CN109997039B - 复合材料的超声波探伤装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种由物性不同的多种原材料构成的复合材料的超声波探伤装置；具备：在照射于所述复合材料上的超声波的反射波的RF信号中特别确定出能产生原材料反射波的第一区间和能产生界面反射波的第二区间的区间特定部；判定在所述第一区间上所述RF信号的值是否超过正的第一阈值的原材料缺陷判定部；以及判定在所述第二区间上所述RF信号的值是否低于负的第二阈值的界面缺陷判定部。

Description

复合材料的超声波探伤装置及方法
技术领域
本发明涉及由物性不同的多种原材料构成的复合材料的超声波探伤装置及方法。
背景技术
近年，作为构成铁道车辆、航空器等的部件，研制出了利用纤维增强树脂（CFRP；碳纤维增强复合材料、GFRP；玻璃纤维增强塑料等）的复合材料的部件。而且，有超声波探伤检查这一典型的对复合材料内部有无缺陷进行检查的非破坏检查（例如参照专利文献1）。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1 ：日本特开2009-270824号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
然而，作为复合材料的缺陷，有在原材料内部产生的原材料缺陷和在不同的原材料彼此的分界面上产生的界面缺陷，而从检查效率的角度出发，理想是能由一次超声波探伤来检查原材料缺陷和界面缺陷两方。但是，在复合材料中传播的超声波在完好的原材料上几乎不反射，但在界面上即便界面是完好也会发生反射。因此，适用于原材料缺陷的判定的阈值与适用于界面缺陷的判定的阈值互不相同。如果想要由一次超声波探伤来检查原材料缺陷和界面缺陷两方，而使界面缺陷判定用的阈值与原材料缺陷判定用的阈值共通化，则会产生原材料缺陷的漏检发生的问题、将疑似指示误判为界面缺陷的问题等。
因此本发明目的在于能由一次超声波探伤来高精度地检查原材料缺陷和界面缺陷两方。
解决问题的手段：
本发明人等着眼于如下现象：在由多种原材料层叠而成的复合材料的界面上存在缺陷的情况下，以超声波探伤时的反射波（并非全波整流信号）作为RF信号时，界面反射波的负的高峰值的绝对值变大。
根据本发明一形态的复合材料的超声波探伤装置是由物性不同的多种原材料构成的复合材料的超声波探伤装置；具备：在照射于所述复合材料上的超声波的反射波的RF信号中特别确定出能产生原材料反射波的第一区间和能产生界面反射波的第二区间的区间特定部；判定在所述第一区间上所述RF信号的值是否超过正的第一阈值的原材料缺陷判定部；以及判定在所述第二区间上所述RF信号的值是否低于负的第二阈值的界面缺陷判定部。
根据本发明一形态的复合材料的超声波探伤方法是由物性不同的多种原材料构成的复合材料的超声波探伤方法；具备：接收照射于所述复合材料上的超声波的反射波的RF信号的工序；判定在所述RF信号中的能产生原材料反射波的区间上所述RF信号的值是否超过正的第一阈值的工序；以及判定在所述RF信号中的能产生界面反射波的区间上所述RF信号的值是否低于负的第二阈值的工序。
根据所述结构及方法，在能产生原材料反射波的第一区间上利用正的第一阈值判定原材料缺陷的有无，且在能产生界面反射波的第二区间上利用负的第二阈值判定界面缺陷的有无，所以RF信号中的界面缺陷的判定对象区域与RF信号中的原材料缺陷的判定对象区域被区別开。因此，即便是一次超声波探伤，也能各自设定原材料缺陷判定用的第一阈值和界面缺陷判定用的第二阈值，从而提高原材料缺陷的检测精度和界面缺陷的检测精度两方。
发明效果：
根据本发明，能由一次超声波探伤来高精度地检查原材料缺陷和界面缺陷两方。
附图说明
图1是根据实施形态的超声波探伤装置的框图；
图2是说明超声波探伤时的反射波的图；
图3是说明图1所示的超声波探伤装置所进行的缺陷判定的图；
图4是包括使用了作为超声波探伤对象的复合材料的板簧的铁道车辆用转向架的侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施形态进行说明。
［超声波探伤装置］
图1是根据实施形态的超声波探伤装置1的框图。如图1所示，超声波探伤装置1根据水浸法在将超声波探头2与作为检查对象的复合材料100一同沉浸在水中的状态下进行超声波探伤。另，本实施形态中例示了水浸法，但也可以通过其它方法（例如直接接触法）进行超声波探伤。超声波探伤装置1具备超声波探头2、超声波收发器3、A/D转换器4、运算控制装置5、输入装置6、输出装置7、探头扫描机8、扫描驱动器9、水槽10。
超声波探头2在与由第一原材料101及第二原材料102层叠而成的复合材料100一同沉浸在存积于水槽10里的水中的状态下，从第一原材料101侧对复合材料100照射超声波，并接收该超声波的来自复合材料100的反射波。超声波收发器3与超声波探头2连接。超声波收发器3具有脉冲振荡部31、接收部32、增幅部33。脉冲振荡部31向超声波探头2发送脉冲信号。接收部32接收超声波探头2所接受的超声波的反射波的检测信号（反射波信号）。增幅部33对该反射波信号进行增幅并向A/D转换器4发送。A/D转换器4对从超声波收发器3接受到的模拟的反射波信号进行数字转换，将该数字信号向运算控制装置5输出。
作为一例，探头扫描机8具有：在与复合材料100的界面103（接合界面）大致平行的平面内位移的载置架81；在该平面内引导载置架81的滑轨82、83；和使载置架81在滑轨82、83上移动的马达84。而且，马达84的驱动由扫描驱动器9控制。在载置架81上固定有超声波探头2，随着载置架81的移动，超声波探头2在该平面内位移。马达84由扫描驱动器9控制。
运算控制装置5具有振荡控制部51、扫描控制部52、反射波信号处理部53。在运算控制装置5上连接有输入装置6及输出装置7。输入装置6用于用户向运算控制装置5输入信息，例如为键盘等。输出装置7用于从运算控制装置5输出处理结果等，为显示器、打印机等。运算控制装置5具有处理器、易失性存储器、非易失性存储器及I/O接口等，非易失性存储器中保存有超声波探伤程序。即，处理器利用易失性存储器执行前述超声波探伤程序，根据需要经由I/O接口输入输出信号，由此实现振荡控制部51、扫描控制部52和反射波信号处理部53。
振荡控制部51基于从输入装置6输入的条件，将包含超声波的频率及焦点位置等信息的脉冲生成指令向超声波收发器3发送。扫描控制部52基于从输入装置6输入的条件，向扫描驱动器9输出载置架81的目标坐标信号。反射波信号处理部53具有区间特定部53a、原材料缺陷判定部53b、界面缺陷判定部53c。
区间特定部53a接收从A/D转换器4接收的数字的反射波信号作为RF信号，在RF信号中特别确定出能产生原材料反射波的第一区间和能产生界面反射波的第二区间。原材料缺陷判定部53b利用第一区间上的阈值判定来判定是否存在原材料缺陷。界面缺陷判定部53c利用第二区间上的阈值判定来判定是否存在界面缺陷。
［反射波］
图2是说明超声波探伤时的反射波的图。如图2所示，复合材料100例如将由CFRP构成的第一原材料101和由GFRP构成的第二原材料102进行层叠而成，在第一原材料101与第二原材料102之间形成有界面103（接合界面）。超声波探头2在复合材料100的期望的探伤点（探伤单位区域）上从第一原材料101侧向复合材料100照射超声波。
如此，首先，超声波的一部分在第一原材料101的表面发生反射。将此时的反射波称为“表面反射波”。接着，向第一原材料101入射的超声波的一部分在第一原材料101与第二原材料102之间的界面103上反射。将此时的反射波称为“界面反射波”。表面反射波及界面反射波在复合材料100完好时也产生。
第一原材料101中在探伤单位区域存在原材料缺陷D1（例如空隙）的情况下，第一原材料101中传播的超声波的一部分在原材料缺陷D1处反射。将此时的反射波称为“原材料反射波”。界面103上在探伤单位区域存在界面缺陷D2（例如剥离）的情况下，相比于界面完好的情况，界面反射波的振幅增加。由于界面反射波到达超声波探头2的时期与原材料反射波到达超声波探头2的时期不同，所以在一次超声波探伤所得的反射波中，原材料反射波和界面反射波可通过时间来区別。这样的超声波探伤在以规定的间距设置的各探伤单位区域中进行。
［缺陷判定］
图3是说明图1所示的超声波探伤装置1所进行的缺陷判定的图。图3所示的各图表是由运算控制装置5的反射波信号处理部53接收，以时间轴波形来表示的反射波的RF信号。即，图3的各图表中，横轴为时间，纵轴为反射波高度（回声高度）。时间轴波形的反射波上，随着时间经过以表面反射波、原材料反射波（在有原材料缺陷的情况下）及界面反射波的顺序出现各自的波形。
如图1及3所示，区间特定部53a将一次超声波探伤所得的反射波的RF信号中能产生原材料反射波的时间范围特别确定为第一区间（原材料区间），且将该RF信号中能产生界面反射波的时间范围特别确定为第二区间（界面区间）。即，第一区间和第二区间为时间上互不重叠的不同的区间。第一区间及第二区间可利用基于第一原材料101的厚度、超声波的传播速度等的计算来特别确定。
原材料缺陷判定部53b判定第一区间上反射波的RF信号的值是否超过正的第一阈值。界面缺陷判定部53c判定第二区间上反射波的RF信号的值是否低于负的第二阈值。即，正的第一阈值设定于第一区间而不设定于第二区间。作为一例，第二阈值的绝对值大于第一阈值。原材料缺陷判定部53b在判定第一区间上反射波的RF信号的值超过第一阈值（正值）时，判定原材料缺陷存在。界面缺陷判定部53c在判定第二区间上反射波的RF信号的值低于第二阈值时，判定界面缺陷存在。
图3的情况1时，第一区间上反射波的RF信号的值未超过第一阈值（正值），原材料缺陷判定部53b判定原材料缺陷不存在、第一原材料101完好。又，由于第二区间上反射波的RF信号的值未低于第二阈值（负值），所以界面缺陷判定部53c判定界面缺陷不存在、界面103完好。即，虽然第二区间上反射波的RF信号的值超过与第一阈值相同的值，但由于第二区间上未设定第一阈值（正值），所以不会将完好的界面反射波的正的高峰误判为界面缺陷。
图3的情况2时，由于第一区间上反射波的RF信号的值超过第一阈值（正值）（图3的A处），所以原材料缺陷判定部53b判定原材料缺陷存在。另，在第一原材料101中存在原材料缺陷的情况下，超声波未充分到达界面103，所以界面反射波不算作评价对象。
图3的情况3时，第一区间上反射波的RF信号的值未超过第一阈值（正值），原材料缺陷判定部53b判定原材料缺陷不存在、第一原材料101完好。又，第二区间上反射波的RF信号中，尽管界面103完好，但因某种理由而产生高峰值变大的疑似指示。此时，第二阈值的绝对值设定为小于界面反射波的RF信号的正的高峰值的值，但是界面反射波的RF信号具有负的高峰值的绝对值小于正的高峰值的特性。因而反射波的RF信号的值不低于第二阈值（负值），界面缺陷判定部53c正确判定界面缺陷不存在、界面103完好。
图3的情况4时，第一区间上反射波的RF信号的值未超过第一阈值（正值），原材料缺陷判定部53b判定原材料缺陷不存在、第一原材料101完好。另一方面，由于第二区间上反射波的RF信号的值低于第二阈值（负值）（图3的B处），所以界面缺陷判定部53c判定界面缺陷存在。另，界面反射波的RF信号的正的高峰值因疑似指示而超出画面显示范围外，但由于不进行正的阈值的判定所以不构成问题。
［应用例］
图4是包括使用了作为超声波探伤对象的复合材料的板簧210的铁道车辆用转向架201的侧视图。如图4所示，转向架201具备经由空气弹簧231支持车身230的横梁232（转向架框）、和容纳旋转自由地支持车轴220的轴承（未图示）的轴箱221。横梁232与轴箱221之间架设有在车辆长度方向延伸的板簧210，板簧210的中央部支持横梁232，板簧210的两端部支持于轴箱221。
板簧210具有包括上层211、中间层212及下层213的三层结构。例如上层211及下层213由CFRP形成，中间层212由GFRP形成。若与图2中说明的例示对应，则上层211及下层213为第一原材料，中间层212为第二原材料。板簧210形成为厚度从端部向中央部逐渐变大。具体而言，中间层212的厚度形成为厚度从端部向中央部逐渐变大，上层211及下层213的厚度为一定。
在这样的板簧210上，为了检查上层211（或下层213）的原材料缺陷、和上层211（或下层213）与中间层212之间的界面缺陷而适当地实施前述的超声波探伤。此时，来自超声波探头2的超声波从上层211侧（或下层213侧）入射板簧210。
根据以上说明的结构，在能产生原材料反射波的第一区间上利用正的第一阈值判定原材料缺陷的有无，且在能产生界面反射波的第二区间上利用负的第二阈值判定界面缺陷的有无，所以RF信号中的界面缺陷的判定对象区域与RF信号中的原材料缺陷的判定对象区域被区別开。因此，即便是一次超声波探伤，也能各自设定原材料缺陷判定用的第一阈值和界面缺陷判定用的第二阈值，从而提高原材料缺陷的检测精度和界面缺陷的检测精度两方。
又，第二阈值的绝对值大于第一阈值，所以能兼顾防止原材料缺陷漏检、和防止疑似指示带来的界面缺陷的误判。但也可以是第二阈值的绝对值小于第一阈值的值。又，第一阈值设定为小于完好的界面反射波的正的高峰值的值，所以能更为理想地防止原材料缺陷的漏检。但也可以是第一阈值为大于完好的界面反射波的正的高峰值的值。又，完好的界面反射波的负的高峰值能设定为低于显示限度的值，所以产生了至显示限度为止的灵敏度裕度。由此，不使用高性能的装置即能由一次超声波探伤来高精度地检查原材料缺陷和界面缺陷，还能与产生的灵敏度裕度对应地扩大可判定的缺陷尺寸的范围。
符号说明：
1　 超声波探伤装置 ；
53a　区间特定部 ；
53b　原材料缺陷判定部 ；
53c　界面缺陷判定部 ；
100　复合材料 ；
101　第一原材料 ；
102　第二原材料 ；
103　界面 ；
210　板簧 ；
D1 　原材料缺陷 ；
D2 　界面缺陷。

Claims (4)

1.一种复合材料的超声波探伤装置，其特征在于，
是对于将由CFRP构成的第一原材料和由GFRP构成的第二原材料进行层叠而成的复合材料，从所述第一原材料侧照射超声波，从而在所述第一原材料与所述第二原材料之间的界面存在缺陷的情况下界面反射波产生正的高峰和负的高峰两者的超声波探伤装置；具备：
在照射于所述复合材料上的超声波的反射波的RF信号中特别确定出能产生原材料反射波的第一区间和能产生界面反射波的第二区间的区间特定部；
判定在所述第一区间上所述RF信号的值是否超过正的第一阈值的原材料缺陷判定部；以及
判定在所述第二区间上所述RF信号的值是否低于负的第二阈值的界面缺陷判定部。
2.根据权利要求1所述的复合材料的超声波探伤装置，其特征在于，
所述第二阈值的绝对值大于所述第一阈值。
3.一种复合材料的超声波探伤方法，其特征在于，
是对于包含将由CFRP构成的第一原材料和由GFRP构成的第二原材料进行层叠而成的结构的复合材料，从所述第一原材料侧照射超声波，从而在所述第一原材料与所述第二原材料之间的界面存在缺陷的情况下界面反射波产生正的高峰和负的高峰两者的超声波探伤方法；具备：
接收照射于所述复合材料上的超声波的反射波的RF信号的工序；
判定在所述RF信号中的能产生原材料反射波的第一区间上所述RF信号的值是否超过正的第一阈值的工序；以及
判定在所述RF信号中的能产生界面反射波的第二区间上所述RF信号的值是否低于负的第二阈值的工序。
4.根据权利要求3所述的复合材料的超声波探伤方法，其特征在于，
所述复合材料是包括由CFRP构成的第三原材料，具有以所述第一原材料和所述第三原材料夹着所述第二原材料而成的三层结构的铁道车辆用板簧。
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