CN102753968A - 借助超声波检验金属工件与塑料物质的连接是否有空腔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助超声波检验金属工件与塑料物质的连接是否有空腔的方法，其中，塑料物质作为中间层布置在工件之间或在一侧与工件相连接，并且空腔位于塑料物质之内，其中，空腔经由剩下的塑料层或塑料表层连接在工件上，和其中，用至少一个超声波探头从工件的金属侧将确定的检验频率和脉冲长度的超声波信号施加给塑料物质，并且尤其是由位于塑料物质中的缺陷处所反射的超声波信号由相同的或另外的超声波探头检测，并且转换成可分析的电信号，并且进行阈值观察。在此，在1和10MHz之间的范围中如此调节超声波信号的检验频率，使得声在通过塑料表层后的衰减是最小的。

Description

借助超声波检验金属工件与塑料物质的连接是否有空腔的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于借助超声波检验金属工件与塑料物质的连接是否有空腔的方法。

背景技术

下面将塑料物质理解为每种类型的塑料，所述塑料例如作为用于粘接金属工件的粘合剂、作为密封剂或作为金属工件的涂层材料来应用。例如将这些材料用于在板或管情况下建立粘接连接或用于对所述板或管进行涂层。

在对诸如板或管的工件用塑料来涂层时，在施加时可能形成缺陷处，所述缺陷处例如构成为涂层中的空腔（气泡）或构成为在涂层和工件之间的接触位置处的没有粘着的连接。这样的缺陷处可能导致工件的底层生锈并且因此由于穿孔腐蚀而导致提早失效。

例如在管情况下在建立所粘接的连接时，已知的是，借助套环通过将粘合剂引入套环和管之间的接缝来相互连接管端部。

在这种粘接连接中的典型的缺陷，例如是气泡和没有粘着的连接区域（所谓的吻接（kissing bonds））。

在所粘接的管连接处的力学性能试验中显示出，但是只有当这些缺陷超出约20 mm的尺寸时，这些缺陷在该应用中才变得紧要的。还显示出，尤其是该尺寸的气泡虽然通常填满接缝的整个高度，却分别由粘着在管壁上的薄的粘合剂表层（100μm-200μm厚度）包围。

为了确保管的足够坚固的和无缺陷的连接，通常借助超声波以垂直引入声振荡来检验粘接连接。声被耦合输入到第一接合伙伴（套环）中并且通过该第一接合伙伴。在通向粘合剂层的界面处反射声的一部分，而另一部分侵入粘合剂中。侵入的部分提供在粘合剂层的背面处反射时的另外的回波。而在粘合剂层的上侧处所反射的部分提供由在套环壁中的重复反射引起的长的回波链（Echozug）。

在从JP 57037257 A中已知的管粘接连接的超声波检验的最简单的解决方案中，使用粘合剂层的背面的回波的振幅用于分析。这里对粘合剂用超声波检查（durchschallen），并且回波的缺失显示出缺陷。

为了分析所反射的超声波信号，将所述超声波信号转换成电信号，并且经由时间窗和光阑选择、放大和评价。评价涉及信号的振幅和信号之间的运行时间。

借助电子数据处理设备来检测、分析、记录和在监视器上显示检验信息，即振幅、极限值超出、运行时间等等。

例如从JP 2000221173 A中已知的另外的解决方案对粘合剂层的上侧的回波进行分析。在这里尤其是分析回波信号的形状，以便推断出粘接连接的质量。

由于即使在粘合剂层或涂层材料失效硬化之后超声波信号的减弱也是大的，所以所有基于超声波检查的解决方案具有以下的缺点：粘合剂层或涂层材料的下侧的回波正好在较大的层厚时变得很小。

经验表明，在几毫米之上的层厚时不再能探测到层的下侧的回波。附加的是，在套环粘接连接情况下，小的背壁回波叠加来自套环的回波链，该回波链通常本身提供大的振幅。

基于塑料层的上侧的回波的相位探测的方法具有多个缺点。一方面相位角值的可靠的自动化探测是很困难的。另一方面，正好对于金属工件，由于大的声学密度而不存在相位角值从钢/塑料向钢/空腔过渡的变化。

此外加剧地附加的是，所形成的空腔总是位于塑料物质之内，并且在通向金属工件的界面处，总是仍存在着塑料物质的薄层作为包围空腔的表层，使得不出现钢/空腔过渡。在这样的缺陷情况下，超声波信号因此总是射到原料组合钢/塑料/空腔上，这使得有说服力的超声波检验变得困难。

这在塑料涂层中的气态夹杂的情况下同样是问题，所述气态夹杂同样可能由塑料制成的薄表层包围。

在改变粘接或涂层参数（粘接层或涂层的厚度、工件表面的特性）时，发生超声波信号的波动，这些波动在只是局部分析时又可能轻易地导致错误解释。

总之在超声波检验情况下，在探测与金属工件的塑料连接中的缺陷处时得出以下的问题：

1.在对工件涂层时或在用粘合剂充填接缝时出现的气泡位于塑料物质之内，并且因此在工件的界面总是具有封闭空腔的塑料表层。

在存在这种空腔时也因此始终存在钢/塑料过渡，而不存在钢/空气（空腔）过渡。因此，特别对于采用来自金属工件中的边界层的反射的方法，塑料表层之下的气泡的证实变得困难。

2.通过改变金属工件的厚度和表面特性以及通过干涉效应发生回波振幅的改变。在不将邻居准则包括在内的情况下，这些振幅和其比例的局部分析因此变得不可靠。

3.本发明的任务因此是，说明一种可靠的和成本低的用于借助于超声波检验金属工件与塑料物质的连接的方法，该方法避免了公知方法的缺点，使得可以明确地探测和分析塑料层中的空腔。

发明内容

根据本发明如下来解决该任务，即在1和10 MHz之间的范围中如此调节超声波信号的检验频率，使得声在通过钢/空腔界面处的塑料表层后的衰减是最小的。

在本发明的一种其它的扩展方案中，在为了最小衰减调节之后如此微调检验频率和脉冲长度，使得与无缺陷的塑料物质相比较，由于在由塑料表层的上侧在钢/空腔界面处和由塑料表层的下侧在塑料表层/空腔的界面处反射的信号之间的干涉而出现信号放大或信号减弱。

所述本发明的优点在于，用特定的检验和分析方法可以可靠地探测在粘合剂层中或在涂层材料中的空腔，并因此可以作出关于涂层或粘接的质量的可靠陈述。

在用于检验粘合剂连接和涂层中是否有气泡的广泛的试验中表明了，“正确的检验频率”的选择有决定性的意义。

声虽然侵入塑料中，但是强烈地被衰减，其中，衰减是与频率有关的。因此可以首先如此选择检验频率，使得声在通过塑料表层后的减弱保持小。表层下侧/空气的界面的回波于是以增强的方式或以减弱的方式与钢/表层上侧的界面的回波干涉，使得可以分析这些明显的振幅改变。1和10 或3-7 MHz之间的检验频率在试验中已表明为有益的。此外，应如此选择脉冲长度和检验频率，使得干涉提供在信号振幅方面的大的反差，以便改善超声波信号的可分析性。脉冲长度为此应至少为在空腔和工件之间的剩下的残余层的两倍。

不过脉冲长度仅仅应选择得如此长，使得避免与下一跟随的超声波脉冲的叠加，以便不使信号的分析变得困难。

在试验中也显示出，“正确的回波”的选择对于信号的分析有大的意义。因此有利地应使用其振幅大小与无缺陷的塑料物质相比具有最大差别的信号用于分析。用第6个回波或跟随的回波的分析,比例如用第2个回波的信号振幅的分析展示了在信号振幅方面的较大的反差，并且因此可以卓越地进行分析。

但是始终要注意的是，信噪比随着回波的数增长而下降。因此要分析的回波的选择总是可以与相应的检验情形相匹配。

诸如金属工件的厚度和表面特性、接缝宽度等等的粘接参数的差别或者所改变的涂层厚度，可能局部地导致检验信号，所述检验信号类似于诸如气泡的缺陷的检验信号。但是由于所改变的参数通常在工件的较大的范围上延伸，所以在使用邻居准则情况下通过平面地（flächenhaft）表示和分析利用该方法同样可以有利地在两个信号原因之间可靠地分开。

由于在本发明方法中评价回波振幅，所以此外还应注意良好的和均匀的耦合。在此，在扫描时对探头的精确的机械引导，可以辅助缺陷的证实。

在该方法中，也可以有利地采用所谓的EMUS探头（电磁激励超声波（elektromagnetisch angeregter Ultraschall）），这些EMUS探头不同于在常规的压电技术情况下，能够实现没有诸如水的耦合剂的耦合。

附图说明

以下借助附图更详细地阐述本发明。不同图中的相同的附图标记表示相同的部件。其中：

图1展示了在使用套环情况下管的典型粘接连接的示意图，

图2展示了按照图1的粘接连接的超声波检验，

图3展示了在根据图2的超声波检验时的振幅比例的示图。

具体实施方式

示意地在图1中示出了在使用套环的情况下管的典型粘接连接。在使用密封环3的情况下，利用端面以轴线对准地来彼此放置要通过粘接互相连接的金属管1,1’。 密封环3用于使要引入的粘合剂6不能通过接触位置侵入管1,1’中。

经由在管1,1’两侧在圆周上布置的浇注辅助装置2,2’，以到管1,1’的径向间距保持金属套环4，使得形成用于引入粘合剂6的空室。套环4在此覆盖两个管1,1’的接触位置，其覆盖宽度可以与相应的要求相匹配。套环应由金属制成，因为只能从工件的金属侧出发进行粘接连接的超声波检验，并且在管连接情况下有利地从管的外侧进行。替代地如果这应该是需要的，则也考虑从管内侧出发来检验粘接连接。

如此构造浇注辅助装置2,2’，使得所述浇注辅助装置一方面径向包围管1,1’，和另一方面可以轴向推移到此上（根据套环4的宽度）。用分别在套环4的端部的范围中在管1,1’的圆周上布置的间隔物5,5’，可以调节套环4到管1,1’的径向间距、即要用粘合剂6填充的接缝的径向宽度。

示意地在图2中示出了按照图1的粘接连接的超声波检验。要检验的管连接由管1,1’的两个应该连接的子件、即粘合剂层6（用所包围的气泡7示出）和套环4组成。

根据图2的左下分图，在用压电探头8检验时，将它浸入例如充有水的检验盆8中，或以合适的方式借助耦合液来实现到探头上的声耦合。在图2的右下分图中所示出的EMUS检验技术中这是不需要的； 这里采用EMUS探头10来代替压电探头9 。在两种情况下，在套环4上引导探头用于扫描。由PC系统12记录用超声波仪11所产生的和接收的脉冲。对所选择的回波的振幅进行分析、数字滤波和平面地表示。

根据本发明如此调节超声波信号的检验频率，使得声在通过在钢/空腔界面处的塑料表层后的衰减尽可能地小，并且如此来调整检验频率和脉冲长度，使得与无缺陷的塑料物质相比较，由于在由塑料表层的上侧在钢/塑料表层界面处和由塑料表层的下侧在塑料表层/空腔界面处所反射的信号之间的干涉而出现信号放大或信号减弱。

图3与信号脉冲的所反射的回波有关地展示了振幅比例的从中得出的示图。可以看出，粘合剂和气泡的振幅信号的、随着增加的回波数明显增长的反差比，该反差比使得信号分析和因此在粘接连接或涂层的塑料中的所包围的气泡的明确探测成为可能。

附图标记列表

编号	名称
		1,1’	管
2,2’	浇注辅助装置
		3	密封环
4	套环
		5,5’	间隔物
6	粘合剂
		7	气泡
8	充水的检验盆
		9	压电探头
10	EMUS探头
		11	超声波仪
12	PC系统

Claims (6)

1.用于借助超声波检验金属工件与塑料物质的连接是否有空腔的方法，其中，塑料物质作为中间层布置在工件之间或在一侧与工件相连接，并且空腔位于塑料物质之内，其中，空腔经由剩下的塑料层或塑料表层连接在工件上，和其中，用至少一个超声波探头从工件的金属侧将确定的检验频率和脉冲长度的超声波信号施加给塑料物质，并且尤其是由相同的或另外的超声波探头检测由位于塑料物质中的缺陷处所反射的超声波信号，并转换成可分析的电信号，并且进行阈值观察，其特征在于，在1和10 MHz之间的范围中调节超声波信号的检验频率，使得声在通过塑料表层后的衰减是最小的。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在3和7 MHz之间调节检验频率。

3.按照权利要求1和2的方法，其特征在于，在为最小衰减调节检验频率后微调检验频率和脉冲长度，使得与无缺陷的塑料物质相比较，由于在由塑料表层的上侧在钢/空腔界面处和由塑料表层的下侧在塑料表层/空腔界面处所反射的信号之间的干涉而出现信号放大或信号减弱。

4.按照权利要求1至3之一的方法，其特征在于，调节脉冲长度，使得该脉冲长度至少为在空腔和工件之间的剩下的残余层的两倍。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，脉冲长度仅仅如此长，使得避免与下一跟随的超声波脉冲的叠加。

6.按照权利要求1至5之一的方法，其特征在于，考虑由空腔的上侧和由空腔的下侧所反射的信号用于分析，所述信号的振幅大小在同时大的信噪比情况下具有最大的差。

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