二相性鋼溶接部の超音波検査：フェライト・オーステナイトのバランスと潜在的欠陥の特定

二相性鋼溶接部の超音波検査：フェライト・オーステナイトのバランスと潜在的欠陥の特定

二相ステンレス鋼は現代産業の基幹をなしており、その優れた強度と耐食性が評価されています。ただし、オーステナイトとフェライトからなる複雑な二相組織のため、非破壊検査（NDT）には特有の課題があります。超音波探傷試験（UT）は、二相鋼溶接部の健全性を確保する上で重要な手段ですが、検査を行うには、この材料の特性が検査に与える影響について深く理解する必要があります。本ガイドでは、超音波探傷試験を用いて二相ステンレス鋼の溶接品質および組織を評価するための実践的なフレームワークを提供します。

なぜ二相鋼溶接において超音波探傷試験が重要なのか

二相ステンレス鋼の溶接は繊細なバランス作業です。このプロセスでは、次の2つの主要な目的を達成する必要があります：

1. 欠陥のない溶接： 亀裂、溶合不良、気孔、介在物がない状態。

2. バランスの取れた組織： 機械的特性と耐食性を維持するために、オーステナイトとフェライトの二相がほぼ50％ずつのバランスを保つこと。

UTは、最初の目的を検証するための主要な方法です。ただし、2番目の目的はUT検査自体に直接影響を与えます。不均衡な組織構造は、欠陥を隠ぺいしたり、誤った表示を引き起こす可能性があるため、両方についての理解が重要です。

課題：二相組織における音響異方性

二相鋼の検査における主な課題はその 音響異方性 です。これは、音波が材料の結晶構造内を通過する方向によってその速度が変化することを意味します。

• 等方性材料 （標準的なオーステナイト鋼やフェライト鋼など）では、音波はあらゆる方向で一貫した速度で伝播するため、解釈が容易です。

• 異方性材料 （二相鋼や溶接部など）では、音ビームが散乱、歪曲、分裂する可能性があり、次のような現象が発生します。

  • ビーム曲がり： 音響ビームが直線的に進まない可能性があり、欠陥の正確な位置決めが難しくなります。

  • 減衰: 信号強度の減衰により、貫通力および微小または深部欠陥の検出能力が低下します。

  • 高ノイズレベル： 複雑な結晶粒構造によって、背景に高い「グラス（草）」ノイズが発生し、実際の欠陥が見えにくくなる可能性があります。

この異方性は、方向凝固構造を持ち粗大な結晶粒からなる溶接金属自体で最も顕著であり、その程度はフェライト・オーステナイトのバランスに直接関係しています。

超音波検査手順：ダブルックス鋼における主な考慮点

これらの課題を克服するため、超音波検査手順は慎重に設計および適格評価される必要があります。

1. 装置および探触子の選定：

• テクニック:  飛行時の difrction (TOFD) 二重溶接には非常に効果的であり、ビームのずれに対してあまり影響を受けにくく、平面欠陥の寸法測定能力に優れています。フェーズドアレイ超音波探傷（PAUT）は、複数のビーム角度を生成し、溶接部の体積に関する詳細な可視化マップを提供できるため、従来の超音波検査（UT）より優れています。

• 角度: 信号対雑音比を改善するために、より小さな屈折角（例：45°）を使用してください。標準的な60°または70°のプローブは、ビームの歪みが大きくなる可能性があります。

• 頻度: 低周波数（例：2 MHz）は、貫通性が良いですが分解能が低下します。高周波数（例：4〜5 MHz）は分解能が向上しますが、減衰が大きくなる可能性があります。材質の厚さに基づいて適切なバランスを取る必要があります。

2. 校正および参照ブロック：

• 必須の実践： 校正は、次の素材で作られた参照ブロック上で実施する必要があります。 検査対象部品と同じ二重鋼種および製品形状 （例：配管、板材）

• なぜ重要なのか： 炭素鋼の基準ブロックを使用すると、音響速度が異なるため、大きな誤差が生じます。ダブルブロックは、異方性材料における実際の音速および減衰を考慮に入れています。

3. スキャンおよびデータの解釈：

• オペレーターは以下の区別ができるように訓練を受ける必要があります：

  • 幾何学的な表示： 溶接ビード、表面、またはアンダーカットからの反射。

  • 微細構造ノイズ： 結晶粒構造によって生じる一貫したスパーク状の背景パターン。

  • 実際の欠陥： ノイズフロアを明確に上回り、プローブ角度の違いにわたって追跡可能な、鋭く明確な表示。

超音波検査による微細構造の不均衡の特定

定量的なフェーズバランス測定には金属組織学的実験室技術（例えば、ポイントカウント分析）が必要ですが、超音波検査（UT）は問題に関する明確な定性的指標を提供することができます：

重要な注意点: 超音波検査（UT）が微細構造の異常を示唆する場合、破壊試験（例えば、金属組織分析のためのサンプル切断）によって確認する必要がある。UTは微細構造のスクリーニング手段であり、確定的な測定手段ではない。

ダブルックスチールにおける一般的な溶接欠陥とその超音波検査（UT）での特徴

信頼性のある検査のためのベストプラクティス

1. 手順の資格： 実際の代表的な欠陥（例：ノコギリ切り、放電加工ノッチ）および二相ステンレス鋼や溶接部などの異方性材料における組織不均衡が確認されている部分を含むモックアップでUT手順の適格性を確認すること。

2. 訓練を受けた人員： レベルIIおよびレベルIIIのUT技術者を使用し、二相ステンレス鋼や溶接部などの異方性材料の検査経験が豊富な人材を確保すること。

3. データ記録: すべてのAスキャンを記録し、PAUT/TOFDの場合には完全なセクタースキャンを記録すること。これにより、解釈が難しい表示について後から分析したり、セカンドオピニオンを求めたりすることが可能になる。

4. 他の非破壊検査との相関： 疑問がある場合は、UTの結果を他の方法と照合してください。液体浸透探傷試験（PT）は表面貫通欠陥の検出に優れており、放射線透過試験（RT）は体積欠陥に関して異なる視点を提供することができます。

まとめ

二相ステンレス鋼溶接部の超音波探傷は、標準的な方法から一歩踏み込んだ対応が求められます。成功の鍵は、この材料の微細構造が測定すべき特性であるだけでなく、検査自体に影響を与える基本的な変数であることを認識することにあります。PAUTやTOFDといった高度な技術を用い、実際のサンプルブロックに合わせて較正を行い、欠陥および微細構造上の異常による音響シグネチャを理解することにより、検査者は重要な二相ステンレス鋼部品の健全性と性能を確実に評価できます。