(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１材料と第２材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する方法であって、
飛翔板と第１材料と第２材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように、飛翔板と標的板とを形成するとともに、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させること、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算することを特徴とする結合力測定方法。
【請求項２】
第１材料と第２材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する装置であって、
飛翔板と第１材料と第２材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように形成した飛翔板及び標的板と、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させる飛翔手段と、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算する計測演算手段とを備えたことを特徴とする結合力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は結合力測定方法及び装置に関し、例えば、溶接部、溶射コーティング部、セラミックスと金属との結合部などの異材結合面の結合力を定量的に測定する場合に適用して有用なものである。また、溶接部の熱影響部や傾斜機能材料などの結合力測定にも有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、図７に示すように、３点曲げ試験により、コーティング材又はセラミック１０２の曲げ引張強度を測定し、これを母材１０１とコーティング材又はセラミック１０２の結合力としていた。或いは、母材１０１とコーティング材又はセラミック１０２とを、両側から引っ張ることなどによって、両者の結合力を測定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、真に必要な値は母材１０１とコーティング材又はセラミック１０２との結合力（剥離応力）であり、かかる結合力は上記従来の方法では決して正確に測ることはできなかった。
【０００４】
従って本発明は上記の問題点に鑑み、溶接部や溶射コーティング部等の異材結合面など、第１材料と第２材料の結合面の結合力（剥離応力）を直接的に精度よく測定することができる結合力測定方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の結合力測定方法は、第１材料と第２材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する方法であって、
飛翔板と第１材料と第２材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように、飛翔板と標的板とを形成するとともに、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させること、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の結合力測定装置は、第１材料と第２材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する装置であって、
飛翔板と第１材料と第２材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように形成した飛翔板及び標的板と、
飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させる飛翔手段と、
飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算する計測演算手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の実施の形態に係る結合力測定装置の構成図、図２は前記結合力測定装置に用いられる飛翔板と標的板の斜視図、図３は前記結合力測定装置の作用・効果を示す説明図である。
【０００９】
図１に示すように、図中左側には、飛翔手段としてガス銃又は火薬銃５が配置されており、この銃５によって、飛翔板１を、図示しない固定部に固定された供試板である標的板２に向けて高速（例えば毎秒数百メートルの速度）で発射することにより、飛翔板１の裏面１ｂと標的板２の表面２ａとを衝突させるようになっている。
【００１０】
図２に示すように、標的板２は母材３に溶射コーティングなどによってコーティング材４を結合してなる円盤状のものである。飛翔板１は標的板２の母材３と同一又はほぼ同一の材料からなる円盤状のものである。そして、飛翔板１と標的板２は、詳細は後述するが、飛翔板１と標的板２の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、標的板１と飛翔板２の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面（界面）２ｃで衝突するように形成されている。
【００１１】
また、図１に示すように、標的板２の図中右側には、飛翔板１を標的板２に衝突させたときの標的板裏面２ｂの速度（粒子速度）を連続的に計測して標的板結合面２ｃの結合力を演算するための計測演算手段として、レーザ速度干渉計（ＶＩＳＡＲ）６が配置されている。このレーザ速度干渉計６は公知のものであり、その原理は図示の通りである。
【００１２】
即ち、レーザ源１４から発振したレーザ光１６を、集光レンズ８で集光し反射鏡７で反射して標的板裏面２ｂに照射する。標的板裏面２ｂで反射したレーザ光１６は、反射鏡７で反射され集光レンズ９で集光されて透光板１０に入射する。透光板１０は半透過ミラーであり、この透光板１０ではレーザ光１６の一部１６ａは透過して直接透光板１７に入射する一方、レーザ光１６の他の一部１６ｂは反射されプリズム１２を介して透光板１１に入射する。そして、透光板１１ではレーザ光の一部１６ａと他の一部１６ｂとが干渉し、この干渉光１６ｃが光電変換器１３によって検出（光電変換）される。
【００１３】
光電変換器１３で検出された干渉光１６ｃの光強度をあらわすデータは演算装置１５に送られる。演算装置１５では、光電変換器１３から干渉光１６ｃの光強度データを入力し、その干渉紋の数から標的板裏面２ｂの粒子速度を求める。そして、演算装置１５では、この標的板裏面速度から粒子速度差ΔＵを求め（詳細後述）、この粒子速度差ΔＵに基づいて次式により標的板結合面２ｃの結合力σS を演算する。
【００１４】
σS ＝１／２（ρｃΔＵ）                                ・・・（１）
【００１５】
ここで、ρはコーティング材２の密度（コーティング材以外の材料である場合には当該材料の密度）であり、ｃはコーティング材２におけるスポール希薄波の伝播速度（コーティング材以外の材料である場合には当該材料におけるスポール希薄波の伝播速度）である。これらのρ，ｃの値は材料によって決まる値であり、予め演算装置１５に入力されている。
【００１６】
上記の結合力測定装置を用いた結合力測定の手順は、次の（１）〜（４）の通りである。
【００１７】
（１）飛翔板１と標的板２とを製作する。飛翔板１は、標的板２の母材３と同一又はほぼ同一の材料を用いて、直径１０φ程度、板厚２ｍｍ〜４ｍｍに形成する。このとき、飛翔板１を、その平面度と平行度とに注意して製作する。飛翔板１の板厚は最低でも１ｍｍ以上必要であり、且つ、５ｍｍ以下であることが望ましい。標的板の界面に剥離を発生させるためには、ある程度の作用時間が必要である。いま、金属の音速を５ｋｍ／ｓとすると、１ｍｍの板厚での作用時間Δｔは次の（２）式のようになるが、この程度の作用時間Δｔが必要である。
【００１８】
Δｔ＝（2 ×1mm)／(5km/s) ＝(2mm) ／(5×106mm/s)＝0.4 ×10-6s   （２）
【００１９】
標的板２は、直径１０φ程度、板厚４ｍｍ〜８ｍｍに形成する。このとき標的板２を、その平面度と平行度とに注意して製作する。また、このとき標的板２の母材３とコーティング材４との境界はあいまいであるので注意する必要がある。そして、標的板２の板厚は飛翔板１の板厚の２倍とし、且つ、標的板２の母材３とコーティング材４は同じ板厚とする。即ち、母材３とコーティング材４と飛翔板１は同じ板厚とする。
【００２０】
（２）標的板２を所定の衝突位置に固定する。
（３）銃５により、サボ付きの飛翔板１を、標的板２と平行に高速で発射して標的板２の母材３に平行に衝突させる、即ち、飛翔板裏面１ｂと標的板表面（母材側の面）２ａとを衝突させることにより、標的板結合面２ｃに界面剥離を発生させる。なお、サボ（sabot)とは、図示は省略するが、砲と弾（飛翔板）との隙間を埋めるために弾（飛翔板）に取り付けるものである。
【００２１】
（４）レーザ速度干渉計６により、飛翔板１を標的板２に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差ΔＵを求め、この粒子速度差ΔＵに基づいて上記（１）式により標的板結合面２ｃの結合力σS を演算して求める。
【００２２】
ここで、図３に基づいてことのきの状況を説明する。図３中の左側にｘ−ｔ線図（横軸ｘ：飛翔板及び標的板の板厚方向の座標、縦軸ｔ：時間）を示すように、飛翔板１が標的板２に衝突したとき、飛翔板１と標的板２の衝突面には、それぞれ応力波２１ａ，２２ｂが発生する。この応力波２１ａ，２２ａは圧縮波である。飛翔板側の圧縮波２１ａは、自由面である飛翔板裏面１ａで反射して引張波２１ｂになる。標的板側の圧縮波２２ａも、自由面である標的板裏面２ｂで反射して引張波２２ｂとなる。
【００２３】
これらの引張波２１ｂ，２２ｂは、標的板２の板厚が飛翔板１の板厚の２倍であり、且つ、標的板２の母材３とコーティング材４は同じ板厚であるため、標的板２の板厚方向中央に位置する標的板結合面（異材結合面）２ｃで衝突する。その結果、引張波２１ｂ，２２ｂによって、標的板結合面２ｃに界面剥離（クラック）２０が発生する。この界面剥離２０の発生現象は、界面剥離２０の影響によって生起する標的板裏面速度の変化（粒子速度差）として現れる。
【００２４】
即ち、飛翔板１を標的板２に衝突させたときの標的板裏面速度（粒子速度）は、図３中の右側に示す粒子速度線図（横軸ｕ：標的板裏面速度（粒子速度）、縦軸ｘ：時間）のようになる。この粒子速度線図は、図３中の左側のｘ−ｔ線図と対応させて概念的に示したものである。
【００２５】
同図に示すように、標的板結合面２ｃに生じた界面剥離２０の影響によって、標的板裏面速度ｕの当該部分には粒子速度差ΔＵが生じる。従って、レーザ速度干渉計６により、飛翔板１を標的板２に衝突させたときの標的板裏面速度ｕを連続的に計測すれば、この計測した標的板裏面速度ｕから粒子速度差ΔＵを求めることができ、この粒子速度差ΔＵに基づいて標的板結合面２ｃの結合力σS を演算することができるのである。
【００２６】
なお、図３の粒子速度線図における各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆについて詳述すると、点Ａは微小応力の大きさの弾性波が標的板裏面２ｂに到達した時間であり、点Ｂは弾性限の大きさの弾性波が標的板裏面２ｂに到達した時間である。点Ｃは最大応力の塑性波が標的板裏面２ｂに到達した時間をあらわし、点Ｄは飛翔板表面１ａからの希薄波が標的板裏面２ｂに到達した時間をあらわす。そして、点Ｅは標的板結合面２に生じたスポール破壊である界面剥離２０のために、飛翔板表面１ａからの希薄波が標的板裏面２ｂに到達しなくなり始める時間をあらわし、点Ｆは標的板結合面２ｃの界面剥離２０からの希薄波が標的板裏面２ｂに到達し始める時間をあらわす。このときに粒子速度差ΔＵが生ずる。
【００２７】
また、上記では標的板２の板厚を飛翔板１の板厚の２倍にし、且つ、標的板２の母材３とコーティング材４の板厚を同じにすることによって、引張波２１ｂ，２２ｂが標的板結合面２ｃで衝突するようにしているが、参考例としては、母材３の板厚を適宜変更しても、引張波２１ｂ，２２ｂを標的板結合面２ｃで衝突させることができる。
【００２８】
例えば、参考例の図４（ａ）には、飛翔板１とコーティング材４の板厚は同じにし、母材３の板厚は飛翔板１やコーティング材４の板厚よりも厚く（１．５倍）にした場合のｘ−ｔ線図を示し、参考例の図４（ｂ）には、飛翔板１とコーティング材４の板厚は同じにし、母材３の板厚は飛翔板１やコーティング材４の板厚よりも薄く（２／３倍）にした場合のｘ−ｔ線図を示すが、このような場合にも、引張波２１ｂ，２２ｂは標的板結合面２ｃで衝突する。つまり、両側の飛翔板１とコーティング材４の板厚を同じにすれば、中央の母材３の板厚は適宜変更しても、引張波２１ｂ，２２ｂを標的板結合面２ｃで衝突させることができる。
【００２９】
更に、図３、図４では飛翔板１と母材３とコーティング材４の応力波伝播速度が同じ場合について示しているが、参考例としては、これらの応力波伝播速度が異なる場合にも、それぞれの板厚を適宜設定することによって、引張波２１ｂ，２２ｂを標的板結合面２ｃで衝突させることができる。
【００３０】
例えば、参考例の図５（ａ）には、飛翔板１と母材３の応力波伝播速度は同じであるが、コーティング材４の応力波伝播速度は飛翔板１や母材３の応力波伝播速度よりも速い（２倍）場合のｘ−ｔ線図を示す。この場合には、図示のように飛翔板１の板厚をコーティング材４の板厚の１／２倍にすることによって、引張波２１ｂ，２２ｂを標的板結合面２ｃで衝突させることができる。なお、図示例では母材３とコーティング材４の板厚を同じにしているが、両者の板厚は異なっていてもよい。また、参考例の図５（ｂ）には、飛翔板１と母材３の応力波伝播速度は同じであるが、コーティング材４の応力波伝播速度は飛翔板１や母材３の応力波伝播速度よりも遅い（１／２倍）場合のｘ−ｔ線図を示す。この場合には、図示のように飛翔板１の板厚をコーティング材４の板厚の２倍にすることによって、引張波２１ｂ，２２ｂを標的板結合面２ｃで衝突させることができる。なお、図示例では飛翔板１と母材３の板厚を同じにしているが、両者の板厚は異なっていてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施の形態によれば、飛翔板１と母材３とコーティング材４を同じ板厚とし、飛翔板１と標的板２の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波２１ａ，２２ａが、飛翔板１と標的板２の自由面でそれぞれ反射して引張波２１ｂ，２２ｂとなり標的板結合面２ｃで衝突するように、飛翔板１と標的板２とを形成するとともに、銃５で飛翔板１を高速で飛翔させて標的板２に衝突させることにより、このときの標的板結合面２ｃで衝突する引張波２１ｂ，２２ｂによって標的板結合面２ｃに界面剥離２０を発生させるようにし、レーザ速度干渉計６により、飛翔板１を標的板２に衝突させたときの標的板裏面速度ｕを連続的に計測して、この計測した標的板裏面速度ｕから粒子速度差Ｕを求め、この粒子速度差Ｕに基づいて標的板結合面２ｃの結合力σSを演算するようにしたため、標的板結合面２ｃの結合力σSを直接的に精度よく測定することができる。また、この測定結果に基づいて、母材３とコーティング材４とが十分な結合力を有しているか否か等の評価を行うこともできる。
【００３２】
なお、図６には本発明の結合力測定方法を用いて、弁座当り面の材料などに用いられるステライトと、弁座の材料などに用いられるＳＵＳＦ３１６Ｌとの結合面の結合力の導出に成功したときの粒子速度線図（標的板裏面速度波形）を示す。同図に示すように標的板裏面速度ｕから粒子速度差ΔＵを求めることができ、この粒子速度差ΔＵに基づいて上記（１）式よりステライトとＳＵＳＦ３１６Ｌとの異材接合面の結合力σS を求めることができた。
【００３３】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態と共に具体的に説明したように、本発明の結合力測定方法は、第１材料と第２材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する方法であって、飛翔板と第１材料と第２材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように、飛翔板と標的板とを形成するとともに、飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させること、飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算することを特徴とする。
【００３４】
また、本発明の結合力測定装置は、第１材料と第２材料とを結合してなる標的板に対し、標的板結合面の結合力を測定する装置であって、飛翔板と第１材料と第２材料を同じ板厚とし、飛翔板と標的板の衝突面でそれぞれ発生する圧縮応力波が、飛翔板と標的板の自由面でそれぞれ反射して引張波となり標的板結合面で衝突するように形成した飛翔板及び標的板と、飛翔板を高速で飛翔させて標的板に衝突させることにより、このときの標的板結合面で衝突する引張波によって標的板結合面に界面剥離を発生させる飛翔手段と、飛翔板を標的板に衝突させたときの標的板裏面速度を連続的に計測し、この計測した標的板裏面速度から粒子速度差を求め、この粒子速度差に基づいて標的板結合面の結合力を演算する計測演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００３５】
このため、本発明の結合力測定方法及び装置によれば、標的板結合面の結合力（第１材料と第２材料の結合力）を直接的に精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る結合力測定装置の構成図である。
【図２】前記結合力測定装置に用いられる飛翔板と標的板の斜視図である。
【図３】前記結合力測定装置の作用・効果を示す説明図（ｘ−ｔ線図及び粒子速度線図）である。
【図４】標的板の母材の板厚が異なる場合のｘ−ｔ線図である。
【図５】標的板のコーティング材の応力波伝播速度が異なる場合のｘ−ｔ線図である。
【図６】本発明の結合力測定方法を用いてステライトとＳＵＳＦ３１６Ｌの結合力を求めたときの粒子速度線図である。
【図７】従来の３点曲げ試験法を示す説明図である。
【符号の説明】
１  飛翔板
１ａ  飛翔板表面
１ｂ  飛翔板裏面
２  標的板
２ａ  標的板表面
２ｂ  標的板裏面
２ｃ  標的板結合面
３  母材
４  コーティング材
５  ガス銃又は火薬銃
６  レーザ速度干渉計
７  反射鏡
８，９  集光レンズ
１０，１１  透光板
１２  プリズム
１３  光電変換器
１４  レーザ源
１５  演算装置
２１ａ，２２ａ  圧縮波
２１ｂ，２２ｂ  引張波
【図１】
0004215914.tif 000002
【図２】
0004215914.tif 000003
【図３】
0004215914.tif 000004
【図４】
0004215914.tif 000005
【図５】
0004215914.tif 000006
【図６】
0004215914.tif 000007
【図７】
0004215914.tif 000008