TWI832579B - 曲面塊材殘留應力量測裝置及曲面塊材殘留應力量測方法 - Google Patents

Abstract

本揭露提供一種曲面塊材殘留應力量測裝置及曲面塊材殘留應力量測方法，適用於曲面塊材的殘留應力量測，並降低量測誤差。曲面塊材殘留應力量測裝置包含載台、X光檢測模組及應力計算模組。在曲面塊材殘留應力量測方法中，以載台調整曲面塊材的待檢測點在最高點，接著以X光檢測模組結合sin ²Ψ法，分析取得應變值，再將應變值與曲面塊材的材料特性導入演算式，以計算出曲面塊材的曲面殘留應力。

Description

曲面塊材殘留應力量測裝置及曲面塊材殘留應力量測方法

本揭露是有關於一種殘留應力量測裝置與殘留應力量測方法，且特別是有關於一種曲面塊材殘留應力量測裝置及曲面塊材殘留應力量測方法。

由於模具、鑄鍛件與加工產業的快速發展，工件壽命分析逐漸受到重視。殘留應力為工件壽命分析的重要指標之一。

殘留應力量測可分為接觸式量測與非破壞式量測。接觸式量測以盲孔法為主。但隨著工件高值化與量測即時化發展，盲孔法已漸漸不適用了。非破壞式檢測以X光繞射法為主。但因採用非接觸式量測，工件載具、材料性質、幾何形狀、殘留應力計算參數，都會對所測得的數據造成影響。

目前X光繞射法殘留應力量測原理是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。目前X光繞射法以量測平面形狀上的殘留應力為主，不適合量測曲面形狀上的殘留應力。

然而越來越多的產品採用曲面形狀設計，所以曲面形狀塊材的殘留應力的量測需求也逐漸增加。但是原始分析模型容易受到形狀影響，容易造成量測誤差與量測數據失真的問題。

因此，本揭露之一目的就是在提供一種曲面塊材殘留應力量測裝置及曲面塊材殘留應力量測方法，應用於曲面塊材之曲面殘留應力的量測。

根據本揭露之上述目的，提出一種曲面塊材殘留應力量測裝置。曲面塊材殘留應力量測裝置包含載台、X光檢測模組及應力計算模組。載台配置以固定曲面塊材，讓曲面塊材的待檢測曲面上的待檢測點維持在最高點。X光檢測模組位於載台的一側外。曲面塊材位於載台與X光檢測模組之間。X光檢測模組配置以檢測待檢測點，其中X光檢測模組發射X射線至待檢測點，並X射線產生繞射訊號，且X光檢測模組接收繞射訊號。應力計算模組由X光檢測模組所測得的繞射訊號，分析得到應變值，再將應變值導入演算式，以演算式計算曲面塊材的曲面殘留應力，該演算式為：σ=E{+(χ-)κ}。其中，σ為該曲面殘留應力，E為該曲面塊材的一楊氏係數，ε為該應變值，h _b為該曲面塊材的一厚度，κ為該曲面塊材的該待檢測曲面上的一曲率，χ為一繞射深度。

依據本揭露之一實施例，上述之X光檢測模組包括X射線產生件及偵測件。X射線產生件配置以發射X射線至待檢測點。偵測件配置以接收X射線的繞射訊號。

依據本揭露之一實施例，上述之該X射線產生件為固定或沿路徑移動。偵測件沿路徑移動，並以朝向X射線的入射方向的正交方向，接收繞射訊號。

依據本揭露之一實施例，上述之載台包含放置槽、固定結構及水平高度調整結構。放置槽位於載台的頂面，配置以提供曲面塊材放置。固定結構鄰設於放置槽，配置以固定放置槽中的曲面塊材。水平高度調整結構鄰設於放置槽，配置以將曲面塊材的待檢測點調整為最高點。

依據本揭露之一實施例，上述之放置槽具有相對的第一側面及第二側面。固定結構包含鎖固件。鎖固件的末端凸出第二側面，配合第一側面而夾持固定曲面塊材。

依據本揭露之一實施例，上述之放置槽具有底面。底面位於第一側面與第二側面之間。水平高度調整結構包含調整桿。調整桿的末端凸出底面，用以將曲面塊材的待檢測點調整為最高點。

依據本揭露之一實施例，上述之載台包含中心基準線。中心基準線垂直於放置槽的軸向。

依據本揭露之一實施例，上述之鎖固件位於中心基準線的兩側。調整桿位於中心基準線的兩側。

根據本揭露之上述目的，提出一種曲面塊材殘留應力量測方法。在曲面塊材殘留應力量測方法中，放置曲面塊材於載台上，並調整曲面塊材的待檢測曲面上的待檢測點位在最高點，再固定曲面塊材。以X光檢測模組所提供的X射線，照射至待檢測點並產生繞射訊號，再由X光檢測模組接收繞射訊號。以X光檢測模組掃描來取得相分析，並以X光檢測模組來選擇相分析繞射峰值，再以X光檢測模組結合sin ²Ψ法而分析取得應變值。以應變值配合曲面塊材的材料特性，導入演算式，以計算出曲面塊材的待檢測曲面的曲面殘留應力，演算式為：σ=E{+(χ-)κ}。其中，σ為該曲面殘留應力，E為該曲面塊材的一楊氏係數，ε為該應變值，h _b為該曲面塊材的一厚度，κ為該曲面塊材的該待檢測曲面上的一曲率，χ為一繞射深度。

依據本揭露之一實施例，上述之待檢測點照射X射線之前，調整待檢測點至載台的中心基準線上。

本揭露的曲面塊材殘留應力量測裝置與曲面塊材殘留應力量測方法，可減少曲面影響因子，有效掌握幾何特性，降低待檢測點的殘留應力因曲面形狀偏移造成的量測誤差，達到適用於曲面塊材的殘留應力量測，並降低量測誤差的目的。

請參照圖1，繪示依照本揭露之一實施方式的一種曲面塊材殘留應力量測裝置100的檢測示意圖。曲面塊材殘留應力量測裝置100，適用於量測曲面塊材200的曲面殘留應力。曲面塊材殘留應力量測裝置100包含載台110、X光檢測模組120及應力計算模組130。

載台110配置以固定曲面塊材200，讓曲面塊材200的待檢測曲面200s上的待檢測點200p維持在最高點。一同參看圖1、圖2與圖3，其中圖2繪示依照本揭露之一實施方式的載台110的俯視平面示意圖，圖3繪示依照本揭露之一實施方式的載台110的調整操作示意圖。載台110包含放置槽111、固定結構112及水平高度調整結構113。載台110進一步包含中心基準線110CL。中心基準線110CL垂直於放置槽111的軸向111AD。

放置槽111位在載台110的頂面110s，且配置以供曲面塊材200放置。在一例子中，曲面塊材200放置於放置槽111中，並凸出載台110的頂面110s。在一例子中，放置槽111具有相對的第一側面111fs及第二側面111ss與底面111bs。第一側面111fs面向第二側面111ss，即第一側面111fs與第二側面111ss彼此間隔。底面111bs位於第一側面111fs與第二側面111ss之間，且底面111bs連接第一側面111fs的底緣與第二側面111ss的底緣。

固定結構112鄰設於放置槽111，且配置以固定放置槽111中的曲面塊材200。在一例子中，固定結構112包含鎖固件112s。鎖固件112s的末端112se凸出第二側面111ss，且配合第一側面111fs而夾持固定曲面塊材200。換言之，鎖固件112s的末端112se抵靠曲面塊材200，以及曲面塊材200抵靠第一側面111fs。即曲面塊材200受到鎖固件112s與第一側面111fs的夾持而固定。在一例子中，鎖固件112s可選用螺桿，但不以此為限。操作人員可轉動鎖固件112s，讓鎖固件112s的末端朝第二側面111ss移動或朝遠離第二側面111ss移動。即鎖固件112s可沿第一方向D1移動。在一例子中，鎖固件112s位於中心基準線110CL的兩側，可提高固定曲面塊材200的穩定性。

水平高度調整結構113鄰設於放置槽111，且配置以將曲面塊材200的待檢測點200p調整為最高點。在一例子中，水平高度調整結構113包含調整桿113d。調整桿113d的末端113de凸出放置槽111的底面111bs，用以將曲面塊材200的待檢測點200p調整為最高點。在一例子中，調整桿113d可選用螺桿，但不以此為限。操作人可轉動調整桿113d，藉此調整調整桿113d凸出放置槽111的底面111bs的高度。即調整桿113d可沿第二方向D2移動，第二方向D2進一步垂直於第一方向D1。換言之，若要曲面塊材200部分區段的高度往下，可調整位於此部分區段下方的調整桿113d，操作人員轉動下方的調整桿113d，使調整桿113d往下移動，進而讓此部分區段的高度往下調整。反之，也可通過調整桿113d，調整其上方的曲面塊材200的部分區段的高度往上。在一例子中，調整桿113d位於中心基準線110CL的兩側，可便於待檢測點200p調整為最高點的調整操作。

如圖1所示，X光檢測模組120位於載台110的一側外。曲面塊材200位於載台110與X光檢測模組120之間。X光檢測模組120配置以檢測待檢測點200p。其中，X光檢測模組120發射X射線121x至待檢測點200p， X射線121x照射至待檢測點200p後，會產生繞射訊號121d。X光檢測模組120接收繞射訊號121d。在一例子中，X光檢測模組120包含X射線產生件121及偵測件122。X射線產生件121配置以發射X射線121x至待檢測點200p，其中X射線產生件121可為固定不動或沿路徑P移動。偵測件122可沿路徑P移動，以及偵測件122朝向X射線121x的入射方向的正交方向，因此偵測件122可接收繞射訊號121d。換言之，路徑P與X射線121x的入射方向正交，也與X射線121x的正交方向正交。

應力計算模組130可由X光檢測模組120所測得的繞射訊號121d，進一步分析得到應變值。再將應變值導入演算式，而計算出曲面塊材200的曲面殘留應力。演算式如下： σ=E{+(χ-)κ} 其中，σ為曲面殘留應力，E為曲面塊材200的楊氏係數，ε為應變值，h _b為曲面塊材200的厚度，κ為曲面塊材200的待檢測曲面200s上的曲率，χ為繞射深度。

接著參閱圖4，繪示依照本揭露之一實施方式的一種曲面塊材殘留應力量測方法的流程示意圖。曲面塊材殘留應力量測方法的步驟依序如下所示。

先進行步驟S10，以將曲面塊材200放置於載台110上，並藉由調整載台110的水平高度調整結構113，將曲面塊材200的待檢測曲面200s上的待檢測點200p調整至最高點，並進一步調整待檢測點200p至載台110的中心基準線110CL上。在待檢測點200p的位置調整好後，再調整載台110的固定結構112，以固定該曲面塊材200。

調整並固定曲面塊材200後，接著進行步驟S20。在步驟S20中，以X光檢測模組120的X射線產生件121所提供的X射線121x，照射至待檢測點200p並產生繞射訊號121d，再由X光檢測模組120的偵測件122接收繞射訊號121d。

接著進行步驟S30，以X光檢測模組120掃描來取得相分析，並以X光檢測模組120來選擇相分析繞射峰值，再以X光檢測模組120結合sin ²Ψ法，而分析取得應變值。由於結合sin ²Ψ法，因此可提高量測精準度，以及可考量傾角參數而降低誤差。

接著進行步驟S40，以應變值配合曲面塊材200的材料特性，導入演算式σ=E{+(χ-)κ}中，以計算出曲面塊材200的待檢測曲面200s的曲面殘留應力。

由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之載台可固定曲面塊材，以及可調整曲面塊材上的待檢測點維持在最高點，故具有降低曲面效應與量測運動誤差的功效。

本揭露之另一優點就是因為本揭露採用X光檢測模組結合sin ²Ψ法，可取得精度較佳的應變值。進一步配合應力計算模組的演算式，整合材料性質、待檢測曲面與應變值，而可計算出曲面塊材的待檢測曲面的曲面殘留應力。

所以本揭露的曲面塊材殘留應力量測裝置與曲面塊材殘留應力量測方法，可減少曲面影響因子，有效掌握幾何特性，降低待檢測點的殘留應力因曲面形狀偏移造成的量測誤差，達到適用於曲面塊材的殘留應力量測，並降低量測誤差的目的。

雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:曲面塊材殘留應力量測裝置 110:載台 110CL:中心基準線 110s:頂面 111:放置槽 111AD:軸向 111bs:底面 111fs:第一側面 111ss:第二側面 112:固定結構 112s:鎖固件 112se:末端 113:水平高度調整結構 113d:調整桿 113de:末端 120:X光檢測模組 121:X射線產生件 121d:繞射訊號 121x:X射線 122:偵測件 130:應力計算模組 200:曲面塊材 200s:待檢測曲面 200p:待檢測點 D1:第一方向 D2:第二方向 S10:步驟 S20:步驟 S30:步驟 S40:步驟 P:路徑

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： ［圖1］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種曲面塊材殘留應力量測裝置的檢測示意圖。 ［圖2］係繪示依照本揭露之一實施方式的載台的俯視平面示意圖。 ［圖3］係繪示依照本揭露之一實施方式的載台的調整操作示意圖。 ［圖4］係繪示依照本揭露之一實施方式的一種曲面塊材殘留應力量測方法的流程示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

S10:步驟

S20:步驟

S30:步驟

S40:步驟

Claims (10)

1. 一種曲面塊材殘留應力量測裝置，包括： 一載台，配置以固定一曲面塊材，讓該曲面塊材的一待檢測曲面上的一待檢測點維持在一最高點； 一X光檢測模組，位於該載台的一側外，該曲面塊材位於該載台與該X光檢測模組之間，該X光檢測模組配置以檢測該待檢測點，其中該X光檢測模組發射一X射線至該待檢測點，並該X射線產生一繞射訊號，且該X光檢測模組接收該繞射訊號；及 一應力計算模組，由該X光檢測模組所測得的該繞射訊號，分析得到一應變值，再將該應變值導入一演算式，以該演算式計算該曲面塊材的一曲面殘留應力，該演算式為： σ=E{+(χ-)κ} 其中，σ為該曲面殘留應力，E為該曲面塊材的一楊氏係數，ε為該應變值，h _b為該曲面塊材的一厚度，κ為該曲面塊材的該待檢測曲面上的一曲率，χ為一繞射深度。
2. 如請求項1所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該X光檢測模組包括： 一X射線產生件，配置以發射該X射線至該待檢測點；及 一偵測件，配置以接收該X射線的該繞射訊號。
3. 如請求項2所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該X射線產生件為固定或沿一路徑移動，該偵測件沿該路徑移動，並以朝向該X射線的一入射方向的一正交方向，接收該繞射訊號。
4. 如請求項1所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該載台包含: 一放置槽，位於該載台的一頂面，配置以提供該曲面塊材放置； 一固定結構，鄰設於該放置槽，配置以固定該放置槽中的該曲面塊材；及 一水平高度調整結構，鄰設於該放置槽，配置以將該曲面塊材的該待檢測點調整至該最高點。
5. 如請求項4所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該放置槽具有相對的一第一側面及一第二側面，該固定結構包含複數個鎖固件，該些鎖固件中的每一者的一末端凸出該第二側面，配合該第一側面而夾持固定該曲面塊材。
6. 如請求項5所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該放置槽具有一底面，該底面位於該第一側面與該第二側面之間，該水平高度調整結構包含複數個調整桿，該些調整桿中的每一者的一末端凸出該底面，用以將該曲面塊材的該待檢測點調整至該最高點。
7. 如請求項6所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該載台包含一中心基準線，該中心基準線垂直於該放置槽的一軸向。
8. 如請求項7所述之曲面塊材殘留應力量測裝置，其中該些鎖固件位於該中心基準線的兩側，該些調整桿位於該中心基準線的兩側。
9. 一種曲面塊材殘留應力量測方法，包含： 放置一曲面塊材於一載台上，並調整該曲面塊材的一待檢測曲面上的一待檢測點位在一最高點，再固定該曲面塊材； 以一X光檢測模組所提供的一X射線，照射至該待檢測點並產生一繞射訊號，再由該X光檢測模組接收該繞射訊號； 以該X光檢測模組掃描來取得一相分析，並以該X光檢測模組來選擇一相分析繞射峰值，再以該X光檢測模組結合一sin ²Ψ法而分析取得一應變值； 以該應變值配合該曲面塊材的一材料特性，導入一演算式，以計算出該曲面塊材的該待檢測曲面的一曲面殘留應力，該演算式為： σ=E{+(χ-)κ} 其中，σ為該曲面殘留應力，E為該曲面塊材的一楊氏係數，ε為該應變值，h _b為該曲面塊材的一厚度，κ為該曲面塊材的該待檢測曲面上的一曲率，χ為一繞射深度。
10. 如請求項9所述之曲面塊材殘留應力量測方法，其中在該待檢測點照射該X射線之前，調整該待檢測點至該載台的一中心基準線上。

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