2020 Fiscal Year Annual Research Report
New Ultrasonic Thermometry Based on Reflectivity Measurements and Its Application to Materials Processing Monitoring at High Temperatures
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19H02477
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
井原 郁夫 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (80203280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松谷 巌 東京電機大学, 理工学部, 准教授 (00514465)
鎌土 重晴 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (30152846)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超音波サーモメトリ / 高温材料 / 非破壊計測 / 反射率 / 温度プロファイル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、スマートファクトリーの実現に不可欠となる革新的な非破壊計測・評価法の創成に関するもので、加熱材料の温度プロファイルならびに界面の材料特性・挙動をリアルタイムで計測するための新規な超音波法（反射率援用超音波サーモメトリ）を開発することを目的とする。このような革新的計測手法により、高温プロセス中の不確定情報の非破壊・定量的モニタリングの実現を目指す。
R２年度においては、高温材料のロバスト超音波計測システムの構築と、それに基づく加熱界面定量評価と温度プロファイリング法の高度化について検討した。また、高温用圧電探触子を導入し、その有用性について検証した。主な実施事項は次のとおりである。
（１）熱伝導解析を利用した超音波サーモメトリの空間分解能と時間応答性の向上手法について検討し、その有用性を理論的に検証した。次いで、熱履歴を受ける加工材料の内部温度モニタリングへの超音波サーモメトリの適用ならびに超音波パルスエコー法による裏面加熱材の状態モニタリング手法について理論的に検討し、その有用性を実験により検証した。さらに、超音波散乱波を用いた内部温度計測に関する基礎的検討に着手した。
（２）高温材料の複素反射率の空間・時間応答の高精度測定を実現するために、まず、２００度に耐える薄膜圧電センサを導入し、その高温性能を詳細に調べた。具体的には、対象物への設置方法、温度依存性、耐熱衝撃、耐熱疲労性、保護材の影響について検討し、反射エコー波形の安定性の観点から当該センサの有用性と適用限界を調べた。５００度高温センサに対する同様の実証実験についても着手した。これらの結果に基づいて、反射率に及ぼす加熱面の熱的および機械的境界条件の変動の影響を定量的に調べ、その活用法についても検討した。次いで、レーザ超音波法による同一面からの２次元パルスエコー計測のための計測システムの構築に着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
超音波サーモメトリを高温材料に適用するためには、まず、従来手法の問題（加熱面の状態変化に起因する測定の不安定性、解析に用いる初期条件や熱物性値の影響）を定量的に調べ、それを克服するための対策を講じる必要がある。また、高温計測に適した高温超音波手段を適切に活用することが不可欠である。
R２年度は、熱伝導解析を利用した超音波サーモメトリにおいて、その空間分解能と時間応答性を飛躍的に向上させる手法を新たに提案し、その有効性を理論的に検証した。次いで、熱履歴を受ける加工材料の内部温度モニタリングへの超音波サーモメトリの適用ならびに超音波パルスエコー法による裏面加熱材の状態モニタリング手法について理論的に検討し、それらの現場適用性を検証した。さらに、超音波散乱波を用いた新たな内部温度計測手法についても検討した。これらにより、超音波サーモメトリの汎用性、ロバスト性が格段に向上し、加熱面の境界条件の変動の影響を定量的に把握することができた。このようにR２年度の所期の目標の一つは概ね達成できた。
また、様々な高温材料の超音波計測実験を円滑に実施するためには、高温探触子を用いた安定的かつ高精度な超音波計測の実現が不可欠となる。昨年度の結果を踏まえて、２００度に耐える高温薄膜圧電センサを新たに導入し、その高温適用性を詳細に調べた。具体的には、対象物への設置方法の検討、温度依存性、熱衝撃の影響、熱疲労の影響、保護材の有無による薄膜センサの温度勾配の影響について精査し、反射エコー波形の安定性の観点から当該センサの有用性と適用限界を検証した。５００度高温センサに対する同様の実証実験を着手した。また、レーザ超音波法による２次元パルスエコー計測システムの構築に着手した。これらの成果は、次年度の高温実験において有効に活用される見込みである。
以上より、当該年度の研究は概ね順調に進展したと判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
R３年度は高温場のマルチチャンネル超音波計測システムを構築するとともに、これを駆使した鋳造プロセスの時間・空間モニタリングに取り組み、その有用性を実証する。
（１）マルチチャンネル高温超音波計測システムの開発
高温場（高温材料ならびに加熱界面）での超音波パルスエコーの空間・時間応答の高精度測定を実施するために、(i)マルチチャンネル超音波パルサー/レシーバを駆使した高温計測システムの構築、(ii)レーザ超音波法を用いた２次元パルスエコー計測の活用について検討する。まず、８チャンネル超音波パルサー/レシーバを導入し、これをLabVIEW計測・解析ソフトとリンクすることで、汎用性の高い８チャンネル超音波計測システムを構築する。また、高温計測が可能な薄膜圧電振動子を複数個導入し、その高温下でのロバスト性を実証する。次いで、高温場での超音波サーモメトリと定量的材料評価に効果を発揮する横波計測について検討する。縦/横モード変換プローブを設計・試作し、高温場での性能評価とロバスト性を検証する。さらに、昨年に続いてレーザ超音波法の活用について検討する。ここでは、レーザースキャニングによる２次元パルスエコー計測の実証実験を行う。これらの結果に基づいて、高温材料加工プロセスのマルチポイントモニタリングの実証実験モデルについて検討する。
（２）金属凝固プロセスの時間・空間モニタリングの試み
金属凝固プロセスモニタリングの模擬実験を実施する。まず、溶融金属の凝固プロセスの超音波計測が可能な実験装置を試作する。この際、先に構築したマルチチャンネル高温超音波計測システムを活用し、溶融金属の湯流れや凝固にともなう過渡現象を、多点かつリアルタイムでモニタリングすることを試みる。さらに、横波を駆使した加熱材料界面の温度プロファイリングを試みる。
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