评估装置及方法可采用超声波信号或其他声信号。
技术实现要素：
本发明描述了一种用于原位监测工件中的焊接接头的设备，该设备包括超声波发送换能器以及接收换能器。超声波发送换能器包括设置在多个可单独启动压电元件上的探针头部。探针头部包括多个从其平面表面正交地伸出的波导探针。波衰减器设置在波导探针中的各波导探针之间。接收换能器设置在其中。工件可插入在超声波发送换能器的波导探针与接收换能器之间。超声波发送换能器被设置成朝着接收换能器推动探针头部，从而使得波导探针中的至少一个与工件中的焊接接头物理接触。压电元件可控制来单独地激励与工件中的焊接接头物理接触的该至少一个波导探针。声接收换能器被设置成监测工件中的焊接接头。
在本公开的方面中，超声波发送换能器被设置成朝着接收换能器推动探针头部，从而使得波导探针中的至少一个与工件中的焊接接头的结合区域物理接触。
在本公开的另一方面中，控制器与超声波发送换能器的可单独启动压电元件以及声接收换能器进行通信，其中该控制器被设置成命令可单独启动压电元件中的至少一个进行操作，其中该至少一个可单独启动压电元件与超声波发送换能器的波导探针中的一个相关联，而且该控制器还被设置成监测声接收换能器。
在本公开的另一方面中，多个可单独启动压电元件以直线网格阵列的方式进行设置，其中压电元件中的每一个仅与波导探针中的一个相关联。
在本公开的另一方面中，各波导探针包括被配置成贴合工件中的焊接接头的结合区域的尖端部分，其中干燥耦合剂附着至该尖端部分。
在本公开的另一方面中，附着至尖端部分的干燥耦合剂为聚合物。
在本公开的另一方面中，工件的焊接接头包括多个以预定形貌进行布置的焊接槽，其中多个波导探针以与具有预定形貌的多个焊接槽相对应的方式设置在探针头部上。
在本发明的另一方面中，声接收换能器为声成像膜。
在本发明的另一方面中，声接收换能器为以直线阵列的方式进行布置的多元件声接收换能器。
在本发明的另一方面中，声接收换能器为扁平表面。
在本发明的另一方面中，设置在超声波发送换能器上的探针头部包括从其表面正交地伸出的第一波导探针配置，且探针头部可替换为具有从其表面正交地伸出的第二波导探针配置的第二探针头部，其中第一波导探针配置的布置不同于第二波导探针配置。
在本发明的另一方面中，第一波导探针配置包括多个波导探针，且第二波导探针配置包括一个波导探针。
在本发明的另一方面中，用于原位监测工件中的焊接接头的设备可操作来对工件中的焊接接头进行原位无损测试及检验，而无需浸入流体浴中或使用凝胶/流体耦合剂。
从以下结合附图对实施所附权利要求书所限定的本教导的一些最佳模式以及其他实施例进行的详细描述中，将很容易清楚本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点。
附图说明
现将参照附图通过示例的方式对一个或多个实施例进行描述，其中：
图1是示出了根据本公开的用于原位监测工件中的焊接接头的包括超声波发送换能器和接收换能器的设备的示意性等角图；
图2是示出了根据本公开的用于原位监测工件中的焊接接头的设备的示意性等角图，其包括与设置在超声波发送换能器中的压电元件的布置及选择性启动相关的细节；
图3是示出了根据本公开的用于原位监测工件中的焊接接头的设备的示意性等角图，其包括与用于超声波发送换能器的具有多个波导探针的探针头部相关的细节；
图4是示出了根据本公开的用于原位监测工件中的焊接接头的设备的示意性分解等角图，其包括与用于超声波发送换能器的探针头部和波导探针相关的细节；
图5是示出了根据本公开的用于原位监测工件中的焊接接头的设备的示意性等角图，其包括与用于超声波发送换能器的具有多个波导探针的探针头部和波衰减器相关的细节；以及
图6是示出了根据本公开的用于原位监测工件中的焊接接头的设备的示意性等角图，其包括与用于超声波发送换能器的具有单个波导探针的探针头部的另一实施例相关的细节。
具体实施方式
如本文所述及示出的，所公开的实施例的部件可以以多种不同的结构进行布置和设计。因此，以下的详细描述并不旨在限制要求保护的本公开的范围；相反，其仅仅表示本公开的可能实施例。此外，虽然在以下描述中提出了许多具体细节以提供对本文所公开的实施例的全面理解，但某些实施例可在部分具体细节不存在的情况下进行实践。此外，为简洁起见，本文并未对相关技术中已知的某些技术材料进行详细的描述，以免不必要地使得本公开变得晦涩难懂。此外，附图为简化形式，并且不具有精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，方位术语(例如，“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“上方”、“上面”、“下面”、“下方”、“后”以及“前”等)可参考附图进行使用。这些及类似方位术语不应被理解为限制本公开的范围。此外，如本文所示出及所述的，本公开内容可在本文未特别公开的元件不存在的情况下进行实践。
现参照附图，这些附图的目的仅在于示出某些示例性实施例，而不是限制这些示例性实施例。图1、2、3、4和5示意性地示出了被配置成对工件90中的焊接接头93进行原位无损测试及检验的监测设备15的各种元件、透视图以及细节，其中该监测设备包括由控制器10进行操作的超声波发送换能器20以及声接收换能器40。在各视图中，相同的附图标记表示相同的元件。工件90的焊接接头93示出为由超声波焊接形成的搭接接头，但本文所描述的概念可应用于由其他焊接工艺形成的其他焊接接头，例如，点焊或点结合。在一个实施例中，如图所示，工件90的焊接接头93插置在超声波发送换能器20与声接收换能器40之间，以对焊接接头93进行原位监测。这可通过使工件90移动至超声波发送换能器20与声接收换能器40之间的合适位置中来实现，或可通过使超声波发送换能器20和声接收换能器40移动至工件90周围的合适位置中来实现，这取决于具体结构。包括超声波发送换能器20和声接收换能器40的监测设备15能够有利地部署在制造环境中，以在生产线中对直线焊接质量进行检测。包括超声波发送换能器20和声接收换能器40的监测设备15可操作来对工件90中的焊接接头93进行原位无损测试及检验，但该设备无需浸入流体浴中或使用凝胶/流体耦合剂。
在一个实施例中，如图所示，工件90的焊接搭接接头93形成在第一元件91与第二元件92之间，其中第一元件91与第二元件92叠合在一起，并通过振动焊接工具焊接在一起。第一元件91和第二元件92可由合适的复合聚合物材料或金属合金制造而成。振动焊接工艺可形成包括一个或多个以焊接槽94的形式存在的结合区域的焊接接头93，其中这些焊接槽由超声波焊极尖端(未示出)在振动焊接期间施加至工件90的压缩负载和振动的组合引起。其他焊接工艺可形成其他形式的与焊接接头相关联的结合区域，这些结合区域可采用本文所描述的监测设备15的实施例进行原位无损测试及检验。
超声波发送换能器20包括设置在多个可单独启动压电元件22上的探针头部30。探针头部30可包括单个波导探针(在图6中示出为元件632)或多个波导探针32，该多个波导探针从探针头部30的平面表面正交地伸出。如图所示，探针头部30优选地制造为具有基座部分以及多个波导探针32的整体装置。探针头部30可通过三维打印、机械加工或另一合适的制造方法及工艺进行制造。超声波发送换能器20优选地被配置成使得探针头部30可替换为各种探针头部结构(例如，参照图6示出的探针头部630)，并可与其互换。探针头部的结构及设计细节基于工件的焊接接头的特定几何结构及布置进行选择，例如，所示出的具有波导探针32的探针头部30，这些波导探针对应于参照图1示出的工件90的焊接接头93的焊接槽94。在一个实施例中，工件90的焊接接头93包括多个以预定形貌(例如，直线布置)进行布置的焊接槽94，且波导探针32被布置在探针头部30上，以贴合多个焊接槽94的预定形貌。
各波导探针32包括被配置成贴合工件90中的焊接接头93的焊接槽94的尖端部分34，且干燥耦合剂36可附着至尖端部分34，从而使得在操作期间，干燥耦合剂36插置在波导探针32的尖端部分与焊接接头93的焊接槽94之间。干燥耦合剂36的示例包括有机硅嵌入物、塑料薄膜、玻璃纸、橡胶嵌入物、聚合物嵌入物等。干燥耦合剂36被采用来促进波导探针32与焊接槽94之间的振动耦合。该布置使得无需将工件90浸入至液体来进行测量。
波衰减器38(参照图5示出)可插置于探针头部30的各波导探针32之间。在一个实施例中，波衰减器38包括多个具有波状表面的互锁元件，该多个互锁元件以直线方式进行布置，并插置于波导探针32中的各波导探针之间。波衰减器38吸收可从波导探针32中的一个启动波导探针传播至整个探针头部30的振动能量。当具有多个波导探针32的探针头部30被制造为整体装置时，波衰减器38以振动的方式对各波导探针32进行脱耦。在监测设备15的操作期间，波衰减器38的振动脱耦使得能够避免或最小化探针头部30上的相邻波导32之间发生非期望波型以及串扰。
多个可单独启动压电元件22优选地以直线网格的方式进行布置，例如，如参照图2示出的方式。各压电元件22经由通信链路14与控制器10进行通信。控制器10包括可执行来命令并控制各压电元件22的单独启动及禁用的控制例程12。通过非限制性示例的方式，参照图2示出的压电元件22的视图包括九个压电元件，其带有阴影并以附图标记24示出，表明这些压电元件可选择性地启动，如下文所述。
继续参照图2，九个可选择性地启动的压电元件24在物理上临近波导探针中的一个波导探针并与其振动通信，其中该波导探针由附图标记33表示。在操作中，压电元件24的启动所产生的振动能量仅传递至探针头部30的波导探针33。振动能量不会经由未启动压电元件22直接传递至探针头部30的其他波导探针32。如此，被启动的压电元件22是那些与探针头部30的特定实施例的合适特征件对准的压电元件。例如，在一种情况下，仅仅是定位在所选波导探针33上方的压电元件24可被启动。如此，压电元件22可被控制以单独激励一个或多个与焊接槽94物理接触的波导探针32，该焊接槽是工件90中的焊接接头93的部分。压电元件22中的一些可不与波导探针32中的任意一个相关联。例如，可存在闲散元件。此外，多个压电元件22可分配给波导探针32中的同一个波导探针，并可与其振动通信。
超声波发送换能器20可设置在包括一个或多个元件的装置(未示出)中，该一个或多个元件施加压缩负载21以朝着声接收换能器40推动探针头部30，从而使得波导探针32中的至少一个与工件90中的焊接接头93物理接触，并优选地施加压缩负载至该焊接接头上。
在一个实施例中，声接收换能器40可为包括声成像膜、摄像机、光源等的声成像感测系统。声成像感测系统包括对超声波作出反应的膜，由此使得能够捕获声扫描信号，而无需进行扫描。可选地，声接收换能器40可为扫描型应用，例如，由相位阵列扫描、振幅/时间扫描或漆刷型扫描装置进行控制的直线阵列。优选地，声接收换能器40被设置为扁平表面。
控制器10与超声波发送换能器20的可单独启动压电元件22以及声接收换能器40进行通信。在操作中，控制器10可命令超声波发送换能器20进行操作，以将压缩力21施加至样品工件90。这使得各波导探针32可与焊接接头93的焊接槽94中之一紧密接触，从而实现仅针对关注区域(即焊接槽94)进行的精确测量。
控制器10可命令可单独启动压电元件22中的至少一个(其与超声波发送换能器20的波导探针32中的一个相关联)进行操作，其中该操作以电压或力幅-时间扫描(a扫描)的形式存在。控制器10进一步监测来自声接收换能器40的信号输出，其中，对这些信号输出进行信号处理，以对焊接接头93的一个或多个焊接槽94进行评估。在一个实施例中，该操作可执行以单步调试并随后启动压电元件22，并监测声接收换能器40的输出。可选地，该操作可执行以单步调试并随后启动压电元件22的分组，并监测声接收换能器40的输出。可选地，该操作可执行以同时启动压电元件22并监测声接收换能器40的输出。此类操作可简化成作为控制例程12来进行执行的算法代码，该控制例程优选地存储在控制器10的可执行存储器中。
图6示出了包括具有单个波导探针632的探针头部630的超声波发送换能器620，该单个波导探针包括尖端部分634，其中干燥耦合剂636附着在该尖端部分上，其中，该超声波发送换能器可被设计并采用来监测点焊、珠焊、铆焊、超声波焊缝或另一结合几何结构。如此，探针头部可定制，并可重新配置。
术语“控制器”及相关术语(例如，“控制模块”、“模块”、“控制件”、“控制单元”、“处理器”及类似术语)指代专用集成电路(asic)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)以及以存储器及存储装置(例如，只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)的形式存在的相关非瞬变存储器部件中的一种或各种组合。非瞬变存储器部件能够存储以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路及装置、信号调节和缓冲电路以及其他可由一个或多个处理器进行访问以提供所述功能的部件的形式存在的机器可读指令。输入/输出电路及装置包括模拟/数字转换器以及监测来自传感器的输入的相关装置，其中，以预定采样频率或响应于触发事件而对这些输入进行监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法以及类似术语指的是包括校准值和查询表的控制器可执行指令集。各控制器执行控制例程以提供所需功能。例程可以以有规律的时间间隔进行执行，例如，在正在进行的操作期间，每隔100微秒执行一次。可选地，例程可响应于触发事件的发生而进行执行。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可通过直接有线点对点链路、联网通信总线链路、无线链路或另一合适的通信链路来实现，其由线14表示。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括，例如，经由导电介质交换电信号、经由空气交换电磁信号、经由光波导交换光信号等。数据信号可包括表示来自传感器的输入、致动器命令以及控制器之间的通信的离散模拟或数字化模拟信号。术语“信号”指的是物理上可识别的指示符，其传送信息，并可为能够传播通过介质的合适波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，例如，dc、ac、正弦波、三角形波、方形波、振动等。
详细描述及附图或图支持并描述本教导，但本教导的范围仅由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式以及其他实施例，但存在有各种用于实践所附权利要求书所限定的本教导的可选设计和实施例。