2022 Fiscal Year Research-status Report
バルクハウゼンノイズ磁気センシングを用いた鋼構造用高力ボルトの緩み評価
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21K04246
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山浦 真一 大阪工業大学, 工学部, 教授 (50323100)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | バルクハウゼンノイズ / 非破壊検査 / 高力ボルト / 鋼構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、橋梁等に使用する高力ボルトの締付状態を磁気バルクハウゼンノイズを用いて評価し、被災による過大な荷重・高温や経年劣化による鋼構造高力ボルト継手部の締結力低下を簡便迅速に判断する非破壊検査手法の確立を目指す。磁性材料が磁化する際の磁壁移動に伴って発生するバルクハウゼンノイズ信号が応力に敏感であることに着目し、ボルト部（およびその近接部）の高応力分布領域からのバルクハウゼンノイズ信号を検出し、信号中に含まれる周波数成分から応力信号成分および各種材料欠陥・材料組織由来の信号成分を分離してそれぞれの分布状況を高精度に推定することで、簡便迅速かつ非破壊・低コストな高力ボルトの緩み評価技術の確立を目的としている。
今年度（2022年度）は、鋼材内の応力状態がバルクハウゼンノイズに及ぼす影響を調べるため、Fe-Co-V磁性鋼材丸材に引張応力および曲げ応力を加え、バルクハウゼンノイズ信号との関係を調べた。鋼材丸棒の内側にノイズ検知用の銅エナメル線を巻き、その両側に励磁用の銅エナメル線を巻いて固定した。引張応力については、鋼材丸棒を垂直にして上端を固定し、下端に重りを吊り下げて引張応力を印加した。一方、曲げ応力については、鋼材丸棒を水平にして両端支持とし、棒材の中央に重りを吊り下げることによって曲げ応力を印加した。その結果、引張応力が増加するにつれて、バルクハウゼンノイズ実効電圧は上昇した。曲げ応力の場合は、曲げ応力が増加するにつれて、バルクハウゼンノイズ実効電圧は減少した。通常、ボルトを締めた時にはボルト軸には引張応力が加わるので、ボルトを締め付けてボルト軸力（引張応力）が増加すると、バルクハウゼンノイズ実効値は上昇することが分かった。この結果は、前年度の実験結果とも一致するものであった。
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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
今年度（2022年度）は、鋼材内の応力状態がバルクハウゼンノイズに及ぼす影響を調べるため、鋼材丸棒に引張応力および曲げ応力を加え、バルクハウゼンノイズ信号との関係を調べた。Fe-Co-V磁性鋼材丸棒の中央部に銅エナメル線を直接500回巻いてノイズ検知部を設置（ノイズピックアップコイル）し、その両側に片側700巻きずつ同様に銅エナメル線を巻いて励磁コイルとした。使用した鋼材丸棒の直径はφ2.5 mm、使用したエナメル線の直径はφ0.2 mmである。引張応力については、鋼材丸棒を垂直にして上端をバイスで固定して下端に重りを吊り下げ、引張応力0～1.94 MPaの範囲でバルクハウゼンノイズ信号の測定を行った。さらに曲げ応力については、鋼材丸棒を水平にして両端支持（支点間距離300 mm）とし、丸棒材の中央に重りを吊り下げて曲げ応力0～395 MPaの範囲でバルクハウゼンノイズ信号の測定を行った。バルクハウゼンノイズ信号データからノイズ波形のPeak-to-Peak電圧と実効電圧を導出して指標とした。その結果、引張応力が増加してもPeak-to-Peak電圧はばらつきが大きく傾向がほとんど見られなかった一方、引張応力の上昇とともに実効電圧には増加の傾向が見られた。さらに曲げ応力を印加した場合では、曲げ応力の上昇とともにPeak-to-Peak電圧、ノイズ実効電圧ともに減少傾向が見られた。曲げ応力の場合、梁（鋼材丸棒）の中立線より上側は圧縮応力、下側は引張応力となるが、今回の場合は、引張応力によってノイズ実効電圧は上昇することから、曲げ応力の場合は中立線の下側の引張応力よりも上側の圧縮応力の方がバルクハウゼンノイズに対する影響が大きかったことにより、全体的に得られたノイズ信号では実効電圧が減少する傾向が得られたものと思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、さらに高精度な実験を行い、高力ボルトの熱処理条件と微細組織、機械的特性、バルクハウゼンノイズ信号の間の関係をより詳細に検討する。得られたデータからバルクハウゼンノイズ発生メカニズム・要因を精査し、ノイズ波形の詳細な解析を行い、微細組織におけるバルクハウゼンノイズ発生サイト（析出物、材料欠陥等）の分布状況および付加される応力状態を詳細に調べ、微細組織とボルト締付力のそれぞれに由来するバルクハウゼンノイズ波形成分を特定・分離し、ボルト締付力の定量評価を試みる。そのため、ボルト周辺の締付応力をより精度良く調べるためにセンサヘッド部の形状を工夫し、さらにノイズセンサ部を試作する。ノイズセンサ部にはピックアップコイルやホール効果素子を検討する。加えて、高力ボルト継手部（高力ボルト＋H型鋼＋スプライスプレート）の模擬試験体を実際に製作し、ボルト締付力の調整や加熱による応力分布状況の変化を詳細に調べ、バルクハウゼンノイズ実効電圧との関係を調べる。最終的にはバルクハウゼンノイズ信号を用いた鋼構造ボルト継手部のボルト締付力の低下を高精度で測定・評価できる磁気バルクハウゼンノイズ高力ボルト非破壊検査システムの構築を目指す。
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| Causes of Carryover |
2022年度は依然として新型コロナウイルス禍の渦中にあり、計上していた旅費を使用することが困難であった。外国出張はもとより国内旅行においても慎重な出張、事前検査等が求められ、予算執行が困難であった。次年度はより詳細な実験を実施するとともに、データの分析、センサヘッドの試作、高力ボルト接合模擬試験体の作製等、消耗品の購入を進め、研究を鋭意遂行する予定である。
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