滑らかに回るすべての歯車装置の背後には、購入者が直接目にすることのない鋼材、すなわち素材の内部がある。鋳造巣、鍛造割れ、折れ込み、介在物、焼き割れは、完成図面には現れない。それでも、そのいずれか一つが、計算上の寿命より数カ月も早く、駆動軸や圧延機ピニオン、風車ギア段を破損させることがある。磁粉探傷と浸透探傷は表面および表面直下の欠陥を捉えるが、表皮下数ミリに埋もれた欠陥は両者には見えず、しかもそうした欠陥こそが疲労荷重で折損する。超音波探傷、略してUTは、鋼製の歯車素材あるいは完成歯車を切り開くことなく、その体積内部を覗き込むための、工業界で標準的な手段である。本ガイドでは、パルス反射法UTが実際にどう働くか、どのような内部欠陥を見つけられて見つけられないか、買い手と製造現場がどの規格に依拠するか、真正の合格と形だけの承認印を見分けるUTレポートの読み方、そして対価に見合う検査を確実に受けるために発注書に何を書き込むべきかを解説する。
パルス反射法超音波探傷は、圧電プローブから高周波音の短パルス、代表的には一から十メガヘルツの間を、トランスデューサ面と鋼の間の空気層を押し出すグリセリン、ゲル、オイルなどの薄い接触媒質を介して被検体に送り込む。音は均一な鋼中を毎秒およそ五千九百メートルのほぼ一定速度で進み、音響インピーダンスの異なる界面に達する。界面ではエネルギーの一部がプローブへそのまま反射し、残りは先へ進む。装置画面では、最初の縦長パルスが表面入射エコー、いわゆる始発パルスであり、被検体の反対面からのエコー、つまり底面エコーが遅れて到達し、完全な音路程を示す。気孔、き裂、スラグの筋といった内部反射体はすべてプローブと底面の間に位置し、横軸上で板厚に直接対応する位置に独自のエコーを描く。深さは音速に往復時間の半分を乗じた値だからである。画面上のエコーが高いほど、そして既知寸法の参照反射体、たとえば平底穴との比較で、欠陥は大きいと判定される。プローブ周波数が高いほど深さ分解能が鋭く小さな欠陥に感度するが、粗粒の鋳鋼・鍛鋼中では減衰も速い。そのため厚手や粗粒部では二ないし二・二五メガヘルツに落とし、仕上げ面では五メガヘルツ以上を使うのが普通である。歯面、穴、ハブ、ウェブに沿って規則的な格子状にプローブを手走査し、各エコーを校正済みの距離振幅曲線と照合することで、技術者はその応答が真の平面状欠陥なのか、キー溝、隅肉、断面変化といった単なる形状反射なのかを見分ける。
UTが狙うのは歯車の体積内部であり、候補となる欠陥は素材の作り方に依存する。鋳造歯車素材では危険な内部特徴は引け巣、微小引け巣、ガス穴、非金属介在物であり、スラグや砂の塊が音路を分断し、幅広くぼやけたエコーを返す。鍛造素材ではUTは鍛造き裂、割れ、折れ込み、ひだを探す。これらは変形が不均一な端部や厚肉部に生じやすく、同時に鍛流線に沿って伸びる非金属介在物の筋も探す。熱処理後にUTが再び使われるのは、焼入れによってウェブ深部や歯元から始まる焼き割れが生じ、使用中に歯車が既に破損するまで表面に現れないことがあるからである。非破壊試験法を部位で使い分ける理由は単純である。磁粉探傷と浸透探傷は表面または直下の不連続に反応するため、研削き裂、表皮まで開いた焼き割れ、機械加工の折れ込み、表面の鍛造ひだには正しい道具である。安価で速く、表面感度は高いが、ハブ内部四十ミリに埋もれた空孔やき裂は一切痕跡を残さない。放射線透過試験も体積を見通すが、ビームと平行に走る緻密な疲労き裂のような平面配向欠陥の捕捉には弱い。したがってUTは重歯車の標準的な体積検査法である。深部まで届き、平面状反射体に感度が高く、フィルムや放射線安全区域、長い処理時間なしに現場で実施できる。
UTの結果は、それが判定される規格と同じだけ良いものであり、最初の管理層は探傷を行う人間である。産業慣行では通常、操作者は超音波探傷の相応レベルの資格、たとえばISO 9712または同等の国家制度を保持していることを求める。レベル二は指示の評価と報告ができ、レベル三は手順書承認と解釈を担当する。鍛鋼歯車については、買い手はEN 10228-3（鋼鍛造品）、ASTM A388（重量鋼鍛造品）、ISO 4992-2（歯車装置用鋼鋳造品および鍛造品）といった規格から引き出された合否フレームを業種と最終市場に応じて引用するのが一般的である。鋳造素材については、EN 12680第三部（歯車などの機械に用いる鋳造品）や、歯車定格規格内の材料条項が該当することが多い。各規格の中では、部品には寛容から厳格までの品質等級または合否等級が割り当てられ、指示は校正済みの参照曲線、たとえば距離振幅曲線と照合されて評価される。これは反射体が鋼中で深くなるほどエコー高さが自然に低下することを補償する。一つの指示は、同等エコー高さを与える平底穴の直径として表される当量寸法、およびき裂状平面反射体を長軸に沿って走査したときの指示長さで記述される。参照曲線を超えるもの、または許容指示長さを超えるものは、その等級の不合格域に入り、それ以下のものはその使用条件で合格となる。
購買上、解釈できないUTレポートは、レポートがないのとほとんど変わらない。まず確認すべきは範囲である。どの面、穴、ハブ、ウェブ、歯部領域を、どのプローブと周波数で走査し、実際に表面のどれだけをカバーしたのか。走査領域を列記せず単に超音波試験合格とだけ書くレポートは、カバー範囲について工場の言い分をそのまま信じろと言っているに等しく、しかもカバー範囲こそ手抜きされやすい。次に、記録された各指示には、走査面から測った深さ位置と、歯車周りの軸方向または円周方向位置が記載されるべきである。それによって反射体が応力のかかる歯元領域にあるのか、軽負荷のウェブなのか、非重要なリム領域なのかを判断できる。レポートには各指示の当量寸法と指示長さ、適用された合否等級、そしてその等級に対する合格または不合格の明確な結論が記載されるべきである。信頼性は一貫性から生まれる。操作者の資格番号とレベル、装置型式とプローブのシリアル番号、校正日、使用した参照ブロック、探傷の日時がすべて揃い、かつレポートが歯車本体のヒートナンバーまたは製造番号と一致していなければならない。押し湯の切断跡が目視でわかる鋳物で一切の指示がないとするレポートや、あなたの図面に一度も現れない品質等級を引用するレポートは、健全な素材の証拠ではなく、疑うべき文書として扱うべきである。
UTを引合時に盛り込み、最終検査で初めて気づくのではなく、コストと納期のペナルティを予測可能にする。規格と合否等級を明示的に述べる。EN 10228-3、ASTM A388、あるいは最終顧客が認める枠組みを引用し、等級を名指しで要求する。UTを一律万能であるかのように漠然と頼んではならない。試験時期を明記する。多くの買い手は、高価な切削を投入する前の荒鍛造または荒鋳造素材でUTを要求し、熱処理後に再び、理想的には仕上げ研削前に行い、焼き割れが最終工程のスクラップになる前に発見されるようにする。カバー範囲を明記する。ハブ、ウェブ、歯部を百分の百走査するか、生産ロットに対する合意された抜取計画とし、どの面を走査すべきかを指定する。報告書が記録可能なすべての指示について寸法位置、当量寸法、指示長さを含むべきかを述べる。試験が船級協会、オーナー検査員、認定試験所など独立第三者の立会いを要するか、また生のエコー波形の印字をレポートに添付するかを述べる。最後に、UTが価格とリードタイムにどう影響するかを尋ねる。重量歯車素材に対する全体積走査と第三者立会いは、検査工数も暦日も増やす。引合段階で予約しておけば、工場は鍛造品が到着する前に走査窓、接触媒質面の準備、校正ブロックを手配できる。
超音波探傷は、寸法検査、硬さ試験、歯車受入検査パックに含まれる外観表面検査を置き換えるものではない。それらの方法が与えてくれない唯一の情報、すなわち購入する鋼材の内部体積に関する声明を追加するものである。方法、規格、操作者資格、カバー範囲、報告された指示のすべてが書面化され、相互に照合され、部品の製造番号に結び付けられるとき、UTはあいまいな良材の約束ではなく契約級の証拠となる。圧延機、鉱山駆動、舶用歯車、エネルギー設備、あるいは爆裂したハブや隠れた焼き割れが生産ラインを停止させるような用途に歯車を購入するなら、引合時にパルス反射法UTと名指しの合否等級を指定することは、一つの埋もれた欠陥が引き起こす停止損失に比べれば小さなコストである。