TW200817659A - Ultrasonic stress measuring apparatus - Google Patents

Description

200817659 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，係爲有關於使用在材料劣化診斷等之技術中 的超音波式應力測定裝置者。 【先前技術】 作爲核能發電廠之預防保全技術，材料劣化診斷裝置 之角色係變爲重要。此係因爲，作爲在爐內構造物或是配 管中之疲勞性龜裂或是應力腐蝕碎裂之防止對策，對於身 爲此些之發生原因的其中之一之殘留應力作測定並進行應 力改善一事之需求係提高之故。 作爲殘留應力測定手段，最爲簡易者係爲應變計 (strain gauge)。但是，應變計，係有必要從身爲測定對象 之構造物來將一部份作爲試驗片而切出，對於使用在現場 之殘留應力測定一事上，係爲困難。 因此，作爲不需要切出試驗片的殘留應力測定手段， 係考慮有使用X線繞射技術之X線應力測定裝置。此X 線應力測定裝置，係利用在被檢查體表面上之布拉格繞射 (Bragg diffraction)來計算出殘留應力値者。但是，X線應 力測定裝置，由於係使用有X線，因此，在像是核能發 電廠一般之放射環境下，背景雜訊係會變多，而會有無法 得到用以進行正確之殘留應力測定之充分的訊號的缺點。 相對於此，超音波式應力測定裝置，由於係僅要將超 音波感測器接觸於身爲測定對象之被檢查體表面，即可對 -5- 200817659 應力作測定，因此，不需要從構造物來將成爲被檢查體之 試料作切出。又，就算是在核能發電廠一般之放射線環境 下，亦由於係使用超音波訊號，故背景雜訊係爲少，應力 測定係爲容易。 由於此種理由，從先前技術起，係提案有多數之超音 波式應力測定裝置。於此，作爲在應力測定對象材料中所 應測定之殘留應力，相較於材料中之殘留應力，於材料表 面處之殘留應力係更爲重要。此係因爲，應力腐蝕碎裂的 原因之其中之一，係爲材料表面的拉張應力之故。 關於在材料表面之殘留應力測定，於非專利文獻1中 ，係揭示有使用有彈性表面波之聲彈性法則（Ac〇ustoelastic Law)。此係爲如下所述一般者。 亦即是，當將鋼材之壓延方向設爲X軸，而將垂直 於壓延方向之方向設爲Y軸時，傳播於與X軸成爲交角 Θ (度）之方向的彈性表面波之聲音速度VR( 0 )，與應力間 之關係，係記述爲如下所示。 [數式1] V 1+«#) +全〜)+C从(〜-ay)cos20} ··· · 於此， VRQ :在殘留應力爲0之等方性體中的彈性表面波聲音 速度（m/sec) a R ( 0 ):對傳播於0方向之彈性表面波聲音速度造 成影響的表面組織音響向異性之定數 -6 - 200817659 σχ: X方向之主應力（MPa) σΥ: Y方向之主應力（MPa) CR，CAR:聲音彈性定數（1/MPa) 若藉由式（1)，則可以得知，在音響向異性中’係具 有材料之表面組織音響向異性，和殘留應力所致之音響向 異性的2個的向異性。在單軸方向之應力的情況時’依非 專利文獻1，由於0 = 〇，故係成爲： V^-V^a^K^a] ……（2> 於此，’ σ γ— 0 5 Cr= Kri+ Kr2 j Car— Krj —KR2 o 若根據非專利文獻1，則若是進行拉張試驗，在鋼材 (ANSI 4130)之情況，係成爲： KR1=-1.14xlO,6(l/MPa)、KR1=0.63xl0_6(l/MPa)。 但是，在非專利文獻1之方法中，由於表面組織音響 向異性之定數a R(0)係爲不明，因此就算是能夠對相對於 應力値之彈性表面波聲音速度的變化之比例作測定，亦無 法對殘留應力値（σ )其本身作測定。故而，在欲測定殘留 應力的情況時，對表面組織音響向異性之定數作求取一事 係成爲必要不可缺。 在非專利文獻2(JIS Ζ 3060: 2002)、以及準據於此之 專利文獻1的公報中，係揭示有關於考慮了音響向異性後 之探觸角度範圍的訂定之記述。亦即是，對試驗片的聲音 200817659 速度（V)與JIS規格標準試驗片的聲音速度（VsTB)間之比 (V/VSTB)作測定，並將此定義爲STB音速比。而後，因應 於試驗片之板厚以及S TB音速比，來決定探觸中所使用 之折射角度的範圍。 然而，在非專利文獻2以及專利文獻1中所訂定者，係 爲使縱波以及橫波在試驗體內部進行傳播的情況時之規定 ，針對在計算出材料表面之殘留應力値時所必要的彈性表 面波之表面組織音響向異性，係並未有所規定。 另一方面，在材料之製造方法的領域中，係被提案有 使音響向異性減低之方法。此係因爲，在進行斜角超音波 探觸的情況時，材料之聲音速度係會隨著音響向異性而改 變，而無法得到特定之折射角度，而使得對於缺陷之對位 精確度下降之故。 作爲此種減低音響向異性之材料的製造方法之最近的 提案，係有揭示於專利文獻2〜6中者。被揭示於此些之專 利文獻中的音響向異性之測定方法，大略係如下所述。 亦即是，將壓延鋼材之主壓延方向設爲L方向，將與 主壓延方向成爲直角之方向設爲C方向。在傳播於板厚方 向之橫波中，雖係依振動方向而存在有2個的橫波’但是 ，將振動於L方向之波的聲音速度設爲VL(m/sec)’將振 動於C方向之橫波的聲音速度設爲Vc(ni/seC) ° 而後，將音響向異性之定數以VL/VC來定義’當此定 數爲1 .0 2以下的情況時，判定音響向異性係爲小’另一方 面，當超過1 ·〇2的情況時’則判定音響向異性係爲大。但 200817659 是，在此方法中所被定義之音響向異性的定數，係爲在材 料中傳播之橫波的定數，而並非爲關於在表面應力之測定 中所需要之表面組織音響向異性者。 又，在專利文獻7〜9中，作爲測定音響向異性之方法 ，係揭示有：預先對使用前之材料的特性作測定，並經由 對使用後之材料的特性作測定一事，來對材料之經年變化 作推定的方法。 亦即是，在專利文獻7中之方法，係使用電磁超音波 探觸元件來在材料中進行橫波之送收訊，並對振動方向相 互垂直交會之2個的橫波之聲音速度Vl、Vc作測定，而 從此些之音速比中，來計算出音響向異性。而後，將此音 速比之變化，作爲材料之經年變化而進行評價。 在專利文獻8中之方法，係利用SH表面波，而對主 應力差作測定者。而後，對此主應力差之經年變化作觀測 ，而對材料之劣化進行評價。 在專利文獻9中之方法，係單純地對所收訊之超音波 訊號的相位差作監測，並從其變化量來對經年變化進行評 價者。 如此這般，專利文獻7〜9中之方法，係預先採取使用 前之材料的資料，並藉由在使用一段期間之後，再度採取 資料’而進行兩者之資料的比較，來對材料之劣化進行評 價之方法。在此種方法中，係以存在有使用前之材料的資 料一事作爲前提條件，當並不存在有該種資料的情況時， 係並無法作適用。 -9- 200817659 又，在非專利文獻7以及專利文獻9中之方 用在試驗體內部進行傳播之橫波的聲音速度者 算出材料表面之殘留應力値時所必要的彈性表 組織音響向異性，係並未有所記載。另一方面 獻8之方法中，由於係使用有SH表面波，因 材料之組織向異性所影響而對主應力差作測定 樣的，亦並沒有關於彈性表面波之表面組織音 記載。 在非專利文獻3中，係揭示有：將彈性表 表面之殘留應力爲少的試驗片中，而對表面組 性進行測定之技術。但是，此技術，係以當對 響向異性進行評價時並未存在有殘留應力一事 。亦即是’當表面組織音響向異性以及應力向 混合存在時，僅將表面組織音響向異性作分離 的技術’係並未被揭示。 [非專利文獻1 ]河田幸三監修，「最新應力、 價技術」’ PP · 3 1 6〜3 1 7，綜合技術中心有限公 [非專利文獻 2]JIS Z 3060 : 2002 [非專利文獻3 ]岡田健一，「關於表面波之彈 第7屆「關於超音波電子之基礎與應用的硏討 集」，P10，PP.39 〜40，1986 年 [專利文獻1]日本特開2005-36295號公報 [專利文獻2]日本特開2〇〇5-226158號公報 [專利文獻3]日本特開2〇〇4_3〇〇567號公報 法，係爲利 ，針對在計 面波之表面 ，在專利文 此能夠不被 ，但是，同 響向異性的 面波適用於 織音響向異 表面組織音 作爲前提者 異性之雙方 並求取出來 歪斜測定評 司發行 性效果」， 會演講預稿 -10- 200817659 [專利文獻4]日本特開2004-225 090號公報 [專利文獻5]日本特開2003 -3 1 3 63 2號公報 [專利文獻6]日本特開2〇〇2_18〇132號公報 [專利文獻7]日本特開2005_77298號公報 [專利文獻8]日本特開2004-2 94232號公報 [專利文獻9]日本特開2001-249118號公報 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 如以上所述一般，當利用彈性表面波來測定材料之殘 留應力時，係有必要求取出材料之表面組織音響向異性， 但是，通常在材料中，表面組織音響向異性以及應力向異 性之雙方係混合存在，而並不存在有僅分離出表面組織音 響向異性並求取之的技術。故而，於習知技術中，係無法 以一定水準以上的精確度來測定出材料的殘留應力。 本發明，係爲有鑑於上述之事態而進行者，其目的， 係在於提供一種：從混合存在有表面組織音響向異性以及 應力向異性之雙方的材料中，僅分離出表面組織音響向異 性的技術，並藉由此，而實現一種能將材料之殘留應力以 高精確度來作測定的超音波式應力測定裝置。 [用以解決課題之手段] 作爲用以解決上述課題之手段，申請專利範圍第1項 所記載之發明，係具備有：縱波超音波探觸元件以及橫波 -11 - 200817659 超音波探觸兀件’其係可配置於應力測定對象材料之表面 上；和探觸元件驅動機構，其係可使前述兩探觸元件沿著 前述材料之表面而移動又或是旋轉；和探觸元件控制手段 ，其係使即述兩探觸元件中之其中一方的探觸元件，使其 進行對前述材料之測定對象部位的超音波之發訊、受訊動 作’而後’藉由對於前述探觸元件驅動機構之前述移動的 控制’而對其中一方之探觸元件與另外一方之探觸元件的 配置作切換，並使另外一方之探觸元件對於同一測定對象 部位進行超音波之發訊、受訊動作，特別是，對於前述橫 波超音波探觸元件，使其進行每次旋轉3 6 0。/N (N : 2以上 之整數）之旋轉角度的N次之旋轉，並使其在各旋轉位置 進行發訊、受訊動作；和測定資料解析手段，其係從藉由 前述兩探觸元件之發訊、受訊動作所得到之彈性表面波的 聲音速度資料，而求取出表面組織音響向異性的定數，並 根據此求取出之定數，來演算出應力測定對象材料之殘留 應力。 申請專利範圍第2項所記載之發明，係在申請專利範 圍第1項所記載之發明中，具備有以下特徵：前述彈性表 面波之聲音速度資料，係爲：並不受到表面應力向異性之 影響而在X軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度資料 、和並不受到表面應力向異性之影響而在與X軸方向相 垂直之Y軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度資料、 以及並不受到表面應力向異性和表面組織音響向異性的兩 者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料。 -12- 200817659 申§靑專利範圍第3項所記載之發明，係在申請專利範 圍第2項所記載之發明中，具備有以下特徵：分別於前述 X軸方向以及Y軸方向而傳播之彈性表面波的聲音速度資 料，係作爲使用縱波聲音速度與X軸方向及Y軸方向之 橫波聲音速度來表示之特定的6維之彈性表面波聲音速度 方程式之解而求取出者，前述不受到表面應力向異性和表 面組織音響向異性的兩者之影響的在等方性體中之彈性表 面波的聲音速度資料，係作爲使用縱波聲音速度與前述橫 波超音波探觸元件之在N次的各旋轉後之旋轉位置中的 超音波行進方向之橫波聲音速度來表示之特定的6維之彈 性表面波聲音速度方程式之解而求取出N個的彈性表面 波之聲音速度資料，再將該N個的彈性表面波之聲音速 度資料作平均値演算而求取出者。 申請專利範圍第4項所記載之發明，係在申請專利範 圍第2項所記載之發明中，具備有以下特徵：分別於前述 X軸方向以及Y軸方向而傳播之彈性表面波的聲音速度資 料，係藉由將X軸方向及Y軸方向之彈性表面波的聲音 速度和X軸方向以及Y軸方向之橫波聲音速度間之比， 以波森比（Poisson’s ratio)來表示後之特定的等式而求取出 者，前述不受到表面應力向異性和表面組織音響向異性的 兩者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料 ，係藉由將前述橫波超音波探觸元件之在N次的各旋轉 後之旋轉位置中的超音波行進方向之彈性表面波的聲音速 度和與此爲相同方向之橫波聲音速度間之比，以波森比 -13- 200817659 (Poisson’s ratio)來表示後之特定的等式’而求取出N個 的彈性表面波之聲音速度資料，再將該N個的彈性表面 波之聲音速度資料作平均値演算而求取出者。 申請專利範圍第5項所記載之發明，係在申請專利範 圍第2項所記載之發明中，具備有以下特徵：前述並不受 到表面應力向異性和表面組織音響向異性的兩者之影響的 在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料，係爲將前述 並不受到表面應力向異性之影響而在X軸方向作傳播之 彈性表面波的聲音速度資料、和前述並不受到表面應力向 異性之影響而在與X軸方向相垂直之γ軸方向作傳播之 彈性表面波的聲音速度資料之2個的資料，作平均値演算 而求取出者。 申請專利範圍第6項所記載之發明，係在申請專利範 圍第2項所記載之發明中，具備有以下特徵：前述並不受 到表面應力向異性和表面組織音響向異性的兩者之影響的 在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料，係將前述橫 波超音波探觸元件之在N次的各旋轉後之旋轉位置中的 超音波行進方向之N個的彈性表面波之聲音速度資料， 預先藉由實際測試而取得之，並將此些之所取得的N個 的資料作平均値演算後而求取出者。 申請專利範圍第7項所記載之發明，係在申請專利範 圍第2項所記載之發明中，具備有以下特徵：前述並不受 到表面應力向異性和表面組織音響向異性的兩者之影響的 在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料，係爲將前述 -14 - 200817659 並不受到表面應力向異性之影響而在X軸方向作傳播之 彈性表面波的聲音速度資料、和前述並不受到表面應力向 異性之影響而在與X軸方向相垂直之γ軸方向作傳播之 彈性表面波的聲音速度資料之2個的資料，預先藉由實際 測試而取得，並將此所取得之2個的資料作平均値演算而 求取出者。 [發明之效果] 若藉由本發明，則由於係構成爲：對於材料之同一測 定對象部位，使縱波超音波探觸元件及橫波超音波探觸元 件之兩探觸元件進行發訊•受訊動作、特別是，關於橫波 超音波探觸元件，係使其進行複數次之在每一旋轉角度處 的發訊•受訊動作，而演算出各彈性表面波之聲音速度資 料，因此，成爲能夠從混合存在有表面組織音響向異性以 及應力向異性之雙方的材料中，僅將表面組織音響向異性 分離出來。故而，藉由此，可提供一種能夠以高精確度來 測定出材料之殘留應力的超音波式應力測定裝置。 【實施方式】 圖1，係爲本發明之實施形態的超音波式應力測定裝 置之構成圖。在具備有厚度之試驗體Μ(應力測定對象材 料）的平坦之表面上，係被設定有具備X軸以及與此X軸 垂直之Υ軸的ΧΥ座標平面，在垂直於此ΧΥ座標平面之 方向，被設定有Ζ軸。 -15- 200817659 在試驗體Μ之表面，係隔著縱波用接觸媒質2，而被 配置有縱波超音波探觸元件1之其中一端側，在從此縱波 超音波探觸元件1而離開有距離d之位置，隔著橫波用接 觸媒質4而被配置有橫波超音波探觸元件3的其中一端。 此些之縱波超音波探觸元件1以及橫波超音波探觸元 件3，係成爲藉由探觸元件驅動機構5而被驅動。亦即是， 縱波超音波探觸元件1以及橫波超音波探觸元件3之另外一 端側，係被支持於探觸元件支持器6上，在此探觸元件支 持器6中，係被安裝有滑動驅動部7以及旋轉驅動部8。 滑動驅動部7，係根據從滑動驅動器9而來之控制訊號 ’來使探觸元件6滑動，而成爲能夠使縱波超音波探觸元 件1以及橫波超音波探觸元件3沿著試驗體Μ之表面而在 水平方向移動。 旋轉驅動部8，係根據從旋轉驅動器丨丨而來之控制訊 號’來使探觸元件6旋轉，而成爲能夠使橫波超音波探觸 元件3沿著試驗體Μ之表面而逐次旋轉特定之角度。 此種縱波超音波探觸元件1以及橫波超音波探觸元件3 之各滑動位置’還有橫波超音波探觸元件3之旋轉位置， 係成爲分別藉由滑動位置檢測器1 〇以及旋轉位置檢測器i 2 ’而被輸出至探觸元件控制手段1 3。而後，探觸元件控制 手段1 3 ’係成爲將此些之滑動位置資料以及旋轉位置資料 輸出至測定資料解析手段1 6。 縱波超音波探觸元件〗以及橫波超音波探觸元件3，係 經由探觸元件切換器i 4而被連接於超音波發訊•受訊電路 -16- 200817659 1 5 °此探觸元件切換器1 4之接點1 4a，係成爲藉由探觸元 件控制手段1 3而切換其之與端子a、b的接觸位置。而後 ’超音波發訊•受訊電路1 5，係成爲根據從探觸元件控制 手段1 3而來之超音波發訊指令’而使縱波超音波探觸元件 1又或是橫波超首波探觸兀件3進行發射脈衝p e之發訊動 作’同時’使其進行反射脈衝Pr之受訊動作，並將該回 波資料輸出至測定資料解析手段1 6。 接下來，在圖1中，根據圖2之流程圖，對直到測定資 料解析手段1 6將各種資料作收集爲止之各構成要素的動作 作說明。 探觸元件控制手段1 3，係經由滑動驅動器9而對滑動 驅動部7輸出滑動指令。藉由此，滑動驅動部7，係以使縱 波超音波探觸元件1位置於試驗體Μ表面之測定對象部位 的方式’來使探觸元件支持器6滑動（步驟1 )。滑動位置檢 測器1 〇，係檢測出此時之ΧΥ座標平面上的滑動位置資料 ，並輸出至探觸元件控制手段1 3。探觸元件控制手段1 3， 係將此所輸入之滑動位置資料。直接輸出至測定資料解析 手段1 6。 而後，探觸元件控制手段1 3，係在使探觸元件切換器 1 4之接點1 4 a位置於端子a側後，對於超音波發訊•受訊 電路1 5輸出超音波發訊•受訊指令（步驟2)。藉由此，縱 波超音波探觸元件1，係將發射脈衝P e朝向試驗體Μ之 內部而發射，並進而’將在試驗體Μ之底部所反射之反 射脈衝Pr的訊號，經由探觸元件切換器14而輸出至超音 -17- 200817659 波發訊•受訊電路1 5。超音波發訊•受訊電路1 5，係將此 所輸入之反射脈衝Pr的訊號，作爲回波資料而輸出至、測 定資料解析手段1 6，接下來，探觸元件控制手段1 3，係，經 由滑動驅動器9而對滑動驅動部7輸出滑動指令，並使探_ 元件6沿著試驗體Μ之表面而在水平方向滑動距離d(步驟 3 )。亦即是，此次，係使橫波超音波探觸元件3位置於身 爲縱波超音波探觸元件1發射了超音波之場所的同一測定 對象部位。此時，將藉由滑動位置檢測器1 0所檢測出之滑 動位置資料，經由探觸元件控制手段1 3而輸出至測定資料 解析手段1 6。 探觸元件控制手段1 3，係更進而經由旋轉驅動器1 1而 對旋轉驅動部8輸出旋轉指令。藉由此，旋轉驅動部8，係 以使橫波超音波探觸元件3的超音波前進方向成爲X軸方 向的方式，來使探觸元件支持器6旋轉（步驟4)。此時，將 藉由旋轉位置檢測器1 2所檢測出之旋轉位置資料，經由探 觸元件控制手段1 3而輸出至測定資料解析手段1 6。 而後，探觸元件控制手段1 3，係在將探觸元件切換器 1 4之接點1 4 a切換至端子b側後，對於超音波發訊•受訊 電路1 5輸出超音波發訊•受訊指令（步驟5)。藉由此’橫 波超音波探觸元件3，係將發射脈衝P e沿著X軸方向而 發射，並進而，將反射脈衝Pr的訊號，經由探觸元件切 換器14而輸出至超音波發訊•受訊電路15。超音波發訊· 受訊電路1 5，係將此所輸入之反射脈衝Pr的訊號’作爲 回波資料而輸出至測定資料解析手段1 6。 -18- 200817659 如此這般，在橫波超音波探觸元件3將超音波進行方 向設爲X軸方向並進行了發訊•受訊動作之後，探觸元 件控制手段1 3，係再度經由旋轉驅動器1 1而對旋轉驅動部 8輸出旋轉指令。藉由此，旋轉驅動部8，係以使橫波超音 波探觸元件3的超音波前進方向成爲從X軸方向而旋轉了 3 60VN之方向的方式，來使探觸元件支持器6旋轉（步驟6) 。此時，將藉由旋轉位置檢測器1 2所檢測出之旋轉位置資 料，經由探觸元件控制手段1 3而輸出至測定資料解析手段 1 6。於此，將上述之N的値，設爲2以上之整數，例如， 若是使橫波超音波探觸元件3 —次旋轉15°，則係成爲N = 24 〇 而後，探觸元件控制手段1 3，係在使探觸元件切換器 1 4之接點1 4a維持在端子b側的狀態下，對於超音波發訊 •受訊電路1 5輸出超音波發訊•受訊指令（步驟7)。藉由 此，橫波超音波探觸元件3，係將發射脈衝Pe沿著從X 軸方向而旋轉了 3 60°/N的方向來發射，並進而，將反射脈 衝Pr的訊號，經由探觸元件切換器14而輸出至超音波發 訊•受訊電路1 5。超音波發訊•受訊電路1 5，係將此所輸 入之反射脈衝Pr的訊號，作爲回波資料而輸出至測定資 料解析手段1 6。 在橫波超音波探觸元件3將超音波進行方向設爲從x 軸方向而旋轉了 3 60VN的方向並進行了發訊•受訊動作之 後，探觸元件控制手段1 3，係判別橫波超音波探觸元件3 是否結束了 N次的發訊•受訊動作（步驟8)。 -19- 200817659 若是尙未結束N次之發訊•受訊動作，則回到步驟6 ’探觸元件控制手段1 3，係以使橫波超音波探觸元件3成 爲較前次之超音波發射位置起而更旋轉了 3 60°/N後之位置 的方式，亦即是，以使橫波超音波探觸元件3的超音波前 進方向成爲從X軸方向而旋轉了（3 60°/Ν)χ2之方向的方式 ，來使探觸元件支持器6旋轉（步驟6)。而後，探觸元件控 制手段1 3，係與其之後相同地，在使探觸元件切換器1 4之 接點1 4a維持在端子b側的狀態下，對於超音波發訊•受 訊電路15輸出超音波發訊•受訊指令（步驟7)。 另一方面，若是已結束了 N次的發訊•受訊動作， 則在該時間點，探觸元件控制手段1 3係結束所有之處理。 另外，在上述之說明中，雖係針對於縱波超音波探觸元件 1之發訊•受訊動作之後，再使橫波超音波探觸元件3進行 發訊•受訊動作的情況作了說明，但是，兩探觸元件之發 訊•受訊動作的順序，係亦可爲相反。 藉由如上述一般之對於縱波超音波探觸元件1以及橫 波超音波探觸元件3的探觸元件控制手段1 3之控制，而將 回波資料、旋轉位置資料、滑動位置資料等之各種測定資 料，收集至測定資料解析手段1 6處。於此，接下來，針對 對於此種測定資料之測定資料解析手段1 6的解析處理作說 明。 圖3 (a)，係爲在測定資料解析手段1 6中所收集之從縱 波超音波探觸元件1而來的回波資料之波形圖。如此圖所 示一般，從縱波超音波探觸元件1而來之回波資料，係由 -20- 200817659 具備有一定之時間間隔的多重回波（Ll、L2.....L6、…） 所構成，此時間間隔，係爲經由試驗體M之厚度D(m)而 決定者。 於此，若是將L 1回波與L2回波間之時間間隔設爲τ L(sec)，則由於此時間間隔r l係爲對試驗體Μ之板厚 D(m)作來回的時間，因此，在試驗體Μ中之縱波的聲音 速度CL(m/sec)，係可藉由下述之式（3)而計算。 [數式2] c卫 L xl (m/sec) ...... (3 ) 於此，在r L之測定中，係提案有各種之方法。作爲 時間之測定精確度較爲良好，且能夠容易地實現之手法’ 係可列舉有環鳴法（s i n g - a r 〇 u n d m e t h 〇 d)、回波重豐法 (e c h ο o v e r 1 a p m e t h o d)等。關於此些手法之詳細內容’係 被揭示於參考文獻（1 )中（參考文獻係記載於末段）。 環鳴法，係先測定出N個的超音波脈衝（Ll、L2、… …LN)之全體的時間間隔T(sec)，再經由下述之式（4)來計 算出L1回波與L2回波間之時間間隔的手法。若藉由此手 法，則藉由使用多數之多重回波，而能夠提昇r L之測定 精確度。 [數3] χ Τ L N-1 (sec) ...... (4) -21 - 200817659 回波重疊法，係使用示波器等之延遲掃掠功能，而測 定出時間間隔的手法。作爲具體之程序，係逐漸延遲L 1 回波，而以使其與L 2回波重疊的方式，來改變延遲時間 。將L1回波與L2回波完全重疊時的延遲時間讀取出來， 而作爲7： L。 測定資料解析手段1 6，係將如此這般而求取出之時間 間隔r L代入至式（3)中，而求取出縱波聲音速度CL，並 將其作記憶。另外，在本發明中，針對時間間隔r l之測 定手法，係只要是測定精確度良好之時間測定手法，則亦 可採用上述以外之汎用的手法。 圖3 (b)，係爲在測定資料解析手段1 6中所收集之從橫 波超音波探觸元件3而來的回波資料之波形圖（爲根據圖2 之步驟5的指令所得之波形，其超音波行進方向係爲X軸 方向）。如此圖所示一般，從橫波超音波探觸元件3而來之 回波資料，係由具備有一定之時間間隔的多重回波（S(〇)i 、s(0)2、S(0)3、…）所構成。 於此，若是將s(0)l回波與S(0)2回波間之時間間隔設 爲r s(0)(sec)，則由於此時間間隔r s(0)係爲對試驗體Μ 之板厚D(m)作來回的時間，因此，在試驗體Μ中之橫波 的聲音速度Vs(〇)(m/sec)’係可藉由下述之式（5)而計算。 [數4] 5 Ts(Q) (m/sec) ...... ( 5 ) 另外，由於橫波之聲音速度約爲縱波之聲音速度的一 -22- 200817659 半，因此，圖3 (b)之時間間隔r s(〇)，係成爲圖3 (a)之時 間間隔τ l之約2倍。 又，針對時間間隔r s (0)之測定方法，和縱波時的情 況相同，係並不限定於環鳴法或是回波重疊法等之手法， 而能夠採用此些之外的精確度良好之汎用的測定方法。 但是，若是以使橫波超音波探觸元件3之超音波行進 方向成爲每次從X軸方向而離開有3 60VN之旋轉角度（例 如15°)的方式，來使探觸元件支持器16作階段性的旋轉， 並在每一次之各旋轉角度中進行超音波之發訊•受訊動作 ，則藉由此種一連串之發訊•受訊動作所得到的回波資料 之波形，係成爲會受到試驗體Μ之表面組織音響向異性 的影響。 考慮此種藉由圖2之步驟6、7的處理所得到之此種一 連串的（Ν - 1 )個之橫波回波資料波形，將藉由在第1次之 旋轉位置所進行之發訊•受訊動作而得到的多重回波間之 時間間隔設爲r S(I)，將該橫波超音波之聲音速度設爲 VS(I)。此時之橫波超音波的行進方向，係爲從X軸方向 而傾斜有（IX3 60/N)度的方向。 此種一連串之（N - 1)個的橫波回波資料之聲音速度 Vs(l)、Vs(2)、Vs(3).....VS(I)、…VS(N — 1)，係可藉 由與式（5)相同之下述演算式而求取出來。 -23- 200817659 [數5]

2D

Vs(2)- 2Dί(2) ^s(3)

2D vs(i)-

2D

2D 1) 圖4，係爲展示將如上述一般而得到之縱波超音波探 觸元件1的回波資料、以及從橫波超音波探觸元件3之每一 各旋轉角度之回波資料，對於其時間間隔以及聲音速度作 總結整理後的資料表格之內容的說明圖。測定資料解析手 段1 6，係將此種資料表格之內容，記憶於自身之記憶部中 〇 接下來’使用上述一般之資料表格，對於求取試驗體 Μ之表面組織音響向異性的方法作說明。 圖5 ’係爲展示試驗體Μ以及被設定於其之中的3維 座標之說明圖’（a)係爲將垂直於X軸之面ρ〗以斜線來表 示的說明圖’（b)係爲將垂直於γ軸之面p2以斜線來表示 的說明圖 在圖5(a)中’若是將作用於面pii X軸方向的殘留 -24- 200817659 應力設爲J x (Z) ’則由於在此面P 1係並未作用有外力’因 此從在面P1中之荷重的平衡’下述之式（6)係成立。 [數式6] 〇幻转=〇…… （6〉 於此，當σ X(Z)在Y軸方向係爲任一處均相等時’可 將式（6)改寫爲如式（7)一般’故而’式（8)係成立。 [數式7] f^D〇x(^)dydz=dy£D°x( z)dz=0 ······ (7) 二巧卜地2*0…… ⑻ 若依據參考文獻（2)，則針對縱波聲音速度，係可知 有以下之事態。首先，在拉張殘留應力的情況時，傳播於 與殘留應力方向垂直交會之方向的縱波聲音速度係增加。 反過來，在壓縮殘留應力的情況時，傳播於與殘留應力方 向垂直交會之方向的縱波聲音速度係減少。故而，此些之 殘留應力係如式（8)所示，由於殘留應力之影響係被相互 抵銷，因此在試驗體Μ中所傳播的縱波聲音速度，可以 將其考慮爲因殘留應力所致的變化係爲少，而可將其考慮 爲平均之聲音速度。 又，若依據參考文獻（2)，則與上述之縱波聲音速度 同樣的，針對橫波聲音速度，係可知有以下之事態。亦即 是，當橫波之振動方向爲與應力之方向相同時，在押縮應 -25- 200817659 力的情況時，橫波聲音速度係增加，在拉張應力的情況時 ，橫波聲音速度係減少。故而，此些之殘留應力係如式 (8)所示，由於殘留應力之影響係被相互抵銷，因此在試 驗體Μ中所傳播的橫波聲音速度，可以將其考慮爲因殘 留應力所致的變化係爲少。亦即是，與縱波聲音速度相同 的，Vs (0)亦不會受到X軸方向之殘留應力的影響，而可 考慮爲其係僅受到表面組織音響向異性之影響。 針對Y軸方向之殘留應力，亦可作與上述相同之考 慮。亦即是，在圖5(b)中，若是將作用於面P2之Y軸方 向的殘留應力設爲cr y(Z)，則由於在此面P2係並未作用有 外力，因此從在面Ρ2中之荷重的平衡，下述之式（9)係成 立。 [數式8] fD〇Y(z)dxdz^O …… ⑻ 於此’當^ γ (z)在y軸方向係爲任~'處均相寺時’可 將式（9)改寫爲如式（10)一般，故而，式（1丨）係成立。 [數式9] f D〇Y(z)dxdz^ dxf D〇Y(z)dz - 0 …… （i 〇) fD〇Y(z)dz^O ……（11) 故而，與x軸之情況相同的，在Y軸方向振動之橫 波聲音速度VS(I) ’係不會受到Υ軸方向之殘留應力的影 200817659 響，而可考慮爲其係爲僅受到表面組織音響向異性之影響 的橫波聲音速度。 故而，若是使用此些之難以受到殘留應力之影響的縱 波聲音速度、以及橫波聲音速度，並藉由某種之方法，而 能夠計算出彈性表面波之聲音速度，則應能對表面組織音 響向異性作定義。 [數式1 〇] 亦即是，影響傳播於X軸方向（0度方向）與Y軸方向 (90度方向）之彈性表面波的聲音速度之表面組織音響向異 性的定數（a R(0)、a R(90))，若依據式（1)，則由於殘留應 力σχ、σ γ之影響係爲少，因此，假設σχζ σγ=0，而 可如下述一般地作表示： aR(〇) vR° (12) A(90) (13) 於此，Pr(〇)係爲不包含有應力向異性之影響，而傳 播於X軸方向之彈性表面波的聲音速度，FR(90)係爲不包 含有應力向異性，而傳播於Y軸方向之彈性表面波的聲 音速度。又，V/，係爲並未包含有應力向異性以及表面 組織向異性之兩者的在等方性體中之彈性表面波的聲音速 度。在求取出此些之Fr(〇)、FR(90)、以及VRG的手法中， -27- 200817659 係如下述所示，可以考慮有數種之手法。以下，對此依序 作說明。 首先，針對第1手法作說明。若藉由參考文獻（3 )，則 一般而言’彈性表面波之聲音速度VR，係可使用縱波之 聲音速度CL與橫波之聲音速度vs，而作爲下述之6維方 程式的解來求取出。 射-8(則3,1对-十封卜......(14) 於圖4之資料表格所示之測定資料，由於係爲應力向 異性之影響爲少的縱波以及橫波之聲音速度，因此， 7r(〇)以及Fr(90)，係可使用此些之資料，作爲下述之方 程式的解而可計算出來。 [數式1 1 fVR(〇yVs(Q) VR(〇y ^s(^) + 8 3-2 (vs(〇))2^ (VR(0)] 2 \lJVs(°>)2] iCL ) [Vs(Q)j Xkj UJ 0 15) :¾ 卜(¾)^ 3-2 fvR(9〇y Vs(9〇) i 16

fVj(9〇y i J 0 (16) 又，由於ys(n) \vs(J)j + 8 3-2 (vs(n)2' { ) vR(n\ VS(I)) 16 fi - n 2* 0 (17) -28- 200817659 亦會成立’因此，藉由求出此些之解，而能夠計算出 Pr(I) °藉由此計算結果，將在等方性體中之彈性表面波 的聲音速度，如下述一般地作近似。 [數式12] (18) 測定資料解析手段1 6，係如此這般而進行處理，而能 夠藉由式（12)以及式（1 3)來計算出表面組織音響向異性之 定數。 接下來’針對第2手法作說明。若依據參考文獻（3)， 則如同下述之式（1 9)的左式一般，能夠將彈性表面波之聲 音速度VR與橫波聲音速度Vs間之比，以波森比σ來表示 ，此波森比σ ，係如同下述之式（1 9)中的右式一般，以橫 波聲音速度Vs以及縱波聲音速度Cl來表示。 [數式1 3] VR 0·87+1·12α ~~ί+α~~

(19) 故而，藉由適用此式（1 9 )，能夠如下述一般，計算出 X軸方向以及Y軸方向之彈性表面波的聲音速度、 歹r(90)。 -29- 200817659 [數式14]

Vr(〇) O.S7 + 1A2〇 Vs(〇) ~~、

1^21 fvs(〇)\ 1 / 1 1- [^5(0)]2) \ J (2 0) ^(90) 0.87 + 112σ ν5(90)^ 1 + σ~~、 1-2 fvp〇)\ 2 / 1 - [^(90)]： ‘ CL / (2 1)

(22)

Vr(I ) 0.S7+1.12O yJT)^ ~~~、

(23) 使用式（20)〜式（23)，以及式（12)、式（13)，能夠計算 出表面組織音響向異性之定數。 接下來，針對第3手法作說明。X軸方向以及Y軸方 向之彈性表面波的聲音速度FR(0)、FR(90)，係可藉由上 述之第1手法又或是第2手法來求取出。而，在等方性體中 之彈性表面波的聲音速度VRQ，係如下述式（2 4) 一般，能 夠藉由此些之彈性表面波的聲音速度Fr(〇)、^R(90)的平 均値演算，而近似地求取出來。故而’藉由將此所求取出 之値代入至式（12)、式（13)中，能夠計算出表面組織音響 向異性之定數。 -30- 200817659 [數式15] y〇 yR(0)^VR(90) R 2 …… （24) 接下來’針對第4手法作說明。對於試驗體M之表面 組織音響向異性的測定對象部分周圍之彈性表面波| #速 度’係可了頁先作貫際測g式。將藉由此貫際測試所取彳辱之弓單 性表面波聲音速度設爲VR’（I)。故而，若是使橫波超音波 探觸元件3從X軸起一次旋轉3 60°/N的旋轉角度而旋轉n 次，並將在各旋轉後的旋轉位置中之N個的資料Vr，（i)， 如式（2 5 ) —般而進行平均値演算，則能夠求取出在等方性 體中之彈性表面波的聲音速度VRG。藉由將此所求取出之 値代入至式（12)、式（13)中，能夠計算出表面組織音響向 異性之定數。 [數式1 6] ……(25) 接下來，針對第5手法作說明。如第4手法所述一般， 對於試驗體Μ之表面組織音響向異性的測定對象部分周 圍之彈性表面波聲音速度，係可預先作實際測試。故而， 針對傳播於X軸方向之彈性表面波聲音速度VR，（0)、以 及傳播於Y軸方向之彈性表面波聲音速度VR’（90)，亦可 進行實際測試。而，彈性表面波的聲音速度VRG，係如下 -31 - 200817659 述式（2 6) —般，能夠藉由此2個的實際測試資料之平均値 演算，而近似地求取出來。藉由將此所求取出之値代入至 式（12)、式（13)中，能夠計算出表面組織苜響向異性之疋 數。 [數式17] (2 6) _ ^(0)^；(90) 如以上所說明一般，若是藉由圖1之構成，則測定資 料解析手段1 6，藉由對於縱波超音波探觸元件1以及橫波 超音波探觸元件3的探觸元件控制手段1 3之控制，而將回 波資料、旋轉位置資料、滑動位置資料等之各種測定資料 ，作收集，並經由對此所收集之測定資料的解析處理，而 成爲能夠對於習知技術中所無法求取之表面組織音響向異 性的定數作求取。故而，根據此所求取出之表面組織音響 向異性的定數，成爲能夠對試驗體、亦即是對應力測定對 象材料之殘留應力，以良好之精確度來作演算。 [參考文獻1] 福岡秀和編「聲音彈性之基礎與應用」，歐姆公司， 1993年4月 [參考文獻2] 河田幸三監修，「最新應力、歪斜測定評價技術 -32- 200817659 P P 3 0 8〜3 1 0，綜合技術中心有限公司發行 [參考文獻3] B. A. Auld : Acoustic Fields and Waves in Soild Volume II， pp. 8 8-94, Krieger Publishing Company

Florida 【圖式簡單說明】 [圖1 ]本發明之實施形態的超音波式應力測定裝置之 構成圖。 [圖2]用以說明圖1之動作的流程圖 [圖3 ]在圖1中之被收集至測定資料解析手段1 6中的回 波資料之波形圖，（a)係爲縱波之多重回波，（b)係爲橫波 之多重回波。 [圖4 ]展不將圖1中的測定資料解析手段丨6所致之演算 資料作了整理之資料表格的內容之說明圖。 [圖5]展示圖1中之試驗體Μ以及被設定於其之中的3 維座標之說明圖’（a)係爲將垂直於X軸之面ρ丨以斜線來 表示的說明圖’（b)係爲將垂直於γ軸之面p2以斜線來表 示的說明圖。 【主要元件符號說明】 Μ :試驗體（應力測定對象材料） 1 :縱波超音波探觸元件 -33- 200817659 2 :縱波用接觸媒質 3 :橫波超音波探觸元件 4 :橫波用接觸媒質 5 :探觸元件驅動機構 6 :探觸元件支持器 7 :滑動驅動部 8 :旋轉驅動部 9 :滑動驅動器 1 〇 :滑動位置檢測器 1 1 :旋轉驅動器 1 2 :旋轉位置檢測器 1 3 :探觸元件控制手段 1 4 :探觸元件切換器 14a :接點 1 5 :超音波發訊•受訊電路 1 6 :測定資料解析手段 Pe :發射脈衝 Pr :反射脈衝 -34

Claims (1)

1. 200817659 十、申請專利範圍 1 · 一種超音波式應力測定裝置，其特徵爲，具備有： 縱波超音波探觸元件以及橫波超音波探觸元件，其係 可配置於應力測定對象材料之表面上；和 探觸元件驅動機構，其係可使前述兩探觸元件沿著前 述材料之表面而移動又或是旋轉；和 探觸元件控制手段，其係使前述兩探觸元件中之其中 一方的探觸元件，使其進行對前述材料之測定對象部位的 超音波之發訊、受訊動作，而後，藉由對於前述探觸元件 驅動機構之前述移動的控制，而對其中一方之探觸元件與 另外一方之探觸元件的配置作切換，並使另外一方之探觸 元件對於同一測定對象部位進行超音波之發訊、受訊動作 ，特別是，對於前述橫波超音波探觸元件，使其進行每次 旋轉3 60°/N(N : 2以上之整數）之旋轉角度的N次之旋轉， 並使其在各旋轉位置進行發訊、受訊動作；和 測定資料解析手段，其係從藉由前述兩探觸元件之發 訊、受訊動作所得到之彈性表面波的聲音速度資料，而求 取出表面組織音響向異性的定數，並根據此求取出之定數 ，來演算出應力測定對象材料之殘留應力。 2.如申請專利範圍第1項所記載之超音波式應力測定 裝置，其中，前述彈性表面波之聲音速度資料，係爲： 並不受到表面應力向異性之影響，而在X軸方向作 傳播之彈性表面波的聲音速度資料、和 並不受到表面應力向異性之影響，而在與前述X軸 -35- 200817659 方向相垂直之γ軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度 資料、以及 並不受到表面應力向異性和表面組織音響向異性的兩 者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料。 3 ·如申請專利範圍第2項所記載之超音波式應力測定 裝置，其中， 分別於前述X軸方向以及Υ軸方向而傳播之彈性表 面波的聲音速度資料，係作爲使用縱波聲音速度與X軸 方向及Υ軸方向之橫波聲音速度來表示之特定的6維之彈 性表面波聲音速度方程式之解而求取出者， 前述不受到表面應力向異性和表面組織音響向異性的 兩者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料 ，係作爲使用縱波聲音速度與前述橫波超音波探觸元件之 在Ν次的各旋轉後之旋轉位置中的超音波行進方向之橫 波聲音速度來表示之特定的6維之彈性表面波聲音速度方 程式之解，而求取出Ν個的彈性表面波之聲音速度資料 ，再將該Ν個的彈性表面波之聲音速度資料作平均値演 算而求取出者。 4·如申請專利範圍第2項所記載之超音波式應力測定 裝置，其中， 分別於前述X軸方向以及Υ軸方向而傳播之彈性表 面波的聲音速度資料，係藉由將X軸方向及Υ軸方向之 彈性表面波的聲音速度和X軸方向以及Υ軸方向之橫波 聲音速度間之比，以波森比（Poisson’s ratio)來表示後之特 -36- 200817659 定的等式而求取出者， 前述不受到表面應力向異性和表面組織音響向異性的 兩者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資料 ，係藉由將前述橫波超音波探觸元件之在N次的各旋轉 後之旋轉位置中的超音波行進方向之彈性表面波的聲音速 度和與此爲相同方向之橫波聲音速度間之比，以波森比 (Poisson’s ratio)來表示後之特定的等式，而求取出N個 的彈性表面波之聲音速度資料，再將該N個的彈性表面 波之聲音速度資料作平均値演算而求取出者。 5 .如申請專利範圍第2項所記載之超音波式應力測定 裝置，其中， 前述並不受到表面應力向異性和表面組織音響向異性 的兩者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲音速度資 料，係爲將前述並不受到表面應力向異性之影響而在X 軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度資料、和前述並不 受到表面應力向異性之影響而在與X軸方向相垂直之Y 軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度資料之2個的資料 ，作平均値演算而求取出者。 6·如申請專利範圍第2項所記載之超音波式應力測定 裝置，其中，前述並不受到表面應力向異性和表面組織音 響向異性的兩者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲 音速度資料，係將前述橫波超音波探觸元件之在N次的 各旋轉後之旋轉位置中的超音波行進方向之N個的彈性 表面波之聲音速度資料，預先藉由實際測試而取得之，並 -37- 200817659 將此些之所取得的N個的資料作平均値演算後而求取出 者。 7.如申請專利範圍第2項所記載之超音波式應力測定 裝置’其中’前述並不受到表面應力向異性和表面組織首 響向異性的兩者之影響的在等方性體中之彈性表面波的聲 音速度資料，係爲將前述並不受到表面應力向異性之影響 而在X軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度資料、和 前述並不受到表面應力向異性之影響而在與X軸方向相 S直之Y軸方向作傳播之彈性表面波的聲音速度資料之2 個I的資料，預先藉由實際測試而取得之，並將此所取得之 2個的資料作平均値演算而求取出者。 -38-