用于超声波检测细长中空型材的方法与流程

本发明涉及一种用于超声波检测细长中空型材的方法，其中具有压电换能器的探头用于相控阵技术中。

背景技术：

众所周知，相控阵设计中的超声波探头具有例如十六或更多的多个单独的压电换能器(piezoelectrictransducers)。可以在探头中最大程度地被激活的各个换能器的长度，包括两个单独换能器之间的间隙，也被定义为换能器的标尺长度。出于经济原因，包括多个换能器的这种探头由于其增加的检测覆盖率而有利地用于受测体中，必须在所述受测体的整个表面和长度上对其进行检测。

用于待检测的中空型材的材料基本上包括所有超声传导材料，例如金属和合成材料。下文考虑的中空型材尤其是由诸如钢的金属构成。由钢构成的中空型材诸如用作于建造行业或农机制造中的结构管材。

在工厂中生产的中空型材可以在长度上长达15米并能够根据客户的需求而剪切长度。根据本发明，有角的中空型材的特征在于横截面可以是三角形，矩形，正方形或多边形，其中中空型材可以例如由焊接或热轧无缝圆管通过热拉伸或冷拔生产，或由相应地弯曲并且在接合边缘处焊接的金属板生产。在横截面中，这些中空型材各自包括型材主体中的直线区域，所述区域具有特定的边缘长度，以及弯曲直线型材主体的过渡区域中的半径区域。例如在热拉伸或弯曲期间生产的并且根据生产方法、中空型材的壁厚和材料可以或多或少变化的边缘半径是这种中空型材的典型。热轧无缝中空型材的典型半径范围例如在1×壁厚和3×壁厚之间，典型的壁厚在5到25mm的范围内。

通常，管道的超声波检测是已知的并且已经建立了很长时间。使用作为生产过程的一部分的超声波检测来检测工件中的任何可能的不连续性，例如，管壁或焊缝中的层状缺陷，裂缝，缺口，废痕或孔隙。此外，超声波检测还用于检查管道的例如壁厚的尺寸稳定性。

对于方形钢坯，德国专利申请de3346791a1描述了一种相控阵技术中的超声波检测装置。超声波检测装置的探头以与方形钢坯的表面成确定的角度的方式布置。此外，德国专利申请de102012016607a1涉及一种用于方性棒钢的缺陷的超声波检测系统。方形棒钢表面中的几个平行线性凹槽用于进行系统的校准。此外，专利申请us2015/0122029a1使用具有压电元件的相控阵技术进行超声波检测。超声波换能器包括位于固体检受元件一侧的发射传感器和位于固体受测元件相对侧的接收传感器，使得固体受测元件位于这两个传感器之间。

在中空型材的情况下，对可能的不连续性进行检测也是重要的，这些不连续性尤其可以表现为型材主体的内表面和外表面上以及半径区域中的纵向缺陷。由于中空型材的半径区域在制造过程中承受更大的应力，因此它们更容易产生缺陷。

在超声波检测期间，例如根据使用压电声转换器的脉冲回波方法，产生超声波脉冲，所述超声波脉冲通过耦合介质(水或油)而引入工件。如果由超声波换能器产生的超声波脉冲撞击到诸如孔或缝隙的障碍物，超声波信号的原始传播通过反射或衍射而在该位置受到影响。以这种方式，声束可以在工件中传播，使得声音部分返回到入射(intromission)位置，然后可以由相同或另一个超声波转换器检测。在许多情况下，用于产生超声波脉冲的超声波转换器与用于检测目的的超声波转换器相同。

在超声波检测期间，可以区分直接耦合和间接耦合。在采用具有单换能器或相控阵技术中的多个换能器的探头的直接耦合的情况下，重要的是探头以平面的方式放置在受测体表面并且在耦合剂中没有截留的气泡，以免引起任何测量误差或测量不准确。通常，在检测之前将耦合剂以薄膜形式涂敷到待测表面上，并将探头置于因此被润湿受测体表面上。也能够经由例如中间件的固体而将探头与设置有耦合剂的工件耦合在一起以允许例如成角度的入射。还可以使用这样的中间件来调整受测体的相应轮廓，所述中间件也被称为引导楔块(leadwedge)，并且可以包括合成材料。然而，这种类型的检测完全不适合在同步生产操作中自动检测细长和有角的中空型材的表面。除了将探头直接耦合到受测体表面之外，还通过在超声检测装置内产生的耦合剂流动长度，即通过液柱可以间接耦合探头，所述液柱取决于检测任务可以是数毫米或数厘米。

这种超声探头是已知的，例如来自德国专利文献de60320365t2，其中探头布置在探头腔内，所述探头腔填充有耦合液并且具有限定的耦合剂流动长度。探头腔由轮胎形状的耦合元件限定，该耦合元件由软橡胶构成并且安装成能够围绕探头旋转。作为结果，超声波探头可以经由耦合元件而在工件表面上滚动。

此外，已知所谓的浸入技术，其中将探头和待检测的受测体的表面浸入水浴中，如专利申请us2010/0212430a1所示，其中具有矩形横截面的棒型材料被检测。还将浸入技术检测用于例如在包括粗糙表面的圆管上进行自动检测，所述粗糙表面不允许将探头直接耦合到受测体的表面。

在超声波检测期间，如果多个单独的探头对应于中空型材几何形状连续或同时以固定角度布置和引导，除了对中空型材的型材主体的直线或平面区域进行纵向缺陷的检测外，还可能对中空型材的半径区域的内外表面进行纵向缺陷的检测。对于不同尺寸的中空型材，每个探头都必须根据改变的几何条件重新布置。然而，这非常复杂，因此对于自动化制造顺序而言不具有成本效益且不实用。

当用于检测中空型材的纵向缺陷时，还必须根据半径区域中的相应曲率在每种情况下针对内部缺陷和外侧缺陷测试调整不同的入射角，以实现缺陷的最佳检测和正确的检测。

在具有或不具有耦合剂流动长度的自动化系统的情况下，探头的这种机械跟踪只能在相当大的费用下进行，因此这些方法迄今为止例如作为旋转试验台而仅用于检测圆形管道。

因此，为了检测细长的、有角的中空型材，迄今为止还没有一种能够以节约成本的方式使用的方法，并且没有方法能够不仅对型材主体中的平面区域，而且对弯曲型材主体的半径区域的内外表面以自动的方式进行检测，特别是进行纵向缺陷的检测。

总的来说，细长的、有角的中空型材的超声波检测的问题在于，无法通过使用已知的用于圆管的方法来以节约成本的方式检测细长的、有角的中空型材的整个受测表面并且同时具有高水平的质量保证，并且无法实现这样方法的自动化，或者只有非常可观的支出才能实现这样的目的。

技术实现要素：

因此，本发明的一个目的在于提供一种超声波检测细长有角的中空型材的方法，所述中空型材优选地由金属构成，在所述方法中可以通过相控阵技术中的探头实现对受测体外表面和内表面的包括半径区域的缺陷进行检测，所述缺陷特别是纵向缺陷，所述方法具有较高水平的质量保证并且可以以节省成本的方式自动化进行。

这一目的通过包括权利要求1的特征的方法而实现。从属技术方案2到10描述了本发明的有利的实施方式。

根据本发明，在用于超声波检测有角中空型材的方法的情况下，所述中空型材由导声材料尤其是金属构成，所述方法包括超声波检测装置，所述超声波检测装置包括具有以相控阵技术布置在换能器标尺上的换能器的探头，其中用于检测中空型材上的外侧和内侧缺陷的超声波信号由换能器产生并且耦合到中空型材的表面中，以如下的事实来实现能够具有更高水平的质量保证并能以节省成本的方式自动化进行的所述检测，即为了检测中空型材的表面区域和半径区域中的外侧和内侧缺陷，根据所述换能器相对于所述表面区域的位置以及所述换能器相对于所述中空型材的半径区域的位置来对所述换能器进行控制，使得所产生的超声波信号具有适配于所述表面区域和半径区域中的内侧和外侧缺陷的入射角。在对中空型材进行实际超声波检测之前，对其上加工有参考缺陷的参考型材进行超声波检测；通过检测布置在参考型材的半径区域外侧和内侧的在半径区域上的参考缺陷来确定待激活的相关换能器或换能器组的相关入射角，并且根据所述换能器相对于表面区域的相应位置或相对于所述参考型材的半径区域的相应位置来采用所述确定的入射角，以检测中空型材。如此确定所确定的入射角，使得被参考缺陷反射的回波信号具有高振幅并且能够从背景噪声信号清楚地区分开来。

这种情况下，换能器或换能器组有利地被单独地激活以调整入射角。以有利的方式设置，换能器标尺的长度如此选择，使得探头通过耦合剂耦合到待检测的中空型材表面的包括表面区域和两个半径区域的整个宽度。可替代地，换能器标尺的长度可以小于中空型材的表面的整个宽度，例如当中空型材的表面的整个宽度为400毫米时换能器标尺的长度为100毫米，使得至少以四个区段的方式对所述中空型材的整个表面进行检测。

本发明可以毫无问题地自动或半自动地检测中空型材的两侧表面以及在拐角区域的半径表面。

除了内侧和外侧的缺陷，特别是纵向缺陷之外，材料中的层状缺陷以及壁厚测量也可以在一次操作中进行。使用适配的探头同样可以检测横向缺陷和倾斜缺陷，该探头将在相应的方向上的超声信号耦合到中空型材的表面中。

通过本发明，实现了工作量的显着减少，因为可以在一个检测过程中根据位置实现许多不同的入射条件且许多不同的入射条件能够适配于相应的检测对象几何形状。

因此，本发明的核心是在对缺陷，特别是纵向缺陷进行超声波检测期间，尤其是根据各个换能器相对于待检测的半径区域的相应位置，均针对于内侧缺陷和外侧缺陷检测而对不同的入射角进行调整。

以有利的方式，在这种情况下，选择相应换能器到下一个弯曲型材边缘的距离作为用于建立位置的参考平面，其中均针对内侧缺陷和外侧缺陷检测调整不同的入射角，以在表面和半径区域实现最佳检测。

如果通过装置沿着参考平面，特别是型材边缘引导探头阵列，则由在每种情况下不同的传输脉冲延迟根据特定的换能器相对于型材边缘的位置来影响特定的换能器(延迟定律)，以允许在型材的表面区域中以及在半径区域中对内侧表面和外侧表面在每种情况下以不同方式进行的最佳和正确的检测。在这种情况下，参考平面平行于中空型材的纵向轴线且相对于换能器标尺成直角而延伸，并且与待检测的半径区域的外表面的开始处相交。

对例如为矩形中空型材的半径区域中的尤其为纵向定向的内侧缺陷的超声波检测通过适当地选择入射角和探头阵列的相应元件来实现。

在这种情况下，术语“适当地”意味着缺陷的回波信号具有尽可能高的幅度并且能够与回波信号的背景噪声清楚地区分开。

用于检测内侧和外侧缺陷的各个换能器或换能器组的位置相关的入射角以有利的方式建立在先前超声波检测过的参考型材上，其中例如，线性阵列相对于中空型材的纵向轴线呈90°布置，并且借助于耦合装置而被适当地定位。以有利的方式，在半径区域中垂直于参考型材的内表面布置的纵向凹槽用作超声波信号的参考缺陷或参考反射器。在校准期间难以检测作为参考缺陷的这些纵向凹槽。最后，这导致关于中空型材中出现的常见缺陷的高测量准确度，所述常见缺陷比所选择的参考缺陷更容易检测。

代替垂直于内表面引入的纵向凹槽作为参考反射器，也可以设置例如通孔、平底盲孔或不垂直于表面引入的凹槽，这对于建立各个换能器或换能器组的位置相关的入射角是有利的。

随后，根据各个换能器或相应的激发的换能器组的位置选择适合于检测半径区域中的内部缺陷的入射角。以如此的方式进行选择，考虑声音冲击点的几何形状，以对于反射是最佳的角度实现材料中的入射角，以便检测半径区域中的内侧缺陷。通过选择另一个入射角，同样可以实现对半径区域中的内侧缺陷的相应检测。

因此，可以在中空型材的整个型材横截面上和整个长度上实现对中空型材的表面区域和半径区域中的纵向定向的内侧缺陷和外侧缺陷的完全检测。此外，在声音垂直表面入射的情况下，使用相同的阵列同样可以进行壁厚和层状缺陷检测。

在本发明的一个有利实施例中，使用多维阵列，例如，提供了一种二维矩阵阵列来用于实现倾斜缺陷和横向缺陷的检测。

该阵列的全息激发可有助于进一步优化检测。

然而，由于物理方面的原因，换能器的超声信号中最多只能有其中一半可以到达半径区域，否则信号不再被中空型材的内角反射并因此不再能检测到来自半径区域的任何可能的缺陷信号。

因此，在单个检测过程期间可以有利地使用多个超声波检测装置和能够相对于其移动的中空型材来实现对中空型材的整个表面的完整超声波检测及检测的自动化，所述多个超声波检测装置布置在检测对象周围或中空型材周围。因此，在单个检测循环中同时对中空型材的所有表面和半径区域进行超声波检测。

用于超声波检测的耦合剂可以例如是水，油或乳液。具体地，在由钢构成的受测体的情况下，油可以有利地用作耦合剂并且同时用作防腐蚀剂。

一方面，油的润滑效果使得探头在受测体表面上的移位变得相当容易，并且减少了为此目的所需消耗的工作量，另一方面，同时受测体表面被临时保护以免受腐蚀。

在本发明的另一有利实施例中，如此规定，为了检测目的，探头布置在填充有耦合剂的壳体中，所述壳体在换能器相对于中空型材的表面的固定位置处，通过侧向引导件在中空型材的纵向轴线的方向上在所述中空型材的表面上移动。

在这种有利类型的超声波检测的情况下，超声波检测装置包括填充有耦合剂的壳体，所述壳体安装成能够围绕布置在其中的探头旋转。探头通过限定的耦合剂流动长度而与壳体的内壁间隔开。

换能器的位置有利地通过可旋转安装的引导件建立，该引导件固定地连接到壳体并且在中空型材的侧表面上滚动。

为了检测中空型材，壳体相对于中空型材的表面而在中空型材的纵向轴线的方向上移动。一方面，超声波检测装置可以在整个中空型材上移动，然而另一方面，中空型材也可以在超声波检测装置下方移动。

壳体自身安装成绕探头旋转，超声波检测装置可以以围绕液体腔室的壳体而在工件表面上滚动，为了将壳体耦合到受测体的表面，所述表面以已知的方式用例如水的耦合剂润湿。

壳体自身例如由导声合成材料构成。

在本发明的一个有利的改进方案中如此规定，壳体形成为可渗透耦合剂的膜，并且在超声波检测期间润湿中空型材的表面。在这种情况下壳体必须设置有能够不间断向壳体送给耦合剂的连接件。

可替代地，中空型材的表面可以在超声波检测之前的单独运行步骤中或在检测之始被润湿。

包括整合耦合剂流动长度的该装置具有相对简单和节省成本的结构以及简单操作的优点。此外，能够以简单的方式手动控制或以半自动或全自动的方式控制所述装置。

尽管根据本发明的装置优选地用于例如由钢构成的金属中空型材的超声波检测，但不限于此。该装置也可以用于由合成材料或其他非金属但导声材料构成的中空型材的检测。

附图说明

本发明的其它特征，优点和细节从下面对附图所示的示例性实施例的描述中显而易见，其中：

图1显示了根据本发明的超声波检测装置的示意性截面图，

图2示出了包括参考凹槽的有角的参考型材的截面图，

图3示出了图1中所示的超声波检测装置的换能器标尺的示意图，图中具有待检测的中空型材，以及

图4示出了图3中的中空型材的半径区域的放大视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于检测包含矩形横截面的细长有角中空型材5的纵向缺陷的超声波检测装置11的示意性横截面。超声波检测装置11由探头1组成，探头1在该示例中以相控阵技术，以标尺(见图3)的方式布置有三十二个换能器a至g。典型地，探头1具有所谓的换能器标尺4，在所述标尺4上布置有换能器a至g。换能器a至g也被称为虚拟探头因为换能器a至g每个都包括一个或多个换能器元件。控制这些换能器元件以在所需的方向上产生超声波信号10。换能器标尺4布置在壳体2中，所述壳体形成液体腔并充满耦合剂3。换能器标尺4的长度如此设计大小，即对应于待检测的中空型材5的头部5.1，侧部5.2或5.4或者基部5.3(参见图3)的长度或宽度。通常，头部5.1，侧部5.2,5.4和基部5.3具有大致平行的内表面和外表面。超声波检测装置11的壳体2安装成能够围绕安装在壳体2中的固定位置的换能器标尺4旋转，使得超声波检测装置11或其壳体2可以在中空型材5的表面上滚动并且因此与中空型材5接触。在这种情况下，壳体2中的液体和壳体2的壁在探头1和中空型材5之间形成耦合剂流动长度。壳体2，特别是其壁，由声音传导合成材料构成，以便能够将由探头1(参见图3)发射的超声波信号10耦合到中空型材5中。为了将壳体2耦合到中空型材5的表面，所述表面以已知的方式用例如水的耦合剂3润湿。在这种情况下，在超声波检测之前或期间通过单独的操作步骤以自动方式或手动方式用耦合剂3进行润湿。

通过导辊6而建立超声波检测装置11中的换能器a至g相对于待检测的中空型材5的表面的位置。为此目的，导辊6安装在超声检测装置11上，以便能够绕竖直轴旋转，并且在超声检测期间，沿着中空型材的左手侧部分5.4的表面在中空型材5的纵向轴线l的方向上滚动。结果，换能器a至g或换能器组a至g在相对于待检测的中空型材5的表面的位置方面定向，并且可以在中空型材5的纵向轴线l的方向上被引导用于超声波检测。待检测的中空型材5的头部5.1以及待检测的侧部5.2和5.4以及基部5.3在开始处和结束处均由半径区域5.5和布置在所述半径区域5.5之间的表面区域5.6组成(见图2)。根据是否要在半径区域5.5中、在表面区域5.6中或在表面5.6中但实际上在半径区域5.5附近中检测纵向缺陷，超声波信号10将相对于它们的入射角并因此分别相对于局部关联的换能器a至g而相应地适配。通过换能器a至g的电子控制并借助于参考型材5’或其在换能器标尺4的方向上的半径区域5.5和表面区域5.6中的尺寸来实现适配。入射角应被理解为由从待检测的中空型材5的表面向待检测的中空型材5的材料行进的超声波信号10的方向与相对于待检测的中空型材5的表面垂直的方向形成的角度。待检测的每个中空型材5及其每个侧面的各个确定的入射角随后被存储，当需要时这些角度则用于构造换能器标尺4的入射角。通过先前分别建立的各个入射角，能够有针对性地检测在半径区域5.5和平面的表面区域5.6中的内侧和外侧上的缺陷。典型地，换能器标尺4包括细长矩形，并以其纵向延伸水平地定向从而与待检测的中空型材5的表面平行并相对于中空型材5的纵向轴l成直角。在超声波检测期间，沿着待检测的中空型材5的表面在换能器标尺4的纵向轴l的方向上引导换能器标尺4。在本示例汇总，用手在中空型材5上移动超声波检测装置11。为此，超声波检测装置11包括把手7。

图2示出了包括由参考凹槽形成的参考缺陷的有角中空参考型材的截面示意图。每个参考凹槽布置在中空型材5’的半径区域5.5中并在半径区域5.5的内外表面上形成外侧缺陷8,9，其均垂直于半径区域5.5的内外表面。参考槽也在中空型材5’的纵向轴l的方向上延伸。通过设置参考槽并对参考型材5’进行超声波检测，均能激活换能器a至g或换能器a至g的组，并能够随后为每个参考型材5’的尺寸、特别是在半径区域的区域中的几何形状来确定并存它们各自的输入角度。以如此的方式进行确定，考虑声音冲击点的几何形状，以对于反射是最佳的角度实现中空型材5’的材料中的入射角，以便检测半径区域5.5中的外侧缺陷。相对于超声波信号10，参考槽还可以限定成参考反射物。如前所述，在这种情况下，换能器标尺4以其纵向延伸与中空型材5的纵向轴成90°的形式布置。随后，根据各个换能器或相应的激发的换能器组的位置选择适合于检测半径区域5.5中的内部缺陷9的入射角。

图3示出了图1中所示的超声波检测装置11的换能器标4尺的示意图，图中具有待检测的中空型材5。为清楚起见，该视图仅示出了没有壳体2的换能器标尺4。显然，相控阵技术中的多个换能器(其中一些由字母a至g表示)沿着换能器标尺4在其纵向方向上彼此间隔开并且彼此均匀地布置。换能器产生指向待检测的中空型材5的超声波信号10。待检测的中空型材5是矩形的并包括两个侧部5.2,5.4，头部5.1和基部5.3。在当前情况下，首先检测包括半径区域5.5的与表面区域5.6邻接的一半的头部5.1的内侧和外侧缺陷。探头1的换能器尺4的长度使得待检测的中空型材5的头部5.1可以被检测到半径区域5.5。取决于相应换能器的位置，包括不同入射角的超声波信号10耦合到中空型材5的表面中。然而，由于物理方面的原因，换能器a，b，c和d的超声波信号10中均最多只能有其中一半可以到达两个半径区域5.5，否则超声波信号10不再被中空型材5的内角反射并因此不再能检测到来自半径区域5.5的任何可能的缺陷信号。位于头部5.1的平面的表面区域5.6中的内侧和外侧上的缺陷由换能器e和f的超声波信号10检测。当然，除了换能器e和f外，还可以在平面的表面区域5.6中采用其它的换能器。为了清楚起见，没有示出相关的超声波信号10。此外，根据本发明，还使用换能器g进行层状缺陷检测或壁厚测量。

图4示出了中空型材5的半径区域5.5的放大图。处于校准的目的，在中空型材5设置在外侧半径区域8中的外侧缺陷和在内侧半径区域9中的外侧缺陷。本发明的换能器g，f，d和b组合在一起被称为产生超声波信号10的虚拟探头，其具有适配于对半径区域5.5的前半区段中的(从检测方向观察位于半径区域5.5的中心线12之前的)外侧和内侧缺陷进行检测的入射角。因此，换能器g，f，d和b可以将它们的超声波信号10从中空型材5的头部5.1开始引导到中空型材5的半径区域5.5中。半径区域5.5的中心线12限定了一条线，在这样的线上超声波信号10仅向后反射回到换能器a到g并且不在中空型材5内衍射。在图4中示出的实施例中，换能器g和f产生的超声波信号10被外侧缺陷8，9反射并被相应的换能器g或f检测到。然而，相邻换能器也可以检测超声波信号10，使得发射器和接收器可以相同但不必相同。

附图标记列表

1探头

2壳体

3耦合剂

4换能器标尺

5中空型材

5.1中空型材5的头部

5.2中空型材5的侧部

5.3中空型材5的基部

5.4中空型材5的侧部

5.5半径区域

5.6表面区域

5’参考型材

6导辊

7把手

8在外侧半径区域中的外侧缺陷

9在内侧半径区域中的外侧缺陷

10超声波信号

11超声波检测装置

12半径区域的中心线

a至g换能器

l纵向轴线

r参考平面