図 1 フェーズドアレイ UT の特徴 -1
（ゾーンフォーカス）
図 2 フェーズドアレイ UT の特徴 -2
（セクタ走査）
図 3 探傷器 /DYNARAY
図 4 探触子 /QUAD フェーズドアレイ UT による大型ロ−タシャフトの内部品質評価方法の確立
VGB 検査仕様では垂直探傷に加えて 7°, 14°, 21°, 28°など の複数の斜角探傷が要求される。大型ロータシャフトへヨ ーロッパ検査仕様の適用を想定した場合、検査作業時間に 1 ヶ月間程度を要してしまい、製造工期に大きな影響を与 え、生産性の低下を招いてしまうことが予想される。
そこで、以下に示す特徴を有したフェーズドアレイ UT
（以下、PA-UT）を大型ロータシャフトの検査手法へ適用す ることでこれらの問題の改善が期待できる。
（1） PA-UT では図 1 に示すように超音波を任意の位置へ集束 させることができる。従来 UT では超音波の伝搬距離が 長くなることで超音波ビームが拡がり広範囲の結晶粒界か らの反射波をノイズとして検出することが考えられる。一 方で、PA-UT では超音波の拡がりを制御することができ るため、結晶粒界からの反射波を低減し、欠陥検出能の 向上が期待できる。
（2） PA-UT では図 2 に示すように一つの探触子で複数の角度 へ超音波を入射することができるため、一度に複数の斜 角探傷を実施することが可能であり検査時間の効率化が 期待できる。
そこで本研究では PA-UT を大型ロータシャフトの検査 手法として適用することを目的とし、その評価方法の確立 を行う。
2. 目 標
本研究では前述した従来 UT における問題点を改善すべ く以下の点を満足する PA-UT を用いた大型ロータシャフト の検査方法の確立を目指した。
（1）垂直探傷により、可能な限り表層からロータシャフトの中 心部までの範囲においてφ 0.9 mm EFBH（等価欠陥サイ ズ）、中心部から反対面に相当する底面エコーまでの範囲 においてはφ1.6 mm EFBH を検出できること。
（2） 7°, 14°, 21°, 28°の角度を持つ縦波斜角探傷を一つの探触 子で一度の走査で実施すること。
また、上記の検査方法を自動 UT 装置により実施するこ とを目標とした。自動 UT 装置を使用することで、一度の 走査ですべての探傷データを採取することができ、検査作 業の効率化が期待できる。また、探傷データを画像処理す ることが出来るため、より信頼性の高く正確な検査作業を 行うことができる。なお、本研究では胴径がφ 2,800 mm のロータシャフトを想定した。
3. 使用機器
本研究において使用する機器および主な仕様を示す。
（1） 探傷器
装置名称：DYNARAY（128/128PR）（図 3 参照）
製造者：ZETEC 社
（2） 探触子
装置名称：QUAD （図 4 参照）
製造者：ZETEC 社及び IMASONIC 社
主な仕様：周波数 /2 MHz、振動子数 /128 ヶ（32 × 4）、 開口寸法 /64 mm x 64 mm
図 5 試験片の概略図
図 6 従来 UT とフェーズドアレイ UT の検出能の比較
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フェーズドアレイ UT による大型ロ−タシャフトの内部品質評価方法の確立
4. 評価方法の確立
4.1 垂直探傷
4.1.1 欠陥検出能の確認
欠陥検出能に対する PA-UT によるゾーンフォーカスの 効果を確認するために図 5 に示す人工欠陥を有する試験片 を用いて、従来 UT と PA-UT による欠陥検出能の比較を 行った。対象とした人工欠陥はビーム路程で 1,294 mm の 位置に加工したφ 1.6 mm 平底穴（以下、FBH）である。
調査結果を図 6 に示す。φ 1.6 mm FBH からのエコー高 さ（S）とノイズレベル（N）を比較すると S/N 比は、従来 UT では 2 であるのに対して、PA-UT では 20 であった。
この結果より PA-UT を適用することにより、従来 UT に 比べ欠陥検出能を 10 倍程度改善できることを確認できた。
次に、より具体的な探傷条件について検討を行った。
4.1.2 探傷条件
探傷範囲は表層から 2,800 mm と幅広く、この範囲の全 てで目標の欠陥検出能を満足しなければならない。従来 UT では一つの探触子により近距離と遠距離の欠陥検出能 を同時に満足させることは不可能である。しかし、PA-UT は振動子を電子的に制御し超音波ビームを形成することで 任意の深度に超音波ビームを集束させることが可能であり、
使用する振動子の組み合わせにより探傷範囲全てで目標と する欠陥検出能を満足できる可能性がある。そこで、以下 の条件を満足する超音波ビームの形状（フォーカルロー）の 選定を行った。
（1）表層からロータシャフトの中心部までの範囲においてφ 0.9 mm EFBH、中心部から反対面に相当する底面エコーまで の範囲においてはφ1.6 mm EFBH を検出できること。
（2）検出された欠陥のサイズ評価を正確に行えること。
欠陥のサイズ評価は超音波ビームの特性曲線より算出す るが、近距離音場内における超音波ビームの特性曲線は非 常に複雑である。そのため、近距離音場内で欠陥のサイズ を評価することは非常に難しい。この近距離音場の長さは フォーカルローに依存しており、適切なフォーカルローを選 定することで近距離音場の長さを調整することが可能であ る。PA-UT ではフォーカルローを調整することが可能であ るため、適切な条件を選定することで欠陥サイズの評価を 容易に実施することができる。そのため、本研究では上記 の 2 点を満足するフォーカルローの選定を行った。
4.1.3 欠陥検出能の調査
使用するフォーカルローの欠陥検出能を調査するために、
図 5 の試験片に加えて 5 つの試験片（代表の試験片の写真 を図 7 に示す）を用いた。これらの試験片には 5 mm から 1,294 mm の深さにφ1.6 mm FBH が加工されている。
さまざまなフォーカルローの欠陥検出能を調査した結果、
図 8 に示すように各深度に適した 3 種類のフォーカルロー を用いることで深さ 25 mm から 1,294 mm の範囲におい てφ 0.9 mm FBH を明瞭に検出できることを確認した。ま た、実機ロータシャフトの胴部（φ 2,740 mm）の外周面に φ 1.6 mm FBH を加工し、検出状況の確認を行った。そ の結果、大型ロータシャフトの中心部から胴部反対面に相 当する底面エコーまでの範囲においてφ 1.6 mm FBH を明 瞭に検出できることを確認した。探傷結果として代表的な 探傷波形および距離振幅特性曲線を図 9 および図 10 に示 す。また、近距離音場が狭くなるようフォーカルローを選定 したことで、深度で 25mm 以降の探傷範囲が近距離音場 内とならないようにすることができ、欠陥のサイズ評価も正 確に実施することができる。
図 7 試験片の概略図
図 8 垂直探傷における超音波ビーム
図 9 垂直探傷の代表探傷波形
図 10 距離振幅特性曲線
表 1 垂直探傷と斜角探傷の感度差
表 2 斜角探傷の感度差 図 11 斜角探傷の代表探傷波形
＊ 1: φ 1.6mmFBH とφ 4.0mm ＳＤＨにおける超音波ビームの反射率の差
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4.2 斜角探傷
斜角探傷は方向性を有する欠陥を検出することを目的と して、7°, 14°, 21°, 28°の周方向縦波斜角法を用いて実施す る。斜角探傷において目標とする欠陥検出能をφ 1.6mm FBH を検出できることとし、必要な補正量や欠陥検出能の 検証を行った。検証にはそれぞれの角度においてビーム路 程が 50mm, 500mm, 1,000mm となるφ 4.0mm 横穴（以 下、SDH）を用いた。
超音波ビームに角度を持たせることで生じる超音波ビーム の減衰量の測定を行った。減衰量を表 1、代表的な探傷波 形を図 11 に示す。超音波ビームの角度を 0°から 28°の範囲 に変化させた場合、最大で -5.0 dB の超音波ビームが減衰 することを確認した。この値にφ1.6 mm FBH とφ 4.0 mm SDH の反射率の違いを加えることで、7°から 28°の斜角探 傷を実施する場合の補正量を決定することができる。
求めた補正量より斜角探傷における欠陥検出能を調査し た結果、表 2 に示すように従来 UT の不感帯幅に相当する 50 mm 深さからφ 1.6 mm FBH を明瞭に検出できること を確認した。
図 12 -6 dB ビーム幅
図 15 大型ロータにおける MDFS 図 14 大型ロータにおける代表探傷波形 図 13 外周自動 UT 装置（TUROMAN5）
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4.3 走査条件の選定
PA-UT は自動 UT 装置を用いて実 施 するため、 自動 UT 装置による走査条件を定める必要がある。自動 UT 装 置による走査は一定の間隔で行うため、適切な走査間隔を 定めなければ欠陥を正しく評価できない。そのため走査の 条件を -6 dB の超音波ビーム幅に基づいて定めることとし た。-6 dB の超音波ビーム幅とは欠陥からの反射エコーが 最大のエコー高さに対して 1/2 の高さとなる超音波ビームの 幅であり、その範囲では適切に欠陥を検出することが可能 である。そこで探傷に用いる 3 つのフォーカルローの -6 dB の超音波ビーム幅をφ 1.6 mm FBH を用いて、ロータシャ フトの軸方向および円周方向に一致する方向で測定した。
測定結果を図 12 に示す。軸方向の -6 dB の超音波ビー ム幅はビーム路程で 50 mm となる位置で最小となり、その 幅は 7.5 mm であった。また周方向おいてはビーム路程で 15 mm となる位置で最小となり、ビーム幅は 7 mm であっ た。この結果より、探傷範囲を -6 dB のビーム幅で少なく とも 1 回探傷することを条件とした場合は、自動 UT 装置 による走査条件が「軸方向で 7.5 mm 以下、円周方向で 7 mm 以下の間隔で走査すること」となる。
5. 大型ロータシャフトにおける検証
これまでに定めた探傷条件を用いて、実際の大型ロータ シャフトに対して自動 UT 装置を用いた探傷を行った。下 記の条件に示すように複数の探傷を同時に実施することで、
探傷データの抜けや探傷速度の低下が予想されるため、そ の点を注視し実際の探傷を行った。
探傷条件を以下に示す。
（1）探傷部外径：φ 2,811 mm
（2）探傷チャンネル数 / 垂直探傷：3 チャンネル
/ 斜角探傷：8 チャンネル（7〜2 8°, 時計および反時計方向）
（3）走査条件 / 取り込み周期：7 mm（軸方向）、 ：0.2°（周方向）/ 探傷速度：100 mm/sec
（4）自動 UT 装置：ロータシャフト外周自動 UT 装置 （装置名称：TUROMAN5/Actemium Cegelec 社製 図 13）
上記の条件により得られた探傷データを確認した結果、
データ取り込み不良はなく問題ない探傷データが採取可能 であることを確認した。採取した代表的な探傷波形およ び従来 UT による探傷波形を図 14 に示す。探傷波形より 欠陥検出能を示す最小検出欠陥サイズ（MDFS）を算出 した結果、図 15 に示すように、PA-UT では従来 UT より も大幅に欠陥検出能を向上させ、目標とした検出能を満足で きることを確認した。また、垂直探傷および 7°, 14°, 21°, 28°
の斜角探傷を一度の探傷走査で同時に実施しすることが でき、探傷データの取り込みも正常に行われることを確認 した。従来 UT では 9 回の探傷走査を行う必要があるが、
PA-UT では 1 回の探傷走査ですべての探傷を実施するこ とが可能であり、探傷走査回数を 1/9 とし、探傷時間を従 来 UT に比べ 90% 程度削減することができる。