TWI664405B - 殘留應力測定裝置及殘留應力測定方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之裝置包括：X射線產生源，其對測定對象物照射X射線；第1檢測元件，其於第1檢測位置檢測上述測定對象物之繞射X射線之強度；第2檢測元件，其於不同於上述第1檢測位置之第2檢測位置檢測上述測定對象物之繞射X射線之強度；移動機構，其使上述第1檢測元件及上述第2檢測元件沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線分別移動；移動控制部，其驅動上述移動機構而控制上述第1檢測元件及上述第2檢測元件之各自之檢測位置；及應力計算部，其根據藉由利用上述移動機構使上述第1檢測元件及上述第2檢測元件分別移動而分別檢測到的繞射X射線之強度峰，計算上述測定對象物之殘留應力。

Description

殘留應力測定裝置及殘留應力測定方法
本揭示係關於一種殘留應力測定裝置及殘留應力測定方法。
於專利文獻1中記載有一種使用X射線對測定對象物之殘留應力進行測定的裝置。該裝置包括：X射線出射器，其向測定對象物出射X射線；成像板，其接收測定對象物之繞射光；旋轉機構，其使成像板旋轉雷射裝置，其進行來自成像板之讀出；及控制器，其控制該等構成要素。
控制器係預先記憶有與殘留應力對應之繞射環之形狀作為參考。而且，該裝置係於成像板接收來自測定對象物之繞射光，一面利用旋轉機構使成像板旋轉一面利用雷射裝置讀出受光強度並獲取繞射環，將所獲得之繞射環之形狀與參考之繞射環之形狀進行比較。然後，該裝置計算形狀最接近之繞射環所對應之殘留應力作為測定對象物之殘留應力。於測定到之繞射環不連續之情形時，該裝置根據繞射環之形狀利用cosα法計算殘留應力。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2013-113734號公報
然而，專利文獻1記載之裝置有殘留應力之測定花費時間之虞。 例如，必須使成像板旋轉而獲取信號，因此，有信號讀出花費時間之虞。於本技術領域中，期望縮短殘留應力之測定時間。
本發明之一態樣之殘留應力測定裝置包括：X射線產生源，其對測定對象物照射X射線；第1檢測元件，其於第1檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；第2檢測元件，其於不同於第1檢測位置之第2檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；移動機構，其使第1檢測元件及第2檢測元件沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線分別移動；移動控制部，其使移動機構驅動而控制第1檢測元件及第2檢測元件之各自之檢測位置；及應力計算部，其根據藉由利用移動機構使第1檢測元件及第2檢測元件分別移動而分別檢測到的繞射X射線之強度峰，計算測定對象物之殘留應力。
該裝置包括：第1檢測元件，其藉由移動機構及移動控制部於第1檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；及第2檢測元件，其於不同於第1檢測位置之第2檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度。藉由如此般構成，能以一次X射線之照射獲得2個角度之繞射X射線。進而，第1檢測元件及第2檢測元件之各者藉由沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線移動，而可針對每一元件獲取X射線強度分佈(繞射峰)。又，藉由獲取至少2個繞射峰，可計算測定對象物之殘留應力，因此，無須使成像板旋轉而獲取繞射環之所有資料。因此，與先前之殘留應力測定裝置相比，可謀求殘留應力之測定時間之縮短。
於一實施形態中，移動控制部亦可使第1檢測元件之動作與第2檢測元件之動作同步。於該情形時，與分別控制第1檢測元件與第2檢測元件之情形相比，可謀求殘留應力之測定時間之縮短。
本發明之其他態樣之殘留應力測定方法係使用殘留應力測定裝 置對測定對象物之殘留應力進行測定者，上述殘留應力測定裝置具備：X射線產生源；第1檢測元件，其於第1檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；第2檢測元件，其於不同於第1檢測位置之第2檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；及移動機構，其使第1檢測元件及第2檢測元件沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線分別移動；且該殘留應力測定方法包括：X射線照射步驟，其對測定對象物照射X射線；移動控制步驟，其使移動機構驅動而使第1檢測元件及第2檢測元件移動；及應力計算步驟，其根據於移動控制步驟之執行中第1檢測元件及第2檢測元件分別檢測到的測定對象物之繞射X射線之強度峰，計算測定對象物之殘留應力。
於一實施形態中，亦可於移動控制步驟中使第1檢測元件之動作與第2檢測元件之動作同步。
上述殘留應力測定方法發揮與上述殘留應力測定裝置相同之效果。
根據本發明之態樣及實施形態，可謀求殘留應力之測定時間之縮短。
1‧‧‧殘留應力測定裝置
2θ‧‧‧繞射角
10‧‧‧X射線產生源
11A‧‧‧第1檢測元件
11B‧‧‧第2檢測元件
20‧‧‧輸入輸出部
21‧‧‧移動控制部
22‧‧‧應力計算部
23‧‧‧記憶部
100‧‧‧裝置本體
120‧‧‧移動機構
121‧‧‧電動馬達
122‧‧‧滾珠螺桿部
123A‧‧‧螺帽部
123B‧‧‧螺帽部
200‧‧‧控制裝置
201‧‧‧處理裝置
202‧‧‧輸入裝置
203‧‧‧輸出裝置
P1‧‧‧第1檢測位置
P2‧‧‧第2檢測位置
PL‧‧‧特定平面
R‧‧‧繞射環
RR‧‧‧繞射環
S‧‧‧測定對象物
XIN‧‧‧入射X射線
XR1‧‧‧繞射X射線
XR2‧‧‧繞射X射線
θ1‧‧‧傾角
α‧‧‧繞射中心角
圖1係對本實施形態之殘留應力測定裝置之構成進行說明之概要圖。
圖2係對本實施形態之殘留應力測定裝置之模式性之構成進行說明的圖。
圖3係對本實施形態之殘留應力測定裝置之檢測位置進行說明的概要圖。
圖4係對繞射環進行說明之概要圖。
圖5(A)、(B)係表示本實施形態之殘留應力測定方法之流程圖。
以下，參照圖式，對本實施形態進行說明。再者，於以下之說明中，對相同或相當要素標註相同符號，並省略重複之說明。
本實施形態之殘留應力測定裝置1係使用X射線對測定對象物之殘留應力進行測定的裝置。殘留應力測定裝置1例如可於在工廠之生產線上對所製造之製品之品質進行檢查之情形時採用，但並不限定於此。測定對象物例如為無配向(各向同性之結晶結構)，可利用金屬多晶材料形成。
圖1係對本實施形態之殘留應力測定裝置1之構成進行說明的概要圖。如圖1所示，殘留應力測定裝置1包括包含X射線產生源10之裝置本體100及控制裝置200。
裝置本體100係箱狀之殼體，例如於其內部收容X射線產生源10。X射線產生源10係包括X射線管球且產生特定波長之X射線的裝置。X射線產生源10例如固定於裝置本體100。X射線係配合測定對象物S而使用適當之波長之X射線。於裝置本體100之前表面形成有X射線照射用之窗(準直器之一例：未圖示)。由X射線產生源10產生之X射線係經由窗而照射至測定對象物S。
裝置本體100包括第1檢測元件11A及第2檢測元件11B。此處，第1檢測元件11A及第2檢測元件11B係配置於裝置本體100之形成有X射線照射用之窗(未圖示)之側面。第1檢測元件11A及第2檢測元件11B分別檢測測定對象物S之繞射X射線之強度。第1檢測元件11A係零維之X射線強度測定元件。所謂零維，係指於元件之配置位置測定X射線之強度。亦即，第1檢測元件11A係與複數個元件沿著直線配置之一維之線感測器或複數個元件配置成平面之二維之成像板不同。第2檢測元件11B亦為零維之X射線強度測定元件。作為第1檢測元件11A及第2檢測元件11B，例如使用閃爍計數器。
裝置本體100包括移動機構120，該移動機構120使第1檢測元件11A及第2檢測元件11B沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線分別移動。所謂沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線，係指將入射X射線設為法線之平面上之直線。於圖1之例中，移動機構120係使第1檢測元件11A及第2檢測元件11B沿著沿X方向延伸之直線移動。移動機構120係使用例如電動致動器。作為更具體之一例，移動機構120例如包括電動馬達121、滾珠螺桿部122及螺帽部123A、123B。電動馬達121係以對設於滾珠螺桿部122之螺桿軸賦予以軸向為中心之旋轉力的方式連接。於滾珠螺桿部122，能夠向軸向移動地安裝有螺帽部123A、123B。於螺帽部123A安裝有第1檢測元件11A，於螺帽部123B安裝有第2檢測元件11B。若電動馬達121驅動，則滾珠螺桿部122之螺桿軸旋轉，而螺帽部123A、123B朝同一方向同步地移動。亦即，第1檢測元件11A與第2檢測元件11B係沿著同一螺桿軸朝同一方向同步地移動。藉由移動機構120，第1檢測元件11A及第2檢測元件11B可於直線上變更X射線強度之檢測位置。
第1檢測元件11A係於第1檢測位置檢測測定對象物S之繞射X射線之強度。第2檢測元件11B係於不同於第1檢測位置之第2檢測位置檢測測定對象物S之繞射X射線之強度。第1檢測位置及第2檢測位置可根據測定對象物S之材料或焦距而變化。於本實施形態中，第1檢測元件11A及第2檢測元件11B係同步地移動預先所設定之相同之距離。預先所設定之距離係可獲得所需之繞射強度分佈之範圍之距離。
移動機構120連接於控制裝置200。控制裝置200包括具備CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)、HDD(Hard Disk Drive，硬碟驅動器)等之通用之電腦。控制裝置200例如具備處理裝置201、輸入裝置202及輸出裝置203。
圖2係對本實施形態之殘留應力測定裝置之模式性之構成進行說明的圖。如圖2所示，處理裝置201具備輸入輸出部20、移動控制部21、應力計算部22及記憶部23。
輸入輸出部20係網路卡等通信設備及繪圖卡等輸入輸出裝置。例如，輸入輸出部20與電動馬達121能夠通信地連接。輸入輸出部20例如與輸入裝置202及輸出裝置203能夠通信地連接。進而，輸入輸出部20連接於第1檢測元件11A及第2檢測元件11B。下述之移動控制部21及應力計算部22係經由輸入輸出部20與各構成要素進行資訊之交換。
移動控制部21係使移動機構120驅動而控制第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之各自之檢測位置。例如，移動控制部21係預先獲取根據構成測定對象物S之材料規定之峰出現角度，以包含峰出現角度之方式控制第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之各自之檢測位置。根據構成測定對象物S之材料規定之峰出現位置係例如記憶於記憶部23。
圖3係對本實施形態之殘留應力測定裝置1之檢測位置進行說明之概要圖。於圖3中，表示對測定對象物S照射入射X射線XIN並以繞射角2θ輸出繞射X射線的情形。於該情形時，於特定平面PL利用繞射X射線描繪繞射環R。此處，於本實施形態中，以於繞射X射線之與繞射環之0°對應之檢測位置、繞射X射線之與繞射環之180°對應之檢測位置之各檢測位置出現強度峰並獲取該部分(即對稱之點)之繞射強度的情形為例。圖4係對繞射環進行說明之概要圖。於圖4中，以相同符號表示與圖3對應之部分。如圖3、4所示，於與繞射環R之0°對應之第1檢測位置P1，檢測繞射X射線XR1，於與繞射環R之180°對應之第2檢測位置P2，檢測繞射X射線XR2。於該情形時，移動控制部21係以使第1檢測元件11A於包含與繞射環R之0°對應之第1檢測位置P1之範圍 移動的方式進行設定。同樣地，移動控制部21係以使第2檢測元件11B於包含與繞射環R之180°對應之第2檢測位置P2之範圍移動的方式進行設定。藉此，能以一次X射線之照射獲得2個角度之繞射X射線而獲得2個X射線繞射強度分佈。
應力計算部22係根據於第1檢測位置P1及第2檢測位置P2之各檢測位置檢測到之X射線繞射強度分佈(角度及強度之關係)，獲取繞射峰。此處，可獲得與繞射環R之0°對應之強度峰、與繞射環R之180°對應之強度峰之2個強度峰。圖4所示之虛線之繞射環RR係於測定對象物不存在殘留應力之情形時之繞射環。與不存在殘留應力之繞射環RR相比，存在殘留應力之繞射環R基於殘留應力而中心位置偏移。應力計算部22係利用其差值計算殘留應力值。例如，應力計算部22係利用cosα法計算殘留應力值。於cosα法中，根據表示cosα(α：繞射中心角)與使用繞射環上之4個部位(α、π+α、-α、π-α)之應變(εα、επ+α、ε-α，επ-α)表示之應變ε之關係的ε-cosα線圖之斜率獲得殘留應力。應力計算部22係使用α=0°、180°之2點計算ε-cosα線圖之斜率(一次函數之斜率)。然後，應力計算部22係將一次函數之斜率乘以X射線應力測定乘數而獲得殘留應力。X射線應力測定乘數係根據楊氏模數、泊松比、布拉格角之餘角及X射線入射角規定的常數，且例如預先記憶於記憶部23。應力計算部22可將計算出之殘留應力記憶於記憶部23，亦可輸出至輸出裝置203。
以上，對殘留應力測定裝置1之構成結束說明。其次，對使用殘留應力測定裝置1之殘留應力測定方法進行說明。圖5係表示本實施形態之殘留應力測定方法之流程圖。
首先，進行殘留應力測定前之調整處理。圖5(A)係表示殘留應力測定前之調整處理之流程圖。如圖5(A)所示，首先，進行角度調整處理(S10)。於該處理中，調整入射X射線相對於測定對象物S之角度。 例如，如圖2所示，使裝置本體100傾斜而調整傾角θ1，藉此，調整入射X射線之角度。再者，使裝置本體100傾斜之處理既可由另外之裝置(控制部及致動器)進行，亦可由測定者進行。藉由S10之處理，將測定中之入射角度固定為特定角度(單一角度)。
其次，進行焦點調整處理(S12)。於該處理中，調整入射X射線相對於測定對象物S之焦點。例如，變更測定對象物S之高度，或者，變更裝置本體100之位置，藉此，調整入射X射線之焦點。再者，變更高度或位置之處理既可由另外之裝置(控制部及致動器)進行，亦可由測定者進行。
以上，圖5(A)所示之流程圖結束。若圖5(A)所示之流程圖結束，則成為能夠對測定對象物S之殘留應力進行測定之情況。然後，進行殘留應力之測定。圖5(B)係表示殘留應力之測定方法之流程圖。
如圖5(B)所示，首先，進行X射線照射處理(S20：X射線照射步驟)。於S20之X射線照射處理中，自X射線產生源10對測定對象物S照射X射線。其次，於S20之X射線照射處理之執行中進行測定處理(S22：移動控制步驟)。於S22之測定處理中，藉由移動機構120及移動控制部21，使第1檢測元件11A及第2檢測元件11B移動，根據移動中之檢測結果，獲得2個X射線繞射強度分佈。於S22之測定處理結束之情形時，亦可結束X射線之照射。其次，進行殘留應力計算處理(S24：應力計算步驟)。於S24之殘留應力計算處理中，藉由應力計算部22，根據移動中所獲得之2個X射線繞射強度分佈，獲取2個強度峰。繼而，藉由應力計算部22，計算ε-cosα線圖之斜率，並乘以X射線應力測定乘數而計算殘留應力。最後，將藉由應力計算部22計算出之殘留應力記憶於記憶部23或者輸出至輸出裝置203。
以上，圖5(B)所示之流程圖結束。藉由執行圖5(B)所示之控制處理，可使用使第1檢測元件及第2檢測元件移動而獲得之資料計算殘留 應力。
如上所述，本實施形態之殘留應力測定裝置1包括：第1檢測元件11A，其藉由移動機構120及移動控制部21於第1檢測位置P1檢測繞射X射線之強度；及第2檢測元件，其於不同於第1檢測位置P1之第2檢測位置P2檢測繞射X射線之強度。藉由如此構成，能以一次之X射線之照射(單一角度之照射)獲得2個角度之繞射X射線。進而，藉由第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之各者沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線移動，而可針對每一元件獲取X射線強度分佈(繞射峰)。又，藉由獲取至少2個繞射峰，可計算測定對象物S之殘留應力，因此，無須使成像板旋轉而獲取繞射環之所有資料。因此，與先前之殘留應力測定裝置相比，可謀求殘留應力之測定時間之縮短。
又，本實施形態之殘留應力測定裝置1無須包括使成像板旋轉之機構或讀出機構，因此，與先前之殘留應力測定裝置相比，裝置簡化而輕量化。因此，與先前之殘留應力測定裝置相比，裝置之設置變得容易，或者，可設為容易組裝入其他機械之構造。進而，藉由裝置構成簡化，與先前之殘留應力測定裝置相比，可降低裝置之製造成本。
進而，移動控制部21使第1檢測元件11A之動作與第2檢測元件11B之動作同步，藉此，與分別控制第1檢測元件11A與第2檢測元件11B之情形相比，可謀求殘留應力之測定時間之縮短。
以上，對本發明之實施形態進行了說明，但本發明並不限於上述實施形態。本發明能以根據業者之知識對上述實施形態實施各種變更、改良後所得之各種形態實施。
例如，於上述實施形態中，對殘留應力測定裝置1於工廠之生產線上被採用之例進行了說明，但殘留應力測定裝置1亦可設置於未配置於生產線之裝置。又，於上述實施形態中，對殘留應力測定裝置1包括第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之例進行了說明，但只要包 括至少2個檢測元件即可。亦即，殘留應力測定裝置1亦可包括3個以上之檢測元件。
又，於上述實施形態中，對移動機構120利用一組電動馬達121及滾珠螺桿部122使第1檢測元件11A及第2檢測元件11B分別移動之例進行了說明，但亦可包括與第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之各者對應之電動馬達及滾珠螺桿部。於該情形時，控制裝置200可藉由控制與第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之各者對應之電動馬達而控制第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之動作。控制裝置200可控制2個滾珠螺桿軸而使第1檢測元件11A及第2檢測元件11B之動作同步，亦可設為不同之動作。
進而，上述實施形態之殘留應力測定裝置1亦可組裝入珠擊機裝置等。於該情形時，上述實施形態中所說明之輸入輸出部20係以接收自珠擊機裝置之控制盤之定序器輸出之信號之方式構成，藉由移動控制部21及應力計算部22根據該信號進行動作而進行殘留應力之測定。

Claims (4)

  1. 一種殘留應力測定裝置，其包括：X射線產生源，其對測定對象物照射X射線；第1檢測元件，其於第1檢測位置檢測上述測定對象物之繞射X射線之強度；第2檢測元件，其於不同於上述第1檢測位置之第2檢測位置檢測上述測定對象物之繞射X射線之強度；移動機構，其使上述第1檢測元件及上述第2檢測元件沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線分別移動；移動控制部，其驅動上述移動機構而控制上述第1檢測元件及上述第2檢測元件之各自之檢測位置；及應力計算部，其根據藉由利用上述移動機構使上述第1檢測元件及上述第2檢測元件分別移動而分別檢測到的繞射X射線之強度峰，計算上述測定對象物之殘留應力。
  2. 如請求項1之殘留應力測定裝置，其中上述移動控制部使上述第1檢測元件之動作與上述第2檢測元件之動作同步。
  3. 一種殘留應力測定方法，其係使用殘留應力測定裝置對測定對象物之殘留應力進行測定者，上述殘留應力測定裝置具備：X射線產生源；第1檢測元件，其於第1檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；第2檢測元件，其於不同於第1檢測位置之第2檢測位置檢測測定對象物之繞射X射線之強度；及移動機構，其使第1檢測元件及第2檢測元件沿著沿與X射線之入射方向正交之方向延伸之直線分別移動；且該殘留應力測定方法包括：X射線照射步驟，其對測定對象物照射X射線；移動控制步驟，其驅動上述移動機構而使上述第1檢測元件及上述第2檢測元件移動；及應力計算步驟，其根據於上述移動控制步驟之執行中上述第1檢測元件及上述第2檢測元件分別檢測到的上述測定對象物之繞射X射線之強度峰，計算上述測定對象物之殘留應力。
  4. 如請求項3之殘留應力測定方法，其中於上述移動控制步驟中，使上述第1檢測元件之動作與上述第2檢測元件之動作同步。
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