JP2010122107A - Residual stress measuring apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定装置及び方法に係り、特に、検査部位の応力を開放して応力開放ひずみから残留応力を計測する残留応力測定装置及び方法に関する。 The present invention relates to a residual stress measuring apparatus and method for measuring residual stress on the surface of an inspection object, and more particularly to a residual stress measuring apparatus and method for measuring residual stress from stress release strain by releasing stress at an inspection site.
ものづくりの過程において、製品の性能や寿命に対する要求の高まりとともに、検査の重要性がますます高まってきており、多種多様な欠陥に対する非破壊検査技術が開発されてきている。その中で、残留応力は、溶接等の塑性変形を伴う加工工程で必ず生じるものであり、自動車の車体から発電所の大型構造物に至るまで、幅広い製造分野で問題となっている。 In the manufacturing process, with increasing demands for product performance and lifetime, the importance of inspection is increasing, and non-destructive inspection techniques for a wide variety of defects have been developed. Among them, the residual stress is inevitably generated in processing steps involving plastic deformation such as welding, and has become a problem in a wide range of manufacturing fields from automobile bodies to large structures of power plants.
一方、残留応力の検査方法は多種考案されているが、抜き取り試験での破壊検査が主であり、現場での適用までは進んでいないのが実情である。最も一般的な計測手法は、穿孔等により応力を開放し、そのひずみをひずみゲージで計測する方法である。この方法は、破壊を伴うものの、原理がシンプルであること、古くから研究開発されてきたことなどの理由で、実用性・信頼性が高い方法として現在も用いられている。 On the other hand, various methods for inspecting the residual stress have been devised, but the destructive inspection by the sampling test is the main, and the actual situation is that the application to the site has not progressed. The most common measurement method is a method of releasing stress by drilling or the like and measuring the strain with a strain gauge. Although this method involves destruction, it is still used as a highly practical and reliable method because it is simple in principle and has been researched and developed for a long time.
このような状況において、近年、簡便迅速かつ信頼性の高い残留応力測定を実現するため、応力開放法と光学的な干渉計測法を組み合わせた残留応力測定技術の開発が進められている。これは、従来のひずみゲージに代わり、非接触で分解能の高いレーザ干渉計測技術を用いて、穿孔や部分除去により残留応力が開放されて生じたひずみを計測するものである。 Under such circumstances, in recent years, in order to realize simple, quick and reliable residual stress measurement, development of a residual stress measurement technique combining a stress release method and an optical interference measurement method has been advanced. This is to measure strain generated by releasing residual stress by drilling or partial removal using a non-contact, high-resolution laser interference measurement technique instead of a conventional strain gauge.
しかしながら、穿孔や部分除去により応力を開放する方法では、大きな破壊を生じ、完成した製品や稼働中の構造物に対しての適用が難しいため、最近では、それ以外の方法についても検討が進められている。 However, methods that relieve stress by drilling or removing parts cause major damage and are difficult to apply to finished products and structures in operation. Recently, other methods have been studied. ing.
このような応力開放法としては、大電流パルスを検査対象物に直接作用させて、応力を開放するもの(例えば、特許文献1参照)や、検査対象物を加熱して、応力を開放するものが知られている(例えば、特許文献2参照)。 As such a stress relief method, a method in which a large current pulse is directly applied to an inspection object to release the stress (for example, refer to Patent Document 1), or an inspection object is heated to release the stress. Is known (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1記載の方法では、計測可能な大きさのひずみを生じさせるためには、装置の大型化や取扱いの安全性等の課題がある。また、特許文献2記載の方法では、局所加熱による熱膨張ひずみを生じさせるため、大きな引張残留応力を計測するには、局所的に高温に加熱することが必要となり、温度制御が難しい問題、熱膨張ひずみと応力開放ひずみの分離の問題等があった。 In the method described in Patent Document 1, there are problems such as an increase in size of the apparatus and safety in handling in order to generate a strain having a measurable magnitude. Further, in the method described in Patent Document 2, since thermal expansion strain is generated by local heating, in order to measure a large tensile residual stress, it is necessary to locally heat to a high temperature, and the problem of temperature control is difficult. There was a problem of separation of expansion strain and stress release strain.
また、レーザ光を用いた干渉計測法では、一般に変形前後のレーザ光の経路の長さの差(以後光路差という)を位相の差として計測する。そのため、加熱による方法では、レーザ光経路の温度ゆらぎのために屈折率が変化すると、位相を正しく判別できず、ひずみの計測ができなくなる問題もあった。 In the interference measurement method using laser light, the difference in the path length of the laser light before and after deformation (hereinafter referred to as optical path difference) is generally measured as the phase difference. For this reason, the heating method has a problem that if the refractive index changes due to temperature fluctuations in the laser beam path, the phase cannot be correctly determined, and the strain cannot be measured.
本発明の目的は、半非破壊での残留応力測定ができる迅速で可搬性の高い残留応力測定装置及び方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a residual stress measuring apparatus and method which can perform a semi-nondestructive residual stress measurement and which is quick and portable.
(1)上記目的を達成するために、本発明は、検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定装置であって、前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み装置と、該圧子押し込み装置による前記圧子の押し込み力を制御する圧子押し込み荷重制御装置と、前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射装置と、該レーザ光照射装置により前記検査領域に照射される前記レーザ光を利用して圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測装置と、該レーザ干渉計測装置により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理装置と、該データ処理装置による残留応力測定結果を表示する表示装置とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、半非破壊での残留応力測定ができるとともに、迅速で可搬性の高いものとなる。
(1) In order to achieve the above object, the present invention is a residual stress measuring device for measuring a residual stress on the surface of an inspection object, wherein an indenter is pushed into the inspection area on the surface of the inspection object and is locally applied to the inspection area. An indenter pushing device that causes deformation of the indenter, an indenter pushing load control device that controls the pushing force of the indenter by the indenter pushing device, a laser beam irradiation device that irradiates the inspection region with laser light for interference measurement, and the laser A laser interference measuring device that measures the amount of deformation in the residual stress direction before and after the indenter is pushed using the laser light irradiated to the inspection area by the light irradiation device, and stress release from the deformation amount measured by the laser interference measuring device A data processing device for measuring the residual stress accompanying the above and a display device for displaying the residual stress measurement result by the data processing device are provided.
With this configuration, the residual stress can be measured in a non-destructive manner, and can be quickly and highly portable.
(2)上記(1)において、好ましくは、前記圧子押し込み装置は、圧子押し込み荷重を測定する圧子押し込み荷重測定手段と、圧子押し込み変位を測定する圧子押し込み変位測定手段とを備えるようにしたものである。 (2) In the above (1), preferably, the indenter pushing device comprises an indenter pushing load measuring means for measuring an indenter pushing load and an indenter pushing displacement measuring means for measuring an indenter pushing displacement. is there.
(3)上記(1)において、好ましくは、前記圧子押し込みによる変形量から硬さを計測する硬さ計測装置を備え、前記データ処理装置は、前記硬さ計測装置によって計測された前記検査対象物の硬さに応じて、測定する残留応力を補正するようにしたものである。 (3) In the above (1), preferably, a hardness measuring device that measures hardness from a deformation amount due to the indenter pressing is provided, and the data processing device is the inspection object measured by the hardness measuring device. The residual stress to be measured is corrected according to the hardness.
(4)上記(1)において、好ましくは、前記圧子の形状は、残留応力測定方向に長く、前記検査対象物の表面であって前記残留応力測定方向と垂直な方向に短い形状を有することを特徴とする残留応力測定装置。 (4) In the above (1), preferably, the shape of the indenter is long in the residual stress measurement direction and short on the surface of the inspection object and in a direction perpendicular to the residual stress measurement direction. The characteristic residual stress measuring device.
(5)上記(1)において、好ましくは、前記圧子押し込み装置は、前記圧子を残留応力測定方向に押し込む構造である。 (5) In the above (1), preferably, the indenter pushing device has a structure for pushing the indenter in a residual stress measurement direction.
(6)また、上記目的を達成するために、本発明は、検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定方法において、前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み工程と、前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射工程と、前記レーザ光を利用し圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測工程と、前記レーザ干渉計測により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理工程と、前記データ処理による残留応力測定結果を表示する表示工程を有するものである。
かかる方法により、半非破壊での残留応力測定ができるとともに、迅速で可搬性の高いものとなる。
(6) Further, in order to achieve the above object, the present invention provides a residual stress measurement method for measuring a residual stress on the surface of an inspection object. Indentation step for causing deformation in the laser beam, laser beam irradiation step for irradiating the inspection region with laser light for interference measurement, and laser interference measurement for measuring the deformation amount in the residual stress direction before and after indenter indentation using the laser beam And a data processing step for measuring residual stress associated with stress release from the deformation measured by the laser interferometry, and a display step for displaying the residual stress measurement result by the data processing.
By this method, the residual stress can be measured in a non-destructive manner, and it is quick and highly portable.
(7)上記(6)において、好ましくは、残留応力緩和装置を用いて、残留応力を緩和するとともに、残留応力緩和処理の前後で残留応力の測定を行い、その差から残留応力の緩和効果を求めるようにしたものである。 (7) In the above (6), preferably, the residual stress is relaxed by using a residual stress relaxation device, and the residual stress is measured before and after the residual stress relaxation treatment. It is what you want.
本発明によれば、半非破壊での残留応力測定ができるとともに、迅速で可搬性の高いものとすることができる。 According to the present invention, it is possible to perform semi-nondestructive residual stress measurement and to make it quick and highly portable.
以下に、図1〜図7を用いて、本発明の第1の実施形態による残留応力測定装置の構成及び測定動作について説明する。
最初に、図1を用いて、本実施形態による残留応力測定装置の構成について説明する。
図1を用いて、本発明の第1の実施形態による残留応力測定装置の構成図である。
Hereinafter, the configuration and measurement operation of the residual stress measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the configuration of the residual stress measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a residual stress measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention using FIG.
本実施形態の残留応力測定装置は、検査対象物Aの表面の任意の検査領域Bの残留応力を測定する装置である。測定装置本体をなす下方が開口した筐体700と、検査領域Bに検査用のレーザ光を照射するレーザ光照射装置100A,100Bと、検査領域Bからの反射光(散乱光)を二重露光撮影するレーザ干渉計測装置200と、レーザ光照射装置100A,100Bのレーザ光の照射タイミングを制御するタイミング制御装置300と、検査領域に圧子を押し込む圧子押し込み装置400と、圧子押し込み装置400による圧子押し込み荷重を制御する荷重制御装置403と、レーザ干渉計測装置200による圧子押し込み前後の検査領域Bの撮影画像を基に検査領域Bの残留応力を測定するデータ処理装置500と、データ処理装置500による残留応力測定結果を表示する測定結果表示装置600とを備えている。
The residual stress measuring device of the present embodiment is a device that measures the residual stress in an arbitrary inspection region B on the surface of the inspection object A. Double exposure of the
第1のレーザ光照射装置100Aは、第1の計測用レーザ光を発振する計測用レーザ光発振装置101aと、レーザ光発振装置101aから発振された第1のレーザ光を拡大するレーザ光拡大光学系102aと、レーザ拡大光学系102aで拡大された第1レーザ光を反射するミラー103aとを備えている。第2のレーザ光照射装置100Bも同様に、第2の計測用レーザ光を発振する計測用レーザ光発振装置101bと、レーザ光発振装置101bから発振された第2のレーザ光を拡大するレーザ光拡大光学系102bと、レーザ拡大光学系102bで拡大された第2レーザ光を反射するミラー103bとを備えている。
The first laser
レーザ光拡大光学系102a,102bは、検査領域Bを照射するのに十分な大きさにレーザ光を拡大する手段であり、レーザ光を平行光束として拡大する光学系であることが望ましい。ミラー103a,103bは、検査対象物Aに近接するように筐体700の下端部近傍に設けられており、反射したレーザ光を検査対象物Aの表面に沿う方向から検査領域Bに照射する。なお、Z方向から見た検査領域B内のレーザ光の進行方向は、検査対象物Aの表面に沿う方向であって残留応力を測定したい方向(以後、「残留応力測定方向」と称する)に合わせてある。これは、図1ではX方向として示している。レーザ光照射装置100A,100Bは、検査領域Bに対して、距離及びレーザ光入射角度が等しい位置関係に配置されており、ミラー103a,103bで反射されたレーザ光は、X方向ベクトルが対向する方向から検査領域Bに照射される。
The laser beam expansion
レーザ干渉計測装置200は、レーザ光照射装置100A,100Bのレーザ光に対する検査領域Bからの反射光を残留応力測定方向にずらして二重露光撮影するレーザシェアログラフィ干渉計測装置である。なお、レーザ干渉計測装置200の詳細については、図3を用いて後述する。
The laser
タイミング制御装置300は、レーザ光照射装置100A,100Bとレーザ干渉計測装置200の作動タイミングを制御する。互いが同時にレーザ光を照射しないように計測用レーザ光発振装置101a,101bを制御し、それぞれのレーザ光の照射タイミングに合わせてレーザ干渉計測装置200を作動させ、第1及び第2レーザ光それぞれの反射光に対する干渉画像が撮影されるようにする。具体的には、計測用レーザ光発振装置101a,101bをパルス駆動し、それぞれが照射する第1及び第2レーザ光に対して干渉計測に必要な枚数の画像をそれぞれに対し二重露光撮影するようにレーザ干渉計測装置200を動作制御する。
The
圧子押し込み装置400は、検査領域Bの圧子押し込み領域Cに圧子402を押し込む圧子駆動装置401を備えている。圧子402の材質は、ダイヤモンドまたは超硬合金を用いる。圧子駆動装置401は、圧子押し込み荷重を計測する機能と、任意の押し込み荷重で圧子を押し込む機能を有する。さらに、圧子駆動装置401は、圧子押し込み量(押し込み変位)を計測する機能を持っていてもよい。また、圧子押し込み装置400は、レーザ干渉計測装置200により検査領域Bを撮影する際には邪魔になる可能性があるので、圧子駆動装置401はタイミングに応じて位置を変える移動機能(または旋回機能)を備える。圧子402は、その形状及び圧子押し込み変位により、圧子押し込み領域Cの大きさと形状が決定される。検査領域Bと圧子押し込み領域Cの形状や大きさは、互いに一致していても良いし、位置がずれている場合や一方が一方を完全に含んでいる場合も許容される。これは、圧子押し込みにより、圧子が直接接触していない部分にも変位が生じるためである。検査領域Bは、熱歪や応力開放歪で位置が3次元的に移動するため、ある面積、例えば直径数十mm以上の範囲に設定することが望ましい。
The
圧子荷重制御装置403は、圧子押し込み領域Cの変形量が残留応力測定に必要十分な範囲に収まるようにする目的で、予め定められた荷重(または圧子押し込み変位)で圧子が押し込まれるように、圧子駆動装置401の出力を制御する。例えば、圧子荷重制御装置403は、内部の記憶装置に、事前に調査した検査対象物Aの材質に対する圧子押し込み荷重(または圧子押し込み変位)と塑性変形量の関係のデータベースを格納しておき、データベースから読み出した相関関係を用いて、圧子押し込み装置400の作動や出力を制御する。
The indenter
次に、図2を用いて、本実施形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法について説明する。
図2は、本発明の第1の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
Next, a residual stress measuring method using the residual stress measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a flowchart showing a residual stress measurement method using the residual stress measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention.
まず、ステップS10において、レーザ光照射装置100A,100Bのレーザ光照射方向、及びレーザ干渉計測装置200の二重露光のずらし方向(図3で後述)を検査対象物Aの検査領域Bの残留応力測定方向に合わせ、測定を開始する。
First, in step S10, the laser light irradiation directions of the laser
すると、ステップS20において、タイミング制御装置300は、第1のレーザ光照射装置100Aを駆動し、ミラー103aで反射したレーザ光発振装置101aからの第1レーザ光が、検査対象物Aの表面にほぼ平行で残留応力測定方向に一致する方向(第1の方向)から検査領域Bに照射される。レーザ干渉計測装置200は、検査領域Bで散乱した反射光を二重露光撮影し、第1の二重露光画像(圧子押し込み前)を撮影する(撮影原理は図3で後述する)。
Then, in step S20, the
続くステップS30では、タイミング制御装置300は、第2のレーザ光照射装置100Bを駆動し、ミラー103bで反射したレーザ光発振装置101bからの第2レーザ光が、第1レーザ光と逆向きで、検査対象物Aの表面にほぼ平行で残留応力測定方向に一致する方向(第2の方向)から検査領域Bに照射される。レーザ干渉計測装置200は、検査領域Bで散乱した反射光を二重露光撮影し、第2の二重露光画像(圧子押し込み前)を撮影する。
In subsequent step S30, the
次に、ステップS40において、圧子荷重制御装置403は、圧子押し込み装置400を制御し、圧子押し込み領域C上に圧子402が位置するように圧子駆動装置401を移動させる。しかる後、圧子駆動装置401が圧子402を予め設定した圧子押し込み荷重(または圧子押し込み変位)で押し込むように制御する。このときの圧子押し込み加重(または圧子押し込み変位)は、検査対象物Aの材質により決まる応力ひずみ線図のデータを参照し、レーザ干渉計測装置で計測可能な最低限の塑性変形が生じるように設定する。
Next, in step S40, the indenter
次に、ステップS50において、圧子押し込み領域Cに塑性変形を生じさせた後、圧子荷重制御装置403は、圧子押し込み装置400を移動させる。その直後、ステップS60において、レーザ干渉計測装置200により、第3の二重露光画像(圧子押し込み後)を撮影する。すなわち、タイミング制御装置300は、第1のレーザ光照射装置100Aを駆動し、ミラー103aで反射したレーザ光発振装置101aからの第1レーザ光が第1の方向から検査領域Bに照射される。レーザ干渉計測装置200は、圧子押し込み前の検査領域Bで散乱した反射光を二重露光撮影する。
Next, in step S50, after causing plastic deformation in the indenter pushing region C, the indenter
さらにその直後、ステップS70において、レーザ干渉計測装置200により、第4の二重露光画像(圧子押し込み後)を撮影する。すなわち、タイミング制御装置300は第2のレーザ光照射装置100Bを駆動し、ミラー103bで反射したレーザ光発振装置101bからの第2レーザ光が第2の方向から検査領域Bに照射される。そして、レーザ干渉計測装置200は、検査領域Bで散乱した反射光を二重露光撮影する。
Immediately thereafter, in step S70, the laser
次に、ステップS80において、レーザ干渉計測装置200は、ステップS20,ステップS60において撮影した第1の二重露光画像と第3の二重露光画像から、レーザ光発振装置101aからのレーザ光の方向(第1の方向)に対する検査領域Bの圧子押し込み前後の全変形量(光路差)を算出する。変形量の測定方法については後述する。
Next, in step S80, the laser
さらに、ステップS90において、レーザ干渉計測装置200は、ステップS30,ステップS70において撮影した第2の二重露光画像と第4の二重露光画像から、レーザ光発振装置101bからのレーザ光の方向(第2の方向)に対する検査領域Bの圧子押し込み前後の全変形量(光路差)を算出する。
Further, in step S90, the laser
次に、ステップS100において、データ処理装置500は、ステップS80,ステップS90で算出した第1及び第2の方向に対する全変形量の差を計算し、検査領域Bの残留応力測定方向の圧子押し込み前後の全変形量を算出する。そして、全変形量のうち、圧子押し込みによる変形量を差し引き、残留応力による変形量を算出する。残留応力による変形量から最終的に残留応力測定方向の残留応力の値が求められる。ステップS100の具体例については、図4等で後に詳述する。
Next, in step S100, the
そして、ステップS110では、タイミング制御装置300は、全範囲が終了したかどうかを判定する。検査領域が一箇所でなく全範囲が終了していない場合、ステップS120に戻り、次の検査領域に対して同様の計測(ステップS10〜S100)を実行する。全範囲が終了した場合は、図2の一連の手順を終了する。
In step S110, the
なお、ステップS20の処理では、二重露光撮影を繰り返し行って第1の二重露光画像を複数撮影したものを平均化し、SN比の大きい画像とするとより好ましい。また、ステップS30,S60,S70の処理も同様である。 In the process of step S20, it is more preferable to average images obtained by repeatedly performing double exposure shooting and shooting a plurality of first double exposure images to obtain an image with a large SN ratio. The processing in steps S30, S60, and S70 is the same.
次に、図3を用いて、本実施形態による残留応力測定装置に用いるレーザ干渉計測装置200の光学系及び、これを用いたシェアログラフィ法について説明する。
図3は、本発明の第1の実施の形態による残留応力測定装置に用いるレーザ干渉計測装置の光学系の構成図である。
Next, the optical system of the laser
FIG. 3 is a configuration diagram of the optical system of the laser interference measuring apparatus used in the residual stress measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図3(a)は、レーザ干渉計測装置200の概略構成を示している。
FIG. 3A shows a schematic configuration of the laser
レーザ干渉計測装置200は、図3(a)に示すように、検査領域Bからの反射画像(スペックルパターン)210を集光する集光レンズ211と、集光レンズ211に入射した反射画像を2つの反射画像210a,210bに分光する分光素子212と、分光素子212で分光された第1の反射画像210aを反射する第1の反射鏡213と、分光素子212で分光された第2の反射画像210bを反射する第2の反射鏡214と、反射鏡213,214で反射された反射画像210a,210bを受光するCCD等の画像計測素子215とを備えている。
As shown in FIG. 3A, the laser
分光素子212は、第1の反射画像210aを反射画像210と直交する方向に分光し、第2の反射画像210bを透過させる。第1の反射鏡213は、入射する第1の反射画像210aの光軸に垂直に設置されており、反射画像210aを反射して画像計測素子215のほぼ中央の領域に入射させる。一方、第2の反射鏡214は、入射する第2の反射画像210bの光軸に対して法線を傾斜させて設置されており、第2の反射鏡214で反射された第2の反射画像210bは、分光素子212で屈曲して第1の反射画像210とΔXだけずれて画像計測素子215に入射する。第2の反射鏡214は、画像計測素子215上の第1の反射画像201aの残留応力測定方向に対応する方向に第2の反射画像210bがずれるように傾斜させてある。この結果、画像計測素子215の受光面には、図3(b)に模式的に示すように、2つの反射画像210a,210bが干渉することにより得られる微分画像が入射される(二重露光撮影される)。
The
微分画像の微分幅は、反射光210a,210bのずらし量ΔX、本例では第2の反射鏡214の傾斜角により決定される。これにより、検査領域Bの局所的な変形は光学的な微分により強調され、残留応力の測定精度が向上する。
The differential width of the differential image is determined by the shift amount ΔX of the reflected light 210a, 210b, in this example, the tilt angle of the second reflecting
次に、図4を用いて、本実施形態による残留応力測定装置を用いた残留応力の求め方について説明する。
図4は、本発明の第1の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力の求め方の説明図である。
Next, how to obtain the residual stress using the residual stress measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of how to obtain the residual stress using the residual stress measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図4は、検査対象物Aの応力-ひずみ線図を表している。図の横軸は、検査領域Bの残留応力方向のひずみを示しており、縦軸は検査領域Bの残留応力方向に働いている応力(引張応力)を示している。ここで、溶接残留応力等で問題となるのは引張残留応力であるため、以後引張応力のみについて記述する。 FIG. 4 shows a stress-strain diagram of the inspection object A. The horizontal axis of the figure indicates the strain in the residual stress direction of the inspection region B, and the vertical axis indicates the stress (tensile stress) acting in the residual stress direction of the inspection region B. Here, since the tensile residual stress is a problem in welding residual stress, only the tensile stress will be described below.
通常、残留応力がない場合、圧子押し込み前の検査領域Bの応力状態はσ0である。この状態に対して降伏応力σY以下の圧子押し付け応力Sで圧子を押し込んでも、弾性変形範囲内で変形するのみであり、圧子解放後には元の状態に戻る。これに対し、引張残留応力σ1が存在している場合、前記と同じ圧子押し付け応力Sで圧子を押し込むと図の点線に従って降伏点を越え、塑性変形領域に移るため、圧子解放後に塑性ひずみε1が生じる。したがって、この残留応力方向の塑性ひずみを高精度に計測することにより、以下の式により残留応力を計測することができる。
σ1=f(εY+ε1)−S …(1)
σY=E・εY …(2)
ここで、関数fは、応力-ひずみ線図の表す材料固有のひずみと応力の関係である。また、Eは弾性変形を決めるヤング率であり、εYは降伏点でのひずみである。
Usually, when there is no residual stress, the stress state in the inspection region B before the indenter is pushed is σ0. Even if the indenter is pressed with an indenter pressing stress S equal to or lower than the yield stress σY in this state, it only deforms within the elastic deformation range, and returns to the original state after the indenter is released. On the other hand, when the tensile residual stress σ1 exists, if the indenter is pushed in with the same indenter pressing stress S as described above, the yield exceeds the yield point according to the dotted line in the figure and moves to the plastic deformation region. Arise. Therefore, the residual stress can be measured by the following equation by measuring the plastic strain in the residual stress direction with high accuracy.
σ1 = f (εY + ε1) −S (1)
σY = E · εY (2)
Here, the function f is the relationship between the strain and stress inherent in the material represented by the stress-strain diagram. E is the Young's modulus that determines elastic deformation, and εY is the strain at the yield point.
検査領域Bの残留応力がσ1より大きいσ2の場合は、前記と同じ圧子押し込み応力Sで圧子を押し込むと、応力-ひずみ線図に従いより大きな塑性ひずみε2を生じる。 When the residual stress in the inspection region B is greater than σ1, when the indenter is pushed in with the same indenter pushing stress S as described above, a larger plastic strain ε2 is generated according to the stress-strain diagram.
図4(b)は、圧子押し込み領域Cに、ある一定の圧子押し込み応力Sで圧子を押し込んだときの、検査領域Bに存在する残留応力と生じる塑性変形の関係を示している。図に示すように、引張残留応力が大きいほど、塑性ひずみが指数関数的に増大するので、本実施形態の方法では、引張残留応力に対して高感度に計測することができる。 FIG. 4B shows the relationship between the residual stress existing in the inspection region B and the resulting plastic deformation when the indenter is pushed into the indenter pushing region C with a certain indenter pushing stress S. As shown in the figure, the plastic strain increases exponentially as the tensile residual stress increases, and therefore the method of this embodiment can measure the tensile residual stress with high sensitivity.
次に、図5を用いて、本実施形態による残留応力測定装置における残留応力測定方向の変位量をレーザ干渉計測によって計測する方法について説明する。
図5は、本発明の第1の実施の形態による残留応力測定装置における残留応力測定方向の変位計測方法の説明図である。
Next, a method for measuring the amount of displacement in the residual stress measurement direction in the residual stress measurement apparatus according to the present embodiment by laser interference measurement will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a displacement measuring method in the residual stress measuring direction in the residual stress measuring device according to the first embodiment of the present invention.
図5では、検査領域Bの特定の位置に注目し、圧子押し込みによる変形前後においてレーザ光照射装置100A,100Bから照射されるレーザ光を示している。図5の原点Oは検査領域Bの注目したある点の圧子押し込み前の位置を示し、点線K1が圧子押し込みによる変形、すなわち圧子押し込みに伴う原点Oの挙動を示している。また、X軸は残留応力測定方向を、Z軸は検査対象物Aの表面の高さ位置をそれぞれ示している。圧子押し込みによる変形量は、残留応力測定方向がDx、高さ方向がDzとしてある。
In FIG. 5, attention is paid to a specific position in the inspection region B, and laser beams emitted from the laser
図2のステップS20において圧子押し込み前に注目点Oに照射するレーザ光をL10で示し、図2のステップS30において注目点Oに照射するレーザ光をL20で示す。ここで、レーザ光照射装置100A,100Bは、検査対象物Aの検査領域Bに対して完全に平行にレーザ光を照射することはできないので、検査対象物Aの表面に対する入射角α(例えば20°未満)を設定する必要がある。注目点Oが圧子押し込みにより座標(Dx,Dz)に移動した後、図2のステップS60で照射したレーザ光をL11、図2のステップS70で照射するレーザ光をL21で示す。したがって、レーザ干渉計測装置200がZ軸方向から撮影しているとすると、図2のステップS80で計測される変形量Du、すなわちレーザ光L10,L11の光路差は、DzとL12の和となり、
Du=Dx・cosα+Dz・(1+sinα) …(3)
と表される。
The laser beam irradiated to the point of interest O before the indenter is pushed in step S20 in FIG. 2 is denoted by L10, and the laser beam irradiated to the point of interest O in step S30 in FIG. 2 is denoted by L20. Here, since the laser
Du = Dx · cos α + Dz · (1 + sin α) (3)
It is expressed.
同様に、図2のステップS90で計測される変形量Dw、すなわちレーザ光L20,L21の光路差は、DzとL22の差となり、
Dw=−Dx・cosα+Dz・(1+sinα) …(4)
と表される。
Similarly, the deformation amount Dw measured in step S90 of FIG. 2, that is, the optical path difference between the laser beams L20 and L21, is the difference between Dz and L22.
Dw = −Dx · cos α + Dz · (1 + sin α) (4)
It is expressed.
したがって、図2のステップS100で、変形量Duと変形量Dwの差をとると、Dzの成分が消えて、
Du−Dw=2・Dx・cosα …(5)
となり、残留応力測定方向の変形量Dxは、
Dx=(Du−Dw)/(2・cosα) …(6)
と算出される。
Therefore, when the difference between the deformation amount Du and the deformation amount Dw is taken in step S100 in FIG. 2, the component of Dz disappears,
Du−Dw = 2 · Dx · cos α (5)
The amount of deformation Dx in the residual stress measurement direction is
Dx = (Du−Dw) / (2 · cos α) (6)
Is calculated.
その結果、式(6)により、本実施形態では、残留応力測定方向の変形量のみがより強調されて計測される。また、式(6)からも判る通り、角度αは小さいほど良く、仮にαが30度としても、αが60度のときに比べて1.73倍SN比が大きくなる。 As a result, according to the equation (6), in the present embodiment, only the deformation amount in the residual stress measurement direction is more emphasized and measured. As can be seen from the equation (6), the smaller the angle α, the better. Even if α is 30 degrees, the SN ratio is 1.73 times larger than when α is 60 degrees.
次に、図6及び図7を用いて、本実施形態による残留応力測定装置において、応力集中を生じない範囲で、残留応力測定方向に計測可能な変形を発生させる方法について説明する。
図6及び図7は、本発明の第1の実施の形態による残留応力測定装置における変形発生方法の説明図である。
Next, a method for generating a measurable deformation in the residual stress measurement direction within a range where no stress concentration occurs in the residual stress measurement apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
6 and 7 are explanatory diagrams of a deformation generation method in the residual stress measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention.
また、図6(a)は、先端形状が半球状の圧子402aを表している。この圧子によれば、先端部が尖っていないため応力集中が生じにくく、レーザ干渉計測によって計測可能なひずみを生じるまで荷重を加えることができる。
FIG. 6A shows an
図6(b)は、先端形状が楕円球状の圧子402bを表している。この圧子によれば、先端部が尖っていないため応力集中が生じにくく、また長径方向を残留応力測定方向(X方向)に合わせ、短径方向を検査対象表面(X−Y平面)の残留応力測定方向(X方向)の垂直方向にすれば、残留応力測定方向に大きな荷重を加えられるため、残留応力測定方向(X方向)の歪みを大きくでき、残留応力測定方向以外に無駄な塑性変形を与えることを避けることができる。
FIG. 6B shows an
図6(c)は、四角錐形状の圧子402cを表している。この圧子によれば、小さな荷重で塑性変形を生じさせることができ、塑性変形範囲を小さくすることができる。
FIG. 6C shows a quadrangular pyramid shaped
図6(d)は、残留応力方向の頂角が大きい四角錐形状の圧子402dを表している。この圧子によれば、塑性変形範囲を小さくすることができ、また長径方向を残留応力測定方向(X方向)に合わせ、短径方向を検査対象表面(X−Y平面)の残留応力測定方向(X方向)の垂直方向にすれば、残留応力測定方向(X方向)の歪みを大きくでき、残留応力測定方向以外に無駄な塑性変形を与えることを避けることができる。
FIG. 6D shows a quadrangular pyramid shaped
図7は、応力集中を生じない範囲で、残留応力測定方向に計測可能な変形を発生させるための圧子押し込み装置400の一例を示している。圧子駆動装置401Aは、圧子402Aを、検査対象物Aの検査領域Bに対して、残留応力測定方向(X方向)に沿って駆動する機構を備えている。これにより、圧子駆動装置400は、検査領域Bに対して残留応力測定方向(X方向)のみの荷重を加えることができ、残留応力測定方向(X方向)の歪みを大きくでき、残留応力測定方向以外に無駄な塑性変形を与えることを避けることができる。
FIG. 7 shows an example of an
さらに、圧子により生じた塑性変形(圧痕)は非常に小さいため、応力集中や見た目が気になる場合は、残留応力測定後に圧痕を削れば、ほとんど元の状態に戻すことができる。 Furthermore, since the plastic deformation (indentation) caused by the indenter is very small, if the stress concentration or appearance is anxious, the original state can be almost restored by removing the indentation after the residual stress measurement.
以上説明したように、本実施の形態によれば、簡易な方法で、微小な塑性変形を生じさせることにより、半非破壊で検査対象物Aの残留応力を測定することができる。また、干渉計測により、高精度に残留応力を測定することができる。 As described above, according to the present embodiment, the residual stress of the inspection object A can be measured in a non-destructive manner by causing minute plastic deformation by a simple method. Further, residual stress can be measured with high accuracy by interferometry.
このとき、検査対象物Aの弾性変形域内の残留応力測定方向への変形は小さいが、検査対象物Aの表面に沿って残留応力測定方向から検査用のレーザ光を照射することにより、検査領域Bの圧子押し込み前後の残留応力測定方向の変形に対する分解能を高めることができる。また、残留応力測定方向の両方向(第1及び第2の方向)から検査用レーザ光を照射し、それぞれについて測定した圧子押し込み前後の変形量の差をとることにより、より高精度に検査領域Bの挙動を測定することができる。これにより、検査対象物表面に平行な方向への検査対象物の塑性変形量を高精度に測定し、簡易に半非破壊で検査対象物表面の残留応力を測定することができる。 At this time, although the deformation of the inspection object A in the elastic deformation region in the residual stress measurement direction is small, the inspection region is irradiated by irradiating the inspection object A from the residual stress measurement direction along the surface of the inspection object A. The resolution with respect to the deformation in the direction of residual stress measurement before and after the pressing of the indenter B can be increased. Also, the inspection laser beam is irradiated from both directions (first and second directions) of the residual stress measurement direction, and the difference in deformation amount before and after the indenter measurement measured for each is taken, so that the inspection region B can be obtained with higher accuracy. Can be measured. Thereby, the amount of plastic deformation of the inspection object in the direction parallel to the surface of the inspection object can be measured with high accuracy, and the residual stress on the surface of the inspection object can be easily measured in a non-destructive manner.
したがって、小型可搬性の装置で、簡易かつ信頼性の高い方法で、検査対象物表面の検査領域に応力開放ひずみを生じさせ、このひずみ量をレーザ干渉計測法を用いて高精度計測することにより、検査対象物表面の残留応力を測定することができる。 Therefore, by using a small portable device, a stress-free strain is generated in the inspection area of the surface of the inspection object by a simple and reliable method, and this strain amount is measured with high accuracy using a laser interferometry method. The residual stress on the surface of the inspection object can be measured.
また、従来のように、加熱や大電流を加えて応力開放するものは、水中にある構造物(例えば、原子炉容器の炉内構造物等)には適用できないものであるが、本実施形態では、圧子を用いて応力開放するものであるので、水中にある構造物の残留応力の測定にも適用できるものである。 In addition, as in the prior art, those in which stress is released by applying heating or a large current cannot be applied to structures in water (for example, reactor internals of a reactor vessel). Then, since the stress is released using an indenter, it can be applied to the measurement of the residual stress of a structure in water.
次に、図8及び図9を用いて、本発明の第2の実施形態による残留応力測定装置の構成及び測定動作について説明する。なお、本実施形態による残留応力測定装置の構成は、図1に示したものと同様である。
図8は、本発明の第2の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。なお、図2と同一ステップ番号の処理は、図2に示したものと同様の処理内容である。図9は、本発明の第2の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法の説明図である。
Next, the configuration and measurement operation of the residual stress measurement apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the residual stress measuring apparatus according to the present embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing a residual stress measurement method using the residual stress measurement apparatus according to the second embodiment of the present invention. Note that the processing of the same step number as in FIG. 2 has the same processing content as that shown in FIG. FIG. 9 is an explanatory diagram of a residual stress measurement method using the residual stress measurement apparatus according to the second embodiment of the present invention.
図7に示す本実施形態では、図2に示した第1の実施形態と同様に、圧子を押し込んでレーザ干渉計測装置によりレーザ干渉計測を行うステップS70までを行う。 In the present embodiment shown in FIG. 7, similarly to the first embodiment shown in FIG. 2, Step S <b> 70 is performed in which the indenter is pushed in and laser interference measurement is performed by the laser interference measurement device.
その後、ステップ80で変形量を計測するのと同時に、ステップS130において、硬さ計測用撮影装置で圧子の圧痕形状を撮影し、画像計測を行う。このとき、硬さ計測用撮影装置は、レーザ干渉計測装置200の撮影機能を用いることができる。
Thereafter, at
次に、ステップS140において、データ処理装置400は、ステップS130で撮影された画像を用いて、硬さを計測する。硬さとしては、圧子の形状に合わせて、ビッカースまたはブリネルまたはヌーブその他の指標を用いる。なお、硬さの計測は、ビッカース硬度計などを用いてもよいものである。ただし、前述のように、レーザ干渉計測装置200により圧痕形状を撮影し、データ処理装置400により硬さを計測することで、わざわざ硬度計等を備える必要がなくなる。
Next, in step S140, the
その後、ステップS101において、データ処理装置500は、検査領域の残留応力を算出する際に、表面硬さの影響を考慮して補正する。
Thereafter, in step S101, the
ここで、図9を用いて、表面硬さの違いによる残留応力の補正方法について説明する。 Here, a method for correcting the residual stress due to the difference in surface hardness will be described with reference to FIG.
図9は、図4(b)と同様に、残留応力−塑性ひずみ線図を示している。ここで、実線は、検査対象物の表面硬さがH1の場合で、図4(b)と同じ線図になるものとする。それに対して、表面硬さH2(>H1)の場合には、破線で示すように、同じ塑性ひずみに対する残留応力が大きくなる。また、表面硬さH3(<H1)の場合には、一点鎖線で示すように、同じ塑性ひずみに対する残留応力が小さくなる。 FIG. 9 shows a residual stress-plastic strain diagram in the same manner as FIG. Here, a solid line is a case where the surface hardness of the object to be inspected is H1, and is the same diagram as FIG. On the other hand, in the case of surface hardness H2 (> H1), as shown by the broken line, the residual stress for the same plastic strain increases. Further, in the case of the surface hardness H3 (<H1), as indicated by the alternate long and short dash line, the residual stress with respect to the same plastic strain becomes small.
したがって、ステップS101において、データ処理装置400は、表面硬さがH1の場合には、実線で示す残留応力−塑性ひずみ線図を用いて、塑性ひずみから残留応力を算出する。また、表面硬さがH2の場合には、破線で示す残留応力−塑性ひずみ線図を用いて、塑性ひずみから残留応力を算出する。
Therefore, in step S101, when the surface hardness is H1, the
さらに、例えば、図9に示す複数の表面硬さに対する残留応力−塑性ひずみ線図をマップとして備え、例えば、表面硬さが硬度H1と硬度H2の場合には、補間等を用いて、そのときの硬さにおける塑性ひずみから残留応力を算出することができる。 Further, for example, a residual stress-plastic strain diagram with respect to a plurality of surface hardnesses shown in FIG. 9 is provided as a map. For example, when the surface hardness is hardness H1 and hardness H2, interpolation is used at that time. The residual stress can be calculated from the plastic strain at the hardness of.
本実施形態によれば、残留応力と同時に硬さ計測ができ、さらに表面硬さの影響を考慮して残留応力の値を補正することができるので、より精度の高い残留応力測定が可能となる。 According to the present embodiment, the hardness can be measured simultaneously with the residual stress, and the value of the residual stress can be corrected in consideration of the influence of the surface hardness, so that the residual stress can be measured with higher accuracy. .
次に、図8を用いて、本発明の各実施形態による残留応力測定装置を用いた応力改善方法について説明する。
図8は、本発明の各実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
Next, a stress improvement method using the residual stress measuring apparatus according to each embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing a residual stress measurement method using the residual stress measurement device according to each embodiment of the present invention.
本実施形態では、WJP(Water Jet Peening:ウォータージェットピーニング)により応力改善するようにしている。 In the present embodiment, the stress is improved by WJP (Water Jet Peening).
最初に、ステップS200において、図1に示した構成の残留応力測定装置を用いて、図2または図7に示した工程に従い、応力改善前の残留応力分布を測定する。 First, in step S200, the residual stress distribution before stress improvement is measured according to the process shown in FIG. 2 or FIG. 7 using the residual stress measuring apparatus having the configuration shown in FIG.
次に、ステップS210において、引張残留応力が生じていることがわかった部位、またはその可能性がある部位に対して、WJPを実施し、応力を改善する。 Next, in step S210, WJP is performed on a portion where it is found that tensile residual stress is generated or a portion where the tensile residual stress is generated, and the stress is improved.
その後、再度、ステップS220において、ステップS200と同様に、残留応力分布を測定する。 Thereafter, in step S220, the residual stress distribution is measured as in step S200.
そして、ステップS230において、ステップS200の結果とステップS220の結果を比較し、ステップS240において、応力未改善部があるかどうかを判定し、まだ未改善部があるようであれば、ステップS250において、その部位に対して再度WJPを行う。 In step S230, the result of step S200 is compared with the result of step S220. In step S240, it is determined whether or not there is an unimproved portion of stress. WJP is performed again on the part.
本実施形態によれば、残留応力の有無を見ながら、応力改善を実施することができる。
According to the present embodiment, the stress can be improved while checking the presence or absence of residual stress.
100A,100B…レーザ光照射装置
101a,101b…レーザ光発振装置
102a,102b…レーザ光拡大光学系
103a,103b…ミラー
200…レーザ干渉計測装置
300…タイミング制御装置
400…圧子押し込み装置
403…圧子荷重制御装置
500…データ処理装置
600…表示装置
700…筐体
100A, 100B ... Laser
Claims (7)
前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み装置と、
該圧子押し込み装置による前記圧子の押し込み力を制御する圧子押し込み荷重制御装置と、
前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射装置と、
該レーザ光照射装置により前記検査領域に照射される前記レーザ光を利用して圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測装置と、
該レーザ干渉計測装置により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理装置と、
該データ処理装置による残留応力測定結果を表示する表示装置とを備えることを特徴とする残留応力測定装置。 A residual stress measuring device for measuring residual stress on the surface of an inspection object,
An indenter pushing device that pushes an indenter into the inspection area of the surface of the inspection object to locally deform the inspection area;
An indenter pushing load control device for controlling the pushing force of the indenter by the indenter pushing device;
A laser beam irradiation apparatus for irradiating the inspection area with laser beam for interference measurement;
A laser interference measuring device that measures the amount of deformation in the residual stress direction before and after indenter pressing using the laser light irradiated onto the inspection region by the laser light irradiation device;
A data processing device for measuring residual stress accompanying stress release from the deformation measured by the laser interference measuring device;
A residual stress measuring device comprising: a display device for displaying a residual stress measurement result by the data processing device.
前記圧子押し込み装置は、圧子押し込み荷重を測定する圧子押し込み荷重測定手段と、圧子押し込み変位を測定する圧子押し込み変位測定手段とを備えることを特徴とする残留応力測定装置。 The residual stress measuring device according to claim 1,
The indenter pushing device comprises an indenter pushing load measuring means for measuring an indenter pushing load and an indenter pushing displacement measuring means for measuring an indenter pushing displacement.
前記圧子押し込みによる変形量から硬さを計測する硬さ計測装置を備え、
前記データ処理装置は、前記硬さ計測装置によって計測された前記検査対象物の硬さに応じて、測定する残留応力を補正することを特徴とする残留応力測定装置。 The residual stress measuring device according to claim 1,
A hardness measuring device that measures the hardness from the amount of deformation caused by pressing the indenter,
The data processing device corrects residual stress to be measured according to the hardness of the inspection object measured by the hardness measuring device.
前記圧子の形状は、残留応力測定方向に長く、前記検査対象物の表面であって前記残留応力測定方向と垂直な方向に短い形状を有することを特徴とする残留応力測定装置。 The residual stress measuring device according to claim 1,
The indenter has a shape that is long in a residual stress measurement direction and short on a surface of the inspection object and in a direction perpendicular to the residual stress measurement direction.
前記圧子押し込み装置は、前記圧子を残留応力測定方向に押し込む構造であることを特徴とする残留応力測定装置。 The residual stress measuring device according to claim 1,
The indenter pushing device has a structure in which the indenter is pushed in a residual stress measuring direction.
前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み工程と、
前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射工程と、
前記レーザ光を利用し圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測工程と、
前記レーザ干渉計測により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理工程と、
前記データ処理による残留応力測定結果を表示する表示工程を含むことを特徴とする残留応力測定方法。 In the residual stress measurement method for measuring the residual stress on the surface of the inspection object,
An indenter pushing step that pushes an indenter into the inspection area of the surface of the inspection object to cause local deformation in the inspection area;
A laser light irradiation step of irradiating the inspection area with laser light for interference measurement;
A laser interference measurement step of measuring the amount of deformation in the direction of residual stress before and after pressing the indenter using the laser beam;
A data processing step of measuring residual stress accompanying stress release from the deformation measured by the laser interferometry;
A residual stress measurement method comprising a display step of displaying a residual stress measurement result by the data processing.
残留応力緩和装置を用いて、残留応力を緩和するとともに、残留応力緩和処理の前後で残留応力の測定を行い、その差から残留応力の緩和効果を求めることを特徴とする残留応力測定方法。 The residual stress measurement method according to claim 6,
A residual stress measurement method characterized by using a residual stress relaxation device to relieve residual stress, measure residual stress before and after the residual stress relaxation treatment, and obtain a residual stress relaxation effect from the difference.
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