专利名称：接合夹具、接合装置以及接合方法
技术领域：
本发明涉及在通过扩散接合法连接如金属管道等棒状体的被接合部时，适合的接合夹具与接合装置，以及接合方法。并且，本发明还涉及用于探查由扩散接合法形成的接合面缺陷的超声波探测方法及其装置。
图28所示为在设备等中使用的火炉壁结构的例子。所述壁由以小间隔、并列竖立设置的多根钢管1及在各钢管1间设置的散热片2一体构成。
在所述钢管1发生损伤3而必须进行接合等修补的情况下，由于各钢管1间间隔较小，因此，操作者很难从炉外接近朝向损伤3的炉内侧的部分。因此，为了能够不但从炉外而且还能够由炉内接近损伤3，以往，如图29和图30所示，在炉内安装脚手架101后，进行焊接作业。然而，由于要花费时间进行脚手架101的安装，因此存在修补作业需要很长时间的问题。
以往，在钢铁等金属材料的接合中，如图32所示，广泛采用了熔融焊接法，该方法是在母材250上切V形槽，并在切槽产生的断面间进行堆焊焊接。作为检测堆焊焊接部中的焊接缺陷F的方法，一般采用超声波发射器件和接收器件为一体的P／S脉冲信号探头(Pulse Signal Probe)型超声波探测器，如图32所示，超声波垂直入射到焊接面，捕获经相同路径反射的超声波以检测焊接缺陷。在这种接合法中，由于切槽需要花费时间，且焊接部会变形或由热引起组织变化，因此，为了确保焊接部的可靠性，则需要高度熟练的技能并增加经济负担。
近来，作为解决上述问题的手段，扩散接合法引起了人们的注意，在该方法中，在接合面夹有易扩散的金属薄片夹层，以几乎不会产生塑性变形的程度对接合面附近进行高温加热、加压，从而使原子在接合面间扩散以进行接合。扩散接合法的优点在无需特殊技能便能有效地进行作业，也不会引起接合面外形的变化，而且不会产生组织变化，并能获得组织均匀的接合面(参见特开昭62-97784)。
这样，作为嵌入式金属液相扩散接合法的一种，曾经提出了使用非晶态薄片的非晶态接合法。下面，对该非晶态接合法进行简单说明，以利用含有降低融点的元素-硼的非晶态薄片来连接钢管的情况为例。非晶态薄片为急冷凝固的薄膜片，其厚度约为25μm。
首先，在钢管的接合面间插入与钢管(母材)相似的成分且含有硼的非晶态薄片。并且，加热到小于母材融点且大于非晶态薄片融点的温度，这时，非晶态薄片中的硼扩散到母相中，使母相融点下降，使母相熔化。然后，在保持所述加热状态时，通过硼的进一步扩散，母相中硼的浓度降低从而使母相融点上升，由此母相逐渐固化而形成最终接合。
该接合法的优点在于接合时间短，接合装置结构简单，加热温度低于以前的焊接温度。
下面，利用图31对实施所述非晶态接合法的装置加以简要说明。
首先。在处于钢管1的被接合部34的接合端部间插入非晶态薄片72。接着，通过规定的夹具(图中未示出)夹持上下钢管1，且沿箭头方向施力以对被接合部34加压。在被接合部处于加压状态下，由高频加热线圈104进行高频加热。高频加热线圈104以大于非晶态薄片72融点且小于钢管1融点的温度加热被接合部34。由此，进行上述非晶态薄片接合。
但是，以往的装置不是以对具有上述较小间隔设置的多根钢管1进行接合为前提的。也就是说，在可确保钢管1侧部具有充分的作业区域的场合，虽然能通过上述装置来接合钢管，但是，在钢管1以具有较小间隔多根配置的情况下则会产生这样的问题，即在钢管1周围不能保证有充分的作业区域，不能在钢管1上设置高频加热线圈等装置。
另一方面，在扩散接合法中，由于接合面是相对于材料面垂直形成的，故在检测由扩散接合法形成的接合面的焊接缺陷F时，超声波不能垂直入射到接合面。因此，不可能使用超声波发射器件和接收器件一体的P／S脉冲型超声波探测器。作为以往的使用P／S脉冲型超声波探测器的方法，如图33所示，通过以一定角度切断接合面，且对准所述接合面，可使超声波垂直入射至接合面上(特开平6-63771)。但是，由于该方法中切断母材较难，因此并不实用。
在进行垂直于母材表面形成的接合面的超声波探测中，如图34所示，可通过分离超声波发射器件和接收器件后将其装配在两个探头的双探头法进行。在双探头法中，使超声波发射器件与接收器件分离，在母材内反射超声波且以相对于接合面以规定角度射出超声波，在母材内再次反射由接合面反射的超声波并由接收器件捕获所述超声波。
但是，以往的双探头法的问题在于由于母材内的超声波传播路径变长，多次反射大大减弱了超声波，并且，由于每次反射均会产生噪音，因此，降低了对微小缺陷的检测灵敏度，故不实用。
鉴于以上问题，本发明的目的在于提供即使在不能确保如钢管等棒状体侧部具有充分作业区域的情况下，也能在棒状体上设置夹具部和加热体的接合夹具及接合装置，及接合方法。并且，本发明的另一目的在于提供一种在进行单一原材料加工的扩散接合面的超声波探测方法中，可大幅度改善缺陷检测能力的方法及实现该方法的装置。本发明的再一目的在于特别提供适于探查钢管扩散接合部的接合缺陷的超声波探测器。
本发明的接合夹具设有包围棒状体被接合部且对被接合部加热的加热体、和配置在被接合部两侧同时保持对被接合部加压的第一夹具部和第二夹具部，通过第一和第二夹具部来约束棒状体，同时通过加热体加热接合所述被接合部，其中，第一和第二夹具部、及加热体从棒状体一侧向另一侧且绕所述棒状体外周滑动装配。并且，棒状体可为钢管等管状体，也包括实心棒。
在通过第一和第二夹具部约束棒状体且通过加热体加热接合所述被接合部的本发明接合夹具中，第一及第二夹具部从棒状体一侧向另一侧且绕棒状体外周滑动装配，在加热体中，加热线圈包围棒状体设置，加热线圈各自具有弯曲部，这些弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于外径的开口部。
在这种情况下，所述第一和第二夹具部、及加热体为筒体形状，同时，最好由沿所述筒体形状轴线方向分割的多个分割体构成。另外，分割体的数量可以是两个以上的任意数量，且分割体的尺寸也是任意的。所谓筒体形状只要是包围棒状体的形状即可，不言而喻，可以是圆筒形状，也可包括具有方形断面的筒体形状。
所述第一和第二夹具部、及加热体最好设置绕棒状体外周滑动时用于保持的保持手柄。
在加热体上设置冷却管及保护气体供给管。所述冷却管及保护气体供给管均具有弯曲部，这些弯曲部最好弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述棒状体外径的开口部。
加热体最好由多根保护气体供给管，多根冷却管，及多个加热线圈叠置而成。在这种情况下，由于多根保护气体供给管，多根冷却管及多个加热线圈是叠置而成的，因此，可根据棒状体上被接合部的状况适当组装这些部件。
并且，本发明的接合装置设有所述接合夹具、对第一和第二夹具部加压的加压装置、对加热体供给电力的电源。
本发明的接合方法包括在棒状体被接合部的接合端部间配置钎料的钎料配置阶段；将第一夹具部和第二夹具部配置在被接合部两侧，并将它们装配在棒状体上的夹具部装配阶段；装配包围被接合部的加热体的加热体装配阶段；一面通过第一和第二夹具部加压被接合部，一面通过加热体加热被接合部以进行接合的接合阶段，其中，夹具部装配阶段包括从棒状体一侧向另一侧且绕棒状体外周滑动设置第一和第二夹具部的阶段，加热体装配阶段包括从棒状体一侧向另一侧且绕棒状体外周滑动设置加热体的阶段。
在本发明的上述接合方法中，在加热体中，设置加热线圈，冷却管及保护气体供给管，所述冷却管，保护气体供给管及加热线圈均具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述棒状体外径的开口部，另外，加热体装配阶段具有使所述平面大致平行于棒状体竖立设置方向，并推进加热线圈、冷却管及保护气体供给管且从棒状体前侧向背侧导引弯曲部的阶段，及通过以与所述竖立设置方向交叉的方式转动所述平面以使所述弯曲部包围所述被接合部的阶段。
另外，所述接合阶段最好包括加热棒状体、通过棒状体的热膨胀减少被接合部的接合端部间间隔距离的阶段。并且，所述钎料配置阶段也可包括在所述接合端部配置插入体，且在所述插入体和所述各接合端部之间配置钎料的阶段。
在本发明的发射器件和接收器件分离的双探头法中，相对于材料内部探测面、以规定角度直接入射超声波，捕捉在材料内作一次反射的反射超声波，通过使发射器件与探测面的距离以及发射器件和接收器件的距离作适当地改变，从而能够发现沿垂直于材料面的方向存在的内部缺陷。
作为在所述方法中使用的装置，在本发明中，在一个支座上设有发射器件和接收器件分离的超声波探测装置，其中发射器件具有从样品表面向内部的垂直于样品表面的探测面以规定角度发射超声波的结构，接收器件具有从样品表面接收反射的超声波的结构，发射器件和接收器件可在样品表面上相对于垂直于样品表面的被测定断面成直角的方向任意移动，且可任意改变发射器件和接收器件的间隔。
在所述超声波探测装置中，作为用于高效进行管材超声波探测的附属装置，设有装配在探测装置支座、可在管材周围移动的辊；磁铁，所述磁铁在进行钢管探测的情况下，能总是将超声波装置吸附在钢管上以防止其落下；以及用于控制(把握)管材周围移动距离的编码器。并且，为了易于进行管周的探测，在探头信号线及编码器信号线中可使用被与管径记忆了相同曲率的形状记忆合金。
附图的简要说明如下
图1描述了本发明的第一实施例，其为描述将接合装置装配在钢管上的状态下的立体图；图2描述本发明第二实施例的接合夹具的正面图；图3为描述图2中所示的上部夹具部周边细节的平面图；图4为描述图2中加热线圈的平面图；图5为描述图4中加热线圈的侧面图；图6A为说明本发明加热线圈装配方法的视图，其为描述使加热线圈滑动状态下的平面图；图6B为说明本发明加热线圈装配方法的视图，其为说明将加热线圈设置在固定位置的平面图；图6C为说明本发明加热线圈装配方法的视图，其为说明将加热线圈设置在固定位置的平面图；图7为说明本发明第三实施例中接合夹具的正面图；图8为说明在轴线方向切断图7中接合夹具的断面图；图9为说明图7中加热线圈的平面图；图10为构成图7中冷却管的U字管的平面图；图11为构成图7中冷却管的コ字状管的平面图；图12为说明图7中保护气体供给管且具有一部分断面的平面图；图13为说明装配了图10和图11中管的状态的平面图14A为立体图，其描述了将图10中的U字管装配在钢管上的方法，显示弯曲部插过钢管间的状态；图14B为立体图，其描述了将图10中的U字管装配在钢管上的方法，显示转动弯曲部的状态；图14C为立体图，其描述了将图10中的U字管装配在钢管上的方法，显示拉回弯曲部的状态；图15A为立体图，其描述了将图12中的保护气体供给管装配在钢管上的方法，显示使弯曲部处于钢管侧部的状态；图15B为立体图，其描述了将图12中的保护气体供给管装配在钢管上的方法，显示转动弯曲部以使其绕钢管外周设置的状态；图16A为正面图，其描述了本发明的接合方法，显示将接合夹具设置在上部被接合部的状态；图16B为正面图，其描述了本发明的接合方法，显示接合上部被接合部的状态；图16C为正面图，其描述了本发明的接合方法，显示在下部被接合部产生间隙的状态；图16D为正面图，其描述了本发明的接合方法，显示将接合夹具设置在下部被接合部的状态；图16E说明本发明的接合方法，是接合作业结束状态的正面图；图17为将嵌条装配在接合端部间的状态的正面图；图18为说明本发明检测方法的图；图19是说明本发明检测方法的实施例的附图；图20为测定精度确认试验的概况的视图；图21为说明缺陷尺寸与反射回波高度关系的视图；图22A为说明本发明中反射回波实施例的视图；图22B为说明本发明中反射回波实施例的视图；图23为说明本发明中超声波探测装置的一个实施例的平面图；图24为图23中所示装置的正面图；图25为图23中所示装置的侧面图；图26为描述本发明中超声波探测装置的另一实施例的平面图；图27为描述图26中所示装置的侧面图28为描述火炉壁中一部分的立体图；图29为描述在炉内装配脚手架的状态的概略图；图30为描述从炉体及炉外进行钢管焊接作业状态的概略图；图31为描述以往的非晶态接合法的概况的正面图；图32为描述以往焊接接合中的检测方法的视图；图33为显示改进的扩散接合面的检测方法的视图；图34为以往检测方法应用于扩散接合面的视图。
实施例1图1所示为本发明接合装置的第一实施例的概略立体图。
符号1为钢管(棒状体)，符号2为连接各钢管1的肋板。在该图中，设置在中央钢管1两侧的肋板2的一部分被除去。所述除去部分是为了在修补时能将后述加热体等装配在被接合部而以规定方法除去的。在除去了肋板2的部分钢管1上设有接合夹具4。接合夹具4设有上部夹具部(第一夹具部)6、下部夹具部(第二夹具部)7以及设置在所述上、下夹具部6，7之间的加热体9。在加热体9上设有连接头10，在所述连接头10上设有用于测定被接合部附近温度的温度计11。
通过图中未示出的液压装置(加压装置)向相互接近的方向对上部夹具部6和下部夹具部7进行加压。
虽然图1中未示出，但在加热体9中设有用于通过高频加热对被接合部进行加热的高频加热线圈，用于冷却所述加热线圈的冷却管，及保护气体供给管，其用于导入防止被接合部氧化的氩等保护气体。通过用于阻抗匹配的匹配变压器12，由高频电源13对加热线圈供给电力。
在高频电源13的侧部设有用于冷却匹配变压器12的水冷却装置15。在高频电源13上部装配有控制器17，其可根据温度计11的输出值控制供给电力等。
具有上述结构的上部夹具部6，下部夹具部7及加热体9从图1可知，在符号A所示的位置处可沿轴向分离，在本实施例中，它们为一分为二的分割体。
下面，对利用上述装置的钢管1的接合方法进行说明。
首先，将上夹具部6和下夹具部7设置在被接合部(图中未示出)的两侧，并使它们相对钢管1固定。在这种情况下，由于上、下夹具部6，7为分割体，因此它们通过具有小间距的钢管1，1之间，从钢管1前侧(一侧)至后侧(另一侧)且沿钢管1外周滑动设置。另外，虽然图中未示出，但含硼、厚度约为25μm的非晶态片(钎料)介装于钢管1的被接合部的连接端之间。
接着，将加热体9装配在上部夹具部6和下部夹具部7之间，并包围被接合部。由于同上、下夹具部6，7一样，加热体9也是分割体，因此，也通过具有小间距的钢管1，1之间、从钢管1前侧至后侧且沿钢管1外周滑动设置。另外，在第二实施例中对分割体的结构与其装配方法将作进一步详细说明。进而，将连接头10安装在加热体9上，使其处于可由高频电源13供给电力的状态。
之后，通过液压装置，沿缩小上、下夹具部6，7间间距的方向使所述夹具部6，7产生位移，从而对钢管1的被接合部进行加压。在这种状态下，在由高频电源对加热体9的高频线圈供给电力时，被接合部由高频加热来加热。这时，通过温度计11监控接合部附近的温度，同时利用控制器17调节供给电力。
这样，被加热至融点以上的非晶态片融化，从而实现了上述非晶态接合。
下面，利用图2-图6说明本发明的第二实施例。
图2为描述第二实施例中接合夹具4的正面图。另外，在下面的实施例中，在各实施例中相同的部件使用了相同的符号。
图2给出了上夹具部6，下夹具部7及加热体9装配在钢管1上的状态。上夹具部6被固定在用于上部夹具的座20上(参见图3)，用于上部夹具的座20通过设置在左右两侧的臂22，22连接在下部座24上。设置在钢管1左右两侧的二个轴体25，25固定在用于上部夹具的座20和下部座24之间。这些轴体25，25相对于固定在下部夹具部7、用于下部夹具的座27可自由移动地插通(参见图2)。即，用于下部夹具的座27及下部夹具部7可相对于轴体25，25移动。
如图3所示，上部夹具部6由后侧分割体6a和前侧分割体6b构成。后侧分割体6a为大致对开的圆筒形状。所述后侧分割体6a通过螺栓28，28固定在用于上部夹具的座20上。即，后侧分割体6a通过紧固螺栓28，相对于上部夹具用的座20夹紧钢管1。
前侧分割体6b通过螺栓29固定在用于上部夹具的座20上，同时，抵靠在钢管1侧部。所述前侧分割体6b的内周面具有与钢管1外周面相吻合的形状。通过所述后侧分割体6a和前侧分割体6b夹持钢管1。
并且，保持用手柄30可自由转动地装配在后侧分割体6a上端。操纵者通过握住所述保持用手柄30的手把30a能够保持后侧分割体6a。
下部夹具部7及用于下部夹具的座27的结构基本上与上部夹具部6和用于上部夹具的座20相同。只是，在下部夹具用的座27上，固定有液压螺旋缸32，这一点是不同的。并且，所述液压螺旋缸32也固定在下部座24上。通过所述液压螺旋缸32，沿离开下部座24的方向(在图中上方)挤压下部夹具用的座27及下部夹具7。在进行所述挤压时，由于下部座24是通过臂22和用于上部夹具的座20连接在上部夹具部6上的，因此，上部夹具部6和下夹具部7沿接近的方向被驱动。即，在夹持在上、下夹具部6，7中后，钢管1的被接合部34被加压。
下面，利用附图4和图5对包围被接合部34而设置的加热体9进行说明。
图4为描述加热体9及连接在所述加热体9上的L型臂37的平面图。在图中，加热体9以包围钢管1的方式设置。加热体9由后侧分割体9a和前侧分割体9b构成。如图5所示，所述后侧分割体9a和前侧分割体9b通过螺栓38，38相互固定。保持用手柄30可自由转动地装配在后侧分割体9a上端。操纵者可通过握住所述保持用手柄30的手把30a保持后侧分割体9a。
在加热体9内部设有供给冷却水的冷却管，供给用于防止被接合部氧化的氩等保护气体的保护气体供给管，高频加热线圈等(图中未示出)。
在图4和图5中示出了冷却管40及保护气体供给管41的露出部分。更详细地说，如图5所示，冷却管40由冷却加热体9图中右下部的右下部冷却管40a，冷却右上部的右上部冷却管40b，冷却左下部的左下部冷却管40c，冷却左上部的左上部冷却管40d构成。并且，同样，保护气体供给管41由在加热体9右下部吹入保护气体的右下部保护气体供给管41a，在右上部吹入保护气体的右上部保护气体供给管41b，在左下部吹入保护气体的左下部保护气体供给管41c和在左上部吹入保护气体的左上部保护气体供给管41d构成。另外，冷却水及保护气体的流动方向由图中箭头所示。
L型臂37为导电体，且其相对于加热体9的反向侧端部电连接在高频电源43上。因此，向高频加热线圈的电力供给是通过L型臂37进行的。并且，由于所述L型臂37是固定在高频电源43上的，因此，其单悬臂地支承加热体9。
下面，利用附图6对将加热体9装配在钢管1的方法加以说明。
首先，操纵者通过握住装配在后侧分割体9a的保持用手柄30的手把30a保持后侧分割体9a。并且后侧分割体9a绕钢管1外周、从钢管1前侧至后侧滑动(图6A)使后侧分割体9a通过钢管1和钢管1之间。
进而，使后侧分割体9a滑动，以使其移动至固定后侧分割体9a的位置(图6B)。
然后，从钢管1的前侧，以与后侧分割体9a相吻合的方式设置前侧分割体9b后，由螺栓38固定(图6C)。
这样，将加热体9制成分割体9a，9b能够使其滑动通过钢管之间。也就是说，即使钢管1和相邻钢管1之间的间隙狭小，只要分割体半径方向的厚度小于上述间隙，也能够实现滑动通过。
另外，由于使保持用手柄可自由转动地装配在后侧分割体9a上，因此操纵者仅在钢管1的前侧便能使后侧分割体9a由钢管1前侧向后侧设置。即，操纵者不必绕至钢管1后侧。另外，不言而喻，上述装配方法也同样适用于上、下夹具部6、7等。
利用图7-14来说明本发明的第三实施例。
图7为说明第三实施例中接合夹具4的正面图。对于该接合夹具4而言，上夹具部6，下夹具部7，臂部22及液压螺旋缸32的结构与图2中说明的接合夹具4相比，除上下方向反转外，其它均是相同的，故省略了对它们的说明。即，上、下夹具部6，7的装配方法与第二实施例相同。
由图7和图8可知，本实施例的加热体9由多个高频加热线圈45、多个冷却管46及多个保护气体供给管47叠置地构成。在这种情况下，冷却管46叠置在叠置而成的加热线圈45的上下，且保护气体供给管47叠置在冷却管46的上下部。并且，多个电绝缘垫圈49叠置在加热线圈45和冷却管46之间。
如图9所示，加热线圈45为具有弯曲部45a的铜制U字管，在U字管内部可流动有冷却水。弯曲部45a以具有略大于钢管1外径的内径，且具有大于上述外径的开口部45b的结构在一平面内弯曲形成。弯曲部45a设置在钢管1的后侧，铜板51设置在钢管1的前侧。从图9中可知，所述铜板51被分为左右两部分，左右铜板51分别电连接在加热线圈45的左右直线部45c。并且，钢管1的整个圆周由所述弯曲部45a和铜板51包围。
冷却管46由U字管53(参见图10)和コ字形管54(参见图11)构成。U字管53具有弯曲部53a，弯曲部53a以具有略大于钢管1外径的内径，且具有大于上述外径的宽度W1的开口部53b的结构在一平面内弯曲形成。
コ字形管54由在图11中、沿左右方向延伸的第一管55，第二管56及连通所述第一管和第二管、在图11中沿上下方向延伸的连接管57构成。在第一和第二管56，56右侧端分别安装板件58，58，通过所述板件58防止在管内流动的冷却水流出。板件58倾斜装配，通过所述板件58，58与连接管57的组合装配，形成沿钢管1外周的装配(参见图13)。
コ字形管54的第一管55外侧与第二管56外侧之间的宽度W2小于U字管53的开口部53b的宽度W1。因此，如图13所示，可将コ字形管54插入U字管53内侧，而将U字管53和コ字形管54组装在一起。在这种组装状态下，通过U字管的弯曲部53a，コ字形管54的板件58，58及连接管57包围了钢管1的整个圆周。
如图12所示，保护气体供给管47对称装配有相同形状的两个管。这些管具有弯曲部60，弯曲部60以具有略大于钢管1外径的内径，且大于上述外径的开口部61的结构在一平面内弯曲形成。在弯曲部60端部分别装配有板件62，通过这些板件62防止管内流动的保护气体的流出。保护气体从形成在弯曲部60内周侧的多个孔64吹出。
下面，利用图14说明将构成图10所示的冷却管46的U字管53绕钢管1外周装配的方法。
首先，使含有U字管53的弯曲部53a的一平面大致与钢管1的竖立设置方向平行后，推进U字管53(参见图14A)。这样，使其通过钢管1和钢管1之间，从钢管1前侧向后侧导引弯曲部53a。
接着，以与钢管1的竖立设置方向交叉的方式使所述平面转动大致90°(参见图14B)。
然后，将U字管53拉回，从而使弯曲部53a包围钢管1的外周而设置(参见图14C)。
通过重复这一操作，能够将多个U字管叠置在钢管1的外周而设置。
这样，由于U字管53的弯曲部53a形成在一平面内，因此，只要使该平面平行于钢管1的竖立设置方向通过钢管1侧面，则即使钢管1周围的间隙不太大，也能够使弯曲部53a通过。也就是说，只要有U字管53管径大小的间隔，就能使弯曲部通过。
并且，由于弯曲部53a具有大于钢管1外径的开口部53b，因此，通过开口部53b能够使弯曲部53a的内周接近钢管1，所以钢管1可由弯曲部53a包围。
另外，在图14中，虽然以用于冷却管46的U字管53为例作了说明，但由于加热线圈45也同样是由U字管构成的，因此可以与U字管53同样以包围钢管1的方式进行装配。
下面，利用附图15，对将图12所示的保护气体供给管47绕钢管1外围装配的方法进行说明。
首先，使含有保护气体供给管47的弯曲部60的一平面大致与钢管1的竖立设置方向平行后，推进保护气体供给管47(参见图15A)。使弯曲部60前进至钢管1的侧面并处于钢管1和钢管1之间。
其后，以与钢管1的竖立设置方向交叉的方式使所述平面转动大致90°(参见图15B)。这样，就使弯曲部60内周侧接近钢管1的外周设置。
通过在钢管1左右两侧进行这一操作，可使保护气体供给管47包围钢管1的整个周部。并且，通过以在上下方向上重叠的方式重复进行上述作业，能够将多个保护气体供给管47重叠设置在上下方向上。
在这种情况下，由于保护气体供给管47具有沿弯曲部60的插入方向分割的对开形状(参见图12)，因此不必进行象U字管那样令弯曲部通过后将其拉回装配的工序。即，在使保护气体供给管47插入钢管1和钢管1之间后，仅需在弯曲部60位于钢管1侧部的状态下使其转动大致90°，便能以使弯曲部60包围钢管1的方式设置。
下面，作为第四个实施例，用图16对使用了本发明接合夹具的其它接合方法加以说明。
首先，在除去修补部分周边的钢管1的同时，也除去侧部肋板2，以能够安装接合夹具4。接着，在安装上比钢管1的除去部分长度稍短的新管66后，将接合夹具4装配在设有非晶态片(图中未示出)的上部被接合部34a上(参见图16A)。
并且，一面通过上、下部夹具部对上部被接合部34a加压，一面由加热线圈加热，从而进行非晶态接合(参见图16B)。
在这种状态下，在下部被接合部34b的连接端部间会产生规定量的间隙(相隔间距)G(参见图16C)。
接着，在将加热器68装配在新管66上的同时，将接合夹具4装配在带有非晶态片的下部被接合部34b上。并且，通过加热器68加热新管66，使新管66产生热膨胀，从而减小在下部被接合部34b上产生的间隙G。在这种状态下，通过接合夹具4可进行非晶态接合(参见图16D)。
之后，取出加热器68和接合夹具4，完成钢管1的修补作业(图16E)。
并且，对于加热器68而言，也可采用与图6所示的第二实施例中加热体9相同的分割形式，通过设置保持用手柄，能够滑动设置在新管66上。不言而喻，也可采用与图9中第三实施例的加热线圈45相同的U字管。
另一方面，如图16C所示，对于在下部被接合部34b上产生的间隙G较大的情况下，可采用图17所示的方法。
图17为描述由加热线圈45包围的钢管1的被接合部34的概略图。在被接合部34的连接端间设有嵌条(插入体)70及设置在嵌条70两侧的非晶态片72，72。嵌条70的轴向长度填补了间隙G，特别应以小于加热线圈45轴向长度的方式设置。并且，嵌条70的断面形状及材料与钢管1相同。
如图17所示，在将具有能填补间隙G的长度的嵌条70插入连接端间的情况下，不必如图16D所示由加热器68产生热膨胀，并且，即使使用了加热器68，也不必对钢管施加过度的热量。
下面，对用于探测由上述扩散接合方法造成的接合面中缺陷的方法及装置进行说明。
图18为用于说明本发明方法的超声波探测原理的附图。
在图18中，厚度为T的被探测材料250为在R点处、具有与被探测材料250的表面250a成直角的接合面J-J的扩散接合产物，假定从表面250a对产生在接合面J-J的缺陷进行探测。
在图18所示状态中，假定发射探头203的超声波发射点P在自探测表面250a与接合面J-J的交点R移动了距离Y1的点探测到缺陷F，而由接收探头204在离点P距离L的点S处捕捉到反射的超声波。在这种情况下，发射的超声波以与接合面J-J成θ度的角度直接入射至探测面且在F点反射，之后，在被探测材料250内部的另一个表面(内表面)250b上的点Q处作一次反射，到达接收探头204。在本发明中，为了尽可能地防止反射所造成的衰减，在被探测材料250内部，将发出的超声波直接射向探测面是十分重要的。
在图18中设定T板厚d从被探测材料表面至缺陷的深度L发射探头与接收探头的距离θ超声波入射角Y1接合面与发射探头的距离Y2接合面与被探测材料内表面的反射点的距离Y3被探测材料内表面的反射点与接收探头面的距离Y4接合面与接收探头面的距离则Y1=d·tanθY2=(T-d)·tanθY3=T·tanθY4=Y2+Y3根据以上公式，在发射探头和接收探头的距离L与被探测材料表面至缺陷的深度d之间下述关系成立L=Y4-Y1=Y2+Y3-Y1=(T-d)·tanθ+T·tanθ-d·tanθ= 2·(T-d)·tanθ……(1)并且，发射探头和接收探头的距离L与接合面和发射探头的距离Y1间下述关系成立L=2·(T·tanθ-Y1)……(2)在使发射探头203从接合面J-J移动Y1情况下的反射回波，能够在发射探头203和接收探头204的距离离开L的位置处检测出，L和Y1的关系为上述式(2)的关系。
并且，通过使发射探头203从接合面上的点R顺序移动，能够顺序探测出沿接合面J-J、存在于被探测材料250厚度方向的内部缺陷。图19为说明这种状态的附图。图19给出了内部缺陷F1在深度d1位置处，内部缺陷F2在深度d2位置处的情况。发射探头203和接收探头204的距离L在检测内部缺陷F1时为L1，在检测内部缺陷F2时为L2。在接合面和发射探头203间的距离Y1(代之以t)与发射探头203和接收探头204间的距离L之间满足上述式(2)所示的关系。
如图19所示，检测内部缺陷F1时、接合面J-J与发射探头203间的距离为t1；检测内部缺陷F2时，接合面J-J与发射探头203间的距离为t2。因此，若顺序移动发射探头203和接收探头204，则能探查出从表面起任意深度处是否存在缺陷。并且，从图19可知内部缺陷所处位置距离表面越深，发射探头203和接收探头204间的距离L就越短。如果采用这种方法，虽然能探测接合面的大致整个区域，但是发射探头203和接收探头204间的距离L的最小值是由发射探头203和接收探头204的尺寸决定的，由于实际上其尺寸不可能为零，因此可检测缺陷的深度也是有限的，故最深部存在无法探测的部分。
如图18和图19所示，在材料表面中超声波的反射为一次的情况下，会清楚地出现反射回波，对微小缺陷的检测能力也很好。因此，尽可能捕捉反射次数为一次的反射波是十分重要的。在探测位置深至不能确保探头间距离的情况下，不得已，捕捉进一步往复反射一次的反射次数为3的回波。虽然，灵敏度降低但仍是可利用的。
图21给出了本发明方法的检测精度的确认实验的结果。样品如图20所示，在厚度为6mm的钢板上的深度为4mm的位置处，自侧面开出横向深度为10mm，直径为0．5mm-3．0mm的孔。以45度角使超声波入射到该样品上，捕捉在板内表面作一次反射的反射波，比较该回波的高度可知，如图21所示，若采用本发明，直径为0．5mm的缺陷也可以清楚地检测，也能非常有效地进行扩散接合面的缺陷检测。
图22示意性给出了在进行上述实验时以显示器显示反射回波时的回波波形。在该图中，T为脉冲回波，W为形状回波，是来自探测材料端面的反射回波，均与缺陷的检测无关。F为由内部缺陷产生的回波。图22A为没有缺陷的情况。脉冲波以外为噪音级。与其相比，图22B为具有缺陷的情况，缺陷回波F清楚地被显示出来。在本发明的方法中，由于超声波直接入射到探测面，且尽量减小超声波在材料面的反射次数，因此，超声波的传播路线长度最短。结果，本发明的方法具有下述优点，即，减小了超声波的衰减，减小了噪音产生的机会，可观察到清楚的反射回波，微小的内部缺陷也可检测。
作为本发明的另一实施例，说明下述方法，即将以一定角度入射到被探测材料的超声波通过被探测材料表面一次反射而入射到探测面上，从而直接捕捉由探测面反射的超声波。该方法改变了图18中发射探头203和接收探头204的位置，从而逆转了超声波的传播路径。虽然射向探测面的超声波在一定程度上削弱了，但由于整个传播路径是相同的，因此不会产生实用上的妨碍。在这种情况下，通过将Y1改为接合面和接收探头204间的距离，可照旧应用前述式(2)的关系。
下面，说明在本发明方法中使用的装置。
图23-图25为描述在本发明方法中使用的装置的一个实施例的图。图23为平面图，图24为正面图，图25为侧面图。该实施例为用于探测对平板进行扩散接合的部件的装置。扩散接合的接合面形成于与平板面成直角的方向。该装置如图23所示，两个支座201的两端由构架202a，202b固定，构成框架。并且，在对置的两个支座201之间，嵌入分别装有发射器件205和接收器件206的发射探头203和接收探头204。在发射探头203和接收探头204的侧面，如图25所示，装配有横臂210，横臂210嵌入设置在支座201上的槽211内，且可以在支座201上、沿X-X方向在两个支座201间平滑地滑动。在一个支座201设置有基准线207和用于计算探头的移动距离的标尺222，其中所述基准线207对应于探测面位置。通过使用显示探头的超声波反射位置的标志208和209能够判断探头的移动距离。
本装置的底部加工成平滑面，该平滑面使支座201底面及发射探头203和接收探头204的底面形成同一平面，如图24和图25所示，本装置的底部紧贴在被探测材料250的表面上。
在进行探测时，首先使本装置的基准线207与被探测材料250的探测面J-J吻合，本装置的中心轴X-X与探测面J成直角设置。之后，在使发射探头203的标志208与基准线207吻合后，沿离开探测面J-J的方向慢慢移动发射探头203，同时按式(2)，以保持L=2·(T·tanθ-Y1)的关系的方式移动接收探头204进行探测。这时，如果将超声波入射角θ定为45度，则式(2)为L=2·(T-Y1)。
若使用本装置，由于能够在平面上自由移动本装置，因此可以高精度地探测板件扩散接合面的内部缺陷。由于板件表面形状简单，因此可以用多种方式使用一台装置。
下面，作为本发明装置的另一实施例，对用于探测管件内部缺陷的装置加以说明。
测定原理与上述板件的情况相同。只是，对于管件而言，要使支座底面及探头底面与管件外径面的曲率吻合，以使管件表面与本装置的底面紧贴在一起。因此，在用于探测管件内部缺陷的装置中必须准备能对应于每一管件外径改变支座底面及探头底面的装置。虽然这样就基本上可进行管件内部缺陷的探测，但为了易于进行钢管的探测，在本发明中，在支座上还装配了支承用的辊和磁铁，以便总是对钢管作用吸引力，从而能使装置保持紧贴于钢管上的状态不变而沿圆周方向移动。并且，还装配了编码器以测得圆周方向的移动距离，从而可获知圆周方向上的内部缺陷位置。进而，通过在探头的信号线和编码器的导线上使用形状记忆合金，可容易地进行管件里面的探测。下面，利用附图进行详细说明。
图26和图27为本发明中用于钢管的磁性探测装置。图26为平面图，图27为侧面图。在图26中，在支座201中央设置发射探头203和接收探头204，在支座201上还搭载有支承用辊212和编码器辊220及附属装置。由于发射探头203和接收探头204附近的探头的滑动机构基本上与板件所用的装置情况相同，因此，此处不作详细说明。
在管件所用的探测装置中，必须使探头面与被探测的管件(钢管)251的外径曲率一致。如图27所示，在本装置中，发射探头203和接收探头204的底面被加工成与支座201底面形成一体，且与管件251外径面具有相同曲率。并且，在支座201上设置四个驱动辊212，它们用于沿管件251的圆周方向转动整个装置。支座201沿管件251圆周方向的移动可以用手动，也可使用驱动装置。
磁铁213嵌入支座201中，在进行探测的情况下，总是将装置吸附在管件251上。这样，可容易地使管件251垂直竖立，或进行处于水平位置的管件251背面的探测。磁铁213既可采用永久磁铁，也可采用电磁铁。在使用电磁铁的情况下，在脱开时若切断电流，则可解除吸附作用。并且，在支座201上装配有编码器辊220，在装置沿圆周方向移动时，可掌握探头的移动量。另外，符号221为编码器。这样，能够获知沿管材251圆周方向的内部缺陷的所在位置。
在本发明的探测装置中，在探头和编码器的信号线214中使用了形状记忆合金。形状记忆合金使用了Ti49-Ni51(at％)系合金。对该形状记忆合金施加形状记忆热处理，以便记忆比管件251外径大一圈的曲率。形状记忆合金的工作温度被设定为32～38℃，其在以手触摸时可变为规定形状。通过在信号线214中使用形状记忆合金，在装置安装时形成任意形状的信号线214在安装结束后，通过用手触摸可形成沿管件251外径的形状。结果，信号线214不会在管件215背面纠缠，可顺利地进行测定。
将从所述信号线214获得的电信号导入微机系统，可作为平面图和断面图以图像形式表示探测结果，也可打印显示。并且，也可进行自动探测扫描或在一根管件251上装配多台装置，同时进行长管251的探测。
若采用本装置，即使在例如锅炉管这样的外径约30mm左右的细钢管以表面间距十几毫米的狭小间隔林立的情况下，也可在钢管的整个外周方向探测内部缺陷。
权利要求
1．一种接合夹具，其设有包围棒状体的被接合部且对所述被接合部加热的加热体，装配在所述被接合部两侧同时夹持所述棒状体的第一夹具部和第二夹具部，其中，一边利用所述第一和第二夹具部对所述被接合部加压，一边利用所述加热体加热接合所述被接合部，其特征是所述第一和第二夹具部、及所述加热体从所述棒状体一侧向另一侧且绕所述棒状体外周滑动设置。
2．根据权利要求1所述的接合夹具，其特征在于所述第一和第二夹具部、及所述加热体为筒状，同时，由沿所述筒状的轴线方向被分割为多个的分割体构成。
3．根据权利要求1所述的接合夹具，其特征在于设置保持用手柄，其用于在使所述第一和第二夹具部、及所述加热体绕所述棒状体外周滑动时，保持所述第一和第二夹具部、及所述加热体。
4．根据权利要求2所述的接合夹具，其特征在于设置保持用手柄，其用于在使所述第一和第二夹具部、及所述加热体绕所述棒状体外周滑动时，保持所述第一和第二夹具部、及所述加热体。
5．一种接合夹具，其设有包围棒状体的被接合部且对所述被接合部加热的加热体，装配在所述被接合部两侧同时夹持所述棒状体的第一夹具部和第二夹具部，其中，一边利用所述第一和第二夹具部对前述被接合部加压，一边利用所述加热体加热接合所述接合部，其特征是所述第一和第二夹具部从所述棒状体的一侧向另一侧且绕所述棒状体外周滑动设置，在所述加热体中，加热线圈以包围所述棒状体的形式设置，所述加热线圈具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述外径的开口部。
6．根据权利要求5所述的接合夹具，其特征在于所述第一和第二夹具部为筒形形状，同时由沿所述筒形形状的轴线方向分割的多个分割体构成。
7．根据权利要求5所述的接合夹具，其特征在于所述第一和第二夹具部设有在所述第一和第二夹具部绕所述棒状体外周滑动时用于保持的保持用手柄。
8．根据权利要求6所述的接合夹具，其特征在于所述第一和第二夹具部设有在所述第一和第二夹具部绕所述棒状体外周滑动时用于保持的保持用手柄。
9．根据权利要求5所述的接合夹具，其特征在于在所述加热体中还设有冷却管和保护气体供给管；所述冷却管及所述保护气体供给管分别具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述外径的开口部。
10．根据权利要求6所述的接合夹具，其特征在于在所述加热体中还设有冷却管和保护气体供给管；所述冷却管及所述保护气体供给管分别具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述外径的开口部。
11．根据权利要求7所述的接合夹具，其特征在于在所述加热体中还设有冷却管和保护气体供给管；所述冷却管及所述保护气体供给管分别具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述外径的开口部。
12．根据权利要求8所述的接合夹具，其特征在于在所述加热体中还设有冷却管和保护气体供给管；所述冷却管及所述保护气体供给管分别具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述外径的开口部。
13．根据权利要求9所述的接合夹具，其特征在于所述加热体由多个所述保护气体供给管，多个所述冷却管及多个所述加热线圈叠置而成。
14．根据权利要求10所述的接合夹具，其特征在于所述加热体由多个所述保护气体供给管，多个所述冷却管及多个所述加热线圈叠置而成。
15．根据权利要求11所述的接合夹具，其特征在于所述加热体由多个所述保护气体供给管，多个所述冷却管及多个所述加热线圈叠置而成。
16．根据权利要求12所述的接合夹具，其特征在于所述加热体由多个所述保护气体供给管，多个所述冷却管及多个所述加热线圈叠置而成。
17．一种接合装置，包括权利要求1至权利要求4中任一项所述的接合夹具，沿使其相互接近的方向对所述第一和第二夹具部加压的加压装置，及对所述加热体供给电力的电源。
18．一种接合装置，包括权利要求5至权利要求16中任一项所述的接合夹具，沿使其相互接近的方向对所述第一和第二夹具部加压的加压装置，及对所述加热体供给电力的电源。
19．一种接合方法，该方法包括在棒状体被接合部的接合端部间配置钎料的钎料配置阶段，将第一夹具部和第二夹具部装配在所述被接合部两侧的同时，将它们装配在所述棒状体上的夹具部装配阶段，以包围所述被接合部的方式装配所述加热体的加热体装配阶段，一面通过所述第一和第二夹具部加压所述被接合部，一面通过所述加热体加热所述被接合部进行接合的接合阶段，其特征是，所述夹具部装配阶段包括从所述棒状体一侧向另一侧且绕所述棒状体外周滑动设置所述第一和第二夹具部的阶段，所述加热体装配阶段包括从所述棒状体一侧向另一侧且绕所述棒状体外周滑动设置所述加热体的阶段。
20．一种接合方法，该方法包括在棒状体被接合部的接合端部间配置钎料的钎料配置阶段，将第一夹具部和第二夹具部装配在所述被接合部两侧的同时，将它们装配在所述棒状体的夹具部装配阶段，以包围所述被接合部的方式装配加热体的加热体装配阶段，一面通过所述第一和第二夹具部加压所述被接合部，一面通过所述加热体加热所述被接合部而进行接合的接合阶段，其特征是，所述夹具部装配阶段包括从所述棒状体一侧向另一侧且绕所述棒状体外周滑动设置所述第一和第二夹具部的阶段，在所述加热体中，设置有加热线圈、冷却管及保护气体供给管，所述冷却管、保护气体供给管及加热线圈分别具有弯曲部，所述弯曲部弯曲形成在一个平面内，其具有比所述棒状体外径略大的内径且具有大于所述外径的开口部，所述加热体装配阶段包括使所述平面大致平行于所述棒状体竖立设置方向后，推进所述加热线圈、所述冷却管及所述保护气体供给管，从所述棒状体前侧向后侧导引所述弯曲部的阶段；及通过以与所述竖立设置方向交叉的方式转动所述平面以使所述弯曲部包围所述被接合部的阶段。
21．根据权利要求19所述的接合方法，其特征在于，所述接合阶段包括加热所述棒状体、通过所述棒状体的热膨胀减少所述被接合部中所述接合端部间间隔距离的阶段。
22．根据权利要求20所述的接合方法，其特征在于，所述接合阶段包括加热所述棒状体、通过所述棒状体的热膨胀减少所述被接合部中所述接合端部间间隔距离的阶段。
23．根据权利要求19～22中任意一项所述的接合方法，其特征在于，所述钎料配置阶段包括在所述接合端部间配置插入体，且在所述插入体和所述各接合端部之间配置钎料的阶段。
24．一种超声波探测方法，是使发射器件和接收器件分离的双探头法，相对于材料内部探测面以规定角度直接入射超声波，捕捉在材料内作一次反射的反射超声波，一面使发射器件与探测面的距离以及发射器件和接收器件的距离作适当的改变，一面进行探测。
25．根据权利要求24所述的超声波探测方法，其特征在于在所述材料厚度为T，所述探测面与所述发射器件的距离为Y1，所述发射器件与所述接收器件的距离为L，超声波的入射角为θ时，在维持L=2·(T·tanθ-Y1)的关系的同时进行探测。
26．一种超声波探测方法，是使发射器件和接收器件分离的双探头法，以规定角度向材料内部入射超声波，在材料内面使超声波作一次反射后，入射到材料内部探测面并反射，直接捕捉反射的超声波，一面使发射器件与探测面之间的距离以及发射器件和接收器件之间的距离作适当的改变，一面进行探测。
27．根据权利要求24所述的超声波探测方法，其特征在于所述材料的表面与所述探测面形成90度的角度。
28．根据权利要求25所述的超声波探测方法，其特征在于所述材料的表面与所述探测面形成90度的角度。
29．根据权利要求26所述的超声波探测方法，其特征在于所述材料的表面与所述探测面形成90度的角度。
30．根据权利要求24～29中任意一项所述的超声波探测方法，其特征在于相对于所述材料表面以45度的角度入射超声波。
31．一种超声波探测装置，其在一个支座上设有分离设置的发射器件和接收器件，其中，所述发射器件具有以规定角度从样品表面向内部的样品探测面发射超声波的结构，所述接收器件具有捕获从所述样品表面反射的超声波的结构，所述发射器件和所述接收器件可以沿与探测面成直角的方向在所述样品表面上移动，且可任意改变所述发射器件和所述接收器件间的间隔。
32．根据权利要求31所述的超声波探测装置，其特征在于所述支座底面与所述发射器件底面及所述接收器件底面具有与作为所述样品的管件外径相同的曲率半径。
33．根据权利要求32所述的超声波探测装置，其特征在于其在所述支座上还设有支承辊，以在所述管件表面可沿圆周方向移动。
34．根据权利要求32所述的超声波探测装置，其特征在于在所述支座还设有磁铁，以相对于作为钢管的所述管件作用吸引力。
35．根据权利要求33所述的超声波探测装置，其特征在于在所述支座还设有磁铁，以相对于作为钢管的所述管件作用吸引力。
36．根据权利要求32所述的超声波探测装置，其特征在于在所述支座上还设有编码器，以把握沿所述管件圆周方向的移动距离。
37．根据权利要求33所述的超声波探测装置，其特征在于在所述支座上还设有编码器，以把握沿所述管件圆周方向的移动距离。
38．根据权利要求34所述的超声波探测装置，其特征在于在所述支座上还设有编码器，以把握沿所述管件圆周方向的移动距离。
39．根据权利要求35所述的超声波探测装置，其特征在于在所述支座上还设有编码器，以把握沿所述管件圆周方向的移动距离。
40．根据权利要求31～39中任意一项所述的超声波探测装置，其特征在于所述发射器件的信号线，所述接收器件的信号线或所述编码器信号线中至少一根信号线由形状记忆合金构成。
全文摘要
本发明涉及接合夹具,其设有:包围钢管1的被接合部且对被接合部加热的加热体9,装配在被接合部两侧同时夹持所述钢管1的第一夹具部和第二夹具部,通过第一和第二夹具部对被接合部加压,同时通过加热体9加热被接合部而进行接合,其特征在于:第一和第二夹具部、及所述加热体9从钢管1一侧向另一侧且绕钢管1外周滑动装配。
文档编号B23K13/02GK1290585SQ00128578
公开日2001年4月11日 申请日期2000年8月11日 优先权日1999年8月11日
发明者儿玉克, 岩坪清隆, 西村宣彦, 今本敏彦, 藤田正昭 申请人:三菱重工业株式会社