アクティブサーモグラフィー

アクティブサーモグラフィーは、外部励起後の試験対象材料の熱応答をサーモグラフィー測定によって測定する高度な非破壊検査手法である。この原理は、材料の非接触[ 1 ]赤外線非破壊検査（IRNDT）にも適用できる。[ 2 ]

IRNDT法は、外部光源による試験対象材料の励起をベースとし、材料にエネルギーを付与する。ハロゲンランプ、フラッシュランプ、超音波ホーンなどの光源をIRNDTの励起光源として用いることができる。励起によって試験対象材料は熱応答を示し、これを赤外線カメラで測定する。励起光源、励起手順、赤外線カメラ、評価方法を適切に組み合わせることで、試験対象材料の表面および表面下の欠陥や材料の不均一性に関する情報を得ることができる。[ 3 ]

高速・高感度赤外線カメラを搭載した最新のサーモグラフィシステムは、検査方法の可能性を広げます。システムのモジュール化により、研究開発用途だけでなく、最新の産業生産ラインにも活用できます。

サーモビジョンによる部品の非破壊検査は、様々な材料に対して実施できます。材料のサーモグラフィ検査は、ひび割れ、欠陥、空洞、空洞、その他の不均一性といった材料の欠陥を明らかにすることができる赤外線欠陥検査法とみなすことができます。[ 1 ]サーモグラフィ検査は、実験室で個々の部品に対して実施することも、稼働中の技術施設で直接実施することもできます。

理論

アクティブサーモグラフィーの原理の図。

アクティブサーモグラフィーは、測定対象を励起するために外部光源を使用します。つまり、対象物にエネルギーを導入します。励起光源は、原理によって以下のように分類できます。

アクティブサーモグラフィーおよび非破壊検査には、レーザー加熱、フラッシュランプ、ハロゲンランプ、電気加熱、超音波ホーン、渦電流、マイクロ波など、さまざまな励起源を使用できます。測定対象物は、ハロゲンランプや熱風などの外部源によって直接加熱できます。材料の不均質性または欠陥により、温度場が歪みます。この歪みは、材料表面の温度差として検出されます。もう 1 つの可能性は、材料内の熱物理的プロセスを使用することです。このプロセスでは、欠陥や不均質性により、機械的または電気的エネルギーが熱エネルギーに変換されます。これにより局所的な温度源が生成され、超音波励起の場合などの赤外線技術によって、対象物表面で検出される温度差が発生します。

方法

非破壊検査測定評価のためのアクティブサーモグラフィーには、多くの手法が開発されている。評価手法の選択は、用途、使用する励起源、励起の種類（パルス、周期、連続）によって異なる。最も単純なケースでは、サーモグラムから反応を直接観察できる。しかし、ほとんどの場合、高度な分析技術が必要となる。最も一般的な手法には、ロックイン、パルス、または過渡（ステップサーモグラフィー）評価手法があり、場合によっては連続励起が用いられる。[ 4 ]

  • ロックインサーモグラフィー[ 5 ] [ 6 ]（周期励起法）。励起には変調周期源を使用する。測定信号の位相と振幅のシフトを評価し、さまざまな技術で分析を行うことができる。ハロゲンランプ、LEDランプ、超音波、レーザー[ 7 ]または電流が適切な励起源である。この方法の利点は、広い表面に使用でき、検査対象部品にかかる熱エネルギーが低いことである。欠点は、測定時間が長く、検出能力が欠陥の幾何学的方向に依存することである（超音波などの間接励起を除く）。ロックイン法は、熱拡散率の低い部品の試験に適しており、さまざまな特定のアプリケーション（Lock-In Ref、Lock-In Onlineなど）向けに多くの改良が行われている。
  • パルスサーモグラフィー（パルス法）[ 6 ]非常に短いパルス（通常はミリ秒単位）を用いて対象物を励起し、その冷却過程を解析する。励起源としてフラッシュランプが用いられることが多い。この方法の利点は、解析速度が速く、欠陥の深さを推定できることである。欠点は、解析深度が限られていること、検査可能な領域が限られていること（励起源の使用可能な電力に関して）、そして検出能力が欠陥の幾何学的方向に依存することである。
  • 過渡サーモグラフィ（ステップサーモグラフィ、熱波法）。励起と評価は原理的にはパルスサーモグラフィと同様ですが、パルス長がはるかに長くなります。パルスサーモグラフィに比べて必要な励起光源は低出力です。そのため、ロックインサーモグラフィよりも広い領域を分析でき、測定時間は短くなります。パルスサーモグラフィと同様に、この方法の感度は欠陥の幾何学的配向によって制限されます。このタイプの評価にはハロゲンランプが適した励起光源です。
  • 連続励起。特殊な用途にのみ使用可能な最も簡単な方法です。

IRNDTアプリケーションでは、高感度で高速の冷却型赤外線カメラが一般的に使用されます。しかし、特定のアプリケーションでは非冷却型ボロメトリック赤外線カメラも使用可能です。これにより、計測システムの導入コストを大幅に削減できます。

赤外線非破壊検査システムは通常、モジュール式です。つまり、用途、検査対象材料、測定時間、検査対象エリアのサイズなどに応じて、様々な励起光源を様々な赤外線カメラと組み合わせ、様々な評価方法を適用できます。このモジュール構造により、システムは様々な産業、科学、研究用途に汎用的に使用できます。

アプリケーション

試験した試験片と IRNDT 分析結果のデモンストレーション。

IRNDT（赤外線非破壊検査）法は、材料の亀裂、欠陥、空洞、ボイド、不均一性の検出と検査に適しています。また、金属部品とプラスチック部品の溶接継手の検査、太陽電池とソーラーパネルの検査、材料の内部構造の判定などにも この方法を使用できます。

IRNDT法の主な利点は、幅広い産業用途および研究用途において、様々な材料の検査に利用できることです。IRNDT測定は高速、非破壊、非接触です。IRNDT法の制約条件は、検査深さに加え、材料内の欠陥／亀裂／不均質の寸法と方向を組み合わせることです。

レーザー溶接プラスチック部品の検査

欠陥のある溶接と正しい溶接が施されたレーザー溶接プラスチック部品の IRNDT 分析。

プラスチックのレーザー溶接は、光学特性の異なる材料を接合する革新的な技術です。金属組織学的切断顕微鏡分析やX線トモグラフィーといった、溶接性能や溶接継手の品質を試験するための従来の方法は、日常的な測定には適していません。パルスIRNDT分析は、多くの場合、溶接部の検査に効果的に使用できます。

画像は、欠陥のある溶接部と正常な溶接部を持つプラスチック部品の検査例を示しています。IRNDTフラッシュパルス解析の結果では、欠陥のある溶接部と正常な溶接部の隙間がはっきりと確認できます。

レーザー溶接継手の検査

溶接欠陥と重ね継ぎ目の正しい溶接を示す IRNDT 評価。

レーザービーム溶接は、溶融溶接の最新技術です。現在、科学研究分野だけでなく、様々な産業分野で広く利用されています。最も頻繁に利用されているのは自動車産業で、継続的な技術革新により、先進技術を迅速に生産に導入することが可能です。レーザー溶接はエンジニアリング設計を大幅に向上させ、従来の方法では製造できなかった多くの新製品を生み出していることは明らかです。

レーザー溶接は、極薄から極厚まで、様々な種類の素材に高品質な溶接を施すことができます。一般的な炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムおよびその合金、銅、チタン、そして特殊材料とその組み合わせも溶接可能です。

溶接部の製造において、品質管理は不可欠な要素です。従来の非破壊検査方法とは異なり、IRNDTはレーザー溶接工程後だけでなく、工程中にも使用されます。これにより、製造工程中に溶接部が定められた品質基準を満たしているかどうかを判断できます。

太陽電池の試験

アクティブサーモグラフィー、特にロックインサーモグラフィーは、太陽電池の検査に広く採用されています。[ 6 ] [ 8 ]ロックインサーモグラフィーは効果的ですが、励起のために太陽電池との物理的な接触が必要になることがよくあります。しかし、光源を使用して周期的に励起する技術を使用すると、電極のないセルの非接触テストが可能になります。照明付きロックインサーモグラフィー (ILIT) や開回路電圧照明付きロックインサーモグラフィー (VOC-ILIT) などの一般的な方法は、抵抗シャント、亀裂、開回路または短絡、および太陽光発電材料の劣化などの欠陥や問題を調査するために使用されます。調査中の別の方法であるパルスサーモグラフィーは、検査時間を大幅に短縮した非接触の代替手段を提供しますが、通常、ILIT 方法よりも検出能力が低くなります。

参考文献

  1. ^ a b Kotovshchikov, IO (2019-11-01). 「複合材料製品の品質を確保するための現代的な方法としてのアクティブサーモグラフィー」 . IOPカンファレンスシリーズ：材料科学と工学. 683 (1) 012076. doi : 10.1088/1757-899X/683/1/012076 . ISSN  1757-8981 .
  2. ^ Skala, J.; Svantner, M.; Tesar, J.; Franc, A. (2016-12-01). 「レーザー走査ヘッドの保護ガラス汚染のアクティブサーモグラフィー検査」 . Applied Optics . 55 (34): D60. doi : 10.1364/AO.55.000D60 . ISSN 0003-6935 . 
  3. ^ Švantner, Michal; Muzika, Lukáš; Moskovchenko, Alexey; Pereira, Celeste MC; Das, Shumit (2022年11月). 「炭素繊維複合材サンプルのフラッシュパルスサーモグラフィー検査の再現性に関する研究」 . Infrared Physics & Technology . 126 104350. doi : 10.1016/j.infrared.2022.104350 .
  4. ^ Budzier, Helmut; Gerlach, Gerald (2018), Ida, Nathan; Meyendorf, Norbert (eds.), "Active Thermography" , Handbook of Advanced Non-Destructive Evaluation , Cham: Springer International Publishing, pp.  1– 19, doi : 10.1007/978-3-319-30050-4_13-1 , ISBN 978-3-319-30050-4、 2024年11月20日閲覧{{citation}}: CS1 maint: ISBNによる作業パラメータ（リンク）
  5. ^ Choi, Manyong; Kang, Kisoo; Park, Jeonghak; Kim, Wontae; Kim, Koungsuk (2008-03-01). 「ロックイン赤外線サーモグラフィーによる基準試料の表面下欠陥の定量的検出」 . NDT & E International . 41 (2): 119– 124. doi : 10.1016/j.ndteint.2007.08.006 . ISSN 0963-8695 . 
  6. ^ a b c Muzika, L.; Švantner, M.; Kučera, M. (2018-06-20). 「太陽電池試験のためのロックインサーモグラフィーとパルスサーモグラフィー」 . Applied Optics . 57 (18): D90– D97. doi : 10.1364/AO.57.000D90 . hdl : 11025/29954 . ISSN 2155-3165 . 
  7. ^ An, Yun-Kyu; Min Kim, Ji; Sohn, Hoon (2014-07-01). 「レーザーロックインサーモグラフィーによる非塗装鋼構造物の表面破壊疲労き裂の検出」 . NDT & E International . 65 : 54–63 . doi : 10.1016/j.ndteint.2014.03.004 . ISSN 0963-8695 . 
  8. ^ Bauer, Jan; Breitenstein, Otwin; Wagner, Jan-Martin (2009-08-01). 「ロックインサーモグラフィー：太陽電池の故障解析のための多用途ツール」 . EDFA技術記事. 11 (3): 6– 12. doi : 10.31399/asm.edfa.2009-3.p006 . ISSN 1537-0755 . 
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