KR20160122165A - 휴대형 매트릭스 위상 배열 어레이 스폿 용접부 감시 시스템 - Google Patents

휴대형 매트릭스 위상 배열 어레이 스폿 용접부 감시 시스템 Download PDF

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KR20160122165A
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KR
South Korea
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probe
phased array
ultrasonic
array
welds
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Application number
KR1020167022588A
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English (en)
Inventor
정 케이. 나
신 티. 글리슨
Original Assignee
에디슨 웰딩 인스티튜트, 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브(matrix phased array probe) 및 본체를 포함하는 스폿 용접부들(spot welds)을 비파괴식으로 특징화하기 위한 휴대형 시스템이 개시되고, 여기서 본체는 핸드헬드(hand-held)가 되도록 설계되고, 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱(outer casing); 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력; 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로; 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된(color coded) 초음파 C-스캔 이미지들(scan images)을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘(imaging algorithm)을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함하는 터치스크린 컴퓨터; 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터를 더 포함한다.

Description

휴대형 매트릭스 위상 배열 어레이 스폿 용접부 감시 시스템 {PORTABLE MATRIX PHASED ARRAY SPOT-WELD INSPECTION SYSTEM}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 특허 출원은 2011년 5월 10일 출원되고 발명의 명칭이 "3차원 매트릭스 위상 배열 어레이 스폿 용접부 검사 시스템(Three-Dimensional Matrix Phased Array Spot Weld Inspection System)"인 미국 가특허 출원 일련번호 제 61/484,312호의 이익을 청구하는 2012년 5월 10일 출원되고 발명의 명칭이 "3-D 매트릭스 위상 배열 어레이 스폿 용접부 검사 시스템(Three-Dimensional Matrix Phased Array Spot Weld Inspection System)"인 미국 특허 출원 일련번호 제 13/468,502호의 일부 계속 출원이고, 이들 미국 출원들의 개시내용들은 그대로 본 명세서에 참조로서 합체되어 있고 모든 목적들로 제시된 미국 특허 출원의 부분을 구성한다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 산업적 제조 프로세스들의 성능을 평가하는데 사용을 위한 검사 시스템들에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 저항 스폿 용접부들 및 다른 용접 조인트들의 품질을 평가하기 위한 비파괴 검사 시스템에 관한 것이다.
시트 금속 접합(joining) 프로세스들은 항공우주 및 자동차 산업들을 포함하여 다수의 산업들에 광범위하게 사용된다. 이들 프로세스들 중에서도, 저항 스폿 용접은 높은 프로세스 속도를 갖고 대량 생산 라인들에 용이하게 채택되기 때문에, 금속 시트들을 접합하는데 사용된 매우 통상의 절차이다. 시임 용접(seam welding), 용접 본딩(weld bonding), 접착제 접합(adhesive joining), 납땜(soldering), 및 브레이징(brazing)이 또한 용인되어 왔다. 이러한 접합 프로세스들의 품질 제어가 제조업자들에게 중요한 과제로서 인식되어 왔다. 용접 조인트들의 품질은 접합 프로세스 자체에 의해 그리고 조인트의 디자인에 의해 영향을 받는다. 야금학적 반응들(metallurgic reactions), 열적 거동들, 화학 조성, 모금속(base metal)의 시작 조건, 용접 및 본딩 조건들, 및 프로세스 중에 사용된 용접 및 본딩 장비를 포함하는 다수의 인자들이 고려된다. 더욱이, 이들 인자들 사이의 복잡한 관계는 용접 조인트의 품질을 제어하고 비파괴 방식으로 용접 조인트를 검사하는 것을 어렵게 한다.
음향 방법들(acoustic methods)이 다양한 검사 용례들을 위한 통상적으로 사용된 비파괴 시험 방법들이다. 다른 비파괴 시험 방법들과는 달리, 음향 방법들은 표면 및 내부 정보의 모두를 제공한다. 더욱이, 음향 방법들은 시편들 내로의 더 깊은 침투 및 용접 조인트 내의 작은 불연속부들(discontinuities)에 대한 더 높은 감도를 허용한다. 그러나, 음향 방법들은 제한들을 갖는다. 가장 중요한 제한들은 시험 디바이스를 사용하여 음향 데이터를 분석하기 위한 숙련된 조작자의 요구, 뿐만 아니라 키싱 본드(kissing bond)와 같은 고착된 또는 냉간 용접부 또는 부적절한 본드를 식별하는 매우 주관적인(very-subjective) 성질을 포함한다. 이에 따라, 초음파 비파괴 평가(ultrasonic nondestructive evaluation: NDE)의 분야는 숙련된 조작자의 연루 및 시험 데이터의 주관적인 해석을 배제하는 방식으로 열악한 품질 조인트들을 식별하기 위한 신뢰적인 프로세스 또는 기술을 필요로 한다.
이하에는 본 발명의 특정 예시적인 실시예들의 개요를 제공한다. 이 개요는 광범위한 개관은 아니고, 본 발명의 주요 또는 필수 양태들 또는 요소들을 식별하거나 그 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 스폿 용접부를 비파괴식으로 특징화하기 위한 제 1 휴대형 시스템이 제공된다. 이 시스템은 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브 및 본체를 포함한다. 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브는 프로브의 일 단부에서 만곡된 어레이로 배열되고 초음파 신호들을 발생하고 그 신호들의 반사들을 수신하도록 작동하는 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들(transducer elements); 및 음향 에너지(sound energy)가 시험 조건들 하에서 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 프로브가 스폿 용접부의 윤곽 형성된(contoured) 표면에 합치하는 것을 허용하기 위한 재료들의 조합을 더 포함하고, 재료들의 조합은 프로브의 단부 상에 장착된 가요성 멤브레인(membrane) 및 멤브레인과 어레이 사이에 배치된 유체 충전된 챔버 또는 고체 음성 지연 재료(solid sound delay material)를 더 포함한다. 본체는 핸드헬드(hand-held)가 되도록 설계되고, 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱(outer casing); 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력; 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로; 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된(color coded) 초음파 C-스캔 이미지들(scan images)을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘(imaging algorithm)을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함하는 터치스크린 컴퓨터; 및 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 스폿 용접부를 비파괴식으로 특징화하기 위한 제 2 휴대형 시스템이 제공된다. 이 시스템은 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브 및 본체를 또한 포함한다. 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브는 프로브의 일 단부에서 만곡된 어레이로 배열되고 초음파 신호들을 발생하고 그 신호들의 반사들을 수신하도록 작동하는 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들; 및 음향 에너지가 시험 조건들 하에서 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 프로브가 스폿 용접부의 윤곽 형성된 표면에 합치하는 것을 허용하기 위한 재료들의 조합을 더 포함하고, 재료들의 조합은 프로브의 단부 상에 장착된 가요성 멤브레인 및 멤브레인과 어레이 사이에 배치된 유체 충전된 챔버 또는 고체 음성 지연 재료를 더 포함한다. 본체는 핸드헬드가 되도록 설계되고, 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 보관하도록 구성되어 있는 핸들을 갖는 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱; 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력; 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로; 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함하는 터치스크린 컴퓨터; 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터; 및 적어도 하나의 재충전식 배터리를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 스폿 용접부를 비파괴식으로 특징화하기 위한 제 3 휴대형 시스템이 제공된다. 이 시스템은 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브 및 본체를 또한 포함한다. 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브는 프로브의 일 단부에서 만곡된 어레이로 배열된 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들 ― 트랜스듀서 요소들은 별개의 서브그룹들로 또한 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 활성화될 수도 있고, 트랜스듀서 요소들은 초음파 신호들을 발생하고 그 신호들의 반사들을 수신하도록 작동함 ―; 및 음향 에너지가 시험 조건들 하에서 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 프로브가 스폿 용접부의 윤곽 형성된 표면에 합치하는 것을 허용하기 위한 재료들의 조합 ― 재료들의 조합은 프로브의 단부 상에 장착된 가요성 멤브레인 및 멤브레인과 어레이 사이에 배치된 유체 충전된 챔버 또는 고체 음성 지연 재료를 더 포함함 ― 을 더 포함한다. 본체는 핸드헬드가 되도록 설계되고, 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 보관하도록 구성되어 있는 핸들, 및 본체를 지지하기 위한 적어도 하나의 아암 레스트(arm rest)를 갖는 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱; 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력; 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로; 터치스크린 컴퓨터 ― 터치스크린 컴퓨터는 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함하고, C-스캔 이미지들은 각각의 특징화된 용접부에 대한 융착된 영역 및 용접 너깃(weld nugget)의 평균 직경을 더 포함함 ―; 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터; 및 적어도 하나의 재충전식 배터리를 더 포함한다.
본 발명의 부가의 특징들 및 양태들은 예시적인 실시예들의 이하의 상세한 설명을 숙독하고 이해할 때 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다. 당 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예들이 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능하다. 이에 따라, 도면들 및 연계된 설명들은 본질적으로 한정이 아니라 예시적인 것으로서 간주되어야 한다.
명세서에 합체되어 그 부분을 형성하는 첨부 도면들은 본 발명의 하나 또는 그 초과의 예시적인 실시예들을 개략적으로 도시하고 있고, 상기에 제공된 일반적인 설명 및 이하에 제공된 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 하고, 여기서:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 3차원 매트릭스 위상 배열 어레이 스폿 용접부 검사 시스템의 주요 구성요소들을 도시하고 있는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 시스템을 사용하여 양호한 스폿 용접부를 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 도면들을 제공하고 있다.
도 3은 도 1의 용접부 검사 시스템에 포함된 전자 게이트들의 A-스캔 모드에서 시각적 표현을 제공하고 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 시스템을 사용하는 열악한 스폿 용접부를 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 도면들을 제공하고 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 시스템을 사용하여 고착된 용접부를 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 도면들을 제공하고 있다.
도 6a 및 도 6b는 서브-요소 그룹들을 위한 3-D 곡선형 프로브 요소의 형상 뿐만 아니라 다양한 점화 시퀀스들(firing sequences)을 도시하고 있다.
도 7a 내지 도 7d는 3-D 곡선형 프로브 디자인 대 2-D 편평형 프로브 디자인의 이익들의 모델링 검증을 제공하고 있다.
도 8은 본 발명의 스폿 용접부 검사 프로세스의 예시적인 실시예를 위한 데이터 흐름도를 제공하고 있다.
도 9는 다양한 스폿 용접부 조건들에 대한 촬상 결과들의 예들을 제공하고 있다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 스폿 용접부들을 비파괴식으로 특징화하기 위한 휴대형 시스템의 정면 사시도이다.
도 11은 도 10의 시스템의 기본 기능성의 블록도이다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 이제 도면들을 참조하여 설명된다. 도면 부호들은 다양한 요소들 및 구조체들을 나타내도록 상세한 설명 전체에 걸쳐 사용된다. 다른 경우들에서, 주지된 구조체들 및 디바이스들은 설명을 간단화하기 위해 블록도 형태로 도시되어 있다. 이하의 상세한 설명은 예시의 목적들로 다수의 상세들을 포함하지만, 당 기술 분야의 숙련자는 이하의 상세들의 다수의 변형들 및 변경들이 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이에 따라, 본 발명의 이하의 실시예들은 청구된 발명에 대한 임의의 보편성의 손실 없이 그리고 청구된 발명에 제한들을 부여하지 않고 설명된다.
본 출원은 모든 목적으로 그대로 미국 특허 출원 제 12/186,047호를 본 명세서에 참조로서 합체하고 있다. 본 명세서에 사용된 명명법과 관련하여, 본 발명은 제 1 및 제 2 작업편(workpiece) 또는 상부 및 하부 금속 시트들 사이의 저항 스폿 용접부의 완전성을 분석하기 위해 유용한 것으로서 설명된다. 그러나, 본 발명은 작업편들의 재료, 구성, 또는 수, 뿐만 아니라 접착제 본드들에 무관하게 모든 용접부들에 적용 가능하다. 따라서, 본 명세서가 일반적으로 고착된 용접부를 칭하지만, 당 기술 분야의 숙련자는 본 발명이 종종 접착제들의 분야에서 키싱 본드들 또는 취약한 본드들이라 칭하는 조인트들의 고착된 부분들을 검출하는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 금속들 및 비금속들 등에 또한 적용 가능하고, 융접(fusion welding)에 한정되지 않지만, 고상 용접부들(solid state welds), 브레이징된 및 납땜된 조인트들을 검사하는데 또한 사용될 수도 있다. 따라서, 본 방법은 스폿 용접부들의 자동화된 분석에 특정 용례를 갖지만, 이는 또한 연속적인 본드들을 평가하는데 사용될 수도 있다.
고착된 용접부 또는 고착된 조인트는 작업편들(예를 들어, 시트 금속의 단편들)이 용접 계면에서 국부화된 융착에 의해 함께 유지되지만, 어떠한 용접 버튼(weld button) 또는 용접 너깃도 용접 프로세스의 결과로서 형성되어 있지 않을 때 발생한다. 고착된 용접부는 통상적으로 너깃 성장을 생성하기 위해 불충분한 용접 계면에서의 열로부터 발생한다. 적절하게 형성된 용접 너깃의 결여시에, 융착은 금속의 시트들 사이의 특정 접촉점들에서 발생할 수도 있다. 코팅된 재료들에 의해, 코팅들은 용융하거나 동결할 수 있어, 부분들을 함께 효과적으로 납땜한다. 최종적인 본드들은 종종 경량 부하들 하에서 작업편들을 함께 유지하는데 충분히 강하지만, 적당한 힘이 이들 작업편들을 잡아당겨 이격할 것이다. 초음파 시험이 용접부 완전성을 분석하는데 사용되면, 어떠한 융착도 발생하지 않으면, 투과된 초음파 빔들(즉, 음파들)이 시트들 사이의 계면을 통해 통과하지 않을 것이다. 발생된 바와 같은 고착된 용접부가 융착을 야기하지만, 어떠한 용접 너깃도 야기하지 않으면, 투과된 초음파 빔들은 시트 계면을 통해 부분적으로 통과할 것이다. 용접 너깃이 적절하게 형성되어 있으면, 투과된 초음파 빔들은 시트 계면을 통해 완전히 통과할 것이다.
위상 배열 어레이 초음파 시험(Phased Array Ultrasonic Testing: PAUT)이 결함 검출, 사이징(sizing), 및 촬상(imaging)을 위해 사용될 수도 있다. PAUT 기술은 음향 프로브 특성들을 전자식으로 수정하는 기능이다. 프로브 수정들이 어레이 프로브의 개별 요소들에 송신되고 (펄스) 그로부터 수신된 (에코) 신호들에 시간 시프트들을 도입함으로써 수행된다. 비파괴식 평가를 위해 초음파 데이터를 수집하고 표시하기 위한 3 개의 통상의 포맷들은 A-스캔, B-스캔 및 C-스캔 표시(scan presentation)이다. 각각의 표시 모드는 검사되는 재료의 영역을 시각화하고 평가하기 위한 수단을 제공한다. A-스캔은 통상의 초음파 결함 검출기들 및 파형 표시 두께 게이지들에 의해 통상적으로 제공되는 바와 같이, 초음파 신호의 시간 및 진폭을 표시하는 간단한 RF 파형 표시이다. A-스캔은 진폭 변조 스캔이고, 펄스 에코 초음파들에 일반적으로 인가된 바와 같이, 수평 및 수직 스위프들(sweeps)은 시간 또는 거리 및 진폭 또는 크기에 각각 비례한다. 따라서, 음향 인터페이스의 위치 및 크기는 트랜스듀서 아래의 깊이에 대해 지시된다. 수신된 에너지의 상대량은 수직축을 따라 플롯되어 있고, 경과 시간(재료 내의 음향 에너지 진행 시간에 관련될 수도 있음)은 수평축을 따라 표시되어 있다. A-스캔 디스플레이를 이용하는 대부분의 기구들은 신호가 완전 정류된 RF 신호로서 또는 RF 신호의 포지티브 또는 네거티브 반부로서 그 고유 무선 주파수 형태(RF)로 표시되게 한다. A-스캔 표시에서, 상대 불연속부 크기가 미지의 반사기로부터 얻어진 신호 진폭을 공지의 반사기로부터의 것에 비교함으로써 추정될 수 있다. 반사기 깊이는 수평 스위프 상의 신호의 위치에 의해 결정될 수 있다. 위상 배열 어레이 시스템으로부터의 C-스캔은 빔이 초점 법칙 시퀀스에 따라 다른 축을 따라 전자적으로 스캔하는 동안 초음파 프로브가 하나의 축을 따라 물리적으로 이동되는 것을 수반한다. 신호 진폭 또는 깊이 데이터는 관심 게이트 구역들 내에 수집된다. 데이터는 프로그램된 빔 개구수(beam aperture)를 사용하여, 각각의 초점 법칙 경과에 따라 플롯된다. 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 이용하여, 빔 스티어링(beam steering)이 다수의 방향들에서 성취될 수 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예는 저항 스폿 용접부들의 품질을 평가하기 위한 비파괴 검사 시스템을 제공한다. 예시적인 실시예의 블록도인 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 스폿 용접부 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 위치된 계면(14)에 형성된 용접부(12)의 품질을 평가하도록 작동한다. 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm의 공기 간극이 상부 시트(16)와 하부 시트(18) 사이에 존재할 수도 있다. 3차원 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브(100)가 용접된 영역 위에 위치된 상부 시트(16)의 구역 상에 배치된다. 초음파 요소들(106)의 만곡된 어레이가 용접된 영역 내로 복수의 초음파 빔들(108)을 투과하고 이들 초음파 빔들의 연계된 반사들(110)을 캡처하는데 사용된다. 위상 배열 어레이 유닛(200)은 복수의 신호 경로들(202)을 통해 복수의 초음파 요소들(102)과 전기 통신한다. 위상 배열 어레이 유닛(200)은 착신 초음파 데이터를 처리하고 용접된 영역의 시각적 표현을 발생하는 컴퓨터(300)와 또한 전기 통신한다. 프로브(100)는 프로브의 팁이 초음파 빔들(108)을 포커싱하고 스티어링하기 위해 용접된 영역의 윤곽 및 유체 충전된 챔버(104) 또는 고체 음성 지연 재료에 합치하게 하는 가요성 멤브레인(102)을 포함한다. 가요성 멤브레인(102)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 만곡된 표면들에 합치하는 것이 가능하기 때문에 그리고 트랜스듀서 요소들(106)의 어레이는 만곡된 기하학 구조(도 1 참조)로 구성되기 때문에, 본 발명의 매트릭스 위상 배열 어레이 시스템은 평탄한 어레이 및 편평한 팁을 갖는 프로브를 사용하는 "2차원" 시스템에 반대로 "3차원"이라 칭한다.
도 2a 내지 도 2c는 시스템(10)을 사용하여 양호한 스폿 용접부를 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 도면들을 제공하고 있다. 도 2a에서, 초음파 빔들은 용접부(12)와 계면(14)을 통해 완전히 진행하고, 하부 시트(18)의 이면으로부터 프로브(100)에 재반사된다. 도 2b는 계면(14)을 투과하고 반사함에 따라 각각의 음파의 방향 및 상대 강도를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2b에서, 더 얇은 라인은 음파가 계면(14)과 상호작용함에 따라 음향 에너지의 손실을 표현하고 있다. 원문자 1, 2 및 3으로서 나타낸 반사된 신호들은 도 2c에 제시되어 있는 A-스캔에 도시되어 있는 피크들에 대응한다. 도 2c는 A-스캔 모드에서 시험하는 것으로부터 유도된 신호들을 제공하고 있고, 여기서 신호 1은 상부 시트(16)의 상부면으로부터의 반사를 표현하고 있고, 신호 2는 제 1 전역반사(full back reflection)를 표현하고 있고, 신호 3은 제 2 전역반사를 표현하고 있다. 신호 2를 통해 작도된 수평 라인은 표면 게이트를 표현하고 있고, 신호 2에 인접한 수평 라인은 계면 게이트를 표현하고 있다(이하의 설명 참조).
용접 계면(14) 및 하부 시트(18)의 이면에서 초음파 에너지 투과 및 반사에 기초하여, 시스템(10)은 모든 원하지 않는 반사된 신호들을 필터링하기 위해 2 개의 조정 가능한 전자 게이트들을 사용한다. 게이트들을 통해 통과하는 2 개의 신호들은 제 2 금속의 시트의 이면으로부터의 반사된 신호이거나 또는 2 개의 시트 금속들의 계면으로부터의 반사된 신호이다. 제 1 게이트는 "표면 게이트"라 칭하고, 제 2 게이트는 "계면 게이트"라 칭한다. 이 접근법은 감쇠 계수 보상법(attenuation coefficient compensation method)을 이용하는 현재 상업적으로 입수가능한 시스템들과는 상이하다. 이러한 시스템들에서, 스폿 용접부의 융착된 섹션의 마이크로구조가 고착된 용접부 조건에 비교하여 더 높은 감쇠 계수를 갖는 것으로 가정하여, 모든 표면들 및 계면으로부터의 다수의 반사들이 감쇠 계수들을 결정하기 위해 고려되고, 스폿 용접 융착에 의해 발생된 음향 에너지 손실을 위한 보정을 행한다. 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 출원 제 12/186,047호에 개시되고 청구되어 있는 바와 같이, 어레이(106) 내의 각각의 초음파 요소는 1차 초음파 빔 및 2차 초음파 빔을 발생시키는데, 여기서 1차 초음파 빔은 고이득이고 2차 초음파 빔은 저이득이고, 1차 및 2차 초음파 빔들은 서로 매우 밀접한 근접도 내에서(즉, 밀리초) 점화된다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 채널 2는 각각의 피크 내의 채널 1의 저진폭 복제본(duplicate)이다. 도시되어 있는 초기 시간 간격은 제 1 피크의 중심으로부터 표면 게이트 시작 위치까지 측정된다. 표면 게이트 시작 위치는 채널 2의 제 1 피크에 초기 시간 간격을 더한 값으로 고정된다. 계면 게이트 시작 위치는 표면 게이트 시작 위치에 고정된다. 시스템(10)은 게이트(A, B) 사이의 신호 진폭(높이)의 비를 측정하고, 단지 게이트 시작 및 종료 위치들 사이의 신호들만이 고려된다.
도 4a 내지 도 4c는 시스템(10)을 사용하여 열악한 스폿 용접부를 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 도면들을 제공하고 있다. 도 4a에서, 어떠한 용접 너깃도 존재하지 않기 때문에, 초음파 빔들은 계면(14)을 통해 완전히 진행하지 않고, 오히려 계면(14)으로부터 프로브(100)에 재반사된다. 도 4b는 계면(14)에서 반사함에 따라 각각의 음파의 방향 및 상대 강도를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4b에서, 더 얇은 라인은 음파가 계면(14)과 상호작용함에 따라 음향 에너지의 손실을 표현하고 있다. 원문자 1, 2, 3, 4 및 5로서 나타낸 반사된 신호들은 도 4c에 제시되어 있는 A-스캔에 도시되어 있는 피크들에 대응한다. 도 4c는 A-스캔 모드에서 시험하는 것으로부터 유도된 신호들을 제공하고 있고, 여기서 신호 1은 상부 시트(16)의 상부면으로부터의 제 1 반사를 표현하고 있고, 신호 2는 계면(14)으로부터의 제 1 반사를 표현하고 있고, 신호 3은 계면(14)으로부터의 제 2 반사를 표현하고 있고, 신호 4는 계면(14)으로부터의 제 3 반사를 표현하고 있고, 신호 5는 계면(14)으로부터의 제 4 반사를 표현하고 있다. 신호 3을 통해 작도된 수평 라인은 표면 게이트를 표현하고 있고, 신호 4를 통해 작도된 수평 라인은 계면 게이트를 표현하고 있다(상기 설명 참조).
도 5a 및 도 5b는 시스템(10)을 사용하여 고착된 용접부를 분석하는 것으로부터 유도된 시험 결과들의 도면들을 제공하고 있다. 불완전한 또는 열악하게 형성된 용접부가 존재하기 때문에, 초음파 빔들은 계면(14)을 통해 단지 부분적으로만 진행하고, 반면에 중간 에코들이 계면(14)의 에코들과 전역 벽반사 사이에 발생한다. 도 5a는 계면(14)을 투과하고 반사함에 따라 각각의 음파의 방향 및 상대 강도를 개략적으로 도시하고 있다. 도 5a에서, 더 얇은 라인은 음파가 계면(14)과 상호작용함에 따라 음향 에너지의 손실을 표현하고 있다. 원문자 1, 2, 3, 4 및 5로서 나타낸 반사된 신호들은 도 5b에 제시되어 있는 A-스캔에 도시되어 있는 피크들에 대응한다. 도 5b는 A-스캔 모드에서 시험하는 것으로부터 유도된 신호들을 제공하고 있고, 여기서 신호 2는 계면(14)으로부터의 제 1 반사를 표현하고 있고, 신호 3은 제 1 전역반사를 표현하고 있고, 신호 4는 계면(14)으로부터의 제 2 반사를 표현하고 있고, 신호 5는 제 2 전역반사를 표현하고 있다. 신호 3을 통해 작도된 수평 라인은 표면 게이트를 표현하고 있고, 신호 4를 통해 작도된 수평 라인은 계면 게이트를 표현하고 있다(상기 설명 참조).
도 6a 및 도 6b는 만곡된 3차원 프로브 요소의 기하학 구조(도 6a) 뿐만 아니라 서브-요소 그룹들을 위한 다양한 점화 시퀀스들(도 6b)을 도시하고 있다. 음향 프로브(100)는 3차원 어레이로 배열되고 음향 에너지가 시험 하의 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 스폿 용접부의 윤곽 형성된 표면에 프로브가 합치하게 하기 위한 재료들의 조합을 갖는 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들(106)을 포함한다. 여기 요소[위상 배열 어레이 유닛(200)]가 어레이에 결합되고, 트랜스듀서 요소들의 서브세트 그룹이 스폿 용접부를 향해 초음파 빔을 송신하도록 조합된다. 서브세트 그룹 내의 각각의 트랜스듀서 요소는 상이한 시간 간격들에 펄스화될 수도 있고(위상 지연), 이들의 개별 파들은 빔의 포커싱 효과 뿐만 아니라 스티어링 효과를 생성하도록 합산된다. 다른 3차원 배열들이 특정 용례들을 위한 성능을 최적화하기 위해 가능하다. 요소들의 총 수, 전체 치수, 및 작동 주파수는 전체 3차원 표면 윤곽 형상 및 그 작동 특성들 및 파라미터들을 결정한다.
3차원 프로브의 디자인은 더 소형 프로브에 의한 더 큰 물리적 영역의 검사를 허용하여, 이에 의해 향상된 프로브 액세스 뿐만 아니라 2차원 디자인들에 비교하여 더 넓은 커버리지 영역을 허용한다. 3차원 기하학적 배열은 용접 조인트의 특정 영역들에서 최적화된 정확성 및 감도를 제공한다. 도 7a 내지 도 7d에 의해 도시되어 있는 바와 같이, 도 7a에 도시되어 있는 3차원 만곡된 프로브의 코너 요소들의 결과는, 빔 런치각(launch angle)이 도 7c에 도시되어 있는 2차원 편평 프로브 경우에 비교할 때 전형적인 스폿 용접 만입부의 수직 방향으로 더 스티어링되는 것을 도시하고 있다. 3차원 프로브(도 7b) 및 2차원 프로브(도 7d)의 모두에 대한 중심 요소들을 위한 빔 품질의 주목할만한 변화는 존재하지 않는다. 2차원 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브에 의한 검사 기능의 높은 충실도(fidelity)를 손실하지 않고, 3차원 프로브는 프로브 자체의 고유 곡률(built-in curvature)로부터 커버리지 영역을 확장한다. 따라서, 본 발명은 더 작은 프로브 직경을 갖는 더 큰 용접 영역의 검사를 허용하여, 향상된 액세스를 허용한다. 이러한 것은 또한 더 적은 수의 요소들의 사용을 허용하여, 전체 용접 영역을 여전히 커버하면서 전체 시스템 비용을 절감한다.
본 발명의 다양한 실시예들에서, 전산화 제어기가 초음파 신호들의 전송을 유도하기 위해 그리고 그로부터 응답들을 합산하여 수신하기 위해 음향 프로브(100) 및 트랜스듀서 요소들(106)에 결합된다. 도 8(일 가능한 운영 체제의 기능을 도시하고 있는 흐름도를 제공하고 있음)을 일반적으로 참조하면, 제어기는 (i) 음향 신호들을 발생하고 취득하고; (ⅱ) 각각의 요소 그룹화를 위한 스폿 용접부의 표면을 검출하고; (ⅲ) 표면 프로파일 및 프로브 배향의 차이들을 보상하기 위해 기구 게이팅(gating)을 조정하고; (ⅳ) 비본딩 영역들 및 양호한 본드를 갖는 영역들로부터 반사된 응답들 사이의 신호 진폭비를 측정하고; (v) 스폿 용접부와 연계된 비본딩 영역들로부터 반사된 것으로서 응답들의 서브세트를 인식하고 응답들의 나머지로부터 서브세트를 분리하고; (vi) 비-층간박리(non-delamination) 치수들의 범위를 측정하고; (vii) 스폿 용접부의 비-층간박리의 2차원 컬러 코딩된 이미지를 제시하도록(도 9 참조) 작동한다. 요약하면, 본 발명의 독특한 장점들의 일부는 (i) 3차원 매트릭스 프로브 요소; (ⅱ) 빔 포커싱 및 스티어링 기능을 형성하기 위해 서브요소 그룹을 갖는 위상 지연; (ⅲ) 합치 가능한 멤브레인(감쇠 보정을 위한 필요가 없음); 및 (ⅳ) 원하지 않는 반사들을 필터링하기 위해 전자 게이트들을 이용하는 이미지 프로세스를 포함한다.
일 예시적인 실시예에서, 본 발명은 용접된 또는 브레이징된 조인트들을 포함하는 부분들 및 구성요소들의 파괴 시험의 요구를 감소시키는 완전 일체형, 휴대형(즉, 핸드헬드), 배터리 작동식, 비파괴 검사 시스템으로 조합된다. 이 유닛은 비용이 더 낮고, 크기가 더 소형이고, 배터리 작동식인 기능을 가져, 디바이스가 비용 효율적이고 생산 라인 사용을 위해 휴대형이 되게 하는 초음파 위상 배열 어레이 회로를 포함한다. 따라서, 시스템은 큰 비용 절약 및 효율을 갖는 용접된 제품들의 완전성을 점검하기 위한 도구로서 사용될 수 있다. "EWI SpotSightTM"이라 칭할 수도 있는 이 시스템은 실시간 피드백을 제공하면서 검사 영역의 초음파 C-스캔 이미지를 시각화함으로써 조인트 영역의 조건을 정확하게 평가하기 위해 매트릭스 위상 배열 어레이(MPA) 초음파 촬상 기술을 이용한다. 이 시스템은 금속들 및 비금속들로 제조된 부분들 및 구성요소들의 검사를 위한 광범위한 제조 설정들에서 이용될 수 있다. 시스템은 저항 스폿 용접부들, 저항 시임 용접부들, 레이저 용접부들, 마찰 교반 스폿 용접부들, MIG 스폿 용접부들, 브레이징부 등을 포함하는 다양한 접합 구성들의 품질을 평가하기 위해 효과적이다. 본 발명은 (i) 강에 대한 스폿 용접부들, 강 및 알루미늄에 대한 저항 스폿 용접부들, 알루미늄에 대한 마찰 교반 스폿 용접부들, 및 강에 대한 레이저 용접부들의 품질을 평가하는 것과 관련하는 자동차 산업; (ii) 알루미늄, 티타늄, 및 스테인리스강에 대한 저항 스폿 용접부들 및 저항 시임 용접부들, 및 항공우주 등급 니켈 합금들에 대한 브레이징부의 품질을 평가하는 것과 관련하는 항공우주 산업; 및 (ⅲ) 강에 대한 MIG 스폿 용접부들, 및 구리 및 주석-코팅된 구리에 대한 브레이징부를 평가하는 것과 관련하는 정치 세척(cleaning-in-place: CIP) 용례들에 특히 유용하다.
도 10 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 휴대형 버전은 하나 또는 그 초과의 제조 환경들에서 검사 시스템으로서 사용을 위해 의도된다. 이 시스템의 기본 구성요소들은 (i) 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로; (ⅱ) 데이터 처리 기능들 및 촬상 알고리즘(들)을 갖는 완전 일체형 컴퓨터; (ⅲ) 신속 접속/분리 전기 접속부를 갖는 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브; 및 (ⅳ) 그 내에 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 위한 안전한 보관 공간을 제공하는 운반 핸들을 갖는 인체공학으로 설계된 완전 휴대형 케이스를 포함한다. 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 휴대형 용접 조인트 검사 유닛(400)의 예시적인 실시예는 본체(410) 및 핸들(424)을 포함한다. 본체(410)는 전원 스위치(412), USB 및 외부 모니터 접속부들을 위한 측면 액세스(413), 스크린(414), 알루미늄 플레이트(416), 커넥터 어댑터(417)(예를 들어, Hypertronix Omni Connector 어댑터), 코드 랩(cord wrap)(418), 스타일러스 보관 영역(420), 및 아암 레스트(422)를 더 포함한다. 핸들(424)은 프로브 보관 영역(426)을 더 포함한다. 프로브(100)는 프로브 커넥터(103)(예를 들어, 멀티핀 옴니 커넥터)에 접속되고, 이 프로브 커넥터는 이어서 커넥터 어댑터(417)에서 용접 조인트 검사 유닛(400)에 접속한다. 다양한 예시적인 실시예들에서, 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로는 16-채널 동시 멀티플렉싱 기능을 갖는 64-채널 위상 배열 어레이 회로를 더 포함하고, 컴퓨터는 제조 환경에서 컴퓨터 마우스 및 키보드를 위한 필요성을 배제함으로써 검사 속도를 향상시키는 편평 터치스크린 디스플레이를 갖는 Windows 7 또는 Windows 8 운영 소프트웨어에서 실행하는 Intel i7 듀얼코어 구동식 러기드 태블릿 컴퓨터(ruggedized tablet computer)를 포함하고, 촬상 알고리즘(들)은 위상 배열 어레이 전자 부품들로부터 데이터를 처리하기 위한 적절한 촬상 알고리즘을 제공하기 위한 SpotSightTM 촬상 소프트웨어(EWI, Inc.: 미국 오하이오주 콜럼버스)를 더 포함하고, 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브는 64-요소 3-D 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 더 포함하고, 인체공학적 케이싱은 내부 전자 부품들을 위한 냉각을 허용하기 위해 필요한 모든 특징부들, 기구를 운반하기 위한 핸들, 및 프로브의 안전 보관을 허용하고 모든 요구된 전원 및 데이터 포트들에 액세스하는 다양한 특징부들을 더 포함한다. 무선 접속성(예를 들어, Bluetooth, Wi-Fi, 셀룰러 네트워크 등) 및 재충전식 배터리가 또한 통상적으로 포함된다. 본 실시예의 전술된 양태들은 이하의 유리한 특징들, (i) 스크린 상에 표시된 수치 데이터와 연계하여 용접부들 및 다른 유형들의 재료들을 정량적으로 평가하는 능력; (ⅱ) 자급식 비파괴 초음파 검사 시스템; (ⅲ) 핸드헬드 휴대성; (ⅳ) 배터리 전력; (v) 터치스크린 및 무선 기능성들; 및 (vi) 유닛으로의 프로브의 강인하고 신속한 전기적/기계적 접속을 본 발명에 효과적으로 제공한다.
도 11은 휴대형 용접 조인트 검사 유닛(400)의 예시적인 실시예의 기본 기능성을 도시하고 있는 시스템 블록도를 제공하고 있다. 본 실시예에서, 위상 배열 어레이 전자 회로(520)는 데이터 처리 소프트웨어로부터 활성화 명령으로 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브(510)를 활성화한다. 다음에, 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브(510)에 의해 검출된 초음파 신호들이 검사 하의 접합 영역의 융착된 및 비-융착된 조건들에 대해 처리될 촬상 알고리즘(530)에 공급된다. 마지막으로, 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지(540)는 융착된 영역 및 너깃의 평균 직경과 같은 부가의 수치 데이터를 갖고 스크린 상에 표시된다. EWI SpotSightTM은 초음파 신호들이 2 개의 게이트들, 즉 정면 반사를 위한 하나의 게이트 및 계면 반사를 위한 다른 게이트를 사용하여 프로브 어레이의 개별 서브그룹들에 의해 검출됨에 따라 초음파 신호들을 처리한다. 초음파 C-스캔 이미지는 원시 초음파 데이터가 듀얼 게이트 촬상 알고리즘으로 실시간으로 처리됨에 따라 플롯된다. 조작자로의 피드백 시간은 초의 분수이고, 프로브의 조정은 결과들이 불만족스러우면 프로브가 재위치되어야 하는 시스템들에 비교하여 비교적 용이하고 신속하다. 이들 장점들에도 불구하고, 다양한 용접부들을 검사하는데 있어서, 다수의 인자들은 (i) 에이징 멤브레인의 변화하는 음향 임피던스; (ⅱ) 센서/프로브 내에 포함된 압전 소자들의 자연적인 열화; (ⅲ) 트랜스듀서들 사이의 약간의 차이들; 및 (ⅳ) 모든 용접부들을 축소하기 위한 시스템의 자연적인 경향을 포함하는 바람직하지 않은 편차들을 유발할 수 있다. 이들 변수들을 보상하기 위해, 본 발명의 몇몇 실시예들은 제 1 이미지 게이트와 제 2 이미지 게이트 사이의 비가 조정되게 하는 특징을 포함한다. 이 특징은 시스템의 조작자에게 공지의 직경의 용접부들에 시스템을 캘리브레이팅하는 능력을 제공하여, 이에 의해 시스템의 전체 정확성을 증가시킨다. 이를 성취하기 위해, 시스템 조작자는 공지의 또는 사전결정된 직경을 갖는 용접 너깃을 포함하는 표준 상에 프로브를 배치한다. 이미지가 표준보다 약간 크거나 작게 판독하면, 게이트비는 소프트웨어 내의 특정 입력들을 통해 조작자에 의해 조정된다. 휴대형 용접 조인트 검사 유닛(400)의 스크린 상에 나타나는 이미지는 제 1 게이트로부터의 신호 강도를 제 2 게이트로부터의 강도에 비교함으로써 본질적으로 생성된다.
본 발명이 그 예시적인 실시예들의 설명에 의해 예시되었지만, 그리고 실시예들이 특정 상세로 설명되었지만, 첨부된 청구범위의 범주를 이러한 상세에 제한하거나 임의의 방식으로 한정하는 것은 본 출원인의 의도는 아니다. 부가의 장점들 및 수정들이 당 기술 분야의 숙련자들에게 즉시 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 그 더 넓은 양태들에서, 임의의 특정 상세들, 대표적인 디바이스들 및 방법들, 및/또는 도시되고 설명된 예시적인 예들에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 본 출원인의 일반적인 발명적 개념의 사상 또는 범주로부터 벗어나지 않고 이러한 상세들로부터 새로운 발전이 이루어질 수도 있다.

Claims (20)

  1. 스폿 용접부들(spot welds)을 비파괴식으로 특징화하기 위한 휴대형 시스템으로서,
    (a) 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브(matrix phased array probe)로서,
    (i) 상기 프로브의 일 단부에서 만곡된 어레이로 배열된 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들(transducer elements) ― 상기 트랜스듀서 요소들은 초음파 신호들을 발생하고 그 신호들의 반사들을 수신하도록 작동함 ―; 및
    (ⅱ) 음향 에너지(sound energy)가 시험 조건들 하에서 상기 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 상기 프로브가 상기 스폿 용접부의 윤곽 형성된(contoured) 표면에 합치하는 것을 허용하기 위한 재료들의 조합 ― 상기 재료들의 조합은 상기 프로브의 단부 상에 장착된 가요성 멤브레인(membrane) 및 상기 멤브레인과 상기 어레이 사이에 배치된 유체 충전된 챔버 또는 고체 음성 지연 재료(solid sound delay material)를 더 포함함 ―
    을 더 포함하는 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브; 및
    (b) 핸드헬드(hand-held)가 되도록 설계되고,
    (i) 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱(outer casing);
    (ⅱ) 상기 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력;
    (ⅲ) 상기 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로;
    (ⅳ) 터치스크린 컴퓨터(touch screen computer) ― 상기 터치스크린 컴퓨터는 상기 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된(color coded) 초음파 C-스캔 이미지들(scan images)을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘(imaging algorithm)을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함함 ―; 및
    (v) 상기 특징화된 용접부들의 상기 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터
    를 더 포함하는 본체를 포함하는,
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 요소들은 별개의 서브그룹들(subgroups)로 또한 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 활성화될 수도 있는,
    시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 서브그룹 내의 각각의 요소에 대해 상기 다른 서브 그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 각각의 서브그룹을 활성화하는 것은 신호 포커싱(focusing) 및 스티어링(steering) 기능을 제공하는,
    시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체는 적어도 하나의 재충전식 배터리를 더 포함하는,
    시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱은 핸들을 더 포함하고, 상기 핸들은 상기 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 보관하도록 구성되어 있는,
    시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱은 상기 본체를 지지하기 위한 적어도 하나의 아암 레스트(arm rest)를 더 포함하는,
    시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로는 16-채널 동시 멀티플렉싱(multiplexing) 기능을 갖는 64-채널 위상 배열 어레이 회로를 더 포함하는,
    시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 소프트웨어는 공지의 직경의 용접 조인트(joint)를 초기에 스캔하고 이어서 이에 따라 시스템 게이팅비들(gating ratios)을 조정하기 위해 상기 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 사용하여 상기 시스템의 캘리브레이션(calibration)을 허용하는 입력들을 더 포함하는,
    시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들은 각각의 특징화된 용접부에 대한 융착된 영역 및 용접 너깃의 평균 직경을 더 포함하는,
    시스템.
  10. 스폿 용접부들을 비파괴식으로 특징화하기 위한 휴대형 시스템으로서,
    (a) 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브로서,
    (i) 상기 프로브의 일 단부에서 만곡된 어레이로 배열된 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들 ― 상기 트랜스듀서 요소들은 초음파 신호들을 발생하고 그 신호들의 반사들을 수신하도록 작동함 ―; 및
    (ⅱ) 음향 에너지가 시험 조건들 하에서 상기 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 상기 프로브가 상기 스폿 용접부의 윤곽 형성된 표면에 합치하는 것을 허용하기 위한 재료들의 조합 ― 상기 재료들의 조합은 상기 프로브의 단부 상에 장착된 가요성 멤브레인 및 상기 멤브레인과 상기 어레이 사이에 배치된 유체 충전된 챔버 또는 고체 음성 지연 재료를 더 포함함 ―
    을 더 포함하는 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브; 및
    (b) 핸드헬드가 되도록 설계되고,
    (i) 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱 ― 상기 케이싱은 상기 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 보관하도록 구성되어 있는 핸들을 더 포함함 ―;
    (ⅱ) 상기 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력;
    (ⅲ) 상기 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로;
    (ⅳ) 터치스크린 컴퓨터 ― 상기 터치스크린 컴퓨터는 상기 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함함 ―;
    (v) 상기 특징화된 용접부들의 상기 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터; 및
    (ⅵ) 적어도 하나의 재충전식 배터리
    를 더 포함하는 본체를 포함하는,
    시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 요소들은 별개의 서브그룹들로 또한 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 활성화될 수도 있는,
    시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 서브그룹 내의 각각의 요소에 대해 상기 다른 서브 그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 각각의 서브그룹을 활성화하는 것은 신호 포커싱 및 스티어링 기능을 제공하는,
    시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱은 상기 본체를 지지하기 위한 적어도 하나의 아암 레스트를 더 포함하는,
    시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로는 16-채널 동시 멀티플렉싱 기능을 갖는 64-채널 위상 배열 어레이 회로를 더 포함하는,
    시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 시스템 소프트웨어는 공지의 직경의 용접 조인트를 초기에 스캔하고 이어서 이에 따라 시스템 게이팅비들을 조정하기 위해 상기 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 사용하여 상기 시스템의 캘리브레이션을 허용하는 입력들을 더 포함하는,
    시스템.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들은 각각의 특징화된 용접부에 대한 융착된 영역 및 용접 너깃의 평균 직경을 더 포함하는,
    시스템.
  17. 스폿 용접부들을 비파괴식으로 특징화하기 위한 휴대형 시스템으로서,
    (a) 적어도 하나의 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브로서,
    (i) 상기 프로브의 일 단부에서 만곡된 어레이로 배열된 복수의 초음파 트랜스듀서 요소들 ― 상기 트랜스듀서 요소들은 별개의 서브그룹들로 또한 배열되고, 각각의 서브그룹은 다른 서브그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 활성화될 수도 있고, 상기 트랜스듀서 요소들은 초음파 신호들을 발생하고 그 신호들의 반사들을 수신하도록 작동함 ―; 및
    (ⅱ) 음향 에너지가 시험 조건들 하에서 상기 스폿 용접부 내로 직접 전달되는 것을 가능하게 하면서 상기 프로브가 상기 스폿 용접부의 윤곽 형성된 표면에 합치하는 것을 허용하기 위한 재료들의 조합 ― 상기 재료들의 조합은 상기 프로브의 단부 상에 장착된 가요성 멤브레인 및 상기 멤브레인과 상기 어레이 사이에 배치된 유체 충전된 챔버 또는 고체 음성 지연 재료를 더 포함함 ―
    을 더 포함하는 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브; 및
    (b) 핸드헬드가 되도록 설계되고,
    (i) 인체공학적으로 설계된 외부 케이싱 ― 상기 케이싱은 상기 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 보관하도록 구성되어 있는 핸들, 및 본체를 지지하기 위한 적어도 하나의 아암 레스트를 더 포함함 ―;
    (ⅱ) 상기 프로브에 접속하기 위한 적어도 하나의 입력;
    (ⅲ) 상기 적어도 하나의 입력과 전기 통신하는 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로;
    (ⅳ) 터치스크린 컴퓨터 ― 상기 터치스크린 컴퓨터는 상기 프로브로부터 수신된 데이터를 처리하고 특징화된 용접부들의 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 발생하기 위한 적어도 하나의 촬상 알고리즘을 포함하는 소프트웨어를 실행하는 적어도 하나의 데이터 프로세서를 더 포함하고, 상기 C-스캔 이미지들은 각각의 특징화된 용접부에 대한 융착된 영역 및 용접 너깃의 평균 직경을 더 포함함 ―;
    (v) 상기 특징화된 용접부들의 상기 컬러 코딩된 초음파 C-스캔 이미지들을 실시간으로 표시하기 위한 적어도 하나의 모니터; 및
    (ⅵ) 적어도 하나의 재충전식 배터리
    를 더 포함하는 본체를 포함하는,
    시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 서브그룹 내의 각각의 요소에 대해 상기 다른 서브 그룹들에 독립적으로 상이한 시간 간격들에 각각의 서브그룹을 활성화하는 것은 신호 포커싱 및 스티어링 기능을 제공하는,
    시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 초음파 위상 배열 어레이 송수신 회로는 16-채널 동시 멀티플렉싱 기능을 갖는 64-채널 위상 배열 어레이 회로를 더 포함하는,
    시스템.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 시스템 소프트웨어는 공지의 직경의 용접 조인트를 초기에 스캔하고 이어서 이에 따라 시스템 게이팅비들을 조정하기 위해 상기 매트릭스 위상 배열 어레이 프로브를 사용하여 상기 시스템의 캘리브레이션을 허용하는 입력들을 더 포함하는,
    시스템.
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