量，所以未必需要查找信號(hào)的峰位 置。發(fā)送用探頭l發(fā)送的超聲波脈沖到達(dá)傷(用裂縫代替)時(shí)，如圖7所示，在傷 的端部產(chǎn)生衍射波。然后，以強(qiáng)能量接收往傷的上方直接傳播的衍射波和一度 在背面反射后傳播到傷的上方的衍射波。這時(shí)，如圖6所示，探傷器的顯示裝 置保持因在短波束路程接收衍射波而衍射波的擴(kuò)散數(shù)據(jù)和材料的金屬組織造 成的散射衰減小的強(qiáng)信號(hào)(強(qiáng)回波)不變，對(duì)從傷前端往傷上方直接傳播的衍射 波和在背面反射后往傷上方傳播的衍射波以它們的到達(dá)時(shí)間差同時(shí)進(jìn)行顯示。如圖解此狀態(tài)的圖5所示，在背面27反射后傳播到傷上方的衍射波23的 路程W t2是在直接傳播到傷上方的衍射波22的路程Wtl中包括傷24的高度h 的2倍的路程(往返份額)的路程，所以，衍射波22的路程Wu與衍射波23的 路程Wt2的差額表示傷高h(yuǎn)。然后，求出路程的差額，作為縱波或橫波的音速
造成的傳播時(shí)間差。因此，根據(jù)直接波與背面反射波的到達(dá)時(shí)間差，不管發(fā)送用探頭1的超聲波脈沖入射角e，由上述式4求出離開(kāi)背面28的傷端部25的 高度位置(本例中為傷高)。又，如圖6的(B)所示的內(nèi)傷那樣傷的兩端部被封閉的傷的情況下，傷的上 端部和下端部分別產(chǎn)生上端衍射波和下端衍射波，所以根據(jù)各衍射波中直接到 達(dá)傷上方的接收用探頭的回波與在背面反射后進(jìn)行傳播的回波的到達(dá)時(shí)間差， 能分別求出上下的傷端部高度位置，并根據(jù)其差額求出傷高。還能根據(jù)上端衍 射波和下端衍射波直接傳播到接收用探頭2的回波的到達(dá)時(shí)間差求出傷高。這 時(shí)，按到達(dá)時(shí)間差乘以音速，就能求出傷高。這里，作為接收波，最好利用縱波，但不專門限定于此，也可用橫波。接 收用探頭2不僅接收縱波而且接收橫波，由實(shí)驗(yàn)確認(rèn)精度較高且穩(wěn)健性優(yōu)良。 因此，根據(jù)檢測(cè)位置，有時(shí)橫波強(qiáng)，所以通過(guò)使用縱波或橫波，或者使用其雙 方，使用檢測(cè)結(jié)果較好的一方，從而能進(jìn)行較明確的傷檢測(cè)。作為使用縱波的 原因，除到達(dá)探頭比橫波快外，還由于波長(zhǎng)長(zhǎng)，不容易受金屬組織的影響。然 而，橫波也能接收，所以由于某些原因而不能接收縱波時(shí)，可用橫波補(bǔ)充。例 如，縱波L與橫波S的關(guān)系如下。使被檢査對(duì)象物的厚度為T、傷高為h、縱 波音速為v^、橫波音速為vs、衍射波發(fā)生時(shí)間為to、直接接收的縱波L,的 到達(dá)時(shí)間為tu、直接接收的橫波Si的到達(dá)時(shí)間為tsi、背面反射后接收的縱波L2的到達(dá)時(shí)間為t^、背面反射后接收的橫波S!的到達(dá)時(shí)間為ts2時(shí)，用下式表示該關(guān)系。t li = t o + (T - h) / v L t si = t o + (T - h) / v s t l2 = " + (T + h) / v l t s2 = t o + (T + h) / v s而且，接收的順序?yàn)長(zhǎng)^ L2、 Si、 S2時(shí)，形成t o + (T + h) / v L < 10 + (T - h) / v s — h < ((v L - v s) / (v L + v s)) T;接收的順序?yàn)長(zhǎng)i、 Sp L2、 S2時(shí)，形成t o + (T + h) / v L > 10 + (T - h) / v s — h > ((v L - v s ) / (v L + v s)) T 。即，按被檢查對(duì)象物的壁厚T和高度h的大小關(guān)系，L2先到達(dá)或S1先到
達(dá)發(fā)生變化。因此，可通過(guò)根據(jù)傷的大小和測(cè)量環(huán)境適當(dāng)分別使用縱波和橫波， 使精度提高。上述實(shí)施方式中，將接收用探頭2固定在傷24的上方， 一面使發(fā)送用探頭 l移動(dòng)、 一面監(jiān)視衍射波22、 23的接收狀態(tài)，并進(jìn)行掃描，但也可反過(guò)來(lái)將發(fā) 送用探頭固定，使接收用探頭移動(dòng)，從而進(jìn)行探傷。還可根據(jù)情況，如圖3和 圖4所示，同時(shí)使對(duì)連接構(gòu)件7保持一定間隔的狀態(tài)的一體形發(fā)送用探頭1和 接收用探頭2同時(shí)移動(dòng)，進(jìn)行探傷。此情況下，僅使一體形的發(fā)送用探頭1和 接收用探頭2移動(dòng)就得到信號(hào)，不在選定另一探頭的固定位置上花費(fèi)時(shí)間?？?之，進(jìn)行接收時(shí)，如圖6所示，往傷上方直接傳播的衍射波和在背面一度反射 后傳播到傷上方的衍射波必然以相同的到達(dá)時(shí)間同時(shí)出現(xiàn)，與信號(hào)強(qiáng)弱無(wú)關(guān)， 所以能簡(jiǎn)便地查找傷的高度位置或傷高本身。而且，通過(guò)發(fā)送用探頭或接收用 探頭或者這兩個(gè)探頭接近傷，往傷上方直接傳播的衍射波和在背面一度反射后 傳播到傷上方的衍射波以相同的強(qiáng)度同時(shí)出現(xiàn)，所以即使檢測(cè)中的回波的信號(hào) 強(qiáng)度變化，也到達(dá)時(shí)間都不變地出現(xiàn)。因此，即使未準(zhǔn)確求出從傷的端部返回 的波最強(qiáng)的位置，也能通過(guò)在讀取到達(dá)時(shí)間差的位置測(cè)量其值，測(cè)量傷的端部 的位置，換言之，測(cè)量傷的高度。因而，未必使入射的超聲波束的中心與傷的 端部一致，在超聲波束中心不能位于傷中心附近的兩端部分別產(chǎn)生衍射波。這里，接收用探頭2檢測(cè)出的從傷前端直接傳播的衍射波和在背面反射后 進(jìn)行傳播的衍射波是經(jīng)短波束路程得到的，所以能減小材料類型等造成的超聲 波衰減的影響，可接收強(qiáng)回波。因此，接收用探頭2的配置位置最好是傷的正 上方，但不限于正上方，可在能接收背面反射的衍射波的范圍中根據(jù)狀況適當(dāng) 選擇。而且，以偏離傷的正上方的方式設(shè)置接收用探頭時(shí)，通過(guò)使接收用探頭 帶適當(dāng)精度的楔使用，增強(qiáng)面外移位，從而能將因離開(kāi)傷而容易變?nèi)醯男盘?hào)作 為強(qiáng)信號(hào)接收。又，有時(shí)最好將接收用探頭2配置在能接收傷的端部衍射波的 來(lái)自背面27的反射波的范圍內(nèi)接近斜角探頭1附近。例如，使發(fā)送用探頭l 接近焊接部位并入射超聲波束，而且要使衍射波22、 23不通過(guò)焊接部地得到 接收等情況下，由于空間上的制約，有時(shí)需要將接收用探頭2靠近發(fā)送用探頭 l地進(jìn)行使用。這時(shí)，通過(guò)帶適度的楔，獲得適當(dāng)?shù)慕邮諣顩r。這樣帶楔時(shí)， 因焊縫等而不能在傷的正上方配置接收用探頭等的情況下，最好在捕獲反射波 的范圍使探頭從傷上方移動(dòng)若干。在圖l和圖2所示的裝置的第l模式中，執(zhí)行上述測(cè)量方法。然而，由于 某些原因而只能接收來(lái)自傷端部的衍射波中直接往傷上方傳播的分量、不能接 收背面反射后傳播到傷上方的分量的衍射波時(shí)，通過(guò)切換到第2模式求出被檢查對(duì)象物20的厚度T，從而能估計(jì)離開(kāi)根據(jù)第1模式檢測(cè)出的傷端部衍射波的 直接往傷上方傳播地方分量估計(jì)的傷前端的位置(厚度方向)的傷高。例如，可 根據(jù)往傷上方直接傳播的衍射波的傳播時(shí)間tu和收發(fā)探頭之間的距離以及入 射角e求出傷前端25的位置至接收用探頭2的距離，并根據(jù)與被檢查對(duì)象物20 的厚度T的差額測(cè)量傷的高度?；蛘呖衫梅祷氐桨l(fā)送用探頭的衍射波的傳播 時(shí)間抵消發(fā)送用探頭1至傷端部25的時(shí)間，求出傷端部25至接收用探頭2的 衍射波傳播時(shí)間，并根據(jù)這些求出的傷端部的高度位置與被檢査物厚度的差額 求出傷高(即傷的長(zhǎng)度)。又，2次接收直接往傷上方傳播的衍射波分量時(shí)，即接收內(nèi)傷那樣在傷上端 部和傷下端部產(chǎn)生的上端衍射波和下端衍射波時(shí)，可根據(jù)它們的到達(dá)時(shí)間差(傳 播時(shí)間差)求出傷高。能根據(jù)往傷上方直接傳播的衍射波22的傳播時(shí)間tu和收 發(fā)探頭之間的距離以及入射角e求出傷前端25的位置至接收用探頭2的距離， 并根據(jù)它們的差額測(cè)量傷24的高度。作為接收波，最好使用高于發(fā)送波的中心頻率。這時(shí)，直接往傷上方傳播 的衍射波與在底面反射后傳播到傷上方的衍射波容易分離。然而，被檢査體為 不銹鋼那樣晶粒大的材料的情況下，高頻段衰減大不理想。因此，發(fā)送用頻率 一般使用中心頻率較低的超聲波束，但將低的中心頻段作為接收波，則接收時(shí) 往傷上方直接傳播的衍射波和在底面反射后傳播到傷上方的衍射波接近并重 疊或連續(xù)出現(xiàn)，所以不容易將2個(gè)衍射波分離，在求到達(dá)時(shí)間差方面不理想。 本實(shí)施方式中，作為發(fā)送用，使用中心頻率為較低頻率的超聲波脈沖；作為接 收波，使用比發(fā)送波的中心頻率高的中心頻率區(qū)。例如，理想的是作為發(fā)送 用，使用2兆赫 3.5兆赫左右(2兆赫 2.5兆赫更好)的較低中心頻率；作為接 收用，使用3兆赫 5兆赫左右(5兆赫左右更好的較高中心頻率。這時(shí)，如圖 ll所示，即使在不銹鋼等那樣晶粒大、容易衰減的材料的情況下，發(fā)送時(shí)由于 頻率低，超聲波衰減小，接收時(shí)由于頻率高，直接傳播的衍射波和底面上反射 后進(jìn)行傳播的衍射波容易分離。因此，檢查者能容易判讀到達(dá)時(shí)間差，或在由 利用波形相似性等的圖像處理以電方式檢測(cè)出到達(dá)時(shí)間差的時(shí)容易檢測(cè)。再 者，以往在被檢查對(duì)象物為不銹鋼等那樣晶粒大的材料的情況下，認(rèn)為高頻段 衰減大，但實(shí)際上本發(fā)明人等實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)獲得能清楚識(shí)別2個(gè)衍射波的程 度下足夠強(qiáng)的信號(hào)。當(dāng)然，除使發(fā)送用和接收用中使用的中心頻率不同外，還可在例如2兆赫 5兆赫的范圍選定任意頻率，在發(fā)送用和接收用中使用相同 的中心頻率。實(shí)施例為了驗(yàn)證本發(fā)明的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，試作模擬對(duì)低碳奧 斯體類不銹鋼制焊接被檢査對(duì)象物進(jìn)行施工的傷的裂縫的高度測(cè)量。 (被檢査對(duì)象物和施工方法)被檢查對(duì)象物的基體材料和焊接金屬為SUS316L。焊接根據(jù)規(guī)定層間溫度 的原子能規(guī)范，初層用TIG焊接、第2層及其后用C0 2焊接進(jìn)行。晶粒直徑 換算成面積相同的圓形時(shí)，基體材料中為約160毫米，焊接部中為約500毫米。 被檢査對(duì)象物的厚度為40毫米，為了便于測(cè)量，磨掉焊接部的堆高和伊根。 對(duì)傷進(jìn)行模擬，添入裂縫。利用分別在圖9所示的焊接金屬部和充分離開(kāi)該部 的部位進(jìn)行放電加工，導(dǎo)入裂縫。裂縫的高度為3毫米、6毫米、9毫米、12 毫米測(cè)量本被檢査對(duì)象物的縱波音速的結(jié)果基體材料中為5.648米/秒，焊 接金屬中為5.383米/秒。在實(shí)驗(yàn)中，使用脈沖接收器(PANAMETRICS制MODEL5800)和示波器 (Tektronix制TDS5034B)。超聲波發(fā)送中為了抑制基體材料的衰減，取得來(lái)自 傷前端的強(qiáng)端部回波，使用聚焦型縱波斜角探頭(折射角45度、中心頻率3.5 兆赫、振子直徑20毫米)。接收中使用縱波垂直探頭(中心頻率2.25兆赫和5 兆赫、振子直徑25毫米)。接觸媒體中使用丙三醇糊。(測(cè)量條件)本發(fā)明中，重要的是往傷上方傳播的衍射波。根據(jù)上述模擬結(jié)果，預(yù)測(cè)能 在裂縫上方接收端部回波。因此，利用縱波斜角探頭對(duì)充分離開(kāi)焊接金屬的高3毫米的裂縫的端部入射超聲波，并使小的垂直探頭(中心頻率2.25兆赫、振子 直徑3毫米)在裂縫上方附近移動(dòng)，接收端部回波。圖10示出收到的從裂縫端 部直接到達(dá)的衍射波的端部回波最大值。該圖的橫軸圓點(diǎn)為探頭位于裂縫正上 方的狀態(tài)，入射點(diǎn)為一37毫米。已有的端部回波法利用一37毫米(TOFD法利 用+37毫米)附近的端部回波。從該圖判明在裂縫上方附近能接收比已有的 端部回波法和TOFD法強(qiáng)的端部回波。接著，為了研究接收用垂直探頭的中心頻率的影響，測(cè)量充分離開(kāi)焊接金 屬的位置的裂縫。作為測(cè)量結(jié)果的一個(gè)例子，圖ll示出用中心頻率不同的垂 直探頭接收高度3毫米的裂縫的L tl和L t2后得到的回波。下面的垂直探頭得 到的回波是發(fā)送用的斜角探頭獲得最大端部回波的位置的回波。超聲波探傷檢 驗(yàn)的回波一般以形成全波的情況居多，但為了規(guī)定端部回波，回波的相位信息 也有用。因此，將接收的波形表示為非全波。從該圖能觀察與Lu和Lt2對(duì)應(yīng) 的清楚的回波，與使用頻率與發(fā)送用探頭不同的接收用探頭無(wú)關(guān)。再者，本被 檢查對(duì)象物中傳播的超聲波的中心頻率在2.72赫左右，低于5兆赫，略高于 2.25兆赫。根據(jù)該圖，對(duì)Lt2的回波比Lu頻率低，但兩者的波形相似性高。 因而，此相位信息在將兩者的回波與其它回波區(qū)別時(shí)有效。5兆赫的接收用探 頭的結(jié)果與2.25兆赫的相比，容易將Lu和Lt2分開(kāi)。為了抑制金屬的晶界散 射引起的帶狀回波， 一般在不銹鋼的情況下使用比低合金鋼或碳鋼的情況下中 心頻率低的探頭。然而，本發(fā)明方法中使用中心頻率低的發(fā)送用探頭，并使用中心頻率高的接收探頭，從而可望提高對(duì)傷的2個(gè)端部回波的分離性。 (裂縫高度測(cè)量精度)利用本案提出的方法對(duì)不銹鋼焊接部進(jìn)行探傷時(shí)，必需接收焊接金屬中傳 播的衍射波。超聲波在所述焊接部那樣的具有大晶粒的金屬中傳播的過(guò)程，其 高次諧波分量衰減，中心頻率降低。因此，接收中使用中心頻率高的振子時(shí)， 預(yù)計(jì)難以檢測(cè)出焊接部中傳播的衍射波。圖12示出用5兆赫的垂直振子接收 焊接金屬附近的高3毫米和6毫米的裂縫的衍射波后得到的回波。有時(shí)難以利
用跨過(guò)焊接金屬的測(cè)量對(duì)傷高進(jìn)行測(cè)量。然而，通過(guò)使用2次蠕變波，從發(fā)送 用探頭的位置看，能容易判別傷在焊接金屬前或深處，所以下面的測(cè)量將超聲 波入射到裂縫，而不跨過(guò)焊接金屬。根據(jù)該圖，即便使用中心頻率高的探頭， 也能觀測(cè)Lu和Lt2的清楚的回波，與裂縫的衍射波在焊接金屬中傳播無(wú)關(guān)。而且，判明Lu和Lt2的傳播時(shí)間差隨裂縫的高度變化。這里，能確認(rèn)使用中心頻率低的發(fā)送用探頭和中心頻率高的接收用振子的恰當(dāng)性。為了評(píng)價(jià)本實(shí)施例的高度測(cè)量精度，使用上述發(fā)送用探頭以已有的端部回 波法測(cè)量裂縫高度。對(duì)已有端部回波法和本發(fā)明方法測(cè)量焊接金屬部的裂縫的高度分結(jié)果，并示于圖13。測(cè)量裂縫高度時(shí)，已有的端部回波法使用基體材料的縱波音速。與此相反，本發(fā)明方法由于接收的衍射波主要在焊接金屬中傳播，使用焊接金屬的縱波音速。已有的端部回波法的均方誤差為0.56毫米，而本發(fā) 明方法的均方誤差為0.34毫米。因此，判明本發(fā)明方法與已有的端部回波法相 同，也能高精度測(cè)量裂縫高度。本實(shí)施例中，雖然將不銹鋼的焊接部作為對(duì)象，但可認(rèn)為也能充分由于作 為超聲波衰減小于該測(cè)量的一般結(jié)構(gòu)測(cè)量的碳鋼或鉻合金鋼等。根據(jù)本實(shí)施例，(1) 著眼于因利用斜角探頭將超聲波入射到傷前端而產(chǎn)生并往傷上方傳播的 衍射波和一度在背面反射后傳播到傷上方的衍射波，根據(jù)通過(guò)將垂直探頭配置 在傷上方觀測(cè)的這些衍射波的傳播時(shí)間差，判明能簡(jiǎn)便地測(cè)量傷高，不管入射 的超聲波的折射角；(2) 判明發(fā)送中使用聚焦型縱波探頭，以取得2個(gè)強(qiáng)端部回波，從而能用識(shí) 別所需的充分強(qiáng)度觀測(cè)來(lái)自對(duì)傷進(jìn)行模擬的裂縫的前端的兩端部回波，另一方 面在接收中使用中心頻率高于發(fā)送用探頭的垂直探頭，從而能提高兩個(gè)端部回 波的分離性；(3) 對(duì)超聲波衰減比碳鋼或鉻類合金鋼大的不銹鋼的焊接部模擬傷并導(dǎo)入的 裂縫的高度測(cè)量中適用的結(jié)果，判明與已有的端部回波法相同，也能高精度測(cè) 量高度，可確認(rèn)超聲波衰減大的不銹鋼的焊接部等的傷測(cè)量和傷高測(cè)量的有效 性；(4)判明充分可望在高精度傷高測(cè)量中難于確保精度充分的管道彎頭等復(fù)雜 部位和狹窄部位等處，靈活應(yīng)用本發(fā)明，從而改善測(cè)量精度。再者，上述實(shí)施方式是一本發(fā)明較佳實(shí)施例，但不限于此，可在不脫離本 發(fā)明要旨的范圍實(shí)施各種變換。例如，本實(shí)施方式以舉出將接收用探頭配置在 傷的正上方為主進(jìn)行說(shuō)明，但并非專門限于此，以錯(cuò)開(kāi)傷的正上方的方式配置 接收用探頭(如圖14所示)，也能實(shí)施。根據(jù)在最短波束路程接收衍射波的觀點(diǎn)， 最好將垂直探頭配置在傷的正上方，但在能接收背面發(fā)生的衍射波的范圍，則 即使以偏離傷的正上方的方式設(shè)置接收探頭，接收的衍射波強(qiáng)度也并非衰減 大。因此，不能將接收用探頭配置在傷的正上方時(shí)，例如因殘留焊珠而不能或 難于將接收用探頭配置在焊珠上時(shí)，通過(guò)將接收用探頭挪到焊珠邊際并進(jìn)行配 置，能接收往傷上方傳播的衍射波。這時(shí)，最好帶楔使用。通過(guò)帶楔，能加強(qiáng) 面外位移，所以反射回波的強(qiáng)度不被大量衰減，能得到強(qiáng)信號(hào)。當(dāng)然，并非不 能將接收用探頭配置在焊珠上，本發(fā)明人等的實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)能接收信號(hào)。此外，也可不用二次蠕變波而求出高度。二次蠕變波與通常的斜角探頭發(fā)送的超聲波束的射角(約45度)不同，通過(guò)加大射角，使底面反射時(shí)沿底面?zhèn)鞑?的是縱波。通過(guò)使用此二次蠕變波，簡(jiǎn)便地從朝向焊接部前的地方判明傷的位 置，但許多情況下原子能廠在檢査焊接部時(shí)事先進(jìn)行檢查。因而，傷存在于焊 接部的哪一邊或處在管道周向的什么位置，作為事前信息知道的居多。因此， 根據(jù)此二次蠕變波的事前檢查得到的傷的位置，能接收衍射波的未通過(guò)焊接部 的部分。目卩，如圖14所示，使發(fā)送用探頭1和接收用探頭2接近，并以靠近 到焊接部29的焊珠30的邊際的方式進(jìn)行配置，接收反射到焊接部29的前方 的直接衍射波22和反射衍射波23，從而能減小通過(guò)焊接部29的影響。
權(quán)利要求
1、 一種超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于，對(duì)被檢査物中的傷從斜方向入射超聲波脈沖，使所述傷的端部產(chǎn)生衍射波， 同時(shí)還在所述傷的上方接收所述衍射波。
2、 一種超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于，所述傷為內(nèi)傷時(shí)，根據(jù)所述傷的傷上端部和傷下端部產(chǎn)生的上端衍射波和 下端衍射波各自直接傳播到傷的上方的分量的傳播時(shí)間差，測(cè)量傷高。
3、 一種超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于， 對(duì)被檢查物中的傷從斜方向入射超聲波，使所述傷的端部產(chǎn)生衍射波，同時(shí)還在所述傷的上方接收傳播到傷的上方的衍射波和一度在背面反射后傳播 到傷的上方的衍射波，根據(jù)它們的傳播時(shí)間差，測(cè)量所述傷的端部的高度位置。
4、 如權(quán)利要求3中所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于， 所述傷為背面開(kāi)口傷或表面開(kāi)口傷時(shí)，根據(jù)往傷的上方傳播的衍射波與一度在背面反射后傳播到傷的上方的衍射波的傳播時(shí)間差，測(cè)量離開(kāi)所述底面或 端傷面的所述傷的高度。
5、 如權(quán)利要求3中所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于， 所述傷為內(nèi)傷時(shí)，根據(jù)在所述傷的傷上端部和傷下端部產(chǎn)生的上端衍射波和下端衍射波往傷的上方傳播的分量與一度在背面反射后傳播到傷的上方的 分量的時(shí)間差，分別測(cè)量傷上端部和傷下端部離開(kāi)所述背面的高度位置，并根 據(jù)這些傷高位置的差額，測(cè)量所述傷高。
6、 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法， 其特征在于， '使發(fā)送用探頭和接收用探頭的間隔為恒定，并一面使所述發(fā)送用探頭和接 收用探頭在探傷面上同時(shí)往所述傷移動(dòng)、 一面進(jìn)行探傷。
7、 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法， 其特征在于，在將發(fā)送用探頭和接收用探頭的任一方固定在探傷面上的狀態(tài)下， 一面使 另一探頭在所述探傷面上以接近或背離所述傷的方式移動(dòng)、 一面進(jìn)行探傷。
8、 如權(quán)利要求7中所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于， 將所述接收用探頭固定在所述探傷面， 一面使所述發(fā)送用探頭在所述探傷面上以接近或背離所述傷的方式移動(dòng)、 一面進(jìn)行探傷。
9、 如權(quán)利要求8中所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于， 將所述接收用探頭配置在所述傷的正上方的探傷面上。
10、 如權(quán)利要求8中所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于，將所述接收用探頭配置在能接收所述傷的端部衍射波的從底面的反射波的 范圍，并使其接近所述斜角探頭。
11、 如權(quán)利要求IO中所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法，其特征在于，所述接收用探頭帶有楔。
12、 如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法， 其特征在于，所述接收波使用高于所述發(fā)送波的中心頻率的中心頻率。
13、 如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷檢驗(yàn)時(shí)的傷高測(cè)量方法， 其特征在于，將縱波用作所述接收波。
14、 一種超聲波探傷裝置，其特征在于，具有 對(duì)被檢查物的傷從斜方向入射超聲波束的發(fā)送用探頭、 接收往所述傷的上方傳播的衍射波的接收用探頭、以及探傷器，該探傷器將所述接收用探頭接收的、在所述傷端部產(chǎn)生的衍射波 的直接傳播到所述傷的上方的分量和一度在背面反射后傳播到傷的上方的分 量作為表示到達(dá)時(shí)間差(傳播時(shí)間差)的量，同時(shí)進(jìn)行顯示。
15、 如權(quán)利要求14中所述的超聲波探傷裝置，其特征在于， 所述發(fā)送用探頭和所述接收用探頭由連接構(gòu)件加以連接，并保持一定間隔地同時(shí)移動(dòng)。
16、 如權(quán)利要求15中所述的超聲波探傷裝置，其特征在于， 所述連接構(gòu)件至少相對(duì)于一個(gè)所述探頭的安裝位置可變，使發(fā)送用探頭與接收用探頭的間隔可調(diào)整。
17、 如權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷裝置，其特征在于， 具有可對(duì)探傷器的發(fā)送部和接收部任意切換所述發(fā)送用探頭和所述接收用探頭的開(kāi)關(guān)電路，能選擇在所述發(fā)送用探頭發(fā)送后由所述發(fā)送用探頭和所述接 收用探頭兩者進(jìn)行接收的第1模式和由所述接收用探頭實(shí)施發(fā)送和接收的第2 模式。
18、 如權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷裝置，其特征在于， 所述接收用探頭的接收波中心頻率高于所述發(fā)送用探頭的發(fā)送波中心頻
全文摘要
能用端部回波法簡(jiǎn)便、高精度且檢查時(shí)間短地進(jìn)行難于用TOFD法的壁厚的不銹鋼焊接部的傷高測(cè)量。而且，能減小檢查員造成的偏差。由發(fā)送用探頭(1)對(duì)被檢查物(20)中的傷(24)從斜方向入射超聲波(21)，使所述傷(24)的端部(25)產(chǎn)生衍射波，同時(shí)還在所述傷(24)的上方的接收用探頭(2)接收直接傳播到傷(24)的上方的衍射波(22)和一度在背面(27)反射后傳播到傷的上方的衍射波(23)，并根據(jù)它們的傳播時(shí)間差，測(cè)量離開(kāi)所述傷(24)的端部的背面(27)的高度位置。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101124478SQ20058003293
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者山 林, 福富廣幸, 緒方隆志 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人電力中央研究所