专利名称：圆柱体表面的超声波探伤方法
技术领域：
本发明涉及用表面波检出辗压滚筒或辗压机等的金属圆柱体，尤其是承受由辗压在表面上产生热的、机械的损伤的高速工具钢构成的辗压用高速工具钢滚筒表面或紧挨表面下存在的裂纹等缺陷时使用的合适的圆柱体表面超声波探伤方法及其探伤装置，以及利用它们对滚筒的磨削方法。
背景技术：
金属板在热轧中使用的辗压滚筒承受由辗压在表面上产生的热的、机械的损伤。以下用图20详细说明在热加工辗压用的高速工具钢滚筒制成的前段工作辊(以下称为加工前段工作台用高速钢滚筒)表面的热的、机械的损伤。热损伤起因于在加工台前段被辗压材料处于高温，在与滚筒100表面垂直方向产生称为热裂纹的深的1次裂纹K。机械损伤是由与支承辊一起转动产生剪应力引起的，以前述热裂纹K作为起点，2次裂纹L在与滚筒表面大体平行的方向上生成。同时这些裂纹许多个连接在一起，在滚筒表面上形成微小缺陷M。因为该微小缺陷M一旦复制在被辗压材料上，形成被辗压材料的表面缺陷，所以从表面到一定的深度(以下称为一定量)，例如用砂轮磨削除去后，在再辗压中使用滚筒，磨削后，如特开平4-276547所示，进行用表面波的超声波探伤(称为表面波探伤)。
具体地讲，在旋转的滚筒表面通过水等接触介质膜接触表面波探头(检测头)，在从该表面波探头向滚筒旋转方向相反的方向传播表面波的同时要除去滚筒表面中传播表面波部分的接触介质膜，以便检出在滚筒表面或紧挨表面下存在的缺陷。如果用该表面波探伤法检出缺陷，则进行追加的磨削。
作为应用特开平4-276547的探伤法的装置，有特开平7-294493中展示的超声波探伤装置。该超声波探伤装置具有以下部件，即使预定的检查表面缺陷等的圆筒状或圆柱状被检材料沿着其圆周方向旋转的旋转手段，用超声波检出缺陷等的超声波探头，用于使该探头对被检材料上方的被检材料表面维持一定间隔的定位部，把形成超声波传播媒体的水等的介质液提供到探头和被检材料之间的给水装置。前述定位部具有从探头下方突出，而且与被检材料表面圆滑地接触的仿形部。该仿形部通过与旋转中的被检材料的接触保持定位部对被检材料的间隔一定。此外前述定位部在探头近旁设置前述给水装置。该给水装置具有可能暂时贮存向探头近旁导出的介质液的收容部。该收容部位于探头近旁，在底部具有多个放水口，同时在上部具有向外部贯通的排气孔。这样安排前述多个放水口的各个口，以便通过被检材料的旋转，在探头对被检材料表面扫描时，在其进行方向的前方，与前述周方向交叉配置，从扫描中探头的前方把收容部内的介质水向探头和被检材料表面之间放水。
然而，如果把前述的特开平4-276547的探伤法尤其是用于检测加工前段工作台用的高速钢滚筒的表面或紧挨表面下存在的缺陷，则最近查明存在如下所述的大问题。
即由于图20所示的微小缺陷M一定产生2次裂纹L，所以为了防止该微小缺陷M的发生通过磨削只除去2次裂纹L便行了。但是采用传统的超声波探伤方法，完全除去2次裂纹L后，也观测到出现大振幅反射波的现象，如果磨削到完全不出现该反射波，则因为要完全磨掉直到不要除去的1次裂纹K的残存部分为止，所以滚筒的单耗变差。
这是由于用表面波的超声波探伤法对于滚筒表面上的垂直缺陷敏感性高，即使完全除去2次裂纹L也能检出1次裂纹K的残存部分。由于该1次裂纹K的残存部分深度颇�。岳醋愿鞲�1次裂纹K的残存部分的反射波振幅变微�。�1次裂纹K的残存部分在滚筒表面无数地存在，用表面波的超声波探伤，表面波的传播路径也无数地存在。在用表面波对具有这种无数微小反射体的被检材料(在这里指滚筒)探伤时，如果令表面波的波长为入，则如图21所示，一定存在离表面波探头10的距离差为λ/2的微小反射体的组合。图21举例示出该微小反射体的组合，而微小反射体K1～K4符合这种组合。
如果如传统方式用脉宽为表面波波长5倍以上的狭带脉冲对存在这些微小反射体K1～K4的区域探伤，则因为脉宽长，如图22所示，微小反射波以等相位叠加干涉，振幅增大，产生好像存在大缺陷那样的反射波。即对于热加工辗压前段工作台用高速钢滚筒利用表面波的超声波探伤时，因为用脉宽为表面波的波长5倍以上的狭带脉冲探伤，所以过大地检出从1次裂纹K的反射波振幅。其结果，进行磨削直到来自1次裂纹K的反射波振幅比预定值小为止。结果是因为几乎完全除去1次裂纹K，所以磨削量过大，滚筒的单耗变差。
也考虑把缺陷检出设定的阈值提高到不会对1次裂纹K过检出的程度。然而如果提高该阈值，则由于会引起缺陷检出能力下降，所以存在单独存在的裂纹(由辗压事故产生的)等应检出的缺陷漏检的危险性。
以上说明的超声波探伤的问题不仅在辗压滚筒等1次裂纹内存在，而且在滚筒等一般金属圆柱体内，在结晶组织粗、晶粒边界产生散射波的情况下，如果用传统的狭带脉冲进行探伤，则由于与已经说明的现象相同的机理，产生高的噪声，存在同样的问题。
由辗压产生的热的、机械的损伤深度则依辗压金属板的长度及辗压速度、滚筒的冷却条件，材质(即使是分类为同一材质的滚筒，也因制造方法的不同而有材质细微差异)等而有很大差异。因此，如果要以一定量磨研除去它，则产生如下的问题。
①在热的、机械的负荷�。鹊幕档乃鹕松疃刃〉那榭鱿拢サ�(过磨削)滚筒表面直到无损伤部分，磨削量大，滚筒的单耗变差。
②在热的、机械的负荷大，热的、机械的损伤深度大的情况下，一定量磨削后也残存损伤，由于在探伤时检出缺陷，所以必须追加磨削。可是热的、机械的损伤究竟残存到什么程度并不清楚，所以不能做到使追加的磨削量与最初的磨削量相同程度，大体上过削(过磨削)，磨削量多，滚筒的单耗变差。
③仅仅考虑上述过磨削所需时间已使滚筒的磨削时间变长，滚筒磨削效率下降。
此外，特开平7-294493展示的超声波探伤装置完全没有考虑被检材料的转速和必需的介质液量之间的关系，而相应于被检材料的转速，在被检材料上打滑，从探头和被检材料表面之间逃逸的介质液量变化，例如，如果被检材料的转速增加，则从探头和被检材料之间逃逸的介质液量增加，探头和被检材料表面之间的介质液量不足，超声波对被检材料的传递不佳，不能检出表面缺陷。相反，如果滚筒的转速变�。５慕橹室涸谔酵非胺搅鞒觯虼吮砻娌ㄋゼ酰膊荒芗斐霰砻嫒毕�。
因为关于特开平4-276547或特开平7-294493使用的表面波探头并未具体地展示，所以其细节不了解，我们认为至少使用众所周知的表面波探头。传统的表面波探头由使超声波振子和超声波以角度θi入射滚筒表面的楔构成，设定该入射角θi以便用折射法则，满足下述(1)式。
θi＝Sin-1(CW/CRs) (1)这里，CW楔内的超声波速度，CRs普通钢的表面波速度。其中设入射角θi为与滚筒表面正交的垂直面所呈角度。
可是，最近了解到；如果用前述的表面波探头进行滚筒表面探伤，则常常不能在检出信号中获得足够的S/N比。
因此，本发明者们着眼因高速钢滚筒的制造方法不同而产生的材质的不同，并且探讨该材质不同如何影响上述的表面探伤。而且发现如表1所示，材质不同的各滚筒的表面波速度因材质而有很大差异。
此外也发现高速钢滚筒的表面波速度与作为普通钢的表面波速度的2980M/sec有很大差异。
由表面波探头产生的表面波向滚筒表面的发送接收，利用了由上式(1)表示的折射现象，设定入射角θi，以便折射角成为90°。因此，表1所示因滚筒材质使表面波速度不同的情况下有必要使入射角分别按照各自的表面波的速度变更。不这样则表面波的发送接收效率一定低下。
可是现状是基于作为普通钢的表面波速度的2980m/sec决定入射角θi，来制作表面波探头。实际如表1所示在各高速钢滚筒的表面波速度与普通钢的表面波速度有很大差异，此外，在各高速钢滚筒之间也因高速钢滚筒的制法不同材质不同而对表面波速产生偏差，而实际情况是在入射角θi的设计中完全没有考虑这种差异。因此，入射角θi与用于发送接收最佳表面波的合适值有很大差异。
此外高速钢滚筒的探伤通常在滚筒磨削设备上或在滚筒磨削设备近处实施。这样的机械设备常常发生从马达以及变流器来的大的电气噪声，常有使大的电气噪声重叠到使用表面波的探伤信号上的情况。这样一来，在高速钢滚筒探伤中由于已经产生前述的表面波发送接收效率低下，所以缺陷的反射波高度变得低下，因此作为缺陷反射波和电气噪声的振幅比的S/N比低下，造成缺陷检出能力低下。
即使使与特定材质的高速钢滚筒的表面波速度一致来决定入射角θi，制作表面波探头，如果对其表面波速度值调准在例如表1的3090m/sec或3180m/sec那样最小或最大值的高速钢滚筒的表面波速度中的任一种速度，则在表面波速度成为与其倒过来的最大或最小值的材质的高速钢滚筒中，表面波的发送接收效率低下，缺陷检出能力降低，问题并未解决。
此外，针对每个材质不同的滚筒必须把表面波探头更换成最佳的，仍存在使滚筒的探伤时间增加，在操作上的时间消耗过多的危险，是不实用的。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的问题，其第一课题是在用表面波进行超声波探伤时，提供能在防止1次裂纹的过检出的同时，降低晶粒边界来的噪声电平和提高缺陷检出能力的圆柱体超声波探伤方法及其装置。
本发明第2课题是提供超声波探伤装置，即使被检材料的转速发生变化，该超声波探伤装置也能经常以适量的介质液供给到探头和被检材料表面之间，很好地维持超声波向被检材料的传递而且能够防止过剩的介质液体向探头前方流出。
本发明第3课题是提供滚筒的磨削方法，在承受因辗压等在表面上产生热的、机械的损伤的滚筒磨削时该滚筒磨削方法能使滚筒的磨削量最佳化，并且提高滚筒的单耗，同时还可以提高滚筒磨削的效率。
本发明第4课题是还提供滚筒检查用表面波探头及其入射角设定方法。在用表面波的高速钢滚筒的超声波探伤法中，即使由于制造方法不同引起滚筒材质的不同，该滚筒检查用表面波探头及其入射角设定方法能够高效率发送接收表面波，并且能够提高缺陷的反射波的S/N比。
本发明在旋转的圆柱体表面上通过介质液体接触表面波探头，从该表面波探头对圆柱体传递表面波，同时通过接收从圆柱表面或紧挨表面下存在的缺陷的反射波，检出该缺陷的圆柱体的超声波探伤方法中，当前述表面波探头发送接收的表面波中心频率为fc时，在该表面波的频谱中，通过设与强度对峰值的比处于-6dB以内范围的宽度相当的频带宽度为0.50fc以上，来解决前述第1课题。
本发明还在前述超声波探伤方法中，通过设表面波探头发送接收的表面波脉冲的脉冲宽度为前述圆柱体传递的表面波波长的2.5倍以下，来解决前述第1课题。
本发明使在旋转的圆柱体表面通过介质液体接触表面波探头，从该表面波探头对圆柱体传递表面波，同时通过接收来自圆柱体表面或紧挨表面下存在的缺陷的反射波，在检出该缺陷的圆柱体的超声波探伤装置中，通过发送接收前述表面波的表面波探头具有配置在超声波振子的超声波发送接收面上的楔以及在其背面配置的阻尼材料，来同样解决第1课题。
本发明用铌酸铅系瓷器、钛酸铅系瓷器、1～3型复合物振子(在环氧树脂板上多个并列置入小柱状硅酸钛酸铅(以下称为PZT)的振子)、0-3型复合物振子(在高分子材料中均匀分散陶瓷振子粒的振子)，或3-1型复合物振子(在硅酸钛酸铅(PZT)板开多个贯通孔，并在其中流入环氧树脂等加固的振子)作为上述超声波振子。
本发明用聚酰胺树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯树脂或氟树脂(Teflon)制作前述楔。
如图1所示，由于本发明的表面波探头10主要由超声波振子10A、阻尼材料10B、树脂制楔10C构成，设发送接收的表面波的中心频率为fc时，则前述表面波探头10的频带宽为0.50fc以上。
即如果现在表面波探头10发送接收的表面波频谱具有如图2概念上所示的频率分布，则规定频谱强度(信号强度)对峰值的比在-6dB以内范围的频宽fR-fL为频带宽，下列(2)式成立，fR-fL≥0.50fc……(2)这样一来，在本发明中设表面波探头10的频带宽为0.50fc以上宽的带宽。如果说明该表面波探头10的具体构成，则在上述超声波振子10A中用铌酸铅系瓷器或图23～25所示的复合物振子等机械Q值低的振子或者能够用钛酸铅系瓷器等，虽然机械Q值高，但也易受机械阻尼的振子。在这里所谓机械的Q值是表示共振锐度的量，机械Q值越高，则振动持续时间越长。因为散射噪声依被探伤材料的晶粒边界或表面粗糙度而异，所以发送接收的表面波中心频率fc有必要设定在合适的范围内。例如在辗压滚筒的情况下，最好在1～4MHZ。
通过在上述阻尼材料10B中用将钨(金属)等比重大的粉体混合在环氧树脂等中加固的物体，并把它贴附在超声波振子10A的背面，以便对超声波振子10A内发生的超声波振动进行制动。因为钨(金属)等粉体的体积分率越大，阻尼材料的重量越大，则超声波振动的制动效果越大、超声波脉冲的脉宽变小。
通过把超声波振子10A和阻尼材料10B作为上述所示的材料构成，可以生成(信号传送)频带宽0.5fc以上，脉宽为表面波波长2.5倍以下的超声波脉冲。
超声波发送接收面的法线S2对在该被检表面通过前述介质接触的底面法线S1的入射角为θ1，前述树脂制楔10C具有以入射角θi交叉的倾斜面，把超声波振子10A的前面(超声波发送接收面)贴附到该倾斜面上。以便如图1所示使超声波振动满足下述(3)式并入射到被检体。而且该楔10C本身用衰减率尽可能小的、例如聚苯乙烯树脂或聚酰胺树脂等形成，以便不损伤前述那样的短脉冲波形。
θi＝Sin-1(CW/CR) ……(3)式中CW树脂制楔内的超声波速度，CR圆柱体的表面波速度。
图3是通过种种变更阻尼材料的材质，制作频带宽不同的中心频率fc＝2MHZ的表面波探头10，示出脉宽和频带宽关系的调查结果。在这里，频带宽与中心频率fc相等时作为100％表示。
由图3可以看到，如果频率带宽大于50％，则可以生成脉宽小于表面波波长2.5倍的短脉冲。而且使这样生成的脉宽短的表面波脉冲适合于无数地存在1次裂纹K的残存部分的滚筒缺陷的检测。正如用前述图21所说明的那样，在这种情况下，如果令表面波波长为λ，则一定存在离表面波探头10的距离差为λ/2的微小反射体K1～K4的组合。
图4是示出用前述频宽为0.70fc以上，脉宽也为表面波波长1.5倍的短的超声波脉冲对存在上述微小反射体的区域探伤时的观测波形，这相当于前述传统例的图22。
如该图4所示，可以看到由于脉宽短，所以即使来自一次裂纹K的残存部分的微小振幅的反射波等相位叠加，振幅的增大作用也小。即如果把可以发送接收脉宽短的表面波脉冲的本发明的表面波探头10用于无数地存在1次裂纹K残存部分的滚筒缺陷的检出，就能够有效地防止来自该1次裂纹K的残存部分的反射波的振幅增大。
图5是示出用前述频带宽不同的(脉宽不同)中心频率2MHZ的表面探头对来自热加工辗压用前段工作辊的1次裂纹的反射波高度与(脉宽/表面波波长)关系进行调查的结果。其中以反射波的高度作为基准，测定来自直径1mm，深度1mm的纵方向的钻孔的反射波高度，1次裂纹K的深度约为0.15mm。
图中作为实测点的A1，A2，A3与本发明相当，作为构成表面波探头10的超声波振子10A用铌酸铅系瓷器，此外作为阻尼材料10B用在环氧树脂内混合体积分率分别为80％，60％，40％的钨粉的阻尼材料。B1，B2相当于比较例。作为超声波振子用PZT，此外作为阻尼材料10B用在环氧树脂内混合体积分率分别为80％、60％的钨粉的阻尼材料。C1，C2相当于传统例，作为超声波振子10A用机械的Q值相互有若干差异的PZT，不用阻尼材料10B。除上述各点之外，实质上用同一装置测定。
由图5可以看到脉宽越短，1次裂纹K的反射波高度越低。
其次，详细讨论适合超声波振子10A、树脂制楔10C的材质。作为阻尼材料10B，如前述所示，用在环氧树脂内混入钨粉加固的，在环氧树脂内混合钨粉的体积分率分别取80％，60％，40％，20％。作为超声波振子10A选择铌酸铅系瓷器、钛酸铅系瓷器、硅酸钛酸铅(PZT)、钛酸钡、铌酸锂、1-3型复合物振子(图23)，0-3型复合物振子(图25)，3-1型复合物振子(图24)，此外，作为树脂制楔10C选择聚酰胺树脂，聚苯乙烯树脂，丙烯树脂，氟树脂(Teflon)制作表面波探头，测定发送接收的表面波频率带宽及脉宽，同时调查来自与图5所示结果的实验相同的热加工辗压用前段工作辊的1次裂纹的反射波高度。作为反射波高度的基准，测定直径1mm、深度1mm的纵向钻孔的反射波高度，与图5所示结果的实验完全相同。表2，表3，表4分别示出阻尼材料10B中的钨粉体积分率为80％时、60％时、40％时的实验结果。但是来自1次裂纹K的反射波高度比-11dB高的(来自1次裂纹K的反射波高度与传统的探头相比不低于3dB以上的)磨削掉，而超声波振子用PZT时的结果作为比较例为对比而完全示出。表5给出阻尼材料10B中钨粉的体积分率为20％时的实验结果，而来自1次裂纹K的反射波高度比-11dB高。如果看表2到表4，可以看到在所有情况下超声波振子10A内完全可能使用铌酸铅系瓷器、钛酸铅系瓷器，1-3型复合物振子，0-3型复合物振子，3-1型复合物振子。此外，可以看到在树脂制楔10B内完全可以使用聚酰胺树脂(2MHZ的超声波衰减常数1.2×10-2dB/m)，聚苯乙烯树脂(2MHZ的超声波衰减常数1.3×10-2dB/m)，丙烯树脂(2MHZ的超声波衰减常数1.8×10-2dB/m)，氟树脂(Teflon2MHZ的超声波衰减常数1.8×10-2dB/m)。因此，楔材在2MHZ的超声波衰减常数小于1.8×10-2dB/m就行了。把表2到表4与表5作比较，可以看到在阻尼材料10B中的钨粉体积分率必须大于40％。
本发明者等依靠传统用的脉宽为表面波波长5倍的表面波探头对实质上同一条件下热加工辗压用的前段工作辊进行超声波探伤，不过，因为已经确认在最终一次的滚筒磨削前的磨削合格(Pass)后进行探伤和最终的磨削合格后进行探伤之间，来自1次裂纹的反射波可降低3dB，所以如果来自该1次裂纹K的反射波高度可降低3dB以上，则滚筒磨削合格次数至少能够减少一次。而且最终的滚筒磨削合格与否的判定由在磨削后测定的实测值是否在预定阈值以下来定。
因此，正如前述的图5所示，如果与用传统的脉宽为表面波波长5倍的表面波探头的测定值C1比较，能降低来自1次裂纹的反射波高度3dB以上的测定值的表面波探头的脉宽为小于表面波波长的2.5倍，则因为测定值A3和C1之差为3dB，所以对滚筒的磨削合格次数应该至少1次以上。
从图3可以认为能够发送接收脉宽小于表面波波长2.5倍的表面波的表面波探头的带宽在50％以上是合适的。因此，可以看到通过设表面波探头的频带宽大于0.50fc，对能够降低1次裂纹过检产生的滚筒的过磨削有效果。这在本发明是表面波探头的频带宽取0.50fc以上的根据。
正如以上详述的那样，通过应用频带宽大于0.50fc，脉宽小于表面波波长2.5倍的表面波探头，对使用传统用的脉宽为表面波波长5倍程度的表面波探头的情况(图5中，C1点)和本发明的情况(A1～A3点)相比较，1次裂纹K的反射波高度可以降低3～6dB以上。
同样地对于残存深度约0.1mm的1次裂纹K的辗压滚筒或残存深度约0.25mm的1次裂纹K的高速钢滚筒上生成的深度0.5mm的裂纹进行探伤时，用脉宽为表面波波长1.5倍的表面波探头，来自裂纹的反射波的S/N比为10dB，用脉宽为表面波波长2.5倍的表面波探头，来自裂纹的反射波的S/N比为7dB，与此相对应，用传统的脉宽为表面波波长5倍程度的表面波探头，S/N比为4dB。因此，如果采用本发明方法，与传统方法相比，使S/N比约提高3～6dB，能够大幅提高缺陷检出能力。
其次，应用具有如前述图1所示的超声波振子10A、阻尼材料10B、树脂制楔10C分别由铌酸铅系瓷器、环氧树脂内混合60％体积分率的钨粉的阻尼材料、聚酰胺树脂所形成的表面波探头10的超声波探伤装置，对于500只热加工辗压用前段工作辊进行探伤，调查来自一次裂纹(热裂纹)的反射波降低到预定的水平以下的磨削量的实绩时，用直径换算的磨削量的实绩，在应用具有脉宽为表面波波长5倍程度的表面波探头的超声波探伤装置进行相同调查的传统例中为0.33mm，而用本发明可以磨削到0.2mm。
这样一来，如果采用本发明，与传统技术相比，磨削量可以削减0.1mm以上。即使在这样削减的情况下，因在辗压滚筒表面生成的微小缺陷所发生的被辗压材料表面缺陷的程度与传统的几乎没有差别。
在旋转的圆柱体表面通过介质液接触表面波探头，从该表面波探头对圆柱体传播表面波的同时，通过接收来自在圆柱体表面或紧挨表面下存在缺陷的反射波，在检出该缺陷的本发明超声波探伤装置中，配备以下装置以解决前述第3课题，这些装置包括使前述圆柱体沿其周方向旋转的圆柱体旋转装置；检出由该圆柱体旋转装置产生的圆柱体转速的转速检出装置；在圆柱体上方对圆柱体表面以一定间隔保持前述表面波探头的定位装置；在该圆柱体轴向扫描的扫描装置；可把构成超声波传播介质的介质液供给到前述表面波探头和圆柱体表面之间、而且配备了可以根据前述圆柱体旋转装置产生的圆柱体转速，控制介质液供给量的流量控制阀的给水装置；在超声波振子的超声波发送接收面上配置的楔以及在超声振子的背面配置的阻尼材料，以便在设前述表面波探头发送接收的表面波中心频率为fc时，在该表面波的频谱内，相当于强度对峰值处于-6dB以内范围宽度的频带宽为0.50fc以上可以应用表面波检出缺陷的表面波探头；将用以发送表面波的电脉冲供给该表面波探头，把该表面波探头捕捉到的信号放大到判定缺陷必要的电平为止并输出的超声波发送接收器；从该超声波发送接收器输出的信号中取出应进行缺陷判定的信号，并输出的选通装置；以及检出该选通装置输出的信号振幅并输出，或者把该信号电平与预定阀值进行比较，当该信号电平大时，输出有缺陷的信号的缺陷判定装置。
尤其是前述楔具有在圆柱体表面通过接触介质接触的底面以及倾斜面，该倾斜面的法线对该底面部分的法线以前述(3)式规定的入射角θi相交叉，在该倾斜面上贴附前述超声波振子的超声波发送接收面的情况下，可以在圆柱体表面高效率传播表面波。
发明者们用有人工缺陷的高速钢滚筒，使该高速钢滚筒的转速变化，并且使从探头向滚筒表面的超声波传输稳定，而且过剩的介质液并不向探头前方流出，图6给出为了维持来自人工缺陷的反射波的高度为一定值调查合适的介质液(在本实验的情况用水)量的结果。如果处于打斜线的范围内的水量，则从探头到滚筒表面的超声波传递稳定。可以看出，随着高速钢滚筒的转速变大，媒介质液量也必须增大。而且，用转速检出装置测量高速钢滚筒的转速，根据高速钢滚筒的转速，通过应用在给水装置上设置的流量控制阀控制介质液的供给量，可以把合适量的介质液提供给到探头和高速钢滚筒表面之间，由此，能够维持从探头到滚筒表面的超声波传递稳定，并且可以防止过剩的介质液向探头前方流出。
在表面上受到了热的、机械的损伤的滚筒磨削时，在磨削开始前或者在磨削过程中，边使滚筒旋转边通过接触介质的膜使滚筒表面与表面波探头接触，从表面波探头传播表面波，同时要除去滚筒表面中传播表面波部分的液体，测定来自在滚筒表面存在或残存的热的、机械的损伤部分的反射波高度，根据该反射波高度，设定其后的磨削量进行磨削，本发明是以此解决前述第3课题的。
在本发明中，通过媒介质与旋转的滚筒表面接触，至少由超声波振子和使超声波以入射角θi入射到滚筒表面的楔构成，以便在前述滚筒表面传播表面波那样配置，并且检出在前述滚筒表面和紧挨表面下存在的缺陷的滚筒检查用表面波探头中，通过设定其入射角θi以便满足下述(4)式，θi＝Sin-1(CW/CRav)……(4)以此解决上述课题。
式中，CW是楔内的超声波速度，CRav是作为检查对象的各滚筒的表面波速度的平均值。但入射角θi设为与滚筒表面正交的垂直面之间的角度。
通过介质与旋转的滚筒表面接触，至少由超声波振子和使超声波以入射角θi入射到滚筒表面的楔构成，以便在前述滚筒表面传播表面波那样配置，并且作为检出在前述滚筒表面和紧挨表面下存在的缺陷的滚筒检查用的表面波探头的入射角设定方法，通过设定其入射角θi以便满足上述(4)式，来解决上述课题。
发明者们用前述表面波探头，通过边微小量地磨削受到辗压产生的热的、机械的损伤的辗压滚筒，边测定来自热的、机械的损伤部的反射波高度，调查来自热的、机械的损伤部分的反射波高度与热的、机械的损伤部残量(当反射波高度低于缺陷检出用阀值时看作无残量)之间的关系。图7给出其结果。可以很好看出，热的、机械的损伤部残量减少的同时，来自热的、机械的损伤部分的反射波高度也减小。如果从图7求出为了除去热的、机械的损伤部必要的磨削量和来自热的、机械的损伤部分的反射波高度之间的关系，则可得图8所示结果。因此，在磨削的开始前或磨削的过程中，通过用表面波的超声波探伤，测定来自热的、机械的损伤部分的反射波高度，如果用图8的关系决定磨削量，则能防止超过热的、机械的损伤部分的过磨削或者防止热的、机械的损伤部分的削残，可实现最佳的磨削。
尤其是在来自前述热的、机械的损伤部分的反射波高度处于最高处时，移动表面波探头及磨削用砂轮，边进行探伤边进行切入(plunge)磨削，求出来自热的、机械的损伤部分的反射波高度变为预定水平以下的磨削量，通过按照该磨削量，对残存的滚筒面磨削，可以实现最佳的磨削。
即如果在磨削开始前或磨削过程中，实施用表面波的超声波探伤，则如图7的关系所阐明的那样，来自热的、机械的损伤部分的反射波高度在最高处可以特定为热的、机械的损伤部分的残留量最多处。因此，如图9所示，使滚筒磨削装置的砂轮62和表面波探头10与辗压滚筒110接触的位置(滚筒的轴向位置)一致之后，在来自热的、机械的损伤部的反射波高度处于最高处时，滚筒磨削装置的砂轮62与表面波探头10接触。而且进行用表面波的超声波探伤，如果来自热的、机械的损伤部分的反射波高度一直下降到低于预定阀值，对辗压滚筒进行切入磨削，则这时的磨削量成为为了除去整个辗压滚筒面的热的、机械的损伤部分必要的磨削量。因此，将残留的滚筒的磨削量设定为该磨削量而进行磨削便行了。
图1是放大表示本发明的表面波探头的大致结构的断面图，图2是用于说明前述表面波探头的频带宽的曲线图，图3是表示前述表面波探头的频带宽和(脉宽/表面波波长)关系的曲线图，图4是表示根据本发明的观测波形和来自微小反射体的反射波之间的关系的说明图，图5是表示来自1次裂纹的反射波高度和(脉宽/表面波波长)关系的曲线图，图6是表示为了用以说明本发明原理的滚筒转速和合适介质液量的关系的曲线图，图7是表示为了说明本发明的来自热的、机械的损伤部分的反射波高度和热的、机械的损伤部分残留量关系的曲线图，图8是表示为了说明本发明的必要的磨削量和来自热的、机械的损伤部分的反射波高度的关系的曲线图，图9是表示为了说明本发明的切入磨削的砂轮和表面波探头的位置关系的斜视图，图10是表示本发明的超声波探伤装置的第1实施例的大致结构的侧视图，图11是放大表示第1实施例的探头座部分的正视图，图12是剖断表示第1实施例的表面波探头上配备的给水部的主要部分侧视图，图13是表示本发明的超声波探伤装置的第2实施例的大致结构的侧视图，图14是表示在第2实施例中改变滚筒转速进行探伤时的，来自缺陷的反射波高度和转速关系的调查结果的曲线图，
图15是表示本发明的超声波探伤装置的第3实施例的大致结构的侧视图，图16是表示本发明的超声波探伤装置的第4实施例的大致结构的侧视图，图17是表示用本发明的探头F和传统法的探头G、H，测定在5种滚筒上加工的人工缺陷的反射波高度的结果的图，图18是表示用本发明的探头F和传统法的探头G、H，测定在5种滚筒上加工的人工缺陷的反射波的S/N比的结果的图，图19用S/N比表示使用本发明的探头F和传统法的探头G、H对20个表面缺陷进行探伤检查结果的图，图20是为了说用热加工辗压用工作辊在周向的表面上产生的裂纹的概念图，图21是表示表面波探头和微小反射体的位置关系的说明图，图22是表示用传统法的观测波形和来自微小反射体的反射波之间关系的说明图，图23是本发明的探头振子的一例(1-3型复合物振子)，图24是本发明的探头振子的一例(3-1型复合物振子)，图25是本发明的探头振子的一例(0-3型复合物振子)。
具体实施例方式
参照以下附图，详细说明本发明的实施例。
图10是表示本发明的超声波探伤装置第1实施例的概略侧视图。
本实施例的超声波探伤装置是把图中符号110所示的辗压滚筒作为被检体，作为基本构成包括使该滚筒110旋转的滚筒旋转装置，用于发送接收该滚筒110的表面波的表面波探头10，用于支撑该探头10的探头座12，附置在该座12上、把接触介质(水)供给到滚筒110的表面和表面波探头10之间的给水装置(后述)。
作为前述滚筒旋转装置为避免附图的复杂化而省略了其图示，如果使检查对象的辗压滚筒110也能够沿其圆周方向C旋转，则可以用公知的合适的装置。
调整振子种类或阻尼材料的组成，以便使前述表面波探头10可能发送接收频带宽大于0.50fc，脉宽小于表面波波长2.5倍的表面波。
在该表面波探头10上，在该探头10和作为被检体的辗压滚筒110表面之间间隙内形成充满水(介质液)的状态，通过该水，使超声波在滚筒110的表面上传播，在该滚筒110上传递表面波，通过发送接收该反射波应该可以检出辗压滚筒110的表面缺陷。
支撑该表面波探头10的前述探头座12定位在对位于辗压滚筒110上方的固定构造部件14，在可以上下方向滑动的导杆16的下部安装的定位机构部18上。在该定位机构部18中配备前后各一对、计4个滚筒20，在这些滚筒20之间配置上述的探头座12。而且，在进行探伤时，通过这4个滚筒20与辗压滚筒110的表面接触、旋转，使探伤扫描稳定。
在前述固定构造部14上配备有马达14A及其安装底板14B，该马达用于通过公知的传递装置(未图示)提供使定位机构部18沿导杆16升降的动力。
该固定构造部14通过省略图示的扫描装置可以沿辗压滚筒110的轴向扫描，由此可以使表面波探头10沿辗压滚筒110的轴向扫描。
前述的探头座12安装在对定位机构部18可以上下移动地松转动配合的棒状体12A的下端，通过夹装于该棒状体12A周围的预定位置上的弹簧(未图示)，常常在图中下方，即对辗压滚筒110的表面用适当力在压紧的状态下支撑着。
为了在前述表面波探头10和辗压滚筒110之间形成预定的间隙，在前述探头座12上设置一对仿形滚筒22，它们向比该表面波探头10还下方的辗压滚筒110一侧突出。
图11是放大表示该状态正视图，在沿着水平方向(滚筒轴向)探头座12对置的两侧部上分别设置轴24，在其两侧上可以旋转地分别安装了上述仿形滚筒22，这样一来，轴支承在探头座12上的仿形滚筒22通过承受前述弹簧适当的压力能够在测量时常常与辗压滚筒110的表面接触，通过这种结构用探头座12能支撑前述表面波探头10，以便在表面波探头10和辗压滚筒110之间常常维持一定的间隙。
在该表面波探头10，正如分别用两点划线表示探头座12和仿形滚筒22的轮廓，省略的图12所示，在其内部配备有供水部(给水装置)26，从导管28导出的水暂时收容在收容部26A内，由设置在收容部26A底部上的放出孔26B把它放出，应当能在表面波探头10和辗压滚筒110之间形成无气泡的水层。因为给水装置用传统的已知的恰当装置构成便行了，省略详细说明。
在图10中，符号30是除去该水的刮板，以便如以上所述由给水部供给的水残留在滚筒表面而不致流到表面波的传播路上。
因为本实施例的超声波探伤装置作为以上详述的装置构成，所以把作为超声波传播介质的水供给到表面波探头10和作为被检体的辗压滚筒110的表面之间，同时可以容易且可靠执行边在其表面上扫描移动该探头10边进行探伤作业。
用本实施例，对500只热加工辗压用前段工作辊(高速钢滚筒)进行探伤，在调查来自称作热裂纹的1次裂纹的反射波降低到预定水平以下的磨削量的实绩时，应用传统的脉宽为表面波波长5倍程度的表面波探头的探伤装置的磨削量实绩(直径换算)为0.33mm，而在本实施例变成0.20mm，与传统相比，确认可以削减磨削量0.1mm以上。即使在这种情况下由高速钢滚筒表面的微小缺陷产生的被辗压材料的表面缺陷发生与传统的几乎没有差别。
其次，参照图13，详细说明适合于扫描移动表面波探头10对高速钢滚筒的表面探伤的本发明的第2实施例。
在本实施例中，设辗压滚筒110为高速钢滚筒，该高速钢滚筒的转速由转速检出器32检出，送到在给水装置上配备的流量控制阀34，控制流量在适合于图6所示的范围内。表面波探头10的输出经超声波发送接收器40以及门电路42，输入到缺陷判定电路44。
前述超声波发送接收器40将用以发送表面波的电脉冲供给前述表面波探头10，该表面波探头10把接收的信号放大到判定缺陷必要的电平，并输出到门电路42。门电路42从前述超声波发送接收器40输出的信号中抽出应进行缺陷判定的信号，并输出到缺陷判定电路44。缺陷判定电路44检出门电路42输出的信号振幅并输出或者把该信号的电平与预定的阀值比较，当该信号电平大时动作，以便输出有缺陷的信号，由此检出表面缺陷。
前述探头座12与第1实施例一样，如图12所示，在内部配备给水部26。该给水部26通过流量控制阀34确定与辗压滚筒110的转速(周速)相适应的流量，把从导管28导出的水暂时收容在收容部26A内，让它从设置于收容部26A底部的放出口26B放出，在表面波探头10和辗压滚筒110之间形成无气泡的水层。
因为关于其它点与第1实施例相同，用相同符号，省略详细说明。
用本实施例的装置改变转速从25rpm到50rpm对有表面缺陷的高速钢滚筒进行探伤，在图14给出调查来自缺陷的反射波高度和转速的关系的结果。如果采用本实施例的装置，可以与高速钢转速无关、很好地检出表面缺陷。
其次参照图15，详细说明本发明的第3实施例。
本实施例在磨削开始前或磨削中途进行用表面波的超声波探伤，测定来自热的、机械的损伤部的反射波高度，给出了向辗压滚筒110的磨削装置60传送磨削量设定值的装置。辗压滚筒的磨削装置用传统已知的恰当装置就行了。为避免附图复杂化，省略图示。
在前述表面波探头10上连接超声波探伤器50，把用于从表面波探头10发送表面波的电脉冲供给表面波探头10，把表面波探头10接收的信号放大到适于缺陷判定的电平。此外，超声波探伤器50用与第2实施例同样的门电路(图示省略)，从放大后的信号抽出来自热的、机械的损伤的反射波，检出其高度。由超声波探伤器50检出的来自热的、机械的损伤部分的反射波高度送到计算机52，通过参照图8的关系，求出为除去热的、机械的损伤部必要的磨削量。如此求出的磨削量的设定值送到辗压滚筒的磨削装置60，例如用砂轮实施磨削。
因为关于其它点与第1、第2实施例相同，用相同符号，省略其详细说明。
用本实施例中，对200只热加工辗压用前段工作辊进行探伤，调查磨削量的实绩时，而采用传统方式进行的、把一定量的磨削重复到来自热的、机械的损伤部分的反射波低于预定阀值的方法的磨削量推算值(从对每1只滚筒用本装置的磨削量的实际值推算传统法的磨削量)经直径换算为0.23mm，而采用本实施例经直径换算为0.18mm，与传统方式相比，确认磨削量可削减0.05mm以上。
其次，参照图16，详细说明本发明的第4实施例。
在本实施例，设置了检出表面波探头10的滚筒轴向位置的位置检出器36，从该位置检出器36检出表面波探头10在滚筒轴向的位置，送到计算机52，在磨削开始前或磨削中途进行的用表面波的超声波探伤中，求出来自热的、机械的损伤部分的反射波高度最高部分在辗压滚筒上的位置。此外，在进行称为切入磨削的磨削时，如图9所示，表面波探头10在机械上定位设置，以便使表面波探头10和砂轮62与辗压滚筒110接触的位置(滚筒的轴向位置)一致。
关于其它构成，因为与第3实施例相同，所以用相同符号，省略详细说明。
以下详细说明本实施例的运作。首先，在磨削开始前或磨削中途，通过使辗压滚筒110边沿其圆周方向C旋转，边使表面波探头10沿辗压滚筒110的轴向扫描，对整个辗压滚筒面进行用表面波的超声波探伤，通过输入来自热的、机械的损伤部分的反射波高度以及表面波探头10的位置检出信号的计算机52求出来自热的、机械的损伤部分的反射波高度的最高部分在辗压滚筒110上的位置。
其次，如图9所示，在该位置移动表面波探头10和砂轮62，直到来自热的、机械的损伤部分的反射波高度低于预定阀值为止，边进行用表面波的超声波探伤、边进行辗压110滚筒的切入磨削，求出这时的磨削量。
把这样求出的磨削量的设定值输入到辗压滚筒的磨削装置60，进行残留的滚筒面的磨削。
用本实施例的装置，对200只热加工辗压用前段工作辊进行探伤，调查磨削量的实绩，而采用传统方式进行的、把一定量的磨削重复到来自热的、机械的损伤部分的反射波低于预定阀值的方法的磨削量推算值，经直径换算为0.24mm，而采用本实施例经直径换算为0.19mm，与传统方式相比，确认磨削量可削减0.05mm以上。
其次用图17和图18详细说明本发明的第5实施例。
图17和图18是表示用本发明的表面波探头和2种传统方式的表面波探头测定表1所示的5种滚筒上加工的人工缺陷结果的图。图17是测定人工缺陷的反射波高度的图，图18是测定人工缺陷的反射波的S/N比的图。人工缺陷采用在各自的滚筒的表面上加工1mmφ、1mm深度的纵向钻孔。在这里设表面波探头的楔为聚苯乙烯树脂(CW＝2340m/sec)制作。
表面波探头如前所述预备如下3种。探头F是对作为对象的5种滚筒的表面波速度取平均，构成的表面波探头，以使其符合由该平均值CRav和聚苯乙烯树脂的超声波速度CW用(2)式算出的θi。即取θi＝48.1度。是本发明的表面波探头。探头G构成的表面波探头符合由表1的滚筒4号的表面波速度和聚苯乙烯树脂的超声波速度算出的θi，即取θi＝49.2度。是传统的表面波探头。探头H构成的表面波探头符合由普通钢的表面波速度(2980m/sec)和聚苯乙烯树脂的超声波速度算出的θi，即取θi＝51.7度。是另外的传统例的表面波探头。
由图17和18可以确认本发明的探头F稳定地得到与滚筒的种类无关的高的反射波高度及S/N比。在这里图17的纵轴令在表面波探头F对滚筒1号的人工缺陷探伤时的反射波高度为0dB表示。
其次，从实际的滚筒中对表1所示的5种滚筒上各附有4个、共计20个表面缺陷抽样，测定来自这些表面缺陷的反射波的S/N比。图19是对20个表面缺陷全部附上编号并以该编号作横轴，S/N作纵轴的图表化。在这里，表面波探头适用前述的3种探头F、G、H。从图19也通过应用本发明的探头F，确认即使对实际的表面缺陷也能稳定地以高S/N比进行探伤。
以上就本发明作了具体的说明，但本发明并不限于前述实施例，在不脱离其要旨的范围内可作种种变更。例如作为构成表面波探头的构件的超声波振子10A、阻尼材料10B、树脂制楔10C的具体材料不限于前述实施例所示的，如果是具有同样功能的、则可以利用任意的材料。
在前述实施例，给出用水作为接触介质的情况，但也可以应用油等其它的液体。
本发明应用对象不限于辗压滚筒、尤其不限于高速钢滚筒，如果是由金属等构成的辗压机等的圆柱体则没有特殊限制。
表1
表2钨粉的体积分率80％
表3钨粉的体积分率60％
表4钨粉的体积分率40％
表5钨粉的体积分率20％
工业上利用的可能性。
如果采用本发明，则能够在用表面波进行超声波探伤时，防止1次裂纹的过检出，防止因过磨削产生的滚筒原耗变差。此外，能够降低来自1次裂纹或晶粉边界的噪声电平、大幅度提高缺陷检出能力。
尤其是因辗压在表面上受到热的、机械的损伤的辗压滚筒的磨削时，想要根据来自热的、机械的损伤的反射波高度去设定其后的磨削量时，使滚筒的磨削量最佳化、提高滚筒的原耗，同时提高滚筒的磨削效率。
此外，在用表面波的滚筒超声波探伤法的本发明的应用时尽管因制造法的不同产生的滚筒材质的不同，仍然能够高效率发送接收表面波，能够不更换表面波探头去探伤，能用共同的表面波探头提高来自缺陷的反射波的S/N比。
权利要求
1.一种圆柱体的超声波探伤方法，它是在旋转的圆柱体表面通过接触介质接触表面波探头，从该表面波探头对圆柱体传播表面波，同时通过接收来自圆柱体表面或紧挨表面下存在的缺陷的反射波，检出该缺陷的圆柱体超声波探伤方法，其特征为使前述表面波探头发送接收的表面波脉冲的脉宽小于在前述圆柱体传输的表面波波长的2.5倍。
全文摘要
一种圆柱体的超声波探伤方法，它是在旋转的圆柱体表面通过接触介质接触表面波探头，从该表面波探头对圆柱体传播表面波，同时通过接收来自圆柱体表面或紧挨表面下存在的缺陷的反射波，检出该缺陷的圆柱体超声波探伤方法，其特征为使前述表面波探头发送接收的表面波脉冲的脉宽小于在前述圆柱体传输的表面波波长的2.5倍。
文档编号G01N29/24GK1515900SQ0313688
公开日2004年7月28日 申请日期1998年10月29日 优先权日1997年10月31日
发明者高田一, 鑓田征雄, 杉本良一, 守井隆史, 一, 史, 雄 申请人:杰富意钢铁株式会社
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