技術紹介

音響誘起電磁応答法を用いた鉄鋼材料の非破壊検査～残留応力評価とイメージング技術～
鈴木優平 *1

生嶋Suzuki Yuhei

健司 *2

Ikushima Kenji

強磁性体である鉄鋼材料は、工業製品やインフラ構造物で広く利用されている。これら鉄鋼製品を構成する鉄鋼部材の残留応力は、製品の健全性や余寿命に影響を与えるため、測定し、管理する必要がある。
本稿では、超音波照射によって磁気情報を取得する方法である音響誘起電磁応答法を利用して、鉄鋼の残留応力の評価・画像化を実施した結果を報告する。
キーワード：超音波、電磁応答、非破壊評価、残留応力、鉄鋼材料り、実用的な空間分解能をもって測定することが1. はじめに重要になる。また、日常の定期検査や製造ライン

鉄鋼製品や鋼構造物に用いられる鉄鋼材料（強での検査、さらには傷を付けられない製品に対し磁性体材料）は、圧延、溶接、曲げ、切削などさては、非破壊で測定することが求められる。

まざまな製造過程を経ることにより、内部に残留そこで、本研究では、強磁性体である鉄鋼材料の応力が蓄積されていく。また、その部材を組み合磁気特性が応力に敏感に応答することを利用して、わせた機械製品では、周囲の部材からの拘束や自超音波によって非破壊に磁気特性を取得する方法

重による応力も加わり、複雑な応力状態となる。

である音 響誘 起電 磁 応答（Acoustically Stimulated

例えば、回転機械や橋梁のような時間的に負荷がElectroMagnetic（ASEM）response）法に着目した。

変化する物体では、残留応力を低減させること

図 1（a）は ASEM 法の概念図である。ASEM 法でで、部材が想定以上の応力レベルに達することをは、超音波照射が逆磁歪効果を通して、磁化部分防ぐことが可能である。過大な引張応力は、一般に時間的変調を与えることによって、音波照射し的に部材表面に亀裂を誘発・進展させるため、表た局所的領域から電磁波が発生することを利用し面の引張残留応力を監視することが、品質管理のている 。この電磁波信号は、超音波が照射され点から非常に重要になる。

た局所的位置の磁気情報を運搬する役割を果たし

わい（1）

実際には、どの位置にどの程度の残留応力が存ている。発生した電磁波は近傍に設置したアンテ在するかを把握することが、製品の設計・製造プナによって検出される。本技術は、音波が到達すロセスの改善や早期補修に対して非常に有効であれば適用が可能であるため、コンクリートや塗装*1：研究開発センター 研究開発グループ 博士（工学）*2：国立大学法人東京農工大学 大学院先端物理工学部門／工学部—

23—

生体医用システム工学科教授

博士（理学）IIC REVIEW/2022/04. No.67

(a)コンクリート床板

(b)

アンテナ
N

コンクリート内部の鉄筋からの電磁波

超音波
S 磁化

電磁石

アンテナ

制御用PC

電磁波

サンプル

超音波トランス
デューサー（a）概念図（b）物体内部からの電磁波発生と検出の例

図1



ASEM 法の原理などの非磁性体の内部に埋め込まれた、鉄鋼材料引張荷重の調査も非破壊で可能である（図 1（b））。つまり、調査対象物を暴露する必要がないことが ASEM 法

アンテナの利点の一つである。

試験体電磁石

本稿では、ASEM 法の応用例の一つとして、鉄鋼材料の磁気特性を通して、残留応力を評価した研究概要を紹介する。特に、本技術の定量性や超音波計測ならではのイメージングについて説明す

超音波トランスデューサーる。
2. 磁気ヒステリシス特性の応力依存性

図2

磁気特性から残留応力へ変換するためには、両引張試験者を行き来するための変換式が必要である。この変換式を求めるために、図 2 に示す引張試験機を用いて、引張応力下の磁気特性の変化を観察した。照射超音波の焦点スポットサイズは直径約୰2 mm である。つまり、この局所的な領域の磁気特性を、測定していることになる。引張応力は、無ୡ応力（0 MPa）から材料の降伏応力（約 300 MPa）を超えるまで段階的に加えた。各応力において、電磁石により外部磁場を増減させた際に、アンテナに誘起される ASEM 信号電圧をプロットすると、
図 3 に示すような ASEM 信号のヒステリシスルー

図3プが得られる。このヒステリシスループが横軸と—典型的な ASEM 信号のヒステリシスループ（黒線：初期磁化、青線：下降磁化、赤線：上昇磁化）

24—交わる点を保磁力 Hc、縦軸と交わる点を残留磁化ている。一般的には、高い引張応力は高い損傷リ信号 Vr として、2 つの磁気パラメータを設定し、スクへつながりやすいので、保磁力 Hc は定量的な引張応力によって、このパラメータがどのように残留応力評価の指標として期待できる。一方、残変化するかを調べた。

留磁化信号 Vr は、降伏応力 TY を超えると急激な

図 4 は Hc、Vr の引張応力依存性である。各荷重信号低下がみられる。この特徴は、弾性領域と塑で得られた ASEM 信号は無応力 0 MPa の値で規格性領域を明確に区別できることを意味しており、化している。引張応力を増加させると、Hc、Vr と塑性した箇所を見つけ出すためのスクリーニングもに減少することがわかる。Hc については、引張としての指標として期待できる。これらの結果か応力が約 150 MPa より大きくなると、顕著に変化

ら、弾性領域では、保磁力については 2 次関数量が大きくなることがわかる。これは、弾性応力（図 4（a））、残留磁化信号については 1 次関数（図 4範囲の中でも降伏応力 TY に近いような高応力領（b））で近似することによって、磁気 - 引張応力変域では、応力評価の精度が高くなることを意味し換式を取得した。
3. ASEM 法による残留応力評価
次に、ASEM 法と既存の残留応力測定法である穿孔法を比較し、ASEM 法による残留応力評価の妥当性を検証した。検証で利用した試験体は、鉄板の片側に溶接金属を載せたビードオンプレートである（図 5（a））。ASEM 法、穿孔法ともに溶接金属の反対面を測定した。
残 留 応 力 評 価 の 結 果 に つ い て は、 代 表 的 に、
図 5（a）赤丸で示した 2 ヶ所（非溶接部と溶接部）について説明する。ここでは示していないが、穿孔法の結果では、非溶接部では、ほぼ残留応力が（a）保磁力 H c /H c（T =0）ないことが判明した。一方、溶接部では 300 MPa程度の高い引張応力が観測された。ASEM 測定によって、同じ 2 ヶ所で得られたヒステリシスルー
プを図 5（b）、（c）に示す。明らかにループ面積が変化しており、保磁力 Hc と残留磁化信号 Vr が両方の測定位置で異なることから、残留応力状態も異なることが予測される。残留応力ゼロの位置（図 5（b））を基準にして、引張試験から得られた
磁気 - 引張応力変換式を使用すると、溶接部（図 5（c））の残留応力値は約 320 MPa であり、穿孔法の結果と同等であった。

（b）残留磁化信号 V r /V r（T =0）

図4

磁気パラメータの応力依存性

（2）

—25—

IIC REVIEW/2022/04. No.67

材質： S25C，サイズ：490×40×6 mm3(a)

溶接方向

溶接始端部

溶接終端部

溶接範囲

溶接裏面

(b) 非溶接部(c) 溶接部୰୰ୡୡ（a）ビードオンプレート試験体（b）非溶接部の ASEM ヒステリシスループ（c）溶接部の ASEM ヒステリシスループ

図5

ASEM 法による残留応力の定量性評価が小さい領域、赤い部分は高い引張残留応力が存

4. ASEM 法による残留応力イメージング

在する領域、暗赤色の部分は塑性した領域を表し

次に、集束超音波を走査することによって、局ている。このように、磁気情報をマッピングする所的な磁気ヒステリシス特性を 2 次元的にマッピことにより、高引張残留応力領域と塑性領域を一ングし、残留応力分布を画像化した。使用した試度に可視化することが可能である。

験体は、3 章と同様のビードオンプレートである

5. おわりに（図 6（a））。画像化の範囲は、溶接範囲の左側半分で実施した（赤枠範囲）。イメージングでは残留磁本研究では、磁気特性を引張応力へ変換するこ化信号 Vr を利用している。この理由は、ASEM ヒとによって、ビードオンプレート試験体の残留応ステリシスループ全体を得る必要がないため、Hc力を定量的に評価し、妥当な結果を得ることがでよりも Vr の方が短時間で測定が可能だからであきた。さらに、磁気特性をマッピングすることにる。図 6（b）は、Vr により残留応力分布をイメーより、引張残留応力の高低や分布の可視化に成功ジングした結果である。白い部分は引張残留応力した。ASEM 法は、磁性から応力への換算係数が—26—

溶接範囲

(a)

(b)
高単位 : mm

塑性領域
（暗赤）

高引張応力
（赤）

低残留応力レベル

低引張応力
（白）

（a）イメージング用試験体（b）残留応力分布画像

図6

ASEM 法による残留応力イメージング

わかっていれば、どのような強磁性体に対しても参考文献適用が可能であり、今回の材料以外にもさまざま（1） K. Ikushima, S. Watanuki and S. Komiyama :な鉄鋼材料への拡大が期待できる。
本技術は、応力評価以外にも磁気特性を利用しDetection of acoustically induced electromagnetic

たさまざまな調査に対して、応用が可能である。

radiation, Applied Physics Letters, Vol.89, No.19,

また、非破壊法であるため、実機への適用が容易

2006, pp.194103（1-3）

である。利用先としては、航空機や自動車の部品（2） Y. Suzuki, H. Yamada and K. Ikushima : Tensile-

検査、インフラ構造物の健全性診断、さらには近Stress Dependence of Magnetic Hysteresis

年研究開発が盛んな電気自動車のモーターなどのP r o p e r t i e s M e a s u r e d by t h e A c o u s t i c a l ly

電磁部品の調査などが期待できる。鉄鋼業界のみ

Stimulated Electromagnetic Response in Steel,ならず工業界全体で利用可能な新たな検査・計測

IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics,

手法として、さらなる研究開発を進めていきたい。

and Frequency Control, Vol.67, No.4, Apr. 2020,
pp.825-831

研究開発センター
研究開発グループ
博士（工学）

国立大学法人東京農工大学
大学院先端物理工学部門／工学部
生体医用システム工学科 教授
博士（理学）

鈴木 優平

生嶋 健司

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 042-388-7120
FAX. 042-388-7120—27—

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