超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法及超声波探伤装置的制作方法

专利名称：超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法及超声波探伤装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法及超声波探伤装置，具体而言是是涉及一种用于对焊接钢管的焊道及其附近进行探伤的超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法及超声波探伤装置。
背景技术：
以UOE为代表的焊接钢管，有时在焊道内产生裂纹及被称为焊深不良的面状伤痕。为了检查这种焊道内的面状伤痕而实施超声波探伤试验。
焊接钢管的超声波探伤试验是以使超声波覆盖焊道内部整体的方式配置多个探头而进行的。图1表示普通的K型配置中的纵向伤痕(沿焊道的长度方向形成的伤痕)探伤用的探头的配置。
将探头3配置于距焊道3的中央2C0.5跳越距离，对焊道2内焊接钢管l的内面附近部分进行探伤。将探头4配置于距中央2C1.0跳越距离，对焊道内焊接钢管1的外表面附近部分进行探伤。由探头3及4分别接收发送的横波超声波波束U3及U4，按照由探伤频率及振子直径等所决定的指向角S3及S4扩散，同时在焊接钢管l内传播。因此，通过将探头3及4的折射角03及04设定为合适的值，就可以使超声波波束U3及U4覆盖焊道2整体。如图2A所示， 一般地，探头3及4的折射角e越小则越难以对焊道2的中心部分进行探伤，从而在焊道2内产生探伤盲区400。如图2B所示，折射角e越大则可抑制探伤盲区400的产生，进而可以覆盖所有焊道2。为了覆盖所有焊道2，通常对于板厚40mm以下的焊接钢管中的纵向伤痕的探伤方面使用具有55 70度的标称折射角的探头。
以往，在焊接钢管中作为问题的伤痕，是以上述的纵向伤痕的方式在焊道内产生的面状伤痕。但是，随着近年来的UOE钢管的高强度化，产生于焊接钢管内面的焊道的止端部的裂纹(以下称为"内面止端部裂纹)又重新成为一个问题。UOE钢管中的内面止端部裂纹是在下面的工序产生的。g卩，在焊接时HAZ (焊接热影响部分)软化而在局部使强度降低到低于母材。由于焊接后的扩管，在应力集中于被软化的HAZ时，而产生内面止端部伤痕。越是母材为高强度则越容易使HAZ软化，另外，越是UOE钢管为小径、壁厚，越容易在扩管时产生应力集中。因此，高强度且小径壁厚的UOE钢管，特别是具有600MPa以上的拉伸强度且外径为500mm 1000mm、壁厚为15mm 40mm左右的UOE钢管，极容易产生内面止端部伤痕。这样的内面止端部伤痕。在使用现有的用于检测纵向伤痕的探头的探伤中使很难检测到。即使为了扩大超声波探伤区域，而将探头配置为1.0 1.5跳越距离进行探伤，也难以检测到内面止端部伤痕。
另外，作为相关联的专利文献，可列举日本国特开2002—71648号公报及日本国特开2003—262621号公报。另外，作为相关联的非专利文献，可列举焊接钢管的超声波探伤法(钢铁协会质量管理委员会(NDI部门)编、1999年2月22日发行)第60页 第62页。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种超声波探伤方法，其可以提高焊接钢管内面的焊道的止端部所产生的内面止端部裂纹的检测能力。
本发明的超声波探伤方法，通过斜角探伤法对具有形成于管轴方向的
焊道的焊接钢管进行探伤，其特征在于，具备准备输出成为40度以上低于55度的折射角的第一横波超声波波束的第一探头的工序；将所述第一探头配置于所述焊接钢管的外表面上的工序，使在所述焊接钢管内的所述第一横波超声波波束的传播方向与所述焊道的长度方向大致垂直，且在所述焊接钢管内面的焊道的两止端部中，使所述第一横波超声波波束向与所述第一探头之间的距离短的一方的止端部传播；从所述配置的第一探头输出所述第一横波超声波波束，对所述焊接钢管进行探伤的工序；根据探伤结果，判断有无内面止端部裂纹的工序。
内面止端部裂纹从焊接钢管内面的焊道的止端部起，在焊道相反侧相对于径方向倾斜35 50度延伸。因此，通过使从第一探头输出、入射到焊接钢管内面的止端部内与第一探头靠近的一方的止端部的折射角达到
640度以上不足55度，可以使超声波波束大致垂直地入射到内面止端部裂纹，进而得到强反射回波。因此，提高了对内面止端部裂纹的检测能力。
优选在配置的工序中，将第一探头配置于距与第一探头之间的距离短的一方的止端部0.5跳越距离。
在对焊接钢管内面进行超声波探伤的情况下，第一探头的配置位置为0.5X (2n—l) (n为自然数)跳越距离，而在这些跳越距离中，若做成0.5跳跃距离则使波束行程变得最短，聚束效果达到最高。因此，即使对于比现有的面状伤痕还小的微细裂纹即内面止端部裂纹也可以得到高的回波强度。
优选本发明的超声波探伤方法还具备准备具有与作为检查对象的所述焊接钢管大致相同的横截面形状，且具有形成于内面的焊道的第一人工孔、和形成于内面的焊道中央的第二人工孔的试样焯接钢管的工序；将所述第一探头配置于所述试样焊接钢管的外表面上的工序，使在所述试样焊接钢管内的所述第一横波超生声波波束的传播方向与所述焊道的长度方向大致垂直，且在所述试样焊接钢管内面的焊道的两止端部中，使所述第一横波超声波波束入射到形成于与所述第一探头之间的距离较短的一方的止端部的第一人工孔；在对作为所述检查对象的焊接钢管进行探伤之前，用所述配置的第一探头对所述试样焊接钢管进行探伤，求出所述第一探头输出所述第一横波超声波波束之后对所述第一人工孔的回波进行检测时的第一时间和对所述第二人工孔的回波进行检测时的第二时间的工序；在对所述检查对象的焊接钢管进行探伤时，从所述第一时间起将进行了规定时间差分的第三时间作为视窗起点，将所述第二时间作为视窗终点的设定监视视窗的工序；所述判断的工序，在对所述检査对象的焊接钢管进行探伤的过程中，在所述第一探头接收到的回波中所述监视视窗内的回波强度超出规定的阈值时，则判断出检测到所述内面止端部裂纹。
在对焊接钢管的止端部进行超声波探伤的情况下，发生由焊道的形状引起的干扰回波(以下，将该干扰回波叫做焊道形状干扰回波)，进而有可能将该干扰回波作为内面止端部裂纹来进行检测。在对焊接钢管内面的止端部的一方进行超声波探伤时，焊道形状干扰回波，是在钢管内面因在从焊道中央至另一止端部的内面发生反射而产生的。因此，只要在消除这些内面的反射回波的范围设置监视视窗即可。在本发明中，在作为探伤的对象的止端部位置和焊道中央位置分别备有预先做成了人工孔的试样焊接钢管，在对作为检查对象的焊接钢管进行探伤之前先对试样焊接钢管进行探伤，求出止端部的位置(第一时间)和焊接中央的位置(第二时间)。然后，以求出的焊道中央位置为视窗终点设定监视视窗。由于焊道形状干扰回波发生在焊道中央以后，因而可以防止因监视视窗而造成的焊道形状干扰回波的过度检测。
另外，通过从探伤的止端部的位置起将对规定的余量(规定时间)进行了差分的位置作为视窗起点，可以将内面止端部裂纹切实地包含在监视视窗内。因此按照这样的监视视窗的设定，可以提高内面止端部裂纹的检测能力。
优选本发明的超声波探伤方法还具备将输出做成55度 70度的折
射角的第二横波超声波波束的第二探头，以使第二横波超声波波束的传播方向与焊道的长度方向大致垂直的方式配置于焊接钢管的外表面上的工
序；使第二横波超声波波束从第二探头入射到焊接钢管内后对焊道进行探伤的工序；根据第二探头的探伤结果，来判断有无沿焊道的长度方向所形成的纵向伤痕的工序。
该情况不仅可以检测内面止端部裂纹，还可以检测焊道内在的纵向伤痕。


图1是表示现有的焊接钢管的超声波探伤中的探头的K型配置的模式
图2A是用于说明超声波探伤中的横波超声波波束的折射角和探伤区域的关系的模式图2B是用于说明与图2A不同的超声波探伤中的横波超声波波束的折射角和探伤区域的关系的其它模式图3是表示焊内面止端部裂纹的模式图4A是用于说明使用现有的探头对内面止端部裂纹进行探伤时的问题的8图4B是用于说明使用与图4A不同的现有的探头对内面止端部裂纹
进行探伤时的问题的其它的图4C是用于说明使用不同于图4A及图4B的现有的探头对内面止端
部裂纹进行探伤时的问题的其它的图5是表示折射角和内面止端部裂纹的回波强度的关系的图6是表示与探头的聚束系数相对的聚束效果的图7是在本实施方式的超声波探伤方法中所使用的超声波探伤装置的
俯视图s是图7中的线段vm—vin的剖面图9是用于说明图7中的焊道检测器的动作的模式图IO是表示由图7中的焊道检测器检测到的焊道形状的图。
图11是用于说明焊道形状干扰的发生原因的图12是表示取得用于设定本实施方式中的监视视窗的监视视窗数据
的工序的流程图13是在图12中的步骤Sl所使用的试样焊接钢管的横截面图14是表示在图12中的步骤S2及S3注册了数据的视窗目录的数据
结构的图15是用A示波器法表示在步骤S2得到的回波信号的图16是表示本实施方式的超声波探伤方法的工序的流程图17是在第二实施方式中所使用的超声波探伤装置的俯视图18是表示在第三实施方式中所使用的阵列探头及装置的结构的图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。对于图中相同或者相当的部分标注相同的符号并援用其说明。
在本发明的超声波探伤方法中，使做成40度以上不足55度的折射角的横波超声波波束向焊接钢管内面的焊道的止端部传播。将折射角做成40度以上不足55度的理由如下。
本发明者首先对多个内面止端部裂纹的形态进行了研究。其结果是，如图3所示，在高强度且小径壁厚的UOE钢管内所产生的内面止端部裂
9纹5相对于UOE钢管的径方向RD向焊道的相反侧倾斜35 50度，且从 止端部2R向母材内部延伸。另外，裂纹深度短到距止端部2R表面约lmm 左右。使用用于对纵向伤痕进行探伤的现有的折射角55度 70度的探头， 难以检测到以这种方式相对于径方向倾斜35 50。的裂纹。如图4A所示， 在作为现有的探头的代表的标称折射角70度的探头6对沿着径方向RD 的现有裂纹5 ((相当于纵向伤痕)进行探伤时，从探头6入射到U0E钢 管1内的横波超声波波束U6在反射源即裂纹5上发生回反射后，又被探 头6接收。因此，探头6可以检测裂纹5。同样，如图4B所示，在探头6 对相对于径方向RD向焊道2的相反侧倾斜20度的裂纹5进行探伤时， 横波超声波波束U6分别在裂纹5及UOE钢管1的内面IS发生反射之后， 又被探头6接收。因此，探头6可以检测到裂纹5。
但是，如图4C所示，在探头6对具有35 50度的倾斜角的内面止端 部裂纹5进行探伤时，被反射源即内面止端部裂纹5反射后的横波超声波 波束U6由到达探头6的纸面外侧的外表面OS再次反射。因此，探头6 难以接收到超声波U6。所以，现有的探头6难以检测内面止端部裂纹5。
本发明者为了研究可检测这样的内面止端部裂纹的条件，而使各种折 射角的横波超声波波束入射到止端部以对内面止端部裂纹进行探伤。具体 而言，对在UOE钢管内实际产生的35度 50度的内面止端部裂纹(裂纹 编号1 3)，使用各种折射角的横波超声波波束实施了超声波探伤试验。 此时，将输出横波超声波波束的探头配置于距内面止端部裂纹的发生位置 (即，UOE钢管内面的止端部)0.5跳越距离。另外，在焊道中央，沿径 方向做成直径1.6mm的人工孔(Drilled Hole)，使用各种折射角的超声波 波束对做成的人工孔实施超声波探伤试验。此时，将探头配置于距焊道中 央0.5跳越距离。试验后，对各折射角的内面止端部的回波强度进行了对 比。
图5表示研究结果。图5中的纵轴为裂纹编号1 3的内面止端部裂 纹相对于人工孔的回波高度比(以下，称为"相对伤痕回波高度")，横轴 为探伤时的折射角(度)。在相对伤痕回波高度小于1的情况下，表示比 普通的纵向伤痕更难以检测。参照图5，这种在UOE钢管的纵向伤痕的探 伤时所使用的折射角55 70度的超声波波束中，相对伤痕回波高度为1倍左右或者在l倍以下，与此相对，在折射角为40度以上不足55度的超 声波波束中，相对伤痕回波高度达到2倍以上。通过将折射角做成40度 以上不足55度，使横波超声波波束几乎垂直入射到内面止端部裂纹，其 结果认为是得到更强的反射回波。
如上所述，在本发明的超声波探伤方法中，使用输出做成40度以上 不足55度的折射角的横波超声波波束的探头来检测内面止端部裂纹。由 此，可以提高内面止端部裂纹的检测能力。
另外，通过将横波超声波波束的折射角做成40度以上不足55度，可 以得到比现有的高的聚束效果。因此，即使对于如内面止端部裂纹这样的 微小裂纹，也可以得到高的回波强度，进而可以很容易检测到内面止端部 裂纹。下面，对这一点进行详细叙述。
如图6所示，用下面的式(1)表示的聚束系数J越大，则聚束效果 越高，是强的回波强度。
聚束系数J二近距离声场界限距离Xo /钢内焦点距离fop (1)
图6中的横轴(x/fop)中的x是波束路程。另外，图6中的纵轴P /Po中，Po为探头当前的平均声压，P为在声波轴(波束中心轴)上的 声压，P/Po越高表示聚束效果越高。
在超声波探伤中，超声波波束的折射角越小，近距离声场界限距离越 大。因此，折射角越小，则越是可以得到高的聚束效果。若将折射角做成 40度以上不足55度，则由于折射角比现有的折射角(55 70度)小，因 而可得到比现有技术高的聚束效果。其结果是，即使对于比现有的纵向伤 痕还微小的裂纹即内面止端部裂纹，也可以得到高的回波强度。
表1表示用各种折射角对壁厚30mm的UOE钢管的内面及壁厚15mm 的UOE钢管的内面进行探伤时的聚束系数。另外还进行了下述假设，艮P， 探伤频率为4MHz、钢中焦点距离等于波束距离。表l
壁厚 (mm)入射角 (deg)折射角 (deg)路程波束路程 (mm)缩小率近距离声场界 限距离(mm)聚束系数J
3019.245.00.5skip42.40.75跳42.6
19.245.01.5skip127.30.75108.40.9
23.760.00.5skip60.00.5557.71.0
25.970.00.5skip87.70.3828.00.3
1519.245.00.5skip21.20.75跳45.1
19.245.01.5skip63.60.7508.41.7
23.760.00.5skip30.00,5557.71.9
25.970.00.5skip43.90.3828.00.6
参照表1，表中的"路程"为距探伤的UOE钢管内面的止端部的距离， 所谓"0.5skip"为0.5跳越距离。另外，所谓"縮小率"可通过下面的式 (2)求出。
縮小率二cos0/cosa (2)
在此，0为横波超声波波束的折射角(度)，(x为横波超声波波束的入 射角(度)。折射角越小则縮小率越大。由此，使出现的振子高度变大， 如上所述，使近距离声场界限距离变大。
参照表1，在壁厚30mm的UOE钢管及壁厚15mm的UOE钢管中的 哪一个都在本发明的范围内即在折射角45度使聚束效果最高，在本发明 的范围外即折射角60度及70度聚束效果都低。
另外，在考虑到折射角45的路程的情况下，0.5跳越距离一方比1.5 跳越距离的聚束效果高。因此，在通过超声波探伤试验来检测内面止端部 裂纹的情况下，优选将探头配置于与距UOE钢管内面的焊道的止端部0.5 跳越距离相当的位置。
超声波探伤装置的构成
下面，说明本发明的超声波探伤方法所使用的超声波探伤装置。参照 图7及图8，本发明实施方式的超声波探伤装置10具备用于检测纵向伤
12痕(Longitudinal Flaw:以下也称"L方向伤痕")的现有的斜角探头31 34、用于检测横向伤痕(TransverseFlaw:以下也称"T方向伤痕")的现 有的斜角探头35及36。超声波探伤装置10还具备用于检测内面止端部裂 纹的的斜角探头37及38。
将作为检查对象的焊接钢管1放置于V字形的输送滚筒70上，在超 声波探伤试验时， 一边沿管轴方向输送一边进行超声波探伤。在图8中， 将焊接钢管1放置于V字形输送滚筒70上，但也可以代替输送滚筒70而 放置于V字形台架上。
超声波探伤装置10还具备机械手50、焊道检测器17、控制装置6。 机械手50是用于使各斜角探头31 38接触到焊接钢管1的外表面上的装 置，具备升降架ll、导轨12、臂13、探头支架14。
升降架ll及臂13使斜角探头37及38在规定的配置位置移动。升降 架11其下面中央部位安装有焊道检测器17，下面两端部安装有导轨12。 升降架11通过液压或者电动进行升降，使探头37及38接触到焊接钢管1 的外表面。
升降架11还可以沿焊接钢管1的轴方向在规定范围内转动。在超声 波探伤试验中，升降架11以使焊道检测器17位于焊道2的正上方的方式 进行转动。例如，在使焊接钢管1从图8的状态顺时针转动、使焊道2在 右侧偏离焊道检测器17的正下方的情况下，升降架11也沿顺时针转动， 如图焊道检测器17在焊道2的正上方的位置停止。由此，由于使升降架 11追随焊道2，因而可以将超声波探伤装置10恒定地保持在与焊道2相 对置的斜角探头37及38的相对位置。
臂13由水平悬臂部件131和垂直悬臂部件132构成。水平悬臂部件 131通过电动沿导轨12在水平方向移动。垂直悬臂部件132下端具有探头 支架14。垂直悬臂132在垂直方向移动。通过臂13可以将从焊接钢管1 内面的止端部2R至斜角探头37的距离(路程)、从止端部2L至斜角探头 38的距离(路程)调整到0.5跳越距离或者1.5跳越距离。
图8表示抓持斜角探头37及38的臂13，而探头31 34各自也分别 被同样的臂(未图示)抓持，通过该臂对斜角探头31 34和焊道2的距 离进行调整。用样，探头35及36也被未图示的臂抓持。焊道检测器17在超声波试验中对焊接钢管1的焊道2的中央位置进 行检测。超声波探伤装置10根据焊道检测器17的检测结果使机械手50 追随焊道2。如图9所示，焊道检测器17具备激光光源171和CCD照相 机172。激光光源171将激光照射在焊道2上，CCD照相机172在焊道2 内对被激光照射的部分进行拍摄。由此，使超声波探伤装置10获得如图 IO所示的表示焊接钢管1的外表面的横截面形状的图像。控制装置16根 据获得的图像计算出焊道2的中央位置。超声波探伤装置10根据由控制 装置16计算出的中央位置使机械手50移动。
控制装置16对斜角探头31 38的配置位置作出决定，通过升降架U 及臂13等使各探头移动到定位后的配置位置。控制装置16还对各斜角探 头31 38进行控制。下面，说明各斜角探头31 38中用于控制斜角探头 37及38的控制装置16的构成。
参照图7，控制装置16具备脉冲发生器18、放大器19、伤痕评价 装置20。脉冲发生器18向斜角探头37及38施加尖峰状脉冲。斜角探头 37及38从脉冲发生器18接受脉冲，从内部压电振子将横波超声波传播到 钢管中。被内面止端部反射后的横波超声波波束(回波)被斜角探头37 及38接收，且转换为电信号(以下称为"回波信号")。回波信号从斜角 探头37及38输出到放大器19。
放大器19对回波信号进行放大。放大器19具备前置放大器191、 滤波器192、主放大器193。前置放大器191对接收到的回波信号进行放 大。滤波器192从被前置放大器191进行了放大的回波信号中去除噪声。 主放大器193对通过滤波器192后的回波信号进行放大。将被放大器19 放大后的回波信号输入到伤痕评价装置20。
伤痕评价装置20具备注册有监视视窗数据的硬盘驱动器(HDD) 201、监视视窗设定部202、评价部203、事件发生部204。监视视窗设定 部202根据由HDD201读出的监视视窗数据，对回波信号设定监视视窗。 关于监视视窗的设定方法以后进行叙述。在超声波探伤试验中当设定的监 视视窗内的回波信号超过规定的阈值时，评价部203判断为在进行探伤的 位置存在内面止端部裂纹。事件发生部204在评价部203检测到内面止端 部裂纹时，或者通知操作员，或者指示未图示的划线装置进行划线。
14探头
斜角探头37及38在与焊道2垂直的同一条线上彼此对置配置。斜角 探头37及38输出做成40度以上不足55度的折射角的横波超声波波束， 且通过斜角探伤法检测内面止端部裂纹。
同样，斜角探头31及32在与焊道2垂直的同一条线上彼此对置配置， 斜角探头33及34在与焊道2垂直的同一条线上彼此对置配置。斜角探头 31 34输出做成55度 70度的折射角的横波超声波波束。斜角探头31 及32检测焊接钢管1内面附近内在的L方向伤痕。斜角探头33及34检 测焊接钢管1外表面附近内在的L方向伤痕。斜角探头35及36在焊道2 上彼此对置配置。斜角探头35及36检测T方向伤痕。
斜角探头37及38对焊接钢管1内面止端部2L及2R以及它们的附近 进行探伤，但对除此之外的区域则不能探伤。即，只是用斜角探头37及 38有产生不能检测到焊接钢管1内外表面的L方向伤痕的可能性。通过 配置斜角探头31 34，可以对整个焊道2内部进行探伤，进而能够检测到 L方向伤痕。
各斜角探头31 34、 37及38具备楔子、配置于楔子上的压电振子。 压电振子既可以是铌酸铅系陶瓷、钛酸铅系陶瓷、铌酸锂系陶瓷等陶瓷类 压电振子，也可以是PZT—环氧树脂合成材料振子。优选将做成压电振子 PZT—环氧树脂合成材料振子。由于PZT—环氧树脂合成材料振子与陶瓷 类压电振子相比较阻尼性能高，因而相邻回波的分离容易，易于识别伤痕 回波和焊道形状干扰回波。
各斜角探头31 34、 37及38经由液状接触介质即水配置于焊接钢管 1的外面上，且向焊接钢管1内部入射横波超声波波束。
斜角探头35及36具有压电振子，但不具有楔子。将探头35及36配 置于焊道2上。焊道2的表面形状不会比母材的外表面形状光滑。因此， 具备楔子的斜角探头不会使横波超声波波束稳定地入射到焊道2内。由于 斜角探头35及36不具有楔子，通过液态接触介质水从压电元件输出横波 超声波，因而可以将稳定的横波超声波入射到焊道2内。
监视视窗设定方法
下面，说明与用探头37及38对焊接钢管中的焊道的两止端部进行探伤而得到的回波信号相对的监视视窗的设定方法。
超声波波束一边按规定的指向角扩散一边进行传播。因此，如图11
所示，在使用斜角探头的寒风的焊接止端部2L进行探伤的情况下，焊接 钢管1内面的焊道2内，超声波波束在焊道中央位置2C和止端部2R之间 的内面上进行传播，有可能在内面200发生反射。可将该发射回波作为焊 道形状干扰回波进行检测。在使用具有40度以上不足55度的折射角的斜 角探头37及38的情况下，焊道形状干扰回波的强度变大，因而，有可能 将焊道形状干扰回波误认为内面止端部裂纹的回波而造成过度检测。
于是，在本发明中，对于通过超声波探伤得到的回波信号，按照下面 所示的方法设定监视视窗，以防止焊道形状干扰回波的过度检测。参照图 12及图13，首先备好具有与作为检查对象的焊机钢管1相同的外径、相 同的壁厚、相同的钢种的试样焊接钢管100 (Sl)。在试样焊接钢管100 的焊道2上，预先加工有3个人工伤痕I1 13。在可产生内面止端部裂纹 的位置加工人工伤痕II及13。具体而言，就是将人工孔II加工成从止端 部朝向母材内部，且相对于径方向向焊道2相反侧倾斜35 50度。将人 工伤痕13加工成从止端部朝向母材内部，且相对于径方向向焊道2相反侧 倾斜35 50度。从焊道2的中央位置2C沿径方向对人工伤痕12进行加 工。
接着，用探头37及38对试样焊接钢管100的止端部2R及2L进行探 伤。首先，在试样焊接钢管100内面的两止端部2R及2L内，将斜角探头 37配置于距与斜角探头30的距离短的一方的止端部2R0.5跳越距离。然 后，用探头37对人工伤痕I1及I2的回波进行检测(S2)。此时，以使人 工伤痕II及12的回波强度达到最大的方式，来微调探头37的配置位置。 调整后，控制装置16使探头37的配置位置与试样焊接钢管的外径(mm)、 壁厚(mm)、钢种一一对应且注册于视窗目录。视窗目录被存储于HDD201， 且对每个斜角探头都制作。通过以上的方法，来决定超声波试验时的探头 30的配置位置。超声波探伤装置10对斜角探头38也和对斜角探头37 — 样微调其配置位置，控制装置16将调整后的探头38的配置位置注册于探 头38用的视窗目录。
调整配置位置后，伤痕评价部20对斜角探头37接收到的人工伤痕II及12的回波信号进行检测。此时，伤痕评价器20内的监视视窗设定部202 不工作，将从放大器19输出的回波信号输入到评价部203。图15表示用 示波器法表示输入到评价部203的回波信号的图。
参照图15，评价部203在斜角探头37将横波超声波波束入射到试样 焊接钢管100后，获取对人工伤痕Il进行检测时的时间，换言之，就是在 脉冲发生器18输出脉冲的时间t0后，获取最先检测到超过阈值的回波强 度EIl的时刻tl (以下，称为"止端部裂纹检测时刻tl")。评价部203还 获取斜角探头37检测到人工伤痕I2的时间，换言之，就是获取斜角探头 37检测到在时间t0以后超过阈值的第二个回波强度EI2的时刻t2 (以下 称为"干扰回波检测时刻t2")。使获取到的止端部裂纹检测时刻tl及干 扰回波检测时刻t2与试样焊接钢管100的外径(mm)、壁厚(mm)、以 及钢种一一对应且注册于探头37用的视窗目录(S3)。同样，也对探头38 测量止端部裂纹检测时间及干扰回波检测时间，且注册于探头38用的视 窗目录(S3)。通过以上的工作，将监视视窗数据(tl及t2)注册于视窗 目录。注册后，结束试样焊接钢管100的超声波探伤。
超声波探伤装置10在对作为检查对象的焊机钢管1实施超声波探伤 试验时，使用监视视窗数据设定监视视窗。参照图15，伤痕评价器20内 的监视视窗设定部202，首先参照HDD201内的视窗目录，获取与作为检 查对象的焊接钢管1的外径、壁厚及钢种相对应的止端部裂纹检测时刻tl 及干扰回波检测时刻t2。获取之后，监视视窗设定部202通过式(3)计 算出作为监视视窗的起点的视窗起点ts。
视窗起点ts二tl - At/2 (3)
在此，At为超声波探伤试验中根据机械手50对焊道2的追踪误差而 预先设定的值(通常，相当于土2mm的时间)。机械手50根据焊道检测器 17的信息一边转动一边追踪焊道2，但由于在追踪之前需要若干时间，因 此，有时只有规定的余量(通常为土2mm左右)偏离焊道正上方。因此， 根据规定的余量预先设定规定时间At，且储存于HDD201。通过以上方法， 设定视窗起点ts。
接着，使监视视窗设定部202确定监视视窗的终点即视窗终点te。监 视视窗设定部202以干扰回波检测时刻t2为视窗终点te。由于焊道形状干扰回波依赖于焊道2的形状，因而难以特别指定其发生位置。但是，可以 特别指定不发生焊道形状干扰回波的范围。
参照图11，在从斜角探头38输出的横波超声波波束大致垂直地入射 到焊接钢管1的内面时，其反射回波被斜角探头38接收。焊道2的形状 是以中央位置2C为顶点的凸状。因此，发自斜角探头38的横波超声波波 束大致垂直地入射在内面200的任何部分，反射回波都可以被斜角探头38 接收。但是，横波超声波波束并不是垂直入射到自止端部2L至焊道中央 位置2C的内面300，因而至少在内面300不会产生焊道形状回波。因此， 若将由人工伤痕I2特别指定的焊道2的中央位置2C (时刻t2)作为视窗 终点te，则由于焊道形状干扰发生在视窗终点te以后，因而可以防止对焊 道形状千扰的过度检测。
监视视窗设定部202在超声波探伤试验时，将根据上述方法设定的自 视窗起点ts至视窗终点te的范围设定为监视视窗TG (Time Gate)。由此， 可以防止对焊道形状干扰回避的过度检测，进而可以提高内面止端部裂纹 的检测精度。
焊接钢管的制造方法
在说明使用具有以上构成的超声波探伤装置10的超声波探伤方法之 前，先说明作为检査对象的焊接钢管的制造方法。
首先，使用C形冲压、U形冲压、O形冲压或者辊轧成形等众所周知 的弯曲加工方法对钢板进行弯曲加工形成开口管。然后，使用众所周知的 焊接方法对形成的开口管的接缝进行焊接做成焊接钢管。焊接后，为了提 高焊接钢管内面的尺寸精度而对焊接钢管全长进行扩管。
在扩管后的焊接钢管内，有可能存在因扩管引起的内面止端部裂纹。 于是，以扩管后的焊接钢管为检查对象，实施本实施方式的超声波探伤。 下面，说明本发明的超声波探伤方法。
超声波探伤方法
参照图16，首先，备好搭载有斜角探头37及38的超声波探伤装置 10，将作为检查对象的焊接钢管1放置在超声波探伤装置10的输送滚筒 70上(Sll)。接着，将斜角探头37及38配置于焊接钢管的外表面(S12)。 此时，参照HDD201内的斜角探头37及38的视窗目录，使超声波探伤装
18置10读出注册于与检查对象焊接钢管相同的尺寸(外径、壁厚)及钢种
的记录的配置位置数据。然后，开动机械手50使探头37及38接触于读 出的配置位置。由此，以使在焊接钢管l内的横波超声波波束的传播方向 与焊道2的长度方向大致垂直，而且使40度以上不足55度的横波超声波 波束在焊接钢管1内面的焊道2的两止端部2L及2R中与斜角探头37之 间的距离短的一方的止端部2R传播的方式，来配置斜角探头。同样，以 使40度以上不足55度的横波超声波波束在止端部2L传播的方式来配置 斜角探头38。另外，也将其它斜角探头31 36被配置在焊接钢管1的外 表面上。
然后，评价部203设定监视视窗(S13)。评价部203参照斜角探头37 用的视窗目录，读出注册于与检查对象焊接钢管l相同的尺寸(外径、壁 厚)及钢种的记录的止端部裂纹检测时刻tl及干扰回波检测时刻t2。接着， 评价部根据式(3)计算出视窗起点ts，将自视窗起点ts至视窗终点te (即 干扰回波检测时刻t2)的范围作为监视视窗TG。对于斜角探头38，也同 样地设定监视视窗TG。
在设定监视视窗TG后，使超声波探伤装置10实施超声波探伤试验 (S14)。超声波探伤试验是根据斜角探伤法来实施的。在实施超声波探伤 试验的过程中，在管轴方向输送焊接钢管l。超声波探伤装置IO，通过焊 道检测器17使机械手50追踪焊接钢管1的焊道2，与此同时，调查有无 内面止端部裂纹。内面止端部裂纹的有无是通过伤痕评价器20来进行判 断的。
伤痕评价器20内的评价部203，对由斜角探头37接收到的回波信号 的回波强度在监视视窗TG内是否超出规定的阈值进行判断。判断的结果 是，若监视视窗TG内的回波强度未达到阈值，则评价部203判断为不存 在内面止端部裂纹。另一方面，若监视视窗TG内的回波强度超出阈值， 则评价部203判断为在探伤的位置存在内面止端部裂纹。此时，事件发生 部204或者发出警报声，或者指示装备于超声波探伤装置10内的划线装 置(未图示)在检测有内面止端部裂纹的地方进行划线。伤痕评价器20 对由斜角探头38接收到的回波信号也进行同样的判断。
在步骤S14,其它斜角探头31 36也使横波超声波波束进行入射，对内面的L方向伤痕和T方向伤痕进行探伤。因此，超声波探伤装置10可 以对所有焊道2进行超声波探伤。
如上所述，通过具备可以使40度以上不足55度的折射角的横波超声 波波束入射的斜角探头37及38，使横波超声波波束从这些斜角探头37 及38朝止端部2L及2R入射，来提高内面止端部裂纹的检测能力。另外， 通过用上述的方法且使用确定了视窗起点ts及视窗终点te的监视视窗TG 来判断有无内面止端部裂纹，可以防止对焊道形状干扰回波的过度检测。 另外，使用斜角探头31 36还可以对现有的探伤对象即L方向伤痕及T 方向伤痕进行探伤。
另外，在本实施方式中，将焊接钢管的尺寸及钢种注册于视窗目录， 但也可以只注册尺寸。即，超声波探伤装置10也可以根据焊接钢管的尺 寸读出监视数据，设定监视视窗。另外，也可以不必使试样焊接钢管100 的横截面形状(外径、壁厚等)与作为检查对象的焊接钢管1的尺寸严格 地同一。即使使用根据外径及壁厚的误差为± 10%左右的试样焊接钢管 100的视窗目录数据，也可以通过上述的方法对作为检查对象的焊接钢管 l进行探伤，进而可以检测内面止端部裂纹。
另夕卜，将斜角探头37、 38的配置位置做成了距止端部2R、 2L0.5跳 越距离，但是即使按照1.5跳越距离进行配置，也可以达到本发明的效果。 但是，为了使按照0.5跳越距离配置的一方得到更高的聚束效果，优选按 0.5跳越距离配置斜角探头37及38。而不必将斜角探头严格地配置于相当 于0.5跳越距离的位置。，即使配置于稍微偏离0.5距离的位置，也可以达 到本发明的效果。
第二实施方式
在第一实施方式中，将斜角探头37及38配置于与焊道2垂直的同一 条直线上，但是如图17所示，也可以不必将斜角探头37及38配置于同 一条直线上，而是彼此错开配置于焊道2的方向。该情况可以抑制从斜角 探头37及38发出的超声波波束的相互千涉。
第三实施方式
在第一及第二实施方式中使用了斜角探头，但是也可以替代斜角探头 37及38而使用在探伤试验中可以改变折射角的阵列探头来检测内面止端部裂纹。
参照图18，本实施方式的超声波探伤装置，替代探头37而具备阵列 探头40。另外，替代了探头38而具备和阵列探头40—样的阵列探头。
阵列探头40具备横截面为扇形的调节楔即楔子41、在楔子41的凸 曲面上沿扇形的周方向排列的多个超声波振子Chl Ch32。在振子Chn(n =1 32)上，连接有脉冲发生器PLn (n二l 32)和发送用延迟元件TDn (n二l 32)。脉冲发生器PLn输出用于激励振子Chn的脉冲。例如，脉 冲发生器PL1向振子Chl输出脉冲，脉冲发生器PL2向振子Ch2输出脉 冲。
折射角控制部60选择与连续排列的规定数量的振子Ch相对应的脉冲 发生器PL。在本实施方式中，假设为选择与Chk Chk+15 (k=l 17) 对应的脉冲发生器PLk PLk+15 (k=l 17)，在此，k为计数值，由折 射角控制部60执行增加或者减少。选择脉冲发生器PLk PLk+15后，折 射角控制部60决定发送用延迟元件TDk TDk+15的各自的延迟时间。 以此决定振子Chk Chk+15各自输出超声波的定时。
通过由折射角控制部60调整各振子Chk Chk+15的超声波输出的定 时，阵列探头40可以在探伤试验中使折射角发生变化。因此，可以在超 声波探伤试验中， 一边使阵列探头40输出的超声波波束的折射角在40度 以上不足55度的范围进行变化， 一边对焊道2内面进行探伤。由此，若 是一边使阵列探头在折射角在40度以上不足55度内进行变化一边探伤， 则可以提高倾斜角具有直至35 50°标准离差的内面止端部裂纹的检测 能力。
振子Chk Chk+15输出超声波，将超声波波束从阵列探头40输出到 内面止端部。此时，使各振子Chk Chk+15接收反射回来的回波并转换 成电信号。接收装置REk REk+15接收由所对应的振子Chk Chk+15 输出的信号。接收用延迟元件RDk RDk+15由从对应的接收装置REk REk+15接收信号，进行与发送用延迟元件TDk TDk+15的延迟时间相 同的时间延迟。通过加法器160对从延迟元件RDk RDk+15输出的信号 进行加法运算。通过使脉冲输出时的延迟时间和回波接收时的延迟时间变 得相同，将由加法器160计算得到的信号作为准确的探伤结果。通过主放
21大器193对从加法器160输出的信号进行放大，并输出到伤痕评价器20。 伤痕评价器20的评价方法与第一实施方式相同。另外，使取代探头38而 安装的阵列探头也进行同样的工作。
如上所述，在第三实施方式中，使用阵列探头40，使超声波波束的折 射角在40度以上不足55度的范围内摆动，与此同时实施超声波试验。因 此，可以进一步提高内面止端部裂纹的检测能力。
另外，也可以替代并排设置了多个振子而以线性阵列的方式，使用可 以电性改变超声波波束的折射角的阵列探头，使超声波波束在40度以上 不足55度的范围内摆动，与此同时实施超声波试验。
以上，说明了本发明的实施方式，但上述的实施方式不过是用于实施 本发明的例示。因此，本发明不限于上述的实施方式，而是可以在不超脱 其宗旨的范围内对上述的实施方式进行适当变形进行实施。
工业上应用的可行性
本发明可以广泛应用于焊接钢管的探伤，特别是可以应用于高强度小 径壁厚的焊接钢管的探伤，更具体地说，是可以应用于具有600MPa以上 的拉伸强度，外径为500mm 100mm、壁厚15mm 40mm左右的UOE 钢管的探伤。
权利要求
1、一种超声波探伤方法，通过斜角探伤法对具有形成于管轴方向的焊道的焊接钢管进行探伤，其特征在于，具备准备输出成为40度以上低于55度的折射角的第一横波超声波波束的第一探头的工序；将所述第一探头配置于所述焊接钢管的外表面上的工序，使在所述焊接钢管内的所述第一横波超声波波束的传播方向与所述焊道的长度方向大致垂直，且在所述焊接钢管内面的焊道的两止端部中，使所述第一横波超声波波束向与所述第一探头之间的距离短的一方的止端部传播；从所述配置的第一探头输出所述第一横波超声波波束，对所述焊接钢管进行探伤的工序；根据探伤结果，判断有无内面止端部裂纹的工序。
2、 如权利要求1所述的超声波探伤方法，其特征在于， 在所述配置的工序，将所述第一探头配置于距与所述第一探头之间的距离短的一方的止端部0.5跳越距离处。
3、 如权利要求1所述的超声波探伤方法，其特征在于，还具备 准备具有与作为检査对象的所述焊接钢管大致相同的横截面形状，且具有形成于内面的焊道的第一人工孔、和形成于内面的焊道中央的第二人 工孔的试样焊接钢管的工序；将所述第一探头配置于所述试样焊接钢管的外表面上的工序，使在所 述试样焊接钢管内的所述第一横波超生声波波束的传播方向与所述焊道 的长度方向大致垂直，且在所述试样焊接钢管内面的焊道的两止端部中， 使所述第一横波超声波波束入射到形成于与所述第一探头之间的距离较 短的一方的止端部的第一人工孔；在对作为所述检查对象的焊接钢管进行探伤之前，用所述配置的第一 探头对所述试样焊接钢管进行探伤，求出所述第一探头输出所述第一横波 超声波波束之后对所述第一人工孔的回波进行检测时的第一时间和对所 述第二人工孔的回波进行检测时的第二时间的工序；在对所述检査对象的焊接钢管进行探伤时，从所述第一时间起将进行了规定时间差分的第三时间作为视窗起点，将所述第二时间作为视窗终点 的设定监视视窗的工序；所述判断的工序，在对所述检查对象的焊接钢管进行探伤的过程中， 在所述第一探头接收到的回波中所述监视视窗内的回波强度超出规定的 阈值时，则判断出检测到所述内面止端部裂纹。
4、 如权利要求1 3中任一项所述的超声波探伤方法，其特征在于， 还具备将输出成为55度 70度的折射角的第二横波超声波波束的第二探 头，以使所述第二横波超声波波束的传播方向与所述焊道的长度方向大致 垂直的方式配置于所述焊接钢管的外表面上的工序；使所述第二横波超声波波束从所述第二探头入射到所述焊接钢管内 对所述焊道进行探伤的工序；根据所述第二探头的探伤结果，来判断有无沿所述焊道的长度方向所 形成的纵向伤痕的工序。
5、 一种焊接钢管的制造方法，其特征在于，具备 对钢板进行弯曲加工成形为开口管的工序；焊接所述开口管的接缝，形成具有形成于管轴方向的焊道的焊接钢管 的工序；对所述焊接钢管的全长进行扩管的工序；通过斜角探伤法对所述扩管后的焊接钢管进行探伤的超声波探伤工序，其中，所述超声波探伤工序具备准备输出成为40度以上低于55度的折射角的第一横波超声波的第一 探头的工序；将所述第一探头配置于所述焊接钢管的外表面上的工序，使在所述焊 接钢管内的所述第一横波超声波波束的传播方向与所述焊道的长度方向 大致垂直，且在所述焊接钢管内面的焊道的两止端部中，使所述第一横波 超声波波束向与所述第一探头之间的距离短的一方的止端部传播；从所述配置的第一探头输出所述第一超声波波束，对所述焊接钢管进 行探伤的工序；根据探伤结果，来判断有无内面止端部裂纹的工序。
6、 一种超声波探伤装置，其用于按照斜角探伤法对具有形成于管轴 方向的焊道的焊接钢管进行探伤，其特征在于，具备.-输出成为40度以上低于55度的折射角的横波超声波的第一探头； 将所述第一探头配置于所述焊接钢管的外表面上的机械手，该机械手 把持所述探头，使在所述焊接钢管内的所述第一横波超声波波束的传播方 向与所述焊道的长度方向大致垂直，且在所述焊接钢管内面的焊道的两止 端部中，使所述第一横波超声波波束向与所述第一探头之间的距离短的一 方的止端部传播；根据由所述第一探头进行的探伤结果，来判断有无内面止端部裂纹的 伤痕评价装置。
全文摘要
本发明提供超声波探伤方法、焊接钢管的制造方法及超声波探伤装置。在本发明的超声波探伤方法中，将斜角探头配置于焊接钢管的外表面上，使在焊接钢管内的横波超声波波束的传播方向与焊道的长度方向大致垂直，而且使在焊接钢管内面中的焊道的两止端部内与斜角探头之间的距离短的一方的止端部构成40度以上不足55度的折射角的横波超声波波束传播。配置后，通过斜角探头对焊接钢管进行探伤，根据探伤结果判断有无从止端部向母材内部延伸且相对于焊接钢管的径方向向与焊道相反侧倾斜的内面止端部裂纹。因此，可以提高焊接钢管内面的焊道的止端部所产生的内面止端部伤痕的检测能力。
文档编号G01N29/04GK101467035SQ20078002196
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月12日 优先权日2006年6月13日
发明者堀切巧, 大久保宽之, 山野正树, 永濑诚 申请人:住友金属工业株式会社