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  • 超声波探伤所用探头的分类、作用和选用原则

  • 发布时间:2019/11/13 21:58:34 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:824
  • 内容摘要:随着新技术的不断出现和检测设备的不断更新,超声波检测技术是目前无损检测技术中发展最快、应用最广泛的方法之一,在无损检测技术中占有非常重要的地位。在检测过程中,除了超声检测仪器,发射和接收超声波的探头也起着非常重要的作用,所以,探头性能的好坏以及探伤过程中对探头的选取是否得当,将直接影响到探伤结果的准确性和可靠性。下文重点讲述压电型超声探头的分类、作用和选用原则。
    随着新技术的不断出现和检测设备的不断更新,超声波检测技术是目前无损检测技术中发展最快、应用最广泛的方法之一,在无损检测技术中占有非常重要的地位。在检测过程中,除了超声检测仪器,发射和接收超声波的探头也起着非常重要的作用,所以,探头性能的好坏以及探伤过程中对探头的选取是否得当,将直接影响到探伤结果的准确性和可靠性。下文重点讲述压电型超声探头的分类、作用和选用原则。


    超声探头的分类、作用和选用原则


    1

    超声波探头的分类。

    超声波探伤中由于被探工件的形状、材质、探伤目的、探伤条件不同,因而需使用不同形式的探头。超声波探头按不同的归纳方式可以进行不同的分类,一般有以下几种。

    1)按被探工件中产生的波型,可分为纵波探头、横波探头、板波(兰姆波)探头、爬波探头和表面波探头。

    2)按按入射声束方向,可分为直探头和斜探头。

    3)按照探头与被探工件表面的耦合方式,可分为接触式探头和液浸式探头。

    4)按照探头中压电晶片的材料,可分为普通压电晶片探头和复合压电晶片探头。

    5)按照探头中压电晶片的数目,可分为单晶探头、双晶探头和多晶探头。

    6)按照超声波声束的聚焦否可,分为聚焦探头和非聚焦探头。

    7)按超声波频谱,可分为宽频带和窄频带探头。

    8)按匹配检测工件的曲率,可分为平面探头和曲面探头。

    9)特殊探头。除一般探头外,还有一些在特殊条件下和用于特殊目的的探头。


    2

    常见典型探头的作用

    1)纵波探头通常称为直探头,主要用于检测与检测面平行的缺陷,如板材、铸、锻件检测等。

    2)横波斜探头是利用横波检测,是入射角在第一临界角与第二临界角之间且折射波为纯横波的探头,主要用于检测与检测面垂直或成一定角度的缺陷,广泛用于焊缝、管材、锻件的检测。

    3)纵波斜探头是入射角小于第一临界角的探头。目的是利用小角度的纵波进行缺陷检验,或在横波衰减过大的情况下,利用纵波穿透能力强的特点进行纵波斜入射检验,使用时需注意试件中同时存在横波的干扰。

    4)爬波探头。由于一次爬波的角度在75º~83º之间,几乎垂直于被检工件的厚度方向,与工件中垂直方向的裂纹接近成90º,因此,对于垂直性裂纹有较好的检测灵敏度,且对工件表面的粗糙度要求不高,适用于表面、近表面的裂纹检测。

    5)表面波(瑞利波)探头入射角需在产生瑞利波的临界角附近,通常比第二临界角略大。由于表面波的能量集中于表面下2个波长之内,检查表面裂纹灵敏度极高,主要对表面或近表面缺陷进行检验。

    6)双晶探头。双晶探头有两块压电晶片,一块用于发射超声波,另一块用于接收超声波,根据入射角αL的不同,分为纵波双晶直探头和横波双晶斜探头。双晶探头具有以下优点:灵敏度高、杂波少盲区小、工件中近场区长度小、检测范围可调,双晶探头主要用于检测近表面缺陷。



    3

    超声波探伤中探头的选用原则

    超声波探头的类型很多,性能各异,因此根据超声波探伤对象的形状、对超声波的衰减和技术要求,合理选用探头是保证探伤结果正确可靠的基础。对超声波探头的选择主要体现在:探头型式、探头频率、探头晶片尺寸和探头角度等。

    3.1 探头型式

    一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的形式,尽量使超声波声束轴线与缺陷垂直。具体可参考上述常见典型探头作用部分。

    3.2 探头频率

    超声波探伤频率在0.5一15MHz之间,选择范围较大。一般选择频率时应考虑以下几个因素。

    1)由于超声波的绕射,使超声波探伤灵敏度约为二分之一波长。在同一材料内超声波波速是一定的,因此提高频率,超声波波长变短,探伤灵敏度提高,有利于发现更小的缺陷。

    2)频率高,脉冲宽度小,分辨率高,有利于区分相邻缺陷,分辨力提高。

    3)由扩散公式可知,频率高,超声波长短,则半扩散角小,声束指向性好,超声波能量集中,有利于发现缺陷并对缺陷定位,定量精度高。

    4)由近场区长度公式可知,频率高,超声波长短,近场区长度大,对探伤不利。

    5)由衰减、吸收公式可知,超声波的衰减随超声波频率、介质晶粒度增加而急剧增加。

    通过上面分析可知超声波探伤时频率的影响较大,频率高,探伤灵敏度和分辨率高,波束指向性好,对探伤有利。但是频率高,近场区长,介质衰减大,对探伤不利,所以在选择探头频率时,应综合考虑,全面分析各方面因素,合理选取。一般说来,在满足探伤灵敏度要求的前提下,尽可能选取频率较低的探头;对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等,一般选用较高频率的探头,常用2.5—5.0MHz。对于晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等工件,宜选用软低频率的探头,常用0.5~2.5MHz,否则若选用频率过高,就会引起超声波能量严重衰减。

    3.3 探头晶片尺寸

    探头晶片的形状一般为圆形和方形。探头的晶片尺寸对超声波探伤结果有一定影响,选择时主要考虑以下因素

    1)半扩散角。由扩散角公式可知,晶片尺寸增加,半扩散角减小,波束指向性好,超声波能量集中,对探伤有利。

    2)探伤近场区。由近场区长度公式可知,晶片尺寸增加,近场区长度增大,对探伤不利。

    3)晶片尺寸大,辐射的超声波能量强,探头未扩散区扫查范围大,发现远距离缺陷能力增强。

    在探伤面积范围大的工件时,为提高探伤效率,宜选用大晶片探头;探伤厚度大的工件时,为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头;对小型工件,为了提高缺陷的定位定量精度,宜选用小晶片探头;对表面不太平整、曲率较大的工工件,为了减少耦合损失,宜选用小晶片探头。

    3.4角度

    在检测中应尽量使超声波声束轴线与缺陷垂直,因此角度的选择根据检测对象中可能存在的缺陷类型、位置和工件允许的探伤条件,利用反射、折射定律以及相关几何知识,选择合适角度的探头。以在横波检测中,探头的K值为例,折射角对检测灵敏度、声束轴线的方向,一次波的声程(入射点至底面反射点的距离)有较大影响。对于用有机玻璃斜探头检测钢制工件,β=40°(K=0.84)左右时,声压往复透射率最高,即检测灵敏度最高。由此可知,K值大,β值大,一次波的声程大。因此在实际检测中,当工件厚度较小时,应选用较大的K值,以便增加一次波的声程,避免近场区检测。当工件厚度较大时,应选用较小的K值,以减少声程过大引起的衰减,便于发现深度较大处的缺陷。在焊缝检测中,还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透,还要考虑端角反射问题,应使K=0.7~1.5,因为K<0.7或K>1.5,端角反射率很低,容易引起漏检。

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    结束语

       超声波探头对于超声检测来说,就像是它的眼睛,探头对探伤结果影响非常大,俗话说工欲善其事必先利其器,在实际探伤过程中应根据工件情况、探伤条件、缺陷情况以及执行的标准认真选用,使超声波探伤尽量做到准确、可靠、高效。此外对于探头性能指标,探头和仪器的组合性能指标的相关要求,可参照JB/T10062探头、JB/T9214 A型超探系统工作性能、GB/T18694探头及声场、EN12668-2探头、EN12668-3组合性能、ISO10375探头及声场、ASTM E1065探头等有关标准。         

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