JP2001221697A

JP2001221697A - 残留応力測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2001221697A
Application number: JP2000038194A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Ozawa; 則彦小澤
Original assignee: Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Kyowa Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2001-08-17
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: JP3940540B2

Abstract

(57)【要約】【課題】部材の残留応力を測定する場合、抵抗線ひずみ
ゲージを測定対象物に貼り付けることによって測定する
方法があるが対象物の一部を穿孔、あるいは切断などの
作業が伴い、完成品などには適用できない問題がある。
また従来からＸ線による応力測定は非破壊による方法で
あるが、装置が大型になる。本発明は、一般の産業機器
の部材表面に存在する残留応力の測定に関し、非破かつ
簡便に残留応力を求めることができる測定方法および装
置を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明は、測
定位置近傍に衝撃荷重を与え、該衝撃荷重による該部材
の表面波振動信号を検出し、該表面波振動信号の振幅減
衰比あるいは残留応力がない場合の該表面波振動信号の
周期、周波数特性における振幅との比などから当該部材
の残留応力を求めることに特徴がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般の産業機器の部
材表面に存在する残留応力の測定に係り、特に非破壊か
つ簡便に残留応力を計測するのに好適な方法と装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の残留応力測定方法としては、抵抗
線ひずみゲージを測定対象部材表面に貼り付けた後、該
部材の測定位置周辺を切断することで残留応力を開放
し、開放前後のひずみの変化から測定する方法、あるい
は、ひずみゲージ近傍を穿孔して、測定対象物の残留ひ
ずみを部分的に開放したときの変化から、残留応力を測
定するものがある。

【０００３】また、特開平５−７２０５６号公報には共
振法による薄板の音弾性応力測定方法についての記載が
ある。これは共振周波数を振動子の共振周波数に近い共
振モードにして薄板の応力を測定するもので、振動子を
試験片に接着せずに測定できるから試験片の音響結合層
の影響が無視できる方法である。

【０００４】また、特開６４−６８６２８号公報には、
金属板（測定部材）全体を振動させ、その時検出される
振動信号の周波数分析をおこない、その周波数成分量か
ら残留応力を求める方法が記載されている。

【０００５】その他に、非破壊検査手法の一つとして一
般的にはX線を用いた残留応力測定方法がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の抵抗線
ひずみゲージによる残留応力測定の問題点は、測定対象
部材の一部を破壊してしまうことにある。試験片の応力
測定等の場合はよいが、製品としての完成品に適用する
ことは出来ないし、製品の製作工程の途中や、完成品に
対して穿孔による測定方法を適用した場合は、穿孔部を
補修しなければならない。しかし補修によって新たな残
留応力を発生するおそれがある。さらに、ひずみゲージ
を用いた穿孔による方法では十分残留応力が開放されな
い場合もあり正確な残留応力の測定は難しい。さらに残
留応力の測定には歪みゲージを人の手で貼り付けなけれ
ばいけないこと、ひずみゲージの貼り付け、接続、解析
には豊富な経験と知識を必要とするなどの問題がある。

【０００７】また上記の薄板共振法による音弾性応力測
定方法では、完成品に適用できない問題がある。従来技
術の測定部材全体を振動させて残留応力を求める方法で
は、測定部材全体の残留応力が求められ、製品の局部的
な残留応力の値を求めることはできない。

【０００８】また、X線残留応力測定法は非破壊ではあ
るが装置が大型であり複雑な形状の測定が困難である。
また、X線スペクトルのピークが重複するような場合
は、測定できないことがある。残留応力の測定に対して
要求される課題は、（１）非破壊で測定が可能なこと、
（２）小型軽量で操作が簡単なこと、（３）部材局部の
残留応力の測定が可能なこと、（４）無人測定が可能な
こと、（５）遠隔操作が可能なこと、（６）測定時間が
短いこと、などがあげられる。

【０００９】本発明の目的は上述の問題を解決し、完成
品にも適用でき、非破壊かつ簡便な残留応力の測定方法
および装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため本発
明では、測定対象部材に衝撃波を与え、それによって生
ずる表面波振動信号から残留応力を測定するものであ
る。具体的には、残留応力測定位置近傍に衝撃荷重を与
え、該衝撃荷重による該部材の表面波振動信号を検出
し、該表面波振動信号の振幅の減衰比、または該検出信
号の周期と残留応力がない場合の該表面波振動信号にお
ける周期との比などから当該部材の残留応力を求めるこ
とを特徴とする。

【００１１】また残留応力測定装置の構成は、残留応力
測定対象部材の測定位置近傍に衝撃荷重を加えて振動を
発生させる表面波発生手段と、該荷重による該部材の表
面波振動信号を検出する振動信号計測手段と、該検出さ
れた振動信号の振幅減衰比、または該検出された信号の
周期と残留応力がない場合の該表面波振動信号の周期と
の比を演算する振動解析手段と、あらかじめ測定記憶し
ておいた残留応力と振幅減衰比、あるいは残留応力と周
期比の関係を参照して残留応力を求める残留応力測定解
析手段、とから成ることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】外力によって構造物に衝撃を与え
ると、それに伴う振動は残留応力によって、減衰挙動に
相違が生じる。そのため、残留応力の存在する部材と残
留応力がない部材とでは、振動波形を比較することで残
留応力を求めることが出来る。振動を発生させる外力
は、波形を観察できる程度の微小な外力ですむため、部
材を損傷させずに済むから非破壊で測定が可能である。

【００１３】本発明は、上述のように与えた外力に対す
る部材の振動の変化に着目したものである。振動を発生
させるためには、測定位置近傍に衝撃荷重を与え、部材
の表面に表面波を発生させる。この時の表面波を測定部
に取付けた加速度計あるいは変位計などで測定し、残留
応力を測定する。

【００１４】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明による測定の機能構成図である。測定部材
１００は残留応力を測定する部材であって装置としての
完成品あるいは試験片の場合もある。表面波発生手段１
０１は外部から部材１００に表面波を発生させるために
衝撃荷重を加える手段であり、具体例は後述する。振動
測定手段１０２は前記表面波発生手段１０１によって発
生した振動（表面波）を測定する手段で加速度センサあ
るいは変位センサなどが用いられる。測定手段は部材１
００に例えば接着剤などにより取り付けられる。本発明
は振動計測手段１０２による測定結果から残留応力を検
知する。

【００１５】防振材１０６は、表面波発生手段１０１か
ら印加された衝撃によって発生した振動が、本体ケース
１０４を経由して直接振動計測手段１０２に伝わること
を防ぐものである。すなわち、１０６は測定部材１００
に発生した表面波だけを高精度に測定出来るようにする
防振材である。また、駆動部本体１０５、本体ケース１
０４内部に防振材を充填することで、防振材１０６と表
面波発生手段１０１、振動計測手段１０２の直接的な干
渉をなくして一体構造とし、小型軽量化をはかることが
できる。１０３は着脱用ベース、１１１は弾性体で、表
面波発生手段１０１や振動計測手段１０２の、部材表面
１００への加圧固定のための弾性部材を表わしている。

【００１６】１１２は振動測定用リード線、１１３は表
面波発生手段１０１を励磁制御するための信号を与える
リード線、１１４はサーボモータ１０８へ駆動用信号を
与えるためのリード線である。１０７はサーボモータの
取り付け支柱であり、１０９はサーボモータ用ギア、１
１０は駆動部本体用ギアである。このサーボモータ１０
８は主制御部１２２からの制御信号１３２による駆動制
御手段１１５によって制御される。サーボモータ１０８
を駆動することによって測定部材１００に対する駆動部
本体の相対位置を変えることができる。すなわち表面波
発生手段１０１と振動計測手段１０２とを対にし両者の
位置関係を保ったまま、残留応力の測定部分の変更をお
こなうことができる。

【００１７】また主制御部１２２からの制御信号１３４
により表面波発生制御手段１１６により表面波発生手段
１０１に衝撃発生のための制御信号をリード線１１３を
介して供給する。

【００１８】この衝撃によって発生した振動信号は振動
計測手段１０２によって計測され、振動信号は振動信号
処理手段１１７に入力され信号処理を行なった上で信号
１４６として振動解析装置１１８に入力される。表面波
発生制御装置１１６からの同期信号１３６とから、振動
信号の解析が行なわれる。残留応力測定解析装置１１９
では、振動解析装置１１８からの信号１４０と応力解析
のためのパラメータ（例えば材料定数等）信号１３８な
どから、測定部材１００の残留応力が決定される。また
残留応力がない場合の周波数特性や表面波振動信号の周
期などをあらかじめ材料ごとに記憶しておいて、材料に
応じて選択参照し、残留応力を求める。１２０はその結
果を記憶しておくデータバンク、１２１はデータバンク
１２０のデータを用いて表示を行なう表示装置である。

【００１９】また、図２の（Ａ），（Ｂ）、（Ｃ）は前
記表面波発生手段１０１の実施例を示している。図2
（Ａ）、（Ｂ）は表面波発生手段１０１として圧伝素子
２０１を用い電圧を印加して部材１００加振する場合を
示している。いわば電気的エネルギーを機械的エネルギ
ーに変換して、部材に衝撃を与える例である。その場合
の圧子素子の形状として球状圧子２０２を用いた場合
と、円錐状圧子２０３を用いた場合を示している。円錐
状圧子２０３の方が局部的に加振できるが、部材の材質
によっては疵が付くおそれもあるので、材質と測定部位
によって使い分ける必要がある。図2（Ｃ）は弾性体２
０４を用いて弾性体用球状圧子２０５、または弾性体用
円錐状圧子２０６を部材に衝突させる場合を示し、圧子
の衝突によって部材表面に表面波を発生させる。これは
弾性体の弾性エネルギーを利用して衝撃を与える例であ
る。

【００２０】図３（ａ）〜（ｃ）は図2（Ｃ）の場合
の、弾性体と球状圧子による表面波ＳＷの発生過程の略
図を示す。図３の（ａ）は、球状圧子衝突前を、同図
（ｂ）は、衝突の瞬間の図で、測定部材表面のＳ部に塑
性変形が起き振動が発生する。同図（ｃ）は球状圧子２
０５の衝突によって表面波ＳＷが発生した状態を示し、
着脱用ベース１０３の地点で反射し、折り返し波が発生
している場合の略図を示している。表面波ＳＷは着脱用
ベース１０３によって外部に漏れることがない。また外
部に存在する振動の影響を内部に取り込むことがない。
したがって、外部振動の影響を受け難く、信頼性の高い
振動計測が出来る。

【００２１】前述のように衝撃に伴う表面波振動信号
を、振動計測手段102（加速度計または変位計など）で
振動を計測する。微弱な振動を計測できるものであれば
よいが、折り返し波が重畳されると測定制度精度の悪化
の原因となる場合がある。したがって、振動信号の解析
には、図3（Ｃ）にその例を示したが、折り返し振動波
形が重畳されるまでの期間の表面波信号を、残留応力検
出信号として用いる。

【００２２】図４は表面波発生手段１０１による衝撃に
伴う振動信号と、振動計測手段１０２で検出された信号
との関係を表わしている。図4の（ａ）は表面波発生器1
01で与えた衝撃信号を、図4（ｂ）はそのとき振動計測
手段１０２で計測され信号処理（例えば高調波除去な
ど）された表面波の振動信号波形を示している。横軸は
時間ｔ、縦軸は振幅ｘである。この表面波は測定部材内
部でエネルギーを消費するため減衰挙動を示す。点線は
残留応力のないときで、包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）と
ともに示している。これに対して残留応力が存在してい
るときは実線のようになる。両者の包絡線から明らかな
ように、残留応力が存在するときは振動信号の振幅の減
衰が小さい。これに対して残留応力がないときは衝撃が
加えられた瞬時の振動信号の振幅が大きく、減衰も早
い。この振動信号の振幅の減衰、すなわち衝撃波が加え
られたときの最初の最大振幅値と次のサイクルの最大振
幅値との比などから減衰比を求めると、減衰比が小さい
ほど残留応力が大きいことを実験により確かめた。減衰
比と残留応力の関係の実験例を図5に示す。図5のデータ
から最小二乗法で近似式を求めることで、減衰比と残留
応力の関係を定式化することができる。部材の材料ごと
にあらかじめ図5の特性を測定し、残留応力解析装置１
１９に記憶しておいて、部材に応じて選択参照すれば振
幅減衰比からその部材の残留応力の大きさを判断するこ
とができる。

【００２３】なお最大振幅値の減衰比は上記のように最
大振幅値と次サイクルの振幅値と比較してもいいし、順
番に移動し次サイクルの最大振幅値との減衰比を複数回
求め、平均化処理をおこない減衰比を求める方法であっ
てもよい。減衰比が小さい場合は、最初の最大振幅値と
あらかじめ定めたサイクル後の最大振幅値との比から減
衰比を求める方法であってもよい。基準となる定式化も
それに応じてあらかじめ用意しておけばよい。

【００２４】振動信号の振幅ｘの式を参考までに図4の
（ｂ）に示したが残留応力がない場合とある場合の一般
式は（1）、（２）式によって表される。

【００２５】ｘ_ｏ＝σ_ｏｅ^-β _ｏ ^ωｔ ………（１）ｘ_Ｒ＝σ_Ｒｅ^-β _Ｒ ^ωｔ ………（２） σ_ｏは残留応力がない場合の定数、σ_Ｒは残留応力が存
在する場合の定数である。そしてβは減衰特性を表して
いて、部材によって減衰特性が違ってくる。βは部材に
よって決まる減衰定数である。β_Ｒは残留応力がある場
合、βｏは残留応力がない場合である。

【００２６】また、表面波の周期も残留応力の大きさに
よって変化することが、実験により確かめられている。
したがって、残留応力は、表面波振動信号の周期μの変
化でも求めることができる。図4（ｂ）に示したよう
に、残留応力がある場合の周期をμ_Ｒ、残留応力がない
場合の周期をμ_ｏとしその周期比、μ_Ｒ/μ_ｏと残留応
力との関係を図7に示す。周期比が大きいときは残留応
力も大きい。したがって図7の関係から、検出された表
面波振動信号の周期に着目しても残留応力を知ることが
できる。

【００２７】図４（Ｃ）は、衝撃波に対する周波数応答
を示している。ここで点線の場合は残留応力あり、実線
は残留応力なしの場合を示している。横軸は周波数Ｈ
ｚ、縦軸は平均振幅ｄを表している。低周波数領域であ
るf₁は、測定部材がもつ固有振動数である。高周波数領
域であるf_Rは表面波の振動周波数である。ここでｆ_Rは
ｆ₁の次に現れるピーク値に対応する周波数である。ｆ_R
における平均振幅は残留応力があるときｄ_R、残留応力
がないときの平均振幅をｄ_ｏとする。その比ｄ_R/ｄ_oと
残留応力の関係は図6のような関係にある。平均振幅の
比と残留応力は、相関関係があり、最小二乗法で近似式
を求めることで、ｄ_R/ｄ_o と残留応力の関係を定式化で
きる。

【００２８】したがって、図6の関係から残留応力を求
めることができる。すなわちｄ_R/ｄ_oが大きいとき、残
留応力が大きい。また、図4（Ｃ）ではｆ_１（共振周波
数）の次に振幅がピーク値となる周波数ｆ_Ｒにおけるｄ
_R/ｄ_oをみているが、これに限るものではない。さらに
周波数が高いところであっても、残留応力の有無によっ
てまたその大きさによって残留応力との関係が把握でき
れば、その特性を用いて残留応力を把握することができ
る。

【００２９】また、これらの一連のデータ処理はマイコ
ンによって行なうことが出来る。その処理フローを図８
に示す。これは図1の一点鎖線で示した部分３００をマ
イコンによって実施した場合の例である。ステップ３０
２では材質や経験によってあらかじめ定められた衝撃波
を選択し、衝撃波発生制御のための制御信号を決定し表
面波発生手段に印加し衝撃波を発生させる。ステップ３
０４では衝撃波による測定部材１００の表面波振動信号
を振動測定手段１０２によって検出しその検出信号をあ
らかじめ定められた時間分取り込む。ステップ３０６で
はその後の信号処理を行ない易くするために例えば高調
波のスムージング処理などを行なうことにより、図4
（ｂ）に示したような信号にし、減衰特性あるいは周期
が把握できるようにする。ステップ３０８では図4
（ｂ）信号から例えば減衰比（β）、周期比（μ_Ｒ／μ
_ｏ）あるいは周波数特性の分析結果からｆ_Ｒにおける振
幅比（ｄ_Ｒ／ｄ_ｏ）を演算する。ステップ３１０ではあ
らかじめ求めら記憶されている定式化特性直線（あるい
は曲線、例えば図5〜７）を参照し残留応力を算定す
る。ステップ３１２ではそれらのデータを記憶するとと
もに、表示部１２１で表示する。この場合、定式化特性
直線とともに表示することもできる。またマイコンから
は、サーボモータ１０８への回転制御信号も発生させ、
残留応力の測定方向を変えることができる。

【００３０】また測定対象部材であるが、残留応力測定
部は平滑面ばかりではない。図９は溶接継ぎ手部の残留
応力測定の場合を示していて、測定部位が傾斜している
例である。図１の着脱用ベース１０３を取り外し図９に
示す着脱用ベース７０１と取り替えることで多種表面形
状の部位で測定することができる。

【００３１】また、サーボモータ１０８を駆動源として
ギャ１０９からギャ１１０へトルクを伝え本体ケース内
部を回転させることで、表面波発生手段１０１と振動計
測手段１０２とを対にしたまま方向を変えて任意の方向
の残留応力測定も容易に行なう事ができる。

【００３２】また、図１０に示すように表面波発生器１
０１を中心とした円周上に複数の振動計測手段１０２−
１、１０２−２、１０２−３を取付け、同時に複数方向
の残留応力を求めることもできる。振動測定用リード線
１１２−１、１１２−２、１１２−３、により振動計測
信号を取り込んで順次信号処理をおこない、残留応力を
求めることができる。

【００３３】残留応力計測のために計測手段本体一度セ
ットすれば遠隔制御によって衝撃波の印加、表面波の計
測、解析を行うことができる。計測手段本体を小型に形
成できるし、局部的な残留応力の計測も可能であり非破
壊計測ができる。

【００３４】

【発明の効果】これまでの説明で明らかなように、本発
明によれば、非破壊で簡便に、且つ、無人遠隔操作な残
留応力の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による機能ブロック構成図と
振動計測部の部分断面を示す図である。

【図２】本発明の一実施例による残留応力測定装置の振
動を発生する圧子先端の例を示す図である。

【図３】本発明の一実施例による残留応力測定における
衝撃の印加と表面波の発生状況を示す図である。

【図４】本発明の一実施例による残留応力測定方法の原
理説明のための振動信号の例を示す図である。

【図５】本発明の一実施例による残留応力測定における
振幅減衰比（β）と残留応力との関係を示した図であ
る。

【図６】本発明の一実施例による残留応力測定における
周波数応答で求めた振幅比（ｄ_R/ｄ₁）と残留応力との
関係を示した図である。

【図７】本発明の一実施例による残留応力測定における
振動信号の周期比（μ_Ｒ／μ_ｏ）と残留応力との関係を
示した図である。

【図８】本発明をマイコンにより実施した場合の概略フ
ローチャートである。

【図９】本発明の一実施例による傾斜面に適用した残留
応力測定における部分的断面を示した図である

【図１０】表面波発生手段一個に対して振動計測手段を
複数設けて計測する場合の実施例を説明するための略図
である。

【符号の説明】

１００…測定部材、１０１…表面波発生手段、１０２…
振動計測手段、１０３…着脱用ベース、１０４…本体ケ
ース、１０５… 駆動部本体、１０６… 防振材、１０７
…サーボモータ用取り付け支柱、１０８…サーボモー
タ、１０９…サーボモータ用ギャ、１１０…駆動部本体
用ギャ、１１１…弾性体、１１２…振動測定器用リード
線、１１３…励振用リード線、１１４… サーボモータ
用リード線、１１５…駆動制御装置、１１６…表面波発
生制御装置、１１７…振動信号処理手段、１１８…振動
解析装置、１１９…残留応力測定解析装置、１２０…デ
ータバンク、１２１…表示手段、１２２…主制御部、１
３２…サーボモータ駆動制御信号、１３４…表面波発生
制御信号、１３６…同期信号、１４６…振動信号、２０
１…圧電素子、２０２…圧電素子用球状圧子、２０３…
圧電素子用円錐状圧子、２０４…弾性体、２０５…弾性
体用球状圧子、２０６…球状円錐状圧子、７００…溶接
構造物の測定部材、７０１…溶接構造物用着脱用ベー
ス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】部材の残留応力を測定する方法において、
測定位置近傍に衝撃荷重を与え、該衝撃荷重による該部
材の表面波振動信号を検出し、該表面波振動信号の振幅
減衰比または該検出信号の周期と残留応力がない場合の
該表面波振動信号における周期との比から該測定位置に
おける残留応力を求めることを特徴とする残留応力測定
方法。
【請求項２】請求項１において、検出された該表面波振
動信号の周波数特性のあらかじめ定められた周波数にお
ける振幅と該周波数における残留応力がない場合の振幅
との比から残留応力を求めることを特徴とする残留応力
測定方法。
【請求項３】部材の残留応力を測定するものにおいて、
残留応力測定対象部材の測定位置近傍に衝撃荷重を加え
る表面波発生手段と、該荷重による該部材の表面波振動
信号を検出する表面波振動計測手段と、該計測された振
動信号の振幅減衰比または該検出信号の周期と残留応力
がない場合の該表面波振動信号における周期との比を演
算する振動解析手段と、あらかじめ演算記憶している振
動信号の振幅減衰比と残留応力の関係またはあらかじめ
演算記憶している振動信号の該周期比と残留応力の関係
から当該部分の残留応力を判定する残留応力測定解析手
段と、から構成したことを特徴とする残留応力測定装
置。
【請求項４】前記請求項３において、表面波発生手段と
振動計測手段とは一体に構成したことを特徴とする残留
応力測定装置。