专利名称：用于具有相互成角度的平整表面的试件的无损超声测试的方法和设备的制作方法
用于具有相互成角度的平整表面的试件的无损超声测试的
方法和设备本发明涉及用于通过若干可选择性激活的超声换能器对具有相互成角度的平整表面的试件进行无损超声测试的方法和相关联的装置，其中该方法包括若干测试循环，利 用这些循环，若干超声换能器中的特定超声换能器被选择并激活，以便于向该试件发出至 少一个超声脉冲，而且利用这些循环，试件中反射的超声脉冲被选定和/或(在必要时)由 其他超声换能器接收。超声测试是用导声材料(包括多数金属)测试以在例如焊缝、锻件、铸件、半成品 或管道的情况下发现内部和外部缺陷的适当方法。与所有测试方法一样，超声探伤也被标 准化并根据准则来进行，例如根据DIN EN 10228-31998-07 “对钢锻件的无损测试——第 三部分对铁素体和马氏体钢锻件的超声测试(Non-Destructive Testing of Forgings of Steel-Part 3::Ultrasonic Testing of Forgings of Ferritic and Martensitic Steel)”来进行。已知用于通过超声对试件进行无损测试的合适测试设备和方法。非常普 遍地参照JML Krautkramer ISBN的教科书《利用超声的材料测试》(Materials Testing with Ultrasound)第六版。本发明普遍基于声音在界面处的反射。作为声源，使用最多的是具有一个或两个 超声换能器的探头，其声波辐射在所有情况下在IOkHz到IOOMHz的频率范围内。在脉冲回 波法的情况下，超声换能器不发射连续辐射，而是发出非常短的声波脉冲，该声波脉冲的持 续时间为1μ s或更短。从发射器发出的脉冲以适当的声波速率穿过待测试件，且在界面金 属_空气处几乎完全反射。声波换能器可主要用于不仅发射脉冲，而且将进入脉冲转换成 电测量信号；因此它也用作接收器。利用示波器或计算机单元测量声波脉冲从发射器穿过 加工件并再次返回所需的时间。在该材料中的声波速率c已知的情况下，例如，可以此方式 测量样本的厚度。出于加工件与超声换能器之间的耦合的目的，将耦合剂(例如，浆料(溶 液)、凝胶、水或油)涂敷到待测加工件的表面上。在换能器与试件之间为了传输声波信号 而相对运动时，试件常常被浸入适当的流体中(浸入技术)或限定湿润。通过声波性质在界面处的改变，即在限制试样片的外壁表面处以及在内部界面 处——即诸如空腔(空间)的内部中的缺陷、外壳、叠层、裂缝处或待测加工件内部中的结 构中的另一间隔——的改变，声波脉冲被反射并发送回探头中的换能器，该换能器既作为 发射器又作为接收器。发送和接收之间流逝的时间允许计算该路径。借助测得的时间差， 在监视器或示波器上产生信号图像并使其可见。借助该图像，可确定试件的声学性质的变 化状态，且在必要时可估计缺陷(用技术语言来说，称为“不连续”)的大小。利用自动测试 台，该信息被存储，立即或在稍后以不同的方式用于该试件的前景判断，并被存档。在用于对作为试件的圆钢和管道的无损超声测试的经典方法的情况下，使用了在 声场中交迭的机械旋转探头或膜探头，这些探头常常需要高设备开支。因此，本发明的发明 人开发了“相控阵技术”中的用于测试管道或圆杆的替代方法。利用“相控阵技术”，使用多 个选择性相可激活换能器中的一个或若干个天线阵列作为探头(所谓的“相控阵”探头)。 例如，各个天线阵列例如由128个单独的超声换能器组成，其中每个单独的换能器通过电缆电连接且可选择。因此，每个换能器可被激活为超声发射器，此外可作为接收器使用。为 了使声波进入管道或试件，选择了例如多达32个毗邻的换能器来形成“虚拟”探头。在多 路复用方法中，通过在换能器中连续循环可产生旋转的声场。该循环的“步长”决定虚拟旋 转速率。经由“延迟时间”(相移或延迟时间，例如以纳秒为单位)，换能器以指定顺序被激 活为虚拟探头，从而可形成声场。通过声场的该“电子”形式，产生声波在径向方向上的可 变角度进入以及声场的可变聚焦是可能的。在输入诸如探头类型、杆直径、声波进入杆的角 度、焦距等，已知方法计算必须的延迟时间。该方法具有的缺点在于，在前述已知实施例中，该方法不适于测试具有成角度的 平整表面的试件，而实际上仅适用于具有圆形横截面的试件。本发明的发明人已经认识到， 上述缺点可归因于基于不垂 直于试件的各个表面的声波入射，由于成角度的平整表面的 排列，衍射或折射效应阻止了可再现的测试结果，因为对试件内部的采集不完全。针对该缺点的背景，本发明的发明人已经为自己指定了开发用于具有相互成角度 的平整表面的试件的无损超声测试的方法和装置的任务，该方法和装置是可靠的和/或允 许对试件内部的完全测试。该任务通过根据权利要求1的方法以及根据同等权利要求的装 置来实现。在所有情况下，优选实施例是从属权利要求的主题。根据本发明的该方法用于对具有相互成角度的平整表面的试件的无损超声测试。 该试件由导声材料制成。该试件优选是杆材。在所有情况下，该试件更优选具有若干成对 平行表面。借助若干可选择性激活的超声换能器执行该方法。因此这些换能器通过电缆单 独地电连接，而且它是例如压电或膜换能器材料。选择可控性包括换能器所发射的超声脉 冲的强度可调性和/或各个所选超声换能器所发射的脉冲之间的相移。一般而言，由于相 位调节的原因，试件方向上的任何大范围变化角度的声波引入以及所发射声场或声场波瓣 的聚焦的大范围可调是可能的。根据本发明的方法包括若干测试循环，在所有情况下，若干超声换能器(组)中 的特定超声换能器(组)在这些循环中被选择并激活，以便于向试件发射频率通常为5到 IOMHz的至少一个超声脉冲，优选发射多个超声脉冲——取决于所需分辨率。此外，试件中 反射的超声脉冲由上述选定的发送换能器接收，和/或在必要时由其他超声换能器接收。根据本发明的该方法的特征在于，在各个测试循环中，选择并激活超声换能器，以 使所选和所激活的超声换能器所产生的超声脉冲的主传播方向垂直于试件的至少一个成 角度表面。通过防止这些表面的有角度声波辐射，可防止试件内部的界面上的衍射和折射 效果，且可提高缺陷识别的可靠性和可再现性。因此，该方法适用于具有相互成角度的平整 表面的试件的其他方式不可行的测试，其中“相控阵技术”相对于常规技术尤其存在以下一 般优点■通过简单机械装置的紧凑构造■无机械旋转部件■设置时间短，且通过对声场形成的电子调节实现分布改变(设置时间“相控阵 技术” < 5分钟；旋转设备需要25-45分钟)此外，根据本发明的声音垂直引入方法可由通过可能的电子声场形成引入附加的 有角度声波(即在相应表面上入射有角度的超声波)来补充。由本领域技术人员负责在具有不同声波路径的指定平顶镗孔的测试主体上在例如静态条件下执行超声测试程序的电子声场形成，以获得选择相激活的规范。取决于该规 范，这些平顶镗孔的直径一般在0 0. 4mm与0 1. 2mm之间。在例如飞行标准AMS-Std. 2154 Cl. AA中指定了测试所需的一个规范。利用根据本发明的方法，优选借助成角度表面相对于若干超声换能器的空间排列 来选择并激活这些超声换能器。例如，在对试件的各个平整表面上的预设超声脉冲碰撞点 执行每个换能器的声波辐射之前进行该计算。根据另一优选实施例，该选择和激活借助数 值算法来实现，例如根据费马定理来实现。该数值算法用于精确确定所需声场，根据本发明 的所需声场具有垂直于相应表面的主传播方向，还可任意地聚焦——例如取决于试件内部 的测试所需深度。根据又一优选实施例，在测试循环期间或在多个测试循环之间(间隙)提供试件 与超声换能器之间沿纵向的相对运动，同时保持其成角度表面与超声换能器的空间对准和 距离。因此，可更完整地在纵向上采集该试件。根据再一优选实施例，该方法包括若干时间连续的测试循环，其中主传播方向相 互平行，从而测试试件的不同区域。因此，可对试件内部进行完整的采集和测试，以找出缺 陷。因为在若干测试循环中各个平整表面被声波在不同穿透点处重复穿透(而且，例如不 仅在试件的中心点方向)，所以由于向相应的毗邻表面的边缘形状转换而必然存在的试件 的未测试“边界区”可被最小化。以此方式，扫描了试件的整个平整表面。因此，根据本发 明的方法对于无损超声测试的可靠性显然可提高。为了在试件的圆周方向中尽可能地实现对试件的全方位测试，在一个 优选实施例 中，根据本发明的方法包括在使主传播方向在试件的圆周方向中旋转的同时进行用于测 试试件的若干时间连续但并非强制紧邻的连续测试循环。本发明涉及用于在若干测试循环中对试件进行无损超声测试的设备，其中该试件 具有相互成角度的平整表面。该设备包括以下部件若干可选择性激活的超声换能器；用 于在每个测试循环中选择若干超声换能器中的特定换能器的选择单元；用于激活选定超声 换能器以向试件发射至少一个超声脉冲的控制单元，优选发射脉冲序列；以及评估单元，用 于通过用于发射的选定和/或其他超声换能器接收试件中反射的超声脉冲。该设备表征 为，选择单元和/或控制单元被设计成在各个测试循环中，超声换能器被选择并激活以使 通过所选定和激活的超声换能器所产生的超声脉冲的主传播方向垂直于试件的至少一个 成角度表面。通过防止表面的有角度声波辐射，可防止试件内部的衍射和折射效应，且提高缺 陷识别的可靠性。因此，该方法适用于对具有相互成角度的平整表面的试件的其他方式不 可行的测试，其中“相控阵技术”相对于常规技术尤其存在一般优点。此外，根据本发明的 声音垂直引入方法可由通过可能的电子声场形成引入附加的有角度声波(即在相应表面 上入射有角度的超声波)来补充。为了实现与所产生声锥的主传播方向及其在相关表面上的冲击点有关的可靠预 报，选择单元和/或控制单元被设计成使超声换能器借助有角度表面相对于若干超声换能 器的空间排列关系被选择和激活。优选地，该选择和/或激活借助数值算法进行，例如根据 费马定理进行。为了实现对测试主体可能的最完整测试，例如，沿测试主体的纵向设置用于使试件与超声换能器在测试循环期间或多个测试循环之间相对移动的装置。此外，设置用于保持有角度表面相对于超声换能器的空间对准和距离的装置，例如至少一个引导件。例如，将 试件移动通过固定的换能器装置，以避免用于在保持换能器装置电接触的同时移动换能器 装置的复杂机械构造。优选地，选择单元和控制单元被设计成提供若干时间连续测试循环，其中主传播 方向相互平行以便测试试件的不同区域。从而，可对试件内部进行完整的采集和测试，以找 出缺陷。因为在若干测试循环中各个平整表面被超声波在超声波的不同穿透点处垂直穿透 (而且，例如不仅在试件的中心方向)，所以由于向相应的毗邻表面的边缘形状转换而必然 存在的试件的未测试“边界区”可被最小化。以此方式，扫描试件的整个平坦平整表面。因 此，根据本发明的方法对无损超声测试的可靠性可提高。为了在试件的圆周方向上实现对试件尽可能完整的测试，选择单元和控制单元被 设计成提供用于测试试件的若干个试件连续测试循环，同时使主传播方向在试件的圆周方 向上“旋转”。实际上，这意味着在保持主传播方向的同时，从一个“弯折”到另一个“弯折” 扫描第一平坦外围表面，同时保持主传播方向(也参见声波的垂直引入)。在改变至下一 (统称为毗邻)外围表面时，主传播方向突然改变，以使声波垂直引入到该表面上。根据优选实施例，用于无损超声测试的设备的形状被设计成使超声换能器被安排 成围绕试件的环状，优选相距均勻。在换能器被安排成环状的情况下，换能器排列几何形 状在很大程度上对试件是中立的，从而该设备适于测试实际上具有任何截面几何形状的试 件。因此，例如，也可测试具有圆形、按钮(已知)截面形状的试件。此外，在后一种情况下， 试件相对于超声换能器的位置必须是已知的。优�。杂谏詈希诔荒芷饔胧约谋砻嬷渖柚盟�。超声波的耦合优 选根据所谓的“R0WA”原理(旋转水套)在所谓的浸入技术中进行。该方法例如在DE 199 31 350 Al中进行了描述，且尤其适用于杆状移动试件的耦合。在该过程中，换能器被定位 于室中，其中水通过切线施加的喷嘴喷射。因此，旋转水套(水管)形成。该水管的内径取 决于喷射的水量，且被调节成使其仅稍小于待测杆状测试主体的直径。因此，在杆状试件的 入口处于测试水中期间，难以出现位移，从而不会包括对水耦合有消极影响的干扰气泡或 水湍流。“R0WA”原理确保极小的未测试端部和15-20mm长度，以及标准的0. 8m/s传输速 度。之前在其实施例之一中描述的根据本发明的设备被有利地用于测试作为试件的 由高速钢或模具钢制成的轧制品。由于本方法的速度，它可在制造过程中有利地使用，以使 报废最小化并加速制造过程。本发明还涉及之前描述的实施例之一中的用于无损超声测试的设备与具有成角 度表面的试件的排列。优�。约蔷哂谐啥云叫斜砻娴牟牧希缇哂�4、6或8个边或扁 条的杆。它可以是实心条材或管道。优选试件为杆状，且超声换能器被安排在与杆状试件 的纵轴垂直的一个或多个平整表面中。该试件还优选是由高速钢或模具钢制成的轧制品， 且具有例如约IOmm(杆)到400mm(管)的材料直径。在下文中，借助一些示意图说明根据 本发明的该方法，但本发明不限于所示附图。
图1以截面图示出探头，该探头包括形成若干选择性的相可激活换能器(例如在 所有情况下为128个)的环的四个天线阵la、lb、lc、Id。为了清楚起见，仅示出在相应测试循环中活动的换能器(此处为2’ )。探头la、lb、lc、ld用于对杆状试件3进行超声测试，该试件3包括相互成一角度 排列的偶数个(此处为6个)表面5，在所有情况下表面5中两两相互平行。使试件3垂 直于纸 平面移动，以在其纵向上对其进行测试。在测试循环中可选择天线阵la、lb、lc、ld 中的若干个超声换能器并在准确相位上激活，以便于使超声脉冲7’在试件3的方向上再回 响，其中换能器(这里是换能器2’)的选择及其激活的相移影响所产生的声锥7’的主传播 方向6’及其聚焦。探头la、lb、lc、ld与试件3表面的耦合借助“R0WA”技术即在旋转水套 4中进行。在图1中，示出了未根据本发明的测试循环的实现。如图所示，通过选择换能器2’ 并无相移地激活，获得再回响超声脉冲7’的主传播方向6’，该主传播方向6’不垂直于表面 5。因此，在水淬4与试件3之间的界面处出现不可预知的折射效应，这对测试方法的可靠 性带来问题。虽然根据本发明的这样的传播方向未被完全排除，然而这样的测试循环应当 仅在本发明的框架中附加地实现。利用图2和3，现将说明根据本发明的测试循环的实现。在图2中示出了一个测试 循环，其中换能器2被选择并激活，以产生超声脉冲7，该超声脉冲7的主传播方向6垂直于 试件3的表面5。向试件1的垂直穿透得以实现。利用选定换能器2和相激活的本质，获得 了通过声波扫描试件2的芯的超声脉冲。在相应测试循环中选择的换能器2及其精确相激 活是在实现测试循环之前基于试件3的表面5与探头la、lb、lc、ld的尽可能所有换能器的 排列关系根据费马定理利用数值分析确定的。由此确定的与排列有关的规范指定要选择的 换能器2及其相应的相激活。因此，试件3与探头la、lb、lc、ld之间的相对排列在测试期 间将被保持。由于换能器的选择性可控性，取决于所需传播方向，扫描天线阵的换能器可被 激活。在每个循环中要激活的换能器的数量(通常为8-32个换能器——优选为16个)一 般提前确定。此外，相激活对所发射的超声脉冲的聚焦起作用。图3示出根据本发明的另一测试循环的情况，其中换能器2”被选择且其相激活被 选择，因此超声脉冲7”的主传播方向6”平行于图2中的主传播方向，其中更靠近试件3的 套区的另一区域被声波扫描并测试。可设置其他的测试循环，其中试件3的余下区域被测 试，其中在所有情况下，相应的换能器被选择且在相位上精确激活，以使由这些换能器再回 响的超声脉冲具有垂直于相应表面的主传播方向。因此，所产生的超声脉冲的主传播方向 随着测试循环的时间顺序旋转。
权利要求
1.一种用于借助若干可选择性激活的超声换能器(2，2’，2”)对具有相互成一角度的 多个平整表面(5)的试件(3)进行无损超声测试的方法，其中所述方法包括若干测试循环， 利用所述测试循环所述若干超声换能器(2，2’，2”)中的特定超声换能器(2，2”)被选择并 激活以便于向所述试件(3)发出至少一个超声脉冲(7，7”)，且利用所述测试循环，所述试 件(3)中所反射的超声脉冲由所述选定的超声换能器接收、和/或在必要时由其他超声换 能器(2，2’，2”)接收，其特征在于，在相应的测试循环中，所述特定超声换能器(2，2”)被 选择并激活，以使所选择和激活的超声换能器(2，2”)所产生的超声脉冲(7，7”)的主传播 方向(6，6”)垂直于所述试件(3)的至少一个成角度表面(5)。
2.如权利要求1所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声测试的方法， 其特征在于，所确定的超声换能器(2，2”)借助所述成角度表面(5)相对于所述若干超声换 能器(2，2’，2”)的空间排列关系被选择并激活。
3.如权利要求2所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声测试的方法， 其特征在于，所述选择和/或激活借助数值算法来进行。
4.如上述权利要求中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声 测试的方法，其特征在于，在保持试件(3)的成角度表面(5)相对于超声换能器(2，2’，2”) 的空间对准与距离的同时，在测试循环期间或在多个测试循环之间实现试件(3)与超声换 能器(2，2’，2”)之间的相对运动。
5.如上述权利要求中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声 测试的方法，其特征在于，所述方法包括在测试试件(3)的不同区域时进行若干时间连续 的测试循环，所述测试循环中的主传播方向(6，6”)相互平行。
6.如上述权利要求中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声 测试的方法，其特征在于，所述方法包括在使主传播方向(6，6”)在试件(3)的圆周方向上 旋转的同时进行用于测试试件(3)的若干时间连续的测试循环。
7.一种用于在若干测试循环中对具有相互成一角度的多个平整表面(5)的试件(3)进 行无损超声测试的设备，所述设备包括若干可选择性激活的超声换能器(2，2’，2”)；用于 在每个测试循环中在若干超声换能器(2，2’，2”)中选择特定超声换能器(2，2”)的选择单 元；用于激活所选择的超声换能器(2，2”)以便于将至少一个超声脉冲(6)发射到所述试件 中的控制单元；以及评估单元，用于通过所述超声换能器和/或其他超声换能器接收所述 试件中反射的超声脉冲(7，7”)，其特征在于，所述选择单元和/或所述控制单元被设计成， 在相应的测试循环中，所述特定超声换能器(2，2”)被选择并激活，以使所选择和激活的超 声换能器(2，2”)所产生的所述超声脉冲(7，7”)的主传播方向(6，6”)垂直于所述试件 (3)的至少一个成角度表面(5)。
8.如权利要求7所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声测试的设备， 其特征在于，所述选择单元和/或所述控制单元被设计成使所确定的超声换能器(2，2”)借 助所述成角度表面(5)相对于所述若干超声换能器(2，2’，2”)的空间排列关系被选择并激 活。
9.如权利要求8所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无损超声测试的设备， 其特征在于，所述选择单元和/或控制单元被设计成使所述选择和/或激活借助数值算法 来实现。
10.如上述权利要求7-9中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无 损超声测试的设备，其特征在于，包括用于在测试循环期间或在多个测试循环之间实现试 件⑶与超声换能器(2，2’，2”)之间的相对运动的机构，以及用于保持试件(3)的成角度 表面(5)相对于超声换能器(2，2’，2”)的空间对准与距离的装置。
11.如上述权利要求7-10中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的 无损超声测试的设备，其特征在于，所述选择单元和所述控制单元被设计成提供若干时间 连续的测试循环以测试试件(3)的不同区域，所述测试循环中的主传播方向(6，6”)相互平 行。
12.如上述权利要求7-11中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无 损超声测试的设备，其特征在于，所述选择单元和所述控制单元被设计成提供若干时间连 续的测试循环以测试试件(3)，同时使主传播方向(6，6”)在试件(3)的圆周方向上旋转。
13.如上述权利要求7-12中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的无 损超声测试的设备，其特征在于，所述超声换能器(2，2’，2”)在待测试件(3)周围被排列成 环状，优选相距均勻。
14.如上述权利要求7-13中的任一项所述的用于具有成角度表面(5)的试件(3)的 无损超声测试的设备，其特征在于，包括位于超声换能器(2，2’，2”)与试件(3)的表面(5) 之间的用于声波耦合的水淬(4)，优选为旋转水淬。
15.如上述权利要求7-14中的任一项所述的设备优选在制造过程中用于测试作为试 件⑶的轧制品——例如由高速钢或模具钢制成的轧制品——时的用途。
16.如上述权利要求7-14中的任一项所述的用于无损超声测试的设备与具有成角度 表面、优选在所有情况下为成对平行表面(5)的试件(3)的排列。
17.如权利要求16所述的排列，其特征在于，所述试件(3)为杆状，且所述超声换能器 (2，2’，2”)被安排在与所述杆状试件(3)的纵轴垂直的平面内。
18.如权利要求16或17所述的排列，其特征在于，所述试件(3)是例如由高速钢或模 具钢制成的轧制品。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助若干可选择性激活的超声换能器(2，2’，2”)对具有相互成角度的多个平整表面(5)的试件(3)进行无损超声测试的方法，其中该方法包括若干测试循环，利用这些循环，若干超声换能器(2，2’，2”)中的特定超声换能器(2，2”)被选择并激活以便于向该试件发出至少一个超声脉冲(7，7”)，而且利用这些循环，试件(3)中所反射的超声脉冲被选定超声换能器和/或(在必要时)其他超声换能器接收。根据本发明的该方法表征为，在各个测试循环中，选择并激活所确定的超声换能器(2，2”)，以使所选和所激活的超声换能器(2，2”)所产生的超声脉冲(7，7”)的主传播方向(6，6”)垂直于试件(3)的至少一个成角度表面(5)。本发明还涉及相关联的设备和使用。
文档编号G01N29/22GK102047106SQ200980120195
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月28日 优先权日2008年5月29日
发明者C·阿舍, D·林根伯格, G·罗斯梅尔, S·D·法尔特 申请人:通用电气传感与检测科技有限公司
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