(57)【要約】  少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブおよび本体を含む、スポット溶接部を非破壊で特性化するための可搬システムであって、本体は携帯型であるように設計されており、かつ人間工学的に設計される外部ケーシングと、少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブに接続するための少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路と、プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含むタッチスクリーンコンピュータと、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタとをさらに含む。
2017509873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット溶接部(spot welds)を非破壊で(non-destructively)特性化する(characterizing)ための可搬システムであって、
（ａ）少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブであり、
（ｉ）前記プローブの１つの端部で曲面アレイ(curved array)に配置される(arranged)複数の超音波振動子要素(transducer elements)であり、超音波信号を生成するようにもその反射を受信するようにも動作する振動子要素、および、
（ｉｉ）試験条件(test conditions)下のスポット溶接部内に音エネルギー(sound energy)が直接伝達されることを可能にしつつ、前記プローブが前記スポット溶接部の輪郭表面(contoured surface)に合致する(conform)ことを可能にするための材料の組合せ(combination of materials)であり、前記プローブの前記端部(end)に装着される可撓性の(flexible)膜、および前記膜と前記アレイとの間に設置される流体充填室(fluid filled chamber)または固体音遅延材料(solid sound delay material)をさらに含む材料の組合せをさらに含むマトリックスフェーズドアレイプローブと、
（ｂ）携帯型(hand-held)であるように設計される本体(body)であり、
（ｉ）人間工学的に設計される(ergonomically designed)外部ケーシング、
（ｉｉ）前記少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブに接続するための少なくとも１つの入力、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路、
（ｉｖ）前記プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる(color coded)超音波Ｃスキャン(C-scan)画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含むタッチスクリーンコンピュータ、および、
（ｖ）前記特性化される溶接部の前記色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタをさらに含む本体とを備えるシステム。
【請求項２】
前記振動子要素が個別の(discrete)サブグループにさらに配置され、かつ各サブグループがその他のサブグループとは独立してかつ異なる時間間隔で作動されて(activated)もよい、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各サブグループをその他のサブグループとは独立してかつ前記サブグループにおける要素ごとに異なる時間間隔で作動させることが、信号の集束(signal focusing)および操向能力(steering capacity)を提供する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記本体が少なくとも１つの充電式バッテリをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記人間工学的に設計される外部ケーシングがハンドル(handle)をさらに含み、かつ前記ハンドルが前記マトリックスフェーズドアレイプローブを収容するように適合された、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記人間工学的に設計される外部ケーシングが、前記本体を支持するための少なくとも１つのアームレストをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記超音波フェーズドアレイ送受信回路が、１６チャネル同時多重化能力をもつ６４チャネルフェーズドアレイ回路をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記システムソフトウェアが、前記マトリックスフェーズドアレイプローブを使用して最初に既知の直径の溶接継手を走査し、次いでそれに応じてシステムゲーティング比(system gating ratio)を調整することによって前記システムの較正(calibration)を許可する入力をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記色分けされる超音波Ｃスキャン画像が、各特性化される溶接部に関する溶接ナゲット(nugget)および融合範囲(fused area)の平均直径をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
スポット溶接部を非破壊で特性化するための可搬システムであって、
（ａ）少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブであり、
（ｉ）前記プローブの１つの端部で曲面アレイに配置される複数の超音波振動子要素であり、超音波信号を生成するようにもその反射を受信するようにも動作する振動子要素、および、
（ｉｉ）試験条件下のスポット溶接部内に音エネルギーが直接伝達されることを可能にしつつ、前記プローブが前記スポット溶接部の輪郭表面に合致することを可能にするための材料の組合せであり、前記プローブの前記端部に装着される可撓性の膜、および前記膜と前記アレイとの間に設置される流体充填室または固体音遅延材料をさらに含む材料の組合せをさらに含むマトリックスフェーズドアレイプローブと、
（ｂ）携帯型であるように設計される本体であり、
（ｉ）人間工学的に設計される外部ケーシングであり、前記マトリックスフェーズドアレイプローブを収容するように適合されたハンドルをさらに含むケーシング、
（ｉｉ）前記プローブに接続するための少なくとも１つの入力、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路、
（ｉｖ）前記プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含むタッチスクリーンコンピュータ、
（ｖ）前記特性化される溶接部の前記色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタ、および、
（ｖｉ）少なくとも１つの充電式バッテリをさらに含む本体とを備えるシステム。
【請求項１１】
前記振動子要素が個別のサブグループにさらに配置され、かつ各サブグループがその他のサブグループとは独立してかつ異なる時間間隔で作動されてもよい、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
各サブグループをその他のサブグループとは独立してかつ前記サブグループにおける要素ごとに異なる時間間隔で作動させることが、信号の集束および操向能力を提供する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記人間工学的に設計される外部ケーシングが、前記本体を支持するための少なくとも１つのアームレストをさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記超音波フェーズドアレイ送受信回路が、１６チャネル同時多重化能力をもつ６４チャネルフェーズドアレイ回路をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記システムソフトウェアが、前記マトリックスフェーズドアレイプローブを使用して最初に既知の直径の溶接継手を走査し、次いでそれに応じてシステムゲーティング比を調整することによって前記システムの較正を許可する入力をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記色分けされる超音波Ｃスキャン画像が、各特性化される溶接部に関する溶接ナゲットおよび融合範囲の平均直径をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
スポット溶接部を非破壊で特性化するための可搬システムであって、
（ａ）少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブであり、
（ｉ）前記プローブの１つの端部で曲面アレイに配置される複数の超音波振動子要素であり、個別のサブグループにさらに配置される振動子要素であり、各サブグループがその他のサブグループとは独立してかつ異なる時間間隔で作動されてもよく、かつ超音波信号を生成するようにもその反射を受信するようにも動作する振動子要素、および、
（ｉｉ）試験条件下のスポット溶接部内に音エネルギーが直接伝達されることを可能にしつつ、前記プローブが前記スポット溶接部の輪郭表面に合致することを可能にするための材料の組合せであり、前記プローブの前記端部に装着される可撓性の膜、および前記膜と前記アレイとの間に設置される流体充填室または固体音遅延材料をさらに含む材料の組合せをさらに含むマトリックスフェーズドアレイプローブと、
（ｂ）携帯型であるように設計される本体であり、
（ｉ）人間工学的に設計される外部ケーシングであり、前記マトリックスフェーズドアレイプローブを収容するように適合されたハンドル、および前記本体を支持するための少なくとも１つのアームレストをさらに含むケーシング、
（ｉｉ）前記プローブに接続するための少なくとも１つの入力、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路、
（ｉｖ）前記プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含み、かつＣスキャン画像が各特性化される溶接部に関する溶接ナゲットおよび融合範囲の平均直径をさらに含むタッチスクリーンコンピュータ、
（ｖ）前記特性化される溶接部の前記色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタ、および、
（ｖｉ）少なくとも１つの充電式バッテリをさらに含む本体とを備えるシステム。
【請求項１８】
各サブグループをその他のサブグループとは独立してかつ前記サブグループにおける要素ごとに異なる時間間隔で作動させることが、信号の集束および操向能力を提供する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記超音波フェーズドアレイ送受信回路が、１６チャネル同時多重化能力をもつ６４チャネルフェーズドアレイ回路をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムソフトウェアが、前記マトリックスフェーズドアレイプローブを使用して最初に既知の直径の溶接継手を走査し、次いでそれに応じてシステムゲーティング比を調整することによって前記システムの較正を許可する入力をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本特許出願は、２０１１年５月１０日に出願の「Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｓｐｏｔ  Ｗｅｌｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国仮特許出願第６１／４８４，３１２号の利益を主張した、２０１２年５月１０日に出願の「３−Ｄ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｓｐｏｔ  Ｗｅｌｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第１３／４６８，５０２号の一部継続出願であり、それらの開示が参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれ、かつすべての目的で本米国実用特許出願の一部とされる。
【０００２】
[0002]本発明は、一般に工業製造工程の性能を評価する際に使用する検査システムに関し、より詳細には抵抗スポット溶接部および他の溶接継手の品質を評価するための非破壊検査システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]板金接合プロセスは航空宇宙および自動車産業を含む多くの産業において広く使用される。これらのプロセスの中で、抵抗スポット溶接は、それが高プロセス速度を有しかつ大量生産ラインで容易に採用されるので、金属シートを接合するために使用される非常に一般的な手順である。シーム溶接、溶接接合、接着接合、はんだ付けおよびろう付けも受け入れられてきた。そのような接合プロセスの品質管理は製造業者にとっての重要な問題として認識されてきた。溶接継手の品質は接合プロセス自体によっておよび継手の設計によって影響される。冶金反応、熱挙動、化学組成、母材の開始条件、溶接および結合条件、ならびにプロセスの間に使用される溶接および結合機器を含む、多くの要因が考慮される。さらにまた、これらの要因間の複雑な関係が、溶接継手の品質を制御することを困難に、かつ溶接継手を非破壊方式で検査することを困難にする。
【０００４】
[0004]音響方法は、様々な検査用途のための一般的に使用される非破壊試験方法である。他の非破壊試験方法とは異なり、音響方法は表面および内部の両情報を提供する。その上、音響方法は試験片へのより深い浸透および溶接継手の小さい不連続部に対するより高い感度を見込む。しかしながら、音響方法は、制約を有する。最も重大な制約は、試験装置を使用しかつ音響データを分析するための熟練作業者の要件の他に、未融合溶接部もしくは低温溶接部または、キッシングボンドなどの不適切な結合を識別する非常に主観的な性質を含む。したがって、超音波非破壊評価（ＮＤＥ）の分野は、熟練作業者の関与および試験データの主観的な解釈を排除する方式で不良継手を識別するための信頼できるプロセスまたは技術が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の一実施例は、例えば、可搬マトリックスフェーズドアレイスポット溶接部検査システムに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0005]以下は本発明のある例示的な実施形態の概要を提供する。本概要は広範な概観ではなく、かつ本発明の主要なもしくは重要な態様もしくは要素を特定するもの、またはその範囲を定めるものとは意図されない。
【０００７】
[0006]本発明の一態様によれば、スポット溶接部を非破壊で特性化するための第１の可搬システムが提供される。本システムは少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブおよび本体を含む。マトリックスフェーズドアレイプローブは、超音波信号を生成するようにもその反射を受信するようにも動作する、プローブの１つの端部で曲面アレイに配置される複数の超音波振動子要素と、試験条件下のスポット溶接部内に音エネルギーが直接伝達されることを可能にしつつ、プローブがスポット溶接部の輪郭表面に合致することを可能にするための材料の組合せであって、プローブの端部に装着される可撓性の膜、および膜とアレイとの間に設置される流体充填室または固体音遅延材料をさらに含む材料の組合せとをさらに含む。本体は携帯型であるように設計されており、かつ人間工学的に設計される外部ケーシングと、少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブに接続するための少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路と、プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含むタッチスクリーンコンピュータと、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタとをさらに含む。
【０００８】
[0007]本発明の別の態様によれば、スポット溶接部を非破壊で特性化するための第２の可搬システムが提供される。本システムも少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブおよび本体を含む。マトリックスフェーズドアレイプローブは、超音波信号を生成するようにもその反射を受信するようにも動作する、プローブの１つの端部で曲面アレイに配置される複数の超音波振動子要素と、試験条件下のスポット溶接部内に音エネルギーが直接伝達されることを可能にしつつ、プローブがスポット溶接部の輪郭表面に合致することを可能にするための材料の組合せであって、プローブの端部に装着される可撓性の膜、および膜とアレイとの間に設置される流体充填室または固体音遅延材料をさらに含む材料の組合せとをさらに含む。本体は携帯型であるように設計されており、かつマトリックスフェーズドアレイプローブを収容するように適合されたハンドルを有する人間工学的に設計される外部ケーシングと、プローブに接続するための少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路と、プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含むタッチスクリーンコンピュータと、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタと、少なくとも１つの充電式バッテリとをさらに含む。
【０００９】
[0008]本発明のさらに別の態様において、スポット溶接部を非破壊で特性化するための第３の可搬システムが提供される。本システムも少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブおよび本体を含む。マトリックスフェーズドアレイプローブが、プローブの１つの端部で曲面アレイに配置される複数の超音波振動子要素であって、個別のサブグループにさらに配置される振動子要素であり、各サブグループがその他のサブグループとは独立してかつ異なる時間間隔で作動されてもよく、かつ超音波信号を生成するようにもその反射を受信するようにも動作する振動子要素と、試験条件下のスポット溶接部内に音エネルギーが直接伝達されることを可能にしつつ、プローブがスポット溶接部の輪郭表面に合致することを可能にするための材料の組合せであり、プローブの端部に装着される可撓性の膜、および膜とアレイとの間に設置される流体充填室または固体音遅延材料をさらに含む材料の組合せとをさらに含む。本体は携帯型であるように設計されており、かつマトリックスフェーズドアレイプローブを収容するように適合されたハンドル、および本体を支持するための少なくとも１つのアームレストを有する人間工学的に設計される外部ケーシングと、プローブに接続するための少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの入力と電気通信する超音波フェーズドアレイ送受信回路と、タッチスクリーンコンピュータであって、プローブから受信されるデータを処理し、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像を生成するための少なくとも１つの画像アルゴリズムを含むソフトウェアを実行する少なくとも１つのデータプロセッサをさらに含み、かつＣスキャン画像が各特性化される溶接部に関する溶接ナゲットおよび溶融範囲の平均直径をさらに含むタッチスクリーンコンピュータと、特性化される溶接部の色分けされる超音波Ｃスキャン画像をリアルタイムで表示するための少なくとも１つのモニタと、少なくとも１つの充電式バッテリとをさらに含む。
【００１０】
[0009]本発明の追加の特徴および態様は、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読みかつ理解することにより当業者にとって明らかになるだろう。当業者によって認識されるだろうように、本発明のさらなる実施形態が本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく可能である。したがって、図面および関連する説明は本質的に例証的であり限定的ではないと考えられるべきである。
【００１１】
[0010]添付の図面は、本明細書に組み込まれかつその一部を形成しており、本発明の１つまたは複数の例示的な実施形態を概略的に例証し、かつ上記に与えられた一般的な説明および下記に与えられる詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する役目をする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】[0011]本発明の例示的な実施形態に従う３次元マトリックスフェーズドアレイスポット溶接部検査システムの主要な構成要素を図示するブロック図である。
【図２】[0012]図２ａは、図１のシステムを使用して良好なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図２ｂは、図１のシステムを使用して良好なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図２ｃは、図１のシステムを使用して良好なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。
【図３】[0013]図１の溶接部検査システムに含まれる電子ゲートのＡスキャンモードでの可視化表現を提供する。
【図４】[0014]図４ａは、図１のシステムを使用して粗悪なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図４ｂは、図１のシステムを使用して粗悪なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図４ｃは、図１のシステムを使用して粗悪なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。
【図５】[0015]図５ａは、図１のシステムを使用して未融合溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図５ｂは、図１のシステムを使用して未融合溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。
【図６】[0016]図６ａは、３Ｄ曲面プローブ要素の形状の他に、部分要素群に対する様々な発火系列を例証する。図６ｂは、３Ｄ曲面プローブ要素の形状の他に、部分要素群に対する様々な発火系列を例証する。
【図７】[0017]図７ａは、２Ｄ平面プローブ設計に対する３Ｄ曲面プローブ設計の利益のモデリング検証を提供する。図７ｂは、２Ｄ平面プローブ設計に対する３Ｄ曲面プローブ設計の利益のモデリング検証を提供する。図７ｃは、２Ｄ平面プローブ設計に対する３Ｄ曲面プローブ設計の利益のモデリング検証を提供する。図７ｄは、２Ｄ平面プローブ設計に対する３Ｄ曲面プローブ設計の利益のモデリング検証を提供する。
【図８】[0018]本発明のスポット溶接部検査プロセスの例示的な実施形態のためのデータフローチャートを提供する。
【図９】[0019]様々なスポット溶接部条件に対する撮像結果の例を提供する。
【図１０】[0020]本発明の例示的な実施形態に従う、スポット溶接部を非破壊で特性化するための可搬システムの正面斜視図である。
【図１１】[0021]図１０のシステムの基本的な機能性のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0022]本発明の例示的な実施形態がここで図を参照して説明される。様々な要素および構造に言及するために、詳細な説明を通して参照数字が使用される。他の事例において、周知の構造および装置は説明を単純化する目的でブロック図形式で図示される。以下の詳細な説明は例証の目的で多くの詳細を含むとはいえ、以下の詳細に対する多くの変形および変更が本発明の範囲内であることを当業者は認識するだろう。したがって、本発明の以下の実施形態は、特許請求される本発明に対する一般性の喪失なく、かつそれに制約を課すことなく記載される。
【００１４】
[0023]本出願は米国特許出願第１２／１８６，０４７号を、すべての目的でその全体で、参照により本明細書に組み込む。本明細書に使用される用語に関し、本発明は第１および第２の工作物または上下の金属シート間の抵抗スポット溶接部の健全性を分析するために有用であるとして説明される。しかしながら、本発明は材料、構成または工作物の数の他に接着剤結合にかかわらずすべての溶接部に適用できる。したがって、本開示が概して未融合溶接部に言及する一方で、本発明は接着剤の分野においてキッシングボンドまたは弱い結合としばしば称される継手の未融合部分を検出することを当業者は認識するだろう。本発明はまた金属および非金属に同様に適用できかつ融接に限定されないが、しかし固体状態溶接部、ろう付けおよびはんだ継手を調査するためにも使用されてもよい。したがって、本方法がスポット溶接部の自動分析において特別な適用性を有すると共に、それは連続結合を評価するためにも使用されてもよい。
【００１５】
[0024]工作物（たとえば、板金片）が溶接界面で局所的な融合によって共に保持されるが、しかし溶接プロセスの結果として溶接ボタンまたは溶接ナゲットは形をなさなかったときに、未融合溶接部または未融合継手が生じる。未融合溶接部は典型的に、溶接界面での熱がナゲット成長を生じさせるには不十分であることから結果として起こる。適切に形成された溶接ナゲットがない場合、融合は金属シート間のある接触点で生じることがある。被覆材料に関しては、被覆が融解および再凝固することができ、部品を共に有効にはんだ付けする。結果としての結合はしばしば軽負荷下で工作物を共に保持するには十分強いが、しかし相応な力ではそれらを引き離すだろう。溶接部健全性を分析するために超音波試験が使用される場合、融合が生じなかったとすれば、送信される超音波ビーム（すなわち、音波）はシート間の界面を通過しないだろう。未融合溶接部が生じ、結果として融合にはなったが、溶接ナゲットにはならなかったとすれば、送信される超音波ビームはシート界面を部分的に通過するだろう。溶接ナゲットが適切に形成されたとすれば、送信される超音波ビームはシート界面を完全に通過するだろう。
【００１６】
[0025]フェーズドアレイ超音波試験（ＰＡＵＴ）は傷検出、寸法測定および撮像のために使用されてもよい。ＰＡＵＴ技術は音響プローブ特性を電子的に修正する能力である。プローブ修正は、アレイプローブの個々の要素に送られる（パルス）およびそこから受信される（エコー）信号に時間シフトを導入することによって行われる。非破壊評価の目的で超音波データを収集および表示するための３つの共通形式はＡスキャン、ＢスキャンおよびＣスキャン提示である。各提示モードは検査されている材料領域を可視化および評価するための手段を提供する。Ａスキャンは、従来の超音波探傷器および波形表示厚さ計によって一般に提供されるような、超音波信号の時間および振幅を図示する単純なＲＦ波形提示である。Ａスキャンは振幅変調スキャンであり、概してパルスエコー超音波に適用されるように、水平および垂直掃引はそれぞれ時間または距離および振幅または大きさに比例する。したがって、音響界面の場所および大きさは振動子下の深さに関して示される。受信エネルギーの相対量が縦軸に沿ってプロットされ、経過時間（材料内での音エネルギー伝搬時間に関連があってもよい）が横軸に沿って表示される。Ａスキャンディスプレイを活用する大抵の器械は、信号が全整流ＲＦ信号としてまたはＲＦ信号の正かもしくは負かの半分としてその固有無線周波数形態（ＲＦ）で表示されることを可能にする。Ａスキャン提示において、相対的不連続部大きさは、未知の反射体から得られる信号振幅を既知の反射体からのそれと比較することによって推定されることができる。反射体深さは水平掃引上の信号の位置によって求められることができる。フェーズドアレイシステムからのＣスキャンは、超音波プローブが一軸に沿って物理的に移動される一方で、ビームが焦点法則シーケンスに従って他方の軸に沿って電子的に走査することを伴う。信号振幅または深さデータは注目するゲート制御される領域内で収集される。データは、プログラムされたビーム孔を使用して各焦点法則進行と共にプロットされる。マトリックスフェーズドアレイプローブを活用して、ビームステアリングが複数の方向に達成されることができる。
【００１７】
[0026]図を参照しつつ、本発明の例示的な実施形態は、抵抗スポット溶接部の品質を評価するための非破壊検査システムを提供する。図１に図示するように、例示的な実施形態のブロック図において、スポット溶接部検査システム１０は溶接部１２の品質を評価するように動作するものであり、それは界面１４で形成され、それは上シート１６と下シート１８との間に設けられる（共に約０．６ｍｍ〜約２．０ｍｍのシート厚を有する）。約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍのエアギャップが上シート１６と下シート１８との間に存在してもよい。３次元マトリックスフェーズドアレイプローブ１００が溶接範囲にわたって設けられる上シート１６の領域に置かれる。超音波要素１０６の曲面アレイが、溶接範囲に複数の超音波ビーム１０８を送信するために、またそれらの超音波ビームの関連する反射１１０を捕捉するために使用される。フェーズドアレイユニット２００が複数の信号経路２０２を通して複数の超音波要素１０２と電気通信している。フェーズドアレイユニット２００はコンピュータ３００とも電気通信しており、それは着信超音波データを処理し、溶接範囲の可視化表現を生成する。プローブ１００は、プローブの先端が溶接範囲の輪郭に合致することを可能にする可撓性の膜１０２、ならびに超音波ビーム１０８を焦束および操向するための流体充填室１０４または固体音遅延材料を含む。可撓性の膜１０２が図１に図示するように曲面に合致することが可能であるので、かつ振動子要素１０６のアレイが曲面幾何学的形状に構成される（図１参照）ので、平坦アレイおよび平面先端を有するプローブを使用する「２次元」システムに対して、本発明のマトリックスフェーズドアレイシステムは「３次元」と称される。
【００１８】
[0027]図２ａ〜ｃは、システム１０を使用して良好なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図２ａにおいて、超音波ビームは溶接部１２および界面１４を完全に伝搬し、下シート１８の裏側からプローブ１００に反射して戻る。図２ｂは、各音波が発信して界面１４で反射するときのその方向および相対強度を概略的に例証する。図２ｂにおいて、より細い線は音波が界面１４と相互作用するときの音響エネルギーの喪失を表す。丸数字１、２および３として示される反射信号は図２ｃに提示されるＡスキャンに図示されるピークに対応する。図２ｃは、Ａスキャンモードでの試験から導き出される信号を提供し、ここでは信号１は上シート１６の上面からの反射を表し、信号２は第１の完全な裏側反射を表し、信号３は第２の完全な裏側反射を表す。信号２を通って引かれる水平線は表面ゲートを表し、信号２に隣接する水平線は界面ゲートを表す（以下の考察参照）。
【００１９】
[0028]超音波エネルギー伝送ならびに溶接部界面１４および下シート１８の裏側での反射に基づいて、システム１０は２つの調節可能な電子ゲートを使用してすべての不要な反射信号をフィルターで除く。ゲートを通過する２つの信号は第２の金属シートの裏側からの反射信号かまたは２つの板金の界面からの反射信号かである。第１のゲートは「表面ゲート」と呼ばれ、第２のゲートは「界面ゲート」と呼ばれる。本手法は減衰係数補償方法を活用する現在の市販のシステムとは異なる。そのようなシステムにおいて、スポット溶接部の融合部の微細構造が未融合溶接部状態と比較してより高い減衰係数を有するという前提で、減衰係数を求め、スポット溶接部融合によって引き起こされる音響エネルギー喪失に対する修正を行うために、表面および界面のすべてからの複数の反射が考慮される。参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／１８６，０４７号に開示および特許請求されるように、アレイ１０６における各超音波要素は一次超音波ビームおよび二次超音波ビームを生成し、ここでは一次超音波ビームが高利得であり、二次超音波ビームが低利得であり、かつここでは、一次および二次超音波ビームは互いに非常に近接して（すなわち、数ミリ秒で）点火される。図４に図示するように、チャネル２は各ピークでのチャネル１の低振幅複製である。図示の初期時間間隔は第１のピークの中心から表面ゲート開始位置まで測定される。表面ゲート開始位置はチャネル２の第１のピークに初期時間間隔を加えて固定される。界面ゲート開始位置は表面ゲート開始位置に固定される。システム１０はゲートＡとＢとの間の信号振幅（高さ）の割当てを測定し、ゲート開始および終了位置間の信号だけが考慮される。
【００２０】
[0029]図４ａ〜ｃは、システム１０を使用して粗悪なスポット溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。図４ａにおいて、溶接ナゲットが存在しないので、超音波ビームは界面１４を完全に伝搬することなく、むしろ界面１４からプローブ１００に反射して戻る。図４ｂは、各音波が界面１４で反射するときのその方向および相対強度を概略的に例証する。図４ｂにおいて、より細い線は音波が界面１４と相互作用するときの音響エネルギーの喪失を表す。丸数字１、２、３、４および５として示される反射信号は図４ｃに提示されるＡスキャンに図示されるピークに対応する。図４ｃは、Ａスキャンモードでの試験から導き出される信号を提供し、ここでは信号１は上シート１６の上面からの第１の反射を表し、信号２は界面１４からの第１の反射を表し、信号３は界面１４からの第２の反射を表し、信号４は界面１４からの第３の反射を表し、信号５は界面１４からの第４の反射を表す。信号３を通って引かれる水平線は表面ゲートを表し、信号４を通って引かれる水平線は界面ゲートを表す（上記の考察参照）。
【００２１】
[0030]図５ａ〜ｂは、システム１０を使用して未融合溶接部を分析することから導き出される試験結果の例証を提供する。不完全なまたは粗悪に形成された溶接部が存在するので、超音波ビームは界面１４を部分的に伝搬するだけである一方で、界面１４のエコーと完全な裏壁反射との間に中間エコーが出現する。図５ａは、各音波が発信して界面１４で反射するときのその方向および相対強度を概略的に例証する。図５ａにおいて、より細い線は音波が界面１４と相互作用するときの音響エネルギーの喪失を表す。丸数字１、２、３、４および５として示される反射信号は図５ｂに提示されるＡスキャンに図示されるピークに対応する。図５ｂは、Ａスキャンモードでの試験から導き出される信号を提供し、ここでは信号２は界面１４からの第１の反射を表し、信号３は第１の完全な裏側反射を表し、信号４は界面１４からの第２の反射を表し、信号５は第２の完全な裏側反射を表す。信号３を通って引かれる水平線は表面ゲートを表し、信号４を通って引かれる水平線は界面ゲートを表す（上記の考察参照）。
【００２２】
[0031]図６ａ〜ｂは、曲面３次元プローブ要素の幾何学的形状（図６ａ）の他に、部分要素群に対する様々な発火系列（図６ｂ）を例証する。音響プローブ１００は、３次元アレイに配置され、かつ試験中のスポット溶接部内に音エネルギーが直接伝達されることを可能にしつつ、プローブがスポット溶接部の輪郭表面に合致することを可能にするための材料の組合せを有する、複数の超音波振動子要素１０６を含む。励起要素（フェーズドアレイユニット２００）がアレイに結合され、振動子要素の部分集合群がスポット溶接部に向けて超音波ビームを送るために組み合わされる。部分集合群における各振動子要素は異なる時間間隔（位相遅れ）で律動されてもよく、それらの個々の波は合算されてビームの焦束効果の他に操向効果を産生する。特定の適用のための性能を最適化するために他の３次元配置が可能である。要素の全数、全体寸法および動作周波数が全体の３次元表面輪郭形状ならびにその動作特性およびパラメータを決定する。
【００２３】
[0032]３次元プローブの設計はより小さいプローブでより大きい物理的範囲の検査を許可し、それによって２次元設計と比較して改善されたプローブアクセスの他により広い適用範囲を見込む。３次元幾何学的配列は溶接継手の特定領域における最適化された精度および感度を提供する。図７ａ〜ｄによって例証するように、図７ａに図示する３次元曲面プローブの角要素の結果は、図７ｃに図示する２次元平面プローブの場合と比較したときに、ビーム発射角が典型的なスポット溶接部くぼみの法線方向により操向されることを例証する。３次元（図７ｂ）および２次元（図７ｄ）の両プローブ用の中心要素に関するビーム品質の顕著な変化はない。２次元マトリックスフェーズドアレイプローブとの検査能力の高忠実度を失うことなく、３次元プローブはプローブ自体の内蔵曲率から適用範囲を拡張する。本発明はしたがってより小さいプローブ直径でより大きい溶接部範囲の検査を可能にして、改善されたアクセスを可能にする。それは、依然溶接部範囲全体をカバーすると共に、より少ない数の要素の使用をも可能にして、全体のシステム費用を低減させてもよい。
【００２４】
[0033]本発明の様々な実形態において、コンピュータ化コントローラが音響プローブ１００および振動子要素１０６に結合されて、超音波信号の伝送を案内し、それらから応答を合計および受信する。図８（１つの可能なオペレーティングシステムの機能を例証するフローチャートを提供する）全体を参照して、コントローラは、（ｉ）音響信号を生成および取得し、（ｉｉ）各要素グループ化のためにスポット溶接部の表面を検出し、（ｉｉｉ）器械ゲーティングを調整して表面プロファイルおよびプローブ向きの差を補償し、（ｉｖ）非結合範囲および良好な結合をもつ範囲から反射される応答間の信号振幅比を測定し、（ｖ）応答の部分集合を、スポット溶接部と関連づけられる非結合範囲から反映されると認識し、部分集合を残りの応答から分離し、（ｖｉ）非層間剥離寸法の範囲を測定し、（ｖｉｉ）スポット溶接部の非層間剥離の２次元色分けされる画像（図９参照）を提示するように動作する。要約すれば、本発明の明瞭な利点のいくつかは、（ｉ）３次元マトリックスプローブ要素、（ｉｉ）ビーム集束および操向能力を形成する部分要素群に関する位相遅れ、（ｉｉｉ）適合膜（減衰補正の必要なし）、および（ｉｖ）電子ゲートを活用して不要な反射をフィルターで除く画像プロセスを含む。
【００２５】
[0034]１つの例示的な実施形態において、本発明は、溶接またはろう付けした継手を含む部品および構成要素の破壊試験の必要を低減させる、完全統合の可搬（すなわち、携帯型）バッテリ式非破壊検査システムに組み立てられる。このユニットは費用がより低く、大きさがより小さい超音波フェーズドアレイ回路を含み、かつバッテリ式であることの能力を有し、その結果装置は費用効果的、かつ生産ライン使用のために可搬である。したがって、システムは、大幅に省コストでかつ効率的に溶接した製品の健全性を確認するためのツールとして使用されることができる。このシステムは、「ＥＷＩ  ＳｐｏｔＳｉｇｈｔ（商標）」と称されてもよく、マトリックスフェーズドアレイ（ＭＰＡ）超音波撮像技術を活用して、リアルタイムフィードバックを提供しつつ、検査範囲の超音波Ｃスキャン画像を視覚化することによって継手範囲の状態を正確に評価する。このシステムは、金属および非金属で作られる部品および構成要素の検査のための広い種類の製造設定において活用されることができる。システムは、抵抗スポット溶接、抵抗シーム溶接、レーザ溶接、摩擦撹拌スポット溶接、ＭＩＧスポット溶接、ろう付けなどを含む様々な接合構成の品質を評価するために効果的である。この発明は、（ｉ）鋼に対するスポット溶接部、鋼およびアルミニウムに対する抵抗スポット溶接部、アルミニウムに対する摩擦撹拌スポット溶接部、ならびに鋼に対するレーザ溶接部の品質を評価することに関して自動車産業、（ｉｉ）アルミニウム、チタンおよびステンレス鋼に対するする抵抗スポット溶接部および抵抗シーム溶接部、ならびに航空宇宙グレードニッケル合金に対するろう付けの品質を評価することに関して航空宇宙産業、ならびに（ｉｉｉ）鋼に対するＭＩＧスポット溶接部、ならびに銅およびスズ被覆銅に対するろう付けを評価することに関する定置洗浄（ＣＩＰ）用途のために特に有用である。
【００２６】
[0035]図１０〜１１を参照しつつ、本発明の可搬バージョンは１つまたは複数の生産環境における検査システムとしての使用に意図される。本システムの基本構成要素は、（ｉ）超音波フェーズドアレイ送受信回路、（ｉｉ）データ処理能力および画像アルゴリズムをもつ完全統合コンピュータ、（ｉｉｉ）迅速着脱電気接続を有する少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブ、および（ｉｖ）内部にマトリックスフェーズドアレイプローブのための安全な収容空間を提供するキャリーハンドルをもつ人間工学的に設計されかつ完全可搬のケースを含む。図１０に図示するように、可搬溶接継手検査ユニット４００の例示的な実施形態は本体４１０およびハンドル４２４を含む。本体４１０は、電源スイッチ４１２、ＵＳＢおよび外部モニタ接続４１３のためのサイドアクセス、スクリーン４１４、アルミニウム板４１６、コネクタアダプタ４１７（たとえば、Ｈｙｐｅｒｔｒｏｎｉｘ  Ｏｍｎｉ  Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒアダプタ）、コード巻き４１８、スタイラス収容領域４２０、ならびにアームレスト４２２をさらに含む。ハンドル４２４はプローブ収容領域４２６をさらに含む。プローブ１００はプローブコネクタ１０３（たとえば、マルチピンＯｍｎｉコネクタ）に接続され、それは次いでコネクタアダプタ４１７で溶接継手検査ユニット４００に接続する。様々な例示的な実施形態において、超音波フェーズドアレイ送受信回路は１６チャネル同時多重化能力をもつ６４チャネルフェーズドアレイ回路をさらに含み、コンピュータは、生産環境でコンピュータマウスおよびキーボードの必要を排除することによって検査速度を改善する平面タッチスクリーンディスプレイをもつ、Ｗｉｎｄｏｗｓ７またはＷｉｎｄｏｗｓ８オペレーティングソフトウェア上で実行するインテルｉ７デュアルコア駆動の強化タブレットコンピュータを含み、画像アルゴリズムは、フェーズドアレイ電子装置からのにデータを処理する適切な画像アルゴリズムを提供するためのＳｐｏｔＳｉｇｈｔ（商標）撮像ソフトウェア（ＥＷＩ，Ｉｎｃ．；Ｃｏｌｕｍｂｕ，Ｏｈｉｏ）をさらに含み、少なくとも１つのマトリックスフェーズドアレイプローブは６４要素３Ｄマトリックスフェーズドアレイプローブをさらに含み、かつ人間工学的なケーシングは、内部電子装置のための冷却を可能にするために必要なすべての特徴、器械を運搬することからのハンドル、ならびにプローブの安全な収容およびすべての必要な電力およびデータポートへのアクセスを可能にする様々な特徴をさらに含む。ワイヤレス接続性（たとえば、ブルートゥース、Ｗｉ−Ｆｉ、セルラネットワークなど）および充電式バッテリも典型的に含まれる。本実施形態の上述の態様は本発明に以下の有利な特徴、すなわち（ｉ）溶接部および他の種類の接合材料をスクリーンに表示される数値データで定量的に評価する能力、（ｉｉ）自己内蔵型非破壊超音波検査システム、（ｉｉｉ）携帯型可搬性、（ｉｖ）バッテリ電力、（ｖ）タッチスクリーンおよびワイヤレス機能性、ならびに（ｖｉ）ユニットに対するプローブの堅牢な迅速電気／機械的接続を有効にもたらす。
【００２７】
[0036]図１１は、可搬溶接継手検査ユニット４００の例示的な実施形態の基本的な機能性を例証するシステムブロック図を提供する。本実施形態において、フェーズドアレイ電子回路５２０はデータ処理ソフトウェアから作動指令でマトリックスフェーズドアレイプローブ５１０を作動させる。次に、マトリックスフェーズドアレイプローブ５１０によって検出される超音波信号が画像アルゴリズム５３０に送られ、検査中の接合範囲の融合および非融合状態のために処理される。最後に、色分けされる超音波Ｃスキャン画像５４０が、ナゲットおよび融合範囲の平均直径などの追加の数値データと共にスクリーンに表示される。超音波信号が、一方は前面反射のための、他方は界面反射のための２つのゲート、を使用してプローブアレイの個々のサブグループによって検出されるにつれて、ＥＷＩ  ＳｐｏｔＳｉｇｈｔ（商標）は超音波信号を処理する。生の超音波データが二重ゲート画像アルゴリズムでリアルタイム処理されるにつれて、超音波Ｃスキャン画像がプロットされる。作業者に対するフィードバック時間はごくわずかであり、プローブの調整は、結果が不満足であればプローブが再位置付けされなければならないシステムと比較して、比較的に容易かつ高速である。これらの利点にもかかわらず、様々な溶接部を調査する中で、いくつかの要因は、（ｉ）経時変化する膜の音響インピーダンスの変化、（ｉｉ）センサ／プローブに含まれる圧電素子の自然劣化、（ｉｉｉ）振動子間のわずかな差、および（ｉｖ）すべての溶接のサイズが縮小するシステムの自然傾向を含む、望ましくない変動を引き起こすことがある。これらの変数を補償するために、本発明のいくつかの実施形態は、第１の画像ゲートと第２の画像ゲートとの間の比が調節されることを可能にする特徴を含む。本特徴はシステムの作業者にシステムを既知の直径の溶接部に較正する能力を与え、それによってシステムの全体の精度を増加させる。これを達成するためには、システム作業者は既知のまたは所定の直径を有する溶接ナゲットを含む基準にプローブを置く。画像が基準よりわずかに大きくまたは小さく読める場合、ゲート比はソフトウェアの特定の入力を通して作業者によって調節される。可搬溶接継手検査ユニット４００のスクリーンに現れる画像は本質的に、第１のゲートからの信号強度を第２のゲートからの強度に比較することによって作成される。
【００２８】
[0037]本発明がその例示的な実施形態の説明によって例証されたが、かつ実施形態が一定な詳細に説明されたが、添付の請求項の範囲をそのような詳細に制限するまたはいかなる形であれ限定することは出願人の意図ではない。追加の利点および修正は当業者に容易に想起されるだろう。したがって、そのより広い態様の本発明は、図示および説明される具体的な詳細、代表装置および方法、ならびに／または例証的な例のいずれにも限定されない。したがって、出願人の概略の発明概念の趣旨または範囲から逸脱することなく、そのような詳細からの展開が行われてもよい。
【図１】
2017509873.tif 000003
【図２】
2017509873.tif 000004
【図３】
2017509873.tif 000005
【図４】
2017509873.tif 000006
【図５】
2017509873.tif 000007
【図８】
2017509873.tif 000008
【図１０】
2017509873.tif 000009
【図１１】
2017509873.tif 000010
【図６】
2017509873.tif 000011
【図７】
2017509873.tif 000012
【図９】
2017509873.tif 000013
【国際調査報告】
2017509873.tif 000014