本特集は「検査・計測方法が未確立の対象における非破壊計測技術」と題し，本協会の「新素材に関する非破壊試験」部門が担当した。
本部門の前身となる特別委員会が発足した1986 年は，東レ（株）が引張強さ7000 MPa の炭素繊維の開発に成功した年であり，炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は，その2 年後の1988 年にはエアバスA320 の尾翼の一次構造材として，さらに2 年後の1990 年にはボーイングB777 の一次構造材として採用された。本部門ではこれまで各種新素材の非破壊検査を取り上げてきたが，このような時代背景もありCFRP を取り上げることが多かった。さて，前身の特別委員会の発足から30 年以上が経過した現在，CFRP は様々な分野で幅広く使われるようになり，ものを作るための素材という立場では新素材とは言えなくなった。一方，検査を受ける素材という立場に立つと，CFRP は検査法が確立しているとはいい難い。そこで本部門では，検査方法が確立していない材料を新素材と定義し，これまで取り上げていたCFRP に加えて新たな材料も対象とすることを検討している。本特集号もそのような考えの下，幹事会で議論して構成を考えた。
「レーザ超音波可視化技術を利用した構造部材の非破壊検査」は，（国研）産業技術総合研究所の遠山氏に執筆をお願いした。CFRP とアルミニウムの接着接合部をレーザ超音波可視化技術で検査する事例と，AI（人工知能）を用いて欠陥を自動検出する方法についてご紹介頂いた。「非接触音響探査法を用いたアルミハニカムパネルのはく離欠陥検出」は，桐蔭横浜大学の杉本氏にご執筆頂いた。アルミ板とハニカム間のはく離を非接触で検出する方法を紹介して頂いた。この方法は遠隔からでも検査が可能であり，今後様々なアプリケーションへの適用が期待できる。「穿孔法によるエンジニアリングプラスチックの残留応力測定」は（株）IHI 検査計測の郡氏に執筆をお願いした。短繊維強化プラスチックの残留応力を，異方性を考慮した穿孔法により測定する方法をご紹介頂いた。残留応力は時間依存形破壊に影響を及ぼすため，今後，このような測定技術へのニーズが高まると考えている。「ロケット燃焼室銅合金のクリープ疲労損傷度評価に関する研究」は（国研）宇宙航空研究開発機構の竹腰氏にご執筆頂いた。銅合金は一見すると本部門の定義でも新素材には思えないかもしれないが，高温使用時に発生するクリープ疲労損傷に対しては非破壊評価法が確立していない。今回は陽電子消滅法と渦電流探傷法でクリープ疲労損傷を評価した結果を紹介して頂いた。「状態監視保全への機械学習の適用」は筆者が担当したが，今後，様々な材料の検査に適用できる可能性がある機械学習の手法を紹介させて頂いた。
本部門では年に1 ～ 2 回，シンポジウムを開催している。「検査法」ではなく，「材料」でフィルタをかけた部門のシンポジウムであり，様々な検査法の専門家が幅広い分野から集まる。一つの検査手法に限定して集中的な深い議論はできないが，様々な分野の各種非破壊検査技術の最新情報が得られる場となっており，セレンディピティ（Serendipity）を発揮できる場ともなっている。この特集号を通して本部門にご興味を持った方は本部門に登録して頂きたい。
Non-Destructive Inspection by Visualization of Laser-Induced Ultrasonic Waves
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) Nobuyuki TOYAMA
Jiaxing YE and Wataru KOKUYAMA
Kyushu University Shigeki YASHIRO
キーワード:レーザ超音波，超音波可視化,超音波探傷試験，非接触超音波計測，機械学習
はじめに
社会インフラ，各種産業分野の構造物の定期検査や製品の品質管理のための検査などに適材適所の非破壊検査手法が選定され，実施されている。中でも超音波探傷検査，特に超音波パルスエコー法は簡便に内部欠陥を検出できることから幅広く用いられている手法であり，検査の適用範囲が年々拡大してきている状況である。ただし，超音波探傷検査で計測される超音波信号の解釈は一般的に難しく，また超音波探触子を構造物表面に接触させながら手動あるいは機械的に走査を行う必要があるため，大型構造物の検査には膨大な時間と労力を要し，複雑形状の構造部材については走査自体が不可能となる場合もある。
当所では，これらの課題を克服するために，パルスレーザを任意形状の被検体表面で非接触走査させ，励起された超音波を被検体表面に設置した超音波探触子で検出し，その伝搬する様子を可視化する技術を開発した１）。超音波は一般的に縦波や横波といった複数のモードでそれぞれが異なる速度で伝搬し，欠陥や境界部でそれらの散乱，反射，モード変換などが生じるため，検出信号が複雑になり，欠陥に起因するエコーだけを正確に抽出することが極めて困難になる。これに対して，超音波が伝搬する様子を可視化することで，検出信号の解釈が飛躍的に容易になり２），３），汎用的な超音波探傷検査では検出困難であった一部の欠陥についても検出可能になった。さらに，当初はパルスレーザの走査にメカニカル回転ステージを使用していたが，ガルバノスキャナに切り替えることによって走査速度が百倍以上高速になり，実用的な超音波探傷検査の一手法になった。本手法は任意形状の構造部材に適用可能であり，操作性にも優れ，迅速な検査手法であることから，これまで幅広い産業分野の非破壊検査に適用し，限界はあるものの，その有効性を実証してきた４），５）。現在，本レーザ超音波可視化技術の非破壊検査へのさらなる適用拡大を図るために，超音波の検出に接触式超音波探触子からレーザ干渉計に切り替えた完全非接触超音波計測技術，機械学習を超音波画像解析に適用した欠陥自動検出技術などの開発を進めている。
本稿では，当所で開発したレーザ超音波可視化技術について，その原理，各種構造部材の非破壊検査への適用例，さらに現在当所で進めている最新の研究開発について紹介する。
Residual Stress Measurement of Engineering Plastics
by the Hole-Drilling Method
IHI Inspection & Instrumentation Co., Ltd.
Ami KOHRI, Yuhei SUZUKI and Takao MIKAMI
キーワード:残留応力，穿孔法，プラスチック，異方性
はじめに
近年，耐熱性や強度等に優れた高性能なプラスチック材料が開発されている。これらは，エンジニアリングプラスチック（エンプラ）と呼ばれ，その性能と，軽量，加工のしやすさといった特徴から工業部品へ積極的に取り入れられてきている。
残留応力は，これまで金属材料においてしばしば問題になっていたが，プラスチック部品内にも一般的に存在しており，製品の品質に影響を与える。そのため，プラスチック材料についても残留応力測定ニーズは高まってきている。
残留応力測定方法には種々の手法が存在するが，プラスチック材料については，穿孔法が最も有力な方法であると考えられる。
穿孔法はASTM E837-13a で規格化された残留応力測定法であり，この手法は深さ方向に均一な残留応力だけでなく，不均一な残留応力の測定にも適用できる１）−３）。また，主応力とその方向も測定できるため，得られる情報量も多い。規格の適用範囲は均質等方性材料に限定され，これまで主として金属材料に適用されてきたが，等方性プラスチック材料にもそのまま適用できる。しかし，エンプラの中には，強度や剛性等をさらに強化するために，ガラス等の短繊維を添加して成形することがあり，これらは樹脂の流れ方向：MD（MachineDirection）とその垂直方向：TD（Transverse Direction）で異方性を有している。異方性を考慮した解析方法は規格の範囲外になるが，複数の研究者によって報告されている。Schajerらは均質直交異方性材料に適用できる解析法４）を， Pagliaroらは直交異方性積層材料にも拡張できる解析法を提案している５）。ただしこれらは，深さ方向に均一な残留応力分布を想定した解析となる。
本稿では，異方性を有するエンプラ板材に対して，4 点曲げにより既知の応力を負荷し，Schajer らが提案した異方性を考慮した解析方法と比較した結果を紹介するとともに，他の解析方法で評価した結果についても紹介する。
Residual Stress Measurement of Engineering Plastics
by the Hole-Drilling Method
IHI Inspection & Instrumentation Co., Ltd. Ami KOHRI, Yuhei SUZUKI and Takao MIKAMI
キーワード:残留応力，穿孔法，プラスチック，異方性
はじめに
近年，耐熱性や強度等に優れた高性能なプラスチック材料が開発されている。これらは，エンジニアリングプラスチック（エンプラ）と呼ばれ，その性能と，軽量，加工のしやすさといった特徴から工業部品へ積極的に取り入れられてきている。
残留応力は，これまで金属材料においてしばしば問題になっていたが，プラスチック部品内にも一般的に存在しており，製品の品質に影響を与える。そのため，プラスチック材料についても残留応力測定ニーズは高まってきている。
残留応力測定方法には種々の手法が存在するが，プラスチック材料については，穿孔法が最も有力な方法であると考えられる。
穿孔法はASTM E837-13a で規格化された残留応力測定法であり，この手法は深さ方向に均一な残留応力だけでなく，不均一な残留応力の測定にも適用できる１）−３）。また，主応力とその方向も測定できるため，得られる情報量も多い。規格の適用範囲は均質等方性材料に限定され，これまで主として金属材料に適用されてきたが，等方性プラスチック材料にもそのまま適用できる。しかし，エンプラの中には，強度や剛性等をさらに強化するために，ガラス等の短繊維を添加して成形することがあり，これらは樹脂の流れ方向：MD（Machine Direction）とその垂直方向：TD（Transverse Direction）で異方性を有している。異方性を考慮した解析方法は規格の範囲外になるが，複数の研究者によって報告されている。Schajerらは均質直交異方性材料に適用できる解析法４）を， Pagliaroらは直交異方性積層材料にも拡張できる解析法を提案している５）。ただしこれらは，深さ方向に均一な残留応力分布を想定した解析となる。
本稿では，異方性を有するエンプラ板材に対して，4 点曲げにより既知の応力を負荷し，Schajer らが提案した異方性を考慮した解析方法と比較した結果を紹介するとともに，他の解析方法で評価した結果についても紹介する。
Research on the Evaluation Techniques of Creep-Fatigue Damage
of Copper Alloy Rocket Combustion Chambers
Japan Aerospace Exploration Agency Masao TAKEGOSHI
キーワード:ロケットエンジン燃焼室，銅合金，損傷度評価，陽電子消滅法，渦電流探傷法，クリープ疲労破壊
はじめに
近年アメリカ合衆国のSpaceX 社１）が，Falcon9 ロケットおよびFalcon Heavy ロケットの打上げ後，切り離されて落下してくる1 段目のロケットを海上の無人船および陸上に着陸させることに成功し，さらに，2017 年には，回収したロケットのエンジンを整備し，再打ち上げに成功した。日本においては再使用ロケットの実証機RV-X ２）や，海外との協力で進められているCallisto ３）と呼ばれる再使用ロケットのプロジェクトが進められており，再使用ロケットに関する研究開発が活発化している。
日本のH-II A，H-II B ロケットのエンジンであるLE-7A エンジンや，現在開発中のH3 ロケットのLE-9 エンジンは，図1のように銅合金の内筒の外側に軸方向に細い溝を切り，これを銅電鋳で蓋をして燃料が流れる矩形断面の冷却通路を形成し，この外側にニッケル基合金の外筒をかぶせて電子ビーム溶接等で接合して強度を持たせている。LE-7A やLE-9 エンジンの燃焼室は，圧力10 MPa 以上，3000 K 以上の燃焼ガスにさらされており，内筒の銅合金は，着火・燃焼・停止の繰り返しによる大ひずみ振幅の極低サイクル疲労と定常燃焼中の定応力クリープ変形により急速に損傷が蓄積するため，エンジン部品の中で最も寿命の短い部品の一つとしてあげられる４）−６）。
このような寿命の短い部品において，再使用における信頼性や安全性を保証しようとする場合，健全性評価技術や余寿命評価技術の確立は重要な課題である。この課題解決のため，燃焼室銅合金の寿命を左右するクリープ疲労破壊に焦点をあて，非破壊検査により定量的に材料の損傷度を測定・評価する技術の確立を目標としており，材料特性評価，非破壊検査試験，実機燃焼室での計測手法に関する研究を通して，燃焼室の健全性評価および余寿命予測を実現したいと考えている。
本稿では，2015 年度から2018 年度まで実施した宇宙航空研究開発機構，大阪大学，東北大学，日本大学，（有）超音波材料診断研究所，物質・材料研究機構，産業技術総合研究所の7 機関での共同研究で得られた結果と課題について紹介する７）− 11）。
Machine Learning for Condition Monitoring Maintenance
Tokyo Institute of Technology Yoshihiro MIZUTANI
キーワード:状態監視保全，アコースティック・エミッション試験，機械学習，
クラスタリング，k-means, PCA，LOC
はじめに
機械・構造の保全方法として，状態監視保全（Condition Based Maintenance：CBM） が注目されている。CBM では，機械・構造物の各所に取り付けたセンサで計測した，圧力，温度，振動などの情報を，異常検知や次回の検査時期決定などに役立てている。この検知や決定には，計測した情報の解釈が重要となるが，昨今ではこの解釈に機械学習を活用する例が増えてきている。本稿では，これから状態監視に機械学習を取り入れようとしている方，もしくは単に機械学習に興味がある方を対象に，データ取得の際に注意する点，データの前処理／表示／解析方法などを紹介する。具体的なデータに基づいて説明した方が分かりやすいので，本稿ではAE（Acoustic Emission）試験のデータを用いるが，ここで紹介する内容はAE データの取り扱いに限定されるものではない。また，今回は機械学習のなかでは教師なし学習に属するk-means 法，PCA 法，LOF 法を取り上げるが，教師あり学習については，本稿と同じデータを用いて別誌１）で解説しているので，参考にして頂きたい。
Development of Magnetic Flux Leakage Testing Using Residual Magnetism
of Pulsed Magnetization
Natsuki OGURA and Yasumoto SATO
Abstract
In a flaw inspection of ferromagnetic materials by Magnetic Flux Leakage Testing (MFLT), the object to be inspected is sometimes saturated magnetically throughout the flaw inspection. This processing is used to reduce magnetic noise due to a variation of magnetic properties in ferromagnetic materials. However, the processing of the magnetic saturation throughout the flaw inspection leads to an increase in the power consumption. Therefore, we considered MFLT with pulsed magnetic saturation and found that the magnetic noise can be drastically reduced by applying MFLT after an instantaneous magnetic saturation with the pulsed magnetization. Based on the findings, we developed a novel MFLT using residual magnetism of pulsed magnetization. Detections of a flaw by the developed MFLT and the conventional MFLT (without the magnetic saturation) were conducted for a flat plate specimen made of SS400 with an artificial flaw. As the results, the signal to noise ratio of the flaw detection by the developed MFLT was enhanced 6.6 times than that of the conventional MFLT. Accordingly, the developed MFLT is expected as a new flaw inspection method for ferromagnetic materials.
Key Words : Magnetic flux leakage testing, Pulsed magnetization, Residual magnetism, Flaw detection
緒言
鋼材の表面きずに対する非破壊検査法の1 つとして，被検査体を磁化したときにきずの近傍で空気中に漏洩する磁束を利用する漏洩磁束法が広く知られている１）。
漏洩磁束を可視化するのに磁粉を用いる手法を磁粉探傷試験と呼び，この手法は，きず深さの定量評価は困難であるが，極めて微小な表面きずを検出できる。また，近年ではきずの定量評価法を確立するため，磁粉が付着する様子を高速度カメラで撮影し，付着した磁粉量からきずの形状を評価する手法も検討されている２）−５）。
漏洩磁束を磁粉の模様から直接観察する磁粉探傷試験に対し，コイルや磁気センサを用いて電気信号として検出する手法を漏洩磁束探傷法（MFLT：Magnetic Flux LeakageTesting）と呼ぶ。漏洩磁束探傷法は漏洩磁束量に応じた電気信号が得られるため，電気信号に閾値を定めることできずの自動探傷を容易に実現できる。ただし，コイルや磁気センサを被検査体の表面付近で走査する必要があるため，平鋼や棒鋼をはじめとした単純な形状に適用されることが多い６）。
漏洩磁束探傷法ではしばしば強磁性体特有の磁気特性のばらつきによる影響で，きずによる信号と磁気ノイズによる信号の識別が困難になる場合がある。磁気ノイズを低減するため，被検査体を磁気飽和領域まで磁化させて漏洩磁束を測定することもあるが，被検査体を磁気飽和するために，磁化器の励磁コイルに10 A を超える電流を連続的に印加しなければならず，励磁コイルの発熱が問題になる。また，大電流を連続的に印加できる大容量の電源設備が必要である。
そこで本研究では，被検査体の磁気飽和に要する消費電力の低減と，励磁コイルの発熱問題を解決するため，周期的に磁化のオンとオフを繰り返すパルス磁気飽和（以降，パルス磁化と称す）手法を採用した。また，周期的に磁化のオンとオフが繰り返される被検査体に対して漏洩磁束探傷法を適用するタイミングを検討した結果，磁化がオフの期間に移行し，残留磁気を帯びた状態になってから一定の時間経過後に漏洩磁束探傷法を適用すると，高い信号対雑音比で表面きずを検出できることを見出した。この知見に基づき本研究では，パルス磁化後の残留磁気を利用する新しい漏洩磁束探傷法を提案する。
本研究で提案する新しい漏洩磁束探傷法によるきずの検出性を評価するため，人工きずを導入したSS400 材の平板試験片に対しきず検出時の信号対雑音比を評価し，一般的な漏洩磁束探傷法による結果と比較することでその有効性を示した。
