JP2020034294A - 層間はく離検出装置と方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、CFRPは、衝撃などにより層間はく離が発生する。層間はく離は、目視による判別が困難であり非破壊検査により検出する必要がある。
垂直探傷法は、CFRP表面に塗布した水やゲルなどの接触媒質(カプラント)を介して超音波を材料中に入射し、はく離箇所からの反射波を測定することで層間はく離を検出する。また、反射波の強度分布を表示したCスキャン画像からはく離を可視化することができる。
しかし、垂直探傷法には、以下の問題点があった。
(1)CFRP表面に塗布する接触媒質が不可欠である。(2)接触媒質の後処理(乾燥、ふき取り)が必要となる。(3)CFRPを水没させて検査する際に大型の水槽が必要になる。(4)CFRPの表面近傍のはく離箇所の検出が困難である。(5)薄板のCFRPへの適用が困難である。
前記第1軸心に対し前記第2軸心を平行に位置決めして前記励磁コイルと前記検出コイルを保持し、かつ炭素繊維強化プラスチック板の表面に対し前記第1軸心と前記第2軸心を含む平面を平行に位置決めする渦電流プローブと、
前記励磁コイルに励磁交流電圧を印加して前記検出コイルに発生する発生交流電圧を検出する発生電圧検出装置と、を備えた層間はく離検出装置が提供される。
前記第1軸心に対し前記第2軸心を平行に位置決めして前記励磁コイルと前記検出コイルを保持し、かつ炭素繊維強化プラスチック板の表面に対し前記第1軸心と前記第2軸心を含む平面を平行に位置決めし、
前記励磁コイルに励磁交流電圧を印加して前記検出コイルに発生する発生交流電圧を検出する、層間はく離検出方法が提供される。
また、本発明により高い検出感度で炭素繊維強化プラスチック板の層間はく離を検出することができる、ことが後述する実施例により確認された。
この図において、試験体1は、炭素繊維強化プラスチック板(以下、単にCFRP板1と呼ぶ)であり、複数のプライ数を有する。
この場合、励磁コイル12及び検出コイル14の外面(この図で下面)とCFRP板1の表面2に、一定の隙間(リフトオフe)が形成される。リフトオフeは、後述する実施例では0.5〜1.0mmである。
渦電流プローブ16は、非導電体(例えば、プラスチック等)であることが好ましい。
画像処理装置20は、CFRP板1の表面2における発生交流電圧VoutのRMS値(root mean square:二乗平均平方根)の分布を検出する。また、画像処理装置20は、RMS値の強弱の特異箇所から層間はく離を検出する。
この構成により、コイル間隔調整装置22により、軸間距離dを適切に選択することができる。
この例では、図1のコイル間隔調整装置22が省略され、これに代えて励磁コイル12から異なる軸間距離dを有する複数の検出コイル14を備える。
励磁コイル12からの3つの検出コイル14の軸間距離d1,d2,d3は、例えば9,17,25mmである。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。
この構成により、複数の検出コイル14から1つを選択することで、軸間距離dを適切に選択することができる。
この図において、本発明の層間はく離検出方法は、S1〜S5の各ステップ(工程)を有する。
位置決めステップS2では、第1軸心A1に対し第2軸心A2を平行に位置決めして励磁コイル12と検出コイル14を保持し、かつ試験体1(CFRP板1)の表面2に対し第1軸心A1と第2軸心A2を含む平面を平行に位置決めする。
電圧検出ステップS3では、励磁コイル12に交流電圧Vinを印加して検出コイル14に発生する発生交流電圧Voutを検出する。
またはく離検出ステップS5では、RMS値の特異箇所から層間はく離を検出する。
FEM解析によりCFRP板内の電位と渦電流分布,磁界分布を調査し、はく離の存在によるそれらの変化を調査した。
図4は解析モデルの説明図であり、(A)は全体斜視図、(B)は励磁コイル12の正面図、(C)は励磁コイル12の側面図である。
図中のx方向がCFRP板1の0°方向,y方向が90°方向,z方向が厚さ方向を表しており、z=0はCFRP板1の表面2である。この座標系の原点Oは表面2の励磁コイル12の真下である。
本解析ではCFRP板1の1層の厚さを0.3mmと仮定した。また層間はく離を模擬する場合は第1層(0°層)と第2層(90°層)の間に層間はく離があるものとした。
また、励磁コイル12の中心からx方向に検出距離pを隔てた点を磁界検出位置Xpと呼ぶ。磁界検出位置Xpの座標は(p,0,0)である。
図5は、CFRP板1における渦電流分布を示す図である。この図において、(A)は第1層、(B)は第1層と第2層の層間、(C)は第2層の、それぞれ複素数平面で励磁電流を基準とした場合の渦電流分布の実数部を表している。
この図において、第1層と第2層の層間を厚さ方向に流れる電流量が大きい箇所(太線領域)は、別途計測した電位が大きい箇所と良く対応しており、電位勾配によって厚さ方向への電流が生じていることがわかる。従って、電位勾配が大きい箇所の近傍に層間はく離がある場合、厚さ方向への電流の流れが妨げられることになる。
はく離を模擬する場合、第1層と第2層の層間のx方向,y方向の導電率はゼロであると仮定した。また、はく離部Bではz方向導電率も0とし、厚さ方向の渦電流の流れが0となるようにした。
その結果、電流は、はく離部Bを避けるようにして流れ、その電流量は、はく離の端部において大きくなることがわかった。
図中の斜線部がはく離部Bである。また、実線で囲む領域は正の電流密度、破線で囲む領域は負の電流密度を示し、それぞれ線の太さで電流密度の大きさを示している。
この図から、はく離部Bを避けて第2層から第1層に電流が流れるために第2層では、はく離部Bの外側でy方向電流密度が大きくなっていることがわかる。第1層では、はく離部Bを避けた渦電流が流れるため、図6(A)の渦電流分布は、はく離部Bがある方向に伸長していることがわかる。
この図から、磁界偏差ΔHとはく離部Bの中心座標xdの関係は磁界検出位置Xpによって大きく異なる。図7で磁界偏差ΔHyが最も大きくなるのは磁界検出位置Xp=20mmではく離部Bの中心座標xd=10mmの場合である。すなわち、励磁コイル12の中心から20mm離れた位置の磁界を測定するように検出コイル14を配置した渦電流センサを用いると、励磁コイル12と検出コイル14の間にはく離部Bがある場合に大きな信号変化が得られることになる。
励磁コイル12と検出コイル14の軸間距離dを大きくし過ぎた場合(例えば、検出距離p=35mm)も磁界偏差ΔHyの大きさは小さくなってしまい、はく離部Bに対する感度が低下する。以上の結果から、適切な磁界検出位置Xpを選択することで層間はく離に対する検出感度を向上できることが示された。
励磁コイル12と検出コイル14の軸間距離dを変えることで層間はく離の検出感度が変わるかを検証する実験を行った。
試験体1は8層のCFRP直交積層板であり、積層構成は[02/902]sである。図8(B)に示すように、0°方向にx軸,90°方向にy軸,厚さ方向にz軸を定義した。試験体1のサイズは長さ200mm,幅200mmである。この試験体1はプリプレグ(T700SC/2592)を積層し、プレス成形により作製した。
第1試験体1Aと第2試験体1Bは、それぞれ10mm×10mm、20mm×20mmのはく離部Bを有する。はく離部Bは積層板の第2層と第3層の0°−90°層間に厚さ50μmのポリイミドフィルムを積層時に挿入することで模擬した。このはく離部Bは積層板のxy平面内中央に挿入した。
第3試験体1Cは、積層板の端部にはく離部Bを有する試験片である。この端部のはく離部Bは積層板のy軸に平行な辺の中央にフィルムを挿入することで模擬した。このはく離部Bのサイズは40mm×40mmであり、フィルムは第2層と第3層の間に挿入した。
この図は、63mm×63mmの領域における発生交流電圧VoutのRMS値の分布を示している。なお、図中の斜線領域はサンプル内のはく離部Bである。また、図中の各座標は、検出コイル14の中心位置に相当する。
また、実線で囲む領域はRMS値の大きい部分、破線で囲む領域はRMS値の小さい部分を示し、それぞれ線の太さで大きさを示している。
この図の記載内容は、図9と同じである。
この図から、はく離部Bのみ検出信号が周囲よりも高い値をとっており、はく離の有無を特定可能である。従って、CFRP表面から6層目と7層目の深さにあるはく離も検出可能であることが示された。
この図から、はく離位置において発生交流電圧VoutのRMS値が低下した領域が見られ、はく離領域をより明瞭に特定可能である。図12から、埋没はく離だけでなく端部のはく離部Bも渦電流探傷試験により検出可能であることが示された。
また、本発明により高い検出感度で炭素繊維強化プラスチック板1の層間はく離を検出することができる、ことが実施例により確認された。
d,d1,d2,d3 軸間距離、e リフトオフ(隙間)、
Hy y方向磁界分布、ΔHy 磁界偏差、p 検出距離、
Vin 励磁交流電圧、Vout 発生交流電圧、
xd 中心座標、Xp 磁界検出位置、
1 試験体(CFRP板)2 表面、
10 層間はく離検出装置、12 励磁コイル、14 検出コイル、
16 渦電流プローブ、18 発生電圧検出装置、
20 画像処理装置(コンピュータ)、22 コイル間隔調整装置
Claims (7)
- 第1軸心を有する励磁コイルと、第2軸心を有する検出コイルと、
前記第1軸心に対し前記第2軸心を平行に位置決めして前記励磁コイルと前記検出コイルを保持し、かつ炭素繊維強化プラスチック板の表面に対し前記第1軸心と前記第2軸心を含む平面を平行に位置決めする渦電流プローブと、
前記励磁コイルに励磁交流電圧を印加して前記検出コイルに発生する発生交流電圧を検出する発生電圧検出装置と、を備えた層間はく離検出装置。 - 前記渦電流プローブは、前記励磁コイルと前記検出コイルの軸間距離を変更するコイル間隔調整装置を有する、請求項1に記載の層間はく離検出装置。
- 前記励磁コイルから異なる軸間距離を有する複数の前記検出コイルを備える、請求項1に記載の層間はく離検出装置。
- 前記励磁コイル又は前記検出コイルは、正方形タンジェンシャルコイルである、請求項1に記載の層間はく離検出装置。
- 第1軸心を有する励磁コイルと、第2軸心を有する検出コイルと、を準備し、
前記第1軸心に対し前記第2軸心を平行に位置決めして前記励磁コイルと前記検出コイルを保持し、かつ炭素繊維強化プラスチック板の表面に対し前記第1軸心と前記第2軸心を含む平面を平行に位置決めし、
前記励磁コイルに励磁交流電圧を印加して前記検出コイルに発生する発生交流電圧を検出する、層間はく離検出方法。 - 前記励磁コイルと前記検出コイルを軸間距離を保持したまま移動して、前記表面における前記発生交流電圧のRMS値の分布を検出し、
前記RMS値の特異箇所から層間はく離を検出する、請求項5に記載の層間はく離検出方法。 - 前記炭素繊維強化プラスチック板の積層構成に応じて、前記励磁コイルと前記検出コイルの軸間距離を変更する、請求項5に記載の層間はく離検出方法。
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