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技術 鋼材の表面疵検出装置

出願人 新日鐵住金株式会社ニッテツ北海道制御システム株式会社
発明者 西野淳二宮本裕嗣吉田三男藤沢淳一毛利佳年雄
出願日 2002年5月7日 (17年11ヶ月経過) 出願番号 2002-131783
公開日 2003年11月14日 (16年5ヶ月経過) 公開番号 2003-322640
状態 特許登録済
技術分野 磁気的手段による材料の調査、分析
主要キーワード ノイズ電圧値 垂直磁束 調査条件 磁気遮蔽材 励磁ヨーク ワイヤー長 磁化コイル 科学技術振興事業団
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年11月14日)のものです。
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図面 (7)

課題

棒鋼線材等の鋼材表面疵検査に適用して検出感度の大幅な向上が期待できる漏洩探傷方式の表面疵検出装置を提供すること。

解決手段

被検査材表層励磁コイルにより交流磁束を流して疵部分から漏洩する磁束をセンサーにより検出する熱間圧延棒線材の表面疵検出装置において、前記センサーは2本の平行なアモルファスワイヤーから構成され、該2本の平行なアモルファスワイヤーを探傷方向に間隔をおいてかつ被検査材の長手方向に対してほぼ垂直に配置し、疵部分から漏洩する磁束の垂直成分のみを検出するようにしたこと。

概要

背景

一般に、棒鋼線材の如き鋼材は種々の用途に使用されているが、用途によってはその表面疵の存在が問題とされる。例えば、自動車足回り部品等のような重要保安部品素材となる棒鋼・線材に、表面割れ等の表面欠陥が存在すると、重大な事故に繋がる危険性がある。このため自動車部品に最終的に加工される棒鋼・線材製品では表面疵検査厳格に行う必要がある。また、省エネルギー効果の面では自動車部品などの軽量化が指向されており、その結果、素材はより過酷な条件で使用されてきており、この点からも表面疵検査は益々厳しくなる傾向にある。

通常、棒鋼材の表面疵検査には漏洩磁束探傷方式が広く採用されている。この方式は、図5にも示す如く、磁化コイル1及び励磁ヨーク2により交流磁界被検査材の棒鋼材3を磁気飽和に近い状態になるまで磁化し、割れ等の表面欠陥部分4から漏れる漏洩磁束5の垂直成分を感磁素子センサー6で検出する方法であり、センサーを棒鋼材の表面に沿って走査し、検出された電気信号によって疵の大きさを検知している。上記の方式においては、より小さな欠陥まで検出可能とするため、励磁コイル磁極材質の工夫や検出センサーの改良が図られおり、特に、センサーとして種々の磁気センサーが提案され実用化されている。その一例として最近、アモルファスワイヤーの磁気インピーダンス効果を利用した磁気感度に優れたMIセンサーが開発され、鋼板での疵検査実験的に用いたことが報告されている(「先端技術展開試験制度’97成果報告書」平成9年10月1日〜平成10年3月31日、科学技術振興事業団、第49頁〜53頁)。

概要

棒鋼・線材等の鋼材の表面疵検査に適用して検出感度の大幅な向上が期待できる漏洩探傷方式の表面疵検出装置を提供すること。

被検査材の表層に励磁コイルにより交流磁束を流して疵部分から漏洩する磁束をセンサーにより検出する熱間圧延棒線材の表面疵検出装置において、前記センサーは2本の平行なアモルファスワイヤーから構成され、該2本の平行なアモルファスワイヤーを探傷方向に間隔をおいてかつ被検査材の長手方向に対してほぼ垂直に配置し、疵部分から漏洩する磁束の垂直成分のみを検出するようにしたこと。

目的

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、鋼材の表面疵検査に適用しても検出感度の大幅な向上が期待できる漏洩探傷方式の表面疵検出装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
5件

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請求項1

被検査材表層励磁コイルにより交流磁束を流して疵部分から漏洩する磁束を磁気インピーダンス効果を利用したセンサーにより検出する鋼材表面疵検出装置において、前記センサーは2本の平行なアモルファスワイヤーから構成され、該2本の平行なアモルファスワイヤーを両者間の中心線が被検査材面に垂直になるように配置し、かつ該アモルファスワイヤーの少なくとも被検査材側の端部を電磁気的に露出したことを特徴とする鋼材の表面疵検出装置。

請求項2

前記センサーの周囲が少なくともアモルファスワイヤーの被検査材側の端部を除いて電磁気遮蔽材で包囲されていることを特徴とする請求項1記載の鋼材の表面疵検出装置。

請求項3

被検査材として丸鋼を対象としたものであって、2本の平行名アモルファスワイヤーを該丸鋼の軸線と垂直な面内に配置すると共に、該丸鋼と螺旋状に相対移動して丸鋼の表面疵を検出するようにしたことを特徴とする請求項1又は2記載の鋼材の表面疵検出装置。

請求項4

2本の平行なアモルファスワイヤーの芯間距離が0.05〜2.0mmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の鋼材の表面疵検出装置。

技術分野

0001

本発明は、鋼材表面疵検出装置に関し、特に、高感度疵検出が可能な表面疵検出装置に係る。

背景技術

0002

一般に、棒鋼線材の如き鋼材は種々の用途に使用されているが、用途によってはその表面疵の存在が問題とされる。例えば、自動車足回り部品等のような重要保安部品素材となる棒鋼・線材に、表面割れ等の表面欠陥が存在すると、重大な事故に繋がる危険性がある。このため自動車部品に最終的に加工される棒鋼・線材製品では表面疵検査厳格に行う必要がある。また、省エネルギー効果の面では自動車部品などの軽量化が指向されており、その結果、素材はより過酷な条件で使用されてきており、この点からも表面疵検査は益々厳しくなる傾向にある。

0003

通常、棒鋼材の表面疵検査には漏洩磁束探傷方式が広く採用されている。この方式は、図5にも示す如く、磁化コイル1及び励磁ヨーク2により交流磁界被検査材の棒鋼材3を磁気飽和に近い状態になるまで磁化し、割れ等の表面欠陥部分4から漏れる漏洩磁束5の垂直成分を感磁素子センサー6で検出する方法であり、センサーを棒鋼材の表面に沿って走査し、検出された電気信号によって疵の大きさを検知している。上記の方式においては、より小さな欠陥まで検出可能とするため、励磁コイル磁極材質の工夫や検出センサーの改良が図られおり、特に、センサーとして種々の磁気センサーが提案され実用化されている。その一例として最近、アモルファスワイヤーの磁気インピーダンス効果を利用した磁気感度に優れたMIセンサーが開発され、鋼板での疵検査実験的に用いたことが報告されている(「先端技術展開試験制度’97成果報告書」平成9年10月1日〜平成10年3月31日、科学技術振興事業団、第49頁〜53頁)。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上述したMIセンサーでは、2本の平行なアモルファスワイヤーを被検査材(鋼板)に対して平行に配置しているため、この配置をそのまま棒鋼・線材の探傷に適用した場合、疵部分から漏洩した垂直磁束のみならず、磁化コイルから発生した、疵信号とは無関係の水平磁束をも検出してしまい、疵検出感度が大幅に低下する結果となり、探傷性能の向上にはつながらない。

0005

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、鋼材の表面疵検査に適用しても検出感度の大幅な向上が期待できる漏洩探傷方式の表面疵検出装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するための本発明の要旨は次の通りである。
(1)被検査材の表層に励磁コイルにより交流磁束を流して疵部分から漏洩する磁束を磁気インピーダンス効果を利用したセンサーにより検出する鋼材の表面疵検出装置において、前記センサーは2本の平行なアモルファスワイヤーから構成され、該2本の平行なアモルファスワイヤーを両者間の中心線が被検査材面に垂直になるように配置し、かつ該アモルファスワイヤーの少なくとも被検査材側の端部を電磁気的に露出したことを特徴とする鋼材の表面疵検出装置。
(2)前記センサーの周囲が少なくともアモルファスワイヤーの被検査材側の端部を除いて電磁気遮蔽材で包囲されていることを特徴とする上記(1)記載の鋼材の表面疵検出装置。
(3)被検査材として丸鋼を対象としたものであって、2本の平行なアモルファスワイヤーを該丸鋼の軸線と垂直な面内に配置すると共に、該丸鋼と螺旋状に相対移動して丸鋼の表面疵を検出するようにしたことを特徴とする上記(1)又は(2)記載の鋼材の表面疵検出装置。
(4)2本の平行なアモルファスワイヤーの芯間距離が0.05〜2.0mmであることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれか1項記載の鋼材の表面疵検出装置。

発明を実施するための最良の形態

0007

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、被検査材である断面円形の棒鋼(丸鋼)3に対し本発明において磁気インピーダンス効果を利用したセンサーとして使用する2本のアモルファスワイヤー7a、7bからなるセンサー7の配置状態を概略的に示すもので、該2本のアモルファスワイヤー7a、7bは探傷方向(この場合棒鋼3の円周方向)に一定の間隔をおいて平行に配置されている。また、これら2本のアモルファスワイヤー7a、7bは、丸鋼3の軸線と垂直な面内に配置すると共に、ワイヤーの両者間の中心線が丸鋼の表面に対し垂直になるように配置されており、これによって疵部分から漏洩する磁束の実質的に垂直成分のみを検出することになる。磁気インピーダンス効果を利用したセンサーはアモルファスワイヤーの高周波通電による表皮効果インピーダンス外部磁界で高感度に変化する物理現象を用い、2本のアモルファスワイヤーを平行配置し、ワイヤーの差動信号を疵信号として活用したものである。

0008

なお、探傷に際してはセンサー7を含むコイルヨーク部分の探傷部全体が棒鋼を中心にして円周方向に回動する(図5参照)と共に、棒鋼を軸方向に所定速度で移動させることによって連続的な棒鋼全表層の探傷を行う。勿論、探傷部と棒鋼が相対的に同様の動きを行うものであれば、探傷部及び棒鋼の移動はこれに限ることはなく、例えば探傷部を棒鋼軸方向に移動させ、棒鋼を軸回りに回動させてもよい。また、センサー7には、図示していないが、漏洩磁束を電気信号として検出し、この電気信号によって疵の位置や大きさを検知するための信号処理部や、表示・記録装置マーキング装置等が接続されている。

0009

微小な疵では疵からの垂直方向の漏洩磁束も小さいため、励磁磁束密度を高くする必要がある。しかし、励磁磁束密度を高くすると、疵検出には関係しない水平磁束も大きくなる。従来の方式は、アモルファスワイヤーの直線部を被検査材の表面と平行に配置する方式のため、相対的に疵からの垂直方向の漏洩磁束よりも水平磁束の影響を大きく受けてしまい、検出性能を上げられない問題があった。これに対し本方式は、水平磁束を実質的に検出することがないため、疵からの垂直方向の漏洩磁束を感度良く検出でき、微小な疵の検出性能を向上させることができる。

0010

以下、図をもって本方式の具体的な構造例を説明する。図2(a)に本発明において用いるセンサー7の具体的な構造例を示す。図2(a)は、2本のアモルファスワイヤー7a、7bの中心線を含む平面で切断した場合の断面図である。2本のアモルファスワイヤー7a、7bは、被検査材表面との垂直部を有し、その全周を樹脂モールド剤8を介して円周上の電磁気遮蔽材9(例えば、銅やアルミニウム)によって包囲されて、少なくとも被検査材の円周方向で完全に電磁気遮蔽されており、励磁コイルからの水平磁束の検出を抑制し、疵部からの垂直方向の漏洩磁束を検出するようになっている。また、2本のアモルファスワイヤーを平行に固定するため、磁気遮蔽材9との隙間は樹脂モールド剤8で充填されており、検出信号を取り出すための電線11を銀ろう溶接10で接続した構造である。アモルファスワイヤー7a、7bの被検査材側の先端部12は、被検査材に対して電磁気的に露出しており、これが漏洩磁束の主検出部としての機能を有する。先端部12は、大気に露出しているか、所望の検出感度を得るリフトオフ量を確保するために障害とならない程度の厚みの例えば樹脂モールド剤の被膜で覆われていてもよい。

0011

また、図2(b)にセンサー7の具体的な構造例の他の例を示す。この例ではアモルファスワイヤー7a、7bの被検査材側の一定長さ範囲の端部を180°方向に折り曲げて電線11を銀ろう10で接合している。この折り曲げて形成した曲率先端部12を、被検査材に対して電磁気的に露出させてこれを主検出部としている。それ以外は図2(a)のものと同様である。

0012

さらに、本発明においては、アモルファスワイヤー間隔を適正に配置することで、より検出精度を向上させることができる。即ち、被検査材となる棒鋼や線材の場合、検出すべき疵の形態は、幅の狭い割れ疵が主体となる。この疵形態に合わせた最適なアモルファスワイヤー間の芯間距離としては、下記の範囲を維持することが必要である。
0.05≦W+D≦2.0(mm)
ただし、W:アモルファスワイヤー間隔 D:アモルファスワイヤー径
W+D(アモルファスワイヤー芯間距離)が2.0mm超になると、疵の幅が狭い割れ疵を検出するには間隔が大きすぎ、疵から漏洩する垂直磁束を2本のアモルファスワイヤーで同時に検出することが困難となり、検出感度が低下するので2.0mm以下とした。一方、W+Dが狭すぎるとセンサーの製作が複雑となって実用的ではなくなることから、0.05mm以上とした。図3図2(a)で示すセンサーを用い、アモルファスワイヤーの径を30μm、垂直部の長さを7mmとし、棒鋼(30mmφ)表面の深さ0.05mmの割れ疵を検出した時の上記のW+Dと検出感度(S/Nで表わす)との関係を調査した結果を示しており、W+Dが2(mm)を超すと急激にS/Nが低下することが分かる。この点からもW+Dの上限を2.0mmとしたことが適正であることが認められる。

0013

また、センサー(アモルファスワイヤー)の径Dは、小さいほど幅の狭い割れ疵を検出する感度を向上させる。図4はアモルファスワイヤー径とS/Nの関係を示したもので(W+D=2mmとした。アモルファスワイヤー径以外は図3調査条件と同じ)、径が50μmを超えるとS/Nが低下しはじめることが分かる。なお、現在の加工技術ではアモルファスワイヤー径を5μm未満に加工することは困難であることから、アモルファスワイヤーの径Dは5μm〜50μmの範囲とすることが好ましい。

0014

このように構成した本発明に係る表面疵検出装置にて実際の探傷を行う場合、2mm未満の間隔で平行に保持した2本のアモルファスワイヤー7a、7bの先端を、棒鋼3の表層とそれぞれ等しい距離(この距離はできるだけ小さくすることが検出感度向上のためには好ましい)にセットし、棒鋼を励磁しながらワイヤーを棒鋼の円周方向に沿って走査すると共に棒鋼を直進させて探傷を実施する。本発明における2本のアモルファスワイヤー7a、7bは、欠陥位置にくると、一方で欠陥を検出し、他方で検出した健全部との差分から欠陥検出を行うことができる、差動的使い方ができるため、欠陥検出精度の向上を図ることが可能である。

0015

図2(b)の方式におけるセンサーを用いて、実際の棒鋼材の探傷性能を評価するために、ひとつにアモルファスワイヤー径を30μm、2本のアモルファスワイヤーの間隔を1.8mm、その垂直部のワイヤー長さを7mmとし、周囲を包囲する筒状の電磁気遮蔽材(材質はアルミニウム)で被覆した外径2.0mmのセンサー(これをセンサーA)、さらに、アモルファスワイヤー径を30μm、2本のアモルファスワイヤーの間隔を2.0mm、その垂直部のワイヤー長さを7mmとし、周囲を包囲する筒状の電磁気遮蔽材(材質はアルミニウム)で被覆した外径2.0mmのセンサー(これをセンサーB)の2種類について、従来方式との比較試験を実施した。また、従来方式はアモルファスワイヤーの水平は一方式と図5に示す感磁素子センサー方式の2種類である。

0016

実施結果]本発明に係わる2種類のセンサーと従来方式における2種類のセンサーとの検出性能比較は、外径φ30mmとφ60mmの棒鋼の自然疵(大きさは深さ0.05〜0.17mmの範囲)を対象に実施しており、その探傷結果例を表1に示す。表1は棒鋼材径と疵の大きさが検査条件であり、本発明方式と従来方式の数値が各々のセンサーでの検出S/N(倍)で、Sは信号電圧値、Nはノイズ電圧値である。検出性能はこの検出S/N(倍)が大きいほど優れており、本発明方式であるセンサーAが最も優れた特性を示す。さらに、同様にセンサーBは2本のアモルファスワイヤーの間隔を2.0mmとしており、センサーAに比較すると性能が低下しているものの、従来方式に比べると大幅に性能が向上していることが分かる。なお、図6は表1のS/Nを縦軸に、疵深さを横軸にとって各方式の検出性能を図で表したものであり、本発明方式のものが従来方式に比べS/Nが高く、検出性能が優れていることが明白である。

0017

発明の効果

0018

以上説明したように本発明の疵検出装置によれば、検出感度及び欠陥検出精度が高く、棒鋼や線材等の鋼材の探傷に最適なものといえる。また、単にセンサー部分に2本のアモルファスワイヤーを配置するだけで、他は既存の探傷装置をそのまま用いることができるため、コスト的にも有利である。

図面の簡単な説明

0019

図1本発明の原理を説明するための概略図で、(a)は正面図、(b)は斜視図である。
図2本発明において用いるセンサーの具体的な構造例を示す断面図である。
図3センサーを形成する2本のアモルファスワイヤーの間隔とS/Nの関係を示す図である。
図4アモルファスワイヤーの径とS/Nの関係を示す図である。
図5漏洩磁束探傷装置の概要を示す説明図である。
図6表1の検出性能結果を疵深さとS/Nとの関係で表した図である。

--

0020

1励磁コイル2励磁ヨーク
3被検査材(棒鋼) 4 疵
5漏洩磁束6センサー
7 センサー 7a,7bアモルファスワイヤー
8樹脂モールド剤9電磁気遮蔽材
10銀ろう溶接部 11 電線

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