KR20140033404A - 3차원 매트릭스 위상 어레이 점 용접 검사 시스템 - Google Patents

3차원 매트릭스 위상 어레이 점 용접 검사 시스템 Download PDF

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KR20140033404A
KR20140033404A KR1020137032823A KR20137032823A KR20140033404A KR 20140033404 A KR20140033404 A KR 20140033404A KR 1020137032823 A KR1020137032823 A KR 1020137032823A KR 20137032823 A KR20137032823 A KR 20137032823A KR 20140033404 A KR20140033404 A KR 20140033404A
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정 케이. 나
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폴 씨. 보울웨어
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에디슨 웰딩 인스티튜트, 인코포레이티드
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Abstract

점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템은 음향 탐침으로서, 곡선형 어레이로 배열된 복수의 초음파 변환기 요소들로서, 초음파 신호들을 생성하고 초음파 신호들의 반사들을 수용하도록 가동되는, 복수의 초음파 변환기 요소들을 더 포함하는, 음향 탐침; 및 음파 에너지가 시험 상태들 하에서 점 용접 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 탐침이 점 용접의 외형 표면에 일치하는 것을 허용하기 위한 조합 재료들; 변환기 요소들을 초음파로 여기하기 위한 변환기 요소들의 어레이에 커플링되는 위상 어레이 여기 유닛; 및 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고 초음파 변환기들로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고 점 용접의 무결성의 특성을 나타내는 2차원 칼라 코드 이미지를 생성하기 위해 위상 어레이 여기 유닛으로 커플링되는 제어기를 포함한다.

Description

3차원 매트릭스 위상 어레이 점 용접 검사 시스템 {THREE-DIMENSIONAL MATRIX PHASED ARRAY SPOT WELD INSPECTION SYSTEM}
관련 출원들에 대한 교차-참조
본 특허 출원은 2011년 5월 10일 출원되고 발명의 명칭이 "3차원 매트릭스 위상 어레이 점 용접 검사 시스템"인 미국 가 특허 출원 일련번호 제 61/484,312호의 이익을 청구하며, 이 미국 가 특허 출원의 공개 내용은 인용에 의해 전체가 본원에 포함되며 모든 목적을 위해 본 미국 실용 특허 출원의 부분을 이룬다.
본 출원은 일반적으로 산업 제조 프로세스들의 수행을 평가하는데 이용하기 위한 검사 시스템들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저항 점 용접들의 품질을 평가하기 위한 비파괴 검사 시스템에 관한 것이다.
시트 금속 연결 프로세스들은 항공기 및 자동차 산업들을 포함하여 다수의 산업들에서 널리 사용된다. 이러한 프로세스들 중에서, 저항 점 용접은 금속 시트들을 연결하기 위해 사용되는 매우 통상적인 절차인데, 이는 저항 점 용접이 빠른 프로세스 속도를 가지며 대량 생산 라인들에 용이하게 채용되기 때문이다. 시임 용접, 용접 본딩, 접착 연결, 솔더링(soldering), 및 브레이징(brazing)은 또한 승인을 취득하였다. 이 같은 연결 프로세스들의 품질 제어는 제조자들에게 중요한 사안으로서 인식되었다. 용접 조인트들의 품질은 자체적으로 연결 프로세스에 의해 그리고 조인트의 설계에 의해 영향을 받는다. 야금학적 반응(metallurgic reaction)들, 열적 거동(thermal behavior)들, 화학적 조성, 기재(base metal)의 시작 상태, 용접 및 본딩 상태들, 및 프로세스 동안 이용된 용접 및 본딩 장비를 포함하여 많은 인자들이 고려된다. 또한, 이러한 인자들 사이의 복잡한 관계는 용접 조인트의 품질을 제어하기 어렵게 만들고 비파괴 방식으로 용접 조인트를 검사하기 어렵게 만든다.
음향 방법(Acoustic method)들은 다양한 검사 적용 방법들에 대한 비파괴 시험(testing) 방법들을 통상적으로 사용한다. 다른 비파괴 시험 방법들과 달리, 음향 방법들은 표면 및 내부 모두의 정보를 제공한다. 더욱이, 음향 방법들은 시료들 내로 더 깊은 침투 및 용접 조인트에서 작은 불연속면들에 대한 더 높은 감도를 허용한다. 그러나, 음향 방법은 제한들이 있다. 대부분의 중요한 제한들은 시험 장치를 이용하고 음향 데이터를 분석하기 위한 숙련된 조작자의 요구 뿐만 아니라 키싱 본드(kissing bond)와 같은 스턱(stuck) 또는 냉간 용접 또는 부적절한 본드를 확인하는 매우 주관적인 성질(subjective nature)을 포함한다. 따라서, 초음파 비파괴 평가(NDE)의 분야는 숙련된 조작자 및 시험 데이터의 주관적인 해석의 포함을 제거하는 방식으로 저급한 품질의 조인트들을 확인하기 위한 신뢰가능한 프로세스 또는 기술을 요구한다.
후술되는 것은 본 발명의 소정의 예시적인 실시예들의 요약을 제공한다. 이러한 요약은 광범위한 개관이 아니고 본 발명의 중요하거나 임계적인 양태들 또는 요소들을 확인하는 것 또는 본 발명의 범주를 설명하려는 의도가 아니다.
본 발명의 하나의 양태에 따라, 점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 음향 탐침으로서, 음향 탐침의 일 단부에 곡선형 어레이로 배열된 복수의 초음파 변환기 요소들로서, 상기 변환기 요소들이 초음파 신호들을 발생하고 초음파 신호의 반사(reflection)들을 수신하기 위해 작동되는, 복수의 초음파 변환기 요소들; 및 시험 상태들 하에서 음파 에너지가 점 용접으로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 탐침이 점 용접의 외형 표면(contoured surface)에 일치하는 것을 허용하기 위한 조합 재료(combination of material)들을 가지는 음향 탐침을 포함한다. 상기 시스템은 또한 변환기 요소들을 초음파로 여기시키기 위한(ultrasonically exciting) 초음파 요소들의 어레이와 전기 소통되는 위상 어레이 여기 유닛; 및 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고, 초음파 변환기들로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고, 그리고 점 용접의 무결성(integrity)의 특성을 나타내는 2차원 칼라 코딩 이미지(color coded image)를 발생시키기 위한 위상 어레이 여기 유닛과 전기 소통되는 제어기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 음향 탐침으로서, 음향 탐침의 일 단부에 곡선형 어레이로 배열되는 복수의 초음파 변환기 요소들을 가지며, 상기 변환기 요소들이 초음파 신호들을 발생시키고 초음파 신호의 반사들을 수신하기 위해 작동하는, 음향 탐침; 및 음파 에너지가 시험 상태들 하에서 점 용접 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 탐침이 점 용적의 외형 표면에 일치하도록 허용하기 위한 조합 재료들을 가지며, 조합 재료들은 유체 충진 챔버 및 탐침의 단부 상에 장착된 가요성 막 또는 상기 막과 어레이 사이에 배치되는 고체 음파 지연 재료를 더 포함한다. 상기 시스템은 또한 변환기 요소들을 초음파로 여기하기 위한 초음파 요소들의 어레이와 전기 소통되는 위상 어레이 여기 유닛; 및 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고, 초음파 변환기들로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고, 그리고 점 용접의 무결성의 특성을 나타내는 2차원 칼라 코딩 이미지를 발생하기 위한 위상 어레이 여기 유닛과 전기 소통되는 컴퓨터형 제어기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 점 용접의 특성을 나타내기 위한 대안적인 비-파괴 시험 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 음향 탐침으로서, 음향 탐침의 일 단부에 곡선형 어레이로 배열되는 복수의 초음파 변환기 요소들을 가지며, 상기 변환기 요소들은 초음파 신호들을 발생하고 초음파 신호들의 반사들을 수신하기 위해 작동되며, 변환기 요소들은 별개의 서브그룹(subgroup)들로 추가로 배열되며, 각각의 서브그룹이 다른 서브그룹들과 무관하게 작동될 수 있는, 음향 탐침; 및 음파 에너지가 시험 상태들 하에서 점 용접 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 탐침이 점 용접의 외형 표면에 일치하는 것을 허용하기 위한 조합 재료들로서, 상기 조합 재료들이 유체 충진 챔버 및 상기 탐침의 단부에 장착된 가요성 막 또는 상기 막과 어레이 사이에 배치된 고체 음파 지연 재료를 더 포함한다. 상기 시스템은 또한 변환기 요소들을 초음파로 여기하기 위한 변환기 요소들의 어레이와 전기 소통되는 위상 어레이 여기 유닛; 및 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고, 초음파 변환기들로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고, 점 용접의 무결성의 특성을 나타내는 2차원 칼라 코딩 이미지를 발생시키기 위한 위상 어레이 여기 유닛과 전기 소통되는 컴퓨터형 제어기를 포함한다.
본 발명의 부가 특징들 및 양태들은 예시적인 실시예들의 아래의 상세한 설명을 읽고 이해하였을 때 당업자들에게 명백하게 될 것이다. 당업자에 의해 명백하게 될 바와 같이, 본 발명의 추가 실시예들은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 가능하게 된다. 따라서, 도면들 및 관련된 설명들은 본질적으로 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
명세서의 일 부분 내로 포함되고 이를 형성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 예시적인 실시예들을 개략적으로 도시하며 위에 주어진 일반적인 설명 및 아래 주어지는 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 기능을 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 3차원 매트릭스 위상 어레이 점 용접 검사 시스템의 주 구성요소들을 보여주는 블록 선도이며;
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 시스템을 이용하여 우수한 점 용접의 분석으로부터 나온 시험 결과들의 예시들을 제공하며;
도 3은 도 1의 용접 검사 시스템 내에 포함된 전자 게이트(electric gate)들의 A-스캔 모드의 시각적 표현을 제공하며;
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 시스템을 이용하여 저급한 점 용접의 분석으로부터 나온 시험 결과들의 예시들을 제공하며;
도 5a 및 도 5b는 도 1의 시스템을 이용하여 스턱 용접(stuck weld)의 분석으로부터 나온 시험 결과들의 예시들을 제공하며;
도 6a 및 도 6b는 서브-요소 그룹들에 대한 3-D 곡선형 탐침 요소뿐만 아니라 다양한 발사 시컨스(firing sequence)들을 예시하며;
도 7a 내지 도 7d는 3-D 곡선형 탐침 설계 대 2-D 평면 탐침 설계의 이익들의 모델링 확인을 제공하며;
도 8은 본 발명의 점 용접 검사 프로세스의 예시적인 실시예의 데이터 흐름도를 제공하며;
도 9는 다양한 점 용접 상태들에 대한 영상화 결과들의 예들을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 지금부터 도면들을 참조하여 설명된다. 도면부호들은 다양한 요소들 및 구조들을 인용하기 위해 상세한 설명 도처에서 사용된다. 다른 경우들에서, 널리 알려진 구조들 및 장치들은 설명을 단순화하기 위해 블록 선도 형태로 도시된다. 비록 아래의 상세한 설명이 본 발명을 위해 다수의 특정예들을 포함하지만, 아래의 상세들에 대한 다수의 변형들 및 변경들이 본 발명의 범주 내에서 있다는 것을 당업자는 인정할 것이다. 따라서, 본 발명의 아래의 실시예들은 청구된 발명의 일반론의 어떠한 손실도 없이, 그리고 청구된 발명에 대한 제한들을 부과하지 않으면서 제시된다.
본 출원은 모든 목적들을 위해 미국 특허 출원 제 12/186,047호를 전체적으로 인용에 의해 본원에 포함한다. 본원에서 사용된 명명법에 대해, 본 발명은 제 1 및 제 2 워크피스 또는 상부 및 하부 금속 시트들 사이의 저항 점 용접의 무결성을 분석하기에 유용한 것으로 설명된다. 그러나, 본 발명은 워크피스들의 재료, 구성 또는 개수, 뿐만 아니라 접착 본드들에 무관하게 모든 용접들에 적용가능하다. 이에 따라, 본 공개물이 일반적으로 스턱 용접에 관한 것이지만, 본 발명은 종종 키싱 본드들 또는 접착의 분야에서 약한 본드들로서 인용되는 조인트들의 스턱(stuck) 부분들을 검출하는 것을 당업자가 인정할 것이다. 본 발명은 또한 금속들 및 비금속들 등에 적용가능하고 용융 용접으로 제한되지 않지만, 또한 고체 상태 용접들, 브레이징 및 솔더링 조인트들을 검사하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 방법은 점 용접들의 자동화된 분석에서 특별한 적용분야를 가지만, 또한 연속 본드들을 평가하기 위해 사용될 수 있다.
스턱 용접 또는 스턱 조인트는 워크피스들(예를 들면, 시트 금속의 피스들)이 용접 경계면에서 국부화된 용융에 의해 서로 홀딩될 때 발생하지만, 용접 버튼(weld button) 또는 용접 너깃(weld nugget)이 용접 프로세스의 결과로서 형성되지 않았을 때 발생한다. 스턱 용접은 전형적으로 너깃 성장을 생성하기에 불충분한 용접 경계면에서 열로부터 초래된다. 적절하게 형성된 용접 너켓의 부존재시, 용융은 금속 시트들 사이의 소정의 접촉 지점들에서 발생할 수 있다. 코팅된 재료들에 대해, 코팅들은 용융, 재결빙하고 부분들을 서로 효과적으로 솔더링될 수 있다. 결과적인 본딩들은 종종 가벼운 로드들 하에서 워크피스들을 서로 홀딩하기에 충분히 강하지만, 상당한 힘이 워크피스들을 당겨서 분리할 것이다. 초음파 시험이 용접 무결성을 분석하기 위해 사용되는 경우, 전달된 초음파 빔들(즉, 음파들)은 용융이 발생되지 않은 경우 시트들 사이의 경계면을 통하여 지나가지 않을 것이다. 발생된 스턱 용접이 융용을 초래하지만 용접 너깃이 없는 경우, 전달된 초음파 빔들은 시트 경계면을 통하여 부분적으로 지나갈 것이다. 용접 너깃이 적절히 형성된 경우, 전달된 초음파 빔들은 시트 경계면을 통하여 완전히 지나갈 것이다.
위상 어레이 초음파 시험(PAUT)은 결함 검출, 크기 표시, 및 영상화를 위해 이용될 수 있다. PAUT 기술은 음향 탐침 특성들을 전자적으로 수정하기 위한 능력이다. 탐침 수정은 어레이 탐침의 (펄스) 개별 요소들에 송신되고 및 (에코(echo)) 개별 요소들로부터 수신된 신호들 내에서의 시간 변화들을 도입함으로써 수행된다. 비-파괴 평가를 위해 초음파 데이터를 수집하고 디스플레이하기 위한 3개의 통상적인 포맷들은 A-스캔, B-스캔 및 C-스캔 프리젠테이션(presentation)이다. 각각의 프리젠테이션 모드는 검사되는 재료의 구역을 시각화하고 평가하기 위한 수단을 제공한다. A-스캔은 통상적으로 종래의 조음파 결함 검출기들 및 파형 디스플레이 두께 게이지들에 의해 제공된 바와 같은, 초음파 신호의 시간 및 진폭을 보여주는 간단한 RF 파형 프리젼테이션이다. A-스캔은 진폭 변조 스캔이며 펄스 에코 초음파학에 일반적으로 적용되는 바와 같이, 수평 및 수직 스위프(sweep)들이 시간 또는 거리 및 진폭 또는 크기 각각에 비례한다. 이에 따라 음향적 경계면의 위치 및 크기는 변환기 아래의 깊이로서 표시된다. 수용된 에너지의 상대적 양은 수직 축선을 따라 플로트되고 경과 시간(재료 내의 음파 에너지 이동 시간과 관련될 수 있는)이 수평 축선을 따라 디스플레이된다. A-스캔 디스플레이를 이용하는 대부분의 기구들은 신호가 충분히 정류된 RF 신호로서 또는 RF 신호의 양 또는 음의 반부(half)로서 신호의 자연 무선 주파수 형태(RF)로 디스플레이되는 것을 허용한다. A-스캔 프리젠테이션에서, 상대적 불연속성 크기는 기지(known)의 리플렉터로부터 얻은 신호 진폭과 미지의 리플렉터로부터 얻은 신호 진폭을 비교함으로써 추정될 수 있다. 리플렉터 깊이는 수평 스위프 상의 신호의 위치에 의해 결정될 수 있다. 빔이 초점 법칙 시퀀스에 따른 다른 축선을 따라 전자적으로 스캔되는 동안 위상 어레이 시스템으로부터의 C-스캔은 하나의 축선을 따라 물리적으로 이동되는 초음파 탐침을 포함한다. 신호 진폭 또는 깊이 데이터는 관심있는 게이트 구역들 내에 수집된다. 데이터는 프로그래밍된 빔 개구를 이용하여 각각의 초점 법칙 진행으로 플로트된다. 매트릭스 위상 어레이 탐침을 활용함으로써, 빔 조종이 다수의 방향들로 달성될 수 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예는 저항 점 용접들의 품질을 평가하기 위한 비파괴 검사 시스템을 제공한다. 예시적인 실시예의 블록 선도인, 도 1에 도시된 바와 같이, 점 용접 검사 시스템(10)은 상부 시트(16)와 하부 시트(18)(모두 약 0.6 mm 내지 약 2.0 mm의 시트 두께를 가짐) 사이에 위치는 경계면(14)에 형성된 용접(12)의 품질을 평가하기 위해 작동된다. 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm의 공극이 상부 시트(16)와 하부 시트(18) 사이에 존재할 수 있다. 3차원 매트릭스 위상 어레이 탐침(100)은 용접 영역 위에 위치되는 상부 시트(16)의 구역에 배치된다. 초음파 요소(106)들의 곡선형 어레이는 복수의 초음파 빔(108)들을 용접 영역 내로 전달하고 상기 초음파 빔들의 관련된 반사 빔(110)들을 포착하기 위해 사용된다. 위상 어레이 유닛(200)은 복수의 신호 경로(202)들을 통하여 복수의 초음파 요소(102)들과 전기 소통된다. 위상 어레이 유닛(200)은 또한 유입하는 초음파 데이터를 프로세싱하고 용접 영역의 시각적 표현을 생성하는 컴퓨터(300)와 전기 소통된다. 탐침(100)은 탐침의 팁이 용접 영역 및 유체 충진 챔버(104) 또는 초음파 빔(108)들을 포커싱(focusing)하고 조종하기 위한 고체 음파 지연 재료의 외형에 일치하도록 허용하는 가요성 막(102)을 포함한다. 가요성 막(102)이 도 1에 도시된 바와 같이 곡선형 표면들에 일치할 수 있기 때문에, 그리고 변환기 요소(106)들의 어레이가 곡선형 기하학적 형상으로 구성되기 때문에(도 1 참조), 본 발명의 매트릭스 위상 어레이 시스템은 납작한 어레이 및 평평한 팁을 가지는 탐침을 이용하는 "2차원" 시스템과는 대조적으로, "3차원"으로서 지칭된다.
도 2a 내지 도 2c는 시스템(10)을 이용한 우수한 점 용접의 분석으로부터 나온 시험 결과의 예시들을 제공한다. 도 2a에서, 초음파 빔들은 용접(12) 및 경계면(14)을 완전히 관통하여 이동하고 반대로 하부 시트(18)의 후방측으로부터 탐침(100)으로 반사한다. 도 2b는 경계면(14)에 음파가 전달되어 반사될 때 각각의 음파의 방향 및 상대적 세기를 도식적으로 예시한다. 도 2b에서, 음파가 경계면(14)과 상호 작용할 때 더 얇은 선은 음향 에너지의 손실을 나타낸다. 원으로 둘러싸인 1, 2 및 3으로서 표시된 반사 신호들은 도 2c에서 제시된 A-스캔에서 도시된 정점들에 대응한다. 도 2c는 A-스캔 모드에서의 시험으로부터 나온 신호들을 제공하며, 여기에서 신호 1는 상부 시트(16)의 상부 표면으로부터의 반사를 나타내고, 신호 2는 제 1의 완전한 역반사를 나타내며, 신호 3은 제 2의 완전한 역반사를 나타낸다. 신호 2를 통하여 도시된 수평선은 표면 게이트를 나타내고 신호 2에 인접한 수평선은 경계면 게이트를 나타낸다(아래 설명 참조).
하부 시트(18)의 후방 측 및 용접 경계면(14)에서의 초음파 에너지 전달 및 반사를 기초로 하여, 시스템(10)은 모든 원하지 않는 반사 신호들을 여과하기 위해 두 개의 조정가능한 전자 게이트들을 사용한다. 게이트들을 통하여 지나가는 두 개의 신호들은 금속의 제 2 시트의 후방 측으로부터 반사된 신호 또는 두 개의 시트 금속들의 경계면으로부터 반사된 신호이다. 제 1 게이트는 "표면 게이트"로 칭하고 제 2 게이트는 "경계면 게이트"로 칭한다. 이러한 접근법은 감쇠 계수 보정 방법(attenuation coefficient compensation method)을 활용하는 현재 상업적으로 이용가능한 시스템들과 상이하다. 이 같은 시스템들에서, 경계면 및 표면들 모두로부터의 다수의 반사들은 감쇠 계수를 결정하고 점 용접의 용융된 부분의 미세 구조가 스턱 용접 상태에 비해 더 높은 감쇠 계수를 가지는 것으로 가정하여 점 용접 용융에 의해 유발된 음향 에너지 손실을 교정하기 위해 고려된다. 본원에 참조에 의해 포함되는 미국 특허 출원 제 12/186,047호에서 공개되고 청구된 바와 같이, 어레이(106) 내의 각각의 초음파 요소는 주 초음파 빔 및 보조 초음파 빔을 생성하며, 여기에서 주 초음파 빔은 고 이득(high gain)이고 보조 초음파 빔은 저 이득(low gain)이며, 여기에서 주 및 보조 초음파 빔들은 서로에 대해 아주 근접하여(within very close proximity)(즉, 밀리 초) 발사된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 채널(2)은 각각의 정점에서 채널(1)의 저 진폭 복제이다. 도시된 초기 시간 간격은 제 1 피크의 중앙으로부터 표면 게이트 시작 위치까지 측정된다. 표면 게이트 시작 위치는 채널(2)의 제 1 정점 플러스(plus) 초기 시간 간격으로 고정된다. 경계면 게이트 시작 위치는 표면 게이트 시작 위치로 고정된다. 시스템(10)은 게이트 A와 B 사이의 신호 진폭(높이)의 양(ration)을 측정하고 단지 게이트 시작 및 종료 위치들 사이의 신호들이 고려된다.
도 4a 내지 도 4c는 시스템(10)을 이용하여 저급한 점 용접을 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 예시들을 제공한다. 도 4a에서, 용접 너깃이 존재하지 않기 때문에, 초음파 빔은 경계면(14)을 완전히 통과하여 이동하지 않지만 오히려 경계면(14)으로부터 탐침(100)으로 역으로 반사된다. 도 4b는 음파가 경계면(14)에서 반사될 때 각각의 음파의 방향 및 상대적 세기를 도식적으로 예시한다. 도 4b에서, 음파가 경계면(14)과 상호 작용할 때 음향 에너지의 손실을 나타낸다. 원으로 둘러싸인 1, 2, 3, 4, 및 5로서 표시된 반사 신호들은 도 4c에 제시된 A-스캔 내에 도시된 정점들에 대응한다. 도 4c는 A-스캔 모드에서의 시험으로부터 나온 신호들을 제공하며, 여기에서 신호 1은 상부 시트(16)의 상부 표면으로부터의 제 1 반사를 나타내며, 신호 2는 경계면(14)으로부터의 제 1 반사를 나타내며, 신호 3은 경계면(14)으로부터의 제 2 반사를 나타내며, 신호 4는 경계면(14)으로부터의 제 3 반사를 나타내며, 신호 5는 경계면(14)으로부터의 제 4 반사를 나타낸다. 신호 3을 통하여 도시된 수평선은 표면 게이트를 나타내고 신호 4를 통하여 도시된 수평선은 경계면 게이트를 나타낸다(아래 설명 참조).
도 5a 및 도 5b는 시스템(10)을 이용한 스턱 용접을 분석하는 것으로부터 나온 시험 결과들의 예시들을 제공한다. 불완전하거나 저급하게 형성된 용접이 존재하기 때문에, 초음파 빔들은 경계면(14)을 단지 부분적으로만 통과하여 이동하는 반면, 중간 에코들이 경계면(14)의 에코들과 완전한 역 벽 반사 사이에 존재한다. 도 5a는 음파가 전달되어 경계면(14)에서 반사될 때 각각의 음파의 방향 및 상대적 세기를 도식적으로 예시한다. 도 5a에서, 더 얇은 선은 음파가 경계면(14)과 상호 작용할 때 음향 에너지의 손실을 나타낸다. 원으로 둘러싸인 1, 2, 3, 4, 및 5로서 표시된 반사 신호들을 도 5b에서 제시된 A-스캔에 도시된 정점들에 대응한다. 도 5b는 A-스캔 모드에서의 시험으로부터 나온 신호들을 제공하며, 여기에서 신호 2는 경계면(14)으로부터의 제 1 반사를 나타내고, 신호 3은 제 1의 완전한 역반사를 나타내며, 신호 4는 경계면(14)으로부터의 제 2 반사를 나타내고, 신호 5는 제 2의 완전한 역반사를 나타낸다. 신호 3을 통하여 도시된 수평선은 표면 게이트를 나타내고 신호 4를 통하여 도시된 수평선은 경계면 게이트를 나타낸다(아래 설명 참조).
도 6a 및 도 6b는 곡선형 3차원 탐침 요소(도 6a)의 기하학적 형상뿐만 아니라 서브-요소 그룹들에 대한 다양한 발사 시퀀스들(도 6b)을 예시한다. 음향 탐침(100)은 3차원 어레이 내에 배열되고 시험 하에서 음파 에너지가 점 용접 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 탐침이 점 용접의 외형 표면에 일치하는 것을 허용하는 조합 재료들을 가지는 복수의 초음파 변환기 요소(106)들을 포함한다. 여기 요소(excitation element)(상 어레이 유닛(200))는 어레이에 커플링되고 변환기 요소들의 서브세트 그룹은 점 용접을 향하여 초음파 빔을 보내기 위해 조합된다. 서브세트 그룹 내의 각각의 변환기 요소는 상이한 시간 간격들(상 지연)로 펄싱(pulsing)될 수 있으며 변환기 요소의 개별 파들이 빔의 포커싱 효과뿐만 아니라 조종 효과를 생성하도록 합쳐질 수 있다. 다른 3차원 배열들은 특정 적용 분야들에 대한 성능을 최적화하는 것이 가능하다. 요소들의 총 개수, 전체 크기, 및 작동 주파수는 전체 3차원 표면 외형 형상 및 이의 작동 특성들 및 매개변수를 결정한다.
3차원 탐침의 설계는 더 작은 탐침을 이용하여 더 큰 물리적 영역의 검사를 허용하며, 이에 의해 2차원 설계들에 비해 개선된 탐침 접근뿐만 아니라 더 넓은 적용 범위(coverage area)를 허용한다. 3차원 기하학적 배열은 특히 용접 조인트의 구역들에서 최적화된 정밀도 및 감도를 제공한다. 도 7a 내지 도 7d에 의해 예시된 바와 같이, 도 7a에 도시된 3차원 곡선형 탐침의 모서리 요소들의 결과는 도 7c에 도시된 2차원의 평평한 탐침과 비교할 때 빔 입사 각도(launch angle)가 통상적인 점 용접 만입부의 수직 방향으로 더 조종되는 것을 예시한다. 3차원(도 7b) 및 2차원(도 7d) 탐침들 모두에 대한 중앙 요소들에 대한 빔 품질에서의 현저한 변화는 없다. 2차원 매트릭스 위상 어레이 탐침이 갖는 검사 성능의 고 충실도의 손실 없이, 3차원 탐침은 탐침 자체의 기설된 곡률로부터 적용 범위를 연장한다. 따라서 본 발명은 개선된 접근을 허용하는 더 작은 탐침 직경을 이용하여 더 큰 용접 영역의 검사를 허용한다. 또한 여전히 전체 용접 영역을 커버하면서 전체 시스템 비용을 감소시키는 더 적은 개수의 요소들의 이용을 허용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에서, 컴퓨터형 제어기는 음향 탐침(10) 및 초음파 신호들의 전달을 지향하고 이로부터 응답들을 합하여 수용하기 위한 변환기 요소(106)들에 커플링된다. 도 8(하나의 가능한 작동 시스템의 기능을 예시하는 흐름도를 제공하는)을 일반적으로 참조하면, 제어기는 (i) 음향 신호들을 생성하여 습득하고; (ii) 각각의 요소 그룹화를 위해 점 용접의 표면을 검출하고; (iii) 표면 프로파일 및 탐침 배향에서의 차이들을 보상하기 위해 기구 게이팅(instrument gating)을 조정하고; (iv) 본딩되지 않은 영역들 및 우수한 본드를 구비한 영역들로부터 반사된 응답들 사이의 신호 진폭 비율을 측정하고; (v) 점 용접과 관련된 본딩되지 않은 영역들로부터 반사되는 것으로서 응답들의 서브세트를 확인하고 이 응답들의 나머지로부터 서브세트를 분리하며; (vi) 비-박리 치수들의 크기를 측정하고; 및 (vii) 점 용접의 비-박리의 2차원 칼라 코딩 이미지를 제공하기 위해(도 9 참조) 작동된다.
요약하면, 본 발명의 구별되는 장점들 중 일부는 (i) 3차원 매트릭스 탐침 요소; (ii) 빔 포커싱 및 조종 성능을 형성하도록 서브-요소 그룹을 구비한 상 지연; (iii) 일치가능한 막(감쇠 교정에 대한 요구가 없다); 및 (iv) 원하지 않는 반사들을 여과하기 위해 전자 게이트들을 활용하는 이미지 프로세스를 포함한다. 본 발명이 본원의 예시적인 실시예들의 설명에 의해 예시되었지만, 그리고 이 실시예들이 확실히 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위의 범주를 이 같은 상세로 한정하거나 임의의 방식으로 제한하는 것은 출원인의 의도가 아니다. 부가 장점들 및 수정들은 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 본 발명의 더 넓은 양태들에서 본 발명은 특정 상세들, 대표적인 장치 및 방법들 및/또는 도시되고 설명된 예시적인 예들 중 어느 것으로도 제한되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 본 발명의 개념의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않으면 이 같은 상세들로부터 시작될 수 있다.

Claims (17)

  1. 점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템으로서,
    (a) 음향 탐침으로서, (i) 상기 음향 탐침의 일 단부에 곡선형 어레이로 배열된 복수의 초음파 변환기 요소들로서, 초음파 신호들의 생성 및 초음파 신호들의 반사들의 수용 모두를 위해 작동되는, 초음파 변환기 요소; 및 (ii) 시험 상태들 하에서 음파 에너지를 상기 점 용접 내로 직접 전달할 수 있는 동안 상기 탐침이 상기 점 용접의 외형 표면에 일치하는 것을 허용하기 위한 조합 재료(combination of material)들을 더 포함하는, 음향 탐침;
    (b) 변환기 요소들을 초음파로 여기하기(ultrasonically exciting) 위해 변환기 요소들의 어레이와 전기 소통되는 위상 어레이 여기 유닛; 및
    (c) 상기 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고, 상기 초음파 변환기들로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고, 그리고 상기 점 용접의 무결성(integrity)의 특성을 나타내는 2차원, 칼라 코딩 이미지(color coded image)를 생성하기 위해 상기 위상 어레이 여기 유닛과 전기 소통되는 제어기를 포함하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    저항 용접에 의해 서로 연결된 재료의 두 개 이상의 시트들을 더 포함하며, 상기 저항 용접이 하나 이상의 점 용접을 생성하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조합 재료들은 탐침의 단부 및 유체 충진 챔버 상에 장착되는 가요성 막 또는 상기 막과 상기 어레이 사이에 배치되는 고체 음파 지연 재료를 더 포함하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기 요소들은 별개의 서브그룹(subgroup)들 내로 추가로 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들과 무관하게 그리고 상이한 시간 간격들로 작동될 수 있는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    서브그룹 내의 각각의 요소에 대해 상이한 시간 간격들 및 다른 서브그룹들과 무관하게 각각의 서브그룹을 작동시킴으로써 신호 포커싱 및 조종 성능을 제공하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는 각각의 요소 서브그룹에 대한 점 용접의 표면을 검출하고; 표면 프로파일 및 탐침 배향에서의 차이들을 보상하기 위해 기구 게이팅(instrument gating)을 조정하고; 본딩되지 않은 영역들 및 우수한 본딩을 구비한 영역들로부터 반사된 응답들 사이의 신호 진폭 비율을 측정하고; 상기 점 용접과 관련된 본딩되지 않은 영역들로부터 반사되는 것으로서 응답들의 서브세트를 인식하고 상기 응답들의 나머지로부터 서브세트를 분리하고; 및 비-박리 치수들의 크기를 측정하도록 추가로 작동되는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 컴퓨터인,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 시스템.
  8. 점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 장치로서,
    (a) 음향 탐침으로서, 상기 음향 탐침이 (i) 상기 음향 탐침의 일 단부에 곡선형 어레이로 배열되는 복수의 초음파 변환기 요소들로서, 초음파 신호들의 생성 및 초음파 신호들의 반사들의 수용 모두를 위해 가동되는, 변환기 요소들; 및 (ii) 시험 상태들 하에서 음파 에너지가 상기 점 용접 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 상기 탐침이 상기 점 용접의 외형 표면에 일치하는 것을 허용하기 위한 조합 재료들로서, 유체 충진 재료 및 상기 탐침의 단부 상에 장착된 가요성 막 또는 상기 막과 상기 어레이 사이에 배치되는 고체 음파 지연 재료를 더 포함하는, 조합 재료들을 더 포함하는, 음향 탐침;
    (b) 상기 변환기 요소들을 초음파로 여기하기 위해 상기 변환기 요소들의 어레이와 전기 소통되는 위상 어레이 여기 유닛; 및
    (c) 상기 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고, 상기 초음파 변환기로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고, 및 상기 스폿 용접의 무결성의 특성을 나타내는 2차원 칼라 코딩 이미지를 생성하기 위해 위상 어레이 여기 유닛과 전기 소통하는 컴퓨터형 제어기를 포함하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    저항 용접에 의해 서로 연결되는 재료의 두 개 이상의 시트들을 더 포함하며, 상기 저항 용접은 하나 이상의 점 용접을 생성하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 변환기 요소들은 별개의 서브그룹들 내로 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들과 무관하게 그리고 상이한 시간 간격들로 작동될 수 있는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    다른 서브그룹들과 무관하게 그리고 서브그룹에서 각각의 요소에 대해 상이한 시간 간격들로 각각의 서브그룹을 작동시킴으로써 신호 포커싱 및 조종 성능을 제공하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기는 각각의 요소 서브그룹에 대한 점 용접의 표면을 검출하고; 탐침 배향에서의 차이들 및 표면 프로파일을 보상하도록 기구 게이팅을 조정하고; 본딩되지 않은 영역들 및 우수한 본딩을 구비한 영역들로부터 반사된 응답들 사이의 신호 진폭 비율을 측정하고: 상기 점 용접과 관련된 본딩되지 않은 영역들로부터 반사된 것으로서 응답들의 서브세트를 인식하고 상기 응답들의 나머지로부터 상기 서브세트를 분리하고; 및 상기 비-박리 치수들의 크기를 측정하도록 추가로 작동되는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 장치.
  13. 점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템으로서,
    (a) 음향 탐침으로서, (i) 상기 음향 탐침의 일 단부에 곡선형 어레이로 배열된 복수의 초음파 변환기 요소들로서, 상기 변환기 요소들은 초음파 신호들의 생성 및 초음파 신호들의 반사들의 수용 모두를 위해 작동되며, 상기 변환기 요소들은 별도의 서브그룹들로 추가로 배열되고, 각각의 서브그룹이 다른 서브그룹과 무관하게 작동될 수 있는, 복수의 초음파 변환기 요소; 및 (ii) 시험 상태들 하에서 음파 에너지가 상기 점 용접 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 상기 탐침이 상기 점 용접의 외형 표면에 일치하는 것을 허용하기 위한 조합 재료들로서, 유체 충진 재료 및 상기 탐침의 단부 상에 장착된 가요성 막 또는 상기 막과 상기 어레이 사이에 배치되는 고체 음파 지연 재료를 더 포함하는, 조합 재료들을 더 포함하는, 음향 탐침;
    (b) 상기 변환기 요소들을 초음파로 여기하기 위한 초음파 요소들의 어레이와 전기 소통되는 위상 어레이 여기 유닛; 및
    (c) 상기 위상 어레이 유닛의 작동을 제어하고, 상기 초음파 변환기들로부터 정보를 수집하여 프로세싱하고, 그리고 상기 점 용접의 무결성의 특성을 나타내는 2차원 칼라 코딩 이미지를 생성하기 위해 상기 위상 어레이 여기 유닛과 전기 소통되는 컴퓨터형 제어기를 포함하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    저항 용접에 의해 서로 연결되는 재료의 두 개 이상의 시트들을 더 포함하며, 상기 저항 용접이 하나 이상의 점 용접을 생성하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 변환기 요소들은 별개의 서브그룹(subgroup)들 내로 추가로 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들과 무관하게 그리고 상이한 시간 간격들로 작동될 수 있는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    다른 서브그룹과 무관하게 그리고 서브그룹에서 각각의 요소에 대한 상이한 시간 간격들로 각각의 서브그룹을 작동시킴으로써 신호 포커싱 및 조종 성능을 제공하는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어기는 각각의 요소 서브그룹에 대한 점 용접의 표면을 검출하고; 탐침 배향에서의 차이들 및 표면 프로파일을 보상하도록 기구 게이팅을 조정하고; 본딩되지 않은 영역들 및 우수한 본딩을 구비한 영역들로부터 반사된 응답들 사이의 신호 진폭 비율을 측정하고: 상기 점 용접과 관련된 본딩되지 않은 영역들로부터 반사된 것으로서 응답들의 서브세트를 인식하고 상기 응답들의 나머지로부터 상기 서브세트를 분리하고; 및 상기 비-박리 치수들의 크기를 측정하도록 추가로 작동되는,
    점 용접의 특성을 나타내기 위한 비-파괴 시험 시스템.
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