渦電流サーモグラフィー法による亀裂検出の熱的検討

序章

非破壊検査技術は、さまざまな産業および研究分野で一般的に使用されており、損傷を与えることなくさまざまな材料の特性を評価します。頻繁に使用される方法のいくつかは、電磁場技術です。それらは、渦電流非破壊検査を通じて、表面および表面下の欠陥を検出および特徴付けるために、導電性材料の非接触検査に利用されます。高速、単純、安価で信頼性が高いと認められているため、この技術は現在、航空宇宙、自動車、石油化学、発電業界で広く使用されています。

渦電流技術の原理は、磁場源と試験材料の間の相互作用に基づいています。試料の上に 交流電流を流す 1 つまたは複数のコイルを配置すると、試料上に交番磁流が発生します。試料の欠陥 (亀裂、腐食など) と材料の変化の存在は、強度と渦電流の流れに影響を与えます。
現在、最も研究されている NDT 技術の 1 つである赤外線サーモグラフィ (IR) 法では、温度場の歪みによって材料の不均一性または欠陥が検出されます。加熱技術の 2 つのカテゴリが NDT 欠陥検出に適用できます。 パッシブ サーモグラフィでは、熱が外部ソースとして材料表面に蓄積され、熱が材料表面を伝搬して表面下の亀裂を検出します。また、表面下の渦電流を介して内部に加熱エネルギーを誘導することにより、材料自体が励起されるアクティブ サーモグラフィ。

渦電流パルスサーモグラフィ ECPT

誘導加熱現象に基づくアクティブ赤外線サーモグラフィ法は、材料欠陥検査における信頼性と精度により、非破壊検査用に大きく発展しています。電磁励起、誘導加熱、および過渡赤外線サーモグラフィ技術による検査を組み合わせることにより、従来の渦電流 NDT 技術に代わるものとして、電磁熱非破壊検査が提案されています。この熱誘導法は、誘導された渦電流を使用して、テスト対象の試料を加熱し、赤外線 IR カメラによってキャプチャされた熱分布の乱れを通じて欠陥を検出します。カメラ画像を分析することで、検討した材料の欠陥に関する情報を得ることができます。この手法は、適用範囲が広く、検出速度が速く、非接触で検査できるなどの特徴があります。
加熱が数℃に制限されているため、コイル自体の温度変化は非常に小さく、検査中の材料が損傷する可能性はほとんどないため、適用される加熱または励起装置からの干渉はありません。

この検討では、ECPT 手法の有効性を FEM 法を使用して数値的に調査しました。解析されたモデルは、U 字型のフェライト コアの周りに巻き付けられたスパイラル コイルで構成されています。どちらも欠陥のある構造用鋼ワークを検査しています。検討対象の 3D デザインを使用した ECPT 技術の概略図を図 1 に示します。

問題の説明

EMS の AC 磁気モジュールは、過渡熱ソルバーに結合されたこの解析で使用され、試験片の亀裂周辺の渦電流と温度分布を計算して視覚化します。強磁性コアの使用は、均一な誘導加熱と亀裂の定量的評価のためのオープンビュー IR イメージングの両方を得るために、欠陥の周りの磁束集中器としての有用性について説明されています。

半楕円形のひび割れの形状を下図に示します。各コンポーネントの詳細な寸法を表 1 に示します。

部品	材料	密度 （kg/ )	透磁率	電気伝導性 (S/m)	熱伝導率 (W/mK)	比熱容量 (J/Kg.K)
コイル	銅 (Cu)	8900	0.99	6 E+07	385	390
試料	構造用鋼	7800	200	4.032 E+6	44.5	475
ヨーク	フェライト	4900	2300	0.15	不要

境界条件

1-電磁入力

電流入力範囲55 A rmsと周波数範囲155 kHzを使える銅製インダクタは固体コイルとして定義されます。

2-熱入力

周囲温度20°C、熱伝達係数5 W/m²Cで、モデルを囲む空気体に熱対流が適用されます。

メッシュ

渦電流は試験板の表皮深さ全体に局在するため、EMS のメッシュ制御機能を使用して、試験片の上面とクラックに細かいメッシュを適用しました。

結果

誘導加熱の 500 ミリ秒後、シミュレーションにより、以下に示す結果が明らかになりました。試料表面の亀裂周辺の電流密度分布は、渦電流の明確な摂動を示しています。検出された欠陥の終点付近で最大になります。亀裂によって電流の流れ方向が変わり、表面が不均一に加熱されます。

図 4 -電流密度分布のベクトル プロット

誘導温度を図 5 に示します。試料の U 字型コアの中央領域の温度は、ほぼ均一に分布しています。最大値は亀裂の輪郭専用で、23.13 °C に達します。これは参考文献 [1] の結果とよく一致しています。

図 6 は、亀裂によって区切られた熱風部分を示しています。欠陥の端点の温度は他の部分よりもはるかに高く、深さ方向に急激に低下します。これらの特徴は、エッジの 2 つのピーク温度から亀裂の長さを予測し、亀裂と他の部分の温度差を決定するために使用されます。

結論

このマルチフィジックス解析では、フェライト ヨーク ベースのパルス誘導サーモグラフィが提案され、強磁性材料に比較的均一な誘導加熱を生成し、亀裂検出のためのオープン ビュー IR イメージングを行います。均一な誘導加熱は、フェライト ヨークの 2 つの極の間の領域での均一な磁束と渦電流によって生成されます。
提案された ECPT 法の一般的な動作と物理的メカニズムは、EMS ツールを使用した数値シミュレーションによって分析および検証されます。既存の亀裂に対する電磁熱効果の多物理的相互作用が調査されます。明らかになった結果は、材料表面の不均一性と欠陥の検査に対する ECPT の有効性を確認しました。この手法は、高速でシンプルな NDT ツールとしての信頼性が証明されました。

参考文献

[1]- He, Min, Laibin Zhang, Wenpei Zheng, and Yijing Feng. "Investigation on a new inducer of pulsed eddy current thermography." AIP Advances 6, no. 9 (2016): 095221.