JP2006064649A - 小型加熱炉を用いた正確な温度制御と測定が可能な高温疲労試験法 - Google Patents

Abstract

【目的】 小型の加熱炉を用いた高温疲労試験において、疲労試験片の大きさに係わりなく疲労試験片の平行部の温度分布の均一性を保持し、信頼性の高いデータを取得する。
【構成】 上下両側の疲労試験片肩部（１）に扁平に加工された異種金属をスポット溶接して成形された熱電対（１０）により加熱炉（５）内での加熱温度を測定しながら加熱炉の出力を制御する。
【選択図】 図１

Description

この出願の発明は高温疲労試験法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は小型加熱炉を使用する高温疲労試験法および温度測定法に関するものである。

高温機器の設計に際しては高温疲労強度特性とクリープ特性が重要であるとされている。クリープ特性の試験は引張荷重を負荷して破断までの時間、例えば１０万時間での破断強度（クリープ強度）を測定することが行なわれている。このクリープ試験では試験片が大きくても試験の精度に影響を与えることがなく、大型の加熱炉を使用することができるため試験片の温度分布の管理が簡単である。ところが、高温疲労試験では引張―圧縮の繰返し荷重が負荷されるために試験片の座屈や軸心のずれが生じないためには試験片の長さを短くする方が試験精度は高くなる。したがって、高温疲労特性の信頼性を高めるためには試験片を小さくするとともに加熱炉を小型化することが求められる。しかしながら、一方で、加熱炉を小型化するためには温度分布の管理が困難になるという問題を解決しなければならない。

そこで、従来より、高温疲労特性の信頼性をより高めるために加熱炉内の温度を実態に合った温度範囲に制御する方法が提案されてもいる（特許文献１および非特許文献１）。

加熱炉内の温度の測定とその制御の方法としては、加熱炉中の大気雰囲気の中に熱電対を設置して加熱炉温度を制御する方法と疲労試験片の平行部に縛り付けた熱電対の温度をフィードバックして温度制御する方法が知られているが、第１の雰囲気制御の方法では、疲労試験片の温度分布が加熱炉との位置関係や長時間の加熱による疲労試験片の表面の酸化等によって影響を受ける場合があり、また第２の熱電対を疲労試験片平行部に縛り付ける方法では、熱電対を疲労試験片に直接装着することから、第1の方法に比べて加熱温度
を比較的実態に沿ったものとして測定、制御することを可能としているものの、長時間の高温疲労試験で縛り付けた熱電対が緩む場合があり加熱炉内での長時間の温度制御が難しくなるという問題がある。例えば、この第２の方法でも、加熱炉内では疲労試験片の軸心がずれない様に上下の油圧チャックによって固定され、疲労試験片は上下の油圧チャックに対して、水平方向の位置が全く同じでなければならない、軸心の位置合わせを優先するために疲労試験片の上下の位置を加熱炉に対して常に同じ位置に合わせることは現実的にきわめて困難である。それと言うのも疲労試験片の上下の位置は、固定された加熱炉に対して疲労試験片ごとに変動するために疲労試験片の平行部における温度分布の再現性はきわめて難しいからである。例えば、通常の加熱炉内の大気温度による制御の場合には疲労試験片の上下の位置が１mmずれると、ヒータと疲労試験片との相対位置が変動するために、疲労試験片平行部の中央に装着した熱電対の温度は４００℃に対して±１０℃変動する。特に、疲労試験温度が高い程、疲労試験片の上下位置のずれによる温度変動は大きくなり、例えば８００℃の場合では、温度変動は±３０℃になるとされている。

なお、熱電対を疲労試験片平行部に縛り付ける上記第２の方法の改良方法として、疲労試験片の平行部に熱電対をスポット溶接することも試みられているが、この方法は溶接部が疲労試験片の破壊起点となるため現在ではあまり採用されていない。

このような加熱温度の測定と制御についての問題点は、従来の様々な改善・工夫の提案によっても抜本的に解決されていないのが実情である。
： 実開平０５−０６４７４３号公報 ： VAMAS 低サイクル疲労研究部会 検討資料「高周波加熱における試験温度制御方法の検討」(1991).pp.43-45

この出願の発明は、以上のとおりの背景から、従来の高温疲労試験における加熱炉内の温度の変動と言う問題点を解消し、小型の加熱炉内においても、正確な温度を測定して疲労試験片の温度分布の制御性を向上させることができる、信頼性の高い高温疲労試験方法を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、疲労試験片の上下両肩部にスポット溶接された熱電対で加熱炉内での加熱温度を測定しながら加熱炉の出力を制御する高温疲労試験方法を提供し、第２には、熱電対が扁平な２本の異種金属の素線先端を重ね合せてスポット溶接したものである上記の高温疲労試験方法を提供し、さらに、この出願の発明は、第３には、熱電対の扁平面が平滑に加工されている上記の高温疲労試験方法を提供する。

軸ひずみ制御による高温疲労試験において、ひずみ量の測定精度を向上させるためには、試験片グリップ（平行部）間の距離を短くし、荷重軸芯の影響を低く抑えることや伸び計の押し当て棒を短くする必要がある。そのため、加熱炉を小型化する必要があるが、従来では、小型の加熱炉では試験片の温度分布の再現性や均一性を保障することが困難であるとされていた。

これに対し、この出願の発明は小型の加熱炉を用いた高温疲労試験において、疲労試験片の上下両肩部にスポット溶接することにより、長時間の試験においても熱電対がずれたり外れたりすることがなく、多数試験する場合においても再現性が優れており、加熱炉内の正確な温度を測定するとともに高温疲労試験における正確な温度制御を可能とする。すなわち、
上記第１の高温疲労試験方法によれば、鋼材の高温疲労強度を小型の加熱炉においても正確に測定することができる。

また、上記第２の高温疲労試験方法によれば、正確な温度の測定と制御のために好適な熱電対を用いることで、高温疲労強度を正確に測定することができる。

上記第３の高温疲労試験方法によれば、さらに好適な熱電対を用いることで、さらに正確な高温疲労強度の測定が可能となる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明の高温疲労試験方法においては、上記のとおり、疲労試験片の上下両肩部に熱電対をスポット溶接して温度の測定とその制御を行なうことで、疲労試験片平行部の温度分布の均一性を保持し、長時間の試験においても、熱電対が外れることなく安定した温度制御を可能とし、多数の高温疲労試験する場合においても再現性に優れたものとすることを特徴としている。

熱電対については、その素材は従来より知られている各種の組成からなるものでよく、測定対象としての鋼材等にスポット溶接可能であればよい。もちろんスポット溶接の手段
も各種であってよい。疲労試験の温度測定用として、熱電対とする２本の異なった金属材の素線先端を扁平状にし、その平滑な扁平面を重ね合せてスポット溶接することが好適に考慮される。熱電対は異種金属間の起電力から温度を推定するものであるが、この出願の方法によれば異種金属界面が保持されることにより精度良く温度を測定することができる。

＜実施例１＞ 図１はこの出願の発明の高温疲労試験方法のための装置システムの全体概要を例示した図面である。加熱炉中の疲労試験片の配置状況と熱電対の装着位置が示されている。

この図１に従って説明すると、まず２本の熱電対（１０）が疲労試験片（７）の油圧チャックつかみ部と疲労試験片の平行部から立ち上がった曲面との交差点、すなわち疲労試験片（７）の上下両側の肩部（１）にスポット溶接されている。そして、熱電対（１０）がスポット溶着された疲労試験片（７）は上方油圧グリップ（２）と下方油圧グリップ（３）で固定して加熱炉（５）に装填される。加熱炉（５）内での加熱の制御は、疲労試験片（７）の上下両側の肩部（１）にスポット溶接された熱電対（１０）で加熱炉（５）内の雰囲気温度を測定して、それを温度コントローラ（９）にフィードバックしてヒータ（４）の出力を制御する。なお、図１において、疲労試験片（７）の平行部にはモニター用熱電対（６）が設けられている。

図２は、疲労試験片（７）の下方部の肩部（１）に熱電対（１０）がスポット溶接された状態の示す拡大図である。この出願の発明では、図２に示されているように熱電対（１０）は疲労試験片の肩部（１）にスポット溶接（１１）により装着されているので、熱電対の装着位置は、疲労試験片の寸法が同じであれば個々の疲労試験片に依らず、常に一定の位置に固定されることになる。また、従来のように疲労試験片の平行部にスポット溶接されていると、そこが疲労試験片（７）の破壊起点となるが、この出願の発明のように溶接部位が試験片の肩部（１）の場合は破壊起点にはならない。また、加熱炉（５）のヒータ（４）への出力は、従来のように加熱炉（５）中の雰囲気温度や疲労試験片の平行部に装着された熱電対ではなく、上下二つの疲労試験片肩部（１）にスポット溶接（１１）された熱電対（１１）によって雰囲気温度を制御するものである。

図３は４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃での中央部の雰囲気温度の温度誤差をプロットしたものである。白丸はこの出願の発明の方法で測定したものであり、黒丸は従来の方法で上下取り付け位置を±１ｍｍずらして４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃での中央部の温度誤差をプロットしたものである。図３から、従来方法では温度が高くなる程、取り付け位置のずれが大きな温度誤差を生じていることが示される。図４はこの出願の発明の方法で疲労試験片（７）の上下の位置を加熱炉（５）に対して、上下±１mmずらした場合の疲労試験片の平行部の温度分布を示したものであり、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃での温度分布が示されている。図４に示されているように、従来方法の加熱炉中の大気温度でヒータの出力を制御した場合には、１mmずれるだけで、±１０℃の温度変動があったのに対して、この出願の発明による方法では、疲労試験片の平行部の温度分布は全く変動しないことがわかる。特に、疲労試験片の平行部の中央から±１０mmの伸び計の測定箇所である実際の疲労破断部では温度は均一である。つまり、この出願の発明は、試験片の平行部の温度の再現性を向上させることができるのに加えて、温度分布を均一にする二重の効果を有することがわかる。

図５はこの出願の発明の有効性を証明するために、この出願の発明方法による高温疲労試験法により取得された、２．２５Cr-１Mo鋼（圧力容器鋼として最も汎用性の高い材料
）の高温疲労データ（白丸）と、米国機械学会ＡＳＭＥの疲労設計曲線（実線）とその基
になったＢrinkmanのデータ（黒丸）を示したものである。この出願の発明の高温疲労デ
ータ（白丸）に基づいた疲労設計曲線（破線）は実線で示されている、
この図５の高温疲労データから本願発明の方がＡＳＭＥより安全側の評価になっており、逆にＡＳＭＥは危険側の評価をしていることが知得できる。
＜実施例２＞
図６はこの出願の発明における好適な形態としての熱電対を例示した斜視図である。異種金属からなる２本の素線（白金とロジウム）の先端を扁平に加工し、この２本の扁平状の素線先端を重ね合せてその上からスポット溶接している。このようにして得られる熱電対先端を測温対象に接触させて温度を測定するのであるが、熱電対はそもそも異種金属間の起電力から温度を推定するため、異種金属の界面が保持されている必要がある。そこで、上記のように熱電対を扁平とし、さらには平滑に処理することで熱電対素線間の密着性を高め、しかも界面間の起電力を直接測定して測温精度を高めることができる。

なお、熱電対素線の先端を扁平にする方法としては、機械的に圧着して扁平にする方法や電解研磨によって、円状の断面の上下のみを研磨して扁平にする方法等の適宜であってよく、限定されるものではない。

従来方法としての図7に示した（Ａ）溶解玉状の熱電対先端で測温対象温度を測定する
方法、（Ｂ）熱電対先端の溶解玉を扁平状にしてから測温対象温度を測定する方法、（Ｃ）異種金属からなる２本の金属線の先端を扁平にし、その２本を平行に縛り付ける方法と上記のこの出願の発明のスポット溶接した熱電対とを比較すると、これら各々を使用した測定温度４００℃に対して、従来法の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の熱電対を縛り付けて固定した場合には、（Ａ）による測定温度は、４３０℃でありこの出願の発明の測定温度に比較して+３０℃の温度差があった。また、（Ｂ）と（Ｃ）による測定温度は４１０℃でありこ
の出願の発明の測定温度に比較して+１０℃の温度差があった。なお、この出願の発明と
従来方法による測定温度との温度差は対象温度が高くなるほど、大きくなる傾向を示した。（Ａ）に比べて、（Ｂ）と（Ｃ）の方が本発明による測定温度との差が小さいのは、いずれも熱電対先端を扁平にしたことで、測温対象との密着性がよくなったためであると考えられる。しかし、（Ｃ）の方法では高温疲労試験のように荷重の変動負荷がある場合には、引張と圧縮の場合とで±１０℃前後の温度変動が生じた。その理由は、（Ｃ）では２本の素線と測温対象との密着性が完全に同一でないために、引張・圧縮によって２本の素線間で試験片との密着性に差異が生じるためであると考えられる。

一方、この出願の発明による熱電対（１０）を疲労試験片（７）の上下両側の肩部（１）にスポット溶接（１１）する温度測定方法は引張・圧縮による温度変動はなく当初の期待する効果を実現していることが確認された。

なお、異種金属の素材先端を重ね合わせてスポット溶接する熱電対は好ましい態様を示したものであり、従来方法として示されている上記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の熱電対をこの出願の発明の疲労試験片（７）の上下両側の肩部（１）にスポット溶接する熱電対として使用できることはいうまでもない。

以上詳しく説明した通り、この出願の発明により高温疲労データの信頼性が向上することによって、事故を未然に防ぐと同時に過度な安全側の評価も是正される。しかも、高温機器材料の疲労設計曲線の改定にも貢献する。

この出願の発明の高温疲労試験機の模式図である。 試験片の肩部に熱電対をスポット溶接した状態の拡大図である。 試験片の上下取り付け位置が±１ｍｍずれた場合の中央部の温度誤差を示したものである。 試験片両肩部にスポット溶接した熱電対によって温度制御された試験片の温度分布を示したものである。 ２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のＡＳＭＥ疲労曲線（実線）と修正曲線（点線）である。 この出願の発明で使用する熱電対とその成形態様を示したものである。 従来の方法で使用した熱電対とその成形態様を示したものである。

符号の説明

１ 試験片肩部
２ 上方油圧グリップ
３ 下方油圧グリップ
４ ヒーター
５ 加熱炉
６ モニター用熱電対
７ 試験片
８ サイリスタ
９ 温度コントローラ
１０ 熱電対
１１ スポット溶接

Claims (3)

1. 疲労試験片の上下両側の肩部にスポット溶接された熱電対で加熱炉内での温度を測定しながら加熱炉の出力を制御することを特徴とする高温疲労試験方法。
2. 熱電対が扁平な２本の異種金属の素線先端を重ね合せてスポット溶接したものであることを特徴とする請求項１に記載された高温疲労試験方法。
3. 熱電対の扁平面が平滑に加工されていることを特徴とする請求項２に記載された高温疲労試験方法。