JP3317195B2 - 疲労き裂の検出方法 - Google Patents

疲労き裂の検出方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は鋼構造物などに発生
する疲労き裂を検出する方法、特に、磁歪効果(狭義に
は逆磁歪効果)によって生じる磁気異方性を利用して鋼
構造物などに作用している応力を測定する磁歪センサー
を用いて、疲労き裂の発生・進展を検出する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】鋼構造物や機械部品などの表面または表
面近傍に存在するき裂を、工業的な検査の目的で検出す
る方法としては、「目視検査」、「浸透探傷試験」、
「磁粉探傷試験」、「渦流探傷試験」などがある。
【0003】「目視検査」は、文字通り被測定物の外観
を肉眼で観察し被測定物の表面に開口しているき裂を検
出する方法である。
【0004】「浸透探傷試験」は、蛍光または赤色の浸
透液と呼ばれる薬液を被測定物の表面に塗布しき裂内部
に十分浸透させた後、表面に付着している余剰の薬液を
除去し、現像剤を用いてき裂部に浸透した薬液を吸出
し、被測定物表面上にき裂模様として顕出させ肉眼によ
ってき裂を検出する方法である。
【0005】「磁粉探傷試験」は、鋼のような強磁性体
の被測定物を外部から磁化しその表面に磁粉を散布する
と、表面または表面近傍にあるき裂から漏洩する磁束に
よりき裂部に磁粉が集中して吸着するので、その磁粉模
様からき裂を検出する方法である。
【0006】「渦流探傷試験」は、導電性の被測定物に
渦電流を発生させ、その渦電流の変化を測定してき裂を
検出する方法である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鋼構造
物や複雑な形状の機械部品などでは、繰り返し負荷され
る荷重により発生する疲労き裂の発生・進展の過程を精
査することが重要であるが、これらの方法では、ある程
度進展した後の比較的大きなき裂しか検出できない。
【0008】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、鋼構造物などに発生する疲労き裂の発
生・進展の過程を精査できる疲労き裂の検出方法を提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題は、励磁用コイ
ルを巻いたコの字型のヨークと検出用コイルを巻いたコ
の字型のヨークが互いにヨーク鞍部の中央部で直交する
ように配置され、前記励磁用コイルに交流電流を流して
被測定物を励磁し、前記検出用コイルに誘起される起電
力を測定して前記被測定物に作用している応力を求める
磁歪センサーを用い、前記磁歪センサーを前記被測定物
上で非接触に回転させ、前記検出用コイルに誘起される
起電力の波形を下記の式(1)で表したときに求まるパ
ラメータBとCの測定を、前記被測定物の定点上で経時
的に行い、パラメータBとCの変化量ΔBとΔCを求め
ることにより、き裂の発生・進展を判定することを特徴
とする疲労き裂の検出方法により解決される。 V=A+B・COS[2・(θ−C)]・・・(1) ここで、Vは前記検出用コイルに誘起される交流起電力
の整流値、θは前記検出用コイルを巻いたコの字型のヨ
ークの開口端を結ぶ直線と最大主応力方向のなす角、CO
S[2・(θ−C)]は余弦関数、A、B、Cはパラメータ
である。
【0010】以下に、本発明法を磁歪センサーの原理に
まで逆上って説明する。鉄鋼材料などの強磁性体に作用
している応力を測定する方法として、磁歪効果、すなわ
ち応力によって磁気的性質が変化する現象を利用した応
力測定方法がある。なかでも、磁歪効果によって生じる
磁気異方性を利用する応力測定方法は、鋼構造物や機械
部品に作用している応力を非破壊で、しかも比較的簡便
に測定できる方法として、特開昭62ー121325号
公報、実開平1ー135338号公報、特開平7ー11
0270号公報あるいは文献1〔境等:土木学会第50
回年次学術講演会予稿集、P662〜663(199
5.9)〕などに紹介されている。
【0011】図8に、磁歪効果によって生じる磁気異方
性を利用する応力測定方法の一例を示す。
【0012】この方法では、励磁用コイルを巻いたコの
字型のヨーク11と検出用コイルを巻いたコの字型のヨ
ーク12と励磁のための交流電源13と被測定物20を
流れる磁束を検出すための電圧計14から構成され、ヨ
ーク11とヨーク12が互いにヨーク鞍部の中央部で直
交するように配置された磁歪センサー1を用い、次のよ
うな原理で応力が測定される。
【0013】いま、被測定物20のX軸方向に引張応力
σX が作用すると、磁性材料である被測定物20のX、
Y軸方向の透磁率μX 、μY には、磁歪効果により下記
の式(2)の関係、すなわち磁気異方性が生じる。 μX >μY ・・・(2)
【0014】このような状態にある被測定物20に磁歪
センサー1を接近させ、この磁歪センサー1のヨーク1
1に巻かれた励磁用コイルに交流電源13より交流電流
を流して被測定物20を励磁すると、ヨーク11の開口
端11aから出た磁束の大部分は直接ヨーク11の開口
端11bへ向かうが、被測定物20には引張応力σX
より式(2)のような磁気異方性が生じているため、磁
束の一部はヨーク12を経由してヨーク11の開口端1
1bへ流れる。そのため、ヨーク12に巻かれた検出用
コイルに取付けられた電圧計14には下記の式(3)に
示す波形の起電力Vが誘起される。 V=M0 ・(μX −μY )・COS[2・(θ−π/4)]・・・(3) ここで、Vは検出用コイルに誘起される交流起電力の整
流値、M0 は励磁条件、コイルの条件、被測定物20の
磁気的特性などにより定まる定数、COS[2・(θ−π/
4)]は余弦関数、θはヨーク12の開口端12aと12
bを結ぶ直線とX軸のなす角である。
【0015】透磁率の差(μX −μY )は応力の差(σ
X −σY )に比例するので、式(3)は下記の式(4)
のように書換えできる。 V=M・(σX −σY )・COS[2・(θ−π/4)]・・・(4) ここで、Mは励磁条件、コイルの条件、被測定物20の
磁気的特性などにより定まる定数である。
【0016】式(4)より、Vを測定することにより被
測定物20に作用している応力を求めることができる。
【0017】上記磁歪センサーを鋼構造物や機械部品の
ような被測定物から一定の距離(リフトオフと呼ぶ)離
して回転させて、すなわちθを変えて磁歪センサーの検
出用コイルに誘起される起電力の波形を求め、その波形
を式(1)で表したときに求まるパラメータBとCの測
定を被測定物の定点上で経時的に行えば、以下の理由で
疲労き裂の発生・進展の過程を精査できる。すなわち、
式(1)と式(4)を対比すれば明らかように、パラメ
ータBは主応力差、すなわち被測定物の応力の大きさを
表し、パラメータCは主応力の方向を表しているので、
BとCから測定点の応力状態を知ることができる。した
がって、その経時変化を追って行けば、疲労き裂の発生
から進展にいたる過程を追跡できる。
【0018】実際には、疲労き裂の発生が予測される部
分、すなわち溶接部など残留応力が存在し、しかも応力
集中が生じるような部分において、複数の点でパラメー
タB、Cの追跡を行えば、鋼構造物や機械部品などの疲
労き裂の発生・進展を予知できることになる。
【0019】
【発明の実施の形態】図1に、本発明方法の実施の形態
を示すフロー図を示す。
【0020】最初に、被測定物上のき裂の発生しそうな
部分に複数の測定点を設定しておき、そのうちのある測
定点上に、例えば1mmのリフトオフで図8に示す磁歪
センサーを設置する(S1)。次に、磁歪センサーを回
転させ起電力を測定してその波形を求め、その波形を上
記の式(1)で表したときのパラメータB、Cを求める
(S3)。同様に、他の測定点におけるパラメータB、
Cも求める(S3)。
【0021】応力の大きさを表すパラメータBと主応力
方向を表すパラメータCが求まれば応力状態がわかるの
で、この様な測定を経時的に繰り返してパラメータB、
Cの変化量ΔB、ΔCを求めれば、き裂の発生・進展を
精査できる。
【0022】実際には、ある時点のある測定点における
ΔB、ΔCの値が、予め求めておいた許容値ΔB0 、Δ
0 を超えているかどうかをチェックして(S4)、き
裂の発生・進展の有無を自動的に判定する(5)。
【0023】
【実施例】図2に、鋼構造物の継手部をシミュレートし
た試験体の斜視図を示す。
【0024】この試験体は船舶の2重底や橋梁などに一
般的に見られる継手構造をシミュレートしており、隔壁
2に取り付けた垂直補剛材3が底板4に取り付けた縦骨
5の縦骨フランジ面5aに隅肉溶接(隅肉溶接部6)に
よって取り付けられている。なお、垂直補剛材3の端部
では角回し溶接(角回し溶接部6a)が行われている。
【0025】この試験体を用い、本発明法によるき裂の
発生・進展の検出方法の具体例を以下に示す。
【0026】この試験体では、隔壁2に面外変形が生じ
るような外力がある大きさで繰り返し作用すると、金属
疲労によって角回し溶接部6aに疲労き裂が発生するこ
とが予めわかっている。
【0027】図3に、図2の垂直補剛材に設定した縦骨
フランジ面との角回し溶接部近傍の測定点を示す。
【0028】まず、図3に示すような疲労き裂の発生が
予想される近傍に設定された複数の測定点7の1つの点
上に、1mmのリフトオフで磁歪センサーを設置し、磁
歪センサーを回転させて起電力を測定しその波形を求
め、その波形を上記の式(1)で表したときのパラメー
タB(主応力差)、C(主応力方向)を求める。
【0029】図4に、図3の測定点上で磁歪センサーを
回転させた時に得られる起電力の波形を示す。図には、
起電力の波形を上記(1)式で表したときのパラメータ
A、B、Cの値も示してある。
【0030】このようなパラメータB、Cの測定を他の
測定点7についても行い、疲労き裂の発生してない初期
応力状態を求める。
【0031】図5に、図3の角回し溶接部近傍における
疲労き裂の発生してない初期応力状態を示す。図で、矢
印の大きさが主応力差を、矢印の方向が主応力方向を表
している。
【0032】この初期応力状態は溶接時の残留応力によ
って形成される。いま、疲労き裂の発生が予想される角
回し溶接部6aに人為的にき裂8を入れ、同様な方法で
応力状態を測定した。
【0033】図6に、図3の角回し溶接部に溶接線に平
行にある長さのき裂を入れたときの応力状態を示す。
【0034】き裂8の発生により応力状態が変化してい
るので、経時的に応力状態の変化を追跡すればき裂の発
生を検出できる。
【0035】図7に、図6のき裂の長さを倍にしたとき
の応力状態を示す。き裂8の進展により応力状態が変化
しているので、経時的に応力状態の変化を追跡すればき
裂の進展を検出できる。
【0036】このようにき裂の発生・進展により応力状
態が変化するのは、き裂の発生・進展により部分的に応
力が解放され、新たな釣合い状態を保つように残留応力
が再配分されることによる。
【0037】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、鋼構造物などに発生する疲労き裂の発生・進
展の過程を精査できる疲労き裂の検出方法を提供でき
る。
【0038】なお、本発明法によれば、被測定物の表面
のみならず内部の疲労き裂の発生・進展も検出可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法の実施の形態を示すフロー図であ
る。
【図2】鋼構造物の継手部をシミュレートした試験体の
斜視図である。
【図3】図2の垂直補剛材に設定した縦骨フランジ面と
の角回し溶接部近傍の測定点を示す図である。
【図4】図3の測定点上で磁歪センサーを回転させた時
に得られる起電力の波形を示す図である。
【図5】図3の角回し溶接部近傍における疲労き裂の発
生してない初期応力状態を示す図である。
【図6】図3の角回し溶接部に溶接線に平行にある長さ
のき裂を入れたときの応力状態を示す図である。
【図7】図6のき裂の長さを倍にしたときの応力状態を
示す図である。
【図8】磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用する
応力測定方法の1例を示す図である。
【符号の説明】 1 磁歪センサー 2 隔壁 3 垂直補剛材 4 底板 5 縦骨 5a 縦骨フランジ面 6 隅肉溶接部 6a 角回し溶接部 7 測定点 8 き裂 11 励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク 11a ヨーク11の開口端 11b ヨーク11の開口端 12 検出用コイルを巻いたコの字型のヨーク 12a ヨーク12の開口端 12b ヨーク12の開口端 13 交流電源 14 電圧計 20 被測定物 30 磁束の流れる方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−46143(JP,A) 特開 平7−253365(JP,A) 特開 平6−265525(JP,A) 特開 平4−331392(JP,A) 特開 平5−281057(JP,A) 特開 平6−288842(JP,A) 特開 平7−110270(JP,A) 特開 平10−332643(JP,A) 特表 平8−508343(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/72 - 27/90 実用ファイル(PATOLIS) 特許ファイル(PATOLIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク
    と検出用コイルを巻いたコの字型のヨークが互いにヨー
    ク鞍部の中央部で直交するように配置され、前記励磁用
    コイルに交流電流を流して被測定物を励磁し、前記検出
    用コイルに誘起される起電力を測定して前記被測定物に
    作用している応力を求める磁歪センサーを用い、前記磁
    歪センサーを前記被測定物上で非接触に回転させ、前記
    検出用コイルに誘起される起電力の波形を下記の式
    (1)で表したときに求まるパラメータBとCの測定
    を、前記被測定物の定点上で経時的に行い、パラメータ
    BとCの変化量ΔBとΔCを求めることにより、き裂の
    発生・進展を判定することを特徴とする疲労き裂の検出
    方法。 V=A+B・COS[2・(θ−C)]・・・(1) ここで、 Vは前記検出用コイルに誘起される交流起電力の整流
    値、 θは前記検出用コイルを巻いたコの字型のヨークの開口
    端を結ぶ直線と最大主応力方向のなす角、 COS[2・(θ−C)]は余弦関数、 A、B、Cはパラメータである。
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