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      超聲波探傷所用探頭的分類、作用和選用匯編
      作者: 發布于:2017-1-3 10:11:20 點擊量:

       

      緒 論

      隨著新技術的不斷出現和檢測設備的不斷更新,超聲波檢測技術是目前無損檢測技術中發展最快、應用最廣泛的方法之一,在無損檢測技術中占有非常重要的地位。在檢測過程中,除了超聲檢測儀器,發射和接收超聲波的探頭也起著非常重要的作用,所以,探頭性能的好壞以及探傷過程中對探頭的選取是否得當,將直接影響到探傷結果的準確性和可靠性。下文重點講述壓電型超聲探頭的分類、作用和選用原則。        

       


      超聲探頭的分類、作用和選用原則

       

       

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      超聲波探頭的分類

       

      超聲波探傷中由于被探工件的形狀、材質、探傷目的、探傷條件不同,因而需使用不同形式的探頭。超聲波探頭按不同的歸納方式可以進行不同的分類,一般有以下幾種。

      1)按被探工件中產生的波型,可分為縱波探頭、橫波探頭、板波(蘭姆波)探頭、爬波探頭和表面波探頭。

      2)按按入射聲束方向,可分為直探頭和斜探頭。

      3)按照探頭與被探工件表面的耦合方式,可分為接觸式探頭和液浸式探頭。

      4)按照探頭中壓電晶片的材料,可分為普通壓電晶片探頭和復合壓電晶片探頭。

      5)按照探頭中壓電晶片的數目,可分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭。

      6)按照超聲波聲束的聚焦否可,分為聚焦探頭和非聚焦探頭。

      7)按超聲波頻譜,可分為寬頻帶和窄頻帶探頭。

      8)按匹配檢測工件的曲率,可分為平面探頭和曲面探頭。

      9)特殊探頭。除一般探頭外,還有一些在特殊條件下和用于特殊目的的探頭。

       

       

       

       

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      常見典型探頭的作用


      1)縱波探頭通常稱為直探頭,主要用于檢測與檢測面平行的缺陷,如板材、鑄、鍛件檢測等。

      2)橫波斜探頭是利用橫波檢測,是入射角在第一臨界角與第二臨界角之間且折射波為純橫波的探頭,主要用于檢測與檢測面垂直或成一定角度的缺陷,廣泛用于焊縫、管材、鍛件的檢測。

      3)縱波斜探頭是入射角小于第一臨界角的探頭。目的是利用小角度的縱波進行缺陷檢驗,或在橫波衰減過大的情況下,利用縱波穿透能力強的特點進行縱波斜入射檢驗,使用時需注意試件中同時存在橫波的干擾。

      4)爬波探頭。由于一次爬波的角度在75º~83º之間,幾乎垂直于被檢工件的厚度方向,與工件中垂直方向的裂紋接近成90º,因此,對于垂直性裂紋有較好的檢測靈敏度,且對工件表面的粗糙度要求不高,適用于表面、近表面的裂紋檢測。

      5)表面波(瑞利波)探頭入射角需在產生瑞利波的臨界角附近,通常比第二臨界角略大。由于表面波的能量集中于表面下2個波長之內,檢查表面裂紋靈敏度極高,主要對表面或近表面缺陷進行檢驗。

      6)雙晶探頭。雙晶探頭有兩塊壓電晶片,一塊用于發射超聲波,另一塊用于接收超聲波,根據入射角αL的不同,分為縱波雙晶直探頭和橫波雙晶斜探頭。雙晶探頭具有以下優點:靈敏度高、雜波少盲區小、工件中近場區長度小、檢測范圍可調,雙晶探頭主要用于檢測近表面缺陷。

       

       


       

       

       

       

       

       

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      超聲波探傷中探頭的選用原則

       

      超聲波探頭的類型很多,性能各異,因此根據超聲波探傷對象的形狀、對超聲波的衰減和技術要求,合理選用探頭是保證探傷結果正確可靠的基礎。對超聲波探頭的選擇主要體現在:探頭型式、探頭頻率、探頭晶片尺寸和探頭角度等。

      3.1 探頭型式

      一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的形式,盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。具體可參考上述常見典型探頭作用部分。

      3.2 探頭頻率

      超聲波探傷頻率在0.5一15MHz之間,選擇范圍較大。一般選擇頻率時應考慮以下幾個因素。


      1)由于超聲波的繞射,使超聲波探傷靈敏度約為二分之一波長。在同一材料內超聲波波速是一定的,因此提高頻率,超聲波波長變短,探傷靈敏度提高,有利于發現更小的缺陷。


      2)頻率高,脈沖寬度小,分辨率高,有利于區分相鄰缺陷,分辨力提高。


      3)由擴散公式可知,頻率高,超聲波長短,則半擴散角小,聲束指向性好,超聲波能量集中,有利于發現缺陷并對缺陷定位,定量精度高。


      4)由近場區長度公式可知,頻率高,超聲波長短,近場區長度大,對探傷不利。


      5)由衰減、吸收公式可知,超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質晶粒度增加而急劇增加。


      通過上面分析可知超聲波探傷時頻率的影響較大,頻率高,探傷靈敏度和分辨率高,波束指向性好,對探傷有利。但是頻率高,近場區長,介質衰減大,對探傷不利,所以在選擇探頭頻率時,應綜合考慮,全面分析各方面因素,合理選取。一般說來,在滿足探傷靈敏度要求的前提下,盡可能選取頻率較低的探頭;對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等,一般選用較高頻率的探頭,常用2.5—5.0MHz。對于晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等工件,宜選用軟低頻率的探頭,常用0.5~2.5MHz,否則若選用頻率過高,就會引起超聲波能量嚴重衰減。


      3.3 探頭晶片尺寸

       

      探頭晶片的形狀一般為圓形和方形。探頭的晶片尺寸對超聲波探傷結果有一定影響,選擇時主要考慮以下因素

      1)半擴散角。由擴散角公式可知,晶片尺寸增加,半擴散角減小,波束指向性好,超聲波能量集中,對探傷有利。


      2)探傷近場區。由近場區長度公式可知,晶片尺寸增加,近場區長度增大,對探傷不利。


      3)晶片尺寸大,輻射的超聲波能量強,探頭未擴散區掃查范圍大,發現遠距離缺陷能力增強。

       

      在探傷面積范圍大的工件時,為提高探傷效率,宜選用大晶片探頭;探傷厚度大的工件時,為了有效地發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭;對小型工件,為了提高缺陷的定位定量精度,宜選用小晶片探頭;對表面不太平整、曲率較大的工工件,為了減少耦合損失,宜選用小晶片探頭。


      3.4角度

       

      在檢測中應盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直,因此角度的選擇根據檢測對象中可能存在的缺陷類型、位置和工件允許的探傷條件,利用反射、折射定律以及相關幾何知識,選擇合適角度的探頭。以在橫波檢測中,探頭的K值為例,折射角對檢測靈敏度、聲束軸線的方向,一次波的聲程(入射點至底面反射點的距離)有較大影響。對于用有機玻璃斜探頭檢測鋼制工件,β=40°(K=0.84)左右時,聲壓往復透射率最高,即檢測靈敏度最高。由此可知,K值大,β值大,一次波的聲程大。因此在實際檢測中,當工件厚度較小時,應選用較大的K值,以便增加一次波的聲程,避免近場區檢測。當工件厚度較大時,應選用較小的K值,以減少聲程過大引起的衰減,便于發現深度較大處的缺陷。在焊縫檢測中,還要保證主聲束能掃查整個焊縫截面。對于單面焊根部未焊透,還要考慮端角反射問題,應使K=0.7~1.5,因為K<0.7或K>1.5,端角反射率很低,容易引起漏檢。

       

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      結束語

      超聲波探頭對于超聲檢測來說,就像是它的眼睛,探頭對探傷結果影響非常大,俗話說工欲善其事必先利其器,在實際探傷過程中應根據工件情況、探傷條件、缺陷情況以及執行的標準認真選用,使超聲波探傷盡量做到準確、可靠、高效。此外對于探頭性能指標,探頭和儀器的組合性能指標的相關要求,可參照JB/T10062探頭、JB/T9214 A型超探系統工作性能、GB/T18694探頭及聲場、EN12668-2探頭、EN12668-3組合性能、ISO10375探頭及聲場、ASTM E1065探頭等有關標準。         

       

       

       

       

       

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