JPH06102107A - 金属製圧延板材の残留応力分布測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属製圧延板材の残留応力分布を比較的短時
間で且つ板厚方向の全体で測定できる金属製圧延板材の
残留応力分布測定方法を提供する。 【構成】 圧延板材１０に圧延方向に延びる一定長さの
複数本のスリット１２を互いに平行にフォトエッチング
にて形成する。スリット１２の形成に基づいて各測定部
１４に発生する板厚方向の変位を測定部１４の長手方向
に沿ってレーザ変位計２２により検出し、その変位に基
づいて各測定部１４の表面に沿った長さを算出する。そ
の長さから各測定部１４の上記変位の発生原因である伸
びの率を算出し、その伸び率に基づいて各測定部１４の
残留応力をフックの法則から算出して残留応力分布を決
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属製圧延板材の残留
応力分布を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属製圧延板材の残留応力分布の測定
は、通常、金属製圧延板材における圧延方向と直角な方
向の複数位置においてその板材の表面にＸ線を照射して
得られた複数の回折パターンに基づいて行われている。
すなわち、その回折パターンはＸ線照射位置の結晶格子
の歪に応じて変化するので、その回折パターンに基づい
て結晶格子の歪を測定することができ、その歪を応力に
換算して残留応力分布を得るのである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにＸ線により金属製圧延板材の残留応力分布を測定
する場合においては、上記回折パターンを得るために時
間がかかるため、残留応力分布の測定に比較的長時間を
要する欠点があるとともに、通常、数μｍ〜数十μｍ程
度の表層の歪しか知ることができないため、金属製圧延
板材の板厚方向の全体での残留応力分布を正確に測定で
きない欠点があった。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであって、その目的とするところは、金属製圧延板
材の残留応力分布を比較的短時間で且つ板厚方向の全体
で測定できる金属製板材の残留応力分布測定方法を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の要旨とするところは、金属製圧延板材の残留
応力分布を測定する方法であって、(a) 前記金属製圧延
板材の残留応力分布の測定場所において、圧延方向に延
びる一定長さの複数本のスリットを互いに平行に形成す
るスリット形成工程と、(b) 前記スリットの形成により
前記残留応力分布測定場所に形成された互いに平行な複
数本の長手状の測定部にそのスリットの形成に基づいて
発生する板厚方向の変位を、その測定部の長手方向に沿
ってそれぞれ検出する変位検出工程と、(c) その変位検
出工程により検出された前記測定部の板厚方向の変位に
基づいて、その変位の発生原因である伸びの率をそれぞ
れ算出する伸び率算出工程と、(d) その伸び率算出工程
により算出された伸び率に基づいて、前記残留応力分布
測定場所における残留応力分布を決定する残留応力分布
決定工程とを含むことにある。

【０００６】

【作用】かかる構成の金属製圧延板材の残留応力分布測
定方法によれば、まず、スリット形成工程により、金属
製圧延板材の残留応力分布測定場所において圧延方向に
延びる一定長さの複数本のスリットが互いに平行に形成
される。次に、変位検出工程により、前記スリットの形
成により前記残留応力分布測定場所に形成された互いに
平行な複数本の長手状の測定部にそのスリットの形成に
基づいて発生する板厚方向の変位が、その測定部の長手
方向に沿ってそれぞれ検出されるとともに、伸び率算出
工程により、各測定部の板厚方向の変位に基づいてその
変位の発生原因である伸びの率がそれぞれ算出される。
そして、残留応力分布決定工程により、その伸び率に基
づいて残留応力分布測定場所における残留応力分布が決
定される。

【０００７】

【発明の効果】したがって、上記複数本の測定部の板厚
方向の変位を長手方向に沿って検出して、各測定部の変
位に基づいて種々の計算をすることにより残留応力分布
が決定されるので、金属製圧延板材の残留応力分布を比
較的短時間で且つ板厚方向の全体で測定することができ
る。

【０００８】好適には、前記伸び率算出工程は、前記変
位検出工程により検出された前記変位の値を、移動平均
法或いは加重移動平均法により平滑化する平滑化工程を
含む。このようにすれば、前記スリットの長手方向にお
ける検出のばらつきが考慮された変位の値に基づいて前
記伸び率が算出されるため、一層正確な残留応力分布を
得ることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１０】図２は、少なくとも一対の圧延ロールを用
いて製造された帯状の金属製圧延板材の残留応力分布を
測定するためにその一部を所定長さで切断して成る矩形
平板状の金属製圧延板材（以下、圧延板材と略す）１０
を示しており、その長手方向が圧延方向である。上記帯
状の金属製圧延板材は、たとえば、ＩＣ用リードフレー
ムの加工材料として用いられるものであって４２Ｎｉ−
Ｆｅ合金から成り、圧延板材１０は、たとえば、６０ｍ
ｍ（幅）×１５０ｍｍ（長さ）×０．１５ｍｍ（厚み）
の寸法を有している。

【００１１】上記圧延板材１０の残留応力分布測定場所
（図２においてａにて示す部分）には、圧延方向に延び
る一定長さの互いに平行な複数本のスリット１２がたと
えばフォトエッチングにて形成されているとともに、こ
のスリット１２の形成によってスリット１２の数より１
本多い複数本の長手状の測定部１４が互いに平行に形成
されている。各スリット１２は、たとえば１００ｍｍ
（長さ）×１ｍｍ（幅）の寸法を有しており、各測定部
１４は、たとえば２ｍｍの幅寸法を有している。測定部
１４には、たとえば図３に示すように、長手方向の中央
部に向かう程大きくなる板厚方向の変位がスリット１２
の形成に基づいて生じている。

【００１２】次に、本発明の残留応力分布測定方法を好
適に実施するための残留応力分布測定装置の一例を説明
する。

【００１３】図１において、図示しないフレームには第
１テーブル１５が図示しない案内手段によりＹ方向の移
動可能に設けられているとともに、その第１テーブル１
５上には第２テーブル１６が一対のガイドレール１７に
沿ってＸ方向の移動可能に設けられている。また、第１
テーブル１５上には第２テーブル１６をＸ方向に駆動す
るためのステッピングモータ１８が設けられているとと
もに、上記フレームには第１テーブル１５をＹ方向に駆
動するためのステッピングモータ２０が設けられてお
り、これにより、第２テーブル１６は、ステッピングモ
ータ１８，２０によりＸ方向およびＹ方向においてそれ
ぞれ駆動されるようになっている。第２テーブル１６の
上面には、圧延板材１０がスリット１２の長手方向がＸ
方向に一致するようにして載置される。

【００１４】第２テーブル１６の上方には、レーザ変位
計２２が上記フレームに位置固定に設けられている。レ
ーザ変位計２２は、圧延板材１０の測定部１４の表面に
レーザビームを所定の傾斜角で照射し且つその測定部１
４の表面から反射されたレーザ光を図示しない受光レン
ズを用いて図示しない変位検出素子（ＣＣＤ素子）上に
結像させることにより測定部１４の板厚方向の変位を非
接触で検出し、その変位を表す変位信号ＳＰを増幅器２
４および入力インタフェース２６を介してＣＰＵ２８へ
供給する。

【００１５】上記ＣＰＵ２８は、データバスラインを介
してＲＯＭ３０，ＲＡＭ３２，表示器３４，および出力
インタフェース３６と接続されており、ＲＯＭ３０に予
め記憶されたプログラムに従ってＲＡＭ３２の記憶機能
を利用しつつ信号処理を実行し、ステッピングモータ１
８，２０を駆動してたとえば以下のようにして残留応力
分布を測定する。

【００１６】まず、ステップＳ１では、ステッピングモ
ータ１８により第２テーブル１６を一定速度でＸ方向に
駆動しつつ圧延板材１０の幅方向一端部に位置する測定
部１４の表面にその測定部１４の長手方向一端から他端
までレーザビームを照射することにより、その測定部１
４の板厚方向の変位Ｚ(x) が長手方向に沿って検出され
る。次に、ステップＳ２では、全ての測定部１４につい
て変位Ｚ(x) が検出されたか否かが判断され、この判断
が否定された場合にはステップＳ３が実行される。ステ
ップＳ３では、隣の測定部１４の変位Ｚ(x) を検出する
ために、ステッピングモータ２０により第２テーブル１
６がＹ方向においてたとえば３ｍｍだけ駆動された後、
ステップＳ１に戻される。このようにして、ステップＳ
１乃至ステップＳ３が繰り返し実行されて、全ての測定
部１４について変位Ｚ(x) が検出されると、ステップＳ
３の判断が肯定されてステップＳ４が実行される。

【００１７】上記ステップＳ４では、各測定部１４の表
面に沿った長さ寸法Ｌが、たとえば数式１に従ってそれ
ぞれ算出される。

【００１８】

【数１】

【００１９】次に、ステップＳ５では、上記変位Ｚ(x)
の発生原因である各測定部１４の伸びの率εが数式２に
従ってそれぞれ算出される。数式２において、Ｌ₀ は、
各測定部１４の長さ寸法Ｌのうちの基準値として用いる
ものであり、たとえば圧延板材１０の幅方向一端部に位
置する測定部１４の長さ寸法Ｌが採用される。また、Ｌ
_min は各測定部１４の長さ寸法Ｌのうちの最小値、Ｌ_i
は各測定部１４の長さ寸法Ｌのうちの任意の寸法であ
る。

【００２０】

【数２】

【００２１】次に、ステップＳ６では、フックの法則を
適用して、ステップＳ５で求められた各測定部１４の伸
び率εに基づいて数式３から各測定部１４における残留
応力σ_R が算出される。続くステップＳ７では、ステッ
プＳ６にて算出された各測定部１４における残留応力σ
_R に基づいて圧延板材１０の残留応力分布測定場所ａに
おける残留応力分布が決定されて、その残留応力分布が
表示器３４に表示される。図５は、その残留応力分布の
一表示例を示しており、縦軸は残留応力を表し、横軸は
圧延板材１０の幅方向位置を表している。この場合にお
いて、ステップＳ６で算出された残留応力σ_R は全て正
であるため、残留応力σ_R の総和が零となるように残留
応力軸の目盛の零位置が決定されることとなる。

【００２２】

【数３】

【００２３】このように本実施例によれば、圧延板材１
０の残留応力分布測定場所ａに複数本のスリット１２を
形成し、そのスリット１２により形成された複数本の測
定部１４の板厚方向の変位Ｚ(x) を長手方向に沿って検
出して、各測定部１４の変位Ｚ(x) に基づいて種々の計
算をすることにより残留応力分布測定場所ａにおける残
留応力分布が決定されるので、圧延板材１０の残留応力
分布を比較的短時間で且つ板厚方向の全体で測定するこ
とができる。

【００２４】ところで、スリット１２をレーザ加工する
ことも考えられるが、この場合には、熱により圧延板材
１０に歪を生ずることが避け難い。これに対し、本実施
例によれば、スリット１２はフォトエッチングにて形成
されているので、スリット１２の加工に起因して圧延板
材１０に歪を生ずるのを好適に防止することができ、こ
れにより、測定部１４の板厚方向の変位ひいては残留応
力分布を正確に測定できる。

【００２５】次に、本発明の他の実施例を説明する。

【００２６】前記の第一実施例においては、検出された
変位Ｚ(x) から直接長さ寸法Ｌを算出したが、各測定部
１４の長手方向における変位Ｚ(x) は、ステッピングモ
ータ１８により第２テーブル１６を駆動し、レーザ変位
計２２により非接触で検出していたため、第２テーブル
１６の移動によるＺ方向の位置ずれ等の移動精度および
レーザ変位計２２の検出精度に起因して、変位Ｚ(x) が
実際の変位よりも大きく或いは小さく検出されてばらつ
きが発生する可能性がある。このようなばらつきが発生
し得る状況下においても、充分に実用的な残留応力分布
の測定が可能ではあるが、以下の方法により、更に測定
精度を向上させることもできる。

【００２７】図６は、検出精度を向上させることのでき
る残留応力分布測定方法のフローチャートの一例であ
る。ステップＳ１乃至Ｓ３およびステップＳ５乃至Ｓ７
は第一実施例の図４のフローチャートと同一であるため
説明を省略する。本実施例ではステップＳ４−１におい
て、ステップＳ２で検出された変位Ｚ(x) の移動平均Ｚ
_m (x) を算出し、ステップＳ４−２すなわち図４のフロ
ーチャートにおけるステップＳ４と同一の算出手段によ
り長さ寸法Ｌが算出される。なお、本実施例において
は、前記の数式１においてＺ′(x) に替えてＺ_m (x) の
微分値であるＺ_m ′(x) が用いられる。

【００２８】上記の移動平均Ｚ_m (x) は、ｎおよびｉを
自然数としたとき、任意の一つの測定部１４において、
ｉ番目に検出された板厚方向の変位Ｚ(x_i ) に対応する
移動平均Ｚ_m (x_i ) を、Ｚ(x_i ) とその前後に連続して
検出された、それぞれｎ個の変位Ｚ(x_i-n ) 〜Ｚ
(x_i-1 ) およびＺ(x_i+1 ) 〜Ｚ(x_i+n ) との平均として
数式４に従って算出して得たものである。

【００２９】

【数４】

【００３０】数式４において、変位Ｚ(x_i ) の移動平均
処理に用いる、変位Ｚ(x_i ) の前後に連続して検出され
た変位の数ｎは、移動平均処理後に得られる測定部１４
の長手方向に対応する移動平均Ｚ_m (x) の曲線の、希望
する滑らかさによって任意に決定されるものである。図
７は、任意のｎの値に対応する移動平均Ｚ_m (x) を表し
た図である。なお、ｎ＝０からｎ＝４の各々の曲線は、
互いに重なりあうため、Ｚ軸における位置を上下にずら
して表示してある。図より明らかなように、ｎの値が増
すほど滑らかな曲線が得られるが、極端にｎの値を増す
と、残留応力分布そのものを平均化することになるため
好ましくなく、ｎは２から３程度が特に好ましい。な
お、測定部１４の両端部においては検出された変位Ｚ
(x) は、移動平均処理を行い得ないため常に検出された
値が用いられ、ｎ＞１のときに、その前後両方にはｎ個
の変位Ｚ(x) が存在しない両端部側においては、可能な
範囲内でｎに最も近い個数の変位Ｚ(x) の平均処理が行
われる。以上のように、移動平均処理が行われることに
より測定値のばらつきが緩和されるため、数式１から一
層信頼性の高い各測定部１４の長さ寸法Ｌが算出され、
フローチャートに従って一層精度の高い残留応力分布の
測定が可能になる。

【００３１】また、上記の移動平均処理は、繰り返して
行うことも可能であり、滑らかな曲線を得て測定精度を
一層向上させるために好ましい。図８および図９は、移
動平均処理をそれぞれ２回および３回行った場合の変位
Ｚ_m (x) を表したものである。図８（繰り返し回数２
回）におけるｎ＝３，４のとき、図９（繰り返し回数３
回）におけるｎ＝２，３，４のときにはきわめて滑らか
な曲線が得られ、このように移動平均処理を繰り返して
行うことにより一層滑らかな曲線が得られるため、一層
精度の高い残留応力分布の測定が可能になる。

【００３２】また、上記の移動平均処理に替えて、数式
５の(1) に示すような加重移動平均処理を行ってもよ
い。この場合に変位Ｚ(x_i ) およびその前後の変位Ｚ(x
_i-n )〜Ｚ(x_i-1 ) およびＺ(x_i+1 ) 〜Ｚ(x_i+n ) に乗
ざれる加重値（α，β，γ等）は、バラツキの度合いに
よって適宜定められるものである。一般的には、変位Ｚ
(x_i ) から遠ざかるに従って小さい加重値が選ばれ、例
えば数式５の(2) はｎが１の場合、(3) はｎが２の場合
の例である。

【００３３】

【数５】

【００３４】上記のような加重移動平均処理によれば、
周囲の変位Ｚ(x_i ) の影響を小さく抑えながら上述のよ
うな変位Ｚ(x_i ) のばらつきを修正することが可能であ
る。

【００３５】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。

【００３６】たとえば、前記実施例では、レーザ変位計
２２が位置固定に設けられており且つ圧延板材１０を載
置するテーブル１６がＸＹ方向において移動させられる
ように構成されているが、それとは逆に、テーブル１６
が位置固定に設けられ且つレーザ変位計２２がＸＹ方向
に移動させられるように構成されてもよい。

【００３７】また、前記実施例では、測定部１４の幅寸
法は全て同一とされているが、必ずしもその必要はな
く、たとえば、残留応力の変化が小さい圧延板材１０の
幅方向中央部においては比較的幅広の測定部を設けても
よい。

【００３８】また、前記実施例の数式２において、Ｌ₀
に替えてＬ_min を用いてもよい。

【００３９】また、前記実施例では、スリット１２はフ
ォトエッチングにて形成されているが、スリット１２の
加工に起因して圧延板材１０に歪を与えることが少ない
その他の方法にて形成することもできる。

【００４０】また、前記実施例では、測定部１４の板厚
方向の変位Ｚ(x) はレーザ変位計にて検出されている
が、たとえば接触式変位計にて検出することも可能であ
る。

【００４１】また、前記実施例では、テーブル１６はス
テッピングモータ１８，２０にてＸＹ方向に駆動される
ようになっているが、サーボモータが用いられてもよ
い。

【００４２】また、前記実施例では、０．１５ｍｍ程度
の薄肉の圧延板材１０の残留応力分布を測定する場合に
ついて説明したが、たとえば数ｍｍ程度の比較的厚肉の
金属製圧延板材の残留応力分布を測定する場合において
も本発明の測定方法を適用することができる。

【００４３】その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範
囲において種々変更が加えられ得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属製圧延板材の残留応力分布測定方
法を好適に実施するための残留応力分布測定装置の一例
を示す図であって、構成を示すブロック線図である。

【図２】図１の装置により残留応力分布が測定される金
属製圧延板材の一例を示す平面図であって、スリットが
形成された状態を示す図である。

【図３】図２のIII −III 視断面図であって、測定部の
板厚方向の変位の一例を示す図である。

【図４】図１の装置の作動を説明するためのフローチャ
ートである。

【図５】図１の装置により測定された残留応力分布の一
例を示す図である。

【図６】図１の装置の作動を説明するためのフローチャ
ートの他の例である。

【図７】図６のフローチャートで処理された移動平均処
理前後の変位の一例を表した図である。

【図８】移動平均処理を２回行った場合の図７に対応す
る図である。

【図９】移動平均処理を３回行った場合の図７に対応す
る図である。

【符号の説明】

１０：金属製圧延板材 １２：スリット １４：測定部 ａ：残留応力分布測定場所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製圧延板材の残留応力分布を測定す
   る方法であって、 前記金属製圧延板材の残留応力分布の測定場所におい
   て、圧延方向に延びる一定長さの複数本のスリットを互
   いに平行に形成するスリット形成工程と、 前記スリットの形成により前記残留応力分布測定場所に
   形成された互いに平行な複数本の長手状の測定部に該ス
   リットの形成に基づいて発生する板厚方向の変位を、該
   測定部の長手方向に沿ってそれぞれ検出する変位検出工
   程と、 該変位検出工程により検出された前記測定部の板厚方向
   の変位に基づいて、該変位の発生原因である伸びの率を
   それぞれ算出する伸び率算出工程と、 該伸び率算出工程により算出された伸び率に基づいて、
   前記残留応力分布測定場所における残留応力分布を決定
   する残留応力分布決定工程とを含むことを特徴とする金
   属製圧延板材の残留応力分布測定方法。
2. 【請求項２】 前記伸び率算出工程は、移動平均法或い
   は加重移動平均法により、前記変位検出工程により検出
   された前記変位の値のばらつきを緩和する工程を含むこ
   とを特徴とする請求項１に記載された金属製圧延板材の
   残留応力分布測定方法。