JP2009057470A - 黒体塗料及び温度測定方法並びに残留応力低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】黒体塗料及び温度測定方法並びに残留応力低減方法において、被対象物を加熱したときにおける高精度な温度測定を可能とする。
【解決手段】顔料としてのグラファイトと、塗料樹脂組成物としてのシリケート系樹脂と、グラファイトの分散溶剤とを備え、グラファイトを１５〜３５重量％配合し、シリケート系樹脂としてのアルコキシシリケートを５〜１５重量％配合し、分散溶剤としてイソプロパノールを１５〜２５重量％配合し、ジメチルエーテルを３５〜５５重量％配合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外光から紫外光の広い波長領域の光を吸収し、高い放射率の塗膜を形成する黒体塗料、この黒体塗料を用いた温度測定方法並びに残留応力低減方法に関するものである。

黒体とは、外部から入射する光や電磁波などの熱放射を、あらゆる波長にわたって完全に吸収し、また放出しない物体であり、完全放射体とも称するが、完全な意味での黒体（完全黒体）は現実には存在しないと言われている。この黒体に近似的な物質として代表的なものに炭素や黒鉛があり、粒子性状の微細なカーボンブラックは黒色塗料の顔料として知られている。このカーボンブラックを黒体塗料の黒色顔料として使用するものとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された黒体塗料は、カーボンブラックと分散媒と樹脂からなるものである。

また、光加熱装置を用いた部品リペア装置として、光吸収材として黒体塗料を用いることが、例えば、下記特許文献２により知られている。この特許文献２に記載された黒体塗料は、シリコーン樹脂塗料やチタン系セラミックス樹脂塗料、また、シリコーン樹脂塗料またはチタン系セラミックス樹脂塗料に耐熱グラファイト等を混合したものである。

特開２００１−３４２３７９号公報 特開２００４−２７３７９５号公報

ところで、溶接部を加熱することで残量応力を除去できることが知られており、この場合、溶接部の加熱温度を管理することが重要であり、溶接部に黒体塗料を塗布して加熱し、反射熱による温度測定誤差を低減する。ところが、カーボンブラックを顔料として使用された黒体塗料にあっては、このカーボンブラックを酸化処理して使用するため、熱伝導率が悪く、溶接部を早期に所定の温度まで加熱することができず、作業性が十分でない。また、黒体塗料が塗布された部分に対して、レーザ光を照射して加熱した場合、二次発光が生じてしまい、異なる波長の光により温度を高精度に測定することが困難となる。一方、シリコーン樹脂塗料またはチタン系セラミックス樹脂塗料に耐熱グラファイトを混合した黒体塗料にあっては、熱伝導率が高く、二次発光少ないものの、グラファイトの組成比が少ない場合には、輻射率が低下して温度測定精度が低下する一方、多い場合には、塗料自体を製造することが困難となる。

本発明は上述した課題を解決するものであり、被対象物を加熱したときにおける高精度な温度測定を可能とする黒体塗料及び温度測定方法並びに残留応力低減方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の黒体塗料は、顔料としてのグラファイトと、塗料樹脂組成物としてのシリケート系樹脂と、グラファイトの分散溶剤とを備える黒体塗料において、前記グラファイトは、１５〜３５重量％配合されることを特徴とするものである。

請求項２の発明の黒体塗料では、前記シリケート系樹脂は、５〜１５重量％配合されることを特徴としている。

請求項３の発明の黒体塗料では、前記シリケート系樹脂は、アルコキシシリケートを有することを特徴としている。

請求項４の発明の黒体塗料では、前記分散溶剤は、イソプロパノール及びジメチルエーテルを有することを特徴としている。

請求項５の発明の黒体塗料では、前記イソプロパノールは、１５〜２５重量％配合され、前記ジメチルエーテルは、３５〜５５重量％配合されることを特徴としている。

また、請求項６の発明の温度測定方法は、被対象物の表面に請求項１から５のいずれか一つの黒体塗料を塗布することで所定膜厚の塗膜層を形成し、この塗膜層の表面に対してレーザ光を照射することで加熱し、被対象物の表面温度を非接触式温度センサにより測定することを特徴とするものである。

請求項７の発明の温度測定方法では、前記黒体塗料をスプレー塗布することで、１５〜２５ミクロンの膜厚の塗膜層を形成することを特徴としている。

また、請求項８の発明の残留応力低減方法は、被対象物の表面に請求項１から５のいずれか一つの黒体塗料を塗布することで所定膜圧の黒体塗料層を形成し、この黒体塗料層の表面に対してレーザ光を照射することで加熱し、被対象物の表面温度を非接触式温度センサにより測定することで予め設定された所定温度まで加熱し、その後、レーザ光の照射を停止して冷却することを特徴とするものである。

請求項１の発明の黒体塗料によれば、顔料としてのグラファイトと、塗料樹脂組成物としてのシリケート系樹脂と、グラファイトの分散溶剤とを備え、グラファイトを１５〜３５重量％配合している。従って、グラファイトの配合比を適正とすることで、高い熱伝導率を確保することができると共に、二次発光を抑制することができ、また、輻射率の低下を抑制することができ、その結果、被対象物を加熱したときにおける高精度な温度測定を可能とすることができる。

請求項２の発明の黒体塗料によれば、シリケート系樹脂を５〜１５重量％配合するので、被対象物の表面にシリケート系樹脂によりグラファイトの粒子を適正に付着させることができる。

請求項３の発明の黒体塗料によれば、シリケート系樹脂としてアルコキシシリケートを適用するので、グラファイトの粒子の付着性を向上することができる。

請求項４の発明の黒体塗料によれば、分散溶剤としてイソプロパノール及びジメチルエーテルを適用するので、このイソプロパノールとジメチルエーテルによりグラファイトの粒子を液状化させ、被対象物の表面に適正に付着させることができると共に、塗装後に蒸発することで塗膜を固体化することができる。

請求項５の発明の黒体塗料によれば、イソプロパノールを１５〜２５重量％配合し、ジメチルエーテルを３５〜５５重量％配合するので、グラファイトの液状化及び塗装後における塗膜の固体化を適正に行うことができる。

また、請求項６の発明の温度測定方法によれば、被対象物の表面にグラファイトの配合比を適正とした黒体塗料を塗布することで所定膜厚の塗膜層を形成し、この塗膜層の表面に対してレーザ光を照射することで加熱し、被対象物の表面温度を非接触式温度センサにより測定している。従って、高い熱伝導率を確保することができると共に、二次発光を抑制することができ、また、輻射率の低下を抑制することができ、その結果、被対象物を加熱したとき、非接触式温度センサは被対象物の表面の温度を高精度に測定することができる。

請求項７の発明の温度測定方法によれば、黒体塗料をスプレー塗布することで、１５〜２５ミクロンの膜厚の塗膜層を形成するので、塗膜層への空気の混入を抑制することができると共に、レーザ光の反射を効率良く防止することができる。

また、請求項８の発明の残留応力低減方法によれば、被対象物の表面にグラファイトの配合比を適正とした黒体塗料を塗布することで所定膜圧の黒体塗料層を形成し、この黒体塗料層の表面に対してレーザ光を照射することで加熱し、被対象物の表面温度を非接触式温度センサにより測定することで予め設定された所定温度まで加熱し、その後、レーザ光の照射を停止して冷却している。従って、高い熱伝導率を確保することができると共に、二次発光を抑制することができ、また、輻射率の低下を抑制することができ、被対象物を加熱したとき、非接触式温度センサは被対象物の表面の温度を高精度に測定することがで、その結果、残留応力を確実に低減することができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る黒体塗料、温度測定方法、残留応力低減方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る黒体塗料を適用した温度測定方法並びに残留応力低減方法を実施するための残留応力低減装置の概略図、図２は、本実施例の残留応力低減方法を表すフローチャートである。

まず、本実施例の黒体塗料について説明する。本実施例の黒体塗料は、顔料としてのグラファイトと、塗料樹脂組成物としてのシリケート系樹脂と、グラファイトの分散溶剤とを備え、グラファイトを１５〜３５重量％配合している。このグラファイトは、放射率が約０．９７であって、レーザ光に起因する二次発光が少ない。そして、グラファイトの配合比の最適値は、２０重量％であり、１５重量％より少ないと輻射率が低下して後述する温度測定の制度が低下する一方、２０重量％を越えるあたりから製造が困難なものとなり、３５重量％を越えるものは製造することができない。

また、本実施例の黒体塗料は、シリケート系樹脂が５〜１５重量％配合されており、シリケート系樹脂の配合比の最適値は、１０重量％である。このシリケート系樹脂は、グラファイトの粒子を被対象物の表面に固着されるためのバインダとして適用されるものであり、アルコキシシリケートが好ましい。ここで、アルコキシとは、炭素数１〜６個の直鎖状もしくは分枝鎖状のアルコキシであって、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、イソプロポキシ、ブトキシ、イソブトキシ、第２級ブトキシ、第３級ブトキシ、ペンチルオキシ、イソペンチルオキシ、ネオペンチルオキシ、ヘキシルオキシなどをいう。

更に、本実施例の黒体塗料は、分散溶剤として、イソプロパノール及びジメチルエーテルが好ましい。この分散溶剤は、グラファイトの粒子を液状化させて被対象物の表面に固着すると共に、塗布後に蒸発させて固体化させるものである。この場合、イソプロパノールは、１５〜２５重量％配合され、ジメチルエーテルは、３５〜５５重量％配合されている。

次に、上述した本実施例の黒体塗料を適用した温度測定方法並びに残留応力低減方法について説明する。

本実施例の残留応力低減装置は、図１に示すように、被対象物Ａの溶接領域ａにレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射装置１１と、このレーザ光照射装置１１を移動させる移動装置１２と、レーザ光Ｌが照射される部分の温度を測定する温度測定装置１３と、被対象物Ａの溶接領域ａに黒体塗料を塗布する黒体塗料塗布装置１４と、レーザ光照射装置１１と移動装置１２と黒体塗料塗布装置１４を作動すると共に、温度測定装置１３が測定した温度に応じてこのレーザ光照射装置１１及び移動装置１２の作動を制御する制御装置１５とを備えている。

レーザ光照射装置１１は、レーザ光を出力するレーザ光源１１ａと、レーザ光源１１ａより出力されたレーザ光を溶接領域ａに照射するレーザ光照射部１１ｂと、レーザ光源１１ａから出力されたレーザ光をレーザ光照射部１１ｂに送る光ファイバケーブル１１ｃとを有している。なお、ここで、レーザ光源１１ａは、レーザダイオードが用いられるが、レーザダイオードに限定されるものではない。そして、このレーザ光照射部１１ｂは、軸方向に所定の照射幅でレーザ光を照射することが可能であり、被対象物Ａの溶接領域ａに対して一様にレーザ光を照射することができる。

移動装置１２は、レーザ光照射装置１１のレーザ光照射部１１ｂを所定の位置に移動するものである。温度測定装置１３は、レーザ光が照射された溶接領域ａからの電磁波を測定する非接触式温度センサ１３ａと、この非接触式温度センサ１３ａが測定した電磁波を温度に変換する温度変換部１３ｂとを有している。黒体塗料塗布装置１４は、スプレー装置１４ａと、黒体塗料を貯留するタンク１４ｂと、スプレー装置１４ａとタンク１４ｂを連結する配管１４ｃを有している。

ここで本実施例の残留応力低減装置による被対象物Ａの溶接領域ａに残留する応力を低減する方法について、図２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、ステップＳ１１にて、制御装置１５は、移動装置１２を作動し、レーザ光照射装置１１のレーザ光照射部１１ｂを所定の位置、つまり、被対象物Ａの溶接領域ａにレーザ光Ｌを照射できるような位置に移動する。ステップＳ１２にて、制御装置１５は、黒体塗料塗布装置１４を作動し、スプレー装置１４ａにより溶接領域ａに対して黒体塗料をスプレーと付することで、１５〜２５ミクロンの膜厚、最適には、２０ミクロンの膜厚の塗膜層を形成する。

そして、ステップＳ１３にて、制御装置１５は、レーザ光照射装置１１を作動し、レーザ光照射部１１ａより溶接領域ａにおける黒体塗料が塗布された部分にレーザ光Ｌを照射する。ステップＳ１４では、温度測定装置１３の非接触式温度センサ１３ａが、レーザ光が照射された溶接領域ａからの電磁波を測定し、温度変換部１３ｂがこの非接触式温度センサ１３ａが測定した電磁波を温度に変換して制御装置１５に出力する。

ステップＳ１５にて、制御装置１５は、溶接領域ａの温度が、予め設定された所定の温度かどうか判定する。ここで、所定温度でないと判定した場合、ステップＳ１３に戻ってレーザ光Ｌの照射を継続する。一方、ステップＳ１５にて、所定温度になったと判定されたら、レーザ光源１１ａの出力、加熱時間、溶接領域ａの温度、溶接領域ａ及び黒体塗料の熱伝導率を考慮することで、溶接領域ａの内面と外面の温度差を所定の温度にすることができる。

そして、ステップＳ１６にて、レーザ光照射装置１１よりのレーザ光Ｌの照射を停止する。このとき、溶接領域ａにおける加熱された部分の応力状態は、外面が圧縮状態、内面が引張状態（引張降伏状態）である。その後、ステップＳ１７にて、溶接領域ａを冷却し、内外面の温度差がなくなった状態では、内面が圧縮応力状態になって残留応力が低減される。

このように本実施例の黒体塗料にあっては、顔料としてのグラファイトと、塗料樹脂組成物としてのシリケート系樹脂と、グラファイトの分散溶剤とを備え、グラファイトを１５〜３５重量％配合している。従って、グラファイトの配合比を適正とすることで、高い熱伝導率を確保することができると共に、二次発光を抑制することができ、また、輻射率の低下を抑制することができ、その結果、被対象物を加熱したときにおける高精度な温度測定を可能とすることができる。

また、シリケート系樹脂を５〜１５重量％配合することで、被対象物の表面にシリケート系樹脂によりグラファイトの粒子を適正に付着させることができる。この場合、シリケート系樹脂としてアルコキシシリケートを適用することで、グラファイトの粒子の付着性を向上することができる。

更に、分散溶剤としてイソプロパノール及びジメチルエーテルを適用することで、このイソプロパノールとジメチルエーテルによりグラファイトの粒子を液状化させ、被対象物の表面に適正に付着させることができると共に、塗装後に蒸発することで塗膜を固体化することができる。この場合、イソプロパノールを１５〜２５重量％配合し、ジメチルエーテルを３５〜５５重量％配合することで、グラファイトの液状化及び塗装後における塗膜の固体化を適正に行うことができる。

また、本実施例の温度測定方法にあっては、溶接部ａの表面にグラファイトの配合比を適正とした黒体塗料を塗布することで所定膜厚の塗膜層を形成し、この塗膜層の表面に対してレーザ光Ｌを照射することで加熱し、溶接部ａの表面温度を非接触式温度センサ１３ａにより測定している。従って、高い熱伝導率を確保することができると共に、二次発光を抑制することができ、また、輻射率の低下を抑制することができ、その結果、溶接部ａを加熱したとき、非接触式温度センサ１３ａはその表面の温度を高精度に測定することができる。

この場合、黒体塗料をスプレー装置１４ａによりスプレー塗布することで、１５〜２５ミクロンの膜厚の塗膜層を形成しており、塗膜層への空気の混入を抑制することができると共に、レーザ光Ｌの反射を効率良く防止することができる。

また、本実施例の残留応力低減方法にあっては、溶接部ａの表面にグラファイトの配合比を適正とした黒体塗料を塗布することで所定膜圧の黒体塗料層を形成し、この黒体塗料層の表面に対してレーザ光Ｌを照射することで加熱し、溶接部ａの表面温度を非接触式温度センサ１３ａにより測定することで予め設定された所定温度まで加熱し、その後、レーザ光Ｌの照射を停止して冷却している。従って、高い熱伝導率を確保することができると共に、二次発光を抑制することができ、また、輻射率の低下を抑制することができ、溶接部ａを加熱したとき、非接触式温度センサ１１ａは溶接部ａの表面の温度を高精度に測定することができ、その結果、残留応力を確実に低減することができる。

本発明に係る黒体塗料及び温度測定方法並びに残留応力低減方法は、顔料としてのグラファイトを１５〜３５重量％配合する黒体塗料を適用するものであり、いずれの種類の温度測定方法並びに残留応力低減方法にも適用することができる。

本発明の一実施例に係る黒体塗料を適用した温度測定方法並びに残留応力低減方法を実施するための残留応力低減装置の概略図である。 本実施例の残留応力低減方法を表すフローチャートである。

符号の説明

１１ レーザ光照射装置
１２ 移動装置
１３ 温度測定装置
１３ａ 非接触式温度センサ
１４ 黒体塗料都府装置
１４ａ スプレー装置
１５ 制御装置
Ａ 被対象物
ａ 溶接領域

Claims (8)

1. 顔料としてのグラファイトと、塗料樹脂組成物としてのシリケート系樹脂と、グラファイトの分散溶剤とを備える黒体塗料において、前記グラファイトは、１５〜３５重量％配合されることを特徴とする黒体塗料。
2. 前記シリケート系樹脂は、５〜１５重量％配合されることを特徴とする請求項１に記載の黒体塗料。
3. 前記シリケート系樹脂は、アルコキシシリケートを有することを特徴とする請求項１または２に記載の黒体塗料。
4. 前記分散溶剤は、イソプロパノール及びジメチルエーテルを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の黒体塗料。
5. 前記イソプロパノールは、１５〜２５重量％配合され、前記ジメチルエーテルは、３５〜５５重量％配合されることを特徴とする請求項４に記載の黒体塗料。
6. 被対象物の表面に請求項１から５のいずれか一つの黒体塗料を塗布することで所定膜厚の塗膜層を形成し、この塗膜層の表面に対してレーザ光を照射することで加熱し、被対象物の表面温度を非接触式温度センサにより測定することを特徴とする温度測定方法。
7. 前記黒体塗料をスプレー塗布することで、１５〜２５ミクロンの膜厚の塗膜層を形成することを特徴とする請求項６に記載の温度測定方法。
8. 被対象物の表面に請求項１から５のいずれか一つの黒体塗料を塗布することで所定膜圧の黒体塗料層を形成し、この黒体塗料層の表面に対してレーザ光を照射することで加熱し、被対象物の表面温度を非接触式温度センサにより測定することで予め設定された所定温度まで加熱し、その後、レーザ光の照射を停止して冷却することを特徴とする残留応力低減方法。

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