JPH02248824A - 残留応力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は所謂電磁超音波を利用して被検材の残留応力を
測定する残留応力測定装置に関する。

〔従来技術〕

近年、金属材等を非破壊的に検査する一手法として、物
質の背伸性（ａｃｏｕｓｔｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）を
利用する手法が普及している。これは、偏波した横波（
剪断波）の伝播速度が物質に加わっている応力に応じて
変化するという背伸性の性質を利用したものである。

具体的には、偏波した横波がプローブから被検材内部へ
向けて発せられ、その被検材の反対面からの反射波をプ
ローブコイルにて電気信号として受信し、その送受信間
の時間を計時する。次に、上述の場合とは９０’異なる
方向に偏波した横波を発するようにプローブコイルの方
向性を変えて同様の測定を行えば、両者の時間差から被
検材の内部残留応力が測定可能である。

以下前記音弾性を利用した残留応力の測定原理について
説明する。被検材である二軸応力状態にある弾性体にお
いて、主応力方向に偏向した２つの横波の伝播速度を夫
々Ｖ、、Ｖ２とすれば、弾性体の直交異方性の軸（一般
に鋼材の圧延の圧延方向とそれに直交する方向）の方向
と主応力方向とが一致する場合には、前記二軸応力の夫
々の軸の主応力σ１．σ２の偏差である主応力差（σ１
σ２）と伝播速度差（Ｖ、　　Ｖ２）とが下記（１１式
に示す如き関係となる。

但し、ＶＯＩ＋　　■０２’無応力状態のＶ、、Ｖ２α
：被検材の組織音響異方性を考慮した定数 Ｃ八：背伸性定数 （１１式に示す如き比例関係は伝播速度Ｖ、、Ｖ２を伝
播時間Ｔ、、Ｔ２に置き換えると、下記（２）式％式％ 残留応力の実際の測定にあっては、横波の伝播時間Ｔ、
、Ｔ、を計測し、（２）式を用いて残留応力を算出する
。このような測定原理を利用した残留応力の測定装置と
しては、例えば直交する２方向に偏波した横波を発生さ
せ、これらの伝播時間差を計測することにより２応力場
で主応力差（σ１σ２）を求める装置が提案されている
（実開昭６３−１７５８３０号公報、実開昭６３−１４
８８４３号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述した如き音弾性を利用し、残留応力を求めるべく横
波の伝播時間を計測する場合、残留応力による伝播時間
の変化率は例えば厚さ１２５ｍｍの車輪の場合には約５
　ｎｓ／ｋｇ／ｍｌ１１２である。これに対して被検材
の温度の変動に対する伝播時間の変化率は約１０ｎｓ／
”Ｃであり、又、計器精度は経時変化により数＋ｎｓの
範囲で変動する。これらは横波の伝播時間計測の誤差の
要因となるが、音弾性を利用して残留応力を求める場合
、２種類の横波の伝播速度差より残留応力を求めるため
前記誤差の要因の大部分は相殺される。しかし、横波の
伝播時間の計測はｎｓのオーダで行われるため、相殺さ
れずに残った誤差が計測結果に与える影響は大きいとい
うのが現状である。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、磁石
に発生する電磁超音波が磁石中の所定距離を伝播するに
要する伝播時間を計測し、この計測結果によって被検材
中の電磁超音波の伝播時間計測値を補正することにより
被検材の温度及び計器精度に影響を受けることなく計測
精度が良い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〕

本発明に係る第１の残留応力測定装置は、被検材に対し
て磁石及びプローブコイルを対向配置し、磁石及びプロ
ーブコイルに通電することにより直交する２方向に偏波
した電磁超音波を被検材に発生させ、これらの電磁超音
波が被検材中の所定距離を伝播するに要する伝播時間の
差を計測することにより被検材の残留応力を測定する残
留応力測定装置において、前記電磁超音波の夫々が該磁
石中の所定距離を伝播するに要する伝播時間を計測する
手段と、該手段の計測結果に基づき前記被検材中の伝播
時間の計測値の補正を行う手段とを具備することを特徴
とする。

また、本発明に係る第２の残留応力測定装置は、計測結
果に基づき前記伝播時間の計測値の有効性を判断するこ
とを特徴とする。

〔作用〕

磁石内を伝播する電磁超音波の伝播速度は温度変化及び
計器精度の変化が無い場合、一定値であるため、この伝
播速度を基準値とし、実際に計測された磁石内の伝播時
間より伝播速度の前記基準値よりの偏差を求める。該偏
差の前記基準値に対する比は被検材において計測される
伝播速度とその基準値との偏差の該基準値に対する比に
等しいため、この比で被検材中の所定距離間の伝播時間
の補正を行う。また、経年変化により計器精度が悪化し
た場合、計測値に異常値が現れる。これを検知すべ（直
交する２方向の電磁超音波の伝播速度の基１！値を予め
定めておき、該基準値と実測値との比較を行い、基準値
と実測値との偏差が所定値より大きい場合はこの実測値
を異常値と見なし、有効ではないと判断する。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。第１図は本発明に係る残留応力測定装置の全体
の構成を示すブロック図である。

図中１は電磁石であり、該電磁石１のコの字形鉄心１１
の夫々の両脚部には磁化コイル１２が巻回されており、
該磁化コイル１２に直流電源３５より電流が通流される
ことにより、鉄心１１の一端部がＳ極に、また他端部が
Ｎ極になって電磁石として作用する。

鉄心１１はその先端部である磁極面が被検材に対向する
ように配設されており、この電磁石の磁力により被検材
２の内部に磁場が発生する。Ｎ極側の先端部である磁極
面には楕円形の第１のプローブコイル１３ａをその長軸
を鉄心１１の両磁極を結ぶ方向と一致させて設けてあり
、楕円形の第２のプローブコイル１３ｂをその長軸をプ
ローブコイル１３ａの長軸の方向と直交する方向に設け
である。

プローブコイル１３ａはパルス発振回路３３に接続され
、またプローブコイル１３ｂはパルス発振回路３４に接
続されており、パルス発振回路３３又はパルス発振回路
３４はトリガ回路３１より切換回路３２を経て入力され
るトリガ信号の入力タイミングに応じてプローブコイル
１３ａ又はプローブコイル１３ｂにパルス信号を与える
。なお、前記切換回路３２は後述する切換回路４３と連
動するようになっている。

プローブコイル１３ａ及びプローブコイル１３ｂは入力
された夫々のパルス信号による電磁誘導によって被検材
２の表面に渦電流を発生させる。この渦電流と電磁石１
により発生させられる磁場との相互作用によりローレン
ツ力が作用し、被検材２の表面より電磁超音波が被検材
２の内部方向へ伝播される。また、これと同様に鉄心１
１の磁極面よりその内部へ電磁超音波が伝播される。ブ
ローフコイル１３ａ及びプローブコイル１３ｂより夫々
発せられる電磁超音波は、被検材２内及び鉄心１１の脚
部内を伝播されてその他端面にて反射され、再度被検材
２の表面及び鉄心１１の磁極面まで戻り、ここで磁場と
の相互作用によりプローブコイル１３ａ及びプローブコ
イル１３ｂに誘導電流が誘起される。

これらの誘導電流はプローブコイル１３ａより前置増幅
器４１へ与えられ、プローブコイル１３ｂより前置増幅
器４２へ与えられる。

前置増幅器４１及び前置増幅器４２では、入力された信
号を所定量増幅して切換回路３２と連動する切換回路４
３を経て主増幅器４４へ入力させる。主増幅器４４では
入力された信号を所定量増幅し、計時装置４５へ入力さ
せる。

以上説明した信号系においては、切換回路３２の接続切
換えによってパルス発振回路３３．３４よりプローブコ
イル１３．１３ｂに対してパルス信号が交互に与えられ
る。これによりプローブコイル１３ａ、１３ｂの夫々が
交互に通電され、直交する２方向の電磁超音波が交互に
被検材２内を伝播する。この反射波の受信信号はプロー
ブコイル１３ａより前置増幅器４２へ入力され、またプ
ローブコイル１３ｂより前置増幅器４１へ入力される。

そして切換回路４３は前記切換回路３２と連動している
ため、測定を実施しているプローブコイル１３ａ（又は
１３ｂ）に接続されている前置増幅器４１（又は４２）
の出力は、常に主増幅器４４を経て計時装置４５へ入力
される。

第２図は主増幅器４４より出力される前記電磁超音波の
受信波形を示す波形図である。（ａ）はプローブコイル
１３ａにより受信された波形であり、（ｂｌはプローブ
コイル１３ｂにより受信された波形である。

図においてＳは送信波、Ｔは鉄心１１内を往復した反射
波、Ｂは被検材２内を往復した反射波である。

前記計時装置４５では、プローブコイル１３ｂにより受
信された結果よりパルス発振回路３３がパルス信号を受
信した時点より、鉄心ｌｌ内の他端にて反射した反射波
Ｔが受信された時点までの時間Ｔ、と、被検材２内の他
端にて反射した反射波Ｂが受信された時点までの時間Ｂ
＋　とを夫々計時すると共に、パルス発振回路３４がパ
ルス信号を発信した時点より前記反射波Ｔが受信された
時点までの時間Ｔ２と、前記反射波Ｂが受信された時点
までの時間Ｂ２とを夫々計時する。これらの計時結果Ｔ
、、Ｂ、。

Ｔ２　、Ｂｚは演算回路４６へ与えられ、該演算回路４
６では、計時結果Ｔ、、Ｔ２により計時結果ＢＢ２を補
正し、補正後のＢｌ、Ｂ２の値に基づき被検材２の残留
応力を算出すると共に、計時結果Ｔ、とＴ２との偏差に
より計時結果Ｂ、、Ｂ２の有効性を判定する。

次に本発明の第１の残留応力測定装置において、前記演
算回路４６にて行われる計時結果Ｂｌ、Ｂ２の補正方法
について説明する。残留応力測定における基準温度であ
る所定温度状態の鉄心１１において、プローブコイル１
３ａ、１３ｂによりこれらに対向する夫々の一端面にて
発生し、他端面に向けて伝播する、直交する２方向に偏
波した電磁超音波が他端面にて反射し、■往復するまで
の時間を測定し、これにより鉄心ｌｌ内の基準伝播速度
■。Ｉ＋■０を夫々予め求めておく。被検材２の厚さを
り３、これに対向する方向の鉄心１１の厚さをＤＴとす
ると、前記１往復に要する時間’Ｉ’＋、Ｔｔは下記（
３）（４）式に示す如く求められる。

Ｔ＋　＝Ｄｒ　／　（Ｖ。、＋に−Ｃ）　　・・・（３
）Ｔｚ　−Ｄｒ　／　（Ｖｏｚ＋に−Ｃ）　　・・・（
４）但し、Ｋ：鉄心温度の基準温度差からの変化量によ
る伝播速度の変化率 Ｃ：鉄心温度の基準温度差からの変化量（３１，（４１
式においてＫＣは基準伝播速度Ｖ　６１．　　Ｖ　６　
ｚに対する鉄心温度に起因する伝播速度の変化量である
。この伝播速度の変化量ＫＣを前記（３）、　（４１式
の平均をとることにより下記（５）式の如く求める。

伝播速度■。Ｉｔ　　ＶＯＺとにより鉄心１１内の伝播
速度はＫ　Ｃ／　Ｖｏｗ、　　Ｋ　Ｃ／　Ｖｏｚの比率
にて変化することがわかる。このＫＣ／Ｖ。Ｉｔ　　Ｋ
Ｃ／Ｖｏｚを用いて下記＋６１．　（７）式の如（被検
材２中の温度状態に起因する電磁超音波の伝播速度の変
化を補償することにより計時結果Ｂ、、Ｂ２を補正し、
計時結果補正値Ｂｌ　　、Ｂｚ’を得る。

Ｂ＋’　＝Ｂ＋　　（１＋ＫＣ／Ｖｏｗ）　・（６）Ｂ
ｚ’　＝Ｂｚ　　（１＋ＫＣ／Ｖ。２）・・・（７）ま
た、本発明に係る第２の残留応力測定装置において前記
計時結果Ｂ＋、Ｂｚの有効性を判断する方法について説
明する。前記基準温度において、予め鉄心１１内の直交
する２方向の電磁超音波の伝播時間差ＴＩ　　Ｔ！−Δ
Ｔ０を測定しておき、このΔＴｏと実際の計時結果の伝
播時間差ΔＴとがΔＴｏ−ΔＴ＜Ｌ（Ｌは定数）の条件
を満たすか否かを判断し、この条件が満たされない場合
は、補正結果Ｂｌ　　＋　８２′が計器の精度不良に起
因する異常値であり、有効ではないと認識し、被検材２
内の伝播時間差Ｂ、’−Ｂ、＝ΔＢより前記伝播時間差
ΔＴのその基準値ΔＴ、に対する偏差（ΔＴ０−八Ｔ）
へ減じ、被検材２内の伝播時間差ΔＢをΔＢ−（ΔＴ０
−ΔＴ）に補正し、残留応力を計算する。このようにす
れば、経年変化による計器精度の悪化に起因する異常値
が計時結果より排除される。

このようにして求められた計時結果Ｂｌ、Ｂ２を用い、
下記（８）式によって残留応力の応力値を算出する。

そして演算回路４６では前記応力値の算出結果を出力す
ると共に、計時結果が異常である場合は異常データであ
ることを出力する。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明に係る残留応力測定装置におい
ては、磁石側に発生する電磁超音波が磁石中の所定距離
を伝播するに要する伝播時間を計測し、この計測結果に
より被検材中の電磁超音波の伝播時間計測値を補正する
と共に、該伝播時間計測値の有効性を判別するため、被
検材の温度及び計器精度に影響を受けずに残留応力を精
度良く測定することができる等本発明は優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る残留応力測定装置の全体の構成を
示すブロック図、第２図は電磁超音波の受信波形を示す
波形図である。 １・・・電磁石　２・・・被検材　１３ａ、　１３ｂ・
・・プローブコイル　４５・・・計時装置　４６・・・
演算回路・・・（８）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被検材に対して磁石及びプローブコイルを対向配置
   し、磁石及びプローブコイルに通電することにより直交
   する２方向に偏波した電磁超音波を被検材に発生させ、
   これらの電磁超音波が被検材中の所定距離を伝播するに
   要する伝播時間の差を計測することにより被検材の残留
   応力を測定する残留応力測定装置において、 前記電磁超音波の夫々が該磁石中の所定距 離を伝播するに要する伝播時間を計測する手段と、 該手段の計測結果に基づき前記被検材中の 伝播時間の計測値の補正を行う手段とを具備することを
   特徴とする残留応力測定装置。 ２、前記計測結果に基づき前記伝播時間の計測値の有効
   性を判断することを特徴とする請求項１記載の残留応力
   測定装置。