JP4160755B2 - 溶接されたアセンブリの弾性ひずみエネルギーを評価する方法、及び超音波表面波の速度を測定する分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、溶接されたアセンブリの弾性ひずみエネルギーを評価する方法、及び、この方法に応用可能な測定装置であって、超音波表面波の速度の測定に応用される装置に関する。
【０００２】
機械部品の弾性ひずみエネルギーは、それを破壊するのに必要なエネルギーである。それは、シャルピーマシンのような特殊器械の中で或る標準を守りながら、アセンブリを代表する試験片の上で実行される試験によって評価され得る。試験片の作製及びマシンの使用は制約的であること、及び応用する上でもっと容易な方法、特に弾性ひずみエネルギーを間接的に評価することができる非破壊的モニタリングが有利であることは明らかである。
【０００３】
弾性ひずみエネルギーを評価するそのような間接的な方法は、これまで設計されており、本発明の目的である。それは、超音波表面波を使用することに基づいており、部品の特殊なファミリー、即ち、溶接されたアセンブリ、具体的には、材料を付加することなく拡散又は類似の方法によって溶接された、幾分薄いシートの材料を、他のシート又はより厚い部品であってよい基板の上に有するアセンブリへ応用される。
【０００４】
通常、超音波試験は、分析される部品を液体の中へ沈めた後に実行される。超音波は、液体中で部品に向かって射出され、部品に達したとき、それによって反射又は吸収されることができる。或る好ましい入射角の場合、超音波は伝搬モードの変換を受け、浅い深さよりも浸透することなく部品の表面へ伝搬し、レイリー波と呼ばれる表面波を提供する。発明者の研究は、これらの表面波が、前述したアセンブリの溶接の品質に相関させられること、更に正確には、これらアセンブリ内で、これらの波の伝搬速度にリンクされたパラメータが、アセンブリの弾性ひずみエネルギーとの相関を有し、溶接は、その品質の関数として波の伝搬及びこのパラメータに影響を与えることを証明した。
【０００５】
本発明は、その最も一般的な形式では、基板上に金属シートを有する溶接されたアセンブリの弾性ひずみエネルギーを評価する方法である。この方法は、シート上に超音波表面波を生成し、前記波の速度を測定し、速度パラメータを推定し、相関関数に従ってアセンブリの弾性ひずみエネルギーを推定することから構成されることを特徴とする。この相関関数は、前もって、類似の溶接されたアセンブリを含む較正試験片の上で得られ、較正試験片の弾性ひずみエネルギーを較正試験片の速度パラメータに関連させる。
【０００６】
好ましくは、溶接されたアセンブリの上で、これらの波の２つの速度が、シートの異方性のためにシートの２つの主方向に沿って測定される。発明者らは、速度パラメータが、２つの速度の低い方から推定されるべきであると考える。このパラメータは、溶接されたアセンブリの金属シートの上で測定された超音波の速度と、金属薄板の母材から作られているが溶接されたアセンブリを有しない基準片の上で測定された超音波の速度との差であることができる。計算が行われる速度は同じ条件で測定されることが適切である。即ち、それらの速度は、溶接されたアセンブリの金属薄板の上、及び基準片の金属シートの上で、同じ測定方向を含むことが適切である。
【０００７】
本発明の他の態様は、この方法に応用可能な測定器械である。それは、部品の方向へ傾斜して向けられる超音波射出ヘッドを含んで部品上の超音波表面波の速度を測定する器械から構成され、部品から拡散された波の一部分を集めるか、前記一部分をエコーとして射出ヘッドへ戻すように定められた第２のヘッドを含み、第２のヘッドは、射出ヘッドの傾斜とは反対の傾斜で部品の方向へ向けられており、波の前記一部分を集めるか戻すため２つの作用面を含み、これらの作用面は部品から等距離で段階的に配列されていることを特徴とする。
【０００８】
有利には、それは、ヘッドの傾斜の調節を可能にするように設計されたフレーム、及びフレーム上のヘッド支持機構を含み、更に、作用面は平行軸及び同じ半径を有する円柱であることが推奨される。
【０００９】
本発明は、図面を参照して説明される。
【００１０】
使用される機械はフレーム１を含む。フレーム１は、固定点３を有する垂直懸架柱２、及び圧力ネジ６によって柱２の上の所定の場所に固定されることのできるスライド５を仲介として柱２へ連結された案内面４から構成されることができる。２つのポインタ７及び８は、案内面４の両側に置かれ、圧力ネジ９及び１０によって適所に保持されることができる。ポインタの各々は、１１及び１２として参照される測定ヘッドを有する。測定ヘッドの必須の要素は、第１の測定ヘッドでは超音波センサ１３であり、第２の測定ヘッドでは反射器１４である。ヘッド１１及び１２は、相互に対して平行で案内面４の方向に対して垂直な水平ピボット１５及び１６によってポインタ７及び８の上に取り付けられ、歯付きセクタ１７及び１８を備えている。セクタ１７及び１８は、ポインタ７及び８へ取り付けられたハンドル２１及び２２を調節することによって作動されるウォームネジ１９及び２０と係合するラックを形成し、従って、ヘッド１１及び１２は、選択された傾斜で相互に対向して設定されることができ、センサ１３及び反射器１４は、下降及び収束方向を指すことができる。ポインタ７及び８上のヘッド１１及び１２をブロックする他の固定ネジ２３及び２４は、所望の傾斜に達したとき、ポインタ７及び８に対する歯付きセクタ１７及び１８の望まれない回転を停止することを可能にする。最後に、スライド５の下に置かれたフライホイール４３は、案内面４を水平面で回転することを可能にする。
【００１１】
ここで図示された実施形態において、センサ１３は、当技術分野でしばしば行われるように、超音波を射出してエコーを集める役割を付与され、反射器１４は、これらのエコーを生成する役割を付与される。一方では、測定原理を修正することなく、後で説明するようにして、反射器１４を一対のセンサで置換することができる。
【００１２】
機械は、部分的に水で満たした測定タンク２５の上に張り出しており、センサ１３及び反射器１４は部分的に沈められ、使用される超音波が液体から出ないようになっている。機械によって調べられている部品は、溶接されたアセンブリ２６である。アセンブリ２６は、上部にあってセンサ１３及び反射器１４に対面している相当に薄い金属シート２７、及び他の金属シートであるか、より厚い部品であってよい基板２８から構成される。溶接されたアセンブリ２６は、タンク２５の底でブロック２９の上に置かれる。
【００１３】
センサ１３は、結果を表示するためのオシロスコープ３１及びパルス発生器３２を介して制御コンソール３０へ接続される。センサ１３は、超音波が金属シート２７へ達するように、水中で斜めに超音波を射出する。もしヘッド１１及び波の方向の傾斜角θが良好に選択されるならば（約３０゜）、波は、金属シート２７の上面及び浅い深さ部分に存在するレイリー表面波の形式で金属シート２７へ送られる。波は、シート２７が相当に薄いので、溶着部に達する。波はシート２７の端へ向かって進むが、一部分は、垂直線に対して波の入射方向と対称に、前述した値θに対応する角度で上方へ拡散される。
【００１４】
反射器１４は、プリズム３３及び３４から構成される。プリズムの下面３５及び３６は、金属シート２７の方向へ向けられ、超音波を反射する。もし、これらの表面が、表面波の上方への拡散方向に垂直であれば、このように拡散された波の部分は、プリズム３３及び３４によって、金属シート２７の方向へエコーとして戻され、戻りレイリー表面波を形成する。戻りレイリー表面波の部分は、同じ原理に従ってセンサ１３の方向へ拡散される。外出及び入来する波の通路は、全く同一である。従って、センサ１３は、反射面３５及び３６上の波の反射に対応する２つのエコーを登録し、これらのエコーは、波の部分がこれらの表面３５及び３６の方向へ拡散される金属シート２７の部分を隔てている距離Ｘの２倍（外出及び入来）を波が移動するのに必要な時間ｔだけ離れている。
【００１５】
２つのエコーは、オシロスコープ３１によって提供される記録の上で３７及び３８として参照され、図２に示される。それらのエコーは、類似しているので容易に識別できる。金属シート２７の端４０による波の反射によって作り出され、波が固体を通ってより大きな速度を有するため、前記のエコーの前にセンサ１３へ戻ることのできる他のエコー、例えば３９も見ることができるが、本方法に関連を有しない。
【００１６】
前述したような試験へ進んで、式Ｖ＝２Ｘ／ｔに従って金属シート２７内の表面波の伝搬速度を計算する前に、最も完全なモード変換を引き起こすことによってエコー３７及び３８を増大させるため、予備的な調整試験が、ヘッド１１及び１２の傾斜を調節することによって実行される。液体中の波の移動時間は考慮されない。なぜなら、反射面３５及び３６は、階段状にされ、金属シート２７から傾斜角θで実質的に同じ距離に置かれているからである。
【００１７】
実際には、もっと複雑な試験片、例えば、図３に示されるような試験片４１を使用して試行へ進むことができる。試験片４１は、金属シート２７に類似した金属シート２７’（即ち、同じ厚さ、同じ組成、及び同じ方法で作製されたもの）、組成において基板２８に類似した基板２８’、及び金属シート２７（又は２７’）の母材から形成された下部層４２から構成される。従って、下部層４２は、同じ組成を有し同じ方法で作製されているが、より厚く作製されている。下部層４２は、金属シート２７’とは反対側の基板２８’の表面へ溶接される。
【００１８】
溶接されたアセンブリ２６の代わりに機械の下に置かれた試験片４１は、金属シート２７’の２つの主方向、即ち、縦方向及び横方向で超音波表面波の速度Ｖｌ及びＶｔを測定し、次に、試験片４１を引っくり返した後に、下部層４２の対応する速度Ｖｌ０及びＶｔ０を測定することを可能にする。主方向は、金属シート２７’の圧延方向によって制御される。実際に、圧延は、金属シート内に異方性を作り出し、従って、ＶｌとＶｔとの間、又はＶｌ０とＶｔ０との間に、相当に目立つ差を作り出す。値Ｖｌ及びＶｔは、２７’と２８’との間に施された溶接によって影響を受け、値Ｖｌ０及びＶｔ０は、下部層４２の母材の固有特性を表す。下部層４２の厚さは、波が基板２８’との溶着部まで浸透するには大きすぎる。注意すべきは、基板２８’を下部層４２へ溶接することなく、これらの測定を実行できることである。その場合、溶接されたアセンブリ２６に加えて、別個に下部層４２を使用して、Ｖｌ０及びＶｔ０を計算する。
【００１９】
次に、各々の試験片４１について、Ｖｌ及びＶｔから最も低い速度を選択し、再びＶｌ０及びＶｔ０から最も低い速度を選択し、これらの最も低い値を相互から引き算し、パラメータΔＶを得る。パラメータΔＶは、金属シート２７’と基板２８’との間で溶接されたアセンブリの弾性ひずみエネルギーへ非常に良好に相関する。この弾性ひずみエネルギーは、シャルピーマシン又は他の適切なマシンによって実行される機械的試験によって測定される。これらの試験は、標準化され、通常の方法で実行されるので、ここで説明する必要はない。これらの機械的測定に使用される試験片は、Ｖｌ及びＶｔを測定した溶接されたアセンブリ２６と類似したものでなければならない。即ち、金属シート、基板、及びそれらの溶接条件は同じでなければならない。
【００２０】
図４は、前述したように定義される低速度の差ΔＶ（ｍ／ｓ）と、チタン合金金属シートの溶接された接合部における弾性ひずみエネルギーＲ（Ｊ／ｃｍ^２）との間に発見された線形相関を示す。
【００２１】
相関関数のために幾つかの点を得るための異なった溶接条件のもとで、試験片４１又は２６について行われた較正によって、相関関数が得られたとき、ΔＶが測定される他の試験片について、非破壊モニタリングが可能である。その場合、弾性ひずみエネルギーＲは、相関グラフから読み取られる。
【００２２】
最後に図５を参照して、機械の改良を説明する。それは反射を処理する第２のヘッド１２の改善された設計である。この改良設計では、プリズム３３及び３４が、平面ではなく円柱形の反射面３５’及び３６’を有するプリズム３３’及び３４’で置換される。反射面３５’及び３６’の軸はピボット１６と平行であり、反射面３５’及び３６’は同じ半径を有する。金属シート２７と、これらの反射面３５’及び３６’との間で拡散された波は、常に、傾斜角θで同じ方向へ戻される。これは、この修正された反射器の傾斜の調節を不要にする。
【００２３】
本発明の方法は、溶接されたアセンブリの幾つかの箇所で測定を実行して、その均一性を評価することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 使用される機械の略図である。
【図２】 測定記録を示す図である。
【図３】 基準片又は試験片を示す図である。
【図４】 得られた相関関数の実際の例を示す図である。
【図５】 機械の改良を示す図である。

Claims (8)

1. 基板（２８）上に金属シート（２７）を有する溶接されたアセンブリ（２６）の弾性ひずみエネルギーを評価する方法であって、
   金属シートの母材で作られた部品（４２）上で超音波表面波を生成する段階と、
   該部品上の超音波表面波の速度を測定する段階と、
   金属シート（２７）上で超音波表面波を生成する段階と、
   前記金属シート上の超音波表面波の速度を測定する段階と、
   溶接されたアセンブリの金属シート上の超音波表面波と、部品（４２）の上の超音波表面波の速度差から速度パラメータ（ΔＶ）を推定する段階と、
   類似の溶接されたアセンブリを含む試験片から既に得られた試験片の弾性ひずみエネルギーを試験片の速度パラメータへ関連させる相関関数に従って、アセンブリの弾性ひずみエネルギーを推定する段階とからなることを特徴とする方法。
2. 溶接されたアセンブリ（２６）上の前記超音波の２つの速度（Ｖｌ、Ｖｔ）を、金属シート（２７）の２つの主方向で測定することからなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 速度パラメータが、２つの速度の低い方から推定されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 速度差が、溶接されたアセンブリ上の２つの速度の低い方、及び金属シートの母材で作られた部品の２つの主方向で測定された２つの速度の低い方について計算されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 部品に向かって斜め方向の超音波表面波の射出ヘッドを含み、部品上で超音波表面波の速度を測定する装置であって、部品から拡散された超音波の一部分を集めるか、前記一部分をエコーとして射出ヘッドへ戻すように定められた第２のヘッド（１２）を含み、第２のヘッドは、射出ヘッドの傾斜とは反対の傾斜で部品の方向へ向けられており、また前記超音波の一部分を集めるか戻すために部品から等距離で段階的に配列された２つの作用面（３５、３６）を含むことを特徴とする装置。
6. ヘッドの傾斜を調節できるように設計されたフレーム、及びフレーム上のヘッドのための支持機構（４、１７、１８、１９、２０、２１、２２）を含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 作用面（３３’、３４’、３５’、３６’）が、平行な軸及び同じ半径を有する円柱形であることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
8. ヘッド（１１、１２）が、水平面で枢動するサポート（４、５、４３）に取り付けられたことを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の装置。

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