JPH08145816A

JPH08145816A - 圧延薄鋼板の残留応力分布測定方法

Info

Publication number: JPH08145816A
Application number: JP6286435A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Sometsugu; 孝博染次; Koji Yoshimura; 剛治吉村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】圧延薄鋼板の残留応力分布を短時間で、か
つ、高精度に測定する方法を提供する。【構成】前後、左右、上下の３軸のＮＣ制御の駆動系
を持ち、前後軸ステージにワークを載置し、上下軸ステ
ージに応力測定センサーを取り付ける構造の装置を用
い、残留応力の測定には磁歪センサーと、磁歪センサー
と圧延薄鋼板のギャップを一定に保つための変位センサ
ーを用いた。変位センサーからの測定値を基に、磁歪セ
ンサーと圧延薄鋼板のギャップ量を制御し残留応力を測
定する。さらに、少ない測定点数で短時間で測定し、残
留応力の分布をわかりやすく表示するため、得られた残
留応力の測定データを補間して画像化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧延薄鋼板の残留応力
分布をオフラインで、短時間かつ高精度に測定する方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧延薄鋼板は、最近では家電、電子部品
関連への適用が増大してきている。例えば、電子部品に
使用されるものでは微細な加工を必要とするため、エッ
チングによる加工が一般的である。圧延薄鋼板に残留応
力が存在すると、残留応力の有る部分と無い部分でエッ
チング速度が異なるため、エッチングムラが生じる。ま
た、エッチング加工により残留応力が解放されるため、
寸法誤差が生じたり、最悪の場合、製品が湾曲するとい
った不具合が生じることが知られている。

【０００３】圧延薄鋼板の残留応力測定は、通常、圧延
薄鋼板の圧延方向と直角な方向の複数位置において、そ
の圧延薄鋼板の表面にＸ線を照射して、得られた複数の
回折ピーク位置に基づいて行われている。回折ピークの
位置はＸ線照射位置の結晶格子の歪みに応じて変化する
ので、その回折ピークの位置に基づいて結晶格子の歪み
を測定することができ、その歪みを応力に換算して残留
応力を得る。

【０００４】また、別の応力測定方法として、圧延薄鋼
板中を伝わる超音波の速度が残留応力と相関が有ること
を利用する方法が特開平５−２７３０５７に提案されて
いる。被測定物に入射した超音波の伝播時間を測定する
ことにより、超音波の伝播速度を求め、応力値に換算す
る。

【０００５】特開平６−１０２１０７は、図１３に示す
ように、圧延材に圧延方向に伸びる一定長さの複数のス
リットをエッチングにより形成し、スリット部分の開放
された残留応力による湾曲量をレーザー変位計等で測定
し、湾曲量から、残留応力を算出するというものであ
る。図１４は図１３の残ったスリット状の圧延材部分を
横から見た図である。

【０００６】実開平１−１３５３３８に磁歪センサーに
よる測定が示されている。これは磁歪センサーを垂直方
向、及び、互いに直角な水平軸中心の回転方向とセンサ
ー軸中心の回転方向に移動自在とし、被測定面に磁歪セ
ンサーの支持筒を接触させ、一定の高さにて、測定を行
うものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線により圧延薄鋼板
の残留応力分布を測定する場合においては、上記複数の
回折ピークを得るために時間がかかるため、残留応力分
布の測定に長時間を要する欠点が有る。また上記Ｘ線に
よる測定では、数μm〜数十μm程度の表層の歪みしか知
ることができないため、圧延薄鋼板の板厚方向の全体で
の残留応力を正確に測定できない。

【０００８】特開平５−２７３０５７の方法では、圧延
薄鋼板の厚みが１ｍｍ程度以下になると、超音波の伝播
時間が短く、減衰が大きいため測定誤差が生じ易い。高
精度の測定には、超音波の周波数を高くすればよいが、
一層減衰が大きくなり、検出困難となってくる。

【０００９】特開平６−１０２１０７の方法では、開放
された残留応力による湾曲量は極くわずかであり、圧延
薄鋼板の自重により変形を受けてしまい、正確な残留応
力の測定は困難である。また、圧延薄鋼板では、その湾
曲量と表面荒さが同程度となり、表面荒さの影響が残留
応力に誤差となってしまう。

【００１０】実開平１−１３５３３８の方法では、接触
式のため、薄鋼板の場合、変形が生じ、正確な応力の測
定ができない。

【００１１】本発明は０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の圧
延薄鋼板の残留応力を比較的短時間で且つ高精度に測定
することを目的としたものである。

【００１２】

【問題を解決するための手段】ＮＣ制御をする平面直交
２軸と上下１軸を有し、平面の少なくとも１軸で制御さ
れるステージに圧延薄鋼板をセットし、残りの軸で制御
されるステージに磁歪センサーと渦電流式を除く方式の
変位センサーを高さ方向に並列に固定し、圧延薄鋼板を
セットするステージに、変位センサー用治具と磁歪セン
サー用治具を同一高さに固定した構成において、変位セ
ンサーを変位センサー用治具に所定距離を隔てて対面さ
せ、この時の磁歪センサー用治具に対面する磁歪センサ
ーの出力と予め求めておいた磁歪センサーの出力と距離
の関係より、磁歪センサーと磁歪センサー用治具間距離
を求め、これより両センサーのセンシング面の高さずれ
を求め、実測定においては変位センサーで圧延薄鋼板ま
での変位を測定し、これより所定の磁歪センサーと圧延
薄鋼板までの距離を一定になるようにして圧延薄鋼板の
残留応力を測定することを特徴とする。

【００１３】また、残留応力測定において、得られた各
測定点の測定値を補間してデータ数を増やし、画像化表
示することも可能である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１に本発明で使用した装置の実施例を示
す。装置はＸ軸ステージ４、Ｙ軸ステージ５、Ｚ軸ステ
ージ６の３駆動系より構成されている。Ｘ軸ステージ４
は架台（図示せず）上に設置されており、サーボモータ
４ａ、ボールネジ４ｂ（図示せず）、直線案内４ｃ（図
示せず）、テーブル７より構成されている。Ｙ軸ステー
ジ５はＸ軸ステージ４を跨ぐ門型支柱１１上に、Ｘ軸ス
テージと直角に、水平載置され、サーボモータ５ａ、ボ
ールネジ５ｂ（図示せず）、直線案内５ｃ（図示せ
ず）、テーブル５ｄより構成されている。

【００１５】Ｚ軸ステージ６はＹ軸ステージ５のテーブ
ル５ｄに、Ｘ軸ステージと垂直方向に取り付けられてお
り、サーボモータ６ａ、ボールネジ６ｂ（図示せず）、
直線案内６ｃ（図示せず）、センサー保持部１２より構
成されている。センサー保持部１２は磁歪センサー２と
静電容量式変位センサー３を固定設置する座である。磁
歪センサー２と変位センサー３の各々のセンシング端面
はほぼ同一レベルとなるよう取り付けておく。

【００１６】圧延薄鋼板１はＸ軸ステージ４のテーブル
７上に載置されており、Ｘ軸ステージ４およびＹ軸ステ
ージ５を駆動することによって、圧延薄鋼板１の全面を
磁歪センサー２で走査することで測定を可能とする。

【００１７】変位センサーは、本発明では、静電容量式
を用いたが、レーザー式等、１μｍ程度の分解能と精度
で測定できるものであれば、使用可能である。しかし、
渦電流式変位センサー等のように測定対象物の材質や残
留応力によりセンサー特性の変化するものは好ましくな
い。

【００１８】測定中の温度変化は測定装置が熱膨張する
ため、測定誤差の要因となる。さらに、磁歪センサー２
は材料の磁気特性を利用して応力を検出する物であるた
め、外部磁界あるいは材料自体の持つ残留磁界に影響を
受け、測定値の誤差の要因となる。測定装置の支柱１１
は熱膨張が小さく、非磁性体である花崗岩製石定盤を用
いた。Ｘ軸ステージ４、Ｙ軸ステージ５、Ｚ軸ステージ
６の構成部や駆動用サーボモーター４ａ、５ａ、６ａ等
の磁性金属を用いなくてはならない部分や磁界を発生す
る部分は磁気シールドを施し、磁気の漏洩を防止した。
圧延薄鋼板１を置くテーブル７も、磁気及び熱膨張の影
響を避けるため、花崗岩製石定盤を用いた。

【００１９】本発明では、磁気の影響を避けるための構
成部材として花崗岩を用いたが、非磁性体であれば、使
用可能である。さらに、圧延薄鋼板１の残留磁界の影響
を避けるため、脱磁処理をする方が好ましい。

【００２０】磁歪センサー２および変位センサー３から
得られる測定値はデータサンプリング部８に取り込む。
Ｚ軸ステージ６は変位センサー３から得られた圧延薄鋼
板１の湾曲データを基に、テーブル制御部９にて移動量
の算出と位置決め制御がなされる。得られた残留応力測
定データは画像処理部１０での補間処理にて画像化し、
画像表示部１６にて画像表示を行う。

【００２１】磁歪センサー２は、強磁性体を磁化すると
き、磁歪が生じる現象の逆の効果、つまり、応力が存在
すると磁気特性が変化することを利用するセンサーであ
り、磁気異方性効果を測定するものである。被測定物に
応力を加えると、被測定物の透磁率は引張り方向に僅か
に大きくなり、磁気異方性を生じる。この透磁率の変化
は応力と相関があり、磁歪センサーは磁気ブリッジ回路
を構成しており、引張り方向とそれに垂直な方向の透磁
率差を測定することにより応力として算出する。透磁率
は磁気抵抗として考えられ、磁歪センサー部に形成され
た磁気ブリッジ回路では、磁歪センサー２と圧延薄鋼板
１とのギャップが磁気抵抗として加味される。残留応力
を正確に測定するには、磁歪センサー２と圧延薄鋼板１
のギャップを常に一定に保つことが必要である。

【００２２】次に、測定の詳細な方法を説明する。ま
ず、磁歪センサー２と変位センサー３の各センシング端
面の相互位置ずれを測定するためにキャリブレーション
を行う。以下、図２に基づき説明する。パソコンを用い
た画像処理部１０の画像表示部１６に表示されたメニュ
ーより、キャリブレーションメニューを選択すると、Ｘ
軸ステージ４とＹ軸ステージ５が作動し、変位センサー
３はテーブル７上に貼られた変位センサー用キャリブレ
ーション治具２０の上方に移動する。到着後、変位セン
サー３のセンシング端面と該キャリブレーション治具２
０の上面との距離を測定する。その測定値に基づき、Ｚ
軸ステージ６は変位センサー３のセンシング端面と該キ
ャリブレーション治具２０の上面との距離が設定値（本
実施例では０．５ｍｍ）となる位置に移動する。

【００２３】該変位センサー用キャリブレーション治具
２０と磁歪センサー用キャリブレーション治具２１は変
位センサー３と磁歪センサー２と等距離の間隔で同方向
（ｙ軸に平行）に配置されている。また、変位センサー
用キャリブレーション治具２０と磁歪センサー用キャリ
ブレーション治具２１は同一高さとなるように設置して
ある。変位センサー３と変位センサー用キャリブレーシ
ョン治具２０との距離を０．５ｍｍとするＺ軸ステージ
６の位置にて、磁歪センサー２により、該磁歪センサー
用キャリブレーション治具２１での出力を測定する。そ
の出力値Ｖを、図３に示す予め測定しておいた磁歪セン
サーのＶ−Ｌ検量線より、磁歪センサー２のセンシング
端面と磁歪センサー用キャリブレーション治具２１の上
面との距離Ｌに換算し、磁歪センサー２と変位センサー
３とのＺ軸方向のセンシング端面の高さの差（０．５−
Ｌ）ｍｍを算出する。キャリブレーションはセンサーの
取替後やメンテナンス後、及び定期的点検時に行い、前
記（０．５−Ｌ）寸法を更新する。

【００２４】次に、実測定について説明する。画像表示
部１６に表示されたメニューより、測定メニューを選択
する。測定の選択により、画像表示部１６には、ワーク
の寸法、測定箇所、測定点数等運転条件のキー入力依頼
が表示される。運転条件のキー入力後、測定開始を選択
することで、図４に示すように、Ｘ軸ステージ４および
Ｙ軸ステージ５が移動し、変位センサー３を測定する点
Ａ上に位置決めする。

【００２５】図５に示すように、変位センサー３で圧延
薄鋼板１とのギャップを測定し、該ギャップが所定の値
になるまでＺ軸ステージ６を駆動する。例えば、磁歪セ
ンサー２と圧延薄鋼板１とのギャップを０．５ｍｍと設
定した場合は、前記ギャップ値は、（０．５−Ｌ）＋
０．５ｍｍとなる。ここで、磁歪センサー２と圧延薄鋼
板１とのギャップ値は、測定対象の圧延薄鋼板に対して
磁歪センサーの出力感度が高い距離を選ぶ。

【００２６】次に、図６に示すようにＹ軸ステージ５を
駆動し、磁歪センサー２を平行移動し、測定点Ａ上に位
置決めする。このときの磁歪センサー２と測定点Ａとの
ギャップは０．５ｍｍとなっている。磁歪センサー２に
て圧延薄鋼板１の測定点Ａの残留応力値を測定する。

【００２７】図７に示すように、次の測定点Ｂ上にＸ軸
ステージ４およびＹ軸ステージ５を駆動し、変位センサ
ー３を位置決めし、上記測定手順を繰り返すことによ
り、圧延薄鋼板１の面内の残留応力分布を測定する。

【００２８】その他の測定手順として、Ｚ軸ステージ６
を一定高さのままにして圧延薄鋼板１の面内測定点の変
位データを全て測定した後、各変位データと前記所定の
変位センサー３と圧延薄鋼板１とのギャップ値を基に、
各測定点でのＺ軸方向移動量を制御しながら、順次磁歪
センサー２を圧延薄鋼板１の測定点上に移動して測定す
る方法も可能である。また、磁歪センサーを静止させ、
一点一点測定を行う他、図８に示すようにＹ軸ステージ
５及びＸ軸ステージ４を連続的に移動しながら測定する
こともできる。即ち、測定点での変位センサーからの測
定値を基に、磁歪センサー２が該測定点に来るまでに前
記と同様な方法でＺ軸ステージを位置制御するのであ
る。

【００２９】所定ギャップでの磁歪センサー２の出力と
残留応力値の関係は、図９に示すように、線形性が少な
く、かつ圧延薄鋼板１の材質により異なる。測定する圧
延薄鋼板１と同じ材質の試料を用い、引っ張り試験等に
より磁歪センサー２の出力と残留応力値の関係を求め、
検量線を作成しておく。残留応力値は、この検量線を基
に、磁歪センサー２で得られた出力値を換算することに
より得られる。

【００３０】運転条件で設定した測定が終了すると、画
像表示部１６の表示が変わり、測定結果表示に関する表
示が現れる。メニューの選択により、圧延薄鋼板１の凹
凸分布や残留応力分布の表示が得られる。

【００３１】次に、残留応力分布データを補間すること
により、データ量を増やし、得られた残留応力分布をわ
かりやすく表示するための画像化の方法について説明す
る。

【００３２】図１０には、測定範囲が１５０×１５０ｍ
ｍの圧延薄鋼板１をＸ軸、Ｙ軸それぞれ３０ｍｍ間隔で
測定した場合の測定点１３の位置を示した。測定点１３
はＸ軸、Ｙ軸それぞれ６点、合計３６点となり、１点当
り５秒で測定すると、測定時間は３分となる。次に得ら
れた測定データを表示出力するが、測定点数が少ないた
め、面内の応力の分布状況が分かり難くなる。

【００３３】そこで、得られた残留応力データを補間
し、例えばＸ軸、Ｙ軸それぞれのデータを５１２個のデ
ータとする。この補間したデータ例を図１１に示す。残
留応力の大きさと画像の明るさを対応させて表示をする
ことにより、残留応力の面内分布が分かり易くなる。こ
こでは、残留応力を画像の明るさで現したが、容易に理
解できる方法、例えば、色に対応させたり、等高線表示
や鳥瞰図といった方法でもよい。

【００３４】次に、補間データ作成に用いた３次補間法
について説明する。図１２に示すように、内挿補間点１
４の値を求める場合、補間点１４を取り囲む１６個の測
定データ１３を用い、３次多項式近似にて求める。図１
２に示すように、内挿補間点１４をｆ（ｕ０、ｖ０）、
周囲の１６個の測定データ１３をｆ（ｕｉ、ｖｉ）から
ｆ（ｕｉ＋3、ｖｉ＋3）とすると、内挿補間点１４は

【数１】より算出される。

【００３５】

【数１】ここで、Ｃ（ｘ）は補間関数であり、

【数２】で表される。

【数２】Ｃ（ｘ）＝１−２｜ｘ｜²＋｜ｘ｜³ ・・・（０≦｜ｘ｜＜１）Ｃ（ｘ）＝４−８｜ｘ｜＋５｜ｘ｜²−｜ｘ｜³・・・（１≦｜ｘ｜＜２）Ｃ（ｘ）＝０・・・（２≦｜ｘ｜）

【００３６】本発明には、３次補間法を用いたが、スプ
ライン補間法等の使用も可能である。

【００３７】本発明では、測定間隔を３０ｍｍとした
が、応力変化の激しい部分では、より詳細に測定するこ
とが必要になる。そのためには、より細かな測定間隔で
測定しなければならない。５ｍｍ間隔とした場合、全面
の測定では、例えば、１５０×１５０ｍｍの圧延薄鋼板
で１時間２０分の時間がかかり、実用的ではない。そこ
で、３０ｍｍ間隔での測定値を元に、圧延薄鋼板全面の
中から、応力変化の激しい部分を選定し、改めて、詳細
に測定する機能を設けた。

【００３８】

【発明の効果】本発明では、残留応力の測定に測定材の
磁気特性から残留応力を求めることができる磁歪センサ
ーを用い、変位センサーで磁歪センサーと測定材とのギ
ャップを一定に保つようにして測定を行うため非接触で
の測定が可能となった。これにより、圧延薄鋼板に外力
等が加わることなく、圧延薄鋼板の内部に残留する残留
応力のみを高精度に測定することが可能となった。

【００３９】さらに、得られた残留応力データを補間処
理し、画像化することにより、少ない測定点数で残留応
力の面内分布の表示を分かり易くしたため、測定時間を
短縮することができると共に、定量的な評価と判定が可
能となった。

【００４０】また、局所的な測定箇所の設定機能は補間
処理による不明瞭な箇所を細かく再測定することがで
き、検査精度向上に大きく寄与した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧延薄鋼板の残留応力を測定する装置
のブロック図

【図２】磁歪センサーと変位センサーの高さのキャリブ
レーションの説明図

【図３】磁歪センサー出力のギャップ依存性を示す図

【図４】本発明の残留応力を測定するための手順を説明
する図

【図５】本発明の残留応力を測定するための手順を説明
する図

【図６】本発明の残留応力を測定するための手順を説明
する図

【図７】本発明の残留応力を測定するための手順を説明
する図

【図８】本発明の残留応力を測定するための手順を説明
する図

【図９】磁歪センサー出力の材質依存性

【図１０】圧延薄鋼板の測定点の分布を示す図

【図１１】残留応力分布を補間処理し、画像化した図の
例

【図１２】測定データを補間する方法を説明する図

【図１３】従来の残留応力測定方法を説明する図

【図１４】従来の残留応力測定方法を説明する図

【符号の説明】

１圧延薄鋼板２磁歪センサー３変位センサー４Ｘ軸ステージ５Ｙ軸ステージ６Ｚ軸ステージ７テーブル８データサンプリング部９テーブル制御部１０画像処理部１１支柱１２センサー保持部１３測定点１４内挿補間点１５スリット１６画像表示部１７軌跡２０変位センサーキャリブレーション治
具２１磁歪センサーキャリブレーション治
具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＮＣ制御をする平面直交２軸と上下１軸
を有し、平面の少なくとも１軸で制御されるステージに
圧延薄鋼板をセットし、残りの軸で制御されるステージ
に磁歪センサーと渦電流式を除く方式の変位センサーを
高さ方向に並列に固定し、圧延薄鋼板をセットするステ
ージに、変位センサー用治具と磁歪センサー用治具を同
一高さに固定した構成において、変位センサーを変位セ
ンサー用治具に所定距離を隔てて対面させ、この時の磁
歪センサー用治具に対面する磁歪センサーの出力と予め
求めておいた磁歪センサーの出力と距離の関係より、磁
歪センサーと磁歪センサー用治具間距離を求め、これよ
り両センサーのセンシング面の高さずれを求め、実測定
においては変位センサーで圧延薄鋼板までの変位を測定
し、これより所定の磁歪センサーと圧延薄鋼板までの距
離を一定になるようにして圧延薄鋼板の残留応力を測定
することを特徴とする圧延薄鋼板の残留応力分布測定方
法。
【請求項２】前記請求項１の残留応力測定において、
得られた各測定点の測定値を補間してデータ数を増や
し、画像化表示することを特徴とする圧延薄鋼板の残留
応力分布測定方法。