CN1036836A - 超声检测方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种超声回波学技术，利用超声束相对工 件中结构的特殊取向，使工件的回波屏蔽区减小，回 波一屏蔽区是由于在工件中的结构使超声波向回反 射到超声探头引起的，因此屏蔽了从异常点产生的很 小的回波(如果在工件中存在异常的话)。在通常的 声束取向中，声束所位于的扫描平面是垂直地指向结 构的；本发明的扫描平面是根据相对于这些结构不垂 直的条件来选定的，从而减小了由这些结构引起的回 波一屏蔽区的体积。

Description

本发明涉及超声检测，特别是回声型超声检测（有时称为超声扫描回声学）。在这种检测中利用一个换能器发出超声波束，该声束经由待检工作反射再回到换能器，将反射的超声波显示出来，藉以检测工件中的异常。这种技术被广泛用于焊接部件、固体构件的无损检测。检测诸如裂纹、疏松、不均匀等类似的结构异常。这些结构异常引起的特征声波的回波，表明这些异常的存在及其位置。

Perdijon在4557145号美国专利中公开了一种超声检测工件装置。该装置的换能器绕着与检测的工件表面相垂直的轴线旋转，划出一锥形表面（如该专利的图1所示）。旋转的换能器对着工件表面移动，该专利指出，为了使待扫描的每一区域对应于旋转公共轴线的不同方位角至少接收到两个脉冲，应使这些超声脉冲同步。

Garner等人在4685966号美国专利中指出一种即使是对表面为复杂曲面的工件，也能使超声探头的复合运动保持入射角恰好或接近垂直于工件表面的装置。该专利公开了目的在于一直保持入射角基本垂直于检测表面的即绕水平轴线又绕垂直轴线的转动（参见第二栏第45行至第三栏第19行）。

Speneer等人在3765229号美国专利中公开了一种超声扫描仪，如图4所示的那样，在检测弯曲板的振动方式和用于检测平板的平移方式之间可相互变换。请参看该专利的第四栏中“操作”段落。

Singh等人在4502331号美国专利中指出了涡轮盘边缘的超声检测，如图6所示。为了分别检测工件“尖顶”的凸边和凹边，换能器被倾斜成45度和60度的不同位置。

通常的超声波脉冲检测（有时称为“超声波回波记录”），一般通过对工件的表面或区域的扫描来检测该工件。通常扫描是沿着同一表面或区域的两个互相垂直的系列循环来进行的。因此，通过平行于北-南的第一系列循环从顶到底的扫描，以及平行于东-西的第二系列循环从右到左的扫描，可以扫描出一个矩形区域。对盘状工件而言，可沿其一个或二个圆形表面和沿其圆柱形表面进行扫描。通常在各自的系列循环中，如像在下文中所详细说明的那样，检测探头相对于工件的取向有时是分别指轴向，径向和圆周方向。所用的取向可由锻造工艺中金属颗粒流动的方向和由简化检测过程的要求来定。这种通用的方法由于来自工件接合区、凸台、隆起物、沟槽、边缘或工件的其它的折回-反射构造及外形等引起的超声脉冲的反射的影响，而使工件某些区域不可能检测。这样的反射（即回波）掩盖了由于工件内异常所引起的很小的回波。甚至对于简单形状（如像平面、矩形板）工件中与一个给定扫描或系列扫描方向相横截的工件边缘，由于超声从边缘反射到探头的原因也是不能检测的。总之，工件的一些区域或者由于固有的原因不能检测，或者该被检部分的可信度较低，或者必须通过如像X-射线、金属填充扩散等其他类似技术检测。为附加检测的需要，通常要用另外的设备去完成，这自然大大增加了每个工件的检测费用。即使用同一台设备，沿着检测探头的通常取向利用超声回波脉对不可检测的区域进行检测，则也需要一个第三个以及可能附加一系列的检测步骤，还需要计算附加过程中探头的定位，以便对工件尽可能多的体积进行扫描。而该体积只用通常的轴向和圆周方向的探头取向是不可能检测的。

根据本发明，对超声扫描方法进行了改进，以便对工件的异常进行超声反射检测。该工件有一个检测表面和至少有一处引起回波-屏蔽区的折回-反射结构。该检测表面即可以是平面也可以是曲面（例如凸起）。本方法包括完成如下检测步骤：a.从探头沿着声束轴线发射超声脉冲声束穿过透射介质（例如水），并以经选定的投射角投射到检测表面上，声束从该处进入工件;b.接收从工件反射的回波脉冲，c.显示该回波脉冲，以指示工件内存在异常（如果有的话）;d.使脉冲声束沿着预定的路径横过检测表面。本发明的改进包括通过根据使脉冲声束位于一个或多个第一扫描平面内的要求来确定探头相对工件的取向，完成一个或多个第一检测循环。该一个或多个第一扫描平面在其与折回-反射结构相交的一点或各点处，至少与一个所说的折回-反射结构不相垂直，由此减小了回波-屏蔽的体积。减小是相对于利用探头取向在一个或多个对应的扫描平面与所说的至少一个折回-反射结构相垂直时，应产生的回波屏蔽区的体积。

根据本发明的另一方案，本方法的改进包括，利用探头取向，完成第二系列检测循环，从而使超声脉冲声束（它可以是，但不必需是聚焦束）位于第二扫描系列平面之内。该系列平面与各个第一扫描平面相交。例如，第二扫描平面可以基本上与第一扫描平面垂直。

在本发明的实施例中，完成一个第一系列的第一检测循环以使该脉冲声束位于一系列第一扫描平面内。

根据本发明的又一方案，提供了用于在一个或多个工件中对超声-反射异常检测的超声扫描方法。工件中有多个检测表面，以及引起一个或多个回波-屏蔽区的一个或多个折回-反射结构。在这方案中，该方法包括确立在一个或多个工件与发射超声脉冲的探头之间在透射介质中的相对运动，并且使该声束沿着声束的轴向穿过透射介质，以一选定的投射角投射到工件的检测表面上，声束从此处进入工件中。利用探头取向，以便使声束沿预定的路径经检测表面，保持该相对运动，以便至少在当声束投射到工件的所谓折回-反射结构附近时，声束相继位于一系列第一扫描平面中。该系列平面在其与折回-反射结构相交的各点处，至少与一个所谓折回-反射结构不相垂直，由此减小了回波-屏蔽区的体积。所说的减小是相对于利用探头取向在一系列扫描平面上，这些扫描平面与所谓折回-反射结构相垂直，而产生的回波-屏蔽区的体积。正如本发明的另一方案那样，通过使工件反射的回波脉冲接收和显示，来指示出那些代表在工件内存在的异常（如果有的话）。

从下面结合附图的描述，可以使本发明的其他方案更加清楚。

在这里（说明书）和在权利要求书中所用的下列术语，不论是单数还是复数形式，都有以下的规定的意义：

术语“折回-反射结构”意思是被超声束扫描的工件中的结构，这种结构将从探头发出的超声束反射回该探头。反射回的声能比例足够高，以至屏蔽了工件中异常所产生的回波。

术语“回波-屏蔽区”意指与工件一个或多个回折-反射结构相邻的工件区域。由于从折回-反射结构发出的回波屏蔽了从该区域中任何异常发出的回波，利用超声回波探测仪这种区域是不能检测的。

图1为利用超声换能器在一矩形平板状工件的一侧扫描的示意图;

图2为图1的工件的透视示意图。表明在已有技术中的两相继系列循环期间，探头在相互垂直的取向;

图2A为图2中工件的一个角部的局部视图;

图3为对应于图2的透视示意图。但表示出在两相继的系列循环期间，根据本发明的实施例探头相对于工件的取向;

图3A为图3工件的一角部的局部视图;

图4为一盘形工件的透视图，表明了超声束相对于工件的通常的径向、轴向及圆周方向的取向;

图4A为一盘形工件的楔形部件的透视图，它有许多个同心圆的凹槽和台阶;

图4B为图4A的阶梯形截面的纵剖面图;

图5为一透视图，为便于说明，超声检测浸液箱被部分剖开，部分省略。箱中安装有带有夹具或固定装置的转台;

图5A为图5装置的转台部分的平面示意图;

图5B为图5A部分的截面的示意的正视图;

图5C为相对于图5A和图5B放大尺寸的视图;示出部分转台夹具和固定其上的工件;

图6为表示由上面形成有一系列待检测的微凹的涡轮发动机的叶片组成的检测工件的正视图;

图6A、6B、6C分别为沿线A-A、B-B、C-C对图6所作的剖面图;

图7为图6检测工件的侧视图;

图8为图6工件的示意透视图。表明根据本发明的实施例，超声探头相对于检测工件的取向;

图8A为图8所对应的一个视图，其中不包括探头按通常的轴向取向的示意说明;

图8B为图8所对应的视图，其中不包括探头按通常的圆周取向的说明;

图9为图6检测件的顶面视图，示意地示出了探头相对于工件的两个取向;

图9A为对应于图9的视图，但表示出探头相对于工件的不同取向;

图10为表示图6工件通过超声波检测的结果打印输出，它是根据本发明的实施例所用的产生超声的探头相对于工件圆周-轴取向而得到的。

图10A为对应图10的图，但表示利用探头相对于工件通常轴向取向所获得的结果;

图10B与图10对应，但表示利用探头相对于工件的通常圆周取向所获得的结果。

参见图1，工件10包括一平面、在正视图一侧带有剂开部分的矩形平面。工件10一般由钢或某些其他金属构成，但为了便于说明，将其看作为对声波透明的。该声波是由普通超声探头14发出的，以超声脉冲声束12入射到工件10上。工件10有一检测面18，其对应的下表面22、边壁24。脉冲声束12（它可以是聚焦束）穿过盛在箱中的水16组成的透明介质（水箱未画出）;工件10和探头14都被浸在水中。聚焦声束12位于垂直于检测面18的平面之中（聚焦脉冲声束所在的平面，在下文中有时称为声束或声探头的“扫描平面”）。声束12以入射角a（相对于检测平面18）射到工件10的检测平面18上，并在A点产生进入工件10的切变声波20并作为声波20的第一分支20a通过工件10。由于工件10对声波20的折射，分支20a相对于面18的折射角为b，它与入射角a不同。此外，在图1中对切变波用了专门标记表示。本发明的技术除运用于切变波外，还适用于折射的纵向声波。在B点，声波20从下表面22被反射到检测面18，该反射波作为第二分支20b。依此类推，从点C、D和E分别反射出声波20的20C、20d和20e分支。分支20e传播到点F，F点在边壁24和下表面22的交界上。

如同在本技术领域专业人员所公知的那样，射向A点的声能，大部分在A点被工件10反射而离开工件，仅很小部分进入工件10产生声波20。同样，在每一后续点B、C、D和E上的声能相继衰减。因此，除初始分支20a外，从探头14发射的能量所利用的仅仅是少量的并随每一分支递减着的部分。从反射的声波20的示波屏的显示上看到，在点A的尖峰即回波脉冲和一个时间标记以及第二个在B点的较小的脉冲，除B点外由于声能减少而使其后的脉冲高度（在CD、E等点产生的）大大减小。由于这一事实和时间的延迟，基本上消除了在点B“下游”产生的回波干扰。因此，当声束12射在点A上时，任何介于点A和点B之间的能量波峰或尖峰脉冲，都表示在工件10的那一区域异常的存在，并被明显地显示在示波器幕和图形打印输出上。在分支20a附近的小孔或裂纹将以一特征角度折射该声波，并在对应于点A和点B之间产生可分辨的回波。

使工件10和探头14之间作可控的相对运动，从而使超声能量的聚焦束12入射在检测面18上的点连续移动。通常平行扫描线横过检测面18。典型情况为，探头14将以一系列平行的直线路径横过工件10。该直线路径从边壁26延伸到边壁26对着的边壁（在图1中未画出）。这一后续的路径以等于声束12有效直径的增量向边壁24推进。

用所说的安排，可以毫无困难地相继检测工件10的各区域，直到聚焦束12射在点E上。在这一关键处，声能沿分支20e的路径射向点F，并反射回到点E，因此被反射回探头14。这一反射声能的数量与应被工件10中小的异常沿分支20e的路径反射回的声能相比是非常大的。从点F到探头14的回波将屏蔽住结构中任何异常引起的很小的回波。其结果是严重地阻碍了以边壁和通过工件10的一个平面为边界的某一区域的检测，该平面是声束分支20e的路径所在的平面。这一不可检区域的截面在图1中由封闭的四边形EF′FY所限定。它对于离开声波20一个分支20e射到下表面22上的点F′所对应的入射位置上的探头来说，是真正的盲区。

这种检测上的困难可以在图2中清楚看出。图中示出根据已有技术作出的相对于工件10取向的两个典型扫描面。因此，探头14（图1）将按照已有技术将声束斜射到检测表面，入射角为a，完成第一系列的检测循环，而相继地定位在一系列的轴向扫描平面上。其代表性的一个表示为Pa。与平面Pa相联的箭头A指示轴向平面随后的展开方向。在所述的轴向平面上沿着检测平面18的声束12的路径由点划线l表示，并看到轴向扫描平面位置平行于边壁26，垂直于边壁24。它组成折回-反射结构并形成了位于边壁24附近的四边形回波-屏蔽区V₁（其截面在图1中被表示为EF′FY）。这个回波-屏蔽区的界线，在图2中用破折线e表示。线l终止在界限e，以表示有用检测的范围。但在实际上声束12通常延续到边壁24，尽管声束在碰到边壁24之前的截线的最后部分不能用于检测，横过整个工件常较简便，特别是当回波-屏蔽区V₁的形状在形状比较复杂的工件里改变的情况下，检测循环一般可以连续进行到位于在直接与边壁26相邻的轴向扫描平面上的一个检测循环的完成。

此外，根据已有技术，利用以a为入射角入射到检测平面18的声束12，完成第二系列检测循环，但是分别位于所谓的圆周扫描平面上。其代表性的一个平面在图2中表示为Pc，用箭头C指示相继的圆周扫描平面的扩展方向。在对前述的圆周扫描平面上的检测循环期间的声束12的入射路径用点划线C来表示。这些循环将连续进行到位于直接与边壁24相邻并平行于边壁24的圆周扫描平面上的一个检测循环被完成。对于圆周扫描循环，边壁26相当于一个折回-反射结构，它导致一个四边形回波-屏蔽区V₂，其界限用破折线d表示在图2中。

互相垂直的两个系列的检测循环结果表示在图2A中。图中V₁和V₂相重叠所确定的、基本上为立方体的角区C是完全没检测过的，而在图中回波-屏蔽区V₁和V₂的其余部分仅被在一个方向上（轴向或圆周方向）检测过。假设工件10为一矩形平板结构，总的有四个不可检测区（C为其代表）和四个仅被单一循环方向检测过的区域（区域V₁和V₂扣除对应于C的重叠角部分为其代表）。显然，工件10的相当一部分被遗漏未做检测或检测得不充分。象已知的工艺那样，在工件结构中的一个小缺陷或异常，对于轴向射到其上的超声波可能成为是透明的或接近透明的。但同样强度的声波，当横着其纵轴方向射入时可能提供一确定的回波。根据这一理由，为了充分地检测，通常在每一区域都需要互相垂直取向的两个检测循环。由于这样检测之后仍然留有相当大的没有检测的体积。所以有时将部件加大尺寸，在检测后再加工到其最终尺寸，这样能去掉大部分或全不可检测的区域。显然，因其浪费材料而是一种不经济的手段。材料必须被加工并需后置检测的制造步骤。对于由贵金属制造的部件，如喷气发动机中的钛叶片在经济上是特别严重的浪费。

参见图3，其中表示出图2所画的同样的工件10。从图3中看到与图2的相同取向，即在上部表出检测面18，边壁24在左面，边壁26在前面。但是，图3所表示的扫描平面是按本发明的实施例安排的。该实施例提供在工件10的很大体积上的两个方向检测。这是通过安排探头14（图1）相对于工件10的位置来实现的，在第一系列扫描平面中，使聚焦声束12相对于检测表面18的以入射角a射到第一系列扫描平面上。其中的一个代表平面在图3中被表为Pf，而且第二系列扫描平面的一个代表平面被表为Ps。箭头F和S分别表示平面Pf和Ps相继扩展的方向。这些平面可称之为圆周-轴向平面，因为它们的取向在通常轴向和圆周取向之间。声束12沿检测平面18的路径和圆周-轴向第一系列循环中的前述路径由点划线l′表示，而且是对应的在上述的第二系列循环的期间的一些循环的声束。声束12的路径由点划线C′表示。平面Pf与平面Ps相垂直并且二者都不垂直于工件10的边壁24和边壁26。因此，平面Pf和Ps分别限定了在边壁24和边壁26的平面相交处诸点上入射的非垂直的角度。如果边壁24和边壁26进行过足够光滑的打磨，则扫描平面相对于折回-反射结构的非垂直取向将提供两个一直达到边壁24和26的检测循环。此时，未检查的区域将仅在边壁24和边壁26相交处的角区C′（图3A）。对相同的工件而言，由本发明的技术产生的不可检测角区C′将大大小于利用扫描平面垂直于壁24和26而由通常检测技术所产生的不可检测角区C（图2A）。

对于边壁24和边壁26足够粗糙的情况下，利用本发明的技术时，由壁24和26所限定的周边回波-屏蔽区也将比由已有技术产生的为小。因此，即便对粗糙物散射声的边缘和边壁而言，与已有技术（表于图2中）相比，本发明技术减小了回波-屏蔽区的总体积。所说的已有技术，其扫描平面的取向垂直于折回-反射结构或组织。当边壁24和边壁26粗糙得足以产生显著的声-散射效应时，出现利用本发明技术的最坏情况。最终的不可检区域由图3中表示出的工件10的周边回声-屏蔽区说明。在图3的检测面18中，用破折线d′和e′指出该屏蔽区的界限。仅仅这一很薄的周边区域被遗留着未检测，这一薄的区域在垂直于检测面18并越过破折线d′和e′以及壁24和26的那些平面之间。因此，在这种最坏的情况下，除表示为V₁′和V₂′的薄周边限定部分外，整个工件10都获得了双向检测。正如上面所指出的那样，如果壁24和26适当地光滑，则区域V₁′和V₂′是双循环可检测的。

利用图3中所说明的非垂直安排可以使检测的体积增加，这可通过类似的聚焦光束照在镜面上的情况来理解。如该光束的轴线垂直对准镜面，则光线将从镜面直接返回门光镜头。对超声波做相应的安排，将得到由工件表面反射的能量所组成的高幅度回波，它将比从工件缺陷、小孔或其他小尺度异常反射而得到的回波幅度有较高的数量极。另一方面，如果闪光以非垂直的角度照射镜面上，则从闪光的聚焦束中来的该闪光将以一角度反射而且反射光束将不会射到闪光镜头上，因此在被其自身反射“致盲”之前，允许闪光非常精确地接近镜面。

在调整检测程序中，不仅要考虑到探头相对于各边缘的取向，也要考虑其相对于被检测工件所提供的各角、各面和其他折回-反射结构等的取向。正如下面所述，虽然这会出现比已有技术所用的直线轴向和/或圆周方向和/或径向等取向的调整计算要复杂，但以额外的努力来换取检测质量的提高和检测范围的扩大是合算的。

图4表示出一盘形工件10′，它有一个圆形平面的检测面18′和周边圆柱形的检测面18″。检测面18″是边壁即盘边，并对平面检测面18′及其对着的未标号的表面提供折回-反射结构。相应地，检测面18′的周边部分（以及其相应的对着面18′未标号的面）对圆柱形检测面18″提供折回-反射结构。

盘状工件10′的中心由CR表示，为工件10′绕其本身纵轴转动的中心。平面Pr是径向扫描面，射到面18′上的超声束12r位于其中。平面Pc（圆周扫描平面）沿着18′所限定的圆的弦与面18′交，而且表示出超声束12c位于平面Pc之内。平面Pa是一轴向扫描面并且方向相对的超声束12a-1和12a-2被表示出位于Pa之内并射到面18″上。

面18′可通过工件12′绕自身的纵轴旋转加以检测（纵轴通过转动中心CR垂直延伸到面18′），即工件10像留声机的唱片一样旋转。同时声束12r也将像留声机唱针那样，在工件表面18′的周边和点CR之间沿径向线前进。这使声束12r指向无数连续的与检测平面18′相交的扫描平面Pr，就像轮子的轮辐一样，它的边缘是面18″。类似的方法，可使声束12c指向圆周方向。声束12a-₁可在检测面18′及其未标号的对面之间，在轴向平面Pa之内垂直通过，同时工件10′绕其自身纵轴转动。第二系列循环可以相类似地使超声束12a-2位于平面Pa之内，但是以和声束12a-1相对的面18的一方位角位于该平面内。当然，工件10′也可保持不动，这时该探头或多个探头（图4中未表示）相对于工件10′运动（探头中发射出束12r、12c、12a-1和12a-2）。

常常需检测结构复杂的工件，它比工件10的简单平面或工件10′的简单的盘状件中存在更多的折回-反射结构和对应的回波-屏蔽区。例如，图4A表示圆盘形工件72的楔形或馅饼铲形部分，工件72有一个中心孔73，以及在其中形成的多个阶梯状的同心凹槽74和台阶76，工件72的周边为圆柱形壁78所限定。凹槽74和台阶76由许多边壁所限定（未标号），它们与圆柱形壁78一起产生许多折回-反射结构和继起的回波-屏蔽区。这些边壁，有些与盘72的平面相垂直，另一些倾斜成某一角度。本领域的熟练技术人员会将聚焦超声束沿盘72的直径取向进行第一系列径向循环，因为这样的径向定位的调整相当简单。

应该认识到，象图4那样的通常的对工件的轴向，径向和/或圆周取向的检测，虽然调整相当简单，但会引起大体积的回波-屏蔽区。本发明通过声束相对于许多折回-反射结构的非垂直取向能够从根本上减小了回波-屏蔽区的体积，因此，在检测如像盘72的工艺中具有突出的优点。

图4B表示工件72一半的径向剖面，用点划线CR表示其纵轴，该纵轴通过工件72的中心孔73的中心。图中还示出了轴向取向的超声声束12a-3、12a-4以及径向取向的束12r-1、12r-2的方位。一般情况下声束12a-3、12a-4、12r-1、12r-2应位于通过轴线CR的平面内，即在图4B所画的平面内。如图4A所示，根据本发明的实施例的相对于工件72取向的超声束12ca-1和12ca-2位于径向和圆周向平面之间的平面中（与图4的平面Pr和Pc相类似）。类似地，根据本发明的技术取向的束12-3和12-4射到工件72的圆柱形壁78上，并位于横切到轴向平面的平面之内，例如位于横过像图4中的平面Pa，即束12ca-3位于不通过工件72的纵轴CR的平面内?

为检测的目的，在换能器和工件之间需要比空气密度大的传播超声波的介质。即使用液体介质，通常使用水在用浸入液的检测工艺中，装有超声换能器的探头和工件都浸入水中。一个典型的浸入式检测箱示在图5中，它包括一个不漏的水箱28。一般水箱是矩形结构，有一个底32和垂直壁34a、34b、34c、34d;水箱中盛有水。在壁34a上有一观察窗37，以便方便地观察箱内。为了说明起见，将壁34b和34c剖掉一部分，以露出安装在箱底32上的转台，为使转台绕其在中心柱64（图5B）上的转动中心CR（图5A）旋转，该中心柱装有不漏水的密封轴承66和皮带轮（未标号），皮带轮上装有驱动皮带68，图5B中将皮带68部分地断开，驱动皮带68被一在所希望的每分钟变速下的电动马达所驱动（未表出），以选定的速度转动转台30。像通常那样，驱动皮带位于箱28的外面，在底32之下。

壁34a和34b的顶部边缘34a′和34b′形成两条轨道，在其上分别放着能够调节超声寻检单元38的轨道小车36a和36b，一对间隔分开的导杆40将小车36a和36b连接起来，并且在其中间处支承着一驱动盒42，盒中装有探头支承杆44，驱动盒42可沿寻杆40在小车36a和36b之间移动，探头48通过万向接头46安装在支承杆的下端，接头46允许探头48在垂直和水平两个方向转动。接头46是按公知技术构成的，以便使探头48处在一给定的倾斜位置，该倾斜位置是探头从它的正常位置沿水平和垂直两个方向移动后的位置，在正常位置时，探头48的纵轴垂直于杆44的纵轴并对准通过转台中心的垂直平面。控制盒50装在支承杆44的顶上并且与其电缆52相连，电缆中包括有适于控制的寻检单元38的位置以及探头48的旋转运动的以及通过探头48内的换能器发送和接收超声信号的电线。因为可调寻检单元38可以沿着由顶边34a′和34b′所提供的轨道移动，所以探头48可以定位在相对转台30一个选定的距离上。驱动盒42可沿导杆40移动，以便使探头48能够横向定位在所希望的位置上，或对准转台30的转动中心（图5A）或横向偏离它的任何一边（如图5A中虚线形状）。支承杆44在驱动盒中的垂直方向的位置是可调的，以便将探头48在箱28中调到选定的高度上。可调寻检单元38的构造和功能为通用的技术，全部装置表示在图5中。

在图5所示的具体检测装置中，为使夹具或固定装置54随着转台30绕转动的公共中心CR转动，以任何适当的方式将夹具54安装在转台30的中心，固定装置54本身为盘形，其直径小于转台30的直径，而且绕周边壁54a固定了图6和7所示类型的，由许多涡轮发动机叶片56组成的工件。如图6所示涡轮叶片56由根部58凸缘60和带有顶缘62a、前缘62b和刀口状后缘62c的弯曲导向片62。导向片62具有凸面62V和凹面62x。对于一个典型的叶片56的检测，需要检测导向片62靠近顶缘62a的部分，例如，检测导片62的范围被限定在顶缘62a和延伸一很短的矩离，如像从顶缘62a向根部58之间0.080英寸（0.203cm）。像叶片56那样的叶片可由钛合金制造，在使用后，为了修复顶缘62a而采用焊接的方法。根据本发明的超声检测方法，用于检测焊接区的缺陷裂缝或不连续处是有利的。

为检测的目的，可以将许多叶片56绕着固定装置54的周边安装（如图5c），用带子缠住或其他方法固定住导向片62到固定装置54的周边上，使每个叶片处在箱28内的相同垂直高度上。带子70被表示在图5c中，它缠住导向片62将叶片56垂直地固定在对着周边壁54a的地方。叶片绕固定装置54的周边是等间距的，导向片62按着其凸面笔直地即垂直的放置。凸面是检测表面，在其上射入超声脉冲，在图5c中仅画出叶片56中的两个，应该认识到：可以将许多这样的叶片围绕54a的整个周边无重叠地即稍稍隔开地固定。借助这一安装调整，转台30的转动将在横过探头48的发射端处反复横过叶片56中的一个，以便使超声聚焦束12横越每个叶片的导向片62部分。可调超声寻检单元38将根据探头48的取向合适来定位，并在图5的破折线所表示的轮廓线位置上。因此，当被固定的叶片56从探头48的前面经过时，探头对所装的每个叶片56进行扫描。固定装置54完成一次转动，每个叶片将被探头48在一个循环中扫描。然后探头48被支承杆44提升一个小的高度增量，并且随着转台30（并因此固定装置54）连续转动，第二检测循环在以比第一循环高的位置上完成。探头48随着固定装置54每次旋转的完成，以一定的高度增量逐渐上升，从而完成了沿基本平行的第一平面的检测系列循环。根据本发明，安装调整的安排，应使探头48有一个倾斜的圆周-轴定的定位在通常的轴向和圆周取向之间。在完成第一系列循环之后，使探头48重新指向一个相反的倾斜位置，而且可以以借助位于基本垂直于第一系列平面的方向上的聚焦声束来完成第二系列循环。

曾经把利用本发明的圆周-轴取向方法的检测与利用已有技术的轴向和圆周取向方法进行的检测做过比较。所有检测都是在用相同设备、相同工件条件下完成的，仅仅在所使用的超声探头取向方式上有所改变。这些检测所用的装置为装备有1/4英吋（0.635cm）直径，15兆赫的Harrisonic浸没型的Krautkramer-Branson有限公司的KB6000型的装置，该探头提供具有一英吋（2.54cm）聚焦长度的聚焦束。

一个如图6中所示的单个试片曾经被测试过，在其上加工有三个检测凹坑61a、61b、61c。对凹坑的深度和直径的大小说明如下，用d₁、d₂、d₃分别代表直径，h₁、h₂、h₃分别代表其深度（如图6A、6B、6c所示）。每个检测凹坑在平面视图中都是圆的，其圆心在叶片56的顶缘62a之下0.040英吋处（0.102cm），在图6中用距离R表示;在顶缘62a，导向片62为0.040英吋（0.102cm）厚并且其凸表面62x的形状近似有圆柱形壁的截面。

表

凹坑    直径（英吋）    深度（英吋）

61a d₁＝0.0057 h₁＝0.0026

61b d₂＝0.0055 h₂＝0.0056

61c d₃＝0.0055 h₃＝0.0018

在图8、8A和8B的每幅图中，探头为示意表示出的。聚焦声束12′射在检测面上（凸面62x）并且透过导向片62作为声波20′，导向片62截面外形的表示为S。

比较例1

对如图6和7所示的钛涡轮叶片试片曾经用通常的方法进行扫描，利用探头在两个检测系列循环中采用探头的轴向和圆周向取向。根据如下方案计算。

在工件中希望切变声波的折射角为45°，在图1中对应角b。并且为了在钛中获得45°折射角所需的入射角（在图1中对应为角a）按Snell公式计算：

（1） (Sina)/(Sinb) ＝ (Vw)/(Vm)

这里a为入射角，b为折射角，Vw为声音在水中的速度，Vm为声音在工件的金属中的切变波的速度。将Vw＝1.48×10⁵cm/秒，Vm＝3.11×10⁵cm/秒及b＝45°代入公式（1）中并解出a，得到a＝19.6638°因此，声波应以19.66°入射到工件表面上，在工件中得到45°的折射切变波。

在作圆周切向检测时，相对于凸面，应使探头位置适当，正好相对于一个凸面。（例如，导向片62的检测面62x）定位，必须计算距轴向中心线Dt的偏离x。（图9）。如果凸面62x的曲率半径为R，则偏离x如下计算：

（2）    x＝R（Sina）

偏离x表在图7和9中。对于导向片62，面62x基本上是圆柱形截面，其外直径为6.9英吋（17.53cm）并且将R＝3.45英吋及a＝19.66代入公式（2）中，所算出的偏离x为1.1609英吋（2.949cm）。因此，为了能达到相对于检测平面62x的圆周切向扫描平面，探头应定位在指向垂直于面62x的中心线Dt上并在一个离开轴向中心线Dt1.1609英吋的水平（圆周方向）平面中移动。根据检测面62x的曲率，该入射角将有19.66°的计算值。

做为方法上的改变，可将探头48在周围平面内旋转19.66°，然后相对中心线Dt移动，以使声束的入射点返回到中心线Dt上。

无论利用两种方法中的那一种，都是通过旋转通过探头的工件而使探头定位，以便进行一系列的检测。参见图5，这是通过将工件装在固定装置54上并以选定的速度转动转台30来实现的。在工件完成一个通过探头的循环之后，在下一个直接与第一循环相邻的第二扫描循环中，探头降低0.001英吋（0.00254cm）。根据覆盖从叶片的顶缘到一个选定的停止点的检测距离的需要，这一步骤要重复进行。

然后探头返回到中心线并向第一个偏移相反的方向移动所计算的1.1609英吋的偏移。接着，探头按第一系列圆周循环角度的相反方向。在圆周平面内转动所计算的19.66°角度。重复进行检测循环，以便在与第一系列循环所用的方位角的方向相反方向的方位角上的检测面62x上完成一个第二系列的圆周方向的循环。

为了推算轴向切变检测的正确调整位置，将探头定位在轴向中心线Dt上并垂直指向面62x。然后探头在垂直平面内向上转动所计算的19.66°入射角，以使探头入射在面62x的距水平平面垂直距离为y之处（图7），当声束垂直指向面62x时，探头位于该水平平面内。然后完成第一系列循环，以便进行轴向检测。由于在这种具体的检测中，仅需要检测从62a顶缘到距离为0.080英吋（0.203cm）处的距离，因此仅需要作一个系列的轴向检测。

在图8A为一示意图，对于第一系列循环的探头48定位在图8A所示的轴向取向位置上。而对于第二系列循环探头48定位在图8B所示的圆周取向的位置上。图9表示出探头48在工件横过一次时，它在接近工件（叶片56）相对的两端部时的位置它表示出探头48（以及因此声束12′）平行地对准转台30和固定装置54的径向Dt（图4A）。图9A表示探头48（以及因此声束12′）以一角度对准径向Dt。在图9和图9A中示出根据本发明，声束12′相对于叶片56为圆周一轴取向。所获得的扫描结果表示在图10A和图10B中，从中可以发现当探头沿轴向取向时从边缘62a的反射基本上已全部屏蔽了被检测凹坑所产生的回波。在图10B中，当探头沿圆周取向时检测凹穴被清楚地显示出来，但正如图10B的打印输出结果上所指出的那样，有两个断开的大体积区被屏蔽。

例2

使用和例1中的相同设备和相同检测部件，但检测探头按着本发明的一个实施例在圆周一轴向安排中是在两个系列循环中取向。

为得到所希望的切向角而需要的入射的角度，通常利用Snell定律来计算。因为要检查在例1中已检查过的同一叶片，并且希望在叶片内折射角为45°，所以利用同样的19.66°的方位。

为了计算探头的这个准确的方位必须计算在垂直（轴向）平面中探头旋转运动的矢量，并且相应计算在水平（圆周方向）平面中探头旋转运动的矢量。此二矢量的合矢量将给出所需的探头的方位，根据本发明的一个方案用探头的圆周一轴取向的探头，以便对面62x进行检测。

距离y（图7）可如下计算：

y＝tana′（2）

因为面62x是弯曲的，角a（图9）是偏移距离x的函数。为了进行圆同一轴向扫描，必须计算从探头旋转中心（图7、9和9A中的p）到曲面62x的距离。

如果面62x为平面，则可用Pythagorean理论导出从探头旋转中心p到检测面62x之间的距离;对一弯曲很小的面，它能给出一所需的近似的距离。计算表明探头的14.2°轴向运动和14.2°的圆周向运动就能使探头处于给出所希望的19.66°入射角的理想圆周-轴取向。

在两个相互垂直的周-轴取向循环测试中所得到的结果如图10所示，从图中可看到检测的凹坑被清楚的描绘出，而由黑色区域M₁和M₂所表示的边缘屏蔽效应实际上可以被忽略。

虽然本发明的具体实施对用单一的探头产生超声束作了详细的描述，但必须指出，如在已有技术中那样，可以使用多个探头发出许多声束到工件上。在这种情况中，工件通过多个探头的单一通道将提供一系列独立的扫描循环。

Claims (15)

1、一种用于检测工件中超声异常的超声扫描方法，该工件具有一个检测表面，并且至少有一个引起回波一屏蔽区域的结构，该方法包括用如下的步骤完成一个检测循环：a.沿着声束轴线方向的探头发射出超声脉冲束，穿过透射介质，使该声束以选定的投射角投射到检测表面上，并从该处进入工件；b.接收从工件反射的回波脉冲；c.显示该回波脉冲，以显示那些表示在工件内存在异常(如果有的话)，以及d.使该声束横过沿着检测面的事先选定的路径；其改进包括：通过根据使脉冲声束位于一个或多个第一扫描平面的要求来确定探头相对工件的取向，完成一个或多个第一检测循环，该一个或多个第一平面在其与折回一反射结构相交的一点或各点处，至少与一个所说的折回一反射结构不相垂直，因此减小了回波一屏蔽区的体积，所说的减小是相对于利用探头取向，一个或多个对应的扫描平面与所说的辽僖桓稣刍匾环瓷浣峁瓜啻怪毕拢幕夭ㄒ黄帘吻奶寤?

2、按权利要求1的方法包括，完成一个第一系列所说的第一检测循环，使声束相继位于所说的一系列该第一扫描平面内。

3、按权利要求2的方法包括，根据使声束位于一系列第二扫描平面内的要求来确定探头的取向，完成一个第二系列检测循环，该系列第二扫描平面与所说的第一扫描平面相交。

4、按权利要求3的方法，其特征在于所说系列的第二扫描平面与所说的第一扫描平面相垂直。

5、按权利要求1或2的方法，其特征在于该超声脉冲束为聚焦声束。

6、按权利要求1或2的方法，其特征在于检测的表面是曲面。

7、按权利要求6的方法，其特征在于检测的表面是凸面。

8、按权利要求1或2的方法，其特征在于检测的表面是被若干个折回-反射结构横切的表面。

9、按权利要求1或2的方法，其特征在于透射介质是水。

10、一种用于对一个或多个工件的超声折回-反射异常的超声扫描方法，该工件具有多个检测表面和一个或多个引起一个或多个回波-屏蔽区的折回-反射结构，该方法包括：

在透射介质中，建立一个或多个工件和一个或多个探头之间的相对移动，该探头发射超声脉冲束，使声束沿声束轴向的方向穿过透射介质，以一个选定的投射角，将波束投射到检测表面上，并从该处进入工件;

保持着这一相对运动，以便利用探头取向使声束沿检测表面上的预先选定的路径横过，从而至少当声束投射到工件的所说的折回-反射结构附近时，声束相继位于一系列第一扫描平面中，该若干平面在与折回-反射结构相交的各点处，至少与一个所说的折回-反射结构不相垂直，从而减小了回波-屏蔽区的体积，所说的减小是相对于利用探头在一系列扫描平面上取向，这些扫描平面与所说的折回-反射结构相垂直，而产生的回波-屏蔽区的体积;

接收从工件反射的回波脉冲;

显示该回波脉冲，以显示出那些表示工件内存在的异常（如果有的话）。

11、按权利要求10的方法，包括在一个或多个工作与探头之间建立和保持相对运动，通过使探头保持在一系列的固定位置，以及使一个或多个工件通过探头，同时使探头保持在有关的固定位置，以便使声束沿检测平面在事先选定的路径中横过。

12、按权利要求11的方法，为实现工件通过探头的转动，在转台上安装多个工件，同时使探头在一个给定位置，在多个工件中的每一个都转动通过探头后，将探头移到另一固定位置，再使工件中的每一个转动通过它，重复这一相继固定探头位置的过程。

13、按权利要求12的方法，其特征在于工件具有凸起的检测面，和折回-反射结构是由工件的有关边缘组成的。

14、按权利要求10的方法，其特征在于透射介质为水。

15、按权利要求10的方法，其特征在于超声脉冲束为聚焦声束。

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