TWI719758B - 攜帶式殘留應力檢測裝置及其檢測方法 - Google Patents

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Abstract

一種攜帶式殘留應力檢測裝置及其檢測方法，應用於具有曲面形狀鍍膜的檢測件之的現場即時量測並計算其曲面鍍膜殘留應力，攜帶式殘留應力檢測裝置的結構包括：檢測件載具、攜帶式X射線繞射儀以及應力計算模組；檢測件載具，用以固定該檢測件，使檢測件上的待檢測點維持在最高點；攜帶式X射線繞射儀，向待檢測點照射X射線，以定位待檢測點為最高點，攜帶式X射線繞射儀具有檢測器，用以接收X射線之繞射訊號；應力計算模組，其基於檢測器檢測出的繞射訊號，分析得到一應變值，並以一演算式計算檢測件的殘留應力值。

Description

攜帶式殘留應力檢測裝置及其檢測方法
本發明係關於攜帶式殘留應力檢測裝置及其檢測方法，特別是有關於曲面鍍膜的攜帶式殘留應力檢測裝置及其檢測方法。
隨著加工產業、鍍膜技術、模具產業快速發展且朝高值化、高精度與功能性方向發展，因此於鍍膜壽命分析逐漸受到重視。殘留應力即為壽命分析重要指標之一，但因載具為多曲面幾何形狀，受形狀影響容易造成量測誤差與數值失真等問題。
而在殘留應力檢測方面分為接觸式與非破壞檢測，常用的接觸式殘留應力量測以盲孔法為主，但以鍍膜厚度為微米等級，盲孔法已不適用。因此鍍膜殘留應力量測逐漸以非破壞量測為主，而非破壞殘留應力量測則以X光繞射法為主流，且非破壞量測更能於任何製程與各使用階段進行量測，方便進行全面性掌控。但因為採用非接觸式量測，故工件載具、材料性質、幾何形狀、殘留應力計算參數皆會對量測數據造成影響。
殘留應力為判斷製程品質與材料使用壽命之重要依據，因工件使用形態，而逐漸以非破壞檢測為主，其中以X-Ray繞射法為主流。目前X-Ray繞射法殘留應力量測原理皆以材料晶格受應力影響產生變形，搭配不同量測參數並以擬合法進行殘留應力運算。因此分為兩種量測方式：sin2 Ψ與cos α，sin2 Ψ 量測參數包含旋轉角(ψ)、傾斜角(Ψ)等多種變數，適合小型試片與實驗室貴型設備；cos α以繞射環為變數且光源與偵測器皆為同一側，故適用大形工件與現場量測，但上述方法皆有以下缺點：1.殘留應力量測皆以平面形態為主，不適用於曲面；2.運算模式採用線性擬合法，曲面所造成的影響皆會造成量測數據失真。
日本專利文獻JP4548975B2公開一種薄膜殘留應力的量測裝置與方法，其構成由一鍍膜圓環缺口載具與一殘留應力計算模組。當鍍膜中所存在的殘留應力，該載具將根據殘留應力大小而有不同變形程度。因此，藉由該環之缺口、曲率半徑與內外徑之變化，整合鍍膜厚度、楊氏係數與蒲松比計算殘留應力值，並已X光繞射法為驗證方法。
日本專利文獻JP5954642B1公開一種用於比較繞射環的形狀，通過X射線繞射測量檢測到具有參考繞射環形狀的測量對象，其由X射線照射位置的平面上的雙向殘留垂直應力σx和σy以及殘留剪切應力τxy的臨時值計算。主要為臨時值改變時，執行繞射環形狀差異作為繞射環形狀之間的差異的程度並在繞射環形狀差異減小的方向上改變臨時值，以取得精準殘留應力數值。
台灣專利證號TWI669501公開一種殘留應力檢測裝置及其檢驗方法，應用於針對曲面且有鍍膜的檢測件進行表面殘留應力之檢測計算，採用設備為實驗室型sin2ψ為基礎之檢測方式搭配檢測件載具、移動機構與運算模式達到檢測出的繞射X射線的強度峰值得到應變數值，並以演算式計算檢測件的殘留應力值。
日本專利文獻JP2016075431公開一種攜帶式殘留應力裝置為基礎，應用於粗糙表面的殘留應力修正方式，其構成由一攜帶式X光殘留應力量測 系統、一殘留應力計算模組，殘留應力檢測採用雷射光測量凹凸形狀，作為測量區域，確定預定方向的形狀一個近似於直線區域。然後，僅對所確定的測量區域進行X射線照射，從而選擇適當光束直徑評估殘留應力值。
由此可知，現階段殘留應力發展主要分為幾個方向，殘留應力運算模組優化、減少幾何影響、薄膜殘留應力量測等；但卻也同時缺少兼顧曲面形狀與攜帶式的鍍膜殘留應力量測。
本發明提出一種攜帶式殘留應力檢測裝置，可適用於曲面形狀之鍍膜的殘留應力檢測，以解決現有檢測技術無法精準量化曲面鍍膜殘留應力值的問題。
本發明提供一種攜帶式殘留應力檢測方法及一演算式，可精準量化曲面鍍膜殘留應力等問題，並可配合攜帶式X射線繞射儀應用於現場即時量測。
本發明的攜帶式殘留應力檢測裝置係應用於具有曲面形狀鍍膜的檢測件之的現場即時量測，並計算其曲面鍍膜殘留應力，該攜帶式殘留應力檢測裝置的結構包括：一檢測件載具，用以固定該檢測件，使該檢測件上的一待檢測點維持在最高點；一攜帶式X射線繞射儀，向該待檢測點照射X射線，以定位該待檢測點為最高點，該攜帶式X射線繞射儀具有一檢測器，用以接收檢測該X射線之繞射訊號；以及一應力計算模組，其基於該檢測器檢測出的該繞射訊號，分析得到一應變值，並以一演算式計算該檢測件的殘留應力值，，該演算式為：
Figure 108145776-A0101-12-0004-1
其中，σ f 為鍍膜殘留應力，E f 為鍍膜楊氏係數，E s為基材楊氏係數，h s 為基材厚度，h f 為鍍膜厚度，k為曲率，x為待檢測點的深度位置，ε P.XRD 為攜帶式X射線繞射儀量測應變值，ε α 為德拜環α角應變值，ε -α 為德拜環-α角應變值，ε π+α 為德拜環π+α角應變值及ε π-α 為德拜環π-α角應變值。
在一實施例中，該檢測載具更包括一轉動機構，該轉動機構可使該檢測載具進行轉動以變化該檢測件接收X射線的入射方向。
在一實施例中，該檢測載具設置有一檢測件固定結構。
在一實施例中，該檢測固定結構為一固定槽以及一鎖固結構，將該檢測件鎖固於該固定槽中。
在一實施例中，該檢測件固定結構更包括一水平高度調整結構。
在一實施例中，該水平高度調整結構為頂出形態，設置於該固定槽底部，透過頂出該檢測件端處的位置將待檢測點調整到最高點。
本發明的攜帶式殘留應力檢測方法，其步驟包括：提供一具曲面鍍膜的檢測件，並將位於該鍍膜上的一待檢測點調整至最高點；以一攜帶式X射線繞射儀向該待檢測點照射一X射線；使一檢測器能朝向與該X射線的入射方向，並使該攜帶式X射線繞射儀接收檢測該X射線之繞射訊號並分析出一應變值；以及
以該應變值及一演算式計算該檢測件的殘留應力值，該演算式為：
Figure 108145776-A0101-12-0004-2
Figure 108145776-A0101-12-0005-4
其中，σ f 為鍍膜殘留應力，E f 為鍍膜楊氏係數，E s為基材楊氏係數，h s 為基材厚度，h f 為鍍膜厚度，k為曲率，x為待檢測點的深度位置，ε P.XRD 為攜帶式X射線繞射儀量測應變值，ε α 為德拜環α角應變值，ε -α 為德拜環-α角應變值，ε π+α 為德拜環π+α角應變值及ε π-α 為德拜環π-α角應變值。
經本發明所述之攜帶式殘留應力檢測裝置及其檢測方法具有以下特點：本發明的檢測件載具可藉由與試棒同尺寸之固定溝，可將圓棒曲面最高點固定於一直線上，方便X射線快速找尋最高點，減少曲面影響。本發明所提出之攜帶式曲面殘留應力運算模型，可適用於曲面形狀之殘留應力量測，以解決現有量測技術無法精準量化曲面鍍膜殘留應力等問題，並可配合攜帶式設備應用於現場即時量測。利用本發明所提出的攜帶式曲面殘留應力運算模型、檢測件載具與攜帶式X光繞射儀整合，以降低量測誤差、減少曲面影響因子，有效掌握幾何特性，突破殘留應力量測點於曲面形狀偏移造成的量測誤差。
1‧‧‧攜帶式殘留應力檢測裝置
10‧‧‧檢測件
100‧‧‧基材層
101‧‧‧鍍膜層
11‧‧‧攜帶式X射線繞射儀
111‧‧‧X射線
12‧‧‧檢測器
121‧‧‧X射線繞射訊號
13‧‧‧檢測件載具
131‧‧‧檢測件固定結構
1311‧‧‧固定槽
1312‧‧‧鎖固結構
1313‧‧‧水平高度調整結構
14‧‧‧應力計算模組
hs‧‧‧基材厚度
hf‧‧‧鍍膜厚度
T‧‧‧待檢測點
εP.XRD‧‧‧應變數值
步驟S11至步驟S14‧‧‧本發明之攜帶式殘留應力檢測方法
圖1為本發明所述攜帶式殘留應力檢測裝置之結構示意圖；
圖2為本發明所述攜帶式殘留應力檢測裝置之檢測示意圖；
圖3為本發明所述之曲面鍍膜檢測件結構示意圖；
圖4為本發明一實施例之檢測件載具的檢測件固定結構示意圖；
圖5為本發明一實施例之檢測件載具的水平高度調整結構示意圖；
圖6為本發明所述攜帶式殘留應力檢測方法之流程圖。
茲配合圖式將本創作實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本創作之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本創作有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。
以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請，另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語「包括」或「包含」應被解釋為意指包括該元件，但是不排除任何其它元件。
本發明揭露一種殘留應力檢測裝置1，如圖1至圖3所示，係應用於針對一具有曲面形狀鍍膜的檢測件之的現場即時量測，並計算其曲面鍍膜殘留應力，如圖3所示該經鍍膜的具有曲面之檢測件10依其結構可分為基材層100以及鍍膜層101，並且各自具有一基材厚度h s 以及一鍍膜厚度h f ，x為待檢測點的深度位置，σ為檢測點的殘留應力。該殘留應力檢測裝置1的結構包括：一檢測件載具13，用以固定該檢測件10，使該檢測件10上的一待檢測點T維持在最高點；一攜帶式X射線繞射儀11，用以向該待檢測點T照射X射線111，以定位該待檢測點T為最高點，該攜帶式X射線繞射儀11具有一檢測器12，用以接收檢測該X射線繞射訊號121；以及一應力計算模組14，其基於該檢測器12檢測出的該X射線繞射 訊號121，分析得到一應變值ε P.XDR ，並以一演算式(即攜帶式曲面殘留應力運算模型)計算該檢測件的殘留應力值σ f ，該演算式為：
Figure 108145776-A0101-12-0007-5
其中，σ f 為鍍膜殘留應力，E f 為鍍膜楊氏係數，E s為基材楊氏係數，h s 為基材厚度，h f 為鍍膜厚度，k為曲率，x為待檢測點的深度位置，ε P.XRD 為攜帶式X射線繞射儀量測應變值，ε α 為德拜環α角應變值，ε -α 為德拜環-α角應變值，ε π+α 為德拜環π+α角應變值及ε π-α 為德拜環π-α角應變值。
如圖4所示之本發明一實施例之檢測件載具的檢測件固定結構示意圖。在本實例中，該檢測載具13設置有一檢測件固定結構131。較佳者，該檢測固定結構131為一固定槽1311以及一鎖固結構1312，用以將該檢測件10鎖固於該固定槽1311之中。
如圖5所示之本發明一實施例之檢測件載具的水平高度調整結構示意圖。為了使該檢測載具13具有檢測件10的水平調整功能，在本實施例中，該檢測件固定結構131可更包括一水平高度調整結構1313，較佳地，該水平高度調整結構1313可為頂出形態，其設置於該固定槽1311底部，透過頂出該檢測件10端處的位置將待檢測點T調整到最高點，並將該檢測件10的曲面最高點輔以該鎖固結構1312而能易於調至該固定槽1311的中軸線上(如圖2所示)，以便讓曲面最高點之待檢測點T直接接收該攜帶式X射線繞射儀11照射的X射線111，降低曲面效應與量測運動所產生的誤差。
在一攜帶式殘留應力檢測裝置實施例中，該檢測件載具13為直徑30亳米、高度20亳米之一圓柱型平台。進一步地，該檢測件載具13頂面的該固定槽的寬度X深度可為3毫米X 3毫米。
再請參閱圖6之本發明所述攜帶式殘留應力檢測方法之流程圖。本實施例之曲面鍍膜的殘留應力檢測方法，其步驟包括：步驟S11，提供一具曲面鍍膜的檢測件，並將位於該鍍膜上的一待檢測點調整至最高點並予以固定；步驟S12，以一攜帶式X射線繞射儀向該待檢測點照射一X射線；步驟S13，使該攜帶式X射線繞射儀之一檢測器接收檢測該X射線之繞射訊號並分析出一應變值；步驟S14，以該應變值及一演算式(攜帶式曲面殘留應力運算模型)計算該檢測件的殘留應力值，該演算式為：
Figure 108145776-A0101-12-0008-6
其中，σ f 為鍍膜殘留應力，E f 為鍍膜楊氏係數，E s為基材楊氏係數，h s 為基材厚度，h f 為鍍膜厚度，k為曲率，x為待檢測點的深度位置，ε P.XRD 為攜帶式X射線繞射儀量測應變值，ε α 為德拜環α角應變值，ε -α 為德拜環-α角應變值，ε π+α 為德拜環π+α角應變值及ε π-α 為德拜環π-α角應變值。
在一攜帶式殘留應力檢測方法實施例中，該檢測件係應用如申請專利範圍第5項所述之該檢測件載具進行待檢測點調整及固定。
上述實施例或實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違 背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
步驟S11至步驟S14‧‧‧本發明之攜帶式殘留應力檢測方法

Claims (9)

  1. 一種攜帶式殘留應力檢測裝置，應用於具有曲面形狀鍍膜的檢測件之的現場即時量測，並計算其曲面鍍膜殘留應力，該攜帶式殘留應力檢測裝置的結構包括：
    一檢測件載具，用以固定該檢測件，使該檢測件上的一待檢測點維持在最高點；
    一攜帶式X射線繞射儀，用以向該待檢測點照射X射線，以定位該待檢測點為最高點，該攜帶式X射線繞射儀具有一檢測器，用以接收檢測該X射線之繞射訊號；以及
    一應力計算模組，其基於該檢測器檢測出的該繞射訊號，分析得到一應變值，並以一演算式計算該檢測件的殘留應力值，該演算式為：
    Figure 108145776-A0101-13-0001-7
    其中，σ f 為鍍膜殘留應力，E f 為鍍膜楊氏係數，E s為基材楊氏係數，h s 為基材厚度，h f 為鍍膜厚度，k為曲率，x為待檢測點的深度位置，ε P.XRD 為攜帶式X射線繞射儀量測應變值，ε α 為德拜環α角應變值，ε -α 為德拜環-α角應變值，ε π+α 為德拜環π+α角應變值及ε π-α 為德拜環π-α角應變值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之攜帶式殘留應力檢測裝置，其中，該檢測載具設置有一檢測件固定結構。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之攜帶式殘留應力檢測裝置，其中，該檢測固定結構為一固定槽以及一鎖固結構，將該檢測件鎖固於該固定槽中。
  4. 如申請專利範圍第2或第3項所述之攜帶式殘留應力檢測裝置，其中，該檢測件固定結構更包括一水平高度調整結構。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之攜帶式殘留應力檢測裝置，其中，該水平高度調整結構為頂出形態，設置於該固定槽底部，透過頂出該檢測件端處的位置將待檢測點調整到最高點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之攜帶式殘留應力檢測裝置，其中，檢測件載具為直徑30亳米、高度20亳米之一圓柱型平台。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之攜帶式殘留應力檢測裝置，其中，該固定槽之寬度為3毫米、深度為3毫米。
  8. 一種攜帶式殘留應力檢測方法，其步驟包括：
    提供一具曲面鍍膜的檢測件，並將位於該鍍膜上的一待檢測點調整至最高點並予以固定；
    以一攜帶式X射線繞射儀向該待檢測點照射一X射線；
    使一檢測器能朝向與該X射線的入射方向，並使該攜帶式X射線繞射儀接收檢測該X射線之繞射訊號並分析出一應變值；以及
    以該應變值及一演算式計算該檢測件的殘留應力值，該演算式為：
    Figure 108145776-A0101-13-0002-9
    其中，σ f 為鍍膜殘留應力，E f 為鍍膜楊氏係數，E s為基材楊氏係數，h s 為基材厚度，h f 為鍍膜厚度，k為曲率，x為待檢測點的深度位置，ε P.XRD 為攜帶式X射線繞射儀量測應變值，ε α 為德拜環α角應變值，ε -α 為德拜環- α角應變值，ε π+α 為德拜環π+α角應變值及ε π-α 為德拜環π-α角應變值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之攜帶式殘留應力檢測方法，其中，該檢測件係應用如申請專利範圍第5項所述之該檢測件載具進行待檢測點調整及固定。
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