(57)【要約】【課題】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、非破壊・非接触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方法及び装置を提供することにある。【解決手段】検査対象物Ａの検査領域Ｂを加熱する加熱用レーザ装置２００と、検査領域Ｂに干渉計測用レーザ光を照射し、熱による応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量を、レーザ干渉計測法により計測するレーザ干渉計測装置１００と、検査対象物Ａの応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定するデータ処理装置４００とを備える。【選択図】図１
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【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方法において、
前記検査対象物表面の検査領域を加熱し、
前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射し、加熱による応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量を、レーザ干渉計測法により計測し、
前記検査対象物の応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
前記弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定する際に、
加熱による全変形量から、加熱による熱ひずみによる変形量を差し引いて、応力開放に伴う変形量を求め、
この応力開放に伴う変形量から残留応力を測定することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の残留応力測定方法において、
前記加熱による熱ひずみによる変形量は、前記検査対象物と同一材を加熱したときの温度分布から予め求めておくことを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項４】
請求項２記載の残留応力測定方法において、
前記検査対象物が、測定方向に応力によるひずみを有し、その方向と直交する方向に応力によるひずみがない場合、
前記加熱による熱ひずみによる変形量は、前記レーザ干渉計測法により、前記検査対象物の測定方向及びこの測定方向に直交する方向に対して変形量を測定し、直交する方向の測定量から求めることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項５】
請求項２記載の残留応力測定方法において、
前記加熱による熱ひずみによる変形量は、前記検査対象物と同じ材質で残留応力のない参照用部材を加熱して求めることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項６】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
前記レーザ干渉計測法として、電子式スペックルパターン干渉計測法を利用することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項７】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
前記レーザ干渉計測法として、レーザシェアログラフィ法を利用することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項８】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
前記加熱手段は、レーザ加熱手段であることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項９】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
前記表面検査領域の加熱部の形状が線状であることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項１０】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
前記表面検査領域の加熱部の形状が分割された線状であることを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項１１】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
残留応力緩和処理の前後で測定を行い、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。
【請求項１２】
請求項１記載の残留応力測定方法において、
加熱による温度変化を赤外線画像装置により加熱と同時に測定することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の残留応力測定方法において、
加熱と同時にひずみを測定し、そのひずみの温度に対する変化から残留応力を計測することを特徴とする残留応力測定方法。
【請求項１４】
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において、
表面検査領域を加熱するレーザ加熱手段と、
前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射し、熱による応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量を、レーザ干渉計測法により計測する計測用レーザ光照射手段と、
前記検査対象物の応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定するデータ処理手段とを備えることを特徴とする残留応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、残留応力測定装置及び残留応力測定方法に係り、特に、レーザ干渉計測技術を利用し、検査対象物表面の応力開放ひずみを非破壊非接触で測定する残留応力測定装置及び残留応力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モノづくりの過程において、非破壊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が、製品の寿命や性能に大きな影響を及ぼす残留応力については、抜き取り試験での破壊検査が主であり、非破壊検査の場合には、大掛かりな装置を必要とし、現場での適用までは進んでいないのが実情である。
【０００３】
残留応力は、溶接等の塑性変形を伴う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まで、幅広い製造分野で問題となっている。特に、原子力プラントでは、圧力容器内のシュラウド等炉内構造物の残留応力が、問題となる。
【０００４】
残留応力の計測手法では、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が一般的である。この方法は破壊を伴うが、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、最も実用的に用いられている。ひずみ量と残留応力値の関係は、次のように求められる。すなわち、溶接などで生じたひずみεは、弾性ひずみεｅと塑性ひずみεｐの和で表され（式（１））、残留応力σは、弾性ひずみεｅとの間にフックの法則が成り立つとして、等方性物質では、以下の式（２）が成立する。  
ε＝εｅ＋εｐ  …（１）
σ＝Ｅ・εｅ  …（２）
ここで、Ｅはヤング率である。したがって、応力開放法では、開放された弾性ひずみにヤング率を乗ずることで、直接残留応力を測定することができる。
【０００５】
一方、非破壊検査手法では、Ｘ線回折法や中性子回折法が利用されているが、どちらも放射線対策を必要とし計測装置が大掛かりなものになるため、利便性が低く、抜き取り試験など実験室レベルでの利用が中心である。また、装置の制約によっては、サイズの小さなものしか測れなかったり、表面に凹凸があると測れなかったりするため、結局加工を必要とし、完全な非破壊検査にならないという問題もある。また、これらを解消した可搬性に優れたセンサとして、磁歪法や音弾性法が研究されているが、これらは現状では主応力差のみしか計測できず、まだ実機適用にいたっていないのが現状である。
【０００６】
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。
【０００７】
光学的な干渉計測法として、ＥＳＰＩ（Electric Speckle Pattern Interferometry：電子式スペックルパターン干渉計測）法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。ＥＳＰＩ法の検査原理は次の通りである。まず、レーザ光のようなコヒーレントな光を検査対象物表面（粗面）に照射すると、散乱により、複雑に干渉しあい、スペックルと呼ばれる点状のパターンが生じる。このスペックルパターンと照射光から分岐させた参照光とを撮影面で干渉させて露光し、その像を変位が生じる前後で２枚撮影し、この２枚の画像に画像処理を施し、広域を一括して変位分布を算出するものである。変位分布の算出の方法としては、フーリエ変換法や位相シフト法を用い、変位が生じることによる対物光の光路長の変化に対応した干渉縞として結果を得るものである。非特許文献１には、ＥＳＰＩ法そのものの他に、その画像処理法であるフーリエ変換法や位相シフト法について、詳述されており、この技術によれば、使用するレーザ光の約半波長の縞感度で変位を計測することができる。
【０００８】
また、他の光学的な干渉計測法として、ＥＳＰＩ法を応用し局所的な変位を見やすくしたシェアログラフィ法がある（例えば、特許文献１参照）。これは、検査対象領域から反射されたスペックルパターンを撮像素子の手前に設置した分光素子で２つに分け、分けられた２つの反射画像を検査対象物の表面方向に僅かにずらしてＣＣＤなどの撮像素子で撮影するもので、この撮像素子の二重露光により、撮像された反射画像は微分画像となる。また、レーザ光は干渉性が高いため、二重露光される２つの画像は互いに干渉し、二重露光されたパターンは干渉パターンとなる。この操作を外部応力の変化の過程で２度行うことにより、外部応力によるひずみの微分値の経時変化が、干渉パターンの位相変化として得られる。このため、使用するレーザ光の波長レベルの微小な表面ひずみが計測される。シェアログラフィ法は、微分画像とすることで熱などの外部応力による低周波のひずみを除去し、局所的なひずみのみを画像化できることが特徴である。
【０００９】
応力開放法として、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。
【００１０】
このような応力開放法としては、第１に、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である（例えば、特許文献２参照）。第２に、検査対象物を加熱して、応力を開放するものである（例えば、非特許文献２，３参照）。第３に、検査対象物をレーザ光により加熱して、応力を開放するものである（例えば、特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−２１８４４９号公報
【特許文献２】特表２００３−５１４２４７号公報
【特許文献３】米国特許第５４３２５９５号明細書
【非特許文献１】早川峰之、「シェアログラフィーによる非破壊内部欠陥検査」、検査技術、日本工業出版、２００４年６月１日発行、ＶＯｌ．９、ＮＯ．６、第２１頁から第２６頁
【非特許文献２】山田勝稔  「加熱法による溶接残留応力の非破壊評価」  日本機械学会論文集Ａ編７０巻６９９号（２００４．１１）
【非特許文献３】G.H.Kaufmann, “Measurement of residual stresses using local heating and a radial in-plane speckle interferometer," SAE Optical Engineering 44 (2005.9)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の残留応力計測方法は、一般に用いられている応力開放法は、穿孔などの破壊を伴い、計測時間も長くなる問題があった。また非破壊法では、Ｘ線回折や中性子回折など、大型で可搬性が悪く、また、こちらも計測時間が長いという問題があった。  
また、特許文献２にも示されているように、特許文献２記載の方法では、加熱により塑性変形を起こし、冷却後に変形した量を計測しているため、非破壊法とはいえず、破壊法とも言えるものである。同様に、非特許文献２，３や、特許文献３記載の方法も、加熱により塑性変形を起こすものであり、非破壊法とはいえず、破壊法とも言えるものである。
【００１３】
本発明の目的は、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、非破壊・非接触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方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（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方法において、前記検査対象物表面の検査領域を加熱し、前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射し、加熱による応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量を、レーザ干渉計測法により計測し、前記検査対象物の応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定するようにしたものである。  
かかる方法により、非破壊・非接触での残留応力測定ができ、迅速で可搬性の高いものとなる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定する際に、加熱による全変形量から、加熱による熱ひずみによる変形量を差し引いて、応力開放に伴う変形量を求め、この応力開放に伴う変形量から残留応力を測定するようにしたものである。
【００１６】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記加熱による熱ひずみによる変形量は、前記検査対象物と同一材を加熱したときの温度分布から予め求めておくものである。
【００１７】
（４）上記（２）において、好ましくは、前記検査対象物が、測定方向に応力によるひずみを有し、その方向と直交する方向に応力によるひずみがない場合、前記加熱による熱ひずみによる変形量は、前記レーザ干渉計測法により、前記検査対象物の測定方向及びこの測定方向に直交する方向に対して変形量を測定し、直交する方向の測定量から求めるようにしたものである。
【００１８】
（５）上記（２）において、好ましくは、前記加熱による熱ひずみによる変形量は、前記検査対象物と同じ材質で残留応力のない参照用部材を加熱して求めるようにしたものである。
【００１９】
（６）上記（１）において、好ましくは、前記レーザ干渉計測法として、電子式スペックルパターン干渉計測法を利用するものである。
【００２０】
（７）上記（１）において、好ましくは、前記レーザ干渉計測法として、レーザシェアログラフィ法を利用するものである。
【００２１】
（８）上記（１）において、好ましくは、前記加熱手段は、レーザ加熱手段としたものである。
【００２２】
（９）上記（１）において、好ましくは、前記表面検査領域の加熱部の形状が線状である。
【００２３】
（１０）上記（１）において、好ましくは、前記表面検査領域の加熱部の形状が分割された線状である。
【００２４】
（１１）上記（１）において、好ましくは、残留応力緩和処理の前後で測定を行い、その差から残留応力の緩和効果を求めるものである。
【００２５】
（１２）上記（１）において、好ましくは、加熱による温度変化を赤外線画像装置により加熱と同時に測定するようにしたものである。
【００２６】
（１３）上記（１２）において、好ましくは、加熱と同時にひずみを測定し、そのひずみの温度に対する変化から残留応力を計測するようにしたものである。
【００２７】
（１４）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において、表面検査領域を加熱するレーザ加熱手段と、前記検査領域に干渉計測用レーザ光を照射し、熱による応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量を、レーザ干渉計測法により計測する計測用レーザ光照射手段と、前記検査対象物の応力開放に伴う弾性変形範囲内での変形量から残留応力を測定するデータ処理手段とを備えるようにしたものである。  
かかる構成により、非破壊・非接触での残留応力測定ができ、迅速で可搬性の高いものとなる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、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、非破壊・非接触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できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図１〜図５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は、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。
【００３０】
本実施形態の残留応力測定装置は、レーザ干渉計測装置１００と、加熱用レーザ装置２００と、制御装置３００と、データ処理装置４００とを備えている。レーザ干渉計測装置１００は、検査対象物Ａの表面検査領域Ｂに照射するレーザ装置１０１と、その反射・干渉光及び参照光を受光し記録するＣＣＤカメラ等の受光装置１０２を備え、干渉光学系１０３、拡大・集光光学系１０４を備えている。また、加熱用レーザ装置２００は、検査対象物Ａの表面の加熱領域Ｃに照射するレーザ装置２０１と、集光光学系２０２を備えている。ここで、検査領域Ｂと加熱領域Ｃの関係は、一致していてもよいし、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ある。検査領域Ｂは一点であってもよいが、熱ひずみや応力開放によるひずみで位置が３次元的に移動するため一点を追うことは困難であるため、主にレーザ干渉計測法として、ＥＳＰＩ法が用い、ある範囲内を検査領域とする。ＥＳＰＩ法は、拡散されたレーザ光が粗面で乱反射して形成されるスペックルパターンを利用するもので、広範囲の領域での変形を計測することができる。
【００３１】
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工程を示すフローチャートである。
【００３２】
ステップＳ１０において、レーザ干渉計測装置１００は、検査領域Ｂに対して、干渉計測用レーザ光を照射し、ステップＳ２０において、検査領域Ｂの干渉計測を行う。
【００３３】
次に、ステップＳ３０において、制御装置３００は、加熱用レーザ装置２００により、加熱領域Ｃを所定の温度まで所定時間内に加熱できるような出力で駆動する。このときの加熱温度は、検査対象物Ａの材質により決まる降伏応力のデータを参照し、降伏応力以下の、弾性変形範囲内となるように決定する。ここで、弾性変形範囲内とは、加熱された部位の温度において、変形を引き起こす応力が、降伏応力を超えない範囲である。加熱温度と降伏応力との関係は、加熱温度が増加すると、降伏応力が減少する関係にある。したがって、加熱温度と降伏応力との関係に基づいて、降伏応力以下となるような、加熱温度（例えば、３００℃）を決定することができる。加熱温度は、弾性変形範囲での最高温度とすることが好ましく、これにより加熱前後の変形量の差を大きくすることができる。また、所定時間は、検査領域の深さにもよるが、表面の残留応力を測定する場合、短いほどよく、１秒以内か、長くても数秒である。
【００３４】
次に、ステップＳ４０において、制御装置３００は、所定温度まで検査領域の温度が上昇した後、加熱用レーザ装置２００による加熱を終了し、その直後に、ステップＳ５０において、レーザ干渉計測装置１００は、検査領域Ｂの干渉計測を行う。
【００３５】
そして、ステップＳ６０において、レーザ干渉計測装置１００による干渉計測用レーザ光の照射を停止する。
【００３６】
次に、ステップＳ７０において、データ処理装置４００は、ステップＳ２０とステップＳ５０で計測した検査領域位置の干渉計測の差から全変形量を計算する。そして全変形量のうち、熱ひず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はフックの法則により、加熱前後のヤング率の差と残留応力の積で決まるので、最終的に残留応力の値が求められる。ステップＳ７０の具体例については、図３以降を用いて詳述する。
【００３７】
次に、ステップＳ８０において、検査領域が一箇所でない場合は、全範囲が終了したかどうかを判定し、まだ終了していなければ、ステップＳ９０において、次の検査領域に対して同様の計測を行う。
【００３８】
次に、図３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の第１の具体例について説明する。  
図３は、本発明の第１の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の第１の具体例の説明図である。
【００３９】
図３は、図２のステップＳ２０とステップＳ５０で計測した検査領域位置の干渉計測結果を示している。図３（Ａ）は、加熱による検査対象物の表面のＺ方向の変形量を示し、図３（Ｂ）は、加熱による検査対象物の表面のＸ方向の変形量を示している。
【００４０】
図３（Ａ）において、横軸は検査領域位置のＸ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の高さ，すなわち、変位を示している。なお、Ｘ軸方向のＸ＝０の位置を加熱領域Ｃの中央とする。図３（Ｂ）において、横軸は検査領域位置のＸ方向の位置を示し、縦軸はＸ方向の変位Ｄｘを示している。変形量は、Ｚ方向の変形（図３（Ａ））に比べて、Ｘ方向の変形（図３（Ｂ））が大きいため、以下、図３（Ｂ）に示すＸ方向の変形について説明する。
【００４１】
例えば、加熱前のステップＳ２０における計測結果は、Ｄｘが０とする。それに対して、加熱後にステップＳ５０で計測した計測結果では、破線Ｊ２で示すような変形となり、変形量の最大値は、Ｈ２である。なお、前述したように、全変形量は、熱ひずみによる変形量と、残留応力による変形量を加算したものである。図中において、実線Ｊ１で示す変形は、熱ひずみによる変形量を示している。熱ひずみによる変形量の最大値をＨ１とする。すると、残留応力による変形量は、（Ｈ２−Ｈ１）として算出される。
【００４２】
ここで、熱ひずみによる変形量Ｈ１は、次のようにして求める。図２のステップＳ３０において、加熱領域Ｃが所定の温度（例えば、３００℃）まで所定時間（例えば、１秒）で加熱した場合、加熱領域Ｃの表面は３００℃であるが、内部に行くに従って、温度が低下する温度分布を有する。この温度分布は、検査対象物Ａと同一材料で、同一厚さの試験片等を用いて、ステップＳ２０と同様の加熱条件で加熱することにより求めることができる。そして、この温度分布を用いることで、検査対象物Ａをこの温度分布を有するように加熱したときの、検査対象物Ａの全体としての熱ひずみによる変形量はあらかじめ算出することができる。
【００４３】
そして、前述したように、残留応力による変形量（残留応力開放ひずみ）εｅは、（Ｈ２−Ｈ１）／Ｄとなる。ここで、Ｄは、加熱領域の幅である。そして、残留応力σは、以下の式（３）で表せる。  
σ＝Ｅ１・（ε０＋εｅ）  
＝Ｅ０・ε０
＝Ｅ１／（１−Ｅ１／Ｅ０）・εｅ 
＝Ｅ１／（１−Ｅ１／Ｅ０）・（（Ｈ２−Ｈ１）／Ｄ）  …（３）
ここで、Ｅ０は加熱前のヤング率であり、Ｅ１は加熱後のヤング率であり、ε０は残留ひずみである。式（３）により、残留応力σを算出することができる。
【００４４】
なお、以上の説明は、残留応力が引張応力の場合である。それに対して、残留応力が圧縮応力の場合、加熱後の変形量は、図３に一点鎖線Ｊ３で示すようになる。そのときの変形量の最大値をＨ２’とすると、残留応力による変形量は、（Ｈ１−Ｈ２’）として算出することができる。
【００４５】
次に、図４及び図５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の第２の具体例について説明する。  
図４及び図５は、本発明の第１の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の第２の具体例の説明図である。
【００４６】
図４は、第１の平面部材Ｋ１と第２の平面部材Ｋ２とを、溶接部Ｌにおいて溶接した構造体を示している。なお、平面部材に代えて、２つの円筒形状の配管の端面同士を溶接接合した場合も同様である。ここで、図４に示すように、Ｙ方向が溶接部Ｌが延在する方向とする。
【００４７】
図５（Ａ）において、横軸は検査領域位置のＸ方向の位置を示し、縦軸はＸ方向の変位Ｄｘを示している。図５（Ｂ）において、横軸は検査領域位置のＹ方向の位置を示し、縦軸はＹ方向の変位Ｄｙを示している。
【００４８】
図５（Ａ）は、図３（Ｂ）と同様に、例えば、加熱前のステップＳ２０における計測結果は、Ｄｘが０とする。それに対して、加熱後にステップＳ５０で計測した計測結果では、破線Ｊ２で示すような変形となり、変形量の最大値は、Ｈ２である。なお、前述したように、全変形量は、熱ひずみによる変形量と、残留応力による変形量を加算したものである。図中において、実線Ｊ１で示す変形は、熱ひずみによる変形量を示している。熱ひずみによる変形量の最大値をＨ１とする。
【００４９】
一方、図５（Ｂ）において、例えば、加熱前のステップＳ２０における計測結果は、Ｄｙが０とする。それに対して、加熱後にステップＳ５０で計測した計測結果では、破線Ｊ１，Ｊ２で示すような変形となり、変形量の最大値は、Ｈ１である。ここで、Ｙ方向というのは、図４にて説明したように、溶接部Ｌの方向である。
【００５０】
図４に示すような溶接構造体において、溶接時の残留応力は、Ｘ方向には発生するが、Ｙ方向には発生しない。従って、図５（Ｂ）に示す加熱後の変形量の最大値Ｈ１は全て熱ひずみによる変形量となる。したがって、残留応力による変形量は、Ｘ方向の変形量Ｈ２と、Ｙ方向の変形量Ｈ１とから、（Ｈ２−Ｈ１）として算出することができる。
【００５１】
このように、ある方向に残留応力が生じていて、それと直交する方向で残留応力がない場合では、この例では、構造体の熱分布を求めたり、その値に基づいて熱ひずみ量を算出することが不要となる。
【００５２】
なお、検査対象物と同じ材質で残留応力のない参照用部材に対して予め熱ひずみによる変形量Ｈ１を求め、検査対象物の測定時の変形量Ｈ２との差から残留応力によるひずみによる変形量を求めることもできる。
【００５３】
また、図２に示した説明では、加熱と干渉計測を分けているが、レーザ光による加熱を用いているので、加熱用レーザ光と干渉計測用レーザ光の波長として、例えば赤色と緑色のように、重ならないものを選べば、加熱と同時に干渉計測を行うことができ、弾性変形範囲から塑性変形範囲へ移行する境界までの残留応力測定が可能になる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光により弾性変形範囲での最高温度まで加熱することにより、きずや痕跡を残すことなく、非破壊で、測定することができる。
【００５５】
また、干渉計測により、非接触で、残留応力測定ができるものとなる。
【００５６】
また、これらにより、本実施形態の残留応力測定装置は、小型で可搬性に優れ、検査対象物が大型であったり、全体あるいは部分的に移動困難であっても、残留応力を測定することができる。
【００５７】
次に、図６〜図１０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動作について説明する。  
最初に、図６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６は、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図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５８】
本実施形態の残留応力測定装置は、レーザ干渉計測装置１００Ａと、加熱用レーザ装置２００Ａと、制御装置３００と、データ処理装置４００とに加え、検査対象物Ａの表面、検査領域Ｂ及びその周囲温度を計測する温度計測装置５００とを備えている。
【００５９】
レーザ干渉計測装置１００Ａは、図１に示した干渉光学系１０３の代わりに、シェアログラフィ法の干渉光学系を備えた光学系付き受光装置１０２Ａを備えている。
【００６０】
ここで、図７を用いて、本実施形態による残留応力測定装置に用いる光学系付き受光装置１０２Ａの構成について説明する。  
図７は、本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置に用いる光学系付き受光装置の構成図である。
【００６１】
以下、光学系付き受光装置１０２Ａの光学系及び、これを用いたシェアログラフィ法を説明する。
【００６２】
受光装置１０２Ａは、図７（Ａ）に示すように、集光レンズ１１１と、分光素子１１２と、第１の反射鏡１１３と、第２の反射鏡１１４と、ＣＣＤなどの画像計測素子１１５とによって構成されている。集光レンズ１１１は、検査対象領域Ｂからの反射画像（スペックルパターン）を集光する。分光素子１１２は、集光レンズ１１１により集光された反射画像１１０を２つの反射画像１１０ａ，１１０ｂに分岐する。第１の反射鏡１１３は、分光素子１１２にて分岐された２つの反射画像のうち、一方の反射画像１１０ａを反射する。第２の反射鏡１１４は、他方の反射画像１１０ｂを反射する。画像計測素子１１５は、第１及び第２の反射鏡１１３，１１４にて反射された２つの反射画像１１０ａ，１１０ｂを受光する。
【００６３】
第１の反射鏡１１３は、画像計測素子１１５のほぼ中央領域に一方の反射画像１１０ａを入射するように、光軸に対してほぼ垂直に設定されている。一方、第２の反射鏡１１４は、画像計測素子１１５の受光面における前記一方の反射画像１１０ａの入射位置からやや離れた位置に他方の反射画像１１０ｂが入射されるように、光軸に対してやや傾斜した状態で設定されている。
【００６４】
したがって、画像計測素子１１５の受光面には、図７（Ｂ）に模式的に示すように、２つの反射画像１１０ａ，１１０ｂが干渉することにより得られる微分画像が入射される。微分画像の微分幅は、反射光１１０ａ，１１０ｂのずらし量ΔＸ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。
【００６５】
次に、図８を用いて、本実施形態による残留応力測定装置に用いる加熱用レーザ装置２００Ａによる加熱領域Ｃの形状について説明する。  
図８は、本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置に用いる加熱用レーザ装置による加熱領域の形状の説明図である。
【００６６】
図６に示した加熱用レーザ装置２００Ａは、加熱領域Ｃの形状を、線分状、または分割された線分状に照射することができるような、光学系２０２ｂを備えている。
【００６７】
図８（Ａ１），（Ａ２），（Ａ３）は、加熱領域Ｃの形状Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を示している。また、図６（Ｂ１），（Ｂ２），（Ｂ３）は、それぞれ、図６（Ａ１），（Ａ２），（Ａ３）は、加熱領域Ｃの形状Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に対する温度分布の等高線Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を示している。
【００６８】
加熱領域Ｃの形状が、図８（Ａ１）に示すように、等方（円形）の形状Ｃ１の場合は、図８（Ｂ１）に示すように、温度分布も等方的であり、Ｘ方向とＹ方向の残留応力の影響を同時に受けるため、その差異（主応力差）が表示される。
【００６９】
加熱領域Ｃの形状が、図８（Ａ２）に示すように、線分状の形状Ｃ２の場合は、図８（Ｂ２）に示すように、Ｙ軸方向の温度分布領域が狭く、Ｘ軸方向に高温領域が長くなるため、Ｘ軸方向の残留応力によるひずみが積算され、その結果、Ｘ軸方向の残留応力を精度よく測定することができる。
【００７０】
さらに、加熱領域Ｃの形状が、図８（Ａ３）に示すような分割された線分状の形状Ｃ３の場合では、図８（Ｂ３）に示すような温度分布になり、線分間の非加熱領域ではＹ軸方向の影響がさらに小さくなり、Ｘ軸方向の残留応力をより精度よく測定することができる。また、線分を分割することによる効果は、同じ加熱量で加熱したときの残留応力によるひずみ変化量に対しても表れる。
【００７１】
次に、図９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による面内ひずみの最大値と最小値の差（最大ひずみ差）について説明する。  
図９は、本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置における残留応力による面内ひずみの最大値と最小値の差の説明図である。
【００７２】
いずれも残留応力に比例するが、図８（Ａ３）に示した分割された線分状加熱Ｃ３の場合のほうが、線分状加熱Ｃ２の場合よりも最大ひずみ差が大きいことがわかる。一般に、残留応力による最大ひずみ差は、加熱後の温度によるヤング率変化の割合で決まるので、温度が高いほうが大きくなり、同じ分割線分状加熱でも、加熱温度がＣ３の約７５％の場合、Ｃ１に対し、Ｃ３は約１．５倍の最大ひずみ差を示す。これに対し、同じ温度であるにもかかわらず、分割線分状加熱Ｃ３は線分状加熱Ｃ２の１．２５倍以上になっており、大きな効果であるといえる。
【００７３】
なお、本実施形態では、線状加熱、分割線状加熱に対して、シェアログラフィ法によりひずみを計測し残留応力を測定しているが、ＥＳＰＩ法やその他のレーザ干渉計測によっても、上述の効果を得ることができる。
【００７４】
次に、図１０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１０は、本発明の第２の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の工程を示すフローチャートである。なお、図２のステップ番号と同一番号は、同一処理を示している。
【００７５】
最初に、ステップＳ０５において、温度計測装置５００は、検査領域Ｂの温度計測を開始する。
【００７６】
次に、ステップＳ１０において、レーザ干渉計測装置１００は、検査領域Ｂに対して、干渉計測用レーザ光を照射し、ステップＳ２０Ａにおいて、干渉計測を行い、検査領域の第１のスペックルパターン画像を撮影する。
【００７７】
次に、ステップＳ３０において、制御装置３００は、加熱用レーザ装置２００により、加熱領域Ｃを所定の温度まで所定時間内に加熱できるような出力で駆動する。このときの加熱温度は、検査対象物Ａの材質により決まる降伏応力のデータを参照し、降伏応力以下の、弾性変形範囲内となるように決定する。
【００７８】
次に、ステップＳ４０において、制御装置３００は、所定温度まで検査領域の温度が上昇した後、加熱用レーザ装置２００による加熱を終了する。このときの温度変化を温度計測装置５００からリアルタイムで制御装置３００は取り込み、検査対象物Ａの材質により決まる降伏応力のデータを参照し、弾性変形範囲内のある設定温度になったところで、加熱用レーザ光の照射を停止する。その直後に、ステップＳ５０Ａにおいて、レーザ干渉計測装置１００は、干渉計測を行い、検査領域の第２のスペックルパターン画像を撮影する。
【００７９】
そして、ステップＳ６０において、レーザ干渉計測装置１００による干渉計測用レーザ光の照射を停止する。
【００８０】
次に、ステップＳ７０において、データ処理装置４００は、ステップＳ２０ＡとステップＳ５０Ａで計測した検査領域位置の干渉計測の差から全変形量を計算する。そして全変形量のうち、熱ひず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はフックの法則により、加熱前後のヤング率の差と残留応力の積で決まるので、最終的に残留応力の値が求められる。ステップＳ７０の具体例については、図３以降を用いて詳述する。
【００８１】
次に、ステップＳ８０において、検査領域が一箇所でない場合は、全範囲が終了したかどうかを判定し、まだ終了していなければ、ステップＳ９０において、次の検査領域に対して同様の計測を行う。
【００８２】
なお、図１０に示した説明では、加熱と干渉計測を分けているが、レーザ光による加熱を用いているので、加熱用レーザ光と干渉計測用レーザ光の波長として、例えば赤色と緑色のように、重ならないものを選べば、加熱と同時に干渉計測を行うことができ、弾性変形範囲から塑性変形範囲へ移行する境界までの残留応力測定が可能になる。
【００８３】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光により弾性変形範囲での最高温度まで加熱することにより、きずや痕跡を残すことなく、非破壊で、測定することができる。
【００８４】
また、干渉計測により、非接触で、残留応力測定ができるものとなる。
【００８５】
また、これらにより、本実施形態の残留応力測定装置は、小型で可搬性に優れ、検査対象物が大型であったり、全体あるいは部分的に移動困難であっても、残留応力を測定することができる。
【００８６】
次に、図１１及び図１２を用いて、本発明の第３の実施形態による残留応力測定装置の構成及び動作について説明する。  
最初に、図１１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１１は、本発明の第３の実施形態による残留応力測定装置の構成図である。なお、図１，図６と同一符号は、同一部分を示している。
【００８７】
本実施形態の残留応力測定装置は、レーザ干渉計測装置１００Ａと、加熱装置２００Ｂと、制御装置３００と、データ処理装置４００と、温度計測装置５００を備えている。
【００８８】
加熱装置２００Ｂは、例えば接触式のヒータ等であり、加熱領域Ｃの形状に合わせた接触部形状を持っている。接触式の場合は、レーザ干渉計測を行う際、陰になる部分や接触している部分は計測できないが、陰になる部分をできるだけなくす構造により、接触部周囲の変形を計測したり、加熱後に装置を取り除いてから計測したりすれば、レーザ加熱と同様に残留応力測定が可能である。
【００８９】
次に、図１２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（加熱後に装置を取り除いてから計測する方法）について説明する。  
図１２は、本発明の第３の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の工程を示すフローチャートである。なお、図２，図１０のステップ番号と同一番号は、同一処理を示している。
【００９０】
最初に、ステップＳ０５において、温度計測装置５００は、検査領域Ｂの温度計測を開始する。
【００９１】
次に、ステップＳ１０において、レーザ干渉計測装置１００は、検査領域Ｂに対して、干渉計測用レーザ光を照射し、ステップＳ２０Ａにおいて、干渉計測を行い、検査領域の第１のスペックルパターン画像を撮影する。
【００９２】
次に、ステップＳ３０Ｂにおいて、制御装置３００は、加熱装置（ヒータ）２００Ｂにより、加熱領域Ｃを加熱する。このときの加熱温度は、検査対象物Ａの材質により決まる降伏応力のデータを参照し、降伏応力以下の、弾性変形範囲内となるように決定する。
【００９３】
次に、ステップＳ４０Ｂにおいて、制御装置３００は、所定温度まで検査領域の温度が上昇した後、加熱装置（ヒータ）２００Ｂによる加熱を終了する。このときの温度変化を温度計測装置５００からリアルタイムで制御装置３００は取り込み、検査対象物Ａの材質により決まる降伏応力のデータを参照し、弾性変形範囲内のある設定温度になったところで、加熱を停止し、検査領域からヒータを取り除く。その直後に、ステップＳ５０Ａにおいて、レーザ干渉計測装置１００は、干渉計測を行い、検査領域の第２のスペックルパターン画像を撮影する。
【００９４】
そして、ステップＳ６０において、レーザ干渉計測装置１００による干渉計測用レーザ光の照射を停止する。
【００９５】
次に、ステップＳ７０において、データ処理装置４００は、ステップＳ２０ＡとステップＳ５０Ａで計測した検査領域位置の干渉計測の差から全変形量を計算する。そして全変形量のうち、熱ひず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はフックの法則により、加熱前後のヤング率の差と残留応力の積で決まるので、最終的に残留応力の値が求められる。ステップＳ７０の具体例については、図３以降を用いて詳述する。
【００９６】
次に、ステップＳ８０において、検査領域が一箇所でない場合は、全範囲が終了したかどうかを判定し、まだ終了していなければ、ステップＳ９０において、次の検査領域に対して同様の計測を行う。
【００９７】
なお、図１０に示した説明では、加熱と干渉計測を分けているが、レーザ光による加熱を用いているので、加熱用レーザ光と干渉計測用レーザ光の波長として、例えば赤色と緑色のように、重ならないものを選べば、加熱と同時に干渉計測を行うことができ、弾性変形範囲から塑性変形範囲へ移行する境界までの残留応力測定が可能になる。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ光により弾性変形範囲での最高温度まで加熱することにより、きずや痕跡を残すことなく、非破壊で、測定することができる。
【００９９】
また、干渉計測により、非接触で、残留応力測定ができるものとなる。
【０１００】
また、これらにより、本実施形態の残留応力測定装置は、小型で可搬性に優れ、検査対象物が大型であったり、全体あるいは部分的に移動困難であっても、残留応力を測定することができる。
【０１０１】
さらに、本実施形態によれば、非接触で加熱と計測を同期し、加熱による変形過程をリアルタイムで計測することができるため、弾性変形範囲内で最大のひずみを生じさせることができ、残留応力測定の分解能を向上させることができる。
【０１０２】
次に、図１３を用いて、本発明の第４の実施形態によるＷＪＰ（Water Jet Peening：ウォータージェットピーニング）による応力改善の際の残留応力測定方法について説明する。  
図１３は、本発明の第４の実施形態によるＷＪＰによる応力改善の際の残留応力測定方法の内容を示すフローチャートである。
【０１０３】
最初に、ステップＳ１００において、図１または図６または図１１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１０または図１２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。
【０１０４】
次に、ステップＳ１１０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。
【０１０５】
その後、再度、ステップＳ１２０において、ステップＳ１００と同様に、残留応力分布を測定する。
【０１０６】
そして、ステップＳ１３０において、ステップＳ１００の結果とステップＳ１２０結果を比較し、ステップＳ１４０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Ｓ１５０において、その部位に対して再度ＷＪＰを行う。
【０１０７】
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】
【０１０８】
【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工程を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の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の第１の具体例の説明図である。
【図４】本発明の第１の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の第２の具体例の説明図である。
【図５】本発明の第１の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の第２の具体例の説明図である。
【図６】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図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置に用いる光学系付き受光装置の構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置に用いる加熱用レーザ装置による加熱領域の形状の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による残留応力測定装置における残留応力による面内ひずみの最大値と最小値の差の説明図である。
【図１０】本発明の第２の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の工程を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施形態による残留応力測定装置の構成図である。
【図１２】本発明の第３の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の工程を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第４の実施形態によるＷＪＰによる応力改善の際の残留応力測定方法の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０９】
１００…レーザ干渉計測装置
１０１…干渉計測用レーザ発振器
１０２…受光装置
１０３…干渉光学系
１０４…拡大・集光光学系
１１１…集光レンズ
１１２…分光素子
１１３…反射鏡（第１反射鏡）
１１４…反射鏡（第２反射鏡）
１１５…画像撮影素子（画像撮影装置）
２００…加熱用レーザ装置
２００Ｂ…加熱装置
３００…制御装置
４００…データ処理装置
５００…温度計測装置
２０１…加熱用レーザ発振器
２０２…集光光学系
【図１】
2008134186.tif 000003
【図２】
2008134186.tif 000004
【図３】
2008134186.tif 000005
【図４】
2008134186.tif 000006
【図５】
2008134186.tif 000007
【図６】
2008134186.tif 000008
【図７】
2008134186.tif 000009
【図８】
2008134186.tif 000010
【図９】
2008134186.tif 000011
【図１０】
2008134186.tif 000012
【図１１】
2008134186.tif 000013
【図１２】
2008134186.tif 000014
【図１３】
2008134186.tif 000015