JP6529853B2 - 残留応力評価方法 - Google Patents
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Description
そこで、これら制約や懸念を解消可能な超音波を用いた残留応力評価手段(音弾性法)として、特許文献1,2に開示される超音波式応力測定装置及び超音波式応力測定方法が提案されている。
問題は回避できる。しかし、一般に金属材料における音速の応力依存性(音弾性係数)は小さいため、残留応力の評価の精度を高めるには、被検体試料を伝搬する伝搬超音波の音速を高精度に且つ安定して測定しなくてはならないという課題がある。
理由としては、本願発明者らが、鋭意研究を重ねた結果、曲面形状、特に凸状(曲面の半径が小さい)形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する際に関しては、その表層を伝搬する伝搬超音波の伝搬時間に測定誤差が生じてしまうという課題が存在することを知見したからである。
従って、曲面形状を有する被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する際には、特許文献1,2を採用することはできない。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、曲面形状を有する被検体試料において、伝搬超音波のショートカット成分が含まれることで生じる伝搬時間の測定誤差を補正し、補正された伝搬超音波の伝搬時間に基づいて、被検体試料の表層に存在する残留応力を高い精度で評価することができる残留応力評価方法を提供する。
本発明の残留応力評価方法は、凸形状とされた被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検体試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価方法であって、前記被検体試料の表層に超音波を励振する送出ステップと、前記被検体試料の表層を伝搬した超音波を受信する受信ステップと、前記受信ステップで受信された前記超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出ステップと、前記伝搬時間算出ステップで算出された前記超音波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記超音波の伝搬時間を補正する補正ステップと、前記補正ステップで補正された前記超音波の補正伝搬時間に基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する評価ステップと、を有し、前記超音波は、表面SH波とレーリ波とであり、前記補正ステップは、前記伝搬時間算出ステップで算出された前記表面SH波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記表面SH波の伝搬時間を補正するものとされ、前記評価ステップは、前記補正ステップで補正された前記表面SH波の補正伝搬時間と、前記レーリ波との伝搬時間とに基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価するものとされていることを特徴とする。
まず、図1及び図2を参照しつつ、本発明の実施形態に用いられる残留応力評価装置1の基本的な構成について、説明する。
なお、本発明は、例えば鋼材など金属材料であって、凸形状(曲面形状)に形成された被検体試料(測定試料)Wや、複数の部材で構成された機械部品や構造体などに形成されている凸形状の部位(被検体試料W)を評価対象とする。
ここで、表層とは、凸状測定試料Wの表面下(表面皮下)所定の深さ範囲の領域であり、例えば深さ数mmより浅い範囲の領域である。
図2に示すように、送信探触子2は、例えば平板状の圧電素子20が超音波伝搬媒体21の内部に装備された超音波プローブであり、凸状測定試料Wの表面上に配置される。送信探触子2は、パルス発生器4から圧電素子20に所定電圧のパルス電圧が加えられると、所定周波数の超音波を出力し、その超音波を凸状測定試料Wの表面へ送出する。
一方、受信探触子3は、例えば平板状の圧電素子30が超音波伝搬媒体31の内部に装備された超音波プローブであり、凸状測定試料Wの表面上で送信探触子2と異なる位置に配置される。受信探触子3は、圧電素子30に入射した表面SH波及びレーリ波(伝搬超音波)を、振動形態の異なる複数種類の伝搬超音波として受信し、受信によって発生した電圧をレーリ波及び表面SH波の検出信号(伝搬信号)として外部に出力する。
上述した残留応力評価装置1を用いた残留応力評価方法について、図を基に説明する。
まず、平板(鋼材)の表層に存在する残留応力を評価するための基本的な考え方を説明し、その後に、本実施形態における、凸状測定試料Wの表層に存在する残留応力の評価の方法を説明する。
ところが、凸状測定試料Wの表層に存在する残留応力σ’を、上の式(1)を用いて評価すると、残留応力σ’の存在を正確に評価することはできない。
なお、レーリ波については、測定対象となる試料が凸状(曲面)形状であっても、その凸状の表層を伝搬するレーリ波の伝搬時間TRの変化がほとんどない。
[第1実施形態]
本発明における残留応力評価方法の第1実施形態について説明する。
上述の残留応力評価方法を各ステップに基づいて、詳細に説明する。
送出ステップでは、送信探触子2からSH波及びSV波を凸状測定試料Wの表面に対して送出する。凸状測定試料Wの表面へ送出されたSH波は、図2中破線で示す表面SH波を励振し、SV波は図2中実線で示すレーリ波を励振する。
伝搬時間算出ステップでは、波形採取装置7において、表面SH波及びレーリ波の検出信号の波形が採取すると共に、パルス発生器4から出力されたトリガ信号を受信する。そして、トリガ信号の受信から表面SH波の検出信号の受信までの時間を計測して表面SH波の伝搬時間TSを算出すると共に、トリガ信号の受信からレーリ波の検出信号の受信までの時間を計測してレーリ波の伝搬時間TRを算出する。
評価ステップでは、評価装置8において、補正ステップで算出された補正表面SH波の補正伝搬時間T’Sと、伝搬時間算出ステップで算出されたレーリ波との伝搬時間TRとに基づいて、下の式(2)などを用いて、凸状測定試料Wの表層に存在する残留応力σ’を評価する。
予め、凸状測定試料Wと同じ材質を有し、且つ平板とされた平板テストピースTaと、凸状測定試料Wと同じ材質を有し、且つ異なる半径rの凸状形状とされた複数(個数は任意)の凸状テストピースTbを用意しておく。
次いで、凸状テストピースTbにおける表面SH波の伝搬時間TSXと、レーリ波の伝搬時間TRX(X:任意数)を、各半径rごと(r1〜rX)に算出する。
図3Bに示すように、凸状形状の半径rごとに対応する、表面SH波の伝搬時間TSXをグラフなどにまとめておく。具体的には、横軸を凸状形状の半径r、縦軸を表面SH波の伝搬時間TSXとして、表面SH波の伝搬時間TSXの算出結果、すなわち各テストピースにおける表面SH波の伝搬時間TS0〜TS3をプロットする。伝搬時間TS0〜TS3がプロットされたグラフは、後ほど補正ステップにて、補正量ΔTSを算出する際に用いられる補正グラフとして保存しておく。
補正ステップでは、図3Bに示す各テストピースにおける表面SH波の伝搬時間TS0〜TS3などが保存されている補正グラフ(補正データ)を用意し、この補正グラフに基づいて、凸状測定試料Wにおける表面SH波の伝搬時間TSの補正量ΔTSを算出する。
算出された補正量ΔTSを、下の式(3)のように、実測した凸状測定試料Wにおける
表面SH波の伝搬時間TSに加えて、補正伝搬時間T’Sを算出する。
[第2実施形態]
本発明における残留応力評価方法の第2実施形態について説明する。
ところで、本実施形態においては、評価対象が第1実施形態と異なり、例えば構造体などに機械部品が接合されている接合部(溶接箇所)など、凸状形状の半径rが正確にわからない凸状測定試料Wを、残留応力σ’の評価対象としている。
予め、凸状測定試料Wと同じ材質を有し、且つ平板とされた平板テストピースTaと、凸状測定試料Wと同じ材質を有し、且つ異なる半径rの凸状形状とされた複数(個数は任意)の凸状テストピースTbを用意しておく。
具体的には、実際の計測(凸状測定試料Wの計測)において、凸状測定試料Wにおける表面SH波の伝搬時間TSと、レーリ波の伝搬時間TRが算出されたとする。
まず、表面SH波の伝搬時間TSを、図4Bの補正グラフに当てはめて参照すると、プロット点E(△印のグラフ)、プロット点F(□印のグラフ)の2点に該当することが判る。
このように、図4Bの補正グラフを参照すると、表面SH波において、伝搬時間TSが同じとなる複数の伝搬距離Lが存在したとしても、レーリ波の伝搬時間TRの値から伝搬距離Lが一意に決まる。すなわち、図4Bの補正グラフを用いることで、伝搬距離Lを一義的に絞り込むことができるともいえる。
△印のグラフに対して、算出された表面SH波の伝搬時間TSを当てはめて参照して、凸状測定試料Wにおける凸状形状の半径がr’2(プロット点E)であると推定する。
この推定された半径がr’2における表面SH波の伝搬時間TS(100)を示すプロット点Eと、伝搬距離L’ =100mmにおける表面SH波の基準伝搬時間TS0(1
00)を示すプロット点Gとの差をとって、この差を凸状測定試料Wにおける表面SH波の伝搬時間TS(100)の補正量ΔTSとして、算出する。
以上述べたように、事前に、各伝搬距離L’ごとに、各テストピースの表面SH波の伝搬時間TSXと、レーリ波の伝搬時間TRXを算出して、その各伝搬時間TSX,TRXをまとめて補正データとして用意しておいた上で、凸状形状の半径rの大きさによって変わる表面SH波の伝搬時間TSと、凸状形状の半径rの大きさ拘わらずほとんど変化しないレーリ波の伝搬時間TRとを利用することで、凸状形状の半径rの値が不明である凸状測定試料Wの表層を伝搬する表面SH波の伝搬時間TSを補正する補正量ΔTSを、容易且つ高精度に算出することが可能となる。
積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
2 送信探触子
3 受信探触子
4 パルス発生器
5,6 増幅器
7 波形採取装置
8 評価装置
20,30 圧電素子
21,31 超音波伝搬媒体
W 凸状測定試料(凸形状とされた被検体試料)
Ta 平板テストピース
Tb 凸状テストピース
Claims (3)
- 凸形状とされた被検体試料の表層に存在する残留応力を、前記被検体試料の表層を伝搬する超音波の伝搬時間に基づいて評価する残留応力評価方法であって、
前記被検体試料の表層に超音波を励振する送出ステップと、
前記被検体試料の表層を伝搬した超音波を受信する受信ステップと、
前記受信ステップで受信された前記超音波の伝搬時間を算出する伝搬時間算出ステップと、
前記伝搬時間算出ステップで算出された前記超音波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記超音波の伝搬時間を補正する補正ステップと、
前記補正ステップで補正された前記超音波の補正伝搬時間に基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価する評価ステップと、
を有し、
前記超音波は、表面SH波とレーリ波とであり、
前記補正ステップは、前記伝搬時間算出ステップで算出された前記表面SH波の伝搬時間を補正する補正量を算出し、算出された補正量で前記表面SH波の伝搬時間を補正するものとされ、
前記評価ステップは、前記補正ステップで補正された前記表面SH波の補正伝搬時間と、前記レーリ波との伝搬時間とに基づいて、前記被検体試料の表層に存在する残留応力を評価するものとされている
ことを特徴とする残留応力評価方法。 - 予め、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ平板とされた平板テストピースと、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ異なる半径の凸形状とされた複数の凸状テストピースとを用意しておき、
前記補正ステップにおいては、
前記表面SH波及びレーリ波の伝搬距離を一定とした上で、前記平板テストピースにおける表面SH波の伝搬時間を算出して基準伝搬時間とし、前記複数の凸状テストピースにおける表面SH波の伝搬時間を算出して各半径ごとの凸状伝搬時間としておき、
前記被検体試料における凸形状の半径に対応する凸状伝搬時間と、前記基準伝搬時間との差として前記補正量を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の残留応力評価方法。 - 予め、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ平板とされた平板テストピースと、前記被検体試料と同じ材質を有し且つ異なる半径の凸形状とされた複数の凸状テストピースとを用意しておき、
前記補正ステップにおいては、
前記表面SH波及びレーリ波の伝搬距離を複数のものとした上で、各伝搬距離ごとに、前記平板テストピースにおける表面SH波の伝搬時間を算出して基準伝搬時間とし、前記複数の凸状テストピースにおける表面SH波の伝搬時間を算出して各半径ごとの凸状伝搬時間としておき、
前記被検体試料におけるレーリ波の伝搬時間を基に、実際の伝搬距離を算出し、
算出した実際の伝搬距離に対応する凸状伝搬時間と前記被検体試料における表面SH波の伝搬時間とから、前記被検体試料の凸形状の半径を推定し、
前記被検体試料における表面SH波の凸状伝搬時間と、推定された前記凸形状の半径に対応する前記基準伝搬時間との差として前記補正量を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の残留応力評価方法。
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