(57)【要約】【課題】  機器、構造物等の余寿命を把握して効率的に運用できるように、破壊的な測定が不可能な大きな寸法の実構造物の内部残留応力を簡単かつ非破壊的に評価できる内部残留応力測定装置および方法を提供すること。【解決手段】  非破壊的に被測定物の表面残留応力を測定する表面残留応力測定部１と、前記表面残留応力測定部によって測定された前記被測定物の表面残留応力の分布より物体内部の任意の位置における残留応力を求める内部残留応力評価部２と、前記内部残留応力評価部により求めた残留応力分布を視覚表示する残留応力分布表示部３とをそなえることを特徴とする内部残留応力測定装置および方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非破壊的に被測定物の表面残留応力を測定する表面残留応力測定部と、
前記表面残留応力測定部によって測定された前記被測定物の表面残留応力の分布より物体内部の任意の位置における残留応力を求める内部残留応力評価部と、
前記内部残留応力評価部により求めた残留応力分布を視覚表示する残留応力分布表示部と
をそなえることを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項２】
請求項1記載の内部残留応力測定装置において、
前記表面残留応力測定部を、前記被測定物の表面に沿って３次元方向に走査可能なステージに搭載し、前記表面残留応力測定部を被測定物の表面上の任意位置に移動可能としたことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の内部残留応力測定装置において、
前記ステージに位置検出器を内蔵し、前記表面残留応力測定部の現在位置を検出することを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項４】
請求項２記載の内部残留応力測定装置において、
前記ステージに駆動装置を搭載し、前記表面残留応力測定部の位置を遠隔操作可能としたことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項５】
請求項２記載の内部残留応力測定装置において、
前記ステージにステージ制御システムを内蔵し、予めインプットされた測定位置を自動走査可能としたことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項６】
請求項２記載の内部残留応力測定装置において、
前記ステージの制御システムと前記表面残留応力測定部とを連動させることにより、自動測定を可能としたことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項７】
請求項1記載の内部残留応力測定装置において、
前記表面残留応力測定部により測定された前記被測定物の表面残留応力の分布における応力勾配に応じ、表面残留応力の測定間隔を再設定し、自動で追加測定を行うことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項８】
請求項1記載の内部残留応力測定装置において、
内部残留応力の計算結果によって表面残留応力測定点の最適化を行い、前記表面残留応力測定部にフィードバックして、自動で追加測定を行うことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項９】
請求項２記載の内部残留応力測定装置において、
前記ステージに、前記表面残留応力測定部ではなく、前記被測定物を設置する構造としたことを特徴とする内部残留応力測定装置。
【請求項１０】
請求項1記載の内部残留応力測定装置において、
前記非破壊的測定方法として、Ｘ線回析法、超音波法、レーザ等による画像処理による応力測定法を用いたことを特徴とする、内部残留応力測定装置。
【請求項１１】
被測定物の表面残留応力を非破壊的に測定し、
測定された前記被測定物の表面残留応力の分布より物体内部の任意の位置における残留応力を求め、
求めた残留応力分布を視覚表示することを特徴とする内部残留応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接または機械的な結合により構成される機器や構造物の内部に生じる残留応力を測定する装置および方法に係り、特に、物体表面における力と変位の関係および物体表面に働く表面力ベクトル（「トラクション」という）、変位および応力の関係から残留応力発生源の分布を決定し、残留応力発生源と表面のトラクションと変位から破壊検査を行うことなく物体内部の残留応力の分布や強さを測定できる内部残留応力測定装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に残留応力は、機器や構造物が変動荷重の作用を受けたり、腐食環境中で使用されたりする場合に、それらの疲労寿命やＳＣＣ（応力腐食割れ）寿命などに影響を及ぼすことが知られている。
【０００３】
変動荷重下や腐食環境下で使用される機器、構造物の寿命は、荷重や環境等の外的条件の厳しい部位に亀裂が発生し、亀裂が成長して機器、構造物の機能を果たせなくなるか、或いは最終破壊を生じて機能を果たせなくなるまでの時間として定まる。
【０００４】
この寿命は、大きく分けて亀裂が発生するまでの時間と亀裂が成長する時間からなっている。亀裂の発生および成長の速度は、一般には荷重条件、環境条件と材料により異なる。荷重条件や環境条件が厳しいほど亀裂の発生および成長の時間が短くなる。
【０００５】
さらに、材料のほか荷重条件や環境条件が等しい場合には、残留応力により亀裂発生の時間が短縮化されることが知られている。したがって、機器や構造物を寿命予測に基づいて効率的に運用するには、残留応力を正確に把握する必要がある。
【０００６】
ここにおいて、疲労亀裂やＳＣＣ亀裂は一般に表面で発生するため、亀裂が発生するまでの時間の予測には表面残留応力を評価すればよい。表面残留応力の測定法としては、残留応力が生じている表面に評点を印し、その周囲の材料を除去することにより開放されるひずみを評点間距離の変化として測定し、解放されたひずみから計算した弾性応力を残留応力として評価する解放法がある。評点間距離の変化の測定には、光学的な方法や直接抵抗線ひずみゲージを用いる方法などがある。また、材料を除去して残留応力を解放させる方法にも、完全に評点の周囲を分離させる方法や完全に分離させた場合とほぼ同程度とみなせるような部分的な解放がある。
【０００７】
これらを第1の方法とすると、この第1の方法では、ひずみを完全に解放させるため、機器、構造物の表面を部分的に破壊する必要があり、解放前後の評点間距離の変化に及ぼす解放以外の材料除去による影響を防止するため、ある程度の体積が必要で、その中での平均的な残留応力を与えることになる。
【０００８】
第2の方法として、金属の結晶格子の弾性ひずみから直接残留応力を評価するＸ線回折法があり、非破壊的な測定が可能である。しかし、深さ方向の残留応力分布を測定する場合は、表面層を順次除去して残留応力測定を繰返すことになり、破壊的検査となる。
【０００９】
一方、亀裂が成長する時間の評価は、物体内部の残留応力が問題となる。一般に、機器や構造物では亀裂が発生しても直ちに機能を喪失したり破壊したりすることは稀で、破壊までに亀裂が進展、成長するのに長い時間を要する。この時間を利用することにより機器、構造物をより効率的に使用することが可能となるため、亀裂の進展挙動の予測は重要である。
【００１０】
前述した通り、亀裂は表面で発生して内部に進展、成長して行き、その進展速度は物体内部の残留応力により変化する。引張り残留応力下では進展速度が加速され、逆に圧縮残留応力下では減速する。したがって、亀裂の進展挙動を予測するには内部の残留応力を把握することが不可欠となる。
【００１１】
第3の方法として、物体内部の残留応力を直接評価する唯一の方法として中性子線回折法があり、Ｘ線回折法と同様に金属内部の結晶格子のひずみを中性子線の回折から測定する方法である。
【００１２】
しかし、金属内部まで中性子線を透過させるため強い線源が必要である。また、遮蔽も大掛かりになる。したがって、現在は試験用の原子炉等が中性子源として使用され、原子炉に入る試験片以外の大きな実構造物の測定には適用が困難である。
【００１３】
第4の方法、つまり内部の残留応力を評価する方法としては、測定しようとする面に亀裂を導入した時に解放されるひずみから残留応力を逆算する亀裂コンプライアンス法がある。しかし、この方法では予め亀裂を導入する面を決定しておかなければならないことや、亀裂により破壊されるこのなどにより、実機への適用が難しい。
【００１４】
第5の方法として、解析的な方法がある。熱弾塑性解析法のようにすべて解析による方法では、内部の残留応力を連続的に把握可能であるが、溶接現象をモデル化しているため、得られた結果の信頼性を、実規模のモックアップ試験体に対する測定など何らかの方法で確認する必要がある。
【００１５】
そして、第6の方法として、表面や内部の固有ひずみを測定して、固有ひずみにより発生する応力として残留応力を評価する方法があるが、内部の固有ひずみを測定するには、破壊的に測定する必要があり、やはり実機の測定には適用できない。
【特許文献１】特開2003-315171号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のように、従来の技術では、破壊的な測定が不可能な大きな寸法の実構造物の内部残留応力を評価する適当な手法が無いのが実状である。
【００１７】
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、機器、構造物等の余寿命を把握して効率的に運用できるように、破壊的な測定が不可能な大きな寸法の実構造物の内部残留応力を簡単かつ非破壊的に評価できる内部残留応力測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記目的を達成するため、本発明は、請求項１ないし１０記載の発明を提供するものである。
【００１９】
請求項１は、非破壊的に被測定物の表面残留応力を測定する表面残留応力測定部と、前記表面残留応力測定部によって測定された前記被測定物の表面残留応力の分布より物体内部の任意の位置における残留応力を求める内部残留応力評価部と、前記内部残留応力評価部により求めた残留応力分布を視覚表示する残留応力分布表示部とをそなえることを特徴とする。
【００２０】
請求項２は、請求項１の発明におけるＸ線残留応力測定部を被測定物表面に沿って３次元方向に走査可能なステージに搭載し、Ｘ線残留応力測定部を被測定物表面の任意の位置に移動可能な構造としたことを特徴とする。
【００２１】
請求項３は、請求項２の発明における走査用ステージに位置検出器を内蔵し、Ｘ線残留応力測定部の現在位置を出力することを特徴とする。
【００２２】
請求項４は、請求項２の発明における走査用ステージにモーター等による駆動装置を搭載することにより、Ｘ線残留応力測定部の位置を遠隔操作可能な構造としたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５は、請求項４の発明における走査用ステージにステージ制御システムを内蔵し、予めインプットされた測定位置を自動走査可能な構造としたことを特徴とする。
【００２４】
請求項６は、請求項５の発明における走査用ステージの制御システムとＸ線残留応力測定部を連動させることにより、自動測定が可能な構造としたことを特徴とする。
【００２５】
請求項７は、請求項６の発明におけるＸ線残留応力測定部により測定された物体表面残留応力分布の応力勾配に応じ、表面残留応力の測定間隔を再設定し自動で追加測定を行うことを特徴とする。
【００２６】
請求項８は、請求項６の発明における内部残留応力の計算結果より、表面残留応力測定点の最適化を行い、Ｘ線残留応力測定部にフィードバックして、自動で追加測定を行うことを特徴とする。
【００２７】
請求項９は、請求項２の発明におけるステージにＸ線残留応力測定部ではなく、被測定物を設置する構造としたことを特徴とする。
【００２８】
請求項１０は、請求項１の発明における物体表面残留応力測定に、非破壊測定法としてＸ線回析法、超音波法、レーザ等による画像処理による応力測定法を用いることを特徴とする。
【００２９】
請求項１１は、被測定物の表面残留応力を非破壊的に測定し、測定された前記被測定物の表面残留応力の分布より物体内部の任意の位置における残留応力を求め、求めた残留応力分布を視覚表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は上述のように、評価対象の機器、構造物等に対して破壊検査することなく、表面残留応力を非破壊的に測定することによって内部残留応力を求めることができる。また、表面残留応力測定部分の自動化、および表面残留応力測定部分と内部残留応力評価部分の連動により、測定の迅速化、高精度化を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明による内部残留応力測定装置の実施の形態について、図１ないし図４を参照して以下に説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１は、本発明による内部残留応力測定装置の実施例を示している。この装置は、Ｘ線残留応力測定部1と、内部残留応力評価部2と、残留応力分布表示部3とをそなえる。
【００３３】
Ｘ線残留応力測定部1は、被測定物Ｐの表面残留応力を非破壊的に測定する装置であり、超音波法、レーザ等による画像処理による応力測定法等の他の非破壊的な測定手法を用いることもできる。
【００３４】
このＸ線残留応力測定部1は、被測定物Ｐの表面に沿って３次元方向に走査可能なステージ4に搭載されており、Ｘ線残留応力測定部1を被測定物Ｐの表面上の任意位置に移動可能である。
【００３５】
走査ステージ4にはワイヤー式の位置検出器5が設けられており、Ｘ線残留応力測定部１の現在位置を走査ステージの制御部7に出力する。走査ステージ4にはサーボモーター6とボールネジ（図示せず）からなる駆動装置が設けられており、ステージ制御部7でサーボモーター6を制御することにより走査ステージ4を遠隔操作する。
【００３６】
ステージ制御部7では、予めインプットされた測定位置を、位置検出器5から出力される現在位置と比較し、サーボモーター6の制御により自動で走査する。また、ステージ制御部7は、Ｘ線残留応力測定部1と接続されており、Ｘ線残留応力測定部1が走査ステージ4によって所定の測定位置に移動した後、Ｘ線残留応力測定部１による測定を開始する。Ｘ線残留応力測定部1による測定が終了すると、Ｘ線残留応力測定部１が走査ステージ４により次の測定位置に移動される。
【００３７】
この動作を繰返すことにより、予めインプットされた測定点を自動測定することが可能である。また、走査ステージ7に、Ｘ線残留応力測定部1に替えて、被測定物Ｐを搭載しても同様の測定が行える。
【００３８】
内部残留応力評価部2では、Ｘ線残留応力測定部1により測定された被測定物Ｐの表面残留応力より、物体内部における残留応力発生源の大きさと分布を同定する。残留応力発生源の大きさと分布を同定するには、物体に作用する力（物体力）と、物体表面に作用するトラクションと変位との関係を示す第一関係式と、物体力と物体表面に作用するトラクションと変位と物体内部の任意の位置における応力の関係を示す第二関係式とにおいて、残留応力発生源を物体力とし、物体表面における一致を条件として前記第一および第二関係式を連立させて解くようにする。
【００３９】
一般に、境界値問題では、物体表面に作用する既知のトラクションtj*、変位uj*、と、物体に作用する物体力bjと、それらにより表面に発生するトラクションtjと変位ujととの間に、関係式(1)（第一関係式）が成立する。
【００４０】
uj*=f1(tj*, uj*, tj, uj)+f2(bj)                                                (1)
ここで、tj，ujは未知境界量であり、物体力bjも未知である。したがって、物体を要素に分割して関係式(1)を離散化することにより、表面上の未知の力tjと変位ujを求めることができる。
【００４１】
また、既知になった（このため諸量に*を付けて記す）表面上の全てのトラクションtj*、変位uj*および物体力bj*から、物体内部の任意位置における応力σを次式のように計算できる。
【００４２】
σ=g1(tj*, uj*)+g2(bj*)                                                    (2)
そして、滑らかな物体表面の応力σsを次式(3)（第二関係式）から計算できる。
【００４３】
σs=g1(tj*, uj*, tj, uj)+g2(bj)                                                (3)
なお、トラクションは、表面の外向き単位法線ベクトルn(n1, n2, n3)および応力成分σsijと以下の関係がある。
【００４４】
ti=σsijnj (i, j=1, 2, 3)
内部残留応力評価部2では、前記した原理を用い、既知の物体力bj*を未知の残留応力発生源とし、応力σsをＸ線残留応力測定部1により測定した表面残留応力として、式(1)、(3)を連立させて残留応力発生源bj*を同定し、既知になったbj*を用いて式(2)により内部の任意位置における残留応力を評価する。
【００４５】
残留応力分布表示部3は、内部残留応力評価部2で得られた結果を視覚的に表示する装置であり、詳細に検討したい位置、応力成分を指定することにより表示を行うものである。
【００４６】
図２に、Ｘ線残留応力測定部１(図１)による、被測定物Ｐにおける表面残留応力の分布の測定結果例を示す。グラフ中に示すＡ１は、初期入力された測定位置による表面残留応力分布である。この結果では、測定点Ｐ１と隣接する測定点Ｐ２の応力値σの差、すなわち応力勾配が大きく図中に破線で示した物体表面の実際の応力分布を正確に捉えられていない。
【００４７】
そこで、新たに測定点Ｐ１と測定点Ｐ２の間に測定点Ｐ１´を追加することにより、より正確な表面残留応力分布を捉えることが可能となる（Ａ２）。表面残留応力分布は、内部残留応力評価部２(図１)による内部残留応力の評価精度に大きく影響するため、表面残留応力分布をできるだけ正確に測定することが必要である。
【００４８】
X線残留応力測定部１では、隣接する２点の表面残留応力の応力勾配にある特定のしきい値を設け、２点間の応力勾配がこのしきい値より大きい場合には、２点間の例えば中間点に新たに測定点を設定し、自動で追加測定をするようにした。
【００４９】
図３に、内部残留応力の評価結果例を示す。グラフ中のＮ１〜Ｎ４は全て同一位置での内部残留応力分布を示すが、Ｎ１からＮ４まで段階的に表面残留応力の測定点数を増加させている。
【００５０】
このように、内部残留応力の評価結果は、表面残留応力の測定点数すなわち被測定物Ｐ(図１)における表面残留応力の分布の測定精度により影響を受ける。この結果では、Ｎ１からＮ３までの測定点数増加に伴う内部残留応力の評価結果の差は顕著であるが、Ｎ３とＮ４では殆ど変化が見られない。すなわち、測定点数の違いによる内部残留応力評価結果の変化量は、測定点数の増加に伴い小さくなる。
【００５１】
この装置では、内部残留応力評価部２(図１)において表面残留応力の測定点を追加しＸ線残留応力測定部１にフィードバックして、自動で追加測定を行うようにし、測定点の増加に伴う内部残留応力の変化量が小さくなるまで、段階的に測定点を自動追加することにより表面残留応力測定点の最適化を行うようにした。
【００５２】
図４は、残留応力分布表示部３における表示例を示したもので、内部残留応力の分布状態についての評価結果をグラフィック出力イメージとした一例を示す。この表示例では、板幅方向の残留応力を等高線表示している。ここでは、残留応力を等高線で表したが、例えば応力値を色に対応付けて表示する、といった方法でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施例を示した図。
【図２】表面残留応力分布の測定結果例を示した特性図。
【図３】内部残留応力の評価結果例を示した特性図。
【図４】内部残留応力分布の出力例を示した説明図。
【符号の説明】
【００５４】
１  Ｘ線残留応力測定部
２  内部残留応力評価部
３  残留応力分布表示部
４  走査ステージ
５  位置検出器
６  サーボモーター
７  ステージ制御部
９  溶接継手
１０  溶接金属
Ｐ  被測定物
【図１】
2005227138.tif 000003
【図２】
2005227138.tif 000004
【図３】
2005227138.tif 000005
【図４】
2005227138.tif 000006