用于通过超声波来控制焊缝的组件的制作方法

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用于通过超声波来控制焊缝的组件的制作方法

本发明涉及一种用于通过超声波来检查焊缝的组件,该组件包括至少一个具有在0和5°之间倾斜的纵波的环形多元探头和具有在35°和70°之间倾斜的横波的线性多元探头,该环形多元探头包括多个同心环形元件,该线性多元探头包括多个互相平行的直线元件。

本发明还涉及一种用于实施这种检查组件的方法以及该检查组件对某种焊缝的应用。



背景技术:

这种超声波探头用来检验各种结构的核反应堆的壁、特别地用来检验这些壁的焊缝。

文献US 2013/0199297例如描述了一种包括多个线性多元探头的超声波焊缝检查设备。该设备使得能够进行无损控制来检测横向、纵向以及轧制缺陷。

然而,所描述的技术都不能获得对小缺陷的检测以及与通过传统的射线检查获得的可靠性同等的可靠性。



技术实现要素:

因此,本发明的一个目的在于提供一种使得考虑仅从焊缝的一侧接近而能够对焊缝进行可靠检查的检查组件。

为此,本发明涉及一种上面提及的类型的检查组件,其中,环形探头包括用于发射频率介于5MHz和15MHz之间的波的构件和用于通过对延迟定律进行电子管理来聚焦从环形元件发射的声能量的装置,线性探头包括用于发射频率介于6MHz和10MHz之间的波的构件和和用于通过对延迟定律进行电子管理来聚焦从这些直线元件发射的声能量的装置。

根据本发明的具体实施例,检查组件具有以下单独地或根据任意技术上可能的组合考虑的特征中的一个或多个:

-检查组件包括能够支撑环形探头的元件的靴座(sabot)和/或能够使线性探头的元件相对于其上布置该探头的表面倾斜的靴座;

-线性探头包括用于通过将探头的元件布置在声透镜中来聚焦声能量的附加装置;

-检查组件包括计算机,该计算机能够在不同时刻激活环形探头和/或线性探头的元件和/或不激活某些元件;以及

-首先对计算机进行编程以将环形探头外侧的环形元件朝向中心地激活。

本发明还涉及一种超声波焊缝检查方法,该方法包括以下步骤:提供根据本发明的检查组件,将环形探头发射的纵波发射到焊缝中,以及经由线性探头发射聚焦在焊缝中的横波。

根据本发明的具体实施例,该方法具有以下单独地或根据任意技术上可能的组合考虑的特征中的一个或多个:

-焊缝基本上在平面中延伸并且线性探头的线性元件基本上平行于焊缝平面;

-焊缝基本上在平面中延伸并且线性探头的线性元件基本上垂直于焊缝平面;以及

-用于在采用探头扫描焊缝的步骤之前清理焊缝的步骤。

本发明还涉及一种根据本发明的检查组件对焊缝的应用,焊缝连接至少两个表面,焊缝沿平面延伸并且具有一定宽度,该表面被布置成使得探头不能布置在两个表面中与焊缝的平面相距一定距离的一个表面上,所述距离大于该焊缝的宽度的一半、大于或等于10mm的边缘以及探头的体积。

附图说明

通过阅读以下仅作为示例提供并参照附图进行的说明,本发明的其他特征和优点将变得明显,在附图中:

-图1和图2分别为根据本发明的检查组件的环形探头和线性探头的简图,

-图3为线性探头的布置在声透镜中的元件的简化透视图,

-图4和图5为当根据本发明的方法的具体实施例检查焊缝时探头的整体运动的示意图,

-图6至图8分别为根据本发明的一个实施例的环形探头、以直接扫描(即,在与探头相对的壁上不存在反射)工作的线性探头、以及以间接扫描(即,在与探头相对的壁上存在反射)工作的线性探头的行进平面的剖面图。

具体实施方式

根据本发明的超声波检查组件包括至少一个超声波环形多元探头12、至少一个超声波线性多元探头14及适于控制各种探头的计算机16。

该设备适用于检查核反应堆和/或其管道的壁的焊缝。壁和/或焊缝的材料通常为铁素体钢。

图1示出了环形多元探头12。该环形探头包括波发射元件18。波发射元件18包括多个发射元件20至24。中心发射元件20为圆盘,而其他发射元件21至24为同心环,每个发射元件能够发射基本超声波信号。这些基本超声波信号一起形成纵向极化波的超声波束26,并且该超声波束26对应于由超声波发射元件20至24发射的基本超声波信号之和。

超声波束26具有介于5MHz和15MHz之间的频率,更特别地其频率以10MHz为中心且带宽介于8MHz和13MHz之间。

特别地,由于超声波束26所穿过的材料的性质,所以上述频率的使用是可行的。事实上,如果材料的晶粒指数太低,即如果材料的晶粒太大,则纵波的超声波束26被晶粒反向散射,然后检测到材料的晶粒,而不仅仅是检测到材料的缺陷。对于介于8MHz和13MHz之间的频率而言,材料的晶粒度指数必须大于4。

发射元件20至24、或者发射元件20至24中的至少一些发射元件还能够接收反射的声音信号。这些发射元件是收发元件。可选地或者可替换地,波发射构件18包括能够接收反射信号、与发射元件20至24不同的接收元件。

波发射构件18包括元件支撑件或靴座27,该元件支撑件或靴座具有发射表面28,发射元件20至24分布在该发射表面28上。靴座27能够支撑并保护元件20至24,而且,如果需要的话,能够使元件20至24运动远离探头和待分析的元件之间的接触面。靴座27的高度取决于待检查的元件的厚度。

在接收元件与发射元件20至24不同的情况下,这些接收元件分布在发射表面28上。

超声波束26相对于发射表面的法线具有较小的倾斜,例如具有小于5°的角度。典型地,波束26的倾斜角度基本上等于0°。

在一个实施例中,环形探头12包括用于聚焦环形发射元件20至24所发射的声能量的装置。

人们希望获得在与感兴趣的目标点一致的点F上聚焦的超声波束26。点F大体上位于穿过发射表面28的中心并垂直于该发射表面28的平面的线上。

为了形成在点F上聚焦的超声波束,发射具有时移的基本超声波信号以使得这些基本超声波信号同相地到达点F(point F en phase)。

对计算机16进行编程以确定每个发射元件20至24的延迟定律,并且命令发射元件20至24基于发射元件20至24各自的延迟定律发射超声波信号。每个延迟定律确定相关联的发射元件发射的基本超声波信号相对于参考信号的时移。相同的延迟定律也适用于接收元件。

为了说明环形探头12的情况下的延迟定律,下面解释了一种情况。该示例是非限制性的,但是对于理解本发明是有用的。例如,认为探头具有五个同心环形元件20至24。

此处,延迟定律能够将波束聚焦在最大深度处,该最大深度表示为Pmax。Pmax例如为焊缝的底部,焊缝的厚度例如小于或等于40mm。标记tact表示与施加到一组激活元件上的最大延迟对应的激活时间。

如果点F位于比Pmax/3小的深度处,则应用第一聚焦定律。只有中心圆盘20和两个相邻的环21和22在发射波束26期间被激活。环22首先被激活。在小于tact/1.5的延迟之后,环21被激活。最后,在等于tact的时长之后,圆盘20被激活。

如果点F位于介于Pmax/3和2×Pmax/3之间的深度处,则应用第二聚焦定律。只有中心圆盘20和三个相邻的环21至23在发射波束26期间被激活。环23首先被激活。在小于tact/2.3的延迟之后,环22被激活。此外,在小于tact/1.3的延迟之后,环21被激活。最后,在等于tact的时长之后,圆盘20被激活。

如果点F位于比2×Pmax/3大的深度处,则应用第三聚焦定律。全部五个元件20至24在发射波束26期间被激活。环24首先被激活。在小于tact/3的延迟之后,环23被激活。此外,在小于tact/1.6的延迟之后,环22被激活。此外,在小于tact/1.2的延迟之后,环21被激活。最后,在等于tact的时长之后,圆盘20激活。

该示例示出了延迟定律能够将波束26聚焦在三个不同深度处的原理。该原理可以应用于到达其它深度和/或使用不同数量的环形元件和/或修改环形元件各自的尺寸。

图2示出了线性多元探头14。该线性探头14包括波发射构件32。波发射构件32包括多个发射元件34至39。例如存在32个发射元件34至39。发射元件34至39是互相平行、相同且形成矩形的直线元件。

发射元件34至39中的每一个都能够发射基本超声波信号。这些基本超声波信号一起形成横向极化波的超声波束40,并且该超声波束40对应于由超声波发射元件34至39发射的基本超声波信号之和。超声波束40具有介于6MHz和10MHz之间的频率、更特别地介于7MHz和9MHz之间的频率。

特别地,由于超声波束40所穿过的材料的性质,所以上述频率的使用是可行的。事实上,如果材料的晶粒度指数太低,即如果材料的晶粒太大,则横向超声波束40被晶粒反向散射,然后检测到材料的晶粒,而不仅仅是检测到材料的缺陷。对于介于7MHz和9MHz之间的频率而言,材料的晶粒度指数必须大于4。

发射元件34至39或者发射元件34至39中的至少一些发射元件还能够接收反射的声音信号。这些发射元件是收发元件。可选地或者可替换地,波发射元件32包括能够接收反射信号、与发射元件34至39不同的接收元件。

波发射元件32包括元件支撑件,该元件支撑件具有发射表面42,发射元件34至39分布在该发射表面42上。在接收元件与发射元件34至39不同的情况下,这些接收元件也分布在发射表面42上。

在一个实施例中,线性探头14包括用于在垂直于传播方向的平面中聚焦由矩形发射元件34至39所发射的声能量的装置。该用于聚焦声能量的装置例如是机械式的,更特别地是声透镜。声透镜是能够加强超声波束26的设备。声透镜是探头14的元件34至39的特别布置方式:如图3所示,发射表面28具有在尖端处有高点的抛物线形状。然后,发射元件34至39和接收元件具有介于元件的长度的5倍和20倍之间的曲率半径,曲线中心位于元件下方。

检查组件包括靴座44,靴座44能够使线性探头14的元件相对于其上布置该探头14的表面倾斜。

靴座44具有意在放置在待检查的材料的表面上的接触表面46、以及为探头14设置的壳体48。壳体48使得壳体48中放置的线性探头14发射相对于接触表面46的垂线倾斜角度α的波束40。

当具有声弹性属性的介质每次改变时,波束40发生折射。因此,当通过靴座44时,波束40被折射到点F所位于的介质中,计算机16必须将该折射考虑在内以激活线性探头14的元件34至39。在折射之后,波束40相对于接触表面46的垂线倾斜角度β。角度α使得角度β介于30°和75°之间。此外,在靴座的中间的纵波波束40被折射到点F所位于的介质中的横波波束40中。

人们希望获得在点F上聚焦的超声波束40,这样能够直接地或间接地优化工作范围内的灵敏度和分辨率性能。

为了形成在点F上聚焦的超声波束,发射具有时移的基本超声波信号以使得这些基本超声波信号同相地到达点F。这些时移能够将点F聚焦到传播平面中。将通过机械式的声透镜进行的聚焦添加到电子创建的声透镜上,以通过在其工作范围内得到良好控制的波束40获得提高的超声波性能水平。

对计算机16进行编程以确定每个发射元件34至39的延迟定律,并命令发射元件34至39基于发射元件34至39各自的延迟定律发射超声波信号。每个延迟定律确定相关联的发射元件发射的基本超声波信号相对于参考信号的时移。相同的延迟定律也适用于接收元件。

为了说明延迟定律在线性探头14的情况下的操作,下面解释了一个示例。该示例是非限制性的,但是对于理解本发明是有用的。

靴座44使得入射波束在靴座44和待检查的零件之间的接触区域与所述区域的法线形成角度α。如图2中所示,在零件中传输的波束与所述法线形成角度β。靴座44能够使波束40预先倾斜人们希望达到的极值的中间值β,典型地为35°至70°,这是由于围绕标称折射角超过25°的偏差常常会导致不利于检查结果的、具有波瓣阵列的外观的波束变形。

计算机16根据预定的延迟定律采用移位来激活直线元件。当探头直接工作时(即,波束在到达点F之前没有在与探头相对的壁上反射),由直线元件34至39所发射的每个基本波束朝着朝向感兴趣的点F的路径倾斜。

为了将波束聚焦在点F上,发射具有时移的基本超声波信号以使得这些基本超声波信号同相地到达点F。例如,如果探头被放置成使得该探头的元件互相平行并且平行于焊缝的轴线,则最远离焊缝的元件首先被激活,然后探头逐渐靠近地移动,即最靠近焊缝的元件最后被激活。

该示例示出了延迟定律能够以给定角度聚焦波束40的原理。该原理可以应用于达到其它角度和/或通过波束行进的不同距离和/或使用不同数量的直线元件(例如32个)。

在图7示出的本发明的一个实施例中,点F所属的材料具有内表面50,超声波束40在该内表面50上被反射。然后探头间接地工作。延迟定律适于考虑到该反射和所反射的超声波束40行进的新的距离来将超声波束40聚焦在点F上。

现在将参照图4至图8来描述用于采用以上描述的检查组件来检查焊缝的方法。

待检查的焊缝52连接两个元件53和54。例如,该焊缝位于弯头处或出铁孔(piquage)附近。因此,元件54不能在其外表面具有探头。可替换地,可以仅在元件54的与焊缝52的轴线相距小于或等于给定距离的表面上布置探头,该距离与焊缝宽度的一半、例如大于或等于10mm的边缘以及探头的体积对应。例如,对于小于或等于40mm的壁厚度而言,该距离大致等于80mm。

此外,探头可以布置在与焊缝52的轴线相距大于或等于如下距离处的表面53上,该距离覆盖间接扫描给定角度(典型地大致等于60°)所需的回缩(retraction)、焊缝宽度的一半、探头的体积以及边缘。例如,对于小于或等于40mm的壁厚度而言,针对具有小于或等于50mm的宽度和10mm的边缘的焊缝,该距离大致等于200mm。

在检查之前,使焊缝52平整,以使得元件53和54的外表面以及焊缝52的外表面对齐。

典型地,该检查组件包括一个环形探头12和三个线性探头14、以及能够控制这四个探头的元件的计算机16。

每个探头12、14具有图4中示出的全局运动(global movement)。元件53和54是管道并且焊缝52主要在平面P中延伸。探头最初位于元件53的外表面56上。探头12、14在距焊缝52给定距离处、针对元件53沿平行于平面P的平面进行一次旋转(或者随后在焊缝52上方进行一次旋转)。在执行了完整旋转之后,探头12、14按规定间距(例如大致等于1mm)、沿着垂直于焊缝平面P的方向以及从元件53到元件54偏移,并且进行另一次旋转,依此类推直到波束采用给定间距行进了整个焊缝。

可替换地,如图5所示,每个探头12、14具有如矩形信号的全局运动。探头最初位于元件53的外表面56上。探头12、14朝向焊缝52移动并且甚至可以穿过焊缝52的表面。然后,探头12、14在其位于的平行于焊缝平面P的表面上按规定间距(例如大致等于1mm)偏移。接着,探头12、14远离焊缝52朝向元件53移动到其距焊缝52的初始距离处。最后,探头12、14按与之前相同的间距、沿着与之前相同的方向并以与之前相同的方式偏移。重复进行上述这些步骤直到针对元件53进行了完整旋转。

图6至图8示出了每个探头行进的平面的剖视图。

在所有示出的实施例中,探头12、14沿单个方向从元件53朝向元件54移动。

环形探头12最初位于元件53的距焊缝52特定距离(例如小于25mm)的外表面56上,图6中示出了环形探头12的行进平面。如参照图4所描述的,探头12针对焊缝52进行一次旋转。在每个位置中,探头12连续发射多个时移的并且聚焦在多个深度处的波束26。只要探头12的出射速度和声学现象远大于探头12的移动速度,则该操作就是可行的。因此,所有信息可以得到恢复。然后,垂直于焊缝并沿着从元件53至元件54的方向(表示为X)将探头12偏移一个间距(例如等于1mm)。重复该步骤直到环形探头12到达元件54或位于元件54上、与焊缝52相距大致等于或小于初始距离的距离处。

环形探头16的环形元件20至24基本上垂直于焊缝52的平面P。

在另一替换实施例中,在距焊缝52的每个距离处,探头12针对焊缝52进行第一次旋转,同时将波束26聚焦在特定的深度处,然后进行第二次旋转同时将波束聚焦在另一深度处,针对每个所需的深度依此类推。在另一实施例中,对于距焊缝52给定的距离,在特定深度处进行单次旋转,并且针对不同的深度重复整个方法。

在图7和图8中,焊缝52在两个互相平行的平面P’和P”之间延伸,以使得P’、P”中的至少一个点分别在元件54、元件53处分别属于焊缝52。然后,P为平面P’和P”的中间平面。

线性探头14被放置在元件53的外表面56上、具有两个可能的方向。在一种情况下,探头14的线性元件34至39基本上垂直于焊缝52的平面P,即线性元件34至39是沿轴线X的。这能够检测焊缝52的纵向缺陷。在另一种情况下,线性探头的线性元件34至39基本上平行于焊缝52的平面P。这意味着线性元件34至39是沿探头14的运动轴线、绕管道53、54旋转的。这能够检测横向缺陷。

线性探头14发射超声波束40,该超声波束40在离开靴座44时折射之后沿角度β定向。为了简化解释,虽然在图7和图8中没有示出或描述超声波束40在每次介质改变时的折射,但是在计算探头14的探测平面时必须将其考虑在内。

在图7中,在波束到达管道的内表面之前,波束40聚焦在点F处。线性探头14最初被放置在元件53的距焊缝52一定距离的外表面56上,以使得焦点F包括在平面P’中。

如参照图4所描述的,探头14针对元件53进行一次旋转,然后垂直于平面P’和P”并沿着从元件53到元件54的方向(表示为X)偏移一个间距(例如等于1mm)。

重复该步骤直到焦点F位于平面P’中或者直到探头14到达平面P’。

类似于参考环形探头12的,线性探头14能够从一个位置连续地发射在不同距离处聚焦的多个波束40,探头14的移动速度远小于探头14的出射速度和声学现象。然后,选择探头14的初始点以使波束40的焦点的集合位于平面P”上或者元件43处。可替换地,探头14发射具有给定焦距的单个波束,并且针对不同的焦距重复整个方法。

例如,针对介于35°和70°之间的不同角度β,重复整个方法。

然而,使用超声波束进行的检测不能检测基本上沿波束的轴线的缺陷。因此,将没有必要通过该探测方案来检测焊缝的主要沿着具有与图6的波束(在35°和70°之间倾斜)相同方向的轴线延伸的缺陷。

图8中示意性示出的探测方案也需要沿角度β定向的线性探头14。计算机16计算延迟定律以使得在波束40在元件53的内表面50上反射之后波束40被聚焦在点F上。

线性探头14最初被放置在元件53的距焊缝52一定距离的外表面56上,以使得焦点F包括在平面P’中。

如参照图4所描述的,探头14针对元件53进行一次旋转,然后垂直于平面P’和P”并沿着从元件53到元件54的方向(表示为X)偏移一个间距(例如等于1mm)。

重复该步骤直到焦点F位于平面P’中或者直到探头14到达平面P’。

类似于参照图7的,线性探头14能够从一个位置连续地发射在不同距离处聚焦的多个波束40,探头14的速度远小于探头14的出射速度和声学现象。然后,选择探头14的初始点以使焦点的集合位于平面P”上或元件43处。可替换地,探头14发射具有给定焦距的单个波束,并且针对不同的焦距重复整个方法。

例如,针对介于35°和70°之间的不同角度β,重复整个方法。

使用该方法得到的数据能够精确地在焊缝的整个体积上对缺陷定尺寸、以及定位并表征这些缺陷。

检查组件能够例如使用精细的采集间距(例如大约一毫米)、和/或具有多个入射的检查方法的实施来获得检测数据的冗余。这种数据冗余对所要求保护的性能水平是必要的。

例如,环形探头特别适用于对诸如固态和气态包含物之类的体积缺陷、以及例如平行于其上放置探头的表面的缺陷进行成像,这是由于当尤其是通过使用反射生产焊缝时,在通道之间缺少熔合。环形探头还适用于通过使用折射来表征平面型缺陷,诸如裂纹或缺少熔合,尤其是它们的位置、它们的延伸深度、它们是否全部贯通、它们的方向等等。

例如,线性探头特别适用于对位于焊缝周围或焊缝中的表面之一的水平处的平面型缺陷进行成像。线性探头还能够对体积型缺陷进行成像。

这种冗余能够改进对小缺陷的检测,即等同于根据RCC-M规范第四卷第7000节“产品焊接(Production welds)”(§7724.3)的、当前有效的1级、包括当其中一个表面不易于接近时的射线照相技术。采用该检查组件进行检测的可靠性例如可与在使用射线照相技术完成的检查方面获得的可靠性相提并论。

该方法对于沿着单个探测方向检查核反应堆的焊缝是可靠的。所实现的性能水平例如为根据RCC-M规范第四卷第7000节“产品焊接(Production welds)”(§7724.3)的、当前有效的1级。

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