基于Cos-Alpha法的快速简易X射线残余应力测量前沿技术

本着“创造新价值”的理念，技术开发公司PULSTEC推出了一款真正便携式快速无损X射线残余应力分析仪。

日本PULSTEC Industrial Co., Ltd.利用创新cos-alpha应力分析方法，开发出一种快速、可靠、高度便携的X射线残余应力分析仪。

近期，MFN对日本PULSTEC Industrial Co., Ltd.的销售总监Yoshiyuki Aono和销售经理Yoshinobu Teramoto进行了采访，本采访全文刊登于MFN 2021 Vol.22。

(?)MFN：首先请介绍一下贵公司PULSTEC。

(!) Y. A.：PULSTEC Industrial Co., Ltd.成立于1969年，距今已有52年的历史。公司位于日本静冈县滨松市，差不多位于日本主岛的中心，在东京和大阪之间。滨松是一座工业城市，人口约80万，是雅马哈、本田和铃木等汽车和乐器行业许多知名公司的长期驻地。PULSTEC初作为这些行业的各种测量仪器和系统的开发商和供应商赢得了良好的声誉，经常为客户开发定制产品以满足客户的技术指标需求。凭借过去的研发经历，PULSTEC工程师在电子、机械、软件技术，特别是用于分析极微弱电信号和光学技术的测量仪器方面积累了丰富的经验。创业期过后，PULSTEC通过向高科技市场推出原创产品，成功拓展了业务领域，并在东京证券交易所上市。我们的业务持续多元化发展，进入了不同的领域，例如钢铁行业、光学测量和医疗器械领域等等。在过去的52年里，我们与日本及其他各地的客户所建立的良好合作关系是我们企业的生存之本。

PULSTEC总部	Yoshiyuki Aono， PULSTEC Industrial Co., Ltd.总监

(?)MFN：请向我们介绍一下PULSTEC便携式X射线残余应力分析仪。

(!)Y. A.：在过去，残余应力测量装置十分复杂且非常耗时，而且由于所用测量仪器的设计和剂量率等原因，通常只能由接受过专业培训的人员在实验室中使用。我们开发的这款便携式残余应力分析仪辐射曝光低、安装和操作简单，因此残余应力测量变得更快、更轻松。

该仪器实现了分析技术的飞跃发展，其中配备了一个专用大面积二维X射线探测器，与X射线管一起安装于小型便携式装置中。此外，全自动cos-alpha测量数据分析方法将操作者对测量的干预降到了低。Cos-alpha分析方法是一位日本教授在1978年提出的。这种测量方法采用了完整的“德拜-谢乐环”（德拜环）数据，这里的德拜环数据由二维探测器在单次短时间X射线曝光后采集获得。在cos-alpha方法发展的早期阶段，必须使用X射线胶片，然后在对曝光的胶片进行显影后方可得到德拜环图像，并通过手动计算来确定残余应力。

近期，PULSTEC与该教授合作，极大改进了对衍射X射线的检测和分析效果。应用PULSTEC技术，对样品进行单次短时间X射线曝光，随后进行X射线探测、分析，然后立即重置探测器，这些操作可以在几分钟内完成，而且实现了全自动化。我们通过在便携式应力分析仪中使用影像板（IP）代替X射线敏感胶片实现了这一技术，该影像板可重复使用并可自动读取。

我们已经在先进研发工程领域，特别是在机械制造和工程结构领域使用cos-alpha方法测量残余应力的应用中获得了很多成功案例。

早在2012年，我们就发布了X射线残余应力分析仪的个版本。一开始，有人怀疑该系统是否可以与现有的XRD方法相媲美，比较有代表性的问题就是“是否可以使用如此小巧简单的仪器测量残余应力？”2020年，cos-alpha方法经材料科学学会批准成为了日本学术协会的一项标准，并对该仪器的测量质量进行了独立验证。在标准化工作组进行大量循环测试后，他们验证了这种测量方法与现有基于XRD的方法之间的相关性。此外，他们还证实了基于二维探测器和单次低功率短时X射线曝光技术的德拜环残余应力分析方法的实用性和准确性。分析得出的结论是，该项技术在未来可能会得到广泛应用，因此需要考虑将其标准化。

感谢您给予机会介绍这项技术！我希望这些信息能够对研究人员和工程师有所帮助。

 Yoshiyuki Aono（右）和销售经理Yoshinobu Teramoto（左）

(?)MFN：目前的业务发展如何？

(!)Y. T.：到目前为止，我们已经在各地的各种学术会议和展览中遇到了许多工程师和研究人员，他们的反馈证实了测量工程组件和结构中残余应力的重要性。我们已经了解到了对因该设备的体积小、重量轻而带来的可移动性和便携性有需求的各应用领域；例如，现场应用以及与机器人系统的集成。目前，PULSTEC的工程师已经拥有了丰富的经验，并通过与客户的密切合作提出了各种解决方案以满足客户的需求。

目前，PULSTEC已经在17个国家安装了400多台便携式X射线残余应力分析仪；在本文发表时，可能会达到450台。

我们的销售基地位于滨松市，在日本东京和美国加利福尼亚设有分支机构。PULSTEC的客户群遍布，因此与诸多代理公司建立合作伙伴关系非常必要。例如，在欧洲，我们的合作伙伴之一是德国创新企业“Sentenso”，该公司在表面增强工程方面拥有丰富的经验。

此外，我们的系统也被用于诸多大学和研究实验室中，包括日本、美国、英国、德国、中国和新加坡，以及各大主要汽车制造商和许多其他工程制造企业。我想将我们开发的系统介绍给全更多的人，希望它能够帮助从事研发和生产的人员，特别是诸如汽车、机械、航空航天领域等等各个行业的技术人员。我们相信，这一系统的广泛推广将有助于开发新技术及优质安全产品。

(?)MFN：未来有哪些计划？

(!)Y. T.：我们不仅开发了主机系统，还开发了各种测量辅助工具和屏蔽柜等安全设施，这些将作为选件提供给有需求的客户。PULSTEC致力于与我们的客户保持良好的合作沟通关系，倾听他们的需求并为其提供佳解决方案。从以往来看，残余应力测量系统的便携性解决了许多现场测量问题。PULSTEC开发了各种辅助工具来帮助解决现场测试问题。某些情况下，组件形状复杂，有些客户可能需要测量大型物体，而另一些客户则可能需要测量小零件，其中可能是狭窄部位等等。事实证明，使用其他类型的XRD系统进行这类测量很难获得可靠的数据。

我们提供的选件之一就是各种孔径的准直器和工具以改变X射线斑点尺寸。同时，我们还提供了多种类型的X射线管。为了充分利用测量速度快这一性能，我们提供了一个自动Mapping选件，可以实现区域应力测量。还有一个显微观察工具选件，用于精确定位小直径的X射线斑点。其中有一位客户需要对大型零件进行许多测量，我们的工程师设计并制造了一辆推车用来支撑X射线残余应力分析仪。

现场测量	显微镜工具

我们在分析金属表面精加工处理引起的应力方面拥有丰富的经验。XRD方法是一种非常合适的表面/次表面残余应力测量手段；但偶尔需要确定应力随零件表面以下深度的变化情况。因此，PULSTEC开发了一款电解抛光机，可用于通过电化学方法对金属做剥层处理，通过重复“抛光-测量”操作，可以得到残余应力随深度变化的分布曲线。

增材制造技术是一项新兴技术，通常需要在3D打印中进行残余应力测量。我认为，随着越来越多的制造商使用这种生产方法，表面应力分布图形式的残余应力测量结果将成为许多行业更为重要的参考数据。

近期，我们将我们的X射线衍射技术应用到了一种新的测量手段中，即称为“muraR”的“非接触表面硬度变化扫描仪”。这不是单一的X射线点测量，而是对物体表面进行X射线扫描。例如，该扫描仪已用于检测热处理工艺引起的偏差或变化，这种变化增强了晶体结构的变形，且与硬度测量结果有关；类似地，对于更局部化的结构变化，例如在机械烧蚀后，这些变化导致了硬度的局部变化。鉴于其扫描区域大且分析时间短，我们预计该仪器将作为钢铁产品制造质量控制的一部分而用于生产加工中。

PULSTEC持续为客户提供优质解决方案。

MFN非常感谢Yoshiyuki Aono和Yoshinobu Teramoto接受此次采访！

原文链接：https://www.mfn.li/archive/issue_view.php?id=2112&kat=6

*有删节

编者：QUANTUM DESIGN中国公司于2015年将PULSTEC公司小而轻的便携式X射线残余应力分析仪引进中国，目前已在国内销售安装近百台，客户遍布高校、科研院所及各工业领域。

关注Quantum Design China微信公众号，在对话框中输入“残余应力”了解更多信息。