用于聚合材料的超声检测装置和其使用方法制造方法及图纸

用于聚合材料（例如塑料管）的超声检测装置，包括至少部分包封超声发射器的低吸收外罩，其中所述发射器发射窄带宽的低频广角超声束。在特别优选的配置和方法中，该装置探测聚合物管子中，尤其是这种管子的焊缝或受力区域中的缺陷，其中可以探测小于４％壁厚（最高达到４英寸）的缺陷。进一步公开了用于聚合物管子中未熔透缺陷的无损检测的配置和方法。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料的无损分析，尤其是合成聚合物的飞行衍射超声时间分析。
技术介绍
在现有技术中已经有无数种焊接塑料管的技术为人公知，而且，根据管子的特殊要求或尺寸，可以采用各种焊接方法。例如，当需要相对恒定的焊接温度时，可以采用感应焊接。另一方面，如果需要较快焊接和/或冷却时间时，可以采用振动焊接。在其它应用中，当需要焊接直径相对小的管子时，可以采用电熔焊接，而对于较大直径的管子，尤其适合采用对接熔融焊接。然而，尽管用于聚合物材料的焊接技术种类繁多，但焊接质量的确认通常都是问题。尤其对于判定HDPE(高密度聚乙烯)管子的焊接质量而言，所有的或者几乎所有的已知方法都有明显的问题。例如，ASTM F600-78描述的测试程序在1991年被撤消，这是因为检测技术的成功以及后续对检测结果的整理分析过分依赖操作人员的技能。所以，当前工业实践在很多情况下，至少部分依靠对外部熔敷焊道的目测检查来判定焊接质量。但是，现场经验常常表明，在目测焊缝质量和实际焊缝完整性之间往往没有明显的一致性。在另一例子中(例如，如同在ASTM D2657-97中给出的已知的弯曲带试验的质量控制(QC)技术)，常常发现还有其它对保证熔融质量的限制。典型地，如果熔融缺陷对整个焊缝而言并不常见，那么选中焊缝缺陷区的可能性就低。例如直径30英寸、DR 13.5(壁厚2.22英寸)的焊缝，要求试样厚度为3.33英寸。假设在圆周的约10％具有缺陷，那么选中缺陷区的可能性小于15％。如果进行的是随机检查而且不知道该焊缝是否有缺陷，那么这个比例会进一步降低。进一步假设总体中约10％的所有焊缝含有缺陷，那么找到某有缺陷的焊缝的缺陷区的可能性小于1.5％。在其它已知方法中，可以在脉冲回声系统中采用超声检测去检测聚合物管和/或管子焊缝中的各种缺陷。超声检测的典型特征是速度快、无损并且相对便宜。但是，现有的超声方法通常局限于相对较薄的壁(即小于3/4英寸)。而且，现有的超声方法可能大多数不能探测出对接焊缝中的未熔透(LOF)。为了克服目测检测、超声检测或随机检测的至少部分不足，可以用流体对组装的聚合物管子进行加压，从而检测泄漏情况。但是，由于聚合物的粘弹性本质，采用短期压力泄漏检测(例如水压检测)通常不能完全保证聚合物管道系统的完整性。而且，所述组装的管子对施加压力的变形响应取决于时间和材料温度。所以，短期压力泄漏测试保证了在管道系统中没有泄漏，但通常并不用来测试塑料管道系统的强度或者不用来保证给出长期寿命期望值。而且，虽然最近发展的一些测试将对某些缺陷的识别提高到了某种程度，但是所有或者几乎所有这些测试需要在非使用状态的管道上进行。因此，虽然本领域已有许多检测聚合物管子和管子焊缝的方法，但是所有或者几乎所有这些方法都具有一个或多个缺点。而且，大多数现有系统只对非使用状态的管道提供结论性的结果。所以，对本领域已有的聚合物管子和管子焊缝，尤其是那些已经处于使用状态的管道而言，仍需要提供用于检测的改进方法和配置。专利技术概述本专利技术涉及聚合物材料，尤其是由热塑性聚合物制备的管子焊缝和管子的无损检测的装置和方法。预期设备通常包括低吸收外罩，其至少部分包封着超声发射器(transducer)，其中该发射器发出具有窄带宽的低频和广角超声束。预期的设备可以进一步包括与发射器成投射-接收关系排列的超声接收器，优选波束角为约40°和约70°。下表归纳了根据本专利技术主题的示例性设备的一般预期值/范围和尤其优选值/范围。 在本专利技术主题的一个方面，优选低吸收外罩包含高抗冲聚苯乙烯，和/或发射器的带宽可以很大程度地变化。但是，特别优选带宽是信号频率5％-50％的发射器，更优选带宽约是发射机额定频率的约±10％的发射器。在尤其优选的方面，外罩包含高抗冲聚苯乙烯，并且超声频率在带宽约±10％下约为2.25MHz。在本专利技术主题的另一个方面，预期设备进一步包括与发射器成投射-接收关系排列的超声接收器，其中超声接收器产生信号，该信号优选采用将该信号转换成可视化输出的信号处理软件处理。因此，本专利技术人预期了超声检测装置的使用和/或市场推广的方法，其中在一个步骤中提供具有低吸收外罩的装置，该外罩至少部分包封超声发射器，其中该超声发射器发射其带宽为额定发射机频率的5-50％的低频广角超声束。在另一步骤中，提供的是该装置在探测聚合材料缺陷(例如夹杂物、未熔透、和/或裂纹)上是有用的信息。对该装置而言，实施了上述和下面的“专利技术详述”一节中所述的一些见解。在另外的优选方面，预期方法中的信息可进一步包括以下建议通过里壁回声和/或侧波的至少一个的丢失来探测未熔透，和/或该装置在聚合物材料厚度最高达到4英寸时能探测到其中的缺陷(例如缺陷尺寸小于该聚合物材料厚度的4％)。附图简述附图说明图1A是与具有对接焊缝的塑料管子相接触的根据本专利技术主题的示例性装置的示意图。图1B是图1A的装置的示例性发射器的示意图。图1C是根据本专利技术主题的示例性探测角的示意图。图1D是根据本专利技术主题的示例性波束角范围的示意图。图2是根据本专利技术主题的示例性UT-TOFD检测系统的照片。图3是根据本专利技术主题的示例性UT-TOFD检测校准图示的屏幕拷贝。图4A是HDPE管子的焊缝A在第一位置的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。图4B是HDPE管子的焊缝A在第二位置的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。图5是HDPE管子的焊缝B的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。图6是HDPE管子未对齐的焊缝的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。图7是HDPE管子具有未熔透缺陷和外来物质夹杂的焊缝的示例性UT-TOFD扫描图示的屏幕拷贝。专利技术详述专利技术人发现采用改进的UT-TOFD(飞行衍射超声时间)系统可以对聚合物管子和管子焊缝进行高精度和大壁厚检测。在本专利技术主题的特别优选方面，采用改进的探头结合高分辨率/高灵敏度软件探测、定位和判定高密度聚乙烯管子焊缝中缺陷的大小和类型，包括孔隙和未熔透。专利技术人进一步发现根据本专利技术主题的配置和方法能够在厚度最高达到4英寸的管子中，探测出小于4％壁厚的缺陷。而且，特别值得称道的是，采用预期的方法和配置发现的缺陷类型、大小和/或位置与对同一管子和/或管子对接焊缝的有损检测的结果相关性很好。在如图1A所示的根据本专利技术主题的示例性UT-TOFD系统中，将发射器和接收器按照投射-接收关系排列，以同时在检测区域发送和探测压缩波。检测区域边界由恰好指向表面下方(外径OD)的侧波信号和指向里壁或管子内径(内径ID)的里壁回声信号确定。TOFD方法通常测量各种信号的到达时间(飞行时间)，同时分析软件自动执行精确确定缺陷位置(通过圆周位置和深度)和大小(即长度、高度)所需的Pythagorean计算。来自检测区域中任何缺陷的信号以图示方式(例如，扫描区的示波器波或可见图示)在侧波信号和里壁信号之间显示。在图2中描述了实际的示例性设备，其中该设备包括发射器和超声接收器，两者都连接到编码器上以提供位置信息。该设备还进一步通过电缆连接到便携式计算机上，该计算机执行对来自超声接收器的信号进行计算和显示的程序，以提供焊缝中缺陷的位置信息和尺寸信息。已有的UT-TOFD方法和配置通常局限于探测厚度小于3/4英寸的聚合材料中的缺陷，而且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于聚合材料的超声检测装置，其包含至少部分包封超声发射器的低吸收外罩，其中该发射器发射窄带宽的低频广角超声束。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B梅塞尔，M亚马奇，
申请(专利权)人：弗劳尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]