JP2018124244A - Portable three-axial stress measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯型３軸応力測定装置に関する。 The present invention relates to a portable triaxial stress measuring apparatus.
従来、残留応力や集中応力など結晶表面局所の応力を、Ｘ線回折を用いて計測する装置では、応力を求める方法として、簡便法としてのｓｉｎ２Ψ法や、単一斜入射Ｘ線から背面反射法で測定した回折環を利用したｃｏｓα法が多く用いられている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、ｓｉｎ２Ψ法やｃｏｓα法は、原理的に２軸の平面応力しか計測できず、深さ方向の応力も加えた３軸応力状態をテンソルとして計測することはできない。 Conventionally, in an apparatus for measuring the stress on the crystal surface such as residual stress or concentrated stress using X-ray diffraction, as a method for obtaining the stress, the sin 2 Ψ method as a simple method or the back surface from a single oblique incident X-ray is used. A cos α method using a diffraction ring measured by a reflection method is often used (for example, see Non-Patent Document 1). However, the sin 2 Ψ method and the cos α method can measure only a biaxial plane stress in principle, and cannot measure a triaxial stress state including a stress in the depth direction as a tensor.
そこで、Ｘ線回折で３軸応力計測が可能な装置として、２Ｄ法（ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ法）を用いたものがブルカー・エイエックスエス（Bruker AXS）社により開発されている（例えば、非特許文献２または１参照）。２Ｄ法では、図５に示すように、結晶試料５１を３軸周りに様々なω、Ψ、φの回転角度で回転させ、様々な組合せのω、Ψ、φの回転角度ごとに得られた回折環から求めた多数の方位ひずみに基づいて、重回帰分析を行うことで最適な３軸応力を求めることができる。しかし、この２Ｄ法を用いた装置は、大型の定置式の装置であり、測定対象の結晶試料５１を切り出して試料ステージに載せる必要があるため、加工ひずみの影響を受けやすい、長尺大型構造物には適用できない、生産ラインには組み込めない、などの問題点がある。 Thus, as a device capable of measuring triaxial stress by X-ray diffraction, a device using a 2D method (two dimension method) has been developed by Bruker AXS (for example, Non-Patent Document 2). Or see 1). In the 2D method, as shown in FIG. 5, the crystal sample 51 was rotated around the three axes at various rotation angles of ω, Ψ, and φ, and obtained at various combinations of rotation angles of ω, Ψ, and φ. An optimal triaxial stress can be obtained by performing multiple regression analysis based on a large number of azimuthal strains obtained from the diffraction ring. However, the apparatus using the 2D method is a large stationary apparatus, and it is necessary to cut out the crystal sample 51 to be measured and place it on the sample stage. There are problems such as being inapplicable to goods and not being incorporated into production lines.
これらの問題点を解決するために、測定対象の試料を動かすことなく３軸応力を求める方法として、携帯型のＸ線回折による装置を用いて、３または４方向から計測を行い、ｃｏｓα法に基づいて、３軸応力を求める応力測定方法が開発されている（例えば、特許文献１または２参照）。 In order to solve these problems, as a method of obtaining triaxial stress without moving the sample to be measured, measurement is performed from 3 or 4 directions using a portable X-ray diffraction apparatus, and the cos α method is used. Based on this, a stress measurement method for obtaining triaxial stress has been developed (see, for example, Patent Document 1 or 2).
なお、本発明者により、イメージングプレートなどの回折光受光器で検出されたＸ線の回折環のデータを、回折光受光器を回転させながら、レーザ光を照射してレーザ光照射位置と反射光強度とを検出することで読み取り、ｃｏｓα法を用いて応力を求めるＸ線回折装置が開発されている（例えば、特許文献３参照）。 In addition, the present inventor irradiates data of X-ray diffraction rings detected by a diffracted light receiver such as an imaging plate with laser light while rotating the diffracted light receiver, and the laser light irradiation position and reflected light. An X-ray diffractometer has been developed that detects the intensity and detects the stress using the cos α method (see, for example, Patent Document 3).
特許文献１または２記載の応力測定方法は、３軸応力を測定するために、Ｘ線の照射方向および回折環の検出方向を３または４回変える必要があり、そのたびにＸ線照射装置やイメージングプレートなどの回折環の検出装置を、Ｘ線の照射位置が所定の位置になり、Ｘ線の照射角度が所定の角度になるよう、正確に移動・設置させなければならない。このため、測定精度を低下させることなく測定を行うのは、現実的には非常に難しいという課題があった。 In the stress measurement method described in Patent Document 1 or 2, in order to measure triaxial stress, it is necessary to change the X-ray irradiation direction and the diffraction ring detection direction three or four times. A diffraction ring detector such as an imaging plate must be accurately moved and installed so that the X-ray irradiation position is a predetermined position and the X-ray irradiation angle is a predetermined angle. For this reason, there is a problem that it is very difficult in practice to perform measurement without reducing the measurement accuracy.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、測定精度を維持したまま、測定対象を動かすことなく容易に３軸応力を求めることができる携帯型３軸応力測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and provides a portable triaxial stress measuring apparatus that can easily obtain triaxial stress without moving a measurement object while maintaining measurement accuracy. For the purpose.
上記目的を達成するために、本発明に係る携帯型３軸応力測定装置は、測定対象に対してＸ線を照射するＸ線照射部と、前記測定対象で回折された前記Ｘ線の回折光の像である回折環を検出可能に設けられた回折受光部とを有する測定ユニットと、前記測定対象の表面に対する前記Ｘ線の照射角度が一定の状態で、前記Ｘ線を照射する前記測定対象の表面に対して垂直な軸を中心として、前記測定対象に対して前記測定ユニットを相対的に回転可能に設けられた回転機構と、前記回転機構で前記測定ユニットを相対的に回転させたときの複数の異なる回転位置で検出された前記Ｘ線の前記回折環から、前記測定対象の３軸応力を求める応力取得部とを、有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a portable triaxial stress measurement apparatus according to the present invention includes an X-ray irradiation unit that irradiates a measurement target with X-rays, and the X-ray diffracted light diffracted by the measurement target. And a measurement unit that irradiates the X-ray in a state in which the X-ray irradiation angle with respect to the surface of the measurement target is constant. A rotation mechanism provided so that the measurement unit can be rotated relative to the measurement object about an axis perpendicular to the surface of the surface, and when the measurement unit is rotated relatively by the rotation mechanism A stress acquisition unit that obtains the triaxial stress of the measurement object from the diffraction ring of the X-rays detected at a plurality of different rotational positions.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置は、回転機構により、測定対象に対して測定ユニットを相対的に回転させながら、複数の異なる回転位置で、Ｘ線の回折環を得ることができる。このとき、測定ユニットを、測定対象の表面に対するＸ線の照射角度が一定の状態で回転させるため、図５では、ωおよびΨを固定して、φの回転のみを行う場合に相当する。複数の異なるφの回転位置で得られた回折環から、応力取得部により、２Ｄ法と同様に、重回帰分析を行うことで最適な３軸応力を求めることができる。 The portable triaxial stress measurement apparatus according to the present invention can obtain X-ray diffraction rings at a plurality of different rotational positions while rotating the measurement unit relative to the measurement object by the rotation mechanism. At this time, since the measurement unit is rotated in a state where the X-ray irradiation angle with respect to the surface of the measurement target is constant, FIG. 5 corresponds to the case where ω and ψ are fixed and only the rotation of φ is performed. The optimal triaxial stress can be obtained by performing multiple regression analysis from the diffraction rings obtained at a plurality of different φ rotation positions by the stress acquisition unit, as in the 2D method.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置は、回転機構により、測定ユニットに対して測定対象を回転させてもよいが、測定対象に対して測定ユニットを回転させる方が好ましい。測定ユニットを回転させる場合には、測定対象を動かすことなく３軸応力を求めることができる。また、携帯可能に構成することにより、測定対象から試料を切り出すことなく、測定対象が存在する場所で測定を行うことができる。これにより、これまで測定が困難であった部材同士の接合部などでも測定を行うことができる。また、切り出す際に試料にかかる応力の影響を排除して、より正確な３軸応力を求めることができる。 The portable triaxial stress measuring device according to the present invention may rotate the measurement object with respect to the measurement unit by a rotation mechanism, but it is preferable to rotate the measurement unit with respect to the measurement object. When the measurement unit is rotated, the triaxial stress can be obtained without moving the measurement object. In addition, by being portable, measurement can be performed at a place where the measurement target exists without cutting out the sample from the measurement target. Thereby, it can measure also in the junction part of the members etc. which were difficult to measure until now. Further, it is possible to obtain a more accurate triaxial stress by eliminating the influence of the stress applied to the sample at the time of cutting.
また、本発明に係る携帯型３軸応力測定装置は、回転機構で測定ユニットを各測定位置まで容易に回転移動させて測定を行うことができるため、測定ユニットの設置位置のズレによる精度低下を防ぐことができ、測定精度を維持したまま、容易に３軸応力を求めることができる。 In addition, the portable triaxial stress measurement device according to the present invention can perform measurement by easily rotating the measurement unit to each measurement position with the rotation mechanism, and therefore, the accuracy is reduced due to the displacement of the installation position of the measurement unit. The triaxial stress can be easily obtained while maintaining the measurement accuracy.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置で、測定ユニットは、Ｘ線照射部と、そのＸ線照射部から照射されたＸ線による測定対象からの回折環を検出可能な回折受光部とを有するものであれば、いかなるものであってもよく、市販のＸ線応力測定装置などを利用してもよい。 In the portable triaxial stress measurement apparatus according to the present invention, the measurement unit includes an X-ray irradiation unit and a diffraction light receiving unit capable of detecting a diffraction ring from a measurement target by X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit. As long as it has, what kind of thing may be sufficient and a commercially available X-ray-stress measuring apparatus etc. may be utilized.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置で、前記Ｘ線照射部は、空冷により冷却するよう構成されていることが好ましい。この場合、水冷等で冷却を行うものと比較して、Ｘ線照射部を簡易な構成にすることができ、小型化して、より運搬しやすくすることができる。 In the portable triaxial stress measuring apparatus according to the present invention, the X-ray irradiation unit is preferably configured to be cooled by air cooling. In this case, compared with what cools by water cooling etc., an X-ray irradiation part can be made into a simple structure, can be reduced in size and can be made easier to carry.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置で、前記回折受光部は、中央部に前記Ｘ線照射部から照射されるＸ線を通過させる貫通孔を有し、前記貫通孔の中心軸を中心として回転可能に設けられた、前記回折環を検出するためのイメージングプレートと、回折された前記Ｘ線の進行方向に対して前記イメージングプレートの上流側に配置され、前記イメージングプレートを覆うよう設けられた前置プレートと、前記回転機構による回転に合わせて前記イメージングプレートを回転させる回転制御部とを有し、前記前置プレートは、前記イメージングプレートの回転の中心軸から外側に向かって伸びるよう設けられたスリットを有し、前記測定ユニットは、前記回転制御部で前記イメージングプレートを回転させながら、前記スリットを通して、前記回折環を前記イメージングプレートで検出するとともに、前記イメージングプレートで検出された前記回折環を、前記回転制御部で前記イメージングプレートを回転させながら、前記イメージングプレートから読み取るよう構成されており、前記応力取得部は、前記測定ユニットで読み取られた前記回折環のデータから、前記測定対象の３軸応力を求めるよう構成されていることが好ましい。 In the portable triaxial stress measuring apparatus according to the present invention, the diffraction light receiving unit has a through hole through which an X-ray irradiated from the X-ray irradiation unit passes in a central part, and the center axis of the through hole is the center. An imaging plate for detecting the diffraction ring provided rotatably, and disposed upstream of the imaging plate with respect to the direction of travel of the diffracted X-ray and provided to cover the imaging plate A pre-plate and a rotation control unit that rotates the imaging plate in accordance with the rotation of the rotation mechanism, and the pre-plate is provided to extend outward from a central axis of rotation of the imaging plate. The measurement unit rotates the imaging plate with the rotation control unit while passing through the slit. The diffraction ring is detected by the imaging plate, and the diffraction ring detected by the imaging plate is read from the imaging plate while the imaging plate is rotated by the rotation control unit, and the stress acquisition is performed. The unit is preferably configured to obtain the triaxial stress of the measurement target from the data of the diffraction ring read by the measurement unit.
この前置プレートを有する場合、前記スリットは、１つであってもよく、１対から成り、前記イメージングプレートの回転の中心軸に対して対称に設けられていてもよい。また、スリットは、イメージングプレートの回転の中心軸に対して、所定の中心角の範囲で扇形に形成されていることが好ましい。スリットが１つの場合、回転機構で測定ユニットを測定対象に対して相対的に回転させるときの、回折環を測定する角度間隔（図５のφの回転角度間隔）をΔφ（例えば、１５度）とすると、扇形のスリットの中心角もΔφ（１５度）とし、回転機構で測定ユニットを相対的にΔφ（１５度）ずつφの回転をさせるのに合わせて、回転制御部でイメージングプレートをΔφ（１５度）ずつ回転させる。これにより、イメージングプレートに、Δφ（１５度）ずつ、φの角度に応じた回折環の一部が露光されていく。測定ユニットを１周させると、イメージングプレートにφ１周分の回折環が露光されるため、この回折環のデータをφの角度に対応させて読み取り、重回帰分析を行うことにより、測定対象の３軸応力を求めることができる。 When the front plate is provided, the number of slits may be one, or a pair of slits may be provided symmetrically with respect to the central axis of rotation of the imaging plate. Moreover, it is preferable that the slit is formed in a fan shape in a range of a predetermined central angle with respect to the central axis of rotation of the imaging plate. When there is one slit, the angle interval for measuring the diffraction ring (rotation angle interval of φ in FIG. 5) when the measurement unit is rotated relative to the measurement object by the rotation mechanism is Δφ (for example, 15 degrees). Then, the central angle of the fan-shaped slit is also set to Δφ (15 degrees), and the rotation control unit rotates the imaging plate by Δφ (15 degrees) relative to the rotation of the measurement unit by Δφ (15 degrees). Rotate by 15 degrees. Thus, a part of the diffraction ring corresponding to the angle of φ is exposed on the imaging plate by Δφ (15 degrees). When the measurement unit is rotated once, the diffracting ring for φ1 turn is exposed on the imaging plate. Therefore, the data of this diffracting ring is read in correspondence with the angle of φ, and multiple regression analysis is performed, so that 3 Axial stress can be determined.
また、スリットが１対から成る場合、例えば、回転機構で測定ユニットを測定対象に対して相対的に回転させるときの、回折環を測定する角度間隔をΔφ（例えば、１５度）とすると、扇形のスリットの中心角をΔφ／２（７．５度）とし、回転機構で測定ユニットを相対的にΔφ（１５度）ずつφの回転をさせるのに合わせて、回転制御部でイメージングプレートをΔφ／２（７．５度）ずつ回転させる。これにより、イメージングプレートに、Δφ／２（７．５度）ずつ、φの角度に応じた回折環の一部が露光されていく。測定ユニットを１周させると、イメージングプレートにφ１周分の回折環が露光されるため、この回折環のデータを読み取り、重回帰分析を行うことにより、測定対象の３軸応力を求めることができる。また、このとき、各スリットがイメージングプレートの−η方向、＋η方向に対応するため、３軸応力を精度良く求めることができる。 Further, when the slit is composed of a pair, for example, when the angle interval for measuring the diffraction ring when the measurement unit is rotated relative to the measurement object by the rotation mechanism is Δφ (for example, 15 degrees), the sector shape The center angle of the slit is Δφ / 2 (7.5 degrees), and the rotation control unit rotates the imaging plate by Δφ (15 degrees) by Δφ (15 degrees). Rotate by 2 (7.5 degrees). Thereby, a part of the diffraction ring corresponding to the angle of φ is exposed on the imaging plate by Δφ / 2 (7.5 degrees). When the measurement unit is rotated once, the diffracting ring for φ1 turn is exposed to the imaging plate. Therefore, the triaxial stress of the measuring object can be obtained by reading the data of the diffracting ring and performing multiple regression analysis. . At this time, since each slit corresponds to the −η direction and the + η direction of the imaging plate, the triaxial stress can be obtained with high accuracy.
また、前置プレートを有する場合、測定ユニットで、イメージングプレートを回転させながらスリットを通して回折環の検出を行うため、スリット以外の部分による影響を排除することができ、高品質の回折環のデータを得ることができる。なお、測定ユニットは、特許文献３に記載のＸ線回折装置に前置プレートを取り付けて構成されていることが好ましい。 In addition, when a pre-plate is included, the measurement unit detects the diffraction ring through the slit while rotating the imaging plate, so that the influence of parts other than the slit can be eliminated, and high-quality diffraction ring data can be obtained. Can be obtained. The measurement unit is preferably configured by attaching a front plate to the X-ray diffractometer described in Patent Document 3.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置で、前記Ｘ線照射部は、直径０．１〜２ｍｍの細孔を１つ以上有するコリメータを介して前記Ｘ線を照射するよう構成されていることが好ましい。この場合、Ｘ線の強度低下を抑制しつつ、測定対象の所望の局所にＸ線を照射することができる。コリメータは、ピンホール式であってもよいが、全反射式やキャピラリー式であることが好ましい。 In the portable triaxial stress measuring apparatus according to the present invention, the X-ray irradiation unit is configured to irradiate the X-ray through a collimator having one or more pores having a diameter of 0.1 to 2 mm. Is preferred. In this case, X-rays can be irradiated to a desired local area of the measurement target while suppressing a decrease in the intensity of the X-rays. The collimator may be a pinhole type, but is preferably a total reflection type or a capillary type.
本発明に係る携帯型３軸応力測定装置は、前記測定対象の表面に対する前記Ｘ線の照射角度を調整可能に設けられた角度調整機構を有していてもよい。この場合、角度調整機構により、Ｘ線の照射角度（図５では、Ψの角度）を所望の角度に調整して、測定対象の３軸応力を求めることができる。より正確な３軸応力を得るために、Ｘ線の照射角度は、測定対象の表面に対する入射角で、３０度〜７０度であることが好ましい。 The portable triaxial stress measurement apparatus according to the present invention may have an angle adjustment mechanism provided so that the X-ray irradiation angle with respect to the surface of the measurement target can be adjusted. In this case, the angle adjustment mechanism can adjust the X-ray irradiation angle (the angle of Ψ in FIG. 5) to a desired angle to obtain the triaxial stress to be measured. In order to obtain a more accurate triaxial stress, the X-ray irradiation angle is preferably 30 to 70 degrees as an incident angle with respect to the surface of the measurement target.
本発明によれば、測定精度を維持したまま、測定対象を動かすことなく容易に３軸応力を求めることができる携帯型３軸応力測定装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the portable triaxial stress measuring apparatus which can obtain | require triaxial stress easily, without moving a measuring object, maintaining a measurement precision can be provided.
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の携帯型３軸応力測定装置を示している。
図１および図２に示すように、携帯型３軸応力測定装置１０は、携帯可能に構成され、測定ユニット１１と支持部１２と応力取得部１３とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 4 show a portable triaxial stress measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 1 and 2, the portable triaxial stress measurement device 10 is configured to be portable and includes a measurement unit 11, a support unit 12, and a stress acquisition unit 13.
図２に示すように、測定ユニット１１は、Ｘ線照射部２１と回折受光部２２とデータ読取部２３とを有している。測定ユニット１１は、市販のポータブル型Ｘ線残留応力測定装置（例えば、パルステック工業株式会社製「μ−Ｘ３６０」）を利用して構成されていてもよい。Ｘ線照射部２１は、直径０．１〜２ｍｍの細孔を１つ以上有する、複数の全反射式のコリメータを介してＸ線を照射するよう構成されている。また、Ｘ線照射部２１は、空冷により冷却するよう構成されている。 As shown in FIG. 2, the measurement unit 11 includes an X-ray irradiation unit 21, a diffraction light receiving unit 22, and a data reading unit 23. The measurement unit 11 may be configured using a commercially available portable X-ray residual stress measurement device (for example, “μ-X360” manufactured by Pulstec Industrial Co., Ltd.). The X-ray irradiation unit 21 is configured to irradiate X-rays through a plurality of total reflection type collimators having one or more pores having a diameter of 0.1 to 2 mm. Moreover, the X-ray irradiation part 21 is comprised so that it may cool by air cooling.
回折受光部２２は、Ｘ線照射部２１のＸ線の照射方向側に配置され、回転テーブル２２ａとイメージングプレート２２ｂと前置プレート２２ｃと回転制御部２２ｄとを有している。回転テーブル２２ａおよびイメージングプレート２２ｂは、同じ大きさの円盤状を成しており、それぞれ中心に貫通孔を有している。前置プレート２２ｃは、測定ユニット１１の筐体に固定され、Ｘ線照射部２１からＸ線が照射されるとき（回折環の検出時）に回転テーブル２２ａおよびイメージングプレート２２ｂの貫通孔と同軸になる貫通孔２２ｇを有している。回転テーブル２２ａ、イメージングプレート２２ｂおよび前置プレート２２ｃは、Ｘ線照射部２１からこの順番で、Ｘ線照射部２１から照射されるＸ線に対して垂直を成すよう配置されている。 The diffraction light receiving unit 22 is disposed on the X-ray irradiation direction side of the X-ray irradiation unit 21, and includes a rotation table 22a, an imaging plate 22b, a front plate 22c, and a rotation control unit 22d. The turntable 22a and the imaging plate 22b have a disk shape of the same size, and each has a through hole at the center. The front plate 22c is fixed to the housing of the measurement unit 11, and is coaxial with the through holes of the rotary table 22a and the imaging plate 22b when X-rays are irradiated from the X-ray irradiation unit 21 (when a diffraction ring is detected). It has a through hole 22g. The rotary table 22a, the imaging plate 22b, and the front plate 22c are arranged in this order from the X-ray irradiation unit 21 so as to be perpendicular to the X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit 21.
イメージングプレート２２ｂは、Ｘ線照射部２１とは反対側の回転テーブル２２ａの表面に、回転テーブル２２ａと同軸で一体的に回転可能に取り付けられている。前置プレート２２ｃは、イメージングプレート２２ｂとの間に隙間をあけて、イメージングプレート２２ｂと平行に配置されている。図３（ａ）に示すように、前置プレート２２ｃは、その中心から外側に向かって、伸びるよう設けられた１つのスリット２２ｅを有している。スリット２２ｅは、所定の中心角の範囲で扇形に形成されている。 The imaging plate 22b is attached to the surface of the rotary table 22a opposite to the X-ray irradiation unit 21 so as to be rotatable integrally with the rotary table 22a. The front plate 22c is disposed in parallel to the imaging plate 22b with a gap between the front plate 22c and the imaging plate 22b. As shown in FIG. 3A, the front plate 22c has one slit 22e provided so as to extend outward from the center thereof. The slit 22e is formed in a sector shape within a predetermined central angle range.
回転制御部２２ｄは、Ｘ線照射部２１と回転テーブル２２ａとの間に配置されている。回転制御部２２ｄは、回転テーブル２２ａおよびイメージングプレート２２ｂの各貫通孔を介して、これらを支持すると共に、これらを一体的に移動させ、データ検出位置（図２の実線の位置）とデータ読取位置（図２の二点鎖線の位置）とに位置決め可能になっている。回転制御部２２ｄは、各貫通孔の中心軸を中心として、回転テーブル２２ａを回転可能かつ、その回転角度を制御可能に構成されている。これにより、回転制御部２２ｄは、回転テーブル２２ａを介してイメージングプレート２２ｂの回転角度を制御可能になっている。回折受光部２２は、データ検出位置のときＸ線照射部２１から照射されたＸ線を通過させるよう、回転制御部２２ｄならびに、回転テーブル２２ａおよびイメージングプレート２２ｂの各貫通孔の中心を通って伸びるＸ線通過孔２２ｆを有している。これにより、回折受光部２２は、データ検出位置のときＸ線照射部２１から照射されたＸ線を、Ｘ線通過孔２２ｆから前置プレート２２ｃの貫通孔２２ｇを通して測定ユニット１１の外に照射可能になっている。 The rotation control unit 22d is disposed between the X-ray irradiation unit 21 and the rotary table 22a. The rotation control unit 22d supports these through the through holes of the rotary table 22a and the imaging plate 22b and moves them together so that the data detection position (the position indicated by the solid line in FIG. 2) and the data reading position. It can be positioned at (the position of the two-dot chain line in FIG. 2). The rotation control unit 22d is configured to be able to rotate the rotation table 22a and control the rotation angle about the central axis of each through hole. Thereby, the rotation control unit 22d can control the rotation angle of the imaging plate 22b via the rotation table 22a. The diffraction light receiving unit 22 extends through the center of each rotation hole of the rotation control unit 22d and the rotation table 22a and the imaging plate 22b so as to allow the X-rays irradiated from the X-ray irradiation unit 21 to pass at the data detection position. An X-ray passage hole 22f is provided. Thereby, the diffraction light-receiving part 22 can irradiate the X-ray irradiated from the X-ray irradiation part 21 at the data detection position to the outside of the measurement unit 11 from the X-ray passage hole 22f through the through hole 22g of the front plate 22c. It has become.
測定ユニット１１は、データ検出位置でＸ線照射部２１からＸ線通過孔２２ｆと前置プレート２２ｃの貫通孔２２ｇとを通して測定対象１に対してＸ線を照射したとき、測定対象１で回折されたＸ線の回折環を、イメージングプレート２２ｂで検出可能になっている。このとき、測定ユニット１１は、回転制御部２２ｄでイメージングプレート２２ｂを回転させながら、回折されたＸ線の進行方向に対してイメージングプレート２２ｂの上流側に配置された前置プレート２２ｃのスリット２２ｅを通して、回折環をイメージングプレート２２ｂで検出するよう構成されている。 The measurement unit 11 is diffracted by the measurement target 1 when the measurement target 1 is irradiated with X-rays from the X-ray irradiation unit 21 through the X-ray passage hole 22f and the through hole 22g of the front plate 22c at the data detection position. The X-ray diffraction ring can be detected by the imaging plate 22b. At this time, the measurement unit 11 rotates the imaging plate 22b with the rotation control unit 22d, and passes through the slit 22e of the front plate 22c disposed on the upstream side of the imaging plate 22b with respect to the traveling direction of the diffracted X-rays. The diffraction ring is configured to be detected by the imaging plate 22b.
データ読取部２３は、回転制御部２２ｄにより回転テーブル２２ａおよびイメージングプレート２２ｂをデータ読取位置に位置決めした後、データ読取部２３からレーザ光を照射し、回転制御部２２ｄにより回転テーブル２２ａを回転させるとともに移動させ、レーザ光照射位置で発生する反射光の強度を、回転角度および移動位置とともに検出する。反射光の強度はＸ線の回折光の強度に相当し、回転角度および移動位置はレーザ光照射位置であるため、反射光の強度、回転角度および移動位置は回折環のデータとなる。これにより、データ読取部２３は、イメージングプレート２２ｂで検出された回折環のデータを読み取るよう構成されている。 The data reading unit 23 positions the rotary table 22a and the imaging plate 22b at the data reading position by the rotation control unit 22d, and then irradiates laser light from the data reading unit 23, and rotates the rotation table 22a by the rotation control unit 22d. The intensity of the reflected light generated at the laser light irradiation position is detected together with the rotation angle and the movement position. The intensity of the reflected light corresponds to the intensity of the X-ray diffracted light, and the rotation angle and the movement position are the laser light irradiation positions. Therefore, the intensity of the reflection light, the rotation angle, and the movement position are data of the diffraction ring. Thereby, the data reading part 23 is comprised so that the data of the diffraction ring detected with the imaging plate 22b may be read.
測定ユニット１１は、データ検出位置においてイメージングプレート２２ｂで回折環を検出した後、回転制御部２２ｄにより回転テーブル２２ａ、イメージングプレート２２ｂおよび前置プレート２２ｃをデータ読取位置に位置決めして、イメージングプレート２２ｂで検出された回折環のデータを読み取るよう構成されている。 The measurement unit 11 detects the diffraction ring by the imaging plate 22b at the data detection position, and then positions the rotation table 22a, the imaging plate 22b, and the front plate 22c at the data reading position by the rotation control unit 22d. The data of the detected diffraction ring is read.
図１に示すように、支持部１２は、測定ユニット１１を支持可能に、支持体２４と回転機構２５と角度調整機構２６とを有している。支持体２４は、ドーム状を成しており、測定位置を覆うよう測定対象１に設置可能に構成されている。回転機構２５は、支持体２４の内部の中心部に取り付けられている。回転機構２５は、支持部１２の中心軸と一致する回転軸で、設定した回転角度に回転させることができる回転部２５ａを有している。角度調整機構２６は、細長い円弧状で、一端が回転部２５ａに固定され、他端が支持体２４の縁部に向かって伸びるように設けられた角度調整ガイドレール２６ａと、測定ユニット１１の筐体を取付可能であり、角度調整ガイドレール２６ａに沿って移動可能に設けられた角度変更部２６ｂとを有している。 As shown in FIG. 1, the support unit 12 includes a support 24, a rotation mechanism 25, and an angle adjustment mechanism 26 so that the measurement unit 11 can be supported. The support 24 has a dome shape and is configured to be installed on the measurement object 1 so as to cover the measurement position. The rotation mechanism 25 is attached to the center portion inside the support 24. The rotation mechanism 25 has a rotation unit 25a that can be rotated to a set rotation angle by a rotation axis that coincides with the central axis of the support unit 12. The angle adjustment mechanism 26 has an elongated arc shape, one end is fixed to the rotating portion 25 a, and the other end is extended toward the edge of the support 24. The angle adjustment guide rail 26 a is provided in the housing of the measurement unit 11. A body can be attached, and an angle changing portion 26b is provided so as to be movable along the angle adjusting guide rail 26a.
支持部１２は、その中心軸と測定ユニット１１から照射されるＸ線の光軸との交点が測定対象１の表面と合致するよう、角度調整機構２６の角度変更部２６ｂに測定ユニット１１が取り付けられている。支持部１２は、回転機構２５により、測定対象１の測定位置の表面に対して垂直な軸を中心として、測定対象１の測定位置の表面に対するＸ線の入射角度が一定の状態で、測定対象１に対して測定ユニット１１を回転可能に設けられている。また、支持部１２は、角度調整機構２６により、測定対象１の測定位置の表面に対するＸ線照射部２１からのＸ線の照射角度を調整可能に設けられている。これにより、測定ユニット１１から照射されるＸ線は、回転機構２５を回転させると、測定対象１の表面におけるＸ線入射点が固定されたまま、設定した入射角度で支持部１２の中心軸周りに入射方向が変化するようになっている。 The support unit 12 is attached to the angle changing unit 26b of the angle adjusting mechanism 26 so that the intersection of the center axis of the support unit 12 and the optical axis of the X-rays emitted from the measurement unit 11 coincides with the surface of the measurement target 1. It has been. The support unit 12 is measured by the rotating mechanism 25 in a state where the incident angle of the X-ray with respect to the surface of the measurement position of the measurement object 1 is constant around the axis perpendicular to the surface of the measurement position of the measurement object 1. 1, the measurement unit 11 is rotatably provided. Further, the support unit 12 is provided by an angle adjustment mechanism 26 so that the X-ray irradiation angle from the X-ray irradiation unit 21 with respect to the surface of the measurement position of the measurement object 1 can be adjusted. Thereby, when the rotation mechanism 25 is rotated, the X-rays irradiated from the measurement unit 11 are rotated around the central axis of the support portion 12 at a set incident angle while the X-ray incident point on the surface of the measurement object 1 is fixed. The incident direction changes.
図２に示すように、応力取得部１３は、コンピュータから成り、測定ユニット１１のデータ読取部２３と回転制御部２２ｄとに接続されている。応力取得部１３は、回転機構２５で測定ユニット１１を測定対象１に対して相対的に回転させたときの複数の異なる回転位置で検出され、読み取られたＸ線の回折環のデータから、測定対象１の３軸応力を求めるよう構成されている。 As shown in FIG. 2, the stress acquisition unit 13 includes a computer and is connected to the data reading unit 23 and the rotation control unit 22d of the measurement unit 11. The stress acquisition unit 13 is detected from data of X-ray diffraction rings detected and read at a plurality of different rotational positions when the measurement unit 11 is rotated relative to the measurement object 1 by the rotation mechanism 25. The triaxial stress of the object 1 is determined.
次に、作用について説明する。
携帯型３軸応力測定装置１０は、回転機構２５により、測定対象１に対して測定ユニット１１を回転させながら（図５のφの回転）、複数の異なる回転位置で、Ｘ線の回折環を得ることができる。こうして得られた複数の異なるφの回転位置での回折環から、応力取得部１３により、２Ｄ法と同様に、重回帰分析を行うことにより最適な３軸応力を求めることができる。
Next, the operation will be described.
The portable triaxial stress measurement apparatus 10 rotates the measurement unit 11 with respect to the measurement object 1 by the rotation mechanism 25 (rotation of φ in FIG. 5), and sets the X-ray diffraction ring at a plurality of different rotation positions. Can be obtained. The optimal triaxial stress can be obtained by performing multiple regression analysis in the same manner as in the 2D method by the stress acquisition unit 13 from a plurality of diffraction rings at different rotational positions of φ obtained in this manner.
具体的な一例では、携帯型３軸応力測定装置１０は、Ｘ線の照射角度を角度調整機構２６で調整し固定した状態で、回転機構２５により測定ユニット１１を回転させながら測定を行う。このとき、回転機構２５で測定ユニット１１を回転させるときの、回折環を測定する角度間隔（図５のφの回転角度間隔）を１５度とし、前置プレート２２ｃのスリット２２ｅの中心角も１５度とし、回転機構２５で測定ユニット１１を１５度ずつφの回転をさせるのに合わせて、回転制御部２２ｄでイメージングプレート２２ｂを１５度ずつ回転させる。これにより、イメージングプレート２２ｂに、１５度ずつ、φの角度に応じた回折環の一部が露光されていく。図３（ｂ）に示すように、測定ユニット１１を１周させると、イメージングプレート２２ｂにφ１周分の回折環が露光されるため、この回折環のデータをφの角度に対応させて読み取り、重回帰分析を行うことにより、最適な３軸応力を求めることができる。このように、携帯型３軸応力測定装置１０は、測定対象１を動かすことなく３軸応力を求めることができる。 In a specific example, the portable triaxial stress measurement apparatus 10 performs measurement while rotating the measurement unit 11 with the rotation mechanism 25 in a state where the X-ray irradiation angle is adjusted and fixed with the angle adjustment mechanism 26. At this time, when the measurement unit 11 is rotated by the rotation mechanism 25, the angle interval for measuring the diffraction ring (the rotation angle interval of φ in FIG. 5) is 15 degrees, and the central angle of the slit 22e of the front plate 22c is also 15. The rotation control unit 22d rotates the imaging plate 22b by 15 degrees as the rotation mechanism 25 rotates the measurement unit 11 by 15 degrees by 15 degrees. Thereby, a part of the diffraction ring corresponding to the angle of φ is exposed to the imaging plate 22b by 15 degrees. As shown in FIG. 3 (b), when the measurement unit 11 is rotated once, the imaging plate 22b is exposed to a diffracting ring of φ1 lap, so the data of this diffracting ring is read corresponding to the angle of φ, By performing multiple regression analysis, the optimal triaxial stress can be obtained. As described above, the portable triaxial stress measuring apparatus 10 can obtain the triaxial stress without moving the measuring object 1.
また、携帯型３軸応力測定装置１０は、測定対象１から試料を切り出すことなく、測定対象１が存在する場所で測定を行うことができる。これにより、切り出す際に試料にかかる応力の影響を排除して、より正確な３軸応力を求めることができる。また、これまで測定が困難であった溶接やロウ付けの界面等の部材同士の接合部、き裂の先端などでも測定を行うことができる。こうして、携帯型３軸応力測定装置１０は、生産ラインの歩留り向上や、橋梁、トンネル、原子力発電所などのインフラの寿命診断に利用することができる。 In addition, the portable triaxial stress measurement device 10 can perform measurement at a place where the measurement target 1 exists without cutting a sample from the measurement target 1. Thereby, the influence of the stress applied to the sample when cutting out can be eliminated, and more accurate triaxial stress can be obtained. Measurement can also be performed at a joint between members such as a welding or brazing interface, a crack tip, and the like, which have been difficult to measure. Thus, the portable triaxial stress measuring device 10 can be used for improving the yield of production lines and diagnosing the life of infrastructure such as bridges, tunnels, and nuclear power plants.
また、携帯型３軸応力測定装置１０は、回転機構２５でＸ線入射点を固定したまま測定ユニット１１を各測定位置まで容易に回転移動させて測定を行うことができるため、測定ユニット１１の設置位置のズレによる精度低下を防ぐことができ、測定精度を維持したまま、容易に３軸応力を求めることができる。また、角度調整機構２６により、Ｘ線の照射角度（図５のΨの角度）を所望の角度に調整して、測定対象１の３軸応力を求めることもできる。 Further, since the portable triaxial stress measurement apparatus 10 can perform measurement by easily rotating the measurement unit 11 to each measurement position while the X-ray incident point is fixed by the rotation mechanism 25, the measurement unit 11 It is possible to prevent a decrease in accuracy due to the displacement of the installation position, and it is possible to easily obtain the triaxial stress while maintaining the measurement accuracy. The triaxial stress of the measuring object 1 can also be obtained by adjusting the X-ray irradiation angle (angle of Ψ in FIG. 5) to a desired angle by the angle adjusting mechanism 26.
携帯型３軸応力測定装置１０は、測定ユニット１１で、イメージングプレート２２ｂを回転させながらスリット２２ｅを通して回折環の検出を行うため、スリット２２ｅ以外の部分による影響を排除することができ、高品質の回折環のデータを得ることができる。また、携帯型３軸応力測定装置１０は、Ｘ線照射部２１が空冷であるため、水冷で冷却を行うものと比較して、Ｘ線照射部２１を簡易な構成にすることができ、小型化して、より運搬しやすくすることができる。 Since the portable triaxial stress measuring device 10 detects the diffraction ring through the slit 22e while rotating the imaging plate 22b in the measurement unit 11, it is possible to eliminate the influence of the portion other than the slit 22e, and the high quality Diffraction ring data can be obtained. Moreover, since the X-ray irradiation unit 21 is air-cooled, the portable triaxial stress measurement device 10 can be configured to have a simpler configuration than the one that performs cooling by water cooling, and is compact. To make it easier to transport.
なお、図３（ｃ）に示すように、前置プレート２２ｃのスリット２２ｅは、１対から成り、前置プレート２２ｃの中心に対して対称に設けられていてもよい。この場合、例えば、回転機構２５で測定ユニット１１を回転させるときの、回折環を測定する角度間隔を１５度としたとき、前置プレート２２ｃの各スリット２２ｅの中心角を７．５度とし、回転機構２５で測定ユニット１１を測定対象１に対して相対的に１５度ずつφの回転をさせるのに合わせて、回転制御部２２ｄでイメージングプレート２２ｂを７．５度ずつ回転させる。これにより、イメージングプレート２２ｂに、７．５度ずつ、φの角度に応じた回折環の一部が露光されていく。測定ユニット１１を１周させると、イメージングプレート２２ｂにφ１周分の回折環が露光されるため、この回折環のデータをφの角度に対応させて読み取り、重回帰分析を行うことにより、測定対象１の３軸応力を求めることができる。また、このとき、各スリット２２ｅがイメージングプレート２２ｂの−η方向、＋η方向に対応するため、３軸応力を精度良く求めることができる。 In addition, as shown in FIG.3 (c), the slit 22e of the front plate 22c may consist of 1 pair, and may be provided symmetrically with respect to the center of the front plate 22c. In this case, for example, when the angle interval for measuring the diffraction ring when the measurement unit 11 is rotated by the rotation mechanism 25 is 15 degrees, the central angle of each slit 22e of the front plate 22c is 7.5 degrees, The rotation control unit 22d rotates the imaging plate 22b by 7.5 degrees in accordance with the rotation mechanism 25 rotating the measurement unit 11 by 15 degrees relative to the measurement object 1 by 15 degrees. Thereby, a part of the diffraction ring corresponding to the angle of φ is exposed to the imaging plate 22b by 7.5 degrees. When the measurement unit 11 is turned once, the imaging plate 22b is exposed to a diffracting ring for φ1 turn. The data of the diffracting ring is read corresponding to the angle of φ, and a multiple regression analysis is performed. 1 triaxial stress can be obtained. At this time, since each slit 22e corresponds to the −η direction and the + η direction of the imaging plate 22b, the triaxial stress can be obtained with high accuracy.
また、携帯型３軸応力測定装置１０は、前置プレート２２ｃを有していなくてもよい。この場合、回転機構２５で測定ユニット１１を回転させたときの、回折環を測定する各回転位置で、それぞれ１つの回折環が検出されるため、各回転位置で回折環を検出するごとに回折環のデータを読み取る。測定ユニット１１を１周させると、１周分の複数の回転位置に対応する複数の回折環のデータが得られるため、その複数の回折環のデータに基づいて、測定対象１の３軸応力を求めることができる。 Moreover, the portable triaxial stress measuring device 10 may not have the front plate 22c. In this case, one diffraction ring is detected at each rotation position at which the diffraction ring is measured when the measurement unit 11 is rotated by the rotation mechanism 25. Therefore, diffraction is performed each time a diffraction ring is detected at each rotation position. Read ring data. When the measurement unit 11 is rotated once, data of a plurality of diffraction rings corresponding to a plurality of rotation positions for one rotation is obtained. Based on the data of the plurality of diffraction rings, the triaxial stress of the measurement object 1 is calculated. Can be sought.
携帯型３軸応力測定装置１０を使用して、ＳＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）の円柱状の試料に対し、３軸応力の測定を行った。ＳＣＭ４２０の試料には、熱処理により一方の表面にあらかじめ残留圧縮応力を付加してあり、その残留圧縮応力の測定を行った。測定は、試料の表面に対するＸ線の入射角度が、２５度〜７５度までの複数の角度について行い、それぞれの角度で３軸応力を求めた。このとき、各入射角での回転角を１５度とした。残留圧縮応力の測定結果を、表１および図４に示す。表１には、Ｘ線の入射角度が２５度、３５度、４５度、６５度のときの３軸応力を示す。また、図４には、表面の残留応力σｘｘのみを示す。 Using the portable triaxial stress measuring apparatus 10, triaxial stress was measured on a cylindrical sample of SCM420 (chromium molybdenum steel). Residual compressive stress was previously applied to one surface of the SCM420 sample by heat treatment, and the residual compressive stress was measured. The measurement was performed at a plurality of angles where the incident angle of X-rays on the surface of the sample was 25 degrees to 75 degrees, and triaxial stress was obtained at each angle. At this time, the rotation angle at each incident angle was set to 15 degrees. The measurement results of the residual compressive stress are shown in Table 1 and FIG. Table 1 shows triaxial stresses when the incident angles of X-rays are 25 degrees, 35 degrees, 45 degrees, and 65 degrees. FIG. 4 shows only the surface residual stress σ xx .
なお、比較のため、同じ試料に対して、ブルカー・エイエックスエス（Bruker AXS）社製の定置式のＸ線応力測定装置を用いて、２Ｄ法で３軸応力を求めた結果を、表１および図４に示す。また、ｓｉｎ２Ψ法で表面応力を求めた結果を、図４に示す。 For comparison, Table 1 shows the results of triaxial stress obtained by the 2D method using a stationary X-ray stress measuring device manufactured by Bruker AXS for the same sample. And shown in FIG. Moreover, the results of obtaining the surface stress in sin 2 [psi method, shown in FIG.
図４に示すように、携帯型３軸応力測定装置１０から得られた残留応力σｘｘは、他の方法で得られたものと近い値を示していることが確認された。携帯型３軸応力測定装置１０では、Ｘ線の照射角度τを３０度〜７０度の範囲にするのがよいと考えられる。 As shown in FIG. 4, it was confirmed that the residual stress σ xx obtained from the portable triaxial stress measuring apparatus 10 showed a value close to that obtained by other methods. In the portable triaxial stress measuring apparatus 10, it is considered that the X-ray irradiation angle τ should be in the range of 30 to 70 degrees.
１ 測定対象
１０ 携帯型３軸応力測定装置
１１ 測定ユニット
２１ Ｘ線照射部
２２ 回折受光部
２２ａ 回転テーブル
２２ｂ イメージングプレート
２２ｃ 前置プレート
２２ｄ 回転制御部
２２ｅ スリット
２２ｆ Ｘ線通過孔
２２ｇ 貫通孔
２３ データ読取部
１２ 支持部
２４ 支持体
２５ 回転機構
２５ａ 回転部
２６ 角度調整機構
２６ａ 角度調整ガイドレール
２６ｂ 角度変更部
１３ 応力取得部
５１ 結晶試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measurement object 10 Portable triaxial stress measuring device 11 Measurement unit 21 X-ray irradiation part 22 Diffraction light-receiving part 22a Rotating table 22b Imaging plate 22c Pre-plate 22d Rotation control part 22e Slit 22f X-ray passage hole 22g Through-hole 23 Data reading Unit 12 support unit 24 support unit 25 rotation mechanism 25a rotation unit 26 angle adjustment mechanism 26a angle adjustment guide rail 26b angle change unit 13 stress acquisition unit
51 Crystal sample
Claims (6)
前記測定対象の表面に対する前記Ｘ線の照射角度が一定の状態で、前記Ｘ線を照射する前記測定対象の表面に対して垂直な軸を中心として、前記測定対象に対して前記測定ユニットを相対的に回転可能に設けられた回転機構と、
前記回転機構で前記測定ユニットを相対的に回転させたときの複数の異なる回転位置で検出された前記Ｘ線の前記回折環から、前記測定対象の３軸応力を求める応力取得部とを、
有することを特徴とする携帯型３軸応力測定装置。 A measuring unit having an X-ray irradiating unit that irradiates a measuring object with X-rays, and a diffraction light receiving unit provided to detect a diffraction ring that is an image of the diffracted light of the X-ray diffracted by the measuring object When,
With the X-ray irradiation angle with respect to the surface of the measurement object being constant, the measurement unit is relative to the measurement object around an axis perpendicular to the surface of the measurement object that irradiates the X-ray. A rotation mechanism provided to be rotatable,
A stress acquisition unit for obtaining triaxial stress of the measurement object from the diffraction rings of the X-rays detected at a plurality of different rotation positions when the measurement unit is relatively rotated by the rotation mechanism;
A portable triaxial stress measuring device comprising:
前記前置プレートは、前記イメージングプレートの回転の中心軸から外側に向かって伸びるよう設けられたスリットを有し、
前記測定ユニットは、前記回転制御部で前記イメージングプレートを回転させながら、前記スリットを通して、前記回折環を前記イメージングプレートで検出するとともに、前記イメージングプレートで検出された前記回折環を、前記回転制御部で前記イメージングプレートを回転させながら、前記イメージングプレートから読み取るよう構成されており、
前記応力取得部は、前記測定ユニットで読み取られた前記回折環のデータから、前記測定対象の３軸応力を求めるよう構成されていることを
特徴とする請求項１または２記載の携帯型３軸応力測定装置。 The diffractive light-receiving unit has a through-hole through which X-rays emitted from the X-ray irradiator pass at the center, and detects the diffractive ring provided to be rotatable about the central axis of the through-hole. An imaging plate, a front plate disposed upstream of the imaging plate with respect to the direction of travel of the diffracted X-ray, and provided so as to cover the imaging plate; A rotation control unit for rotating the imaging plate
The front plate has a slit provided to extend outward from a central axis of rotation of the imaging plate,
The measurement unit detects the diffraction ring with the imaging plate through the slit while rotating the imaging plate with the rotation control unit, and detects the diffraction ring detected with the imaging plate with the rotation control unit. It is configured to read from the imaging plate while rotating the imaging plate at
The portable triaxial according to claim 1 or 2, wherein the stress acquisition unit is configured to obtain a triaxial stress of the measurement target from data of the diffraction ring read by the measurement unit. Stress measuring device.
The portable triaxial stress measuring device according to any one of claims 1 to 5, further comprising an angle adjusting mechanism provided so as to adjust an irradiation angle of the X-ray with respect to the surface of the measurement target.
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