JP6607127B2 - Ｘ線残留応力測定方法及びｘ線残留応力測定システム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線残留応力測定方法及びＸ線残留応力測定システムに関し、特に、測定対象物に対してＸ線を照射し、回折されたＸ線により形成される回折環の形状から測定対象物の応力を測定するＸ線残留応力測定方法及びＸ線残留応力測定システムに関する。

従来より、測定対象物に対してＸ線を照射し、回折されたＸ線により形成される回折環の形状を測定し、ｃｏｓα法を用いて、測定対象物の応力を測定する方法が知られている（特許文献１、２）。

特許文献１では、Ｘ線を照射したときに発生する回折環の強度分布から測定対象物に対するＸ線の入射角度を検出している。特許文献２では、複雑な形状の物体にＸ線を照射したときに発生する回折環の欠けを極力少なくするため、レーザにて形状を測定することで測定対象物の一部で妨害されないＸ線照射方向を見つけている。

特開２０１５−１４５８６２号公報 特開２０１４−２３８２９５号公報

cosα法はＸ線の単一入射で残留応力評価ができ、装置小型化及び短時間評価可能という利点があるが、凹凸形状がある部位については、単一入射故に、凹凸等がある場合の入射角のずれや材料による吸収の影響が、測定領域でも大きく異なり、これにより精度が著しく低下する。

本発明は、上記事情を鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、測定対象物の表面に凹凸が存在しても、測定対象物の応力を精度良く算出することができるＸ線残留応力測定方法及びＸ線残留応力測定システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線残留応力測定方法は、測定対象物表面の所定方向に沿った凹凸形状を測定する形状測定工程と、測定された凹凸形状の直線に近似される部分により定まる領域を決定する領域決定工程と、前記決定された領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定するビーム径選定工程と、前記決定された領域の、基準面とのなす角度を決定する角度決定工程と、前記選定されたＸ線のビーム径にて、前記決定された領域にＸ線を照射し、前記決定された領域から回折されたＸ線により形成される回折環の形状を測定する回折環測定工程と、前記測定された回折環の形状の、基準形状からの変形を評価する回折環評価工程と、前記決定された基準面とのなす角度に基づいて、前記決定された領域の応力を算出する応力算出工程とを含む方法である。

また、本発明に係るＸ線残留応力測定システムは、測定対象物表面の所定方向に沿った凹凸形状を測定する形状測定装置と、前記測定対象物の表面にＸ線を照射し、回折されたＸ線により形成される回折環の形状を測定するＸ線回折測定装置と、前記形状測定装置による測定結果に基づいて、測定された凹凸形状の直線に近似される部分により定まる領域を決定する領域決定部と、前記決定された領域の、基準面とのなす角度を決定する角度決定部、前記決定された領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定するビーム径選定部と、前記Ｘ線回折測定装置により、前記選定されたＸ線のビーム径にて前記決定された領域にＸ線を照射して測定された前記回折環の形状に基づいて、前記回折環の形状の、基準形状からの変形を評価する回折環評価部、及び前記決定された基準面とのなす角度に基づいて、評価された回折環の変形から、前記決定された領域の応力を算出する応力算出部を含むコンピュータと、を含んで構成されている。

本発明によれば、測定対象物の表面の形状を測定して、測定された凹凸形状の直線に近似される部分により定まる領域を決定すると共に、基準面とのなす角度を決定し、決定された領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定し、選定されたビーム径にて決定された領域にＸ線を照射したときに回折されたＸ線により形成される回折環を測定し、測定された回折環の基準形状からの変形と、前記決定された基準面とのなす角度とに基づいて、決定された領域の応力を算出することにより、測定対象物の表面に凹凸が存在しても、測定対象物の応力を精度良く算出することができる、という効果を奏する。

（Ａ）測定対象物に凹凸がない場合の回折環の一断面の回折線を示す図、（Ｂ）測定対象物に凹凸がある場合の回折環の一断面の回折線を示す図、及び（Ｃ）見かけ上のピークシフトを説明するための図である。 本実施の形態に係るＸ線残留応力測定システムの一例を示す図である。 本実施の形態に係る３次元形状測定装置の一例を示す図である。 測定対象物の表面上のレーザ照射点を示す図である。 イメージングプレートを回折環読取り領域内の読取り開始位置へ移動させた状態を示す図である。 本実施の形態に係るＸ線残留応力測定システムのコントローラの構成を示すブロック図である。 ２次元形状データの一例を示す図である。 本実施の形態に係るＸ線残留応力測定方法の流れを示す図である。 （Ａ）回折環像の一例を示す図、及び（Ｂ）回折環を展開した図である。 回折環のピーク位置の強度分布を示す図である。 （Ａ）回折環像の一例を示す図、及び（Ｂ）回折環を展開した図である。 回折環のピーク位置の強度分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明するが、まず、図１を参照して、本実施の形態に係るＸ線残留応力測定システムおよびＸ線残留応力測定方法の原理について説明する。

Ｘ線回折を用いた応力測定においては、応力が存在することによる回折環の半径方向のピーク位置のシフトにより応力を評価する（図１（Ａ）参照）。ここで、図１（Ｂ）に示すように、測定対象物の表面ＳのＸ線照射領域Ｐ内に凹凸が存在する場合、回折されたＸ線の透過経路に応じて測定対象物中をＸ線が透過する距離が大きく変化するため、図１（Ｃ）に示すように、回折環の半径方向のピーク位置が見かけ上シフトしてしまい、そのシフトを応力として計算してしまうため、測定精度が著しく低下する。

測定対象物の表面ＳのＸ線照射領域Ｐ内に図１（Ｂ）のような凹凸が存在する場合、回折角が大きい回折線より回折角が小さい回折線のほうが測定対象物中を透過する経路が長くなり、より吸収され、ピーク強度がより小さくなり、見かけ上、ピーク位置がシフトする。

そこで、本発明の実施の形態では、残留応力評価を実施したい凹凸のある表面について、レーザ等で凹凸形状を測定し、測定領域として、所定方向の形状が直線近似できる領域を決定する。次に、決定した測定領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定する。その選定したＸ線のビーム径にて、決定した測定領域にＸ線を照射し、残留応力評価を実施する。決定された測定領域の近似直線の、基準面に対するなす角度を用いてＸ線の入射角を補正して、残留応力評価を実施し、曲線等の凹凸形状を有する対象試料の表面残留応力評価の精度を向上させる。

（Ｘ線残留応力測定システムの構成）
図２および図３を参照して、本実施の形態に係るＸ線残留応力測定システム１００について説明する。なお、図２および図３に示すシステム構成は、Ｘ線残留応力測定システム１００の一例である。

図２に示すように、Ｘ線残留応力測定システム１００は、Ｘ線回折測定装置１０と、３次元形状測定装置２０と、ステージ３０を有する走査機構３２と、ステージ８０を有する走査機構８２と、走査制御装置４０と、コンピュータ装置５０とを含んで構成されている。

Ｘ線回折測定装置１０は、Ｘ線回折により発生する回折環の形状を測定する。Ｘ線回折測定装置１０は、Ｘ線照射部１１、イメージングプレート１２、読み取り部１４、及び制御部１５、イメージングプレート１２を取り付けるためのテーブル１６、及びテーブル駆動機構１７を備えており、Ｘ線回折測定装置１０はステージ３０と接続されておりステージ３０を有する走査機構３２と、走査制御装置４０と、コンピュータ装置５０により駆動することが可能となっている。

ここで、Ｘ線照射部１１は、電子線をターゲットに衝突させてＸ線を発生させる装置と、発生したＸ線を細束のＸ線ビームとして計測対象物に照射するＸ線光学系とを備えている。Ｘ線発生装置は、たとえば、電子線を高電圧で加速して陽極に衝突させCr-Kα特性Ｘ線を発生させるためのＸ線管球(真空管)であり、また、Ｘ線光学系は、たとえば、発生したＸ線を細いビームに絞り照射するコリメータである。コリメータは、所望のビーム径に応じて切り替え可能となっている。

Ｘ線照射部１１は、高電圧電源（図示省略）からＸ線出射のための高電圧及び電流の供給を受け、制御部１５により制御されて、Ｘ線を出射して測定対象物ＯＢに照射し、イメージングプレート１２に、回折されたＸ線の像である回折環像を記録する。

制御部１５は、Ｘ線照射部１１、テーブル駆動機構１７、及び読み取り部１４に接続されて作動制御したり、読み取り部１４から出力されたデータを取得したりする。

制御部１５は、コンピュータ装置５０を構成するコントローラ５１によって制御され、Ｘ線照射部１１から一定の強度のＸ線が出射されるように、Ｘ線照射部１１に高電圧電源から供給される駆動電流及び駆動電圧を制御する。また、Ｘ線照射部１１は、図示しない冷却装置を備えていて、制御部１５は、この冷却装置に供給される駆動信号も制御する。これにより、Ｘ線照射部１１の温度が一定に保たれる。

読み取り部１４は、イメージングプレート１２に記録された回折環像を読み取る。例えば、読み取り部１４は、回折環を撮像したイメージングプレート１２にレーザ光を照射して、Ｘ線が照射された部分を再度励起して発光させ、イメージングプレート１２から入射した光の強度を検出することにより、イメージングプレート１２に記録された回折環像を読み取る。

また、読み取り部１４は、読み取り部１４に設けられているＬＥＤ光源（図示省略）から可視光を発して、イメージングプレート１２に撮像された回折環を消去する。

テーブル駆動機構１７は、イメージングプレート１２が取り付けられたテーブル１６を回転及び移動させるためのものである。

イメージングプレート１２が回折環撮像位置にある状態（図２の状態）において、テーブル１６及びイメージングプレート１２の各々に形成されている貫通孔（図示省略）の中心軸と、Ｘ線照射部１１のＸ線の光軸とが一致するように、テーブル駆動機構１７はテーブル１６を移動させる。これにより、Ｘ線照射部１１から出射されるＸ線は貫通孔から出射され、Ｘ線照射部１１から出射されたＸ線がステージ３０を駆動することで、測定対象物ＯＢ上の目的の領域に照射される。

また、イメージングプレート１２は、テーブル駆動機構１７によって駆動されて、撮像した回折環を読み取る回折環読取り領域内、及び回折環を消去する回折環消去領域内へ移動する。

また、Ｘ線回折測定装置１０は、Ｘ線照射部１１、イメージングプレート１２、読み取り部１４、及び制御部１５を収容するケース１８を備えている。

このケース１８の側面壁は、支持アーム５２に接続されており、支持アーム５２は、図示されていないアーム式移動装置の先端であり、アーム式移動装置を操作することにより、ケース１８を任意の位置、姿勢にすることができる。さらに支持アーム５２はステージ３０に接続されており、測定対象物の任意の位置にＸ線照射をできるよう駆動機構を備えている。

３次元形状測定装置２０は、測定対象物ＯＢの表面の所定方向に沿った凹凸形状を測定する。３次元形状測定装置２０は、例えば、レーザ変位計を用いて構成され、図３に示すように、測定対象物ＯＢの表面にレーザ光を照射し、測定対象物ＯＢのレーザ照射点までの距離を測定する。このとき、レーザ照射点を、所定方向（図４のＸ軸方向）に走査して、Ｘ軸方向に沿って各レーザ照射点までの距離を測定する。なお、図４に示すように、測定対象物ＯＢの表面は、Ｘ軸方向に凹凸が存在し、Ｙ軸方向には凹凸が存在しない場合は、２次元形状測定のみで十分である。奥ゆき方向に凹凸が存在する場合は、奥ゆき方向にも２次元の凹凸測定を繰返し実施することにより、３次元形状を測定するものとする。

また、３次元形状測定装置２０の側面壁は、1軸駆動可動なステージを持つ支持アーム５６に接続されており、支持アーム５６は、図示されていないアーム式移動装置の先端であり、アーム式移動装置を操作することにより、３次元形状測定装置２０を任意の位置、姿勢にすることができる。

コンピュータ装置５０は、コントローラ５１と、表示装置５３と、入力装置５４とを備えている。

コントローラ５１は、Ｘ線回折測定装置１０及び３次元形状測定装置２０により得られたデータから、測定対象物ＯＢの応力を算出する部位であり、たとえば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等を用いて構成されている。

コントローラ５１は、機能的には、図６に示すように、形状測定部６０、測定領域決定部６２、角度決定部６３、ビーム径選定部６４、回折環撮像制御部６６、回折環読取り制御部６８、回折環消去制御部７０、Ｘ線入射角度補正部７１、及び残留応力計算部７２を備えている。

形状測定部６０は、入力装置５４により形状測定開始指令を受け付ける。このとき、オペレータによりアーム式移動装置が操作され、３次元形状測定装置２０から照射されるレーザ光の照射位置が、測定対象物ＯＢの基準位置に配置されているものとする。形状測定部６０は、３次元形状測定装置２０を制御して、３次元形状測定装置２０からレーザ光を照射させてレーザ照射点までの距離を測定すると共に、所定方向にレーザ照射点を走査させる。形状測定部６０は、３次元形状測定装置２０から入力される各レーザ照射点までの距離を表す点群データを用いて、図６に示すような、測定対象物ＯＢの２次元形状データを作成し、作成された２次元形状データを表示装置５３に表示する。

測定領域決定部６２は、２次元形状データが表す測定対象物ＯＢの表面の所定方向に沿った凹凸形状のうち、形状が直線に近似される領域を測定領域として決定する。例えば、２次元形状データに含まれる各レーザ照射点までの距離データから、２点のレーザ照射点の組み合わせの各々について、当該組み合わせのレーザ照射点間の形状と近似直線との相関値を算出し、相関値が所定値（例えば、０．９）以上となるレーザ照射点の組み合わせを特定し、特定されたレーザ照射点の組み合わせで規定される領域を、測定領域として、測定領域決定部６２にて決定する。また、角度決定部６３は、２次元形状データから得られる測定領域の近似直線と、基準面（測定試料において水平と仮定した面）とのなす角度を求め、Ｘ線入射角度補正部７１にて上記測定領域決定部６２にて特定された近似直線に対する実際のＸ線の入射角を算出する。

ビーム径選定部６４は、切り替え可能なコリメータで形成されるＸ線のビーム径のうち、測定領域決定部６２で決定された測定領域の大きさに収まるものを選定し、選定したビーム径を表示装置５３に表示する。なお、選定されるＸ線のビーム径は、測定対象物ＯＢの材料において回折環が形成可能なものとする。オペレータは、表示装置５３に表示されたビーム径を見て、Ｘ線回折測定装置１０で用いるコリメータを切り替える。

回折環撮像制御部６６は、入力装置５４により回折環撮像開始指令を受け付ける。このとき、オペレータによりアーム式移動装置が操作され、Ｘ線回折測定装置１０から照射されるＸ線の照射位置が、測定対象物ＯＢの基準位置に配置されているものとする。

回折環撮像制御部６６は、測定領域決定部６２で決定された測定領域が、Ｘ線回折測定装置１０から照射されるＸ線の照射位置となるように、走査機構制御部４０を制御する。

また、回折環撮像制御部６６は、イメージングプレート１２が撮像位置にある状態で、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、Ｘ線照射部１１にＸ線の出射を開始させ、所定時間の経過後に、Ｘ線照射部１１にＸ線の出射を停止させる。これにより、Ｘ線照射部１１から出射されたＸ線は、貫通孔を介して外部に出射され、測定対象物ＯＢの測定箇所に所定時間だけ照射される。このＸ線照射により、測定対象物ＯＢのＸ線照射箇所から回折Ｘ線が発生し、イメージングプレート１２には回折環が撮像される。

回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、図７に示すように、イメージングプレート１２を回折環読取り領域内の読取り開始位置へ移動させる。このイメージングプレート１２の読取り開始位置とは、読み取り部１４によるレーザ光の照射位置が回折環基準半径Ｒｏの円に対して若干だけ内側になるような位置である。

回折環基準半径Ｒｏとは、測定対象物ＯＢの残留応力が「０」であるときに、測定対象物ＯＢに対するＸ線の照射によりイメージングプレート１２上に形成される回折環の半径であり、測定対象物ＯＢにおけるＸ線の回折角度φｘ及びイメージングプレート１２から測定対象物ＯＢまでの距離Ｌに応じて決まる。そして、Ｘ線の回折角度φｘは測定対象物ＯＢの材質で決まり、前記距離Ｌは予め設定されている距離である。したがって、測定対象物ＯＢの材質ごとに予め回折角φｘを記憶しておけば、前記入力した測定対象物ＯＢの材質を用いることにより、コントローラ５１は回折環基準半径ＲｏをＲｏ＝Ｌ・ｔａｎ（φｘ）の演算によって自動的に計算する。

次に、回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、読み取り部１４からレーザ光の出射を指令する。これにより、回転するイメージングプレート１２上にレーザ光が照射される。回折環読取り制御部６８は、読み取り部１４から出力された受光強度を、基準位置からの回転角度θｐと、移動距離0に基づくイメージングプレート１２の中心からのレーザ光の照射位置の径方向距離ｒ（半径値ｒ）とに対応させて記憶する。

次に、回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、イメージングプレート１２を読取り開始位置から図２の右下方向へ一定速度で移動させる。これにより、レーザ光の照射位置が、イメージングプレート１２において、回折環基準半径Ｒｏの若干内側の位置から外側方向に一定速度で相対移動し始める。

このとき、回折環読取り制御部６８は、読み取り部１４から出力された受光強度を、基準位置からの回転角度θｐと、移動距離ｘに基づくイメージングプレート１２の中心からのレーザ光の照射位置の径方向距離ｒ（半径値ｒ）とに対応させて順次記憶する。

その後、回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、イメージングプレート１２が所定の小さな角度だけ回転するごとに、同様に、読み取り部１４からのレーザ光の出射、及びイメージングプレート１２の相対移動を行って、読み取り部１４から出力された受光強度を、基準位置からの回転角度θｐと、移動距離ｘに基づくイメージングプレート１２の中心からのレーザ光の照射位置の径方向距離ｒ（半径値ｒ）とに対応させて順次記憶する。

また、読み取り部１４から出力されたデータ、回転角度θｐ及び半径値ｒを表すデータの所定回転角度ごとの記憶動作と並行して、回折環読取り制御部６８は、所定角度ごとに、読み取り部１４から出力された受光強度のピークに対応した半径値ｒを回折環の半径値とする。

回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、イメージングプレート１２を回折環消去領域内の消去開始位置へ移動させる。このイメージングプレート１２の消去開始位置とは、読み取り部１４のＬＥＤ光源から出力される可視光の中心が回折環基準半径Ｒｏの円に対して前記読取り開始位置の場合よりもさらに内側になるような位置である。

次に、回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、読み取り部１４のＬＥＤ光源による可視光のイメージングプレート１２に対する照射を開始させるとともに、イメージングプレート１２を前記消去開始位置から消去終了位置まで一定速度で移動させる。消去終了位置とは、ＬＥＤ光源によるＬＥＤ光の中心が回折環基準半径Ｒｏよりも前記消去開始位置と同じ程度の距離だけ外側となる位置である。これにより、ＬＥＤ光源による可視光が、消去開始位置から消去終了位置まで、イメージングプレート１２上に照射され、回折Ｘ線によって形成された回折環の一部が消去される。

その後、回折環読取り制御部６８は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、イメージングプレート１２が所定の小さな角度だけ回転するごとに、同様に、読み取り部１４からの可視光の出射、及びイメージングプレート１２の相対移動を行って、回転角度ごとに、ＬＥＤ光源による可視光が、消去開始位置から消去終了位置まで、イメージングプレート１２上に照射され、回折Ｘ線によって形成された回折環の全てが消去される。

残留応力計算部７２は、測定領域決定部６２により得られた測定領域の近似直線と基準面とのなす角を用いて、ｃｏｓα法により、回折環撮像読取り制御部６８により得られた回折環像を解析して、測定対象物ＯＢの測定領域の残留応力を計算する。

具体的には、前述した回折環の読み取りにおいて得られた回折環の形状を表すデータ、すなわち回転角度ごとの回折環の半径値ｒに基づいて、回折環の形状と真円（基準形状）との半径方向のずれを、回折環の中心角αをパラメーターとする変形ε_αとして算出する。中心角αは、回折環の中心を通る基準となる線と、回折環の円周上の点とのなす中心角であり、円周角αとも呼ぶ。

また、残留応力計算部７２は、測定領域の応力を平面応力であると仮定して、Ｘ軸の応力σ_x、せん断応力τ_xyを、以下の式に従って算出する。

ただし、Ｅは、ヤング率、νはポアソン比、ηは回折角の余角、ψ₀は、Ｘ線入射角度補正部７１により、予め定められた基準面（ステージ３０の載置面）に対するＸ線の入射角を、基準面とのなす角度で補正した入射角である。

残留応力計算部７２は、算出したＸ軸の応力σ_x、せん断応力τ_xyを、測定対象物ＯＢのＸ線照射位置における残留圧縮応力、残留せん断応力として表示装置５３に表示する。オペレータは表示された残留圧縮応力及び残留せん断応力の大きさを見て、測定対象物ＯＢの疲労強度への影響の評価等を行う。

（Ｘ線残留応力測定方法）
以下に、上記のように構成したＸ線残留応力測定システム１００を用いて、測定対象物ＯＢである鉄製の部材に対して、Ｘ線を照射し、測定対象物ＯＢの残留応力を測定する具体的方法について説明する。この残留応力の測定は、図８に示すように、形状測定工程Ｓ１００、測定領域決定工程Ｓ１０２、角度決定工程Ｓ１０３、ビーム径選定工程Ｓ１０４、回折環撮像工程Ｓ１０６、回折環読取り工程Ｓ１０８、回折環消去工程Ｓ１１０、入射角度補正工程Ｓ１１１、及び残留応力計算工程Ｓ１１２を実行することにより行われる。なお、残留応力計算工程Ｓ１１２が、回折環評価工程及び応力算出工程の一例である。

まず、形状測定工程Ｓ１００について説明する。オペレータは、測定対象物ＯＢの近傍に３次元形状測定装置２０を設置し、３次元形状測定装置２０に接続された支持アーム５６のアーム式移動装置を操作して、３次元形状測定装置２０の位置と姿勢を調整する。この位置と姿勢の調整は目視にて行う調整であり、３次元形状測定装置２０から照射されるレーザ光が、測定対象物ＯＢの基準位置に照射されるようにする。次にオペレータは、入力装置５４を操作して、形状測定工程Ｓ１００の開始をコントローラ５１に指示する。この指示に応答して、コントローラ５１は、３次元形状測定装置２０からの測定データを取得すると共に、３次元形状測定装置２０を制御して、レーザ照射点をＸ方向に走査させる。これにより、Ｘ方向の各レーザ照射点までの距離を表す点群データが得られる。コントローラ５１は、得られた点群データから、測定対象物ＯＢの２次元形状データを作成し、作成された２次元形状データを表示装置５３に表示する。

次の測定領域決定工程Ｓ１０２では、まず、オペレータが、表示装置５３に表示された２次元形状データを確認した上で、入力装置５４を操作して、測定領域決定工程Ｓ１０２の開始をコントローラ５１に指示する。この指示に応答して、コントローラ５１は、２次元形状データから、測定領域として決定する
次の角度決定工程Ｓ１０３では、２次元形状データから得られる測定領域の測定形状に基づいて、測定領域の近似直線と基準面とのなす角度を求める。

ビーム径選定工程Ｓ１０４では、コントローラ５１は、切り替え可能なコリメータで形成されるＸ線のビーム径のうち、測定領域決定工程で決定された測定領域の大きさに収まるものを選定し、選定したビーム径を表示装置５３に表示する。オペレータは、表示装置５３に表示されたビーム径を見て、Ｘ線回折測定装置１０で用いるコリメータを切り替える。

回折環撮像工程Ｓ１０６では、オペレータは、測定対象物ＯＢの近傍にＸ線回折測定装置１０を設置し、ケース１８に接続された支持アームのアーム式移動装置を操作して、Ｘ線回折測定装置１０の位置と姿勢を調整する。この位置と姿勢の調整は目視にて行う調整であり、Ｘ線回折測定装置１０から出射されるＸ線が、ステージ３０の載置面（基準面）に対する入射角が所定角度で、測定対象物ＯＢの基準位置に照射されるようにする。

次にオペレータは、入力装置５４を操作して、測定対象物ＯＢの材質（本実施例では、鉄）を入力し、残留応力の測定開始をコントローラ５１に指示する。これにより、コントローラ５１は、まずイメージングプレート１２が撮像位置にある状態で、走査制御装置４０を制御して、Ｘ線回折測定装置１０から出射されるＸ線が、測定領域決定工程Ｓ１０２で決定された、測定対象物ＯＢの測定領域に照射されるように、ステージ３０を移動させる。

次に、コントローラ５１は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、Ｘ線照射部１１にＸ線の出射を開始させ、所定時間の経過後に、Ｘ線照射部１１にＸ線の出射を停止させる。これにより、Ｘ線照射部１１から出射されたＸ線は、貫通孔を介して外部に出射され、測定対象物ＯＢの測定箇所に所定時間だけ照射される。この測定対象物ＯＢへのＸ線の所定時間の照射により、測定対象物ＯＢの測定箇所から回折Ｘ線が発生し、イメージングプレート１２には回折環が撮像される。

このような回折環撮像工程Ｓ１０６の後、コントローラ５１は、自動的に又はオペレータによる入力装置５４を用いた指示により、回折環読取り工程Ｓ１０８を実行する。

コントローラ５１は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、イメージングプレート１２を回折環読取り領域内の読取り開始位置へ移動させる。コントローラ５１は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、読み取り部１４によるレーザ光のイメージングプレート１２に対する照射を開始させ、かつ、イメージングプレート１２が所定の一定回転速度で回転させる。次に、コントローラ５１は、読み取り部１４から出力された受光強度を、基準位置からの回転角度θｐと、移動距離ｘに基づくイメージングプレート１２の中心からのレーザ光の照射位置の径方向距離ｒ（半径値ｒ）とに対応させて順次記憶する。

また、読み取り部１４から出力された受光強度、回転角度θｐ及び半径値ｒを表すデータの所定回転角度ごとの記憶動作と並行して、コントローラ５１は、所定角度ごとに、読み取り部１４から出力された受光強度のピークに対応した半径値ｒを回折環の半径値とする。

このような回折環読取り工程Ｓ１０８の後、コントローラ５１は、自動的に又は作業者による入力装置５４を用いた指示により、回折環消去工程Ｓ１１０を実行する。この回折環消去工程Ｓ１１０においては、コントローラ５１は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、イメージングプレート１２を回折環消去領域内の消去開始位置へ移動させる。

次に、コントローラ５１は、Ｘ線回折測定装置１０を制御して、読み取り部１４のＬＥＤ光源による可視光のイメージングプレート１２に対する照射を開始させるとともに、イメージングプレート１２を前記消去開始位置から消去終了位置まで一定速度で移動させ、更に、イメージングプレート１２を回転させる。ＬＥＤ光源による可視光が、消去開始位置から消去終了位置まで、イメージングプレート１２上に螺旋状に照射され、回折Ｘ線によって形成された回折環が消去される。

このような回折環消去工程Ｓ１１０の後、コントローラ５１は、自動的に又は作業者による入力装置５４を用いた指示により、入射角度補正工程Ｓ１１１を行って、直線と近似された測定領域に対するX線入射角度を計算し補正する。そして、コントローラ５１は、残留応力計算工程Ｓ１１２を行う。

コントローラ５１は、回折環読取り工程Ｓ１０８により得られた回折環の形状を表すデータ、すなわち回転角度ごとの回折環の半径値ｒに基づいて、回折環と真円との半径方向のずれを、回折環の中心角αをパラメーターとする変形ε_αとして算出する。

コントローラ５１は、測定領域決定工程Ｓ１０２により得られた測定領域の近似直線と基準面とのなす角と、算出された各中心角αの変形ε_αとに基づいて、Ｘ軸の応力σ_x、せん断応力τ_xyを算出する。コントローラ５１は、算出したＸ軸の応力σ_x、せん断応力τ_xyを、測定対象物ＯＢのＸ線照射位置における残留圧縮応力、残留せん断応力として表示装置５３に表示する。オペレータは表示された残留圧縮応力及び残留せん断応力の大きさを見て、測定対象物ＯＢの疲労強度への影響の評価等を行う。

＜実施例＞
レーザ変位計にて測定対象物の形状測定を実施し、上記図７に示す２次元形状データが得られ、測定領域として、上記図７中X=0mmの付近の領域を決定し、測定領域の近似直線(上記図７の点線参照)と水平面とのなす角度θ[deg]=20.3°を算出した。上記測定領域の大きさ1ｍｍ以内となるコリメータ（φ0.3mm）を選定した。

ここで、測定領域に上記決定したＸ線のコリメータ（φ0.3mm）にて上記図６のＸＹ平面でＸ軸に45°方向からＸ線を照射した場合に得られた回折環像を図９（Ａ）に示す。図９（Ａ）は、高さで受光強度を示した３次元表示である。図９（Ｂ）は、回折環のみを切り出して展開したものを示しており、高さで受光強度を示している。この回折環像から得られる回折環の変形を用いてcosα法にてＸ方向の応力解析を行った結果、σ_x=-79±10MPaとなった。また、図１０に、回折環の各ピーク位置における強度分布を示す。上記図１０における回折環の強度分布の差異は、実際の測定対象物に対するＸ線の照射方向が45°でないため、生じており、これにより応力解析に誤差が生じていると推定される。

次に、測定領域に上記決定したＸ線のコリメータ（φ0.3mm）にて上記図６のＸＹ平面でＸ軸に45°方向からＸ線を照射した場合に得られた回折環像について、入射角度を、45-20.3=24.7°として補正し、回折環像の強度の補正を行った補正後の回折環像を図１１（Ａ）に示す。図１１（Ａ）は、高さで受光強度を示した３次元表示である。図１１（Ｂ）は、回折環のみを切り出して展開したものを示しており、高さで受光強度を示している。この回折環像から得られる図１１（Ｂ）は、回折環のみを切り出して展開したものを示している。この回折環像から得られる回折環の変形と、補正された入射角とを用いてcosα法にてＸ方向の応力解析を行った結果、σ_x=-132±13MPaとなった。また、図１２に、回折環の各ピーク位置における強度分布を示す。上記図１２における回折環の強度分布の差異は上記図１０の補正無しの場合に比べ、測定対象物に対するＸ線の入射角を補正することで著しく改善されており、これによりこの補正後の回折環を用いて応力解析することで、応力評価精度は向上していると推定される。

以上詳述したように、本実施の形態に係るＸ線残留応力測定システム及びＸ線残留応力測定方法によれば、測定対象物の表面の所定方向に沿った凹凸形状を測定して、所定方向の凹凸形状が直線に近似される領域を測定領域として決定すると共に、基準面とのなす角度を決定し、決定された測定領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定し、選定されたビーム径を用いて決定された測定領域にＸ線を照射したときの回折Ｘ線により形成される回折環の基準形状からの変形を測定し、測定された回折環の変形と、基準面に対するＸ線の入射角と、基準面とのなす角度とに基づいて、決定された領域の残留応力を算出することにより、測定対象物の表面に凹凸が存在しても、測定対象物の残留応力を精度良く算出することができる。

また、残留応力評価を実施したい凹凸のある表面について、レーザ等で凹凸形状を測定し、測定箇所として、直線近似できる領域を決定し、直線近似できる領域の直線と基準面とのなす角度と、基準面に対するＸ線の入射角を用いて、凹凸形状の残留応力評価への影響を考慮して、残留応力評価を実施することにより、曲率等の凹凸形状を有する測定対象物の表面残留応力評価の精度を向上させることができる。

なお、上記の実施の形態では、３次元形状測定装置として、レーザ変位計を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、凹凸形状は、触診式の凹凸形状評価法、またはその他の凹凸形状測定可能な各種顕微鏡を用いた評価法等により計測されてもよい。また、Ｘ線の照射領域の限定にコリメータを用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、Ｘ線の照射領域の限定には、スリット等を用いてもよい。

１０ Ｘ線回折測定装置
１１ Ｘ線照射部
１２ イメージングプレート
１４ 読み取り部
１５ 制御部
１６ テーブル
１７ テーブル駆動機構
１８ ケース
２０ ３次元形状測定装置
３０、８０ ステージ
３２、８２ 走査機構
４０ 操作制御装置
５０ コンピュータ装置
５１ コントローラ
５３ 表示装置
５４ 入力装置
６０ 形状測定部
６２ 測定領域決定部
６３ 角度決定部
６４ ビーム径選定部
６６ 回折環撮像制御部
６８ 回折環読取り制御部
７０ 回折環消去制御部
７１ Ｘ線入射角度補正部
７２ 残留応力計算部
１００ Ｘ線残留応力測定システム

Claims (6)

1. 測定対象物表面の所定方向に沿った凹凸形状を測定する形状測定工程と、
   測定された凹凸形状の直線に近似される部分により定まる領域を決定する領域決定工程と、
   前記決定された領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定するビーム径選定工程と、
   前記決定された領域の、基準面とのなす角度を決定する角度決定工程と、
   前記選定されたＸ線のビーム径にて、前記決定された領域にＸ線を照射し、前記決定された領域から回折されたＸ線により形成される回折環の形状を測定する回折環測定工程と、
   前記測定された回折環の形状の、基準形状からの変形を評価する回折環評価工程と、
   前記決定された基準面とのなす角度に基づいて、評価された回折環の変形から、前記決定された領域の応力を算出する応力算出工程と、
   を含むＸ線残留応力測定方法。
2. 前記領域決定工程では、測定された凹凸形状と近似直線との相関値が所定値以上となる部分により定まる領域を決定し、
   前記角度決定工程では、前記決定された領域の前記近似直線と前記基準面とのなす角度を決定する請求項１記載の請求項１記載のＸ線残留応力測定方法。
3. 前記応力算出工程では、前記評価された回折環の変形と、前記決定された基準面とのなす角度と、予め求められた前記基準面に対するＸ線の入射角とに基づいて、ｃｏｓα法を用いて、前記決定された領域の応力を算出する請求項１又は２記載のＸ線残留応力測定方法。
4. 前記応力算出工程では、前記測定された回折環の各円周角αの変形ε_αと、前記基準面に対するＸ線の入射角を、前記決定された基準面とのなす角度で補正した入射角と、前記測定対象物のヤング率、ポアソン比、及び回折角の余角とに基づいて、ｃｏｓα法を用いて、前記決定された領域の応力を算出する請求項３記載のＸ線残留応力測定方法。
5. 前記応力算出工程では、前記決定された領域の応力を平面応力であると仮定して、Ｘ軸方向の応力σ_x、及びせん断応力τ_xyを、以下の式に従って算出する請求項４記載のＸ線残留応力測定方法。
   
   
   ただし、Ｅは、ヤング率、νはポアソン比、ηは回折角の余角、ψ₀は、前記基準面に対するＸ線の入射角を、前記決定された基準面とのなす角度で補正した入射角である。
6. 測定対象物表面の所定方向に沿った凹凸形状を測定する形状測定装置と、
   前記測定対象物の表面にＸ線を照射し、回折されたＸ線により形成される回折環の形状を測定するＸ線回折測定装置と、
   前記形状測定装置による測定結果に基づいて、測定された凹凸形状の直線に近似される部分により定まる領域を決定する領域決定部、
   前記決定された領域の、基準面とのなす角度を決定する角度決定部、
   前記決定された領域のみにＸ線を照射するようにＸ線のビーム径を選定するビーム径選定部と、
   前記Ｘ線回折測定装置により、前記選定されたＸ線のビーム径にて前記決定された領域にＸ線を照射して測定された前記回折環の形状に基づいて、前記回折環の形状の、基準形状からの変形を評価する回折環評価部、及び
   前記決定された基準面とのなす角度に基づいて、評価された回折環の変形から、前記決定された領域の応力を算出する応力算出部
   を含むコンピュータと、
   を含むＸ線残留応力測定システム。