KR20120134445A - 박판의 응력 계측 방법 및 계측 장치 - Google Patents

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Abstract

(과제) 잔류 응력 등, 박판에 부가된 응력의 크기를, 비파괴, 비접촉으로, 고속인 한편 안전하게, 양호한 정밀도로 계측하는, 박판의 응력 계측 방법, 및 계측 장치를 제공한다.
(해결 수단) 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 초음파를 발생시키고, 더하여 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광과 파장이 다른 초음파 검출용 레이저광을 조사하고, 피검사체에 발생한 초음파의 진동에 의한 도플러 시프트를 받은 초음파 검출용 레이저광을 이용하여 피검사체에 발생한 초음파의 강도 파형을 산출하고, 상기 초음파의 강도 파형의 주파수 분석을 실시하여, 2개로 분리하여 관찰되는 상기 피검사체에 발생한 군속도 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 주파수로부터, 미리 작성된 2개의 주파수와 응력의 크기의 관계를 이용하여, 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박판의 응력 계측 방법.

Description

박판의 응력 계측 방법 및 계측 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING STRESS OF STRIP SHEET}
본 발명은, 레이저를 이용해 비접촉으로 피검사체에 초음파를 발생시키는 레이저 초음파법에 있어서, 열탄성 효과를 이용하여, 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않고 초음파를 발생시켜, 잔류 응력 등, 박판에 부가된 응력의 크기를 비파괴·비접촉으로 계측하는 방법에 관한 것이다.
박판 제품은, 자동차, 디지털 가전, 건축 재료, 주택, 음료캔, 변압기 등, 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 예를 들면, 전자 부품에 사용하는 박판은, 미세한 가공을 할 필요가 있으므로, 일반적으로, 에칭에 의해 가공한다. 박판에 잔류 응력이 존재하면, 잔류 응력이 존재하는 부분과 존재하지 않는 부분으로 에칭 속도가 변화하므로, 에칭 얼룩이 생긴다. 또한, 에칭 가공에 의해 잔류 응력이 해방되므로, 치수 오차가 생기거나 제품이 만곡하거나 하는 불편이 생긴다.
비파괴로 박판의 잔류 응력의 크기를 계측하는 방법으로서, X선에 의한 응력 계측법이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 특허 문헌 2 등). X선에 의한 응력 계측은, X 선 회절 피크의 위치가 X선 조사 위치의 결정 격자의 변형에 따라 변화하는 것을 이용한 계측 방법이다. 통상은, 박판의 압연 방향과 직각인 방향의 복수 위치로, 박판의 표면에 X선을 조사하여, 얻어진 복수의 회절 피크 위치에 기초하여, 결정 격자의 변형을 구하고, 구한 변형을 환산하여, 응력의 크기를 구한다.
한편, 펄스 발진 레이저를 이용해 초음파를 발생시켜, 피검사체 안을 전파 한 초음파를, 연속 발진 레이저를 이용해 검출하는, 비접촉식의 계측 방법(이하 「레이저 초음파법」이라고 한다)에 대해, 여러 가지의 응용이 제안되고 있다.
예를 들면, 비특허 문헌 1에는, 레이저 초음파법에 의한 푸아송비의 계측 방법으로서, 애블레이션에 의한 초음파 여기를 이용한, 푸아송비, 종파 음속, 및 횡파 음속의 계측 방법이 보고되고 있다.
비특허 문헌 1에는, 피검사체에 플루엔스(단위 면적당의 에너지량)가 약 5.1 mJ/mm2의 펄스 출력인 Q 스위치 Nd： YAG 레이저광을 조사하여 초음파 여기하고, 발생한 판파(板波) 초음파의, 군속도(群束度) 제로의 S1 모드의 주파수(이하, 「S1f」라 한다), 군속도 제로인 A2 모드의 주파수(이하, 「A2f」라 한다)를, 연속 발진의 2배파 Nd： YAG 레이저를 이용하여 검출하고, 그 값으로부터 푸아송비, 종파 음속, 횡파 음속을 산출한 실험 결과가 기재되어 있다.
일본특허공개 평5-72061호 공보 일본특허공개 평6－102103호 공보
강판의 제조에서는, 잔류 응력의 영향에 의한 강판의 휘어짐이 문제되는 경우가 있다. 그 때문에, 비파괴인 한편, 비접촉으로, 강판의 잔류 응력의 크기를 계측하는 방법이 요망되고 있다.
상기의 X선에 의한 응력 계측법은, 복수의 회절 피크를 얻기 위해서 시간이 걸리므로, 잔류 응력 분포의 계측에 필요로 하는 시간이 길어진다. 또한, X선에 의한 계측은, 박판의 수 μm ~ 수십 μm정도의 표층의 변형밖에 알 수 없기 때문에, 박판의 전체에서의 잔류 응력의 크기를 정확하게 계측할 수 없다. 게다가 인체에 위험한 방사선의 X선을 이용하므로, X선 조사 장치의 조작에 숙련을 필요로 하여, 안전하고 간단하게 계측을 할 수 없다.
또한, 레이저 초음파법의 응용에 의해 잔류 응력의 크기를 계측하는 것도 생각할 수 있지만, 비특허 문헌 1에 기재된 레이저 초음파법에 의한 계측에서는, 애블레이션에 의해 피검사체의 표면에 조사 자국이 생기므로, 조사 자국이 허용되지 않는 용도에서는, 이 방법에 의한 계측은 하지 못하고, 용도가 한정된다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여, 잔류 응력 등, 박판에 부가된 응력의 크기를, 비파괴, 비접촉으로, 고속인 한편 안전하게, 양호한 정밀도로 계측하는, 박판의 응력 계측 방법, 및 계측 장치의 제공을 과제로 한다.
본 발명자 등은, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용한 레이저 초음파법을 이용하여, 박판의 잔류 응력 등, 박판에 부가된 응력의 크기를 계측하는 방법을, 열심히 검토하였다.
레이저 초음파법에서, 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않고, 레이저의 조사 자국을 발생하지 않기 위하여, 열탄성 효과에 의한 초음파 여기를 이용하는 계측법에서는, 발생한 초음파의 검출이 어렵고, 판파 초음파의 A2f의 계측은 곤란하지만, S1f의 계측은 가능하다.
본 발명자 등의 검토의 결과, 인장 응력을 부가한 피검사체에, 레이저 초음파법으로 초음파를 발생시켜, 초음파의 강도 파형을 검출하고, 검출한 초음파의 강도 파형을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform： 이하 「FFT」라고 한다)에 의해 처리하면, S1f의 주파수 피크가 분리하여, 2개의 주파수 피크가 관측되는 것을 발견하였다. 또한, 이 주파수의 분리의 크기는, 인장 응력의 크기와 상관이 있는 것을 발견하였다.
본 발명은, 상기의 발견에 기초한 것이며, 그 요지는 이하와 같다.
(1) 박판에 부가된 응력의 크기를 계측하는 방법에 있어서,
피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여, 피검사체에 초음파를 발생시키는 단계;
상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광과 파장이 다른 초음파 검출용 레이저광을 조사하는 단계;
상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광의 반사광을 수신하고, 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 단계;
상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 이용하여, 상기 도플러 시프트의 양으로부터 상기 피검사체에 발생한 초음파의 강도 파형을 산출하는 단계;
상기 초음파의 강도 파형의 주파수 분석을 실시하여, 2개로 분리하여 관찰되는 상기 피검사체에 발생한 군속도 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 2개의 주파수 S1f1, 및 S1f2를 산출하는 단계; 및
산출된 상기 2개의 주파수로부터, 미리 작성된 2개의 주파수 S1f1 및 S1f2와 응력의 크기의 관계를 이용하여, 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
박판의 응력 계측 방법.
(2) 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계는, 산출된 2개의 주파수 S1f1, S1f2로부터, 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1을 산출하고, 미리 작성된 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1과 응력의 크기의 관계를 이용하여, 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 박판의 응력 계측 방법.
여기에서, S1f1<S1f2, ΔS1f = S1f2 - S1f1로 한다.
(3) 상기 초음파 검출용 레이저광을, 상기 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하는 스팟 영역 내에 조사하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 박판의 응력 계측 방법.
(4) 상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광을 수신하고, 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 방법은, 상기 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광을 간섭계로 간섭시켜, 상기 간섭계로부터 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 방법인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나의 박판의 응력 계측 방법.
(5) 상기 초음파 검출용 레이저광은, 펄스 발진 레이저광인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4)의 어느 하나의 박판의 응력 계측 방법.
(6) 박판에 부가된 응력의 크기를 계측하는 장치에 있어서,
피검사체에 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하는 조사 광학계;
상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광과 파장이 다른 초음파 검출용 레이저광을 조사하는 검출 광학계;
상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광의 반사광을 수신하고, 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 수신부;
상기 초음파의 강도 파형의 주파수 분석을 실시하여, 2개로 분리하여 관찰되는 상기 피검사체에 발생한 군속도 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 2개의 주파수 S1f1, 및 S1f2를 산출하는 주파수 스펙트럼 산출부; 및
산출된 2개의 주파수로부터, 미리 구해진 2개의 주파수 S1f1, 및 S1f2와 응력의 크기의 관계를 이용하여, 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 응력 산출부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 박판의 응력 계측 장치.
(7) 상기 응력 산출부는, 산출된 S1f1, S1f2로부터, 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1을 산출하고, 미리 구해진 2개의 주파수의 분리의 크기ΔS1f/S1f1과 응력의 크기의 관계를 이용하여, 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는, 상기 (6)의 박판의 응력 계측 장치.
여기에서, S1f1<S1f2, ΔS1f = S1f2 - S1f1로 한다.
(8) 상기 검출 광학계는, 상기 조사 광학계가 피검사체의 표면에 조사한 펄스 발진 레이저광의 스팟 영역 내에 레이저광을 조사할 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 또는 (7)의 박판의 응력 계측 장치.
(9) 상기 수신부는, 상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광을 입력하여 간섭시켜, 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 간섭계인 것을 특징으로 하는, 상기 (6) 내지 (8)의 어느 하나의 박판의 응력 계측 장치.
(10) 상기 초음파 검출용 레이저광은, 펄스 발진 레이저광인 것을 특징으로 하는 (6) 내지 (9)의 어느 하나의 박판의 응력 계측 장치.
(11) 별도 계측한 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1과 응력의 크기를 입력하고, 입력된 값에 기초하여, 상기 응력 산출부에서 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하기 위해서 이용하는, 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1과 응력의 크기의 관계를 나타내는 교정선을 작성하는, 교정선 작성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 내지 (10)의 어느 하나의 박판의 응력 계측 장치.
본 발명에 의하면, 애블레이션이 생기지 않는 정도의 낮은 에너지의 레이저광을 이용하여, 피검사체의 표면에 데미지를 주지 않고, 비접촉인 한편, 비파괴로, 또한 고속으로 안전하게, 잔류 응력 등, 박판에 부가된 응력의 크기를 계측할 수 있다.
이에 의해, 박판의 제조 중에, 온라인으로 잔류 응력의 정보를 얻을 수 있으므로, 예를 들면, 강판의 교정 프로세스의 제어 정보로서 활용할 수 있어 잔류 응력 저감을 위한 제어의 최적화를 실시할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 박판의 응력 계측 장치의 개략을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 박판의 응력 계측 장치로 검출한 초음파의 강도 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 박판의 응력 계측 장치로 검출한 초음파의 강도 파형을 FFT 처리한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 박판에 부가한 응력의 크기와 본 발명의 박판의 응력 계측 장치로 검출한 2개의 주파수의 분리의 크기의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에서의, 군속도 제로인 판파 초음파를 검출할 때의, 바람직한 초음파 발생용 레이저와 초음파 검출용 레이저의 조사 위치의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 패브리·페로 간섭계의 주파수와 투과율의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 판파 초음파의 군속도와 주파수×판두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 계측 방법으로 계측한 응력의 크기와 변형 게이지로 계측한 응력의 크기의 관계를 나타내는 도면이다.
본 발명의 박판의 응력 계측 방법의 개요를, 도 1에 도시된 본 발명의 박판의 응력 계측 장치를 참조하여 설명한다.
피검사체(11)에, 조사 광학계의 초음파 발생용 펄스 발진 레이저 광원(21)으로부터 조사된 초음파 발생용 레이저 광(GL)을 조사하여 초음파를 여기하면, 피검사체(11) 내부에 종파, 횡파, 및 판파 초음파가 발생한다.
이 피검사체(11)에, 검출 광학계의 초음파 검출용 레이저 광원(31)으로부터 조사된 초음파 검출용 레이저 광(DL)을 조사하면, 초음파 검출용 레이저 광(DL)은, 피검사체(11)에 발생한 초음파에 의해, 피검사체(11)의 표면 변위 속도 V에 따라 도플러 시프트 Δf = 2V/λ를 받아 반사한다. λ는, 초음파 검출용 레이저광의 파장이다.
도플러 시프트를 받은 초음파 검출용 레이저 광(DL)의 반사광은, 수신부(41)로 수신되고, 그 후, 신호 처리부(51)에 보내진다. 신호 처리부(51)에서는, 도플러 시프트의 양의 정보로부터, 주파수 스펙트럼을 산출하고, FFT 처리에 의해 주파수 스펙트럼의 주파수 분석을 실시한다.
주파수 스펙트럼은, 구체적으로는, 예를 들면, 도 2와 같이 산출된다. 이것을 FFT 처리하면, 도 3과 같은 결과를 얻을 수 있다. 도 2 및 3에 도시된 결과는, 피검사체로서 1 mm 두께의 SS400을 이용하여 계측한 결과이다. 도 3a는, 인장 응력을 부가하고 있지 않은 상태에서의 계측 결과, 도 3b는 피검사체에 3 MPa의 인장 응력을 부가한 상태에서의 계측 결과로, 도 3c는 도 3b의 S1f의 주파수 영역을 확대한 도면, 도 3d는 피검사체에 15 MPa의 인장 응력을 부가한 상태에서의 계측 결과이다.
도 3으로부터, 피검사체에 인장 응력이 부가된 상태에서는, S1f의 주파수 피크가 2개의 주파수로 분리하는 것을 안다.
본 발명자 등의 검토의 결과, 피검사체에 부가하는 인장 응력의 크기를 바꾸면, 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 주파수의 분리의 크기와 인장 응력의 크기에는 상관이 있는 것을 알았다. 분리의 크기는, 예를 들면, 분리한 2개의 주파수를 S1f1, S1f2(S1f1 < S1f2), ΔS1f = S1f2 - S1f1 하고, ΔS1f/S1f1로서 나타낼 수 있다. 도 4의 종축은, ΔS1f/S1f1이다. 2개의 주파수의 분리의 크기는, 예를 들면,ΔS1f/S1f2 등, 다른 식을 이용하여 평가하여도 된다.
2개의 주파수의 분리의 크기(예를 들면,ΔS1f/S1f1)와, 부가된 응력의 크기의 관계인 교정선(較正線)을 미리 구해 두고, 예를 들면, 데이터베이스로서 보유해 두는 것으로, 부가된 응력의 크기가 미지의 피검사체에 대해, 레이저 초음파법으로 검출된 강도 파형을 FFT 처리하고, 2개의 주파수의 분리의 크기를 산출하여, 데이터베이스를 참조하면, 피검사체에 부가된 응력의 크기를 구할 수 있다.
강판의 성분 조성 등에 따라서는, 2개의 주파수의 분리의 크기와 응력의 크기의 관계가 다른 경우가 있으므로, 복수의 데이터베이스를 준비하고, 계측 시에 최적인 데이터베이스를 참조할 수 있도록 하면 된다.
본 발명의 응력 계측 장치에 대하여, 더욱 상세히 설명한다.
초음파 발생용 펄스 발진 레이저 광원(21)은, 펄스 발진 레이저 광원이고, 예를 들면 Q 스위치 Nd： YAG 레이저를 이용할 수 있다.
초음파 발생용 레이저 광(GL)의 펄스 반복 주파수는, 사용하는 초음파 발생용 펄스 발진 레이저 광원(21)의 특성에 의존하지만, 10 ~ 200 Hz정도이다. 조사 광학계에서는, 초음파 발생용 펄스 발진 레이저 광원(21)과 피검사체(11)의 사이에, 미러(22a, 22b), ND 필터(23), 집광 렌즈(24) 등을 배치하고, 초음파 발생용 레이저 광(GL)의 진행 방향, 강도, 빔 지름 등을 조정할 수 있다. 피검사체(11)의 표면에 조사되는 초음파 발생용 레이저 광(GL)의 조사각은, 실용상은, 면에 대해 수직 방향 ±30°이내이다. 이것들은, 특별히 한정되는 것은 아니다.
초음파 검출용 레이저 광원(31)에는, 예를 들면 연속 발진의 2배파 Nd： YAG 레이저를 이용할 수 있다. 초음파 발생용 레이저 광(GL)과 초음파 검출용 레이저 광(DL)에는, 파장이 다른 레이저광을 이용한다. 이것은, 수신부(41)로 수신하는 초음파 검출용 레이저 광(DL)에 초음파 발생용 레이저 광(GL)이 섞여, 노이즈로 되는 것을 막기 때문에 있다. 즉, 2개의 레이저광이 다른 파장이면, 사용하는 파장은 한정되지 않는다.
초음파 검출용 레이저 광(DL)이, 피검사체(11)에 발생한 초음파로부터 받는 도플러 시프트의 크기는, 0.01 ~ 0.1 Hz정도이다. 따라서, 초음파 검출용 레이저 광원(31)에는 주파수 안정성이 높은 레이저 광원을 이용하는 것이 바람직하고, 초음파 검출용 레이저 광원(31)의 주파수 드리프트는 100 Hz/s 이하가 바람직하다.
검출 광학계에서는, 초음파 검출용 레이저 광원(31)과 피검사체(11)의 사이에, 미러(32a, 32b) 등을 배치하고, 초음파 검출용 레이저 광(DL)의 진행 방향 등을 조정할 수 있다. 피검사체(11)의 표면에 조사되는 초음파 검출용 레이저 광(DL)의 조사각은, 실용상은, 면에 대해 수직 방향 ±30° 이내이다. 이것들은, 특별히 한정되는 것은 아니다.
초음파 검출용 레이저 광원(31)에는, 펄스 발진 레이저 광원을 이용할 수도 있다. 이 경우, 초음파 검출용 레이저 광(DL)을, 강도 파형의 검출의 타이밍에 동기하여 발진시키는 것으로, 초음파 검출용 레이저 광(DL)의 평균 출력을 그만큼 높게 하지 않아도, 초음파의 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
피검사체 표면의 조사 영역은, 도 5에 도시된 바와 같이, 초음파 발생용 레이저광을 조사하고, 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광의 조사 스팟(25)의 조사 영역 내에, 초음파 검출용 레이저광의 조사 스팟(35)이 들어가도록, 초음파 검출용 레이저광을 조사하는 것이 바람직하다. 초음파 발생용 레이저광과 초음파 검출용 레이저광을, 실질적으로 같은 위치에 조사하는 것으로, 초음파 검출용 레이저에 의해 면 방향으로 진행하는 파는 검출되지 않고, 이동하지 않는 군속도 제로인 판파를 양호한 정밀도로 검출할 수 있다.
수신부(41)에는, 예를 들면, 패브리·페로 간섭계를 이용할 수 있다. 패브리·페로 간섭계는, 파장 필터로서의 역할을 완수한다. 패브리·페로 간섭계의 투과율은, 도 6에 도시된 바와 같이, 광의 주파수에 의해 크게 다르다.
패브리·페로 간섭계에 입사되는 초음파 검출용 레이저광은, 피검사체를 전파하는 초음파로부터 받은 도플러 시프트의 양, 즉 피검사체의 표면 변위 속도에 의해, 조금 주파수가 변화한다. 주파수가 변화한 초음파 검출용 레이저광을 패브리·페로 간섭계에 도입하여 출력하는 것으로, 주파수의 변화를, 상대적으로 큰 광강도의 변화로 변환할 수 있다.
그 결과, 패브리·페로 간섭계를 투과한, 초음파 검출용 레이저광의 강도 변화를 계측하는 것으로, 피검사체의 표면의 진동 상태를 양호한 정밀도로 구할 수 있다.
패브리·페로 간섭계의 투과 특성은, FWHM(Full Width Half Max)이 1 ~ 10 MHz 정도, FSR(Free Spectral Range)이 100 MHz ~ 1 GHz 정도가 바람직하다. FWHM란, 어느 함수 f(x)가, 산형(山形)의 국소적 함수의 형상을 나타내고 있는 경우, f(x)가 그 최대값의 절반의 값 이상의 값이 되는 x의 범위의 폭값이다. FSR란, 자유 스펙트럼 영역의 약칭으로, 서로 이웃이 된 공진 피크 주파수 값의 차이로서 정의되는 값이다(도 6 참조).
패브리·페로 간섭계의 반사 미러가 외부 진동 등의 외란에 의해 변화했을 때에, 반사 미러를 최적인 위치가 되도록 조제할 수 있도록, 참조광을 이용한 조정 기구를 설치하여도 된다. 반사 미러의 조정에는, 피에조 소자 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 응력 계측 장치의 수신부는, 패브리·페로 간섭계로 한정되지 않는다.
예를 들면, 도플러 시프트를 받은 초음파 검출용 레이저광을, 초음파 검출용 레이저광의 파장 부근에서 손실 파장 특성이 급준하게 되는 광섬유 그레이팅이나 미세 구조 광섬유에 도입하여, 출력되는 광의 강도를 도플러 시프트량에 따른 강도로 하고, 이를 이용하여 초음파의 주파수 스펙트럼을 산출하는 방법 등도 채용할 수 있다.
수신부(41)로 수신한 도플러 시프트의 양의 정보는, 신호 처리부(51)에 보내진다. 이 때, 예를 들면, 애벌런치 포토 다이오드 등의 광/전기 변환기로 전기 신호로 변환하고, 전기 신호로서 신호 처리부(51)에 입력하여도 된다.
신호 처리부(51)는, 주파수 스펙트럼 산출부(51a), 응력 산출부(51b)를 가진다.
주파수 스펙트럼 산출부(51a)는, 전자 계산기 등으로 이루어져, 수신부로부터 출력된 도플러 시프트의 양의 정보로부터, 주파수 스펙트럼을 산출하고, 산출한 주파수 스펙트럼의 주파수 분석을 더 실시하여, 2개로 분리하여 관찰되는 군속도 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 주파수 S1f1, 및 S1f2를 산출한다.
응력 산출부(51b)는, 전자 계산기 등으로 이루어져, 산출한 S1f1, 및 S1f2로부터, 미리 구한 2개의 주파수의 분리의 크기와 응력의 크기의 관계를 이용하여, 피검사체(11)에 부가된 응력의 크기를 산출한다.
신호 처리부(51)는, 더하여, 필요에 따라서, 교정선 작성부(51c)를 구비할 수 있다. 교정선 작성부(51c)는, 전자 계산기 등으로 이루어져, 별도 계측한 2개의 주파수의 분리의 크기(예를 들면, ΔS1f/S1f1)와 부가된 응력의 크기를 입력하고, 입력된 값에 기초하여, 2개의 주파수의 분리의 크기와 응력의 크기의 교정선을 작성한다. 작성된 교정선은, 응력 산출부(51b)에서의 응력의 산출에 이용된다.
2개의 주파수의 분리의 크기와 응력의 크기의 관계는, 도 4에 도시된 바와 같이, 1차의 관계이기 때문에, 입력된 2개의 주파수의 분리의 크기와 응력의 크기의 관계를 교정선에 반영시키는 것은 용이하다.
주파수 스펙트럼 산출부(51a), 응력 산출부(51b), 및 교정선 작성부(51c)는, 각각 물리적으로 다른 장치일 필요는 없고, 예를 들면, 동일한 전자 계산기 내에, 각각의 처리를 실시하는 프로그램을 가지는 것이어도 상관없다.
더하여, 필요에 따라서, 산출 결과를 출력하는 표시 장치(61)를 설치하여도 된다.
본 발명의 응력 계측 방법으로 필요한 파형 분해능은, 계측하는 응력의 필요한 분해능으로부터 결정할 수 있다. 즉, 계측하는 응력의 필요한 분해능을 결정하면, 이미 얻어진 교정선과, 계측하는 응력의 분해능으로부터, ΔS1f/S1f1의 필요한 분해능을 결정한다.
판파 초음파의 군속도는, 주파수×판두께와 도 7에 도시된 관계가 있으므로, 교정선 작성 시의 S1f×d(판두께)와 피검사체의 판두께로부터, S1f의 대략의 값을 산출하고, 그 값으로부터 ΔS1f를 산출한다.
그러면, 적어도 필요한 FFT의 주파수 분해능 Δfr는, Δfr = ΔS1f/2이기 때문에, FFT 처리하기 위해서 필요한 파형의 시간역 T는, T = 1/fr로 구해진다.
본 발명의 응력 계측 방법은, 판두께 0.1 ~ 3 mm정도의 박판에 부가된, 잔류 응력 등의 응력의 크기의 계측에 매우 적합하다.
[실시예]
냉간 압연 후의 1 mm 두께의 SS400을 시험재로 하여 인장 응력을 부가하고, 그 크기를, 본 발명의 박판의 응력 계측 방법과 공지의 계측법인 변형 게이지법에 의해 계측하여 비교하였다.
본 발명의 계측 방법에 대해서는, 사전에, 별도로, 인장 응력의 크기와 ΔS1f/S1f1의 관계인 교정선을 미리 구하여 도 4의 관계를 얻었다.
본 발명의 계측 방법의 초음파 발생용 펄스 발진 레이저 광원에는, Q 스위치 Nd： YAG 레이저를 사용하고, 초음파 검출용 레이저 광원에는 연속 발진의, 2배파 Nd： YAG 레이저를 사용하였다. 계측 조건은, 표 1에 나타낸다.
피검사체 SS400 1 mm 두께
초음파 발생용 레이저 종류 펄스 발진 YAG 레이저
파장 1064 nm
최대 펄스 에너지 200 mJ/펄스
펄스폭 10 ns
피검사체 표면에서의 스팟 지름 φ4.0 mm
초음파 검출용 레이저 종류 연속 발진 YAG 레이저
파장 530 nm
출력 500 mW
피검사체 표면에서의 스팟 지름 φ1.0 mm
피검사체와 검출계의 거리 300 mm
초음파 발생용 레이저광의 피검사체 상에서의 플루엔스는, 1.8 mJ/mm2로 했다. 이것은, 애블레이션이 생기지 않는 정도의 에너지이다. 또한, 표 1 중의 피검사체와 검출계의 거리는, 피검사체와 검출계의 최단 거리를 의미하고, 도 1의 예에서는, 피검사체(11)과 집광 렌즈(24)의 거리이다.
변형 게이지법에 따르는 계측은, 상기의 계측 조건으로 레이저를 조사한 근방에 변형 게이지를 설치하였다.
도 8에, 미리 구한 교정선을 기초하여, 계측한 ΔS1f/S1f1의 값으로부터 산출한 응력의 크기를 종축으로, 변형 게이지로 계측한 응력의 크기를 횡축으로 한 결과를 나타낸다.
도 8의 그래프 중의 점선은, 계측에 필요한 정밀도 ±5 MPa를 나타내는 보조선이다. 어느 데이터도 이 ±5 MPa의 범위에 있어, 요구한 계측 정밀도를 만족하는 것을 알았다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 의한 계측법을 이용한 계측 결과와 공지의 계측법인 변형 게이지법을 이용한 계측 결과는 잘 일치하고 있어, 본 발명의 응력 계측 방법에 의하면, 피검사체에 레이저에 의한 조사 자국을 발생시키지 않고, 타당한 계측 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예에서는 인장 응력의 경우를 나타냈지만, 압축 응력의 경우도 마찬가지로, 계측된 2개의 주파수의 분리의 크기와 피검사체에 부가한 응력의 크기의 관계에 기초하여 얻은 교정선과 계측된 두 개의 주파수의 분리의 크기로부터, 압축 응력의 크기를 계측하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 레이저 초음파법에 있어서, 열탄성 효과를 이용하여 초음파를 여기하고, 대상물의 표면에 레이저에 의한 조사 자국을 발생시키지 않고, 대상물의 잔류 응력 등, 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출할 수 있으므로, 여러 가지의 재료의 비파괴 검사에 적용 가능하다.
본 발명은, 비파괴, 비접촉식의 계측 방법이기 때문에, 본 발명을, 예를 들면, 냉간 가공 등의 금속의 제조 프로세스 중에 적용하는 것에 의해, 온라인으로, 제조 중의 실물의 잔류 응력의 계측이 가능하다. 그 결과, 예를 들면, 강판의 교정 프로세스의 제어 정보로서 활용할 수 있어 잔류 응력 저감을 위한 제어의 최적화를 실시할 수 있게 된다.
또한, 잔류 응력 확인을 위한 가스 컷 등이 불필요하게 되므로, 수율이 향상하고, 더하여 완성된 제품의 잔류 응력을 보증할 수 있다. 따라서, 산업상 이용 가능성은 크다.
11 피검사체
21 초음파 발생용 펄스 발진 레이저 광원
22a, 22b 미러
23 ND 필터
24 집광 렌즈
25 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광의 조사 스팟
31 초음파 검출용 레이저 광원
32a, 32b 미러
35 초음파 검출용 레이저광의 조사 스팟
41 수신부
51 신호 처리부
51a 주파수 스펙트럼 산출부
51b 응력 산출부
51c 교정선 작성부
61 표시 장치
DL 초음파 검출용 레이저광
GL 초음파 발생용 레이저광

Claims (11)

  1. 박판에 부가된 응력의 크기를 계측하는 방법에 있어서,
    피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여, 피검사체에 초음파를 발생시키는 단계;
    상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광과 파장이 다른 초음파 검출용 레이저광을 조사하는 단계;
    상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광의 반사광을 수신하고, 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 단계;
    상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 이용하여, 상기 도플러 시프트의 양으로부터 상기 피검사체에 발생한 초음파의 강도 파형을 산출하는 단계;
    상기 초음파의 강도 파형의 주파수 분석을 실시하여, 2개로 분리하여 관찰되는 상기 피검사체에 발생한 군속도 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 2개의 주파수 S1f1, 및 S1f2를 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 2개의 주파수로부터, 미리 작성된 2개의 주파수 S1f1 및 S1f2와 응력의 크기의 관계를 이용하여, 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계는, 산출된 2개의 주파수 S1f1, S1f2(여기에서, S1f1<S1f2)로부터, 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1을 산출하고(여기에서, ΔS1f = S1f2 - S1f1), 미리 구해진 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1과 응력의 크기의 관계를 이용하여, 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파 검출용 레이저광을, 상기 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하는 스팟 영역 내에 조사하는 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 방법.
  4. 제1항 내지 제3항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광을 수신하고, 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 방법은, 상기 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광을 간섭계로 간섭시켜, 상기 간섭계로부터 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 방법인 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 방법.
  5. 제1항 내지 제4항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 검출용 레이저광은, 펄스 발진 레이저광인 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 방법.
  6. 박판에 부가된 응력의 크기를 계측하는 장치에 있어서,
    피검사체에 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하는 조사 광학계;
    상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광과 파장이 다른 초음파 검출용 레이저광을 조사하는 검출 광학계;
    상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광의 반사광을 수신하고, 상기 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 수신부;
    상기 초음파의 강도 파형의 주파수 분석을 실시하여, 2개로 분리하여 관찰되는 상기 피검사체에 발생한 군속도 제로인 S1 모드의 판파 초음파의 2개의 주파수 S1f1, 및 S1f2를 산출하는 주파수 스펙트럼 산출부; 및
    산출된 2개의 주파수로부터, 미리 구해진 2개의 주파수 S1f1, 및 S1f2와 응력의 크기의 관계를 이용하여, 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 응력 산출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 응력 산출부는, 산출된 S1f1, S1f2로부터(여기에서, S1f1＜S1f2), 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1을 산출하고(여기에서, ΔS1f = S1f2 - S1f1), 미리 구해진 2개의 주파수의 분리의 크기ΔS1f/S1f1과 응력의 크기의 관계를 이용하여, 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 검출 광학계는, 상기 조사 광학계가 피검사체의 표면에 조사한 펄스 발진 레이저광의 스팟 영역 내에 레이저광을 조사할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신부는, 상기 피검사체에 초음파 발생용 펄스 발진 레이저광을 조사하여 발생한 초음파의 진동에 의해 도플러 시프트를 받은 상기 초음파 검출용 레이저광을 입력하여 간섭시켜, 도플러 시프트의 양에 따른 강도의 광을 출력하는 간섭계인 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 검출용 레이저광은, 펄스 발진 레이저광인 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 장치.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    별도 계측한 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1과 응력의 크기를 입력하고, 입력된 값에 기초하여, 상기 응력 산출부에서 상기 피검사체에 부가된 응력의 크기를 산출하기 위해서 이용하는, 2개의 주파수의 분리의 크기 ΔS1f/S1f1과 응력의 크기의 관계를 나타내는 교정선을 작성하는, 교정선 작성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    박판의 응력 계측 장치.
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