JP2004077460A

JP2004077460A - Residual stress distribution measurement device and residual stress distribution measurement method

Info

Publication number: JP2004077460A
Application number: JP2003005518A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Nagata; 永田　泰昭
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: JP4031711B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a residual stress distribution measurement device and a residual stress distribution measurement method that can directly measure residual stress distribution in an object to be measured. <P>SOLUTION: Beam acquisition parts 40a and 40b direct laser beams L3 to positions where ultrasonic waves of a longitudinal wave, a rolling-direction-displaced transverse wave and a width-direction-displaced transverse wave generated by ultrasonic wave generation parts 20a and 20b return to the surface of an object 2, and acquires reflected laser beams L3. According to waveform data indicating frequency variations in the laser beams L3 detected by interferometers 50a and 50b, a computer 70 computes a propagation time of each ultrasonic wave generated in each progress direction, and computes a horizontal distance between the generation position and detection position of each ultrasonic wave. After the sonic speed of each ultrasonic wave in each layer of the object 2 divided in a thickness direction is computed according to the propagation time and the horizontal distance, according to the longitudinal wave sonic speed in each layer, an internal temperature of each layer is obtained, and according to the sonic speed of each ultrasonic wave and the internal temperature, a residual stress in each layer is computed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の残留応力分布を測定する残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱間の厚板製造プロセスにおいては、制御圧延の圧下条件や冷却条件をコントロールすることにより、所望の仕様特性を有する厚板を製造している。かかる圧下条件や冷却条件をコントロールする際に参考となる情報として、厚板の温度情報や残留応力情報等がある。
【０００３】
従来は、温度情報については、放射温度計などを用いて厚板の表面温度を測定すると共に、シミュレーション等のモデル計算を行って厚板の内部温度を推定していた。一方、残留応力情報については、接触型超音波プローブなどを用いて測定対象物の表面のみの残留応力を測定するか、あるいは試験片の厚み方向において残留応力の平均値のみを測定していた（例えば、非特許文献１参照。）。また、オンラインで鋼材の残留応力分布を直接測定する技術はなく、残留応力分布を推定して求める技術のみが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
「音弾性」財団法人非破壊検査協会出版、１９９４年、ｐ．９４−１０７
【特許文献１】
特開２０００−３０１２２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来は、測定対象物の残留応力分布を直接測定することはできなかった。また、従来は、熱間の厚板製造プロセスにおいて、残留応力情報を考慮した圧延制御は行われていないというのが実情である。しかし、厚板製造プロセスでは、残留応力の影響により、鋼材が反ってしまうという問題がある。このため、熱間オンラインで残留応力についての情報が得られれば、残留応力低減のための制御が行えるなど、より良い圧延制御が可能である。
【０００６】
本発明は上記事情に基づいてなされてものであり、測定対象物の残留応力分布を直接測定することができる残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を測定することができる残留応力分布測定装置及び残留応力分布測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定装置であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置（超音波発生位置）に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波発生手段と、前記超音波発生手段が発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）に、第三レーザビームを導き、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得すると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成されたビーム取得手段と、前記超音波発生手段の位置情報と前記ビーム取得手段の位置情報とに基づいて、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める距離算出手段と、前記ビーム取得手段で取得された前記第三レーザビームに基づいて、当該超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、前記周波数変化検出手段で検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、を備え、前記各超音波についてその発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記距離算出手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求め、前記演算手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求め、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記距離算出手段で得られた前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて前記各層における当該超音波の音速を算出し、且つ、その算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求め、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の残留応力分布測定装置において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の残留応力分布測定装置において、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記各超音波についてその発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の残留応力分布測定装置において、前記超音波発生手段、前記ビーム取得手段及び前記周波数検出手段を二組設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
上記の目的を達成するための請求項５記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定方法であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置（超音波発生位置）に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得する第二ステップと、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める第三ステップと、前記第二ステップで取得された前記第三レーザビームに基づいて、当該超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する第四ステップと、前記第四ステップで検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第五ステップと、前記第一ステップで発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、その発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に当該超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第五ステップまでを繰り返すことにより、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離及び前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求める第六ステップと、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて、前記各層における当該超音波の音速を算出する第七ステップと、前記第七ステップで算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第八ステップと、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出する第九ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の残留応力分布測定方法において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の残留応力分布測定方法において、前記第一ステップでは、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記各超音波についてその発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
上記の目的を達成するための請求項８記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定装置であって、前記測定対象物の表面の所定位置（超音波発生位置）において、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波発生手段と、前記超音波発生手段が発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）において当該超音波を検出すると共に、前記測定対象物の表面に平行な面に沿って移動可能に構成された超音波検出手段と、前記超音波発生手段の位置情報と前記超音波検出手段の位置情報とに基づいて、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める距離算出手段と、前記超音波検出手段で得られた当該超音波の波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、を備え、前記各超音波についてその発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記距離算出手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求め、前記演算手段は、前記各超音波について、前記超音波発生手段が前記各進行方向に当該超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した当該超音波の伝播時間を求め、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記距離算出手段で得られた前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて前記各層における当該超音波の音速を算出し、且つ、その算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求め、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の残留応力分布測定装置において、前記超音波発生手段及び前記超音波検出手段としてそれぞれ、探触子を用いたことを特徴とするものである。
【００１７】
上記の目的を達成するための請求項１０記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の残留応力を測定する残留応力分布測定方法であって、前記測定対象物の表面の所定位置（超音波発生位置）において、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、当該超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置（超音波検出位置）において当該超音波を検出する第二ステップと、当該超音波について前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離を求める第三ステップと、前記第二ステップで検出することにより得られた当該超音波の波形データに基づいて当該超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、前記第一ステップで発生させる縦波の超音波、前記測定対象物の縦幅方向に変位した横波の超音波、前記測定対象物の横幅方向に変位した横波の超音波の各々について、その発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に当該超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第四ステップまでを繰り返すことにより、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離及び前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間とを求める第五ステップと、前記各超音波について、前記各進行方向に発生した当該超音波の伝播時間及び前記各進行方向に発生した当該超音波についての前記超音波発生位置と前記超音波検出位置との間の距離に基づいて、前記各層における当該超音波の音速を算出する第六ステップと、前記第六ステップで算出した前記各層における前記一の超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第七ステップと、前記各層における前記各超音波の音速及び前記各層の内部温度に基づいて前記各層の残留応力を算出する第八ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の残留応力分布測定方法において、前記第一ステップでは探触子を用いて超音波を発生させると共に、前記第二ステップでは探触子を用いて超音波を検出することを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である残留応力分布測定装置の概略構成図、図２はある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【００２０】
本実施形態の残留応力分布測定装置は、測定対象物の内部の残留応力分布を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。特に、本実施形態では、厚板をその厚さ方向に沿って複数の層に区分して考え、所定の測定位置において各層の残留応力を算出することにより、厚板の内部残留応力分布を求めることにする。
【００２１】
残留応力は、音速比法を利用した次式から求めることができる。すなわち、音速比をＲ、厚板の圧延方向（縦幅方向）の応力をσ_１、厚板の幅方向（横幅方向）の応力をσ_２とすると、
Ｒ≡２Ｖ_Ｌ／（Ｖ_Ｓ１−Ｖ_Ｓ２）
＝Ｒ_０＋Ｃ_Ｒ・（σ_１＋σ_２）＋Ｆ・（Ｔ−Ｔ_０）
である。ここで、Ｖ_Ｌは縦波超音波の音速、Ｖ_Ｓ１は厚板の圧延方向に変位した横波超音波の音速、Ｖ_Ｓ２は厚板の幅方向に変位した横波超音波の音速である。また、Ｒ_０は無応力時かつ室温Ｔ_０時の音速比、Ｃ_Ｒは音弾性定数である。音速比Ｒ_０、音弾性定数Ｃ_Ｒ、及び無応力時のパラメータＦは、予めサンプル（鋼材試験片）で測定しておく。したがって、厚板の各層を伝播する音速Ｖ_Ｌ，Ｖ_Ｓ１，Ｖ_Ｓ２と、各層の内部温度Ｔとが得られれば、それらを上式に代入することにより、各層における残留応力σ_１＋σ_２を算出することができる。
【００２２】
ところで、よく知られているように、各種の鋼材では、その内部温度とその内部を伝播する縦波の音速との間に密接な関係がある。図２にある鋼材についての内部温度と縦波の音速との関係の一例を示す。図２において、横軸は鋼材の内部温度、縦軸は縦波の音速である。このグラフから、縦波の音速が遅いほど、鋼材の内部温度は高いという傾向があることが分かる。本実施形態の残留応力分布測定装置では、厚板の各層における縦波の速度を求めた後、図２に示すような内部温度と縦波音速との関係を利用して、厚板の内部温度を求めることにする。このとき、厚板の各層における縦波の音速はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００２３】
本実施形態の残留応力分布測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、第一超音波発生部２０ａ及び第二超音波発生部２０ｂと、超音波検出用レーザ３０と、第一ビーム取得部４０ａ及び第二ビーム取得部４０ｂと、第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａ及び第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂと、第一光検出器６０ａ及び第二光検出器６０ｂと、コンピュータ７０とを備える。また、この残留応力分布測定装置には、光学部品として、ビームスプリッタ８１，８２、ミラー８４、集光レンズ８６，８７，８８，８９、光ファイバ９１，９２，９３，９４等が設けられている。
【００２４】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。以下では、この超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームの周波数をｆ_１、その波長をλ_１とする。
【００２５】
超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、ビームスプリッタ８１によって、二つのレーザビームに分岐させられる。その分岐した一方のレーザビームは第一超音波発生部２０ａに入射し、もう一方のレーザビームは第二超音波発生部２０ｂに入射する。
【００２６】
各超音波発生部２０ａ，２０ｂは、干渉縞走査法を用いて、測定対象物２の内部に、その表面に対して斜めに進行する超音波を発生させるものであり、請求項１又は８記載の発明における「超音波発生手段」に対応する。各超音波発生部２０ａ，２０ｂは、ビームスプリッタ２１と、ミラー２２と、音響光学素子２３とを有する。
【００２７】
各超音波発生部２０ａ，２０ｂに導かれたレーザビームは、ビームスプリッタ２１によって、ビームスプリッタ２１で反射される第一レーザビームＬ１と、ビームスプリッタ２１を透過する第二レーザビームＬ２とに分けられる。第一レーザビームＬ１はそのまま測定対象物２の表面に入射する。一方、第二レーザビームＬ２は、ミラー２２で反射された後、音響光学素子２３に入射する。
【００２８】
音響光学素子２３は、音響光学効果（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用した素子であり、ここでは、周波数シフタとして利用する。音響光学素子２３に適当な周波数の電気信号を与えると、音響光学素子２３の内部に設けられた媒体が超音波振動を行い、弾性歪みや圧力が場所によって変化する。これにより、その媒体には屈折率変動が生じ、外部からの光がこの屈折率の変動領域に入射すると、その光は回折を起こす。このとき、その回折した光は超音波振動に起因するドップラーシフトを受け、一次回折光の周波数は、元の入射光の周波数から超音波の周波数分だけシフトした値となる。したがって、音響光学素子２３から出射される第二レーザビームＬ２の周波数は、元の周波数ｆ_１からシフトする。こうして周波数がシフトした第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面に入射する。ここで、周波数がシフトした第二レーザビームＬ２の周波数をｆ_２とする。
【００２９】
次に、干渉縞走査法について説明する。図３は干渉縞走査法の原理を説明するための図、図４は本実施形態の残留応力分布測定装置における各超音波発生部２０ａ，２０ｂの具体的な構成を説明するための図である。
【００３０】
ここでは、図３に示すように、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１は、測定対象物２の厚さ方向（測定対象物表面の法線方向）に対して角度（入射角度）θをもって測定対象物２に入射するものとする。一方、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２は、第一レーザビームＬ１とは反対側から、測定対象物２の厚さ方向に対して角度（入射角度）θをもって、第一レーザビームＬ１の照射位置と同一の照射位置に入射するものとする。すなわち、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは互いに角度２θをなして測定対象物２上の同じ位置に照射される。以下では、かかる第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２が照射される測定対象物２上の位置を「超音波発生位置」又は単に「発生位置」と称する。また、第一超音波発生部２０ａでは、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは、測定対象物２の幅方向に垂直な同一平面内にあり、一方、第二超音波発生部２０ｂでは、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは、測定対象物２の圧延方向に垂直な同一平面内にあるものとする。
【００３１】
このような状況で、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１と音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２とが測定対象物２上の同一位置（超音波発生位置）に照射されると、二つのビームは干渉しあい、光波が強め合うところと弱め合うところが交互に現れる干渉縞を生じる。しかも、二つのレーザビームＬ１，Ｌ２の光周波数がわずかに異なることから、この干渉縞は測定対象物２の表面上を移動する。ここで、干渉縞の移動方向は、第一超音波発生部２０ａが発生させた場合は測定対象物２の圧延方向であり、第二超音波発生部２０ｂが発生させた場合は測定対象物２の幅方向である。また、干渉縞の走査速度Ｖ_Ｒ、干渉縞の波長λ_ａｃｏは、
Ｖ_Ｒ＝λ_１・（ｆ_２−ｆ_１）／２ｓｉｎθ
λ_ａｃｏ＝λ_１／２ｓｉｎθ
で与えられる。
【００３２】
干渉によって生じる干渉縞は熱応力のパターンに対応するので、このパターンに応じた超音波が発生する。この超音波の波長は、干渉縞の波長λ_ａｃｏと同じである。特に、干渉縞の走査速度Ｖ_Ｒを測定対象物２の内部における超音波の音速よりも大きくすることによって、測定対象物２の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、縦波超音波と横波超音波が同時に発生する。かかる超音波は、第一超音波発生部２０ａが発生させた場合は、測定対象物２の幅方向に垂直な平面内を進行し、第二超音波発生部２０ｂが発生させた場合は、測定対象物２の圧延方向に垂直な平面内を進行する。第一超音波発生部２０ａが発生させた横波超音波は、圧延方向に変位した横波であり、一方、第二超音波発生部２０ｂが発生させた横波超音波は、幅方向に変位した横波である。また、本実施形態では、縦波超音波については、第一超音波発生部２０ａが発生させたものだけを考え、第二超音波発生部２０ｂが発生させたものは考えないことにする。すなわち、本実施形態では、超音波として、第一超音波発生部２０ａが発生させた縦波、第一超音波発生部２０ａが発生させた圧延方向変位横波、そして、第二超音波発生部２０ｂが発生させた幅方向変位横波の三つを考える。また、第一超音波発生部２０ａが発生させた縦波の音速をＶ_Ｌ、圧延方向変位横波の音速をＶ_Ｓ１、幅方向変位横波の音速をＶ_Ｓ２とする。
【００３３】
かかる超音波についてその発生時の進行方向角度（測定対象物２の厚さ方向に対する角度）をφ、そのときの測定対象物２の内部における超音波の音速をＶ_Ｃとすると、
φ＝ｓｉｎ^−１（Ｖ_Ｃ／Ｖ_Ｒ）
という関係がある。したがって、干渉縞の走査速度Ｖ_Ｒ、すなわち、入射角度θあるいは周波数差ｆ_２−ｆ_１を調整することによって、超音波の発生時における進行方向角度φを制御することができる。但し、超音波の音速Ｖ_Ｃは温度依存性があるため、表面温度を計測し、予め計測していた温度と音速との関係のデータに基づいてＶ_Ｃを決める。
【００３４】
ところで、後に詳述するが、測定対象物２の各層における超音波の音速を求めるには、その超音波の発生時の進行方向角度を層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定した各進行方向角度に当該超音波を発生させる度に、各進行方向角度に発生した当該超音波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を測定する必要がある。このため、超音波の発生時の進行方向角度φを制御する必要があるが、本実施形態では、かかる制御を、レーザビームの入射角度θを調整することによって行うことにする。具体的には、入射角度θの調整を容易に行えるようにするために、各超音波発生部２０ａ，２０ｂを、図４に示すような構成としている。すなわち、ビームスプリッタ２１で反射された第一レーザビームＬ１を測定対象物２の表面に垂直に入射させることにする。また、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２を反射し、測定対象物２に照射するためのミラー２４を設ける。そして、リニアステージ等を用いて、このミラー２４の位置を、第一超音波発生部２０ａにおいては測定対象物２の圧延方向に沿って、第二超音波発生部２０ｂにおいては測定対象物２の幅方向に沿って移動させることにより、第二レーザビームＬ２の入射角度の制御を行う。ここで、図４では、第二レーザビームＬ２の実際の入射角度は２θであるが、本実施形態では、その半分の角度θのことも入射角度と称することにする。
【００３５】
尚、当然のことではあるが、超音波発生時の進行方向角度φについての制御は、第二レーザビームＬ２の代わりに第一レーザビームＬ１の入射角度を調整することにより、あるいは、第一レーザビームＬ１及び第二レーザビームＬ２の両方の入射角度を調整することにより、行うようにしてもよい。
【００３６】
図５に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度、３０度、４０度、５０度に制御する場合の入射角度θの設定値の一例を示す。この例では、周波数差ｆ_２−ｆ_１を８０ＭＨｚとしている。図５に示すように、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするには入射角度θを０．１４度に設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするには入射角度θを０．２１度に、その発生時の進行方向角度φを４０度にするには入射角度θを０．２６度に設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするには入射角度θを０．３２度に設定すればよい。
【００３７】
この例から分かるように、入射角度θの設定値はとても小さいので、通常は、測定対象物２の表面からある程度遠く離れた位置、例えば４ｍ離れた位置に、ミラー２４を設置することにしている。図５の表に示した「ビーム間隔」とは、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置において測った、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２との間隔のことである。具体的に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするにはビーム間隔を９．８ｍｍに設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするにはビーム間隔を１４．４ｍｍに、その発生時の進行方向角度φを４０度にするにはビーム間隔を１８．５ｍｍに設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするにはビーム間隔を２２．０ｍｍに設定すればよい。
【００３８】
尚、縦波と同時に横波も発生するので、図５には、その縦波と同時に発生した横波の進行方向角度も示している。縦波と横波の進行方向が異なるのは、測定対象物２の内部における縦波の音速と横波の音速とが相違するからである。
【００３９】
また、超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくる位置（以下では、「超音波検出位置」又は単に「検出位置」という。）は、おおよそ予測することができる。一例として、図６にビーム間隔と縦波の検出候補位置との関係を示す。ここで、横軸は、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置におけるビーム間隔であり、縦軸は、レーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置から圧延方向に沿って測った、縦波の検出候補位置である。かかる検出候補位置は、測定対象物２の厚さに依存するので、図６では、例として、測定対象物２の板厚が３０ｍｍ、５０ｍｍである場合を示している。ところで、この図６のグラフは、縦波の進行方向が測定対象物２の内部で一定であると仮定して求めたものである。しかしながら、実際には、測定対象物２の内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではないので、超音波の進行方向は、測定対象物２の内部で変化する。このため、図６のグラフを利用して求めた縦波の検出候補位置は、実際の検出位置とは異なる。このような理由から、図６では、検出位置ではなく、「検出候補位置」という表現を使っている。本実施形態では、かかる図６に示すようなビーム間隔と検出候補位置との関係を、実際の超音波の検出位置を得るための参考として利用する。具体的には、まず、図６のようなグラフを利用して、超音波の検出候補位置を見い出す。次に、実際に超音波を発生させることにより、その検出候補位置の周辺領域において、測定対象物２内を伝播してきた超音波の強度を検出する。そして、最も大きな強度位置を、実際の超音波の検出位置として決定する。
【００４０】
また、各超音波発生部２０ａ，２０ｂは一体的に構成されており、測定対象物２の表面に平行な面上において測定対象物２の圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。各超音波発生部２０ａ，２０ｂの位置情報はコンピュータ７０により認識されており、コンピュータ７０は各超音波発生部２０ａ，２０ｂの位置情報に基づいて各超音波発生部２０ａ，２０ｂにおける超音波発生位置を知ることができる。
【００４１】
超音波検出用レーザ３０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ３０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。
【００４２】
超音波検出用レーザ３０から発せられたレーザビーム（第三レーザビーム）Ｌ３は、ビームスプリッタ８２によって、二つの第三レーザビームＬ３に分岐させられる。その分岐した一方の第三レーザビームＬ３は、集光レンズ８６で集光された後、光ファイバ９１に入射する。この光ファイバ９１は、当該第三レーザビームＬ３を第一ビーム取得部４０ａに導くものである。また、ビームスプリッタ８２で分岐したもう一方の第三レーザビームＬ３は、ミラー８４で反射し、集光レンズ８７で集光された後、光ファイバ９２に入射する。この光ファイバ９２は、当該第三レーザビームＬ３を第二ビーム取得部４０ｂに導くものである。
【００４３】
各ビーム取得部４０ａ，４０ｂは、第三レーザビームＬ３を所定の超音波検出位置に導くと共に、測定対象物２の表面で反射・散乱した第三レーザビームＬ３を取得するものであり、図１に示すように、二つの集光レンズ４１，４２と、ハーフミラー４３とを有する。特に、第一ビーム取得部４０ａは、第三レーザビームＬ３を、第一超音波発生部２０ａによって発生された縦波又は横波の検出位置に導き、第二ビーム取得部４０ｂは、第三レーザビームＬ３を、第一超音波発生部２０ｂによって発生された横波の検出位置に導く。各ビーム取得部４０ａ，４０ｂは、請求項１記載の発明における「ビーム取得手段」に対応する。
【００４４】
また、各ビーム取得部４０ａ，４０ｂは一体的に構成されており、測定対象物２の表面に平行な面上において測定対象物２の圧延方向及び幅方向に沿って移動することができる。各ビーム取得部４０ａ，４０ｂの位置情報はコンピュータ７０により認識されており、コンピュータ７０は各ビーム取得部４０ａ，４０ｂの位置情報に基づいて各ビーム取得部４０ａ，４０ｂにおける超音波検出位置を知ることができる。
【００４５】
各ビーム取得部４０ａ，４０ｂに入射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ４１で集光され、ハーフミラー４３を透過した後、測定対象物２上の所定の超音波検出位置に照射される。測定対象物２の表面は粗面であるため、かかる第三レーザビームＬ３は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた超音波が戻ってくると、当該検出位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００４６】
測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３のうち、その一部は、ハーフミラー４３で反射された後、集光レンズ４２で集光される。第一ビーム取得部４０ａの集光レンズ４２で集光された第三レーザビームＬ３は、光ファイバ９３に入射する。この光ファイバ９３は、かかる第三レーザビームＬ３を第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａに導くものである。光ファイバ９３から出射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ８８で集光された後、第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａに入射する。一方、第二ビーム取得部４０ｂの集光レンズ４２で集光された第三レーザビームＬ３は、光ファイバ９４に入射する。この光ファイバ９４は、かかる第三レーザビームＬ３を第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂに導くものである。光ファイバ９４から出射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ８９で集光された後、第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂに入射する。
【００４７】
各ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂは、超音波振動に起因して生じる第三レーザビームＬ３の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラー５１，５２を有する。この二つの反射ミラー５１，５２は共振器を構成し、第三レーザビームＬ３を二つの反射ミラー５１，５２の間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー５１，５２間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。各ファブリ・ペロー干渉計は、請求項１記載の発明における「周波数変化検出手段」に対応する。
【００４８】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂにおける共振曲線について説明する。図７はこの共振曲線の一例を示す図である。図７において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂからの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂを透過する光の強度Ｉを示している。図７から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂの反射ミラー５１，５２間の距離を調節することによって変えることができる。そこで、図７に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第三レーザビームＬ３の発振周波数と一致するように反射ミラー５１，５２間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計５０ａ，５０ｂは、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第三レーザビームＬ３が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００４９】
第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａから出力された透過光強度は、第一光検出器６０ａに送られ、一方、第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂから出力された透過光強度は、第二光検出器６０ｂに送られる。各光検出器６０ａ，６０ｂは、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。各光検出器６０ａ，６０ｂからの信号は、コンピュータ７０に送られ、波形データとして記録される。
【００５０】
尚、本実施形態では、請求項８記載の発明における「超音波検出手段」として、第一ビーム取得部４０ａ、第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａ及び第一光検出器６０ａと、第二ビーム取得部４０ｂ、第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂ及び第二光検出器６０ｂとが対応する。
【００５１】
コンピュータ７０は、かかる波形データに基づいて、超音波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、かかるレーザビームが測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ７０は、各光検出器６０ａ，６０ｂから送られた波形データに基づいて、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、超音波の伝播時間を求めることができる。また、コンピュータ７０は、縦波、圧延方向変位横波の各々について、超音波発生部２０ａの位置情報とビーム取得部４０ａの位置情報とに基づいて発生位置と検出位置との間の水平距離を求めると共に、幅方向変位横波について、超音波発生部２０ｂの位置情報とビーム取得部４０ｂの位置情報とに基づいて発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。すなわち、コンピュータ７０は、請求項１又は８記載の発明における「演算手段」及び「距離算出手段」に対応する。
【００５２】
本実施形態では、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、その発生時の進行方向角度を測定対象物２の層の数と同じ数だけ予め設定しておき、コンピュータ７０は、各超音波について、第一又は第二の超音波発生部２０ａ，２０ｂが各進行方向角度に超音波を発生させる度に、当該進行方向に発生した超音波の伝播時間及び水平距離を求める。すなわち、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、その発生時の進行方向角度を制御して、上記の伝播時間の測定処理と水平距離の算出処理とを所定回数だけ繰り返す。その後、コンピュータ７０は、各超音波について、各進行方向角度に発生した超音波の伝播時間と、各進行方向に発生した超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離とに基づいて、測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する。
【００５３】
また、コンピュータ７０は、その算出した各層における縦波の音速に基づいて測定対象物２の各層における内部温度を求める。ここで、コンピュータ７０には、各種の鋼材についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースが構築されている。このため、コンピュータ７０は、そのデータベースを利用して、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を容易に求めることができる。
【００５４】
次に、各進行方向角度に発生した超音波の伝播時間及び水平距離から測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する方法について詳しく説明する。図８及び図９は測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【００５５】
熱間プロセスで製造される厚板の場合、その内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではない。このため、超音波の進行方向は厚板の内部で変化する。本実施形態では、第一又は第二の超音波発生部２０ａ，２０ｂによって発生された超音波の伝播領域に対応する測定対象物２の領域においては、超音波の音速が測定対象物２の各層内で一定であると仮定する。この場合、測定対象物２の各層の厚さを小さく設定すればするほど、その仮定した超音波の音速は実際の値に近似する。したがって、各層の厚さを十分小さく設定すれば、内部温度や残留応力を高い精度で測定することが可能である。
【００５６】
いま、図８及び図９に示すように、測定対象物２である厚板をその厚さ方向に沿って四つの層に区分した場合を考えることにする。これら各層を、厚板の表面側から順番に、第１層、第２層、第３層、第４層と称する。ここで、第ｋ層（ｋ＝１，２，３，４）における厚さをｄ_ｋ、そこでの超音波の平均音速をＶ_ｋとする。そして、超音波の発生時における進行方向角度がφ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）のとき、当該超音波の伝播時間をｔ_ｊとする。
【００５７】
また、上記の仮定の下では、各層における超音波の進行方向は一定であるので、図９に示すように、超音波は各層の境界面を通過する際に屈折すると考える必要がある。但し、図８では、かかる屈折を省略し、超音波の伝播経路を直線で示している。ここで、図９に示すように、超音波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播したとき、第１層と第２層の境界面における屈折角度をφ_ｊ２、第２層と第３層の境界面における屈折角度をφ_ｊ３、第３層と第４層の境界面における屈折角度をφ_ｊ４とする。
【００５８】
超音波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播した場合、当該超音波の伝播時間ｔ_ｊは、
ｔ_ｊ＝２［ｄ_１／（Ｖ_１・ｃｏｓφ_ｊ）＋ｄ_２／（Ｖ_２・ｃｏｓφ_ｊ２）＋ｄ_３／（Ｖ_３・ｃｏｓφ_ｊ３）＋ｄ_４／（Ｖ_４・ｃｏｓφ_ｊ４）］
である。ここで、各境界面においてスネルの法則を適用すると、
ｃｏｓφ_ｊｍ＝｛１−（Ｖ_ｍ／Ｖ_１）^２（１−ｃｏｓ^２φ_ｊ）｝^１／２
≡Ｆ（Ｖ_１，Ｖ_ｍ，ｃｏｓφ_ｊ）
と表すことができる。ただし、ｍ＝２，３，４である。したがって、
ｔ_ｊ＝２［ｄ_１／（Ｖ_１・ｃｏｓφ_ｊ）
＋ｄ_２／（Ｖ_２・Ｆ（Ｖ_１，Ｖ_２，ｃｏｓφ_ｊ））
＋ｄ_３／（Ｖ_３・Ｆ（Ｖ_１，Ｖ_３，ｃｏｓφ_ｊ））
＋ｄ_４／（Ｖ_４・Ｆ（Ｖ_１，Ｖ_４，ｃｏｓφ_ｊ）］
となる。ここで、ｊ＝１，２，３，４である。
【００５９】
かかる四つの伝播時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４の式において、当該超音波の発生時の進行方向角度φ_１，φ_２，φ_３，φ_４は干渉縞走査法により既知のパラメータであり、各層の厚さｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４も予め分かっている。したがって、コンピュータ７０は、レーザ超音波法を利用して求めた当該超音波についての伝播時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４を、上記の各式に代入し、当該超音波の音速Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４を未知数とする非線形連立方程式を解くことにより、各層における当該超音波の音速Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４を算出する。
【００６０】
ここで、解くべき連立方程式は非線形であるので、その解は一意的でなく、各層における当該超音波の音速Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４として複数組の解が得られる。このため、コンピュータ７０は、各進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離ｘ_ｊを表す式を、複数組の解のうちから適切な一の組の解を選択するための判定式として利用する。水平距離ｘ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）を表す式は、
ｘ_ｊ＝２［ｄ_１・ｔａｎφ_ｊ＋ｄ_２・ｔａｎφ_ｊ２＋ｄ_３・ｔａｎφ_ｊ３＋ｄ_４・ｔａｎφ_ｊ４］
で与えられる。ここで、スネルの法則により、
ｔａｎφ_ｊｍ＝（Ｖ_ｍ／Ｖ_１）（１−ｃｏｓ^２φ_ｊ）^１／２×｛１−（Ｖ_ｍ／Ｖ_１）^２（１−ｃｏｓ^２φ_ｊ）｝^−１／２
である。ただし、ｍ＝２，３，４である。コンピュータ７０は、まず、かかる四つの水平距離を表す式に、超音波発生部の位置情報及びビーム取得部の位置情報に基づいて求めた当該超音波の水平距離ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４を代入する。次に、これらの式に、四つの伝播時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４の式を解いて得られた各組の解を代入して、四つの水平距離を表す式が満たされるか否かを判定する。そして、四つの水平距離を表す式を満たす一組の解を、各層における当該超音波の音速Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４として決定する。
【００６１】
実際には、コンピュータ７０は、専用の非線形回帰計算ソフトを用いて、各層における超音波の音速を求める。かかる専用の非線形回帰計算ソフトとしては、例えば、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズムモジュールを用いて作成したものを使用することができる。
【００６２】
このようにして、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各々について、測定対象物２の各層における当該超音波の音速を算出することにより、測定対象物２の内部での音速分布を得ることができる。また、各層における縦波の音速に基づいて各層の内部温度を得ることができる。したがって、コンピュータ７０は、各層における内部温度と各層における各超音波の音速を、音速比法を利用した式に代入して計算することにより、当該超音波照射位置近傍での各層の残留応力を求めることができる。
【００６３】
次に、本実施形態の残留応力分布測定装置において、測定対象物２の残留応力分布を測定する手順について説明する。図１０はその残留応力分布測定装置において測定対象物２の残留応力分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００６４】
まず、オペレータは、測定対象物２をその厚さ方向に沿って区分する層の数、各層の厚さを設定すると共に、干渉縞走査法により発生させる縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各々について、その進行方向角度を層の数と同数だけ設定する（Ｓ１）。そして、オペレータは、これらの設定値や計算に必要なパラメータ値をコンピュータ７０に入力する（Ｓ２）。
【００６５】
次に、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について伝播時間を測定する（Ｓ３）。本実施形態では、超音波発生部とビーム取得部を二組設けたことにより、二つの超音波についての伝播時間の測定処理を同時に行うことができる。例えば、縦波の伝播時間と幅方向変位横波の伝播時間を同時に測定し、その後に、圧延方向変位横波の伝播時間を測定することにする。
【００６６】
具体的には、まず、オペレータは、縦波についてステップＳ１で設定した複数の進行方向角度のうち、一の進行方向角度を選択すると共に、幅方向変位横波についても一の進行方向角度を選択する。そして、その選択した縦波の進行方向角度に縦波が発生するように、第一超音波発生部２０ａにおけるミラー２４の位置を調節し、また、その選択した横波の進行方向角度に横波が発生するように、第二超音波発生部２０ｂにおけるミラー２４の位置を調節する。その後、図６に示すようなビーム間隔と検出候補位置との関係を参考にして、実際に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより、第一超音波発生部２０ａによって発生された縦波の実際の検出位置と、第二超音波発生部２０ｂによって発生された横波の実際の検出位置とを検出する。そして、超音波検出用レーザ３０から発せられた第三レーザビームＬ３が当該縦波の検出位置に照射されるように、第一ビーム取得部４０ａの位置を調整すると共に、第三レーザビームＬ３が当該横波の検出位置に照射されるように、第二ビーム取得部４０ｂの位置を調整する。
【００６７】
こうして位置調整がされた後、コンピュータ７０は、第一超音波発生部２０ａの位置情報と第一ビーム取得部４０ａの位置情報とに基づいて、当該選択した進行方向に発生する縦波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。また、第二超音波発生部２０ｂの位置情報と第二ビーム取得部４０ｂの位置情報とに基づいて、当該選択した進行方向角度に発生する幅方向変位横波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。これらの水平距離はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００６８】
こうして準備が整うと、次に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより測定対象物２の内部に超音波を発生させると共に、超音波検出用レーザ３０から第三レーザビームを発する。これにより、第一ビーム取得部４０ａ及び第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａは、縦波の超音波の振動に起因して生じる第三レーザビームの周波数変化を検出し、第二ビーム取得部４０ｂ及び第二ファブリ・ペロー干渉計５０ｂは、幅方向変位横波の超音波の振動に起因して生じる第三レーザビームの周波数変化を検出する。そして、コンピュータ７０は、それらの周波数変化を表す波形データに基づいて、縦波の伝播時間と幅方向変位横波の伝播時間とを求める。これらの伝播時間はコンピュータ７０の所定のメモリに記憶される。
【００６９】
次に、ステップＳ１において設定したすべての進行方向角度に対して、上記の処理を繰り返すことにより、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間、各進行方向に発生した縦波についての発生位置と検出位置との間の水平距離、各進行方向に発生した幅方向変位横波の伝播時間、各進行方向に発生した幅方向変位横波についての発生位置と検出位置との間の水平距離が得られる。
【００７０】
その後、同様にして、第一超音波発生部２０ａ、第一ビーム取得部４０ａ及び第一ファブリ・ペロー干渉計５０ａを用いて、各進行方向角度に発生した圧延方向変位横波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求めると共に、各進行方向角度に発生した圧延方向変位横波の伝播時間を測定する。こうして、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、当該超音波を各進行方向角度に発生させたときの水平距離と伝播時間とが得られる。
【００７１】
次に、コンピュータ７０は、各進行方向角度に発生した各超音波の伝播時間と各進行方向角度に発生した各超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離とに基づいて、測定対象物２の各層における縦波の音速、圧延方向変位横波の音速、幅方向変位横波の音速を算出する（Ｓ４）。その後、コンピュータ７０は、当該測定対象物２についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースを利用し、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を求める（Ｓ５）。そして、コンピュータ７０は、各層における内部温度と各超音波の音速を、音速比法を利用した式に代入して計算することにより、超音波照射位置近傍での各層における残留応力（圧延方向の応力と幅方向の応力との和）を求める。こうして得られた各層の残留応力は、例えば、コンピュータ７０の画面に表示される。
【００７２】
次に、本発明者等は、本実施形態の残留応力分布測定装置を用いて各層における超音波の音速が十分な精度で求められるかどうかを検証した。この検証は、次のようにして行われた。まず、各層の内部温度を仮定する。そして、その仮定した各層の内部温度から、内部温度と超音波（ここでは縦波とする。）の音速との対応関係を示すデータベースを利用して各層における超音波の音速を求める。その後、これら各層における超音波の音速を用いて、各進行方向角度に発生する超音波についての伝播時間のデータと水平距離のデータとを作成する。次に、その作成した伝播時間のデータと水平距離のデータとをコンピュータ７０にインプットする。コンピュータ７０は専用の非線形回帰計算ソフトを用いて各層における超音波の音速を算出する。そして、こうして算出された各層における超音波の音速が、最初に仮定した内部温度から求められる超音波の音速と一致するかどうかを調べた。
【００７３】
図１１は各層における超音波の音速を算出する方法を検証する際に作成した各種のデータの一例を示す図である。本検証においては、層の数を６とし、各層の厚さをすべて５ｍｍと仮定した。そして、図１１に示すように、第１層の内部温度を７７５℃、第２層の内部温度を７９０度、第３層の内部温度を８３０℃、第４層の内部温度を８１０℃、第５層の内部温度を８５０℃、第６層の内部温度を７７０℃と仮定した。また、超音波が第１層を伝播する進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）をそれぞれ、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、４０度と仮定した。
【００７４】
このような各種のデータを仮定した後、まず、内部温度と超音波の音速との対応関係を示すデータベースを用いて、上記の仮定した各層の内部温度から各層における超音波の音速を求めた。具体的には、図１１に示すように、第１層における超音波の音速は６００８．３８ｍ／ｓｅｃ、第２層における超音波の音速は５８６４．１５ｍ／ｓｅｃ、第３層における超音波の音速は５４７９．５５ｍ／ｓｅｃ、第４層における超音波の音速は５６７１．８５ｍ／ｓｅｃ、第５層における超音波の音速は５２８７．２５ｍ／ｓｅｃ、第６層における超音波の音速は６０５６．４５ｍ／ｓｅｃである。
【００７５】
次に、これら各層における超音波の音速を用いて、進行方向角度がφ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）である場合に超音波が各層を伝播するのに要する時間（各層における伝播時間）を求めた。かかる各層における伝播時間は図１１に示されている。その後、各進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）に発生した超音波の（トータルの）伝播時間と、発生位置と検出位置との間の水平距離とを求めた。図１１に示すように、進行方向角度がφ_１である場合は、超音波の伝播時間が１．０８３×１０^−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が１．５２８０×１０^−２ｍである。進行方向角度がφ_２である場合は、超音波の伝播時間が１．１１１×１０^−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が２．０７０４×１０^−２ｍである。進行方向角度がφ_３である場合は、超音波の伝播時間が１．１４７×１０^−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が２．６４３３×１０^−２ｍである。進行方向角度がφ_４である場合は、超音波の伝播時間が１．１９４×１０^−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が３．２５７７×１０^−２ｍである。進行方向角度がφ_５である場合は、超音波の伝播時間が１．２５４×１０^−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が３．９２６９×１０^−２ｍである。進行方向角度がφ_６である場合は、超音波の伝播時間が１．３２９×１０^−５ｓｅｃ、発生位置と検出位置との間の水平距離が４．６６８２×１０^−２ｍである。
【００７６】
こうして、仮定した内部温度に基づいて、各進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）に発生した超音波の伝播時間のデータと、発生位置と検出位置との間の水平距離のデータとを求めた後、これらの超音波の伝播時間のデータと水平距離のデータとを測定値としてコンピュータ７０にインプットした。そして、コンピュータ７０は、専用の非線形回帰ソフトを用いて、各層における超音波の音速を演算した。本検証では、コンピュータ７０で用いる非線形回帰ソフトとして、前述したＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズムモジュールを用いて作成したものを使用した。ここで、超音波発生時の進行方向角度がφ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・　，６）のとき、回帰計算のＦＩＴＴＩＮＧ評価式を、
Δｊ＝｛（ｘ_ｊＣＡＬ−ｘ_ｊＭＥＳ）／ｘ_{ｊＩＮＩＴ}｝^２＋｛（ｔ_ｊＣＡＬ−ｔ_ｊＭＥＳ）／ｔ_{ｊＩＮＩＴ}｝^２とした。添字「ＣＡＬ」は当該回帰計算における計算値を表す。また、添字「ＭＥＳ」は上記のインプットされた測定値を表し、添字「ＩＮＩＴ」は当該回帰計算における初期値（暫定推定値）を表す。
【００７７】
かかる演算の結果、第１層における超音波の音速として６．００９７×１０^３ｍ／ｓｅｃ、第２層における超音波の音速として５．８２２５×１０^３ｍ／ｓｅｃ、第３層における超音波の音速として５．５４４１×１０^３ｍ／ｓｅｃ、第４層における超音波の音速として５．６３７３×１０^３ｍ／ｓｅｃ、第５層における超音波の音速として５．２６２５×１０^３ｍ／ｓｅｃ、第６層における超音波の音速として６．０９６７×１０^３ｍ／ｓｅｃが得られた。
【００７８】
この演算により得られた各層における超音波の音速（計算音速値）を、図１１において最初に求めた各層における超音波の音速（仮定音速値）と比較すると、各層における計算音速値と仮定音速値との誤差は１％程度である。したがって、本実施形態の残留応力分布測定装置を用いることにより、各層における超音波の音速、したがって残留応力を十分な精度で求めることができる。
【００７９】
本実施形態の残留応力分布測定装置では、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、それを複数の進行方向の各々に発生させたときの伝播時間を求める。また、各進行方向に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。そして、各超音波について、その求めた複数の伝播時間及び水平距離に基づいて、厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における音速を算出した後、各層における縦波の音速に基づいて各層の内部温度を求め、各超音波についての各層の音速、各層の内部温度に基づいて各層の残留応力を算出する。したがって、本実施形態の残留応力分布測定装置を用いると、測定対象物の残留応力分布を直接求めることができる。特に、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いているので、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を求めることができる。
【００８０】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００８１】
上記の実施形態では、縦波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求める場合について説明したが、横波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求めるようにしてもよい。この場合は、コンピュータに、各種の鋼材についての内部温度と横波の音速との対応関係のデータベースを構築しておく必要がある。
【００８２】
また、上記の実施形態では、測定対象物をその厚さ方向に沿って四つの層に区分して各層の内部温度を測定する場合について説明したが、一般に、測定対象物を四つ以上の複数の層に区分して、各層の内部温度や残留応力を測定してもよい。特に、区分する層の数が多ければ多いほど、測定対象物の内部における温度分布や残留応力分布の測定精度が向上する。このため、かかる測定精度を考慮して、測定対象物を区分する層の数を決定する必要がある。
【００８３】
また、上記の実施形態では、超音波発生部、ビーム取得部、ファブリ・ペロー干渉計及び光検出器を二組設けた場合について説明したが、それらの構成要素を一組だけ設けるようにしてもよい。この場合は、縦波、圧延方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波についての伝播時間を個別に測定することになる。あるいは、かかる構成要素を三組設けるようにしてもよい。これにより、各超音波の伝播時間を一度に測定することができる。
【００８４】
更に、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の残留応力分布測定装置は、かかる厚板以外のどのような物に対しても適用することができる。
【００８５】
また、上記の実施形態では、レーザ超音波法を用いて、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた超音波を検出する場合について説明したが、例えば、探触子を用いて、超音波の発生・検出を行うことも可能である。図１２は本発明の変形例である残留応力分布測定装置の概略構成図である。
【００８６】
図１２に示す残留応力分布測定装置は、第一の探触子１１０と、第二の探触子１２０と、探傷器１３０と、コンピュータ１４０とを備える。第一の探触子１１０は、測定対象物２の内部に、その表面に対して斜めに進行する超音波を発生させるものである。ここで、第一の探触子１１０は、縦波の超音波、測定対象物２の縦幅方向に変位した横波の超音波、測定対象物２の横幅方向に変位した横波の超音波を発生させる。第二の探触子１２０は、第一の探触子１１０が発生させた超音波の各々について、測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってきた当該超音波を受信し、当該超音波の波形データを検出するものである。第一の探触子１１０及び第二の探触子１２０はそれぞれ、測定対象物２の表面上で移動することができる。二つの探触子１１０，１２０の移動はコンピュータ１４０により制御される。各探触子１１０，１２０の位置情報はコンピュータ１４０により認識されており、コンピュータ１４０は各探触子１１０，１２０の位置情報に基づいて超音波発生位置及び超音波検出位置を知ることができる。第一の探触子１１０は、請求項８記載の発明における「超音波発生手段」に対応し、第二の探触子１２０は、請求項８記載の発明における「超音波検出手段」に対応する。
【００８７】
探傷器１３０は、発生制御部１３１と、データ処理部１３２と、記憶部１３３と、波形表示部１３４とを有する。発生制御部１３１は、第一の探触子１１０による超音波の発生を制御するものである。具体的には、超音波発生のタイミング、発生させる超音波についてエネルギーや波形を制御する。データ処理部１３２は、第二の探触子１２０が検出した超音波の波形データを増幅したり、ノイズを除去したりするものである。データ処理部１３２で処理された波形データは、記憶部１３３に記憶される。波形表示部１３４は、波形データを表示するものである。
【００８８】
尚、探触子１１０，１２０及び探傷器１３０としては、市販のものを使用することができる。
【００８９】
コンピュータ１４０は、上記の実施形態におけるコンピュータ７０と同じ機能を有するものであり、請求項８記載の発明における「距離算出手段」及び「演算手段」に対応する。この変形例でも、測定対象物２をその厚さ方向に沿って複数の層に区分している。そして、縦波、縦幅方向変位横波、幅方向変位横波の各超音波について、測定対象物２の第１層における当該超音波の進行方向角度を測定対象物２の層の数と同じ数だけ予め設定している。コンピュータ１４０は、各超音波について、第一の探触子１１０が各進行方向角度に当該超音波を発生させる度に、当該進行方向角度に発生した超音波の伝播時間を求めると共に、当該進行方向角度に発生した超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離を求める。その後、コンピュータ１４０は、各超音波について、各進行方向角度に発生した当該超音波の伝播時間と、各進行方向角度に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の水平距離とに基づいて、測定対象物２の各層における超音波の音速を算出する。また、コンピュータ１４０は、その算出した各層における縦波の音速に基づいて測定対象物２の各層における内部温度を求め、各層における各超音波の音速及び各層の内部温度に基づいて各層における残留応力を算出する。
【００９０】
尚、変形例の残留応力分布測定装置では、第１層における超音波の進行方向角度の算出方法が上記の実施形態のものと異なる。すなわち、第一の探触子１１０から発生した超音波は、第一の探触子１１０と測定対象物２との境界面で屈折して測定対象物２内に入る。このとき、第１層における超音波の進行方向角度（境界面での屈折角）は、境界面への超音波の入射角、測定対象物２の外部を伝播する超音波の音速、測定対象物２の表層を伝播する超音波の音速を用いて、スネルの法則より算出される。ここで、測定対象物２の表層を伝播する超音波の音速は、測定対象物２の表面温度を測定し、その測定した表面温度から求めることができる。
【００９１】
かかる変形例の残留応力分布測定装置でも、上記の実施形態における残留応力分布測定装置と同様に、測定対象物の残留応力分布を直接測定することができる。但し、探触子を用いて超音波の発生、検出を行うので、変形例の残留応力分布測定装置は、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を測定する場合に用いるには適さない。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の残留応力分布測定装置では、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、縦波、縦幅方向変位横波、横幅方向変位横波の各超音波について、それを複数の進行方向の各々に発生させたときの伝播時間を求める。また、各進行方向に発生した当該超音波についての発生位置と検出位置との間の距離を求める。そして、各超音波について、その求めた複数の伝播時間及び発生位置と検出位置との間の距離に基づいて厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における音速を算出した後、一の超音波についての各層の音速に基づいて各層の内部温度を求め、各超音波についての各層の音速、各層の内部温度に基づいて各層の残留応力を算出する。したがって、本発明の残留応力分布測定装置を用いると、測定対象物の残留応力分布を直接求めることができる。特に、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を求めることができる。
【００９３】
また、本発明の残留応力分布測定方法によれば、上記と同様に、測定対象物の残留応力分布を直接求めることができる。特に、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、熱間オンラインで測定対象物の残留応力分布を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である残留応力分布測定装置の概略構成図である。
【図２】ある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【図３】干渉縞走査法の原理を説明するための図である。
【図４】本実施形態の残留応力分布測定装置における各超音波発生部の具体的な構成を説明するための図である。
【図５】縦波の発生時の進行方向角度φを制御する場合のレーザビームの入射角度θの設定値の一例を示す図である。
【図６】ビーム間隔と縦波の検出候補位置との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態の残留応力分布測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図８】測定対象物の各層における超音波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図９】測定対象物の各層における超音波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図１０】本実施形態の残留応力分布測定装置において測定対象物の残留応力分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【図１１】各層における超音波の音速を算出する方法を検証する際に作成した各種のデータの一例を示す図である。
【図１２】本発明の変形例である残留応力分布測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
２　　測定対象物
１０　　超音波発生用レーザ
２０ａ　　第一超音波発生部
２０ｂ　　第二超音波発生部
２１　　ビームスプリッタ
２２，２４　　ミラー
２３　　音響光学素子
３０　　超音波検出用レーザ
４０ａ　　第一ビーム取得部
４０ｂ　　第二ビーム取得部
４１，４２　　集光レンズ
４３　　ハーフミラー
５０ａ　　第一ファブリ・ペロー干渉計
５０ｂ　　第二ファブリ・ペロー干渉計
５１，５２　　反射ミラー
６０ａ　　第一光検出器
６０ｂ　　第二光検出器
７０　　コンピュータ
８１，８２　　ビームスプリッタ
８４　　ミラー
８６，８７，８８，８９　　集光レンズ
９１，９２，９３，９４　　光ファイバ
１１０　　第一の探触子
１２０　　第二の探触子
１３０　　探傷器
１３１　　発生制御部
１３２　　データ処理部
１３３　　記憶部
１３４　　波形表示部
１４０　　コンピュータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a residual stress distribution measuring device and a residual stress distribution measuring method for measuring, for example, a residual stress distribution of a steel material.
[0002]
[Prior art]
In general, in a hot thick plate manufacturing process, a thick plate having desired specification characteristics is manufactured by controlling a rolling condition and a cooling condition of controlled rolling. Information that can be helpful in controlling such rolling and cooling conditions includes temperature information and residual stress information of the thick plate.
[0003]
Conventionally, regarding temperature information, the surface temperature of a thick plate is measured using a radiation thermometer or the like, and a model calculation such as a simulation is performed to estimate the internal temperature of the thick plate. On the other hand, regarding the residual stress information, the residual stress was measured only on the surface of the object to be measured using a contact ultrasonic probe or the like, or only the average value of the residual stress was measured in the thickness direction of the test piece ( For example, see Non-Patent Document 1.) Further, there is no technology for directly measuring the residual stress distribution of a steel material online, and only a technology for estimating and obtaining the residual stress distribution has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Non-patent document 1]
"Sound elasticity", published by the Non-Destructive Inspection Association, 1994, p. 94-107
[Patent Document 1]
JP-A-2000-301220
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, it has not been possible to directly measure the residual stress distribution of the measurement object. Conventionally, in the hot thick plate manufacturing process, rolling control in consideration of residual stress information is not actually performed. However, in the thick plate manufacturing process, there is a problem that the steel material warps due to the influence of the residual stress. For this reason, if information on the residual stress is obtained online hot, it is possible to perform better rolling control, such as performing control for reducing the residual stress.
[0006]
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a residual stress distribution measuring device and a residual stress distribution measuring method capable of directly measuring a residual stress distribution of an object to be measured. .
[0007]
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a residual stress distribution measuring device and a residual stress distribution measuring method capable of measuring a residual stress distribution of a measurement object hot online. Things.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 divides a plate-shaped object to be measured into a plurality of layers along a thickness direction thereof, and forms each of the layers at a predetermined position on the surface of the object to be measured. A residual stress distribution measuring device for measuring a residual stress of the object, irradiating a first laser beam and a second laser beam having different frequencies to the same position (ultrasonic generation position) of the measurement object at a predetermined incident angle. By doing so, causing interference between the first laser beam and the second laser beam, inside the measurement object, while generating ultrasonic waves that travel obliquely to the surface of the measurement object, Ultrasonic wave generating means configured to be movable along a plane parallel to the surface of the measuring object, longitudinal ultrasonic waves generated by the ultrasonic wave generating means, transverse waves displaced in the longitudinal width direction of the measuring object Ultrasonic, the measurement For each of the transverse ultrasonic waves displaced in the lateral width direction of the object, a third laser beam is applied to a position (ultrasonic detection position) where the ultrasonic waves are reflected on the bottom surface of the measurement object and returned to the surface again. Guiding, acquiring the third laser beam reflected on the surface of the measurement object, and a beam acquisition unit configured to be movable along a plane parallel to the surface of the measurement object, and the ultrasonic wave generation unit Distance calculating means for obtaining a distance between the ultrasonic wave generating position and the ultrasonic detecting position for the ultrasonic wave based on the positional information of the ultrasonic wave and the position information of the beam obtaining means. Frequency change detecting means for detecting a change in the frequency of the third laser beam caused by the vibration of the ultrasonic wave, based on the third laser beam, and a frequency change detected by the frequency change detecting means. Calculating means for calculating a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the object to be measured based on waveform data representing a frequency change of the third laser beam. The direction is set in advance by the same number as the number of the layers, and the distance calculating means sets the ultrasonic wave for each ultrasonic wave each time the ultrasonic wave generating means generates the ultrasonic wave in each traveling direction. Finding the distance between the generation position and the ultrasonic detection position, the calculating means, for each of the ultrasonic waves, in the traveling direction each time the ultrasonic generating means generates the ultrasonic waves in each of the traveling directions. The propagation time of the generated ultrasonic wave is obtained, and the propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions and the ultrasonic generation position of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions obtained by the distance calculating means. Calculating the sound velocity of the ultrasonic wave in each layer based on the distance between the position and the ultrasonic detection position, and the internal temperature of each layer based on the calculated sound velocity of the one ultrasonic wave in each layer. And calculating the residual stress of each layer based on the sound speed of each ultrasonic wave in each layer and the internal temperature of each layer.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the residual stress distribution measuring apparatus according to the first aspect, the first laser beam and the second laser beam are two laser beams generated from one laser device. It is characterized by being obtained by branching and making one of the branched laser beams incident on the acousto-optic element.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in the residual stress distribution measuring device according to the first or second aspect, the ultrasonic wave generating means sets an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam. The adjustment is performed to control the traveling direction of each ultrasonic wave when it is generated.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in the residual stress distribution measuring device according to the first, second or third aspect, two sets of the ultrasonic wave generating means, the beam obtaining means and the frequency detecting means are provided. It is.
[0012]
The invention according to claim 5 for achieving the above object is to divide a plate-shaped object to be measured into a plurality of layers along a thickness direction thereof, and to form each of the layers at a predetermined position on the surface of the object to be measured. A residual stress distribution measuring method for measuring the residual stress of the object, irradiating a first laser beam and a second laser beam having different frequencies to the same position (ultrasonic generation position) of the measurement object at a predetermined incident angle, respectively. Thereby causing interference between the first laser beam and the second laser beam, and generating an ultrasonic wave that travels obliquely with respect to the surface of the measurement target inside the measurement target. Guiding the third laser beam to a position (ultrasonic detection position) where the ultrasonic wave is reflected on the bottom surface of the measurement object and returns to the surface again, and the second laser beam reflected on the surface of the measurement object. Three laser bees A third step of obtaining the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave, and based on the third laser beam obtained in the second step. A fourth step of detecting a change in the frequency of the third laser beam caused by the vibration of the ultrasonic wave, and waveform data representing the frequency change of the third laser beam detected in the fourth step. A fifth step of calculating the propagation time during which the ultrasonic wave propagated inside the measurement object based on the ultrasonic wave of the longitudinal wave generated in the first step, and the transverse wave displaced in the longitudinal width direction of the measurement object. For each of the ultrasonic waves and the ultrasonic waves of the transverse wave displaced in the lateral width direction of the measurement object, the traveling direction at the time of generation is set in advance by the same number as the number of the layers, and each of the set each is set. By sequentially generating the ultrasonic waves in the row direction and repeating the first step to the fifth step, for each ultrasonic wave, the ultrasonic wave generation position for the ultrasonic waves generated in each traveling direction A sixth step of determining a distance between the ultrasonic wave and the ultrasonic detection position and a propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions; and, for each ultrasonic wave, the propagation of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions. Based on time and the distance between the ultrasonic generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic waves generated in each traveling direction, a seventh step of calculating the sound speed of the ultrasonic waves in each layer, An eighth step of obtaining an internal temperature of each of the layers based on the sound speed of the one ultrasonic wave in each of the layers calculated in the seventh step; and a sound of each of the ultrasonic waves in each of the layers. A ninth step of calculating the residual stress of each of the layers based on the speed and the internal temperature of each of the layers.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for measuring a residual stress distribution according to the fifth aspect, the first laser beam and the second laser beam are two laser beams generated by one laser device. It is characterized by being obtained by branching and making one of the branched laser beams incident on the acousto-optic element.
[0014]
According to a seventh aspect of the present invention, in the residual stress distribution measuring method according to the fifth or sixth aspect, in the first step, an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam is adjusted. Thus, the traveling direction of each ultrasonic wave when it is generated is controlled.
[0015]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 8 divides a plate-shaped measurement target into a plurality of layers along a thickness direction thereof, and sets each of the layers at a predetermined position on the surface of the measurement target. A residual stress distribution measuring device for measuring the residual stress of the object to be measured, wherein at a predetermined position (ultrasonic generation position) on the surface of the object to be measured, the device is inclined inside the object to be measured, Ultrasonic wave generating means configured to generate an ultrasonic wave that travels along, and configured to be movable along a plane parallel to the surface of the measurement object, and a longitudinal ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generating means, For each of the transverse ultrasonic waves displaced in the longitudinal direction of the measuring object and the transverse ultrasonic waves displaced in the lateral direction of the measuring object, the ultrasonic waves are reflected on the bottom surface of the measuring object and again on the surface. Return position (ultrasonic detection position) Ultrasonic detection means configured to detect the ultrasonic waves and move along a plane parallel to the surface of the measurement object, position information of the ultrasonic generation means, and position information of the ultrasonic detection means Based on the ultrasonic wave, the distance calculation means for obtaining the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position, based on the ultrasonic waveform data obtained by the ultrasonic detection means Calculating means for calculating the propagation time during which the ultrasonic wave propagated inside the measurement object, and the traveling direction at the time of generation of each ultrasonic wave is set in advance by the same number as the number of the layers, The distance calculating means, for each of the ultrasonic waves, each time the ultrasonic wave generating means to generate the ultrasonic waves in each of the traveling directions, to determine the distance between the ultrasonic generation position and the ultrasonic detection position, The arithmetic means is For each ultrasonic wave, each time the ultrasonic wave generating means generates the ultrasonic wave in each of the traveling directions, the propagation time of the ultrasonic wave generated in the traveling direction is obtained, and the ultrasonic waves generated in each of the traveling directions. Of the ultrasonic wave in each layer based on the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic wave detection position for the ultrasonic wave generated in each traveling direction obtained by the propagation time and the distance calculation means. Calculate the sound speed, and determine the internal temperature of each layer based on the calculated sound speed of the one ultrasonic wave in each layer, and calculate the sound speed of each ultrasonic wave in each layer and the internal temperature of each layer. It is characterized in that the residual stress of each layer is calculated.
[0016]
According to a ninth aspect of the present invention, in the residual stress distribution measuring device according to the eighth aspect, a probe is used as each of the ultrasonic wave generating means and the ultrasonic wave detecting means.
[0017]
The invention according to claim 10 for achieving the above object is to divide a plate-shaped object to be measured into a plurality of layers along a thickness direction thereof, and to form each of the layers at a predetermined position on the surface of the object to be measured. A residual stress distribution measuring method for measuring the residual stress of the object to be measured, wherein at a predetermined position (ultrasonic generation position) on the surface of the object to be measured, the surface of the object to be measured is oblique A first step of generating an ultrasonic wave that travels to the target, and a second step of detecting the ultrasonic wave at a position (ultrasonic detection position) where the ultrasonic wave is reflected on the bottom surface of the measurement object and returns to the surface again. And a third step of obtaining a distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave, based on waveform data of the ultrasonic wave obtained by detecting the ultrasonic wave in the second step. Before the ultrasound A fourth step of determining a propagation time propagated inside the measurement object, a longitudinal ultrasonic wave generated in the first step, a transverse ultrasonic wave displaced in a longitudinal width direction of the measurement object, the measurement object For each of the transverse ultrasonic waves displaced in the width direction, the traveling direction at the time of generation is set in advance by the same number as the number of the layers, and the ultrasonic waves are sequentially generated in the set traveling directions. Then, by repeating the first step to the fourth step, for each ultrasonic wave, between the ultrasonic generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave generated in each traveling direction A fifth step of calculating the distance of the ultrasonic wave and the propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions; and for each ultrasonic wave, the propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions and each of the traveling directions. A sixth step of calculating a sound velocity of the ultrasonic wave in each of the layers based on a distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave generated in the sixth step; A seventh step of obtaining the internal temperature of each layer based on the sound velocity of the one ultrasonic wave in each of the layers, and the residual stress of each layer based on the sound velocity of each ultrasonic wave and the internal temperature of each layer in each layer. And an eighth step of calculating.
[0018]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the method for measuring a residual stress distribution according to the tenth aspect, in the first step, an ultrasonic wave is generated using a probe, and in the second step, an ultrasonic wave is generated using a probe. It is characterized by detecting sound waves.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a residual stress distribution measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing a relationship between an internal temperature and a longitudinal wave velocity for a certain steel material.
[0020]
The residual stress distribution measuring device according to the present embodiment measures a residual stress distribution inside a measurement object in a non-contact manner. Here, as an object to be measured, for example, a plate-like steel material (thick plate) manufactured by a hot process in an ironworks is assumed. The surface temperature of such a thick plate is usually around 700 ° C. In particular, in the present embodiment, the thick plate is divided into a plurality of layers along the thickness direction, and the residual stress of each layer is calculated at a predetermined measurement position to obtain the internal residual stress distribution of the thick plate. I will.
[0021]
The residual stress can be obtained from the following equation using the sound speed ratio method. That is, the sound velocity ratio is R, and the stress in the rolling direction (longitudinal width direction) of the thick plate is σ.₁, The stress in the width direction (width direction) of the thick plate₂Then
R≡2V_L/ (V_S1-V_S2)
= R₀+ C_R・ (Σ₁+ Σ₂) + F · (TT₀)
It is. Where V_LIs the speed of sound of longitudinal ultrasonic wave, V_S1Is the sound velocity of the transverse ultrasonic wave displaced in the rolling direction of the thick plate, V_S2Is the sound velocity of the transverse ultrasonic wave displaced in the width direction of the thick plate. Also, R₀At no stress and at room temperature T₀Sound speed ratio at the time, C_RIs a sound elastic constant. Sound speed ratio R₀, Sound elastic constant C_R, And the parameter F at the time of no stress are measured in advance with a sample (steel specimen). Therefore, the sound velocity V propagating through each layer of the thick plate_L, V_S1, V_S2And the internal temperature T of each layer, the residual stress σ in each layer is obtained by substituting them into the above equation.₁+ Σ₂Can be calculated.
[0022]
By the way, as is well known, in various types of steel materials, there is a close relationship between the internal temperature and the speed of sound of longitudinal waves propagating through the inside. 3 shows an example of the relationship between the internal temperature and the sound speed of longitudinal waves for the steel material shown in FIG. 2. In FIG. 2, the horizontal axis represents the internal temperature of the steel material, and the vertical axis represents the speed of sound of the longitudinal wave. From this graph, it can be seen that the lower the sound speed of the longitudinal wave, the higher the internal temperature of the steel material tends to be. In the residual stress distribution measuring device of the present embodiment, after determining the velocity of the longitudinal wave in each layer of the thick plate, the internal temperature of the thick plate is determined by using the relationship between the internal temperature and the longitudinal wave velocity as shown in FIG. I will ask for. At this time, the sound speed of the longitudinal wave in each layer of the thick plate is calculated using the laser ultrasonic method.
[0023]
As shown in FIG. 1, the residual stress distribution measuring device of the present embodiment includes an ultrasonic generation laser 10, a first ultrasonic generation unit 20 a and a second ultrasonic generation unit 20 b, and an ultrasonic detection laser 30. A first beam acquisition unit 40a and a second beam acquisition unit 40b, a first Fabry-Perot interferometer 50a and a second Fabry-Perot interferometer 50b, a first photodetector 60a and a second photodetector 60b, And a computer 70. The residual stress distribution measuring device is provided with beam splitters 81 and 82, a mirror 84, condenser lenses 86, 87, 88 and 89, optical fibers 91, 92, 93 and 94 as optical components. .
[0024]
The laser 10 for generating ultrasonic waves is a laser for exciting ultrasonic waves in the object 2 to be measured. As the ultrasonic wave generating laser 10, for example, a YAG laser or CO₂Use a high energy pulsed laser such as a laser. Hereinafter, the frequency of the laser beam emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 is f₁And its wavelength as λ₁And
[0025]
The laser beam emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 is split by the beam splitter 81 into two laser beams. One of the split laser beams enters the first ultrasonic generator 20a, and the other laser beam enters the second ultrasonic generator 20b.
[0026]
9. The ultrasonic generators 20 a and 20 b generate ultrasonic waves traveling obliquely with respect to the surface of the measurement object 2 using the interference fringe scanning method, and wherein the ultrasonic wave generators 20 a and 20 b generate interference ultrasonic waves. The invention corresponds to the "ultrasonic wave generating means". Each of the ultrasonic generators 20a and 20b has a beam splitter 21, a mirror 22, and an acousto-optic element 23.
[0027]
The laser beams guided to the respective ultrasonic generators 20a and 20b are divided by the beam splitter 21 into a first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 and a second laser beam L2 transmitted through the beam splitter 21. . The first laser beam L1 is incident on the surface of the measuring object 2 as it is. On the other hand, the second laser beam L2 is reflected by the mirror 22 and then enters the acousto-optic device 23.
[0028]
The acousto-optic element 23 is an element using an acousto-optic effect (acousto-optic effect), and is used here as a frequency shifter. When an electric signal of an appropriate frequency is given to the acousto-optic element 23, the medium provided inside the acousto-optic element 23 performs ultrasonic vibration, and elastic strain and pressure change depending on the location. As a result, a change in the refractive index occurs in the medium, and when light from the outside enters the refractive index change region, the light is diffracted. At this time, the diffracted light undergoes a Doppler shift due to the ultrasonic vibration, and the frequency of the first-order diffracted light has a value shifted from the frequency of the original incident light by the frequency of the ultrasonic wave. Therefore, the frequency of the second laser beam L2 emitted from the acousto-optic element 23 is equal to the original frequency f.₁Shift from The second laser beam L2 whose frequency has been shifted in this manner enters the surface of the measuring object 2. Here, the frequency of the second laser beam L2 whose frequency has shifted is represented by f₂And
[0029]
Next, the interference fringe scanning method will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the interference fringe scanning method, and FIG. 4 is a diagram for explaining a specific configuration of each of the ultrasonic generators 20a and 20b in the residual stress distribution measuring device of the present embodiment. .
[0030]
Here, as shown in FIG. 3, the first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 has an angle (incident angle) θ with respect to the thickness direction of the measurement target 2 (the normal direction of the surface of the measurement target). Is assumed to be incident on the object 2 to be measured. On the other hand, the second laser beam L2 emitted from the acousto-optic element 23 has an angle (incident angle) θ from the side opposite to the first laser beam L1 with respect to the thickness direction of the measurement object 2, It is assumed that the light is incident on the same irradiation position as the irradiation position of the beam L1. That is, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 irradiate the same position on the measurement target 2 at an angle 2θ to each other. Hereinafter, the position on the measurement target 2 to which the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are irradiated is referred to as “ultrasonic generation position” or simply “generation position”. In the first ultrasonic generator 20a, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are located on the same plane perpendicular to the width direction of the measurement target 2, while the second ultrasonic generator 20b Here, it is assumed that the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are in the same plane perpendicular to the rolling direction of the measuring object 2.
[0031]
In such a situation, the first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 and the second laser beam L2 emitted from the acousto-optic element 23 are applied to the same position (ultrasonic generation position) on the measurement target 2. Then, the two beams interfere with each other, and an interference fringe appears where light waves strengthen and weaken alternately. In addition, since the optical frequencies of the two laser beams L1 and L2 are slightly different, the interference fringes move on the surface of the measurement target 2. Here, the moving direction of the interference fringes is the rolling direction of the measurement target 2 when the first ultrasonic generator 20a generates the signal, and the moving direction of the interference fringe when the second ultrasonic generator 20b generates the interference fringe. In the width direction. Also, the scanning speed V of the interference fringes_R, Interference fringe wavelength λ_acoIs
V_R= Λ₁・ (F₂−f₁) / 2 sin θ
λ_aco= Λ₁/ 2 sin θ
Given by
[0032]
Since the interference fringes generated by the interference correspond to a pattern of thermal stress, an ultrasonic wave corresponding to the pattern is generated. The wavelength of this ultrasonic wave is the wavelength λ of the interference fringes._acoIs the same as In particular, the scanning speed V of the interference fringes_RIs set to be greater than the sound speed of the ultrasonic wave inside the measurement target object 2, it is possible to generate an ultrasonic wave traveling obliquely to the surface of the measurement target object 2. At this time, longitudinal ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves are simultaneously generated. Such an ultrasonic wave travels in a plane perpendicular to the width direction of the measurement object 2 when generated by the first ultrasonic generator 20a, and measured when generated by the second ultrasonic generator 20b. The object 2 travels in a plane perpendicular to the rolling direction. The shear wave generated by the first ultrasonic generator 20a is a shear wave displaced in the rolling direction, while the shear wave generated by the second ultrasonic generator 20b is a shear wave displaced in the width direction. is there. In the present embodiment, only longitudinal wave ultrasonic waves generated by the first ultrasonic wave generating unit 20a are considered, and those generated by the second ultrasonic wave generating unit 20b are not considered. That is, in the present embodiment, as the ultrasonic waves, the longitudinal waves generated by the first ultrasonic generator 20a, the transverse displacement transverse waves generated by the first ultrasonic generator 20a, and the second ultrasonic generator 20b Consider three of the transverse displacement transverse waves generated by. Also, the velocity of the longitudinal wave generated by the first ultrasonic generator 20a is V_LAnd the velocity of sound of the transverse wave_S1, The velocity of the transverse displacement transverse wave_S2And
[0033]
The traveling direction angle (angle with respect to the thickness direction of the measuring object 2) at the time of generation of such an ultrasonic wave is φ, and the sound speed of the ultrasonic wave inside the measuring object 2 at that time is V_CThen
φ = sin^-1(V_C/ V_R)
There is a relationship. Therefore, the scanning speed V of the interference fringes_RThat is, the incident angle θ or the frequency difference f₂−f₁Can be controlled to control the traveling direction angle φ at the time of generation of the ultrasonic wave. However, the sound speed V of the ultrasonic wave_CHas a temperature dependence, so the surface temperature is measured, and V is determined based on the data on the relationship between the temperature and the sound speed measured in advance._CDecide.
[0034]
As will be described in detail later, in order to obtain the sound speed of the ultrasonic waves in each layer of the measurement object 2, the traveling direction angle at the time of generation of the ultrasonic waves is set in advance by the same number as the number of layers, and the setting is performed. Every time the ultrasonic wave is generated at each of the traveling direction angles, it is necessary to measure the propagation time until the ultrasonic wave generated at each of the traveling direction angles is reflected on the bottom surface of the measurement target 2 and returns to the surface again. There is. For this reason, it is necessary to control the traveling direction angle φ at the time of generation of the ultrasonic wave. In the present embodiment, such control is performed by adjusting the incident angle θ of the laser beam. Specifically, in order to easily adjust the incident angle θ, each of the ultrasonic generators 20a and 20b is configured as shown in FIG. That is, the first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 is perpendicularly incident on the surface of the measurement target 2. Further, a mirror 24 is provided for reflecting the second laser beam L2 emitted from the acousto-optic element 23 and irradiating the object 2 to be measured. Then, using a linear stage or the like, the position of the mirror 24 is adjusted along the rolling direction of the measurement target 2 in the first ultrasonic generation unit 20a, and the position of the measurement target 2 in the second ultrasonic generation unit 20b. By moving the second laser beam L2 along the width direction, the incident angle of the second laser beam L2 is controlled. Here, in FIG. 4, the actual incident angle of the second laser beam L2 is 2θ, but in the present embodiment, the half angle θ is also referred to as the incident angle.
[0035]
Incidentally, as a matter of course, the control of the traveling direction angle φ at the time of generation of the ultrasonic wave is performed by adjusting the incident angle of the first laser beam L1 instead of the second laser beam L2, or by controlling the first laser beam L1. This may be performed by adjusting the incident angles of both the beam L1 and the second laser beam L2.
[0036]
FIG. 5 shows an example of the setting value of the incident angle θ when the traveling direction angle φ at the time of generation of the longitudinal wave is controlled to 20, 30, 40, and 50 degrees. In this example, the frequency difference f₂−f₁Is set to 80 MHz. As shown in FIG. 5, the incident angle θ may be set to 0.14 degrees to set the traveling direction angle φ at the time of generation of the longitudinal wave to 20 degrees. When the traveling direction angle φ at the time of generation of the longitudinal wave is 30 degrees, the incident angle θ is 0.21 degrees, and when the traveling direction angle φ at the time of generation is 40 degrees, the incident angle θ is 0. It may be set to 26 degrees. Then, in order to set the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated to 50 degrees, the incident angle θ may be set to 0.32 degrees.
[0037]
As can be seen from this example, since the set value of the incident angle θ is very small, the mirror 24 is usually installed at a position distant from the surface of the measurement target 2 to some extent, for example, at a position 4 m away. . The “beam interval” shown in the table of FIG. 5 is an interval between the first laser beam L1 and the second laser beam L2 measured at a height position 4 m away from the surface of the measurement target 2. Specifically, in order to set the traveling direction angle φ at the time of generation of a longitudinal wave to 20 degrees, the beam interval may be set to 9.8 mm. In addition, the beam interval is set to 14.4 mm to set the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated to 30 degrees, and to 18.5 mm to set the traveling direction angle φ to 40 degrees when the longitudinal wave is generated. do it. Then, in order to set the traveling direction angle φ at the time of generation of a longitudinal wave to 50 degrees, the beam interval may be set to 22.0 mm.
[0038]
Since a transverse wave is generated simultaneously with the longitudinal wave, FIG. 5 also shows the traveling direction angle of the transverse wave generated simultaneously with the longitudinal wave. The reason why the traveling directions of the longitudinal wave and the shear wave are different is that the sound speed of the longitudinal wave and the sound speed of the shear wave are different inside the measurement object 2.
[0039]
Further, the position where the ultrasonic wave propagates inside the measurement object 2 and is reflected on the bottom surface thereof and returns to the surface again (hereinafter, referred to as “ultrasonic detection position” or simply “detection position”) is approximately. Can be predicted. As an example, FIG. 6 shows a relationship between a beam interval and a longitudinal wave detection candidate position. Here, the horizontal axis is the beam interval at a height position 4 m away from the surface of the measurement object 2, and the vertical axis is the longitudinal wave of the longitudinal wave measured from the incident position of the laser beams L1 and L2 along the rolling direction. This is a detection candidate position. Since the detection candidate position depends on the thickness of the measurement target 2, FIG. 6 shows a case where the thickness of the measurement target 2 is 30 mm and 50 mm, for example. Incidentally, the graph of FIG. 6 is obtained by assuming that the traveling direction of the longitudinal wave is constant inside the object 2 to be measured. However, in practice, the internal temperature of the measurement target 2 varies depending on the location, and the sound speed of the ultrasonic wave is not constant, so that the traveling direction of the ultrasonic wave changes inside the measurement target 2. Therefore, the longitudinal wave detection candidate position obtained by using the graph of FIG. 6 is different from the actual detection position. For this reason, in FIG. 6, the expression “detection candidate position” is used instead of the detection position. In the present embodiment, the relationship between the beam interval and the detection candidate position as shown in FIG. 6 is used as a reference for obtaining an actual ultrasonic detection position. Specifically, first, a detection position of an ultrasonic wave is found using a graph as shown in FIG. Next, by actually generating an ultrasonic wave, the intensity of the ultrasonic wave propagating in the measurement target object 2 is detected in an area around the detection candidate position. Then, the maximum intensity position is determined as the actual ultrasonic detection position.
[0040]
The ultrasonic generators 20a and 20b are integrally formed, and can move along the rolling direction and the width direction of the measurement target 2 on a plane parallel to the surface of the measurement target 2. The position information of each of the ultrasonic generators 20a and 20b is recognized by the computer 70, and the computer 70 determines the ultrasonic wave generation position in each of the ultrasonic generators 20a and 20b based on the position information of each of the ultrasonic generators 20a and 20b. You can know.
[0041]
The ultrasonic detection laser 30 is a laser for detecting an ultrasonic wave generated in the measurement target 2 by the irradiation of the laser beam from the ultrasonic generation laser 10 and transmitted through the measurement target 2. A laser that emits a single-frequency laser beam is used as the ultrasonic detection laser 30.
[0042]
The laser beam (third laser beam) L3 emitted from the ultrasonic detection laser 30 is split by the beam splitter 82 into two third laser beams L3. One of the branched third laser beams L3 is condensed by the condensing lens 86 and then enters the optical fiber 91. The optical fiber 91 guides the third laser beam L3 to the first beam acquisition unit 40a. The other third laser beam L3 branched by the beam splitter 82 is reflected by the mirror 84 and condensed by the condenser lens 87, and then enters the optical fiber 92. The optical fiber 92 guides the third laser beam L3 to the second beam acquisition unit 40b.
[0043]
Each of the beam acquisition units 40a and 40b guides the third laser beam L3 to a predetermined ultrasonic detection position, and acquires the third laser beam L3 reflected and scattered on the surface of the measurement target 2 in FIG. As shown in (1), there are two condenser lenses 41 and 42 and a half mirror 43. In particular, the first beam acquisition unit 40a guides the third laser beam L3 to the detection position of the longitudinal wave or the transverse wave generated by the first ultrasonic wave generation unit 20a, and the second beam acquisition unit 40b L3 is guided to the detection position of the shear wave generated by the first ultrasonic generator 20b. Each of the beam acquisition units 40a and 40b corresponds to "beam acquisition means" in the first aspect of the present invention.
[0044]
In addition, the beam acquisition units 40a and 40b are integrally formed, and can move along a rolling direction and a width direction of the measurement target 2 on a plane parallel to the surface of the measurement target 2. The position information of each beam acquisition unit 40a, 40b is recognized by the computer 70, and the computer 70 knows the ultrasonic detection position in each beam acquisition unit 40a, 40b based on the position information of each beam acquisition unit 40a, 40b. Can be.
[0045]
The third laser beam L3 incident on each of the beam acquisition units 40a and 40b is condensed by the condensing lens 41, passes through the half mirror 43, and irradiates a predetermined ultrasonic detection position on the measurement target object 2. . Since the surface of the measuring object 2 is rough, the third laser beam L3 is scattered almost isotropically on the surface of the measuring object 2. At this time, when the ultrasonic wave propagating inside the measurement object 2 returns to the detection position, the detection position vibrates at the detection position. Thereby, the frequency of the third laser beam L3 scattered on the surface of the measurement object 2 changes due to the Doppler shift caused by the ultrasonic vibration of the surface of the measurement object 2.
[0046]
A part of the third laser beam L3 scattered on the surface of the measurement object 2 is reflected by the half mirror 43 and then collected by the condenser lens. The third laser beam L3 condensed by the condenser lens 42 of the first beam acquisition unit 40a enters the optical fiber 93. The optical fiber 93 guides the third laser beam L3 to the first Fabry-Perot interferometer 50a. The third laser beam L3 emitted from the optical fiber 93 is incident on the first Fabry-Perot interferometer 50a after being condensed by the condenser lens 88. On the other hand, the third laser beam L3 condensed by the condensing lens 42 of the second beam acquisition unit 40b enters the optical fiber 94. The optical fiber 94 guides the third laser beam L3 to the second Fabry-Perot interferometer 50b. The third laser beam L3 emitted from the optical fiber 94 is condensed by the condenser lens 89, and then enters the second Fabry-Perot interferometer 50b.
[0047]
Each of the Fabry-Perot interferometers 50a and 50b detects a frequency change of the third laser beam L3 caused by the ultrasonic vibration, and has two reflecting mirrors 51 and 52 facing each other. The two reflecting mirrors 51 and 52 constitute a resonator, and function as a band-pass filter by multiple-reflecting the third laser beam L3 between the two reflecting mirrors 51 and 52. By adjusting the distance between the two reflecting mirrors 51 and 52, the frequency of light passing through this resonator can be adjusted. Each Fabry-Perot interferometer corresponds to the "frequency change detecting means" in the first aspect of the present invention.
[0048]
Here, the resonance curves in the Fabry-Perot interferometers 50a and 50b will be described. FIG. 7 is a diagram showing an example of this resonance curve. 7, the horizontal axis represents the frequency f of the incident light, and the vertical axis represents the output from the Fabry-Perot interferometers 50a and 50b, that is, the intensity I of the light transmitted through the Fabry-Perot interferometers 50a and 50b. . As can be seen from FIG. 7, the transmitted light intensity I shows a steep peak at a specific frequency, but rapidly decreases before and after the peak. The frequency showing this peak can be changed by adjusting the distance between the reflection mirrors 51, 52 of the Fabry-Perot interferometers 50a, 50b. Therefore, the distance between the reflection mirrors 51 and 52 is adjusted so that the frequency at the point (resonance curve operating point) A where the slope of the curve shown in FIG. 7 is the maximum coincides exactly with the oscillation frequency of the third laser beam L3. If so, a slight change in frequency ± Δf can be converted into a relatively large change in transmitted light intensity ± ΔI. Thereby, when the Fabry-Perot interferometers 50a and 50b receive the third laser beam L3 whose frequency has changed due to the Doppler shift caused by the ultrasonic vibration of the surface of the measuring object 2, the frequency changes. Is output as a change in transmitted light intensity.
[0049]
The transmitted light intensity output from the first Fabry-Perot interferometer 50a is sent to the first photodetector 60a, while the transmitted light intensity output from the second Fabry-Perot interferometer 50b is Sent to the vessel 60b. Each of the photodetectors 60a and 60b converts transmitted light intensity into an electric signal. Thereby, the ultrasonic vibration is finally caught as an electric signal. The signals from the photodetectors 60a and 60b are sent to the computer 70 and recorded as waveform data.
[0050]
In the present embodiment, the "ultrasonic detection means" in the invention according to claim 8 includes a first beam acquisition unit 40a, a first Fabry-Perot interferometer 50a, a first photodetector 60a, and a second beam acquisition unit. The unit 40b, the second Fabry-Perot interferometer 50b, and the second photodetector 60b correspond.
[0051]
Based on the waveform data, the computer 70 obtains a propagation time until the ultrasonic wave propagates inside the measurement target 2, reflects on the bottom surface thereof, and returns to the surface again. The timing at which a laser beam is emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 and the timing at which the laser beam irradiates the measurement target 2 are known in advance. For this reason, the computer 70 can determine the propagation time of the ultrasonic wave by checking the timing at which the frequency change is detected based on the waveform data sent from each of the photodetectors 60a and 60b. Further, the computer 70 obtains the horizontal distance between the generation position and the detection position for each of the longitudinal wave and the transverse wave in the rolling direction based on the position information of the ultrasonic generator 20a and the position information of the beam acquisition unit 40a. At the same time, for the transverse displacement transverse wave, the horizontal distance between the generation position and the detection position is obtained based on the position information of the ultrasonic generator 20b and the position information of the beam acquisition unit 40b. That is, the computer 70 corresponds to the “calculating means” and the “distance calculating means” in the first or eighth aspect of the present invention.
[0052]
In the present embodiment, for each ultrasonic wave of longitudinal wave, rolling transverse wave, transverse transverse wave, the traveling direction angle at the time of generation thereof is set in advance by the same number as the number of layers of the measurement object 2 and the computer 70, for each ultrasonic wave, each time the first or second ultrasonic wave generating unit 20a, 20b generates an ultrasonic wave in each traveling direction angle, the propagation time and horizontal distance of the ultrasonic wave generated in the traveling direction are set. Ask. That is, for each ultrasonic wave of longitudinal wave, rolling transverse wave, transverse transverse wave, the traveling direction angle at the time of generation is controlled, and the above-described propagation time measurement process and horizontal distance calculation process are performed a predetermined number of times. repeat. Thereafter, the computer 70 determines, for each ultrasonic wave, the propagation time of the ultrasonic wave generated in each traveling direction angle and the horizontal distance between the generated position and the detected position of the ultrasonic wave generated in each traveling direction. Then, the sound speed of the ultrasonic wave in each layer of the measurement object 2 is calculated.
[0053]
Further, the computer 70 obtains the internal temperature of each layer of the measuring object 2 based on the calculated sound speed of the longitudinal wave in each layer. Here, the computer 70 is constructed with a database showing the correspondence between the internal temperature and the longitudinal wave velocity for various steel materials. Therefore, the computer 70 can easily obtain the internal temperature of each layer from the sound speed of the longitudinal wave in each layer of the measurement target 2 using the database.
[0054]
Next, a method of calculating the sound speed of the ultrasonic wave in each layer of the measurement target 2 from the propagation time and the horizontal distance of the ultrasonic wave generated in each traveling direction angle will be described in detail. 8 and 9 are diagrams for explaining a method of calculating the sound speed of the ultrasonic wave in each layer of the measurement target 2.
[0055]
In the case of a slab manufactured by a hot process, its internal temperature varies from place to place, and the sound speed of ultrasonic waves is not constant. For this reason, the traveling direction of the ultrasonic wave changes inside the thick plate. In the present embodiment, in the region of the measurement target 2 corresponding to the propagation region of the ultrasonic waves generated by the first or second ultrasonic generation units 20a and 20b, the sound speed of the ultrasonic wave is different for each layer of the measurement target 2. Is assumed to be constant within In this case, the smaller the thickness of each layer of the measuring object 2 is, the closer the assumed sound speed of the ultrasonic wave is to the actual value. Therefore, if the thickness of each layer is set sufficiently small, the internal temperature and the residual stress can be measured with high accuracy.
[0056]
Now, as shown in FIGS. 8 and 9, a case where the thick plate as the measurement target 2 is divided into four layers along the thickness direction will be considered. These layers are referred to as a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer in order from the surface side of the thick plate. Here, the thickness of the k-th layer (k = 1, 2, 3, 4) is d_k, Where the average sound speed of the ultrasonic wave is V_kAnd And the traveling direction angle at the time of generation of the ultrasonic wave is φ_jWhen (j = 1, 2, 3, 4), the propagation time of the ultrasonic wave is t_jAnd
[0057]
Further, under the above assumption, the traveling direction of the ultrasonic wave in each layer is constant, so it is necessary to consider that the ultrasonic wave is refracted when passing through the boundary surface of each layer as shown in FIG. However, in FIG. 8, such refraction is omitted, and the propagation path of the ultrasonic wave is shown by a straight line. Here, as shown in FIG. 9, the ultrasonic wave travels through the first layer of the measurement object 2 in the traveling direction angle φ._jWhen propagating at (j = 1, 2, 3, 4), the angle of refraction at the interface between the first and second layers is φ_j2, The angle of refraction at the interface between the second and third layers is φ_j3, The angle of refraction at the interface between the third and fourth layers is φ_j4And
[0058]
The ultrasonic wave travels through the first layer of the object 2 in the traveling direction angle φ._j(J = 1, 2, 3, 4), the propagation time t of the ultrasonic wave_jIs
t_j= 2 [d₁/ (V₁・ Cosφ_j) + D₂/ (V₂・ Cosφ_j2) + D₃/ (V₃・ Cosφ_j3) + D₄/ (V₄・ Cosφ_j4)]
It is. Here, applying Snell's law at each interface,
cosφ_jm= ｛1- (V_m/ V₁)²(1-cos²φ_j)｝^1/2
≡F (V₁, V_m, Cosφ_j)
It can be expressed as. Here, m = 2, 3, and 4. Therefore,
t_j= 2 [d₁/ (V₁・ Cosφ_j)
+ D₂/ (V₂・ F (V₁, V₂, Cosφ_j))
+ D₃/ (V₃・ F (V₁, V₃, Cosφ_j))
+ D₄/ (V₄・ F (V₁, V₄, Cosφ_j)]
It becomes. Here, j = 1, 2, 3, and 4.
[0059]
These four propagation times t₁, T₂, T₃, T₄In the equation, the traveling direction angle φ when the ultrasonic wave is generated₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄Is the parameter known from the interference fringe scanning method, and the thickness d of each layer₁, D₂, D₃, D₄I also know in advance. Therefore, the computer 70 calculates the propagation time t for the ultrasonic wave using the laser ultrasonic method.₁, T₂, T₃, T₄Is substituted into the above equations, and the sound speed V of the ultrasonic wave is₁, V₂, V₃, V₄By solving a nonlinear system of equations with unknown as the sound velocity, the sound velocity V of the ultrasonic wave in each layer₁, V₂, V₃, V₄Is calculated.
[0060]
Here, since the system of equations to be solved is nonlinear, the solution is not unique, and the sound velocity V of the ultrasonic wave in each layer is different.₁, V₂, V₃, V₄And a plurality of sets of solutions are obtained. For this reason, the computer 70 determines that each traveling direction angle φ_jThe horizontal distance x between the generation position and the detection position of the ultrasonic wave generated at (j = 1, 2, 3, 4)_jIs used as a determination formula for selecting an appropriate set of solutions from a plurality of sets of solutions. Horizontal distance x_jThe equation representing (j = 1, 2, 3, 4) is
x_j= 2 [d₁・ Tanφ_j+ D₂・ Tanφ_j2+ D₃・ Tanφ_j3+ D₄・ Tanφ_j4]
Given by Here, according to Snell's law,
tanφ_jm= (V_m/ V₁) (1-cos²φ_j)^1/2× ｛1- (V_m/ V₁)²(1-cos²φ_j)｝^-1/2
It is. Here, m = 2, 3, and 4. The computer 70 first calculates the horizontal distance x of the ultrasonic wave obtained based on the position information of the ultrasonic wave generating unit and the position information of the beam acquiring unit in an expression representing the four horizontal distances.₁, X₂, X₃, X₄Is assigned. Then, in these equations, the four propagation times t₁, T₂, T₃, T₄By substituting the solution of each set obtained by solving the equation (1), it is determined whether or not the equation representing the four horizontal distances is satisfied. Then, a set of solutions that satisfies the equations representing the four horizontal distances is defined as the sound velocity V of the ultrasonic wave in each layer.₁, V₂, V₃, V₄To be determined.
[0061]
Actually, the computer 70 obtains the sound velocity of the ultrasonic wave in each layer using dedicated nonlinear regression calculation software. As such dedicated nonlinear regression calculation software, for example, software created using a Levenberg-Marquardt algorithm module can be used.
[0062]
In this way, for each of the longitudinal wave, rolling direction displacement transverse wave, and width direction displacement transverse wave, the sound velocity of the ultrasonic wave in each layer of the measurement object 2 is calculated, so that the sound velocity distribution inside the measurement object 2 is calculated. Obtainable. Further, the internal temperature of each layer can be obtained based on the speed of sound of the longitudinal wave in each layer. Therefore, the computer 70 obtains the residual stress of each layer near the ultrasonic irradiation position by calculating the internal temperature in each layer and the sound speed of each ultrasonic wave in each layer by substituting into an equation using the sound velocity ratio method. be able to.
[0063]
Next, a procedure for measuring the residual stress distribution of the measurement object 2 in the residual stress distribution measuring device of the present embodiment will be described. FIG. 10 is a flowchart for explaining a procedure for measuring the residual stress distribution of the measuring object 2 in the residual stress distribution measuring device.
[0064]
First, the operator sets the number of layers that divide the measurement object 2 along the thickness direction, the thickness of each layer, and the longitudinal wave, rolling direction displacement transverse wave, width direction displacement generated by the interference fringe scanning method. For each of the transverse waves, the traveling direction angle is set by the same number as the number of layers (S1). Then, the operator inputs these set values and parameter values necessary for calculation to the computer 70 (S2).
[0065]
Next, the propagation time is measured for each of the ultrasonic waves of the longitudinal wave, the transverse wave in the rolling direction, and the transverse wave in the width direction (S3). In the present embodiment, by providing two sets of the ultrasonic wave generating unit and the beam acquiring unit, it is possible to simultaneously measure the propagation times of the two ultrasonic waves. For example, a propagation time of a longitudinal wave and a propagation time of a transverse displacement transverse wave are simultaneously measured, and thereafter, a propagation time of a rolling displacement transverse wave is measured.
[0066]
Specifically, first, the operator selects one traveling direction angle from the plurality of traveling direction angles set in step S1 for the longitudinal wave, and also selects one traveling direction angle for the widthwise displacement transverse wave. . Then, the position of the mirror 24 in the first ultrasonic generator 20a is adjusted so that a longitudinal wave is generated at the selected longitudinal wave traveling direction angle, and a transverse wave is generated at the selected transverse wave traveling direction angle. To adjust the position of the mirror 24 in the second ultrasonic generator 20b. Then, by actually emitting a laser beam from the ultrasonic wave generation laser 10 with reference to the relationship between the beam interval and the detection candidate position as shown in FIG. 6, the first ultrasonic wave is generated by the first ultrasonic wave generation unit 20a. The actual detection position of the longitudinal wave and the actual detection position of the shear wave generated by the second ultrasonic generator 20b are detected. Then, the position of the first beam acquisition unit 40a is adjusted such that the third laser beam L3 emitted from the ultrasonic detection laser 30 is irradiated to the detection position of the longitudinal wave, and the third laser beam L3 is The position of the second beam acquisition unit 40b is adjusted so that the detection position of the transverse wave is emitted.
[0067]
After the position is adjusted in this manner, the computer 70 generates a longitudinal wave generated in the selected traveling direction based on the position information of the first ultrasonic wave generating unit 20a and the position information of the first beam acquiring unit 40a. Find the horizontal distance between the position and the detection position. In addition, based on the position information of the second ultrasonic wave generating unit 20b and the position information of the second beam acquiring unit 40b, the position between the occurrence position and the detection position of the transverse displacement transverse wave generated at the selected traveling direction angle is determined. Find the horizontal distance of These horizontal distances are stored in a predetermined memory of the computer 70.
[0068]
When the preparation is completed in this way, next, a laser beam is emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 to generate an ultrasonic wave inside the measurement object 2, and a third laser beam is emitted from the ultrasonic wave detection laser 30. Accordingly, the first beam acquisition unit 40a and the first Fabry-Perot interferometer 50a detect a frequency change of the third laser beam caused by the vibration of the longitudinal ultrasonic wave, and the second beam acquisition unit 40b The second Fabry-Perot interferometer 50b detects a frequency change of the third laser beam caused by the vibration of the ultrasonic wave of the widthwise displacement transverse wave. Then, the computer 70 obtains the propagation time of the longitudinal wave and the propagation time of the transverse displacement lateral wave based on the waveform data representing the frequency change. These propagation times are stored in a predetermined memory of the computer 70.
[0069]
Next, by repeating the above processing for all traveling direction angles set in step S1, the propagation time of the longitudinal wave generated in each traveling direction angle, the generation position of the longitudinal wave generated in each traveling direction The horizontal distance between the position and the detection position, the propagation time of the transverse displacement transverse wave generated in each traveling direction, and the horizontal distance between the occurrence position and the detection position of the transverse displacement transverse wave generated in each traveling direction are obtained. .
[0070]
Thereafter, similarly, using the first ultrasonic wave generating unit 20a, the first beam acquiring unit 40a, and the first Fabry-Perot interferometer 50a, the generation position and the detection of the rolling direction displacement transverse wave generated at each traveling direction angle are detected. The horizontal distance from the position is determined, and the propagation time of the transverse displacement transverse wave generated at each traveling direction angle is measured. In this way, for each of the ultrasonic waves of the longitudinal wave, the transverse wave in the rolling direction, and the transverse wave in the width direction, the horizontal distance and the propagation time when the ultrasonic waves are generated at each traveling direction angle are obtained.
[0071]
Next, the computer 70 measures based on the propagation time of each ultrasonic wave generated in each traveling direction angle and the horizontal distance between the generated position and the detected position for each ultrasonic wave generated in each traveling direction angle. The sound speed of the longitudinal wave, the sound speed of the transverse wave in the rolling direction, and the sound speed of the transverse wave in the width direction in each layer of the object 2 are calculated (S4). Thereafter, the computer 70 obtains the internal temperature of each layer from the sound speed of the longitudinal wave in each layer of the measurement object 2 using a database indicating the correspondence between the internal temperature and the longitudinal wave speed of the measurement object 2 (S5). ). Then, the computer 70 calculates the residual temperature (the stress in the rolling direction) in each layer in the vicinity of the ultrasonic irradiation position by calculating the internal temperature in each layer and the sound speed of each ultrasonic wave by substituting it into an equation using the sound velocity ratio method. And the stress in the width direction). The residual stress of each layer thus obtained is displayed on a screen of the computer 70, for example.
[0072]
Next, the present inventors verified whether the sound speed of ultrasonic waves in each layer can be obtained with sufficient accuracy using the residual stress distribution measurement device of the present embodiment. This verification was performed as follows. First, the internal temperature of each layer is assumed. Then, based on the assumed internal temperature of each layer, the sound velocity of the ultrasonic wave in each layer is determined using a database indicating the correspondence between the internal temperature and the sound velocity of the ultrasonic wave (here, a longitudinal wave). Then, using the sound speed of the ultrasonic waves in each of these layers, data on the propagation time and data on the horizontal distance for the ultrasonic waves generated in each traveling direction angle are created. Next, the created propagation time data and horizontal distance data are input to the computer 70. The computer 70 calculates the sound speed of the ultrasonic wave in each layer using dedicated nonlinear regression calculation software. Then, it was examined whether or not the sound speed of the ultrasonic wave calculated in each layer coincides with the sound speed of the ultrasonic wave obtained from the initially assumed internal temperature.
[0073]
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of various data created when verifying a method of calculating the sound speed of the ultrasonic wave in each layer. In this verification, it was assumed that the number of layers was 6, and the thickness of each layer was 5 mm. Then, as shown in FIG. 11, the internal temperature of the first layer is 775 ° C., the internal temperature of the second layer is 790 ° C., the internal temperature of the third layer is 830 ° C., the internal temperature of the fourth layer is 810 ° C. The internal temperature of the fifth layer was assumed to be 850 ° C, and the internal temperature of the sixth layer was assumed to be 770 ° C. Further, the traveling direction angle φ at which the ultrasonic wave propagates through the first layer_j(J = 1, 2,..., 6) were assumed to be 15, 20, 25, 30, 35, and 40 degrees, respectively.
[0074]
After assuming such various data, first, the sound velocity of the ultrasonic wave in each layer was obtained from the assumed internal temperature of each layer using a database indicating the correspondence between the internal temperature and the sound velocity of the ultrasonic wave. Specifically, as shown in FIG. 11, the sound speed of the ultrasonic wave in the first layer is 6008.38 m / sec, the sound speed of the ultrasonic wave in the second layer is 5864.15 m / sec, and the sound speed of the ultrasonic wave in the third layer Is 5479.55 m / sec, the sound speed of the ultrasonic wave in the fourth layer is 5671.85 m / sec, the sound speed of the ultrasonic wave in the fifth layer is 5287.25 m / sec, and the sound speed of the ultrasonic wave in the sixth layer is 6056.45 m / sec. sec.
[0075]
Next, using the sound speed of the ultrasonic waves in each of these layers, the traveling direction angle is φ_jWhen (j = 1, 2,..., 6), the time required for the ultrasonic wave to propagate through each layer (propagation time in each layer) was determined. The propagation time in each such layer is shown in FIG. After that, each traveling direction angle φ_jThe (total) propagation time of the ultrasonic wave generated at (j = 1, 2,..., 6) and the horizontal distance between the generation position and the detection position were determined. As shown in FIG. 11, the traveling direction angle is φ₁, The ultrasonic wave propagation time is 1.083 × 10^-5sec, the horizontal distance between the occurrence position and the detection position is 1.5280 × 10^-2m. The traveling direction angle is φ₂, The propagation time of the ultrasonic wave is 1.111 × 10^-5sec, the horizontal distance between the occurrence position and the detection position is 2.0704 × 10^-2m. The traveling direction angle is φ₃, The propagation time of the ultrasonic wave is 1.147 × 10^-5sec, the horizontal distance between the occurrence position and the detection position is 2.6433 × 10^-2m. The traveling direction angle is φ₄, The propagation time of the ultrasonic wave is 1.194 × 10^-5sec, the horizontal distance between the occurrence position and the detection position is 3.2577 × 10^-2m. The traveling direction angle is φ₅, The propagation time of the ultrasonic wave is 1.254 × 10^-5sec, the horizontal distance between the occurrence position and the detection position is 3.9269 × 10^-2m. The traveling direction angle is φ₆, The propagation time of the ultrasonic wave is 1.329 × 10^-5sec, the horizontal distance between the occurrence position and the detection position is 4.6682 × 10^-2m.
[0076]
Thus, based on the assumed internal temperature, each traveling direction angle φ_j(J = 1, 2,..., 6), the data of the propagation time of the ultrasonic wave and the data of the horizontal distance between the generation position and the detection position are obtained, and then the propagation of these ultrasonic waves is performed. The time data and the horizontal distance data were input to the computer 70 as measured values. Then, the computer 70 calculated the sound speed of the ultrasonic wave in each layer using dedicated nonlinear regression software. In this verification, as the nonlinear regression software used in the computer 70, software created using the above-described Levenberg-Marquardt algorithm module was used. Here, the traveling direction angle when generating ultrasonic waves is φ_jWhen (j = 1, 2,..., ６, 6), the FITTING evaluation expression for regression calculation is
Δj = ｛(x_jCAL-X_jMES) / X_jINIT｝²+ ｛(T_jCAL-T_jMES) / T_jINIT｝²And The subscript “CAL” indicates a calculated value in the regression calculation. The subscript “MES” indicates the input measurement value, and the subscript “INIT” indicates an initial value (provisional estimated value) in the regression calculation.
[0077]
As a result of the calculation, the sound speed of the ultrasonic wave in the first layer is 6.00097 × 10³m / sec, and the sound velocity of the ultrasonic wave in the second layer is 5.8225 × 10³m / sec, the acoustic velocity of the ultrasonic wave in the third layer is 5.5441 × 10³m / sec, the sound velocity of the ultrasonic wave in the fourth layer is 5.6373 × 10³m / sec, and the sound speed of the ultrasonic wave in the fifth layer is 5.2625 × 10³m / sec, the sound velocity of the ultrasonic wave in the sixth layer was 6.0967 × 10³m / sec was obtained.
[0078]
Comparing the sound speed of the ultrasonic wave (calculated sound speed value) in each layer obtained by this calculation with the sound speed of the ultrasonic wave (assumed sound speed value) in each layer first obtained in FIG. 11, the calculated sound speed value and the assumed sound speed value in each layer Is about 1%. Therefore, by using the residual stress distribution measuring device of the present embodiment, the sound speed of the ultrasonic waves in each layer, that is, the residual stress can be obtained with sufficient accuracy.
[0079]
In the residual stress distribution measuring apparatus of the present embodiment, by using a laser ultrasonic method and an interference fringe scanning method, an ultrasonic wave which travels obliquely with respect to the surface is generated inside the object to be measured, and longitudinal waves, rolling With respect to each ultrasonic wave of the directional displacement transverse wave and the width direction displacement transverse wave, a propagation time when the ultrasonic wave is generated in each of a plurality of traveling directions is obtained. Further, the horizontal distance between the position where the ultrasonic wave is generated in each traveling direction and the position where the ultrasonic wave is detected is determined. Then, for each ultrasonic wave, based on the plurality of obtained propagation times and horizontal distances, after calculating the sound speed in each layer of the measurement object pre-divided along the thickness direction, the sound speed of the longitudinal wave in each layer is calculated. The internal temperature of each layer is obtained based on the sound velocity of each layer for each ultrasonic wave, and the residual stress of each layer is calculated based on the internal temperature of each layer. Therefore, the residual stress distribution of the measurement object can be directly obtained by using the residual stress distribution measuring device of the present embodiment. In particular, since the laser ultrasonic method and the interference fringe scanning method are used, the residual stress distribution of the measurement object can be obtained online hot.
[0080]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist.
[0081]
In the above embodiment, the case where the internal temperature of the measurement target is determined based on the sound velocity of the longitudinal wave has been described. However, the internal temperature of the measurement target may be determined based on the sound velocity of the shear wave. In this case, it is necessary to build in the computer a database of the correspondence between the internal temperature and the sound speed of the shear wave for various steel materials.
[0082]
Further, in the above embodiment, the case where the measurement target is divided into four layers along the thickness direction and the internal temperature of each layer is measured has been described. And the internal temperature and residual stress of each layer may be measured. In particular, as the number of layers to be divided increases, the accuracy of measuring the temperature distribution and the residual stress distribution inside the object to be measured improves. For this reason, it is necessary to determine the number of layers that divide the measurement object in consideration of the measurement accuracy.
[0083]
Further, in the above-described embodiment, the case where two sets of the ultrasonic generator, the beam acquisition unit, the Fabry-Perot interferometer, and the photodetector are provided is described. However, only one set of these components may be provided. Good. In this case, the propagation time for each of the ultrasonic waves of the longitudinal wave, the transverse wave in the rolling direction, and the transverse wave in the width direction is individually measured. Alternatively, three sets of such components may be provided. Thereby, the propagation time of each ultrasonic wave can be measured at once.
[0084]
Furthermore, in the above embodiment, the case where a thick plate manufactured by a hot process is used as the measurement target has been described, but the residual stress distribution measuring device of the present invention is not limited to any object other than such a thick plate. It can also be applied to
[0085]
Further, in the above embodiment, the ultrasonic wave is generated inside the object to be measured by using a laser ultrasonic method, and the ultrasonic wave is generated, and is reflected on the bottom surface of the object to be returned to the surface again. Although the case where the detected ultrasonic wave is detected has been described, for example, it is also possible to generate and detect the ultrasonic wave using a probe. FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a residual stress distribution measuring device according to a modification of the present invention.
[0086]
The residual stress distribution measuring device shown in FIG. 12 includes a first probe 110, a second probe 120, a flaw detector 130, and a computer 140. The first probe 110 generates an ultrasonic wave that travels obliquely with respect to the surface of the object 2 to be measured. Here, the first probe 110 generates a longitudinal ultrasonic wave, a transverse ultrasonic wave displaced in the longitudinal direction of the measuring object 2, and a lateral ultrasonic wave displaced in the transverse direction of the measuring object 2. Let it. The second probe 120 receives, for each of the ultrasonic waves generated by the first probe 110, the ultrasonic waves reflected on the bottom surface of the measurement target 2 and returned to the surface again, and This is for detecting ultrasonic waveform data. Each of the first probe 110 and the second probe 120 can move on the surface of the measurement target 2. The movement of the two probes 110 and 120 is controlled by the computer 140. The position information of each of the probes 110 and 120 is recognized by the computer 140, and the computer 140 can know the ultrasonic generation position and the ultrasonic detection position based on the position information of each of the probes 110 and 120. The first probe 110 corresponds to “ultrasonic wave generating means” in the invention described in claim 8, and the second probe 120 corresponds to “ultrasonic wave detecting means” in the invention described in claim 8. I do.
[0087]
The flaw detector 130 includes an occurrence control unit 131, a data processing unit 132, a storage unit 133, and a waveform display unit 134. The generation control unit 131 controls generation of ultrasonic waves by the first probe 110. Specifically, it controls the timing of the generation of ultrasonic waves and the energy and waveform of the generated ultrasonic waves. The data processing unit 132 amplifies the ultrasonic waveform data detected by the second probe 120 and removes noise. The waveform data processed by the data processing unit 132 is stored in the storage unit 133. The waveform display unit 134 displays waveform data.
[0088]
It should be noted that commercially available probes 110 and 120 and flaw detector 130 can be used.
[0089]
The computer 140 has the same function as the computer 70 in the above embodiment, and corresponds to the “distance calculating means” and the “calculating means” in the invention described in claim 8. Also in this modification, the measurement object 2 is divided into a plurality of layers along the thickness direction. Then, for each of the ultrasonic waves of the longitudinal wave, the displacement wave in the longitudinal width direction, and the transverse wave in the width direction, the traveling direction angle of the ultrasonic wave in the first layer of the measurement object 2 is equal to the number of layers of the measurement object 2. It is set in advance. Each time the first probe 110 generates the ultrasonic wave at each traveling direction angle for each ultrasonic wave, the computer 140 calculates the propagation time of the ultrasonic wave generated at the traveling direction angle and calculates the traveling direction of the ultrasonic wave. The horizontal distance between the position where the ultrasonic wave generated at the angle is generated and the detected position is determined. Thereafter, the computer 140 calculates, for each ultrasonic wave, the propagation time of the ultrasonic wave generated at each traveling direction angle, the horizontal distance between the generated position and the detected position of the ultrasonic wave generated at each traveling direction angle, and , The sound speed of the ultrasonic wave in each layer of the measurement object 2 is calculated. Further, the computer 140 obtains the internal temperature in each layer of the measurement object 2 based on the calculated sound speed of the longitudinal wave in each layer, and calculates the residual stress in each layer based on the sound speed of each ultrasonic wave in each layer and the internal temperature of each layer. calculate.
[0090]
In the residual stress distribution measuring device according to the modified example, the method of calculating the traveling direction angle of the ultrasonic wave in the first layer is different from that in the above embodiment. That is, the ultrasonic waves generated from the first probe 110 are refracted at the interface between the first probe 110 and the measurement target 2 and enter the measurement target 2. At this time, the traveling direction angle of the ultrasonic wave in the first layer (the refraction angle at the boundary surface) includes the incident angle of the ultrasonic wave to the boundary surface, the sound speed of the ultrasonic wave propagating outside the measurement object 2, and the measurement object. Calculated from Snell's law using the sound speed of the ultrasonic wave propagating in the surface layer of No. 2. Here, the sound speed of the ultrasonic wave propagating through the surface layer of the measurement target 2 can be determined from the measured surface temperature of the measurement target 2.
[0091]
Even in the residual stress distribution measuring device of such a modified example, the residual stress distribution of the object to be measured can be directly measured similarly to the residual stress distribution measuring device in the above embodiment. However, since ultrasonic waves are generated and detected using the probe, the residual stress distribution measuring device of the modified example is not suitable for use in measuring the residual stress distribution of the object to be measured online hot.
[0092]
【The invention's effect】
As described above, in the residual stress distribution measuring device of the present invention, an ultrasonic wave that travels obliquely to the surface of the object to be measured is generated inside the object to be measured, and the longitudinal wave, the longitudinal displacement transverse wave, and the transverse displacement transverse wave are generated. For each ultrasonic wave, a propagation time when the ultrasonic wave is generated in each of a plurality of traveling directions is obtained. Further, the distance between the position where the ultrasonic wave is generated in each traveling direction and the detection position is obtained. Then, for each ultrasonic wave, after calculating the sound velocity in each layer of the measurement object pre-divided along the thickness direction based on the distance between the obtained plurality of propagation times and the occurrence position and the detection position, The internal temperature of each layer is obtained based on the sound speed of each layer for one ultrasonic wave, and the residual stress of each layer is calculated based on the sound speed of each layer and the internal temperature of each layer for each ultrasonic wave. Therefore, the residual stress distribution of the measurement object can be directly obtained by using the residual stress distribution measuring device of the present invention. In particular, by using the laser ultrasonic method and the interference fringe scanning method, the residual stress distribution of the object to be measured can be obtained online hot.
[0093]
Further, according to the residual stress distribution measuring method of the present invention, the residual stress distribution of the object to be measured can be directly obtained in the same manner as described above. In particular, by using the laser ultrasonic method and the interference fringe scanning method, the residual stress distribution of the object to be measured can be obtained online hot.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a residual stress distribution measuring device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between an internal temperature and a longitudinal wave velocity for a steel material.
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the interference fringe scanning method.
FIG. 4 is a diagram for explaining a specific configuration of each ultrasonic generator in the residual stress distribution measuring device of the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a setting value of an incident angle θ of a laser beam when controlling a traveling direction angle φ when a longitudinal wave is generated.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a beam interval and a longitudinal wave detection candidate position.
FIG. 7 is a diagram showing an example of a resonance curve of a Fabry-Perot interferometer in the residual stress distribution measuring device of the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the sound speed of an ultrasonic wave in each layer of a measurement object.
FIG. 9 is a diagram for explaining a method of calculating a sound speed of an ultrasonic wave in each layer of a measurement object.
FIG. 10 is a flowchart for explaining a procedure for measuring a residual stress distribution of a measurement object in the residual stress distribution measuring device of the present embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of various data created when verifying a method of calculating the sound speed of an ultrasonic wave in each layer.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a residual stress distribution measuring device according to a modification of the present invention.
[Explanation of symbols]
2) Object to be measured
Laser for generating 10 ° ultrasonic waves
20a @ first ultrasonic generator
20b @ second ultrasonic generator
21 ° beam splitter
22, 24 mirror
23 acousto-optic device
30 ° ultrasonic detection laser
40a @ First beam acquisition unit
40b @ second beam acquisition unit
41, 42 condenser lens
43 half mirror
50a @ 1st Fabry-Perot interferometer
50b II second Fabry-Perot interferometer
51, 52 reflection mirror
60a @ First photodetector
60b @ 2nd photodetector
70 computer
81,82 beam splitter
84mm mirror
86, 87, 88, 89 condenser lens
91, 92, 93, 94 optical fiber
110 ° first probe
120 ° second probe
130 flaw detector
131 generation control unit
132 Data processing unit
133 storage unit
134 ° waveform display
140 computer

Claims

A residual stress distribution measurement device that divides a plate-shaped measurement target into a plurality of layers along its thickness direction, and measures a residual stress of each layer at a predetermined position on a surface of the measurement target,
By irradiating the first laser beam and the second laser beam having different frequencies to the same position (ultrasonic generation position) of the measurement object at a predetermined incident angle, the first laser beam and the second laser beam Causes an ultrasonic wave that travels obliquely to the surface of the measurement object, inside the measurement object, and is movable along a plane parallel to the surface of the measurement object. Constituted ultrasonic generating means,
For each of the longitudinal ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generating means, the transverse ultrasonic wave displaced in the vertical width direction of the measurement object, and the transverse ultrasonic wave displaced in the horizontal width direction of the measurement object, A third laser beam is guided to a position (ultrasonic detection position) where the sound wave is reflected on the bottom surface of the measurement object and returns to the surface again, and the third laser beam reflected on the surface of the measurement object is obtained. Beam acquisition means configured to be movable along a plane parallel to the surface of the measurement object,
Distance calculation means for obtaining a distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic wave detection position for the ultrasonic wave based on the position information of the ultrasonic wave generation means and the position information of the beam acquisition means,
Based on the third laser beam acquired by the beam acquisition unit, a frequency change detection unit that detects a change in the frequency of the third laser beam caused by the vibration of the ultrasonic wave,
An arithmetic unit for calculating a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the measurement target based on waveform data representing a frequency change of the third laser beam detected by the frequency change detection unit,
The traveling direction at the time of generation of each of the ultrasonic waves is set in advance by the same number as the number of the layers, and the distance calculating means determines that each of the ultrasonic waves is generated by the ultrasonic generation means for each of the ultrasonic waves. Each time the ultrasonic wave is generated in the direction, the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic wave detection position is obtained, and the calculating means calculates, for each ultrasonic wave, the ultrasonic wave generation means Each time the ultrasonic wave is generated, the propagation time of the ultrasonic wave generated in the traveling direction is obtained, and the propagation time of the ultrasonic wave generated in the traveling direction and the traveling direction obtained by the distance calculating means. Calculate the sound speed of the ultrasonic wave in each layer based on the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic wave detection position for the ultrasonic wave generated, and the calculated one in each layer Super A residual stress distribution measuring device, wherein the internal temperature of each layer is obtained based on the sound velocity of a wave, and the residual stress of each layer is calculated based on the sound velocity of each ultrasonic wave and the internal temperature of each layer in each layer. .

The first laser beam and the second laser beam are obtained by branching a single laser beam generated from one laser device into two, and causing one of the branched laser beams to enter the acousto-optic element. The residual stress distribution measuring device according to claim 1, which is obtained.

The ultrasonic wave generating means controls a traveling direction at the time of generation of each ultrasonic wave by adjusting an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam. The residual stress distribution measuring device according to claim 1.

4. The residual stress distribution measuring device according to claim 1, wherein two sets of said ultrasonic wave generating means, said beam obtaining means and said frequency detecting means are provided.

A residual stress distribution measurement method for dividing a plate-shaped measurement target into a plurality of layers along a thickness direction thereof, and measuring a residual stress of each layer at a predetermined position on a surface of the measurement target,
By irradiating the first laser beam and the second laser beam having different frequencies to the same position (ultrasonic generation position) of the measurement object at a predetermined incident angle, the first laser beam and the second laser beam The first step of generating ultrasonic waves that travel obliquely with respect to the surface of the measurement object, inside the measurement object,
The third laser beam is guided to a position (ultrasonic detection position) where the ultrasonic wave is reflected on the bottom surface of the measurement object and returns to the surface again, and the third laser reflected on the surface of the measurement object. A second step of obtaining a beam;
A third step of determining the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave,
Based on the third laser beam obtained in the second step, based on the vibration of the ultrasonic wave, a fourth step of detecting a change in the frequency of the third laser beam,
A fifth step of determining a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the measurement target based on waveform data representing a frequency change of the third laser beam detected in the fourth step,
For each of the longitudinal ultrasonic wave generated in the first step, the transverse ultrasonic wave displaced in the vertical width direction of the measurement object, and the transverse ultrasonic wave displaced in the horizontal width direction of the measurement object, The traveling direction is set in advance by the same number as the number of the layers, the ultrasonic waves are sequentially generated in the set traveling directions, and the first to fifth steps are repeated. For each ultrasonic wave, the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave generated in each traveling direction and the propagation time of the ultrasonic wave generated in each traveling direction. The sixth step to seek,
For each ultrasonic wave, based on the propagation time of the ultrasonic wave generated in each traveling direction and the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave generated in each traveling direction. A seventh step of calculating the sound speed of the ultrasonic wave in each of the layers,
An eighth step of determining the internal temperature of each layer based on the sound speed of the one ultrasonic wave in each layer calculated in the seventh step,
A ninth step of calculating the residual stress of each layer based on the speed of sound of each ultrasonic wave in each layer and the internal temperature of each layer,
A method for measuring a residual stress distribution, comprising:

The first laser beam and the second laser beam are obtained by branching a single laser beam generated from one laser device into two, and causing one of the branched laser beams to enter the acousto-optic element. The residual stress distribution measuring method according to claim 5, which is obtained.

In the first step, by adjusting the incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam, to control the traveling direction at the time of the generation of each ultrasonic wave. The residual stress distribution measuring method according to claim 5 or 6, wherein

A residual stress distribution measurement device that divides a plate-shaped measurement target into a plurality of layers along its thickness direction, and measures a residual stress of each layer at a predetermined position on a surface of the measurement target,
At a predetermined position (ultrasonic generation position) on the surface of the measurement object, an ultrasonic wave that proceeds obliquely with respect to the surface of the measurement object is generated inside the measurement object, and Ultrasonic wave generation means configured to be movable along a plane parallel to the surface,
For each of the longitudinal ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generating means, the transverse ultrasonic wave displaced in the vertical width direction of the measurement object, and the transverse ultrasonic wave displaced in the horizontal width direction of the measurement object, The ultrasonic wave is detected at a position (ultrasonic detection position) where the sound wave is reflected on the bottom surface of the measurement object and returns to the surface again, and is movable along a plane parallel to the surface of the measurement object. Configured ultrasound detection means,
Based on the position information of the ultrasonic wave generating means and the position information of the ultrasonic wave detecting means, distance calculating means for calculating the distance between the ultrasonic wave generating position and the ultrasonic wave detecting position for the ultrasonic wave,
Calculating means for calculating a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the object to be measured, based on waveform data of the ultrasonic wave obtained by the ultrasonic detecting means,
The traveling direction at the time of generation of each of the ultrasonic waves is set in advance by the same number as the number of the layers, and the distance calculating means determines that each of the ultrasonic waves is generated by the ultrasonic generation means for each of the ultrasonic waves. Each time the ultrasonic wave is generated in the direction, the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic wave detection position is obtained, and the calculating means calculates, for each ultrasonic wave, the ultrasonic wave generation means Each time the ultrasonic wave is generated, the propagation time of the ultrasonic wave generated in the traveling direction is obtained, and the propagation time of the ultrasonic wave generated in the traveling direction and the traveling direction obtained by the distance calculating means. Calculate the sound speed of the ultrasonic wave in each layer based on the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic wave detection position for the ultrasonic wave generated, and the calculated one in each layer Super A residual stress distribution measuring device, wherein the internal temperature of each layer is obtained based on the sound velocity of a wave, and the residual stress of each layer is calculated based on the sound velocity of each ultrasonic wave and the internal temperature of each layer in each layer. .

9. The residual stress distribution measuring apparatus according to claim 8, wherein a probe is used as each of the ultrasonic wave generating means and the ultrasonic wave detecting means.

A residual stress distribution measurement method for dividing a plate-shaped measurement target into a plurality of layers along a thickness direction thereof, and measuring a residual stress of each layer at a predetermined position on a surface of the measurement target,
At a predetermined position (ultrasonic generation position) on the surface of the measurement object, a first step of generating an ultrasonic wave that proceeds obliquely with respect to the surface of the measurement object inside the measurement object;
A second step of detecting the ultrasonic wave at a position (ultrasonic detection position) where the ultrasonic wave is reflected on the bottom surface of the measurement object and returns to the surface again,
A third step of determining the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave,
A fourth step of determining the propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the measurement target based on the waveform data of the ultrasonic wave obtained by detecting the second step,
For each of the longitudinal ultrasonic wave generated in the first step, the transverse ultrasonic wave displaced in the vertical width direction of the measurement object, and the transverse ultrasonic wave displaced in the horizontal width direction of the measurement object, The traveling direction is set in advance by the same number as the number of the layers, the ultrasonic waves are sequentially generated in the set traveling directions, and the first to fourth steps are repeated. For each ultrasonic wave, the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions and the propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions. A fifth step for
For each ultrasonic wave, based on the propagation time of the ultrasonic wave generated in each traveling direction and the distance between the ultrasonic wave generation position and the ultrasonic detection position for the ultrasonic wave generated in each traveling direction. A sixth step of calculating the sound speed of the ultrasonic wave in each of the layers,
A seventh step of determining the internal temperature of each layer based on the sound speed of the one ultrasonic wave in each layer calculated in the sixth step,
Eighth step of calculating the residual stress of each layer based on the sound speed of each ultrasonic wave in each layer and the internal temperature of each layer,
A method for measuring a residual stress distribution, comprising:

The residual stress distribution measuring method according to claim 10, wherein in the first step, an ultrasonic wave is generated using a probe, and in the second step, the ultrasonic wave is detected using a probe.