JP3940540B2

JP3940540B2 - 残留応力測定方法及び装置

Info

Publication number: JP3940540B2
Application number: JP2000038194A
Authority: JP
Inventors: 則彦小澤
Original assignee: 日立協和エンジニアリング株式会社
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: JP2001221697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般の産業機器の部材表面に存在する残留応力の測定に係り、特に非破壊かつ簡便に残留応力を計測するのに好適な方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の残留応力測定方法としては、抵抗線ひずみゲージを測定対象部材表面に貼り付けた後、該部材の測定位置周辺を切断することで残留応力を開放し、開放前後のひずみの変化から測定する方法、あるいは、ひずみゲージ近傍を穿孔して、測定対象物の残留ひずみを部分的に開放したときの変化から、残留応力を測定するものがある。
【０００３】
また、特開平５−７２０５６号公報には共振法による薄板の音弾性応力測定方法についての記載がある。これは共振周波数を振動子の共振周波数に近い共振モードにして薄板の応力を測定するもので、振動子を試験片に接着せずに測定できるから試験片の音響結合層の影響が無視できる方法である。
【０００４】
また、特開６４−６８６２８号公報には、金属板（測定部材）全体を振動させ、その時検出される振動信号の周波数分析をおこない、その周波数成分量から残留応力を求める方法が記載されている。
【０００５】
その他に、非破壊検査手法の一つとして一般的にはX線を用いた残留応力測定方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の抵抗線ひずみゲージによる残留応力測定の問題点は、測定対象部材の一部を破壊してしまうことにある。試験片の応力測定等の場合はよいが、製品としての完成品に適用することは出来ないし、製品の製作工程の途中や、完成品に対して穿孔による測定方法を適用した場合は、穿孔部を補修しなければならない。しかし補修によって新たな残留応力を発生するおそれがある。さらに、ひずみゲージを用いた穿孔による方法では十分残留応力が開放されない場合もあり正確な残留応力の測定は難しい。さらに残留応力の測定には歪みゲージを人の手で貼り付けなければいけないこと、ひずみゲージの貼り付け、接続、解析には豊富な経験と知識を必要とするなどの問題がある。
【０００７】
また上記の薄板共振法による音弾性応力測定方法では、完成品に適用できない問題がある。従来技術の測定部材全体を振動させて残留応力を求める方法では、測定部材全体の残留応力が求められ、製品の局部的な残留応力の値を求めることはできない。
【０００８】
また、X線残留応力測定法は非破壊ではあるが装置が大型であり複雑な形状の測定が困難である。また、X線スペクトルのピークが重複するような場合は、測定できないことがある。残留応力の測定に対して要求される課題は、（１）非破壊で測定が可能なこと、（２）小型軽量で操作が簡単なこと、（３）部材局部の残留応力の測定が可能なこと、（４）無人測定が可能なこと、（５）遠隔操作が可能なこと、（６）測定時間が短いこと、などがあげられる。
【０００９】
本発明の目的は上述の問題を解決し、完成品にも適用でき、非破壊かつ簡便なやり方で、製品の残留応力を局部的に測定できる残留応力測定方法およびその装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため本発明では、残留応力測定対象部材に衝撃波を与え、それによって生ずる表面波振動信号から残留応力を測定するものである。具体的には、残留応力測定位置近傍に衝撃荷重を与え、該衝撃荷重が与えられた表面側近傍の該部材の表面波振動信号を検出し、該検出された前記表面波振動信号の振幅減衰比、該表面波振動信号の周期と残留応力がない場合の該表面波振動信号の周期との比、及び該表面波振動信号の平均振幅と残留応力がない場合の該表面波振動信号の平均振幅との比のいずれかから当該部材の該測定位置における残留応力を求めることを特徴とする。
該検出された該表面波振動信号の特定の周波数における振幅と該周波数における残留応力がない場合の振幅との比から残留応力を求めることが好ましい。
【００１１】
また残留応力測定装置の構成は、残留応力測定対象部材の測定位置近傍に衝撃荷重を加える表面波発生手段と、該衝撃荷重が与えられた表面側近傍の該部材の表面波振動信号を検出する表面波振動計測手段と、該検出された前記表面波振動信号の振幅減衰比、前記表面波振動信号の周期と残留応力がない場合の該表面波振動信号の周期との比で表される周期比、及び該表面波振動信号の平均振幅と残留応力がない場合の該表面波振動信号の平均振幅との比で表される振幅比のいずれかの比を演算する振動解析手段と、あらかじめ演算記憶しておいた残留応力と該減衰比、周期比及び振幅比のいずれかとの関係を参照して当該部分の残留応力を求める残留応力測定解析手段と、を有することを特徴とする。
該表面波発生手段と表面波振動計測手段とは本体ケース内に一体に構成したことが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
外力によって構造物に衝撃を与えると、それに伴う振動は残留応力によって、減衰挙動に相違が生じる。そのため、残留応力の存在する部材と残留応力がない部材とでは、振動波形を比較することで残留応力を求めることが出来る。振動を発生させる外力は、波形を観察できる程度の微小な外力ですむため、部材を損傷させずに済むから非破壊で測定が可能である。
【００１３】
本発明は、上述のように与えた外力に対する部材の振動の変化に着目したものである。振動を発生させるためには、測定位置近傍に衝撃荷重を与え、部材の表面に表面波を発生させる。この時の表面波を測定部に取付けた加速度計あるいは変位計などで測定し、残留応力を測定する。
【００１４】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明による測定の機能構成図である。測定部材１００は残留応力を測定する部材であって装置としての完成品あるいは試験片の場合もある。表面波発生手段１０１は外部から部材１００に表面波を発生させるために衝撃荷重を加える手段であり、具体例は後述する。振動測定手段１０２は前記表面波発生手段１０１によって発生した振動（表面波）を測定する手段で加速度センサあるいは変位センサなどが用いられる。測定手段は部材１００に例えば接着剤などにより取り付けられる。本発明は振動計測手段１０２による測定結果から残留応力を検知する。
【００１５】
防振材１０６は、表面波発生手段１０１から印加された衝撃によって発生した振動が、本体ケース１０４を経由して直接振動計測手段１０２に伝わることを防ぐものである。すなわち、１０６は測定部材１００に発生した表面波だけを高精度に測定出来るようにする防振材である。また、駆動部本体１０５、本体ケース１０４内部に防振材を充填することで、防振材１０６と表面波発生手段１０１、振動計測手段１０２の直接的な干渉をなくして一体構造とし、小型軽量化をはかることができる。１０３は着脱用ベース、１１１は弾性体で、表面波発生手段１０１や振動計測手段１０２の、部材表面１００への加圧固定のための弾性部材を表わしている。
【００１６】
１１２は振動測定用リード線、１１３は表面波発生手段１０１を励磁制御するための信号を与えるリード線、１１４はサーボモータ１０８へ駆動用信号を与えるためのリード線である。１０７はサーボモータの取り付け支柱であり、１０９はサーボモータ用ギア、１１０は駆動部本体用ギアである。このサーボモータ１０８は主制御部１２２からの制御信号１３２による駆動制御手段１１５によって制御される。サーボモータ１０８を駆動することによって測定部材１００に対する駆動部本体の相対位置を変えることができる。すなわち表面波発生手段１０１と振動計測手段１０２とを対にし両者の位置関係を保ったまま、残留応力の測定部分の変更をおこなうことができる。
【００１７】
また主制御部１２２からの制御信号１３４により表面波発生制御手段１１６により表面波発生手段１０１に衝撃発生のための制御信号をリード線１１３を介して供給する。
【００１８】
この衝撃によって発生した振動信号は振動計測手段１０２によって計測され、振動信号は振動信号処理手段１１７に入力され信号処理を行なった上で信号１４６として振動解析装置１１８に入力される。表面波発生制御装置１１６からの同期信号１３６とから、振動信号の解析が行なわれる。残留応力測定解析装置１１９では、振動解析装置１１８からの信号１４０と応力解析のためのパラメータ（例えば材料定数等）信号１３８などから、測定部材１００の残留応力が決定される。また残留応力がない場合の周波数特性や表面波振動信号の周期などをあらかじめ材料ごとに記憶しておいて、材料に応じて選択参照し、残留応力を求める。１２０はその結果を記憶しておくデータバンク、１２１はデータバンク１２０のデータを用いて表示を行なう表示装置である。
【００１９】
また、図２の（Ａ），（Ｂ）、（Ｃ）は前記表面波発生手段１０１の実施例を示している。図２（Ａ）、（Ｂ）は表面波発生手段１０１として圧伝素子２０１を用い電圧を印加して部材１００を加振する場合を示している。いわば電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換して、部材に衝撃を与える例である。その場合の圧子素子２０１の形状として球状圧子２０２を用いた場合（Ａ）と、円錐状圧子２０３を用いた場合（Ｂ）を示している。円錐状圧子２０３の方が局部的に加振できるが、部材の材質によっては疵が付くおそれもあるので、材質と測定部位によって使い分ける必要がある。図２（Ｃ）は弾性体２０４を用いて弾性体用球状圧子２０５、または弾性体用円錐状圧子２０６を部材に衝突させる場合を示し、圧子の衝突によって部材表面に表面波を発生させる。これは弾性体の弾性エネルギーを利用して衝撃を与える例である。
【００２０】
図３（ａ）〜（ｃ）は図2（Ｃ）の場合の、弾性体と球状圧子による表面波ＳＷの発生過程の略図を示す。図３の（ａ）は、球状圧子衝突前を、同図（ｂ）は、衝突の瞬間の図で、測定部材表面のＳ部に塑性変形が起き振動が発生する。同図（ｃ）は球状圧子２０５の衝突によって表面波ＳＷが発生した状態を示し、着脱用ベース１０３の地点で反射し、折り返し波が発生している場合の略図を示している。表面波ＳＷは着脱用ベース１０３によって外部に漏れることがない。また外部に存在する振動の影響を内部に取り込むことがない。したがって、外部振動の影響を受け難く、信頼性の高い振動計測が出来る。
【００２１】
前述のように衝撃に伴う表面波振動信号を、振動計測手段102（加速度計または変位計など）で振動を計測する。微弱な振動を計測できるものであればよいが、折り返し波が重畳されると測定制度精度の悪化の原因となる場合がある。したがって、振動信号の解析には、図3（Ｃ）にその例を示したが、折り返し振動波形が重畳されるまでの期間の表面波信号を、残留応力検出信号として用いる。
【００２２】
図４は表面波発生手段１０１による衝撃に伴う振動信号と、振動計測手段１０２で検出された信号との関係を表わしている。図4の（ａ）は表面波発生器101で与えた衝撃信号を、図4（ｂ）はそのとき振動計測手段１０２で計測され信号処理（例えば高調波除去など）された表面波の振動信号波形を示している。横軸は時間ｔ、縦軸は振幅ｘである。この表面波は測定部材内部でエネルギーを消費するため減衰挙動を示す。点線は残留応力のないときで、包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）とともに示している。これに対して残留応力が存在しているときは実線のようになる。両者の包絡線から明らかなように、残留応力が存在するときは振動信号の振幅の減衰が小さい。これに対して残留応力がないときは衝撃が加えられた瞬時の振動信号の振幅が大きく、減衰も早い。この振動信号の振幅の減衰、すなわち衝撃波が加えられたときの最初の最大振幅値と次のサイクルの最大振幅値との比などから減衰比を求めると、減衰比が小さいほど残留応力が大きいことを実験により確かめた。減衰比と残留応力の関係の実験例を図5に示す。図5のデータから最小二乗法で近似式を求めることで、減衰比と残留応力の関係を定式化することができる。部材の材料ごとにあらかじめ図5の特性を測定し、残留応力解析装置１１９に記憶しておいて、部材に応じて選択参照すれば振幅減衰比からその部材の残留応力の大きさを判断することができる。
【００２３】
なお最大振幅値の減衰比は上記のように最大振幅値と次サイクルの振幅値と比較してもいいし、順番に移動し次サイクルの最大振幅値との減衰比を複数回求め、平均化処理をおこない減衰比を求める方法であってもよい。減衰比が小さい場合は、最初の最大振幅値とあらかじめ定めたサイクル後の最大振幅値との比から減衰比を求める方法であってもよい。基準となる定式化もそれに応じてあらかじめ用意しておけばよい。
【００２４】
振動信号の振幅ｘの式を参考までに図4の（ｂ）に示したが残留応力がない場合とある場合の一般式は（1）、（２）式によって表される。
【００２５】
ｘ_ｏ＝σ_ｏｅ^- ^β _ｏ ^ωｔ ………（１）
ｘ_Ｒ＝σ_Ｒｅ^- ^β _Ｒ ^ωｔ ………（２）
σ_ｏは残留応力がない場合の定数、σ_Ｒは残留応力が存在する場合の定数である。そしてβは減衰特性を表していて、部材によって減衰特性が違ってくる。βは部材によって決まる減衰定数である。β_Ｒは残留応力がある場合、βｏは残留応力がない場合である。
【００２６】
また、表面波の周期も残留応力の大きさによって変化することが、実験により確かめられている。したがって、残留応力は、表面波振動信号の周期μの変化でも求めることができる。図4（ｂ）に示したように、残留応力がある場合の周期をμ_Ｒ、残留応力がない場合の周期をμ_ｏとしその周期比、μ_Ｒ/μ_ｏと残留応力との関係を図7に示す。周期比が大きいときは残留応力も大きい。したがって図7の関係から、検出された表面波振動信号の周期に着目しても残留応力を知ることができる。
【００２７】
図４（Ｃ）は、衝撃波に対する周波数応答を示している。ここで点線の場合は残留応力あり、実線は残留応力なしの場合を示している。横軸は周波数Ｈｚ、縦軸は平均振幅ｄを表している。低周波数領域であるf₁は、測定部材がもつ固有振動数である。高周波数領域であるf_Rは表面波の振動周波数である。ここでｆ_Rはｆ₁の次に現れるピーク値に対応する周波数である。ｆ_Rにおける平均振幅は残留応力があるときｄ_R、残留応力がないときの平均振幅をｄ_ｏとする。その比ｄ_R/ｄ_oと残留応力の関係は図6のような関係にある。平均振幅の比と残留応力は、相関関係があり、最小二乗法で近似式を求めることで、ｄ_R/ｄ_o と残留応力の関係を定式化できる。
【００２８】
したがって、図6の関係から残留応力を求めることができる。すなわちｄ_R/ｄ_oが大きいとき、残留応力が大きい。また、図4（Ｃ）ではｆ_１（共振周波数）の次に振幅がピーク値となる周波数ｆ_Ｒにおけるｄ_R/ｄ_oをみているが、これに限るものではない。さらに周波数が高いところであっても、残留応力の有無によってまたその大きさによって残留応力との関係が把握できれば、その特性を用いて残留応力を把握することができる。
【００２９】
また、これらの一連のデータ処理はマイコンによって行なうことが出来る。その処理フローを図８に示す。これは図1の一点鎖線で示した部分３００をマイコンによって実施した場合の例である。ステップ３０２では材質や経験によってあらかじめ定められた衝撃波を選択し、衝撃波発生制御のための制御信号を決定し表面波発生手段に印加し衝撃波を発生させる。ステップ３０４では衝撃波による測定部材１００の表面波振動信号を振動測定手段１０２によって検出しその検出信号をあらかじめ定められた時間分取り込む。ステップ３０６ではその後の信号処理を行ない易くするために例えば高調波のスムージング処理などを行なうことにより、図4（ｂ）に示したような信号にし、減衰特性あるいは周期が把握できるようにする。ステップ３０８では図4（ｂ）信号から例えば減衰比（β）、周期比（μ_Ｒ／μ_ｏ）あるいは周波数特性の分析結果からｆ_Ｒにおける振幅比（ｄ_Ｒ／ｄ_ｏ）を演算する。ステップ３１０ではあらかじめ求めら記憶されている定式化特性直線（あるいは曲線、例えば図5〜７）を参照し残留応力を算定する。ステップ３１２ではそれらのデータを記憶するとともに、表示部１２１で表示する。この場合、定式化特性直線とともに表示することもできる。またマイコンからは、サーボモータ１０８への回転制御信号も発生させ、残留応力の測定方向を変えることができる。
【００３０】
また測定対象部材であるが、残留応力測定部は平滑面ばかりではない。図９は溶接継ぎ手部の残留応力測定の場合を示していて、測定部位が傾斜している例である。図１の着脱用ベース１０３を取り外し図９に示す着脱用ベース７０１と取り替えることで多種表面形状の部位で測定することができる。
【００３１】
また、サーボモータ１０８を駆動源としてギャ１０９からギャ１１０へトルクを伝え本体ケース内部を回転させることで、表面波発生手段１０１と振動計測手段１０２とを対にしたまま方向を変えて任意の方向の残留応力測定も容易に行なう事ができる。
【００３２】
また、図１０に示すように表面波発生器１０１を中心とした円周上に複数の振動計測手段１０２−１、１０２−２、１０２−３を取付け、同時に複数方向の残留応力を求めることもできる。振動測定用リード線１１２−１、１１２−２、１１２−３、により振動計測信号を取り込んで順次信号処理をおこない、残留応力を求めることができる。
【００３３】
残留応力計測のために計測手段本体一度セットすれば遠隔制御によって衝撃波の印加、表面波の計測、解析を行うことができる。計測手段本体を小型に形成できるし、局部的な残留応力の計測も可能であり非破壊計測ができる。
【００３４】
【発明の効果】
これまでの説明で明らかなように、本発明によれば、非破壊で簡便に、且つ、無人遠隔操作で、製品の残留応力を局部的に測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による機能ブロック構成図と振動計測部の部分断面を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による残留応力測定装置の振動を発生する圧子先端の例を示す図である。
【図３】本発明の一実施例による残留応力測定における衝撃の印加と表面波の発生状況を示す図である。
【図４】本発明の一実施例による残留応力測定方法の原理説明のための振動信号の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施例による残留応力測定における振幅減衰比（β）と残留応力との関係を示した図である。
【図６】本発明の一実施例による残留応力測定における周波数応答で求めた振幅比（ｄ_R/ｄ₁）と残留応力との関係を示した図である。
【図７】本発明の一実施例による残留応力測定における振動信号の周期比（μ_Ｒ／μ_ｏ）と残留応力との関係を示した図である。
【図８】本発明をマイコンにより実施した場合の概略フローチャートである。
【図９】本発明の一実施例による傾斜面に適用した残留応力測定における部分的断面を示した図である
【図１０】表面波発生手段一個に対して振動計測手段を複数設けて計測する場合の実施例を説明するための略図である。
【符号の説明】
１００…測定部材、１０１…表面波発生手段、１０２…振動計測手段、１０３…着脱用ベース、１０４…本体ケース、１０５… 駆動部本体、１０６… 防振材、１０７…サーボモータ用取り付け支柱、１０８…サーボモータ、１０９…サーボモータ用ギャ、１１０…駆動部本体用ギャ、１１１…弾性体、１１２…振動測定器用リード線、１１３…励振用リード線、１１４… サーボモータ用リード線、１１５…駆動制御装置、１１６…表面波発生制御装置、１１７…振動信号処理手段、１１８…振動解析装置、１１９…残留応力測定解析装置、１２０…データバンク、１２１…表示手段、１２２…主制御部、１３２…サーボモータ駆動制御信号、１３４…表面波発生制御信号、１３６…同期信号、１４６…振動信号、２０１…圧電素子、２０２…圧電素子用球状圧子、２０３…圧電素子用円錐状圧子、２０４…弾性体、２０５…弾性体用球状圧子、２０６…球状円錐状圧子、７００…溶接構造物の測定部材、７０１…溶接構造物用着脱用ベース。

Claims

残留応力測定対象部材の測定位置近傍に衝撃荷重を与え、該衝撃荷重が与えられた表面側近傍の該部材の表面波振動信号を検出し、該検出された前記表面波振動信号の振幅減衰比、該表面波振動信号の周期と残留応力がない場合の該表面波振動信号の周期との比、及び前記表面波振動信号の平均振幅と残留応力がない場合の該表面波振動信号の平均振幅との比のいずれかから該測定位置における残留応力を求めることを特徴とする残留応力測定方法。
請求項１において、該検出された該表面波振動信号の特定の周波数における振幅と該周波数における残留応力がない場合の振幅との比から残留応力を求めることを特徴とする残留応力測定方法。
残留応力測定対象部材の測定位置近傍に衝撃荷重を加える表面波発生手段と、該衝撃荷重が与えられた表面側近傍の該部材の表面波振動信号を検出する表面波振動計測手段と、該検出された前記表面波振動信号の振幅減衰比、前記表面波振動信号の周期と残留応力がない場合の該表面波振動信号の周期との比で表される周期比、及び前記表面波振動信号の平均振幅と残留応力がない場合の該表面波振動信号の平均振幅との比で表される振幅比のいずれかの比を演算する振動解析手段と、あらかじめ演算記憶している該減衰比、周期比及び振幅比のいずれかと残留応力との関係から当該部分の残留応力を判定する残留応力測定解析手段と、を有することを特徴とする残留応力測定装置。
前記請求項３において、該表面波発生手段と表面波振動計測手段とは本体ケース内に一体に構成したことを特徴とする残留応力測定装置。