JP5528395B2 - Thin plate stress measuring method and measuring apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、レーザを用いて非接触で被検査体に超音波を発生させるレーザ超音波法において、熱弾性効果を利用して、被検査体の表面にダメージを与えずに超音波を発生させ、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを非破壊・非接触で計測する方法に関する。   The present invention relates to a laser ultrasonic method in which an ultrasonic wave is generated on an inspection object in a non-contact manner using a laser, and an ultrasonic wave is generated without damaging the surface of the inspection object using a thermoelastic effect. The present invention relates to a method for measuring the magnitude of stress applied to a thin plate such as residual stress in a non-destructive and non-contact manner.

薄板製品は、自動車、デジタル家電、建築材料、住宅、飲料缶、変圧器など、幅広い分野で使用されている。例えば、電子部品に使用する薄板は、微細な加工を施す必要があるので、一般的に、エッチングにより加工する。薄板に残留応力が存在すると、残留応力の存在する部分と存在しない部分でエッチング速度が変化するので、エッチングむらが生じる。また、エッチング加工により残留応力が解放されるので、寸法誤差が生じたり、製品が湾曲したりするといった不具合が生じる。   Thin plate products are used in a wide range of fields, including automobiles, digital home appliances, building materials, houses, beverage cans, and transformers. For example, since a thin plate used for an electronic component needs to be finely processed, it is generally processed by etching. When residual stress is present in the thin plate, the etching rate varies between a portion where the residual stress is present and a portion where the residual stress is not present, resulting in uneven etching. Further, since the residual stress is released by the etching process, there arises a problem that a dimensional error occurs or the product is curved.

非破壊で薄板の残留応力の大きさを計測する方法として、X線による応力計測法が知られている(例えば、特許文献1、特許文献2等)。X線による応力計測は、X線回折ピークの位置がX線照射位置の結晶格子の歪みに応じて変化することを利用した計測方法である。通常は、薄板の圧延方向と直角な方向の複数位置で、薄板の表面にX線を照射して、得られた複数の回折ピーク位置に基づき、結晶格子の歪みを求め、求めた歪みを換算し、応力の大きさを求める。   As a method for measuring the magnitude of the residual stress of a thin plate in a nondestructive manner, a stress measurement method using X-rays is known (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, etc.). X-ray stress measurement is a measurement method that utilizes the fact that the position of the X-ray diffraction peak changes according to the distortion of the crystal lattice at the X-ray irradiation position. Usually, the surface of the thin plate is irradiated with X-rays at a plurality of positions perpendicular to the rolling direction of the thin plate, and based on the obtained diffraction peak positions, the distortion of the crystal lattice is obtained, and the obtained strain is converted. Then, the magnitude of the stress is obtained.

一方、パルス発振レーザを利用して超音波を発生させ、被検査体内を伝搬した超音波を、連続発振レーザを利用して検出する、非接触式の計測方法(以下「レーザ超音波法」という)について、種々の応用が提案されている。   On the other hand, a non-contact type measurement method (hereinafter referred to as “laser ultrasonic method”) that generates ultrasonic waves using a pulsed laser and detects ultrasonic waves propagated through the body to be inspected using a continuous wave laser. Various applications have been proposed.

例えば、非特許文献1には、レーザ超音波法によるポアソン比の計測方法として、アブレーションによる超音波励起を利用した、ポアソン比、縦波音速、及び、横波音速の計測方法が報告されている。   For example, Non-Patent Document 1 reports a method for measuring Poisson's ratio, longitudinal wave velocity, and transverse wave velocity using ultrasonic excitation by ablation as a method for measuring Poisson's ratio by laser ultrasonic method.

非特許文献1には、被検査体にフルーエンス(単位面積当たりのエネルギー量)約5.1mJ/mmのパルス発振のQスイッチNd:YAGレーザ光を照射して超音波励起し、発生した板波超音波の、群速度ゼロのS1モードの周波数(以下「S1f」という)、群速度ゼロのA2モードの周波数(以下「A2f」という)を、連続発振の2倍波Nd:YAGレーザを用いて検出し、その値からポアソン比、縦波音速、横波音速を算出した実験結果が記載されている。 Non-Patent Document 1 discloses that a plate generated by irradiating an object to be inspected with a pulsed Q-switch Nd: YAG laser beam having a fluence (energy amount per unit area) of about 5.1 mJ / mm 2 and ultrasonically exciting it. The frequency of the S1 mode with zero group velocity (hereinafter referred to as “S1f”) and the frequency of the A2 mode with zero group velocity (hereinafter referred to as “A2f”) using a continuous wave double wave Nd: YAG laser are used. And the experimental results of calculating the Poisson's ratio, longitudinal wave velocity, and transverse wave velocity from the detected values.

特開平5-72061号公報JP-A-5-72061 特開平6−102103号公報JP-A-6-102103

Dominique Clorennec, etc, ‘Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes’ , Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.Dominique Clorennec, etc, ‘Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes’, Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.

鋼板の製造では、残留応力の影響による鋼板のそりが問題となる場合がある。そのため、非破壊、かつ、非接触で、鋼板の残留応力の大きさを計測する方法が要望されている。   In the manufacture of a steel plate, warpage of the steel plate due to the influence of residual stress may be a problem. Therefore, a method for measuring the magnitude of residual stress of a steel sheet in a non-destructive and non-contact manner is desired.

前記のX線による応力計測法は、複数の回折ピークを得るために時間がかかるので、残留応力分布の計測に要する時間が長くなる。また、X線による計測は、薄板の数μm〜数十μm程度の表層の歪みしか知ることができないので、薄板の全体での残留応力の大きさを正確に計測できない。さらに、人体に危険な放射線のX線を用いるので、X線照射装置の操作に熟練を必要とし、安全かつ簡単に計測ができない。   The stress measurement method using X-rays takes time to obtain a plurality of diffraction peaks, so that the time required to measure the residual stress distribution becomes long. Moreover, since the measurement by X-ray can only know the distortion of the surface layer of about several μm to several tens of μm of the thin plate, the magnitude of the residual stress in the whole thin plate cannot be measured accurately. Furthermore, since X-rays of radiation that is dangerous to the human body are used, skill is required for operation of the X-ray irradiation apparatus, and measurement cannot be performed safely and easily.

また、レーザ超音波法の応用により残留応力の大きさを計測することも考えられるが、非特許文献1に記載のレーザ超音波法による計測では、アブレーションにより被検査体の表面に照射痕が生じるので、照射痕が許されない用途では、この方法による計測はできず、用途が限定される。   Although it is conceivable to measure the magnitude of residual stress by applying the laser ultrasonic method, in the measurement by the laser ultrasonic method described in Non-Patent Document 1, an irradiation mark is generated on the surface of the object to be inspected by ablation. Therefore, in an application where irradiation marks are not allowed, measurement by this method cannot be performed, and the application is limited.

本発明は、上記の事情に鑑み、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを、非破壊、非接触で、高速かつ安全に、精度良く計測する、薄板の応力計測方法、及び、計測装置の提供を課題とする。   In view of the above circumstances, the present invention is a method for measuring the stress of a thin plate that accurately measures the magnitude of stress applied to the thin plate, such as residual stress, in a non-destructive, non-contact manner, at high speed and safely, and It is an object to provide a measuring device.

本発明者らは、熱弾性効果による超音波励起を利用したレーザ超音波法を用いて、薄板の残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを計測する方法を、鋭意検討した。   The present inventors diligently studied a method for measuring the magnitude of stress applied to a thin plate, such as residual stress of the thin plate, using a laser ultrasonic method using ultrasonic excitation by a thermoelastic effect.

レーザ超音波法において、被検査体の表面にダメージを与えず、レーザの照射痕を生じさせないために、熱弾性効果による超音波励起を利用する計測法では、発生した超音波の検出が難しく、板波超音波のA2fの計測は困難であるが、S1fの計測は可能である。   In the laser ultrasonic method, in order not to damage the surface of the object to be inspected and to cause no laser irradiation trace, in the measurement method using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect, it is difficult to detect the generated ultrasonic wave, Although it is difficult to measure A2f of plate wave ultrasonic waves, it is possible to measure S1f.

本発明者らの検討の結果、引張応力を付加した被検査体に、レーザ超音波法で超音波を発生させ、超音波の強度波形を検出し、検出した超音波の強度波形を高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:以下「FFT」という)により処理すると、S1fの周波数ピークが分離して、2つの周波数ピークが観測されることを見出した。さらに、この周波数の分離の大きさは、引張応力の大きさと相関があることを見出した。   As a result of the study by the present inventors, ultrasonic waves are generated by a laser ultrasonic method on an object to be inspected with tensile stress, the ultrasonic intensity waveform is detected, and the detected ultrasonic intensity waveform is subjected to a fast Fourier transform. (Fast Fourier Transform: hereinafter referred to as “FFT”), it was found that the frequency peak of S1f was separated and two frequency peaks were observed. Furthermore, it has been found that the magnitude of this frequency separation correlates with the magnitude of tensile stress.

本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。   The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.

(1)薄板に付加された応力の大きさを計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、2つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の2つの周波数S1f1、及びS1f2を算出するステップと、
算出された前記2つの周波数から、あらかじめ作成された2つの周波数S1f1及びS1f2と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップと
を備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
(1) A method for measuring the magnitude of stress applied to a thin plate,
Irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for generating ultrasonic waves, and generating ultrasonic waves on the object to be inspected;
Irradiating the object to be inspected with ultrasonic wave detecting laser light having a wavelength different from that of the pulse oscillation laser light for generating ultrasonic waves;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. Outputting light of a high intensity,
Calculating an intensity waveform of an ultrasonic wave generated on the object to be inspected from the amount of Doppler shift, using light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift;
The frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave is performed, and two frequencies S1f1 and S1f2 of the plate wave ultrasonic wave of the S1 mode with zero group velocity generated on the inspection object observed separately are calculated. Steps,
Calculating the magnitude of the stress applied to the object to be inspected from the calculated two frequencies using the relationship between the two frequencies S1f1 and S1f2 created in advance and the magnitude of the stress. A method for measuring stress of a thin plate characterized by

(2)前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップは、算出された2つの周波数S1f1、S1f2から、2つの周波数の分離の大きさΔS1f1/S1fを算出し、あらかじめ作成された2つの周波数の分離の大きさΔS1f1/S1fと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップであることを特徴とする前記(1)の薄板の応力計測方法。
ここで、S1f1<S1f2、ΔS1f=S1f2−S1f1とする。
(2) The step of calculating the magnitude of the stress applied to the object to be inspected is calculated in advance by calculating the magnitude ΔS1f1 / S1f of separation of the two frequencies from the calculated two frequencies S1f1 and S1f2. The step of calculating the magnitude of the stress applied to the object to be inspected using the relationship between the magnitude of the separation of the two frequencies ΔS1f1 / S1f and the magnitude of the stress. Stress measurement method for thin plates.
Here, S1f1 <S1f2 and ΔS1f = S1f2−S1f1.

(3)前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射するスポット領域内に照射することを特徴とする前記(1)又は(2)の薄板の応力計測方法。   (3) The thin plate stress measurement method according to (1) or (2), wherein the ultrasonic detection laser beam is irradiated into a spot region where the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser beam is irradiated.

(4)前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかの薄板の応力計測方法。   (4) receiving the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to ultrasonic vibration generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation, and depending on the amount of Doppler shift The method of outputting light having a high intensity is a method in which the laser beam for ultrasonic detection subjected to the Doppler shift is interfered by an interferometer, and light having an intensity corresponding to the amount of the Doppler shift is output from the interferometer. The thin plate stress measurement method according to any one of (1) to (3), wherein

(5)前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかの薄板の応力計測方法。   (5) The stress measurement method for a thin plate according to any one of (1) to (4), wherein the ultrasonic detection laser beam is a pulsed laser beam.

(6)薄板に付加された応力の大きさを計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する照射光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する検出光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、2つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の2つの周波数S1f1、及びS1f2を算出する周波数スペクトル算出部と、
算出された2つの周波数から、あらかじめ求められた2つの周波数S1f1、及びS1f2と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出する応力算出部と
を備えることを特徴とする薄板の応力計測装置。
(6) An apparatus for measuring the magnitude of stress applied to a thin plate,
An irradiation optical system for irradiating a pulsed laser beam for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves on the object to be inspected;
A detection optical system for irradiating the object to be inspected with a pulsed laser beam for generating ultrasonic waves and a laser beam for detecting ultrasonic waves having a different wavelength;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. A receiver that outputs light of high intensity;
The frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave is performed, and two frequencies S1f1 and S1f2 of the plate wave ultrasonic wave of the S1 mode with zero group velocity generated on the inspection object observed separately are calculated. A frequency spectrum calculation unit;
A stress calculation unit that calculates the magnitude of the stress applied to the object to be inspected using the relationship between the two frequencies S1f1 and S1f2 obtained in advance and the magnitude of the stress from the two calculated frequencies. A thin plate stress measuring device comprising:

(7)前記応力算出部は、算出された2つの周波数S1f1、S1f2から、2つの周波数の分離の大きさΔS1f1/S1fを算出し、あらかじめ求められた2つの周波数の分離の大きさΔS1f1/S1fと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出することを特徴とする前記(6)の薄板の応力計測装置。
ここで、S1f1<S1f2、ΔS1f=S1f2−S1f1とする。
(7) The stress calculation unit calculates the separation frequency ΔS1f1 / S1f of the two frequencies from the calculated two frequencies S1f1 and S1f2, and obtains the separation frequency ΔS1f1 / S1f of the two frequencies obtained in advance. The stress measurement apparatus for a thin plate according to (6), wherein the magnitude of the stress applied to the object to be inspected is calculated using the relationship between the stress and the magnitude of the stress.
Here, S1f1 <S1f2 and ΔS1f = S1f2−S1f1.

(8)前記検出光学系は、前記照射光学系が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光のスポット領域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする前記(6)又は(7)の薄板の応力計測装置。   (8) The detection optical system can irradiate a laser beam into a spot region of a pulsed laser beam irradiated on the surface of the object to be inspected by the irradiation optical system (6) or (7) ) Thin plate stress measurement device.

(9)前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする前記(6)〜(8)のいずれかの薄板の応力計測装置。   (9) The reception unit inputs and interferes with the ultrasonic detection laser light that has undergone Doppler shift due to ultrasonic vibration generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation. The thin plate stress measuring apparatus according to any one of (6) to (8), wherein the apparatus is an interferometer that outputs light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift.

(10)前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする前記(6)〜(9)のいずれかの薄板の応力計測装置。   (10) The thin plate stress measuring apparatus according to any one of (6) to (9), wherein the ultrasonic detection laser beam is a pulsed laser beam.

(11)さらに、別途計測された2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1と、応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、前記応力算出部で前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するために用いる、2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1と応力の大きさとの関係を表す較正線を作成する、較正線作成部を備えることを特徴とする前記(6)〜(10)のいずれかの薄板の応力計測装置。   (11) Further, the separately measured magnitude ΔS1f / S1f1 of the two frequencies and the magnitude of the stress are input, and the stress calculation unit adds the magnitude of the stress to the object to be inspected based on the input values. A calibration line creating unit that creates a calibration line that represents a relationship between the magnitude of the separation of two frequencies ΔS1f / S1f1 and the magnitude of the stress, which is used to calculate the magnitude of the stress. 6)-(10) a thin plate stress measurement device.

本発明によれば、アブレーションが生じない程度の低いエネルギーのレーザ光を用いて、被検査体の表面にダメージを与えず、非接触、かつ、非破壊で、さらに、高速で安全に、残留応力等、薄板に付加された応力の大きさを計測することができる。   According to the present invention, using a laser beam having a low energy that does not cause ablation, the surface of the object to be inspected is not damaged, is non-contact and non-destructive, and is also safe at high speed. The magnitude of the stress applied to the thin plate can be measured.

これにより、薄板の製造中に、オンラインで残留応力の情報を得ることができるので、例えば、鋼板の矯正プロセスの制御情報として活用でき、残留応力低減のための制御の最適化が行えるようになる。   As a result, information on residual stress can be obtained online during the production of thin plates, so that it can be used as control information for the correction process of steel sheets, for example, and control for reducing residual stress can be optimized. .

本発明の薄板の応力計測装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the stress measuring apparatus of the thin plate of this invention. 本発明の薄板の応力計測装置で検出した超音波の強度波形を示す図である。It is a figure which shows the intensity | strength waveform of the ultrasonic wave detected with the stress measuring apparatus of the thin plate of this invention. 本発明の薄板の応力計測装置で検出した超音波の強度波形をFFT処理した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having carried out the FFT process of the intensity waveform of the ultrasonic wave detected with the thin-plate stress measuring device of this invention. 薄板に付加した応力の大きさと、本発明の薄板の応力計測装置で検出した2つの周波数の分離の大きさとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude | size of the stress added to the thin plate, and the magnitude | size of isolation | separation of two frequencies detected with the stress measuring apparatus of the thin plate of this invention. 本発明における、群速度ゼロの板波超音波を検出する際の、好ましい、超音波発生用レーザと、超音波検出用レーザの照射位置の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the irradiation position of the preferable ultrasonic wave generation laser and ultrasonic detection laser at the time of detecting the plate wave ultrasonic wave of zero group velocity in this invention. ファブリ・ペロー干渉計の周波数と透過率の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the frequency of a Fabry-Perot interferometer, and the transmittance | permeability. 板波超音波の群速度と、周波数×板厚との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the group velocity of a plate wave ultrasonic wave, and a frequency x board thickness. 本発明の計測方法で計測した応力の大きさと、ひずみゲージで計測した応力の大きさとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude | size of the stress measured with the measuring method of this invention, and the magnitude | size of the stress measured with the strain gauge.

本発明の薄板の応力計測方法の概要を、図1に示す本発明の薄板の応力計測装置を参照して、説明する。ここで薄板とは、基本的には薄鋼板のことを意味するとして説明するが、本発明は、弾性を有する金属材料であれば広く適用可能である。   An outline of the stress measurement method for a thin plate of the present invention will be described with reference to the stress measurement apparatus for a thin plate of the present invention shown in FIG. Here, the thin plate will be basically described as meaning a thin steel plate, but the present invention can be widely applied to any metal material having elasticity.

被検査体11に、照射光学系の超音波発生用パルス発振レーザ光源21から照射された超音波発生用レーザ光GLを照射して超音波を励起すると、被検査体11内部に縦波、横波、及び、板波超音波が発生する。   When the ultrasonic wave is excited by irradiating the inspection object 11 with the ultrasonic wave generation laser light GL irradiated from the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser light source 21 of the irradiation optical system, the longitudinal wave and the transverse wave are generated inside the inspection object 11. And plate wave ultrasonic waves are generated.

この被検査体11に、検出光学系の超音波検出用レーザ光源31から照射された超音波検出用レーザ光DLを照射すると、超音波検出用レーザ光DLは、被検査体11に発生した超音波により、被検査体11の表面変位速度Vに応じてドップラーシフトΔf=2V/λを受け、反射する。λは、超音波検出用レーザ光の波長である。   When the inspection object 11 is irradiated with the ultrasonic detection laser light DL emitted from the ultrasonic detection laser light source 31 of the detection optical system, the ultrasonic detection laser light DL is generated on the inspection object 11. The sound wave receives and reflects the Doppler shift Δf = 2V / λ according to the surface displacement speed V of the inspection object 11. λ is the wavelength of the laser beam for ultrasonic detection.

ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光DLの反射光は、受信部41で受信され、その後、信号処理部51に送られる。信号処理部51では、ドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出し、FFT処理により周波数スペクトルの周波数解析を行う。   The reflected light of the ultrasonic detection laser beam DL subjected to the Doppler shift is received by the receiving unit 41 and then sent to the signal processing unit 51. The signal processing unit 51 calculates a frequency spectrum from information on the amount of Doppler shift, and performs frequency analysis of the frequency spectrum by FFT processing.

周波数スペクトルは、具体的には、例えば、図2のように算出される。これをFFT処理すると、図3の(a)〜(c)のような結果が得られる。図2、及び図3に示す結果は、被検査体として、1mm厚のSS400を用いて計測した結果である。図3の(a)は、引張応力を付加していない状態での計測結果、(b1)は、被検査体に3MPaの引張応力を付加した状態での計測結果で、(b2)は(b1)のS1fの周波数領域を拡大した図、(c)は被検査体に15MPaの引張応力を付加した状態での計測結果である。   Specifically, for example, the frequency spectrum is calculated as shown in FIG. When this is subjected to FFT processing, the results shown in FIGS. 3A to 3C are obtained. The results shown in FIG. 2 and FIG. 3 are the results of measurement using 1 mm-thick SS400 as the object to be inspected. 3A is a measurement result in a state in which no tensile stress is applied, (b1) is a measurement result in a state in which a tensile stress of 3 MPa is applied to the object to be inspected, and (b2) is (b1). ) Is an enlarged view of the frequency region of S1f, and (c) is a measurement result in a state in which a tensile stress of 15 MPa is applied to the object to be inspected.

図3から、被検査体に引張応力が付加された状態では、S1fの周波数ピークが2つの周波数に分離することが分かる。   From FIG. 3, it can be seen that the frequency peak of S1f is separated into two frequencies in a state where tensile stress is applied to the object to be inspected.

本発明者らの検討の結果、被検査体に付加する引張応力の大きさを変えると、図4に示すように、2つの周波数の分離の大きさと、引張応力の大きさには相関関係があることが分かった。分離の大きさは、例えば、分離した2つの周波数をS1f1、S1f2(S1f1<S1f2)、ΔS1f=S1f2−S1f1として、ΔS1f/S1f1として表すことができる。図4の縦軸は、ΔS1f/S1f1である。2つの周波数の分離の大きさは、例えば、ΔS1f/S1f2等、他の式を用いて評価してもかまわない。   As a result of the study by the present inventors, when the magnitude of the tensile stress applied to the object to be inspected is changed, as shown in FIG. 4, there is a correlation between the magnitude of separation of the two frequencies and the magnitude of the tensile stress. I found out. The magnitude of the separation can be expressed as ΔS1f / S1f1, for example, where the two separated frequencies are S1f1, S1f2 (S1f1 <S1f2), ΔS1f = S1f2-S1f1. The vertical axis in FIG. 4 is ΔS1f / S1f1. The magnitude of the separation between the two frequencies may be evaluated using another formula such as ΔS1f / S1f2.

2つの周波数の分離の大きさ(例えば、ΔS1f/S1f1)と、付加された応力の大きさとの関係である較正線をあらかじめ求めておき、例えば、データベースとして保有しておくことにより、付加された応力の大きさが未知の被検査体について、レーザ超音波法で検出された強度波形をFFT処理して、2つの周波数の分離の大きさを算出し、データベースを参照すれば、被検査体に付加された応力の大きさを求めることができる。   A calibration line that is a relationship between the magnitude of the separation between the two frequencies (for example, ΔS1f / S1f1) and the magnitude of the applied stress is obtained in advance, for example, by adding it as a database. For an object to be inspected whose magnitude of stress is unknown, the intensity waveform detected by the laser ultrasonic method is FFT processed to calculate the separation size of the two frequencies. The magnitude of the applied stress can be obtained.

鋼板の成分組成等によっては、2つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係が異なる場合があるので、複数のデータベースを用意し、計測の際に最適なデータベースを参照できるようにするとよい。   Depending on the component composition of the steel sheet, the relationship between the magnitude of the separation of the two frequencies and the magnitude of the stress may differ, so it is advisable to prepare multiple databases so that the optimum database can be referenced during measurement. .

本発明の応力計測装置について、より詳細に説明する。   The stress measuring device of the present invention will be described in more detail.

超音波発生用パルス発振レーザ光源21は、パルス発振レーザ光源であり、例えばQスイッチNd:YAGレーザを用いることができる。   The pulse generation laser light source 21 for generating ultrasonic waves is a pulse oscillation laser light source, and for example, a Q switch Nd: YAG laser can be used.

超音波発生用レーザ光GLのパルス繰り返し周波数は、使用する超音波発生用パルス発振レーザ光源21の特性に依存するが、10〜200Hz程度である。照射光学系では、超音波発生用パルス発振レーザ光源21と被検査体11の間に、ミラー22a、22b、NDフィルター23、集光レンズ24などを配して、超音波発生用レーザ光GLの進行方向、強度、ビーム径等を調整することができる。被検査体11の表面に照射される超音波発生用レーザ光GLの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±30°以内である。これらは、特に限定されるものではない。   The pulse repetition frequency of the ultrasonic wave generation laser beam GL is about 10 to 200 Hz, although it depends on the characteristics of the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser light source 21 to be used. In the irradiation optical system, mirrors 22a and 22b, an ND filter 23, a condensing lens 24, and the like are arranged between the ultrasonic generation pulse oscillation laser light source 21 and the inspection object 11, and the ultrasonic generation laser light GL is arranged. The traveling direction, intensity, beam diameter, etc. can be adjusted. The irradiation angle of the ultrasonic wave generation laser beam GL irradiated on the surface of the inspection object 11 is practically within ± 30 ° in the direction perpendicular to the surface. These are not particularly limited.

超音波検出用レーザ光源31には、例えば連続発振の2倍波Nd:YAGレーザを用いることができる。超音波発生用レーザ光GLと、超音波検出用レーザ光DLには、波長の異なるレーザ光を用いる。これは、受信部41で受信する超音波検出用レーザ光DLに超音波発生用レーザ光GLが混じり、ノイズとなるのを防ぐためである。すなわち、2つのレーザ光が異なる波長であれば、使用する波長は限定されない。   As the ultrasonic detection laser light source 31, for example, a continuous wave second harmonic Nd: YAG laser can be used. Laser light having different wavelengths is used for the ultrasonic generation laser light GL and the ultrasonic detection laser light DL. This is to prevent the ultrasonic wave generation laser beam GL from being mixed with the ultrasonic wave detection laser beam DL received by the receiving unit 41 and causing noise. That is, the wavelength used is not limited as long as the two laser beams have different wavelengths.

超音波検出用レーザ光DLが、被検査体11に発生した超音波より受けるドップラーシフトの大きさは、0.01〜0.1Hz程度である。したがって、超音波検出用レーザ光源31には周波数安定性の高いレーザ光源を用いるのが好ましく、超音波検出用レーザ光源31の周波数ドリフトは100Hz/s以下が好ましい。   The magnitude of the Doppler shift that the ultrasonic detection laser beam DL receives from the ultrasonic waves generated on the inspection object 11 is about 0.01 to 0.1 Hz. Therefore, it is preferable to use a laser light source with high frequency stability for the ultrasonic light source 31 for ultrasonic detection, and the frequency drift of the ultrasonic light source 31 for ultrasonic detection is preferably 100 Hz / s or less.

検出光学系では、超音波検出用レーザ光源31と被検査体11の間に、ミラー32a,32bなどを配して、超音波検出用レーザ光DLの進行方向等を調整することができる。被検査体11の表面に照射される超音波検出用レーザ光DLの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±30°以内である。これらは、特に限定されるものではない。   In the detection optical system, mirrors 32a, 32b and the like can be arranged between the ultrasonic detection laser light source 31 and the inspection object 11, and the traveling direction of the ultrasonic detection laser light DL can be adjusted. The irradiation angle of the ultrasonic detection laser beam DL irradiated on the surface of the inspection object 11 is practically within ± 30 ° in the direction perpendicular to the surface. These are not particularly limited.

超音波検出用レーザ光源31には、パルス発振レーザ光源を用いることもできる。この場合、超音波検出用レーザ光DLを、強度波形の検出のタイミングに同期して発振させることで、超音波検出用レーザ光DLの平均出力をそれほど高くしなくても、超音波の検出感度を向上させることができる。   As the ultrasonic detection laser light source 31, a pulsed laser light source can be used. In this case, the ultrasonic detection laser light DL is oscillated in synchronization with the detection timing of the intensity waveform, so that the ultrasonic wave detection sensitivity can be reduced without increasing the average output of the ultrasonic detection laser light DL so much. Can be improved.

被検査体表面の照射領域は、図5に示すように、超音波発生用レーザ光を照射し、超音波発生用パルス発振レーザ光の照射スポット25の照射領域内に、超音波検出用レーザ光の照射スポット35が入るように、超音波検出用レーザ光を照射するのが好ましい。超音波発生用レーザ光と超音波検出用レーザ光を、ほぼ同じ位置に照射することで、超音波検出用レーザにより面方向に進行する波は検出されず、移動しない群速度ゼロの板波を精度良く検出することができる。   As shown in FIG. 5, the irradiation area on the surface of the object to be inspected is irradiated with an ultrasonic wave generation laser beam, and the ultrasonic detection laser beam is within the irradiation area of the irradiation spot 25 of the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser beam. It is preferable to irradiate the ultrasonic detection laser beam so that the irradiation spot 35 enters. By irradiating the laser beam for ultrasonic generation and the laser beam for ultrasonic detection almost at the same position, the wave traveling in the plane direction is not detected by the ultrasonic detection laser, and a plate wave with zero group velocity that does not move is detected. It can be detected with high accuracy.

受信部41には、例えば、ファブリ・ペロー干渉計を用いることができる。ファブリ・ペロー干渉計は、波長フィルターとしての役割を果たす。ファブリ・ペロー干渉計の透過率は、図6に示すように、光の周波数によって大きく異なる。   For the receiving unit 41, for example, a Fabry-Perot interferometer can be used. The Fabry-Perot interferometer serves as a wavelength filter. The transmittance of the Fabry-Perot interferometer varies greatly depending on the frequency of light, as shown in FIG.

ファブリ・ペロー干渉計に入射される超音波検出用レーザ光は、被検査体を伝播する超音波より受けたドップラーシフトの量、すなわち被検査体の表面変位速度によって、わずかに周波数が変化する。周波数が変化した超音波検出用レーザ光をファブリ・ペロー干渉計に導入し、出力することで、周波数の変化を、相対的に大きな、光強度の変化に変換することができる。   The frequency of the ultrasonic detection laser light incident on the Fabry-Perot interferometer slightly changes depending on the amount of Doppler shift received from the ultrasonic wave propagating through the inspection object, that is, the surface displacement speed of the inspection object. By introducing and outputting ultrasonic detection laser light having a changed frequency to a Fabry-Perot interferometer, the change in frequency can be converted into a relatively large change in light intensity.

その結果、ファブリ・ペロー干渉計を透過した、超音波検出用レーザ光の強度変化を計測することで、被検査体の表面の振動状態を精度良く求めることができる。   As a result, the vibration state of the surface of the object to be inspected can be accurately obtained by measuring the intensity change of the ultrasonic detection laser beam that has passed through the Fabry-Perot interferometer.

ファブリ・ペロー干渉計の透過特性は、FWHM(Full Width Half Max)が1〜10MHz程度、FSR(Free Spectral Range)が100MHz〜1GHz程度が好ましい。FWHMとは、ある関数f(x)が、山形の局所的関数の形状を示している場合、f(x)がその最大値の半分の値以上の値となるxの範囲の幅値である。FSRとは、自由スペクトル領域の略であり、隣り合った共振ピーク周波数値の差として定義される値である(図6を参照)。   The transmission characteristics of the Fabry-Perot interferometer are preferably about 1 to 10 MHz for FWHM (Full Width Half Max) and about 100 MHz to 1 GHz for FSR (Free Spectral Range). FWHM is a width value in the range of x where f (x) is a value equal to or greater than half of the maximum value when a certain function f (x) indicates the shape of a local function of a mountain shape. . FSR is an abbreviation for a free spectral region, and is a value defined as a difference between adjacent resonance peak frequency values (see FIG. 6).

ファブリ・ペロー干渉計の反射ミラーが外部振動などの外乱により変化したときに、反射ミラーを最適な位置になるように調製できるように、参照光を用いた調整機構を設けてもよい。反射ミラーの調整には、ピエゾ素子などが使用できる。   An adjustment mechanism using reference light may be provided so that the reflection mirror can be adjusted to an optimal position when the reflection mirror of the Fabry-Perot interferometer changes due to disturbance such as external vibration. A piezo element or the like can be used to adjust the reflection mirror.

本発明の応力計測装置の受信部は、ファブリ・ペロー干渉計に限定されない。   The receiving unit of the stress measuring device of the present invention is not limited to a Fabry-Perot interferometer.

例えば、ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を、超音波検出用レーザ光の波長付近で損失波長特性が急峻となる光ファイバグレーティングや微細構造光ファイバに導入して、出力される光の強度をドップラーシフトの量に応じた強度とし、これを用いて超音波の周波数スペクトルを算出する方法なども採用することができる。   For example, ultrasonic detection laser light that has undergone Doppler shift is introduced into an optical fiber grating or microstructured optical fiber that has a lossy wavelength characteristic that is steep near the wavelength of the ultrasonic detection laser light, A method of calculating the frequency spectrum of the ultrasonic wave by using the intensity as the intensity corresponding to the amount of Doppler shift can be employed.

受信部41で受信したドップラーシフトの量の情報は、信号処理部51に送られる。このとき、例えば、アバランシェフォトダイオード等の光/電気変換器で電気信号に変換して、電気信号として信号処理部51に入力してもよい。   Information on the amount of Doppler shift received by the receiving unit 41 is sent to the signal processing unit 51. At this time, for example, it may be converted into an electric signal by an optical / electrical converter such as an avalanche photodiode and input to the signal processing unit 51 as an electric signal.

信号処理部51は、周波数スペクトル算出部51a、応力算出部51bを有する。   The signal processing unit 51 includes a frequency spectrum calculation unit 51a and a stress calculation unit 51b.

周波数スペクトル算出部51aは、電子計算機等からなり、受信部から出力されたドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出し、さらに算出した周波数スペクトルの周波数解析を行い、2つに分離して観察される群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数S1f1、及びS1f2を算出する。   The frequency spectrum calculation unit 51a is composed of an electronic computer or the like, calculates a frequency spectrum from information on the amount of Doppler shift output from the reception unit, further performs frequency analysis of the calculated frequency spectrum, and separates it into two. The frequencies S1f1 and S1f2 of the S1 mode plate wave ultrasonic waves with zero group velocity to be observed are calculated.

応力算出部51bは、電子計算機等からなり、算出したS1f1、及びS1f2から、あらかじめ求めた2つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係を用いて、被検査体11に付加された応力の大きさを算出する。   The stress calculation unit 51b is composed of an electronic computer or the like, and the stress applied to the object 11 to be inspected using the relationship between the magnitude of the separation of two frequencies and the magnitude of the stress obtained in advance from the calculated S1f1 and S1f2. The size of is calculated.

信号処理部51は、さらに、必要に応じて、較正線作成部51cを備えることができる。較正線作成部51cは、電子計算機等からなり、別途計測した2つの周波数の分離の大きさ(例えば、ΔS1f/S1f1)と、付加された応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、2つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの較正線を作成する。作成された較正線は、応力算出部51bでの応力の算出に用いられる。   The signal processing unit 51 can further include a calibration line creation unit 51c as necessary. The calibration line creation unit 51c is composed of an electronic computer or the like, and inputs the magnitude of separation of two frequencies separately measured (for example, ΔS1f / S1f1) and the magnitude of the applied stress, and based on the inputted value. Create a calibration line between the magnitude of the separation of the two frequencies and the magnitude of the stress. The created calibration line is used for stress calculation in the stress calculation unit 51b.

2つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係は、図4に示すように、一次の関係であるから、入力された2つの周波数の分離の大きさと応力の大きさとの関係を較正線に反映させるのは、容易である。   As shown in FIG. 4, the relationship between the magnitude of the separation between the two frequencies and the magnitude of the stress is a linear relationship. Therefore, the relationship between the magnitude of the separation between the two frequencies and the magnitude of the stress is calibrated. It is easy to reflect on

周波数スペクトル算出部51a、応力算出部51b、及び較正線作成部51cは、それぞれ物理的に別の装置である必要はなく、例えば、同一の電子計算機内に、それぞれの処理を行うプログラムを有するものであってもかまわない。   The frequency spectrum calculation unit 51a, the stress calculation unit 51b, and the calibration line creation unit 51c do not have to be physically separate devices, and have, for example, programs for performing respective processes in the same electronic computer. It doesn't matter.

さらに必要に応じて、算出結果を出力する表示装置61を設けてもよい。   Further, a display device 61 that outputs the calculation result may be provided as necessary.

本発明の応力計測方法で必要となる波形分解能は、計測する応力の必要な分解能から決定できる。すなわち、計測する応力の必要な分解能を決定すると、既に得られている較正線と、計測する応力の分解能から、ΔS1f/S1f1の必要な分解能が決定する。   The waveform resolution required in the stress measurement method of the present invention can be determined from the required resolution of the stress to be measured. That is, when the necessary resolution of the stress to be measured is determined, the necessary resolution of ΔS1f / S1f1 is determined from the already obtained calibration line and the resolution of the stress to be measured.

板波超音波の群速度は、周波数×板厚と、図7に示す関係があるので、較正線作成時のS1f×d(板厚)と、被検査体の板厚から、S1fのおおよその値を算出し、その値からΔS1fを算出する。   Since the group velocity of the plate wave ultrasonic wave has the relationship shown in FIG. 7 with the frequency × plate thickness, S1f × d (plate thickness) at the time of creating the calibration line and the plate thickness of the object to be inspected are approximate S1f. A value is calculated, and ΔS1f is calculated from the value.

すると、少なくとも必要となるFFTの周波数分解能Δfrは、Δfr=ΔS1f/2であるから、FFT処理するために必要な波形の時間域Tは、T=1/Δfrと求められる。   Then, at least the necessary FFT frequency resolution Δfr is Δfr = ΔS1f / 2, and therefore the time domain T of the waveform necessary for the FFT processing is obtained as T = 1 / Δfr.

本発明の応力計測方法は、板厚0.1〜3mm程度の薄板に付加された、残留応力等の応力の大きさの計測に好適である。また、弾性を有する金属材料であれば、熱弾性効果による超音波発生のメカニズムが薄鋼板と同様に成り立ち、超音波も伝幡可能なので、本発明の方法が適用可能である。   The stress measuring method of the present invention is suitable for measuring the magnitude of stress such as residual stress added to a thin plate having a thickness of about 0.1 to 3 mm. In addition, if the metal material has elasticity, the mechanism of ultrasonic generation by the thermoelastic effect is similar to that of the thin steel plate, and ultrasonic waves can be transmitted, so the method of the present invention is applicable.

冷間圧延後の1mm厚のSS400を試験材として引張応力を付加し、その大きさを、本発明の薄板の応力計測方法と、公知の計測法であるひずみゲージ法により計測し、比較した。   A tensile stress was applied using SS400 having a thickness of 1 mm after cold rolling as a test material, and the magnitude was measured and compared by the stress measurement method of the thin plate of the present invention and the strain gauge method which is a known measurement method.

本発明の計測方法については、事前に、別途、引張応力の大きさとΔS1f/S1f1との関係である較正線をあらかじめ求め、図4の関係を得た。   Regarding the measurement method of the present invention, a calibration line that is a relationship between the magnitude of the tensile stress and ΔS1f / S1f1 was previously obtained in advance, and the relationship of FIG. 4 was obtained.

本発明の計測方法の超音波発生用パルス発振レーザ光源には、QスイッチNd:YAGレーザを使用し、超音波検出用レーザ光源には連続発振の、2倍波Nd:YAGレーザを使用した。計測条件は、表1に示す。   A Q-switched Nd: YAG laser was used as a pulse oscillation laser light source for ultrasonic wave generation in the measurement method of the present invention, and a continuous wave, second harmonic Nd: YAG laser was used as a laser light source for ultrasonic detection. The measurement conditions are shown in Table 1.

Figure 0005528395
Figure 0005528395

超音波発生用レーザ光の被検査体上でのフルーエンスは、1.8mJ/mmとした。これは、アブレーションが生じない程度のエネルギーである。また、表1中の被検査体と検出系の距離は、被検査体と検出系の最短距離を意味し、図1の例では、被検査体11と、集光レンズ24との距離である。 The fluence of the ultrasonic wave generating laser beam on the object to be inspected was set to 1.8 mJ / mm 2 . This is energy that does not cause ablation. Further, the distance between the object to be inspected and the detection system in Table 1 means the shortest distance between the object to be inspected and the detection system, and in the example of FIG. 1, is the distance between the object to be inspected 11 and the condenser lens 24. .

ひずみゲージ法による計測は、上記の計測条件でレーザを照射した近傍にひずみゲージを設けて行った。   Measurement by the strain gauge method was performed by providing a strain gauge in the vicinity of laser irradiation under the above measurement conditions.

図8に、あらかじめ求めた較正線を基に、計測したΔS1f/S1f1の値から算出した応力の大きさを縦軸に、ひずみゲージで計測した応力の大きさを横軸にとって突き合せた結果を示す。   FIG. 8 shows the result of matching the magnitude of the stress calculated from the measured ΔS1f / S1f1 value on the vertical axis and the magnitude of the stress measured by the strain gauge on the horizontal axis based on the calibration line obtained in advance. Show.

図8のグラフ中の点線は、計測に必要な精度±5MPaを示す補助線である。いずれのデータもこの±5MPaの範囲にあり、要求の計測精度を満たすことが分かった。   The dotted line in the graph of FIG. 8 is an auxiliary line indicating the accuracy required for measurement ± 5 MPa. All the data were within the range of ± 5 MPa, and it was found that the required measurement accuracy was satisfied.

以上の結果から、本発明による計測法を用いた計測結果と、公知の計測法であるひずみゲージ法を用いた計測結果はよく一致しており、本発明の応力計測方法によれば、被検査体にレーザによる照射痕を生じさせることなく、妥当な計測結果が得られることが確認できた。   From the above results, the measurement result using the measurement method according to the present invention and the measurement result using the strain gauge method which is a well-known measurement method are in good agreement, and according to the stress measurement method of the present invention, It was confirmed that an appropriate measurement result could be obtained without causing laser irradiation marks on the body.

なお、実施例では引張応力の場合を示したが、圧縮応力の場合も同様に、計測された2つの周波数の分離の大きさと被検査体に付加した応力の大きさの関係に基づいて得られる較正線と、計測された二つの周波数の分離の大きさとから、圧縮応力の大きさを計測することが可能である。   In addition, although the case of the tensile stress was shown in the embodiment, the case of the compressive stress is also obtained based on the relationship between the measured separation of the two frequencies and the magnitude of the stress applied to the object to be inspected. It is possible to measure the magnitude of the compressive stress from the calibration line and the magnitude of the separation of the two frequencies measured.

本発明によれば、レーザ超音波法において、熱弾性効果を利用して超音波励起し、対象物の表面にレーザによる照射痕を生じさせることなく、対象物の残留応力等、被検査体に付加された応力の大きさが算出できるので、種々の材料の非破壊検査に適用可能である。発明を実施するための形態や実施例において、薄鋼板を被検査体の例として取り上げたが、本発明は、例えばアルミや銅など弾性を有する金属材料であれば適用可能である。   According to the present invention, in the laser ultrasonic method, ultrasonic excitation is performed using the thermoelastic effect, and the residual stress of the object, etc. is applied to the object to be inspected without causing a laser irradiation mark on the surface of the object. Since the magnitude of the applied stress can be calculated, it can be applied to non-destructive inspection of various materials. In the embodiments and examples for carrying out the invention, a thin steel plate is taken as an example of an object to be inspected, but the present invention can be applied to any metal material having elasticity such as aluminum or copper.

本発明は、非破壊、非接触式の計測方法であるから、本発明を、例えば、冷間加工などの金属の製造プロセス中に適用することによって、オンラインで、製造中の実物の残留応力の計測が可能である。その結果、例えば、鋼板の矯正プロセスの制御情報として活用でき、残留応力低減のための制御の最適化が行えるようになる。   Since the present invention is a non-destructive, non-contact measuring method, the present invention is applied online during the manufacturing process of a metal such as cold working, and the residual stress of the actual object being manufactured is online. Measurement is possible. As a result, for example, it can be utilized as control information for the straightening process of the steel sheet, and the control for reducing the residual stress can be optimized.

さらに、残留応力確認のためのガスカット等が不要となるので、歩留りが向上し、さらに、できあがった製品の残留応力を保証することができる。よって、産業上の利用可能性は大きい。   Furthermore, gas cutting or the like for confirming the residual stress is not required, so that the yield is improved and the residual stress of the finished product can be guaranteed. Therefore, industrial applicability is great.

11 被検査体
21 超音波発生用パルス発振レーザ光源
22a,22b ミラー
23 NDフィルター
24 集光レンズ
25 超音波発生用パルス発振レーザ光の照射スポット
31 超音波検出用レーザ光源
32a,32b ミラー
35 超音波検出用レーザ光の照射スポット
41 受信部
51 信号処理部
51a 周波数スペクトル算出部
51b 応力算出部
51c 較正線作成部
61 表示装置
DL 超音波検出用レーザ光
GL 超音波発生用レーザ光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Test object 21 Pulse generation laser light source for ultrasonic generation 22a, 22b Mirror 23 ND filter 24 Condensing lens 25 Irradiation spot of pulse generation laser light for ultrasonic generation 31 Laser light source for ultrasonic detection 32a, 32b Mirror 35 Ultrasonic wave Irradiation spot of detection laser beam 41 Receiver 51 Signal processor 51a Frequency spectrum calculator 51b Stress calculator 51c Calibration line generator 61 Display device DL Ultrasound detection laser beam GL Ultrasound generation laser beam

Claims (11)

薄板に付加された応力の大きさを計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、2つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の2つの周波数S1f1、及びS1f2を算出するステップと、
算出された前記2つの周波数から、あらかじめ作成された2つの周波数S1f1及びS1f2と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップと
を備えることを特徴とする薄板の応力計測方法。
A method for measuring the magnitude of stress applied to a thin plate,
Irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for generating ultrasonic waves, and generating ultrasonic waves on the object to be inspected;
Irradiating the object to be inspected with ultrasonic wave detecting laser light having a wavelength different from that of the pulse oscillation laser light for generating ultrasonic waves;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. Outputting light of a high intensity,
Calculating an intensity waveform of an ultrasonic wave generated on the object to be inspected from the amount of Doppler shift, using light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift;
The frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave is performed, and two frequencies S1f1 and S1f2 of the plate wave ultrasonic wave of the S1 mode with zero group velocity generated on the inspection object observed separately are calculated. Steps,
Calculating the magnitude of the stress applied to the object to be inspected from the calculated two frequencies using the relationship between the two frequencies S1f1 and S1f2 created in advance and the magnitude of the stress. A method for measuring stress of a thin plate characterized by
前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップは、算出された2つの周波数S1f1、S1f2から、2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1を算出し、あらかじめ求められた2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1と応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出するステップであることを特徴とする請求項1に記載の薄板の応力計測方法。
ここで、S1f1<S1f2、ΔS1f=S1f2−S1f1とする。
In the step of calculating the magnitude of the stress applied to the object to be inspected, the two frequency separation magnitudes ΔS1f / S1f1 are calculated from the two calculated frequencies S1f1 and S1f2, and the two obtained in advance are calculated. 2. The thin plate according to claim 1, which is a step of calculating the magnitude of stress applied to the object to be inspected using the relationship between the magnitude of frequency separation ΔS1f / S1f1 and the magnitude of stress. Stress measurement method.
Here, S1f1 <S1f2 and ΔS1f = S1f2−S1f1.
前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射するスポット領域内に照射することを特徴とする請求項1又は2に記載の薄板の応力計測方法。   The thin plate stress measurement method according to claim 1, wherein the ultrasonic detection laser beam is irradiated into a spot region where the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser beam is irradiated. 前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄板の応力計測方法。   The ultrasonic detection laser beam that has been subjected to Doppler shift due to vibration of ultrasonic waves generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation is received, and has an intensity corresponding to the amount of Doppler shift. The method of outputting light is a method of causing the ultrasonic detection laser beam subjected to the Doppler shift to interfere with an interferometer, and outputting light having an intensity corresponding to the amount of the Doppler shift from the interferometer. The thin plate stress measurement method according to any one of claims 1 to 3. 前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄板の応力計測方法。   The thin plate stress measurement method according to claim 1, wherein the ultrasonic detection laser beam is a pulsed laser beam. 薄板に付加された応力の大きさを計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する照射光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する検出光学系と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、2つに分離して観察される前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の2つの周波数S1f1、及びS1f2を算出する周波数スペクトル算出部と、
算出された2つの周波数から、あらかじめ求められた2つの周波数S1f1、及びS1f2と応力の大きさとの関係を用いて、前記被検査体に付加された応力の大きさを算出する応力算出部
を備えることを特徴とする薄板の応力計測装置。
An apparatus for measuring the magnitude of stress applied to a thin plate,
An irradiation optical system for irradiating a pulsed laser beam for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves on the object to be inspected;
A detection optical system for irradiating the object to be inspected with a pulsed laser beam for generating ultrasonic waves and a laser beam for detecting ultrasonic waves having a different wavelength;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. A receiver that outputs light of high intensity;
The frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave is performed, and two frequencies S1f1 and S1f2 of the plate wave ultrasonic wave of the S1 mode with zero group velocity generated on the inspection object observed separately are calculated. A frequency spectrum calculation unit;
A stress calculation unit that calculates the magnitude of the stress applied to the object to be inspected using the relationship between the two frequencies S1f1 and S1f2 obtained in advance and the magnitude of the stress from the two calculated frequencies is provided. A thin plate stress measuring device characterized by the above.
前記応力算出部は、算出されたS1f1、S1f2から、2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1を算出し、あらかじめ求められた2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1と応力の大きさとの関係を用いて、被検査体に付加された応力の大きさを算出することを特徴とする請求項6に記載の薄板の応力計測装置。
ここで、S1f1<S1f2、ΔS1f=S1f2−S1f1とする。
The stress calculation unit calculates the separation frequency ΔS1f / S1f1 of the two frequencies from the calculated S1f1 and S1f2, and calculates the separation frequency ΔS1f / S1f1 of the two frequencies obtained in advance and the magnitude of the stress. 7. The thin plate stress measuring apparatus according to claim 6, wherein the magnitude of the stress applied to the object to be inspected is calculated using the relationship.
Here, S1f1 <S1f2 and ΔS1f = S1f2−S1f1.
前記検出光学系は、前記照射光学系が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光のスポット領域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする請求項6又は7に記載の薄板の応力計測装置。   8. The thin plate according to claim 6, wherein the detection optical system is capable of irradiating a laser beam in a spot region of a pulsed laser beam irradiated by the irradiation optical system onto a surface of an object to be inspected. Stress measuring device. 前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の薄板の応力計測装置。   The receiving unit inputs and interferes with the ultrasonic detection laser beam which has been subjected to Doppler shift due to ultrasonic vibration generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation, and performs Doppler shift. The thin plate stress measuring apparatus according to claim 6, wherein the interferometer outputs light having an intensity corresponding to the amount of the thin plate. 前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の薄板の応力計測装置。   The thin plate stress measuring apparatus according to claim 6, wherein the ultrasonic detection laser beam is a pulsed laser beam. さらに、別途計測した2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1と、応力の大きさとを入力し、入力された値に基づき、前記応力算出部で前記被検査体に付加された応力の大きさを算出するために用いる、2つの周波数の分離の大きさΔS1f/S1f1と応力の大きさとの関係を表す較正線を作成する、較正線作成部を備えることを特徴とする請求項6〜10のいずれか1項に記載の薄板の応力計測装置。   Furthermore, the magnitude of separation of two frequencies ΔS1f / S1f1 measured separately and the magnitude of stress are input, and the magnitude of stress applied to the object to be inspected by the stress calculation unit based on the input values. 11. A calibration line creation unit that creates a calibration line that represents the relationship between the magnitude of the separation of two frequencies ΔS1f / S1f1 and the magnitude of stress used to calculate The thin plate stress measuring apparatus according to any one of the preceding claims.
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