JP2008076387A - Ultrasonic stress measuring method and instrument - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、材料劣化診断等の技術に用いる超音波式応力測定方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic stress measurement method and apparatus used for techniques such as material deterioration diagnosis.
原子力発電所の予防保全技術として、材料劣化診断装置の役割が重要となってきている。これは、炉内構造物や配管における疲労亀裂や応力腐食割れの防止対策として、これらの発生原因の一つである残留応力を測定し、応力改善を行うというニーズが高くなっているためである。 As a preventive maintenance technology for nuclear power plants, the role of material degradation diagnostic equipment has become important. This is because there is a growing need to improve the stress by measuring the residual stress, which is one of these causes, as a measure to prevent fatigue cracks and stress corrosion cracks in furnace structures and piping. .
残留応力測定手段として最も簡易なものは歪ゲージである。しかし、歪ゲージは、測定対象の構造物から一部を試験片として切り出す必要があり、現場での残留応力測定に用いるのは困難である。 The simplest residual stress measuring means is a strain gauge. However, a strain gauge needs to be cut out as a test piece from a structure to be measured, and is difficult to use for on-site residual stress measurement.
そのため、試験片を切り出す必要のない残留応力測定手段として、X線回折技術を用いたX線応力測定装置を使用することが考えられる。このX線応力測定装置は、被検査体表面でのブラッグ回折を利用して残留応力値を算出するものである。しかし、X線応力測定装置は、X線を使用するため、原子力発電所のような放射線環境下ではバックグラウンドノイズが多くなり、正確な残留応力測定を行うのに充分な信号を得ることができないという欠点がある。 For this reason, it is conceivable to use an X-ray stress measurement apparatus using an X-ray diffraction technique as a residual stress measurement means that does not require cutting out a test piece. This X-ray stress measurement apparatus calculates a residual stress value by using Bragg diffraction on the surface of an object to be inspected. However, since the X-ray stress measurement apparatus uses X-rays, the background noise increases in a radiation environment such as a nuclear power plant, and a signal sufficient for accurate residual stress measurement cannot be obtained. There is a drawback.
これに対し、超音波式応力測定装置は、超音波センサを測定対象である被検査体表面に当てるだけで応力を測定できるので、構造物から被検査体となる試料を切り出す必要がない。また、原子力発電所のような放射線環境下であっても、超音波信号を使用するのでバックグラウンドノイズが少なく、応力測定が容易である。 On the other hand, since the ultrasonic stress measuring apparatus can measure the stress only by applying the ultrasonic sensor to the surface of the object to be inspected, it is not necessary to cut out the sample to be inspected from the structure. Even in a radiation environment such as a nuclear power plant, ultrasonic signals are used, so background noise is small and stress measurement is easy.
このような理由により、従来から多くの超音波式応力測定装置の提案がなされている。ここで、応力測定対象材料において測定すべき残留応力としては、材料中の残留応力よりも材料表面での残留応力が重要である。これは、応力腐食割れの原因の一つが材料表面の引張り応力であることによる。 For these reasons, many ultrasonic stress measuring devices have been proposed. Here, as the residual stress to be measured in the stress measurement target material, the residual stress on the material surface is more important than the residual stress in the material. This is because one of the causes of stress corrosion cracking is the tensile stress on the material surface.
材料表面での残留応力測定に関して、非特許文献1には、弾性表面波を使用した音弾性則が示されている。これは、次のようなものである。
Regarding the residual stress measurement on the material surface, Non-Patent
すなわち、鋼材の圧延方向をX軸、圧延方向に直交する方向をY軸としたとき、X軸と角度θ(度)をなす方向に伝搬する弾性表面波の音速度VR(θ)と応力との関係は次のように記述される。
しかし、非特許文献1に係る方法では、表面組織音響異方性の定数αR(0)が不明であるため、応力値に対する弾性表面波音速度の変化の割合は測定できても、残留応力値(σ)そのものを測定することはできない。従って、残留応力を測定しようとする場合には、表面組織音響異方性の定数を求めることが必要不可欠となる。
However, in the method according to Non-Patent
非特許文献2(JIS Z 3060:2002)、及びこれに準拠した特許文献1に係る公報には、音響異方性を考慮した探傷角度範囲の定めについての記述がある。すなわち、試験片の音速度(V)とJIS規格標準試験片の音速度(VSTB)との比(V/VSTB)を測定し、これをSTB音速比と定義する。そして、試験片の板厚及びSTB音速比に応じて、探傷に使用する屈折角度の範囲を決めている。
Non-Patent Document 2 (JIS Z 3060: 2002) and a gazette according to
しかし、非特許文献2及び特許文献1に定められているのは、試験体内部に縦波と横波を伝搬させる場合の規定であり、材料表面の残留応力値を算出するために必要な弾性表面波の表面組織音響異方性については規定されていない。
However, the
一方、材料の製造方法の分野では、音響異方性を低減する方法の提案がなされている。これは、斜角超音波探傷をする場合に、材料の音速度は音響異方性によって変化し、所定の屈折角度が得られず、欠陥の位置決め精度が低下するためである。 On the other hand, in the field of material manufacturing methods, methods for reducing acoustic anisotropy have been proposed. This is because when oblique ultrasonic flaw detection is performed, the sound velocity of the material changes due to acoustic anisotropy, and a predetermined refraction angle cannot be obtained, so that the defect positioning accuracy is lowered.
このような音響異方性を低減させる材料の製造方法の最近の提案として、特許文献2〜6に掲げるものがある。これらの特許文献に示されている音響異方性の測定方法は、概ね次の通りである。
すなわち、圧延鋼材の主圧延方向をL方向、主圧延方向に直角な方向をC方向とする。板厚方向に伝搬する横波には、振動方向によって2つの横波が存在するが、L方向に振動する横波の音速度をVL(m/sec)、C方向に振動する横波の音速度をVC(m/sec)とする。 That is, the main rolling direction of the rolled steel material is the L direction, and the direction perpendicular to the main rolling direction is the C direction. The transverse wave that propagates in the plate thickness direction has two transverse waves depending on the vibration direction. The sound velocity of the transverse wave that vibrates in the L direction is V L (m / sec), and the sound velocity of the transverse wave that vibrates in the C direction is V V. C (m / sec).
そして、音響異方性の定数をVL/VCで定義し、この定数が1.02以下の場合は音響異方性が小さく、一方、1.02を超えた場合には音響異方性が大きいと判定している。しかし、この方法において定義されている音響異方性の定数は、材料中を伝搬する横波のものであって、表面応力の測定に必要な表面組織音響異方性に関するものではない。 The acoustic anisotropy constant is defined as V L / V C. When this constant is 1.02 or less, the acoustic anisotropy is small, while when it exceeds 1.02, the acoustic anisotropy is determined to be large. is doing. However, the acoustic anisotropy constant defined in this method is a transverse wave propagating in the material, and is not related to the surface texture acoustic anisotropy necessary for the measurement of the surface stress.
また、特許文献7〜9には、音響異方性を測定する方法として、予め使用前の材料の特性を測定しておき、使用後の材料の特性を測定することによって材料の経年変化を推定する方法が開示されている。 In Patent Documents 7 to 9, as a method for measuring acoustic anisotropy, the characteristics of the material before use are measured in advance, and the secular change of the material is estimated by measuring the characteristics of the material after use. A method is disclosed.
すなわち、特許文献7に係る方法では、電磁超音波探触子を使用して材料中で横波の送受信を行い、振動方向が直交する2つの横波の音速度VL,VCを測定し、これらの音速比から音響異方性を算出する。そして、この音速比の変化を材料の経年変化として評価している。 That is, in the method according to Patent Document 7, to send and receive shear waves in materials using electromagnetic ultrasonic probe, sound velocity V L of the two shear wave vibration directions are orthogonal, the V C is measured, these The acoustic anisotropy is calculated from the sound speed ratio. The change in the sound speed ratio is evaluated as the secular change of the material.
特許文献8に係る方法は、SH表面波を利用して主応力差を測定するものである。そして、この主応力差の経年変化を観測して、材料の劣化を評価している。
The method according to
特許文献9に係る方法は、単に受信した超音波信号の位相差と音速度の変化をモニターし、その変化量から経年変化を評価するものである。
The method according to
このように、特許文献7〜9に係る方法は、予め使用前の材料のデータを採取しておき、ある期間使用した後に再度データを採取して両データの比較を行うことにより、材料の劣化を評価する方法である。このような方法では、使用前の材料のデータが存在していることが前提条件であり、そのようなデータが存在しない場合には適用不可能である。 As described above, the methods according to Patent Documents 7 to 9 collect material data before use in advance, collect data again after using for a certain period, and compare both data, thereby deteriorating the material. It is a method to evaluate. In such a method, it is a precondition that the data of the material before use exists, and when such data does not exist, it is not applicable.
また、特許文献7及び特許文献9に係る方法は、試験体内部を伝搬する横波の音速度を利用するものであり、材料表面の残留応力値を算出するために必要な弾性表面波の組織音響異方性については記載がない。一方、特許文献8に係る方法では、SH表面波を使用しているので、材料の組織異方性に影響されずに主応力差が測定可能であるが、弾性表面波の表面組織音響異方性に関する記載がないことは同様である。
Further, the methods according to Patent Document 7 and
非特許文献3には、表面の残留応力が少ない試験片に弾性表面波を適用して表面組織音響異方性を測定する技術が開示されている。しかし、この技術は、表面組織音響異方性を評価する場合には残留応力がないことを前提とするものである。つまり、表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在している場合に、表面組織音響異方性だけを分離して求める技術は開示されていない。
以上述べてきたように、弾性表面波を利用して材料の残留応力を測定する場合には、材料の表面組織音響異方性を求める必要があるが、通常、材料には表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在しており、表面組織音響異方性だけを分離して求める技術は存在していなかった。そのため、従来は一定レベル以上の精度で材料の残留応力を測定することができなかった。 As described above, when measuring the residual stress of a material using surface acoustic waves, it is necessary to determine the surface texture acoustic anisotropy of the material. However, there is no technique for separating and obtaining only the surface texture acoustic anisotropy. Therefore, conventionally, the residual stress of the material could not be measured with a certain level of accuracy.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在する材料から表面組織音響異方性だけを分離する技術を提供し、これにより材料の残留応力を高精度で測定することが可能な超音波式応力測定方法及び装置を実現することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a technique for separating only surface texture acoustic anisotropy from a material in which both surface texture acoustic anisotropy and stress anisotropy are mixed, thereby providing a material. It is an object of the present invention to realize an ultrasonic stress measurement method and apparatus capable of measuring the residual stress of a high accuracy.
上記課題を解決するための手段として、本発明に係る超音波応力測定方法は、応力測定対象材料の表面上に縦波超音波探触子及び横波超音波探触子を配置し、前記両探触子を前記材料の表面に沿って移動又は回転させ、前記両探触子のうちの一方の探触子に前記材料の測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせた後、一方の探触子と他方の探触子との配置を切り換え、他方の探触子に同一測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、前記横波超音波探触子については180°/N(N:2以上の整数)の回転角度毎のN回の回転を行わせ、各回転位置において発信・受信動作を行わせるようにし、前記両探触子の発信・受信動作により得られる弾性表面波の音速度データから表面組織音響異方性の定数を求め、この求めた定数に基づき応力測定対象材料の残留応力を演算する、ことを特徴とする。 As a means for solving the above-described problems, an ultrasonic stress measurement method according to the present invention includes a longitudinal wave ultrasonic probe and a transverse wave ultrasonic probe arranged on the surface of a stress measurement target material, and the two probes. After moving or rotating the probe along the surface of the material, causing one of the probes to perform transmission / reception operations of ultrasonic waves to the measurement target portion of the material, The arrangement of the other probe and the other probe is switched, and the other probe is made to perform the transmission / reception operation of the ultrasonic wave with respect to the same measurement target part. The rotation is performed N times for each rotation angle of ° / N (N: an integer of 2 or more), and transmission / reception operations are performed at each rotation position. Of surface texture acoustic anisotropy from sound velocity data of surface acoustic waves Because, it calculates the residual stress of the stress measurement target material based on the determined constants, and wherein the.
また、本発明に係る超音波応力測定装置は、応力測定対象材料の表面上に配置可能な縦波超音波探触子及び横波超音波探触子と、前記両探触子を前記材料の表面に沿って移動又は回転させることが可能な探触子駆動機構と、前記両探触子のうちの一方の探触子に前記材料の測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせた後、前記探触子駆動機構に対する前記移動の制御により一方の探触子と他方の探触子との配置を切り換え、他方の探触子に同一測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、特に、前記横波超音波探触子については180°/N(N:2以上の整数)の回転角度毎のN回の回転を行わせ、各回転位置において発信・受信動作を行わせる探触子制御手段と、前記両探触子の発信・受信動作により得られる弾性表面波の音速度データから表面組織音響異方性の定数を求め、この求めた定数に基づき応力測定対象材料の残留応力を演算する測定データ解析手段と、を備えたことを特徴とする。 The ultrasonic stress measurement apparatus according to the present invention includes a longitudinal wave ultrasonic probe and a transverse wave ultrasonic probe that can be arranged on the surface of a stress measurement target material, and the two probes on the surface of the material. And a probe driving mechanism that can be moved or rotated along with the probe, and one probe of the two probes is made to perform the transmission / reception operation of the ultrasonic wave to the measurement target portion of the material. Thereafter, the arrangement of one probe and the other probe is switched by controlling the movement with respect to the probe drive mechanism, and the other probe is operated to transmit and receive ultrasonic waves to the same measurement target part. In particular, the transverse ultrasonic probe is rotated N times for each rotation angle of 180 ° / N (N: an integer of 2 or more), and transmission / reception operations are performed at each rotation position. By the probe control means to be performed and the transmission / reception operations of the two probes. A measurement data analysis means for calculating a constant of surface tissue acoustic anisotropy from sound velocity data of the obtained surface acoustic wave, and calculating a residual stress of the stress measurement target material based on the calculated constant; To do.
本発明によれば、表面組織音響異方性及び応力異方性の双方が混在する材料から表面組織音響異方性だけを分離することが可能になる。したがって、材料の残留応力を高精度で測定することができる。 According to the present invention, it is possible to separate only the surface tissue acoustic anisotropy from the material in which both the surface tissue acoustic anisotropy and the stress anisotropy are mixed. Therefore, the residual stress of the material can be measured with high accuracy.
図1は、本発明の実施形態に係る超音波式応力測定方法を実施するために用いる装置の構成図である。厚さDを有する試験体M(応力測定対象材料)の平坦な表面には、X軸及びこれに垂直なY軸を有するXY座標平面が設定されており、このXY座標平面に垂直な方向にZ軸が設定されている。 FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus used for carrying out an ultrasonic stress measurement method according to an embodiment of the present invention. An XY coordinate plane having an X axis and a Y axis perpendicular to the X axis is set on the flat surface of the test body M (material for stress measurement) having a thickness D. In the direction perpendicular to the XY coordinate plane, The Z axis is set.
試験体Mの表面には縦波超音波探触子1の一端側が縦波用接触媒質2を介して配置されており、この縦波超音波探触子1から距離dだけ離間した位置に横波超音波探触子3の一端側が横波用接触媒質4を介して配置されている。
One end of the longitudinal wave
これら縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3は探触子駆動機構5により駆動されるようになっている。すなわち、縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3の他端側は、探触子ホルダ6に支持されており、この探触子ホルダ6にスライド駆動部7及び回転駆動部8が取り付けられている。
The longitudinal wave
スライド駆動部7は、スライドドライバ9からの制御信号に基づき探触子ホルダ6をスライドさせ、縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3を試験体Mの表面に沿って水平方向に移動できるようになっている。
The slide drive unit 7 slides the
回転駆動部8は、回転ドライバ11からの制御信号に基づき探触子ホルダ6を回転させ、横波超音波探触子3を試験体Mの表面に沿って所定角度ずつ回転できるようになっている。
The
このような縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3の各スライド位置、並びに横波超音波探触子3の回転位置は、それぞれスライド位置検出器10及び回転位置検出器12により探触子制御手段13に出力されるようになっている。そして、探触子制御手段13は、これらのスライド位置データ及び回転位置データを測定データ解析手段16に出力するようになっている。
Such slide positions of the longitudinal wave
縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3は、探触子切換器14を介して超音波発信・受信回路15に接続されている。この探触子切換器14の接点14aは、端子a,bとの接触位置が探触子制御手段13により切り換えられるようになっている。そして、超音波発信・受信回路15は、探触子制御手段13からの超音波発信指令に基づき、縦波超音波探触子1又は横波超音波探触子3に発射パルスPeの発信動作を行わせると共に、反射パルスPrの受信動作を行わせ、そのエコーデータを測定データ解析手段16に出力するようになっている。
The longitudinal
次に、図1において、測定データ解析手段16が各種データを収集するまでの各構成要素の動作を図2のフローチャートに基づき説明する。 Next, in FIG. 1, the operation of each component until the measurement data analysis means 16 collects various data will be described based on the flowchart of FIG.
探触子制御手段13は、スライドドライバ9を介してスライド駆動部7にスライド指令を出力する。これによりスライド駆動部7は、縦波超音波探触子1が試験体M表面の測定対象部位に位置するように探触子ホルダ6をスライドさせる(ステップ1)。スライド位置検出器10は、このときのXY座標平面上におけるスライド位置データを検出して探触子制御手段13に出力する。探触子制御手段13は、この入力したスライド位置データをそのまま測定データ解析手段16に出力する。
The probe control means 13 outputs a slide command to the slide drive unit 7 via the
そして、探触子制御手段13は、探触子切換器14の接点14aを端子a側に位置させた後、超音波発信・受信回路15に対して超音波発信・受信指令を出力する(ステップ2)。これにより、縦波超音波探触子1は、発射パルスPeを試験体Mの内部に向けて発射し、更に、試験体Mの底部で反射された反射パルスPrの信号を探触子切換器14を介して超音波発信・受信回路15に出力する。超音波発信・受信回路15は、この入力した反射パルスPrの信号をエコーデータとして測定データ解析手段16に出力する
次いで、探触子制御手段13は、スライドドライバ9を介してスライド駆動部7にスライド指令を出力し、探触子ホルダ6を距離dだけ試験体Mの表面に沿って水平方向にスライドさせる(ステップ3)。つまり、縦波超音波探触子1が超音波を発射した場所である同一測定対象部位に、今度は横波超音波探触子3を位置させるようにする。このときスライド位置検出器10により検出されたスライド位置データは、探触子制御手段13を介して測定データ解析手段16に出力される。
Then, the probe control means 13 positions the
探触子制御手段13は、更に、回転ドライバ11を介して回転駆動部8に回転指令を出力する。これにより、回転駆動部8は、横波超音波探触子3の超音波進行方向がX軸方向となるように探触子ホルダ6を回転させる(ステップ4)。このとき回転位置検出器12により検出された回転位置データは、探触子制御手段13を介して測定データ解析手段16に出力される。
The probe control means 13 further outputs a rotation command to the
そして、探触子制御手段13は、探触子切換器14の接点14aを端子b側に切り換えた後、超音波発信・受信回路15に対して超音波発信・受信指令を出力する(ステップ5)。これにより、横波超音波探触子3は、X軸方向に沿って発射パルスPeを発射し、更に、反射パルスPrの信号を探触子切換器14を介して超音波発信・受信回路15に出力する。超音波発信・受信回路15は、この入力した反射パルスPrの信号をエコーデータとして測定データ解析手段16に出力する。
Then, the probe control means 13 switches the
このように、横波超音波探触子3が超音波進行方向をX軸方向とする発信・受信動作を行った後、探触子制御手段13は、再度、回転ドライバ11を介して回転駆動部8に回転指令を出力する。これにより、回転駆動部8は、横波超音波探触子3の超音波進行方向がX軸方向から180°/Nだけ回転した方向となるように探触子ホルダ6を回転させる(ステップ6)。このとき回転位置検出器12により検出された回転位置データは、探触子制御手段13を介して測定データ解析手段16に出力される。ここで、上記のNの値は2以上の整数であるものとし、例えば15°ずつ横波超音波探触子3を回転させるのであればN=12となる。
Thus, after the transverse wave
そして、探触子制御手段13は、探触子切換器14の接点14aを端子b側に維持した状態で、超音波発信・受信回路15に対して超音波発信・受信指令を出力する(ステップ7)。これにより、横波超音波探触子3は、X軸方向から180°/Nだけ回転した方向に沿って発射パルスPeを発射し、更に、反射パルスPrの信号を探触子切換器14を介して超音波発信・受信回路15に出力する。超音波発信・受信回路15は、この入力した反射パルスPrの信号をエコーデータとして測定データ解析手段16に出力する。
Then, the probe control means 13 outputs an ultrasonic wave transmission / reception command to the ultrasonic wave transmission /
超音波進行方向がX軸方向から180°/Nだけ回転した方向となる位置で横波超音波探触子3が発信・受信動作を行った後、探触子制御手段13は、横波超音波探触子3がN回の発信・受信動作を終了したか否かを判別する(ステップ8)。
After the transverse wave
未だN回の発信・受信動作を終了していなければステップ6に戻り、探触子制御手段13は、横波超音波探触子3が前回の超音波発射位置よりも更に180°/Nだけ回転した位置となるように、つまり、横波超音波探触子3の超音波進行方向がX軸方向から(180°/N)・2だけ回転した方向となるように探触子ホルダ6を回転させる(ステップ6)。そして、探触子制御手段13は、その後同様にして、探触子切換器14の接点14aを端子b側に維持した状態で、超音波発信・受信回路15に対して超音波発信・受信指令を出力する(ステップ7)。
If N transmission / reception operations have not been completed yet, the process returns to step 6 and the probe control means 13 rotates the transverse wave
一方、既にN回の発信・受信動作を終了しているのであれば、その時点で探触子制御手段13は全ての処理を終了する。なお、上記の説明では縦波超音波探触子1の発信・受信動作の後に、横波超音波探触子3が発信・受信動作を行う場合につき説明したが、両探触子の発信・受信動作の順序は逆であってもよい。
On the other hand, if N transmission / reception operations have already been completed, the probe control means 13 ends all processing at that time. In the above description, the case where the transverse wave
上記のような縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3に対する探触子制御手段13の制御により、エコーデータ、回転位置データ、スライド位置データ等の各種測定データが測定データ解析手段16に収集される。そこで次に、このような測定データに対する測定データ解析手段16の解析処理につき説明する。
Various measurement data such as echo data, rotational position data, slide position data, etc. are analyzed by the control of the probe control means 13 for the longitudinal wave
図3(a)は、測定データ解析手段16に収集された縦波超音波探触子1からのエコーデータの波形図である。この図に示すように、縦波超音波探触子1からのエコーデータは、一定の時間間隔を有する多重エコー(L1,L2,…,L6,…)により構成されており、この時間間隔は試験体Mの板厚D(m)によって決まるものである。
FIG. 3A is a waveform diagram of echo data from the longitudinal wave
ここで、L1エコーとL2エコーとの時間間隔をτL(sec)とすれば、この時間間隔τLは試験体Mの板厚D(m)を往復する時間なので、試験体M中の縦波の音速度CL(m/sec)は、下記の(3)式により計算される。
ここで、τLの測定には種々の方法が提案されている。比較的時間の測定精度が良く、容易に実現できる手法として、シングアラウンド法、エコーオーバーラップ法などを挙げることができる。これらの手法についての詳細は参考文献(1)に開示されている(参考文献は末尾の段落に記載)。 Here, various methods have been proposed for measuring τ L. Examples of methods that can be easily realized with relatively good time measurement accuracy include a single-around method and an echo overlap method. Details on these techniques are disclosed in reference (1) (references are given in the last paragraph).
シングアラウンド法はN個の超音波パルス(L1,L2,…,LN)の全体の時間間隔T(sec)を測定しておき、L1エコーとL2エコーとの間の時間間隔を次の(4)式によって算出する手法である。この手法によれば、多くの多重エコーを使用することで、その分τLの測定精度を向上させることができる。
エコーオーバーラップ法は、オシロスコープ等の遅延掃引機能を使用して時間間隔を測定する手法である。具体的手順としては、L1エコーを順次遅延させ、L2エコーと重なるように遅延時間を変えていくようにする。L1エコーとL2エコーが全く重なった時の遅延時間を読み取ってτLとする。 The echo overlap method is a method of measuring a time interval using a delayed sweep function such as an oscilloscope. As a specific procedure, L1 echoes are sequentially delayed, and the delay time is changed so as to overlap the L2 echoes. Reads the delay time when L1 echo and L2 echo overlap exactly and tau L.
測定データ解析手段16は、このようにして求めた時間間隔τLを(3)式に代入して縦波音速度CLを求め、これを記憶する。なお、本発明では、時間間隔τLの測定方法については、測定精度の良い時間測定方法であれば上記以外の汎用の手法を採用することが可能である。 Measured data analyzing means 16 determines the longitudinal wave sound velocity C L by substituting thus determined and the time interval tau L in (3), and stored. In the present invention, as a method for measuring the time interval τ L , a general-purpose method other than the above can be adopted as long as the time measurement method has high measurement accuracy.
図3(b)は、測定データ解析手段16に収集された横波超音波探触子3からのエコーデータの波形図である(図2のステップ5の指令に基づき得られた波形であり、その超音波進行方向はX軸方向である)。この図に示すように、横波超音波探触子3からのエコーデータは、一定の時間間隔を有する多重エコー(S(0)1、S(0)2、S(0)3、…)により構成されている。
FIG. 3 (b) is a waveform diagram of echo data from the transverse wave
ここで、S(0)1エコーとS(0)2エコーの時間間隔をτS(0)(sec)とすれば、この時間間隔τS(0)は試験体Mの板厚D(m)を往復する時間なので、試験体M中の横波音速度VS(0)(m/sec)は、下記の(5)式により計算される。
なお、横波の音速度は縦波の音速度の約半分なので、図3(b)の時間間隔τS(0)は、図3(a)の時間間隔τLの約2倍となっている。 Since the sound speed of the transverse wave is about half that of the longitudinal wave, the time interval τ S (0) of FIG. 3B is about twice the time interval τ L of FIG. .
また、時間間隔τS(0)の測定方法については、シングアラウンド法やエコーオーバーラップ法等の手法に限定されることなく、これら以外の精度の良い汎用の測定方法を用いることが可能であることは縦波の場合と同様である。 In addition, the method for measuring the time interval τ S (0) is not limited to a technique such as a sing-around method or an echo overlap method, and it is possible to use a general-purpose measurement method with high accuracy other than these methods. This is the same as in the case of longitudinal waves.
ところで、横波超音波探触子3の超音波進行方向が180°/Nの回転角度(例えば15°)ずつ次第にX軸方向から離れていくように探触子ホルダ6を段階的に回転させ、各回転角度毎に超音波の発信・受信動作を行うと、このような一連の発信・受信動作により得られるエコーデータの波形は、試験体Mの表面組織音響異方性の影響を受けることになる。
By the way, the
図2のステップ6,7の処理により得られる、このような一連の(N−1)個の横波エコーデータ波形を考え、I番目の回転位置での発信・受信動作により得られた多重エコー間の時間間隔をτS(I)、その横波超音波の音速度をVS(I)とする。このときの横波超音波の進行方向は、X軸方向から(I×180/N)(度)傾いた方向である。
Considering such a series of (N−1) transverse wave echo data waveforms obtained by the processing of
このような一連の(N−1)個の横波エコーデータに係る音速度VS(1),VS(2),VS(3),…,VS(I),…,VS(N−1)は、(5)式と同様の下記の演算式により求めることができる。
図4は、上記のようにして得られた縦波超音波探触子1に係るエコーデータ、並びに横波超音波探触子3に係る各回転角度毎のエコーデータの時間間隔及び音速度をまとめたデータテーブルの内容を示す説明図である。測定データ解析手段16は、このようなデータテーブルの内容を自己の記憶部に記憶する。
FIG. 4 summarizes the time interval and the sound velocity of the echo data for the longitudinal wave
次に、上記のようなデータテーブルを用いて、試験体Mの表面組織音響異方性を求める方法につき説明する。 Next, a method for obtaining the surface tissue acoustic anisotropy of the specimen M using the above data table will be described.
図5は、試験体M及びこれに設定された3次元座標を示す説明図であり、(a)はX軸に直交する面P1を斜線で示した説明図、(b)はY軸に直交する面P2を斜線で示した説明図である。 5A and 5B are explanatory diagrams showing the specimen M and the three-dimensional coordinates set thereto, wherein FIG. 5A is an explanatory diagram in which the plane P1 orthogonal to the X axis is indicated by oblique lines, and FIG. 5B is orthogonal to the Y axis. It is explanatory drawing which showed the surface P2 to perform by the oblique line.
図5(a)において、面P1に作用するX軸方向の残留応力をσx(z)とすると、この面P1に外力は働いていないので、面P1における荷重の釣り合いから下記の(6)式が成立する。
ここで、σX(z)がY軸方向で一様な場合には(6)式は(7)式のように書き換えることができ、したがって(8)式が成立する。
参考文献(2)によれば、縦波音速度について次のことが分かっている。まず、引張り残留応力の場合、残留応力方向と直交する方向に伝搬する縦波音速度は増加する。逆に、圧縮残留応力の場合には、残留応力方向と直交する方向に伝搬する縦波音速度は減少する。従って、これら残留応力は(8)式で示され、残留応力の影響が相殺されているので、試験体M中を伝搬する縦波音速度は、残留応力による変化は少ないと考えることができ、平均の音速度と考えることができる。 According to the reference (2), the following is known about the longitudinal sound velocity. First, in the case of tensile residual stress, the longitudinal sound velocity that propagates in a direction orthogonal to the residual stress direction increases. Conversely, in the case of compressive residual stress, the longitudinal sound velocity that propagates in the direction orthogonal to the residual stress direction decreases. Accordingly, these residual stresses are expressed by equation (8), and the influence of the residual stresses is offset. Therefore, it can be considered that the longitudinal wave sound velocity propagating through the specimen M is less changed by the residual stress, and the average Can be thought of as the speed of sound.
また、参考文献(2)によれば、上記の縦波音速度と同様に、横波音速度についても次のことが分かっている。すなわち、横波の振動方向と応力の方向が同じ場合、圧縮応力の場合には横波音速度が増加し、引張り応力の場合には横波音速度は減少する。従って、これら残留応力は(8)式で示され、残留応力の影響が相殺されているので、試験体M中を伝搬する横波音速度は、残留応力による変化は少ないと考えることができる。つまり、縦波音速度と同様に、VS(0)もX軸方向の残留応力の影響を受けず、表面組織音響異方性のみの影響を受けると考えることができる。 Further, according to the reference (2), as with the longitudinal wave sound velocity, the following is known for the shear wave sound velocity. That is, when the vibration direction of the transverse wave and the direction of the stress are the same, the transverse wave sound velocity increases in the case of compressive stress, and the transverse wave sound velocity decreases in the case of tensile stress. Accordingly, these residual stresses are expressed by equation (8), and the influence of the residual stresses is offset. Therefore, it can be considered that the transverse wave sound velocity propagating through the specimen M is less changed by the residual stresses. That is, it can be considered that V S (0) is not affected by the residual stress in the X-axis direction, but only by the surface texture acoustic anisotropy, similarly to the longitudinal sound velocity.
Y軸方向の残留応力についても上記と同様に考えることができる。すなわち、図5(b)において、面P2に作用するY軸方向の残留応力をσY(z)とすると、この面P2に外力は働いていないので、面P2における荷重の釣り合いから下記の(9)式が成立する。
ここで、σY(z)がX軸方向で一様な場合には(9)式は(10)式のように書き換えることができ、したがって(11)式が成立する。
従って、X軸の場合と同様に、Y軸方向に振動する横波の音速度VS(I)はY軸方向の残留応力の影響を受けず、組織音響異方性のみの影響を受けた横波音速度と考えることができる。 Accordingly, as in the case of the X-axis, the sound velocity V S (I) of the transverse wave that vibrates in the Y-axis direction is not affected by the residual stress in the Y-axis direction, but is affected by only the tissue acoustic anisotropy. It can be thought of as wave speed.
それ故、これら残留応力に影響を受けにくい縦波音速度、及び横波音速度を使用して何らかの方法により、弾性表面波の音速度を算出できれば、表面組織音響異方性を定義することができる筈である。
測定データ解析手段16は、このようにして処理を行い、(12)式及び(13)式を用いて表面組織音響異方性の定数を算出することができる。 The measurement data analysis means 16 performs the process in this way, and can calculate the constant of the surface tissue acoustic anisotropy using the equations (12) and (13).
次に、第2の手法につき説明する。参考文献(3)によれば、下記の(19)式のうちの左式のように、弾性表面波の音速度VRと横波音速度VSとの比をポアソン比σで表すことができ、このポアソン比σは下記の(19)式のうちの右式のように、横波音速度VS及び縦波音速度CLで表される。
次に、第4の手法につき説明する。試験体Mの表面組織音響異方性の測定対象部位周りの弾性表面波音速度は予め実測することが可能である。この実測により取得した弾性表面波音速度をVR’(I)とする。したがって、横波超音波探触子3をX軸から180°/Nの回転角度毎にN回回転させていき、各回転後の回転位置におけるN個のデータVR’(I)を、(25)式のように平均値演算すれば、等方性体における弾性表面波の音速度VR 0を求めることができる。この求めた値を(12),(13)式に代入することにより、表面組織音響異方性の定数を算出することができる。
次に、第5の手法につき説明する。第4の手法で述べたように、試験体Mの表面組織音響異方性の測定対象部位周りの弾性表面波音速度は予め実測することが可能である。したがって、X軸方向の伝搬する弾性表面波音速度をVR’(0)、及びY軸方向の伝搬する弾性表面波音速度をVR’(90)についても実測することが可能である。そして、弾性表面波の音速度VR 0は、下記の(26)式に示すように、この2つの実測データの平均値演算により近似的に求めることができる。この求めた値を(12),(13)式に代入することにより、表面組織音響異方性の定数を算出することができる。
以上説明してきたように、図1の構成によれば、測定データ解析手段16は、縦波超音波探触子1及び横波超音波探触子3に対する探触子制御手段13の制御により、エコーデータ、回転位置データ、スライド位置データ等の各種測定データを収集し、この収集した測定データ解析処理によって、従来は求めることができなかった表面組織音響異方性の定数を求めることが可能になる。したがって、この求めた表面組織音響異方性の定数に基づき、試験体Mすなわち応力測定対象材料の残留応力を精度良く演算することが可能になる。
As described above, according to the configuration of FIG. 1, the measurement
福岡秀和編「音弾性の基礎と応用」オーム社、1993年4月 Fukuoka Hidekazu, "Basics and Applications of Acoustoelasticity" Ohmsha, April 1993
河田幸三監修「最新応力・ひずみ測定評価技術」、pp.308〜310、株式会社総合技術センター発行 Supervised by Kozo Kawada "Latest Stress / Strain Measurement Evaluation Technology", pp.308-310, published by General Technology Center Co., Ltd.
B. A. Auld :Acoustic Fields and Waves in Solid, Volume II,pp.88-94, Krieger Publishing Company, Florida B. A. Auld: Acoustic Fields and Waves in Solid, Volume II, pp. 88-94, Krieger Publishing Company, Florida
M:試験体(応力測定対象材料)
1:縦波超音波探触子
2:縦波用接触媒質
3:横波超音波探触子
4:横波用接触媒質
5:探触子駆動機構
6:探触子ホルダ
7:スライド駆動部
8:回転駆動部
9:スライドドライバ
10:スライド位置検出器
11:回転ドライバ
12:回転位置検出器
13:探触子制御手段
14:探触子切換器
14a:接点
15:超音波発信・受信回路
16:測定データ解析手段
Pe:発射パルス
Pr:反射パルス
M: Specimen (material for stress measurement)
1: Longitudinal wave ultrasonic probe 2: Longitudinal wave contact medium 3: Transverse wave ultrasonic probe 4: Transverse wave contact medium 5: Probe drive mechanism 6: Probe holder 7: Slide drive unit 8: Rotation drive unit 9: Slide driver 10: Slide position detector 11: Rotation driver 12: Rotation position detector 13: Probe control means 14: Probe
Claims (8)
前記両探触子を前記材料の表面に沿って移動又は回転させ、
前記両探触子のうちの一方の探触子に前記材料の測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせた後、一方の探触子と他方の探触子との配置を切り換え、他方の探触子に同一測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、前記横波超音波探触子については180°/N(N:2以上の整数)の回転角度毎のN回の回転を行わせ、各回転位置において発信・受信動作を行わせるようにし、
前記両探触子の発信・受信動作により得られる弾性表面波の音速度データから表面組織音響異方性の定数を求め、この求めた定数に基づき応力測定対象材料の残留応力を演算する、
ことを特徴とする超音波式応力測定方法。 Place a longitudinal wave ultrasonic probe and a transverse wave ultrasonic probe on the surface of the stress measurement target material,
Moving or rotating the probes along the surface of the material;
After causing one probe of the two probes to perform transmission / reception of ultrasonic waves with respect to the measurement target portion of the material, the arrangement of one probe and the other probe is switched. The other probe is made to perform the transmission / reception operation of the ultrasonic wave to the same measurement target part, and the transverse wave ultrasonic probe is rotated at every rotation angle of 180 ° / N (N: integer of 2 or more). N times of rotation, so that the transmission / reception operation is performed at each rotation position,
A surface tissue acoustic anisotropy constant is obtained from the acoustic velocity data of the surface acoustic wave obtained by the transmission / reception operations of the two probes, and the residual stress of the stress measurement target material is calculated based on the obtained constant.
An ultrasonic stress measurement method characterized by the above.
前記両探触子を前記材料の表面に沿って移動又は回転させることが可能な探触子駆動機構と、
前記両探触子のうちの一方の探触子に前記材料の測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせた後、前記探触子駆動機構に対する前記移動の制御により一方の探触子と他方の探触子との配置を切り換え、他方の探触子に同一測定対象部位に対する超音波の発信・受信動作を行わせるようにし、前記横波超音波探触子については180°/N(N:2以上の整数)の回転角度毎のN回の回転を行わせ、各回転位置において発信・受信動作を行わせる探触子制御手段と、
前記両探触子の発信・受信動作により得られる弾性表面波の音速度データから表面組織音響異方性の定数を求め、この求めた定数に基づき応力測定対象材料の残留応力を演算する測定データ解析手段と、
を備えたことを特徴とする超音波式応力測定装置。 A longitudinal wave ultrasonic probe and a transverse wave ultrasonic probe that can be arranged on the surface of the stress measurement target material; and
A probe driving mechanism capable of moving or rotating the two probes along the surface of the material;
One probe of the two probes is made to transmit / receive ultrasonic waves to / from the measurement target portion of the material, and then one probe is controlled by controlling the movement of the probe driving mechanism. The arrangement of the probe and the other probe is switched, and the other probe is made to perform the transmission / reception operation of the ultrasonic wave with respect to the same measurement target part. For the transverse wave ultrasonic probe, 180 ° / N A probe control means for performing N rotations for each rotation angle (N: an integer of 2 or more) and performing transmission / reception operations at each rotation position;
Measurement data for calculating the surface tissue acoustic anisotropy constant from the acoustic velocity data of the surface acoustic wave obtained by the transmitting and receiving operations of the two probes and calculating the residual stress of the stress measurement target material based on the obtained constant Analysis means;
An ultrasonic stress measuring device comprising:
表面応力異方性の影響を受けることなくX軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、
表面応力異方性の影響を受けることなく前記X軸方向と垂直なY軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、
並びに表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データである、
ことを特徴とする請求項2記載の超音波式応力測定装置。 The sound velocity data of the surface acoustic wave is
Velocity data of surface acoustic waves propagating in the X-axis direction without being affected by surface stress anisotropy,
Sound velocity data of surface acoustic waves propagating in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction without being affected by the surface stress anisotropy;
Sound velocity data of surface acoustic waves in an isotropic body that is not affected by any of surface stress anisotropy and surface tissue acoustic anisotropy,
The ultrasonic stress measuring apparatus according to claim 2.
縦波音速度とX軸方向及びY軸方向の横波音速度とを用いて表される所定の6次元の弾性表面波音速度方程式の解として求めたものであり、
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
縦波音速度と前記横波超音波探触子のN回の各回転後の回転位置における超音波進行方向の横波音速度とを用いて表される所定の6次元の弾性表面波音速度方程式の解として求められたN個の弾性表面波の音速度データを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項3記載の超音波式応力測定装置。 Sound velocity data of surface acoustic waves propagating in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively,
It is obtained as a solution of a predetermined 6-dimensional surface acoustic wave sound velocity equation expressed by using the longitudinal wave sound velocity and the transverse wave sound velocity in the X-axis direction and the Y-axis direction,
Sound velocity data of surface acoustic waves in an isotropic body that is not affected by any of the surface stress anisotropy and surface tissue acoustic anisotropy is
As a solution of a predetermined 6-dimensional surface acoustic wave sound velocity equation expressed by using the longitudinal wave sound velocity and the transverse wave sound velocity in the ultrasonic traveling direction at the rotational position after each N rotations of the transverse wave ultrasonic probe. It is obtained by calculating the average value of the sound velocity data of the obtained N surface acoustic waves.
The ultrasonic stress measuring device according to claim 3.
X軸方向及びY軸方向の弾性表面波の音速度とX軸方向及びY軸方向の横波音速度との比をポアソン比で表した所定の等式から求めたものであり、
前記表面応力異方性及び表面組織音響異方性のいずれの影響も受けない等方性体における弾性表面波の音速度データは、
前記横波超音波探触子のN回の各回転後の回転位置における超音波進行方向の弾性表面波の音速度とこれと同一方向の横波音速度との比をポアソン比で表した所定の等式から求めたN個の弾性表面波の音速度データを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項3記載の超音波式応力測定装置。 Sound velocity data of surface acoustic waves propagating in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively,
The ratio between the sound velocity of the surface acoustic wave in the X-axis direction and the Y-axis direction and the transverse wave sound velocity in the X-axis direction and the Y-axis direction is obtained from a predetermined equation expressed by Poisson's ratio.
Sound velocity data of surface acoustic waves in an isotropic body that is not affected by any of the surface stress anisotropy and surface tissue acoustic anisotropy is
The ratio of the sound velocity of the surface acoustic wave in the ultrasonic traveling direction to the transverse wave velocity in the same direction at the rotation position after each of N rotations of the transverse wave ultrasonic probe is expressed as a Poisson ratio. The sound velocity data of N surface acoustic waves obtained from the equation is obtained by calculating the average value.
The ultrasonic stress measuring device according to claim 3.
前記表面応力異方性の影響を受けることなくX軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、及び前記表面応力異方性の影響を受けることなく前記X軸方向と垂直なY軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データの2つのデータを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項3記載の超音波式応力測定装置。 Sound velocity data of surface acoustic waves in an isotropic body that is not affected by any of the surface stress anisotropy and surface tissue acoustic anisotropy is
Sound velocity data of a surface acoustic wave propagating in the X-axis direction without being affected by the surface stress anisotropy, and a Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction without being affected by the surface stress anisotropy It is obtained by calculating the average value of two data of sound velocity data of the surface acoustic wave that propagates.
The ultrasonic stress measuring device according to claim 3.
前記横波超音波探触子のN回の各回転後の回転位置における超音波進行方向のN個の弾性表面波の音速度データを予め実測により取得しておき、これら取得したN個のデータを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項3記載の超音波式応力測定装置。 Sound velocity data of surface acoustic waves in an isotropic body that is not affected by any of the surface stress anisotropy and surface tissue acoustic anisotropy is
The acoustic velocity data of N surface acoustic waves in the ultrasonic traveling direction at the rotational position after each rotation of the transverse wave ultrasonic probe N times is obtained in advance by actual measurement, and these obtained N pieces of data are obtained. It is obtained by calculating the average value.
The ultrasonic stress measuring device according to claim 3.
前記表面応力異方性の影響を受けることなくX軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データ、及び前記表面応力異方性の影響を受けることなく前記X軸方向と垂直なY軸方向に伝搬する弾性表面波の音速度データの2つのデータを予め実測により取得しておき、この取得した2つのデータを平均値演算して求めたものである、
ことを特徴とする請求項3記載の超音波式応力測定装置。 Sound velocity data of surface acoustic waves in an isotropic body that is not affected by any of the surface stress anisotropy and surface tissue acoustic anisotropy is
Sound velocity data of a surface acoustic wave propagating in the X-axis direction without being affected by the surface stress anisotropy, and a Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction without being affected by the surface stress anisotropy Two data of sound velocity data of the surface acoustic wave propagating are obtained in advance by actual measurement, and the obtained two data are obtained by calculating an average value.
The ultrasonic stress measuring device according to claim 3.
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