製品や溶接部の内部には、外観から確認できないきずが生じる場合があります。しかし、内部を確認するために製品を切断すると、検査後は使用できません。
超音波探傷は、対象物を壊さずに内部を調べる非破壊検査です。鋼材や溶接部のほか、配管、鋳造品、鍛造品、複合材などにも利用されています。
一般的なパルス反射法に加えて、フェーズドアレイUTやTOFDによる画像化も行われています。さらに、ロボットや専用スキャナを使い、探触子の走査を自動化する設備もあります。
本記事では、超音波探傷の仕組み、検査できるもの、主な種類を解説します。メリットと注意点に加えて、自動化に必要な構成や公開事例も紹介します。
目次[]
超音波探傷とは
超音波探傷とは、材料内部へ超音波を送り、戻ってきた信号から内部の状態を調べる検査方法です。
英語では「Ultrasonic Testing」と呼ばれ、一般にUTと略されます。
材料表面に探触子と呼ばれるセンサーを当てると、内部へ超音波が伝わります。きずや異なる材質の境界がある部分では、超音波の一部が反射します。
探傷器は、反射波が戻るまでの時間や信号の大きさを測定します。その結果から、きずの位置や材料内部の状態を評価します。
非破壊検査とは
非破壊検査とは、製品や構造物を壊さずに、表面や内部の状態を調べる検査の総称です。
英語では「Non-Destructive Testing」と呼ばれ、NDTと略されます。
検査後も対象物を使用できるため、製造工程の品質確認に利用されています。稼働中の設備や、大型構造物の保守点検にも用いられます。
これに対して、破壊検査では製品を切断し、断面や内部組織を直接確認します。詳細な観察が可能ですが、検査した製品をそのまま出荷することはできません。
超音波探傷は、非破壊検査の一つです。主に材料内部のきずや、板厚の確認に使用されます。
超音波探傷試験について
超音波探傷試験（UT）は、対象物の内部へ超音波を送り、戻ってきた反射波から内部の状態を調べる検査方法です。
一般的なパルス反射法では、探触子から超音波を送信します。材料内部にきずや異なる材質の境界があると、超音波の一部が反射し、再び探触子へ戻ります。
探傷器は、反射波が戻るまでの時間と信号の大きさを測定します。反射時間からきずまでの距離を推定し、信号の大きさや波形から内部の状態を評価します。
超音波探傷試験の仕組み
探触子の内部には、圧電素子と呼ばれる部品があります。圧電素子は、探傷器から送られた電気信号を超音波へ変換し、戻ってきた超音波を電気信号へ戻します。
材料内部を進んだ超音波は、きず、介在物、接合面、材料の底面などで反射します。受信した信号は、探傷器の画面に波形や画像として表示されます。
ただし、溶接余盛、裏当て金、段差、穴などの製品形状からも反射波が発生します。そのため、形状による反射と、きずによる反射を区別する必要があります。
超音波探傷試験で分かること
超音波探傷試験では、き裂、未融合、溶込み不良、介在物、鋳巣、気泡、空隙、剥離、接着不良などを検出対象とします。
反射波が戻るまでの時間から、きずの深さや位置を推定できます。探触子の走査位置も記録すれば、きずの分布を断面や平面の画像として表示することも可能です。
また、超音波が材料の表面と底面を往復する時間から、配管やタンクなどの板厚を測定できます。複数の位置を連続して測定すれば、腐食や減肉の分布、板厚の経年変化も確認できます。
ただし、検出しやすさや測定精度は、きずの向き、材質、表面状態、探触子、周波数、校正条件によって変わります。画面に表示された振幅や画像だけで、きずの実際の寸法を直接判断することはできません。
超音波探傷でカプラントを使用する理由
接触式の超音波探傷試験では、探触子と対象物の間にカプラントと呼ばれる液体を塗布します。
探触子と対象物の間に空気が残ると、超音波の多くが表面で反射し、材料内部へ伝わりにくくなります。カプラントを使用することで空気の層を減らし、超音波を安定して伝えます。
カプラントには、水、油、グリセリン、専用ゲルなどが用いられます。自動検査設備では、供給量に加えて、気泡や液温も管理します。
超音波探傷で検査できるもの
超音波探傷試験（UT）は、鋼材、溶接部、配管、圧力容器、タンク、橋梁などの内部きずを確認する検査として広く用いられます。製造工程の品質検査だけでなく、稼働中の設備や構造物の保守点検にも利用されています。
代表的な検査対象と確認内容は、次のとおりです。
| 検査対象 | 製品・構造物の例 | 主な確認内容 |
|---|---|---|
| 鋼材 | 鋼板、丸棒、鋼管 | 介在物、内部きず、板厚 |
| 溶接部 | 橋梁、建築鉄骨、プラント配管 | き裂、未融合、溶込み不良 |
| 配管・圧力設備 | 配管、タンク、圧力容器 | 溶接きず、腐食、減肉 |
| 鋳造品・鍛造品 | 鋳物部品、軸、リング | 鋳巣、気泡、介在物、内部きず |
| 機械部品 | ボルト、車軸、大型部品 | 疲労き裂、内部の不連続部 |
| スポット溶接部 | 自動車車体、板金部品 | 接合状態、溶接範囲 |
| 複合材・接着部 | 航空部品、積層パネル | 剥離、空隙、接着不良 |
主な対象は鋼やアルミニウムなどの金属ですが、セラミックス、ガラス、樹脂、複合材にも利用されます。内部きずの検出に加えて、板厚や寸法、膜厚の測定、材質評価、液体中の異物検出などにも活用されています。
ただし、鋳鉄や粗粒材、オーステナイト系ステンレス、複合材では、超音波の散乱や減衰によって検出が難しくなる場合があります。材質、厚さ、形状、表面状態に合わせて検査条件を設定することが重要です。
超音波探傷の主な種類
超音波探傷には、探触子の配置や信号処理が異なる複数の方式があります。
代表的な方式を次の表に整理します。
| 種類 | 仕組み | 主な特徴 |
|---|---|---|
| パルス反射法 | 反射した超音波を同じ側で受信する | 片側から検査でき、深さを求めやすい |
| 透過法 | 対象物を挟んで送信側と受信側を置く | 剥離や接着不良の広域検査に適する |
| フェーズドアレイUT | 多数の素子を時間差で動作させる | 角度や焦点を電子制御できる |
| TOFD | き裂端部からの回折波を測定する | きずの高さを評価しやすい |
| FMC／TFM | 多数の送受信データから画像を作る | 広い範囲へ焦点を合わせられる |
各方式には、適用しやすい検査対象と制約があります。
一つの方式だけで必要な範囲を検査できない場合は、複数の方式を組み合わせます。
パルス反射法
パルス反射法は、超音波探傷で広く使用される方式です。
探触子から超音波を送り、きずや底面から戻る反射波を同じ側で受信します。
対象物の片側から検査できるため、裏面へ入れない製品や構造物にも適用しやすい方法です。
反射時間から、きずまでの距離や板厚を推定できます。
一方、きず面と超音波の進行方向が平行に近い場合は、反射波が探触子へ戻りにくくなります。
透過法
透過法では、対象物の一方に送信探触子を置きます。反対側には、超音波を受信する探触子を配置します。
きずや剥離がある部分では、透過する超音波が弱くなります。その変化から、内部の異常を検出します。
複合材や接着部の広域検査に適しています。
ただし、対象物の両側からアクセスする必要があります。また、単純な配置では、きずの深さを特定しにくい点も制約です。
垂直探傷と斜角探傷
超音波を入射する方向によって、垂直探傷と斜角探傷に分けられます。
垂直探傷では、対象物の表面に対して、おおむね垂直方向へ超音波を送ります。鋼板や鍛造品の内部きず、板厚の測定などに用いられます。
斜角探傷では、材料内部へ斜め方向に超音波を送ります。溶接部や、特定方向のきずを検出する場合に使用されます。
きずを検出するには、超音波がきず面で反射し、探触子へ戻る必要があります。
そのため、想定するきずの向きに合わせて、入射方向を選ぶことが重要です。
フェーズドアレイUT（PAUT）
フェーズドアレイUTは、複数の小さな振動素子を並べた探触子を使用します。
一般に、PAUTと略されます。
各素子を動作させる時間を調整することで、超音波の角度や焦点位置を電子的に制御します。
一つの探触子で、複数角度のデータを取得できる点が特徴です。溶接部を広い角度範囲で確認する場合にも使われます。
検査結果を断面画像として表示しやすく、反射源の位置関係を把握しやすくなります。
ただし、各素子の状態や、くさびの遅延時間を確認する必要があります。焦点条件や表示範囲によって、検出性能も変化します。
画像が鮮明に見えても、必要なきずを検出できるとは限りません。実材に近い試験片を使った確認が必要です。
TOFD
TOFDは「Time of Flight Diffraction」の略です。
一般的には、溶接部を挟むように送信探触子と受信探触子を配置します。
き裂の上端と下端から発生する回折波を測定し、到達時間から高さ方向を評価します。
振幅だけに依存しにくいため、きずの高さを評価する方法として用いられます。
ただし、表面付近と底面付近には、きずを分離しにくい範囲があります。
そのため、PAUTやパルス反射法などと組み合わせて使用する場合があります。
FMC／TFM
FMCは「Full Matrix Capture」の略です。
アレイ探触子にある各素子について、送信と受信の組み合わせを記録します。
TFMは「Total Focusing Method」の略です。FMCで取得したデータを使い、画像内の各位置へ焦点を合わせた画像を再構成します。
広い範囲で集束した画像を得られる点が特徴です。
一方で、取得するデータ量と演算量が大きくなります。再構成する範囲や画素数によって、処理時間も変化します。
また、再構成条件によって表示結果が変わる場合があります。
検査結果とあわせて、ソフトウェアの版や処理条件も記録することが重要です。
超音波探傷のメリット
超音波探傷は、対象物を壊さずに内部を確認できる検査方法です。片側から検査できる方式があり、結果をデータとして保存できる点も利点です。
製品を壊さず、片側から内部を検査できる
対象物を切断しないため、検査後も製品や設備を使用できます。量産品の全数検査や、稼働中設備の保守点検にも利用できます。
一般的なパルス反射法では、対象物の片側から検査できます。そのため、裏側へ入れない配管、タンク、大型構造物にも適用しやすい方法です。
適切な探触子と周波数を選べば、厚板や大型部品の内部も検査できます。ただし、探触子を当てられる範囲や、材料内部での超音波の減衰を確認する必要があります。
きずの位置を推定し、結果を記録できる
反射波が戻るまでの時間から、きずまでの距離を推定できます。走査位置と組み合わせれば、指示が検出された位置や分布も記録できます。
デジタル探傷器では、波形や画像、装置設定を保存できます。過去の検査結果と比較できるため、品質傾向の管理やトレーサビリティにも活用できます。
ただし、正確な位置を求めるには、材料の音速や探触子の条件に合わせた校正が必要です。
自動走査へ展開できる
ガントリ、専用スキャナ、ロボットなどを組み合わせれば、探触子の移動を自動化できます。走査速度や測定ピッチをそろえやすくなり、広い範囲を連続して検査できます。
波形と位置情報を同期すれば、検査結果の画像化や自動保存も可能です。
ただし、安定した検査には、探触子の角度、押付け力、カプラントの状態も管理する必要があります。
超音波探傷のデメリットと注意点
超音波探傷の検出性能は、きずの向きや材料の性質、表面状態によって変わります。装置の仕様だけで判断せず、対象物に合った検査条件と校正方法を設定することが重要です。
きずの向きや表面状態に左右される
超音波は、きず面で反射した信号が探触子へ戻ることで検出されます。そのため、超音波の進行方向と平行に近いきずは、大きくても信号が小さくなる場合があります。
また、錆、塗膜、油、表面粗さ、段差、曲率なども、超音波の伝わり方に影響します。必要に応じて検査面を清掃し、想定するきずの向きに合わせて複数方向から走査します。
材質や深さによって検出しにくい場合がある
鋳鉄や粗粒材では、材料内部で超音波が散乱し、きずの信号がノイズに埋もれる場合があります。複合材や樹脂でも、超音波の減衰が大きく、深部まで届きにくいことがあります。
また、表面付近では送信パルスの影響により、浅いきずを分離しにくい場合があります。対象に応じて、周波数を下げるほか、二振動子探触子や遅延材付き探触子を検討します。
評価と精度確認に専門知識が必要
探傷器には、きずだけでなく、底面や溶接形状からの反射も表示されます。そのため、波形や画像から反射源を判断するには、検査方法や対象物に関する知識が必要です。
PAUTやTFMで鮮明な画像が得られても、表示の細かさが測定精度を保証するわけではありません。音速、入射角、走査ピッチ、校正状態などが結果に影響します。
必要な検出性能と測定精度は、実材に近い基準試験片を使って確認します。適用規格や顧客仕様によっては、検査員の資格や力量も求められます。
超音波探傷方法を選ぶ際のポイント
超音波探傷の方法は、装置の性能だけで決めることはできません。検出したいきずの種類、向き、位置、深さを整理し、対象物に合った探触子や周波数を選定します。
材質や板厚、表面状態、曲率も検出性能に影響します。特に、曲面や段差がある製品では、探触子を安定して接触させられるか確認が必要です。
周波数が高いほど、小さなきずを分離しやすくなります。一方、周波数が低いほど、厚板や減衰の大きい材料の深部まで届きやすくなります。
| 周波数 | 主な特徴 | 適用しやすい条件 |
|---|---|---|
| 高い | 微細な反射を分離しやすい | 薄板、微小きず |
| 低い | 深部まで届きやすい | 厚板、粗粒材 |
選定後は、実材に近い基準試験片を使い、必要なきずを検出できるか確認します。あわせて、適用する規格や顧客仕様に基づき、校正方法、検査範囲、合否基準を決めることが重要です。
超音波探傷に関するよくある質問
超音波探傷では、すべての内部きずを検出できますか？
すべてのきずを同じ条件で検出できるわけではありません。特に、超音波と平行に近いきずは、反射が探触子へ戻りにくくなります。
複数角度からの走査や、PAUTとTOFDの併用を検討します。実材に近い試験片で、検出性能を確認することも必要です。
超音波の周波数は、高いほどよいですか？
高いほどよいとは限りません。高周波は細かな反射を分離しやすい一方で、材料内部での減衰や散乱が増えます。
厚板や粗粒材では、低い周波数が適する場合があります。必要な分解能とS/N比から選定します。
超音波探傷と超音波厚さ測定は同じですか？
利用する原理には共通点がありますが、検査の目的が異なります。厚さ測定は、主に表面と底面の反射から厚さを求めます。
超音波探傷では、材料内部のきずや不連続部を検出します。必要な装置設定や評価方法も異なります。
超音波探傷には、必ずカプラントが必要ですか？
一般的な接触式探傷では、カプラントを使用します。探触子と対象物の間にある空気を減らすためです。
EMAT、空中超音波、レーザー超音波など、カプラントを使わない方式もあります。ただし、適用できる材質や設備条件が異なります。
塗装された製品でも超音波探傷はできますか？
塗膜を残した状態で検査できる場合もあります。ただし、塗膜の厚さや状態は、超音波の伝達や測定位置へ影響します。
事前に同等条件の試験片で確認し、必要に応じて感度や音速を補正します。検査規格や顧客仕様によっては、塗膜除去が必要です。
超音波探傷を自動化すれば、有資格者は不要ですか？
自動化しても、有資格者が不要になるとは限りません。手順作成、校正、例外処理、結果承認には専門知識が求められます。
必要な資格や担当範囲は、適用規格と顧客仕様に基づいて決めます。
iCOM技研による導入サポート｜超音波探傷の自動化導入の「壁」を取り除く
超音波探傷の自動化では、ロボットやスキャナを選ぶだけでは十分ではありません。対象物の形状や検出したいきずに合わせて、探触子の姿勢、押付け力、走査経路、カプラント供給などを設計する必要があります。
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