残余应力测定装置以及残余应力测定方法

摘要

本发明提供残余应力测定装置以及残余应力测定方法，该装置具备：X射线产生源，其向测定对象物照射X射线；第一检测元件，其在第一检测位置检测所述测定对象物的衍射X射线的强度；第二检测元件，其在与所述第一检测位置不同的第二检测位置检测所述测定对象物的衍射X射线的强度；移动机构，其使所述第一检测元件以及所述第二检测元件分别沿着在与X射线的入射方向正交的方向延伸的直线移动；移动控制部，其使所述移动机构驱动，并控制所述第一检测元件以及所述第二检测元件各自的检测位置；应力计算部，其基于所述第一检测元件以及所述第二检测元件分别借助所述移动机构移动而分别检测出的衍射X射线的强度峰值，计算所述测定对象物的残余应力。

说明书

技术领域

本发明涉及残余应力测定装置以及残余应力测定方法。

背景技术

专利文献1中记载了一种使用X射线对测定对象物的残余应力进行测定的装置。该装置具备：向测定对象物发射X射线的X射线发射器、接收测定对象物的衍射光的成像板、使成像板旋转的旋转机构、从成像板进行读取的激光装置以及控制这些构成要素的控制器。

控制器预先存储与残余应力对应的衍射环的形状作为参考。然后，该装置利用成像板接收来自测定对象物的衍射光，一边利用旋转机构使成像板旋转、一边利用激光装置读取感光强度来取得衍射环，并将取得的衍射环的形状与参考的衍射环的形状进行比较。然后，该装置计算与最接近的形状的衍射环对应的残余应力作为测定对象物的残余应力。在测定出的衍射环不连续的情况下，该装置基于衍射环的形状，利用cosα法计算残余应力。

专利文献1：日本特开2013-113734号公报

然而，专利文献1记载的装置在残余应力的测定方面有可能会花费时间。例如由于需要使成像板旋转来取得信号，因此信号读取可能会花费时间。在本技术领域期望缩短残余应力的测定时间。

发明内容

本发明的一个侧面涉及的残余应力测定装置具备：X射线产生源，其向测定对象物照射X射线；第一检测元件，其在第一检测位置检测所述测定对象物的衍射X射线的强度；第二检测元件，其在与所述第一检测位置不同的第二检测位置检测所述测定对象物的衍射X射线的强度；移动机构，其使所述第一检测元件以及所述第二检测元件分别沿着在与X射线的入射方向正交的方向上延伸的直线移动；移动控制部，其使所述移动机构驱动，并控制所述第一检测元件以及所述第二检测元件各自的检测位置；应力计算部，其基于所述第一检测元件以及所述第二检测元件分别借助所述移动机构移动而分别检测出的衍射X射线的强度峰值，计算所述测定对象物的残余应力。

在该装置中，具备：利用移动机构以及移动控制部在第一检测位置检测测定对象物的衍射X射线的强度的第一检测元件、以及在与第一检测位置不同的第二检测位置检测测定对象物的衍射X射线的强度的第二检测元件。根据这样的构成，能够通过一次X射线的照射而得到两个角度的衍射X射线。此外，由于第一检测元件以及第二检测元件分别沿着在与X射线的入射方向正交的方向上延伸的直线移动，从而能够在每个元件取得X射线强度分布(衍射峰值)。另外，能够通过至少取得两个衍射峰值来计算测定对象物的残余应力，因此无需使成像板旋转来取得衍射环的全部数据。因此与现有的残余应力测定装置相比，能够实现残余应力测定时间的缩短。

在一个实施方式中，所述移动控制部也可以使所述第一检测元件的动作与所述第二检测元件的动作同步。在该情况下，与分别控制第一检测元件与第二检测元件的情况相比，能够实现残余应力测定时间的缩短。

本发明的其他侧面涉及的残余应力测定方法，是使用残余应力测定装置对测定对象物的残余应力进行测定的残余应力测定方法，所述残余应力测定装置具备：X射线产生源；第一检测元件，其在第一检测位置检测测定对象物的衍射X射线的强度；第二检测元件，其在与第一检测位置不同的第二检测位置检测测定对象物的衍射X射线的强度；以及移动机构，其使第一检测元件以及第二检测元件分别沿着在与X射线的入射方向正交的方向上延伸的直线移动，所述残余应力测定方法包括以下步骤：X射线照射步骤，向测定对象物照射X射线；移动控制步骤，使所述移动机构驱动，使所述第一检测元件以及所述第二检测元件移动；应力计算步骤，基于在所述移动控制步骤的执行过程中所述第一检测元件以及所述第二检测元件分别检测出的所述测定对象物的衍射X射线的强度峰值，计算所述测定对象物的残余应力。

在一个实施方式中，也可以在所述移动控制步骤中，使所述第一检测元件的动作与所述第二检测元件的动作同步。

上述的残余应力测定方法发挥与上述的残余应力测定装置同样的效果。

根据本发明的侧面以及实施方式，能够实现残余应力测定时间的缩短。

附图说明

图1是说明本实施方式的残余应力测定装置的构成的概要图。

图2是说明本实施方式的残余应力测定装置的示意性构成的图。

图3是说明本实施方式的残余应力测定装置的检测位置的概要图。

图4是说明衍射环的概要图。

图5是表示本实施方式的残余应力测定方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本实施方式进行说明。另外在以下的说明中，对相同或者相当的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。

本实施方式的残余应力测定装置1是使用X射线对测定对象物的残余应力进行测定的装置。残余应力测定装置1例如能够在工厂的生产线中检查所制造的产品的品质的情况下采用，但并不限定于此。测定对象物例如能够是无取向(各向同性的结晶构造)且由金属多晶材料形成的。

图1是说明本实施方式的残余应力测定装置1的构成的概要图。如图1所示，残余应力测定装置1具备：包括X射线产生源10的装置主体100以及控制装置200。

装置主体100为箱状的框体，例如在其内部收纳X射线产生源10。X射线产生源10具备X射线球管，是产生规定波长的X射线的装置。X射线产生源10例如固定于装置主体100。X射线按照测定对象物S而使用适当波长的X射线。在装置主体100的前表面形成有X射线照射用的窗(准直器的一个例子，未图示)。在X射线产生源10产生的X射线经由窗向测定对象物S照射。

装置主体100具备第一检测元件11A以及第二检测元件11B。在此，第一检测元件11A以及第二检测元件11B配置于装置主体100的形成有X射线照射用的窗(未图示)的侧面。第一检测元件11A以及第二检测元件11B分别检测测定对象物S的衍射X射线的强度。第一检测元件11A为0维的X射线强度测定元件。所谓的0维意味着在元件的配置位置测定X射线的强度。即，第一检测元件11A与沿着直线配置有多个元件的一维的线传感器、在平面配置有多个元件的二维的成像板不同。第二检测元件11B也是0维的X射线强度测定元件。作为第一检测元件11A以及第二检测元件11B，例如使用闪烁计数器。

装置主体100具备移动机构120，该移动机构120使第一检测元件11A以及第二检测元件11B分别沿着在与X射线的入射方向正交的方向上延伸的直线移动。所谓在与X射线的入射方向正交的方向上延伸的直线意味着将入射X射线作为法线的平面上的直线。在图1的例子中，移动机构120使第一检测元件11A以及第二检测元件11B沿着在X方向上延伸的直线移动。移动机构120例如使用电动促动器。作为更具体的一个例子，移动机构120例如具备：电动马达121、滚珠丝杠部122以及螺母部123A、123B。电动马达121相对于滚珠丝杠部122所具备的丝杠轴以施加以轴向为中心的旋转力的方式连接。螺母部123A、123B以能够沿轴向移动的方式安装于滚珠丝杠部122。在螺母部123A安装有第一检测元件11A，在螺母部123B安装有第二检测元件11B。若电动马达121驱动，则滚珠丝杠部122的丝杠轴旋转，且螺母部123A、123B朝同一方向同步移动。即，第一检测元件11A与第二检测元件11B沿着同一丝杠轴朝同一方向同步移动。利用移动机构120，第一检测元件11A以及第二检测元件11B能够在直线上变更X射线强度的检测位置。

第一检测元件11A在第一检测位置检测测定对象物S的衍射X射线的强度。第二检测元件11B在与第一检测位置不同的第二检测位置，检测测定对象物S的衍射X射线的强度。第一检测位置以及第二检测位置能够根据测定对象物S的材料、焦距而变化。在本实施方式中，第一检测元件11A以及第二检测元件11B同步移动预先设定的同一距离。预先设定的距离为能够得到所需的衍射强度分布的范围的距离。

移动机构120连接于控制装置200。控制装置200由具备CPU(Central ProcessingUnit：中央处理器)、ROM(Read Only Memory：只读存储器)、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)等通用的计算机构成。控制装置200例如具备处理装置201、输入装置202以及输出装置203。

图2是说明本实施方式的残余应力测定装置的示意性构成的图。如图2所示，处理装置201具备：输入输出部20、移动控制部21、应力计算部22以及存储部23。

输入输出部20为网卡等通信设备以及显卡等输入输出装置。例如，输入输出部20以能够通信的方式与电动马达121连接。输入输出部20例如以能够通信的方式与输入装置202以及输出装置203连接。此外，输入输出部20连接于第一检测元件11A以及第二检测元件11B。后述的移动控制部21以及应力计算部22，经由输入输出部20而与各构成要素进行信息的交换。

移动控制部21使移动机构120驱动，并控制第一检测元件11A以及第二检测元件11B各自的检测位置。例如，移动控制部21预先取得基于构成测定对象物S的材料决定的峰值出现角度，并以包括峰值出现角度的方式控制第一检测元件11A以及第二检测元件11B各自的检测位置。基于构成测定对象物S的材料决定的峰值出现位置，例如存储于存储部23。

图3是说明本实施方式的残余应力测定装置1的检测位置的概要图。在图3中示出对测定对象物S照射入射X射线X_IN，并以衍射角2θ输出衍射X射线的情况。在该情况下，由衍射X射线在规定平面PL绘制衍射环R。在此，在本实施方式中，以分别在与衍射X射线的衍射环的0°对应的检测位置、与衍射X射线的衍射环的180°对应的检测位置出现强度峰值并取得该部分(即，成为对称的点)的衍射强度的情况为例。图4是说明衍射环的概要图。在图4中用相同的附图标记表示与图3对应的部分。如图3、图4所示，在与衍射环R的0°对应的第一检测位置P1检测衍射X射线X_R1，在与衍射环R的180°对应的第二检测位置P2检测衍射X射线X_R2。在该情况下，移动控制部21设定为使第一检测元件11A在包括与衍射环R的0°对应的第一检测位置P1在内的范围移动。同样，移动控制部21设定为使得第二检测元件11B在包括与衍射环R的180°对应的第二检测位置P2在内的范围移动。由此，通过一次X射线的照射能够得到两个角度的衍射X射线，能够得到两个X射线衍射强度分布。

应力计算部22基于分别在第一检测位置P1以及第二检测位置P2检测出的X射线衍射强度分布(角度以及强度的关系)，取得衍射峰值。在此，能够得到与衍射环R的0°对应的强度峰值、与衍射环R的180°对应的强度峰值这两个强度峰值。图4所示的虚线的衍射环R_R是测定对象物不存在残余应力的情况下的衍射环。残余应力存在的衍射环R与残余应力不存在的衍射环R_R相比，中心位置与残余应力对应地偏移。应力计算部22利用该差来计算残余应力值。例如，应力计算部22使用cosα法计算残余应力值。在cosα法中，根据表示cosα(α：衍射中心角)与应变ε的关系的ε-cosα线图的倾斜度得到残余应力，上述应变ε用衍射环上的四个位置(α、π+α、－α、π－α)的应变(ε_α、ε_π+α、ε_－α、ε_π－α)表示。应力计算部22使用α＝0°、α＝180°这两点来计算ε-cosα线图的倾斜度(一次函数的倾斜度)。然后，应力计算部22将一次函数的倾斜度乘以X射线应力测定乘数而得到残余应力。X射线应力测定乘数是由杨氏模量、泊松比、布拉格角的余角以及X射线入射角决定的常量，预先存储于例如存储部23。应力计算部22也可以向存储部23存储计算出的残余应力，也可以向输出装置203输出。

至此，结束对残余应力测定装置1的构成的说明。接下来，对使用残余应力测定装置1的残余应力测定方法进行说明。图5是表示本实施方式的残余应力测定方法的流程图。

首先，进行残余应力测定前的调整处理。图5(A)是表示残余应力测定前的调整处理的流程图。如图5(A)所示，首先进行角度调整处理(S10)。在该处理中，调整入射X射线相对于测定对象物S的角度。例如如图2所示，通过使装置主体100倾斜来调整倾斜角θ1，从而调整入射X射线的角度。另外，使装置主体100倾斜的处理可以由另外的装置(控制部以及促动器)进行，也可以由测定者进行。通过S10的处理，将测定中的入射角度固定为规定角度(单一角度)。

接下来，进行焦点调整处理(S12)。在该处理中，调整入射X射线相对于测定对象物S的焦点。例如，通过变更测定对象物S的高度、变更装置主体100的位置，从而调整入射X射线的焦点。另外，变更高度、位置的处理可以由另外的装置(控制部以及促动器)进行，也可以由测定者进行。

至此，图5(A)所示的流程图结束。若图5(A)所示的流程图结束，则成为能够对测定对象物S的残余应力进行测定的状况。接下来，进行残余应力的测定。图5(B)是表示残余应力的测定方法的流程图。

如图5(B)所示，首先进行X射线照射处理(S20：X射线照射步骤)。在S20的X射线照射处理中，从X射线产生源10向测定对象物S照射X射线。接下来，在S20的X射线照射处理的执行过程中进行测定处理(S22：移动控制步骤)。在S22的测定处理中，利用移动机构120以及移动控制部21使第一检测元件11A以及第二检测元件11B移动，基于移动中的检测结果，得到两个X射线衍射强度分布。在S22的测定处理结束的情况下，也可以结束X射线的照射。接下来，进行残余应力计算处理(S24：应力计算步骤)。在S24的残余应力计算处理中，利用应力计算部22，基于移动中所得到的两个X射线衍射强度分布，取得两个强度峰值。然后，利用应力计算部22计算ε-cosα线图的倾斜度，并乘以X射线应力测定乘数来计算残余应力。最后，将由应力计算部22计算出的残余应力存储于存储部23，或者向输出装置203输出。

至此，图5(B)所示的流程图结束。通过执行图5(B)所示的控制处理，从而能够使用使第一检测元件以及第二检测元件移动所得到的数据来计算残余应力。

如上所述，本实施方式的残余应力测定装置1具备：利用移动机构120以及移动控制部21在第一检测位置P1检测衍射X射线的强度的第一检测元件11A、以及在与第一检测位置P1不同的第二检测位置P2检测衍射X射线的强度的第二检测元件。根据这样的构成，能够通过一次X射线的照射(单一角度的照射)得到两个角度的衍射X射线。此外，使第一检测元件11A以及第二检测元件11B分别沿着在与X射线的入射方向正交的方向上延伸的直线移动，从而能够在每个元件取得X射线强度分布(衍射峰值)。另外，通过至少取得两个衍射峰值，能够计算测定对象物S的残余应力，因而无需使成像板旋转来取得衍射环的全部数据。因此与现有的残余应力测定装置相比，能够实现残余应力测定时间的缩短。

另外，在本实施方式的残余应力测定装置1中，由于无需具备使成像板旋转的机构、读取机构，因而与现有的残余应力测定装置相比，装置简单化、轻型化。因此与现有的残余应力测定装置相比，装置的设置变得简单，能够成为易于组装于其他机械的构造。进而装置构成简单化，从而与现有的残余应力测定装置相比，能够减少装置的制造成本。

此外，移动控制部21通过使第一检测元件11A的动作与第二检测元件11B的动作同步，从而与分别控制第一检测元件11A与第二检测元件11B的情况相比，能够实现残余应力测定时间的缩短。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施方式。本发明也可以按照基于本领域技术人员的知识对上述的实施方式实施了各种变更、改进后的各种方式来实施。

例如，在上述实施方式中，对残余应力测定装置1在工厂的生产线中采用的例子进行了说明，但是残余应力测定装置1也可以设置在不配置于生产线的装置中。另外，在上述实施方式中，对残余应力测定装置1具备第一检测元件11A以及第二检测元件11B的例子进行了说明，但是只要至少具备两个检测元件即可。即，残余应力测定装置1也可以具备三个以上的检测元件。

另外，在上述实施方式中，对移动机构120利用一组电动马达121以及滚珠丝杠部122，分别使第一检测元件11A以及第二检测元件11B移动的例子进行了说明，但是也可以具备分别与第一检测元件11A以及第二检测元件11B对应的电动马达以及滚珠丝杠部。在该情况下，控制装置200通过控制分别与第一检测元件11A以及第二检测元件11B对应的电动马达，从而能够控制第一检测元件11A以及第二检测元件11B的动作。控制装置200能够控制两个滚珠丝杠轴，使第一检测元件11A以及第二检测元件11B的动作同步，也能够进行不同的动作。

此外，上述实施方式的残余应力测定装置1也可以组装于喷丸硬化装置等。在该情况下，在上述实施方式中说明的输入输出部20构成为能够接受从喷丸硬化装置的控制面板的顺序控制器输出的信号，移动控制部21以及应力计算部22基于该信号进行动作，从而进行残余应力的测定。

附图标记说明：1…残余应力测定装置；2θ…衍射角；10…X射线产生源；11A…第一检测元件；11B…第二检测元件；21…移动控制部；22…应力计算部；120…移动机构。