1. Introduction and Summary

As ultrasonic waves can propagate through material very efficiently and not harmful to humans, ultrasonic testing (UT) is one of the most important non-destructive testing (NDT) techniques that are routinely used in the inspection of nuclear power plants as well as in many other important industry areas.

Laser-EMAT UT technique, taking advantages of the laser generation and EMAT detection, has been demonstrated as a very promising non-contact UT method. In this work, a high-performance laser-EMAT UT system is developed and studied for inner defect inspection in metal structures. For the optimization of the laser-EMAT UT technique and the development of new methods for inner defect inspection, a high efficient numerical code for the simulation of laser ultrasound is developed. To precisely measure the internal volume defects and inner cracks in the structures with a non-contact UT method, two new methods based on laser-EMAT technique are proposed in this work. To forward improve the performance of the laser-EMAT UT technique, a multi-beam lase source with using a fiber phased array is developed to enhance the signal strength of the laser-induced ultrasonic waves.

2. Development of Laser-EMAT UT System

The overall experiment setup is shown below in the schematic diagram of Fig. 1. A single-mode pulsed laser with duration of 10 ns and a wavelength of 1064 nm, generated by a Q-switched Nd-YAG laser was directed and focused onto the specimen surface by a cylindrical lens to generate ultrasonic waves in the specimen. Two custom-designed EMAT detectors, an in-plane EMAT and an out-of-plane EMAT, were developed for the measurement of laser-induced ultrasonic wave.

3. Improvement of Simulation Method for Laser Ultrasound

Based on the thermo-elastic mechanism for the ultrasound generation, an improved simulation method based on finite element method (FEM) is developed for the simulation of laser-induced ultrasonic waves.

where [K] and [C] are the conductivity matrix and heat capacity matrix, respectively, {T} the temperature vector, {Q} the heat source vector. [M], [D] and [S] are the mass matrix, damping matrix and stiffness matrix, respectively, {U} the displacement vector, and {F} the thermo-elastic force. Combined with the one dimensional compressing data storage technique, the data operand and memory cost in the improved method are significantly reduced.

4. Two Proposed Methods for Inner Defect Inspection with Laser-EMAT UT System

4.1 Laser-EMAT TOF S-SCS Method for Internal Defect Measurement

The interaction of laser-generated ultrasonic waves with the internal volume defect in the material is analyzed by simulation. Not only the directly scattered shear wave SS but also the shear-creeping-shear mode-converted wave SCS on the defect surface has been observed, when the defect diameter is larger than 0.3 mm. Based on the observed results in the simulation, a laser-EAMT TOF S-SCS method based on quantitative time of flight (TOF) analysis of the SS wave and SCS mode-converted wave is proposed to quickly evaluate the defect size, as shown in Fig. 2. Based on the propagation paths of the defect signals SS and SRS, the boundary length of the defect can be given by

where Δt is the time interval between the SCS and SS, CS and CR' are the propagation velocity of shear waves and creeping waves, respectively. The boundary lengths of the cross sections of four holes with diameter from 1 mm to 3 mm in an aluminum specimen were successfully measured with the proposed method.

4.2 Laser-EMAT TOFD Method for Inner Crack Measurement

A modified time-of-flight diffraction (TOFD) method based on laser-EMAT ultrasonic is developed to detect and measure the crack, as shown in Fig. 3, where L is an incident longitudinal wave, S is an incident shear wave, LTL is a crack-tip-diffracted longitudinal wave, LTS is a mode-converted diffracted wave at the crack tip. Based on the simulation and experiment results, the LTS mode-converted wave is recommended to be applied in the aluminum specimen, while the LTL wave is recommended to be applied in the stainless steel specimen. Therefore, the depth of the crack tip in the steel or aluminum specimen can be obtained by Eq. (4) or Eq. (5).

where tLa, tLTL and tLTS are the arrival time of lateral longitudinal, LTL and LTS, CL and CS are the velocities of longitudinal wave and shear wave, respectively.

Three artificial cracks with heights of 2 mm, 5 mm and 10 mm in a 20 mm-thick aluminum specimen is detected and precisely measured by this method.

5. Development of Fiber Phased Array Laser-EMAT System and Its Application

In real application, much stronger signals are needed to compensate for ultrasound attenuation in thick, hot specimen, or compensate the decrease of EMAT sensitivity for material with relatively low conductivity. As shown in Fig. 4, a multi-beam laser source with using three fiber phases is developed to enhance the ultrasound signal strength in the laser-EMAT UT system. The experiment results show that the SNR of the laser-EMAT system can be increased by two times with using the fiber phased array source. Finally, the fiber phased array technique is applied to improve the sensitivity and detecting ability of the laser-EMAT system for inner defect inspection. The SNR of the crack measurement results in the aluminum specimen by the laser-EMAT TOFD method are significantly improved by using the fiber phased-array laser source. The fiber phased array laser-EMAT system is also successfully applied to measure cracks in a stainless steel specimen by shadow method and TOFD method.

Fig. 1 Schematic diagram of overall setup of the laser- EMAT UT system and EMAT construction

Fig. 2 Schematic diagram of ultrasonic transmission modes and paths for internal defect measurement with laser-EMAT TOF S-SCS method: (a) actual paths, (b) simplified paths

Fig. 3 Schematic diagram of laser-EMAT TOFD method

Fig. 4 Schematic diagram of fiber phased array laser-EMAT UT system

本論文では金属材料中に発生したき裂などの欠陥をレーザーEMATにより検査する手法に関する技術開発研究を行っている。レーザーEMATとはレーザーアブレーションにより材料表面に熱-弾性振動を誘起して超音波を発生させ、これをEMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)センサで測定する手法である。

本論文の第1章は序論である。ここでは、非接触超音波診断技術の例としてエアギャップ超音波診断、EMAT, レーザー超音波診断、レーザーEMATについて述べるとともに、本論文の主題であるレーザーEMATの紀要研究について解説している。また、研究の目的を(1)高パフォーマンスレーザーEMATシステムの開発、(2)シミュレーションコードの開発、(3)レーザーEMAT信号を用いた材料内部の欠陥診断手法の開発、(4)光ファイバーを用いたマルチビームレーザー超音波源の開発、であると定めている。

第2章では、レーザーEMATの基礎として、超音波による欠陥診断(パルス=エコー法、シャドウ法、飛行時間法(Time of Flight : TOF))の解説をしている。また、超音波発生手法として、熱弾性法、交流電流法、レーザーアブレーション法を紹介している。さらに、本研究で採用しているEMATによる超音波信号センシング、および、マルチレーザーを用いたレーザーアプレーションの高強度化についても解説している。

第3章はレーザーEMAT装置システムの開発の章である。システムを構成する要素であるNd-YAGレーザー、およびEMATセンサを用いたセンシングを説明するとともに、その各々の性能について解説している。とくに、レーザーアブレーションによる材料中での超音波の特徴を、他の発生法による超音波の特徴と比較し、レーザーアブレーション超音波が材料の違いによってどのように変化するかについても言及している。

第4章では数値シミュレーション法開発の章である。4.1節ではレーザーアブレーションによる材料中での超音波発生の理論について解説している。材料表面のレーザー照射点には熱エネルギーが蓄積し、熱弾性現象により照射点から超音波振動が発生する。4.2節は2次元体系でのシミュレーションプログラムの開発である。材料中に格子状のメッシュを配列し、有限要素法に基づき温度場と弾性波場を計算している。4.3節はそのシミュレーション結果の解説と考察であり、過渡的温度場、レーザー誘起超音波、および超音波発生に対するレーザー特性の依存性について計算している。4.4節ではこのシミュレーションプログラムを用いた材料中の超音波の伝搬シミュレーションを行い、材料中の超音波の計算結果を実験結果と比較することでシミュレーション手法の検証を行っている。4.5節ではこのシミュレーションプログラムの3次元体系への拡張の可能性について述べられている。

第5章は、上記のシミュレーションプログラムを用いて、2つの材料中欠陥診断手法を新たに提案するとともに、その検証を行っている。1つめは5.1節で提案されているTOFD(Time of Flight Detection)である。これは欠陥に周り込んでセンサに到達する超音波の到達時間の遅れから、欠陥サイズを評価する手法である。実験との比較は良い一致を示しており、TOFD法の有効性が示された。2つめの提案は改良TOFD法である。これは、欠陥による超音波の散乱波が超音波の種類(縦波・横波・シア波)により異なる時間遅れを生じることを利用してより高精度に欠陥サイズを評価する手法である。この改良TOFD法についても、実験との比較検証によりその有効性が実証されている。

第6章は、レーザーアブレーションのレーザーを1門から3門に増強した、マルチレーザーEMATシステム開発の章である。3門のレーザー光は同一のYAGレーザー源を発したのち、各々長さの異なる光ファイバーを経由して材料に照射される。このため超音波の強度が増してS/N比が向上するとともに、位相差を利用した欠陥診断も可能となる。6.1節ではまず超音波発生のシミュレーションを行い、6.2節でその結果に基づくマルチレーザーEMATシステムの設計をしている。さらに6.3節では、この設計に基づくマルチレーザーEMATシステムの製作、および超音波発生試験の実験結果について述べている。

第7章では、マルチレーザーEMATシステムの有効性を、シミュレーションおよびTOFD法とシャドウ法を用いた欠陥診断実験により行っている。

第8章は本論文の結論である。

本研究ではレーザーEMATに基づく非破壊検査の新技術が開発されており、原子力プラントをはじめとする材料検査にとって有益であると考えられる。

以上のことから、新規性、有用性、学術的価値および進捗度の観点から審査した結果、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。