ファスナーのひび割れを非破壊で検出する｜専門家のヒントを紹介します。

本稿では、ひび割れ検出技術の現状について、その利点と限界、ホットな話題や今後の開発の方向性などをまとめている。ウェーブレット解析と電磁パルス非破壊検査を中心に、既存のファスナー亀裂検出法に基づいている。

ファスナーは、機械、建築、橋梁、石油生産など様々な工学分野で広く利用されている。大型構造物の基本部品であるファスナーは、使用中に亀裂、腐食、ピット、人為的損傷など様々な欠陥の影響を受けやすい。

ひび割れ欠陥は、構造物や施設の安全性と信頼性に重大な脅威をもたらすため、ひび割れ検出は構造評価の重要な側面となっている。ひび割れ検出には、機械構造物のひび割れを特定・評価し、その位置と範囲を特定することが含まれる。

近代的な機械製造、エレクトロニクス、コンピューター技術の進歩に伴い、非破壊検査（NDT）は大幅に改善され、高度な亀裂検出技術の開発につながった。

この記事では、従来の亀裂検出法の概要を説明し、ウェーブレット解析と電磁（渦電流）パルスに基づく最新のNDT法に焦点を当てる。さらに、ファスナーのき裂検出技術における現在のホットな話題と今後の開発の方向性についても取り上げています。

1.従来のひび割れ検出法

伝統的なひび割れ検出技術は数多くあり、それらは従来型検出法と非従来型検出法の2つのグループに分類できる。

従来の検出方法には、渦電流探傷試験、浸透探傷試験、磁粉探傷試験、放射線探傷試験、超音波探傷試験などがある。一方、非従来型の検出方法には、アコースティック・エミッション検査、赤外線検査、レーザー・ホログラフィック検査などがある。

(1) 定期的な検査方法

現在、機械、建設、石油生産などの工学分野では、従来の試験方法が単純な亀裂検出に広く使用されている。その方法は機関によって異なる。

例えば、超音波探傷検査は、主に金属板、パイプ、棒材、鋳造品、鍛造品、溶接部の検査や、橋梁や住宅建設などのコンクリート構造物の検査に使用されます。X線検査は主に、機械、兵器、造船、エレクトロニクス、航空宇宙、石油化学などの産業における鋳物や溶接の検査に使用される。磁粉探傷検査は、主に金属鋳物、鍛造品、溶接部の検査に使用されます。浸透探傷検査は、主に鋳造品、鍛造品、溶接品、粉末冶金部品、セラミック、プラスチック、ガラス製の非鉄・鉄金属製品の検査に使用されます。渦電流探傷検査は、主に導電性パイプ、ロッド、ワイヤーの探傷と材質選別に使用されます。

ファスナーの亀裂検出には、超音波検査と渦電流検出が使用できる。例えば、ある実験的研究では、ファスナーの小さな亀裂に最適な渦電流検出パラメータを発見した。この研究の結果、最適な検出パラメータは、小さな亀裂の渦電流検出パラメータと位相信号の間に線形関係があることが示された。これは、棒鋼の小さな亀裂検出の精度を向上させ、外部ファスナーの渦電流検出パラメータを選択する上で重要である。しかし、渦電流検出は干渉要因が多く、特別な信号処理技術を必要とする。

ひび割れ検出に用いられるもう一つの方法は、ラム波伝搬エネルギースペクトル構造ひび割れ検出法で、強力な貫通能力、高感度、速度と利便性で知られている。しかし、この方法には死角や閉塞といった限界があり、その結果、近接き裂を見逃してしまう可能性がある。また、発見された欠陥を定量的・定性的に評価することも困難である。

ほとんどのファスナーでは、磁粉探傷法や蛍光探傷法が用いられている。これらの方法は比較的効率的であるが、人手と材料資源を消費し、人の健康を損なう可能性がある。また、人為的要因による検査漏れもしばしば発生する。

(2) 従来とは異なる試験方法

従来の試験方法でファスナーの亀裂を検出できない場合、代替方法として従来とは異なる試験方法を採用することができる。

一般的に使用されている非従来型の亀裂検出法には、次の3つがある：

1）アコースティック・エミッション技術。

アコースティック・エミッション技術は、耐圧機器におけるき裂検出の最先端手法として広く認知されています。圧力容器やパイプラインの安全性評価、航空宇宙や複合材料のき裂検出などに利用されています。回転機械のき裂診断の分野では、主に回転シャフト、ギア、ベアリングのき裂検出に使用されています。

アコースティック・エミッションの主な利点の1つは、外部からのエネルギーではなく、検査対象物から放出されるエネルギーを使用する動的検出法であることだ。 非破壊検査 超音波検査やX線検査のような装置を使用することができます。そのため、欠陥に対する感度が非常に高く、構造物全体の有効欠陥の状態を検出・評価することができる。

しかし、考慮すべき欠点もある。アコースティック・エミッションの検出は、被検査材質の影響を大きく受け、試験環境中の電気的・機械的ノイズによって妨害される可能性がある。さらに、位置決め精度の低さによって検出精度が制限されることがあり、亀裂の特定から得られる情報は限定的な場合が多い。

2）赤外線検出。

赤外線非破壊検査（NDT）技術は、電力機器、石油化学機器、機械加工、火災検出、農作物分析、材料や部品の欠陥検出など、さまざまな産業で広く利用されています。

赤外線非破壊検査の大きな利点は、安全で信頼性が高く、人体に無害で高感度な非接触検査技術であることです。検出範囲が広く、スピードが速く、検査対象物に衝撃を与えません。また、長距離でも高い空間分解能を発揮します。

しかし、考慮すべき欠点もあります。赤外線の検出感度は試験片の熱放射率に依存し、表面干渉や背景放射の影響を受けることがある。元の試料の解像度が低いため、欠陥の形状、大きさ、位置を正確に測定することが難しく、特に欠陥が小さかったり深く埋もれていたりする場合には困難です。

さらに、検査結果の解釈は複雑で、参照標準を必要とし、オペレーターはこの技術を効果的に使用するための訓練が必要である。

3) レーザーホログラフィック検出。

レーザーホログラフィック検出は、主にハニカム構造、複合材料、固体ロケットモーターのシェル、絶縁層、コーティング層、推進剤粒界面など、さまざまな構造物の欠陥検出検査に利用されています。また、プリント基板のはんだ接合部の品質評価や圧力容器の疲労亀裂の検出にも使用されています。

この方法には、使いやすさ、高感度、検査対象物に対する特別な要件がないこと、欠陥の定量分析が可能であることなど、いくつかの利点がある。

しかし、その欠点のひとつは、深く埋もれた剥離欠陥を検出できるのは、剥離面積がかなり大きい場合だけだということである。

さらに、レーザーホログラフィック検出は通常、暗室環境と厳密な防振対策を必要とするため、現場でのテストには適しておらず、ある種の制約がある。

2.最新の新しい亀裂検出技術

科学技術の進歩に伴い、機械、建設、石油生産などさまざまな工学分野で、より高度なひび割れ検出方法に対する需要が高まっている。このため、ひび割れ検出のための新しい技術が登場している。

信号処理と電磁（渦電流）パルス非破壊検査は、ひび割れを検出するために一般的に使用され、効果的な新技術の2つです。これらの方法は、さまざまな用途でひび割れを特定するための効率的で信頼性の高いソリューションを提供します。

(1) ウェーブレット解析に基づく亀裂検出法

信号処理技術の進歩に伴い、フーリエ変換、短時間フーリエ変換、Wigner-Ville分布、Hilbert-Huang変換（HHT）、ブラインド音源分離などの時間領域、周波数領域、時間-周波数領域の方法を含む、信号処理に基づくいくつかのひび割れ検出方法が出現している。

これらの手法の中で、ウェーブレット解析は最も広く使われており、代表的なものである。

ウェーブレット解析を用いた亀裂の識別方法は、2つのカテゴリーに分けられる：

時間領域応答解析法：

この方法は、時間領域での分解マップの特異点、ウェーブレット係数の変化、ウェーブレット分解後のエネルギー変化を利用する。この方法の目的は、き裂損傷が発生する瞬間を特定することである。

空間反応に基づく分析手法：

この方法は、空間領域の応答を入力として、ウェーブレット解析に時間領域の応答信号の時間軸の代わりに空間軸の空間位置を使用する。この方法により、亀裂の位置を決定することができる。

ウェーブレット法そのものは、損傷が発生した瞬間か損傷の位置しか特定できないが、前者の方が応用範囲が広い。小さなひび割れを特定するには、ウェーブレット解析を他の手法と組み合わせる必要がある。

(2) 電磁（渦電流）パルス非破壊検査

電磁気技術は、超音波検出、渦電流イメージング、渦電流アレイ、パルス渦電流検出などの複数の機能を組み合わせて、電磁気検査のための高度な新技術を形成する。

一般的な亀裂検出技術には、パルス渦電流検査、パルス渦電流サーモグラフィ、パルス渦電流と電磁超音波探触子（EMAT）を用いたデュアルプローブ非破壊検査、金属磁気メモリ検査技術などがある。

パルス渦電流試験では、コイルにパルス電流を流し、検出プローブによって誘起される時間領域の過渡応答信号を解析し、信号のピーク値、ゼロクロス時間、ピーク時間を選択することでクラックを定量的に検出する。

国防科技大学の楊斌峰氏らの研究により、パルス渦電流は1回のスキャンで異なる深さのひび割れを定量的に検出できることが示された。パルス渦電流試験の代替技術としてハーモニックコイルを使用する研究者もいる。

しかし、パルス渦電流信号のピーク値は、リフトオフ効果などの他の要因に影響されやすく、パルス渦電流プローブの検出能力も亀裂検出に影響する。

パルス渦電流イメージング機器は、コイルを検査センサーとして使用し、ホールセンサーを使用するものもある。近年、超量子干渉計が非破壊検査の分野で使われ始めている。

パルス渦電流サーモグラフィ技術は、他の検出技術に見られるリフトオフ効果を排除し、正確なイメージング結果を保証します。一部の研究者は、ガウシアンビーム形状のYNGレーザービームをサーモグラフィ表面に照射しています。 メタルシートパルス渦電流と電磁音響変換器の検出技術を使用。レーザービームが亀裂に照射されたときの超音波波形の急激な変化や周波数成分の急激な増加を検出することで亀裂を特定する。

3.亀裂研究のホットスポット

ファスナーの亀裂検出に関する現在の研究は、主に従来の方法に依存している。検出技術を進歩させ、実用上の課題に対処するために、き裂損傷同定の焦点は、不確実性を考慮した統計的同定方法とファスナー内のマイクロクラックの検出という2つの重要な分野に移行しています。

き裂損傷検出には不確実性が内在するため、システム同定問題に取り組むためには統計的推論手法を適用する必要がある。損傷同定の研究が進むにつれて、特にシステム同定やパターン認識の応用において、確率論的統計理論に基づく手法が重視されるようになってきている。

ファスナーのマイクロクラックを検出する方法には、工業用コンピュータ断層撮影法（ICT）やレーザー支援加熱によるレーザー超音波投影法などがあるが、それぞれに限界がある。ICTベースのマイクロクラック検出は、クラックと背景の間のグレー値のコントラストが不十分な場合、画質と詳細解像度に苦労することがあります。さらに、VG Studio MAXソフトウェアを使用して、すべてのマイクロクラックを含む空間範囲を正確に定義することは、依然として困難である。レーザー超音波投影法は有望ではあるが、操作が複雑で過酷な環境には不向きであり、さらなる改良の必要性を示している。

経済発展とともに産業要件が進化するにつれ、ファスナーの亀裂検出方法に対する要求はますます厳しくなっています。将来の検出システムは、以下のようなものを提供する必要があります：

1. リアルタイム・オンライン・モニタリング機能
2. 高い感度と精度
3. シンプルな操作性
4. 外部干渉への耐性
5. 過酷な環境下での機能性
6. クラックの位置、サイズ、幅、深さ、伝播傾向を迅速かつ正確に検出
7. 分析用の試験結果の視覚的表示
8. 効率的な処理による高速検出
9. 直感的な結果解釈

このような要求を満たすために、パターン認識のための機械学習アルゴリズム、フェーズドアレイ超音波のような高度な非破壊検査（NDT）技術、および新しいセンサー技術のような新しい技術が研究されている。これらの技術を従来の手法と統合することで、様々な産業用途におけるファスナーのより強固で汎用性の高い亀裂検出システムが実現する可能性がある。

4.結論

ファスナーの亀裂損傷の識別に関して広範な研究が行われているが、現在の損傷識別方法や指標は従来の検出方法に限られている。検査機器のコスト、使用環境、人的要因を考慮すると、ファスナーにおける複数の亀裂やマイクロクラックの検出は、現在注目されている研究分野である。

ファスナー亀裂検出の開発方向は、迅速な位置決め、正確な定量化、検出精度と信頼性の向上、迅速かつ効果的な亀裂検出を実現することである。