本発明で用いるフェイズドアレイ型プロ� ��ブは、複数の探触子が並列するもの(プロー ブブロック)であり、フォーカス点を電子的� �制御するため、探傷中のマルチフォーカス(� ��直探傷と斜角探傷の組合せ)が可能であり、 広い領域の検査が可能である。また、横波よ りも音速の速い縦波では疑似欠陥エコーが探 傷画面に現れにくいので検査精度が高い。一 つのプローブブロックで広範囲の探傷が可能 であるため、従来のシングルプローブを周方 向に多数個配置する場合に生じる位置精度の 低下による検査精度の低下がないので、高い 検査精度が得られる。

 前記フェイズドアレイ型プローブは、縦� ��斜角(垂直を含む)で広い領域を探傷するこ� �ができるが、それでも不可避的に未検査領� �が生じる。本発明においては、断面円形の� �造棒に対し、周方向に所定角度をもって複� �のフェイズドアレイ型プローブを配置し、� �いの未検査領域を補完し合うことによって� �面近傍を含む全領域をくまなく検査するこ� �ができる。

 図1は、断面円形の鋳造棒(S)に対して、2� �のフェイズドアレイ型プローブ(1)(2)を配置� �た例である。

 第1フェイズドアレイ型プローブ(1)に対し 、(1A)(1A)は最大走査範囲から外れた走査外領� ��であり、(1B)は入射光が垂直方向に入射した ときに現れる底面エコーが欠陥エコーと分類 できないために発生する不感帯である。これ らの領域(1A)(1A)(1B)は、第1フェイズドアレイ� �プローブ(1)による探傷ができない未検査領� �である。前記走査外領域(1A)(1A)は走査範囲を 拡大することによって小さくなるが、検査対 象が断面円形であるために完全に無くすこと はできない。また、前記不感帯(1B)も不可避� �に生じる領域である。同様に、第2フェイズ� ��アレイ型プローブ(2)に対して、(2A)(2A)は最� �走査範囲から外れた走査外領域であり、(2B)� ��疑似欠陥エコーによる不感帯であり、第2フ ェイズドアレイ型プローブ(2)による探傷がで きない未検査領域である。

 図1より、第1フェイズドアレイ型プロー� �(1)と第2フェイズドアレイ型プローブ(2)の未� ��査領域が重複しないように配置すれば全領� ��の検査が可能である。具体的には、第1フェ イズドアレイ型プローブ(1)の走査外領域(1A)� �第2フェイズドアレイ型プローブ(2)の走査外� ��域(2A)との間のマージン(C)、および第2フェ� �ズドアレイ型プローブ(2)の走査外領域(2A)と� ��1フェイズドアレイ型プローブ(1)の不感帯(1B )との間のマージン(D)が確保されていれば全� �域を検査できる。

 以下に、上述した考え方に沿って、マー� ��ン(C)=0とした時に、マージン(D)≧0となって2 つのフェイズドアレイ型プローブ(1)(2)の未検 査領域が重ならない条件を求める方法につい て、図2の超音波伝播経路図を参照しつつ説� �する。

 図2はマージン(C)=0の状態を示しており、� ��1フェイズドアレイ型プローブ(1)の走査外領 域(1A)と第2フェイズドアレイ型プローブ(2)の� ��査外領域(2A)が重ならない状態で接している 。また、2つのフェイズドアレイ型プローブ(1 )(2)は同一の機能を有するものであり、共通� �符号を用いて説明する。

 図2における符号は以下のとおりである。 なお、図2において鋳造棒(S)の左半分の伝播� �路のみを示し、右半分の伝播経路の図示は� �略している。

 α:2つのフェイズドアレイ型プローブの配置 角度
 θ ₁ :フェイズドアレイ型プローブの最大走査角� �
 θ ₂ :フェイズドアレイ型プローブの有効斜角角� �
 θ ₃ :OPの中心角
 θ ₄ :フェイズドアレイ型プローブの垂直入射波� �よる不感帯の中心角の1/2
 θ ₅ :マージン(D)の中心角
 O:フェイズドアレイ型プローブの垂直入射� �の入射点
 P:フェイズドアレイ型プローブの走査角度� �大時の斜角入射波の入射点
 Q:鉛直線
 r:鋳造棒の半径
 図2より、マージン(C)=0のときの2つのフェイ ズドアレイ型プローブ(1)(2)の配置角度(α)は(i )式となり、かつ第1フェイズドアレイ型プロ� ��ブ(1)の不感帯(1B)と第2フェイズドアレイ型� �ローブ(2)の走査外領域(1A)が重ならないため� ��不感帯(1B)の中心角(θ ₄ )は(ii)式を満たす必要がある。

  α=2×(180°-2θ ₂ +θ ₃ ) …(i)
  180°-〔3θ ₃ +3(180°-2θ ₂ )〕≧θ ₄  …(ii)
 上記(i)式は2つのフェイズドアレイ型プロー ブ(1)(2)の配置角度(α)の最小値(α _min )であるから、
  α _min =2×(180°-2θ ₂ +θ ₃ ) …(iii)
 また、(ii)式より、マージン(D)の中心角(θ ₅ )は下記(iv)式となる。

  θ ₅ =180°-〔3θ ₃ +3(180°-2θ ₂ )〕-θ ₄  …(iv)
 前記配置角度(α)はマージン(D)=0となるまで� ��大することができるから、配置角度(α)の最 大値(α _max )は下記(v)となる。

  α _max =α _min +θ ₅
     =2θ ₂ -θ ₃ -θ ₄  …(v)
 従って、鋳造棒(S)の全領域を検査するため� ��配置角度(α)の取り得る範囲は、上記(ii)式� �満たし、上記(iii)式で表される最小値(α _min )から(v)式で表される最大値(α _max )までの範囲となる。即ち、下記の2つの式を� ��足すように2つのフェイズドアレイ型プロー ブ(1)(2)を配置すれば、断面円形の鋳造棒(S)の 全領域を検査することができる。

 180°-〔3θ ₃ +3(180°-2θ ₂ )〕≧θ ₄
 2×(180°-2θ ₂ +θ ₃ )≦α≦2θ ₂ -θ ₃ -θ ₄
 次に、上記各式における記号に代入すべき� ��値について説明する。

 最大走査角度(θ ₁ )はフェイズドアレイ型プローブの仕様によ� �て決定される角度である。

 有効斜角角度(θ ₂ )は屈折角度と前記最大走査角度(θ ₁ )で決定される角度であり、好ましくは超音� �の減衰の程度と検出したい欠陥サイズとを� �慮する。

 OPの中心角(θ ₃ )は、図3に参照されるように、OP間の距離(x ₁ )および鋳造棒(S)の半径(r)から下記(vi)式で表� ��ことができる。

  θ ₃ =Sin ^-1 (x ₁ /r) …(vi)
 但し、OP間の距離(x ₁ )の実測が困難である場合は、(x ₁ )がフェイズドアレイ型プローブの大きさ(x ₂ )とx ₁ ≒x ₂ の関係にあることから、実測した(x ₂ )により下記(vi’)により(θ ₃ )を求めることができる。

  θ ₃ =Sin ^-1 (x ₂ /r) …(vi’)
 前記不感帯(1B)の大きさを表すOPの中心角の1 /2(θ ₄ )は、不感帯の大きさを表すものであり、実� �によって求めることができる。

 よって、実測値、(iii)式、(iv)式、(vi’)式 より、全領域を検査できる2つのフェイズド� �レイ型プローブ(1)(2)の配置角度(α)を決定す� ��ことができる。

 なお、上述した配置角度(α)を算出する計算 式は同一仕様の2つのフェイズドアレイ型プ� �ーブに基づいたものであるが、異なる仕様� �フェイズドアレイ型プローブを用いる場合� �、各プローブの入射位置や諸角度に基づい� �配置角度を求めることができる。さらに3個� ��上のフェイズドアレイ型プローブを用いる� ��合は、隣接するプローブのスキャン外領域� ��重ならず、かつ一つのプローブの不感帯が� ��のプローブのスキャン外領域に重ならない� ��うに配置すれば良い。
〔2つのフェイズドアレイ型プローブの配置� �度の例〕
 半径(r)が215mmの鋳造棒(S)の超音波探傷検査� �おいて、フェイズドアレイ型プローブ(1)(2)� �有効斜角角度(θ ₂ )=40°、フェイズドアレイ型プローブ(1)(2)の大 きさ(x ₂ )が28.7mm、不感帯の大きさ(θ ₄ )が17.5°のとき、(vi’)式より(θ ₃ )=7.6°が算出される。

 そして、(iii)式、(v)式により、α _min =95.2°、α _max =114.9°となる。従って、2つのフェイズドアレ イ型プローブ(1)(2)を配置角度(α):95.2~114.9°の� ��囲内に設置すれば全領域を検査することが� ��きる。但し、検査中の鋳造棒(S)の走行ゆれ� ��考慮し、(α _min )および(α _max )を避けて上記範囲の中間点または中間点の� �傍に配置することが好ましい。

 また、複数のフェイズドアレイ型プロー� ��は、互いの未検査領域を補完し合う角度に� ��置すれば良いので、フェイズドアレイ型プ� ��ーブが鋳造棒の周方向のどこに在っても良� ��。しかし、後述の超音波探傷検査装置(10)(40 )のように、鋳造棒(S)の斜め上方にフェイズ� �アレイ型プローブ(1)(2)を配置し、上方から� �方に向かって超音波を入射する方が好まし� �。下方から上方に向かって超音波を照射す� �と、鋳造棒(S)に入射されなかった超音波が� �面に反射し、そのエコーが疑似欠陥信号と� �て検出されることがあるが、上方から下方� �入射すれば水面を伝播する超音波は水面に� �達する以前に十分に減衰するため、エコー� �疑似欠陥信号として検出されることがない� �で高精度の探傷が可能となるためである。� �た、鋳造棒(S)が位置ずれしてもフェイズド� �レイ型プローブ(1)(2)との位置関係が保持さ� �るように倣い機構を付ける場合に、プロー� �を鋳造棒(S)の上方に配置する方が配置上の� �約が少ないので、この点でも上方配置が好� �しい。

 また、鋳造棒(S)とフェイズドアレイ型プ� ��ーブ(1)(2)との間の距離(WD)は、表面波の繰り 返しエコーが疑似欠陥エコーにならないよう に十分な距離とすることが好ましい。

 また、検査用水槽の壁面の反射エコーが� ��似欠陥信号になることがあるため、疑似欠� ��信号を回避するために水槽は十分に大きい� ��とが好ましい。鋳造棒(S)の周面から水槽の� ��面までは、水中を伝播する超音波が十分に� ��衰するだけの距離があることが好ましい。� ��た、水槽壁面に吸音材を配し、疑似欠陥エ� ��ーの原因となる音波をなくすことでも対応� ��きる。

 なお、図1~3においては、説明の都合上、第1 フェイズドアレイ型プローブ(1)を真上に配置 したものあり、鋳造棒(S)のフェイズドアレイ 型プローブ(1)(2)最適位置を示すものではない 。後述の超音波探傷装置(10)(40)においては、� ��2および図3の(Q)が鉛直線となるようにフェ� �ズドアレイ型プローブ(1)(2)が配置されてい� �。
〔超音波探傷検査装置〕
 (第1実施形態)
 図4Aおよび図4Bに示す超音波探傷検査装置(10 )は、水槽(11)と2つのフェイズドアレイ型プロ ーブ(1)(2)とを備え、鋳造棒(S)を移動させなが ら検査を行うものである。

 水槽(11)において、鋳造棒(S)の進行方向の 壁には鋳造棒(S)を通過させるための貫通孔(12 )(13)が設けられ、これらの貫通孔(12)(13)より� �十分に高い水位まで接触媒質である水(14)が� ��留されている。2つのフェイズドアレイ型プ ローブ(1)(2)は、支持装置の垂直アーム(15)の� �端に取り付けた水平アーム(16)の両端にブラ� ��ット(17)を介して角度調節自在に取り付けら れ、下方を移動する鋳造棒(S)に対して斜め上 方から超音波を照射するものとなされている 。前記水平アーム(15)の左右方向の中間部に� �鋳造棒(S)に接触する倣いローラ(18)が取付け� ��れ、鋳造棒(S)の位置ずれに対応してアーム( 15)(16)の動きを制御することにより、鋳造棒(S )とフェイズドアレイ型プローブ(1)(2)とが常� �一定の位置関係となるようになされている� �

 前記超音波探傷装置(10)は、移動中の鋳造 棒(S)に対し、鋳造棒(S)の長短に関係なく検査 することができる。例えば、水平連続鋳造装 置の鋳型から鋳造されてくる連続鋳造棒(S)に 対して、鋳造速度で連続的に検査を行うこと ができる。また、切断した鋳造棒に対しても 、移動装置によって鋳造棒(S)を所定速度で移 動させることによって検査することができる 。このように水槽中(11)で鋳造棒(S)を移動さ� �ることによって、検査対象の長さに関係な� �検査することができる。勿論、検査対象が� �槽よりも小さい場合は、検査対象を固定し� �フェイズドアレイ型プローブを移動させる� �ともできる。

 前記フェイズドアレイ型プローブ(1)(2)は� ��図外の制御装置により制御され、鋳造棒(S)� ��探傷を行い、フェイズドアレイ型プローブ( 1)(2)から発せられた信号は信号処理部(20)に出 力され、所定の処理を行った後に超音波検査 判定装置(21)に出力される。超音波検査判定� �置(21)においては、入力した信号に基づいて� ��陥や傷の有無を判定し、鋳造棒(S)の良否を� ��断する。また、水平連続鋳造装置の鋳型か� ��鋳造されてくる連続鋳造棒(S)の連続検査で� ��れば、効率良く検査を行える上に、判定結� ��を鋳造条件にフィードバックさせたり、欠� ��部分をスプレー等でマーキングしておき、� ��段に設置した切断装置(図示省略)において� �尺に切断した後に欠陥部分を除去すること� �できる。また、検出した欠陥位置を記憶し� �おき、切断装置において欠陥部分のみを切� �除去しつつ、定尺に切断することもできる� �

 また、前記超音波探傷装置(10)において、 連続鋳造棒(S)は移動しながら超音波探傷検査 受けることができるので、検査対象部分に端 面がないので端面における不感帯もなく、検 査後に切断された短尺材は端面まで検査済み となる。

 (第2実施形態)
 第1実施形態の超音波探傷検査装置(10)は水� �を用いるものであって、鋳造棒の水没が容� �で十分な量の接触媒質を確保できる点が有� �である。

 しかし、本発明の超音波探傷検査方法は� ��水槽を用いることなく、水平連続鋳造装置� ��鋳型から鋳造棒に供給される冷却水を利用� ��て検査を行うこともできる。冷却水を利用� ��ることによって簡単な構造の検査装置とな� ��。

 図5は水平連続鋳造装置(30)と、鋳型の直� �に配置された超音波探傷検査装置(40)を示し� ��いる。

 前記連続鋳造装置(30)において、溶湯(M)は タンディッシュ(31)から注湯用ノズル(32)を経� ��筒状の鋳型(33)に流入する。前記鋳型(33)の� �口には連続鋳造棒(S)の周囲へ冷却水(35)を供� ��する冷却水供給路(34)が設けられ、その吐出 口(34a)は、連続鋳造棒(S)を囲む環状に形成さ� ��、かつ連続鋳造棒(S)の鋳出方向に向けて設� ��られている。そして、吐出口(34)から噴出し た冷却水(35)は、連続鋳造棒(S)の周方向全体� �供給され、連続的に鋳出される連続鋳造棒(S )の表面上を鋳出方向に流れて、連続鋳造棒(S )を冷却する。

 前記超音波探傷検査装置(40)は、連続鋳造 棒(S)が遊挿される貫通孔(41)を有する環状の� �状体(42)と2つのフェイズドアレイ型プローブ (1)(2)とを備えている。前記堰状体(40)は連続� �造棒(S)の高さに支持脚(43)によって台上に固� ��され、貫通孔(41)の内径は連続鋳造棒(S)の外 径よりも大きく形成されている。従って、連 続的に鋳出される連続鋳造棒(S)は貫通孔(41)� �接触することなく孔(41)内を進んで行き、連� ��鋳造棒(S)の外周面と貫通孔(41)の周面の間の 隙間には冷却水(35)が流れる。

 前記内部検査装置(40)において、前記吐出 口(34a)から吐出し連続鋳造棒(S)の表面上を鋳� ��方向に流れる冷却水(35)は、前記堰状体(40)� �当たって流れを妨げられてその一部は堰状� �(42)の上流側に貯留され、残りは貫通孔(41)内 に流れていく。

 2つのフェイズドアレイ型プローブ(1)(2)は 支持部材(図示省略)に支持されて、先端部が� ��記堰状体(42)の上流側に貯留されて水深が深 くなった部分に所定の配置角度(α)で挿入さ� �ている。検査結果は、信号処理部(20)に出力� ��れ、さらに超音波検査判定装置(21)に出力さ れる。超音波検査判定装置(21)においては、� �力した信号に基づいて欠陥や傷の有無を判� �し、連続鋳造棒(S)の良否を判断するととも� �、判定結果を鋳造条件にフィードバックさ� �る。

 前記超音波探傷検査装置(40)は、鋳型(33)� �冷却水を接触媒質として利用するものであ� �、検査装置への搬送設備も不要であるから� �検査のための周辺装置を簡略化できる。

 また、前記堰状体(40)の貫通孔(41)の周面に� �ェイズドアレイ型プローブ(1)(2)を取り付け� �超音波探傷検査を行うこともできる。
〔一貫連続運転における超音波探傷検査〕
 本発明の超音波探傷検査方法は、鋳造直後� ��連続鋳造棒の検査のみならず、連続鋳造棒� ��切断、熱処理、ピーリング等の種々の工程� ��経て出荷形態となるまでの一貫連続運転に� ��ける任意の工程間において実施できる。さ� ��には、鋳造後に鍛造を実施し、連続鋳造か� ��鍛造品の製造までを一貫して行う際に、鋳� ��直後、または任意の工程間においても超音� ��探傷検査を行うことができる。

 図6A~図6Cは、鋳造から鍛造品までの一貫製� �の工程フローを示している。
(図6A)
 水平連続鋳造した長尺の連続鋳造棒を複数� ��短尺材に切断し、短尺材に熱処理を施して� ��質化した後に、ピーリングを行って表層部� ��黒皮を除去する。黒皮を除去した短尺材は� ��要すれば外観検査を行った後、出荷する。� ��るいは、外観検査後の短尺材に対して、鍛� ��工程を実施する。前記鍛造工程には、切断( 予備成形品の製作)、予備加熱、鍛造成形が� �まれている。

 上記一貫連続運転において、どの工程の間� ��も超音波探傷検査を行うことができ、1箇所 でも複数箇所でも検査することができる。(K) は、水平連続鋳造装置の鋳型から鋳出されて くる移動中の連続鋳造棒に検査を行う工程を 示し、水槽を備えた超音波探傷検査装置(10)� �よび鋳型の冷却水を利用する超音波検査装� �(40)のどちらによっても検査することができ� ��。また、(L)は長尺の連続鋳造棒を短尺材に� ��断して黒皮の付いた状態で検査する工程を� ��している。(M)はピーリング後の黒皮を除去� ��た短尺材に対して検査を行う工程を示して� ��る。(L)および(M)の工程では、水槽を備えた� ��音波探傷検査装置(10)を用いることができる 。
(図6B)
 水平連続鋳造した長尺の連続鋳造棒を複数� ��短尺材に切断し、ピーリングを行って表層� ��の黒皮を除去する。黒皮を除去した短尺材� ��均質化のための熱処理を行い、さらに予熱� ��て鍛造工程を実施する。

 上記一貫連続運転において、工程間の1箇所 または複数箇所で超音波探傷検査を行うこと ができる。図6B中の(K)(L)(M)は図6A中の(K)(L)(M)� �検査工程と同じである。
(図6C)
 水平連続鋳造した長尺の連続鋳造棒を複数� ��短尺材に切断し、均質化のための熱処理を� ��った後に、ピーリングを行って表層部の黒� ��を除去する。黒皮を除去した短尺材に対し� ��鍛造工程を実施する。

 上記一貫連続運転において、工程間の1箇 所または複数箇所で超音波探傷検査を行うこ とができる。図CB中の(K)(L)(M)は図6A中の(K)(L)(M )の検査工程と同じである。

 以上のように、連続鋳造から鍛造までの� ��貫製造において超音波探傷検査を行うこと� ��より、効率良く高品質の鍛造品を製造する� ��とができる。

 本発明の連続鋳造棒の検査方法は、全て� ��金属の鋳造に適用できる。例えばアルミニ� ��ムまたはアルミニウム合金の連続鋳造に適� ��できる。

 本願は、2007年12月27日に出願された日本� �特許出願の特願2007-336453号の優先権主張を伴 うものであり、その開示内容はそのまま本願 の一部を構成するものである。

 ここに用いられた用語および表現は、説� ��のために用いられたものであって限定的に� ��釈するために用いられたものではなく、こ� ��に示されかつ述べられた特徴事項の如何な� ��均等物をも排除するものではなく、この発� ��のクレームされた範囲内における各種変形� ��も許容するものであると認識されなければ� ��らない。