技術紹介

溶射型ひずみゲージの現場適用～溶接型溶射ひずみゲージの検討～
中野公貴 *1

Nakano Hiroki

尾﨑淳一 *2

Ozaki Junichi

さら

航空機エンジンや火力発電所など高温に曝される設備、機器ではクリープ損傷や疲労損傷などの懸念があり、ひずみ測定の需要は高い。高温環境下でのひずみ測定では、溶接型ひずみゲージや溶射型ひずみ（1）（2）ゲージなど、特殊なひずみゲージが用いられる場合が多い。前者は現場での施工が容易であるが、後者は設備の整ったラボで施工する必要があり、現場での施工は難しい。本稿では、高温ひずみ測定の有望な手法の一つとして、溶射型ひずみゲージの現場適用に向けた検討結果を紹介する。
キーワード：高温ひずみ、溶射、フリーフィラメントゲージ、ベースプレート

1. はじめに航 空 機 エ ン ジ ン や 火 力 発 電 所 の ボ イ ラ な ど、
350℃を超える高温環境において、ひずみを計測する場合、溶接型ひずみゲージや溶射型ひずみゲージなどが利用される。
溶接型ひずみゲージ（図 1）はゲージベースやセンシング部、ゲージリード部に金属が使用されており、完全密閉された構造となっている。この

図1

溶接型ひずみゲージ

図2

溶射型ひずみゲージ

ゲージベースは測定対象の金属面に対して、可搬式の抵抗スポット溶接機を用いて取付ける。したがって、電源が取れる現場であれば、どこでも容易に施工することができる。
とう

一方、より可撓性が求められる用途には溶射型ひずみゲージが用いられる。溶射型ひずみゲージ（図 2）は、フリーフィラメントゲージをセラミック溶射でコーティングしたセンシング部と金属で*1：計測事業部 計測技術部 福浦グループ 課長*2：株式会社 IHI 技術開発本部 基盤技術センター

材料・構造グループ—7—

IIC REVIEW/2022/10. No.68

覆われたゲージリードを使用した構造である。溶② Ni・Co 系金属のボンド層溶射：溶射ひずみ

射型ひずみゲージの施工には局所排気設備や、溶ゲージの接着層施工

射用ガス供給設備が整った溶射ブース内で測定対③ 酸化アルミニウム（セラミック）絶縁層溶射：象の金属面に直接溶射施工する必要があり、通フリーフィラメントゲージのベース施工（1）

常、現場での施工は困難である 。しかし小さく④ フリーフィラメントゲージ：ひずみ受感部

軽量かつ耐熱性、可撓性に優れているため、高温（グリッド）取付け環境における高速回転体のひずみ測定に適してお⑤ 酸化アルミニウム（セラミック）オーバーり、現場適用が強く望まれている。

コート溶射：フリーフィラメントゲージの固

本稿では、溶射型ひずみゲージの現場適用のた定とオーバーコート施工

め、抵抗スポット溶接機で取付けが可能となる金図 4 に今回試作した溶接型溶射ひずみゲージの属製ベースプレートをゲージベースとした現場施断面構造、図 5 に施工平面図を示す。ベースプ工タイプの「溶接型溶射ひずみゲージ」を試作し、レートのブラスト処理方法などに違いはあるが、施工方法の検討を実施した事例を紹介する。

基本的にはラボ施工の溶射型ひずみゲージの手順と変わらず、直接の溶射施工対象が計測対象の母2. 溶接型溶射ひずみゲージの試作材ではなく金属製ベースプレートになる。使用し一般的な溶射型ひずみゲージの断面構造を図 3たベースプレートの材質は耐熱性の高いインコネはくに示す。溶射型ひずみゲージは通常の箔 ひずみ

ル 600、板厚は t = 0.1mm および 0.2mm の 2 種類とゲージとは異なりゲージベースが無く、計測対象し、ベースプレートの外周には計測対象へ取付けの金属母材に対して直接溶射施工する。以下に溶るための抵抗スポット溶接用のスペースを確保し射施工手順を記す。

た。ゲージリードにはリード線の電気抵抗および① ブラスト処理：測定対象金属表面に対し、接温度変化を除去する f 1.0mm の 4 芯 MI ケーブル

着性および変形追従性を良くするための粗面を使用し、温度補正用の K 型熱電対も併せて溶射処理施工した。図 6 にフリーフィラメントゲージの取図3

一般的な溶射型ひずみゲージの断面構造

図4

溶接型溶射ひずみゲージの断面構造—8—

φ1.0ゲージリード (4芯MIケーブル)
ゲージグリッド部分
φ0.5 K型熱電対(MIケーブル)
MI固定シム板ゲージ部（溶射）:スポット溶接

図5:MI固定シム板取付けスポット溶接

溶接型溶射ひずみゲージの施工平面図

   図7

図6

セラミック溶射後

フリーフィラメントゲージ

付け、図 7 にセラミック溶射後、図 8 に溶接型溶射ひずみゲージの完成品を示す。
3. 静的・繰返し載荷試験
溶接型溶射ひずみゲージについて、静的載荷お

図8

溶接型溶射ひずみゲージ（完成品）

よび繰返し載荷試験を行い、ひずみ伝達特性、高温時の出力特性を確認した。

厚 0.1mm および 0.2mm）を有する溶接型溶射ひずみゲージを配置した（図 10）。

3.1 試験体・試験方法

この試験体を用いて、室温、300℃、650℃にお図 9 に示す試験片（材質：インコネル 600）の中央ける静的載荷および繰返し載荷試験を実施した。
表 1 に試験条件を示す。

付近に、ベースプレート（幅 8mm × 長さ 14mm、板—9—

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表1試験条件

静的載荷
試験温度
制御形態
負荷速度，波形繰返し数

繰返し載荷

室温，300℃，650℃ 室温，300℃，650℃
荷重制御

荷重制御

手動

0.002Hz，サイン波

1回(室温)または2回

110回

3.2 試験結果

図 9 試験体形状（上：ひずみゲージ貼付面、下：側面）

図 11 に静的載荷試験結果を示す。図の縦軸は試験荷重から算出される応力、横軸は計測されたひずみの値であり、試験材のヤング率を用いて求めた理論値を併記した。また、室温における試験では比較のため、一般的なひずみゲージ（箔ゲーt=0.1mm①ジ）による計測結果も示した。

t=0.2mm

室温での試験において、箔ゲージによるひずみ値は理論値と比べて約 10％低い値であったが、除荷時における傾きは理論値とおおむね一致していt=0.1mm②

た。一方、溶接型溶射ひずみゲージのひずみ値は



図 10理論値より約 25％低い値であった。このような差試験体への取付け状態（a）室温（b）300℃（c）650℃

図 11

静的載荷試験結果—10—が生じる理由として、ベースプレートを介して合は、ヒステリシスは見られないが、常温時と同ゲージ部に計測対象のひずみが伝達する複雑な構様 300℃では約 19％、650℃では約 14％、理論値

造であるため、ひずみが伝達過程で一部損失してに対して低いひずみ値を示しており、高温でもいる可能性が挙げられる。

ベースプレートの影響でひずみの損失が生じてい高温時（300℃および 650℃）においては、t = 0.2mmると考えられる。のベースプレートの応力ひずみ曲線にヒステリシ

図 12 に繰返し載荷試験結果を示す。各温度でスが確認された。t = 0.1mm のベースプレートの場の 1cycle 目と 100cycle 目の結果を比較すると、い（a）室温（b）300℃（c）650℃

図 12

繰返し載荷試験結果—

11—

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ずれの温度条件に対してもドリフトが発生してい一方、繰返し載荷試験においては応力変化に対る。しかし 100cycle に到達しても得られたひずみして得られるひずみ範囲（傾き）がおおむね安定し範囲については安定しており、それぞれのひずみていることから、動ひずみ測定に関しては現場適範囲（グラフの傾き）は繰返し回数に伴う大きな変用に対して有望である。

化は見られなかった。

5. おわりに

4. 溶接型溶射ひずみゲージの適用性について今回試作した溶接型溶射ひずみゲージに対し、溶接型溶射ひずみゲージを現場における高温ひ構造や評価方法についての課題を得ることができずみ測定に適用するためには、構造や評価においた。今後も高温環境下における新たな手法としてて改善の余地がある。具体的には、MI ケーブル固研究を行い、計測技術を向上させるとともに現場定部のシム板が 2 重構造かつスポット溶接により適用を目指す。

剛性が高くなっていると考えられ、またベースプ

参考文献

レート外周のスポット溶接とゲージグリッドの間に MI ケーブル固定部があるため、ひずみの伝達が（1） 三上隆男、松田昌悟：溶射型ひずみゲージに一部損失していると考えられる。以上のことから、

よ る 高 温 環 境 下 の 静 ひ ず み 測 定 技 術、IIC

今後ひずみゲージの構造変更を試みる予定であREVIEW、No.51、2014/04、pp.44-50

る。一方、ひずみが理論値より低い値となること、（2） 菅原敏博：溶射ゲージによる静ひずみ測定技

高温時のドリフトについては、それらの影響を定術、IIC REVIEW、No.58、2017/10、pp.12-17

量的に評価し、結果を補正する方法を検討する。

計測事業部 計測技術部
福浦グループ課長

株式会社 IHI 技術開発本部
基盤技術センター
材料・構造グループ

中野 公貴

尾﨑 淳一

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