專利名稱：組織材質(zhì)測定裝置及組織材質(zhì)測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過測量材料內(nèi)產(chǎn)生的超聲波振蕩來評價該材料的組織材質(zhì) 測定裝置及組織材質(zhì)測定方法，特別涉及采用超聲波振蕩測量的金屬材料的組 織材質(zhì)測定。
背景技術(shù)：
鋼鐵材料的組織材質(zhì)中具有被稱為機械性質(zhì)的強度和延展性，這些機械性 質(zhì)一般通過拉伸試驗等各種試驗來測量。另外，由于這些鋼鐵材料的機械性質(zhì) 與結(jié)晶粒徑等金屬組織有關(guān)，因此也可以通過掌握結(jié)晶粒徑等金屬組織來計算 出上述機械性質(zhì)。但是，在以往的上述各種試驗和結(jié)晶粒徑測量中，需要有試 片切制、研磨、顯微鏡觀察等多個工序，而各個工序中需要花費大量的工夫和 時間。因此，迫切希望預(yù)先無損地測量結(jié)晶粒徑，最近提出了使用超聲波振蕩 的方法作為一種無損地進(jìn)行結(jié)晶粒徑測量的方法。
另外，作為無損地進(jìn)行結(jié)晶粒徑測量的已有技術(shù)，提出了如下方案即從
Nd-YAG激光器等超聲波振蕩器對被測材料的一側(cè)表面照射脈沖激光，使被測材
料的另一側(cè)表面發(fā)生振蕩位移，同時利用零差干涉儀等超聲波檢測器檢測在上 述被測材料的另一側(cè)表面產(chǎn)生的振蕩位移(例如參照專利文獻(xiàn)l)。另外，圖
IO是表示以往的組織材質(zhì)測定裝置的構(gòu)成圖，表示上述已有技術(shù)。 專利文獻(xiàn)l:日本專利第3184368號公報

發(fā)明內(nèi)容
專利文獻(xiàn)l記載的內(nèi)容中并沒有設(shè)定各種測定對象，根據(jù)被測材料的狀態(tài)， 有時不適用于結(jié)晶粒徑的分析。尤其是在與超聲波檢測器對向的被測材料的另 一側(cè)表面上附有氧化膜時，存在返回到超聲波檢測器的光通量很少、從而無法 充分實施結(jié)晶粒徑的分析的問題。
本發(fā)明是為了解決上述問題而迸行的，其目的在于提供一種可以通過除去
5附著于被測材料表面的氧化膜、來確實地實施無損結(jié)晶粒徑測量的組織材質(zhì)測 定裝置及組織材質(zhì)測定方法。
本發(fā)明有關(guān)的組織材質(zhì)測定裝置具備對軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、 使得在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振蕩的超聲波振蕩器；通過對軋制產(chǎn) 品的另一側(cè)表面照射激光并接收來自軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、從而檢 測在軋制產(chǎn)品的另二側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的超聲波檢測器；根據(jù)超聲波檢 測器得出的檢測結(jié)果、算出軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的粒徑計算裝置；以及向從超 聲波檢測器對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置照射激光、以除去軋 制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜的表面除去裝置。
另外，本發(fā)明有關(guān)的組織材質(zhì)測定方法具備向從超聲波檢測器對軋制產(chǎn) 品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置、從表面除去裝置照射激光而除去軋制產(chǎn) 品的另一側(cè)表面的氧化膜的步驟；在除去軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜后從 超聲波振蕩器對軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使得在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面 發(fā)生超聲波振蕩的步驟；通過從超聲波檢測器對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激 光并利用超聲波檢測器接收來自軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、從而檢測在 軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的步驟；以及根據(jù)超聲波檢測器得出 的檢測結(jié)果、算出軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的步驟。
本發(fā)明通過采用如下結(jié)構(gòu)，即具備對軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使 得在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振蕩的超聲波振蕩器；通過對軋制產(chǎn)品 的另一側(cè)表面照射激光并接收來自軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、從而檢測
在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的超聲波檢測器；根據(jù)超聲波檢測 器得出的檢測結(jié)果、算出軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的粒徑計算裝置；以及向從超聲 波檢測器對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置上照射激光、以除去軋 制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜的表面除去裝置，從而可以除去附著于被測材料 表面的氧化膜，確實地實施無損結(jié)晶粒徑測量。
同樣地，本發(fā)明通過釆用如下結(jié)構(gòu)，即具備向從超聲波檢測器對軋制產(chǎn)
品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置、從表面除去裝置照射激光而除去軋制產(chǎn)
品的另一側(cè)表面的氧化膜的步驟；在除去軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜后從 超聲波振蕩器對軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使得在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面 發(fā)生超聲波振蕩的步驟；通過從超聲波檢測器對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激 光并利用超聲波檢測器接收來自軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、從而檢測在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的步驟；以及根據(jù)超聲波檢測器得出 的檢測結(jié)果、算出軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的步驟，從而可以除去附著于被測材料 表面的氧化膜，確實地實施無損結(jié)晶粒徑測量。


圖l是表示本發(fā)明實施方式l中的組織材質(zhì)測定裝置的構(gòu)成圖。
圖2是表示本發(fā)明實施方式1中的組織材質(zhì)測定裝置的主要部分構(gòu)成圖。
圖3是表示本發(fā)明實施方式1中的組織材質(zhì)測定裝置的配置圖。
圖4是表示本發(fā)明實施方式1中的組織材質(zhì)測定裝置的主要部分構(gòu)成圖。
圖5是表示本發(fā)明實施方式2中的組織材質(zhì)測定裝置的主要部分構(gòu)成圖。
圖6是表示本發(fā)明實施方式3中的組織材質(zhì)測定裝置的配置圖。
圖7是表示本發(fā)明實施方式4中的軋制設(shè)備主要部分的構(gòu)成圖。
圖8是表示組織材質(zhì)的預(yù)測模型的構(gòu)成圖。
圖9是表示本發(fā)明實施方式4中的軋制設(shè)備的其他構(gòu)成圖。
圖10是表示以往的組織材質(zhì)測定裝置的構(gòu)成圖。
標(biāo)號說明
1被測材料
2超聲波振蕩器
3超聲波檢測器
4信號處理裝置
5粒徑計算裝置
6表面除去裝置
7 CW激光器
8反射器
9分束器
10分束器
11法布里-珀羅干涉儀 12光檢測器 13a反射鏡 13b反射鏡 14執(zhí)行機構(gòu)15縱波回波提取裝置
16頻率分析裝置
17不同頻率衰減曲線辨識裝置
18多次函數(shù)擬合裝置
19光折變元件
20氣體噴射裝置
21軋鋼機
22帶材
23輸出臺
24巻材
25機械性質(zhì)實測裝置
26組織材質(zhì)信息實測裝置
27組織材質(zhì)測定裝置
28組織材質(zhì)信息采集裝置
29第l組織材質(zhì)信息比較裝置
30溫度計
31工藝流程數(shù)據(jù)采集裝置
32組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置
33第2組織材質(zhì)信息比較裝置
34機械性質(zhì)預(yù)測裝置
35機械性質(zhì)比較裝置
具體實施例方式
首先，在說明本發(fā)明的具體構(gòu)成之前，對無損地測定金屬材料的結(jié)晶粒徑 的方法進(jìn)行說明。在無損地進(jìn)行金屬材料結(jié)晶粒徑的測定的方法中，提出了利 用瑞利散射的方法、利用超聲波傳播速度的方法、以及利用超聲波顯微鏡的方 法等。另外，雖然各測定方法也都適用于本發(fā)明，但是這里，說明利用超聲波
因晶粒引起的散射(瑞利散射)而產(chǎn)生的衰減的代表性的方法。
超聲波根據(jù)其振蕩形態(tài)的不同而分為縱波和橫波等。在利用瑞利散射的結(jié) 晶粒徑測定方法中，使用其中的超聲波的縱波(體波)。另外，體波的衰減可 知用下式表述。p = Po exp (-a x) ......(1)
式中，P和p。為聲壓，a為衰減常數(shù)，x為鋼板中的傳播距離。
另外，當(dāng)體波的頻率為"瑞利區(qū)域"時，上述衰減常數(shù)a用下式表述。
a = a' f + a4 f4 ......(2)
式中，a,和a4為系數(shù)，f為超聲波頻率，如上所述衰減常數(shù)a近似為超聲波 頻率f的四次函數(shù)。另外，(2)式的第1項表示因內(nèi)部摩擦所引起的吸收衰減項， 第2項表示瑞利散射項。
另外，上述瑞利區(qū)域是指結(jié)晶粒徑與體波的波長相比為足夠小的區(qū)域，例 如是滿足下式的范圍。
0. 03 < d/X < 0. 3 ......(3)
式中，d表示結(jié)晶粒徑，X表示體波的波長。
另外，(2)式的四次系數(shù)A可知滿足下式關(guān)系。
a4 = S d3 ......(4)
式中，S為散射常數(shù)。即，系數(shù)a4與結(jié)晶粒徑d的三次方成正比。 由于超聲波振蕩器所發(fā)送的體波的波形中含有某一分布的頻率成分，因此 通過對超聲波檢測器所接收的波形進(jìn)行頻率分析，可以獲得各個頻率成分的衰 減率。而且，由于通過檢測收發(fā)的時間差來確定鋼板內(nèi)的傳播距離，因此根據(jù) 各個頻率成分的衰減率和傳播距離，可以導(dǎo)出(2)式的各個系數(shù)。然后，通過 用標(biāo)準(zhǔn)樣品等預(yù)先決定散射常數(shù)S，可以利用(4)式得出結(jié)晶粒徑d。
接著，為了更詳細(xì)地說明本發(fā)明有關(guān)的材質(zhì)測定裝置，根據(jù)附圖進(jìn)行說明。 另外，各圖中，對同一或相當(dāng)?shù)牟糠植捎猛粯?biāo)號，適當(dāng)?shù)睾喕踔潦÷云渲?復(fù)說明。
實施方式l
圖l是表示本發(fā)明實施方式l中的組織材質(zhì)測定裝置的構(gòu)成圖。另外，后述 的組織材質(zhì)測定裝置設(shè)置于由軋制原材料(板坯)制造軋制產(chǎn)品(也包括從板 坯到完成為成品的途中的狀態(tài)。以下相同)的軋制線上，測定經(jīng)過軋制線的上 述軋制產(chǎn)品的組織材質(zhì)。
圖1中，l是由上述軋制產(chǎn)品(鋼板)形成的被測材料，2是設(shè)置于經(jīng)過軋 制線的軋制產(chǎn)品的下方、對軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光而使得在軋制產(chǎn)品的 另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振蕩的超聲波振蕩器(發(fā)送側(cè)激光器)，3是設(shè)置于經(jīng) 過軋制線的軋制產(chǎn)品的上方、通過對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光并接收來自軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光從而檢測在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的 超聲波振蕩的超聲波檢測器(接收側(cè)激光器)，4是與超聲波檢測器3連接的、 接收來自超聲波檢測器3的檢測信號并且為了計算軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑而處理
接收的檢測信號的信號處理裝置，5是根據(jù)信號處理裝置4的處理結(jié)果、算出軋 制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的粒徑計算裝置，6是設(shè)置于經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品的上方、 向從超聲波檢測器3對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置照射激光而 除去軋制產(chǎn)品另一側(cè)表面的氧化膜的表面除去裝置(追加激光器)。
上述超聲波振蕩器2對被測材料1 (軋制產(chǎn)品)的一側(cè)表面照射大功率脈沖 狀的激光，使得在被測材料l的一側(cè)表面產(chǎn)生超聲波脈沖。另外，作為從超聲 波振蕩器2發(fā)出脈沖激光的脈沖激光器，使用例如可調(diào)Q的YAG激光器等。從超 聲波振蕩器2發(fā)出的脈沖激光通過透鏡(未圖示)等聚焦到目標(biāo)光束直徑，而 照射到被測材料l的一側(cè)表面。然后，因從超聲波振蕩器2照射的脈沖激光而在 被測材料l的一側(cè)表面產(chǎn)生的超聲波脈沖，在被測材料l中傳播并使被測材料l 的另一側(cè)表面發(fā)生振蕩，同時在被測材料l中往返，反復(fù)進(jìn)行多次反射。
另外，在上述超聲波檢測器3中，通過使用CW (連續(xù)波)激光器，檢測出 因上述超聲波脈沖而在被測材料l的另一側(cè)表面產(chǎn)生的超聲波振蕩的位移。為 了檢測在被測材料l的另一側(cè)表面產(chǎn)生的超聲波振蕩的位移(以下簡稱為"振 蕩位移")，采用例如使用光折變的干涉儀。還有，除使用光折變的干涉儀之 外，在超聲波檢測器3的設(shè)置環(huán)境良好的情況下，也可適當(dāng)采用法布里-珀羅干 涉儀，在被測材料l的另一側(cè)表面為非粗糙面的情況下，也可適當(dāng)采用邁克耳 孫干涉儀等。這里，圖2是表示本發(fā)明實施方式1中的組織材質(zhì)測定裝置的主要 部分構(gòu)成圖，具體表示使用法布里-珀羅干涉儀時的超聲波檢測器3的構(gòu)成。下 面，詳細(xì)說明利用法布里-珀羅方式的超聲波檢測器3檢測上述振蕩位移的情 況。
圖2中，7是CW激光器，8是反射器，9和10是分束器，ll是法布里-珀羅干 涉儀，12是光檢測器。上述法布里-珀羅干涉儀ll由一對反射鏡13a和13b、調(diào) 節(jié)反射鏡13a和13b之間距離的執(zhí)行機構(gòu)14、以及控制執(zhí)行機構(gòu)14的控制機構(gòu) (未圖示)構(gòu)成。還有，上述執(zhí)行機構(gòu)14由例如壓電元件構(gòu)成，利用控制機構(gòu) 依次操作，以確保反射鏡13a和13b之間的距離為期望的值。
在具有上述構(gòu)成的超聲波檢測器3中，從CW激光器7輸出的激光經(jīng)反射器8 反射后入射至分束器9，分為照射到被測材料l的另一側(cè)表面的激光、和作為參考光直接入射至法布里-珀羅干涉儀ll的激光。照射到被測材料l的另一側(cè)表面 的激光被進(jìn)行超聲波振蕩的被測材料l的另一側(cè)表面反射，入射到法布里-珀羅
干涉儀ll。在法布里-珀羅干涉儀ll中，利用反射鏡13a和13b使得在被測材料l 的另一側(cè)表面反射的激光(反射光)和參考光發(fā)生諧振。另外，反射鏡13a和 13b的間隔由執(zhí)行機構(gòu)14調(diào)整，使得反射光和參考光發(fā)生諧振。在法布里-珀羅 干涉儀ll中發(fā)生諧振的激光成為干涉光，并通過分束器10入射到光檢測器12。 然后，在光檢測器12中，根據(jù)入射的干涉光，檢測因反射光和參考光的光程差 而產(chǎn)生的干涉波形、即干涉光的強度變化。
另一方面，上述表面除去裝置6具備具有引起燒蝕的程度的高能量密度的 脈沖激光器，通過對被測材料l的表面照射脈沖激光，除去被測材料l表面的氧 化膜。另外，所謂燒蝕，是指照射具有高能量密度的激光時發(fā)生的、伴隨著等 離子體發(fā)光和沖擊聲的固體表面層的爆發(fā)性剝離。
接著，對上述超聲波振蕩器2、超聲波檢測器3和表面除去裝置6的設(shè)置位 置進(jìn)行說明。另外，圖3是表示本發(fā)明實施方式1中的組織材質(zhì)測定裝置的配置 圖。圖3中，超聲波振蕩器2設(shè)置為與被測材料1的一側(cè)表面(底面)有規(guī)定距 離。而且，上述超聲波振蕩器2配置為使得照射被測材料1的一側(cè)表面的脈沖激 光的光路、與垂直于被測材料1的一側(cè)表面的直線具有0度以上45度以下的傾 斜。還有，圖3中表示來自超聲波振蕩器2的脈沖激光的光路與被測材料1的一 側(cè)表面垂直的情況。
另外，超聲波檢測器3設(shè)置為與成為被測材料1的一側(cè)表面的反向側(cè)的另一 側(cè)表面(上表面)有規(guī)定距離。而且，上述超聲波檢測器3配置為使得從CW激 光器7發(fā)射的激光的光路、與被測材料l的另一側(cè)表面近似垂直，同時還配置為 使其通過從超聲波振蕩器2照射的脈沖激光的光路與被測材料1的一側(cè)表面相 交的點(超聲波振蕩的聲源)、以及與上述超聲波振蕩的聲源對應(yīng)的(實施例 l中為上述超聲波振蕩的聲源的正上方部)被測材料l的另一側(cè)表面上的點中的 至少一方。而且，超聲波檢測器3還配置為可以接收來自被測材料1的另一側(cè)表 面的反射光。還有，為了防止來自超聲波振蕩器2的脈沖激光直接入射到超聲 波檢測器3中，也可以在從超聲波振蕩器2輸出的脈沖激光光路的延長線上不設(shè) 置超聲波檢測器3的接收部(例如透鏡等)。
另一方面，上述表面除去裝置6配置為與被測材料1的另一側(cè)表面有規(guī)定的 距離，使得從與超聲波檢測器3照射CW激光的方向相同的方向?qū)Ρ粶y材料1的另一側(cè)表面照射脈沖激光。然后，為了防止照射被測材料l的脈沖激光直接入射 到超聲波檢測器3中，表面除去裝置6配置為使上述脈沖激光的光路與從超聲波
檢測器3輸出的CW激光的光路具有0度以上90度不到的規(guī)定傾斜e。
在具有上述構(gòu)成的超聲波振蕩器2、超聲波檢測器3和表面除去裝置6中， 在測定被測材料l的組織材質(zhì)時，首先，向從超聲波檢測器3對被測材料1的另 一側(cè)表面(軋制產(chǎn)品的上表面)照射CW激光的照射位置，從表面除去裝置6照 射脈沖激光，除去附著于被測材料l的另一側(cè)表面的氧化膜。然后，在除去了 被測材料l的另一側(cè)表面的氧化膜后，從超聲波振蕩器2對被測材料1的一側(cè)表 面(軋制產(chǎn)品的底面)照射脈沖激光，使得在被測材料l的另一側(cè)表面發(fā)生超 聲波振蕩。接著，通過從超聲波檢測器3對被測材料1的另一側(cè)表面照射CW激光， 并利用超聲波檢測器3接收在被測材料1的另一側(cè)表面反射的CW激光的反射光， 從而利用上述超聲波檢測器3檢測出在被測材料1的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波 振蕩。另外，利用超聲波檢測器3檢測的檢測信號被數(shù)字波形存儲器(例如數(shù) 字示波器)等存儲，并向信號處理裝置4輸出。
另外，為了除去作為對象的氧化膜，要求上述過程中的表面除去裝置6的 激光輸出為規(guī)定值以上的功率。因此，實際上需要進(jìn)行表面除去裝置6的激光 輸出的調(diào)整。在相關(guān)調(diào)整中，例如從表面除去裝置6對被測材料1的另一側(cè)表面 照射脈沖激光后，通過確認(rèn)超聲波檢測器3的輸出，來判斷氧化膜的除去狀態(tài)。 當(dāng)判斷為氧化膜的除去不充分的時候，即未獲得足夠的超聲波檢測器3的輸出 時，增大表面除去裝置6的激光輸出，并對被測材料l的另一側(cè)表面再次照射脈 沖激光，實施超聲波檢測器3的輸出確認(rèn)。另外，當(dāng)確認(rèn)即使通過再次照射但 超聲波檢測器3的輸出也不足夠時， 一邊緩慢增大表面除去裝置6的激光輸出，
一邊對被測材料l的另一側(cè)表面照射脈沖激光，并對每次照射確認(rèn)超聲波檢測 器3的輸出。然后，當(dāng)獲得足夠且適當(dāng)?shù)某暡z測器3的輸出時，停止表面除 去裝置6的激光輸出的上升。
接著，對接收來自超聲波檢測器3的檢測信號的信號處理裝置4的工作進(jìn)行 說明。圖4是表示本發(fā)明實施方式1中的組織材質(zhì)測定裝置的主要部分構(gòu)成圖， 尤其是表示信號處理裝置4和粒徑計算裝置5的結(jié)構(gòu)。圖4中，信號處理裝置4例 如由縱波回波提取裝置15、頻率分析裝置16、不同頻率衰減曲線辨識裝置17、 以及多次函數(shù)擬合裝置18構(gòu)成。
信號處理裝置4中，首先，根據(jù)從超聲波檢測器3輸入的檢測信號，利用縱波回波提取裝置15采集多個縱波回波信號。接著，利用頻率分析裝置16進(jìn)行采 集的多個縱波回波信號的頻率分析，從來自被測材料l表面的多重回波信號的 光譜強度差計算出每個頻率的衰減量。接著，若有需要，進(jìn)行擴散衰減修正、 透射損耗修正，算出衰減常數(shù)的頻率特性。另外，衰減常數(shù)的頻率特性通過以 最小二乘法等對四次曲線等多次函數(shù)進(jìn)行擬合，求出多次函數(shù)的系數(shù)向量。
然后，從以最小二乘法等對上述衰減常數(shù)將四次曲線進(jìn)行擬合時得出的多 次函數(shù)的系數(shù)向量、以及校正用的從被測材料1得出的散射系數(shù)S，算出因各個 微組織的體積率而進(jìn)行的修正前的結(jié)晶粒徑的測定值d。。
還有，下面具體說明上述處理工序。
利用上述超聲波檢測器3測定稱為第1超聲波脈沖、第2超聲波脈沖、…… 的超聲波脈沖序列。此時，各超聲波脈沖中含有的能量隨著反射時的損耗和被 測材料l中的傳播而衰減，從而逐漸變小。即，若僅取出第1超聲波脈沖和第2 超聲波脈沖的部分進(jìn)行頻率分析，求出各自的能量(能譜)，則由于第2超聲 波脈沖與第l超聲波脈沖相比，其傳播距離長出被測材料l的板厚t的2倍大小， 因此，根據(jù)上述(l)式產(chǎn)生能量衰減。另外，若求出兩者間的衰減量作為與第l 超聲波脈沖的能譜之差，則成為向右上升的曲線。該曲線相當(dāng)于對上述(2)式 的衰減常數(shù)a乘以傳播距離的差2t。由此，通過最小二乘法等求出單位傳播距 離的上述(2)式的各個系數(shù)。然后，從預(yù)先由標(biāo)準(zhǔn)樣品求出的散射常數(shù)S、和如 上所述求出的系數(shù)中的a4，通過倒算上述(3)式，可以求出結(jié)晶粒徑的測定值d。。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式l，通過具備表面除去裝置6，可以除去附著于被測 材料l的另一側(cè)表面的氧化膜。即，在上述構(gòu)成的組織材質(zhì)測定裝置中，利用 從表面除去裝置6產(chǎn)生的脈沖激光除去被測材料1的另一側(cè)表面的氧化膜后，從 超聲波振蕩器2對被測材料1照射脈沖激光，利用超聲波檢測器3檢測被測材料1 上產(chǎn)生的超聲波振蕩。因此，在從超聲波檢測器3對被測材料1照射CW激光時， 被測材料l的另一側(cè)表面的氧化膜被除去，從而可以使返回到超聲波檢測器3的 光通量增加，可以使超聲波檢測器3的分辨率大幅提高。
另外，表面除去裝置6配置為使其輸出的脈沖激光的光路與從超聲波檢測 器3發(fā)射的CW激光的光路具有0度以上90度不到的傾斜e。因此，可以防止從表 面除去裝置6輸出的脈沖激光在被測材料1反射后直接入射到超聲波檢測器3。 另外，由于表面除去裝置6具有上述配置，因此能夠?qū)⒊暡z測器3與被測材 料l近似垂直地配置，可以高效地進(jìn)行超聲波振蕩的檢測。還有，由于在超聲波檢測器3工作前使表面除去裝置6工作而除去氧化膜，因此來自表面除去裝置
6的脈沖激光不會對超聲波檢測器3的性能造成產(chǎn)生板波等不良影響。
另外，在軋制線上使用上述材質(zhì)測定裝置時，通過將超聲波檢測器3和表 面除去裝置6設(shè)置于軋制產(chǎn)品的上方，將超聲波振蕩器2設(shè)置于軋制產(chǎn)品的下 方，可以避免由軋制線產(chǎn)生的水蒸汽或灰塵等落下物在軋制產(chǎn)品的下表面滯 留，可以將超聲波振蕩檢測的不良影響抑制為最小限度。因此，即使是在軋制 線上軋制產(chǎn)品運動的環(huán)境下，也可以利用超聲波檢測器3高效且安全地進(jìn)行超 聲波振蕩的檢測，能夠確實無損地實施結(jié)晶粒徑的測量。
此外，實施方式1中說明了將超聲波振蕩器2設(shè)置于經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品 的下方、將超聲波檢測器3和表面除去裝置6設(shè)置于經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品的上 方的情況，但是根據(jù)設(shè)置組織材質(zhì)測定裝置的環(huán)境條件，可以任意選擇其配置。 即，根據(jù)設(shè)置環(huán)境也可以釆用以下結(jié)構(gòu)將超聲波振蕩器2設(shè)置于軋制產(chǎn)品的 上方，而對軋制產(chǎn)品的上表面照射來自超聲波振蕩器2的脈沖激光，同時將超 聲波檢測器3和表面除去裝置6設(shè)置于軋制產(chǎn)品的下方，而對軋制產(chǎn)品的底面照 射來自超聲波檢測器3的CW激光和來自表面除去裝置6的脈沖激光。 實施方式2
圖5是表示本發(fā)明實施方式2中的組織材質(zhì)測定裝置的主要部分構(gòu)成圖，尤 其是具體表示超聲波檢測器3的構(gòu)成。圖5中，超聲波檢測器3由CW激光器7、反 射器8、分束器9、光折變元件19、以及光檢測器12構(gòu)成。即，上述超聲波檢測 器3是使用光折變元件19的光折變方式的超聲波檢測器，其他具有與實施方式l 相同的結(jié)構(gòu)。
在具有相關(guān)結(jié)構(gòu)的超聲波檢測器3中，從CW激光器7輸出的激光經(jīng)反射器8 反射后，入射到分束器9，被分為照射被測材料l的另一側(cè)表面的激光、和作為 參考光而直接入射到光折變元件19中的激光。另外，在進(jìn)行超聲波振蕩的被測 材料l的另一側(cè)表面反射的反射光，通過分束器9入射到光折變元件19。在光折 變元件19中，在晶體內(nèi)使反射光和參考光產(chǎn)生千涉，并將該干涉光直接入射到 檢測器12。
另外，在干涉儀中使用光折變元件19時，有無法檢測超過接收光波長的1/8 的表面位移的限制條件。該限制尤其是在2mm以下的薄板測定時會成為問題。 因此，為了使振幅位于上述限制值范圍內(nèi)，而要降低超聲波振蕩器2的激光輸 出，所以在表面位移超過66. 5nm (波長532nm二綠色)或133nm (波長1064nra二紅外)時，必須限制超聲波振蕩器2的激光輸出，減小表面位移?；蛘?，不降低
超聲波振蕩器2的激光輸出，而是需要通過減小光斑直徑來抑制板波振蕩。還 有，來自超聲波振蕩器2的激光在到達(dá)被測材料1之前，以在空間內(nèi)不引起燒蝕 的程度作為下限來減小光斑直徑。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式2，通過采用光折變方式的超聲波檢測器3，與采用 法布里-珀羅方式的超聲波檢測器3的情況相比較，能夠減少反射鏡13a和13b那 樣的容易因外部振動等干擾而受影響的部位、和執(zhí)行機構(gòu)14以及控制機構(gòu)等精 密機構(gòu)部。因此，可以實現(xiàn)不易受振動等干擾引起的影響、且即使在環(huán)境差的 軋制線上也可以長時間進(jìn)行穩(wěn)定的測定。
尤其是在熱軋線上實施在線測量時，會產(chǎn)生由軋機和被軋材料的通過等引
起的振動、或者為了被軋材料的溫度控制而從冷卻線對被軋材料噴射冷卻水時 產(chǎn)生的水蒸汽等，其測量環(huán)境十分惡劣。另外，熱軋過程中的被軋材料還會達(dá) 到約500度至約900度，被軋材料附近的溫度非常高。因此，通過采用光折變方 式的超聲波檢測器3，能夠提供也適用于上述環(huán)境的組織材質(zhì)測定裝置。
另外，不降低來自超聲波振蕩器2的脈沖激光的輸出，而是通過減小光斑 直徑，來減小低頻振蕩的振幅，取而代之的是結(jié)晶粒徑的測量所需的超聲波成 分的振幅增大。從而可以避免成為測定精度降低的原因之一的板波振蕩，能夠 檢測對組織材質(zhì)的測定有效的超聲波振蕩。
實施方式3
圖6是表示本發(fā)明實施方式3中的組織材質(zhì)測定裝置的配置圖。圖6中，超 聲波振蕩器2、超聲波檢測器3和表面除去裝置6具有與實施方式1或2同樣的結(jié) 構(gòu)和配置。20是氣體噴射裝置，該氣體噴射裝置設(shè)置于經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品 (被測材料l)的上方，在從表面除去裝置6對被測材料1的另一側(cè)表面照射脈 沖激光的照射位置以及該照射位置的附近，噴射氮氣等惰性氣體，從而防止除
去了氧化膜的被測材料l的另一側(cè)表面重新被氧化。
在具有相關(guān)結(jié)構(gòu)的組織材質(zhì)測定裝置中，從表面除去裝置6對被測材料1的
另一側(cè)表面照射脈沖激光而除去了氧化膜后，從氣體噴射裝置20向除去了氧化
膜的部分噴出惰性氣體。其他結(jié)構(gòu)及工作與實施方式1和2相同。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式3，由于能夠使被測材料l的從另一側(cè)表面除去了氧
化膜的狀態(tài)持續(xù)某一程度的時間，因此可以提高超聲波檢測器3的靈敏度，能
夠?qū)崿F(xiàn)更可靠的結(jié)晶粒徑的測定。實施方式4
該實施方式有關(guān)的組織材質(zhì)測定裝置是在實施方式1或2中，利用跟蹤信息 等決定表面除去裝置的測定點，以使其與軋制產(chǎn)品的檢査線中的機械性質(zhì)或組
織材質(zhì)信息的測定目標(biāo)點一致。下面利用圖7和圖8說明其結(jié)構(gòu)。
圖7是表示本發(fā)明實施方式4中的軋制設(shè)備的主要部分的構(gòu)成圖，圖8是表 示組織材質(zhì)的預(yù)測模型的構(gòu)成圖。圖7中，從軋機21出來的帶材22在輸出臺23 上冷卻后，用巻取機巻取并成為巻材24。然后，將巻材24搬運到檢查線上，切 取其中一部分并加工成試片。還有，在檢查線上，利用機械性質(zhì)實測裝置25實
測上述試片的拉伸強度或屈服應(yīng)力等機械性質(zhì)。另外，利用根據(jù)顯微鏡觀察等 的組織材質(zhì)信息實測裝置26，實測上述試片的組織材質(zhì)信息，即鐵素體粒徑或 鐵素體 珠光體 貝氏體等各相的體積率。
組織材質(zhì)測定裝置27設(shè)置于軋機21的出口側(cè)以及巻取機前，利用組織材質(zhì) 信息采集裝置28，采集由上述組織材質(zhì)測定裝置27測定的結(jié)晶粒徑等組織材質(zhì) 信息。由組織材質(zhì)信息采集裝置28采集的來自組織材質(zhì)測定裝置27的指示值、 和根據(jù)組織材質(zhì)信息實測裝置26的實測值，通過第1組織材質(zhì)信息比較裝置29 進(jìn)行比較。然后，將第1組織材質(zhì)信息比較裝置29的比較結(jié)果反饋到組織材質(zhì) 信息采集裝置28，用于組織材質(zhì)測定裝置27的校正或精度確認(rèn)。另外，第l組 織材質(zhì)信息比較裝置29的比較結(jié)果也可用于在組織材質(zhì)測定裝置27算出結(jié)晶
粒徑時的辨識手法的調(diào)整參數(shù)精度的提高。
另一方面，從軋機21獲得的載荷和速度數(shù)據(jù)、以及從設(shè)置于軋機21的前后 的溫度計30獲得的溫度數(shù)據(jù)即工藝流程數(shù)據(jù)被工藝流程數(shù)據(jù)采集裝置31采集。
所測定的工藝流程數(shù)據(jù)與檢查線中的機械性質(zhì)或組織材質(zhì)信息的測定目標(biāo)點 以及時刻有關(guān)，作為數(shù)據(jù)庫存儲于例如未圖示的數(shù)據(jù)存儲裝置中。而且，從軋 制時刻等起檢索數(shù)據(jù)存儲裝置內(nèi)的材質(zhì)和工藝流程數(shù)據(jù)，控制組織材質(zhì)測定裝 置27，使得表面除去裝置的測定點與檢查線中的機械性質(zhì)或組織材質(zhì)信息的測 定目標(biāo)點一致。
另外，將從工藝流程數(shù)據(jù)采集裝置31獲得的變形、變形速度、溫度等工藝 流程數(shù)據(jù)發(fā)送到組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置32，由組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置32根據(jù)數(shù) 學(xué)模型算出組織材質(zhì)信息。下面，根據(jù)圖8說明組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置32中的
計算方法。
計算組織材質(zhì)信息用的組織材質(zhì)模型大致可分為由熱軋加工模型和相變模型構(gòu)成。熱軋加工模型是為了通過對被軋機21的軋輥壓下的最中間所發(fā)生的 動態(tài)再結(jié)晶、接著動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的恢復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶、晶粒生長等現(xiàn)象進(jìn)行 公式化，來計算軋制中以及軋制后的粒徑(每單位面積的晶界面積)、殘留轉(zhuǎn) 移密度等奧氏體狀態(tài)而準(zhǔn)備的。該熱軋加工模型根據(jù)Y粒徑、基于溫度和速度的 溫度，通過期間時間信息、和基于壓下模式的等效變形，變形速度信息，計算 軋制Y粒徑和轉(zhuǎn)移密度等中間組織狀態(tài)。還有，上述溫度，通過期間時間信息和 等效變形*變形速度信息是根據(jù)軋制條件(入口側(cè)板厚、出口側(cè)板厚、加熱溫 度、通過期間時間、軋輥直徑、軋輥轉(zhuǎn)速)而算出的。
相變模型是為了分離成核與生長，推測粒徑、珠光體及貝氏體的分率等相 變后的組織狀態(tài)而具備的。該相變模型根據(jù)基于輸出臺23上的冷卻模式的溫度 信息，計算鐵素體粒徑和各相的組織分率等。還有，上述溫度信息是根據(jù)冷卻 條件(分為氣冷以及水冷、水量密度、冷卻裝置內(nèi)的通板速度、成分)和相變 模型產(chǎn)生的相變量的各信息而計算的。
另外，除熱軋加工模型以及相變模型以外，考慮到Nb、 V、 Ti等微量添加 元素的影響時，由于考慮到析出粒子的影響，因此也可以適當(dāng)使用析出模型。 另外，對于鋁或不銹鋼等一部分金屬材料，由于不發(fā)生相變，因此也可以不使 用上述相變模型。
將利用具有上述結(jié)構(gòu)的組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置32計算出的組織材質(zhì)信息、 和利用組織材質(zhì)信息實測裝置26得到的實測值，通過第2組織材質(zhì)信息比較裝 置33進(jìn)行比較。然后，通過將第2組織材質(zhì)信息比較裝置33的比較結(jié)果反饋到 組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置32，進(jìn)行組織材質(zhì)模型的調(diào)整，從而可以力圖提高預(yù)測 精度。
進(jìn)一步，將從工藝流程數(shù)據(jù)采集裝置31獲得的工藝流程數(shù)據(jù)、和由組織材 質(zhì)信息預(yù)測裝置32算出的組織材質(zhì)信息，發(fā)送給機械性質(zhì)預(yù)測裝置34，在該機 械性質(zhì)預(yù)測裝置34中，根據(jù)規(guī)定的預(yù)測模型算出機械性質(zhì)。將利用機械性質(zhì)預(yù) 測裝置34算出的機械性質(zhì)、和利用機械性質(zhì)實測裝置25得到的實測值，通過機 械性質(zhì)比較裝置35進(jìn)行比較。然后，通過將機械性質(zhì)比較裝置35的比較結(jié)果反 饋到機械性質(zhì)預(yù)測裝置34，進(jìn)行機械性質(zhì)的預(yù)測模型的調(diào)整，從而可以力圖提 高預(yù)測精度。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式4，即使是在環(huán)境惡劣的軋制線上，也可以提供一 種對組織材質(zhì)測定的目標(biāo)點、有效檢測超聲波振蕩的組織材質(zhì)測定裝置。還有，圖9是表示本發(fā)明實施方式4中的軋制設(shè)備的其他構(gòu)成圖。實施方式
4的構(gòu)成也可以如圖9所示改變輸入構(gòu)成。S卩，向第2組織材質(zhì)信息比較裝置33 的輸入也可以是由組織材質(zhì)信息采集裝置28采集的來自組織材質(zhì)測定裝置27 的指令值，來代替來自組織材質(zhì)信息實測裝置26的實測值。另外，向機械性質(zhì) 預(yù)測裝置34的輸入也可以是由組織材質(zhì)信息采集裝置28采集的來自組織材質(zhì) 測定裝置27的指令值，來代替由組織材質(zhì)信息預(yù)測裝置32算出的組織材質(zhì)信 息。利用上述構(gòu)成也可以起到與上述同樣的效果。
還有，本發(fā)明并不照原樣限定于上述實施方式，在實施階段不脫離其要點 的范圍內(nèi)，可以改變構(gòu)成要素并具體化。另外，通過適當(dāng)?shù)亟M合上述實施方式 中揭示的多個構(gòu)成要素，可以形成多種發(fā)明。例如，也可以從實施方式所示的 全部構(gòu)成要素中刪除幾個構(gòu)成要素。而且，也可以對所有不同實施方式中的構(gòu) 成要素進(jìn)行適當(dāng)組合。
工業(yè)上的實用性
如上所述，根據(jù)本發(fā)明有關(guān)的組織材質(zhì)測定裝置，由于在除去了被測材料 的氧化膜的狀態(tài)下檢測在其另一側(cè)表面所發(fā)生的超聲波振蕩，因此，可以使返 回到檢測超聲波振蕩的超聲波檢測器上的光通量大幅增加，可以確實地實施被 測材料的結(jié)晶粒徑的測定。
另外，由于除去了附著于被測材料上的氧化膜，而且可以無損地進(jìn)行結(jié)晶 粒徑的測定，因此，尤其能適應(yīng)熱軋線上的在線測定。
權(quán)利要求
1. 一種組織材質(zhì)測定裝置，是測定經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品的組織材質(zhì)的組織材質(zhì)測定裝置，其特征在于，具備對所述軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使得在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振蕩的超聲波振蕩器；通過對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光并接收來自所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、檢測在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的超聲波檢測器；根據(jù)所述超聲波檢測器的檢測結(jié)果、計算所述軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的粒徑計算裝置；以及向從所述超聲波檢測器對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置照射激光、以除去所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜的表面除去裝置。
2. —種組織材質(zhì)測定裝置，是測定經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品的組織材質(zhì)的組 織材質(zhì)測定裝置，其特征在于，具備對所述軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使得在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面 發(fā)生超聲波振蕩的超聲波振蕩器；通過對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光并接收來自所述軋制產(chǎn)品的 另一側(cè)表面的反射光、檢測在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的 超聲波檢測器；根據(jù)所述超聲波檢測器的檢測結(jié)果、計算所述軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的粒徑 計算裝置；向從所述超聲波檢測器對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位 置照射激光、以除去所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜的表面除去裝置；以 及對利用所述表面除去裝置除去了氧化膜的所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面噴 射惰性氣體、以防止所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面重新氧化的氣體噴射裝置。
3. 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的組織材質(zhì)測定裝置，其特征在于， 為了防止從表面除去裝置照射的激光直接入射到超聲波檢測器，從所述表面除去裝置照射到軋制產(chǎn)品的激光的光路與從所述超聲波檢測器照射到所述 軋制產(chǎn)品的激光的光路有規(guī)定的傾斜。
4. 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的組織材質(zhì)測定裝置，其特征在于， 決定表面除去裝置的測定點，使其與軋制產(chǎn)品的檢查線中的機械性質(zhì)以及組織材質(zhì)信息的測定目標(biāo)點一致。
5. —種組織材質(zhì)測定方法，是測定經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品的組織材質(zhì)的組織材質(zhì)測定方法，其特征在于，包括向從超聲波檢測器對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置、從 表面除去裝置照射激光而除去所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜的步驟；除去了所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜后從超聲波振蕩器對所述軋 制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使得在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振 蕩的步驟；通過從所述超聲波檢測器對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光并利用 所述超聲波檢測器接收來自所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、從而檢測在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的步驟；以及根據(jù)所述超聲波檢測器的檢測結(jié)果、算出所述軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的步驟。
6. —種組織材質(zhì)測定方法，是測定經(jīng)過軋制線的軋制產(chǎn)品的組織材質(zhì)的材質(zhì)測定方法，其特征在于，包括向從超聲波檢測器對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置、從表面除去裝置照射激光而除去所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜的步驟； 對除去了氧化膜的所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面噴射惰性氣體的步驟； 除去了所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜后從超聲波振蕩器對所述軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光、使得在所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振蕩的步驟；通過從所述超聲波檢測器對所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光并利用 所述超聲波檢測器接收來自所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光、從而檢測在 所述軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩的步驟；以及根據(jù)所述超聲波檢測器的檢測結(jié)果、算出所述軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑的步
7. 如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的組織材質(zhì)測定方法，其特征在于，根據(jù)超聲波檢測器的檢測結(jié)果，調(diào)整來自表面除去裝置的激光輸出。
8. 如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的組織材質(zhì)測定方法，其特征在于， 具備調(diào)整表面除去裝置的測定點的步驟，使其與軋制產(chǎn)品的檢査線中的機械性質(zhì)以及組織材質(zhì)信息的測定目標(biāo)點 一 致。
全文摘要
通過除去被測材料的表面附著的氧化膜，來確實地實施無損結(jié)晶粒徑測量。為此在測定時，首先，向從超聲波檢測器對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光的照射位置，從表面除去裝置照射激光，除去軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜。除去了軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的氧化膜后，從超聲波振蕩器對軋制產(chǎn)品的一側(cè)表面照射激光，使得在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生超聲波振蕩。然后，通過從超聲波檢測器對軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面照射激光，并利用超聲波檢測器接收來自軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面的反射光，從而檢測在軋制產(chǎn)品的另一側(cè)表面發(fā)生的超聲波振蕩，根據(jù)超聲波檢測器的檢測結(jié)果，算出軋制產(chǎn)品的結(jié)晶粒徑。
文檔編號G01N29/00GK101473224SQ20078002237
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月20日
發(fā)明者今成宏幸, 佐野光彥, 北鄉(xiāng)和壽, 告野昌史, 小原一浩 申請人:東芝三菱電機產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)株式會社