JP2000028442A - 材料の残留応力測定方法及びその方法に用いられる残留応力開放方法並びに残留応力開放装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、放電加工により、応力解放方式によ
る残留応力測定の作業ステップを簡略化なおかつ、測定
精度を向上させることを目的とする。 【解決手段】円筒形の放電加工電極１を使用し、放電加
工電極１に抵抗線ひずみゲージ２のリード線を引き出す
開口を設けて、その開口から外に引き出されたリード線
４をひずみ測定器に結線しておくことにより、その結線
したままひずみゲージ２を材料３に貼付しておき、その
状態で放電加工電極１でひずみゲージ２の周囲の材料３
部分に溝を作り、その溝でひずみゲージ２を貼付した材
料３部分の応力を開放し、その解放後のひずみゲージ２
による測定値をひずみ測定器７で読み取る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の残留応
力測定法に係り、特に、鋼材の表面応力解放方式による
残留応力測定方法に用いられる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から行われている応力解放方式によ
る材料の残留応力測定の原理を、図６及び図７で説明す
る。

【０００３】図６の（ａ）図のように金属製の材料３内
部に閉じ込められた応力３０１を測定するために、図６
の（ｂ）図及び（ｃ）図のように、材料表面に溝１４を
設けると、溝１４によって拘束が解かれて、応力３０１
が開放され材料３はひずみを生ずる。図６の（ｂ）図
は、溝１４が浅い応力開放の過程を示し、図６の（ｃ）
図は溝１４が十分深く切られて表面応力が充分に開放さ
れた状態を示す。

【０００４】図６では、溝１４で囲われた部分との材料
３が収縮するように変形する場合を例示しているが、残
留していた応力３０１の方向によっては、反対に膨張す
るように変形する場合もある。

【０００５】この変形の割合つまりひずみをひずみゲー
ジで測定して、材料３の内部に残っていた応力３０１を
算定する。

【０００６】ひずみの測定はまずは、あらかじめ材料３
の表面に抵抗線ひずみゲージ２を貼付して、溝１４を作
って応力３０１を開放する前のゲージ抵抗を測定してお
き、後に、図７の（ａ）（ｂ）図のように、ひずみゲー
ジ２の周囲に円形の溝１４を切って応力３０１を開放し
て、開放前後のゲージ抵抗の変化量からひずみ量すなわ
ち残留応力を測定するもので、従来行われている代表的
な方法を示す。

【０００７】図８の（ａ）（ｂ）図は、測定に使用され
る単軸の抵抗線ひずみゲージ（一つのゲージに１個の抵
抗線２０１を備えて、一方向のみのひずみを測定でき
る）を示しており、１個の抵抗線２０１に測定信号を伝
達する信号線として２本のリード線４が結線された抵抗
線ひずみゲージ２の代表的な構造もあわせて示してあ
る。

【０００８】図９の（ａ）（ｂ）図は、測定に使用され
る３軸型の抵抗線ひずみゲージ２を使用した例で、三方
向のひずみを同時に測定できるように三方向に向けられ
た３個の抵抗線２０１を備え１個の抵抗線２０１ごとに
２本のリード線４が結線され、計６本のリード線があっ
て、後述するように結線とそのばらし作業に多くの時間
を必要とする。

【０００９】図１０は従来の典型的な残留応力を測定す
る試験手順〜を示したもので、 材料３の上面を試験面としてその試験面を研磨及び清
掃し、次にひずみゲージ２を研磨及び清掃後の材料３
の試験面に貼付し、次にリード線４をひずみゲージ２
の抵抗線２０１とひずみ測定器７のスイッチボックス７
０１に結線してひずみ測定器７のバランス（０点）調整
し、次にそのスイッチボックス７０１とリード線４と
の結線を解いてばらし、次にひずみゲージ２の養生
（ゲージとリード線の保護）を行い、次に溝切りカッ
ター１０３を矢印１０４方向に回転させて材料３に溝１
４を掘る溝切り作業を行い、次にひずみゲージ２の養
生をばらし、次にリード線４とスイッチボックス７０
１とを再結線してひずみゲージ２でひずみを測定してひ
ずみ測定器７でひずみ測定値の読み取りを行い、読み取
ったひずみの測定値から応力を算出して求める。

【００１０】この手順では、高速で回転する溝切りカッ
ター１０３を使用するため、ひずみゲージ２のリード線
４を結線したままでは溝切り作業をすることができず、
ひずみ測定器７の０点調整をした後、結線をばらして、
ひずみゲージ２とリード線４を保護するための養生を施
さなければならない。

【００１１】図１１はひずみゲージ２とリード線４を溝
切りカッター１０３から保護するための、いわゆる養生
の状況を示したもので、ひずみゲージ２をワックス１６
でコーティングし、その上にさらにリード線４を保護す
るために、保護シート１８で覆っている。この作業も、
測定点が多い場合には測定点毎に養生作業を行うので、
多くの時間を費やして行われている。

【００１２】溝切り後には養生に用いた部材を撤去し
て、リード線４をひずみ測定器７のスイッチボックス７
０１に再度結線しなおして、測定することになるが、工
程が余分にかかるほかに、０点調整を行ったあとでリー
ド線４を再度付け替えることで、測定精度低下の要因に
なる懸念もあった。

【００１３】また、溝切りカッター１０３で高速切削す
ることによる温度上昇によりひずみゲージ２の特性が劣
化して、これも測定精度低下の要因になった。さらに
は、養生を施しても、なおかつ溝切りカッター１０３が
接触してひずみゲージ２を損傷することもあった。

【００１４】他の従来例として、特開平10−48069 号公
報には、残留応力の測定方法として、予めひずみゲージ
を貼付した測定対象の部位を水冷しながらもＵ字型の放
電加工電極でその対象部位を掬い取るように切り取って
周囲から完全に切り離すことで周囲からの拘束を解いて
その対象部位の応力を開放し、開放した後のひずみゲー
ジによる測定値を読み取ってその対象部位に残留してい
た応力を推定するものが開示されている。

【００１５】この場合には、Ｕ字型の放電加工電極とひ
ずみゲージのリード線との干渉を避ける手法が開示され
ておらず、リード線を傷める恐れが懸念される。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来例では、ひずみゲ
ージのリード線を傷める恐れをなくするためにも、リー
ド線の養生及び養生ばらし作業と結線ばらし並びに再結
線作業が伴う。

【００１７】このために、応力解放後のひずみ測定まで
に手間暇が多く必要となる上、上述のように、結線ばら
し並びに再結線作業は測定精度を低下させる要因を生む
可能性が高いものです。

【００１８】このため、 （１）ひずみゲージを貼付し、リード線を結線して０点
調整を行ってからは、リード線のつなぎ替えを行わずに
測定を終了させ、測定時間の短縮と共に測定精度の低下
を避ける。

【００１９】（２）測定に必要な応力開放作業の所要時
間を短縮する。特に放射線環境下では放射線被曝を受け
ないように作業時間を短縮する。

【００２０】（３）溝切り作業に伴う発熱により、ゲー
ジが損傷をうけるのを防止する。

【００２１】などの要求があります。

【００２２】本発明の目的は、応力解放方式による残留
応力測定に関する作業ステップを簡略化し、なおかつ、
測定精度を向上させることに貢献する技術を提供するこ
とにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】第１手段は、材料に貼付
したひずみゲージの周囲の前記材料部分に溝を作って前
記溝で囲われた範囲内の応力を開放した状況での前記ひ
ずみゲージによる測定値を用いて前記材料の残留応力を
測定する方法において、前記材料のひずみゲージによる
測定が可能な状態を維持したままで前記溝を作ることを
特徴とする材料の残留応力測定方法であり、前記材料の
ひずみゲージによる測定が可能な状態を維持したままで
前記溝を作るので、ひずみゲージのリード線等の測定信
号の伝達手段の結線ばらし作業や再結線する作業を伴わ
ないで、応力を開放した後のひずみゲージによる測定が
速やかに可能となる作用が得られるから、応力測定の手
間暇が軽減され、再結線による測定精度の低下も防止で
きるという効果が得られる。

【００２４】第２手段は、第１手段において、ひずみゲ
ージに結線した電線を放電加工機の円筒状の放電加工電
極の内側を経由して前記放電加工電極の外側に貫通させ
てその外側のひずみ測定器に接続自在に結線しておき、
その結線状態で前記放電加工電極の円筒形状の内側に前
記ひずみゲージが包含されるように前記材料に前記放電
加工電極を進めて放電加工で溝を作ることを特徴とする
材料の残留応力測定方法であり、第１手段による作用効
果に加えて、放電加工電極が材料面と垂直に進めば溝が
作れるので、放電加工電極の回転が伴わずに、電線の結
線状態を維持したまま結線解除などの手間暇をかけるこ
となく溝が作れるという作用効果が得られる。

【００２５】第３手段は、材料に貼付したひずみゲージ
の周囲の前記材料部分に溝を作って前記溝で囲われた範
囲内の応力を開放する方法において、前記材料のひずみ
ゲージによる測定が可能な状態を維持したままで前記溝
を作ることを特徴とする材料の残留応力測定方法に用い
られる残留応力開放方法であり、この残留応力開放方法
を残留応力測定方法の過程の中で用いると、ひずみゲー
ジのリード線等の測定信号の伝達手段の結線ばらし作業
や再結線する作業を伴わないで、応力を開放した後のひ
ずみゲージによる測定が速やかに可能となる作用が得ら
れるから、応力測定の手間暇が軽減し、さらには再結線
による測定精度の低下も防止するに貢献できる残留応力
開放方法を提供できるという効果が得られる。

【００２６】第４手段は、第３手段において、ひずみゲ
ージに結線した電線を放電加工機の円筒状の放電加工電
極の内側を経由して前記放電加工電極の外側に貫通させ
てその外側のひずみ測定器に接続自在に結線しておき、
その結線状態で前記放電加工電極の円筒形状の内側に前
記ひずみゲージが包含されるように前記材料に前記放電
加工電極を進めて放電加工で溝を作ることを特徴とする
材料の残留応力測定方法に用いられる残留応力開放方法
であり、第３手段による作用効果に加えて、放電加工電
極が材料面と垂直に進めば溝が作れるので、放電加工電
極の回転が伴わずに、電線の結線状態を維持したまま結
線解除などの手間暇をかけることなく溝が作れ、応力開
放が迅速に行えるという作用効果が得られる。

【００２７】第５手段は、材料に貼付したひずみゲージ
の周囲の前記材料部分に溝を作る手段において、前記溝
を作る手段は放電加工電極端部が円筒状の形状を備えた
放電加工装置であり、前記放電加工電極には前記ひずみ
ゲージからの測定信号を伝達する信号線を前記放電加工
電極の内外間に導くための配線通路が装備されているこ
とを特徴とする材料の残留応力測定方法に用いられる残
留応力開放装置であり、第３手段の方法によってもたら
される作用効果を達成するための装置が提供できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１，図
２，図３，図４，図５に基づいて説明する。図１におい
て、測定対象である金属製の材料３にはひずみゲージ２
が貼り付けてあり、放電加工機の電極ホルダ５３にはひ
ずみゲージ２の回りに、溝１４を切るための、円筒形の
放電加工電極１が取り付けてある。

【００２９】電極ホルダ５３は電極駆動機構５で上下方
向に移動自在に支持され、電極駆動機構５は水平なアー
ム５１に水平方向へ移動自在に支持され、アーム５１は
垂直な支柱５２によって上下動自在に保持されている。
電極駆動機構５は放電加工機電源及び制御器６から制御
信号ケーブル９，１０を通じて制御信号を受けて電極ホ
ルダ５３を放電加工電極１ごと上下方向へ移動させるこ
とができる。また、放電加工機電源及び制御器６からの
放電加工電源ケーブル１１，１２の一方は材料に接続さ
れ、他方は放電加工電極１と電気的に接続されている。

【００３０】加工液循環ポンプ８は加工液循環パイプ１
３を介して放電加工に必要な加工液を放電加工電極１部
に供給する。供給された加工液は、放電加工個所や放電
加工電極を冷却し、ついには材料２が入れられた加工液
槽６０１で一旦うけられて加工液回収パイプ１３１から
回収されて加工液循環ポンプ８で再度循環を繰り返す。

【００３１】放電加工機電源および制御器６は、ケーブ
ル１１および１２を通じて加工電流を放電加工個所に供
給すると同時に、制御信号ケーブル９，１０で、電極駆
動機構５を下降方向へ移動制御して電極ホルダ５３を下
降させる。この時、放電加工電極１と材料２の間に放電
が起こり、材料３の表面をわずかに溶融させるので、そ
の溶融材料を加工液で押し流すことによって、放電加工
が更に深く進行して溝１４が作られる。

【００３２】図２は、放電加工電極１と材料３の応力測
定部近傍の拡大図で、ひずみゲージ２のリード線４を結
線したまま、溝１４を加工した状態を示している。

【００３３】本実施例における残留応力測定に至る手順
〜を、図３で説明する。

【００３４】まず、材料３の残留応力測定部の表面３
０２を、清浄にして、必要があれば、研磨する。

【００３５】その清浄な材料３の表面３０２にひずみ
ゲージ２を貼付する。

【００３６】ひずみゲージ２に結線した電線であるリ
ード線４と、ひずみ測定器７のスイッチボックス７０１
を結線して、ひずみゲージ２のいずれか選択した抵抗線
とひずみ測定器７をスイッチボックス７０１のスイッチ
操作で接続自在としておき、ひずみゲージ２による測定
がいつでも可能な状態にし、まずは応力解放前の初期値
をひずみ測定器７を見て記録する。この時には、ひずみ
測定器７のブリッジバランスをとり、０点を調整する。

【００３７】放電加工機の放電加工電極１を矢印１０
１の方向に進めてゆき、放電加工電極１の円筒状内部空
間にリード線４やひずみゲージ２を包含した状態で放電
加工により円筒状の溝１４を掘り、その後に矢印１０２
の方向に放電加工電極１を上方へ後退させることで溝切
り作業を行ってひずみゲージ２の貼付部位の応力を開放
し、解放後のひずみをひずみゲージ２で測定してその測
定値をひずみ測定器７を介して読み取り測定記録し、そ
の測定値に対応する応力を求める。

【００３８】この手順を、図１０の従来方法と比較表示
した図が図１２であり、図１２で本発明による方法によ
れば、０点調整後の結線ばらしとひずみゲージ２の養
生、および溝切り後の養生ばらしと、再結線の工程が省
略されていることがわかる。

【００３９】このように、リード線４の結線ばらしと再
結線、およびひずみゲージ２の養生と養生ばらしの作業
が省略できることは、単に工程の短縮効果にとどまら
ず、リード線４をつなぎ替えたり，折り曲げたりするこ
とによる測定値への悪影響（測定精度の低下）も排除す
ることができる。

【００４０】これらの特徴は、本発明の実施例による溝
切りの方法が、図１０の手順に示すように溝切りカッ
ターを回転させることなしに、単に上下に動かすだけで
よいことに起因しているが、その特徴を生かすために、
放電加工電極１の内側に通したひずみゲージ２のリード
線４を放電加工電極１の外側に引き出すための開口１０
５を配線通路として設け、ひずみゲージ２に結線された
リード線４をこの開口１０５に通して放電加工電極１の
外側に引き出してひずみ測定器７のスイッチボックス７
０１に結線してある。

【００４１】さらに、従来の抵抗線ひずみゲージは、図
４の（ａ）図に示すように、リード線４がひずみゲージ
２のゲージベース２０２と平行に引き出されているため
に、リード線４を折り曲げて放電加工電極１の内部に収
納するのが難しく、溝１４の直径を小さくするのが困難
であった。

【００４２】そこで、本実施例では、図４の（ｂ）図に
示すように、リード線４をゲージベース２０２から上部
に引き出すようにした。

【００４３】これにより、溝１４の直径を必要最小限ま
で小さくして、必要な溝１４の深さを小さくし、溝きり
時間を短縮した。

【００４４】なお、このひずみゲージ２は放電加工液の
中で使用されるので、予め防水処理２０４を施した。

【００４５】図５は、本発明を管内面の残留応力測定に
適用した他の実施例で、図１の電極ホルダ５３に水平な
延長アーム１９を付加してその先端に放電加工電極１を
取り付けて、管２０の内部に挿入して、溝切りを実施し
た。その他の構成と作用は既述の実施例と同じである。
このようにすれば、管内等の狭隘部での応力測定作業が
可能である。

【００４６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、応力開放式残
留応力測定作業工程を短縮すると同時に測定精度向上が
図れる。

【００４７】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、抵抗線ひずみゲージの電線の引き
出し方向を、水平方向から垂直方向に変更して放電加工
作業量を低減して、応力開放式残留応力測定作業工程を
一層短縮できる。

【００４８】請求項３の発明によれば、応力開放式残留
応力測定に欠かせない応力開放のための作業が応力開放
式残留応力測定を遅らせることなく行える効果が得られ
る。請求項４の発明によれば、請求項３の発明による効
果に加えて、抵抗線ひずみゲージの電線の引き出し方向
を、水平方向から垂直方向に変更して放電加工作業量を
低減して、応力開放作業を短縮できる。

【００４９】請求項５の発明によれば、応力開放式残留
応力測定に欠かせない応力開放のための作業が応力開放
式残留応力測定を遅らせることなく行える装置を提供で
きるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による応力開放作業のための装
置とひずみ測定装置の全体図である。

【図２】図１の点線による楕円内の構成を示した斜視図
である。

【図３】本発明による応力開放及びひずみ測定作業の手
順の解説図である。

【図４】本発明の実施例による放電加工電極と材料とひ
ずみゲージとの関係を示した図であり、（ａ）図はひず
みゲージのリード線の引き出し方向が水平の場合の図で
あり、（ｂ）図はひずみゲージのリード線引の引き出し
方向が垂直に近い場合の図をそれぞれ示している。

【図５】本発明の他の実施例による放電加工装置を配管
との関係を示した図である。

【図６】応力開放の手順を模式的に示した手順解説図で
ある。

【図７】測定対象の材料に抵抗線ひずみゲージと溝を設
けた状態の図を示しており、（ａ）図は上面図、（ｂ）
図は縦断面図をそれぞれ示している。

【図８】測定対象の材料に貼付した状態の単軸抵抗線ひ
ずみゲージを示す図であり、（ａ）図は上面図、（ｂ）
図は縦断面図をそれぞれ示している。

【図９】測定対象の材料に貼付した状態の三軸抵抗線ひ
ずみゲージを示す図であり、（ａ）図は上面図、（ｂ）
図は縦断面図をそれぞれ示している。

【図１０】従来の応力開放式の応力測定方法の手順を示
した解説図である。

【図１１】従来の抵抗線ひずみゲージの養生状態を示し
た図である。

【図１２】本発明の作業ステップと従来の作業ステップ
とを並列表示した比較図である。

【符号の説明】

１…放電加工電極、２…ひずみゲージ、３…材料、４…
リード線、７…ひずみ測定器、１４…溝、１０５…開
口、７０１…スイッチボックス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 裕一 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 荒添 雅俊 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 根目沢 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 Ｆターム(参考） 2F069 AA99 BB40 DD30 GG06 GG17 KK10 MM01 PP01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】材料に貼付したひずみゲージの周囲の前記
   材料部分に溝を作って前記溝で囲われた範囲内の応力を
   開放した状況での前記ひずみゲージによる測定値を用い
   て前記材料の残留応力を測定する方法において、 前記材料のひずみゲージによる測定が可能な状態を維持
   したままで前記溝を作ることを特徴とする材料の残留応
   力測定方法。
2. 【請求項２】請求項１において、ひずみゲージに結線し
   た電線を放電加工機の円筒状の放電加工電極の内側を経
   由して前記放電加工電極の外側に貫通させてその外側の
   ひずみ測定器に接続自在に結線しておき、その結線状態
   で前記放電加工電極の円筒形状の内側に前記ひずみゲー
   ジが包含されるように前記材料に前記放電加工電極を進
   めて放電加工で溝を作ることを特徴とする材料の残留応
   力測定方法。
3. 【請求項３】材料に貼付したひずみゲージの周囲の前記
   材料部分に溝を作って前記溝で囲われた範囲内の応力を
   開放する方法において、 前記材料のひずみゲージによる測定が可能な状態を維持
   したままで前記溝を作ることを特徴とする材料の残留応
   力測定方法に用いられる残留応力開放方法。
4. 【請求項４】請求項３において、ひずみゲージに結線し
   た電線を放電加工機の円筒状の放電加工電極の内側を経
   由して前記放電加工電極の外側に貫通させてその外側の
   ひずみ測定器に接続自在に結線しておき、その結線状態
   で前記放電加工電極の円筒形状の内側に前記ひずみゲー
   ジが包含されるように前記材料に前記放電加工電極を進
   めて放電加工で溝を作ることを特徴とする材料の残留応
   力測定方法に用いられる残留応力開放方法。
5. 【請求項５】材料に貼付したひずみゲージの周囲の前記
   材料部分に溝を作る手段において、前記溝を作る手段は
   放電加工電極端部が円筒状の形状を備えた放電加工装置
   であり、前記放電加工電極には前記ひずみゲージに結線
   した電線を前記放電加工電極の内外間に導くための配線
   通路が装備されていることを特徴とする材料の残留応力
   測定方法に用いられる残留応力開放装置。