JP2014020984A - 磁粉探傷試験用磁化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】どのような方向の亀裂であっても磁粉を十分に吸着できる、磁粉探傷試験用磁化装置を提供する。
【解決手段】二つの交流電源装置が生成する交流電圧の周波数を、１０Ｈｚを超える周波数であって、且つ互いの周波数の最大公約数が１０以下である周波数に設定することで、ワークの表面の亀裂に対する、磁粉の付着ムラを防ぐことができる。従来技術とは異なり、二つの周波数には１０を超える最大公約数が存在するような関係がないので、二つの交流電源装置のコントローラが相互に同期する必要はない。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁粉探傷試験用磁化装置に関する。

周知のように、鉄鋼等の強磁性体を用いる機械部品を検査するために、非破壊検査の一つであるＪＩＳ Ｇ ０５６５−１９９２に規定されている磁粉探傷試験が広く適用されている。
以下、磁粉探傷試験の手順を簡単に説明する。
先ず、試験を行う強磁性体の対象物（以下、「ワーク」（workpieceの略）と略す。）に、蛍光塗料が塗布された磁粉を含む溶液を塗布する。次に、ワークに交流磁界を与える。すると、ワークの表面に傷、すなわち亀裂があると、その亀裂に磁極が生じるので、磁粉が亀裂に集まる。その後、ブラックライトとも呼ばれる紫外線灯にて紫外線をワークに照射すると、亀裂に集まった磁粉が光る。この光を周知のＣＣＤカメラ等で撮影して、亀裂の位置、大きさ、方向等を把握する。
特許文献１には、本願と同一の出願人による、磁粉探傷試験用磁化装置の技術内容が開示されている。

特開平１１−１６０２８３号公報

亀裂に磁極を効果的に生じさせるには、磁界の方向が亀裂の方向と直交する方向に生じている必要がある。一方、ワークの表面に存在する亀裂の方向は全く不規則であるから、磁界はワークの表面に対して万遍なくあらゆる方向に与えられる必要がある。特許文献１は、直交する方向に磁界を生じさせる二つのコイルの一方に第一の周波数の交流電流を、他方に第一の周波数の２以上の整数倍の周波数である第二の周波数の交流電流を流すことで、楕円形状の回転磁界をワークの表面に生じさせる技術内容が開示されている。

しかし、この楕円形状の回転磁界は、ワークの表面に発生する磁界の合成ベクトルの長さ、すなわち磁界の強さが不均一である。楕円の長辺に当たる方向には強い磁界が生じるが、楕円の短辺に当たる方向には弱い磁界が生じる。したがって、磁粉が亀裂に吸着する際、亀裂の方向によっては十分に磁粉が吸着されない、という不具合を生じる。

本発明は係る課題を解決し、どのような方向の亀裂であっても磁粉を十分に吸着できる、磁粉探傷試験用磁化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の磁粉探傷試験用磁化装置は、磁粉探傷試験の対象となる強磁性体の対象物であるワークの長手方向に直交する方向の磁界を発生するＸ軸コイルと、ワークの長手方向に平行な方向の磁界を発生するＺ軸コイルと、Ｘ軸コイルに１０Ｈｚを超える第一の周波数の交流電流を流す第一の交流電源装置と、Ｚ軸コイルに１０Ｈｚを超えると共に第一の周波数との最大公約数が１０以下である第二の周波数の交流電流を流す第二の交流電源装置とを具備する。

本発明により、どのような方向の亀裂であっても磁粉を十分に吸着できる、磁粉探傷試験用磁化装置を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態の磁粉探傷試験用磁化装置を用いる磁粉探傷試験装置の概略図である。 Ｘ軸コイルとＸ軸ヨークの全体構成を示す斜視図と分解斜視図である。 ワークとＸ軸コイルとＸ軸ヨークの配置関係を示す説明図である。 交流電源装置の概略ブロック図である。 磁化電流の周波数と、磁場浸透深さとの関係を示すグラフである。 ワークの表面に生じている亀裂と磁力線の関係を示す概略図である。 本実施形態の磁化装置に採用して好適な周波数の組み合わせを示すベクトル軌跡図である。 本実施形態の磁化装置に採用して好ましくない周波数の組み合わせを示すベクトル軌跡図である。

［構成］
図１は本実施形態の磁粉探傷試験用磁化装置を用いる磁粉探傷試験装置の概略図である。
磁粉探傷試験装置１０１は、最初に、蛍光塗料が塗布された磁粉を含む磁粉溶液１０３をワーク１０２に塗布する。次に、ワーク１０２は磁化装置１０４を通過する。このとき、磁粉探傷試験用磁化装置（以下「磁化装置」と略す）１０４はワーク１０２に交流磁界を与える。すると、ワーク１０２の表面の亀裂に磁極が生じ、この亀裂に磁粉が集まる。その後、紫外線灯１０５を用いて紫外線をワーク１０２の表面に照射すると、亀裂に集まった磁粉が光る。この光を周知のＣＣＤカメラ１０６等で撮影して、亀裂の位置、大きさ、方向等を把握する。

磁化装置１０４は、ワーク１０２の長手方向に直交する方向に磁界を生じさせるＸ軸コイル１０７と、ワーク１０２の長手方向に並行な方向に磁界を生じさせるＺ軸コイル１０８と、これらＸ軸コイル１０７とＺ軸コイル１０８に夫々異なる周波数の交流電流を流す交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂを有する。
なお、交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂは内部構成が全く同一であるので、これ以降、交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂを区別しない場合には交流電源装置１０９と総称する。

図２（ａ）及び（ｂ）は、Ｘ軸コイル１０７とＸ軸ヨーク１１１の全体構成を示す斜視図と分解斜視図である。
図２（ａ）及び（ｂ）から判るように、Ｘ軸コイル１０７はＸ軸ヨーク１１１に嵌め込まれている。
一方、Ｚ軸コイル１０８はその中心部分にワーク１０２を通過させる仕様であるため、空芯コイルである。
図３は、ワーク１０２とＸ軸コイル１０７とＸ軸ヨーク１１１の配置関係を示す説明図である。
Ｘ軸ヨーク１１１から生じる磁力線Ｍ３０１の一部は、Ｘ軸ヨーク１１１から離れているワーク１０２の探傷面３０２近辺を通過する。

図４は、交流電源装置１０９の概略ブロック図である。
三相交流電源４０１は、周知のダイオードブリッジよりなる整流回路４０２と、周知の平滑コンデンサＣ４０３を通過して、直流に変換される。この直流電圧はＭＯＳ ＦＥＴ４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ及び４０４ｄよりなるインバータ４０４を通じて交流電圧に変換される。交流電圧はコイル４０６（Ｘ軸コイル１０７又はＺ軸コイル１０８）に印加される。
インバータ４０４を構成するＭＯＳ ＦＥＴ４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ及び４０４ｄのゲートはコントローラ４０７によってオン・オフ制御される。

コントローラ４０７は、周波数電流設定値４０８とＰＷＭ制御部４０９と電流検出部４１０よりなる。
周波数電流設定値４０８は周知のディップスイッチ等で構成され、インバータ４０４が出力する交流電圧の周波数と、コイル４０６に流れる電流の値が設定されており、これらの数値データに相当する情報をＰＷＭ制御部４０９に出力する。
周知のマイコンよりなるＰＷＭ制御部４０９は、内部に周知のＰＬＬを内蔵し、周波数電流設定値４０８から得られる周波数及び電流の数値データに従う、ＰＷＭ制御パルスを出力する。このパルス信号が、ＭＯＳ ＦＥＴ４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ及び４０４ｄのゲートに印加されることで、インバータ４０４から交流電圧が得られる。
コイル４０６の一端には電流センサ４０５が設けられており、電流センサ４０５の出力信号は電流検出部４１０によって実測値としての電流データに変換され、ＰＷＭ制御部４０９に入力される。ＰＷＭ制御部４０９は電流センサ４０５が検出した電流の値を周波数電流設定値４０８にて設定される電流の値に一致させるべく、ＰＷＭ制御パルスのデューティ比を制御するフィードバック制御を行う。
ＰＷＭ制御部４０９が出力するＰＷＭ制御パルスによってインバータ４０４が形成する交流電圧の周波数は、周波数電流設定値４０８の周波数データによって変化する。
なお、ＥＭＩ対策の必要がない等の場合は、ＲＯＭ４１０が出力するスイッチング制御信号を、ＰＷＭに代えて単純な矩形波であってもよい。

［動作原理］
磁粉探傷試験において、磁束がワーク１０２に浸透する深さは、磁化電流の周波数に応じて変動する。したがって、探傷したい亀裂の深さに応じて、磁化電流の周波数を選択する。
磁場浸透深さは、次式で表される。

図５は、磁化電流の周波数と、磁場浸透深さとの関係を示すグラフである。前述の式（１）のグラフであり、横軸は周波数であり、縦軸は磁場浸透深さである。探傷に用いる交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂが出力する交流電圧の周波数としては、概ね、３０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲の周波数が選択される。

図６（ａ）及び（ｂ）は、ワーク１０２の表面に生じている亀裂と磁力線の関係を示す概略図である。
図６（ａ）は、ワーク１０２の表面を示す概略図である。図６（ｂ）は、ワーク１０２の断面図である。
図６（ａ）に示すように、ワーク１０２の表面に生じている亀裂６０１に対し、磁力線の方向が亀裂６０１の方向に直交する方向Ｌ６０２を向いている場合、図６（ｂ）に示すように、亀裂６０１の側面に磁極Ｐ６０３ａ及びＰ６０３ｂが生じて、磁粉６０４が吸着される。
逆に、ワーク１０２の表面に生じている亀裂６０１に対し、磁力線の方向が亀裂６０１の方向に平行な方向Ｌ６０５を向いている場合、亀裂６０１の側面に磁極Ｐ６０３ａ及びＰ６０３ｂが生じず、磁粉６０４が吸着されない。
このように、亀裂６０１に磁極Ｐ６０３ａ及びＰ６０３ｂを効果的に生じさせるには、磁界の方向が亀裂６０１の方向と直交する方向に生じている必要がある。一方、ワーク１０２の表面に存在する亀裂６０１の方向は全く不規則であるから、磁界はワーク１０２の表面に対して万遍なくあらゆる方向に与えられる必要がある。

磁力線が発生する方向が直交関係にあるＸ軸コイル１０７とＺ軸コイル１０８に交流電圧を印加すると、ワーク１０２の表面には、Ｘ軸コイル１０７が発生する磁力線と、Ｚ軸コイル１０８が発生する磁力線とが組み合わされることで、磁力線の方向が任意の方向に変化する。磁力線をベクトルとして考えると、ワーク１０２の表面には磁力線の合成ベクトルが発生する、と考えることができる。

特許文献１に示す従来技術の場合、磁化装置１０４が形成する磁力線の合成ベクトルによって作成される軌跡が一定の楕円形状であった。
本実施形態の磁化装置１０４は、磁力線の合成ベクトルによって作成される軌跡が一定の形状にならないように、交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂが生成する、Ｘ軸コイル１０７とＺ軸コイル１０８に与える交流電圧の周波数を選定した。
具体的には、Ｘ軸コイル１０７とＺ軸コイル１０８に与える交流電圧の周波数は、１０Ｈｚを超える周波数であって、且つ互いの周波数の最大公約数が１０以下であることが望ましい。

図７（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態の磁化装置１０４に採用して好適な周波数の組み合わせを示すベクトル軌跡図である。これらベクトル軌跡図は、それぞれｘ＝ｓｉｎω_１ｔ、ｚ＝ｓｉｎω_２ｔで、ｔを０から１まで変化させた際の合成ベクトルの軌跡を描画した図である。ｆｘは、Ｘ軸コイル１０７に与える交流電圧の周波数である。ｆｚは、Ｚ軸コイル１０８に与える交流電圧の周波数である。
図７（ａ）は、周波数ｆｘを８０Ｈｚ、周波数ｆｚを１１０Ｈｚに設定した場合のベクトル軌跡図である。８０と１１０の最大公約数は１０である。つまり、１０で割った数である８と１１の最大公約数は１であり、互いに素である。
図７（ｂ）は、周波数ｆｘを１７０Ｈｚ、周波数ｆｚを２００Ｈｚに設定した場合のベクトル軌跡図である。１７０と２００の最大公約数は１０である。つまり、１０で割った数である１７と２０の最大公約数は１であり、互いに素である。
図７（ｃ）は、周波数ｆｘを２１０Ｈｚ、周波数ｆｚを２３０Ｈｚに設定した場合のベクトル軌跡図である。２１０と２３０の最大公約数は１０である。つまり、１０で割った数である２１と２３の最大公約数は１であり、互いに素である。
このように、最大公約数が１０以下である二つの周波数を選択することで、合成ベクトルの軌跡が万遍なく網の目を描くようになる。すなわち、磁界をワーク１０２の表面に対して万遍なくあらゆる方向に与えることが実現できる。また、１０で割った数が互いに素であることを考慮して、選択される周波数は１０より大きいことが望ましい。

一般的に、互いの周波数が高いほど、そして互いの周波数の差が小さいほど、合成ベクトルが描く軌跡の密度が高くなる。例えば、周波数ｆｘを１１０Ｈｚ、周波数ｆｚを１１１Ｈｚとすると、１１０と１１１の最大公約数は１になり、ベクトル軌跡図は極めて細かい網の目を描くこととなる。但し、図７（ｂ）及び図７（ｃ）のように、特定の周波数の組み合わせにおいて、ベクトル軌跡の密度が前後することがある。

図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の磁化装置１０４に採用して好ましくない周波数の組み合わせを示すベクトル軌跡図である。
図８（ａ）は、周波数ｆｘを８０Ｈｚ、周波数ｆｚを１２０Ｈｚに設定した場合のベクトル軌跡図である。８０と１２０の最大公約数は４０である。また、１０で割った数である８と１２の最大公約数は４であり、互いに素でない。
図８（ｂ）は、周波数ｆｘを６０Ｈｚ、周波数ｆｚを１２０Ｈｚに設定した場合のベクトル軌跡図である。６０と１２０の最大公約数は６０である。つまり、１０で割った数である６と１２の最大公約数は６であり、互いに素でない。

図８（ａ）及び（ｂ）を見て明らかなように、図７とは違ってベクトルの軌跡が定まった軌跡のみ描く。このため、ベクトルの方向によってはベクトルの長さが短くなってしまう角度が存在する。特に図８（ｂ）の場合、ベクトルの角度が９０°及び２７０°の時、ベクトルの長さが０になる。このような場合、この角度は完全に磁力線が生じないことを意味し、この角度に直交するワーク１０２の亀裂６０１には磁粉６０４が付着し難い。

以上の説明にて判るように、二つの交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂが生成する交流電圧の周波数を、１０を超える周波数であって、且つ互いの周波数の最大公約数が１０以下である周波数に設定することで、ワーク１０２の表面の亀裂６０１に対する、磁粉６０４の付着ムラを防ぐことができる。従来技術とは異なり、二つの周波数には１０を超える最大公約数が存在するような関係がないので、二つの交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂのコントローラ４０７が相互に同期する必要はない。

本実施形態は以下の応用が可能である。
（１）二つの交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂのうち、少なくとも片方の交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂが発生する交流電圧の周波数をスイープさせることで、より柔軟な磁粉探傷のベクトル軌跡を形成できると共に、小さく浅い亀裂から大きく深い亀裂まで、広範囲な亀裂をカバーすることが可能になる。例えば、二つの交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂのうちの一方の交流電源装置が発生する交流電圧の周波数を、３０Ｈｚから３００Ｈｚ迄、０．５Ｈｚ周期で周期的に上下させる。特に、同一出願人による特願２０１０−４１０２２号に開示される、複数の大きさの粒子を含む探傷試験用磁粉を用いると、交流電圧の周波数に応じた深さの亀裂に対して磁粉が集まるので、極めて良好な探傷性能を備える磁粉探傷試験装置１０１を実現できる。

本実施形態では磁化装置１０４を開示した。
二つの交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂが生成する交流電圧の周波数を、１０Ｈｚを超える周波数であって、且つ互いの周波数の最大公約数が１０以下であり、互いの周波数の差が５Ｈｚ以上である周波数に設定することで、ワーク１０２の表面の亀裂６０１に対する、磁粉６０４の付着ムラを防ぐことができる。従来技術とは異なり、二つの周波数には１０を超える最大公約数が存在するような関係がないので、二つの交流電源装置１０９ａ及び１０９ｂのコントローラ４０７が相互に同期する必要はない。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…磁粉探傷試験装置、１０２…ワーク、１０３…磁粉溶液、１０４…磁化装置、１０５…紫外線灯、１０６…ＣＣＤカメラ、１０７…Ｘ軸コイル、１０８…Ｚ軸コイル、１０９…交流電源装置、１１１…Ｘ軸ヨーク、３０２…探傷面、４０１…三相交流電源、４０２…整流回路、Ｃ４０３…平滑コンデンサ、４０４…インバータ、４０５…トランス、４０６…コイル、４０７…コントローラ、４０８…設定値、４０９…ＰＬＬ、４１０…ＲＯＭ、６０１…亀裂、６０４…磁粉

Claims (2)

1. 磁粉探傷試験の対象となる強磁性体の対象物であるワークの長手方向に直交する方向の磁界を発生するＸ軸コイルと、
   前記ワークの長手方向に平行な方向の磁界を発生するＺ軸コイルと、
   前記Ｘ軸コイルに１０Ｈｚを超える第一の周波数の交流電流を流す第一の交流電源装置と、
   前記Ｚ軸コイルに１０Ｈｚを超えると共に前記第一の周波数との最大公約数が１０以下である第二の周波数の交流電流を流す第二の交流電源装置と
   を具備する磁粉探傷試験用磁化装置。
2. 磁粉探傷試験の対象となる強磁性体の対象物であるワークの長手方向に直交する方向の磁界を発生するＸ軸コイルと、
   前記ワークの長手方向に平行な方向の磁界を発生するＺ軸コイルと、
   前記Ｘ軸コイル又は前記Ｚ軸コイルに１０Ｈｚを超える第一の周波数の交流電流を流す第一の交流電源装置と、
   前記Ｘ軸コイル又は前記Ｚ軸コイルの、前記第一の交流電源装置に接続されていない側のコイルに、１０Ｈｚを超えると共に周波数をスイープさせる第二の周波数の交流電流を流す第二の交流電源装置と
   を具備する磁粉探傷試験用磁化装置。