JP2008058017A - 金属熱疲労試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車等に搭載される部品に用いられるはんだ材料等が実際の使用環境下で曝される温度範囲で熱疲労試験を行うことのできる金属熱疲労試験機を提供する。
【解決手段】油圧サーボ式材料試験機に両端部を装着した試験片Ｗの周囲に高周波加熱用のコイル２１を設けて加熱する一方、その試験片Ｗに対し冷風を吹き付ける噴射ノズル２３を配置し、その噴射ノズル２３には、冷凍機２５などで生成した摂氏零度以下の冷風を供給することにより、摂氏−４０℃等の低温を下限温度とする熱疲労試験を実現する。
【選択図】図２

Description

本発明は、はんだ材料やアルミニウム等の金属の熱疲労特性を調査するための熱疲労試験機に関し、更に詳しくは、試験片に対して、例えば−４０℃以下の低温領域から１５０℃程度の高温領域に及ぶ冷熱サイクルを加えることのできるはんだ熱疲労試験機に関する。

材料の熱疲労特性を調査する試験として熱疲労試験が知られている。この熱疲労試験は、試験片の温度を変動させ、試験片に対して繰り返し熱歪みを与える試験であり（例えば特許文献１参照）、一定の繰り返し熱歪みを与えるために、試験片の両端部を油圧サーボ式の材料試験機に把持した状態で試験片に対して冷熱サイクルを加え、試験片に対して機械的負荷を加えることが一般に行われている（例えば特許文献２参照）。

この種の熱疲労試験は、一般に、室温以上の温度領域で冷熱サイクルを加えるものであり、従ってこの種の試験機においては、試験片の周囲に高周波加熱用のコイルを配置するとともに、試験片に対してコンプレッサにより得られる圧縮空気を吹き付ける構成が採用されており、冷熱サイクルの下限温度は室温以下にすることはできない。
特開２００６−１６２４７２号公報 特開昭６２−１２８３４号公報

ところで、従来の熱疲労試験機を用いては、自動車等の部品に用いられるはんだ材料等について、実際の使用環境下において曝される温度範囲で熱疲労試験を行うことはできない。すなわち、自動車の部品等は、実際の使用環境下において摂氏−４０℃程度を下限として１５０℃程度の高温にまで曝される可能性があり、このような摂氏零度未満の領域を含む温度範囲での熱疲労試験は、従来の試験機では実施することができなかった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、自動車等に搭載される部品に用いられるはんだ材料をはじめとする金属材料が実際の使用環境下で曝される温度範囲で熱疲労試験を行うことのできる熱疲労試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の金属熱疲労試験機は、金属材料の熱疲労試験を行う試験機であって、試験片の両端部を把持してあらかじめ設定されている一定の繰り返し熱歪みを与えるべく機械的負荷を与えるための油圧サーボ式材料試験機と、その材料試験機に装着された試験片を加熱するための加熱コイルを有する高周波加熱装置と、上記試験片を摂氏零度以下の低温まで冷却するための冷却ガスを当該試験片表面に吹き付ける噴射ノズルを有する冷風供給装置と、上記高周波加熱装置および冷風供給装置の制御により、摂氏零度以下の低温領域を含む温度範囲で試験片に冷熱サイクルを与える温度制御手段を備えていることによって特徴付けられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記冷風供給装置を、冷凍機を用いて摂氏零度より低温の冷風を発生する構成とすること（請求項２）ができ、あるいは、上記冷風供給装置を、低沸点材料からのガスを冷風として試験片に吹き付ける構成とすること（請求項３）ができ、更には、上記冷風供給装置を、冷凍機からの冷風と低沸点材料からのガスの両方もしくはいずれか一方を選択的に試験片に吹き付ける構成（請求項４）とすることもできる。

また、本発明における温度制御手段は、試験片の温度検出出力を入力して、上記加熱コイルに供給する高周波電流を制御しつつ、上記噴射ノズルに対する冷風の供給路に設けられた開閉弁の開閉制御を行うように構成すること（請求項５）ができる。

そして、冷風供給路に設けられた開閉弁の開閉制御をする温度制御手段を採用する場合、その開閉弁を閉から開に切り換える際、当該開閉弁を複数回にわたって開閉した後に開とするように制御するよう構成すること（請求項６）が好ましい。

本発明における温度制御手段の他の構成として、試験片の温度検出出力を入力して、上記加熱コイルに供給する高周波電流を制御しつつ、上記噴射ノズルに対する冷風の供給路に設けられた流量制御弁を制御する構成（請求項７）を採用することもできる。

また、本発明における冷風供給装置は、上記噴射ノズルにより試験片に冷風を吹き付けると同時に、当該試験片を囲むように設けられた雰囲気槽内に別途冷風を供給する構成（請求項８）を採用することが望ましい。

本発明は、試験片に対して冷凍機で摂氏零度以下に冷却したガス、あるいは低沸点材料、例えば液体窒素や二酸化炭素、ヘリウムなどからのガスを試験片に吹き付ける冷風供給装置を備えるとともに、これと高周波加熱装置の双方を制御することによって、課題を解決しようとするものである。

すなわち、油圧サーボ式材料試験機に両端が把持された試験片に対し、高周波加熱による加熱と、摂氏零度以下のガスの吹き付けによる冷却を繰り返すことで、自動車の部品に使用されるはんだ材料をはじめとする金属材料の使用環境下と同等の温度範囲で熱疲労試験を行うことができる。

摂氏零度以下の試験片冷却用のガスは、１段または複数段の冷凍機を用いて作るか、あるいは液体窒素や二酸化炭素、ヘリウム等の低沸点材料からのガスを用いることができ、これらを組み合わせて用いることもできる（請求項２，３，４）。

また、試験片に所要の温度範囲の冷熱サイクルを付与する温度制御手段は、試験片の温度検出出力を入力して加熱コイルに供給する高周波電流を制御しながら、冷却用のガスが必要とする低温領域においてのみ開閉弁を開いて冷却用のガスを試験片に吹き付ける（請求項５）か、同じく必要な低温領域において試験片冷却用のガスの流量を制御する（請求項７）。このような制御において、冷却ガスの吹き付けによる試験片の冷却過程においても、加熱コイルの高周波電流の供給を継続することで、温度制御の応答を高いものとし、試験片の温度制御を確実なものとすることができる。

また、開閉弁の開閉により冷却用のガスの供給／停止を行う制御においては、ガスの供給開始当初において開閉弁を直ちに開いた状態とすると、試験片温度が急激に低下して意図する冷熱サイクルを付与できない場合がある。そこで、請求項６に係る発明のように、開閉弁を閉から開に切り換える当初は、開閉弁を複数回にわたって開閉した後に開とすることにより、上記のような温度の急激な低下を抑制し、スムーズな温度制御が可能となる。

そして、冷風供給装置は、試験片に対して冷風を直接的に吹き付けることに加えて、試験片を囲むように設けられた雰囲気槽内にも冷風を供給するように構成すること（請求項８）によっも、試験片温度の急激な変化を抑制することに役立つ。

本発明によれば、摂氏零度以下の冷風の供給と高周波加熱による加熱との組み合わせにより、例えば−４０℃程度を下限とする、実際の使用環境下と同等の温度範囲ではんだ材料をはじめとする各種金属材料の熱疲労試験を行うことが可能となった。

また、試験片の冷却用のガスにより試験片を冷却を開始する際に、ガスの供給路上の開閉弁を複数回にわたって開閉を繰り返して行うことで、摂氏零度以下のガスの吹き付けによる試験片の急激な温度低下を防止し、スムーズな温度制御を実現することができる。

更に、試験片の周囲を囲むように雰囲気槽を設け、ガスの吹き付けによる試験片の冷却時に別途雰囲気槽内にも冷却用のガスを供給することによっても、試験片温度のスムーズな制御を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の機械的構成を表す正面図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図であり、図２はその雰囲気槽２０の内部の透視図を含む要部拡大図である。

油圧サーボ式材料試験機１は、テーブル１１の上に鉛直方向に複数のコラム１２ａ，１２ｂを固定するとともに、そのコラム１２ａ，１２ｂにはクロスヘッド１３を位置調整可能に固定した構造を有し、テーブル１１の下面には負荷用の油圧シリンダ１４が固定され、そのピストンロッド１４ａの先端に下側の掴み具１５ａが取り付けられている。また、クロスヘッド１３にはロードセル１６を介して上側の掴み具１５ｂが装着されている。試験片Ｗはこれらの上下の掴み具１５ａ，１５ｂによりその両端部がそれぞれアダプタＡを介して把持された状態で試験に供される。また、試験片Ｗの伸びは伸び計１７によって刻々と検出される。なお、図２においてＡｉは断熱材である。

油圧シリンダ１４には、サーボバルブ１８を介して作動油が供給され、このサーボバルブ１８の弁開度は制御装置３０により、伸び計１７による試験片Ｗの伸びの検出結果があらかじめ設定されている目標値信号に一致するようにフィードバック制御され、これにより試験片Ｗには後述する冷熱サイクルと呼応する一定の繰り返し熱歪みが加えられる。

試験片Ｗの周囲は雰囲気槽２０によって囲まれており、その雰囲気槽２０内には、試験片Ｗを中心として高周波加熱コイル２１が設けられている。この高周波加熱コイル２１は、高周波発生器２２ａ，整合盤２２ｂ等からなる高周波加熱装置２２から高周波電流が流され、これによって試験片Ｗが誘導加熱される。また、試験片Ｗに近接して上下２個ずつの計４個の噴射ノズル２３が配置されており、この各噴射ノズル２３には、雰囲気槽２０を貫通する配管２４を介して冷凍機２５からの摂氏零度以下の冷風が吹き出されて試験片Ｗの表面に噴射され、これによって試験片Ｗが冷却される。冷凍機２５には、コンプレッサ並びにドライヤ（図示略）からの圧縮空気が供給され、冷凍機２５では最低−６０℃までその圧縮空気を冷却し、配管２４およびその途中に設けられた電磁開閉弁２６通じて噴射ノズル２３に供給し、試験片Ｗに噴射する。なお、雰囲気槽２０には、冷風の噴射による内部圧力の上昇を回避するためのリリーフ弁２９が設けられている。

この例において、試験片Ｗははんだ材料をボタンヘッド型に切り出したものであり、その表面には例えば熱電対からなる温度センサ２７が装着され、その温度センサ２７の出力は温度調節計２８に取り込まれる。温度調節計２８では、試験片Ｗにあらかじめ設定されているパターンの冷熱サイクルが加えられるよう、高周波発生装置２１を駆動制御する信号を発生する。また、この温度調節計２８は制御装置３０と接続されている。制御装置３０は、温度調節計３０に対して上記した冷熱サイクルのパターンを設定するとともに、その冷熱サイクル通りの温度変化を試験片Ｗに与えるに当たって冷風が必要とされる時点で電磁開閉弁２６を開き、不要となった時点で同電磁開閉弁２６を閉じるように制御信号を供給する。

ここで、冷風を吹き付けることにより試験片Ｗを冷却する過程においても、高周波加熱コイル２１に対する高周波電流の供給を続けることにより、素早い応答のもとに試験片Ｗの刻々の温度を目標値に一致させることができる。

制御装置３０は、前記したように油圧シリンダ１４に作動油を供給するためのサーボバルブ１８を制御して材料試験機を駆動制御するとともに、温度調節計２８に対して試験片Ｗの目標温度パターンを設定し、更にその目標温度パターンが実現するように、必要に応じて電磁開閉弁２６を開閉制御する。なお、冷熱サイクルの目標温度パターン等は、操作部３１の操作により設定することができる。

以上の本発明の実施の形態によると、試験片Ｗを冷却するための冷風を最低−６０℃にまで冷却することができるため、自動車に搭載する部品に使用されているはんだ材料等の実際の使用環境に対応する熱疲労試験を行うことができる。図３はその冷熱サイクル例を示すグラフであり、−４０℃〜１５０℃の間の冷熱サイクルを正確に付与することが可能である。

ここで、電磁開閉弁２６は、試験片Ｗの冷却過程でその温度が室温近傍にまで低下した時点で開放されて冷風の吹き付けを開始するのであるが、この電磁開閉弁２６の開放時には、図４にそのタイムチャートを例示するように、開と閉を繰り返すことが好ましい。すなわち、電磁開閉弁２６を単に開放すると、試験片Ｗの急激な温度低下が生じやすく、図３に示した冷熱サイクルに乱れが生じる場合がある。図４に示すように、電磁開閉弁２６を開放するに当たり、開の時間を次第に長くしながら開と閉を繰り返すことにより、試験片Ｗの冷却時に急激な温度変化を伴うことなくスムーズな温度降下を実現できる。

また、噴射ノズル２３として、図５（Ａ）に要部斜視図を、同図（Ｂ）に部分断面図を示すように、試験片Ｗに対して冷風を吹き付けるための噴射孔２３ａのほかに、雰囲気槽２０内に冷風を供給するための漏洩孔２３ｂを設けた構成を採用することが好ましい。このような漏洩孔２３ｂを設けて雰囲気槽２０内の温度を低下させることも、試験片Ｗの温度降下をスムーズとすることに役立つ。なお、この漏洩孔２３ｂの形成に代えて、雰囲気槽２０内に冷風を供給するための配管を設けてもよい。

以上の実施の形態においては、試験片Ｗを冷却するための冷風を冷凍機で生成する構成について述べたが、これに代えて例えば液体窒素等の低沸点材料を用いて、そのガスを吹き付けるようにすることもできる。また、冷凍機と低沸点材料からのガスとを選択的に、あるいは混合して吹き付けるようにすることもできる。図６にその冷風生成システムの例を示す。この例では、コンプレッサ６１とドライヤ６２により乾燥した圧縮空気を生成して冷凍機６３に供給するとともに、その冷凍機６３からの冷風と、例えば液体窒素ボンベからの低温の窒素ガスとを、三方弁６４に供給し、この三方弁６４の駆動制御により、冷凍機６３からの冷風か、液体窒素ボンベからの窒素ガスかを選択的に、あるいはこれらを混合して電磁開閉弁６５を介して噴射ノズルに供給する。このような構成により、噴射ノズルを介して試験片に吹き付ける冷風の温度をより広範囲に選択することができ、冷熱サイクルの選択の自由度が向上する。

また、以上の実施の形態においては、冷風の供給路に電磁開閉弁を設け、その開閉操作によって試験片を冷却する例を示し、閉から開に切り換える際に開閉を繰り返すことで冷却過程における温度パターンのスムーズ化を図ったが、冷風を流量制御してもよく、この場合、冷風の供給開始当初はその流量を小さくし、次第に大流量に変化させていくことによっても、冷却過程における温度パターンのスムーズ化を達成することができる。そして、このような冷風の流量制御に当たっては、温度を制御量とするＰＩＤ制御を好適に用いることができる。

更に、以上の実施の形態においては、はんだ材料を対象とした熱疲労試験を行った例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、アルミニウム等の他の金属材料についても熱疲労試験を行えることは勿論である。
また、従来の既存の熱疲労試験機をベースとして、本発明の熱疲労試験機を構築するのに必要な構成、具体的には冷風発生装置を主体とする構成を追加することによって、本発明装置を実現することもできることは言うまでもない。

本発明の実施の形態の機械的構成を表す正面図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 図１における雰囲気槽２０の内部の透視図を含む要部拡大図である。 本発明の実施の形態により試験できる冷熱サイクルの例を示すグラフである。 本発明の実施の形態における電磁開閉弁２６の開放当初の開閉動作の例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態において用いるのに適した噴射ノズル２３の構造例の説明図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はその要部断面図である。 本発明の他の実施の形態の冷風生成システムの例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 試験機本体
１１ テーブル
１２ａ，１２ｂ コラム
１３ クロスヘッド
１４ 油圧シリンダ
１４ａ ピストン
１５ａ，１５ｂ 掴み具
１６ ロードセル
１７ 伸び計
１８ サーボバルブ
２０ 雰囲気槽
２１ 高周波加熱コイル
２２ 高周波発生装置
２３ 噴射ノズル
２４ 配管
２５ 冷凍機
２６ 電磁開閉弁
２７ 温度センサ
２８ 温度調節性
２９ リリーフ弁
３０ 制御装置
３１ 操作部
Ｗ 試験片（はんだ材料）

Claims (8)

1. 金属の熱疲労試験を行う試験機であって、試験片の両端部を把持してあらかじめ設定されている一定の繰り返し熱歪みを与えるべく機械的負荷を与えるための油圧サーボ式材料試験機と、その材料試験機に装着された試験片を加熱するための加熱コイルを有する高周波加熱装置と、上記試験片を摂氏零度以下の低温まで冷却するための冷却ガスを当該試験片表面に吹き付ける噴射ノズルを有する冷風供給装置と、上記高周波加熱装置および冷風供給装置の制御により、摂氏零度以下の低温領域を含む温度範囲で試験片に冷熱サイクルを与える温度制御手段を備えていることを特徴とする金属熱疲労試験機。
2. 上記冷風供給装置は、冷凍機を用いて摂氏零度より低温の冷風を発生することを特徴とする請求項１に記載の金属熱疲労試験機。
3. 上記冷風供給装置は、低沸点の液体からのガスを冷風として試験片に吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の金属熱疲労試験機。
4. 上記冷風供給装置は、冷凍機からの冷風と低沸点材料からのガスの両方もしくは一方を選択的に試験片に吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の金属熱疲労試験機。
5. 上記温度制御手段は、試験片の温度検出出力を入力して、上記加熱コイルに供給する高周波電流を制御しつつ、上記噴射ノズルに対する冷風の供給路に設けられた開閉弁の開閉制御を行うことを特徴とする請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の金属熱疲労試験機。
6. 上記温度制御手段は、上記噴射ノズルに対する冷風の供給路に設けられた開閉弁を閉から開に切り換える際、当該開閉弁を複数回にわたって開閉した後に開とするように制御することを特徴とする請求項５に記載の金属熱疲労試験機。
7. 上記温度制御手段は、試験片の温度検出出力を入力して、上記加熱コイルに供給する高周波電流を制御しつつ、上記噴射ノズルに対する冷風の供給路に設けられた流量制御弁を制御することを特徴とする請求項１、２、３または４のいずれか１項に記載の金属熱疲労試験機。
8. 上記冷風供給装置は、上記噴射ノズルにより試験片に冷風を吹き付けると同時に、当該試験片を囲むように設けられた雰囲気槽内に別途冷風を供給することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、または７のいずれか１項に記載の金属熱疲労試験機。

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