JP6394513B2 - 残留応力測定装置及び残留応力測定方法 - Google Patents

Description

本発明の種々の側面は、残留応力測定装置及び残留応力測定方法に関する。

特許文献１には、Ｘ線を用いて測定対象物の残留応力を測定する装置が記載されている。この装置は、Ｘ線を測定対象物へ出射するＸ線出射器、測定対象物の回折光を受光するイメージングプレート、イメージングプレートを回転させる回転機構、イメージングプレートからの読み出しを行うレーザ装置、及び、これらの構成要素を制御するコントローラを備えている。

コントローラは、残留応力に対応した回折環の形状をリファレンスとして予め記憶している。そして、この装置は、測定対象物からの回折光をイメージングプレートで受光し、回転機構でイメージングプレートを回転させながらレーザ装置で受光強度を読み出して回折環を取得し、取得した回折環の形状とリファレンスの回折環の形状とを比較する。そして、この装置は、最も近い形状の回折環に対応した残留応力を測定対象物の残留応力として算出する。測定した回折環が不連続である場合、この装置は、回折環の形状に基づいてｃｏｓα法により残留応力を算出する。

特開２０１３−１１３７３４号公報

しかしながら、特許文献１記載の装置は、残留応力の測定に時間がかかるおそれがある。例えば、イメージングプレートを回転させて信号を取得する必要があるため、信号読み出しに時間がかかるおそれがある。本技術分野では、残留応力の測定時間の短縮が望まれている。

本発明の一側面に係る残留応力測定装置は、測定対象物にＸ線を照射するＸ線発生源と、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置で検出する第１検出素子と、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置とは異なる第２検出位置で検出する第２検出素子と、Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿って第１検出素子及び第２検出素子をそれぞれ移動させる移動機構と、移動機構を駆動させて第１検出素子及び第２検出素子のそれぞれの検出位置を制御する移動制御部と、移動機構により第１検出素子及び第２検出素子がそれぞれ移動することによってそれぞれ検出された回折Ｘ線の強度ピークに基づいて、測定対象物の残留応力を算出する応力算出部と、を備える。

この装置では、移動機構及び移動制御部により、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置で検出する第１検出素子、及び、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置とは異なる第２検出位置で検出する第２検出素子を備える。このように構成することで、一度のＸ線の照射で２角度の回折Ｘ線を得ることができる。さらに、第１検出素子及び第２検出素子のぞれぞれは、Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿って移動することで、Ｘ線強度分布（回折ピーク）を素子ごとに取得することができる。また、少なくとも２つの回折ピークを取得することにより、測定対象物の残留応力を算出することができるため、イメージングプレートを回転させて回折環の全てのデータを取得する必要がなくなる。従って、従来の残留応力測定装置と比べて、残留応力の測定時間の短縮を図ることができる。

一実施形態では、移動制御部は、第１検出素子の動きと第２検出素子の動きとを同期させてもよい。この場合、第１検出素子と第２検出素子とを個々に制御する場合に比べて残留応力の測定時間の短縮を図ることができる。

本発明の他の側面に係る残留応力測定方法は、Ｘ線発生源、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置で検出する第１検出素子、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置とは異なる第２検出位置で検出する第２検出素子、及び、Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿って第１検出素子及び第２検出素子をそれぞれ移動させる移動機構を備えた残留応力測定装置を用いて、測定対象物の残留応力を測定する残留応力測定方法であって、測定対象物にＸ線を照射するＸ線照射ステップと、移動機構を駆動させて第１検出素子及び第２検出素子を移動させる移動制御ステップと、移動制御ステップの実行中に第１検出素子及び第２検出素子がそれぞれ検出した測定対象物の回折Ｘ線の強度ピークに基づいて、測定対象物の残留応力を算出する応力算出ステップと、を備える。

一実施形態では、移動制御ステップでは、第１検出素子の動きと第２検出素子の動きとを同期させてもよい。

上述した残留応力測定方法は、上述した残留応力測定装置と同様の効果を奏する。

本発明の側面及び実施形態によれば、残留応力の測定時間の短縮を図ることができる。

本実施形態に係る残留応力測定装置の構成を説明する概要図である。 本実施形態に係る残留応力測定装置の模式的な構成を説明する図である。 本実施形態に係る残留応力測定装置の検出位置を説明する概要図である。 回折環を説明する概要図である。 本実施形態に係る残留応力測定方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る残留応力測定装置１は、Ｘ線を用いて測定対象物の残留応力を測定する装置である。残留応力測定装置１は、例えば、工場のラインにおいて、製造された製品の品質を検査する場合に採用され得るが、これに限定されるものではない。測定対象物は、例えば、無配向（等方性の結晶構造）であり、金属多結晶材料で形成され得る。

図１は、本実施形態に係る残留応力測定装置１の構成を説明する概要図である。図１に示されるように、残留応力測定装置１は、Ｘ線発生源１０を含む装置本体１００及び制御装置２００を備えている。

装置本体１００は、箱状の筐体であり、例えばその内部にＸ線発生源１０を収容する。Ｘ線発生源１０は、Ｘ線管球を備え、所定波長のＸ線を発生させる装置である。Ｘ線発生源１０は、例えば装置本体１００に固定されている。Ｘ線は、測定対象物Ｓに合わせて適宜の波長のＸ線が用いられる。装置本体１００の前面には、Ｘ線照射用の窓（コリメータの一例：不図示）が形成されている。Ｘ線発生源１０で発生したＸ線は、窓を介して測定対象物Ｓへ照射される。

装置本体１００は、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂを備えている。第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂは、ここでは装置本体１００のＸ線照射用の窓（不図示）が形成された側面に配置されている。第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂは、測定対象物Ｓの回折Ｘ線の強度をそれぞれ検出する。第１検出素子１１Ａは、０次元のＸ線強度測定素子である。０次元とは、素子の配置位置でＸ線の強度を測定するとの意味である。つまり、第１検出素子１１Ａは、複数の素子が直線に沿って配置された１次元のラインセンサや複数の素子が平面に配置された２次元のイメージングプレートとは異なる。第２検出素子１１Ｂも、０次元のＸ線強度測定素子である。第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂとして、例えば、シンチレーションカウンタが用いられる。

装置本体１００は、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１ＢをＸ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿ってそれぞれ移動させる移動機構１２０を備えている。Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線とは、入射Ｘ線を法線とする平面上の直線を意味する。図１の例では、移動機構１２０は、Ｘ方向に延びる直線に沿って第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂを移動させる。移動機構１２０は、例えば電動アクチュエータが用いられる。より具体的な一例としては、移動機構１２０は、例えば、電動モータ１２１、ボールねじ部１２２及びナット部１２３Ａ，１２３Ｂを備えている。電動モータ１２１は、ボールねじ部１２２に備わるねじ軸に対して、軸方向を中心とした回転力を与えるように接続されている。ボールねじ部１２２には、ナット部１２３Ａ，１２３Ｂが軸方向へ移動可能に取り付けられている。ナット部１２３Ａには、第１検出素子１１Ａが取り付けられており、ナット部１２３Ｂには、第２検出素子１１Ｂが取り付けられている。電動モータ１２１が駆動すると、ボールねじ部１２２のねじ軸が回転し、ナット部１２３Ａ，１２３Ｂが同一方向に同期して移動する。つまり、第１検出素子１１Ａと第２検出素子１１Ｂは、同一のねじ軸に沿って同一方向に同期して移動する。移動機構１２０によって、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂは、Ｘ線強度の検出位置を直線上で変更することができる。

第１検出素子１１Ａは、測定対象物Ｓの回折Ｘ線の強度を第１検出位置で検出する。第２検出素子１１Ｂは、測定対象物Ｓの回折Ｘ線の強度を第１検出位置とは異なる第２検出位置で検出する。第１検出位置及び第２検出位置は、測定対象物Ｓの材料や焦点距離に応じて変化させることができる。本実施形態では、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂは、予め設定された同一の距離を同期して移動する。予め設定された距離は、必要な回折強度分布を得ることができる範囲の距離である。

移動機構１２０は、制御装置２００に接続されている。制御装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などを備えた汎用的なコンピュータで構成されている。制御装置２００は、例えば処理装置２０１、入力装置２０２及び出力装置２０３を備えている。

図２は、本実施形態に係る残留応力測定装置の模式的な構成を説明する図である。図２に示されるように、処理装置２０１は、入出力部２０、移動制御部２１、応力算出部２２及び記憶部２３を備えている。

入出力部２０は、ネットワークカードなどの通信機器及びグラフィックカードなどの入出力装置である。例えば、入出力部２０は、電動モータ１２１と通信可能に接続されている。入出力部２０は、例えば、入力装置２０２及び出力装置２０３と通信可能に接続されている。さらに、入出力部２０は、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂに接続されている。後述する移動制御部２１及び応力算出部２２は、入出力部２０を介して各構成要素と情報のやり取りを行う。

移動制御部２１は、移動機構１２０を駆動させて第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂのそれぞれの検出位置を制御する。例えば、移動制御部２１は、測定対象物Ｓを構成する材料に基づいて定まるピーク出現角度を予め取得し、ピーク出現角度を含むように、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂのそれぞれの検出位置を制御する。測定対象物Ｓを構成する材料に基づいて定まるピーク出現位置は、例えば記憶部２３に記憶されている。

図３は、本実施形態に係る残留応力測定装置１の検出位置を説明する概要図である。図３では、測定対象物Ｓに対して入射Ｘ線Ｘ_ＩＮを照射し、回折角２θで回折Ｘ線が出力される場合を示している。この場合、所定平面ＰＬにおいて回折Ｘ線によって回折環Ｒが描かれる。ここで、本実施形態では、回折Ｘ線の回折環の０°に対応する検出位置、回折Ｘ線の回折環の１８０°に対応する検出位置のそれぞれで強度ピークが出現し、この部分（つまり対称となる点）の回折強度を取得する場合を例とする。図４は、回折環を説明する概要図である。図４では、図３に対応した部分を同一符号で示している。図３，４に示されるように、回折環Ｒの０°に対応する第１検出位置Ｐ１では、回折Ｘ線Ｘ_Ｒ１が検出され、回折環Ｒの１８０°に対応する第２検出位置Ｐ２では、回折Ｘ線Ｘ_Ｒ２が検出される。この場合、移動制御部２１は、回折環Ｒの０°に対応する第１検出位置Ｐ１を含む範囲を第１検出素子１１Ａが移動するように設定する。同様に、移動制御部２１は、回折環Ｒの１８０°に対応する第２検出位置Ｐ２を含む範囲を第２検出素子１１Ｂが移動するように設定する。これにより、一度のＸ線の照射で２角度の回折Ｘ線を得て、２つのＸ線回折強度分布を得ることができる。

応力算出部２２は、第１検出位置Ｐ１及び第２検出位置Ｐ２のぞれぞれで検出されたＸ線回折強度分布（角度及び強度の関係）に基づいて、回折ピークを取得する。ここでは、回折環Ｒの０°に対応する強度ピーク、回折環Ｒの１８０°に対応する強度ピークの２つの強度ピークを得ることができる。図４に示される破線の回折環Ｒ_Ｒは、測定対象物に残留応力が存在しない場合の回折環である。残留応力が存在する回折環Ｒは、残留応力が存在しない回折環Ｒ_Ｒに比べて残留応力に応じて中心位置がずれる。応力算出部２２は、この差を利用して残留応力値を算出する。例えば、応力算出部２２は、ｃｏｓα法を用いて残留応力値を算出する。ｃｏｓα法では、ｃｏｓα（α：回折中心角）と回折環上の４箇所（α，π＋α，−α，π−α）の歪み（ε_α，επ_＋α，ε_−α，ε_π−α）を用いて表される歪みεとの関係を示すε-ｃｏｓα線図の傾きから残留応力を得る。応力算出部２２は、α＝０°，１８０°の２点を用いてε-ｃｏｓα線図の傾き（１次関数の傾き）を算出する。そして、応力算出部２２は、１次関数の傾きに、Ｘ線応力測定乗数を乗じて残留応力を得る。Ｘ線応力測定乗数は、ヤング率、ポアソン比、ブラッグ角の余角及びＸ線入射角によって定まる定数であり、例えば記憶部２３に予め記憶されている。応力算出部２２は、算出した残留応力を記憶部２３へ記憶してもよいし、出力装置２０３へ出力してもよい。

以上で、残留応力測定装置１の構成について説明を終了する。次に、残留応力測定装置１を用いた残留応力測定方法を説明する。図５は、本実施形態に係る残留応力測定方法を示すフローチャートである。

最初に、残留応力測定前の調整処理が行われる。図５の（Ａ）は、残留応力測定前の調整処理を示すフローチャートである。図５の（Ａ）に示されるように、まず、角度調整処理（Ｓ１０）が行われる。この処理では、測定対象物Ｓに対する入射Ｘ線の角度が調整される。例えば、図２に示されるように、装置本体１００を傾けて煽り角θ１を調整することで、入射Ｘ線の角度が調整される。なお、装置本体１００を傾ける処理は、別途の装置（制御部及びアクチュエータ）が行ってもよいし、測定者が行ってもよい。Ｓ１０の処理により、測定中の入射角度が所定角度（単一角度）に固定される。

次に、焦点調整処理（Ｓ１２）が行われる。この処理では、測定対象物Ｓに対する入射Ｘ線の焦点が調整される。例えば、測定対象物Ｓの高さが変更されたり、装置本体１００の位置が変更されることにより、入射Ｘ線の焦点が調整される。なお、高さや位置を変更する処理は、別途の装置（制御部及びアクチュエータ）が行ってもよいし、測定者が行ってもよい。

以上で図５の（Ａ）に示されるフローチャートが終了する。図５の（Ａ）に示されるフローチャートが終了すると、測定対象物Ｓの残留応力を測定可能な状況となる。そして、残留応力の測定を行う。図５の（Ｂ）は、残留応力の測定方法を示すフローチャートである。

図５の（Ｂ）に示されるように、最初にＸ線照射処理（Ｓ２０：Ｘ線照射ステップ）が行われる。Ｓ２０のＸ線照射処理では、Ｘ線発生源１０から測定対象物ＳへＸ線を照射させる。次に、Ｓ２０のＸ線照射処理の実行中において測定処理（Ｓ２２：移動制御ステップ）が行われる。Ｓ２２の測定処理では、移動機構１２０及び移動制御部２１によって、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂを移動させ、移動中の検出結果に基づいて、２つのＸ線回折強度分布を得る。Ｓ２２の測定処理が終了した場合、Ｘ線の照射を終了してもよい。次に、残留応力算出処理（Ｓ２４：応力算出ステップ）が行われる。Ｓ２４の残留応力算出処理では、応力算出部２２により、移動中に得られた２つのＸ線回折強度分布に基づいて、２つの強度ピークが取得される。そして、応力算出部２２によって、ε-ｃｏｓα線図の傾きが算出され、Ｘ線応力測定乗数が乗じられて残留応力が算出される。最後に、応力算出部２２により算出された残留応力が記憶部２３に記憶され、又は、出力装置２０３へ出力される。

以上で図５の（Ｂ）に示されるフローチャートが終了する。図５の（Ｂ）に示す制御処理を実行することにより、第１検出素子及び第２検出素子を移動させて得られたデータを用いて残留応力を算出することができる。

上述したように、本実施形態に係る残留応力測定装置１は、移動機構１２０及び移動制御部２１により、回折Ｘ線の強度を第１検出位置Ｐ１で検出する第１検出素子１１Ａ、及び、回折Ｘ線の強度を第１検出位置Ｐ１とは異なる第２検出位置Ｐ２で検出する第２検出素子を備える。このように構成することで、一度のＸ線の照射（単一角度での照射）で２角度の回折Ｘ線を得ることができる。さらに、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂのぞれぞれは、Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿って移動することで、Ｘ線強度分布（回折ピーク）を素子ごとに取得することができる。また、少なくとも２つの回折ピークを取得することにより、測定対象物Ｓの残留応力を算出することができるため、イメージングプレートを回転させて回折環の全てのデータを取得する必要がなくなる。従って、従来の残留応力測定装置と比べて、残留応力の測定時間の短縮を図ることができる。

また、本実施形態に係る残留応力測定装置１では、イメージングプレートを回転させる機構や読み出し機構を備える必要がないため、従来の残留応力測定装置と比べて、装置が簡略化され軽量化される。このため、従来の残留応力測定装置と比べて、装置の設置が容易となったり、他の機械に組み込み易い構造とすることができる。さらに、装置構成が簡略化されることによって、従来の残留応力測定装置と比べて、装置の製造コストを低減することができる。

さらに、移動制御部２１が、第１検出素子１１Ａの動きと第２検出素子１１Ｂの動きとを同期させることで、第１検出素子１１Ａと第２検出素子１１Ｂとを個々に制御する場合に比べて残留応力の測定時間の短縮を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限られない。本発明は、上述した実施形態に対して当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、残留応力測定装置１が工場のラインにおいて採用される例を説明したが、残留応力測定装置１がラインに配置されていない装置に設けられてもよい。また、上記実施形態では、残留応力測定装置１が第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂを備えている例を説明したが、少なくとも２つの検出素子を備えていればよい。つまり、残留応力測定装置１は３つ以上の検出素子を備えていてもよい。

また、上記実施形態では、移動機構１２０が一組の電動モータ１２１及びボールねじ部１２２で第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂをそれぞれ移動させる例を説明したが、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂそれぞれに対応する電動モータ及びボールねじ部を備えてもよい。この場合、制御装置２００は、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂそれぞれに対応する電動モータを制御することにより、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂの動きを制御することができる。制御装置２００は、２つのボールねじ軸を制御して、第１検出素子１１Ａ及び第２検出素子１１Ｂの動きを同期させることもできるし、異なる動きとすることもできる。

さらに、上記実施形態に係る残留応力測定装置１は、ショットピーニング装置などに組み込まれてもよい。この場合、上記実施形態で説明した入出力部２０は、ショットピーニング装置の制御盤のシーケンサーから出力される信号を受け取るように構成され、当該信号に基づいて移動制御部２１及び応力算出部２２が動作することで、残留応力の測定が行われる。

１…残留応力測定装置、２θ…回折角、１０…Ｘ線発生源、１１Ａ…第１検出素子、１１Ｂ…第２検出素子、２１…移動制御部、２２…応力算出部、１２０…移動機構。

Claims (4)

1. 測定対象物にＸ線を照射するＸ線発生源と、
   前記測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置で検出する第１検出素子と、
   前記測定対象物の回折Ｘ線の強度を前記第１検出位置とは異なる第２検出位置で検出する第２検出素子と、
   Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿って前記第１検出素子及び前記第２検出素子をそれぞれ移動させる移動機構と、
   前記移動機構を駆動させて前記第１検出素子及び前記第２検出素子のそれぞれの検出位置を制御する移動制御部と、
   前記移動機構により前記第１検出素子及び前記第２検出素子がそれぞれ移動することによってそれぞれ検出された回折Ｘ線の強度ピークに基づいて、前記測定対象物の残留応力を算出する応力算出部と、
   を備える残留応力測定装置。
2. 前記移動制御部は、前記第１検出素子の動きと前記第２検出素子の動きとを同期させる請求項１に記載の残留応力測定装置。
3. Ｘ線発生源、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置で検出する第１検出素子、測定対象物の回折Ｘ線の強度を第１検出位置とは異なる第２検出位置で検出する第２検出素子、及び、Ｘ線の入射方向と直交する方向に延びる直線に沿って第１検出素子及び第２検出素子をそれぞれ移動させる移動機構を備えた残留応力測定装置を用いて、前記測定対象物の残留応力を測定する残留応力測定方法であって、
   測定対象物にＸ線を照射するＸ線照射ステップと、
   前記移動機構を駆動させて前記第１検出素子及び前記第２検出素子を移動させる移動制御ステップと、
   前記移動制御ステップの実行中に前記第１検出素子及び前記第２検出素子がそれぞれ検出した前記測定対象物の回折Ｘ線の強度ピークに基づいて、前記測定対象物の残留応力を算出する応力算出ステップと、
   を備える残留応力測定方法。
4. 前記移動制御ステップでは、前記第１検出素子の動きと前記第２検出素子の動きとを同期させる請求項３に記載の残留応力測定方法。
   

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