JP2018200198A - 欠陥検出装置及び欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層体に形成された欠陥を、その延在方向や形成箇所に関わらず高精度に検出することが可能な欠陥検出装置及び欠陥検出方法を提供する。【解決手段】欠陥検出装置１０は、繊維強化プラスチックの積層体１２の欠陥１４を検出する。また、欠陥検出装置１０は、積層体１２に振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加える加振手段１６と、振動が加えられることで積層体１２に生じる状態の変化を検出する赤外線カメラ１８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチックの積層体の欠陥を検出する欠陥検出装置及び欠陥検出方法に関する。

例えば、特許文献１には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）の積層体（以下、単に積層体ともいう）に生じた層間剥離等の欠陥を検出する超音波探傷方法が提案されている。

具体的には、上記の超音波探傷方法では、積層体の積層方向一端側の表面から、該表面に対して垂直に超音波を入射させる。この超音波は、積層体内部の層間剥離等によって反射されるため、該超音波の反射波を受信することで、積層体の欠陥が検出される。

特開２０１６−１７３３３６号公報

ところで、積層体が疲労すると、先ず、該積層体の面方向に略垂直に延在するトランスバースクラックが発生する。そして、さらに疲労が進むと、トランスバースクラックが積層体の層同士の界面に到達すること等により、層間剥離が生じ、積層体の強度低下につながる。

従って、積層体について、疲労状態を良好に把握するためには、トランスバースクラックが発生した時点で、換言すると、積層体に層間剥離等が生じる前段階で、該トランスバースクラックを欠陥として検出することが好ましい。

しかしながら、上記の超音波探傷方法により、トランスバースクラックのような、積層体の面方向に対して略垂直に延在する欠陥を検出することは困難である。超音波の入射方向と欠陥の延在方向とが一致するため、該欠陥から十分な大きさの反射波を得ることができないからである。

また、上記の超音波探傷方法に代えて、いわゆる、浸透探傷検査や放射線検査等の非破壊検査方法を採用したとしても、積層体の外部からアクセスできない箇所には、浸透液や造影剤等を浸透させることが困難であるため、結局、積層体の内部等に生じた欠陥を精度よく検出することは困難である。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、積層体に形成された欠陥を、その延在方向や形成箇所に関わらず高精度に検出することが可能な欠陥検出装置及び欠陥検出方法を提供する。

上記の目的を達成するため、本発明は、繊維強化プラスチックの積層体の欠陥を検出する欠陥検出装置であって、前記積層体に、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加える加振手段と、前記振動が加えられることで前記積層体に生じる状態の変化を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明者らの鋭意検討によれば、繊維強化プラスチックの積層体（以下、単に積層体ともいう）の欠陥が生じた部位では、欠陥が生じていない他部位に比して振動の減衰率が大きくなり、この欠陥の有無による減衰率の差は、積層体に加える振動の歪振幅が大きいほど大きくなるとの知見が得られた。この知見に基づき、さらなる鋭意検討を重ねた結果、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加えれば、積層体の欠陥を良好に検出可能になることが分かった。

つまり、本発明に係る欠陥検出装置では、加振手段により前記振動を加えることで、積層体に、欠陥の有無や体積割合等に応じた減衰率に基づく状態の変化を生じさせることができる。この状態の変化を検出手段により検出することで、積層体の欠陥を、その延在方向や形成箇所に関わらず高精度に検出することが可能になる。

従って、この欠陥検出装置では、例えば、超音波を欠陥で反射させる超音波探傷方法等とは異なり、トランスバースクラック等の積層体の面方向に対して略垂直に延在する欠陥であっても良好に検出することができる。また、積層体に浸透液や造影剤等を浸透させる必要がある浸透探傷検査や放射線検査等とは異なり、積層体の内部の欠陥も良好に検出することができる。その結果、積層体の強度を低下させる層間剥離等が生じる前の段階で、トランスバースクラックを欠陥として検出すること、すなわち、積層体の初期の疲労状態を検出することも可能である。

上記の欠陥検出装置において、前記加振手段は、前記積層体に、振幅の大きさが歪量として１０με以上である振動を加えることが好ましい。この場合、積層体に、欠陥の有無や体積割合等に応じた減衰率に基づく状態の変化を一層明確に生じさせることができるため、欠陥の検出精度のさらなる向上を図ることができる。

上記の欠陥検出装置において、前記検出手段は、前記積層体の内部摩擦を検出してもよい。積層体の欠陥が生じた部位では、他部位よりも内部摩擦が大きくなり、減衰率が大きくなる。従って、積層体の欠陥の有無や体積割合等に応じた減衰率に基づく状態の変化は、内部摩擦として検出することができる。

つまり、内部摩擦は、積層体の疲労が進行して、該積層体中の欠陥の体積割合や個数が増大すること等に応じて大きくなる。このため、例えば、積層体に部分ごとに前記振動を加えて、該部分ごとの内部摩擦を検出することで、内部摩擦が他部位よりも大きい部位を欠陥が生じている部位として検出することができる。また、積層体の欠陥の体積割合や単位体積あたりの個数と、内部摩擦の大きさとの関係等を予め求めておけば、積層体の前記振動を加えた箇所の内部摩擦を検出することで、当該箇所の積層体の欠陥の体積割合や単位体積あたりの個数（疲労状態）を検出することが可能になる。

上記の欠陥検出装置において、前記検出手段として、赤外線カメラを備え、前記積層体の他部位よりも高温となった部位を前記欠陥として検出することが好ましい。上記の通り、積層体の欠陥が生じた部位では、他部位よりも内部摩擦が大きくなるため、加振手段により前記振動を加えて積層体を強制振動させると、積層体の欠陥が生じた部位が他部位よりも高温となる。この高温となった部位を赤外線カメラによって検出することで、積層体の欠陥を高精度且つ効率的に検出することが可能になる。

また、本発明は、繊維強化プラスチックの積層体の欠陥を検出する欠陥検出方法であって、前記積層体に、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加える加振工程と、前記振動が加えられることで前記積層体に生じる状態の変化を検出する検出工程と、を有することを特徴とする。

この欠陥検出方法によれば、加振工程において、前記振動を加えることで、積層体に欠陥の有無や体積割合等に応じた状態の変化を生じさせることができる。この状態の変化を検出工程において検出することで、積層体の欠陥を、その延在方向や形成箇所に関わらず高精度に検出することができる。ひいては、積層体の初期の疲労状態を検出することも可能になる。

上記の欠陥検出方法において、前記加振工程では、前記積層体に、振幅の大きさが歪量として１０με以上である振動を加えることが好ましい。この場合、欠陥の検出精度のさらなる向上を図ることができる。

上記の欠陥検出方法において、前記検出工程では、前記積層体の内部摩擦を検出してもよい。この場合、例えば、積層体に部分ごとに前記振動を加えて内部摩擦を検出することで、該内部摩擦が他部位よりも大きい部位を欠陥が生じている部位として検出することができる。また、積層体の前記振動を加えた箇所の内部摩擦を検出することで、当該箇所の積層体の疲労状態を検出することが可能になる。

上記の欠陥検出方法において、前記検出工程では、前記積層体の他部位よりも高温となった部位を前記欠陥として検出することが好ましい。この場合、積層体の欠陥を高精度且つ効率的に検出することが可能になる。

本発明では、繊維強化プラスチックの積層体に振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加え、これによって生じる積層体の状態の変化を検出する。これによって、積層体の欠陥を、その延在方向や形成箇所に関わらず高精度に検出することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る欠陥検出装置の概略構成図である。 図２は、積層体の歪振幅と内部摩擦との関係を表すグラフである。

本発明に係る欠陥検出装置及び欠陥検出方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る欠陥検出装置１０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の積層体１２の欠陥１４を検出する。積層体１２は、複数のＦＲＰ層１２ａを積層して構成され、そのＦＲＰ層１２ａの積層数、ＦＲＰ層１２ａを構成する強化繊維及び母材樹脂の種類、強化繊維の配向方向等は、特に限定されない。すなわち、欠陥検出装置１０は、種々の積層体１２に適用することができる。

具体的には、欠陥検出装置１０は、積層体１２に振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加えることが可能な加振手段１６と、前記振動が加えられることで積層体１２に生じる状態の変化を検出する検出手段としての赤外線カメラ１８を主に備える。

加振手段１６は、積層体１２に前記振動を加えることが可能であれば、どのような構成であってもよく、積層体１２に対して、接触して加振してもよいし、非接触で加振してもよい。前記振動が加えられた積層体１２では、欠陥１４が生じた部位で内部摩擦（振動の減衰率）が大きくなり、欠陥１４が生じていない部位で内部摩擦（振動の減衰率）が小さくなる。

このため、加振手段１６によって、積層体１２に前記振動を加えて強制振動させた場合、該積層体１２には、前記内部摩擦の差に応じて、欠陥１４が生じた部位の温度が、欠陥１４が生じていない部位の温度に比して高くなる。この状態の変化を検出するべく、赤外線カメラ１８は、積層体１２の温度や温度分布を測定可能に設けられる。

本実施形態に係る欠陥検出装置１０は、基本的には、以上のように構成される。この欠陥検出装置１０との関係で、本実施形態に係る欠陥検出方法について説明する。

先ず、欠陥検出装置１０に積層体１２をセットし、加振手段１６によって、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を積層体１２に加える加振工程を行う。この加振工程において、積層体１２に前記振動を加えて強制振動させることで、上記の通り、積層体１２の欠陥１４が生じた部位が他部位よりも高温となるように状態の変化を生じさせることができる。

次に、上記の状態の変化を検出する検出工程を行う。具体的には、赤外線カメラ１８によって、積層体１２の温度分布を測定する。これによって、積層体１２の他部位よりも高温となった部位を、欠陥１４として検出することができる。なお、図１では、欠陥１４として、積層体１２の内部において、該積層体１２の面方向に略垂直に延在するトランスバースクラックを示しているが、欠陥検出装置１０によって検出可能な欠陥１４の種類や形成箇所は、特に限定されるものではない。層間剥離や積層体１２の表面に形成されている欠陥であっても良好に検出できることは勿論である。

以上から、本実施形態に係る欠陥検出方法によれば、積層体１２に前記振動を加えることで、欠陥１４の有無や体積割合に応じた減衰率（内部摩擦）に基づく状態の変化を積層体１２に生じさせることができる。この状態の変化から、積層体１２の欠陥１４を、その延在方向や形成箇所に関わらず高精度に検出することが可能である。

従って、この欠陥検出方法では、例えば、超音波を欠陥１４で反射させる超音波探傷方法等とは異なり、トランスバースクラック等の積層体１２の面方向に対して略垂直に延在する欠陥１４であっても良好に検出することができる。また、積層体１２に浸透液や造影剤等を浸透させる必要がある浸透探傷検査や放射線検査等とは異なり、積層体１２の内部の欠陥１４も良好に検出することができる。

その結果、積層体１２の強度を低下させる層間剥離等が生じる前の段階で、トランスバースクラックを欠陥１４として検出すること、すなわち、積層体１２の初期の疲労状態を検出することもできる。

上記の欠陥検出方法では、積層体１２に加える振動の振幅の大きさを歪量として１０με以上とすることで、前記状態の変化を一層明確に生じさせて、欠陥１４の検出精度のさらなる向上を図ることができる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、上記の実施形態に係る欠陥検出装置１０では、検出手段として赤外線カメラ１８を備えることとしたが、特にこれに限定されるものではない。欠陥検出装置１０は、赤外線カメラ１８に代えて、又は赤外線カメラ１８とともに、積層体１２の減衰率や内部摩擦を測定可能な装置（何れも不図示）を検出手段として備えてもよい。なお、検出手段によって積層体１２の減衰率を測定する場合等には、加振手段１６は、積層体１２に前記振動を加えて自由振動させてもよい。

上記の通り、積層体１２の欠陥１４が生じた部位では、他部位よりも内部摩擦が大きくなり、減衰率が大きくなる。このため、減衰率や内部摩擦は、積層体１２の疲労が進行して、該積層体１２中の欠陥１４の体積割合や個数が増大すること等に応じて大きくなる。換言すると、減衰率や内部摩擦は、積層体１２の疲労状態に応じた大きさとなる。

従って、例えば、積層体１２の部分ごとに前記振動を加えて、該部分ごとの減衰率や内部摩擦を検出することで、減衰率や内部摩擦が他部位よりも大きい部位を欠陥１４が生じている部位として検出することができる。また、積層体１２の欠陥１４の体積割合や個数と減衰率や内部摩擦の大きさとの関係等を予め求めておけば、積層体１２の前記振動を加えた箇所の減衰率や内部摩擦を検出することで、当該箇所の積層体１２の疲労状態を検出することが可能になる。

強化繊維として炭素繊維を用いたＵＤ材からなるＦＲＰ層１２ａを、互いの繊維配向を０°、６０°、−６０°として疑似等方性を示すように積層し、長辺、短辺、厚さのそれぞれが１０．０ｃｍ、１．０ｃｍ、１．４ｍｍとなる積層体１２の試験片を得た。この試験片に対して、その破断荷重の５０％を最大荷重とする応力比０．１の引張り／引張り荷重を繰り返し加えた。そして、前記荷重を加えた回数（繰り返し数）と、試験片に生じる欠陥１４の種類及び個数との関係を調べた。なお、欠陥１４の観察は、光学顕微鏡を用いて行った。

その結果、繰り返し数が１０⁴回に達したとき、試験片の層内に数本〜１０本のトランスバースクラックが発生することが確認された。一方、この試験片では、明確な層間剥離は確認されなかった。

また、繰り返し数の増加とともにトランスバースクラックの個数も増加し、繰り返し数が１０⁵に達したとき、トランスバースクラックの先端に、幅１．０ｍｍ以下の層間剥離が発生したことが確認された。

次に、繰り返し数を０回、１０²回、１０³回、１０⁴回、１０⁵回、１０⁶回とした試験片のそれぞれについて、１με（１０^-6）〜１００με（１０^-4）の範囲で歪振幅の大きさが異なる振動を加え、各歪振幅における内部摩擦を自由端横振動法により測定した。具体的には、試験片を各歪振幅で所定時間励振させて、振動状態を安定させた後、該励振を止めて、時間に対する振動振幅の対数を自由減衰曲線として得た。この減衰曲線の接線の傾きから、各歪振幅での内部摩擦（対数減衰率）を求めた。

その結果、図２の歪振幅（Ｓｔｒａｉｎ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ε_max）と内部摩擦（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ，δ_av）との関係を示すグラフが得られた。図２から、試験片の内部摩擦は、歪振幅の大きさに依存しない成分及び依存する成分の両方において、繰り返し数が多くなり試験片に生じている欠陥の個数（体積割合）が多くなるほど、大きくなることが分かる。

また、繰り返し数が、トランスバースクラックの発生が確認された１０⁴回以上となる試験片では、トランスバースクラックの発生が確認されていない１０³回以下となる試験片よりも内部摩擦（特に、歪振幅の大きさに依存する成分）が顕著に大きくなっている。そして、繰り返し数が、層間剥離の発生が確認された１０⁵回以上の試験片では、内部摩擦がより顕著に大きくなっている。

さらに、歪振幅が大きくなるほど、欠陥１４が確認された試験片と、欠陥１４が確認されていない試験片との間の内部摩擦（振動の減衰率）の差が大きくなっている。この内部摩擦の差は、歪振幅の大きさが３με以上であるとき顕在化し、さらに、歪振幅の大きさが１０με以上であるとき、より明確に顕在化する。従って、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加えることにより、試験片に生じる内部摩擦（減衰率）や、該内部摩擦に基づく発熱等の状態の変化から、欠陥１４を良好に検出することができる。また、振幅の大きさが歪量として１０με以上である振動を加えることにより、一層高精度に欠陥１４を検出することができる。

上記の各試験片について、ＪＩＳ Ｋ７０７４に準拠して曲げ剛性を測定した。その結果、明確に曲げ剛性の低下が生じたのは、層間剥離が確認された繰り返し回数が１０⁵回以上の試験片であった。つまり、トランスバースクラックのみが確認された繰り返し数が１０⁴回の試験片では、明確な曲げ剛性の低下は現れなかった。

このことからも、本実施形態に係る欠陥検出装置１０及び欠陥検出方法によれば、トランスバースクラックが発生した時点で、換言すると、積層体１２に層間剥離等が生じて曲げ剛性が低下する前の段階で、該トランスバースクラックを欠陥１４として検出できることが分かる。これによって、積層体１２の疲労状態を良好に把握することが可能になる。

１０…欠陥検出装置 １２…積層体
１２ａ…ＦＲＰ層 １４…欠陥
１６…加振手段 １８…赤外線カメラ

Claims (8)

1. 繊維強化プラスチックの積層体の欠陥を検出する欠陥検出装置であって、
   前記積層体に、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加える加振手段と、
   前記振動が加えられることで前記積層体に生じる状態の変化を検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする欠陥検出装置。
2. 請求項１記載の欠陥検出装置において、
   前記加振手段は、前記積層体に、振幅の大きさが歪量として１０με以上である振動を加えることを特徴とする欠陥検出装置。
3. 請求項１又は２記載の欠陥検出装置において、
   前記検出手段は、前記積層体の内部摩擦を検出することを特徴とする欠陥検出装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の欠陥検出装置において、
   前記検出手段として、赤外線カメラを備え、前記積層体の他部位よりも高温となった部位を前記欠陥として検出することを特徴とする欠陥検出装置。
5. 繊維強化プラスチックの積層体の欠陥を検出する欠陥検出方法であって、
   前記積層体に、振幅の大きさが歪量として３με以上である振動を加える加振工程と、
   前記振動が加えられることで前記積層体に生じる状態の変化を検出する検出工程と、
   を有することを特徴とする欠陥検出方法。
6. 請求項５記載の欠陥検出方法において、
   前記加振工程では、前記積層体に、振幅の大きさが歪量として１０με以上である振動を加えることを特徴とする欠陥検出方法。
7. 請求項５又は６記載の欠陥検出方法において、
   前記検出工程では、前記積層体の内部摩擦を検出することを特徴とする欠陥検出方法。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の欠陥検出方法において、
   前記検出工程では、前記積層体の他部位よりも高温となった部位を前記欠陥として検出することを特徴とする欠陥検出方法。

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