JP3361895B2 - 溶接ベローズ用薄板の疲労試験方法 - Google Patents
溶接ベローズ用薄板の疲労試験方法Info
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Description
薄板の繰り返し荷重による疲労試験を行うのに有用な試
験方法に関する。 【0002】 【従来の技術】現行の疲労試験は、通常、試験片に種々
の繰り返し応力を与えて、この試験片に疲労破壊が生じ
る間での繰り返し数を求めるといった方法で行われる。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、溶接ベローズ
に用いる薄板材の疲労試験においては、小さな荷重でも
歪量が大きく異なってくるため、極めて小さな荷重や変
位量を制御する必要があり、このような従来の疲労試験
方法によって試験を行うことは困難である。また、従来
は、疲労による亀裂(破壊)の発生は、目視による確認
しか確認の方法がなく、繰り返し数の正確な計測が困難
であり、しかも試験に長時間を要していた。 【0004】本発明は、上記のような事情のもとになさ
れたもので、その技術的課題とするところは、短時間で
疲労データを得ると共に、試験片の亀裂発生を目視によ
らずに確実に把握するための溶接ベローズ用薄板の疲労
試験方法を提供することにある。 【0005】 【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、
本発明によって有効に解決することができる。すなわち
本発明による溶接ベローズ用薄板の疲労試験方法は、溶
接ベローズに用いる薄板の繰り返し荷重による疲労度を
検出する疲労試験方法であって、前記薄板よりなる試験
片の一端を片持ち支持してその固有振動数での振動を与
えて共振させ、疲労進行に伴う前記試験片の振幅の変化
を計測し、計測される振幅が初期値の約93%に減少し
た時点をもって亀裂発生寿命とすることを特徴とするも
のである。 【0006】 【作用】すなわち本発明においては、溶接ベローズ用薄
板よりなる試験片に振動を与え、その加振周波数を変化
させて共振点を検出することにより固有振動数を求め、
この固有振動数で振動を与えて試験片を共振させること
により、振動変位による試験片の応力集中部分に繰り返
し応力を継続的に与えると、この部分の疲労の発生及び
進行と共に剛性が低下し、これによって固有振動数が変
化して前記加振周波数(共振点)からずれ、振幅が初期
値の約93%に減少した時点でクラックが板厚方向に貫
通する。 【0007】 【実施例】図1は、本発明に係る疲労試験装置の好まし
い一実施例の概略構成を示すもので、参照符号1は、薄
板状の試験片100の一端101を片持ち支持する片持
ち支持手段としてのチャック部材、2はディジタル式発
振器21と、この発振器21から出力される電気振動を
増幅する増幅器22と、この増幅器22を介して与えら
れる電気振動を機械的振動に変換するスピーカ23から
なる加振手段で、前記チャック部材1はこのスピーカ2
3のコーン(振動板)に取着されている。3はレーザに
よる変位センサで、光源からレーザビームLBを前記試
験片100の自由端近傍へ向けて出射する光源部と、こ
の試験片100の表面で反射したレーザ反射光を受光し
て光電変換し、受光位置に対応した位置座標データを出
力する受光部とからなり、すなわち、片持ち支持された
試験片100が振動を与えられて反復的に傾斜変位され
ることによって、レーザ反射光の受光位置が反復的に変
化するため、この受光位置データから、振幅を計測する
ことができるものである。4はパーソナルコンピュータ
で、前記発振器21の発振周波数を制御する周波数制御
手段と、前記変位センサ3からA/Dコンバータ31を
介して与えられる計測データから試験片100の振動変
位による応力を求める演算処理手段とを兼ねており、演
算処理結果を表示出力すると共にハードディスク等の外
部記憶手段に格納することができる。 【0008】以下に、上述の疲労試験装置を用いて実際
に行った疲労試験方法について説明する。この疲労試験
は、溶接ベローズに用いられる薄板を試験片100とし
て計測したものである。 【0009】ここで、上記溶接ベローズは、一般的には
オーステナイト系ステンレス鋼が、また高温高圧用には
ニッケル系合金が使用され、このような金属材料からな
る薄板を円環状(中央に孔のある円盤状)に成形し、成
形後、軸方向に互いに隣接配置したこれら複数の円環状
薄板の内径部と内径部、外径部と外径部を交互に溶接す
ることによって蛇腹状に製作され、例えば可動部におけ
る密封手段等として用いられるものである。すなわち、
この疲労試験で用いた試験片100は、高温高圧用の溶
接ベローズに用いられるニッケル系合金からなる薄板
を、ワイヤカットにより所定の形状・寸法に加工した
後、溶接ベローズの製作において行われるのと同様の洗
浄及び熱処理を施したもので、図2に示すように、短冊
状の金属薄板の一端101近傍における幅方向両側にノ
ッチ102が形成されたものであり、前記一端101を
チャック部材1によって掴み支持し、振動させることに
よって、前記ノッチ102が形成された狭小部103に
振動変位による応力を集中させるようにしてある。ま
た、変位センサ3のレーザビームLBは、自由端104
側の一点Pに当てられる。 【0010】上記疲労試験装置を用いた実際の疲労試験
においては、まず試験片100の一端101をスピーカ
23の前面のチャック部材1に片持ち支持し、一定周波
数f0で2秒間振動させて、その時の試験片100の自由
端近傍における所定位置の振幅を計測する。その後、加
振周波数を0.1Hz 単位で増加させながらそれぞれ2秒間
振動させ、その時の振幅を計測する。図3に示すよう
に、計測された振幅が最大になる周波数fnが、試験片1
00の固有振動数である。 【0011】次に、発振器21の発振周波数を上述の方
法で求められた固有振動数に合わせてスピーカ23から
チャック部材1を介して試験片100に振動を与え、こ
の試験片100を共振させる。また、増幅器22によっ
て、スピーカ23への出力電圧を変化させることによっ
て、試験片100に与える振幅を適宜に設定する。 【0012】図4は、試験実施中に継続的に計測された
試験片100の振幅の変化を示すものである。図中A
は、スピーカ23による加振振幅を大きく設定した場合
の例で、振動変位回数が 1.5×104 回付近からノッチ1
02による狭小部103での疲労亀裂の発生によって振
幅が急速に低下している。また、図中Bは、同一材料の
試験片100について、スピーカ23による加振振幅を
Aよりも小さく設定した場合の例で、振動変位回数が 1
×107 回に達した時点でも試験片100の振幅がほぼ一
定値を示しており、疲労亀裂が発生していないことが分
かる。 【0013】また、疲労亀裂が発生する過程を、ある振
動変位回数に達する毎に試験片100を取り外してノッ
チ102による狭小部103の表面を顕微鏡で観察した
ところ、振幅の低下が始まる振動変位回数付近でまず表
面に微小なクラックが現れ、次に複数のクラックが成長
すると共に互いにつながり、この時点では振幅が初期の
振幅の約93%に減少しており、更に振動変位回数を増や
していくと、クラックの開口部の幅が大きくなり、クラ
ックが板厚方向にも成長していることが確認された。こ
のように、試験片100の振幅の低下は、疲労亀裂の発
生状況と対応付けられ、すなわちクラックの発生と進展
によって、試験片100の応力集中部である狭小部10
3における実質的な断面積が低下して剛性を低下させ、
その結果固有振動数が加振周波数よりも低くなって、共
振のピークからずれることにより起こるものであること
が確認された。 【0014】したがって、この実施例の試験方法によれ
ば、振幅の変化を検出することにより、亀裂発生寿命を
特定することができる。特に、溶接ベローズに用いられ
る金属製薄板の場合、溶接ベローズは、その多くが軸封
装置やバルブ等における密封手段として用いられるの
で、溶接ベローズの寿命到来は完全に破断された時点で
はなく、クラックが板厚方向に貫通し、密封機能の健全
性を維持できなくなった時点と考えるべきである。この
点、上述のように、計測される振幅が初期値の約93%に
減少した時点では、試験片100の応力集中箇所の表面
のほぼ全面にわたって疲労亀裂が発生していることが観
察されるのであるから、この時点を溶接ベローズ用薄板
の寿命と考えられる。 【0015】ところで一般に、片持ち支持された梁に加
えた曲げモーメントと撓みの関係は次式により表され
る。 【数1】 但し、 y :撓み量(mm) x :試験片100の一端aからの距離(mm) M :曲げモーメント(N・mm) E :縦弾性係数(N/mm2 ) I :断面2次モーメント(mm4 ) である。幅b 、厚みh の板の断面2次モーメントは、 【数2】 であり、片持ち梁が曲率半径r のノッチを持つ場合は、
幅b は次式のように変化する。 【数3】 図2に示すように、試験片100の支持端からノッチ1
02の前記支持端側の端部までの x方向の長さをL0,ノ
ッチ102による狭小部103の x方向の長さをL1,ノ
ッチ102の自由端側の端部から自由端104までの x
方向の長さをL2として、自重により作用する分布荷重の
単位長さ当たりの力をそれぞれω0,ω1,ω2 とすると、
これによる曲げモーメントM は次式で表される。 【数4】 ここで、梁の密度をγとすると、ωは次式で与えられ
る。 【数5】 また、M1はノッチ部分の曲げモーメントで、ノッチ部分
の微小幅を bζとおくと次式で与えられる。 【数6】但し、η=x・L2とおいた。境界条件として、チャック部
材1による拘束位置(x=L0+L1+L2)において、y ,dy/dx
=0 とし、上記式(1) 〜(5) の連立微分方程式を解くこ
とで梁の撓み曲線が求められる。曲げ応力σは、 【数7】 であり、M は上記(4) 式で、b は上記(3) 式で求められ
る。以上の式から、梁の自重による変位量と応力が計算
できる。 【0016】試験片100を共振させた時の振動加速度
をα、変位センサ3の測定位置x1における変位量の片振
幅をυとすると、試験片100に発生する最大応力Smax
は、次式で与えられる。 【数8】 図5は、以上の式を用いて求められる試験片100の狭
小部103の曲げ応力値と、前記狭小部103に歪ゲー
ジを貼り付けて実際に応力を計測した測定応力値を重ね
てプロットしたものである。その結果、計算応力値と実
際の測定応力値は、僅かな誤差内でよく一致することが
確認された。したがって、共振させた試験片100の自
由端側の所定箇所の変位量(振幅)を計測することによ
って、応力を精度良く求めることができる。 【0017】なお、上述の実施例では、溶接ベローズ用
の薄板材を試験片として用いたが、加振手段に大出力の
ものを用いることによって、厚い板材等の疲労試験を行
うこともできる。 【0018】 【発明の効果】本発明によると、次のような効果が実現
される。すなわち、本発明の疲労試験方法は、溶接ベロ
ーズに用いる薄板の繰り返し荷重による疲労度を検出す
る疲労試験方法であって、前記薄板よりなる試験片の一
端を片持ち支持してその固有振動数での振動を与えて共
振させ、疲労進行に伴う前記試験片の振幅の変化を計測
し、計測される振幅が初期値の約93%に減少した時点
をもって亀裂発生寿命とすることにより、溶接ベローズ
用薄板としての寿命を知得することが可能となる。
略構成説明図である。 【図2】上記疲労試験装置による疲労試験のための試験
片を示す説明図である。 【図3】上記試験片の固有振動数を特定する方法を示す
説明図である。 【図4】上記疲労試験において継続的に計測された試験
片の振幅の変化を示す説明図である。 【図5】上記疲労試験装置で計測された試験片の振幅か
ら求めた計算応力値と、歪ゲージで実際に測定した応力
値を重ねてプロットした説明図である。 【符号の説明】 1 チャック部材(片持ち支持手段) 2 加振手段 21 発振器 23 スピーカ 3 レーザ式変位センサ(変位量計測手段) 4 パーソナルコンピュータ(周波数制御手段,演算処
理手段) 100 試験片 102 ノッチ
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 溶接ベローズに用いる薄板の繰り返し荷
重による疲労度を検出する疲労試験方法であって、 前記薄板よりなる試験片の一端を片持ち支持してその固
有振動数での 振動を与えて共振させ、疲労進行に伴う前
記試験片の振幅の変化を計測し、計測される振幅が初期
値の約93%に減少した時点をもって亀裂発生寿命とす
ることを特徴とする溶接ベローズ用薄板の疲労試験方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21068694A JP3361895B2 (ja) | 1994-08-12 | 1994-08-12 | 溶接ベローズ用薄板の疲労試験方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21068694A JP3361895B2 (ja) | 1994-08-12 | 1994-08-12 | 溶接ベローズ用薄板の疲労試験方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0854331A JPH0854331A (ja) | 1996-02-27 |
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Family
ID=16593431
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21068694A Expired - Lifetime JP3361895B2 (ja) | 1994-08-12 | 1994-08-12 | 溶接ベローズ用薄板の疲労試験方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP5556678B2 (ja) * | 2011-01-19 | 2014-07-23 | 株式会社Ihi | 疲労試験装置 |
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-
1994
- 1994-08-12 JP JP21068694A patent/JP3361895B2/ja not_active Expired - Lifetime
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