CN102084246B - 改善的具有耦合检查的超声波无损检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对试件(7)进行超声波无损检测的方法，其包括多个检测周期，这些检测周期分别包括通过多个超声波换能器(2)将至少一个超声波脉冲射入试件(7)以及通过该超声波换能器或者必要时通过其他的超声波换能器(2)来接收该至少一个透过试件(7)的超声波脉冲。该方法的特征在于，该多个超声波换能器(2)的相位是可控的并且构成至少一个群辐射器(1)，该方法包括至少一个第一检测周期，其中该至少一个群辐射器(1)的相位可控的超声波换能器(2)在发射时被如此控制，以使得在接收时通过该群辐射器来检测试件(7)的后壁回波，并且该方法包括至少一个第二检测周期，其中该相同的至少一个群辐射器(1)的相位可控的超声波换能器(2)在发射时被如此控制，以达成射入试件(7)的超声波脉冲的不同于第一检测周期的主传播方向(8，8′)。本发明还涉及附属的设备及应用。

Description

改善的具有耦合检查的超声波无损检测

技术领域

本发明涉及一种用于对试件，优选杆或管，进行超声波无损检测的方法以及附属的设备，其中该方法包括多个检测周期，这些检测周期分别包括通过多个超声波换能器将超声波脉冲射入试件以及通过进行发射的超声波换能器或者必要时通过其他的超声波换能器来接收透过试件的超声波脉冲。

背景技术

超声波检测是一种适用于能传导声波的材料(大多数金属属于这种材料)的用于例如在焊缝、锻件、铸件、半成品或管子中发现内部和外部缺陷的检测方法。如同所有的检测方法一样，超声波检查也被标准化并且根据准则来执行，例如根据DIN EN 10228-3 1998-07的对由钢制成的锻件的无损检测——部分3：对由铁素体和马氏体钢制成的锻件的超声波检测，该标准通过援引纳入于此。对于通过超声波来对试件进行的无损检测而言，已知有合适的检测设备和方法。一般而言，可以参阅J.

和H.

ISBN的专业书籍，Werkstoffprüfung mit Ultraschall(利用超声波进行材料检测)，第六版。

一般而言，这种方法基于声波在边界面处的反射。通常将具有一个或两个超声波换能器的探头用作声源，其声辐射分别位于10kHz到100MHz的频率范围中。在脉冲回波方法中，超声头不发出连续的辐射，而是发出非常短暂的持续时间为1μs和更短的声脉冲。从发射器发出的脉冲以有关的声速通过待检测的试件并且在边界面(金属-空气)处几乎被完全反射。声变换器通常不仅能够发射脉冲，而且能够将抵达的脉冲转换成电测量信号，即该声变换器还充当接收器。利用示波器或计算单元来测量声脉冲从发射器通过工件并重新返回所需要的时间。在已知材料中的声速为c的情况下，可以例如以此方式来检查试样的厚度。为了工件与超声头之间的耦合，将耦合剂(例如，糨糊(溶液)、凝胶、水或油)涂覆到待检测的工件的表面上。在换能器与试件之间进行相对运动的情况下，为了传送声信号的目的而常常将试件浸入合适的液体中(浸渍法)，或者按已定义的方式润湿。

通过改变边界面处的声特性，即外部的限定试件的壁表面处的声特性，但是还包括内部边界面(即，内部的缺陷，例如缩孔(空腔)、夹杂物、层裂(Dopplung)、裂缝或者待检测的工件内部构造中的其他分离)处的声特性，声脉冲被反射并且在探头的既充当发射器又充当接收器的换能器处被回送。发射与接收之间所过去的时间允许计算路程。根据测得的时间差来产生信号图并使其在监视器或示波器上可视。根据此信号图来确定试件中的声特性的变化位置并且必要时估计缺陷(在专业术语中亦被称为“不完善性”)的大小。在自动检测设备中，存储这些信息，将其与试件相关联并且以不同的方式立即或稍后将其归入文档。

在用于对试件进行超声波无损检测的方法中极其重要的是，关注超声波换能器的良好耦合并且监视该耦合，以便能够达成和保持高质量的材料检测。因此在已知系统中使用一种超声波换能器，其向试件辐射，以使得通过该超声波换能器来接收附属的后壁回波。根据后壁回波的强度或者根据相对于原始信号的衰减，可以确定耦合的品质。一个或多个分开的其他超声波换能器用于辐射真正的测量超声波。这些其他换能器一般而言不被设置成产生后壁回波。这种探头结构具有如下缺点，必须仅根据一个换能器的耦合测量来推断其他换能器的耦合品质。这会导致测量不可靠性的提高。在另一种已知的设计方案中，在探头中集成对于耦合检测而言必需的超声波换能器以及用于每个其他辐射方向的各一个附加的超声波换能器。这会导致相应的探头由于大量超声波换能器而相对较大并且探头的几何形态必须匹配于每种试件表面结构。这会使超声波检测的执行变得困难且昂贵。

发明内容

鉴于先前所描述的缺点的背景，因此本发明的任务在于，提供一种用于对试件进行超声波无损检测的方法以及附属的设备，该方法能够较廉价地和/或以较高的准确性来检测不完善性。该任务是通过根据权利要求1的方法以及根据并列权利要求的设备来解决的。有利的设计方案分别是从属权利要求的主题。

根据本发明的用于对试件进行超声波无损检测的方法包括多个检测周期，这些检测周期分别包括通过多个超声波换能器将至少一个超声波脉冲射入试件以及通过进行发射的超声波换能器或者必要时通过其他的超声波换能器来接收该至少一个透过试件的超声波脉冲。根据本发明的方法的特征在于，该多个超声波换能器能够以相位准确的方式被单独控制并且构成至少一个群辐射器，此类群辐射器亦被称为相控阵探头。一个群辐射器通常包括16、32、64、128或256个单独的换能器，优选16个单独的换能器，这些换能器以线性的布局被安置在外壳中并且与相应数目个必要时经缩小的发射器-前置放大器电子装置相连接。以此，可以在时间上控制各个振荡器，即相位准确地并且必要时相位偏置地激励各个振荡器，以便朝确定的方向转动声场和/或将声场聚焦到确定的深度。

根据本发明的方法包括至少一个第一检测周期，其中该至少一个群辐射器的相位可控的超声波换能器在发射时被如此控制，以使得在接收时通过该群辐射器来检测试件的后壁回波。借助通常由已发射脉冲的相同群辐射器接收到的后壁回波，可以根据该后壁回波在后壁处的反射情况下通过试件时的衰减来检测并评价群辐射器与试件的有关表面部分之间的耦合的品质。优选地，在第一检测周期中，基于试件边界面通常存在的平行性来使所发射的超声波脉冲的主传播方向垂直于试件的面对相应群辐射器的表面。

此外，发明人发现，借助后壁回波的测量不仅允许耦合品质的确定，而且此外还能够以高可靠性来识别试件中所谓的层裂。人们将轧制钢材中的材料分裂形式的缺陷称为层裂。该层裂是通过经浇铸的半成品中的空腔，尤其是缩孔产生的，并且在很大程度上与安全性相关。

此外，根据本发明的方法的特征在于，其包括至少一个第二检测周期，其中相位可控的超声波换能器在发射时被如此控制，从而达成射入试件的超声波脉冲的不同于该第一检测周期的主传播方向，以便确定该试件的毗邻探头的区域中的其他缺陷。由于主传播方向发生了变化，因而在此情况下不检测后壁回波。本领域技术人员致力于通过少量试验来选择特定的与试件的几何形态相匹配的相位控制，以便实现附属的超声波脉冲的、指向试件的期望的待检测区域的合适的主传播方向。

相位可控的群辐射器的使用不仅由于相位可控性而具有不需要对换能器或其引导件进行因试件表面而异的定向的优点。与试件几何形态的匹配可以容易地通过对试件几何形态的相位控制来实现。更确切地说，它还具有如下优点：可以通过相同的群辐射器来执行第一检测周期和第二检测周期。由此显著简化了检测结构。在这里包括群辐射器的探头可被缩小，以使得能够提高分辨率能力。此外，可以较廉价地执行该方法。

在一种优选的实施方式中，该方法包括具有不同的主传播方向的多个第二检测周期。由此，试件的要被检查不完善性的体积被放大，并且在不同的角度下辐照可能存在的缺陷，这会导致信号最大化并且因此导致根据本发明的方法的准确性的提高。

在另一种设计方案中提出，在第二检测周期中，多个相邻的群辐射器同时进行发射。由此，不仅放大了试件的同时被检测的体积且加速了该方法，而且还可以相对容易地使探测灵敏度在空间上较恒定并且还以提高的灵敏度来检测两个相邻群辐射器之间的声微弱区域。在DE 198 13 414 B4中描述了在其中由相邻群辐射器构成的两个群在各个检测周期中同时发射的方法，该文献通过援引被纳入于此。

根据另一种有利的设计方案，为了尽可能完全地检测和检查试件，例如与检测周期的执行同时地或者间歇性地在试件与该至少一个群辐射器之间设置例如旋转和/或纵向移动之类的相对运动。

根据本发明的用于进行超声波无损检测的方法尤其适用于借助沿表面布置在管或杆的纵向上的多个群辐射器来检测作为试件的管或杆。在此情况下，借助至少一个群辐射器以定时次序来分别执行第一检测周期和至少一个第二检测周期。为了达成非常准确且快速的检测，在定时次序的每个节拍中，分别借助由多个相邻群辐射器构成的同等数目的群来执行第一检测周期和至少一个第二检测周期，优选多个第二检测周期。

优选地，在定时次序的每两个接连的节拍中，多个相邻群辐射器的声场在第一和/或第二检测周期中在空间上重叠。由此确保探测灵敏度较恒定并且以提高的灵敏度来检测两个相邻群辐射器之间的声微弱区域。在DE 198 13 414 B4中描述了一种方法，其中在接连的节拍中，群辐射器的右侧群辐射器在一个节拍中与有关的群辐射器一起发射并且群辐射器的左侧群辐射器在接下来的节拍中与有关的群辐射器一起发射，该方法被使用在根据本发明的方法的设计方案中。

为了在切线方向和纵向上尽可能完全地检测，使杆或管相对于群辐射器移动和/或旋转。节拍如此进行选择，以使得在每个节拍中通过至少一个在运动方向上相邻的群辐射器或者相邻的群并基于群辐射器在不同圆周位置中的旋转来检测杆或管沿纵向运动的纵向部分。已证明，由此可以达成对杆或管的可靠的缺陷检测。优选地，该旋转和移动是与检测周期同时执行的。旋转和移动速度优选被如此选择，以使得在切线方向上至少一次完全地检测杆或管的纵向部分，即，在线性布置的群辐射器情况下，在沿着由群辐射器预先规定的路段运动时使杆或管围绕其纵轴旋转一次。

本发明还涉及一种用于对试件进行超声波无损检测的设备，其中该设备包括多个超声波换能器以及用于执行和分析多个检测周期的控制和分析单元。在此情况下，每个检测周期包括通过该多个超声波换能器将超声波脉冲射入试件以及通过进行发射的超声波换能器或者其他超声波换能器来接收该透过试件的超声波脉冲。根据本发明的设备的特征在于，该多个超声波换能器是相位可控的且构成至少一个群辐射器，并且控制和分析单元被设计成在至少一个第一检测周期中在发射超声波脉冲时如此控制该至少一个群辐射器的相位可控的超声波换能器，以使得在接收时通过相应的群辐射器来检测试件的后壁回波。在至少一个第二检测周期中，在进行发射时控制相同的(至少一个)群辐射器的相位可控的超声波换能器，以达成射入试件的超声波脉冲的不同于第一检测周期的主传播方向。

如先前已说明的，借助在第一检测周期中产生的后壁回波，即在试件的后壁处反射的超声波脉冲，较准确地根据该后壁回波在后壁处的反射情况下通过试件的衰减来检测和评价群辐射器与试件的有关表面部分的声耦合的品质。优选地，在第一检测周期中，基于试件的通常给出的边界面平行性来使所发射的超声波脉冲的主传播方向垂直于试件的面对相应群辐射器的表面。此外，由发明人令人惊讶地发现，借助后壁回波的测量不仅能够确定耦合品质，而且还尤其适用于确定试件中的层裂并且因此提高检测的可靠性。

如先前所提及的，根据本发明的设备的特征还在于，借助控制和分析单元来执行至少一个第二检测周期，其中相位可控的超声波换能器在发射时被如此控制，以使得所发射的超声波脉冲以不同于第一检测周期的主传播方向射入试件，以便确定该试件的围绕探头的区域中的其他缺陷。在此主传播方向中，优选不检测后壁回波。本领域技术人员致力于通过少量试验来选择特定的、与试件的几何形态相匹配的相位控制，以便达成附属的超声波脉冲的、指向试件的待检测区域的合适的主传播方向。

相位准确可控的群辐射器的使用不仅基于相位可控性而具有不需要对换能器或其引导件进行因试件表面而异的定向的优点，即可以通过相位控制快速地且个体地根据试件几何形态来实现该定向。更确切地说，它还给出了如下优点：可以通过相同的群辐射器来执行第一检测周期和第二检测周期。由此显著简化了检测结构。在这里对应于群辐射器的虚拟探头可被缩小，以使得能够提高分辨率能力。总而言之，可以较廉价地且较可靠地用根据本发明的设备来执行超声波无损检测。

根据本发明的设备的另一种有利的设计方案，设置用于试件与至少一个群辐射器之间的相对运动的装置。此外，设置定位装置，其机械地将非圆形试件的位置相对于该至少一个群辐射器进行固定。在此，将此定位单元优选设计成是可替换的。

本发明还涉及将先前所描述的设计方案中的设备用于对作为试件的管或杆进行超声波无损检测。

附图说明

以下根据一些示意性附图来说明本发明，但并不将本发明限于各种示出的实施方式。

具体实施方式

图1在侧视图中示意性地示出了根据本发明所使用的具有多个相位准确可控的超声波换能器2的群辐射器1的典型结构。超声波换能器2被布置在引导体2上以与待检测的试件7耦合。可以根据超声波换能器2的期望的辐射方向并根据试件在接触面4区域中的在进行检测时毗邻的表面的结构来以不同于所示的形状设计该引导体3。可以一定的程度通过选择由各个超声波换能器2发射的超声波脉冲之间的相移来改变主辐射方向。因此，群辐射器1可被用于执行第一和第二检测周期。

图2示例性地在示意性俯视图中示出了多个群辐射器1、1′、...1ⁿ沿作为试件的杆7的纵向9的根据本发明的布置，这些群辐射器被布置在毗邻杆7的表面处。在此，各个群辐射器1、1′、...1ⁿ的超声波换能器2被布置成沿垂直于纵向9的方向分布，其中例如涉及128个换能器，其中每16个换能器构成一个群辐射器。通过由超声波换能器2辐射的超声波脉冲之间的相移，可以使主辐射方向在垂直于纸平面并且垂直于纵向9的平面中转动，这允许在与纵轴9相邻的空间角度范围中对试件7进行广泛的检测。通过电子和声学的串扰衰减装置10来使群辐射器1、1′、...1ⁿ彼此解耦，以不相互干扰接收。

图3a和图3b根据图1中所示的群辐射器1说明了可以如何通过不同的相位控制6或6′来改变从超声波换能器或群辐射器3经由引导体3射入试件7的超声波脉冲的主传播方向8或8′，以例如产生具有所辐照的超声波脉冲的不同主传播方向的两个检测周期。

图4示出了根据本发明的方法的可能定时。在此，在分别具有三个检测周期1、2、2′的每个节拍0、1、2中，总是两个在试件的纵向上并排的群辐射器1、1′、1″、1″′同时发射超声波脉冲，其中可以不同地选择各个超声波换能器之间的相移，但这不是必须的。节拍0、1、2分别包括用于检测试件的层裂并且用于借助后壁回波来检查各个群辐射器与试件的耦合的第一检测周期1，其中辐射是以垂直于与群辐射器毗邻的试件表面的方式进行的。相反，在每个节拍的第二周期2中，相位准确地控制各个群辐射器的超声波换能器2，以达成有关的辐射器在空间角度2下的侧向辐射。通过改变相位控制，在每个节拍的周期2′中，通过各个群辐射器来实现另一空间角度2下的辐射。通过接连节拍的声场的重叠来使探测灵敏度较恒定。通过相邻群辐射器的声场的重叠，还能以提高的灵敏度来检测相邻群辐射器之间的声微弱区域。通过定时，逐步地沿着试件的纵向移动声场。在群辐射器下以相同的纵向速度来同时移动和旋转试件(例如，管或杆)，以使得在每个节拍中但是在有关的群辐射器的另一圆周位置下检测大致相同的纵向部分，这些有关的群辐射器因此在试件的另一空间角度范围下进行辐射。

Claims (11)

1.一种用于对试件（7）进行超声波无损检测的方法，其中所述方法包括多个检测周期，所述检测周期分别包含通过多个超声波换能器（2）将至少一个超声波脉冲射入所述试件（7）以及通过所述超声波换能器（2）或者通过其他的超声波换能器（2）来接收透过所述试件（7）的所述至少一个超声波脉冲，其中所述多个超声波换能器（2）是相位可控的超声换能器，所述相位可控的超声换能器能够以相位准确的方式被单独控制并且所述多个超声波换能器（2）构成至少一个群辐射器（1），其中在所述试件（7）与所述至少一个群辐射器（1）之间进行相对运动，并且其中所述方法包括至少一个第一检测周期，其中所述至少一个群辐射器（1）的所述相位可控的超声波换能器（2）在发射时被控制，以使得在接收时通过所述群辐射器来检测所述试件（7）的后壁回波，并且所述方法包括至少一个第二检测周期，其中所述至少一个群辐射器（1）的所述相位可控的超声波换能器（2）在发射时被控制，以达成射入所述试件（7）的超声波脉冲的不同于所述第一检测周期的主传播方向（8，8'），

其特征在于，

根据所述后壁回波在通过所述试件（7）时的衰减来检测和评价所述群辐射器（1）与所述试件（7）的相应表面部分之间的声耦合的品质。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对运动是旋转或移动。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一检测周期中，所发射的超声波脉冲的主传播方向垂直于所述试件（7）的面对相应群辐射器（2）的表面。

4.如权利要求1－3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括多个具有不同的主传播方向的第二检测周期。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第二检测周期中，所述至少一个相邻的群辐射器（1、1'、1''）是多个相邻的群辐射器（1、1'、1''），并且所述多个相邻的群辐射器（1、1'、1''）同时进行发射以达成不同的主传播方向。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述第二检测周期中的一个第二检测周期中，所述至少一个相邻的群辐射器（1、1'、1''）是至少两个相邻的群辐射器（1、1'、1''），并且所述至少两个相邻的群辐射器（1、1'、1''）同时在相同的相位控制下进行发射。

7.如权利要求1和2之一所述的方法，该方法被配置为借助沿表面布置在管或杆的纵向上的群辐射器来对作为试件（7）的所述管或杆进行超声波无损检测，其特征在于，按定时次序分别借助所述群辐射器中的至少一个群辐射器来执行第一检测周期和至少一个第二检测周期。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在定时次序的每个节拍中，分别借助同等数目的由至少两个相邻群辐射器构成的群来执行所述第一检测周期和所述至少一个第二检测周期。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在定时次序的每个节拍中，分别借助同等数目的由至少两个相邻群辐射器构成的群来执行所述第一检测周期和多个第二检测周期。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述定时次序的每两个接连节拍中，所述至少一个相邻的群辐射器是至少两个相邻的群辐射器，并且所述至少两个相邻群辐射器的声场在所述第一和/或第二检测周期中在空间上重叠。

11.如项权利要求8－10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述杆或管相对于所述群辐射器移动和旋转，并且所述节拍被如此选择，以使得在每个节拍中，在所述群辐射器的不同的圆周位置中通过至少一个在运动方向上相邻的群辐射器或者相邻的群来检测所述杆或管的在纵向上运动的纵向部分。

Images