京都府中小企業技術センター技報№39（2011）

熱画像測定装置を用いた非接触非破壊での鋳物表面き裂検出の検討
坂之上
服
［要悦部

典＊１悟＊２旨］

鉄鋼製品におけるき裂を非破壊かつ迅速に検出する手法として、熱画像測定を適用した。その結果、シミュレーション上ではき裂の深さによりき裂が直接観測できない試料背面からでも熱分布に差異が予測された。また、圧延鋼板および鋳物に対して入熱を行い、熱画像を測定したところき裂の深さおよびアスペクト比により測定される熱画像に相違があり、き裂検出の可能性が示唆された。

１ はじめに法として、熱画像測定を適用したので報告する。

戦後の社会基盤の整備が進みだしてから70年以上が経過し、鉄鋼製品は当初の想定を超える長期

２ 試験方法の使用がなされている。早急な代替がなされない

２．１ 熱伝導シミュレーションにおける背面き裂検出中、既存構成部品の損傷状況を的確に把握することは極めて重要である。素材に発生する損傷にお人工き裂を有する鋼板において、定常熱伝導状

いて表面き裂の発生、伝ぱが重要となるが、き裂態における伝熱シミュレーションを行った。用いの発生箇所が目視で観測できる場所とは限らず、た試料サイズを図１に示す。中央部に所定の深さ見えない部分のき裂の発生、伝ぱを観測することの非貫通スリットを有する２次元ステンレ ス鋼板

は非常に困難である。非破壊でき裂を計測する手を用いた。解析シミュレーションソフトとして、法として、Ｘ線探傷法、超音波探傷法があるが、ANSYS ED Re
leas
e10.
0を用いた。表１に、熱伝いずれも対象物を計測機に持ち込んだり、複雑形導解析に用いた境界条件等を示す。入熱面は、側状での測定には熟練技術が必要であるなど、制約面の一面だけでその他はすべて均一温度の雰囲気が多い。

条件とした。

その中で、対象物の熱画像を測定することにより、き裂を検出する手法１）、２） が注目されている。
本手法は、非接触、高速測定が可能であり、何より測定対象物近傍での現場計測が可能であるため、鋳鉄製マンホールなどの基盤的社会インフラのき裂検出を迅速に行える可能性がある。そこで鉄鋼製品におけるき裂を非破壊かつ迅速に検出する手図１ 熱伝導シミュレーションに用いた試料サイズ
表１ 熱伝導に用いた解析条件

＊１

基盤技術課

主任研究員

＊２

基盤技術課

副主査

－1－

京都府中小企業技術センター技報№39（2011）

２．２

背面に人工き裂を有するステンレス鋼

き裂を発生させた。図２の場合と同様に、疲労き板に対する熱画像測定裂を有する試験片端部を温浴させた状態で、中央ステンレ ス鋼板（SUS430圧延鋼

W30×L210×部円孔部付近に対し熱画像測定装置により熱画像t8㎜）に所定の深さ及び幅を有する人工き裂を導測定を行った。その後、実際の疲労破面を確認す

入し、平板端部を温浴した状態で、熱画像測定装るため、試料を塩水中に浸し表面を腐食酸化させ置（TVS500、日本アビオニクス㈱）を用いき裂た後、引張試験機を用いて強制破断させた。

を有する面と反対側より表面温度の測定を行った。
なお測定表面には、熱的性状を一定とするために黒色塗料を塗った。測定状況の概略図を図２に、測定に用いた試験片の形状を図３に示す。き裂の幅及び長さを一定とし深さ方向を変化させ試料群

図４ 回転疲労曲げ試験方形状をＤと表記し、き裂の深さ及び長さを一定とし幅

３ 結果及び考察方向を変化させ試料群をＷと表記する。

３．１ 熱伝導シミュレーションにおける背面
き裂検出
シミュレーションモデルにおけるメッシュの一例を図５に示す。き裂周辺部では、熱伝導の乱れが生じることが予想されるので、メッシュの分割を細かくした。き裂の幅を一定とし深さ方向を変化させたシミュレーション結果を図６に示す。き
裂背面直下の表面温度の低下量（差分温度）とき
図２

熱画像測定装置を用いたき裂計測の概略図

裂深さ（無次元き裂深さ）の関係を図７に示す。
入熱面の温度が100℃と高く雰囲気温度20℃における安定時の熱分布ではあるが、無次元き裂深さが30%程度を超えると、き裂背面の温度低下が0.
05℃より大きくなり、変化を検出できる可能性

図３

熱画像測定に用いたステンレス鋼板の形状データ（Ｄ群、Ｗ群）

２．３

鋳物表面き裂に対する熱画像測定

図４に示す鋳物FC250材試験片を用い、小野式回転疲労曲げ試験機（H５型、㈱島津製作所）により疲労試験を行い、試料中央部円孔部より疲労－2－

図５

熱伝導シミュレーションに用いた分割メッシュの一例

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図８ き裂を有しない鋼板表面の熱画像測定例

図６ き裂を有する伝熱シミュレーション（Ｄ群 ：試験片：W30mm×t8mm）

図７

図９ き裂を有する熱画像測定（Ｄ群 ：試験片：L210×W30mm×t8mm）

無次元き裂深さ割合と差分温度の関係

図10 き裂を有する熱画像測定（Ｗ群 ：試験片：L210×W30mm×t8mm）があることが示唆された。

３．２

背面に人工き裂を有するステンレス鋼板に対する熱画像測定がないか観測するため、図11に示す貫流熱量比なき裂を有しない鋼板の熱画像測定の一例を図8るパラメータを考える。入熱源は試料端部より平に示す。熱は試料下部より上部へ向けて均一に移行であり、熱源から見てき裂を含む方向の単位面動していることがわかる。き裂の幅及び長さを一積あたりの熱量とき裂を含まない方向の単位面積定とし深さ方向を変化させたＤ群の測定結果を図あたりの熱量との比であるのでき裂の有無による９、き裂の深さ及び長さを一定とし幅方向を変化影響を評価できると考える。Ｄ群、Ｗ群に関するさせたＷ群の結果を図10に示す。

き裂形状と貫流熱量比の関係を図12、図13に示す。

ここで、き裂の有無により熱量の移動量に変化

図12より無次元き裂深さ割合（き裂深さ/試料厚－3－京都府中小企業技術センター技報№39（2011）

公称応力91MPaを作用させ、回転曲げ疲労試験を行ったところ、1.
43×105回で破断した。この破断回数をもとに、7.
46×104回まで疲労試験を実施した試料をFA、1.
28×105回まで疲労試験を実施した
5試料をFＢ、1.
36×10回まで疲労試験を実施した
5試料をFＣ、1.
4
1×10回まで疲労試験を実施した試料をFDとした。疲労試験実施後の未破断試料を、図２に示すような温浴条件下で熱画像を測定した。

図11 貫流熱量比

測定結果を図14に示す。その後、各試料を引張破断させ得られた破面の写真を図15(a)～(d)に示す。
図15(a)
及び(d)の破面観察より、明確な疲労き裂が認められる

ＦＤ穴2右におけ る破面を 有する

熱画像と、引張強度の低下がほとんど無く、き裂の発生がほとんど 認められないFA穴1右及び左の破面を有する熱画像について検討を行う。
き裂の発生が認められないと考え るFA穴1では、円孔周りの熱分布がほぼド ーナッツ形状であ

図12 無次元き裂深さと貫流熱量比るのに対し、き裂の発生が破面に認められたＦＤ穴2右では、熱分布に左右の差異が見られる。詳細に見るとき裂（円孔底より約１㎜のき裂が認められている）発生側の表面では、き裂の発生を明確に同定するには熱画像測定装置の分解能が十分でないにせよ、約0.
1℃以下の温度変化が認められる。

図13 き裂アスペクト比と貫流熱量比の関係

４ まとめき裂を有する鋼板の熱伝導シミュレーションをさ）が30％を超えると、貫流熱量比が1.
05を超え、行うとともに、熱画像測定装置を用いて、鋼板お有意にき裂を検出することができる。

よび鋳鉄鋳物に対するき裂検出の検討を行った。

図13よりき裂アスペクト比（き裂幅/き裂深さ）

以下に得られた結論をまとめる。

が、0.
5程度では貫流熱量比に差が見られないが、（１）熱の流れが定常状態にあるき裂を有する鋼板

2.
0を超えると貫流熱量比が1.
15以上となり有意にに対して、熱分布の検討を行った。き裂深さによき裂を検出することができる。

りき裂が直接観測できない試料背面からでも熱分３．３ 鋳物表面き裂に対する熱画像測定

布に相違ができることが認められた。すなわち、0%程度を超えると、き裂背面
図４に示す試料中央部に円孔を有する試験片に、 無次元き裂深さが3－4－

京都府中小企業技術センター技報№39（2011）の温度低下が0.
05℃より大きくなり、変化を検出できる可能性があることが示唆された。
（２）
き裂を有するステンレ ス鋼板に対してき裂をはさむ領域と含まない領域とを比較するため貫流熱量比を定義した。その結果、無次元き裂深さ割合（き裂深さ/試料厚さ）が30％を超えると、貫流熱量比が1.
05を越え、有意にき裂を検出することができること、き裂アスペクト比（き裂幅/き裂深さ）が、0.
5程度では貫流熱量比に差が見られないが、2.
0を超えると貫流熱量比が1.
15以上となり有意にき裂を検出することができることがわかった。
（３）鋳物に疲労き裂を発生させ、熱画像を用いて表面状態を測定したところ、き裂開口を直接観測できない場合でも熱分布に差異が見られ、約0.
1℃

図14 疲労試験後の鋳物表面の熱画像測定以下の温度変化が認められ、熱画像によるき裂測定の可能性を見出した。

72巻724号（200612），日本機械学会論文集（Ａ編）（参考文献）

２）渋谷,“高精度赤外線カメラ応用例”，p.
1，No.
16，１）阪上、西村、久保、崎野、石野、p.
5057，第J
uly2008，JFETEC NEWS

図15（ａ） 疲労破面（試料FAの穴１および２）

図15（ｃ） 疲労破面（試料FCの穴１および２）

図15（ｂ） 疲労破面（試料FBの穴１および２）

図15（ｄ） 疲労破面（試料FDの穴１および２）－5－