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技術 接合材の超音波検査方法

出願人 大同特殊鋼株式会社
発明者 堀尾浩次中瀬久生
出願日 1998年1月16日 (22年11ヶ月経過) 出願番号 1998-020213
公開日 1999年7月30日 (21年4ヶ月経過) 公開番号 1999-201949
状態 未査定
技術分野 音響的手段による測長装置 超音波による材料の調査、分析
主要キーワード 常温圧接 前後走査 不合格判定 機械的接合法 不可抗力 縦波モード 作業マニュアル 左右走査
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

接合温度接合強度等の接合特性非破壊推定することを可能とする接合材超音波検査方法を提供すること。

解決手段

被接合材既知の条件下で接合した標準接合体の接合界面を挟んで2個以上の探触子を置き、前記接合界面を透過する超音波減衰量を測定し、前記標準接合体の接合温度、接合強度等の接合特性を測定して前記標準接合体の超音波の減衰量と前記接合特性との相関を求め、前記被接合材を未知の条件下で接合した被測定接合材の接合界面を挟んで2個以上の探触子を置き、前記接合界面を透過する超音波の減衰量を測定し、前記被測定接合材の超音波の減衰量から、前記相関に基づき、前記被測定接合材の接合温度、接合強度等の接合特性を推定するようにした。

概要

背景

金属の接合法は、一つの部材に他の部材を付加する加工方法であり、局部的にエネルギーを与えて別個物体原子間結合させる冶金的接合法と、鋲接ボルト接合などの機械的接合法に大別される。

冶金的接合法は、さらに、融接法、圧接法、ロウ接法、拡散接合法等に分類される。融接法は、母材接合部を溶融状態まで加熱し、必要に応じて溶加材を加えて融合させる接合方法である。圧接法は、被接合材に大きな機械的圧力を加えて接合する方法であり、常温圧接法、摩擦圧接法爆発圧接法、超音波圧接法等の他、抵抗溶接法もこの部類に入る。ロウ接法は、被接合材より融点の低いロウ材を溶融状態で接合部の隙間に流入させ、凝固させて接合する方法である。

また、拡散接合法は、被接合材を密着させ、被接合材の融点以下の温度で、塑性変形を生じない程度に加圧し、接合界面に生じる原子拡散を利用して被接合材を接合する方法であり、被接合材を直接密着させ、固相状態を維持したまま元素の拡散を行わせる固相拡散接合法と、被接合材間低融点インサート材を介挿し、インサート材を一時的に溶融させ、液相中の特定元素の被接合材中への拡散消失を利用して、等温凝固させて接合を行う液相拡散接合法とがある。

このような、拡散接合法を始めとする冶金的接合法は、機械的接合法と異なり、材料の節約と工数の削減が可能であり、接合強度気密性耐圧性等に優れた接合継手が得られるという利点がある。その反面、接合作業非可逆的であり、接合後に分離して再接合することは困難である。また、接合界面に発生する種々の欠陥により強度、靱性等の接合特性が大きく変動し、しかも、欠陥の発生要因多岐に渡るという欠点がある。

そのため、拡散接合法等の冶金的接合法においては、高い信頼性が要求される場合には、接合後に接合界面に存在する欠陥の有無を検査するために、放射線透過試験超音波探傷試験磁粉探傷試験浸透探傷試験等の各種の非破壊検査接合材に対して行われている。また、同種の接合材が大量生産される場合には、大量生産された接合材の中から一部を抜き取り、接合材から接合界面を含む試験片切り出して引張試験等の破壊検査が行われている。

概要

接合温度、接合強度等の接合特性を非破壊推定することを可能とする接合材の超音波検査方法を提供すること。

被接合材を既知の条件下で接合した標準接合体の接合界面を挟んで2個以上の探触子を置き、前記接合界面を透過する超音波減衰量を測定し、前記標準接合体の接合温度、接合強度等の接合特性を測定して前記標準接合体の超音波の減衰量と前記接合特性との相関を求め、前記被接合材を未知の条件下で接合した被測定接合材の接合界面を挟んで2個以上の探触子を置き、前記接合界面を透過する超音波の減衰量を測定し、前記被測定接合材の超音波の減衰量から、前記相関に基づき、前記被測定接合材の接合温度、接合強度等の接合特性を推定するようにした。

目的

本発明が解決しようとする課題は、拡散接合法を始めとする冶金的接合法において、接合材の強度、靱性等の接合特性を非破壊で推定することを可能とする接合材の検査方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

接合条件未知な被測定接合材接合界面の両側に超音波発振探触子と受信探触子とを置き、前記超音波発振探触子より発振された超音波が前記接合界面を透過し、前記受信探触子に受信された時の超音波の減衰量を測定し、その測定値に基づいて予め測定される既知の接合条件により接合された標準接合体の超音波減衰量接合特性との相関関係より、前記被測定接合材の接合特性を検査するようにしたことを特徴とする接合材の超音波検査方法

請求項2

前記接合特性が、接合温度であることを特徴とする請求項1に記載される接合材の超音波検査方法。

請求項3

前記接合特性が、接合強度であることを特徴とする請求項1又は2に記載される接合材の超音波検査方法。

請求項4

前記超音波は、縦波モードを用い、屈折角が17゜〜30゜となるように前記被測定接合材に入射させるようにしたことを特徴とする請求項1、2又は3に記載される接合材の超音波検査方法。

請求項5

前記超音波は、その周波数が4MHz以上10MHz以下であることを特徴とする請求項1、2、3又は4に記載される接合材の超音波検査方法。

請求項6

前記探触子は、一辺が8mm以上15mm以下の角形探触子を用いることを特徴とする請求項1、2、3、4又は5に記載される接合材の超音波検査方法。

請求項7

前記被接合材が、二相鋼からなることを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6に記載される接合材の超音波検査方法。

技術分野

0001

本発明は、接合材超音波検査方法に関し、さらに詳しくは、接合材の接合界面を透過する超音波減衰量から、接合材の接合温度、強度等の接合特性非破壊検査する接合材の超音波検査方法に関するものである。

背景技術

0002

金属の接合法は、一つの部材に他の部材を付加する加工方法であり、局部的にエネルギーを与えて別個物体原子間結合させる冶金的接合法と、鋲接ボルト接合などの機械的接合法に大別される。

0003

冶金的接合法は、さらに、融接法、圧接法、ロウ接法、拡散接合法等に分類される。融接法は、母材の接合部を溶融状態まで加熱し、必要に応じて溶加材を加えて融合させる接合方法である。圧接法は、被接合材に大きな機械的圧力を加えて接合する方法であり、常温圧接法、摩擦圧接法爆発圧接法、超音波圧接法等の他、抵抗溶接法もこの部類に入る。ロウ接法は、被接合材より融点の低いロウ材を溶融状態で接合部の隙間に流入させ、凝固させて接合する方法である。

0004

また、拡散接合法は、被接合材を密着させ、被接合材の融点以下の温度で、塑性変形を生じない程度に加圧し、接合界面に生じる原子拡散を利用して被接合材を接合する方法であり、被接合材を直接密着させ、固相状態を維持したまま元素の拡散を行わせる固相拡散接合法と、被接合材間低融点インサート材を介挿し、インサート材を一時的に溶融させ、液相中の特定元素の被接合材中への拡散消失を利用して、等温凝固させて接合を行う液相拡散接合法とがある。

0005

このような、拡散接合法を始めとする冶金的接合法は、機械的接合法と異なり、材料の節約と工数の削減が可能であり、接合強度気密性耐圧性等に優れた接合継手が得られるという利点がある。その反面、接合作業非可逆的であり、接合後に分離して再接合することは困難である。また、接合界面に発生する種々の欠陥により強度、靱性等の接合特性が大きく変動し、しかも、欠陥の発生要因多岐に渡るという欠点がある。

0006

そのため、拡散接合法等の冶金的接合法においては、高い信頼性が要求される場合には、接合後に接合界面に存在する欠陥の有無を検査するために、放射線透過試験超音波探傷試験磁粉探傷試験浸透探傷試験等の各種の非破壊検査が接合材に対して行われている。また、同種の接合材が大量生産される場合には、大量生産された接合材の中から一部を抜き取り、接合材から接合界面を含む試験片切り出して引張試験等の破壊検査が行われている。

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、拡散接合法等の冶金的接合法は、被接合材である金属材料の局部的な加熱・冷却を伴うために、接合部近傍組織機械的性質が変化した熱影響部が発生する場合がある。そのため、各種非破壊検査により接合界面に亀裂、気孔、接合不良等の欠陥が発見されない場合であっても、接合強度、靱性等の接合特性が低下している場合がある。

0008

この場合、接合材が大量生産されるような時には、抜き取り検査による破壊検査が可能であるが、例えば、プラント製造のような少量生産の時には、抜き取り検査による破壊試験は不可能であり、実際に接合された接合材の接合特性を検査する手段がないという問題があった。

0009

この問題を解決するために、例えば、接合作業をマニュアル化する手段も考えられる。しかし、接合特性は、継手の設計、精度、清浄度や、接合温度、保持時間、加圧力等の多くの接合条件に依存することに加え、屋外で接合作業を行わざるを得ない場合には、気温等の天候の影響を受け、さらには、接合作業者の技量にも大きく左右されるものである。そのため、特に高い信頼性が要求される部位に使用される接合材については、接合作業の管理のみでは不十分である。

0010

本発明が解決しようとする課題は、拡散接合法を始めとする冶金的接合法において、接合材の強度、靱性等の接合特性を非破壊で推定することを可能とする接合材の検査方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0011

上記課題を解決するために、本発明に係る接合材の超音波検査方法は、接合条件の未知な被測定接合材の接合界面の両側に超音波発振探触子と受信探触子とを置き、前記超音波発振探触子より発振された超音波が前記接合界面を透過し、前記受信探触子に受信された時の超音波の減衰量を測定し、その測定値に基づいて予め測定される既知の接合条件により接合された標準接合体の超音波減衰量と接合特性との相関関係より、前記被測定接合材の接合特性を検査するようにしたことを要旨とするものである。

0012

ここで、接合特性とは、接合材の機械的特性に影響するあらゆる特性であって、接合界面に形成された亀裂、気孔、接合不良等の欠陥以外のものを意味する。具体的には、接合温度、冷却速度熱処理温度等の接合条件や、接合強度、降伏応力硬度、靱性等の機械的特性、さらには組成結晶粒度等の材料特性が挙げられる。特に、応力が作用する構造物においては、接合強度が最も重要な評価項目であり、しかも、接合強度に最も影響を及ぼすのが接合温度であることから、接合特性として、接合温度又は接合強度を選択することが望ましい。

0013

また、材料中に入射した超音波は、縦波横波表面波板波など種々の様式で伝搬するが、接合体内部の情報を得るには、縦波又は横波を用いるのがよい。特に、縦波モードの超音波は、詳細は不明であるが、接合界面を透過する超音波の減衰量が、接合特性の変化に伴って大きく変動し、接合特性の検査結果の信頼性を高めることが可能となるので好適である。

0014

但し、縦波モードの超音波を用いる場合には、屈折角が17゜〜30゜となるように接合材に入射させる必要がある。屈折角が17゜未満では、ノイズが大きくなってS/N比が低下し、又、屈折角が30゜を越えると、横波が混入する割合が大きくなり、いずれも測定感度を低下させるので好ましくない。

0015

また、検査に用いる超音波の周波数は、4MHz以上10MHz以下であることが好ましい。周波数が4MHz未満では、超音波の波長が長くなり、それに伴い指向角が大きくなって指向性が低下する。周波数が高くなるほど超音波の波長が短くなり、それに伴い指向性が向上して測定感度は向上するが、周波数が10MHzを越えると、接合体内部での超音波の減衰量が大きくなり過ぎ、かえって測定感度が低下するので好ましくない。

0016

また、検査に用いる探触子は、一辺が8mm以上15mm以下の角形探触子を用いることが好ましい。同一面積で比較すると、丸形探触子よりも角形探触子の方が指向性が向上し、測定感度が向上するためである。また、探触子の一辺が8mm未満では、指向角が大きくなって指向性が低下するので好ましくない。探触子が大きくなるほど指向角が小さくなり、指向性は向上するが、一辺の長さが15mmを越えると、近距離音場限界距離が長くなると共に、近距離音場内で強い干渉現象が生じ、ノイズが大きくなるので好ましくない。

0017

さらに、検査に供する接合材は、特に限定されるものではないが、被接合材が2種以上の相を含む二相鋼からなるものが好適である。二相鋼を被接合材に用いた場合、接合条件の変動に伴い、接合界面近傍の相の分布状態が変化することがあるが、相境界は、透過する超音波を散乱減衰させる原因の一つとなるものであり、相の分布状態に応じて超音波が散乱される割合が変化する。

0018

そのため、このような接合材に対して本発明を適用すれば、接合条件の変動に起因する接合特性の変化が超音波の減衰量の変化として顕著に表れ、信頼性の高い検査が可能となる。2種以上の相を含む二相鋼としては、具体的には、フェライト地に超音波の減衰量が大きいオーステナイトが1:1の比率で分散した組織を呈する二相ステンレス鋼や、該二相ステンレス鋼をベースとする析出硬化型ステンレス鋼等が一例として挙げられる。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。図1に示す接合材1は、鋼管2、3が管端面において接合されたものであり、接合界面4を挟んで、超音波発振探触子5及び受信探触子6が配置されている。

0020

超音波発振探触子5は、図2に示すように、アクリル等の合成樹脂製のくさび10に振動子11を張り付けたものからなり、振動子11は、水晶ニオブ酸鉛ジルコンチタン酸鉛等の圧電材料からなる薄板の両面に電極を張り付けたものである。また、くさび10には、吸音材12が張り付けられ、超音波発振探触子5と接合材1との接触面で反射した超音波を吸収できるようになっている。

0021

超音波発振探触子5の底面の形状は、板状の接合材を検査する場合には、平坦であることが望ましいが、図1に示すように、鋼管等の曲面を有する接合材1を検査する場合には、接合材1の曲率にあわせて、超音波発振探触子5の底面の形状を曲面とするのがよい。なお、受信探触子6は、図示はしないが、超音波発振探触子5と同一の構造を有するものである。

0022

また、超音波発振探触子5及び受信探触子6と接合材1との隙間には、接触媒質を介在させる必要がある。超音波発振探触子5又は受信探触子6と接合材1との間に隙間があると、超音波の送受信が効率よく行われないからである。接触媒質は、超音波を効率よく伝搬可能なものであれば良く、必要に応じて種々の接触媒質を使い分ければよい。接触媒質としては、例えば、水、脂、グリセリン等がある。

0023

さらに、超音波発振探触子5から接合材1に入射した超音波を受信探触子6でとらえるためには、超音波発振探触子5及び受信探触子6の相対位置を正確にセットする必要がある。超音波発振探触子5から接合材1に入射した超音波は、接合材1の外周面及び内周面全反射を繰り返しながら伝搬していくので、受信探触子6は、接合材1の内周面で全反射した超音波が接合材1の外周面に到達する位置又は、接合材1の外周面で全反射した超音波が接合材1の内周面に到達する位置に置く必要がある。

0024

接合材1の外周面に配置された超音波発振探触子5から接合材1に入射した超音波が接合材1の内周面で全反射し、接合材1の外周面に到達するまでの水平距離を1スキップとすると、何スキップ目に受信探触子6を配置するかは、検査する接合材1の形状や測定条件に応じて適宜選択すればよい。図1の場合、受信探触子6は、超音波発振探触子5から4スキップ目の位置に配置されている。

0025

次に、接合材の接合界面を透過する超音波の減衰量を測定する方法について説明する。まず、図示しない同期制御部において高周波パルスを発生させ、この高周波パルスを高周波ケーブルを介して超音波発振探触子5に送る。超音波発振探触子5に送られた高周波パルスは、振動子11の両面に張り付けられた電極に印加され、これにより振動子11が厚さ方向に伸縮し、超音波が発生する。

0026

発生した超音波は、くさび10を通って鋼管3に入射し、鋼管3の内周面及び外周面で全反射を繰り返しながら、鋼管2に向かって伝搬する。その過程で、超音波は、接合界面4を透過することになる。予め定められた回数の反射が行われたところで、鋼管2上に配置された受信探触子6に超音波が受信される。

0027

受信された超音波は、受信探触子6に備えられた振動子に伝えられ、振動子を厚さ方向に伸縮させる。この機械的振動は、該振動子により電気信号に変換され、高周波ケーブルを介して図示しない検査装置の受信部に送られる。そして、超音波発振探触子5に投入した電気エネルギーに対する受信探触子6により受信された電気エネルギーの比から超音波の減衰量が求められるものである。

0028

この時、超音波発振探触子5と受信探触子6との距離を一定の距離(例えば4スキップに相当する距離)に保ったまま前後左右走査させると、超音波が透過する位置が変わるので、接合界面4全面の2次元情報を得ることができる。通常、接合界面4を透過する超音波の減衰量としては、接合界面4の各位置で測定された減衰量の平均値が用いられる。

0029

なお、走査方法は、ジグザグ走査前後走査左右走査等、種々の方法があり、特に限定されるものではなく、接合材1の形状等に応じて適宜選択すればよい。また、走査させる距離は、接合界面4の全面をカバーできればよいので、接合界面4に垂直な方向については、少なくとも0.5スキップに相当する距離だけ走査させればよい。また、接合界面4に平行な方向については、板状の接合材にあっては少なくとも接合界面4の横幅に相当する距離、図1のような管状の接合材にあっては少なくとも管円周に相当する距離だけ走査させればよい。

0030

また、図1においては、接合界面4を挟んで超音波発振探触子5と受信探触子6とを各1個づつ配置しているが、受信探触子6を2個以上配置しても良い。受信探触子6を2個以上配置すると、一つの受信探触子6からもう一つの受信探触子6に至るまでの超音波の減衰量を測定できるので、接合界面4を透過する超音波の減衰量のみならず、接合界面4を挟んで左右に広がる熱影響部を透過する超音波の減衰量を測定することも可能となる。

0031

さらに、超音波発振探触子5と受信探触子6とを各2個以上配置しても良い。超音波は、指向性が良いので、超音波発振探触子5の間隔が適正であれば、各超音波発振探触子5から入射する超音波が干渉し合うことはない。そのため、接合界面4の面積が大きい接合材を検査する場合等には、双方の探触子を各2個以上配置すれば、走査距離が短くなり、検査時間を短縮させることが可能となる。

0032

次に、本発明に係る接合材の超音波検査法により、どのように接合特性を推定するかについて説明する。超音波の減衰は、接合体中を伝搬する超音波の一部が伝搬途中で散乱することによって生ずるものである。超音波の散乱は、種々の原因により生ずることが知られており、例えば、結晶粒界内部摩擦転位運動音響インピーダンスの異なる相境界等がその原因となる。

0033

ところで、冶金的接合法は、接合過程において加熱を伴うので、加熱により被接合材中で元素の拡散、相変態粒成長等が生じ、接合界面近傍の性状が接合前後で変化する場合がある。特に、接合界面近傍の性状が熱履歴に敏感である場合には、接合条件の僅かな変動によって接合界面近傍の性状が大きく変化し、接合界面を透過する超音波の減衰量の変化として顕著に現れることになる。

0034

また、接合材の接合界面近傍の性状が熱履歴に対して敏感であると同時に、被接合材の機械的性質もまた、熱履歴に対して敏感である場合には、接合条件の僅かな変動によって接合材の機械的性質が大きく変動することになる。従って、このような系においては、超音波の減衰量の変化と接合条件あるいは機械的性質の変化とが一対一に対応し、超音波の減衰量から接合条件、機械的性質等の接合特性の変動を推定することが可能となる。

0035

上述の趣旨から、本発明に係る接合材の超音波検査方法は、接合条件の変動によって超音波の減衰量及び機械的性質が変動する系であれば適用可能であり、変動量が大きい系ほど検査精度は高くなる。例えば、接合方法の点から言えば、拡散接合法が特に好適である。拡散接合法は、被接合材の融点の9割前後の温度で接合が行われ、接合界面において元素の拡散を積極的に行わせるために、接合条件の変動に伴う超音波の減衰量の変動が顕著に現れるからである。

0036

また、被接合材の材質の点から言えば、鉄系材料では、例えば、フェライト地にオーステナイトが1:1の比率で分散した組織を呈する二相ステンレス鋼や、該二相ステンレス鋼をベースとする析出硬化型ステンレス鋼が特に好適である。オーステナイトは、接合過程において結晶粒が粗大化しやすく、しかも結晶粒界における超音波の散乱が大きいために、接合条件の変動により接合界面近傍のオーステナイトの性状が変化すると、超音波の減衰量の変化として顕著に現れるからである。

0037

接合材の超音波検査は、具体的には、以下の手順に従って行われる。まず、接合特性と接合界面を透過する超音波の減衰量との対応関係を予め調べるための標準接合体を作製する。標準接合体の作製に用いる被接合材は、少なくとも実際の接合材に使用される被接合材と同一材質であることを要するが、接合特性の推定精度を上げるためには、その形状も同一にすることが望ましい。

0038

次いで、評価したい接合特性を故意に変えて、種々の条件で標準接合体の接合を行う。例えば、応力が作用する構造物に使用される接合材の場合には、接合強度が最も重要な評価項目であり、接合強度は、接合温度に最も影響を受けるものである。そこで、このような場合には、接合特性として接合温度を選択し、推奨する接合温度を中心として、種々の接合温度で標準接合体を作製すればよい。

0039

また、例えば、接合後に行われる熱処理により接合界面近傍の強度、靱性等が大きく変動する系の場合には、実際の接合作業において変動が予想される熱処理条件、例えば、熱処理温度、保持時間、冷却速度等を故意に変えて標準接合体を作製すればよい。

0040

次に、このようにして作製された標準接合体について、図1に示すように、接合界面を挟んで超音波発振探触子5及び受信探触子6を配置し、超音波発振探触子5と受信探触子6との距離を一定に保った状態を維持しながら前後左右に走査させ、接合界面4の各位置を透過する超音波の減衰量を逐次測定し、その平均値を算出する。

0041

評価すべき接合特性が接合温度等の接合条件である場合には、そのまま、得られた超音波の減衰量と接合条件とを対比し、両者の相関を求めればよい。通常は、減衰量及び接合温度等の接合条件の内、一方を横軸に、他方を縦軸に取って測定データをプロットし、回帰分析が行われる。一方の変化に対して他方が直線的に変化する場合には、単回帰を行い、一方の変化に対して他方が曲線的に変化する場合には、多項式回帰を行えばよい。

0042

また、評価すべき接合特性が引張強度等の機械的特性である場合には、標準接合体の超音波検査が終了後、各標準接合体から試験片を切り出し、引張試験等の破壊試験を行えばよい。そして、得られた減衰量と破壊試験のデータから、上述と同様の手順に従い、回帰分析等により両者の相関を求める。

0043

そして、求められた標準接合体の超音波減衰量と接合特性との相関に基づき、各測定データバラツキを考慮して、合否判定のための判定基準を作成する。なお、判定基準は、接合材に要求される信頼性の高さ、要求特性、測定される超音波減衰量のバラツキの大きさ等を考慮して適宜決定すればよい。

0044

次に、実際に接合された接合特性が未知である接合材(被測定接合材)に対し、標準接合体と同一条件下で超音波の減衰量を計測し、回帰分析等により求められた標準接合体の超音波減衰量と接合特性との相関から、被測定接合材の接合特性を推定する。

0045

例えば、単回帰を行った場合において、相関係数が1に近い場合には、接合特性に対する超音波減衰量の回帰直線と、超音波減衰量に対する接合特性の回帰直線とはほぼ一致するので、標準接合体について求めた回帰直線に被測定接合材で測定された超音波減衰量を代入し、被測定接合材の接合特性を逆算する。そして、その逆算された接合特性が予め定められた判定基準内である場合には合格とし、判定基準外にある場合には不合格とすればよい。

0046

あるいは、標準接合体に対して求められた回帰直線の回帰係数が十分大きい場合には、測定された被測定接合材の超音波減衰量を用いて所定の棄却率で接合特性の区間推定を行い、推定された接合特性が予め定められた判定基準内である場合には合格とし、判定基準外にある場合には不合格とすればよい。なお、棄却率は、接合材に要求される信頼性に応じて適宜選択すればよい。

0047

そして、実際に接合された被測定接合材が、作業マニュアル通りに接合されている場合には、被測定接合材の接合界面の性状は、必要とされる接合特性を満足している標準接合体の接合界面とほぼ同一の性状を有している可能性が高いので、測定された超音波の減衰量も上述の判定基準内に収まる可能性が高い。

0048

一方、不可抗力により作業マニュアル通りに接合作業が行われず、接合条件が変動している場合には、接合特性が変化しているので、それに応じて超音波の減衰量も上述の判定基準外の値が検出され、不合格判定がなされることになる。なお、不合格判定がなされた接合材に対しては、必要に応じて、接合部を接合温度に再加熱したり、放射線透過試験法等の他の非破壊検査を行う等の処置が取られることになる。

0049

(実施例1)以下に、二相ステンレス鋼管を被接合材に用いて液相拡散接合法により接合した接合材に対し、本発明に係る接合材の超音波検査方法を適用した例について説明する。

0050

初めに、標準接合体を以下の手順により作製した。すなわち、被接合材は、二相ステンレス鋼SUS329J1からなる外径150mm、内径120mmの鋼管とし、接合界面は、表面粗さがRmax30μm以下となるように仕上げた。また、インサート材は、融点が1040℃である厚さ40μmのNi系合金箔を用いた。

0051

この2本の二相ステンレス鋼管の間にインサート材を介挿し、接合界面に4MPaの加圧力を印加し、Arガス雰囲気下、1150℃〜1300℃の温度に60秒間保持することにより、二相ステンレス鋼管の液相拡散接合を行った。得られた接合材に対し、図1に示すように、接合界面4を挟んで超音波発振探触子5及び受信探触子6を配置し、接合界面4を透過する超音波の減衰量(超音波相対比強度)を測定した。なお、超音波発振探触子5と受信探触子6との距離は、4スキップとし、検査には、縦波を用いた。

0052

初めに、接合温度を1290℃とした接合材に対し、縦波を種々の屈折角で入射させたときの超音波相対比強度の変化を調べた。使用した探触子は、1辺が10mmの角形探触子とし、超音波の周波数は5MHzとした。図3において、屈折角を20゜とした場合が最も超音波相対比強度が高く、−19dBを示した。屈折角が小さくなるに伴い超音波相対比強度は急激に低下し、屈折角を16゜とした場合には、−34dBまで低下した。

0053

また、屈折角が20゜を越えると、屈折角が大きくなるに伴い超音波相対比強度は低下し、屈折角が25゜では−29dBとなった。屈折角を30゜とした場合には、超音波相対比強度は−30dBとなり、屈折角を25゜とした場合とほぼ同等であったが、横波の混入に起因するノイズが増加した。さらに、屈折角が30゜を越えた場合には、横波の混入のために測定が困難となった。

0054

次に、接合温度を1150℃及び1290℃とした接合材に対し、周波数の異なる縦波を入射させたときの超音波相対比強度の変化を調べた。探触子は、1辺が10mmの角形探触子とし、屈折角は20゜とした。図4において、周波数が2MHzの縦波を用いた場合には、接合温度を1150℃とした接合材の超音波相対比強度と接合温度を1290℃とした接合材の超音波相対比強度の差は、約6dBであった。

0055

周波数の増加に伴い、超音波相対比強度の差は拡大し、周波数が5MHzである縦波を用いた場合で約11dBとなった。さらに、周波数が10MHzである縦波を用いた場合には、超音波相対比強度の差は14dBに拡大したが、超音波相対比強度の値自体は−30dB前後となり、測定感度は低下した。なお、周波数が12MHz以上の縦波を用いた場合には、ノイズが大きくなったため、測定は困難であった。

0056

次に、接合温度を1150℃から1300℃まで変化させた各接合材に対し、振動子の大きさを変えて縦波を入射させたときの超音波相対比強度の変化を調べた。使用した超音波の周波数は、5MHzとし、屈折角は20゜とした。図5において、1辺が5mmである角形振動子を用いた場合には、接合温度を1150℃とした接合材と接合温度を1300℃とした接合材との超音波相対比強度の差の平均値は、10dB以下であった。

0057

一方、1辺が10mmである角形振動子を用いた場合には、接合温度を1150℃とした接合材と接合温度を1300℃とした接合材との超音波相対比強度の差の平均値は、約20dB程度となり、1辺が5mmである角形振動子を用いた場合よりも超音波相対比強度の変化量が増大した。

0058

以上の結果から、検査に使用する超音波の屈折角、周波数及び振動子寸法を適正範囲内とすれば、接合材を透過する超音波の検出感度を高く維持したまま、接合温度の変化を、接合界面を透過する超音波の減衰量(超音波相対比強度)の変化として検出できることがわかった。

0059

図5白丸で示したように、1辺が10mmの角形探触子を用い、周波数が5MHzの縦波を屈折角20゜で入射させた場合について、単回帰を行ったところ、次の回帰式を得た。
超音波相対比強度=−0.083x(接合温度)+91 ・・・(1)

0060

また、超音波検査後の各標準接合体から引張試験片(JIS Z 31214号試験片)を切り出し、クロスヘッドスピード1mm/minで引張試験を行った。得られた引張強さと、接合温度の関係を図6に示す。図6より、接合温度が高くなるほど引張強さが高くなり、接合温度と引張強さとは、1:1に対応していることがわかる。図7に示すように、標準接合体の超音波相対比強度を引張強さに対してプロットし、単回帰を行ったところ、次の回帰式を得た。
引張強さ=−40x(超音波相対比強度)+150 ・・・(2)

0061

次に、(1)及び(2)の回帰式を用いて、接合特性の異なる接合材を実際に選別できるか否かを確認する試験を行った。前述と同様の手順に従い、接合温度を1300℃とした接合材を10個、及び接合温度を1150℃とした接合材を10個作製し、各接合材について浸透探傷試験及びX線透過試験により、亀裂、未接合部等の欠陥がないことを予め確認した。

0062

次いで、各接合材の履歴を伏せた状態で、1辺が10mmの角形探触子を用い、周波数が5MHzの縦波を屈折角20゜で入射させることにより、接合材の全数検査を行った。なお、判定基準は、(1)の回帰式に基づき、超音波相対比強度が−10dB以上(接合温度1200℃以下に相当)を不合格とした。その結果、接合温度を1300℃とした接合材を全数検出・選別することができた。

0063

また、測定された超音波の減衰量から(2)の回帰式を用いて逆算された引張強さは、接合温度を1300℃とした接合材で826MPa、接合温度を1150℃とした接合材で328MPaであった。一方、選別された1300℃で接合された鋼管及び1150℃で接合された鋼管からそれぞれ実際に試験片を切り出し、引張強さを測定したところ、それぞれ、835MPa及び360MPaとなり、(2)の回帰式から推定した結果と良く一致した。

0064

(実施例2)実施例1と同様の手順に従い、接合温度を変えて二相ステンレス鋼管の接合を行った。次いで、横波を用いて接合界面を透過する超音波の減衰量を測定した。探触子は、1辺が10mmの角形探触子とした。

0065

初めに、超音波の周波数を5MHzとし、横波を種々の屈折角で入射させたところ、図8に示すように、屈折角を60゜とした場合には、接合温度を1150℃とした接合材の超音波相対比強度と、接合温度を1300℃とした接合体の超音波相対比強度との差の平均値は、約10dBであった。一方、屈折角を70゜とすると、超音波相対比強度の差の平均値は、約15dBに拡大した。

0066

また、屈折角を70゜とし、周波数の異なる横波を用いて各接合材の超音波相対比強度を測定したところ、図9に示すように、周波数が2MPaでは、接合温度の変化に伴う超音波相対比強度の変化が小さいのに対し、周波数が5MPaの横波を用いた場合には、接合温度を1150℃とした接合材と接合温度を1300℃とした接合材の超音波相対比強度の差の平均値は、約15dBに拡大した。

0067

なお、図5の白丸と図9の白丸とを比較すると、縦波を用いた方が1150℃及び1200℃における超音波相対比強度のバラツキが小さく、しかも、1150℃又は1200℃における超音波相対比強度の下限値と1290℃前後における超音波相対比強度の上限値との差が大きくなっている。詳細は不明であるが、図5及び図9より、縦波を用いて接合材の検査を行った方が、より信頼性の高い検査を行えることがわかる。

0068

以上の結果から、横波を用いた場合であっても、検査条件が適切であれば、接合特性の変化を、接合界面を透過する超音波の減衰量の変化として検出することができ、履歴が未知である接合材の接合特性を推定できることがわかった。

0069

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、鋼管同志の接合材に対して本発明を適用しているが、鋼管に限らず、板状の接合材に対しても本発明を適用できる。

0070

また、上記実施の形態では、Ni系合金をインサート材として二相ステンレス鋼を液相拡散接合法により接合した接合材に対して本発明を適用しているが、二相ステンレス鋼を固相拡散接合法、融接法、圧接法等により接合した接合材に対しても本発明を適用でき、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

0071

さらに、被接合材は、二相ステンレス鋼あるいは二相ステンレス鋼をベースとする析出硬化型ステンレス鋼に限定されるものではなく、接合条件等の変動によって超音波減衰量が大きく変動する性質を有する材料を被接合材とする接合材であれば、あらゆる接合材に対して本発明を適用できる。

0072

例えば、パーライトは、フェライトセメンタイト層状構造のため、超音波の減衰量は大きくなるが、マルテンサイト中間組織では、超音波の減衰量は小さくなる傾向がある。そのため、パーライトを含む鋼材を接合し、接合部を急冷してマルテンサイトを生成させた場合や、マルテンサイト又は中間組織を含む鋼材を接合し、接合部を徐冷してパーライトを生成させた場合には、接合界面を透過する超音波減衰量の変化として検出することができ、超音波減衰量から接合特性を推定することが可能となる。

発明の効果

0073

本発明は、既知の条件下で接合した標準接合体の接合界面を透過する超音波の減衰量と接合特性との相関を予め求め、未知の条件下で接合した被測定接合材の接合特性を、被測定接合材の界面を透過する超音波の減衰量から推定するようにしたので、接合温度、接合強度等の接合特性を非破壊で推定することが可能となるという効果がある。

0074

また、縦波を検査に用いると共に、超音波の屈折角、周波数、探触子の大きさを最適化すると、超音波の測定感度を高く維持しながら、接合特性の変化に伴う超音波の減衰量の変化を大きくとらえることができるので、検査精度を向上させることができるという効果がある。

0075

さらに、2種以上の相を含む二相鋼、例えば二相ステンレス鋼を被接合材とする接合材を検査対象とすると、接合特性の変化が超音波減衰量の変化として顕著に現れ、高い精度で接合特性の非破壊検査が可能となるという効果がある。

0076

以上のように、本発明に係る接合材の超音波検査方法によれば、抜き取り検査が不可能な接合材であっても高い精度で、接合温度、接合強度等の接合特性を推定することができるので、これを例えば、油井管化学プラント配管等の検査に応用すれば、接合工程の信頼性を高めることが可能となるものであり、産業上その効果の極めて大きい発明である。

図面の簡単な説明

0077

図1本発明に係る超音波検査方法の概略を説明する図である。
図2本発明に係る超音波検査方法に用いられる探触子の断面図である。
図3縦波の屈折角と超音波相対比強度との関係を示す図である。
図4縦波の周波数と超音波相対比強度との関係を示す図である。
図5縦波を用いた場合における振動子寸法と超音波相対比強度との関係を示す図である。
図6二相ステンレス鋼管の接合温度と引張強さとの関係を示す図である。
図7縦波の超音波相対比強度と引張強さとの関係を示す図である。
図8横波の屈折角と超音波相対比強度との関係を示す図である。
図9横波の周波数と超音波相対比強度との関係を示す図である。

--

0078

1接合材
2、3鋼管
4接合界面
5超音波発振探触子
6 受信探触子

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