(57)【要約】【課題】半非破壊での残留応力測定ができる迅速で可搬性の高い残留応力測定装置及び方法を提供することにある。【解決手段】圧子押し込み装置４００は、検査対象物Ａの表面の検査領域に圧子４０２を押し込み、検査領域に局所的に変形を生じさせる。圧子押し込み荷重制御装置４０３は、圧子押し込み装置４００による圧子４０２の押し込み力を制御する。レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂは、検査領域に干渉計測用レーザ光を照射し、レーザ干渉計測装置２００は、レーザ光照射装置により検査領域に照射されるレーザ光を利用して圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測する。データ処理装置５００は、レーザ干渉計測装置２００により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定する。【選択図】図１
2010122107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定装置であって、
前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み装置と、
該圧子押し込み装置による前記圧子の押し込み力を制御する圧子押し込み荷重制御装置と、
前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射装置と、
該レーザ光照射装置により前記検査領域に照射される前記レーザ光を利用して圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測装置と、
該レーザ干渉計測装置により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理装置と、
該データ処理装置による残留応力測定結果を表示する表示装置とを備えることを特徴とする残留応力測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の残留応力測定装置において、
前記圧子押し込み装置は、圧子押し込み荷重を測定する圧子押し込み荷重測定手段と、圧子押し込み変位を測定する圧子押し込み変位測定手段とを備えることを特徴とする残留応力測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の残留応力測定装置において、
前記圧子押し込みによる変形量から硬さを計測する硬さ計測装置を備え、
前記データ処理装置は、前記硬さ計測装置によって計測された前記検査対象物の硬さに応じて、測定する残留応力を補正することを特徴とする残留応力測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の残留応力測定装置において、
前記圧子の形状は、残留応力測定方向に長く、前記検査対象物の表面であって前記残留応力測定方向と垂直な方向に短い形状を有することを特徴とする残留応力測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の残留応力測定装置において、
前記圧子押し込み装置は、前記圧子を残留応力測定方向に押し込む構造であることを特徴とする残留応力測定装置。
【請求項６】
検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定方法において、
前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み工程と、
前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射工程と、
前記レーザ光を利用し圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測工程と、
前記レーザ干渉計測により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理工程と、
前記データ処理による残留応力測定結果を表示する表示工程を含むことを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の残留応力測定方法において、
残留応力緩和装置を用いて、残留応力を緩和するとともに、残留応力緩和処理の前後で残留応力の測定を行い、その差から残留応力の緩和効果を求めることを特徴とする残留応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定装置及び方法に係り、特に、検査部位の応力を開放して応力開放ひずみから残留応力を計測する残留応力測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ものづくりの過程において、製品の性能や寿命に対する要求の高まりとともに、検査の重要性がますます高まってきており、多種多様な欠陥に対する非破壊検査技術が開発されてきている。その中で、残留応力は、溶接等の塑性変形を伴う加工工程で必ず生じるものであり、自動車の車体から発電所の大型構造物に至るまで、幅広い製造分野で問題となっている。
【０００３】
一方、残留応力の検査方法は多種考案されているが、抜き取り試験での破壊検査が主であり、現場での適用までは進んでいないのが実情である。最も一般的な計測手法は、穿孔等により応力を開放し、そのひずみをひずみゲージで計測する方法である。この方法は、破壊を伴うものの、原理がシンプルであること、古くから研究開発されてきたことなどの理由で、実用性・信頼性が高い方法として現在も用いられている。
【０００４】
このような状況において、近年、簡便迅速かつ信頼性の高い残留応力測定を実現するため、応力開放法と光学的な干渉計測法を組み合わせた残留応力測定技術の開発が進められている。これは、従来のひずみゲージに代わり、非接触で分解能の高いレーザ干渉計測技術を用いて、穿孔や部分除去により残留応力が開放されて生じたひずみを計測するものである。
【０００５】
しかしながら、穿孔や部分除去により応力を開放する方法では、大きな破壊を生じ、完成した製品や稼働中の構造物に対しての適用が難しいため、最近では、それ以外の方法についても検討が進められている。
【０００６】
このような応力開放法としては、大電流パルスを検査対象物に直接作用させて、応力を開放するもの（例えば、特許文献１参照）や、検査対象物を加熱して、応力を開放するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特表２００３−５１４２４７号公報
【特許文献２】米国特許第５４３２５９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１記載の方法では、計測可能な大きさのひずみを生じさせるためには、装置の大型化や取扱いの安全性等の課題がある。また、特許文献２記載の方法では、局所加熱による熱膨張ひずみを生じさせるため、大きな引張残留応力を計測するには、局所的に高温に加熱することが必要となり、温度制御が難しい問題、熱膨張ひずみと応力開放ひずみの分離の問題等があった。
【０００９】
また、レーザ光を用いた干渉計測法では、一般に変形前後のレーザ光の経路の長さの差（以後光路差という）を位相の差として計測する。そのため、加熱による方法では、レーザ光経路の温度ゆらぎのために屈折率が変化すると、位相を正しく判別できず、ひずみの計測ができなくなる問題もあった。
【００１０】
本発明の目的は、半非破壊での残留応力測定ができる迅速で可搬性の高い残留応力測定装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定装置であって、前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み装置と、該圧子押し込み装置による前記圧子の押し込み力を制御する圧子押し込み荷重制御装置と、前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射装置と、該レーザ光照射装置により前記検査領域に照射される前記レーザ光を利用して圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測装置と、該レーザ干渉計測装置により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理装置と、該データ処理装置による残留応力測定結果を表示する表示装置とを備えるようにしたものである。  
かかる構成により、半非破壊での残留応力測定ができるとともに、迅速で可搬性の高いものとなる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記圧子押し込み装置は、圧子押し込み荷重を測定する圧子押し込み荷重測定手段と、圧子押し込み変位を測定する圧子押し込み変位測定手段とを備えるようにしたものである。
【００１３】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記圧子押し込みによる変形量から硬さを計測する硬さ計測装置を備え、前記データ処理装置は、前記硬さ計測装置によって計測された前記検査対象物の硬さに応じて、測定する残留応力を補正するようにしたものである。
【００１４】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記圧子の形状は、残留応力測定方向に長く、前記検査対象物の表面であって前記残留応力測定方向と垂直な方向に短い形状を有することを特徴とする残留応力測定装置。
【００１５】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記圧子押し込み装置は、前記圧子を残留応力測定方向に押し込む構造である。
【００１６】
（６）また、上記目的を達成するために、本発明は、検査対象物表面の残留応力を測定する残留応力測定方法において、前記検査対象物表面の検査領域に圧子を押し込み検査領域に局所的に変形を生じさせる圧子押し込み工程と、前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射するレーザ光照射工程と、前記レーザ光を利用し圧子押し込み前後の残留応力方向の変形量を計測するレーザ干渉計測工程と、前記レーザ干渉計測により計測した変形量から応力開放に伴う残留応力を測定するデータ処理工程と、前記データ処理による残留応力測定結果を表示する表示工程を有するものである。  
かかる方法により、半非破壊での残留応力測定ができるとともに、迅速で可搬性の高いものとなる。
【００１７】
（７）上記（６）において、好ましくは、残留応力緩和装置を用いて、残留応力を緩和するとともに、残留応力緩和処理の前後で残留応力の測定を行い、その差から残留応力の緩和効果を求めるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、半非破壊での残留応力測定ができるとともに、迅速で可搬性の高いものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態による残留応力測定装置の構成及び測定動作について説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による残留応力測定装置の構成について説明する。  
図１を用いて、本発明の第１の実施形態による残留応力測定装置の構成図である。
【００２０】
本実施形態の残留応力測定装置は、検査対象物Ａの表面の任意の検査領域Ｂの残留応力を測定する装置である。測定装置本体をなす下方が開口した筐体７００と、検査領域Ｂに検査用のレーザ光を照射するレーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂと、検査領域Ｂからの反射光（散乱光）を二重露光撮影するレーザ干渉計測装置２００と、レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂのレーザ光の照射タイミングを制御するタイミング制御装置３００と、検査領域に圧子を押し込む圧子押し込み装置４００と、圧子押し込み装置４００による圧子押し込み荷重を制御する荷重制御装置４０３と、レーザ干渉計測装置２００による圧子押し込み前後の検査領域Ｂの撮影画像を基に検査領域Ｂの残留応力を測定するデータ処理装置５００と、データ処理装置５００による残留応力測定結果を表示する測定結果表示装置６００とを備えている。
【００２１】
第１のレーザ光照射装置１００Ａは、第１の計測用レーザ光を発振する計測用レーザ光発振装置１０１ａと、レーザ光発振装置１０１ａから発振された第１のレーザ光を拡大するレーザ光拡大光学系１０２ａと、レーザ拡大光学系１０２ａで拡大された第１レーザ光を反射するミラー１０３ａとを備えている。第２のレーザ光照射装置１００Ｂも同様に、第２の計測用レーザ光を発振する計測用レーザ光発振装置１０１ｂと、レーザ光発振装置１０１ｂから発振された第２のレーザ光を拡大するレーザ光拡大光学系１０２ｂと、レーザ拡大光学系１０２ｂで拡大された第２レーザ光を反射するミラー１０３ｂとを備えている。
【００２２】
レーザ光拡大光学系１０２ａ，１０２ｂは、検査領域Ｂを照射するのに十分な大きさにレーザ光を拡大する手段であり、レーザ光を平行光束として拡大する光学系であることが望ましい。ミラー１０３ａ，１０３ｂは、検査対象物Ａに近接するように筐体７００の下端部近傍に設けられており、反射したレーザ光を検査対象物Ａの表面に沿う方向から検査領域Ｂに照射する。なお、Ｚ方向から見た検査領域Ｂ内のレーザ光の進行方向は、検査対象物Ａの表面に沿う方向であって残留応力を測定したい方向（以後、「残留応力測定方向」と称する）に合わせてある。これは、図１ではＸ方向として示している。レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂは、検査領域Ｂに対して、距離及びレーザ光入射角度が等しい位置関係に配置されており、ミラー１０３ａ，１０３ｂで反射されたレーザ光は、Ｘ方向ベクトルが対向する方向から検査領域Ｂに照射される。
【００２３】
レーザ干渉計測装置２００は、レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂのレーザ光に対する検査領域Ｂからの反射光を残留応力測定方向にずらして二重露光撮影するレーザシェアログラフィ干渉計測装置である。なお、レーザ干渉計測装置２００の詳細については、図３を用いて後述する。
【００２４】
タイミング制御装置３００は、レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂとレーザ干渉計測装置２００の作動タイミングを制御する。互いが同時にレーザ光を照射しないように計測用レーザ光発振装置１０１ａ，１０１ｂを制御し、それぞれのレーザ光の照射タイミングに合わせてレーザ干渉計測装置２００を作動させ、第１及び第２レーザ光それぞれの反射光に対する干渉画像が撮影されるようにする。具体的には、計測用レーザ光発振装置１０１ａ，１０１ｂをパルス駆動し、それぞれが照射する第１及び第2レーザ光に対して干渉計測に必要な枚数の画像をそれぞれに対し二重露光撮影するようにレーザ干渉計測装置２００を動作制御する。
【００２５】
圧子押し込み装置４００は、検査領域Ｂの圧子押し込み領域Ｃに圧子４０２を押し込む圧子駆動装置４０１を備えている。圧子４０２の材質は、ダイヤモンドまたは超硬合金を用いる。圧子駆動装置４０１は、圧子押し込み荷重を計測する機能と、任意の押し込み荷重で圧子を押し込む機能を有する。さらに、圧子駆動装置４０１は、圧子押し込み量（押し込み変位）を計測する機能を持っていてもよい。また、圧子押し込み装置４００は、レーザ干渉計測装置２００により検査領域Ｂを撮影する際には邪魔になる可能性があるので、圧子駆動装置４０１はタイミングに応じて位置を変える移動機能（または旋回機能）を備える。圧子４０２は、その形状及び圧子押し込み変位により、圧子押し込み領域Ｃの大きさと形状が決定される。検査領域Ｂと圧子押し込み領域Ｃの形状や大きさは、互いに一致していても良いし、位置がずれている場合や一方が一方を完全に含んでいる場合も許容される。これは、圧子押し込みにより、圧子が直接接触していない部分にも変位が生じるためである。検査領域Ｂは、熱歪や応力開放歪で位置が３次元的に移動するため、ある面積、例えば直径数十ｍｍ以上の範囲に設定することが望ましい。
【００２６】
圧子荷重制御装置４０３は、圧子押し込み領域Ｃの変形量が残留応力測定に必要十分な範囲に収まるようにする目的で、予め定められた荷重（または圧子押し込み変位）で圧子が押し込まれるように、圧子駆動装置４０１の出力を制御する。例えば、圧子荷重制御装置４０３は、内部の記憶装置に、事前に調査した検査対象物Ａの材質に対する圧子押し込み荷重（または圧子押し込み変位）と塑性変形量の関係のデータベースを格納しておき、データベースから読み出した相関関係を用いて、圧子押し込み装置４００の作動や出力を制御する。
【００２７】
次に、図２を用いて、本実施形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法について説明する。  
図２は、本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
【００２８】
まず、ステップＳ１０において、レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂのレーザ光照射方向、及びレーザ干渉計測装置２００の二重露光のずらし方向（図３で後述）を検査対象物Ａの検査領域Ｂの残留応力測定方向に合わせ、測定を開始する。
【００２９】
すると、ステップＳ２０において、タイミング制御装置３００は、第１のレーザ光照射装置１００Ａを駆動し、ミラー１０３ａで反射したレーザ光発振装置１０１ａからの第１レーザ光が、検査対象物Ａの表面にほぼ平行で残留応力測定方向に一致する方向（第１の方向）から検査領域Ｂに照射される。レーザ干渉計測装置２００は、検査領域Ｂで散乱した反射光を二重露光撮影し、第１の二重露光画像（圧子押し込み前）を撮影する（撮影原理は図３で後述する）。
【００３０】
続くステップＳ３０では、タイミング制御装置３００は、第２のレーザ光照射装置１００Ｂを駆動し、ミラー１０３ｂで反射したレーザ光発振装置１０１ｂからの第２レーザ光が、第１レーザ光と逆向きで、検査対象物Ａの表面にほぼ平行で残留応力測定方向に一致する方向（第２の方向）から検査領域Ｂに照射される。レーザ干渉計測装置２００は、検査領域Ｂで散乱した反射光を二重露光撮影し、第２の二重露光画像（圧子押し込み前）を撮影する。
【００３１】
次に、ステップＳ４０において、圧子荷重制御装置４０３は、圧子押し込み装置４００を制御し、圧子押し込み領域Ｃ上に圧子４０２が位置するように圧子駆動装置４０１を移動させる。しかる後、圧子駆動装置４０１が圧子４０２を予め設定した圧子押し込み荷重（または圧子押し込み変位）で押し込むように制御する。このときの圧子押し込み加重（または圧子押し込み変位）は、検査対象物Ａの材質により決まる応力ひずみ線図のデータを参照し、レーザ干渉計測装置で計測可能な最低限の塑性変形が生じるように設定する。
【００３２】
次に、ステップＳ５０において、圧子押し込み領域Ｃに塑性変形を生じさせた後、圧子荷重制御装置４０３は、圧子押し込み装置４００を移動させる。その直後、ステップＳ６０において、レーザ干渉計測装置２００により、第３の二重露光画像（圧子押し込み後）を撮影する。すなわち、タイミング制御装置３００は、第１のレーザ光照射装置１００Ａを駆動し、ミラー１０３ａで反射したレーザ光発振装置１０１ａからの第１レーザ光が第１の方向から検査領域Ｂに照射される。レーザ干渉計測装置２００は、圧子押し込み前の検査領域Ｂで散乱した反射光を二重露光撮影する。
【００３３】
さらにその直後、ステップＳ７０において、レーザ干渉計測装置２００により、第４の二重露光画像（圧子押し込み後）を撮影する。すなわち、タイミング制御装置３００は第２のレーザ光照射装置１００Ｂを駆動し、ミラー１０３ｂで反射したレーザ光発振装置１０１ｂからの第２レーザ光が第２の方向から検査領域Ｂに照射される。そして、レーザ干渉計測装置２００は、検査領域Ｂで散乱した反射光を二重露光撮影する。
【００３４】
次に、ステップＳ８０において、レーザ干渉計測装置２００は、ステップＳ２０，ステップＳ６０において撮影した第１の二重露光画像と第３の二重露光画像から、レーザ光発振装置１０１ａからのレーザ光の方向（第１の方向）に対する検査領域Ｂの圧子押し込み前後の全変形量（光路差）を算出する。変形量の測定方法については後述する。
【００３５】
さらに、ステップＳ９０において、レーザ干渉計測装置２００は、ステップＳ３０，ステップＳ７０において撮影した第２の二重露光画像と第４の二重露光画像から、レーザ光発振装置１０１ｂからのレーザ光の方向（第２の方向）に対する検査領域Ｂの圧子押し込み前後の全変形量（光路差）を算出する。
【００３６】
次に、ステップＳ１００において、データ処理装置５００は、ステップＳ８０，ステップＳ９０で算出した第１及び第２の方向に対する全変形量の差を計算し、検査領域Ｂの残留応力測定方向の圧子押し込み前後の全変形量を算出する。そして、全変形量のうち、圧子押し込みによる変形量を差し引き、残留応力による変形量を算出する。残留応力による変形量から最終的に残留応力測定方向の残留応力の値が求められる。ステップＳ１００の具体例については、図４等で後に詳述する。
【００３７】
そして、ステップＳ１１０では、タイミング制御装置３００は、全範囲が終了したかどうかを判定する。検査領域が一箇所でなく全範囲が終了していない場合、ステップＳ１２０に戻り、次の検査領域に対して同様の計測（ステップＳ１０〜Ｓ１００）を実行する。全範囲が終了した場合は、図２の一連の手順を終了する。
【００３８】
なお、ステップＳ２０の処理では、二重露光撮影を繰り返し行って第１の二重露光画像を複数撮影したものを平均化し、ＳＮ比の大きい画像とするとより好ましい。また、ステップＳ３０，Ｓ６０，Ｓ７０の処理も同様である。
【００３９】
次に、図３を用いて、本実施形態による残留応力測定装置に用いるレーザ干渉計測装置２００の光学系及び、これを用いたシェアログラフィ法について説明する。  
図３は、本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置に用いるレーザ干渉計測装置の光学系の構成図である。
【００４０】
図３（ａ）は、レーザ干渉計測装置２００の概略構成を示している。
【００４１】
レーザ干渉計測装置２００は、図３（ａ）に示すように、検査領域Ｂからの反射画像（スペックルパターン）２１０を集光する集光レンズ２１１と、集光レンズ２１１に入射した反射画像を２つの反射画像２１０ａ，２１０ｂに分光する分光素子２１２と、分光素子２１２で分光された第１の反射画像２１０ａを反射する第１の反射鏡２１３と、分光素子２１２で分光された第２の反射画像２１０ｂを反射する第２の反射鏡２１４と、反射鏡２１３，２１４で反射された反射画像２１０ａ，２１０ｂを受光するＣＣＤ等の画像計測素子２１５とを備えている。
【００４２】
分光素子２１２は、第１の反射画像２１０ａを反射画像２１０と直交する方向に分光し、第２の反射画像２１０ｂを透過させる。第１の反射鏡２１３は、入射する第１の反射画像２１０ａの光軸に垂直に設置されており、反射画像２１０ａを反射して画像計測素子２１５のほぼ中央の領域に入射させる。一方、第２の反射鏡２１４は、入射する第２の反射画像２１０ｂの光軸に対して法線を傾斜させて設置されており、第２の反射鏡２１４で反射された第２の反射画像２１０ｂは、分光素子２１２で屈曲して第１の反射画像２１０とΔＸだけずれて画像計測素子２１５に入射する。第２の反射鏡２１４は、画像計測素子２１５上の第１の反射画像２０１ａの残留応力測定方向に対応する方向に第２の反射画像２１０ｂがずれるように傾斜させてある。この結果、画像計測素子２１５の受光面には、図３（ｂ）に模式的に示すように、２つの反射画像２１０ａ，２１０ｂが干渉することにより得られる微分画像が入射される（二重露光撮影される）。
【００４３】
微分画像の微分幅は、反射光２１０ａ，２１０ｂのずらし量ΔＸ、本例では第２の反射鏡２１４の傾斜角により決定される。これにより、検査領域Ｂの局所的な変形は光学的な微分により強調され、残留応力の測定精度が向上する。
【００４４】
次に、図４を用いて、本実施形態による残留応力測定装置を用いた残留応力の求め方について説明する。  
図４は、本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力の求め方の説明図である。
【００４５】
図４は、検査対象物Ａの応力-ひずみ線図を表している。図の横軸は、検査領域Ｂの残留応力方向のひずみを示しており、縦軸は検査領域Ｂの残留応力方向に働いている応力（引張応力）を示している。ここで、溶接残留応力等で問題となるのは引張残留応力であるため、以後引張応力のみについて記述する。
【００４６】
通常、残留応力がない場合、圧子押し込み前の検査領域Ｂの応力状態はσ0である。この状態に対して降伏応力σY以下の圧子押し付け応力Ｓで圧子を押し込んでも、弾性変形範囲内で変形するのみであり、圧子解放後には元の状態に戻る。これに対し、引張残留応力σ1が存在している場合、前記と同じ圧子押し付け応力Ｓで圧子を押し込むと図の点線に従って降伏点を越え、塑性変形領域に移るため、圧子解放後に塑性ひずみε1が生じる。したがって、この残留応力方向の塑性ひずみを高精度に計測することにより、以下の式により残留応力を計測することができる。  
σ1＝f(εY＋ε1)−S  …（１）
σY＝Ｅ・εY  …（２）
ここで、関数fは、応力-ひずみ線図の表す材料固有のひずみと応力の関係である。また、Ｅは弾性変形を決めるヤング率であり、εYは降伏点でのひずみである。
【００４７】
検査領域Ｂの残留応力がσ1より大きいσ2の場合は、前記と同じ圧子押し込み応力Sで圧子を押し込むと、応力-ひずみ線図に従いより大きな塑性ひずみε2を生じる。
【００４８】
図４（ｂ）は、圧子押し込み領域Ｃに、ある一定の圧子押し込み応力Ｓで圧子を押し込んだときの、検査領域Ｂに存在する残留応力と生じる塑性変形の関係を示している。図に示すように、引張残留応力が大きいほど、塑性ひずみが指数関数的に増大するので、本実施形態の方法では、引張残留応力に対して高感度に計測することができる。
【００４９】
次に、図５を用いて、本実施形態による残留応力測定装置における残留応力測定方向の変位量をレーザ干渉計測によって計測する方法について説明する。  
図５は、本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置における残留応力測定方向の変位計測方法の説明図である。
【００５０】
図５では、検査領域Ｂの特定の位置に注目し、圧子押し込みによる変形前後においてレーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂから照射されるレーザ光を示している。図５の原点Ｏは検査領域Ｂの注目したある点の圧子押し込み前の位置を示し、点線Ｋ１が圧子押し込みによる変形、すなわち圧子押し込みに伴う原点Ｏの挙動を示している。また、Ｘ軸は残留応力測定方向を、Ｚ軸は検査対象物Ａの表面の高さ位置をそれぞれ示している。圧子押し込みによる変形量は、残留応力測定方向がＤｘ、高さ方向がＤｚとしてある。
【００５１】
図２のステップＳ２０において圧子押し込み前に注目点Ｏに照射するレーザ光をＬ１０で示し、図２のステップＳ３０において注目点Ｏに照射するレーザ光をＬ２０で示す。ここで、レーザ光照射装置１００Ａ，１００Ｂは、検査対象物Ａの検査領域Ｂに対して完全に平行にレーザ光を照射することはできないので、検査対象物Ａの表面に対する入射角α（例えば２０°未満）を設定する必要がある。注目点Ｏが圧子押し込みにより座標（Ｄｘ，Ｄｚ）に移動した後、図２のステップＳ６０で照射したレーザ光をＬ１１、図２のステップＳ７０で照射するレーザ光をＬ２１で示す。したがって、レーザ干渉計測装置２００がＺ軸方向から撮影しているとすると、図２のステップＳ８０で計測される変形量Ｄｕ、すなわちレーザ光Ｌ１０，Ｌ１１の光路差は、ＤｚとＬ１２の和となり、
Ｄｕ＝Ｄｘ・ｃｏｓα＋Ｄｚ・（１＋ｓｉｎα）  …（３）
と表される。
【００５２】
同様に、図２のステップＳ９０で計測される変形量Ｄｗ、すなわちレーザ光Ｌ２０，Ｌ２１の光路差は、ＤｚとＬ２２の差となり、
Ｄｗ＝−Ｄｘ・ｃｏｓα＋Ｄｚ・（１＋ｓｉｎα）  …（４）
と表される。
【００５３】
したがって、図２のステップＳ１００で、変形量Ｄｕと変形量Ｄｗの差をとると、Ｄｚの成分が消えて、
Ｄｕ−Ｄｗ＝２・Ｄｘ・ｃｏｓα    …（５）
となり、残留応力測定方向の変形量Ｄｘは、
Ｄｘ＝（Ｄｕ−Ｄｗ）／（２・ｃｏｓα）  …（６）
と算出される。
【００５４】
その結果、式（６）により、本実施形態では、残留応力測定方向の変形量のみがより強調されて計測される。また、式（６）からも判る通り、角度αは小さいほど良く、仮にαが３０度としても、αが６０度のときに比べて１．７３倍ＳＮ比が大きくなる。
【００５５】
次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による残留応力測定装置において、応力集中を生じない範囲で、残留応力測定方向に計測可能な変形を発生させる方法について説明する。  
図６及び図７は、本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置における変形発生方法の説明図である。
【００５６】
また、図６（ａ）は、先端形状が半球状の圧子４０２ａを表している。この圧子によれば、先端部が尖っていないため応力集中が生じにくく、レーザ干渉計測によって計測可能なひずみを生じるまで荷重を加えることができる。
【００５７】
図６（ｂ）は、先端形状が楕円球状の圧子４０２ｂを表している。この圧子によれば、先端部が尖っていないため応力集中が生じにくく、また長径方向を残留応力測定方向（Ｘ方向）に合わせ、短径方向を検査対象表面（Ｘ−Ｙ平面）の残留応力測定方向（Ｘ方向）の垂直方向にすれば、残留応力測定方向に大きな荷重を加えられるため、残留応力測定方向（Ｘ方向）の歪みを大きくでき、残留応力測定方向以外に無駄な塑性変形を与えることを避けることができる。
【００５８】
図６（ｃ）は、四角錐形状の圧子４０２ｃを表している。この圧子によれば、小さな荷重で塑性変形を生じさせることができ、塑性変形範囲を小さくすることができる。
【００５９】
図６（ｄ）は、残留応力方向の頂角が大きい四角錐形状の圧子４０２ｄを表している。この圧子によれば、塑性変形範囲を小さくすることができ、また長径方向を残留応力測定方向（Ｘ方向）に合わせ、短径方向を検査対象表面（Ｘ−Ｙ平面）の残留応力測定方向（Ｘ方向）の垂直方向にすれば、残留応力測定方向（Ｘ方向）の歪みを大きくでき、残留応力測定方向以外に無駄な塑性変形を与えることを避けることができる。
【００６０】
図７は、応力集中を生じない範囲で、残留応力測定方向に計測可能な変形を発生させるための圧子押し込み装置４００の一例を示している。圧子駆動装置４０１Ａは、圧子４０２Ａを、検査対象物Ａの検査領域Ｂに対して、残留応力測定方向（Ｘ方向）に沿って駆動する機構を備えている。これにより、圧子駆動装置４００は、検査領域Ｂに対して残留応力測定方向（Ｘ方向）のみの荷重を加えることができ、残留応力測定方向（Ｘ方向）の歪みを大きくでき、残留応力測定方向以外に無駄な塑性変形を与えることを避けることができる。
【００６１】
さらに、圧子により生じた塑性変形（圧痕）は非常に小さいため、応力集中や見た目が気になる場合は、残留応力測定後に圧痕を削れば、ほとんど元の状態に戻すことができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、簡易な方法で、微小な塑性変形を生じさせることにより、半非破壊で検査対象物Ａの残留応力を測定することができる。また、干渉計測により、高精度に残留応力を測定することができる。
【００６３】
このとき、検査対象物Ａの弾性変形域内の残留応力測定方向への変形は小さいが、検査対象物Ａの表面に沿って残留応力測定方向から検査用のレーザ光を照射することにより、検査領域Ｂの圧子押し込み前後の残留応力測定方向の変形に対する分解能を高めることができる。また、残留応力測定方向の両方向（第１及び第２の方向）から検査用レーザ光を照射し、それぞれについて測定した圧子押し込み前後の変形量の差をとることにより、より高精度に検査領域Ｂの挙動を測定することができる。これにより、検査対象物表面に平行な方向への検査対象物の塑性変形量を高精度に測定し、簡易に半非破壊で検査対象物表面の残留応力を測定することができる。
【００６４】
したがって、小型可搬性の装置で、簡易かつ信頼性の高い方法で、検査対象物表面の検査領域に応力開放ひずみを生じさせ、このひずみ量をレーザ干渉計測法を用いて高精度計測することにより、検査対象物表面の残留応力を測定することができる。
【００６５】
また、従来のように、加熱や大電流を加えて応力開放するものは、水中にある構造物（例えば、原子炉容器の炉内構造物等）には適用できないものであるが、本実施形態では、圧子を用いて応力開放するものであるので、水中にある構造物の残留応力の測定にも適用できるものである。
【００６６】
次に、図８及び図９を用いて、本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置の構成及び測定動作について説明する。なお、本実施形態による残留応力測定装置の構成は、図１に示したものと同様である。  
図８は、本発明の第２の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。なお、図２と同一ステップ番号の処理は、図２に示したものと同様の処理内容である。図９は、本発明の第２の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法の説明図である。
【００６７】
図７に示す本実施形態では、図２に示した第１の実施形態と同様に、圧子を押し込んでレーザ干渉計測装置によりレーザ干渉計測を行うステップＳ７０までを行う。
【００６８】
その後、ステップ８０で変形量を計測するのと同時に、ステップＳ１３０において、硬さ計測用撮影装置で圧子の圧痕形状を撮影し、画像計測を行う。このとき、硬さ計測用撮影装置は、レーザ干渉計測装置２００の撮影機能を用いることができる。
【００６９】
次に、ステップＳ１４０において、データ処理装置４００は、ステップＳ１３０で撮影された画像を用いて、硬さを計測する。硬さとしては、圧子の形状に合わせて、ビッカースまたはブリネルまたはヌーブその他の指標を用いる。なお、硬さの計測は、ビッカース硬度計などを用いてもよいものである。ただし、前述のように、レーザ干渉計測装置２００により圧痕形状を撮影し、データ処理装置４００により硬さを計測することで、わざわざ硬度計等を備える必要がなくなる。
【００７０】
その後、ステップＳ１０１において、データ処理装置５００は、検査領域の残留応力を算出する際に、表面硬さの影響を考慮して補正する。
【００７１】
ここで、図９を用いて、表面硬さの違いによる残留応力の補正方法について説明する。
【００７２】
図９は、図４（ｂ）と同様に、残留応力−塑性ひずみ線図を示している。ここで、実線は、検査対象物の表面硬さがＨ１の場合で、図４（ｂ）と同じ線図になるものとする。それに対して、表面硬さＨ２（＞Ｈ１）の場合には、破線で示すように、同じ塑性ひずみに対する残留応力が大きくなる。また、表面硬さＨ３（＜Ｈ１）の場合には、一点鎖線で示すように、同じ塑性ひずみに対する残留応力が小さくなる。
【００７３】
したがって、ステップＳ１０１において、データ処理装置４００は、表面硬さがＨ１の場合には、実線で示す残留応力−塑性ひずみ線図を用いて、塑性ひずみから残留応力を算出する。また、表面硬さがＨ２の場合には、破線で示す残留応力−塑性ひずみ線図を用いて、塑性ひずみから残留応力を算出する。
【００７４】
さらに、例えば、図９に示す複数の表面硬さに対する残留応力−塑性ひずみ線図をマップとして備え、例えば、表面硬さが硬度Ｈ１と硬度Ｈ２の場合には、補間等を用いて、そのときの硬さにおける塑性ひずみから残留応力を算出することができる。
【００７５】
本実施形態によれば、残留応力と同時に硬さ計測ができ、さらに表面硬さの影響を考慮して残留応力の値を補正することができるので、より精度の高い残留応力測定が可能となる。
【００７６】
次に、図８を用いて、本発明の各実施形態による残留応力測定装置を用いた応力改善方法について説明する。  
図８は、本発明の各実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
【００７７】
本実施形態では、ＷＪＰ（Water Jet Peening：ウォータージェットピーニング）により応力改善するようにしている。
【００７８】
最初に、ステップＳ２００において、図１に示した構成の残留応力測定装置を用いて、図２または図７に示した工程に従い、応力改善前の残留応力分布を測定する。
【００７９】
次に、ステップＳ２１０において、引張残留応力が生じていることがわかった部位、またはその可能性がある部位に対して、ＷＪＰを実施し、応力を改善する。
【００８０】
その後、再度、ステップＳ２２０において、ステップＳ２００と同様に、残留応力分布を測定する。
【００８１】
そして、ステップＳ２３０において、ステップＳ２００の結果とステップＳ２２０の結果を比較し、ステップＳ２４０において、応力未改善部があるかどうかを判定し、まだ未改善部があるようであれば、ステップＳ２５０において、その部位に対して再度ＷＪＰを行う。
【００８２】
本実施形態によれば、残留応力の有無を見ながら、応力改善を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態による残留応力測定装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置に用いるレーザ干渉計測装置の光学系の構成図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力の求め方の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置における残留応力測定方向の変位計測方法の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置における変形発生方法の説明図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態による残留応力測定装置における変形発生方法の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法の説明図である。
【図１０】本発明の各実施の形態による残留応力測定装置を用いた残留応力測定方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８４】
１００Ａ，１００Ｂ…レーザ光照射装置
１０１ａ，１０１ｂ…レーザ光発振装置
１０２ａ，１０２ｂ…レーザ光拡大光学系
１０３ａ，１０３ｂ…ミラー
２００…レーザ干渉計測装置
３００…タイミング制御装置
４００…圧子押し込み装置
４０３…圧子荷重制御装置
５００…データ処理装置
６００…表示装置
７００…筐体
【図１】
2010122107.tif 000003
【図２】
2010122107.tif 000004
【図３】
2010122107.tif 000005
【図４】
2010122107.tif 000006
【図５】
2010122107.tif 000007
【図６】
2010122107.tif 000008
【図７】
2010122107.tif 000009
【図８】
2010122107.tif 000010
【図９】
2010122107.tif 000011
【図１０】
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