TW317513B - - Google Patents

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317513 A6 B6 五、發明説明（1 ) 經濟部中央櫺準局負工消费合作社印製 發明節18 本發明大致上是關於金羼或合金材料中之空隙、瑕疵、 裂缝及其他有損材料完整性之缺點的非破壊性檢驗。明確 地來說，本發明是關於對具有粗糙的轚音射束入射面之零 姐件的超音波檢驗。 發明背吾 超音波檢驗在核子工業及其他一些主要的工業是被用於 判斷零姐件的狀況的。零件或姐件的金屬或合金材料利用 超音波檢驗Μ偵湎任何妨害該零件或组件安全使用的缺陷 或瑕疵。大部分的工程用的金屬及合金内部的瑕疵都可Μ 利用超音波非破壊性檢驗方法來加Μ偵測。Μ鎔接、綢鋅 合金銲接、銲接以及黏接而成的接合亦可使用超音波來加 Κ檢驗。 超音波檢驗被應用在结構製造，反應爐歷力容器*飛機 機身、管路糸统、橋樑、汽車、以及唄射引擎之品質管制 及材料檢驗上。 為求成功地懕用超音波檢驗技術、方法、及設備，含轉 換器之超音波系統必須要能逋合所進行之檢驗的型式。如 果未使用正確的轉換器，則檢驗结果很可能會有很大的誤 差，或甚至完全沒有结果。例如，Κ一般具有堅硬平坦表 面的有機玻璃楔（wedge)來檢査管路銲合處之鎔接覆蓋曆 會造成超音波檢驗结果的重大誤差。有許多時候，超音波 檢驗的數據根本都不被記錄下來。這是因為轉換器頭部與 被檢测之粗槠表面間的空氣隙缝會造成一個不能穿透的阻 ί請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁} .裝 訂 .線 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS)甲4规格（210x297公釐） 317513 A6 B6 五、發明説明（2 ) 經濟部令央標準局貝工消费合作社印製 隔0 利用超音波來決定材料中裂縫的特性包括了二個步驟： 1)偵測及定位；及2)以絕對或相對的形式決定其大小。根 據這個程序的第一髑步驟，轉換器被激發而釋出一道能與 被測结構枏連接的縱向超音波。這道音波會進入结構之中 而被裂縫反射回來。反射波的折返路徑會輿轉換器交會· 而被偵满到為一”脈衝回音"信號。 要決定與表面相連的瑕疵狀況中裂縫的大小或是貫穿深 度是一項困難且更加複雜的工作。傳統上用來決定平面裂 縫之貫穿深度的一種方法是飛行時間衍射技術。這種方法 是利用超音能量波在裂鏠邊緣的前向散射。一個超音短暫 脈衝的發射器被連接在被湎表面上•會使得衍射聲波撞擊 到裂縫邊緣而使超音波能量向四面八方散射。安置於裂缝 平面對面的一個偵澜器會在一個時間延遲之後被散射的限 銜能量射線所激發，此時間延理是裂缝高度或其他尺寸的 一個函數。利用裂缝邊緣來澍#脈衝由發射器到偵澜器的 飛行時間，則裂縫高度可K輕易地由幾何位置計算而得。 使用超音波飛行時間衍射技術之偵澜方法被用於偵測深 藏的Μ及與表面連接的裂縫•它亦經證簧為目前用於決定 裂缝大小的方法中最準確的一涸方法。當使用於金鼸管或 噴嘴時，依狀況需要施行表面曲率效應之校正，可Μ提高 其準確度。但在另一方面，假使衍射波無法到逹偵測器* 則瑄個方法顯然會失敗。如果在轉換器與受潮表面間出現 一個相當不均勻的隙縫時，這種情況就會產生。當一個具 -4- ..........................................................................................................裝.......................ΤΓ.....................線 {請先«讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家搮準（CNS)甲4规格（210X297公釐） 五、發明.説明（5 ) A6 B6 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印製 有堅硬扁平表面的超音波轉換器被放在一涸不平的或是粗 糙的聲音射束入射表面上時，例如管子經箝接後未經细部 加工的鎔接部位，這一類的隙縫就會出現。 覆蓋式轉換器早就存在於非破埭檢驗的工業中。一種已 知的設計就包含了一俚被安装於大塑膠毅當中而體積相當 小的轉換器。這種先前技藝的覆蓋式轉換器所使用的埋接 媒體是一種低黏度的壓箱油。轉換器所產生之超音波的入 射角度是由塑膠殼内安装轉換器的支架所決定。在和所需 之入射角度相闞的支架被安装好之後，轉換器即可被安裝 上去，然後再將塑膠覆罩固定後，整涸總成當中再被灌滿 了油。 前述的覆蓋式轉換器經常相當大，而其接觸面積對於受 测物件來說通常是太大。這項先前技藝之缌成的另一個限 制是轉換器很不容易更換。首先油必須要被油光；然後覆 罩必須要被移開。如果要改變入射角度*則原來的支架必 須被取下，然後装上與不同之入射角度相懕的另一届支架 。然後轉換器才可被裝上，蝥倨姐合過程得再重覆一遍。 而當氣泡冒出來到油表面然後被擠出來時*通常轉換器總 成得被閭置。總之*這是一個非常費時且缺乏效率的方法 •尤其是被使用於充滿故意的環境下例如核能工廠中。 發明埔诚 本發明是一種不具先前技藝之覆藎式轉換器的缺點之改 良型覆蓋式超音波轉換器。本發明的覆蓋式轉換器減輕了 前述如金屬管箱接部位未經處理之覆層的情況以及其他具 -5- .....................................................................................裝-.....................玎-................線 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度遑用中Η國家標準（CNS)甲4规格（210χ29_7公釐） 317513 A6 B6 五、發明説明（4 ) 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印製 有鎔接後未加處理之粗雄接觸表面等的接觸上的一些問慝 〇 本發明的装置是一僩超音波轉換器•它具有一個柔軟薄 膜覆里可使轉換器與不平整或是粗糙的轚音射束入射表面 互相貼合。該软膜是由可傳输超音波的伸縮材料所製成。 當软膜受歷而與受测物不平整或是粗雔的表面接觸時*它 會屈張成與接觸表面大致相同的形狀。軟膜的屈張濟除了 或減少了轉換器與物體表面間的空氣隙縫，因此增加了超 音波能量出入於物箱内之耩合性。其结果是加強了對具有 不平轚或粗撻表面之零件或组件之裂缝或其他瑕疵的偵測 〇 _联簡诚 圖1是一個根據本發明的第一個較佳具體S施例中的覆 蓋式超音波轉換器的姐立圖，圖中所示的轉換器與受測物 體之表面接觸但並未受壓而緊貼表面。 圔2是圃1之覆蓋式轉換器之剖視匾，但是轉換器是受 壓而緊貼於物體表面。 、 匾3考根據本發明的第二個較佳具體實豳例中的薄藎式 超音波轉換器的剖視圈，圃中所示的轉換器與受測物體表 面接觸但並未受未壓緊貼於物體表面上。 且M g嫵俐註诚 根據画1及園2中所示本發明的第一钃具體實施例，覆 蓋式轉換器2具有一個過大的轉換器外殼4 。轉換器外殼 4具有一個有樣玟的徑向孔用來容納一個有螺紋的連接器 -6 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210x297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) A6 B6 五、發明説明（5 ) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 16，電線可以由此穿過（未顯示出來）。一倨®霣元件18被 嵌入轉換器外般4的底部。前述的電埭是用來將壓電元件 18與鼷衡發生器及接收器霣路（未顯示出來）銲在一起。在 完成组合之前，媛衝材料被加入Μ襯托壓霣元件。然後轉 換器外毅被封起來以防止液體滲漏。 轉換器外殻4的頂端及底端均有螵玟。一《人射角度楔 6可Μ順播紋旋上而與轉換器外殼4的頂嬙連接。入射角 度楔6是用來當做轉換器缌成附著於一個自動捕描器的滾 動托架8的承載板。托架8於匾1中大致上被顯示為可在 —支捋表面S上沿著與銲接相連的金羼管，例如Μ圚周鎔 接部位W结合在一起的圓柱狀金屬管卩/及Ρ2之縱粬平行之 縱袖L上移動。支持表面S本身可Κ繞著金靨管連结之縱 袖旋轉以達到對圓周箱接部位W作画周掃描的目的。 在材料中的衍射角取決於超音波轉換器之入射角度，亦 即聲音傳播路徑相對於一垂直於受測物體表面之袖線的傾 斜角度。入射角度則由斯涅耳定律來決定。這一®可以表 示為下列的教學式： . ' sin a/sinb = Vi/V2 其中a為入射角度；b為衍射角度；而Vi及卩2則為波在第 一友第二介質中涸別的速率。斯涅耳定律描述了波在二個 不同介霣間之界面中的行為。雖然這個定律原先是為了光 埭而推演出來的，但是它也可Μ被應用於音波（包括超音 波）和其他許多類形的波。入射角度有可能為〇° ，在這 種情況下受拥材料中的衍射角度也會是0° 。 .....................................................................................^......................、玎.....................^ (請先閲讀背面之注意事項再瑱窝本頁} 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS)甲4规格（210x297公釐） A6 B6 五、發明説明（6 ) 經濟部中央櫺準局貝工消费合作社印製 根據本發明的覆蓋式轉換器的入射角度取決於入射角度 楔的傾斜角度。圖1及圈2中所示的轉換器人射角度為10° ，因為其中入射角度楔6的傾斜角度為10° 。相較於圔1 及園2 ，圖3顧示了一涸不同的較佳具體S腌例·其中楔 6'的傾斜角度，亦即轉換器2’的入射角度則為0° 。入射 角度楔的傾斜角度可以按超音波澜試所需要的角度來予以 加土。至於所需要的角度則取決於用來填充轉換器的液® 耦合劑。液體耦合劑的轚速率與斯涅耳定律中的Vi相對應 。因此如果液體耦合劑是水而在軟鐧中所需要的衍射角度 是43°時，楔的傾斜角度應被加工成10° 。一個10°的入 射角度會造成一道43°的衍射縱向波束以及一道22.1°的 衍射剪切波束。 傾斜角度是被加工在楔與掃描装置之托架8相接的上表 面。掃描装置的托架與受测物體的聲音射束入射表面平行 移動，K-種有控制的網路掃描、方式羼帶著轉換器掃遇聲 音射束入射表面。 ·、 在圖1和圈2當中，轉換器外般4底纗的鏢紋是用來將 一儼液體鞲合劑外殼1〇連接到超音波轉換器上。轉換器外 毅4介於其有揉紋的頂端和底端之間的部位其外徑大於有 嫘玟部分的外徑。轉換器外殼較寬的部分的下緣形成了一 個緊鄰液贈耦合劑外殼10的肩部。當轉換器外殻和液體耦 合繭外毅被緊鎖在一起時，埴儸肩部會擠®到一涸在液體 耩合劑外般10上表面的環狀溝槽中的一個0型密封墊圈 12。密封塾圈12能防止液體耦合劑順著轉換器外般4及液 -8' 本紙張適用中國_國家標準（CNS)f4规格（210X297公釐) 1 ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝 訂. .線. .illi 第83100873號專利申請案 中文說明書修正頁（84年8月） _____ B7 五、發明説明（γ) 賴轉合朝丨外穀1 〇之間的界面滲漏出來。 液體賴合劑外殼10具有第一及第二個直徑不同的螺紋孔 。弟—個直徑較小的螺紋孔可以連接轉換器外殼4有螺紋 的底端。第二個直徑較大的螺紋孔則形成一個超音波的傳 播iS道20 °傳播通道20係塗以哚音材料以減緩超音波之反 射。'液If锅合劑外殼是被切割成與入射角度楔之傾斜角度 相同或較小的角度。 傳播通道20與一個^賦予角度的轉換器覆罩22所形成的 •—個充滿了液體賴合劑的隔間丨4之間液體是可κ互相流通 的°通道20及隔間14均可透過用於腳踏車輪胎上的那種瓣 膜30而被充滿了液體耦合劑。瓣膜3〇則被連接於一個用來 注人液體稱合劑的液體泵。任何被包圍在隔間14及通道 204«的氣,體都會形成阻礙超音波透過液體耦合劑傳播出去 的隙縫。為了除去液體耦合劑當中的氣泡或氣袋，轉換器 須被朝上使氣體浮出到辨_3〇内部的近旁，然後打開瓣膜 使空氣溢出。 具有角度的轉換器覆罩22是一層由超音波可穿透的成型 塑_製成的伸縮且耐磨的薄膜。如果隔間14及通道2〇中的 液聘賴合劑是油的時候，塑膠材料必須要能抗拒油的分解 作用。具有角度的轉換器覆罩22的形狀是一個彎曲内凹的 接觸面22a ’，其邊緣整個連接到一個圓柱狀壁22b上去。 _柱狀壁2 2 b的縱向尺寸沿著其周緣變化，其最大及最小 長度間的差距恰好是入射角度楔6傾斜度的一個函數。 圓柱狀壁22b的外徑較液體耦合劑外殼10的外徑稍微大 些。在組合的時候，圖柱狀壁2 2 b是被套在液體fS合劑外 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 衣· 訂 經濟部中央標车局員工消費合作杜印製 83. 3. 10,00 317513 A6 __ B6 五、發明説明（8) 經濟部+央楳準局貝工消费合作杜印製 殼的外面然後K傳統的飲管夾24利用一僩嫘母及螺栓组合 2b將二者夾在一起。 另一僩方法是如果該應用容許使用較小的1T力來夾住覆 罩時，則一儷直徑固定的金牖或塑膠製的滑環可Μ被用來 將轉換器覆單夾到液《耩合劑外毅上。比較好的软管夾是 一種反向的而能互相咬合的齒狀顎夾，其各齒均具特殊角 度，可Μ在软管夾被Κ特殊的手工具擠上轉換器時互相滑 遇然後卡進位置。 一涸0形密封墊圈被安装在液體耦合劑外毅10的周圍表 面上的環狀溝槽中。0形密封塱圈在夾具24上緊時會被壓 入環狀溝槽中。密封垫臞28可Μ防止液髓耦合劑由轉換器 覆罩22及液體耦合劑外毅10間的界面滲出。 如圈2所示，當凹形接觸面2 2a被壓向不平整的銲接表 面W時 > 它會向内伸縮Μ符合不平整表面的輪廊，而其伸 縮度則取決於塑膠材料之伸縮度。在超音波轉換器搡作時 ，轉換器覆罩22可依物體表面半改變形狀之特性可Μ消除 空氣缠隙或使缝隙變小，因而使轉換器與受测物應間的雙 向超音波耦合性提高。 國2中所示超音波之结構是用來產生在軟期中的一道 43°的中央射線聲束。圏3顯示了一道根據第二儷較佳具 體實施例的筆直射束结構。在這倨範钶中，中央射嫌聲音 射束Κ 90°的角度進入物體中而無任何衍射。·3中的具 體實豳例具有一個傾斜度為0°的入射角度楔6^* —個筆 直的轉換器覆5 22\，以及一個傾斜度為0°的液體耩合 -10- ....................................................................................裝.......................玎.........................線 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用中國國家標準___(CNS)甲4規格（210X297公釐） 五、發明説明（9 ) A6 B6 劑外殺10’ 。筆直的轉換器覆罩22'是一曆塑應成型具伸 縮性且耐磨的薄膜，它具有一個内凹的接觸表面22a *其整 宿邊緣接在一届面柱狀壁22 b’上。園柱狀壁22b’的縱向畏 度在整儸圓周上都是栢同的。其他的姐件則和第一個較佳 具體實梅例中的姐件都相同，並且K相同的參考數字來表 示。 前述的装置是為了說明本發明而被提出。精通超音波偵 澜技《者均可清楚地着出來埴些被提出說明的裝置可Μ加 Μ改變和修改。舉例來說*入射角度楔的傾斜角度也許可 Κ被用來產生任何所須要的衍射角•包括前述例子中的 43°角度，但並不限於此一角度。所有此類的變化Μ及修 改都將涵藎於Μ下的申請專利範圍之中。 ......................................................................................装......................訂..................線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁一 經濟部中央標準局員工消费合作社印製. -11- 本紙張尺度逋用中國國家樣準（CNS)f 4规格（210X297公釐_).

Claims (1)

1. A7 B7 C7 D7 六、申請專利範園 u —種超音波轉換器，其包含： —壓霣元件（18); 一內部用於安装該K電元件的轉換器外殼（4V ; Μ及 支揮轉換器外毅而使該Μ霣元件形成一個預定的相對 於參考平面的傾斜角度的装置（6或64 *其特性為： 包含一體積（14)之可®箱液體介霣而使該通漬之可壓 縮介霣與該®«元件達到超奮波耩合的裝置U〇, 22或 10’，22’），該容纳装置被埋接到該轉換器外毅並且包 含了一層超音波可穿透的伸縮薄膜，該伸箱薄膜與該壓 鼋元件可藉該體積之可壓嫌液體介霣而達到超音波耦合 0 2. 根據申請專利範圃第1項之超音波轉換器，其特性為該 伸縮薄膜是由成型的塑膠所製成。 3. 根據申請專利範圃第1項之超音波轉換器，其特性為該 支撐装置包含將轉換器外毅連接到掃描器的裝置。 4. 根據申謫專利範画第1項，之超音波轉換器，其特色為該 支撐装置包含了一®與該騣霉元件的一個平面嫌成了一 個預定角度的表面的楔。 經濟部肀喪镖準局典工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁> ’τ· 5. 根據申謫專利範圜第1項之超音波轉換器，其特色為該 容纳裝置進一步包含了一涸具有覆S著吸音材料的画柱 螺紋孔（20)的堅硬外般（10或10’），該孔具有垂直於該 歷霣元件’的一個平面的一條_線。 6. 根據申誚專利範画第5項之超音波轉換器•其特色為該 堅硬外殼可Μ藉嫌紋遵接到該轉換器外殼的一蝙，而該 -12- 本纸張又度連用中國9:家樣準.（CNS>甲4规格（210 X 297幺釐V 317513 A7 B7 C7 D7 六、申請專利範園 楔亦可藉嫘紋而連接到該轉換器外殼的另一端。 7. 根據申請專利範圈第5項之超音波轉換器，其特色為該 堅硬外般具有一届外環表面*而該伸縮薄臢的一部分（ 22b或22 b’）可Μ緊密地吻合於該堅硬外殼之該外環表面 上，該伸縮薄膜之吻合部位是被装置（24, 26)沿著周圔 施以徑向且向內的力量壓向該外環表面。 8. 根據申講專利範園第7項之超音波轉換器，其特色是該 胞力装置包含了一®软管夾（24, 26>。 9. 根據申請專利範圍第7項之超音波轉換器，其特色為該 施力裝置包含了一届滑瑁。 10. 根據申謫專利範圏第5項之超音波轉換器，其進一步的 特色為瓣膜装置（30) *當它在開放狀態時，它允許菝體 流通於該轉換器外部與該體積之間，而當其闥閉時，液 體即無法流通。 (請先s讀背面之注*事項再壜寫本頁) 装. 訂· 鳗濟部中喪攉準局R工消费合作社印* 本紙ifc尺度過用中8國家樣準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐）