JPH03154857A - 非破壊検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、構造部材、と（に金属材料及び複合材料の欠
陥や損傷を非破壊検査する方法の改良に関する。

［従来の技術］ 物体中に存在するき裂、欠陥あるいは損傷を非破壊的に
検出し、その位置、形状および寸法を測定することは、
構造物の安全性評価を行ううえで重要である。現在まで
に、欠陥あるいは損傷の検出に用いられている非破壊検
査手法としては、超音波法、Ｘ線法など様々なものがあ
る。しかしながら、実構造物中の欠陥および損傷を精度
よく測定することは、構造物中に発生・伝播する損傷は
複雑な形状を呈していること、構造物をとりまく環境あ
るいは寸法的限界のため稼働状態にある構造物に適用で
きる手法が限られること、などの理由により必ずしも容
品ではない。このため、検査対象に応じてそれに適した
特性を有する検査手法が相補的に用いられているのが現
状であり、構造物中の欠陥・損傷をより高精度に１ｌｌ
ｌｌ定できる非破壊検査手法の開発が要求されている。

さらに、最近、構造物には従来の金属材料に代わる軽量
かつ高強度な複合材料が多用されるようになってきてお
り、複合材料中の欠陥および損傷を精度よ＜　ａｌｌＪ
定できる非破壊検査手法の開発が急務となっている。超
音波法など従来から用いられている非破壊検査手法を複
合材料に適用することも多く試みられている。しかし、
複合材料は異種材料の積層あるいは混合など、これまで
の材料にない構造的異方性を呈しているため、その破壊
形態は複雑であり、複合材料中の損傷を精度よく測定す
ることは難しく１．複合材料中の損傷の′非破壊検査に
適用できる決定的な手法は１．これまでのところ開発さ
れていない。

［発明が解決しようとする技術的ａｌＸａｇ１本発明の
目的は、金属材料のみならず複合材料中の欠陥および損
傷を精度よ（測定、検出する非破壊検査方法を提供する
ことである。

［課題を解決する手段］ 本発明方法は、物体中に欠陥あるいは損傷が存在すると
、それらの影響を受けて物体に形成される温度場が炎化
することを利用するものであり、特に、欠陥・損傷の高
感度検出には、短時間のパルス状熱負面の下での非定常
温度場の変化の検出が極めて有効であるという本発明者
が見出した新しい知見に基づくものである。

すなわち、本発明は検査対象とする金属材料や複合材料
などの構造部材に、直流、交流などのパルス状電流の通
電、或いはパルス状レーザ光の照射等による瞬間的な熱
負荷を与え、この時の非定常熱伝導による部材表面の温
度分布、特に非定常特異温度場を測定し、これを基に欠
陥（特に亀裂状欠陥）或いは損傷を検出して、その位置
、形状および寸法の同定をおこなうものである。

本発明検査方法を実施するためのシステムとして、材料
を瞬時加熱するための加熱装置、材料表面の温゛度分布
測定を行う赤外線サーモグラフィ、及び温度分布データ
を逆問題数値解析処理し、損傷を同定・グラフィック表
示する小型コンピュータをオンラインで接続した測定シ
ステムが挙げられる。

Ｃ発明の具体例Ｊ 第１図に示すような欠陥あるいは損傷１１を含む部材１
２へ本発明方法を適用した例を示す。部材１２にパルス
状熱負荷を与える方法としては、パルス状のレーザ光を
物体に照射する方法、物体にパルス状の電流を供給して
ジュール熱により加熱する方法などが考えられる。ここ
では、−例として、パルス電流供給電源装置１３からパ
ルス電流負荷を与えて瞬時加熱する方法を用いた損傷同
定を示す。この方法は、金属材料および炭素繊維強化腹
合材料など、導電性材料に対して適用が可能であり、比
較的簡単な装置に・より効°果的に物体を瞬時加熱でき
る方法である。Ｔ４１図に示すように、安定化電源をコ
ンピュータ１４で制御することにより、パルス状の電流
を供給する。測定対象が積層構造を有する複合材料など
の場合には、電流を供給する層を様々に変えることによ
り、物体に異なった温度場を作ることができ、これら□
を総合することにより高精度な損傷同定が可能になる。

物体表面の温度分布の測定には、赤外線カメラ１５及び
赤外線サーモグラフィ１６を用いるー。赤外線サーモグ
ラフィは短時間の熱伝導現象にも対応できる高速かつ高
精度な温度測定が＝１能である。

赤外線サーモグラフィ１６をコンピュータ１４と接続す
ることにより、パルス電流供給電源装置１３との同期に
よる温度分糸？１Ｉ１１定、および温度分布データのオ
ンライン処理を行う。

温度分布データの処理については、物体表面の温度分布
を赤外線サーモグラフィにより可視化・画像処理し、パ
ルス状熱負荷を与えてからの変化の状態を観察するだけ
でも、物体中の欠陥・損傷の検出を行うことが十分に可
能であり、これが本発明方法の基本的システムとなる。

さらに進んだ欠陥・損傷の定量的評価を行うためには、
物体表面の温度分布データから損傷を同定するプロセス
に、逆問題解析のアプローチを導入する。すなわち、様
々なパルス状熱負荷のもとで測定された非定常温度分布
に関する多量のデータを、コンピュータによる逆問題数
値解析により処理することにより、物体中の欠陥・損傷
の位置、形状および寸法を定量的に測定する。逆問題解
析手法としては、最も現実的な方法として、様々な熱負
荷およびｔｊｉＣ５に対する温度分布のデータベースを
白“限要素計算などにより作成し、実際に測定された温
度分布をこれと比較することにより、欠陥・損傷の定量
評価を行う方法力（有効である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、物体表面の非定常温度分布に基づく非
破壊検査ができるとともに、従来の方法では測定が困難
であった複合材料中の欠陥・損傷の定量評価に対しても
適用可能である。すなわち、（１）本測定法は、検査環
境に左右されず、複雑な形状を有する実構造物の非破壊
検査にも適用でき、構造物中の欠陥・損°傷のその場観
察およびリアルタイムモニタリングが可能である。

（ｔｌ）本測定法は、金属材料などの均質材料のみなら
ず、複合材料にも適用が可能であり、複合材料特有の損
傷、例えば剥離損傷などの評価にも有用である。

（Ｉｉｌ）本測定法は、被ＩＰ１定物を赤外線サーモグ
ラフィの測定範囲内に捉えることが可能な限り、基本的
にいかなる寸法の測定対象、例えば、電子部品などの極
めて小さなものから、航空機、プラント施設など大きな
構造物に至るまで、適用できる。特に、複合材料を多用
する傾向にある航空宇宙関連分野における、有効な非破
壊検査方法となる。また、材料の強度評価のために実験
室レベルで行われる種々の材料強度試験の際にも、試験
片中の損傷の進展をリアルタイムに評価できるａｌ定方
法として有効である。

［実施例］ 以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ 非定常温度分布を用いた二次元き裂同定ｉ）１定対象　
測定の対象としたのは、第２図に示すよう゛なステンレ
ス鋼の薄板試験片中の二次元中央き裂である。第２図に
示したように試験片の両端に取り付けた圧着端子を通じ
て、パルス状の直流電流を供給した時のジュール熱に起
因する、試験片表面の非定常温度場をもとに、き裂の同
定を行った。図中、数値は寸法（關）を、英記号は試験
片の位置を示す。

数値シミュレーション　き裂の存在が、パルス電流によ
るジュール熱の発生、およびそれによる非定常温度場に
及ぼす影響を調べるため、有限要素法による数値シミュ
レーションを行った。問題の対象性より、第２図に影を
つけた４分の１領域ＡＢＣＤについて解析を行った。解
析方法を以下（こ示す。

非定常熱伝導方程式は、二次元問題で等方均質を仮定し
た場合、次式により与えられる。

ｐｃ　　（ａＴ／ａｔ）−２１（ａ２　Ｔ／ａｘ’）＋
　　（９２Ｔ／ａ　　ｙ２　））　　＋Ｑ　　　　（１
）ここで、ρは密度、Ｃは比熱、λは熱伝導率、Ｔは温
度、Ｑは単位体積あたりの発熱率である。ジュール熱の
場合の発熱率Ｑは、ポテンシャルφおよび導電率ｋを用
いて、次式のように表される。

Ｑ＝ｋ　　（（ａ　φ／ａＸ）”　　＋　　（ａ　φ／
ａｙ）　　２　）（２） そこで、まず、電気ポテンシャル問題を解くことにより
、領域内におけるジュール熱による発熱率分布を計算し
、つぎに、この発熱率分布をもとに、非定常熱伝導問題
を解くことにより、領域内の非定常温度分布を求めた。

電気ポテンシャル問題、非定常熱伝導問題ともに、有限
要素法の定式化にはＧａ１ｃｒｋｌｎ法を用い、三角形
−次要素による離散化を行った。また、非定常問題の時
間的離散化には、Ｃｒａｎｋ−Ｎｉｃｏｌｓｏｎの差分
式を用いた。

解析の境界条件としては、電気ポテンシャル問題では、
ＣＤ上でφ−２００ＩｌｌＶ、ＡＢ上ノリカメント部分
でφ−ＯｍＶの電気ポテンシャル値を与え、それ以外の
部分は自由境界とした。非定常熱伝導問題では、ＣＤ上
で温度拘束条件Ｔ−０℃を与え、それ以外を断熱境界と
した。また、初期温度は領域内のいたるところで、Ｔ−
０℃とした。

以下に、解析結果（き裂付近（第２図のＡＢＦＥ）の温
度分布のみ）を示す。まず、定常状態における温度分布
を表す等混線を第３図に示す。図中の矢印は、き裂先端
の位置を、ΔＴは、等温線間の温度差を表す。図より、
き裂が存在する部分、特にリガメント部分が高温になっ
ていることがわかるが、これだけではき裂先端の位置を
同定することは困難である。一方、非定常温度分布の解
析結果として、ａ？１！開始からの等混線の時間的変化
を第４図に示す。この図より、通電開始直後からき裂先
端部分に局所的な温度上昇が見られ、時間の経過ととも
に周囲に熱が拡散している様子がわかる。この状態は、
き裂先端に集中発熱源が存在している場合とよく似てお
り、この点熱源の位置を求めることにより、き裂先端の
位置の同定が可能である。

実験結果　第２図に示した二次元中央き裂試験片に、Ｉ
ＯＡの直流電流を約１秒間供給した時のジュール熱発生
による非定常温度分布を、赤外線サーモグラフィ　（日
本アビオニクスＴＶＳ−３３００）を用いて測定した。

まず、定常状態における温度分布を第５図に示す。これ
をＴ＆３図に示した解析結果と比較すると、温度分布の
傾向に違いが見られる。これは、二次元問題の解析では
試験片表面および端面からの熱伝達を考慮していないた
めであると考えられる。

次に、通電開始からの非定常温度分布を第６図に示す。

この結果は、前述の数値シミュレーションで得られた非
定常温度分布とよく一致している。

すなわち、；ａ電開始直後からき裂先端部を中心とする
局所的な温度上昇が見られ、そこから周囲に熱が拡散し
ている。したがって、パルス電流負荷直後の発熱の集中
部位を、サーモグラフィの熱画像をもとに同定すること
により、き裂先端の位置を同定することが可能である。

以上のことから、パルス電流負荷時の温度分布をもとに
したき裂同定においては、き−裂による非定常温度場の
特異性すなわち集中発熱源を検出することが有効である
ことがわかる。

実施例２ 非定常温度分布を用いた三次元き裂同定パルス電流負荷
時の、き裂による非定常温度場の特異性を利用した欠陥
検出法を、三次元表面き裂同定に適用した。第７図に示
すような厚さ６Ｉｌｌ１１のステンレス鋼板中に存在す
る、複数表面き裂の同定を行った。第７図に示したよう
に、試験片の中央に深さ４．５鰭の表面き裂を２個、放
電加工により入れた。図中、数値は寸法（關）を示す。

試験片を第７図に示したように磁気粉末探傷用の電流供
給装置の電極にはさみ・、試験片端部から電流を供給し
た。供給電流を２　ｋＡ、通電時間を１秒間とし、通電
開始からの試験片表面（き裂開口側表面およびき裂背面
）の非定常温度分布を赤外線サーモグラフィを用いて観
察し−た。

まず、き裂開口側表面の温度分布の変化を第８図に示す
。図よりわかるように、前述の二次元き裂の場合と同様
に、き裂の先端部分において局所的な温度上昇が見られ
、これをもとにき裂の位置およ、び表面長さを同定する
ことが可能である。次に、き裂背面の温度分布の変化を
第９図に示す。

裏面では、表面き・裂の最深部を中心とする局所的な温
度上昇が見られ、これをもとにき裂の存在の検出が６１
能であり、その位置を同定することも可能である。さら
に、熱拡散の状態および温度上昇率の定量的なデータが
得られれば、実験的あるいは数値解析的な較正関係をも
とに逆問題的評価を行うことにより、き裂の表面長さお
よび深さを同定できる可能性がある。

実施例３ 炭・素繊維系複合材料の剥離損傷検出への適用前述のパ
ルス電流負荷による非定常温度分布を用いた損傷検出法
は、金属材料だけではなく、ＣＦ　ＲＰ’などの導電性
を有する炭素繊維系複合材料に対しても・適用可能であ
る。とくに、ｙ１合材料の場合、積層構造による異方性
を利用することにより、特定の層内あるいは層間といっ
た様々な電流供給方法による加熱が可能である。したが
って、加熱方法・を′適宜選択することによ、す、繊維
破断によるき裂や切欠きの□み′ならず、産金材料の重
要な破壊形態である層間・剥離の検出にも適し゛た損傷
評価法が開発できる。そこで、本実験例では、ＣＦＲＰ
試験片（エポキシ系、０−９０”積層）に通電した時の
非定常温度分布をもとに、試験片中の剥離損傷の同定を
試みた。

ＣＦＲＰ試験片の両端に電極を取付け、パルス状の電流
を供給した。試験片には、第１層と２層の間にテフロン
シートを挟むことにより、剥離損錫が入れられている。

電流を供給した直後に得られた、試験片表面の温度分布
を第１０図に示す。

通電直後から、試験片はジュール熱により加熱されるが
、−瞬、図中に示した剥離損傷部位の付近において、温
度が低温になる部分が生じた。剥離損傷と非定常温度分
布の関係については、数値解析などによる検証が必要で
あるが、少なくとも非定常温度分布をもとに剥離損傷を
同定できることを示している。この方法では、発熱およ
び熱拡散の速い現象の中での一瞬の温度変化を捉えるこ
とが必要であるが、近時開発されている温度分布データ
の高速サンプリングが可能な赤外線サーモグラフィを用
いることにより、本発明方法により剥離損傷を同定でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための装置の組合せの１
例を示す図、第２図は実施例１での測定対象及び電流供
給方法を示す図、第３図は定常状態における温度分布の
有限要素解析結果を示す図、第４図は非定常温度分布の
有限要素解析結果を示す図、第５図は定常状態における
温度分布のｎ１定結果を示す図、第６図（ａ）〜第６図
（ｃ）は非定常温度分布の温室結果を示す図、第７図は
実施例２でのΔき１定対象及び電流供給方法を示す図、
第８図（ａ）〜第８図（ｃ）は非定常温度分布のｎ１定
結果（き裂開口側表面）を示す図、第９図（ａ）〜第９
図（ｃ）は非定常温度分布の測定結果（き裂背面）を示
す図、第１０図（ａ）及び第１０図（ｂ）は実施例３で
の複合材料試験片の非定常温度分布を示す図である。 １１・・・欠陥あるいは損傷、１２・・・検査対象であ
る構造部材、１３・・・パルス電流供給電源装置、１４
・・・コンピュータ、１５・・・赤外線カメラ、】６・
・・赤外線サーモグラフィ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）検査対象である構造部材に、パルス状熱負荷を与
   え、このパルス状熱負荷の下での非定常温度場の変化を
   測定し、この測定値の分布にもとづいて前記構造部材の
   欠陥及び／又は損傷を検出する非破壊検査方法。
2. （２）パルス状熱負荷の供給は、パルス状電流を流して
   おこなう請求項１に記載の非破壊検査方法。
3. （３）パルス状熱負荷の下での非定常特異温度場を測定
   して、構造部材の亀裂状欠陥を検出する請求項１または
   ２に記載の非破壊検査方法。