TWI771820B - 曲面塊材的殘留應力量測方法 - Google Patents

Abstract

一種曲面塊材的殘留應力量測方法，其步驟包含：定位一曲面塊材之一待檢測之曲面的曲率最高點作為一待檢測點；應用一整合X-ray光源與偵測器的儀器設備，以一X-ray繞射原理進行該待檢測點的量測，結合cosα法分析計算出該儀器設備量測之應變值；配合該曲面塊材的材料性質量測數據，導入一曲面塊材殘留應力運算模型計算出一曲面殘留應力。

Description

曲面塊材的殘留應力量測方法

本發明為一種殘留應力量測方法，特別是有關於一種應用於曲面塊材之曲面殘留應力的量測方法。

隨著加工、鑄鍛件、模具產業朝高值化、高精度與功能性方向發展，工件壽命與破損分析逐漸受到重視，殘留應力即為壽命及失效分析重要指標之一。

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，隨著產品高值化與量測即時化發展，盲孔法已逐漸不適用，故殘留應力量測發展將以非破壞量測為主，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。

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、殘留應力即時量測及可視化等；但卻也同時缺少對於曲面形狀塊材的殘留應力量測以及，兼顧曲面形狀與攜帶式的殘留應力量測。

另一方面，因應在產品為多曲面幾何形狀且須達到檢測即時化、可視化需求，因此使用攜帶式檢測設備達到現場量測與即時分析需求日漸增高，但此以目前習知技術而言尚存在原始分析模型容易受形狀影響，因而容易 造成量測誤差與數值失真等問題。

另外，本案發明人所有之台灣專利證號第TWI669501號「殘留應力檢測裝置及其檢測方法」公開了一種針對一曲面且有鍍膜的檢測件進行表面殘留應力之檢測計算方法，包括：將檢測件固定於檢測件載具，並將待檢測點調整至最高點；將X射線產生源照射向待檢測點；移動檢測元件於與X射線的入射方向正交的方向上延伸的路徑，並接收檢測衍射X射線的強度得到一應變數值；以及透過應力計算模組以應變數值計算出該待檢測點的殘留應力值。上述所揭示的殘留應力演算公式乃是利用sin²ψ的殘留應力量測法，且應用於曲面鍍膜的材料，不適用於曲面塊材。

本發明的目的在於提供一種曲面塊材的殘留應力量測方法，應用X-ray光源與偵測器整合的殘留應力檢測設備，以cosα分析法計算出待檢測之曲面最高點的應變值，並將該應變值代入一曲面塊材殘留應力運算模型，而得到該曲面的殘留應力值。

為達成上述目的，本發明提供一種曲面塊材的殘留應力量測方法，其步驟包含：定位一曲面塊材之一待檢測之曲面的曲率最高點作為一待檢測點；應用一整合X-ray光源與偵測器的儀器設備，以一X-ray繞射原理進行該待檢測點的量測，結合cosα法分析計算出該儀器設備量測之應變值；以及配合該曲面塊材的材料性質量測數據，導入下述數學式1計算出一曲面殘留應力；曲面塊材殘留應力運算模型：

其中，σ：曲面殘留應力；E：塊材的楊氏係數；ε：儀器設備量測之應變值；h_b：塊材的厚度；κ：曲面的曲率最高點之曲率；χ：繞射深度。

前述所應用之cosα法係分析該儀器設備對該待檢測點量測在一繞射環α角度範圍下的德拜環α角應變值、德拜環-α角應變值、德拜環π+α角應變值及德拜環π-α角應變值等四種應變值，並代入下述數學式2而得到該儀器設備量測之應變值：

其中，ε：該儀器設備量測之應變值，ε_α：德拜環α角應變值，ε_-α：德拜環-α角應變值，ε_π+α：德拜環π+α角應變值，ε_π-α：德拜環π-α角應變值。

在一些實施方案中，該儀器設備係整合X-ray光源與偵測器於相對該待檢測點之同一側的儀器設備。

在一些實施方案中，該儀器設備係一攜帶式儀器設備。

在一些實施方案中，該待檢測點的定位方式係配合一曲面固定載台將該曲面塊材固定於其上，並於該曲面固定載台校調出該待檢測點的位置維持在一水平最高點上。

在一些實施方案中，該曲面固定載台校具有一受測件放置槽、一鎖固器及一水平調整器，該受測件放置槽用以容置該曲面塊材，該鎖固器用以將該曲面塊材鎖固於該受測件放置槽中，該水平調整器用以配合該鎖固器的緊固力道，將該待檢測點維持在一水平最高點位置。

在一些實施例中，上述之鎖固器係一可將先端部螺出或螺入該受測件放置槽一側壁，以頂抵固定或釋放該曲面塊材的螺絲結構。

在一些實施例中，前述之鎖固器係一可將先端部螺出或螺入該受測件放置槽槽底，以頂高或放低該曲面塊材的螺絲結構。

本發明的至少具有下列特點：本發明提出之量測模型，可適用於曲面形狀塊材之殘留應力量測，以解決現有量測技術無法精準量化曲面塊材殘留應力等問題。利用本發明所提出的量測模型、固定載台與攜帶式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。因本發明使用應用cosα法之殘留應力量測特性，因此在配合攜帶式設備下，可應用於現場即時量測。

1:曲面塊材

11:曲面

111:待檢測點

2:儀器設備

21:X-ray光線

22:繞射光線

3:曲面固定載台

31:受測件放置槽

311:側壁

312:槽底

32:鎖固器

33:水平調整器

S11至S13:曲面塊材的殘留應力量測方法之步驟

[圖1]為本發明一實施例之曲面塊材的殘留應力量測方法之流程圖；

[圖2]為本發明一實施例之曲面塊材的殘留應力量測設備之檢測方式示意圖；

[圖3]為本發明一實施例之曲面固定載台定位該曲面塊材的立體圖；

[圖4]為圖3之該曲面固定載台放置並定位該曲面塊材置之該鎖固器與該水平調整器作用於該曲面塊材的側面示意圖。

茲配合圖式將本發明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發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，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”將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。

請參照圖1及圖2所示。本實施例之曲面塊材的殘留應力量測方法，其步驟包含下列步驟S11至步驟S13：

步驟S11：定位一曲面塊材1之一待檢測之曲面11的曲率最高點作為一待檢測點111，如圖2所示。該曲面塊材1可以是具有同一曲率的圓桿型塊材，也可以是具有多個曲率表面的塊材，若是該曲面塊材1為大型塊材，則就地架設該儀器設備進行檢測，若該曲面塊材1尺寸不大，則採用後述之曲面固定載台3，如圖3所示，定位之。

步驟S12：應用一整合X-ray光源與偵測器(Detector)的儀器設備，以一X-ray繞射(X-ray diffraction)原理，由該X-ray光源對該待檢測點照射一X-ray光線21，並由該偵測器接收並量測其繞射光線22，結合cosα法分析計算出該儀器設備量測之應變值ε。

步驟S13：配合該曲面塊材1的材料性質量測數據，如X-ray光線21的繞射深度χ、塊材楊氐係數E、塊材厚度h_b、塊材曲面最高點之曲率κ，導入一曲面塊材殘留應力運算模型，即下述數學式1，算得該曲面的曲面殘留應力σ：

上述cosα法係分析該儀器設備對該待檢測點量測在一繞射環α角度範圍下於德拜環中對應於德拜環α角、德拜環-α角、德拜環π+α角及德拜環π-α角的四種應變值，代入下述數學式2可得到該儀器設備量測之應變值ε；

為了因應現場量測的需求，本發明之儀器設備係整合X-ray光源與偵測器於相對該待檢測點之同一側。甚至可將X-ray光源與偵測器設置於同一機箱內，以利於待測工件現場架設，而達成一殘留應力量測之攜帶式儀器設備。

在一些實施例中，該待檢測點的定位方式係配合一曲面固定載台將該曲面塊材固定於其上，並於該曲面固定載台校調出該待檢測點的位置維持在一水平最高點上。

在一些實施例中，該曲面固定載台校具有一受測件放置槽、一鎖固器及一水平調整器，該受測件放置槽用以容置該曲面塊材，該鎖固器用以將該曲面塊材鎖固於該受測件放置槽中，該水平調整器用以配合該鎖固器的緊固力道，將該待檢測點維持在一水平最高點位置。

如圖4所示，在一些實施例中，該鎖固器係一可將先端部螺出或螺入該受測件放置槽一側壁311，以頂抵固定或釋放該曲面塊材的螺絲結構；該水平調整器係一可將先端部螺出或螺入該受測件放置槽槽底312，以頂高或放低該曲面塊材的螺絲結構。

藉由上述該曲面固定載台2之該下凹的受測件放置槽31的設計可 快速尋找曲率最高點，例如再將該曲面塊材1平行地放置在該受測件放置槽31，先以鎖固器32稍微固持住該曲面塊材1，即可以該曲面固定載台2頂面為基準，即可以該曲面固定載台2頂面找出該曲面11最高點，再以該水平調整器33頂高該曲面塊材1，使抬高該待檢測點11，以降低可攜式殘留應力量測儀器之量測誤差，減少曲面影響因子，有效掌握幾何特性，突破殘留應力量測於曲面形狀偏移造成的量測誤差。

上述揭示的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。

S11至S13:曲面塊材的殘留應力量測方法之步驟

Claims (8)

1. 一種曲面塊材的殘留應力量測方法，其步驟包含：定位一曲面塊材之一待檢測之曲面的曲率最高點作為一待檢測點；應用一整合X-ray光源與偵測器的儀器設備，以一X-ray繞射原理進行該待檢測點的量測，結合cosα法分析計算出該儀器設備量測之應變值；以及配合該曲面塊材的材料性質量測數據，導入下述數學式1之曲面塊材殘留應力運算模型，算得該曲面的曲面殘留應力；

   

   其中，σ：上述曲面殘留應力；E：該塊材的楊氏係數；ε：該儀器設備量測之應變值；h_b：該塊材的厚度；κ：該曲面的曲率最高點之曲率；χ：繞射深度。
2. 如請求項1所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該cosα法係分析該儀器設備對該待檢測點量測在一繞射環α角度範圍下的四種應變值，並代入下述數學式2而得到該儀器設備量測之應變值；

   

   其中，ε：該儀器設備量測之應變值；ε_α：德拜環α角應變值；ε_-α：德拜環-α角應變值；ε_π+α：德拜環π+α角應變值；ε_π-α：德拜環π-α角應變值。
3. 如請求項1所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該儀器設備係整合X-ray光源與偵測器於相對該待檢測點之同一側的儀器設備。
4. 如請求項1所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該儀 器設備係一攜帶式儀器設備。
5. 如請求項1所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該待檢測點的定位方式係配合一曲面固定載台將該曲面塊材固定於其上，並於該曲面固定載台校調出該待檢測點的位置維持在一水平最高點上。
6. 如請求項5所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該曲面固定載台具有一受測件放置槽、一鎖固器及一水平調整器，該受測件放置槽用以容置該曲面塊材，該鎖固器用以將該曲面塊材鎖固於該受測件放置槽中，該水平調整器用以配合該鎖固器的緊固力道，將該待檢測點維持在一水平最高點位置。
7. 如請求項6所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該鎖固器係一可將先端部螺出或螺入該受測件放置槽一側壁，以頂抵固定或釋放該曲面塊材的螺絲結構。
8. 如請求項6所述之曲面塊材的殘留應力量測方法，其中，該水平調整器係一可將先端部螺出或螺入該受測件放置槽槽底，以頂高或放低該曲面塊材的螺絲結構。

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