JP2007057396A - 弾性波定在波法による磁気歪みの測定方法及びその方法を用いた応力検査方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁性体10に弾性波を伝播させると共に反射させて磁性体10中に定在波を形成して振動磁界を発生させて、この振動磁界から磁性体内に生じている磁気歪みを計測する。予め、定在波が形成された磁性体10の所定の位置で外部磁界HDCを変化させて誘導起電力及び磁気歪みの測定を行って、実効磁界に対する誘導起電力及び磁気歪みの関係を較正データとして求めておく。そして定在波が形成された磁性体10に一定の外部磁界HDCを印加し、この磁性体の弾性波伝播方向に沿って各部における振動磁界による誘導起電力の測定を行い、予め求めておいた較正データに基いて、磁性体各部における磁気歪みを算出する。
【選択図】 図2
Description
従来のこの種の検査方法には、超音波パルス法がある。また、超音波は縦波、すなわち伸縮波であるので、検査対象が鉄鋼のような磁性を持つ構造物であれば、超音波による伸縮箇所には磁気歪みが生じ、この磁気歪みによる逆磁歪効果に基づいて異方性磁界が生じる。この現象に着目し、磁性体の一端に配置した弾性波発生器からの入射弾性波と磁性体の他端からの反射弾性波とで定在波を形成し、該定在波の節に応力が生じることを利用してこの応力の逆磁歪効果で発生する振動する異方性磁界から磁性体の磁気歪みを測定する方法が知られている(特許文献1や非特許文献1)。
また、鋼板の表面にバイアス磁界を印加すると共にこのバイアス磁界と同一平面内で直交し互いに逆行するように誘導磁界を印加させることで磁歪を生じさせ、この磁歪により生じる表面波の二方向への伝播速度の違いから、内部応力を評価することも、知られている(特許文献2)。
また、特許文献2の方法は、ひび割れが生じる直前の状態である内部応力の発生を検査できるが、誘導磁界により表面波を発生させるため、その発生効率が良くない。また、疲労した被測定物の残留応力を測定する場合には、疲労によって被測定物の硬度が高くなり、硬度が高くなると一般に弾性率が大きくなるために表面波の伝搬速度が大きくなり、また、疲労個所は表面全体に亘って一様ではないので、内在する応力のみに基づく表面波の二方向への伝播速度の違いを正確に測定することは困難であり、この測定方法では正確に測定することが困難であるという課題がある。
さらに、特許文献1に開示された方法では、内在する応力の大きさの異なる複数の磁性体を用いて各誘導起電力曲線を測定しておく必要があり、測定に手間がかかる。
そこで、本発明の検査方法は、磁性体全体の磁気歪みによる伸縮ではなく、磁性体の各部位の磁気歪みによる伸縮、即ち、磁性体の磁気歪みの分布を比較して疲労度を検査するので、内部内在する応力の方向が異なる場合でも、正確に検査できる。
本発明の方法は、特許文献1に記載された、被測定磁性体の長手方向に沿って一定のバイアス磁界を印加した状態で、磁性体に弾性波を伝播させると共に反射させて磁性体中に定在波を形成して振動磁界を発生させ、上記定在波の節の位置の振動磁界を誘導起電力として測定して実効磁界を計測する方法を用いるものであるので、初めにこの方法を説明する、なお、詳しくは特許文献1を参照していただきたい。
応力σを磁性体に加え、磁性体に機械的歪みεを加えると、εは磁気歪みλに等価な歪みを伴い、その結果、異方性磁界He が生じる。この効果は、磁界を印加して磁性体を機械的に歪ませることの逆であるので、逆磁歪効果という。
次に異方性磁界He の大きさと方向を説明する。応力σの印加により、磁性体の応力場には、磁気弾性エネルギーKe が発生する。この効果は、逆磁歪効果と呼ばれ、等方性磁性体の場合には、(1)式で表される。
Ke =−(3/2)λσcos2 φ (1)
ここで、λは磁気歪み量、φは応力σと磁化Iとのなす角である。異方性磁界He の大きさは次式によって表される。
He =2Ke /I (2)
異方性磁界He の方向は、(1)式の磁気弾性エネルギーKe が最小となる方向であり、単位体積当たりの磁気モーメント、すなわち磁化(磁気モーメント)Iが、Ke が最小となる方向に回転し、回転した磁化Iの方向が異方性磁界He の方向となる。
応力σが正の場合(張力が働いて伸びている状態の応力)に磁気歪みが正となる磁性体(逆磁歪効果による磁界が増える磁性体)、すなわち磁気歪み定数が正の磁性体の場合には、上記(1)式より、磁気弾性エネルギーKe が最小となる応力σと磁気モーメント16とのなす角φは、φ=0,またはπであるから、図1の14aに示したように、磁気モーメント16は弾性波の伝搬方向に平行となる。同様に、応力σが負の場合(圧力が働いて縮んでいる状態の応力)に磁気弾性エネルギーKe が最小となる角φは、φ=π/2,または3π/2であるから、図1の14bに示したように、磁気モーメント16は弾性波の伝搬方向に垂直になる。弾性波14は伝搬するから、磁性体10の一点において磁気モーメント16が平行及び垂直方向に時間的に振動することになり、磁性体中に振動磁界を発生させることができる。
また、磁気歪み定数が負の磁性体の場合には、応力σが負の部位の磁気モーメントは平行になり、応力が正の部位の磁気モーメントは垂直になる。
また、第2の問題として、誘導起電力には、磁束の時間変化に基づく起電力以外に、磁場勾配中を磁界源が動くことに基づく起電力が加算され、磁束の時間変化に基づく起電力のみを測定できない。すなわち、コイル17に誘導される起電力eは、Φをコイル17に鎖交する磁束、tを時間、xを位置座標、vをコイル中を振動磁界が通過する速度とすると、
e=−(∂Φ/∂t)−(∂Φ/∂x)・v (3)
で表される。磁性体10に外部磁界を印加すると、磁性体端面に磁極が発生し、反磁界効果によって磁性体端面近傍では磁束勾配(∂Φ/∂x)が存在し、この磁束勾配(∂Φ/∂x)が未知であるため、起電力eから磁束Φを求めることができず、従って、磁性体端面近傍では正確な実効磁界が求められない。
これらの問題は次のようにすることで解決される。
この構成によれば、磁性体10の一端11及び他端13は弾性波の自由端として働き、一端11及び他端13が腹となる定在波が形成される。コイル17は磁性体10を取り巻いて構成されており、コイル17を弾性波の進行軸に沿って移動し、磁性体10中に生じた複数の定在波の節に発生する逆磁歪効果による異方性磁界に基づく誘導起電力を測定する。
図2(c)は定在波によって発生する応力σの磁性体10中の分布を示したものであり、正の領域は圧縮応力、負の領域は引張応力を表す。
図に示すように、定在波は入射波31と反射波32が合成されて形成されるから、弾性波の伝搬に伴う磁性体中の減衰によらずに、磁性体中の全ての部位で同等の応力を発生させることができる。よって、上記第1の問題が解決する。
さらに、コイルに誘導される起電力eは、前記式(3)で表されるが、本発明では定在波を用いるので、コイル17中を振動磁界が通過する速度vが零であり、磁束勾配(∂Φ/∂x)に影響されずに、磁束の時間変化(∂Φ/∂t)に基づく起電力のみを測定でき、第2の問題が解決する。
(1)被測定磁性体について、反磁界効果が無視でき、従って印加磁場が実効磁場に等しい、或いは、反磁界係数が既知であり、印加磁場から実効磁場が計算できる条件で、磁気歪みと実効磁場との関係、すなわち、磁気歪み特性を測定する。
(2)被測定磁性体について、反磁界効果が無視でき、従って印加磁場が実効磁場に等しい、或いは、反磁界係数が既知であり、印加磁場から実効磁場が計算できる条件で、誘導起電力と実効磁場との関係を測定する。
(3)被測定磁性体の任意の個所で誘導起電力を測定し、この誘導起電力と(2)で求めた誘導起電力と実効磁場との関係から実効磁場を求め、この実効磁場と(1)で求めた磁気歪み特性とから、磁気歪み量を求める。
すなわち、前記(1)、(2)式からわかるように、異方性磁界He 、すなわち、実効磁界を求めるためには、磁気歪みλと磁化Iを知る必要がある。特許文献2では磁気歪み曲線と磁化曲線を、反磁界効果が無視でき、従って印加磁場が実効磁場に等しい、或いは、反磁界係数が既知であり、印加磁場から実効磁場が計算できる条件で測定して実効磁界を求めているが、磁化曲線を測定するためには、専用の測定装置を必要とし、簡便ではない。そこで本発明の方法では、磁化曲線の代わりに、反磁界効果が無視でき、従って印加磁場が実効磁場に等しい、或いは、反磁界係数が既知であり、印加磁場から実効磁場が計算できる条件で被測定磁性体の一点について、誘導起電力と実効磁界の関係を求めておき、実際の測定に当たっては、測定した誘導起電力とこの関係とから実効磁界を求め、この実効磁界と予め求めた磁気歪み曲線とから、磁気歪み量を求めるものである。
磁気歪み曲線は、一般のストレインゲージを使用して比較的容易に測定できる。
一辺が5mmの断面正方形で長さ100mの鉄の角棒を熱処理して被測定磁性体とし、図2(a)に示した測定系で測定した。なお、測定位置は角棒の中心位置であり、この位置では、反磁界効果が無視でき、印加した磁界は実効磁界に等しい。弾性波発生器12には、超音波振動子(共振周波数1MHz)を用い、被測定磁性体の一端に密着させた。他端は開放端とした。
図3は、本発明の実施例における、被測定磁性体の磁気歪み曲線と誘導起電力の実効磁界依存性の結果を示す図である。左縦軸は磁気歪みで、右縦軸は誘導起電力[mV]であり、横軸は実効磁界である。
例えば、誘導起電力0mVは実効磁界約4kA/mに対応し、実効磁界4kA/mは磁気歪み約3×10-6に対応するので、被測定磁性体の中央から27mmの部位における磁気歪みは約3×10-6の伸びと求めることができる。
また、誘導起電力が120mVは実効磁界約20kA/mに対応し、実効磁界20kA/mは磁気歪み約5×10-6と求められるので、被測定磁性体の中央では、磁気歪みは約5×10-6縮みと求めることができる。
このように、節毎に磁気歪みを求めることができる。また、定在波の波長を単位として、各部での引張りや圧縮など各種応力を評価することができる。
この測定方法は、初期状態の磁性体と、機械的ストレスを印加して疲労状態にある該磁性体とについてそれぞれ、上記弾性波定在波法による磁気歪み測定方法を用いて、磁性体の長手方向の磁気歪み分布を測定し、初期状態の磁性体の磁気歪み分布と疲労状態の磁性体の磁気歪み分布とを比較して、疲労状態の程度を判定することを特徴とする。
そこで、本発明の検査方法は、磁性体全体の磁気歪みによる伸縮ではなく、磁性体の各部位の磁気歪みによる伸縮、即ち、磁性体の磁気歪みの分布を比較して疲労度を検査するので、内部内在する応力の方向が異なる場合でも、正確に検査できる。
従って、各種の磁性体の非破壊検査に用いれば、極めて有用である。
11 一端
12 弾性波発生器
13 他端
14 弾性波
14a 弾性波の張力部分
14b 弾性波の圧力部分
15 弾性波吸収体
16 磁気モーメント
17 コイル
30 機械的固定端
31 入射弾性波
32 反射弾性波
33 原子面
C.N.圧縮される節
T.N.引っ張られる節
HDC 外部磁界
Claims (2)
- 被測定磁性体の長手方向に沿って一定のバイアス磁界を印加した状態で、磁性体に弾性波を伝播させると共に反射させて磁性体中に定在波を形成して振動磁界を発生させ、上記定在波の節の位置の振動磁界を誘導起電力として測定して実効磁界を計測する方法において、
上記定在波が形成された磁性体の定在波の節の位置で誘導起電力を測定し、この誘導起電力と、予め測定した誘導起電力と実効磁界の関係、及び、予め測定した磁気歪みと実効磁界の関係とから、この節の位置の磁気歪みを求めることを特徴とする、弾性波定在波法による磁気歪み測定方法。 - 初期状態の磁性体と、機械的ストレスを印加して疲労状態にある該磁性体とについてそれぞれ、請求項1に記載の弾性波定在波法による磁気歪み測定方法を用いて、磁性体の長手方向の磁気歪み分布を測定し、初期状態の磁性体の磁気歪み分布と疲労状態の磁性体の磁気歪み分布とを比較して、疲労状態を判定することを特徴とする、弾性波定在波法による磁気歪み測定方法を用いた応力検査方法。
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