专利名称：超声波探头、超声波探伤装置、超声波探伤方法及无缝管的制造方法
技术领域：
本发明涉及用于使用超声波来探查存在于钢管等管状被探伤件中的伤痕的超声 波探头、超声波探伤装置、超声波探伤方法、以及使用该方法制造无缝管的方法，特别是涉 及可以高精度且高速地探查相对于管状被探伤件的轴向具有各种倾斜角度的伤痕的超声 波探头、超声波探伤装置、超声波探伤方法、以及使用该方法制造无缝管的方法。
背景技术：
近年来，随着对管的高品质化要求的提高，存在管的无损检查标准倾向于严格化。例如，作为代表性管的无缝管可这样制造，S卩，通过利用穿轧机对钢坯进行穿孔而 形成中空壳，并利用芯棒式无缝管轧机等轧制该中空壳，从而制造无缝管。在该无缝管中存 在相对于轴向具有各种倾斜角度的伤痕(以下，适当地称作“倾斜伤痕”)。一般说来，该倾斜伤痕是因钢坯中原本存在的纵向裂痕在上述制造工序中沿轴向 受到变形而产生，或者是因用于维持中空壳的轧道中心的导块(guide shoe)的引导面上存 在的伤痕转印而产生。因此，倾斜伤痕相对于无缝管轴向的倾斜角度因无缝管的管径、倾斜 伤痕的产生原因的差异而变化。即，在无缝管中存在具有各种倾斜角度的倾斜伤痕。由于无缝管的使用环境倾向于逐年严格化，因此要求其高品质化，也严格要求高 精度地检测出上述倾斜伤痕。但是，以往，提出了各种用于探查存在于无缝管中的倾斜伤痕的方法。例如，在日本国特开昭55-116251号公报(以下，称作专利文献1)中提出一种这 样的方法根据作为检测对象的倾斜伤痕的位置及倾斜角度，以适当的位置及倾斜角度配 置超声波探头，从而探查倾斜伤痕。但是，专利文献1所述的方法存在这样的问题由于每次都需要根据作为检测对 象的倾斜伤痕的倾斜角度来改变超声波探头的倾斜角度，因此极为费时费力。另外，若要用 一次探伤作业检测出如上述那样存在于无缝管中的、具有各种倾斜角度的倾斜伤痕，需要 准备许多个超声波探头，并将它们以各不相同的倾斜角度配置。即，存在超声波探头的配置 设定和校正等较为复杂、并且必须需要大型装置、导致成本上升这样的问题。为了解决上述专利文献1所述的方法中的问题点，在日本国特开昭61-223553号 公报(以下，称作专利文献2)中提出了一种应用阵列型超声波探头的探伤方法，该阵列型 超声波探头将多个振子(超声波接收发送用元件)排列成一列。更具体地讲，是如下这样 的方法通过使上述振子的排列方向与管的轴向一致，并使超声波探头相对于管的轴心偏 心地配置该超声波探头，从而使横波超声波传播到管内。并且，通过对由各振子接收发送超 声波的接收发送时机进行电气控制的电子扫描，改变由超声波探头接收发送的超声波的倾 斜角度(相对于管轴向的倾斜角度)，从而探查具有各种倾斜角度的倾斜伤痕。但是，在专利文献2所述的方法中，主要存在以下两个问题(第1问题及第2问 题)。
4
第1问题图1是表示本发明的发明人通过实验确认的、应用阵列型超声波探头的探伤方法 中的倾斜伤痕的倾斜角度(倾斜伤痕的延伸方向与管轴向的夹角)与反射波强度的关系的 一个例子。更具体地说明，图1表示在使与专利文献2所述的构造相同的阵列型超声波探 头相对于管的轴心偏心地配置该超声波探头时的偏心量为恒定值的状态下，根据各倾斜伤 痕的倾斜角度利用电子扫描来改变超声波的倾斜角度、从而使倾斜伤痕的延伸方向与自超 声波探头发送超声波的传播方向(从包括超声波的入射点在内的管的节平面的法线方向 看到的传播方向)正交的情况下的、在各倾斜伤痕处的反射波强度(使倾斜角度为0°的倾 斜伤痕的反射强度为OdB时的相对强度)。如图1所示，本发明的发明人发现了这样的问 题在专利文献2所述的方法中，即使是同样大小的倾斜伤痕(深0. 5mmX长25mm)，相应 于倾斜伤痕的倾斜角度不同，反射波的强度也不同。如上所述，本发明的发明人发现，在专利文献2所述的方法中存在相应于倾斜伤 痕的倾斜角度不同而反射波的强度不同这样的问题，该问题有可能引起漏检有害的伤痕、 或过度检测出不需检测的微小伤痕。第2问题在通过对由专利文献2所述的阵列型超声波探头的各振子接收发送超声波的接 收发送时机进行电气控制的电子扫描、来改变由超声波探头接收发送的超声波的倾斜角度 的情况下，需要在管的特定部位反复进行与作为检测对象的倾斜伤痕的倾斜角度相应的次 数的电子扫描。即，例如要对分别具有3个不同倾斜角度的倾斜伤痕进行检测，则需要在管 的特定部位反复进行3次电子扫描，与检测具有一个方向倾斜角度的伤痕时相比，探伤效 率降低至1/3。更具体地说明，对管的特定部位进行1次超声波探伤所需要的时间，除了取决于 管的外径、壁厚之外，还取决于超声波探头与管的距离等，大致为50 100 μ sec左右。艮口， 作为对管的特定部位在单位时间内的探伤次数(探伤速度)，最大为10000 20000次/sec 左右。因此，利用上述电子扫描来改变超声波的倾斜角度的速度(改变频率)也不得不成 为10000 20000次/sec左右以下，尽管与机械扫描相比电子扫描本身速度极快，随着作 为检测对象的倾斜伤痕的倾斜角度的数量增加，探伤效率也会降低。如上所述，在专利文献2所述的方法中，存在因作为检测对象的倾斜伤痕的倾斜 角度的数量，使探伤效率降低的问题。另一方面，在日本国特开昭59_163563(以下，称作专利文献3)中，提出了一种这 样的方法为了探查具有各种倾斜角度的倾斜伤痕，使用排列成矩阵状的振子组，使超声波 沿任意方向入射。更具体地讲，从振子组中选择多个任意振子，通过电气控制该接收发送时 机(驱动时间)的电子扫描，来任意改变超声波的入射方向。于是，公开了预先将改变超生 波入射方向的模式做成程序来储存这样的内容。但是，专利文献3并没有提到相应于上述各倾斜伤痕的倾斜角度而导致反射波的 强度产生变化这样的第1问题，对于为了解决该问题，利用怎样的变更模式来改变超声波 入射方向即可这一点更没有任何公开。另外，还具有与上述专利文献2所述的方法中的第2 问题同样的问题。即，存在因需要按与作为检测对象的倾斜伤痕的倾斜角度相应的次数反 复进行电子扫描，使探伤效率降低这样的问题。
5
上述以往技术的问题点并不限定于超声波探伤的对象为无缝管的情况，对于例如 螺旋管等焊接管、镗孔车轴等可能产生倾斜伤痕的所有管状被探伤件的超声波探伤是共有 的。

发明内容
本发明即是为了解决这样的以往技术的问题点而做成的，其课题在于提供一种可 以高精度且高速地探查相对于管状被探伤件的轴向具有各种倾斜角度的伤痕的超声波探 头、超声波探伤装置、超声波探伤方法、以及使用该方法制造无缝管的方法。为了解决上述课题，本发明的发明人深入研究了如下所述的内容。图2是表示本发明的发明人通过数值计算发现的、应用阵列型超声波探头的探伤 方法中的倾斜伤痕的倾斜角度与超声波向倾斜伤痕入射的入射角的关系的图。更加具体 地说明，图2表示在适当设定(将依据偏心量确定的向管入射的周向入射角ai设定为 10、° 16、° 19° )相对于管(壁厚与外径之比=11% )的轴心偏心地配置与专利文献 2所述的构造相同的阵列型超声波探头时的偏心量，相应于各倾斜伤痕的倾斜角度利用电 子扫描来改变超声波的倾斜角度、从而使倾斜伤痕的延伸方向与自超声波探头发送来的超 声波的传播方向正交的情况下的、超声波向各倾斜伤痕入射的入射角。图2(a)表示向存在 于管内表面的内表面伤痕入射的入射角(内表面折射角)9k，图2(b)表示向存在于管外表 面的外表面伤痕入射的入射角(外表面折射角)ΘΓ。如图2所示，本发明的发明人发现， 在内表面伤痕及外表面伤痕两者中，均是超声波的入射角相应于倾斜伤痕的倾斜角度而变 化。本发明的发明人发现，之所以如上述那样地反射波的强度相应于倾斜伤痕的倾斜角度 而不同(参照图1)是因为即使相应于各倾斜伤痕的倾斜角度利用电子扫描来改变超声波 的倾斜角度以使倾斜伤痕的延伸方向与自超声波探头发送来的超声波的传播方向正交，如 图2所示，外表面折射角及内表面折射角也会相应于各倾斜伤痕的倾斜角度(根据超声波 的传播方向)而产生变化。基于以上发现，本发明的发明人想到(1)若将探伤条件设定为无论超声波的传播方向如何、外表面折射角(或者内表 面折射角)都大致相等，则无论超声波的传播方向如何，都可以获得对于外表面伤痕(或者 内表面伤痕)大致相等的反射波强度，从而可以高精度地探查具有各种倾斜角度的伤痕；(2)通过做成可沿多个不同的传播方向大致同时对管状被探伤件接收发送超声波 的构造，可以解决探伤效率降低这样的问题；结果，可以高精度且高速地探查具有各种倾斜角度的伤痕。本发明是根据上述发明人的发现而完成的。即，本发明提供一种超声波探伤方法， 如技术方案1所述，该方法的特征在于，该超声波探伤方法包括如下步骤将具有多个振子 的超声波探头与管状被探伤件相面对地配置；从上述多个振子中选择适当的振子来接收发 送超声波，以使得在上述管状被探伤件内的超声波的传播方向成为多个不同的传播方向， 设定由上述超声波探头进行探伤的条件，使得与上述多个传播方向相关的超声波的外表面 折射角θ r分别大致相等，及/或与上述多个传播方向相关的超声波的内表面折射角0 k 分别大致相等。采用这样的发明，在设定由超声波探头进行探伤的条件、使得与多个传播方向相
6关的超声波的外表面折射角θ r分别大致相等的情况下，无论多个传播方向如何，都可以 获得对外表面伤痕大致相等的反射波强度。另外，在设定由超声波探头进行探伤的条件、以 使得与多个传播方向相关的超声波的内表面折射角θ k分别大致相等的情况下，无论多个 传播方向如何，都可以获得对内表面伤痕大致相等的反射波强度。并且，在设定由超声波探 头进行探伤的条件、以使得与多个传播方向相关的超声波的外表面折射角θ r及内表面折 射角θ k两者分别大致相等的情况下，无论多个传播方向如何，都可以获得对于内表面伤 痕及内表面伤痕大致相等的反射波强度。因此，可以高精度地探查沿分别与多个传播方向 正交的方向延伸的多个伤痕(外表面伤痕及/或内表面伤痕)。另外，通过沿多个不同的传播方向大致同时对管状被探伤件接收发送超声波，可 以高速地探查沿分别与传播方向正交的方向延伸的多个伤痕。如上所述，采用本发明的超声波探伤方法，可以高精度且高速地探查相对于管状 被探伤件轴向具有各种倾斜角度的伤痕。另外，本发明中的“超声波传播方向”表示从包括 超声波的入射点在内的管状被探伤件的节平面的法线方向看到的超声波传播方向。另外， “外表面折射角”表示，在管状被探伤件P的超声波传播面上，向管状被探伤件P内入射的超 声波u(超声波光束的中心线)到达管状被探伤件P外表面的点B处的管状被探伤件P的 法线Li、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹角ΘΓ(参照图4(d))。另外，“内表 面折射角”表示，在管状被探伤件P的超声波传播面上，向管状被探伤件P内入射的超声波 U(超声波光束的中心线)到达管状被探伤件P内表面的点A处的管状被探伤件P的法线 L2、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹角9k(参照图4(d))。并且，“与多个传 播方向相关的超声波的外表面折射角(或者内表面折射角)分别大致相等”表示，外表面折 射角(或者内表面折射角)的变动范围在10°以内。作为用于如上所述地使与多个传播方向相关的超声波的外表面折射角θ r分别 大致相等、及/或使与多个传播方向相关的超声波的内表面折射角θ k分别大致相等的具 体方法，例如，通常考虑使用将多个振子排列成矩阵状而成的超声波探头的方法。即，优选 为，如技术方案2所述，采用这样的方法上述超声波探头的多个振子在平面上或曲面上排 列成矩阵状，确定上述选择的振子，使得与上述多个传播方向相关的超声波的外表面折射 角θ r分别大致相等、及/或使与上述多个传播方向相关的超声波的内表面折射角0 k分 别大致相等。另外，本发明中的“多个振子在曲面上排列”作为这样的意义使用，即，除了各 振子(各振子的振动面)以与曲面的一部分形状一致的方式形成为曲面的情况之外，还包 括各振子(各振子的振动面)以形成为平面状、且分别与曲面相切的方式排列的情况。具体地讲，如技术方案3所述，为了使与上述多个传播方向相关的超声波的外表 面折射角θ r分别大致相等而选择的振子例如可以如下地确定。S卩，分别基于下式(1)来 确定与上述多个传播方向相关的超声波向上述管状被探伤件入射的周向入射角α i及轴 向入射角β i，使得与上述多个传播方向相关的、以下式(1)表示的超声波的外表面折射角 θ r分别大致相等，从而可以确定上述选择的振子，以获得上述确定的周向入射角α i及轴 向入射角β i。[数1]θ r = SirT1 ({(Vs/Vi)2 · (sin2 β i+cos2 β i · sin2 α i)}1/2)…(1)在此，上式(1)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示
7填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度。另外，本发明中 的“周向入射角”表示，在管状被探伤件P的周向截面上，超声波U (超声波光束的中心线) 的入射点0处的管状被探伤件P的法线L3、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹 角ai(参照图4(b))。并且，“轴向入射角”表示，在管状被探伤件P的轴向截面上，超声波 U(超声波光束的中心线)的入射点0处的管状被探伤件P的法线L4、与上述超声波U(超 声波光束的中心线)的夹角β U参照图4(c))。另外，具体地讲，如技术方案4所述，为了使与上述多个传播方向相关的超声波的 内表面折射角θk分别大致相等而选择的振子例如可以如下地确定。即，分别基于下式 (1) (6)来确定与上述多个传播方向相关的超声波向上述管状被探伤件入射的周向入射 角a i及轴向入射角β i，使得与上述多个传播方向相关的、以下式(2)表示的超声波的内 表面折射角θ k分别大致相等，从而可以确定上述选择的振子，以获得上述确定的周向入 射角a i及轴向入射角β 。[数 2]θ k = cos-1 (cos θ r · cos Φ -sin θ r · cos γ · sin Φ)... (2)在此，上式(2)中的外表面折射角ΘΓ、传播角度Υ、及角度φ分别以下式(1)、 ⑶及⑷表示。[数3]θ r = SirT1 ({(Vs/Vi)2 · (sin2 β i+cos2 β i · sin2 a i)}1/2)…(1)
sin β ι、 ,0、γ =tan (-^rj-.-——)…(3)
cos ρ i-sin OL ιφ = SirT1 (k · sin θ，)- θ，... (4)另外，上式(1)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示 填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度。另外，上式(4) 中的k及θ，分别以下式(5)及(6)表示。[数4]k= -~~J 一…■ " ‘ (5)
1 -2(tXD)tan θ，= cos γ · tan θ r... (6)另外，上式(5)中的t/D表示管状被探伤件的壁厚与外径之比。另外，在本发明中， “传播角度”表示，向管状被探伤件P内入射的超声波(超声波光束的中心线)的传播方向 (从包括超声波的入射点0在内的管状被探伤件P节平面的法线方向看到的传播方向)、与 通过入射点0的管状被探伤件P的周向切线L的夹角γ (参照图4(a))。另一方面，作为用于如上所述地使与多个传播方向相关的超声波的外表面折射角 θ r分别大致相等、及/或使与多个传播方向相关的超声波的内表面折射角θ k分别大致相 等的具体方法，例如，通常考虑使用包括沿规定的环形曲面排列的多个振子的超声波探头 的方法。即，优选为，如技术方案5所述，采用这样的方法上述超声波探头包括沿环形曲面 排列的多个振子，该曲面是通过以不通过规定的旋转椭圆体的中心、且不夹着该旋转椭圆 体的中心地相面对的、并且与该旋转椭圆体的旋转轴正交的两个平行的平面切断该旋转椭
8圆体而获得的曲面；在与上述管状被探伤件相面对地配置上述超声波探头的步骤中，配置 成使上述超声波探头的长径方向沿着上述管状被探伤件的轴向，上述超声波探头的短径方 向沿着上述管状被探伤件的周向，并且上述旋转椭圆体的中心正对上述管状被探伤件的轴 心，确定上述环形曲面的形状，使得与上述多个传播方向相关的超声波的外表面折射角θ r 分别大致相等、及/或使与上述多个传播方向相关的超声波的内表面折射角θ k分别大致 相等。另外，本发明中的“沿环形曲面排列的多个振子”作为这样的意义使用，即，除了各振 子(各振子的振动面)以与环形曲面的一部分形状一致的方式形成为曲面的情况之外，还 包括各振子(各振子的振动面)以形成为平面状、且分别与环形曲面相切的方式排列的情 况。另外，本发明中的“旋转椭圆体的中心正对管状被探伤件的轴心”作为这样的意义使 用，即，通过旋转椭圆体的中心、且与两个平行的平面正交的直线(相当于旋转椭圆体的旋 转轴)通过管状被探伤件的轴心。另外，本发明中的“旋转椭圆体”作为也包括长径与短径 相等的球体的术语使用。与上述多个传播方向相关的超声波的外表面折射角θ r分别大致相等这样的环 形曲面形状，例如，可以如技术方案6所述地确定。即，分别基于下式(7)算出与上述多个 传播方向相关的超声波向上述管状被探伤件入射的入射角θ w，使得与上述多个传播方向 相关的、以下式(7)表示的超声波的外表面折射角θ !"分别大致相等，从而确定上述环形曲 面的形状，以获得上述算出的入射角θ W。[数5]sin θ r = Vs/Vi · sin θ w... (7)在此，上式(7)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示 填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度。另外，本发明中 的“超声波向管状被探伤件入射的入射角”表示，在管状被探伤件P的超声波传播面上，超 声波u(超声波光束的中心线)的入射点0处的管状被探伤件P的法线L3、与上述超声波 υ(超声波光束的中心线)的夹角ew(参照图6(d))。另外，若确定入射角ew，则根据斯内 尔定律(Sneir s law)，折射角θ s被唯一确定，因此，本发明中的“设定入射角θ w”是这 样的概念，即，不仅包括如文字所记载的设定入射角θ w的情况，也包括设定折射角θ8的 情况。另外，与上述多个传播方向相关的超声波的内表面折射角θ k分别大致相等这样 的环形曲面形状，例如，可以如技术方案7所述地确定。即，分别基于下式(7)算出与上述 多个传播方向相关的超声波向上述管状被探伤件入射的入射角θ ，使得与上述多个传播 方向相关的、以下式(2)表示的超声波的内表面折射角θ k分别大致相等，从而确定上述环 形曲面的形状，以获得上述算出的入射角θ W。[数 6]θ k = cos-1 (cos θ r · cos Φ -sin θ r · cos γ · sin Φ)... (2)在此，上式(2)中的外表面折射角ΘΓ、传播角度Υ、及角度φ分别以下式(7)、 ⑶及⑷表示。[数7]sin θ r = Vs/Vi · sin θ w... (7)
9
φ = SirT1 (k · sin θ，)- θ，... (4)另外，上式(7)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示 填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度。另外，上式(4) 中的k及θ，分别以下式(5)及(6)表示。[数 8] tan θ，= cos γ · tan θ r... (6)另外，上式(5)中的t/D表示管状被探伤件的壁厚与外径之比。在此，管状被探伤件的探伤通常利用斜角探伤方法完成，该斜角探伤方法使用超 声横波。该斜角探伤方法使超声波以大于等于纵波临界角的角度斜射入管状被探伤件，使 超声纵波在管状被探伤件表面全反射，另一方面，使超声横波在管状被探伤件内传播。此 时，超声横波的折射角(横波折射角)必须约为35°以上。因此，在利用本发明的方法对管 状被探伤件进行探伤时，在以长径方向沿着管状被探伤件的轴向、短径方向沿着管状被探 伤件的周向、且旋转椭圆体的中心正对管状被探伤件的轴心地位于管状被探伤件的外表面 附近的方式配置超声波探头，使其与管状被探伤件相面对的情况下，为了使向管状被探伤 件内入射的超声纵波稍少一些，只要确定环形曲面的形状成如下这样即可，即，从而至少使 自位于超声波探头的长径部的振子(发送来的超声波向管入射的入射角、即折射角最大的 振子)发送来的超声波以35°以上的横波折射角向管状被探伤件内传播。因此，优选为，如技术方案8所述这样即可，即，在与上述管状被探伤件相面对地 配置上述超声波探头的步骤中，配置成使上述旋转椭圆体的中心正对上述管状被探伤件的 轴心、且位于上述管状被探伤件的外表面附近，确定上述环形曲面的形状，从而使自上述多 个振子中的、至少是位于上述超声波探头的长径部的振子发送来的超声波以35°以上的横 波折射角向上述管状被探伤件内传播。采用这样的优选构造，对于至少使自位于超声波探头的长径部的振子发送来的超 声波(即，沿管状被探伤件的轴向传播的超声波)，可以向管状被探伤件内传播超声横波。另外，为了解决上述课题，如技术方案9所述，本发明的超声波探伤装置用于对管 状被探伤件进行超声波探伤，其特征在于，该超声波探伤装置包括超声波探头和接收发送 控制部件；上述超声波探头与上述管状被探伤件相面对地配置，由多个振子分别沿行方向 及列方向在平面上或曲面上排列成矩阵状而成；上述接收发送控制部件对由上述超声波探 头接收发送超声波进行控制；上述接收发送控制部件从多个振子中、选择至少包含一个振 子的一个振子组，自该选择的一个振子组、沿上述管状被探伤件内的一个传播方向接收发 送超声波，另一方面，选择包含与构成上述一个振子组的振子的行方向及列方向位置不同 的、至少一个振子的另一个振子组，自该选择的另一个振子组、沿上述管状被探伤件内的与 上述一个传播方向不同的另一个传播的方向接收发送超声波。采用这样的发明，首先，利用接收发送控制部件，从排列成矩阵状的多个振子中选 择至少包含一个振子的一个振子组，自该选择的一个振子组、沿管状被探伤件的一个传播
10方向接收发送超声波。在此，利用被沿一个传播方向接收发送的超声波，检测出沿与该一 个传播方向正交的方向延伸的伤痕(以下，称作“第1伤痕”)。另外，在采用多个振子在曲 面上排列成矩阵状而成的超声波探头的情况下，根据该曲面的曲率半径及各振子的位置来 确定由各振子接收发送的超声波的方向，因此，从多个振子中仅选择可沿上述一个传播方 向接收发送超声波的振子组即可。另一方面，在采用多个振子在平面上排列成矩阵状而成 的超声波探头的情况下，可以采用这样的构造，即，对由构成上述一个振子组的各振子接收 发送超声波的时机进行控制，从而自上述选择的振子组沿上述一个传播方向接收发送超声 波。接着，采用本发明，利用接收发送控制部件，从排列成矩阵状的多个振子中选择包 含与构成上述一个振子组的振子的行方向及列方向位置不同的、至少一个振子的另一个振 子组，自该选择的另一个振子组、沿管状被探伤件的与上述一个传播方向不同的另一个传 播方向接收发送超声波。利用被沿上述另一个传播方向接收发送的超声波，检测出沿与该 另一个传播方向正交的方向延伸的伤痕(以下，称作“第2伤痕”)。在此，由于另一个振子 组包含与构成一个振子组的振子的行方向及列方向位置不同的振子，因此，不仅超声波的 传播方向由一个传播方向变为另一个传播方向，与此同时，接收发送超声波的振子组沿着 管状被探伤件的位置也发生变化。因此，若适当设定该位置的变更量，则可以在使第1伤痕 及第2伤痕两者与超声波的传播方向正交的同时、使外表面折射角θ r及/或内表面折射 角9 k大致恒定，从而无论各伤痕的倾斜角度如何，都可以获得相等的反射波强度。这样， 若做成选择与超声波传播方向的数量相等的振子组，并自该选择的各振子组接收发送超声 波的构造，则可以相应于上述传播方向的数量高精度地探查具有各种倾斜角度的伤痕。另外，通过采用分别自选择的各振子组大致同时接收发送超声波的构造，可以高 速地探查具有各种倾斜角度的伤痕。如上所述，采用本发明的超声波探伤装置，可以高精度且高速地探查相对于管状 被探伤件的轴向具有各种倾斜角度的伤痕。在此，到自选择的各振子组发送的超声波入射到管状被探伤件为止所需要的时 间，根据各振子组与超声波入射点的距离而不同。由于各振子组与超声波入射点的距离根 据超声波探头、管状被探伤件的形状而不同，因此，即使以同一时机自选择的各振子组发送 超声波，实际上，超声波入射到管状被探伤件的时机、以及在管状被探伤件表面(内外表 面)接收反射波的时机也不同。因此，在合成由各振子组接收的超声波、基于该合成的反射 波检测伤痕的情况下，存在这样的隐患由自各振子组发送来的超声波的入射时机不同，引 起由各振子组接收的管状被探伤件表面(内外表面)上的反射波连续或一部分重叠，反射 波在管状被探伤件表面上的整体宽度扩大，结果，管状被探伤件内外表面附近处的不灵敏 区增大。为了避免这样的问题，如技术方案10所述，优选为，上述接收发送控制部件控制 上述一个振子组及上述另一个振子组发送或接收超声波的时机，从而使自上述一个振子组 发送来的超声波在上述管状被探伤件表面的反射波的接收时机、与自上述另一个振子组发 送来的超声波在上述管状被探伤件表面的反射波的接收时机大致相同。采用这样的优选的发明，由于控制一个振子组及另一个振子组发送或接收超声 波的时机，从而使自一个振子组发送来的超声波在管状被探伤件表面的反射波的接收时
11机、与自另一个振子组发送来的超声波在管状被探伤件表面的反射波的接收时机大致相同 (例如，成为发送来的超声波的脉冲宽度以下的时间差)，因此，即使采用合成由各振子组 接收的超声波、并基于该合成的反射波检测伤痕的构造，也可以减少管状被探伤件内外表 面附近处的不灵敏区。另外，为了解决上述课题，如技术方案11所述，本发明的超声波探头用于对管状 被探伤件进行超声波探伤，其特征在于，该超声波探头包括沿环形曲面排列的多个振子，上 述环形曲面是通过以不通过规定的旋转椭圆体的中心、且不夹着该旋转椭圆体的中心地相 面对的、并且与该旋转椭圆体的旋转轴正交的两个平行的平面切断该旋转椭圆体而获得的 曲面。采用这样的超声波探头，多个振子沿环形曲面排列，该环形曲面是通过以不通过 规定的旋转椭圆体的中心、且不夹着该旋转椭圆体的中心地相面对的、并且与该旋转椭圆 体的旋转轴正交的两个平行的平面切断该旋转椭圆体而获得的曲面，因此，自各振子发送 来的超声波可朝向旋转椭圆体的中心。于是，这样操作即可在以长径方向沿着管状被探 伤件的轴向、短径方向沿着管状被探伤件的周向、且旋转椭圆体的中心正对管状被探伤件 的轴心的方式配置本发明的超声波探头，使其与管状被探伤件相面对的同时，例如，选择发 送超声波的振子(选择与作为检测对象的伤痕的倾斜角度数量相等的振子)。此时，由于 从旋转椭圆体的中心看到的各振子的仰角根据各振子的排列位置而不同，因此，自各振子 发送来的超声波向管状被探伤件入射的入射角也不同。因此，若适当设定超声波探头的形 状(环形曲面的形状)，则可以在自各振子发送来的超声波的传播方向与作为检测对象的 伤痕的延伸方向正交的同时、使外表面折射角θ r及/或内表面折射角9 k大致恒定，从而 无论各伤痕的倾斜角度如何，都可以获得相等的反射波强度。这样，若做成选择与超声波传 播方向的数量相等的振子，并自该选择的各振子接收发送超声波的构造，则可以高精度地 探查具有各种倾斜角度的伤痕。另外，通过采用分别自选择的各振子大致同时接收发送超声波的构造，可以高速 地探查具有各种倾斜角度的伤痕。如上所述，采用本发明的超声波探伤装置，可以高精度且高速地探查相对于管状 被探伤件的轴向具有各种倾斜角度的伤痕。优选为，如技术方案12所述，上述超声波探头还包括沿通过上述旋转椭圆体的中 心、且与上述两个平行的平面正交的直线配置的、至少为1个的垂直探头。采用这样的优选的构造，具有这样的优点可以在由沿环形曲面排列的多个振子 进行探伤(斜角探伤)的基础之上，由垂直探头(可与管状被探伤件的外表面垂直地射入 超声波的探头)进行垂直探伤，因此，可以在对管状被探伤件进行斜角探伤的同时，对管状 被探伤件进行壁厚测定和夹层检测等。另外，为了解决上述课题，如技术方案13所述，本发明的超声波探伤装置的特征 在于，该超声波探伤装置包括超声波探头和接收发送控制部件；上述超声波探头如技术方 案11或12所述，与上述管状被探伤件相面对地配置，使得其长径方向沿着作为探伤件的管 状被探伤件的轴向，短径方向沿着上述管状被探伤件的周向、且上述旋转椭圆体的中心正 对上述管状被探伤件的轴心；上述接收发送控制部件对由上述超声波探头接收发送超声波 进行控制；上述接收发送控制部件自上述多个振子中的至少两个以上的振子对上述管状被
12探伤件接收发送超声波。采用这样的发明，利用接收发送控制部件，选择与超声波传播方向的数量(作为 检测对象的伤痕的倾斜角度数量)相等的振子，并自该选择的各振子接收发送超声波，从 而可以高精度且高速地探查具有各种倾斜角度的伤痕。在此，在以上述旋转椭圆体的中心离开上述管状被探伤件的外表面附近的方式配 置上述超声波探头的情况下，自各振子发送来的超声波向管状被探伤件入射的入射点相对 于每个各振子而不同。因此，存在这样的顾虑即使在以上述旋转椭圆体的中心位于上述管 状被探伤件的外表面附近的方式配置超声波探头的前提下，确定超声波探头的形状(环形 曲面的形状)，从而可以使自各振子发送来的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕的 延伸方向正交的同时、使外表面折射角及/或内表面折射角大致恒定，也会因超声波向管 状被探伤件入射的入射点相对于每个各振子而不同，特别是在小径的管状被探伤件(外径 小于等于100mm)的情况下，导致无法获得预想的那样的超声波传播动作(无法相应于超声 波的传播方向使外表面折射角及/或内表面折射角恒定)，进而使伤痕检测能力降低。因此，如技术方案14所述，优选为，以上述旋转椭圆体的中心位于上述管状被探 伤件的外表面附近的方式配置上述超声波探头。采用这样的优选的构造，由于自各振子发送来的超声波向管状被探伤件入射的入 射点大致一致，因此，可以获得预想的那样的超声波传播动作(无论超声波的传播方向如 何，外表面折射角及/或内表面折射角都大致恒定)，而且可以高精度地探查具有各种倾斜 角度的伤痕。另外，如技术方案15所述，优选为，上述接收发送控制部件控制对上述管状被探 伤件接收发送超声波的至少两个以上的振子中的一个振子及另一个振子发送或接收超声 波的时机，从而使自上述一个振子发送来的超声波在上述管状被探伤件表面的反射波的接 收时机、与自上述另一个振子发送来的超声波在上述管状被探伤件表面的反射波的接收时 机大致相同。采用这样的优选的构造，由于控制一个振子及另一个振子发送或接收超声波的时 机，从而使自一个振子发送来的超声波在管状被探伤件表面的反射波的接收时机、与自另 一个振子发送来的超声波在管状被探伤件表面的反射波的接收时机大致相同(例如，成为 发送来的超声波的脉冲宽度以下的时间差)，因此，即使采用合成由各振子接收的反射波、 并基于该合成的反射波检测伤痕的构造，也可以减少管状被探伤件外表面附近处的不灵敏 区。在此，在设定超声波探头的形状(环形曲面的形状)，从而可以使自构成上述超声 波探头的各振子发送来的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕的延伸方向正交的同 时、使外表面折射角及/或内表面折射角大致恒定的情况下，根据管状被探伤件的壁厚与 外径之比等，适当的超声波探头形状不同，另一方面，若一旦设定了形状，自各振子发送来 的超声波的入射角相对于每个各振子为固定值。因此，必须相对于具有多种多样的壁厚与 外径之比等的管状被探伤件，分别各自准备适当形状的超声波探头，在成本、维修这些点上 存在问题。因此，如技术方案16所述，优选包括调整部件，该调整部件对自上述多个振子分 别向上述管状被探伤件发送的超声波的入射角进行调整。
13
采用这样的优选的构造，可获得这样的优点即使超声波探头的形状相同，也可 以对自多个各振子向管状被探伤件发送来的超声波的入射角进行微调，从而可以在使自各 振子发送来的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕的延伸方向正交的同时，使外表面 折射角及/或内表面折射角大致恒定，因此，不需要准备多种多样的形状的超声波探头，成 本、维修性能优良。另外，作为上述调整部件，例如，可以采用机械偏角机构。此外，如技术方案17所 述，上述多个振子分别包括沿各振子的径向被分割成长方形的多个压电元件，上述调整部 件也可以通过电气控制由上述多个压电元件接收发送超声波的时机，来调整向上述管状被 探伤件发送的超声波的入射角。采用这样的优选的构造，与采用机械偏角机构相比，可以容易且再现性能良好地 调整入射角。另外，优选为，如技术方案18所述，上述超声波探伤装置包括追踪装置，该追踪装 置使上述超声波探头在与上述管状被探伤件的轴向正交的平面内相对于上述管状被探伤 件的相对位置大致保持恒定。采用这样的优选的构造，在使超声波探头沿着管状被探伤件的周向相对旋转、并 沿着管状被探伤件的轴向相对移动地进行超声波探伤时，即使管状被探伤件截面形状不是 正圆形、或者沿轴向产生弯曲，也可以通过追踪装置使超声波探头相对于管状被探伤件的 相对位置大致保持恒定。因此，采用上述优选的构造，即使使超声波探头沿相对于管状被探 伤件进行相对旋转的轴向移动，也可抑制超声波自各振子向管状被探伤件入射的入射角产 生变动，并使伤痕检测能力大致保持恒定。作为上述追踪装置，也可以采用使用接触式位移仪的追踪装置、由鞍型靴等接触 式机械零件构成的追踪装置。但是，在采用这些追踪装置的情况下，存在如下的问题。(1)在管状被探伤件的前后端部，接触式位移仪、接触式机械零件与管状被探伤件 的外表面接触时，或远离外表面时，易于产生晃动。因此，管状被探伤件前后端部处的追踪 性易于降低。(2)在接触式追踪装置的情况下，存在因管状被探伤件外表面的微小凹凸而导致 追踪性降低的情况。(3)通过重复使用，接触式位移仪或接触式机械零件产生磨损，由此导致追踪性降 低(需要频繁维修)。因此，优选为，如技术方案19所述，上述追踪装置包括测定到上述管状被探伤件 的距离的1个以上的非接触式位移仪、使上述超声波探头沿与上述管状被探伤件的轴向正 交的两个轴向移动的定位机构、和控制该定位机构的定位控制部件，上述定位控制部件根 据由上述非接触式位移仪测定的距离，控制上述定位机构，使得上述超声波探头相对于上 述管状被探伤件的相对位置大致恒定。采用这样的优选的构造，由于根据使用不与管状被探伤件接触的非接触式位移仪 算出的超声波探头距管状被探伤件的距离，控制定位机构，使得超声波探头相对于管状被 探伤件的相对位置大致恒定(调整超声波探头的位置)，因此，与采用上述接触式追踪装置 的情况相比，可以获得良好的追踪性，而且可以获得良好的伤痕检测能力。另外，为了解决上述课题，如技术方案20所述，本发明的超声波探伤方法的特征
14在于，该方法使用技术方案13 19中任一项所述的超声波探伤装置，使上述超声波探头沿 着上述管状被探伤件的周向相对旋转、并沿着上述管状被探伤件的轴向相对移动，从而对 上述管状被探伤件的全长或一部分进行探伤。并且，为了解决上述课题，如技术方案21所述，本发明的无缝管制造方法的特征 在于，该方法包括通过穿孔加工原料钢坯来制造无缝管的第1工序、和使用技术方案1 8、 20中任一项所述的超声波探伤方法对由上述第1工序制造的无缝管进行探伤的第2工序。


图1是表示应用以往的阵列型超声波探头的探伤方法中的倾斜伤痕的倾斜角度 与反射波强度的关系的一个例子的图。图2是表示应用以往的阵列型超声波探头的探伤方法中的倾斜伤痕的倾斜角度 与超声波向倾斜伤痕入射的入射角的关系的图。图3是表示本发明的第1实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。图4是表示图3所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图，图4(a)表示 立体图，图4(b)表示管周向剖视图，图4(c)表示管轴向剖视图，图4(d)表示沿超声波传播 面的剖视图。图5是表示本发明的第2实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图，图 5(a)表示立体图，图5(b)表示俯视图，图5(c)表示侧视图，图5(d)表示说明图。图6是表示图5所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图，图6(a)表示 立体图，图6(b)表示管周向剖视图，图6(c)表示俯视图，图6(d)表示沿超声波传播面的剖 视图。图7表示通过由本发明的实施例1的超声波探伤装置进行探伤试验而获得的、在 各内表面伤痕处的反射波强度。图8表示在本发明的实施例1中，在不控制各振子发送或接收超声波的时机的情 况下获得的波形例子。图9表示在本发明的实施例1中，在控制各振子发送或接收超声波的时机的情况 下获得的波形例子。图10表示通过由本发明的实施例2的超声波探伤装置进行探伤试验而获得的、在 各内表面伤痕处的反射波强度。图11表示通过由本发明的实施例3的超声波探伤装置进行探伤试验而获得的、在 形成于各t/D的钢管中的各内表面伤痕处的反射波强度。图12是表示本发明的实施例4的超声波探伤装置的概略构造的图，图12(a)表示 主视剖视图，图12(b)表示俯视图，图12(c)表示侧视剖视图。图13是表示本发明的实施例4的超声波探伤装置所具有的追踪装置的概略构造 的图。图14是表示在本发明的实施例4的超声波探伤装置中，仅由1个振子接收发送超 声波的情况下获得的探伤波形的一个例子。图15是表示在本发明的实施例4的超声波探伤装置中，控制为4个振子的接收时 机大致相同地、由各振子接收发送超声波的情况下获得的探伤波形的一个例子。
15
图16是表示用于说明本发明的实施例4的超声波探伤装置的超声波传播动作的 图。
具体实施例方式下面，适当参照附图，列举应用于钢管等管的情况来说明本发明的实施方式。第1实施方式图3是表示本发明的第1实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。图 4是表示图3所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图，图4(a)表示立体图，图 4(b)表示管周向剖视图，图4(c)表示管轴向剖视图，图4(d)表示沿超声波传播面(包括图 4(a)所示的点0、点A及点B在内的面)的剖视图。如图3所示，本实施方式的超声波探伤 装置100用于对管P进行超声波探伤，包括超声波探头1和接收发送控制部件2 ；上述超声 波探头1由多个振子11沿行方向及列方向在平面上或曲面上排列成矩阵状(在图3所示 的例子中，沿行方向在弯曲的圆筒上排列成矩阵状)而成；上述接收发送控制部件2对由超 声波探头1接收发送超声波进行控制。另外，本实施方式的超声波探伤装置100还包括伤 痕判定电路3和警报等输出部件4 ；上述伤痕判定电路3通过将来自管P的反射波(更具 体地讲，由后述的波形合成电路223合成的反射波)的振幅与规定的阈值比较，检测出存在 于管P中的伤痕；上述警报等输出部件4用于在由伤痕判定电路3检测出伤痕的情况下，输 出规定的警报等。超声波探头1与管P相面对地配置，从而使其上述行方向沿着管P的轴向，上述列 方向沿着管P的周向。本实施方式的接收发送控制部件2包括发送电路21、接收电路22和控制电路23。 发送电路21包括脉冲发生器211和延迟电路212 ；上述脉冲发生器211分别连接于各振子 11，供给用于自各振子11发送超声波的脉冲信号；上述延迟电路212用于设定自各脉冲发 生器211向各振子供给的脉冲信号的延迟时间。接收电路22包括接收器221、延迟电路222 和波形合成电路223 ；上述接收器221分别连接于各振子11，用于使由各振子11接收的反 射波增幅；上述延迟电路222用于设定利用各接收器221增幅后的反射波的延迟时间；上 述波形合成电路223用于合成被各延迟电路222设定了延迟时间的反射波。控制电路23 进行动作，从而从排列的多个振子U中选择接收发送超声波的振子11，并且，确定与该选 择的各振子11相关的、由延迟电路212或延迟电路222设定的延迟时间。具有以上构造的接收发送控制部件2(控制电路23)从排列成矩阵状的多个振子 11中选择一个振子组，该振子组由包含沿规定列排列的一个振子11在内的一个以上振子 11构成，自该选择的一个振子组、沿与管P的轴向成规定角度的方向接收发送超声波，另一 方面，从排列成矩阵状的多个振子11中选择另一个振子组，该另一个振子组由包含沿与上 述一个振子11不同的列排列的另一个振子11在内的一个以上振子11构成，且与上述一个 振子组的重心沿上述列方向不同，自该选择的另一个振子组、沿与管P的轴向成不同于上 述规定角度的方向接收发送超声波。下面，适当参照图4，更加具体地说明上述接收发送控制部件2 (控制电路23)的 动作。如图4所示，由构成超声波探头1的各振子11发送来的超声波从管P外表面上的点 0入射之后，在管P内表面上的点A反射，到达管P外表面上的点B。然后，将自点0入射的
16超声波的传播方向(从包括入射点0在内的管P节平面的法线方向看到的传播方向)与通 过入射点0的管P的周向切线L的夹角(传播角度)设为Y (以下，也适当称作“传播方 向Y ”)，将点B的外表面折射角(在图4 (d)所示的超声波传播面上，管P的点B处的法线 L 1与超声波光束U的夹角)设为θ r，将点A的内表面折射角(在图4(d)所示的超声波 传播面上，管P的点A处的法线L2与超声波光束U的夹角)设为9 k，在这种情况下，ΘΓ、 9k及γ分别以下式(1) (3)表示。[数9]θ r = SirT1 ({(Vs/Vi)2 · (sin2 β i+cos2 β i · sin2 α i)}1/2)... (1)θ k = cos-1 (cos θ r · cos Φ—sin θ r · cos γ · sin Φ) ··· (2) γ η sin β \、 在此，在上式(1)及式(3)中，α i表示超声波向管P入射的周向入射角(在管周 向截面上，管P的点0处的法线L3与超声波光束U的夹角，参照图4(b))，β i表示超声波 向管P入射的轴向入射角(在管轴向截面上，管P的点0处的法线L4与超声波光束U的夹 角，参照图4(c))。另外，在上式(1)中，Vs表示在管P中传播的超声波的传播速度，Vi表 示填充于振子11与管P之间的接触介质中的超声波传播速度。并且，在上式(2)中，Φ表 示在图4 (b)所示的管轴向截面上，通过管中心C及点0的直线与通过管中心C及点A的直 线的夹角(与通过管中心C及点A的直线与通过管中心C及点B的直线的夹角相等)，以下 式(4)表示。[数10]φ = SirT1 (k · sin θ，)- θ，...(4)而且，在上式⑷中，k及θ ’分别以下式(5)及(6)表示。[数11] tan θ，= cos γ · tan θ r... (6)由上式(1)及(3)可知，外表面折射角θ r及超声波传播角度γ由超声波向管P 入射的周向入射角α i及超声波向管P入射的轴向入射角β i确定。另外，使用上式(1) (6)，内表面折射角9k也同样由周向入射角ai及轴向入射角确定(但严格地讲，也 受到由管P的壁厚与外径之比确定的Φ的影响)。在此，如上所述，在专利文献2所述的方法中，在使相对于管P的轴心偏心地配置 超声波探头时的偏心量恒定(即，使由偏心量确定的向管P入射的周向入射角ai)的条件 下，仅改变超声波相对于管P轴向的倾斜角度，从而使超声波的传播方向与倾斜伤痕的延 伸方向正交。仅改变该轴向入射角β i的方法也可由上式(1)及式(2)导出，但由于外表 面折射角ΘΓ及内表面折射角ek分别根据轴向入射角β i的改变而变化，因此，像上述本 发明人的观点那样，导致相应于超声波的传播方向(相应于倾斜伤痕的倾斜角度)，使反射 波的强度而不同，而且伤痕检测能力产生变化。相对于此，如上所述，在本实施方式的超声波探伤装置100中，首先，接收发送控 制部件2(控制电路23)进行动作，从而从排列成矩阵状的多个振子11中选择一个至少包
17括一个振子11的振子组，自该选择的一个振子组、沿管P内的一个传播方向Y接收发送超 声波。更加具体地说明，控制电路23基于上式(3)来确定周向入射角ai及轴向入射角 β i，以获得与作为检测对象的、具有规定倾斜角度的伤痕(第1伤痕)的延伸方向正交的 超声波传播方向Y，从而选择可获得这些a i及β i的振子组。接着，接收发送控制部件2 (控制电路23)进行动作，从而从排列成矩阵状的多个 振子11中选择行方向及列方向位置与构成上述一个振子组的振子11不同的、至少包括一 个振子11的另一个振子组，自该选择的另一个振子组、沿管P内的与上述一个传播方向Y 不同的另一个传播方向Y接收发送超声波。更加具体地说明，控制电路23根据上式(3)来 确定周向入射角a i及轴向入射角β i，以获得与作为检测对象的、具有与上述第1伤痕不 同的倾斜角度的伤痕(第2伤痕)的延伸方向正交的超声波传播方向Y，从而选择可获得 这些a i及β i的另一个振子组。此时，由于另一个振子组包括行方向及列方向位置与构 成一个振子组的振子不同的振子，因此，自一个振子组接收发送的超声波的周向入射角a i 与自另一个振子组接收发送的超声波的周向入射角ai不同。另外，由于另一个振子组与 一个振子组的超声波传播方向Y不同，因此，自一个振子组接收发送的超声波的轴向入射 角β i与自另一个振子组接收发送的超声波的轴向入射角β 不同。更加具体地说明，在 选择另一个振子组时，确定与另一个振子组相关的周向入射角a i及轴向入射角β ，以使 其与一个振子组相关的周向入射角ai及轴向入射角β 不同(根据式(3)设为可获得与 第2伤痕的延伸方向正交的超声波传播方向Y的ai及β i)，并且，使由上式(1)确定的 外表面折射角θ r及由上式(2)确定的内表面折射角θ k两者分别同与一个振子组相关的 9r及ek大致相等，从而可选择另一个振子组中的各振子11，以获得该ai及β i。根据以上说明的接收发送控制部件2(控制电路23)的动作，对于第1伤痕及第2 伤痕两者，可以在使超声波的传播方向Υ正交的同时、使折射角(Θγ、θιο大致恒定，从而 无论各伤痕的倾斜角度如何，都可以获得相同的反射波强度。这样，若选择与作为检测对象 的伤痕的倾斜角度数量相同数量的振子组，并自该选择的各振子组接收发送超声波，则可 以高精度地探查具有各种倾斜角度的伤痕。另外，通过分别自选择的各振子组大致同时地 接收发送超声波，可以高速地探查具有各种倾斜角度的伤痕。另外，在本实施方式的超声波探伤装置100中，由于使用在曲面上排列成矩阵状 (沿行方向在弯曲的圆筒上排列成矩阵状)的超声波探头1，因此，自各振子11接收发送的 超声波的轴向入射角β i由上述曲面的曲率半径及各振子11的位置确定。因此，在选择振 子组时，从多个振子11中仅选择可获得确定的轴向入射角β i的振子组即可。但是，本发 明并不限定于此，也可以采用多个振子11在平面上排列成矩阵状而成的超声波探头。在这 种情况下，利用控制电路23对由上述选择的振子组中的各振子11接收发送超声波的时机 进行控制即可，从而自选择的振子组、以确定的轴向入射角β i接收发送超声波。如上所述，在本实施方式的超声波探伤装置100中，为了简化电路构造而降低制 造成本，利用波形合成电路223合成由各振子11接收的反射波，根据该合成的反射波，由伤 痕判定电路3检测伤痕。因此，作为较佳的构造，本实施方式的接收发送控制部件2 (控制 电路23)控制上述一个振子组及上述另一个振子组的超声波发送时机或接收时机(设定对 应的延迟电路212或延迟电路222的延迟时间)，从而使自上述一个振子组发送来的超声波 在管P表面的反射波的接收时机、与自上述另一个振子组发送来的超声波在管P表面的反
18射波的接收时机大致相同(例如，成为发送的超声波的脉冲宽度以下的时间差)。由于利用这样的较佳的装置，使自一个振子组发送的超声波在管P表面的反射波 的接收时机、与自另一个振子组发送的超声波在管P表面的反射波的接收时机大致相同， 因此，即使如上述那样地利用波形合成电路223合成由各振子11 (各振子组)接收的反射 波，也会因由各振子组接收的管表面(内外表面)上的反射波连续或一部分重叠，而难以产 生反射波整体宽度扩大这样的状况，可以减少管P内外表面附近处的不灵敏区。第2实施方式图5是表示本发明的第2实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图，图 5(a)表示立体图，图5(b)表示俯视图，图5(c)表示侧视图，图5(d)表示说明图。图6是 表示图5所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图，图6(a)表示立体图，图6(b) 表示管周向剖视图，图6(c)表示俯视图，图6(d)表示沿超声波传播面(包括图6(b)所示 的点0、点A及点B在内的面)的剖视图。如图5所示，与第1实施方式的超声波探伤装置 100相同，本实施方式的超声波探伤装置100A用于对管P进行超声波探伤，包括超声波探 头IA和对由超声波探头IA接收发送超声波进行控制的接收发送控制部件2A。另外，与第 1实施方式的超声波探伤装置100相同，本实施方式的超声波探伤装置100A还包括伤痕判 定电路3和警报等输出部件4 ；上述伤痕判定电路3通过将来自管P的反射波的振幅与规定 的阈值比较，检测出存在于管P中的伤痕；上述警报等输出部件4用于在由伤痕判定电路3 检测出伤痕的情况下，输出规定的警报等。另外，由于接收发送控制部件2A的机器构造与 第1实施方式的超声波探伤装置100的接收发送控制部件2相同，因此，省略其详细说明。超声波探头IA包括沿环形曲面排列的多个振子11，上述环形曲面可这样获得 以不通过规定的旋转椭圆体M的中心0、且不夹着该旋转椭圆体M的中心0地相面对的、并 且与该旋转椭圆体的旋转轴正交的两个平行的平面Sl及S2，切断该旋转椭圆体M(参照图 5 (c)、图5 (d))。于是，超声波探头IA与管P相面对地配置，从而使超声波探头IA的长径方 向(图5(b)所示的χ方向)沿着管P的轴向，短径方向(图5(b)所示的y方向)沿着管 P的周向，并且上述旋转椭圆体M的中心0正对管P的轴心。接收发送控制部件2A进行动作，从而自多个振子11中的至少两个以上的振子11 对管P接收发送超声波。下面，参照图6说明确定超声波探头IA的形状(环形曲面的形状)的具体方法。 如图6所示，在确定超声波探头IA的形状时，通常考虑，以使上述旋转椭圆体M的中心0位 于管P的外表面附近(因此，自各振子11发送来的超声波以上述中心0为入射点向管P中 入射)的方式配置超声波探头1A。如图6所示，由构成超声波探头IA的各振子11发送来的超声波从管P外表面上 的点0(旋转椭圆体M的中心0)入射之后，在管P内表面上的点A反射，到达管P外表面 上的点B。然后，将自点0入射的超声波的传播方向(从包括入射点0在内的管P节平面 的法线方向看到的传播方向)与通过入射点0的管P的周向切线L的夹角(传播角度)设 为Y (以下，也适当称作“传播方向Y ”)，将点B的外表面折射角(在图6(d)所示的超声 波传播面上，管P的点B处的法线L 1与超声波光束U的夹角)设为ΘΓ，将点A的内表面 折射角(在图6(d)所示的超声波传播面上，管P的点A处的法线L2与超声波光束U的夹 角)设为9k。另外，将超声波向管P入射的入射角(在图6(d)所示的超声波传播面上，
19管P的点0处的法线L3与入射的超声波光束U的夹角)设为θ w，将超声波在管P上的折 射角(在图6(d)所示的超声波传播面上，管P的点0处的法线L3与入射后的超声波光束 U的夹角)设为θ s。以入射角θ s入射的超声波表示几何光学的传播动作。S卩，以入射角θ s入射的 超声波以遵循斯内尔定律确定的折射角θ s向管P内传播。于是，如利用几何学导出的那 样，外表面折射角ΘΓ与折射角θ8相等。g卩，下式(7)成立。[数12] 在此，在上式(7)中，Vs表示在管P中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于超 声波探头IA与管P之间的接触介质中的超声波传播速度。另一方面，如上式(7)及上式(3) (6)导出的那样，以上式(2)表示的内表面折 射角9k是入射角ew、传播角度γ及管P的壁厚与外径之比t/D的函数。于是，在超声 波传播方向Y与管ρ的轴向一致时(即，传播角度Y =90° )，内表面折射角ek为最小 值，与外表面折射角θγ(=折射角Θ s)相等，在超声波传播方向γ与管ρ的周向一致时 (艮P，传播角度γ =0° )，内表面折射角Θ k为最大值，以下式(8)表示。[数13]0k = sin_1(-Sin0r、——)…⑶
1 -2(t/D)在此，若管P的壁厚与外径之比为百分之几左右，则利用上式(8)算出的内表面折 射角θ k与外表面折射角θ r之差纳入在10°左右的范围内。因此，检测沿管P的轴向延 伸的内表面伤痕(利用传播方向Y与管P的周向一致的超声波来检测)的情况的内表面 折射角θ k、与检测沿管P的轴向的内表面伤痕(利用传播方向Y与管P的轴向一致的超 声波来检测)的情况的内表面折射角9k(= θ S)之差纳入在10°左右的范围内，两内表 面伤痕的检测能力不会产生明显误差。但是，在管P的t/D大于等于15%时，利用上式(8) 算出的内表面折射角9k比外表面折射角θ8大出20°以上(即，通过将传播方向Y由管 P的轴向变为周向，使内表面折射角ek也增大20°以上)，沿管P的轴向的内表面伤痕的 检测能力大大降低。同样，对于具有管P的轴向与周向之间的倾斜角度的内表面伤痕，检测 能力也随着内表面折射角9 k的增加而降低。对于抑制以上说明的与内表面折射角θ k的变动相伴随的伤痕的检测能力降低， 相应于超声波的传播方向Y (即，相应于与超声波的传播方向Y正交的伤痕的倾斜角度) 来改变(即，改变入射角θ s)与各传播方向γ相对应的折射角θ s，从而使与各传播方向 Y相对应的内表面折射角θk成为大致恒定的值。因此，本实施方式的超声波探头IA设计为这样的形状根相应于自各振子11发 送来的超声波的传播方向Y，与各传播方向Y相对应的入射角θ w发生变化，从而使与各 传播方向Y相对应的内表面折射角θ k成为大致恒定的值。如上所述，超声波探头IA包 括沿环形曲面排列的多个振子11，上述环形曲面可这样获得以不通过规定的旋转椭圆体 M的中心0、且不夹着该旋转椭圆体M的中心0地相面对的、并且与该旋转椭圆体的旋转轴 正交的两个平行的平面Sl及S2 (参照图5 (c)、图5 (d))，切断该旋转椭圆体M。由此，自各 振子11发送来的超声波的传播方向 处于-180° 180°的范围内。另外，从旋转椭圆
20体M的中心0看到的各振子11的仰角根据各振子11的排列位置而不同。换言之，各振子 11的仰角由超声波探头IA的长径、短径及超声波探头IA与上述旋转椭圆体M的中心0的 距离确定，仰角根据各振子11的排列位置(根据自各振子11发送来的超声波的传播方向 Y)而不同。该仰角减去90°之后的角度相当于入射角ew。因此，本实施方式的超声波探 头IA通过适当设定超声波探头IA的长径、短径及超声波探头IA与上述旋转椭圆体M的中 心0的距离，设定为这样的形状根据自各振子11发送来的超声波的传播方向Y，与各传 播方向Y相对应的入射角θ w发生变化，从而使与各传播方向γ相对应的内表面折射角 θ k成为大致恒定的值。更加具体地说明，如图5所示，在将超声波探头IA的长径设为2x、短径设为2y、超 声波探头IA与旋转椭圆体M的中心0的距离(从旋转椭圆体M的中心0到平面Sl及S2 的平均距离)设为h时，自位于超声波探头IA的长径部的振子11发送来的入射角θ w(称 作θ wl)与自位于超声波探头IA的短径部的振子11发送来的入射角θ w(称作ew2)分 别以下式(9)及(10)表示。[数14]θ wl = tarT1 (x/h)…(9)θ w2 = tarT1 (y/h)…(10)于是，根据探伤的管P的t/D来确定超声波探头IA的形状(χ、y及h)，从而使以 上式(9)及(10)表示的入射角θ Wl及eW2满足下式(11)。[数15]sin θ w2 = sin θ wl · {1—2 (t/D)}... (11)通过使的入射角ewi及eW2满足上式(11)，超声波的传播方向、与管P的轴向 一致的情况(自位于超声波探头IA的长径部的振子11发送超声波的情况)下的内表面折 射角ΘΚ与超声波的传播方向γ与管P的周向一致的情况(自位于超声波探头IA的短径 部的振子11发送超声波的情况)下的内表面折射角9 k大致相等。由此，在超声波的传播 方向Y处于管P的轴向与周向之间的情况下，也可获得大致相等的内表面折射角9k。艮口， 无论超声波的传播方向Y处于-180° 180°范围内的任意处，都可获得大致相等的内表 面折射角9k。另外，若入射角0wl及ew2满足上式(11)，则自位于超声波探头IA的长径部的 振子11发送来的超声波的内表面折射角9 k(以下，适当称作θ kl)、与自位于超声波探头 IA的短径部的振子11发送来的内表面折射角θ k(以下，适当称作θ k2)大致相等的理由 如下。在将自位于超声波探头IA的长径部的振子11发送来的超声波的折射角设为θ Sl、 自位于超声波探头IA的短径部的振子11发送来的超声波的折射角设为θ s2时，这些折射 角θ sl及θ s2遵循斯内尔定律，分别以下式(12)及(13)表示。[数16]sin θ sl = Vs/Vi · sin θ wl— (12)sin θ s2 = Vs/Vi · sin θ w2... (13)在此，在上式(12)及(13)中，Vs表示在管P中传播的超声波(超声横波)的传播 速度，Vi表示填充于振子11与管P之间的接触介质中的超声波(超声纵波)的传播速度。于是，由于自位于超声波探头IA的长径部的振子11发送来的超声波沿管P的轴
21向传播，因此，参照图6而与上述内容同样地，在内表面折射角0kl与折射角θ si之间，下 式(14)的关系成立。另一方面，由于自位于超声波探头IA的短径部的振子11发送来的超 声波沿管P的周向传播，因此，与上式(8)同样地，在内表面折射角9k2与折射角θ82之 间，下式(15)的关系成立。[数17]θ kl = θ si... (14)sin θ k2 = sin θ s2/{1—2 (t/D)}... (15)在此，在使Qkl= θ k2时，sin θ kl = sin θ k2成立。于是，若将上式(15)及式 (13)应用于sin θ k2中，则下式(16)的关系成立。[数 18]sin θ kl = sin θ k2= sin θ s2/{1-2 (t/D)}= Vs/Vi · sin θ W2/{1-2 (t/D)}... (16)另一方面，若将上式(14)及式(12)应用于sinekl中，则下式(17)的关系成立。[数 19]sin θ kl = sin θ si= Vs/Vi · sin θ wl... (17)因此，通过上式(16)及式(17)，下式(18)的关系成立，若整理该式(18)，则上式 (11)成立。即，在θ kl = θ k2时，上式(11)成立。[数 20]Vs/Vi · sin θ W2/{1-2 (t/D)} = Vs/Vi · sin θ wl... (18)如上所述，在Qkl= θ k2时，上式(11)成立，反之，若满足上式(11)，则Qkl = ek2成立。换言之，若入射角ewi及ew2满足上式(Ii)，则自位于超声波探头IA的长径 部的振子11发送来的超声波的内表面折射角θ k( θ kl)、与自位于超声波探头IA的短径部 的振子11发送来的内表面折射角θ k( θ k2)大致相等。由于本实施方式的超声波探头IA的形状如上述那样地确定，因此，可以在使自各 振子11发送来的超声波的传播方向Y与作为检测对象的伤痕的延伸方向正交的同时，使 内表面折射角θk大致恒定，从而无论各伤痕的倾斜角度如何，都可以获得相同的反射波 强度。这样，若利用接收发送控制部件2A选择与作为检测对象的伤痕的倾斜角度数量相同 数量的振子11，并自该选择的各振子11接收发送超声波，则可以高精度地探查具有各种倾 斜角度的伤痕。另外，满足上式(11)的入射角θ wl及9W2的组合(S卩，x、y及h的组合)存在 很多种，但为了与通常的斜角探伤同样地使向管P内入射的超声纵波稍少一些，确定超声 波探头IA的形状(X、y及h)，从而至少使自位于超声波探头IA的长径部的振子11 (发送 来的超声波向管入射的入射角θ w、且折射角θ s最大的振子)发送来的超声波以35°以 上的横波折射角θ s向管P内传播即可。在这种情况下，不仅考虑上述管P的壁厚外径之 比(t/D)，也考虑在管P中传播的超声波的传播速度、以及填充于超声波探头IA与管P之间 的接触介质中的超声波的传播速度，从满足上式(11)的x、y及h的组合中，选择至少自位 于超声波探头IA的长径部的振子11发送来的超声波以35°以上的横波折射角θ s向管ρ
22内传播的组合。S卩，较佳为，在以超声波探头IA的长径方向沿着管P的轴向、超声波探头IA的短 径方向沿着管P的周向、且上述旋转椭圆体M的中心0正对管P的轴心地位于管P的外表 面附近的方式配置超声波探头1A，使其与管P相面对的情况下，根据管P的壁厚外径之比 (t/D)、在管P中传播的超声波的传播速度、以及填充于超声波探头IA与管P之间的接触介 质中的超声波的传播速度，设定超声波探头IA的长径2x、短径2y及超声波探头IA与上述 旋转椭圆体M的中心0的距离h，从而使多个振子11中的、至少自位于超声波探头IA的长 径部的振子11发送来的超声波以35°以上的横波折射角θ s向管P内传播。采用如上述那样地确定的较佳形状的超声波探头1Α，至少对于自位于超声波探头 IA的长径部的振子11发送来的超声波(即，向管P的轴向传播的超声波)，可以使超声横 波向管P内传播。本实施方式的超声波探头IA这样地配置较佳，S卩，不仅在确定上述形状时，在实 际探伤时，上述旋转椭圆体M的中心0也位于管P的外表面附近。由于利用这样的较佳的装置，使自各振子11发送来的超声波向管P入射的入射点 大致一致(旋转椭圆体M的中心0为入射点)，因此，可以在确定了超声波探头IA的形状后 获得如预定好的那样的超声波传播动作(无论超声波的传播方向如何，内表面折射角9k 大致恒定)，而且可以高精度地探查具有各种倾斜角度的伤痕。另外，与第1实施方式的接收发送控制部件2相同，本实施方式的超声波探伤装置 IlA的接收发送控制部件2A较佳为，控制对管P接收发送超声波的至少两个以上的振子11 中的、一个振子11及另一个振子11的超声波发送时机或接收时机，从而使自上述一个振子 11发送的超声波在管P表面的反射波的接收时机、与自上述另一个振子11发送的超声波在 管P表面的反射波的接收时机大致相同(例如，成为发送的超声波的脉冲宽度以下的时间 差)。由于利用这样的较佳的装置，使自一个振子11发送的超声波在管P表面的反射波 的接收时机、与自另一个振子11发送的超声波在管P表面的反射波的接收时机大致相同， 因此，与第1实施方式相同，即使利用波形合成电路(未图示)合成由各振子11接收的反 射波，也会因由各振子11接收的管P表面(内外表面)上的反射波连续或一部分重叠，而 难以产生反射波整体宽度扩大这样的状况，可以减少管P内外表面附近处的不灵敏区。另外，如上所述，本实施方式的超声波探头IA根据探伤的管P的t/D等来确定超 声波探头IA的形状(x、y&h)。换言之，适当的超声波探头IA的形状根据探伤的管P的 t/D等而不同。因此，对于具有多种多样的t/D等的管，若不分别各自准备适当形状的超声 波探头1A，则在这成本、维修这些点上存在问题。为了解决这样的问题，较佳为，设置对自多个各振子11向管P发送来的超声波的 入射角9 进行调整的调整部件。由此，可获得这样的优点即使是相同形状(x、y及h)的 超声波探头1A，也可以对自多个各振子11向管P发送来的超声波的入射角θ w进行微调， 从而可以在使自各振子11发送来的超声波的传播方向Y与作为检测对象的伤痕的延伸方 向正交的同时，使内表面折射角θ k大致恒定，因此，不需要根据管P的t/D等准备多种多 样的形状的超声波探头1A，成本、维修性能优良。作为上述调整部件，例如，可以采用机械偏角机构。此外，如图5(a)所示，多个振
23子11分别包括沿各振子11的径向被分割成长方形的多个压电元件，上述调整部件(例如， 接收发送控制部件2A起到上述调整部件的作用)也可以通过电气控制由多个压电元件11 接收发送超声波的时机，来调整向管P发送的超声波的入射角θ W。与采用机械偏角机构的 情况相比，在这种情况下，可以容易且再现性良好地调整入射角θ W。另外，采用本实施方式的超声波探头IA的形状，可以使内表面折射角ek大致恒 定，但外表面折射角01"相应于传播方向Y而发生变化。换言之，本实施方式的超声波探 头IA做成适合高精度地探查具有各种倾斜角度的内表面伤痕的形状。相对于此，为了高精 度地探查具有各种角度的外表面伤痕，需要无论各伤痕的倾斜角度如何(即，无论超声波 的传播方向Y如何)，都使外表面折射角θ r大致恒定。如上所述，由于外表面折射角ΘΓ 与折射角θ s相等，则只要是无论传播方向Υ如何、都使这样的折射角θ s大致恒定即可， 因此，无论传播方向Y如何，使入射角θ w大致恒定即可。为了无论超声波的传播方向γ 如何都使入射角θ w大致恒定，将超声波探头的长径(2χ)和短径(2y)的长度设定为大致 相等的值即可。即，设定为在使上述旋转椭圆体为球体的情况下获得的形状即可。采用这 样的形状的超声波探头，可以无论传播方向Y如何都使折射角θ s大致恒定，从而可以高 精度地探查具有各种倾斜角度的外表面伤痕。于是，根据管P中的伤痕的主要检测对象为内表面伤痕或者外表面伤痕，来选择 适合检测各伤痕的超声波探头的形状即可。或者，在需要同时检测内表面伤痕及外表面伤 痕两者的情况下，做成这样的形状即可，即，具有满足适合检测内表面伤痕的式(11)的超 声波探头的形状(X、Y及h)、与满足适合检测外表面伤痕的χ = y的超声波探头的形状的 大致中间的X、y值的形状。下面，通过表示实施例及比较例进一步明确本发明的特征。实施例1(参照图3)利用具有图3所示的概略构造的超声波探伤装置100，对形成于钢管内表面的、具 有各不相同的倾斜角度(相对于钢管轴向的倾斜角度为0°、10°、20°、30°、45° )的多 个内表面伤痕(深0. 5mm X长25. 4mm)实施探伤试验。在此，超声波探头1为，将长5mm X 宽3mm、振荡频率为2MHz的多个(30个)振子11沿行方向在以200mm的曲率半径弯曲的圆 筒上排列成矩阵状(10行X3列)。下面，将排列于第1列的振子11称作#1 #10，将排 列于第2列的振子11称作#11 #20，将排列于第3列的振子11称作#21 #30。表1表示在调整超声波探头1的偏心量(即，调整振子#1的周向入射角α i)、以 使第1列振子#1最适合检测倾斜角度为0°的内表面伤痕的情况下，自该振子#1及其他振 子#2 #30发送来的超声波的轴向入射角β i、超声波的传播方向Y、以及内表面折射角 θ k0魁
24
该合成的反射波，由伤痕判定电路3检测伤痕。于是，本实施方式的接收发送控制部件2控 制各振子11发送或接收超声波的时机(设定对应的延迟电路212或延迟电路222的延迟 时间)，从而使自各振子11发送来的超声波在钢管表面的反射波的接收时机大致相同(例 如，成为发送来的超声波的脉冲宽度以下的时间差)。图8表示这样的波形例子，即，在不控制振子#1及#30发送或接收超声波的时机 地，自振子#1及#30大致同时发送超声波的情况下，通过由波形合成电路223合成分别由 振子#1及#30接收的反射波(分别由振子#1及#30在钢管表面(外表面)接收的反射波， 以及来自由振子#30检测出的、倾斜角度为45°的内表面伤痕的反射波(伤痕反射波))而 获得。在图8中，波形El相当于由振子#30接收的钢管表面的反射波，波形E2相当于由振 子#1接收的钢管表面的反射波。如图8所示，若不控制振子#1及#30发送或接收超声波 的时机，则波形El与波形E2连续或一部分重叠，使钢管外表面的反射波整体宽度扩大，从 而使钢管外表面附近处的不灵敏区增大。产生这种现象的原因在于，到自振子#1发送来的 超声波到达钢管外表面为止的光束路程、与到自振子#30发送来的超声波到达钢管外表面 为止的光束路程不同。相对于此，如上所述，由于本实施例的接收发送控制部件2控制各振子11发送或 接收超声波的时机，从而使自各振子11发送来的超声波在钢管表面的反射波的接收时机 大致相同，因此，与图8所示的情况相比，可以减少不灵敏区。图9是表示在利用本实施例 的接收发送控制部件2使振子#30的发送时机相对于振子#1延迟规定时间之后、通过由波 形合成电路223合成分别由振子#1及#30接收的反射波而获得的波形。如图9所示，通过 利用本实施例的接收发送控制部件2使振子#30的发送时机相对于振子#1延迟规定时间， 成为图8所示的波形El与波形E2大致完全重合的状态。可知，图9所示的波形El及E2 的合成波形(E1+E2)的宽度虽然比图8所示的波形El的宽度大一些，但与图8所示的不灵 敏区相比，可以减少至约1/3以下。实施例2 (参照图5)利用具有图5所示的概略构造的超声波探伤装置100A，对形成于钢管(t/D = 11%)内表面的、具有各不相同的倾斜角度的多个内表面伤痕(深0. 5mmX长25. 4mm)实施 探伤试验。在此，超声波探头IA为，将长5mmX宽3mm、振荡频率为2MHz的多个(3两个) 振子11沿环形曲面排列，该环形曲面是以不通过规定的旋转椭圆体M的中心0、且不夹着 该旋转椭圆体M的中心0地相面对的、并且与该旋转椭圆体的旋转轴正交的两个平行的平 面Sl及S2，切断该旋转椭圆体M而获得的曲面。超声波探头IA的形状确定为以上式(9) 表示的入射角θ wl约为18°，以上式(10)表示的入射角0w2约为14°。这样的入射角 θ wl及0W2满足上式(11)。在在以超声波探头IA的长径方向沿着钢管的轴向、超声波探头IA的短径方向沿 着钢管的周向、且上述旋转椭圆体M的中心0正对钢管的轴心地位于钢管的外表面附近的 方式配置超声波探头1A，使其与钢管相面对的情况下，进行探伤试验。另外，使用水来作为 填充于超声波探头IA与钢管之间的接触介质。在此，由于钢管内的超声波(超声横波)传播速度为3200m/SeC，作为接触介质的 水中的超声波(超声纵波)传播速度为1500m/sec，因此，自位于超声波探头IA的长径部 的振子11发送来的超声波的折射角(与入射角θ wl对应的折射角)θ s (称作θ si)约为
2641°，自位于超声波探头IA的短径部的振子11发送来的超声波的折射角(与入射角θ w2 对应的折射角)θ s (称作θ s2)约为31°。如上所述，超声波的外表面折射角0!^与折射角θ si及θ S2相等，另一方面，超 声波的内表面折射角θ k以入射角θ w、传播方向γ及管P的t/D的函数表示。即，在传播 方向Y与钢管的轴向一致时，内表面折射角9k为最小值，与折射角Θ81相等。S卩，内表 面折射角9k约为41°。随着传播方向Y自钢管的轴向朝向周向偏转，折射角θ8通常变 大，在传播方向Y与周向一致时，内表面折射角9k为最大值，以上式(8)表示。在本实施 例的情况下，通过向式(8)中代入t/D = 11%、θ s( θ S2) =31°，该内表面折射角ek成 为约41°，同传播方向Y与钢管的轴向一致时的内表面折射角9 k的值相等。由此，即使 在超声波的传播方向Y处于钢管的轴向与周向之间的情况下，也可获得大致相等的内表 面折射角9k。即，无论超声波的传播方向Y处于-180° 180°范围内的任意处，都可获 得大致相等的内表面折射角9k。由于本实施例的超声波探头IA的形状如上述那样地确定，因此，可以在使自各振 子11发送来的超声波的传播方向Y与作为检测对象的伤痕的延伸方向正交的同时，无论 伤痕的倾斜角度如何，都使内表面折射角θ k大致恒定。图10表示通过由本实施例的超声波探伤装置100A进行探伤试验而获得的、在各 内表面伤痕处的反射波强度(将倾斜角度为0°的内表面伤痕处的反射波强度设为OdB时 的相对强度)。如图10所示，可知，采用本实施例的超声波探伤装置100A，对于到倾斜角度 为-67. 5° 90°的内表面伤痕，可获得大致相等的反射波强度，而且可获得大致恒定的 伤痕检测能力。另外，与实施例1的超声波探伤装置100相同，本实施例的超声波探伤装置100A 若也采用接收发送控制部件2控制各振子11发送或接收超声波的时机、以使自各振子11 发送来的超声波在钢管表面的反射波的接收时机大致相同的构造，则可以高速地探查具有 各种倾斜角度的伤痕，并且，可以减少钢管表面附近处的不灵敏区。实施例3 (参照图5)在具有图5所示的概略构造的超声波探伤装置100A中，实施与实施例2相同的探 伤试验。但是，试验条件的不同点在于，分别由沿各振子11的径向被分割为长方形的8个 压电元件111构成超声波探头IA所具有的多个振子11，以及不仅是t/D为11%的钢管，将 t/D为5%及14%的钢管也作为探伤件。与实施例2相同，超声波探头IA的形状确定为最适合t/D = 11%的钢管，另一方 面，通过利用接收发送控制部件2A电气控制由多个压电元件111接收发送超声波的时机， 使得对于t/D为其他值的钢管也可获得大致相等的伤痕检测能力，调整向钢管发送超声波 的入射角θ W。图11表示通过由本实施例的超声波探伤装置100Α进行探伤试验而获得的、在形 成于各t/D的钢管中的各内表面伤痕处的反射波强度(将形成于t/D = 11%的钢管中的、 倾斜角度为0°的内表面伤痕处的反射波强度设为OdB时的相对强度)。如图11所示，可 知，采用本实施例的超声波探伤装置100A，对于t/D为5% 14%的钢管中的、倾斜角度 为-67. 5° 90°的内表面伤痕，可获得大致相等的反射波强度，而且可获得大致恒定的 伤痕检测能力。
27
实施例4本实施例是上述实施例2的变形例，对形成于钢管(t/D = 11% )内表面的内表 面伤痕实施探伤试验。图12是表示本实施例的超声波探伤装置100B的概略构造的图，图 12(a)表示主视剖视图，图12(b)表示俯视图，图12(c)表示侧视剖视图。如图12所示，本 实施例的超声波探伤装置100B包括超声波探头1B、壳体5和软管6 ；上述超声波探头IB具 有振荡频率为5MHz的4个振子(斜角振子)11A、1 IB、11C、11D、以及振荡频率为5MHz的垂 直探头12 ；上述壳体5为丙烯制，安装有这些振子IlA IlD及垂直探头12 ；上述软管6为 软质性，安装于壳体5的前端部。另外，与实施例2相同，本实施例的超声波探伤装置100B 也包括控制由超声波探头IB接收发送超声波的接收发送控制部件(参照图5所示的接收 发送控制部件2A)。另外，还包括伤痕判定电路3和警报等输出部件4 ；上述伤痕判定电路 3通过将来自钢管P的反射波的振幅与规定的阈值比较，检测出存在于钢管P中的伤痕(参 照图5)；上述警报等输出部件4用于在由伤痕判定电路3检测出伤痕的情况下，输出规定 的警报等(参照图5)。另外，由于本实施例的接收发送控制部件的机器构造与图3所示的 接收发送控制部件2相同，因此，省略其详细说明。与实施例2相同，超声波探头IB所具有的4个振子1IA 1ID的这些振动面SA SD沿着环形曲面地配置，该环形曲面可这样获得以不通过规定的旋转椭圆体的中心0、且 不夹着该旋转椭圆体的中心0地相面对的、并且与该旋转椭圆体的旋转轴正交的两个平行 的平面Sl及S2，切断该旋转椭圆体的中心0。更加具体地讲，振子IlA及IlB沿超声波探 头IB的长径方向(环形曲面的长径方向，图12(b)所示的χ方向)配置，使得以上式(9)表 示的入射角9wl约为18°，振子IlC及IlD沿超声波探头IB的短径方向(环形曲面的短 径方向，图12(b)所示的y方向)配置，使得以上式(9)表示的入射角θ w2约为14°。这 些入射角θ wl及9W2满足上式(11)。超声波探头IB所具有的垂直探头12的振动面SO沿着通过上述旋转椭圆体的中 心0、且与上述两个平行的平面正交的直线L (相当于旋转椭圆体的旋转轴)地(在图12所 示的例子中，为旋转椭圆体的中心0正上方)配置。由此，具有这样的优点可以在由振子 IlA IlD进行探伤的同时，由垂直探头12对钢管P进行壁厚测定和夹层检测等。于是，在以超声波探头IB的长径方向沿着钢管P的轴向、超声波探头IB的短径方 向沿着钢管P的周向、且上述旋转椭圆体的中心0正对钢管P的轴心地位于钢管P的外表 面附近的方式配置超声波探头1B，使其与钢管P相面对的情况下，进行探伤试验。另外，通 过自设置于壳体5的侧壁的供水口 51向壳体5内部供水，向超声波探头IA与钢管之间填 充作为接触介质的水。在此，与实施例2中说明的内容相同，由于钢管内的超声波(超声横波)传播速度 为3200m/sec，作为接触介质的水中的超声波(超声纵波)传播速度为1500m/sec，因此，自 位于超声波探头IB的长径部的振子IlAUlB发送来的超声波的折射角(与入射角θ wl对 应的折射角)θ s (称作θ si)约为41°，自位于超声波探头IB的短径部的振子IlCUlD发 送来的超声波的折射角(与入射角9w2对应的折射角)θ s (称作θ82)约为31°。于是，如上所述，超声波的外表面折射角0!^与折射角θ si及θ S2相等，另一方 面，内表面折射角θ k以入射角θ w、传播方向Υ及钢管P的t/D的函数表示。即，在传播 方向 与钢管P的轴向一致时，内表面折射角9k为最小值，与折射角Θ81相等。g卩，与振
28子IlAUlB相关的内表面折射角9 k约为41°。随着传播方向Y自钢管P的轴向朝向周 向偏转，折射角θ s通常变大，在传播方向Υ与钢管P周向一致时，内表面折射角9 k为最 大值，以上式(8)表示。在本实施例的情况下，通过向式(8)中代入t/D= 11%、0s(0s2) =31°，与振子11C、11D相关的内表面折射角θ k成为约41°，同传播方向Y与钢管P的 轴向一致时的内表面折射角θk的值相等。由于本实施例的超声波探头IB的形状(振子IlA IlD的配置条件)如上述那 样地确定，因此，可以在使自各振子IlA IlD发送来的超声波的传播方向、与作为检测 对象的伤痕的延伸方向正交的同时，无论伤痕的倾斜角度如何，都使内表面折射角9k大 致恒定。换言之，由沿钢管P的轴向配置的振子IlAUlB高精度地检测沿钢管P的周向延 伸的伤痕，由沿钢管P的周向配置的振子IlCUlD高精度地检测沿钢管P的轴向延伸的伤痕。另外，在本实施例中，使钢管P沿周向旋转、并沿轴向移动地进行超声波探伤。于 是，较佳为，超声波探伤装置100B包括追踪装置，该追踪装置使超声波探头IB在与钢管P 的轴向正交的平面内相对于钢管P的相对位置大致保持恒定。下面，适当参照图13更加具 体地进行说明。图13是表示本实施方式的超声波探伤装置100B所具有的追踪装置的概略构造的 图。如图13所示，本实施例的追踪装置7包括测定到钢管P的距离的1个以上(本实施例 中为两个)的非接触式位移仪(例如，激光位移仪，涡流式位移仪，超声波位移仪等)71A、 71B、使超声波探头IB沿与钢管P的轴向正交的两个轴向(本实施例中为垂直方向(Z方 向)及水平方向(Y方向))移动的定位机构(本实施例中为液压缸体)72A、72B、和控制定 位机构72A、72B的定位控制部件(本实施例中为液压控制器)73A、73B。在本实施例中，采用这样的构造由非接触式位移仪71A测定的距离通过位移仪 增幅器74A输入到定位控制部件73A，由非接触式位移仪71B测定的距离通过位移仪增幅器 74B输入到定位控制部件73B。然后，定位控制部件73A根据自非接触式位移仪71A (位移 仪增幅器74A)输入的距离测定值来控制定位机构72A(调整超声波探头IB沿Z方向的位 置)，使得超声波探头IB相对于钢管P的相对位置大致恒定。定位控制部件73B根据自非 接触式位移仪71B(位移仪增幅器74B)输入的距离测定值来控制定位机构72B (调整超声 波探头IB沿Y方向的位置)，使得超声波探头IB相对于钢管P的相对位置大致恒定。更加具体地说明，由非接触式位移仪71A、71B进行的到钢管P外表面的距离测定， 可在实施探伤试验时始终连续进行。然后，定位控制部件73A驱动定位机构72A，从而使自 非接触式位移仪71A输入的距离测定值与预先设定好的基准距离的偏差为零。换言之，定 位控制部件73A驱动定位机构72A，使超声波探头IB沿Z方向移动相当于上述偏差的距离。 此时，定位控制部件73A随时测定定位机构72A的驱动量(超声波探头IB沿Z方向的移动 距离)的实绩值，驱动定位机构72A，直到该测定的实绩值与上述偏差相等为止，从而提高 位置精度。另外，在由非接触式位移仪71A测定了距离的钢管P的部位经过规定时间(由 钢管P的外径、旋转速度算出)之后、到达配置有超声波探头IB的位置(即，旋转180°之 后的位置)的时机实施由定位控制部件73A驱动定位机构72A。同样，定位控制部件73B驱动定位机构72B，从而使自非接触式位移仪71B输入的
29距离测定值与预先设定好的基准距离的偏差为零。换言之，定位控制部件73B驱动定位机 构72B，使超声波探头IB沿Y方向移动相当于上述偏差的距离。此时，定位控制部件73B随 时测定定位机构72B的驱动量(超声波探头IB沿Y方向的移动距离)的实绩值，驱动定位 机构72B，直到该测定的实绩值与上述偏差相等为止，从而提高位置精度。另外，由定位控制 部件73B驱动定位机构72B在由非接触式位移仪71B测定了距离的钢管P的部位经过规定 时间(由钢管P的外径、旋转速度算出)之后、到达旋转180°之后的位置的时机实施。另外，在本实施例中对根据由非接触式位移仪71A测定的距离来调整超声波探头 IB沿Z方向的位置、根据由非接触式位移仪71B测定的距离来调整超声波探头IB沿Y方向 的位置的构造进行了说明，但并不限定于此。例如，也可以采用这样的构造在由非接触式 位移仪71A测定了距离的钢管P的部位到达旋转90°之后的位置的时机，根据由非接触式 位移仪7IA测定的距离来调整超声波探头IB沿Y方向的位置，在由非接触式位移仪7IB测 定了距离的钢管P的部位到达旋转90°之后的位置的时机，根据由非接触式位移仪71B测 定的距离来调整超声波探头IB沿Z方向的位置。如上所述，由于本实施例的超声波探伤装置100B包括作为优选构造的追踪装置 7，因此，即使钢管P截面形状不是正圆形、或者沿轴向产生弯曲，也可以通过追踪装置7使 超声波探头IB相对于钢管P的相对位置大致保持恒定。因此，可抑制超声波自超声波探头 IB的各振子IlA IlD向钢管P入射的入射角产生变动，并使伤痕检测能力大致保持恒定。在此，本实施例的超声波探伤装置100B也与实施例1、2中的超声波探伤装置相 同，接收发送控制部件控制各振子IlA IlD发送或接收超声波的时机，以使自各振子 IlA IlD发送来的超声波在钢管表面的反射波的接收时机大致相同。于是，与实施例1、 2中的超声波探伤装置相同，合成由各振子IlA IlD接收的反射波，根据该合成的反射波 检测伤痕。因此，可以大致同时检测4个方向的伤痕。由此，与以往实施的分时段探伤(由 振子IlA进行探伤一由振子IlB进行探伤一由振子IlC进行探伤一由振子IlD进行探伤一 由振子IlA进行探伤一之后，重复进行)相比，可以将探伤速度提高4倍。图14是表示在本实施例的超声波探伤装置100B中，仅由振子IlA接收发送超声 波的情况下获得的探伤波形(由振子IlA接收的反射波的波形)的一个例子。图15是表示 在本实施例的超声波探伤装置100B中，控制为各振子IlA IlD的接收时机大致相同地、 由各振子IlA IlD接收发送超声波的情况下获得的探伤波形(合成由振子IlA IlD接 收的反射波的波形)的一个例子。若与进行通常的斜角探伤时获得的探伤波形相比，在图14所示的探伤波形中，存 在出现了形状信号E的特征。另外，在图15所示的波形中，在形状波形E的基础之上，存在 出现了表面反射信号S的特征。这些形状信号E及表面反射信号S的出现的原因在于，将 两个振子相面对地配置。即，原因在于，对于图12所示的直线L，将振子IlA与IlB配置为 线对称，将振子IlC与IlD配置为线对称。更加具体地说明，如图16所示，形状信号E相当于例如，自振子IlB发送来的超声 波被钢管P的外表面反射、进一步被相面对地配置的振子IlA反射、再次被钢管P的外表面 反射而由振子IlB接收的反射波。另外，表面反射信号S相当于例如，自振子IlB发送来的 超声波被钢管P的外表面反射而由相面对地配置的振子IlA接收的反射波。如上所述，在利用本实施例的超声波探伤装置100B获得的探伤波形中，出现了这
30些形状信号E及表面反射信号S这样的固定信号(无论是否产生伤痕，都会出现的信号)。 但是，在维持以旋转椭圆体的中心0正对钢管P的轴心地位于钢管P的外表面附近的方式 配置超声波探头IB这样的条件的同时，调整超声波探头IB距旋转椭圆体的中心0的距离 h(参照图5)，从而可以在表面反射信号S与形状信号E之间出现内外表面的伤痕信号，因 此，可以与以往的斜角探伤同样地进行检测。在此，控制为自各振子IlA IlD发送来的超声波在钢管P表面的反射波的接收 时机大致相同的例由如下。S卩，为了使这些信号大致同时出现，(1)通过由振子IlB接收自振子IlA发送来的超声波而产生的表面反射信号；(2)通过由振子IlA接收自振子IlB发送来的超声波而产生的表面反射信号；(3)通过由振子IlD接收自振子IlC发送来的超声波而产生的表面反射信号；(4)通过由振子IlC接收自振子IlD发送来的超声波而产生的表面反射信号。另外，为了使这些信号大致同时出现，(5)通过自振子IlA发送来的超声波被振子IlB反射、并被振子IlA接收而产生的 形状信号；(6)通过自振子IlB发送来的超声波被振子IlA反射、并被振子IlB接收而产生的 形状信号；(7)通过自振子IlC发送来的超声波被振子IlD反射、并被振子IlC接收而产生的 形状信号；(8)通过自振子IlD发送来的超声波被振子IlC反射、并被振子IlD接收而产生的 形状信号。通过这样地控制，可以缩短图15所示的形状信号E(合成上述(5) ⑶的各形 状信号后的信号)及表面反射信号S(合成上述(1) (4)的各形状信号后的信号)的持 续时间(波形宽度)，从而可以使因这些固定信号的出现而产生的不灵敏区变窄。由于以上说明的本实施例的超声波探伤装置100B做成在大致同时实现4个方向 的斜角探伤及垂直探伤的同时、极为小型的超声波探头IB的构造，因此，可以使包括一对 非接触式位移仪71A、71B、液压缸体72A、72B及液压控制器73A、73B的追踪装置7 —体化。 因此，在提高探伤效率的同时，也可以简化设备，抑制成本。另外，由于做成非接触式的追踪 装置7，因此，可以提高在钢管P的管端部处的追踪性，高精度地对包括管端部在内的钢管P 的全长进行探伤。
3权利要求
一种超声波探头，该超声波探头用于对管状被探伤件进行超声波探伤，其特征在于，该超声波探头包括沿环形曲面排列的多个振子；上述环形曲面是通过以不通过规定旋转椭圆体的中心、且不夹着该旋转椭圆体的中心地相面对的、并且与该旋转椭圆体的旋转轴正交的两个平行的平面切断该旋转椭圆体而获得的曲面。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，上述超声波探头还包括至少1个垂直探头，该垂直探头沿通过上述旋转椭圆体的中 心、且与上述两个平行的平面正交的直线配置。
3. 一种超声波探伤装置，其特征在于，该超声波探伤装置包括如权利要求1所述的超声波探头、和接收发送控制部件；上述 超声波探头与上述管状被探伤件相面对地配置，使得其长径方向沿着上述管状被探伤件的 轴向、短径方向沿着上述管状被探伤件的周向、且上述旋转椭圆体的中心正对上述管状被 探伤件的轴心；上述接收发送控制部件对由上述超声波探头接收发送超声波进行控制；上述接收发送控制部件自上述多个振子中的至少两个以上的振子对上述管状被探伤 件接收发送超声波。
4.根据权利要求3所述的超声波探伤装置，其特征在于，上述超声波探头被配置成上述旋转椭圆体的中心位于上述管状被探伤件的外表面附近。
5.根据权利要求3所述的超声波探伤装置，其特征在于，上述接收发送控制部件控制对上述管状被探伤件接收发送超声波的至少两个以上的 振子中的一个振子及另一个振子发送或接收超声波的发送时机或接收时机，从而使自上述 一个振子发送来的超声波在上述管状被探伤件表面的反射波的接收时机、与自上述另一个 振子发送来的超声波在上述管状被探伤件表面的反射波的接收时机大致相同。
6.根据权利要求3所述的超声波探伤装置，其特征在于，该超声波探伤装置包括调整部件，该调整部件对自上述多个振子分别向上述管状被探 伤件发送的超声波的入射角进行调整。
7.根据权利要求6所述的超声波探伤装置，其特征在于，上述多个振子分别包括沿各振子的径向被分割成长方形的多个压电元件；上述调整部件通过电气控制由上述多个压电元件接收发送超声波的接收发送时机，来 调整向上述管状被探伤件发送的超声波的入射角。
8.根据权利要求3所述的超声波探伤装置，其特征在于，该超声波探伤装置包括追踪装置，该追踪装置使上述超声波探头在与上述管状被探伤 件的轴向正交的平面内相对于上述管状被探伤件的相对位置保持大致恒定。
9.根据权利要求8所述的超声波探伤装置，其特征在于，上述追踪装置包括测定到上述管状被探伤件外表面的距离的1个以上的非接触式位 移仪、使上述超声波探头沿与上述管状被探伤件的轴向正交的两个轴向移动的定位机构、 和控制该定位机构的定位控制部件；上述定位控制部件基于由上述非接触式位移仪测定的距离来控制上述定位机构，以使 得上述超声波探头相对于上述管状被探伤件的相对位置大致恒定。
10. 一种超声波探伤方法，其特征在于，该方法使用权利要求3所述的超声波探伤装置，使上述超声波探头沿着上述管状被探 伤件的周向相对旋转、并沿着上述管状被探伤件的轴向相对移动，从而对上述管状被探伤 件的全长或其局部进行探伤。
11.一种无缝管的制造方法，其特征在于，该方法包括通过对原料钢坯进行穿孔加工来制造无缝管的第1工序、和使用权利要求 10所述的超声波探伤方法对由上述第1工序制造的无缝管进行探伤的第2工序。
全文摘要
本发明提供超声波探头、超声波探伤装置、超声波探伤方法以及无缝管的制造方法。该超声波探伤方法包括如下步骤将具有多个振子(11)的超声波探头(1)与管状被探伤件(P)相面对地配置；从多个振子中选择适当的振子来接收发送超声波，以使得在管状被探伤件内传播超声波的方向成为多个不同的传播方向，设定由超声波探头进行探伤的条件，以使得与多个传播方向相关的超声波的外表面折射角θr分别大致相等，及/或与上述多个传播方向相关的超声波的内表面折射角θk分别大致相等。
文档编号G01N29/24GK101907609SQ20101024531
公开日2010年12月8日 申请日期2006年8月28日 优先权日2005年8月26日
发明者山野正树 申请人:住友金属工业株式会社