非破壊検査は材料の品質や構造物の安全性(信頼性)を確保するために実施される検査法の一つであり、それが非破壊的であることが最大のメリットである。現在、様々な非破壊検査手法が幅広い産業分野で活用され、各種の素材や製品の品質管理、輸送機械の保守点検、プラントの設備保全などにおいて欠くことのできない重要な役割を担っている。高度化された非破壊検査手法を駆使することで、運用中の設備の状態監視(保守検査)や予知保全、さらにはその余寿命診断にも活用されている。世界的にSDGsの重要性が叫ばれている昨今、非破壊検査は社会の安全確保のみならず廃棄物削減や自然環境保全にも貢献する技術として、今後、その重要性は一層高まると考えられる。
ところで、近年の技術革新の進展は目覚ましく、様々な分野にDX(デジタルトランスフォーメーション)やGX(グリーントランスフォーメーション)などの社会変革の潮流が広がっている。これは非破壊検査の分野においても例外ではなく、従来技術を変革し、新たな価値を生み出すことが重要な課題となっている。このような世界規模の社会的要請に応えることは、非破壊検査に携わる技術者や研究者にとって大きなチャレンジである。時代を先取りした先駆的な非破壊検査手法の開発とその社会実装によって、持続可能で安全安心な社会の実現を目指すことは、グローバル目標として極めて意義深いと考える。
本書では、超音波による非破壊検査と材料評価技術の現状と進展について理解を深めるために、当該分野の第一線で研究・開発に従事されている先生方にそれぞれの最新トピックをご執筆いただいた。何れも先駆的で独自性の高いトピックであり、今後の非破壊検査や材料評価の方向性を探る上で有益な内容となっている。本書がこの分野に携わる企業、大学、研究機関等の技術者や研究者の皆様に少しでもお役に立てれば幸いである。
目次
【第1編:超音波探傷の進展】
第1章 局所共振を利用したき裂検出を目指した数値モデリングの検討
1 はじめに
2 数値解析モデル
3 数値解析結果
4 計測実験による検証
5 おわりに
第2章 超音波探傷におけるスパースモデリングを用いた隣接欠陥の検出
1 はじめに
2 スパースモデリング
2.1 ノルム最小化
2.2 交互方向乗数法
3 デコンボリューション
4 シミュレーションを用いた分解能比較
5 おわりに
第3章 検査位置を自動計測する超音波探傷システム
1 はじめに
2 SLAMを用いた検査位置自動計測UTシステム
2.1 SLAM
2.2 SLAMの位置計測精度
2.3 SLAMを用いた検査位置自動計測UTシステムの構成
3 探傷時間短縮への有効性検証
4 実機適用に向けた開発
4.1 3次元での位置計測結果の表示への有効性検証
4.2 手動探傷結果の画像化
5 おわりに
第4章 3D-UTシステムによる水車の非破壊検査
1 はじめに
1.1 水力発電の現状
1.2 水車の余寿命評価位置・手順
2 従来の超音波探傷技術(従来UT技術)の課題
2.1 水車で用いられる従来UT技術
2.2 近接した複数欠陥の識別
3 3D-UT(三次元超音波探傷)システムとは
3.1 3D-UTシステムの特徴
3.2 3D-UTシステムを用いた検査作業
3.3 3D-UT検査結果
3.4 3D-UT検査実績
4 まとめ
第5章 超音波透過法による金属内欠陥検出における縦波と横波の比較
1 はじめに
2 超音波透過法による欠陥検出原理
3 波動伝搬シミュレーション
3.1 2次元シミュレーション
3.2 3次元シミュレーション
4 むすび
第6章 非線形超音波フェーズドアレイによる閉じたき裂の高精度計測
1 はじめに
2 非線形超音波法
3 非線形超音波フェーズドアレイ
3.1 分調波を用いた映像法SPACE(subharmonic phased array for crack evaluation)
3.2 固定電圧の基本波振幅差分法FAD(fundamental wave amplitude difference)
3.3 熱応力を用いた映像法GPLC(global preheating and local cooling)
3.4 低周波ポンプ加振と超高速映像法PWI(plane wave imaging)を用いた映像法
4 計測法選択の注意点と今後の展望
第7章 電磁超音波センサと導波体を用いた高温構造物の非破壊検査
1 背景
2 検査システムの基本概念
3 超音波センサ部
3.1 超音波センサタイプの検討
3.2 超音波センサ部の基本仕様
4 腐食部検査の基本的考え方
5 実験方法
5.1 実験装置
5.2 電磁超音波探触子,導波体,試験パイプ仕様
6 導波体をパイプ周方向に巻き付けた場合の実験結果
6.1 肉厚と音速の関係
7 結言
第8章 高温場の非破壊検査のための耐高温圧電素子の開発
1 はじめに
2 BiT/TO圧電素子の高温特性
3 LN/TO圧電素子の高温特性
4 結論
第9章 超音波の音場解析,受信波形分析と探触子設計への応用
1 はじめに
2 超音波探触子から送信される超音波:連続波とパルス波の違い
3 超音波探触子における送信時指向性と受信時指向性の違い
4 超音波受信時の特性を考慮した探触子形状設計
5 超音波送信特性を考慮した集束超音波探触子の設計と評価法
6 矩形波と正弦波印加時における超音波探触子の送受信特性
7 おわりに
【第2編:構造材料の品質・損傷評価】
第10章 散乱強度分散による材料組織の均一性評価
1 はじめに
2 画像処理と統計解析を用いた材料組織写真における均一性の定量評価法
3 材料組織の均一性を考慮した解析モデル
3.1 酔歩モデル
3.2 酔歩モデルと実験の比較
4 受信波形再構成法
5 解析結果と定式化
6 不均一組織分布の可視化
6.1 深さ方向に分布する均一性
6.2 不均一組織の可視化
7 おわりに
第11章 音響共鳴現象を利用した材料評価と映像法
1 はじめに
2 薄層を通過する音波の理論モデル
3 音響共鳴を利用した材料評価について
3.1 高分子フィルムの音響物性値測定
3.2 塗装膜の厚さ測定
4 音響共鳴を利用した映像法について
5 おわりに
第12章 超音波による加熱材料の温度プロファイリング
1 はじめに
2 超音波サーモメトリ
2.1 原理
2.2 超音波伝播と熱伝導解析を融合した温度プロファイリング
3 鋼厚板の加熱・冷却モニタリング
4 レーザ超音波法による回転体の非接触温度プロファイリング
5 おわりに
第13章 2次高調波Lamb波を用いた平板に開いた丸穴の縁部の健全性評価の検討
1 はじめに
2 原理
2.1 Lamb波の発生
2.2 高調波の発生
3 実験
3.1 方法
3.2 結果と考察
4 おわりに
第14章 紫外線C波による熱可塑性プラスチックの劣化形態と超音波による評価
1 はじめに
2 実験方法
2.1 対象材料と紫外線照射方法および評価方法
2.2 超音波装置および測定方法
3 熱可塑性プラスチックの紫外線劣化と形態
4 表面反応型の劣化形態を示す熱可塑性プラスチックの超音波による評価
5 劣化層形成型の劣化形態を示す熱可塑性プラスチックの超音波による評価
6 まとめ
第15章 電磁超音波センサによるアルミニウム-GFRP積層板の界面はく離の検出
1 はじめに
2 電磁超音波センサおよび試料
3 実験結果
3.1 アルミニウム板の共振特性およびせん断波定在波振幅の減衰特性
3.2 アルミニウム-GFRP積層板における振幅の時間変化
3.3 アルミニウム‐GFRP積層板の大きなはく離の検出
3.4 衝撃を与えて導入したはく離の検出
3.5 検出できるはく離の寸法限界およびはく離領域面積の評価
4 まとめ
第16章 GFRP成形板の超音波検査
1 はじめに
2 模擬成形装置による低圧成形
3 超音波伝播速度に基づく樹脂硬化度評価
4 局所的樹脂未硬化領域を有するGFRP成形板の超音波測定
5 板厚方向に樹脂硬化度分布を有するGFRP成形板の超音波測定
6 FDTD法によるGFRP成形板の超音波伝播シミュレーション
7 おわりに
第17章 発電機器の超音波検査
1 はじめに
2 火力発電設備及び原子力発電設備の検査に関する法令等
2.1 火力発電設備
2.2 原子力発電設備
3 火力発電設備及び原子力発電設備に対する超音波検査技術
3.1 火力発電設備における超音波検査技術
3.2 原子力発電設備における超音波検査技術
4 まとめ
第18章 圧縮応力場のAEを指標としたコンクリート損傷度評価
1 はじめに
2 解析手法
2.1 AEエネルギ指標によるダブルロジスティック解析
2.2 AEパラメータ解析
3 実験方法
3.1 供試体
3.2 X線CT計測
3.3 動弾性係数評価
3.4 AE計測を導入した圧縮強度試験
4 結果および考察
4.1 コンクリートコアの非破壊試験
4.2 コンクリートコアの力学特性とAE発生挙動
4.3 AEダブルロジスティック解析によるAEエネルギ発生挙動評価
4.4 圧縮応力場のひび割れ進展に応じたAEパラメータの変化
5 おわりに
第19章 計測・CAE連携によるアコースティック・エミッション(AE) 計測の高精度化
1 はじめに
2 AE計測とは
3 高精度AE計測のための計測-CAE連携(AE-CAE法)フロー
4 AE-CAE法による異常検知解析
5 まとめ
第20章 音波照射加振を用いた非破壊検査のための遠距離非接触音響探査法
1 はじめに
1.1 コンクリート構造物に対する非破壊検査手法について
1.2 遠距離非接触で実施可能な非破壊検査法について
1.3 非接触音響探査法について
2 非接触音響探査法の基礎
2.1 基本セットアップと測定原理
2.2 加振波形について
2.3 振動エネルギー比
2.4 スペクトルエントロピー
2.5 欠陥検出アルゴリズム
2.6 空洞欠陥モデルを用いた評価実験
3 高架橋床版における実証実験
4 吹付けコンクリート面における実証実験
5 UAVからの音波照射実験
5.1 音源搭載型UAV
5.2 タイル外壁供試体
5.3 実験セットアップ
5.4 実験結果例
6 まとめ
第21章 空中超音波による難燃処理木材の防火性能の非破壊評価法
1 はじめに
2 防火性能の評価
2.1 発熱性試験
2.2 薬剤量の測定
3 木材における超音波の測定
4 難燃処理材木材の薬剤量分布の測定と防火性能の評価
4.1 実験材料
4.2 実験方法
4.3 薬剤量
4.4 伝搬速度と薬剤量の関係
4.5 薬剤量分布の推定
4.6 発熱性試験
5 今後の課題
【第3編:超音波による損傷イメージング・評価】
第22章 水浸非線形超音波法による材料内異質部と損傷の可視化
1 はじめに
2 非線形超音波(高調波)法概要
2.1 波形ゆがみとその発生モデル
2.2 水浸高調波画像化システム
3 高調波画像化法概要
3.1 短バースト波法
3.2 モード変換横波法
3.3 局部共振高調波法(縦波)
4 材料内不均質部の可視化例
4.1 鋼材内非金属介在物
4.2 異種材料液相拡散接合面の偏析
4.3 薄鋼板溶接部溶け込み深さ
4.4 局部塑性変形域(局部共振高調波法)
5 内部損傷の可視化例
5.1 鋼材の初期の水素粒界割れ
5.2 据え込み鍛造大塑性ひずみ域
5.3 非前処理域を含むCFRP板接着部の可視化
6 まとめと今後の展望
第23章 超音波フェーズドアレイ画像の機械学習による傷探傷
1 はじめに
2 探傷像と機械学習に用いる画像
3 探傷像の機械学習法
4 機械パラメータの調整法
5 画像が少ない場合の対象法
6 探傷像を特徴変換して学習に用いる方法
7 熟練者の判断を機械学習に取り込む方法
8 まとめ
第24章 気流中における空中超音波フェーズドアレイの音波放射特性
1 はじめに
2 空中超音波フェーズドアレイを用いた非破壊検査
2.1 空中超音波による非破壊検査
2.2 空中超音波フェーズドアレイの非破壊検査への応用
2.3 ドローンを用いた検査のオートメーション化と音波放射特性への懸念
3 気流中における空中超音波フェーズドアレイの音波放射特性
3.1 音波放射特性の評価方法
3.2 音波放射特性
4 まとめ
第25章 構造体健全性診断のための超音波伝搬可視化法による定量的非破壊評価
1 はじめに
2 超音波伝搬可視化装置と手法
3 欠陥位置推定
3.1 前処理
3.2 ハフ変換による時間軸を含めた動画像による欠陥位置推定
4 複数センサによるスリットの映像化探傷
4.1 測定システム・手法
4.2 測定結果・考察
5 マイクロ波を併用した金属円管の検査
5.1 マイクロ波による併用検査の提案
5.2 解析手法
5.3 解析結果
6 おわりに
第26章 超音波による金属板のプレス成形欠陥の評価
1 はじめに
2 超音波によるプレス成形欠陥評価の原理
3 絞り加工中のしわ発生状態のインプロセス評価
3.1 インプロセス評価用金型と実験方法
3.2 しわ発生による相対反射強度の変化
4 超音波の斜角探傷を利用したしわの評価
4.1 斜角探傷による欠陥評価方法
4.2 しわの形状と照射位置が超音波計測に及ぼす影響
5 超音波の周波数特性を利用した欠陥評価
5.1 周波数特性による欠陥評価の原理と実験方法
5.2 しわが超音波の周波数特性に及ぼす影響
5.3 混入異物が超音波の周波数特性に及ぼす影響
6 おわりに
【第4編:レーザ超音波による非接触計測・評価】
第27章 薄板溶接継手品質のレーザ超音波計測とそのロボットシステムの開発
1 はじめに
2 実験方法
3 実験結果
3.1 静止計測での検出方法の探索
3.2 走査計測
4 ロボットシステムの開発
5 おわりに
第28章 レーザ超音波法による溶接インプロセス品質モニタリング
1 はじめに
2 レーザ超音波法(LUT)の適用
3 溶接インプロセス品質モニタリング
3.1 開口合成による信号処理
3.2 ビード直下の欠陥検出
3.3 実溶接欠陥の検出
4 溶接インプロセス品質モニタリングの適用先拡大
4.1 モニタリング機構の可搬化
4.2 送信レーザのファイバ伝送化技術の開発
4.3 走行型モニタリングシステム
5 おわりに
第29章 深層学習を用いたレーザ超音波可視化試験結果における欠陥有無の自動判定
1 はじめに
2 LUVT
3 LUVT結果の深層学習
4 深層学習による欠陥有無の判定例
4.1 深層学習の条件
4.2 深層学習結果
5 おわりに
第30章 レーザー励起ラム波のスローネス評価によるCFRPの剥離検出
1 はじめに
2 ラム波のスローネス
3 レーザー超音波可視化技術
4 スローネス評価によるCFRPの剥離検出
5 おわりに
第31章 レーザ超音波を用いた抵抗スポット溶接ナゲット径の非接触計測
1 はじめに
2 実験方法
2.1 使用した試験体
2.2 実験装置および計測システム
3 実験結果と考察
3.1 回折波を用いた到達時間によるナゲット径との相関
3.2 ナゲット径の算出
3.3 考察
4 結論
第32章 レーザ弾性波源走査法による非接触損傷画像化技術
1 はじめに
2 レーザ弾性波源走査法による損傷画像化の原理
3 拡散場の利用・複雑形状への適用
4 変調レーザの利用
5 損傷画像化事例
5.1 計測システム
5.2 平板裏面の人工傷の画像化
5.3 パイプ内の減肉の画像化
5.4 金属三次元積層造形体への適用
6 おわりに
第33章 レーザ生成空中超音波源のためのターゲット材料と構造
1 はじめに
2 実験原理と実験方法
2.1 パルスレーザによるアブレーション圧の発生と閉じ込め効果
2.2 パルスレーザ照射による空中超音波発生
2.3 ターゲット材料と構造
2.4 実験方法
3 実験結果と考察
3.1 ターゲットのみの構造
3.2 ターゲット/透明媒質構造
3.3 透明媒質/ターゲット/透明媒質構造
4 まとめ
第34章 レーザ超音波による非接触ボルト締結検査
1 はじめに
2 レーザ超音波による軸力計測手法の原理
3 数値シミュレーションによる現象把握
3.1 ボルト内多重反射による散乱超音波の発生
3.2 軸応力による散乱超音波挙動の変化
4 実験による検証
5 おわりに
第35章 超音波とレーザを用いた透明媒質中の非接触温度計測
1 はじめに
2 レーザドップラ振動計を用いた透明媒質中を伝搬する超音波の計測
3 透明媒質中の非接触温度測定
3.1 水槽内の温度測定
3.2 実験室の室温測定と風速の影響
4 まとめ
