JP5880733B2

JP5880733B2 - 超音波疲労試験機および超音波疲労試験方法

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Publication number: JP5880733B2
Application number: JP2014550875A
Authority: JP
Inventors: 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN104736990B; JPWO2014087538A1; US20150226634A1; WO2014087538A1; US9588009B2; CN104736990A

Description

この発明は、超音波により試験片を共振させて疲労試験を行う超音波疲労試験機および超音波疲労試験方法に関する。

従来より、超音波を利用して試験片に振動を与え、金属材料などの疲労寿命を評価する超音波疲労試験が知られている。このような超音波疲労試験では、例えば、２０ｋＨｚの正弦波振動に試験片を共振させることにより、試験片に繰り返し応力を負荷している。

一方、超音波疲労試験では、高周波の繰り返し荷重を試験片に与えるため、材料の内部発熱による試験片の温度上昇が問題となる。このため、試験中に試験片近傍の温度を計測し、その温度が所定の値以上となったときに、液体窒素を吹き付けて試験片を冷却する超音波疲労試験機が提案されている（特許文献１参照）。

また、試験片の内部発熱を抑えるために、超音波振動を試験片に与える加振と休止を周期的に繰り返す、いわゆる間欠運転を行う超音波疲労試験機が提案されている（特許文献２参照）。

実開昭６２−１２８３５０号公報特開２００７−１７２８８号公報

ところで、超音波疲労試験において間欠運転を行う場合には、試験片の温度上昇を、材料に応じた許容できる範囲よりも低く抑えつつ、同じ回数の振動を試験片に与えるのを短時間で行うことができるように、試験片に超音波振動を負荷する加振時間と、試験片の冷却のために加振を一時的に停止させる休止時間とを、適切に調整する必要がある。

一方、超音波振動に起因した試験片内部の発熱量は、試験片を振動させる応力負荷の違いにより変動する。また、試験片内部の発熱量は、試験片に同じ応力負荷を与えても、試験片の材質や表面処理などの違いによって変動する。さらに、試験片の温度上昇を抑えるために、間欠運転と冷却空気の吹き付けによる冷却とを組み合わせた場合には、試験片に対する冷却空気の吹き付け方向や冷却空気の温度によって、試験片の冷却速度が変動する。

特許文献１に記載の超音波疲労試験機は、試験片の温度を計測しているが、この試験片の温度は、試験片の表面から発せられる熱により変動する試験片近傍の温度（表面温度）を計測しているものであり、試験片内部の温度を計測しているわけではない。このため、試験片の表面温度は下がっていても、試験片内部の温度は依然として高い状態であることがある。

さらに、従来のこの種の超音波疲労試験機による試験では、間欠運転を、試験者が試行錯誤により決めた加振と休止の周期に従って行っているが、この間欠運転のための加振と休止の最適なタイミングを求める作業は、試験者にとっては手間のかかる作業である。また、試験者が手間をかけて決定した加振と休止のタイミングは、必ずしも最適なタイミングではないことがある。ここでの最適なタイミングとは、試験片の発熱量を疲労試験において許容できる温度上昇よりも低く抑えつつ、同じ回数の振動を試験片に与える場合に、試験時間がもっとも短くなる加振と休止の繰り返しのタイミングである。そして、このような最適なタイミングで試験片への加振と休止が行えなかった場合には、疲労試験そのものが失敗に終わることもある。このように従来のこの種の超音波疲労試験機では、試験片の種類や試験内容などによって変動する試験中の試験片内部の温度を考慮して、予め間欠運転のための加振と休止のタイミングを、適切に設定することは困難であった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、間欠運転における加振時間と休止時間を、試験中に適切に調整することが可能な超音波疲労試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、高周波を発生させる電気信号を出力する発振器と、前記発振器からの電気信号を受けて振動する超音波振動子と、先端に試験片が取り付けられ、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して前記試験片に伝達するホーンと、前記ホーンに固定される端部とは逆側となる前記試験片の自由端の端面から、所定の距離だけ離隔した位置に配置され、前記試験片の端面までの距離を計測する変位計と、を備え、前記試験片への加振と休止を繰り返す間欠運転により疲労試験を行う超音波疲労試験機であって、前記変位計が計測した、前記変位計から前記試験片の端面までの距離の変化量から、超音波振動に起因した材料の内部発熱による前記試験片の内部温度を推定する内部温度推定部を有し、前記内部温度推定部により推定した前記試験片の内部温度に基づいて、前記発振器からの信号出力の開始と停止を制御する制御部を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記内部温度推定部は、前記試験片の内部温度を試験片材料の線膨張係数を利用して推定する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、試験中において許容できる前記試験片の内部温度の上昇に対応する前記変化量の最大許容量と最小許容量とを設定する許容範囲設定部と、前記試験片が加振されているときは、前記変化量が最大許容量より大きいか否かを判定し、前記試験片への加振が休止されているときは、前記変化量が最小許容量よりも小さいか否かを判定する判定部と、を有し、前記試験片が加振されているときに前記判定部が、前記変化量が最大許容量より大きいと判定したときは、前記発振器からの信号出力を停止し、前記試験片への加振が休止されているときに前記判定部が、前記変化量が最小許容量よりも小さいと判定したときは、前記発振器からの信号出力を開始する。

請求項４に記載の発明は、高周波を発生させる電気信号を出力する発振器と、前記発振器からの電気信号を受けて振動する超音波振動子と、先端に試験片が取り付けられ、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して前記試験片に伝達するホーンと、前記ホーンに固定される端部とは逆側となる前記試験片の自由端の端面から、所定の距離だけ離隔した位置に配置され、前記試験片の端面までの距離を計測する変位計と、を備える超音波材料試験機において、前記試験片への加振と休止を繰り返す間欠運転により疲労試験を行う超音波疲労試験方法であって、前記変位計が計測した、前記変位計から前記試験片の端面までの距離の変化量から、超音波振動に起因した材料の内部発熱による前記試験片の内部温度を推定する内部温度推定工程と、試験中において許容できる前記試験片の内部温度の上昇に対応する前記変化量の最大許容量と最小許容量とを設定する許容範囲工程と、前記試験片が加振されているときは、前記変化量が最大許容量より大きいか否かを判定し、前記試験片への加振が休止されているときは、前記変化量が最小許容量よりも小さいか否かを判定する判定工程と、を備え、前記試験片が加振されているときに前記判定工程において、前記変化量が最大許容量より大きいと判定されたときは、前記発振器からの信号出力を停止し、前記試験片への加振が休止されているときに前記判定工程において、前記変化量が最小許容量よりも小さいと判定されたときは、前記発振器からの信号出力を開始することを特徴とする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、試験中の試験片の変位量に相当する変位計から試験片の端面までの距離の変化量から試験片内部の発熱量を推定することから、試験片の内部温度に応じて、間欠運転における加振時間と休止時間を、試験中に適切に調整することが可能となる。したがって、超音波疲労試験を適切に実行することが可能となる。

請求項３および請求項４に記載の発明によれば、試験片の内部温度の上昇に対応する試験片の変位量の最大許容量と最小許容量とを設定する許容範囲設定部（許容範囲設定工程）と、試験片が加振されているときは、変位量が最大許容量より大きいか否かを判定し、試験片への加振が休止されているときは、変位量が最小許容量よりも小さいか否かを判定する判定部（判定工程）を備えることから、試験中の試験片の発熱を疲労試験において許容できる範囲内に収まるようにコントロールすることができ、疲労試験をより適切に実行することが可能となる。

この発明の超音波疲労試験機の主要な構成を示す概要図である。間欠運転による疲労試験中の端面ギャップｄの計測結果を示すグラフである。図２における矩形部分ａの拡大図である。図３における矩形部分ｂの拡大図である。この発明の超音波疲労試験機における間欠運転の手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明の超音波疲労試験機の主要な構成を示す概要図である。

この超音波疲労試験機は、超音波により試験片Ｓを共振させて疲労試験を行うものであり、超音波発生部１０と、変位計測部２０と、この超音波疲労試験機の全体の動作を制御する制御部３０とから構成される。

超音波発生部１０は、超音波振動子１１とホーン１２からなる振動部１３と、超音波振動子１１を振動させる信号を作成する発振器１５とを有する。発振器１５は、制御部３０において設定された試験周波数に基づいて電気信号を作成する。超音波振動子１１は、発振器１５より出力された電気信号により駆動し、超音波振動を発生する。超音波振動は、ホーン１２により増幅され、ホーン１２の先端に取り付けられた試験片Ｓに伝達される。すなわち、超音波振動子１１を振動させることにより、ホーン１２の先端に固定された試験片Ｓに繰り返し応力が負荷される。

変位計測部２０は、ホーン１２の先端に連結された試験片Ｓの変位を計測する変位計２１と、変位計２１の検出値をアナログ信号からデジタル信号に変換して制御部３０に送信する変換器２２とを有する。変位計２１は、ホーン１２に固定される側とは逆側となる試験片Ｓの自由端側の端面から、所定の距離だけ離れた位置に配置される。この変位計２１は、非接触により試験片Ｓの端面までの距離を計測する渦電流式変位計である。なお、この明細書では、変位計２１と試験片Ｓの端面との間の距離を、端面ギャップｄと呼称する。また、変位計２１が計測した端面ギャップｄの値は、変換器２２を介して制御部３０に入力される。なお、端面ギャップｄの変化量は、試験片Ｓの変位量でもある。

制御部３０は、プログラムや各種データを格納可能なＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶装置と、ＣＰＵなどの演算装置とを備えたコンピュータにより構成され、この発明の制御手段として機能する。制御部３０には、表示部３７と入力部３６が接続される。入力部３６は、試験条件の変更などのオペレータによる操作を受け付ける。表示部３７は、試験条件や試験中の試験片Ｓの変位などを表示する。また、制御部３０は、主要な機能的構成として、内部温度推定部３１と、許容範囲設定部３２と、判定部３３とを備える。

内部温度推定部３１は、試験片Ｓの変位量から試験片Ｓの内部温度変化量を推定する。この試験片Ｓの内部温度変化量の推定においては、各材料において既に知られている線膨張係数を利用する。線膨張係数は、１℃の温度上昇による単位長さあたりの伸び変化率である。したがって、変位計２１により計測された端面ギャップｄの変化量から、試験片Ｓの長さと線膨張係数を利用して、試験片Ｓの内部温度変化量を推定できる。なお、試験片Ｓの内部温度変化量の推定のための計算に用いられる試験片Ｓの長さの値は、試験片Ｓの形状や応力が集中する領域の長さに応じて決められる。また、この内部温度推定部３１において、試験片Ｓの変位量に相当する端面ギャップｄの変化量と線膨張係数を利用した計算によって推定された試験片内部の温度変化は、必要に応じて表示部３７に表示される。

許容範囲設定部３２は、試験中に、超音波による加振を一時的に停止する（休止）基準となる端面ギャップｄの変化量の最大許容量と、超音波による加振を休止したのちに、加振を再開する基準となる端面ギャップｄの変化量の最小許容量とを設定する。

端面ギャップｄの変化量の最大許容量と、最小許容量の設定についてより詳細に説明する。図２から図４は、間欠運転による疲労試験中の端面ギャップｄの計測結果を示すグラフである。グラフの縦軸は、端面ギャップｄの検出値（μｍ）であり、横軸は時間である。また、図３は、図２における矩形部分ａの縦横の比率を変えた拡大図であり、図４は、図３における矩形部分ｂの縦横の比率を変えた拡大図である。

端面ギャップｄは、図２に示すように、試験片Ｓが加振されているときは、変位計２１により計測される端面ギャップｄの値が大きく変動し、加振が休止されると、端面ギャップｄの変動幅は小さくなる。

端面ギャップｄの変化量を求めるための基準となる基準端面ギャップｄｉを、試験片Ｓをホーン１２に取り付け、加振を開始する前に計測して決めておく。基準端面ギャップｄｉは、試験片Ｓを加振する前の変位計２１と試験片Ｓの端面との距離である。試験片Ｓが一旦加振されると、端面ギャップｄの値は、図４に波形で示すように、振動によって変動する。このため、変位計２１の検出波形における各周期の波高の中心位置Ｍを試験片Ｓの端面位置として、変位計２１から試験片Ｓの端面までの距離である端面ギャップｄを求める。なお、図２および図３においては、波形の周期が横軸のスケールに対して極めて短いため、波形の集合の外形を示している。

図３に示すように、上述した端面ギャップｄの変化量の最大許容量Δｄｍａｘは、加振による試験片内部の温度上昇の最大変化に対応する試験片Ｓの変位量であって、基準端面ギャップｄｉと、その時の変位計２１の検出波形における波高の中心位置Ｍまでの距離として求められた端面ギャップｄとの差Δｄである。試験片Ｓが加振されているときは、試験片Ｓの発熱により試験片Ｓが伸びるため、端面ギャップｄの値は、基準端面ギャップｄｉの値よりも小さくなる（短くなる）方向に、時間の経過に伴ってシフトする（図２および図３参照）。

また、図３に示すように、端面ギャップｄの変化量の最小許容量Δｄｍｉｎは、加振休止により試験片内部の温度が、加振を再開可能なレベルにまで下降したと判断できる試験片Ｓの変位量であって、基準端面ギャップｄｉと、その時の変位計２１の検出波形における波高の中心位置Ｍまでの距離として求められた端面ギャップｄとの差Δｄである。試験片Ｓへの加振が停止され、試験片Ｓの内部温度が下がってくると、試験片Ｓの発熱による伸びが元に戻ろうとするため、端面ギャップｄの値は、試験片Ｓが加振されていたときの端面ギャップｄの値よりも大きくなる（長くなる）方向に、時間の経過に伴ってシフトする（図２参照）。すなわち、端面ギャップｄの変化量の最小許容量Δｄｍｉｎは、試験片Ｓの発熱が納まったことで、試験片Ｓの伸びが加振前の状態に近づいたとすることができる、試験片Ｓの変位量である。

この超音波疲労試験機では、内部温度推定部３１において、試験片Ｓの内部温度変化量を、線膨張係数を利用して求めている。したがって、許容範囲設定部３２においても、オペレータが入力部３６を用いて入力した加振を停止すべき温度と、加振を再開可能な温度と、線膨張係数とから、変位量の最大許容量Δｄｍａｘと最小許容量Δｄｍｉｎを算出している。

再度、図１を参照して説明する。判定部３３は、試験片Ｓが加振されているときは、基準端面ギャップｄｉと端面ギャップｄとの差である変化量Δｄが、許容範囲設定部３２において設定された最大許容量Δｄｍａｘよりも大きいか否かを判定する。また判定部３３は、試験片Ｓへの加振が休止されているときには、基準端面ギャップｄｉと端面ギャップｄとの差である変化量Δｄが、許容範囲設定部３２において設定された最小許容量Δｄｍｉｎよりも小さいか否かを判定する。この判定部３３における判定結果に基づいて、制御部３０は、発振器１５から超音波振動子１１への信号出力のオン／オフを制御する。

このような構成を備える超音波疲労試験機において、試験片Ｓへの加振と加振の停止を繰り返しながら試験片内部の温度上昇を抑制する間欠運転による超音波疲労試験を実行するときの動作について説明する。図５は、この発明の超音波疲労試験機における間欠運転の手順を示すフローチャートである。

超音波疲労試験を間欠運転で行うときには、まず、試験片Ｓを加振する前に、変位計２１と試験片Ｓの端面との間の距離の基準値となる、基準端面ギャップｄｉを計測する（ステップＳ１）。しかる後、発振器１５から、制御部３０で設定されている試験周波数に応じた超音波振動子１１の駆動電圧が出力され、試験片Ｓが加振される（ステップＳ２）。

試験中には、変位計２１による端面ギャップｄの計測が継続して実行される。なお、この時の端面ギャップｄは、上述したように、変位計２１の検出波形における波高の中心位置Ｍを試験片Ｓの端面位置とした、変位計２１から試験片Ｓの端面までの距離である。そして、試験片Ｓを加振する前に計測された基準端面ギャップｄｉと、端面ギャップｄとの差が、変化量Δｄとして計算される（ステップＳ３）。

ステップＳ３において算出された変化量Δｄは、最大許容量Δｄｍａｘと比較される（ステップＳ４）。変化量Δｄが最大許容量Δｄｍａｘより小さいときは、試験を終了させる信号の入力がない状態すなわち終了フラグ＝０の場合に（ステップＳ５）、加振が継続される。そして、逐次入力される端面ギャップｄの計測値に対する変化量Δｄの計算と、変化量Δｄが最大許容量Δｄｍａｘより小さいか否かの判定が繰り返し行われる（ステップＳ３、Ｓ４）。なお、試験を終了させる信号とは、タイマーなどを利用して、予め設定された加振時間の総時間が経過したときに発生させる信号や、試験片Ｓの破断を検出したときの検出信号である。

さらに、ステップＳ５において、試験を終了させる信号の入力があり、終了フラグが１になった場合は、制御部３０からの指令により、発振器１５から超音波振動子１１への信号出力がオフにされ、加振を停止した後に（ステップＳ９）、試験を終了する。

変化量Δｄが最大許容量Δｄｍａｘより大きいときは（ステップＳ４）、制御部３０からの指令により、発振器１５から超音波振動子１１への信号出力がオフにされ、加振を停止する（ステップＳ６）。加振が休止されている間においても、基準端面ギャップｄｉと、端面ギャップｄとの差である変化量Δｄの計算が行われ（ステップＳ７）、このとき算出された変化量Δｄは、最小許容量Δｄｍｉｎと比較される（ステップＳ８）。変化量Δｄが最小許容量Δｄｍｉｎより大きいときは、加振休止状態を維持したまま、逐次入力される端面ギャップｄの計測値に対する変化量Δｄの計算と、変化量Δｄと最小許容量Δｄｍｉｎとの比較が繰り返し行われる（ステップＳ７、Ｓ８）。

変化量Δｄが最小許容量Δｄｍｉｎより小さいときは（ステップＳ８）、制御部３０からの指令により、発振器１５から超音波振動子１１への信号出力がオンにされ、加振を再開する（ステップＳ２）。上述したステップＳ４およびステップＳ８の各工程は、制御部３０の判定部３３において実行される。このような判定部３３の機能により、この実施形態では、試験中の加振時間と休止時間を、自動的に調整することが可能となる。

この実施形態では、試験中には、計算された変化量Δｄが最大許容量Δｄｍａｘを超えた直後のタイミングで加振を停止させることで、試験片Ｓの内部温度が、その材料の疲労試験において許容できる温度を超えないようにすることができる。また、加振を一旦停止させた後には、変化量Δｄが最小許容量Δｄｍｉｎより小さくなったタイミングでの加振を再開することから、不必要に長い試験片Ｓの冷却時間を取る必要がない。すなわち、適切なタイミングで試験片Ｓへの加振の実行と加振の休止を行うことができ、超音波疲労試験にかかる試験時間を短縮することが可能となる。

また、上述した実施形態では、ステップＳ８において、変化量Δｄが最小許容量Δｄｍｉｎより小さいときは、ステップＳ２に戻るようにしているが、ステップＳ１まで戻るようにしてもよい。すなわち、各加振サイクル（１の連続加振時間）の直前に、変位計２１から試験片Ｓの端面までの距離を計測し、その値を基準端面ギャップｄｉとすることで、それまでに試験片Ｓが受けた応力による塑性変形分の変位量を、次の加振サイクルでの加振による変化量Δｄから除くことができる。これにより、さらに正確に試験片Ｓの温度上昇量を推定することができる。

１０超音波発生部
１１超音波振動子
１２ホーン
１３振動部
１５発振器
２０変位計測部
２１変位計
２２変換器
３０制御部
３１内部温度推定部
３２許容範囲設定部
３３判定部
３６入力部
３７表示部
Ｓ試験片

Claims

高周波を発生させる電気信号を出力する発振器と、
前記発振器からの電気信号を受けて振動する超音波振動子と、
先端に試験片が取り付けられ、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して前記試験片に伝達するホーンと、
前記ホーンに固定される端部とは逆側となる前記試験片の自由端の端面から、所定の距離だけ離隔した位置に配置され、前記試験片の端面までの距離を計測する変位計と、
を備え、
前記試験片への加振と休止を繰り返す間欠運転により疲労試験を行う超音波疲労試験機であって、
前記変位計が計測した、前記変位計から前記試験片の端面までの距離の変化量から、超音波振動に起因した材料の内部発熱による前記試験片の内部温度を推定する内部温度推定部を有し、前記内部温度推定部により推定した前記試験片の内部温度に基づいて、前記発振器からの信号出力の開始と停止を制御する制御部を備えることを特徴とする超音波疲労試験機。
請求項１に記載の超音波疲労試験機において、
前記内部温度推定部は、前記試験片の内部温度を試験片材料の線膨張係数を利用して推定する超音波疲労試験機。
請求項１に記載の超音波疲労試験機において、
前記制御部は、
試験中において許容できる前記試験片の内部温度の上昇に対応する前記変化量の最大許容量と最小許容量とを設定する許容範囲設定部と、
前記試験片が加振されているときは、前記変化量が最大許容量より大きいか否かを判定し、前記試験片への加振が休止されているときは、前記変化量が最小許容量よりも小さいか否かを判定する判定部と、を有し、
前記試験片が加振されているときに前記判定部が、前記変化量が最大許容量より大きいと判定したときは、前記発振器からの信号出力を停止し、前記試験片への加振が休止されているときに前記判定部が、前記変化量が最小許容量よりも小さいと判定したときは、前記発振器からの信号出力を開始する超音波疲労試験機。
高周波を発生させる電気信号を出力する発振器と、前記発振器からの電気信号を受けて振動する超音波振動子と、先端に試験片が取り付けられ、前記超音波振動子からの超音波振動を増幅して前記試験片に伝達するホーンと、前記ホーンに固定される端部とは逆側となる前記試験片の自由端の端面から、所定の距離だけ離隔した位置に配置され、前記試験片の端面までの距離を計測する変位計と、を備える超音波材料試験機において、前記試験片への加振と休止を繰り返す間欠運転により疲労試験を行う超音波疲労試験方法であって、
前記変位計が計測した、前記変位計から前記試験片の端面までの距離の変化量から、超音波振動に起因した材料の内部発熱による前記試験片の内部温度を推定する内部温度推定工程と、
試験中において許容できる前記試験片の内部温度の上昇に対応する前記変化量の最大許容量と最小許容量とを設定する許容範囲工程と、
前記試験片が加振されているときは、前記変化量が最大許容量より大きいか否かを判定し、前記試験片への加振が休止されているときは、前記変化量が最小許容量よりも小さいか否かを判定する判定工程と、
を備え、
前記試験片が加振されているときに前記判定工程において、前記変化量が最大許容量より大きいと判定されたときは、前記発振器からの信号出力を停止し、前記試験片への加振が休止されているときに前記判定工程において、前記変化量が最小許容量よりも小さいと判定されたときは、前記発振器からの信号出力を開始することを特徴とする超音波疲労試験方法。