複合 材料 の欠 陥深 さの 計測 Depth Measurement of Composites 超音波方式と赤外線方式とのデータ比較 Comparison of Ultrasonic Testing and Pulse Thermography ○陣 内 さ やか 西谷 Sayaka Jinnai 村上 豊 Yutaka Nishitani 丈子 羽深 Takeko Murakami 嘉郎 Yoshio Habuka 日本 ク ラ ウト ク レー マ ー 株式 会 社 Krautkramer Japan Co., Ltd. 概 要 近年 複 合 材料 は 、人 工 衛 星の ほ か航 空 機 など 適 用範 囲 が 拡大 し てい る 。 複合 材 料を 代 表す る CFRP の非 破 壊 検査 に つい て 従来 用 い られ て い る超 音 波試 験 と 赤外 線 サー モ グ ラフ ィ ー によ る 非破 壊 検 査方 式 の比 較 を した の で報 告 す る。 航 空機 の 製 造段 階 では フ ェ イズ ド ア レイ 超 音波 探 傷 が主 流 であ る が 、今 回 は精 密 検 査と し て 25MHz 焦点 型 探触 子にて走査試験を行い、赤外線のパルス光励起による位相解析方式の結果と比較した。 試験 し た サン プ ルで は 、 25MHz 焦点 型 探触 子 で、 10 層 （2.5ｍｍ ） まで 、 赤 外線 位 相 解析 方 式 では 、 5～ 6 層 ま で（ 1.5mm） が試 験 可能 域 で あっ た 。 キ ー ワ ード ： 複合 材 料 、超 音 波試 験 、 赤外 線 サー モ グ ラフ ィ ー、 非 破 壊検 査 1. 緒言 本 論 文 では 、 近年 、 構 造材 と して 人 工 衛星 の みな ら ず 航空 機 や自 動 車 等で の 使用 が 増 加 して い る 複合 材 料の 検 査 方式 と して 、 超 音波 法 と赤 外 線 法の 比 較を 行 っ た。 超 音 波 法で は 25MHz 焦点 型 探 触子 を X-Y 走査 、 全 体を 水 没し て 0.1ｍｍ の 走 査ピ ッ チ で試 験 を 行な っ た 。層 間 の剥 離 を 各層 ご とに 検 出可 能 で ある と 共に 、2.5ｍ ｍ の深 さ の 剥離 が検 出 可 能で あ る。 赤外 線 法 は、キセ ノ ンフ ラ ッシ ュ ラ ンプ 励 起で 、100Hz の フレ ー ム レ－ ト で熱 画 像 を撮 影 し位 相 解 析法 に より 試 験 を実 施 した 。試 験深 さ の最 大 は 、今 回 の 組成 の CFRP では お よそ 1.5ｍ ｍで あ っ た｡ 検査 時 間 を比 較 する と 、25MHz の 精 密 探傷 で は 約 15 分 、一 方 赤 外線 試 験で は 、デ ー タ採 取に 約 10 秒 、解 析 は 1 分程 度 と短 時 間 で可 能 であ っ た 。 2. 試験法の概要 2.1 サンプル 試験 に 用 いた CFRP の サン プ ル を FIG.1 に 示 す 。衝 撃 試験 で 剥 離欠 陥 を付 け た テス ト ピ ース で 、 厚さ 5mm（ 1 プ ラ イ 0.25ｍ ｍ、 全 20 層） で あ る。 FIG.2 は比 較 のた め に別 途 作 成し た CFRP のサ ン プ ルで 、直 径 10mm の平 底 穴を 深 さ 別 に加 工 し た。 FIG.1 2.2 衝 撃 試験 サ ン プル FIG.2 平 底穴 サ ン プル 超音波試験 探傷器 HIS3 HF（D-view） 探触子 25MHz（ 振 動子 径 ：5mm、 焦点 距 離： 25ｍｍ ） 探 傷 は 層間 剥 離を 見 る ため 、 各層 間 に ゲー ト をか け て 探傷 し た。 実 験 装置 を FIG.3、 試 験結 果 を FIG.4 に 示 す｡図 は層 毎 に色 の 濃さ を 変え て あ るが 、 CFRP は、 各 層間 で 剥 離が 発生 し て いる の が明 瞭 に 示さ れ た。 深 さ に従 っ て周 辺 に 欠陥 が 広が る 様 子が 見 られ る 。 FIG.3 超 音 波探 傷 装 置映 像 化装 置 FIG.4 打 痕 部裏 面 探 傷結 果 D-view 2.3 赤 外 線 サ ーモ グ ラ フ ィ ー に よ る試 験 赤 外 線 カメ ラ ThermaCAM SC6000（ InSb） 励起 方 法 キ セ ノ ンフ ラ ッシ ュ ラ ンプ 1000J×2 灯 IRPhaser 解析 ソ フ ト ver.1.0 FLIR 社製 の 赤外 線 カ メラ SC6000(InSb)で テス ト ピ ース 表 面の 熱 画 像の 時 間変 化 を 収録 後 、 位相 解 析[1]を 弊 社 製解 析 ソフ ト 「IRPhaser」 で 実施 し た｡赤 外線 の 実験 装 置 を FIG.5 に示 す 。 FIG.5 赤 外線 試 験装 置 熱画 像 の 例を FIG.6、位 相 像 の例 を FIG.7 に 示す 。こ の 位 相画 像 から 、超 音 波 で確 認 し た欠 陥 の 深さ に 対す る 、 位相 像 の観 測 可 能な 周 波数 （ max） をプ ロ ッ トす る とグ ラフ 1 と なる 。 こ のグ ラ フの 横 軸 は周 波 数（ Hz）、 縦軸 は板 の 厚 さ（ mm）で あ る 。 FIG.6 熱画 像 の 例 FIG.7 位 相画 像 の 例 サー モ グ ラフ ィ ーに よ る 方式 は 、よ く 知 られ てい る よ うに 熱 浸透 深 さ （熱 波 動の 到 達 範囲 ） μ は材 料 の 熱拡 散 率α と 熱 波動 の 周 波数 f に 依存 し て 次式 の 関係 が あ る。 μ＝ √ （ α/πｆ ） α＝ λ /(ρｃ) μ： 熱 浸 透深 さ α： 熱 拡散 率 ｆ： 熱 波 動の 周 波数 ρ： 比 重 ｃ： 比 熱 λ： 熱 伝導 率 グラ フ 1 衝撃 試 験片 ま た 、CFRP の 熱 伝導 率 αは 、 0.35～ 0.45 ㎟/sec と 一般 に 言わ れ て いる[2]。 この 値 を 用い て 、上 の 式 から 熱 浸透 深 さ を 計算 し 、 周波 数 対応 で 同 じグ ラ フに 記 入 する とグ ラ フ １に な り、 衝 撃 片の 数 値と 一 般 的な グラ フ が 良く 一 致し た 。 ただ し 、試 験 片 の熱 拡散 率 を 測定 し てい な い 。 平 底 穴 のサ ン プル に つ いて も 熱浸 透 深 さと 周波 数 の グラ フ を作 成 し たの で グラ フ 2 に 示 す。 組 成 （繊 維 含有 量 な ど） が 異な る と 、熱 伝達 率 も 異な る とい う こ とが 考 えら れ る 。 グラフ 2 平 底 穴の サ ン プル 次に 、 超 音波 法 と赤 外 線 法の 得 られ た 画 像の 比 較を 、 衝 撃試 験 テス ト ピ ース で 示す ｡ 超音 波 試 験、 赤 外線 法 と もに 、 表面 か ら ある 深 さ（ 層 ） まで の 断面 像 で ある 。 a. 1～ 2 層 b. 1～ 3 層 c. 1～ 4 層 FIG.9 断 層 C ス コ ープ 画 像の 超 音 波と 赤 外線 の比 較 d. 1～ 5 層 e. 1～ 6 層 f. 1～ 7 層 FIG.9 断 層 C ス コ ープ 画 像の 超 音 波と 赤 外線 の比 較 （ 続き ） ど ち ら も順 次 深さ の 順 に像 が 現れ て く るこ と がわ か る 。赤 外 線法 に つ いて は 位相 像 の 現 れる も っ とも 高 い周 波 数 が深 さ 示す も の と考 え プロ ッ ト して い る。 検 査 者の 目 視に よ り 主 観的 に 周 波数 を 決定 す る ので 、 明瞭 に 深 さの 値 を特 定 す るの は 困難 で あ る｡ 3． 結 論 複 合 材 料の 代 表と し て 、CFRP の 積 層 パネ ル の非 破 壊 試験 を 、超 音 波 法と 赤 外線 法 を 用 いて 行 い 、検 出 でき る 欠 陥深 さ など の 比 較を し た。 超 音 波法 は 、試 験 領域（ 深さ ）、精 度 とも に優 れ た 試験 方 法で あ る が、水 没し て 試験 し なけ れ ば なら ず 、探 触 子 の走 査 の時 間 を 要す る 。ま た 、 被検 査 材が 水 な どと の 接触 が 不 可 能な 場 合 は超 音 波法 を 採 用で き ない こ と にな る 。試 験 時 間に つ いて は フ ェイ ズ ドア レ イ 探 傷を 採 用 する と 大幅 に 改 善さ れ 、現 状 の シス テ ムは 十 分 に実 用 に供 さ れ てい る｡ 一 方 、 赤外 線 法は 、 非 接触 で 且つ 短 時 間に 広 い範 囲 を 試験 す るこ と が 可能 で ある こ と が 示さ れ た 。し か し、 そ の 試験 領 域、 分 解 能は 超 音波 に 比 べて 制 限が あ る 。 ま た、深 さ 測定 に は音 速 の 決定 が 必要 な 超 音 波法 と 同 様に 、複 合 材料 は そ の組 成 によ り 、 熱的 な 物 理定 数 が異 な り （グ ラ フ２ ）、 厚 さ の 正確 な 測 定に は 定数 が 必 要と な る｡ 弊社 の 開 発し た 赤外 線 試 験法 は 、パ ル ス励 起 で デー タ を 収録 し 広い 周 波 数領 域 で解 析 し、 位相 画 像 とす る もの で 、 広い 深 さ範 囲 を 一度 に 解析 可 能 にし た 。試 作 機 であ る が、 実 用 性 が示 さ れ た。 赤 外 線 方式 で は、 表 層 近く の 欠陥 の 検 出が 可 能と い う こと が 判明 し 、 超音 波 法と の 違 い は、 接 触 媒質 が 不要 で あ り広 い 面積 の 結 果を 短 時間 に 検 出で き るこ と で ある が 、そ れ ぞ れ の利 点 を 生か し 超音 波 と 赤外 線 を組 み 合 わせ た シス テ ム 開発 を 進め た い 。ま た 、検 査 領 域 の拡 大 も 課題 で ある 。 参考 文 献 [1] G.Busse, D.Wu,and W.Karpen, [2] Steven M.Shepard J.Appl.Phys. 71, p3962 (1992) Material Review/ Julyｐ 690（ 2007）
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