計測技術部の「売りの技術」
1. 残留応力測定
残留応力は、溶接、鍛造、圧延、表面処理など種々の要因によって発生する。残留応力に供用応力が重畳した場合、疲労や損傷の原因となることがある。そのため、残留応力測定が必要となり、種々の方法で測定が実施されている。残留応力測定法は、図 1 に示すように、非破壊法、準非破壊

図2法および完全破壊法に大別できる。

突合せ溶接部の残留応力測定

当社が提供している残留応力測定技術につい
1.2 穿孔法（ASTM E837 規格）て、その概要を紹介する。

図 3 に示すように、測定対象物の表面にロゼットひずみゲージを貼り付け、その中心を穿孔した際に半径方向に解放されるひずみを 3 方向のひずみゲージで測定し、平面応力理論に基づいて残留応力を解析する技術である。
特徴：・ 深さ方向に不均一な応力分布の測定が可能
・ プラスチック材料や CFRP の測定も可能
図1

各種残留応力測定技術と測定深さ

・ 測定深さは 0.5mm、1.0mm、2.0mm（穿孔径はそれぞれ、約 1mm、2mm、4mm）

1.1 切断法
図 2 に示すように、測定部にひずみゲージ（通常 2 軸または 3 軸）を貼り、ひずみゲージやリード線を傷つけないように注意しながら、部品を段階的に切断（荒切 → 短冊 → サイコロ）し、各段階で解放されるひずみを測定し、最終段階のサイ
コロ切断時の累積解放ひずみから表面の残留応力を計算するもので、最も古典的な方法である。
測定対象物が複雑形状であっても、ひずみゲージを貼ることができれば測定可能である。
図3—

33—

ロゼットひずみゲージ（穿孔後）IIC REVIEW/2018/10. No.60

・ 測定深さに対して 1/20 の測定分解能（たとえ接構造物の深さ方向残留応力測定に適している。

ば、1.0mm の場合、0.05mm ピッチで 20 ステッ

図 5 に一例として溶接部を測定した後の表層部のプの応力が測定される）状況を示す。

・ 主応力（s max、s min）の解析が可能

残留応力が降伏点の 80％を超える場合は、塑性・ 現地出張測定が可能の影響を考慮するため、段階的に DHD 法を適用す

穿孔装置はエアタービン駆動（約 40 万 rpm）とる iDHD 法が開発され、既に多くの測定実績があモータ駆動（約 200rpm）の 2 種類があり、前者はる。図 6 に T 継手の DHD 測定後の断面観察写真の金属やセラミックス、後者は樹脂や CFRP などの一例を示す。溶接金属部を貫通する参照孔（f3mm）穿孔に適用している。とコア（f10mm）が明確に観察されている。

穿孔装置の外観写真を図 4 に示す。
1.3 DHD 法
Bristol 大学／ VEQTER 社（英国）が開発した技術であり、当社は VEQTER 社の日本代理店として測定サービスを提供している。
DHD 法は、肉厚方向に参照孔（f1.5 ～ f5mm）をガンドリルで穿孔した後、参照孔を包含するコア（f5 ～ f15mm）を放電加工により切り抜き、参照孔の直径変化をエアゲージにより測定し、その結果から平面応力理論に基づき肉厚方向の残留応
図5力を解析する方法である。現地出張測定が厚肉溶

溶接部の DHD 測定後の状況

（a）エア駆動（b）モータ駆動

図4

穿孔装置の外観—34—

図6T 継手 DHD 測定後の断面観察写真

図71.4 Contour（コンタ）法（1）

新旧レールの軸方向残留応力分布

1.5 X 線回折法

2001 年に米国の Los Alamos 国立研究所で発明さ当社は Stresstech 社（フィンランド）の日本代理れた技術で、数ある残留応力測定技術の中では最店として、XSTRESS 3000 などの残留応力測定装置も新しいものである。この方法は工業部品内の残の販売と測定サービスを提供している（図 8 参照）。

留応力分布を 2 次元マッピングできるため、近年、

波長 l の X 線を入射し、その回折角度を sin2Y 法

欧米を中心に実機への適用が進んでいる。測定のにより測定し、Bragg の回折式からひずみ（応力）手順は以下の通りである。

を計算する方法であり、残留応力を非破壊で測定① ワイヤ放電加工により部品を二つに切断できるのが最大の利点である。測定深さは 0.01 ～② 切断面の変形測定（レーザー変位計など）0.02mm である。

③ 部品の FEM モデルで逆の変形を負荷④ 切断面に垂直方向の応力マップを決定測定例としてレールの残留応力解析結果を図 7に示す。新旧レールの残留応力分布の相違が一目で理解できる。

ポータブル
現地出張測定可能

図8

XSTRESS 3000 残留応力測定装置—

35—

IIC REVIEW/2018/10. No.60

配管溶接部

2. 三次元計測サービスの紹介
近年、製造分野に限らず多様な分野において対象物の形状などの三次元座標情報を取得する三次元計測技術の導入・活用が進んでいる。
当部では、トータルステーション等の測量機器に加え、1998 年に専用デジタルカメラで撮影した画像を用いてターゲットの座標を算出する三次元

配管形状例（1 目盛：1mm）

計測器を導入し、主にプラント分野で既設構造物
図 10（2）の寸法測定・位置標定に適用してきた 。最近では配管断面形状の解析例

レーザースキャナや光切断法による三次元形状測定機を導入し、現場出張や計測対象の持込み計測手法を採用し、計測したその日に結果を算出できるなど、多様化したニーズに対応している。本記事

ようになり、現地での工程の短縮に寄与した。

ではその概要と適用例を紹介する。
2.2 レーザースキャナを用いた計測
2.1 専用デジタルカメラでの画像を用いた計測

地上設置型レーザースキャナは、図 11 に示すよ本手法では対象物にターゲットを設置し、カメラうに、赤外線レーザー光を放射状に照射し、測定で 撮 影 することでその位 置の座 標を計 測する。

機を中心に全方向のスキャニングを行う計測機器ターゲットを貼付する手間は必要であるが、本手である。レーザースキャナは半径 100m の広範囲を法は大型構造物を比較的精度良く計測することが高速かつ高分解能で自動スキャンすることが可能できる。当部では今までに大口径配管の断面形状であり、取得した点群データから対象の外形形状計測を数多く実施してきた。図 9、図 10 は計測状を捉えることができる。

況と解析の事例である。製作時や荷重によって生じ取り扱えるデータ量が増加していることを背景た真円からの変形が問題であるが、適切に計測を行に、性能が著しく向上し、工場、現場での実用性がうことで変形状態が確認できている。従来は金型に増している。当部でも計測の対象に合わせ、小回りより型取りを行い 1 週間以上の日数を要し種々のの利くハンディスキャナ、100m 近い計測距離を持データを取得していたが、画像を用いた三次元計測

ち、工場フロアや大型構造物の計測に適した地上設置型レーザースキャナを保有し、計測対象の状態や精度に合わせて機器を選定し、適用している。
また、レーザースキャナの特長は計測した点群

図9

デジタルカメラでの計測

図 11—36—

レーザースキャナ概要

データを用いた設計形状との出来形・変形量の確供している。図 14 のようにステージに平置きした認や、CAD データへの変換、さらに CAD データ

計測対象物に縞投影光を投影し、対象に当たってから FEM 解析データを作成し、実構造を反映した反射した縞画像を解析し、3D プロファイルを作成構造解析も可能であることなど、計測データを即することができる。主に小型具材などに適用し、最座に設計データとして用いることができる利便性

大 0.5m m の高い繰り返し精度で計測することが可である。当社でも、計測から解析まで一貫したサー能である。当社では金属具材の凹みや亀裂の観察、ビスを提供し、要望に沿ってさまざまな角度から面粗さの測定などに適用している。

しま

くぼ

製品開発や保守点検の支援に貢献している。
ここでは地上設置型レーザースキャナに関して、計測結果の一例を紹介する。図 12 は工場内の設備配置計画において現状態を計測し、新たな配管を干渉確認設置する上で問題がないかを確認した事例である。また、図 13 はある荷重下で使用されていた円計測

筒形状の鋼構造物が真円断面形状からどのように配置変形しているかを計測した事例である。
CAD点群

2.3 光切断法を用いた計測

図 12

材料試験部でも光切断法を用いた形状測定を提フロア内のリレイアウトおよび干渉チェック例

計測データ

比較図

ソリッドデータ

図 13

図 14

円筒鋼構造物の比較検討例

測定機外観とネジのプロファイル—

37—

IIC REVIEW/2018/10. No.60

3.1 AE 計測の概念

3. Acoustic Emission（AE）

図 15 に AE 計測の概念を示す。AE センサは、
超Acoustic Emission（AE）とは、材料に応力を加え音波探傷試験における垂直探触子と同様の構造をたときに材料に蓄積されたひずみエネルギーが変持ち、円筒形のケースの中にセンサの周波数特性に形や破壊に伴い超音波領域の弾性波（AE 波）を放応じた圧電素子が組み込まれている。
材料中を伝播出する現象を指し、AE 試験では、その AE 波を計する AE 波は、AE センサに到達するとセンサ内の測し、発生頻度や波形特徴などから、材料の強度圧電素子により電圧信号に変換され出力される。セや健全性を評価するほか、AE 波の到達時間差からンサの出力は、10-5V ～ 10-1V と微弱であるためプ損傷位置の標定が行うことも可能である。近年でリアンプで増幅した後に AE 計測装置に入力し、AEぱは、材料上で擬似的に発生させた AE 波の伝播挙動

基板上で A/D 変換され、波形データや波形特徴をから損傷範囲や程度を評価する方法など応力を伴数値で示す AE パラメータデータとして記録されわない試験技術が開発され、本来の AE 事象とは異る。測定対象物が複雑形状であっても、ひずみゲーなるものの、対象物を伝播する超音波領域の弾性ジを貼ることができれば測定可能である。

波を検出し何らかの評価に用いることを広義とし3.2 AE 技術活用の展望て AE 試験と位置付けている。
現在、AE 技術は、自動車、航空宇宙、発電事業、現在、AE 計測は CFRP などをはじめとする材料インフラ保全などさまざまな分野で利用されてい評価での用途が主であり、この傾向はしばらく続るが、あらゆる物をインターネットに接続するこくものと思われる。一方、近年、日本国内でも多とで得られるデータを管理や開発に役立てようとくの分野で IoT を活用しようとする動きがみられする動き IoT（Internet of Things）におけるセンシン

るが、AE 技術は、無人でのインターネットを介しグの一つとしての活用が期待されている。

た遠隔モニタリングが可能なことから、IoT におけ当社では、ドイツ・Vallen Systeme 社の日本総代るセンシング技術の一つとして期待される。

理店として同社製 AE 計測システムを販売すると海外では、老朽インフラや危険性の高いプランともに、AE 計測サービスを展開している。

図 15

ト設備を対象とした遠隔モニタリングサービスのAE 計測の概念—

38—

事業化が進んでおり、構造物に AE を主としたモニ

参考文献

タリングシステムを取り付け、インターネットを介し常時モニタリングを行い、異常が検知された（1） M. B. Prime and A.T. DeWald：The Contour

場合に構造物のユーザーにアラームを発するといMethod, Chapter 5 in Practical Residual Stress

うモニタリングサービス会社が 1999 年以前の時

Measurement Methods, G. S. Schajer, (ed.), Wiley-（3）点で存在しており、まさに IoT の先がけである 。

Blackwell, 2013, pp.109-138

日本国内では、構造物の多くが、法令により点検（2） 軽部、長坂：デジタルカメラによる三次元形手法が規定され、その多くはタイムベースである。

状 計 測 技 術、IIC REVIEW、No.30、2003/10、

しかしながら、今後、構造物の老朽化が進む中、常pp.24-28

時モニタリングを行いながら老朽プラントを使い（3） 財団法人エンジニアリング振興協会：平成 11続ける状況も出てくることが予想される（図 16）。

年度“貯蔵設備の信頼性評価技術の研究開発成果報告書”、2000、p.82

文責
技師長室フェロー

三上 隆男

計測事業部

計測技術部

倉内 友己

計測事業部

計測技術部長

中村 英之

図 16

AE による遠隔モニタリングの概念図—39—

IIC REVIEW/2018/10. No.60