JP6656970B2 - Steel carbon concentration measurement method, measurement device, and measurement program - Google Patents
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Description
本発明は、鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば種々のプラントの配管等に使用される鋼材における炭素元素の濃度の計測に用いて好適な炭素濃度を計測する技術に関する。 The present invention relates to a method, a measuring device, and a measuring program for measuring carbon concentration of steel. More specifically, the present invention relates to a technique for measuring a carbon concentration suitable for measuring the concentration of a carbon element in a steel material used for, for example, piping of various plants.
種々のプラントの配管等に使用される鋼材は、配管内部を流れる液体や気体の温度及び内圧などにより、劣化が進行する場合がある。例えば、析出物の偏析が結晶構造を変化させて脆化することも考えられ、析出物を含めた鋼材の元素の濃度分布を求めることは鋼材を安定して運用する上で重要である。特に、溶接による鋼への入熱により、経年劣化による亀裂が溶接部近傍で生じる場合がある。炭素は引張強度などと相関のある重要な元素であり、溶接部における炭素元素の濃度を調べることは重要である。 Steel materials used for pipes of various plants may deteriorate due to the temperature and internal pressure of liquids and gases flowing inside the pipes. For example, it is conceivable that segregation of precipitates causes a change in crystal structure and embrittlement, and it is important to determine the concentration distribution of elements in steel materials including precipitates in order to operate the steel materials stably. In particular, heat input to steel by welding may cause cracks due to aging near the weld. Carbon is an important element that has a correlation with tensile strength and the like, and it is important to examine the concentration of the carbon element in the weld.
製鉄時の鋼材の炭素濃度は、例えば放電を用いた発光分析によって求められる場合が多い(非特許文献1)。ただし、この方法では、鋼材の直径1 cm 程度の範囲を放電によってアブレーションしないと、放電が安定せず、安定した発光強度を得ることが難しい。 The carbon concentration of steel at the time of iron making is often determined by, for example, emission spectrometry using electric discharge (Non-Patent Document 1). However, in this method, unless ablation of a steel material having a diameter of about 1 cm is performed by a discharge, the discharge is not stable, and it is difficult to obtain a stable light emission intensity.
これに対し、溶鋼の一部を採取して凝固させた塊状試料を赤熱状態のままで分析装置の不活性ガス雰囲気の試料室内の試料保持部へと投入し、試料の表面にパルスレーザ光を照射して発生する微粒子をICP分析器へと不活性ガスで搬送して成分を分析する鋼成分迅速分析方法がある(特許文献1)。 On the other hand, a massive sample obtained by collecting a part of the molten steel and solidifying it was put into a sample holding section in a sample chamber in an inert gas atmosphere of the analyzer while being in a red-hot state, and pulsed laser light was applied to the surface of the sample. There is a steel component rapid analysis method in which fine particles generated by irradiation are conveyed to an ICP analyzer by an inert gas to analyze components (Patent Document 1).
また、パルスレーザ光を照射し、照射位置で発生するプラズマを発光分析する方法を用いて正確にレーザエネルギーを設定することにより、溶鋼中の炭素濃度を求める方法がある(特許文献2)。 There is also a method of determining the carbon concentration in molten steel by irradiating a pulsed laser beam and setting the laser energy accurately using a method of performing emission analysis of plasma generated at the irradiation position (Patent Document 2).
しかしながら、非特許文献1の放電分析方法では、分析範囲が広いため(言い換えると、空間分解能が大きいため)、サイズが1 mm 以下の析出物を検知することは困難である。
However, in the discharge analysis method of Non-Patent
また、特許文献1のICP分析では、分析装置内部に鋼材を配置する必要があるため、供試中の配管等の部材から試料を採取する際に、試料寸法が制限される場合があるという問題がある。
Further, in the ICP analysis of
以上を踏まえると、パルスレーザ光を照射する方法が、供試中の配管等の部材から試料を採取して分析するのに適していると考えられる。しかしながら、特許文献2の方法では、通常は組成が同一の試料を用いて検量線を求めるところ、一部の鋼では同一組成の鋼の種類が少ないため、検量線を求めるために多種類の試料を用意することが困難であるという問題がある。
Based on the above, it is considered that the method of irradiating the pulse laser beam is suitable for collecting and analyzing a sample from a member such as a pipe under test. However, in the method of
また、特許文献2の方法は溶鋼を用いて計測する方法であるところ、固体である鋼材を計測対象とする場合、レーザ光の照射と共に表面が削られて微小な穴が生じる。そして、穴が生じることでレーザ光のスポット径が変化するため、発光強度に変化が生じる。このことは、微小領域を計測する際に特に顕著に見られる現象であり、計測精度が低下する原因の一つである。
Further, the method of
そこで、本発明は、鋼の炭素元素の濃度を局所的に且つ定量的に計測することができる鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method, a measuring device, and a measuring program of steel carbon concentration which can locally and quantitatively measure the concentration of carbon element in steel.
発明者は、鋼における炭素元素の濃度を局所的に且つ定量的に計測する技術を構築するため、計測対象物へのレーザ光の照射の繰り返しによるプラズマ光の発光強度の推移について分析を行った。 In order to construct a technique for locally and quantitatively measuring the concentration of a carbon element in steel, the inventor analyzed the transition of the emission intensity of plasma light due to repetition of laser light irradiation on an object to be measured. .
ここで、本発明が対象とする「鋼」には、少なくとも、炭素鋼(若しくは、普通鋼)および一般構造用圧延材が含まれる。 Here, the “steel” targeted by the present invention includes at least carbon steel (or ordinary steel) and rolled materials for general structures.
試験片としての炭素鋼(S35C)の表面へとレーザ光を繰り返して照射し、レーザ光の照射の繰り返しによる(言い換えると、照射回数の増加に伴う)プラズマ光の発光強度の推移が実験的に検証された。 The surface of carbon steel (S35C) as a test piece is repeatedly irradiated with laser light, and the change in plasma light emission intensity due to the repeated laser light irradiation (in other words, the increase in the number of irradiations) is experimentally measured. Verified.
具体的には、一回のレーザ光照射につきプラズマの発光を一回計測する方法であるシングルパルス計測と、時間差を設けた二回のレーザ光照射につきプラズマの発光を一回計測する方法であるダブルパルス計測とのそれぞれに関し、レーザ光の照射回数の増加に伴うプラズマ光の発光強度の推移が検証された。 Specifically, there are a single pulse measurement, which is a method of measuring plasma emission once per laser light irradiation, and a method of measuring plasma emission once, twice laser irradiation with a time difference. For each of the double pulse measurements, the transition of the plasma light emission intensity with the increase in the number of laser beam irradiations was verified.
シングルパルス計測については、計測条件として照射レーザエネルギーE=100 mJ,インテンシファイア付きCCD(ICCD)カメラの受光遅延時間tg=1 μs,ICCDカメラの露光時間tw=10 μs とした。 Regarding the single pulse measurement, irradiation laser energy E = 100 mJ, light receiving delay time t g of a CCD (ICCD) camera with an intensifier = 1 μs, and exposure time t w of the ICCD camera t w = 10 μs were used as measurement conditions.
ダブルパルス計測については、一回目の照射レーザエネルギーE1=50 mJ,レーザ光照射間隔IPD=0.5 μs,二回目の照射レーザエネルギーE2=100 mJ,ICCDカメラの受光遅延時間tg=1 μs,ICCDカメラの露光時間tw=10 μs とした。 For the double pulse measurement, the first irradiation laser energy E 1 = 50 mJ, the laser light irradiation interval IPD = 0.5 μs, the second irradiation laser energy E 2 = 100 mJ, and the light reception delay time t g of the ICCD camera = The exposure time t w of the ICCD camera was set to 10 μs.
そして、受光した発光スペクトルを10回積算する条件で、レーザ光の照射回数増加に伴う輝線(即ち、元素固有の発光スペクトル)である炭素C(I)193.09 nm に関する発光強度の推移が図5に示すようになった。なお、図5において、「SP」はシングルパルス計測を表し、「DP」はダブルパルス計測を表す。 Then, under the condition that the received emission spectrum is integrated 10 times, the transition of the emission intensity with respect to carbon C (I) 193.09 nm, which is a bright line (that is, an emission spectrum specific to the element), accompanying the increase in the number of laser beam irradiations is shown in FIG. As shown in FIG. In FIG. 5, "SP" indicates single pulse measurement, and "DP" indicates double pulse measurement.
試験片の同じ箇所にレーザ光を照射しているため、照射するほど僅かに照射痕が生じ、レーザ光が照射される範囲が広くなる(言い換えると、レーザ光のスポット径が大きくなる)結果、発光強度は全体的に次第に低下する傾向である。 Since the same portion of the test piece is irradiated with the laser light, the more the irradiation is made, the more the trace of irradiation is generated, and the range where the laser light is irradiated becomes wider (in other words, the spot diameter of the laser light becomes larger). Emission intensity tends to gradually decrease overall.
図5に示す結果から、また、ダブルパルス計測よりもシングルパルス計測の方が、炭素の発光強度が高く、炭素の元素の濃度の計測に適していることが示唆される。 The results shown in FIG. 5 suggest that single-pulse measurement has higher emission intensity of carbon than double-pulse measurement and is more suitable for measurement of the concentration of carbon element.
図5に示す結果から、また、炭素の発光強度はレーザ光照射100回までは大きく減少してそれ以降は一定になった。 From the results shown in FIG. 5, the emission intensity of carbon was significantly reduced up to 100 times of laser light irradiation, and became constant thereafter.
レーザ光の照射回数の増加に伴う発光強度の推移について考察するため、各照射回数における照射痕の深さを測定した。 In order to consider the transition of the light emission intensity with the increase in the number of laser light irradiations, the depth of the irradiation mark at each irradiation number was measured.
具体的には、炭素鋼(S35C)と化学組成及び機械的特性が近い一般構造用圧延材SS400を用いてレーザ光が一定回数照射された後に、読み取り顕微鏡で照射痕底部と照射痕周囲との高低差を計測し、それを照射痕深さと定義した。なお、この場合はシングルパルスでレーザ光照射し、照射レーザエネルギーは30 mJ,100 mJ,及び150 mJ の三条件とした。 Specifically, after a laser beam is radiated a certain number of times using carbon steel (S35C) and a general structural rolled material SS400 having a similar chemical composition and mechanical properties, the bottom of the radiation mark and the periphery of the radiation mark are read with a reading microscope. The height difference was measured and defined as the irradiation mark depth. In this case, laser light irradiation was performed with a single pulse, and the irradiation laser energy was set to three conditions of 30 mJ, 100 mJ, and 150 mJ.
レーザ光の照射回数の増加に伴って照射痕の深さ(言い換えると、アブレーション深さ)は線形に増加し、レーザ光照射回数と照射痕深さとの間の関係を近似する直線の傾きから、照射レーザエネルギー別に、照射1回当たりの照射痕深さ(言い換えると、アブレーション割合)を計算した。 With the increase in the number of laser beam irradiations, the depth of the irradiation mark (in other words, the ablation depth) increases linearly, and from the slope of a straight line that approximates the relationship between the number of laser light irradiations and the irradiation mark depth, Irradiation mark depth per irradiation (in other words, ablation ratio) was calculated for each irradiation laser energy.
照射レーザエネルギー別のアブレーション割合を整理した図6に示す結果から、アブレーション割合は、照射レーザエネルギーの増大に伴って単調増加することがわかった。 From the results shown in FIG. 6 in which the ablation ratios for each irradiation laser energy were arranged, it was found that the ablation ratio monotonically increased with the increase in the irradiation laser energy.
図6に示す結果から、また、照射レーザエネルギーが100 mJ のシングルパルス計測について、炭素の発光強度の減少割合が変化する照射回数100回における照射痕深さを計算すると約6.7 μm になった。 From the results shown in FIG. 6, when the irradiation laser energy was 100 mJ and the single pulse measurement was performed, the irradiation mark depth was calculated at about 6.7 μm when the irradiation frequency at which the reduction ratio of the carbon emission intensity was changed was 100 times. Was.
この深さは、旋盤加工後の「表面粗さ」(「表面加工粗さ」とも呼ばれる)に概ね対応すると考えられる。 This depth is considered to roughly correspond to “surface roughness” after lathing (also referred to as “surface roughness”).
以上の分析結果も踏まえ、発明者は、例えば照射レーザエネルギーが100 mJ のシングルパルス計測では照射回数100回以降で発光強度の減少割合が小さくなって発光強度が安定すること、及び、前記条件での照射回数100回における照射痕深さは表面粗さに相当することから、試料(計測対象物)表面の表面粗さに相当する深さまでレーザ光の照射によって試料表面を除去(言い換えると、試料表面に照射痕を形成)した後の発光スペクトルを発光強度の算定に用いることにより、試料における炭素元素の濃度を精度良く定量的に特定することができることを突き止めた。 Based on the above analysis results, the inventor has found that, for example, in a single pulse measurement in which the irradiation laser energy is 100 mJ, the reduction ratio of the light emission intensity becomes small after 100 times of irradiation, and the light emission intensity becomes stable. Since the irradiation mark depth at 100 irradiation times corresponds to the surface roughness, the sample surface is removed by laser light irradiation to a depth corresponding to the surface roughness of the sample (measurement target) surface (in other words, the sample It was found that the concentration of the carbon element in the sample can be accurately and quantitatively specified by using the emission spectrum after forming an irradiation mark on the surface) to calculate the emission intensity.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法は、上記の知見に基づくものであり、鋼の表面へのレーザ光の事前照射によって5〜10 μmの深さまで鋼の表面が除去され、当該表面が除去された位置にパルスレーザ光が照射されて受光される炭素元素の発光波長の発光スペクトルと鉄元素の発光波長の発光スペクトルとがそれぞれ積算されて炭素の発光強度が計算されると共に鉄の発光強度が計算され、前記炭素の発光強度と前記鉄の発光強度との比が、予め定められた炭素の発光強度と鉄の発光強度との比と炭素濃度との間の関係式に当てはめられることによって鋼の炭素濃度が求められるようにしている。 The method for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention is based on the above findings, and the surface of the steel is removed to a depth of 5 to 10 μm by prior irradiation of the surface of the steel with laser light, and the surface is removed. The emission spectrum at the emission wavelength of the carbon element and the emission spectrum at the emission wavelength of the iron element, which are received by irradiating the pulsed laser beam to the set position, are respectively integrated to calculate the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron Is calculated, and the ratio between the emission intensity of the carbon and the emission intensity of the iron is applied to a predetermined relational expression between the ratio of the emission intensity of the carbon and the emission intensity of the iron and the carbon concentration. The carbon concentration of steel is required.
また、本発明の鋼の炭素濃度の計測装置は、鋼の表面へのレーザ光の事前照射によって5〜10 μmの深さまで鋼の表面が除去された上で当該表面が除去された位置にパルスレーザ光が照射されて受光される炭素元素の発光波長の発光スペクトルと鉄元素の発光波長の発光スペクトルとをそれぞれ積算して炭素の発光強度を計算すると共に鉄の発光強度を計算する手段と、炭素の発光強度と鉄の発光強度との比を算出する手段と、前記比を、予め定められた炭素の発光強度と鉄の発光強度との比と炭素濃度との間の関係式に当てはめることによって鋼の炭素濃度を求める手段とを有するようにしている。 Further, the apparatus for measuring the carbon concentration of steel of the present invention removes the surface of the steel to a depth of 5 to 10 μm by pre-irradiating the surface of the steel with laser light, and then applies a pulse to the position where the surface has been removed. Means for calculating the emission intensity of carbon by calculating the emission intensity of carbon by integrating the emission spectrum of the emission wavelength of the carbon element and the emission spectrum of the emission wavelength of the iron element, respectively, which are irradiated with laser light, Means for calculating the ratio between the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron, and applying the ratio to a predetermined relational expression between the ratio of the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron and the carbon concentration. Means for determining the carbon concentration of steel.
また、本発明の鋼の炭素濃度の計測プログラムは、鋼の表面へのレーザ光の事前照射によって5〜10 μmの深さまで鋼の表面が除去された上で当該表面が除去された位置にパルスレーザ光が照射されて受光される炭素元素の発光波長の発光スペクトルと鉄元素の発光波長の発光スペクトルとをそれぞれ積算して炭素の発光強度を計算すると共に鉄の発光強度を計算する処理と、炭素の発光強度と鉄の発光強度との比を算出する処理と、前記比を、予め定められた炭素の発光強度と鉄の発光強度との比と炭素濃度との間の関係式に当てはめることによって鋼の炭素濃度を求める処理とをコンピュータに行わせるようにしている。 Further, the program for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention removes the surface of the steel to a depth of 5 to 10 μm by pre-irradiating the surface of the steel with laser light, and then applies a pulse to the position where the surface has been removed. A process of calculating the emission intensity of carbon by calculating the emission intensity of carbon by integrating the emission spectrum of the emission wavelength of the carbon element and the emission spectrum of the emission wavelength of the iron element, respectively, which are irradiated and received with laser light; and A process of calculating a ratio between the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron, and applying the ratio to a predetermined relational expression between the ratio of the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron and the carbon concentration. The processing for obtaining the carbon concentration of steel is performed by a computer.
したがって、これらの鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムによると、計測対象の鋼へのレーザ光の事前照射によって5〜10 μmの深さまで当該計測対象の鋼の表面が除去された上で発光スペクトルが計測されるので、レーザ光照射の初期における発光スペクトルの光強度が大きく変動する段階のデータは使用されることがなく、発光スペクトルの光強度が安定した段階のデータが使用される。また、鋼表層を除去するのに別途装置を必要とすることなく、同一の装置で除去から計測までを一貫して実施することが可能となる。 Therefore, according to the method, apparatus and program for measuring the carbon concentration of these steels, the surface of the steel to be measured is removed to a depth of 5 to 10 μm by pre-irradiating the steel to be measured with laser light. Since the emission spectrum is measured, the data at the stage where the light intensity of the emission spectrum greatly fluctuates in the initial stage of laser beam irradiation is not used, and the data at the stage where the light intensity of the emission spectrum is stable is used. Is done. In addition, it is possible to consistently perform the processes from removal to measurement with the same device without requiring a separate device to remove the steel surface layer.
これらの鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムによると、また、表面を除去するためのレーザ光の照射によって形成される照射痕は平面視において径が1 mm 程度であるので、照射痕同士を重複させないようにした場合には1 mm 程度の間隔で、また、照射痕同士を重複させるようにした場合には1 mm よりも小さい間隔で炭素濃度が定量される。 According to the measuring method, measuring device, and measuring program for the carbon concentration of these steels, the irradiation mark formed by the irradiation of the laser beam for removing the surface has a diameter of about 1 mm in a plan view. The carbon concentration is determined at intervals of about 1 mm when the irradiation marks are not overlapped, and at an interval smaller than 1 mm when the irradiation marks are overlapped.
また、発明者が見出した知見によれば、本発明において用いられる発光強度の比と炭素濃度との間の関係式が設定される際には、一般構造用圧延材や炭素鋼などの鉄を主成分とする鋼であれば、複数の鋼種の試験片が使用されるようにしても良い。さらに、どちらも鉄を主成分とするものであれば、発光強度の比と炭素濃度との間の関係式を設定するために使用された試験片の組成と計測対象物の組成とが異なっていても、前記関係式によって計測対象物における炭素濃度が定量され得る。 Further, according to the findings found by the inventor, when a relational expression between the emission intensity ratio and the carbon concentration used in the present invention is set, iron such as a rolled material for general structure or carbon steel is used. As long as the steel is a main component, a plurality of steel types of test pieces may be used. Furthermore, if both contain iron as the main component, the composition of the test piece used for setting the relational expression between the ratio of the luminescence intensity and the carbon concentration differs from the composition of the measurement object. Even so, the carbon concentration in the measurement object can be determined by the relational expression.
また、本発明の鋼の炭素濃度の計測方法及び計測装置は、前記鋼が鋼材の溶接部における鋼であるようにしても良い。この場合には、鋼材の溶接部における炭素濃度が定量される。 Further, in the method and the apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention, the steel may be steel in a welded portion of a steel material. In this case, the carbon concentration in the welded portion of the steel material is determined.
また、本発明の鋼の炭素濃度の計測方法及び計測装置は、発光スペクトルの受光系を構成する分光器の内部が不活性ガスで置換されるようにしても良い。この場合には、酸素分子による真空紫外波長域の光吸収が低減し、炭素の発光強度が高められる。 In the method and apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention, the inside of the spectroscope constituting the light receiving system of the emission spectrum may be replaced with an inert gas. In this case, light absorption in the vacuum ultraviolet wavelength region by oxygen molecules is reduced, and the emission intensity of carbon is increased.
また、本発明の鋼の炭素濃度の計測方法及び計測装置は、パルスレーザ光の照射及び発光スペクトルの計測が、一回のレーザ光照射につきプラズマの発光を一回計測する方式(即ち、シングルパルス方式)であるようにしても良い。この場合には、ダブルパルス方式の場合よりも炭素の発光強度が高められる。 In the method and the apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention, the irradiation of the pulsed laser light and the measurement of the emission spectrum measure the emission of the plasma once per laser light irradiation (that is, a single pulse). Method). In this case, the emission intensity of carbon is higher than in the case of the double pulse method.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムによれば、レーザ光照射による発光スペクトルの光強度が安定した段階のデータのみを使用するので、炭素の発光強度や鉄の発光強度に誤差が含まれることを防止して炭素濃度を正確に定量することができ、炭素濃度を定量する手法としての信頼性の向上を図ることが可能になる。 According to the method for measuring the carbon concentration of steel of the present invention, the measurement device, and the measurement program, since only the data of the stage where the light intensity of the emission spectrum by laser light irradiation is stable is used, the emission intensity of carbon and the emission of iron An error can be prevented from being included in the strength, and the carbon concentration can be accurately quantified, so that the reliability of the method for quantifying the carbon concentration can be improved.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムによれば、また、1 mm 程度若しくは1 mm よりも小さい間隔で炭素濃度を定量することができ、炭素濃度を定量する手法としての有用性の向上を図ることが可能になる。 According to the method, the measuring device, and the measuring program for measuring the carbon concentration of steel of the present invention, the carbon concentration can be determined at intervals of about 1 mm or less than 1 mm. Can be improved.
また、鉄を主成分とする鋼であれば、発光強度の比と炭素濃度との間の関係式を設定する際に複数の鋼種を試験片として使用することができ、また、関係式を設定する際に使用された試験片の組成と計測対象物の組成とが異なっていても炭素濃度を定量することができる。すなわち、主成分であれば鋼種の制約を受けないので、炭素濃度を定量する手法としての適用容易性及び汎用性の向上を図ることが可能になる。 In the case of a steel containing iron as a main component, a plurality of steel types can be used as test pieces when setting a relational expression between the ratio of the luminescence intensity and the carbon concentration. The carbon concentration can be quantified even if the composition of the test piece used for the measurement differs from the composition of the measurement object. That is, since the main component is not restricted by the type of steel, the applicability and versatility of the method for quantifying the carbon concentration can be improved.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法及び計測装置は、鋼材の溶接部における炭素濃度を定量するようにした場合には、経年での組織変化が起き易いと考えられる溶接部に関する貴重な情報を提供することが可能になる。 The method and the apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention provide valuable information on welds that are considered to easily undergo structural changes over time when the carbon concentration in steel welds is determined. Can be provided.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法及び計測装置は、分光器の内部が不活性ガスで置換されるようにした場合には、酸素分子による光吸収を低減させて炭素の発光強度を高めることができるので、炭素濃度を正確に定量することが可能になり、また、炭素濃度の検出下限値を引き下げることが可能になり、延いては、炭素濃度を定量する手法としての信頼性及び有用性の向上を図ることが可能になる。 The method and apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention, when the inside of the spectrometer is replaced with an inert gas, reduce the light absorption by oxygen molecules to increase the emission intensity of carbon. , It is possible to accurately quantify the carbon concentration, and it is possible to lower the lower limit of detection of the carbon concentration, and as a result, the reliability and usefulness of the method for quantifying the carbon concentration Can be improved.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法及び計測装置は、シングルパルス方式が用いられるようにした場合には、ダブルパルス方式の場合よりも炭素の発光強度を高めることができるので、炭素濃度を正確に定量することが可能になり、また、炭素濃度の検出下限値を引き下げることが可能になり、延いては、炭素濃度を定量する手法としての信頼性及び有用性の向上を図ることが可能になる。 The method and apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present invention can increase the carbon emission intensity when the single pulse method is used as compared with the case of the double pulse method. And the lower limit of detection of the carbon concentration can be reduced, and the reliability and usefulness of the method for quantifying the carbon concentration can be improved. Become.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図1乃至図4並びに図7に、本発明の鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムの実施形態の一例を示す。 FIGS. 1 to 4 and FIG. 7 show an embodiment of the measuring method, measuring device, and measuring program of the carbon concentration of steel according to the present invention.
本実施形態の鋼の炭素濃度の計測方法は、鋼の表面へのレーザ光の事前照射によって5〜10 μmの深さまで鋼の表面が除去され(S1)、当該表面が除去された位置にパルスレーザ光が照射されて受光される炭素元素の発光波長の発光スペクトルと鉄元素の発光波長の発光スペクトルとがそれぞれ積算されて炭素の発光強度が計算されると共に鉄の発光強度が計算され(S2,S3)、これら炭素の発光強度と鉄の発光強度との比が(S4)、予め定められた炭素の発光強度と鉄の発光強度との比と炭素濃度との間の関係式に当てはめられることによって鋼の炭素濃度が求められる(S5)ようにしている(図1参照)。 In the method for measuring the carbon concentration of steel according to the present embodiment, the surface of the steel is removed to a depth of 5 to 10 μm by pre-irradiating the surface of the steel with laser light (S1), and a pulse is applied to the position where the surface has been removed. The emission spectrum of the emission wavelength of the carbon element and the emission spectrum of the emission wavelength of the iron element, which are irradiated and received by the laser beam, are respectively integrated to calculate the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron (S2). , S3), the ratio between the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron (S4) is applied to a predetermined relational expression between the ratio of the emission intensity of carbon to iron and the carbon concentration. Thereby, the carbon concentration of the steel is determined (S5) (see FIG. 1).
本実施形態の鋼の炭素濃度の計測装置は、鋼の表面にレーザ光が照射されて鋼の表面粗さに相当する深さまで、換言すれば例えば鋼の表面へのレーザ光の事前照射によって5〜10 μmの深さまで鋼の表面が除去された上で当該表面が除去された位置にパルスレーザ光が照射されて受光される炭素元素の発光波長の発光スペクトルと鉄元素の発光波長の発光スペクトルとをそれぞれ積算して炭素の発光強度を計算すると共に鉄の発光強度を計算する手段と、炭素の発光強度と鉄の発光強度との比を算出する手段と、前記比を、予め定められた炭素の発光強度と鉄の発光強度との比と炭素濃度との間の関係式に当てはめることによって鋼の炭素濃度を求める手段とを有するようにしている。なお、鋼表面の凹凸とは別に、鋼製造過程における熱処理や脱炭などにより、鋼表層の炭素濃度の変化が考えられる場合や、試験片切断時の工作機械に含まれる炭素が試験片表層に混入する場合には、炭素濃度が変化している箇所まで表層をレーザ光照射により除去すれば、炭素濃度を適切に求めることが可能となる。 The apparatus for measuring the carbon concentration of steel according to the present embodiment is configured such that the surface of the steel is irradiated with the laser beam to a depth corresponding to the surface roughness of the steel, in other words, for example, by pre-irradiating the surface of the steel with the laser beam. The emission spectrum of the emission wavelength of the carbon element and the emission spectrum of the emission wavelength of the iron element, which are received after the surface of the steel has been removed to a depth of 10 μm and pulse laser light is applied to the position where the surface has been removed. A means for calculating the emission intensity of iron by calculating the emission intensity of carbon by integrating each of them, a means for calculating the ratio of the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron, and the ratio is determined in advance. Means for obtaining the carbon concentration of the steel by applying a relational expression between the ratio of the emission intensity of carbon to the emission intensity of iron and the carbon concentration is provided. In addition to the irregularities on the steel surface, when the carbon concentration of the steel surface layer may change due to heat treatment or decarburization in the steel manufacturing process, or when the carbon contained in the machine tool at the time of cutting the test piece is added to the surface of the test piece, In the case of mixing, if the surface layer is removed by laser light irradiation up to the portion where the carbon concentration is changed, the carbon concentration can be obtained appropriately.
上記鋼の炭素濃度の計測方法及び鋼の炭素濃度の計測装置は、鋼の炭素濃度の計測プログラムがコンピュータ上で実行されることによっても実施・実現され得る。ここでは、鋼の炭素濃度の計測プログラムがコンピュータ上で実行されることによって鋼の炭素濃度の計測方法が実施されると共に鋼の炭素濃度の計測装置が実現される場合を説明する。 The above-described method for measuring the carbon concentration of steel and the apparatus for measuring the carbon concentration of steel can also be implemented and realized by executing a program for measuring the carbon concentration of steel on a computer. Here, a case will be described in which a method for measuring the carbon concentration of steel is implemented by executing a program for measuring the carbon concentration of steel on a computer, and a measuring device for measuring the carbon concentration of steel is realized.
本実施形態の鋼の炭素濃度の計測プログラム17を実行するためのコンピュータ10(本実施形態では、鋼の炭素濃度の計測装置10でもある)の全体構成を図2に示す。
FIG. 2 shows an entire configuration of a computer 10 (in this embodiment, also a steel carbon concentration measuring apparatus 10) for executing the steel carbon
このコンピュータ10(鋼の炭素濃度の計測装置10)は制御部11,記憶部12,入力部13,表示部14,及びメモリ15を備え、これらが相互にバス等の信号回線によって接続されている。
The computer 10 (the carbon
制御部11は、記憶部12に記憶されている鋼の炭素濃度の計測プログラム17に従ってコンピュータ10全体の制御並びに鋼の炭素濃度の計測に係る演算を行うものであり、例えばCPU(中央演算処理装置)である。
The
記憶部12は、少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばハードディスクである。
The
入力部13は、少なくとも作業者の命令や種々の情報を制御部11に与えるためのインターフェイス(即ち、情報入力の仕組み)であり、例えばキーボードやマウスである。なお、例えばキーボードとマウスとの両方のように複数種類のインターフェイスを入力部13として有するようにしても良い。
The
表示部14は、制御部11の制御によって文字や図形或いは画像等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイである。
The
メモリ15は、制御部11が種々の制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となるものであり、例えばRAM(Random Access Memory の略)である。
The
また、コンピュータ10に、必要に応じ、当該コンピュータ10との間でデータや制御指令等の信号の送受信(即ち、出入力)が可能であるように、バスや広域ネットワーク回線等の信号回線により、データサーバ18が接続されるようにしても良い。
In addition, the
そして、コンピュータ10(以下、「鋼の炭素濃度の計測装置10」と呼ぶ)の制御部11には、鋼の炭素濃度の計測プログラム17が実行されることにより、鋼の表面にレーザ光が照射されて鋼の表面粗さに相当する深さまで鋼の表面が除去された上で当該表面が除去された位置にパルスレーザ光が照射されて受光される炭素元素の発光波長の発光スペクトルと鉄元素の発光波長の発光スペクトルとをそれぞれ積算して炭素の発光強度を計算すると共に鉄の発光強度を計算する処理を行う強度計算部11aと、炭素の発光強度と鉄の発光強度との比を算出する処理を行う強度比算出部11bと、前記比を、予め定められた炭素の発光強度と鉄の発光強度との比と炭素濃度との間の関係式に当てはめることによって鋼の炭素濃度を求める処理を行う炭素濃度算定部11cとが構成される。
The
また、本実施形態では、図4に示す装置が用いられて計測対象物へのレーザ光の照射が行われる。そして、本実施形態では、図4に示す装置構成の中に、当該装置によって行われるレーザ光照射及び発光スペクトル計測を制御する制御装置(コンピュータ)として鋼の炭素濃度の計測装置10が組み込まれている。ただし、レーザ光照射及び発光スペクトル計測を制御する制御装置(コンピュータ)と鋼の炭素濃度の計測装置10とは別体であるようにしても良い。
In the present embodiment, the device shown in FIG. 4 is used to irradiate the measurement target with laser light. In the present embodiment, a steel carbon
本発明では、炭素元素の濃度を計測する手法として、迅速な元素分析が可能であること、計測・分析に係る空間分解能を有すること、広範囲の分析が可能であること、さらに、装置構成の複雑化が避けられる大気圧環境下での計測が可能であることなどを考慮し、レーザ誘起ブレイクダウン分光法(LIBS:Laser-Induced Breakdown Spectroscopy の略)が用いられる。 In the present invention, as a method of measuring the concentration of carbon element, rapid elemental analysis is possible, spatial resolution related to measurement and analysis is possible, a wide range of analysis is possible, and furthermore, the configuration of the apparatus is complicated. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS: abbreviation for Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) is used in consideration of the fact that measurement can be performed in an atmospheric pressure environment in which gasification is avoided.
まず、本発明への適用を想定した、当初の従来側の装置構成を図3に示す。 First, FIG. 3 shows an initial conventional device configuration assuming application to the present invention.
具体的には、QスイッチNd:YAGレーザ装置(パルス幅7〜10 ns,繰り返し10 Hz)であり、第2高調波が計測対象物に照射される。ただし、マイクロチップレーザやエキシマレーザのようにパルス幅が100 ns 以下のパルスレーザであってもかまわない。また、高出力の連続光レーザを用いて鋼表面を二次元的に高速で掃引し、一箇所に瞬間的にレーザ光が照射されるようにすることで、パルスレーザ光を照射するのと同等の効果を得ることが可能と考えられる。このことも踏まえ、本発明の構成の説明における「パルスレーザ光」には、レーザ光それ自体が純粋にパルス波であるレーザ光に加え、パルスレーザ光を照射するのと同等の効果が得られるレーザ光(及び、レーザ光の照射の態様)を含むものとする。
Specifically, it is a Q switch Nd: YAG laser device (
レーザ装置1から照射されるレーザ光は、焦点距離が250 mm である平凸レンズ2が用いられて計測対象物9の表面に集光される。
Laser light emitted from the
なお、平凸レンズ2から計測対象物9の表面までの距離が平凸レンズ2の焦点距離と同程度である場合にレーザ光照射を繰り返したときに生じる照射痕が深くなってレーザ光の照射面積が照射回数によって大きく変化することを避けるため、平凸レンズ2から計測対象物9の表面までの距離は200 mm に設定される。
In addition, when the distance from the plano-
上記仕様の装置によってレーザ光照射を行ったところ、計測対象物9の表面に形成された照射痕は楕円状となり、照射痕の長径は1.0 mm 程度であると共に短径は0.5 mm 程度であった。
When the laser beam was irradiated by the apparatus having the above specifications, the irradiation mark formed on the surface of the
炭素元素の濃度分析を発光分光で行う本発明では、輝線(即ち、分析線の波長)として、例えば、JIS G 1253にも記載されている分析線の波長である炭素C(I)193.09 nm が用いられ得る。 In the present invention in which the concentration analysis of the carbon element is performed by emission spectroscopy, for example, carbon C (I) 193.09, which is the wavelength of the analysis line described in JIS G 1253, is used as the bright line (that is, the wavelength of the analysis line). nm may be used.
プラズマ発光は、バンドルファイバ3と分光器4及びICCD(Image Intensifier Charge Coupled Device の略)カメラ5が用いられて受光される。なお、分光器4の入射スリットの幅は50 μm に設定される。
The plasma emission is received by using a
遅延パルス発生器6が用いられてレーザ装置1によるレーザ光照射とICCDカメラ5の露光開始時間とが同期させられてICCDカメラ5の受光遅延時間と露光時間とが設定される。
The
なお、図3や図4に示す装置では計測対象物9が直交二軸のXYステージ7に載置されて移動させられるようにしているが、この構成は(即ち、計測対象物9がXYステージ7に載置された上で計測が行われることは)本発明において必須ではない。
In the apparatus shown in FIGS. 3 and 4, the
ここで、波長分解能が高いため、輝線をフォークト関数ではなく、ガウス関数でも十分に近似できることから、各輝線をガウス関数でマルチピーク近似したときの関数の振幅が発光強度と定義される。また、計算収束のため、関数の半値幅は1.5×10-2 mm に固定された。 Here, since the wavelength resolution is high, the emission line can be sufficiently approximated not by the Voigt function but by a Gaussian function. Therefore, the amplitude of the function when each emission line is multi-peak approximated by the Gaussian function is defined as the emission intensity. In addition, the half width of the function was fixed to 1.5 × 10 −2 mm for convergence of calculation.
そして、発明者は、上述の図3に示す構成の装置によって検証のための計測・分析を行い、真空紫外波長域の炭素の輝線を大気圧環境下で計測することを考慮しつつ、計測対象物9としての鋼における炭素元素の濃度を局所的に且つ定量的に計測する条件を最適化する(具体的には、特に炭素(C)の発光波長におけるスペクトル強度を高める)ため、図3に示す装置構成を以下のように改良した(改良後の装置構成について図4を参照)。 Then, the inventor performs measurement and analysis for verification using the apparatus having the configuration shown in FIG. 3 described above, and considers measuring the emission line of carbon in the vacuum ultraviolet wavelength range under an atmospheric pressure environment. In order to optimize the conditions for locally and quantitatively measuring the concentration of the carbon element in the steel as the object 9 (specifically, to increase the spectral intensity at the emission wavelength of carbon (C) in particular), FIG. The shown device configuration was improved as follows (see FIG. 4 for the improved device configuration).
〈改良1〉バンドルファイバ3を使用せずに、合成石英ガラス製のレンズ8を用いてプラズマ発光を受光・集光する。バンドルファイバ3の材質は合成石英であり、190 nm 以下の波長にて透過率が減少する。これは、合成石英の本波長域における透過率が空気よりも低いことが原因である。発光強度の減衰を防止するため、プラズマ生成箇所から検出器(具体的には、ICCDカメラ5;受光装置とも言い得る)までの距離を短くし、且つ、拡大集光系を構築することにより、受光量を増加させる。プラズマが生成する位置から分光器4までの距離を短くするため、計測対象物9の表面の法線方向に対して約45度の方向からレーザ光を計測対象物9へと照射すると共に、レーザ光視線方向に対して90度の方向からプラズマ発光を受光する。
<
〈改良2〉波長170〜200 nm において酸素分子(O2)の Schumann-Runge bands による光(真空紫外線)の吸収があるため、分光器4内部の雰囲気を不活性ガスで置換する。不活性ガスとしては、具体的には例えば窒素(N2)ガスが用いられ得る。分光器4内部を窒素ガス等の不活性ガスで置換することにより、酸素分子による光吸収が低減され、炭素の発光強度を高めることができる(図7参照)。
<
〈改良3〉プラズマの生成に伴う計測対象物9の表面の雰囲気ガス(具体的には、空気)の電離を防止するため、計測対象物9の表面(具体的には、レーザ光の照射点)に不活性ガスを噴射する。不活性ガスとしては、具体的には例えばヘリウム(He)ガスが用いられ得る。不活性ガスの噴射とレーザ光の照射及び受光系のレンズ8とを考慮し、計測対象物9の表面の法線方向に対して45度の方向からレーザ光を照射すると共に、計測対象物9の表面の法線方向から不活性ガスを噴射する。計測対象物9の表面にヘリウムガス等の不活性ガスを噴射することにより、炭素濃度が低い条件で計測を行う場合に特に、空気に含まれる二酸化炭素の電離が防止され、鋼に含まれる炭素のみを正確に計測することができる。また、雰囲気ガスの電離が防止され、バックグラウンドの原因となる波長依存性のない連続光の発生が抑制される。
<
本実施形態では、図4に示す構成の装置が用いられる。そして、紫外領域を計測するため、プラズマ発光を受光・集光する機序として、合成石英ガラス製のレンズ8が用いられる(上記〈改良1〉)。また、計測する炭素の輝線(即ち、分析線の波長;C(I)193.09 nm)及び鉄の輝線(分析線の波長;Fe(II) 200.09nm)は真空紫外領域であるため、大気中での輝線強度の減衰を緩和するため、分光器4内部の雰囲気が窒素(N2)ガスで置換される(上記〈改良2〉)。また、シングルパルス計測が行われる。
In the present embodiment, an apparatus having a configuration shown in FIG. 4 is used. In order to measure the ultraviolet region, a
なお、分光器4内部の雰囲気を不活性ガス(窒素ガス)で置換するための具体的な構成としては、例えば、不活性ガスを分光器4内部のコリメートミラーの背面から流入させてスリットの隙間から流出させるようにすることが一例である。
In addition, as a specific configuration for replacing the atmosphere inside the
そして、鋼の炭素濃度の計測方法の実施の手順として、まず、計測対象物へのレーザ光の事前照射が行われる(S1)。 Then, as a procedure for implementing the method for measuring the carbon concentration of steel, first, a measurement object is irradiated with laser light in advance (S1).
S1の処理としてのレーザ光の照射は、レーザ光照射によるアブレーションにより、計測対象物(即ち、鋼材や鋼材から採取された試料)の表面粗さに相当する深さまで当該計測対象物の表面を除去する(言い換えると、当該計測対象物の表面に照射痕として微小な穴を形成する)ためのものである。 In the irradiation of the laser beam as the process of S1, the surface of the measurement object is removed to a depth corresponding to the surface roughness of the measurement object (that is, a steel material or a sample collected from the steel material) by ablation by laser light irradiation. (In other words, minute holes are formed as irradiation traces on the surface of the measurement object).
したがって、レーザ光の事前照射によって除去される計測対象物の表面の深さ、言い換えると、レーザ光の事前照射によって計測対象物の表面に形成される照射痕の深さは、特定の深さに限定されるものではなく、計測対象物毎に、当該計測対象物(即ち、鋼材や鋼材から採取された試料)の表面粗さに対応する深さに適宜設定される。 Therefore, the depth of the surface of the measurement object removed by the preliminary irradiation of the laser light, in other words, the depth of the irradiation mark formed on the surface of the measurement object by the preliminary irradiation of the laser light is a specific depth. The depth is not limited, and is set as appropriate for each measurement object to a depth corresponding to the surface roughness of the measurement object (that is, a steel material or a sample collected from a steel material).
レーザ光の事前照射によって除去される計測対象物の表面の深さは、具体的には例えば、あくまで一例として挙げると、大凡5〜10 μm の範囲で、計測対象物の表面粗さに対応する深さに適宜設定され得る。 The depth of the surface of the measurement object removed by the pre-irradiation of the laser light specifically corresponds to the surface roughness of the measurement object in a range of approximately 5 to 10 μm, for example, only as an example. The depth can be set appropriately.
そして、レーザ光の事前照射としてのレーザ光の照射の仕方は、計測対象物の表面粗さに対応する深さまで当該計測対象物の表面を除去することが可能であれば、特定の内容に限定されるものではなく、例えば利用される装置の性能などが勘案された上で、適当な内容が適宜設定される。 The method of irradiating the laser light as the pre-irradiation of the laser light is limited to specific contents as long as the surface of the measurement target can be removed to a depth corresponding to the surface roughness of the measurement target. Instead, appropriate contents are appropriately set in consideration of, for example, the performance of the device to be used.
具体的には例えば、レーザエネルギーが30〜150 mJ 程度の範囲,レーザ光のスポット径が0.5〜2 mm 程度の範囲,及びレーザ光照射の回数が50〜150回程度の範囲にそれぞれ設定され、一層具体的には、レーザエネルギーが100 mJ 程度,レーザ光のスポット径が1.0 mm 程度,及びレーザ光照射の回数が100回程度にそれぞれ設定され、計測対象物の表面の同一箇所に連続的(言い換えると、連射的)にレーザ光が照射されることが考えられる。 Specifically, for example, the laser energy is set in a range of about 30 to 150 mJ, the spot diameter of the laser light is set in a range of about 0.5 to 2 mm, and the number of laser light irradiations is set in a range of about 50 to 150 times. More specifically, the laser energy is set to about 100 mJ, the spot diameter of the laser light is set to about 1.0 mm, and the number of laser light irradiations is set to about 100 times. It is conceivable that the laser beam is continuously (in other words, fired) continuously applied.
なお、レーザ光の事前照射によって除去される鋼の表面の深さは、表面粗さに対応する深さの他に、浸炭や脱炭処理した鋼の表面は母材と炭素濃度が異なるところ、このような表面処理の影響で炭素濃度が変化する場合にはその表面処理の影響が及んでいる厚さ分とすることも考えられる。 In addition, the depth of the surface of the steel removed by pre-irradiation of laser light, in addition to the depth corresponding to the surface roughness, the surface of the carburized or decarburized steel surface where the carbon concentration differs from the base metal, When the carbon concentration changes under the influence of such a surface treatment, it is conceivable that the thickness is affected by the influence of the surface treatment.
次に、計測対象物へのパルスレーザ光の計測照射が行われる(S2)。 Next, the measurement target is irradiated with pulsed laser light (S2).
S2の処理としてのレーザ光の照射は、レーザ誘起ブレイクダウン分光法による元素分析が行われるためのものである。 The irradiation of the laser beam as the process of S2 is for performing elemental analysis by laser-induced breakdown spectroscopy.
S2の処理としてのパルスレーザ光の照射はS1の処理としてのレーザ光の照射に引き続いて行われ、S1の処理としてのレーザ光の照射とS2の処理としてのレーザ光の照射とは同じ装置(本実施形態では、図4に示す装置)によって行われる。 The irradiation of the pulse laser light as the processing of S2 is performed subsequent to the irradiation of the laser light as the processing of S1, and the irradiation of the laser light as the processing of S1 and the irradiation of the laser light as the processing of S2 are the same apparatus ( In the present embodiment, this is performed by the device shown in FIG.
ただし、S1の処理としての事前照射で照射されるレーザ光と、S2の処理としての計測照射で照射されるレーザ光とは、種類が異なっても構わない。例えば、S1の処理としての事前照射では連続波のレーザ光が照射され、S2の処理としての計測照射ではパルスレーザ光が照射されるようにしても良い。 However, the type of the laser beam irradiated in the pre-irradiation as the process of S1 and the type of the laser beam irradiated in the measurement irradiation as the process of S2 may be different. For example, a continuous wave laser beam may be irradiated in the pre-irradiation as the process of S1, and a pulse laser beam may be irradiated in the measurement irradiation as the process of S2.
また、S2の処理としてのパルスレーザ光の照射は、計測対象物のうちの、S1の処理において表面が除去された箇所(言い換えると、照射痕として表面に形成された微小な穴)に対して行われる。つまり、S1の処理としてのレーザ光の照射とS2の処理としてのレーザ光の照射とが、計測対象物の同一箇所に対して行われる。 Irradiation of the pulsed laser beam as the process of S2 is performed on a portion of the measurement target whose surface has been removed in the process of S1 (in other words, a minute hole formed on the surface as an irradiation mark). Done. That is, the irradiation of the laser beam as the process of S1 and the irradiation of the laser beam as the process of S2 are performed on the same portion of the measurement target.
そして、計測対象物9の表面(照射痕)において生じたプラズマ発光は、集光用レンズ8としての合成石英ガラスを介して分光器4に導かれ、当該分光器4により、本発明における分析対象の元素である炭素(C)の発光波長の発光スペクトル及び鉄(Fe)の発光波長の発光スペクトルが分離される。
Then, the plasma emission generated on the surface (irradiation mark) of the
さらに、分光器4によって分離された炭素(C)の発光波長の発光スペクトル及び鉄(Fe)の発光波長の発光スペクトルが、検出器(具体的には、ICCDカメラ5)によって受光される。
Further, the emission spectrum of the emission wavelength of carbon (C) and the emission spectrum of the emission wavelength of iron (Fe) separated by the
そして、検出器(ICCDカメラ5)により、計測対象物9の表面において生じたプラズマ発光についての炭素(C)及び鉄(Fe)の発光スペクトルが、鋼の炭素濃度の計測装置10へと出力される。ここで、検出器から出力される、発光スペクトルに対応する信号のことを「スペクトルデータ」と呼ぶ。
The detector (ICCD camera 5) outputs the emission spectra of carbon (C) and iron (Fe) for the emission of plasma generated on the surface of the
なお、炭素の発光波長(輝線,分析線の波長)としては例えばC(I)193.09 nm,C(I)156.14 nm,或いはC(I)165.81 nm が用いられることが考えられ、鉄の発光波長(輝線,分析線の波長)としては例えばFe(II) 200.09 nm,Fe(II) 193.19 nm,或いはFe(II) 193.25 nm が用いられることが考えられる。 As the emission wavelength of carbon (the wavelength of the emission line and the analysis line), for example, C (I) 193.09 nm, C (I) 156.14 nm, or C (I) 165.81 nm may be used. It is considered that, for example, Fe (II) of 200.09 nm, Fe (II) of 193.19 nm, or Fe (II) of 193.25 nm is used as the emission wavelength (wavelength of the emission line and the analysis line) of iron. Can be
また、S2の処理としてのパルスレーザ光の照射からスペクトルデータの出力までの処理は、S3の処理における発光スペクトルを積算しての発光強度の算定に必要とされる回数が勘案された上で、適当な回数だけ行われる。 In addition, the processing from the irradiation of the pulse laser beam as the processing in S2 to the output of the spectrum data is performed in consideration of the number of times required for calculating the emission intensity by integrating the emission spectrum in the processing in S3. This is performed an appropriate number of times.
S2の処理としてのパルスレーザ光の照射からスペクトルデータの出力までの回数(また、S3の処理において発光強度を算定する際の発光スペクトルの積算の回数)は、具体的には例えば、あくまで一例として挙げると、50回程度に設定され得る。 The number of times from the irradiation of the pulse laser beam as the processing of S2 to the output of the spectrum data (and the number of times of integrating the emission spectrum when calculating the emission intensity in the processing of S3) is specifically, for example, only an example. For example, it can be set to about 50 times.
そして、S2の処理としては、複数回のパルスレーザ光の照射のそれぞれに対応する炭素(C)及び鉄(Fe)の発光スペクトルが、スペクトルデータとして検出器から出力される。 Then, in the process of S2, emission spectra of carbon (C) and iron (Fe) corresponding to each of the multiple irradiations of the pulsed laser light are output from the detector as spectrum data.
次に、発光強度の計算が行われる(S3)。 Next, the emission intensity is calculated (S3).
S3の処理としては、S2の処理によって取得された発光スペクトルが積算されて発光強度が計算される。 In the process of S3, the emission spectrum obtained by the process of S2 is integrated to calculate the emission intensity.
具体的には、S2の処理において検出器から出力されたスペクトルデータが鋼の炭素濃度の計測装置10へと入力され、制御部11の強度計算部11aにより、炭素(C)の発光スペクトルが積算されて炭素の発光強度が計算されると共に鉄(Fe)の発光スペクトルが積算されて鉄の発光強度が計算される。
Specifically, the spectrum data output from the detector in the process of S2 is input to the measuring
そして、強度計算部11aにより、計算された炭素(C)の発光強度と鉄(Fe)の発光強度とが、メモリ15に記憶させられる。
Then, the emission intensity of carbon (C) and the emission intensity of iron (Fe) calculated by the
次に、炭素の発光強度と鉄の発光強度との比の算出が行われる(S4)。 Next, the ratio between the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron is calculated (S4).
具体的には、制御部11の強度比算出部11bにより、S3の処理においてメモリ15に記憶された炭素(C)の発光強度と鉄(Fe)の発光強度とが読み込まれ、鉄の発光強度に対する炭素の発光強度の比が算出される。
Specifically, the emission ratio of carbon (C) and the emission intensity of iron (Fe) stored in the
そして、強度比算出部11bにより、算出された炭素の発光強度と鉄の発光強度との比の値がメモリ15に記憶させられる。
Then, the calculated value of the ratio of the emission intensity of carbon to the emission intensity of iron is stored in the
次に、計測対象物の炭素元素の濃度の算定が行われる(S5)。 Next, the concentration of the carbon element in the measurement object is calculated (S5).
S5の処理では、S4の処理において算出された炭素の発光強度と鉄の発光強度との比が、予め定められた〈炭素の発光強度と鉄の発光強度との比〉と〈炭素濃度〉との間の関係式(「強度比濃度関係式」と呼ぶ;即ち、炭素濃度を求める検量線である)に当てはめられることにより、計測対象物(具体的には、鋼)についての炭素濃度(単位:重量%)が算定される。 In the process of S5, the ratio between the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron calculated in the process of S4 is a predetermined <ratio between emission intensity of carbon and emission intensity of iron> and <carbon concentration>. (Referred to as “intensity ratio concentration relational expression”; that is, a calibration curve for obtaining carbon concentration), the carbon concentration (specifically, steel) of the object to be measured (specifically, steel) : Weight%) is calculated.
強度比濃度関係式は、化学成分として少なくとも炭素濃度が既知である複数の試験片のそれぞれについて上述のS1乃至S4の処理と同様にレーザ光の事前照射が行われた上でパルスレーザ光の計測照射が行われて発光強度が計算されると共に炭素の発光強度と鉄の発光強度との比が算出され、これにより、〈炭素濃度(既知)〉と〈炭素の発光強度と鉄の発光強度との比〉との組み合わせデータが複数組整備される。 The intensity ratio concentration relational expression is obtained by measuring a pulse laser beam after performing pre-irradiation of a laser beam on each of a plurality of test pieces having at least a known carbon concentration as a chemical component in the same manner as in the processing of S1 to S4 described above. Irradiation is performed to calculate the emission intensity, and the ratio between the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron is calculated, whereby the <carbon concentration (known)>, <the emission intensity of carbon and the emission intensity of iron, No.> ratio is prepared.
そして、この複数の組み合わせデータを近似する関数が推定され、当該推定された関数が強度比濃度関係式として設定される。 Then, a function approximating the plurality of combination data is estimated, and the estimated function is set as an intensity ratio concentration relational expression.
上記の組み合わせデータを近似する関数や近似方法は、特定の関数形や手法に限定されるものではなく、上記の組み合わせデータの例えばプロットなどが確認された上で当該の組み合わせデータを良好に近似し得ると考えられる関数形が適宜選択されたり、そのような関数のパラメータを算定し得る手法が適宜選択されたりする。なお、上記の組み合わせデータの回帰線(即ち、検量線)は、単調増加の曲線になる。 The function and the approximation method for approximating the combination data described above are not limited to a specific function form or method. A function form considered to be obtained is appropriately selected, or a method capable of calculating the parameters of such a function is appropriately selected. Note that the regression line (that is, calibration curve) of the above combination data is a monotonically increasing curve.
強度比濃度関係式を設定するための〈炭素濃度(既知)〉と〈炭素の発光強度と鉄の発光強度との比〉との組み合わせデータ(「関係式設定用データ」と呼ぶ)の個数は、特定の個数に限定されるものではないものの、少なくとも、関係式設定用データについての回帰式による近似の処理(回帰分析)が良好に行われ得る程度の個数であることが好ましい。 The number of combined data of <carbon concentration (known)> and <ratio of carbon emission intensity to iron emission intensity> (referred to as “relational expression setting data”) for setting the intensity ratio concentration relational expression is Although not limited to a specific number, it is preferable that the number is at least such that the approximation processing (regression analysis) of the relational expression setting data by the regression equation can be performed well.
また、関係式設定用データの整備のために使用される試験片としては、炭素濃度が様々であるものが準備されて使用されることが好ましく、少なくとも、計測対象物における炭素濃度として想定される範囲をカバーする炭素濃度であるものが準備されて使用されることが好ましい。 Further, it is preferable that test pieces having various carbon concentrations are prepared and used as test pieces used for preparing the relational expression setting data, and are at least assumed as the carbon concentrations in the measurement object. It is preferable that a carbon concentration covering the range is prepared and used.
ここで、発明者が見出した知見によれば、例えば一般構造用圧延材SS400や炭素鋼(S25C,S35C,S45C,S50C,或いはS55C 等)などの鉄を主成分とする鋼であれば、複数の鋼種の試験片が用いられて関係式設定用データが整備されて一つの強度比濃度関係式が推定されるようにして良く、且つ、計測対象である鋼の種類に関係なく共通の(言い換えると、一つの)強度比濃度関係式によって炭素濃度が算定されるようにして良い。すなわち、本発明では、どちらも鉄を主成分とするものであれば、検量線としての強度比濃度関係式を推定するために使用された試験片の組成と計測対象物の組成とが異なっていても、強度比濃度関係式によって計測対象物における炭素濃度が算定され得る。ただし、検量線としての強度比濃度関係式を設定するための関係式設定用データを整備するためのレーザ光の照射及び計測と、計測対象物に対するレーザ光の照射及び計測とは、同一の条件(具体的には例えば、レーザエネルギーやスポット径等)で行われることが必要とされる。 Here, according to the knowledge found by the inventor, for example, a steel having iron as a main component such as a rolled material for general structure SS400 or carbon steel (S25C, S35C, S45C, S50C, or S55C, etc.) is used. The steel type test piece may be used to prepare the relational expression setting data so that one strength ratio concentration relational expression may be estimated, and a common (in other words, regardless of the type of steel to be measured) Then, the carbon concentration may be calculated by one) intensity ratio concentration relational expression. That is, in the present invention, if both have iron as a main component, the composition of the test piece used for estimating the intensity ratio concentration relational expression as a calibration curve differs from the composition of the measurement object. Even so, the carbon concentration in the measurement object can be calculated by the intensity ratio concentration relational expression. However, the irradiation and measurement of laser light for preparing the relational expression setting data for setting the intensity ratio concentration relational expression as a calibration curve, and the irradiation and measurement of laser light on the measurement target are performed under the same conditions. (Specifically, for example, laser energy, spot diameter, etc.) are required.
一方で、例えばニッケル基合金などの鉄を主成分としない合金は、関係式設定用データを整備するための試験片としては適当でない。これは、鉄を主成分としない合金は、得られるスペクトルの形状が炭素鋼などの鉄を主成分とする合金について得られるスペクトルの形状と大きく異なることが影響していると考えられる。 On the other hand, for example, an alloy not containing iron as a main component, such as a nickel-based alloy, is not suitable as a test piece for preparing data for setting relational expressions. This is considered to be due to the fact that the shape of the obtained spectrum of the alloy containing no iron as a main component is significantly different from the shape of the obtained spectrum of the alloy containing iron as a main component such as carbon steel.
発明者が見出した知見によれば、さらに、関係式設定用データに炭素濃度が極端に低い(即ち、炭素濃度が0(ゼロ)に近い)データが含まれるようにするため、酸化を防止する対策を採っていれば、試験片として純鉄が使用されるようにしても良い。 According to the findings found by the inventor, oxidation is further prevented because the data for setting the relational expression includes data having an extremely low carbon concentration (that is, the carbon concentration is close to 0 (zero)). If measures are taken, pure iron may be used as the test piece.
本実施形態では強度比濃度関係式は鋼の炭素濃度の計測プログラム17内に予め規定され、そして、炭素濃度算定部11cにより、S4の処理においてメモリ15に記憶された炭素の発光強度と鉄の発光強度との比の値が読み込まれ、当該比の値が強度比濃度関係式に代入されて計測対象物の炭素濃度が算定される。
In the present embodiment, the intensity ratio concentration relational expression is defined in advance in the steel carbon
そして、制御部11は、計測対象物(具体的には、鋼)の炭素濃度を、表示部14に表示したり、データファイルとして記憶部12に保存したりした上で、当該の計測対象物に関する炭素濃度の計測に関する処理を終了する。
Then, the
以上のように構成された鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムによれば、計測対象の鋼の表面粗さに相当する深さまで当該計測対象の鋼の表面が除去された上で発光スペクトルが計測されるので、レーザ光照射の初期における発光スペクトルの光強度が大きく変動する段階のデータは使用されることがなく、発光スペクトルの強度が安定した段階のデータのみを使用するので、炭素の発光強度や鉄の発光強度に誤差が含まれることを防止して炭素濃度を正確に定量することができ、炭素濃度を定量する手法としての信頼性の向上を図ることが可能になる。 According to the method for measuring the carbon concentration of steel, the measuring device, and the measurement program configured as described above, the surface of the steel to be measured is removed to a depth corresponding to the surface roughness of the steel to be measured. Since the emission spectrum is measured at the stage, the data at the stage where the light intensity of the emission spectrum greatly fluctuates in the early stage of the laser beam irradiation is not used, and only the data at the stage where the intensity of the emission spectrum is stable is used. It is possible to accurately determine the carbon concentration by preventing errors in the light emission intensity of carbon and the light emission intensity of iron, and to improve the reliability as a method of determining the carbon concentration. .
以上のように構成された鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムによれば、さらに、計測対象物に照射するレーザ光のスポット径が調整されることによって計測対象物の表面における照射痕の大きさが例えば1 mm 程度或いは一層小さくされ得るので、計測対象物の所定の範囲を例えば1 mm 程度の間隔或いは一層小さい間隔で計測することが可能であり、良好な空間分解能で計測対象物における炭素濃度の面分布を計測することが可能になる。 According to the method for measuring the carbon concentration of steel, the measuring device, and the measurement program configured as described above, the spot diameter of the laser light applied to the measurement target is further adjusted, so that the surface of the measurement target is adjusted. Since the size of the irradiation mark can be reduced to, for example, about 1 mm or smaller, it is possible to measure a predetermined range of the measurement object at, for example, about 1 mm or smaller intervals, and to measure with a good spatial resolution. It becomes possible to measure the surface distribution of the carbon concentration in the object.
また、発明者が見出した知見によれば、本発明において用いられる発光強度の比と炭素濃度との間の関係式を設定する際には、一般構造用圧延材や炭素鋼などの鉄を主成分とする鋼であれば、複数の鋼種を試験片として使用することができ、さらに、どちらも鉄を主成分とするものであれば、発光強度の比と炭素濃度との間の関係式を設定するために使用された試験片の組成と計測対象物の組成とが異なっていても前記関係式によって計測対象物における炭素濃度を定量することができ、すなわち鉄が主成分であれば鋼種の制約を受けないので、炭素濃度を定量する手法としての適用容易性及び汎用性の向上を図ることが可能になる。 Further, according to the findings found by the inventor, when setting the relational expression between the ratio of the luminescence intensity and the carbon concentration used in the present invention, iron such as a rolled material for general structure and carbon steel is mainly used. In the case of steel as a component, a plurality of steel types can be used as a test piece. Further, if both of them are mainly composed of iron, the relational expression between the ratio of the luminescence intensity and the carbon concentration is expressed as Even if the composition of the test piece used for setting and the composition of the measurement object are different, the carbon concentration in the measurement object can be quantified by the above-mentioned relational expression, that is, if iron is the main component, the steel type Since there is no restriction, it is possible to improve applicability and versatility as a method for quantifying the carbon concentration.
なお、上述の実施形態は本発明を実施する際の好適な形態の一例ではあるものの本発明の実施の形態が上述のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において本発明は種々変形実施可能である。 Although the above-described embodiment is an example of a preferred embodiment when carrying out the present invention, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention is not limited thereto without departing from the gist of the present invention. The invention can be implemented in various modifications.
例えば、上述の実施形態では図4に示す装置が用いられて計測対象物へのレーザ光の照射が行われるようにしているが、図4に示す装置構成は特に合成石英ガラス製のレンズ8が用いられるようにしている点と分光器4内部の雰囲気が不活性ガス(例えば、窒素ガス)で置換されるようにしている点とにおいて好ましい態様ではあるものの、本発明において用いられ得る装置構成は図4に示すものに限られるものではなく、レーザ誘起ブレイクダウン分光法としての計測が可能なものであれば種々のものが用いられ得る。例えば、図4に示す装置構成におけるXYステージ7が備えられないようにしても良い。また、全長が短ければ石英レンズでプラズマの発光を集光する代わりに、合成石英製のファイバを用いて発光点近傍にファイバを近接させ、発光を分光器まで伝送してもよい。さらに、感度が十分である場合には、分光器内部の不活性ガス置換を省略してもよいし、逆に感度が不十分である場合には分光器から発光点までの空間を容器やチューブのような中空状の囲いで多い、その内部を不活性ガスに置換すると感度の向上が期待できる。
For example, in the above-described embodiment, the device shown in FIG. 4 is used to irradiate the measurement target with laser light. However, the device configuration shown in FIG. Although this is a preferred mode in that the apparatus is used and that the atmosphere inside the
本発明による鋼の炭素濃度の計測の妥当性を検証するため行った強度比濃度関係式の推定と当該推定された強度比濃度関係式を用いて行った炭素濃度の定量の実施例を図8及び図9を用いて説明する。 FIG. 8 shows an example of the estimation of the intensity ratio concentration relational expression performed to verify the validity of the measurement of the carbon concentration of steel according to the present invention, and the quantification of the carbon concentration performed using the estimated intensity ratio concentration relational expression. This will be described with reference to FIG.
本実施例では、まず、試験片として炭素濃度が既知である純鉄,一般構造用圧延材SS400,及び炭素鋼が用いられて各試験片についての炭素の発光強度と鉄の発光強度との比が算出された。 In this embodiment, first, pure iron having a known carbon concentration, rolled material for general structure SS400, and carbon steel are used as the test pieces, and the ratio of the light emission intensity of carbon to the light emission intensity of iron for each test piece is used. Was calculated.
そして、〈炭素濃度(計算)〉と〈炭素の発光強度と鉄の発光強度との比〉との間の関係式(即ち、強度比濃度関係式)が推定され、図8に示す単調増加の曲線が推定された。なお、図8中の○印は、本実施例において得られた関係式設定用データのプロットである。 Then, a relational expression between <carbon concentration (calculation)> and <ratio of emission intensity of carbon and emission intensity of iron> (that is, relational expression of intensity ratio concentration) is estimated, and a monotonic increase shown in FIG. The curve was estimated. The circles in FIG. 8 are plots of the relational expression setting data obtained in the present embodiment.
本実施例で推定された強度比濃度関係式は以下の数式1の通りであった。
The relation formula of the intensity ratio concentration estimated in the present embodiment is as the following
数式1において、Iは炭素の発光強度と鉄の発光強度との比、xは炭素濃度であり、I0,A,Bは指数関数近似によって決定される定数である。図8に示す例では、I0 = 0.45、A = −0.37、B = 0.20となった。
In
さらに、推定された強度比濃度関係式が用いられて、高クロム鋼(火SCMV28)の溶接部における炭素濃度が定量され、図9に示す結果が得られた。なお、図9に示す結果は、1 mm 間隔で三箇所の炭素濃度を定量したときの計測位置別の炭素濃度である。 Further, the carbon concentration in the welded portion of the high chromium steel (fire SCMV28) was quantified using the estimated strength specific concentration relational expression, and the results shown in FIG. 9 were obtained. In addition, the result shown in FIG. 9 is a carbon concentration at each measurement position when the carbon concentration at three locations is determined at 1 mm intervals.
ここで使用した溶接材料の炭素濃度は化学分析していないため不明であるが、メーカカタログに示される代表的値は0.06 重量% であった。溶接部はほとんど溶接材料の組成と同一であるため、本値が溶接部の炭素濃度の平均値に相当すると考えられる。 The carbon concentration of the welding material used here is unknown because it has not been chemically analyzed, but the typical value shown in the manufacturer's catalog was 0.06% by weight. Since the welded portion has almost the same composition as the welding material, this value is considered to correspond to the average value of the carbon concentration of the welded portion.
図9に示す結果から、本発明によって定量された溶接部の炭素濃度は溶接材料の炭素濃度の代表的値である0.06 重量% と概ね一致しており、本発明は、鋼の炭素濃度を計測する手法として妥当であり、且つ、良好な空間分解能で鋼の炭素濃度を計測することが可能であることが確認された。 From the results shown in FIG. 9, the carbon concentration of the weld determined by the present invention is almost consistent with the typical value of 0.06% by weight of the carbon concentration of the welding material. It was confirmed that this method was appropriate as a technique for measuring the carbon concentration, and that the carbon concentration of steel could be measured with good spatial resolution.
本発明の鋼の炭素濃度の計測方法、計測装置、及び計測プログラムは、例えば鋼材における炭素濃度の定量を精度良く且つ高い空間分解能で行うことができるので、あくまで一例として挙げると、種々のプラントの部材の健全性評価などの分野で利用価値が高い。 The method for measuring the carbon concentration of steel, the measuring device, and the measurement program according to the present invention can perform, for example, the determination of the carbon concentration in steel with high accuracy and high spatial resolution. It has high utility value in fields such as soundness evaluation of components.
10 鋼の炭素濃度の計測装置
17 鋼の炭素濃度の計測プログラム
10 Carbon concentration measurement device for
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