超声波探伤工作中探头的选择

无损检测技术在冶金,机械制造,国防,石油化工,航天航空,船舶,核能,电力,建筑,交通等行业有着非常广泛的应用.而超声波检测技术是 无损检测技术中发展Z快,应用Z广泛的方法之 ,在无损检测技术中占有非常重要的地位.根据超声波的物理性能,超声波检测技术可用于无损探 伤(缺陷检测),厚度测量,温度测量,流量测量, 应力测量等,其中,超声波探伤是超声波检测技术 Z主要的应用之一.

超声波探伤是利用超声波的反射特征来检测材 料中的缺陷的.探伤仪产生的高频脉冲振荡电流流 经探头时,被转换成超声波并传人被检工件,当在 超声波声路上遇到缺陷时,在界面产生反射,反射 回波被探头接收并转换成高频脉冲电信号输入探伤仪的接收放大电路,经过处理后在探伤仪示波管荧 光屏上显示出与回波声压太小成正比的回波图形. 探伤人员可根据回波波幅太小判断缺陷太小,根据 回波在荧光屏时基线上出现的位置来判断缺陷在工 件中的位置.在上述过程中,探头起着非常重要的 作用,即发射和接收超声波.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。

1 超声波探头的作用,种类及构成

1.1 探头的种类 

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)按耦台方式分类 按照探头与被探工件表面的耦合方式可分为直 接接触式探头和液授式探头.

2)按声束形状分类 按照超声波声束的集与否可分为聚焦探头和非 聚焦探头. 

3)按频谱分类 按超声波频谱可分为宽频带和窄频带探头. 

4)按人射声束方向分类 按入射声束方向可分为直探头和斜探头. 

5)按波型分类 按被探工件中产生的波型可分为纵波探头,横 渡探头,板波(兰姆波)探头和表面波探头. 

6)按晶片数目分类 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. 

7)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.如机械扫描切换探头,电子扫描 阵列探头,高温探头,瓷瓶探伤专用扁平探头(纵 型探头(横渡)等.

1.2 超声波探伤仪器探头的构成

超声波探头的结构与探头的类型有关,下面就 分别对常用的纵波直探头,横渡斜探头及表面波探 头的结构进行介绍. 

1)纵波直探头 纵波直探头用于发射和接收纵波,它是由保护 膜,压电晶片,阻尼块,外壳,电器接插件组成.

2)横渡斜探头 这里仅对使用Z广泛的由波型转换得到横渡的 斜探头进行介绍.我们知道,当超声波从一种介质 倾斜人射到另一种介质(必须为固体)时,在介质 表面会产生反射,折射及波型转换,当超声披^刺 角在diyi临界角与第二临界角之间时,在第介质 中就只有折射横波.横渡斜探头就是利用超声波的这一性质设计制作的 横波斜探头通常由声陷阱,吸声材料,适楔 块晶片,阻尼块,电器接插件,外壳等构成,蕻 中声陷阱的作用是吸收在透声楔块界面反射的 波,减少干扰杂波.

2)表面波探头 表面波探头的结构与横波斜探头类似,主要不 同在于晶片发射的纵波人射角度不同,即二者的透 声楔块倾角角度不同.当超声波人射纵波的人射角 大于或等于第二临界角时,在第二介质表面会存在 表面渡,表面波探头就是利用这一原理设计制作 

2 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,因些根据 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,足保证探伤结果正确可靠的基 础.对超声波探头的选择包括探头型式,探头频 率,探头晶片尺寸和横波斜探头K 缸选择等.

2.1 探头型式的选择

般根据工件的形状和可能出现敏陷的部位,34方向等条件来选择探头的形型,尽量使超声波声束 轴线与缺陷垂直. 直探头只能发射和接收纵波,波束轴线垂直于 探伤面,主要用于探测与探测面平行的的缺陷,如 锻件,钢板中的夹层,折叠等缺陷. 斜探头是通过渡型转换来实现横波探伤的.主 要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷,如 焊缝中的未焊透,夹渣,未熔合,气孔等缺陷. 表面波探头用于探测工件表面缺陷,双晶探头 用于探测工件近表面缺陷,聚焦探头多用于水浸探 测管材或板材 

2.2 探头频率的选择

超声波探伤频率在0.5 l0MHz之问,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^/2(:超声波的波长),而C=?f(c 声波波速;f为超声波的频率),在同一材料内超 亩渡波速是一定的,因此提高频率,超声波波长就 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 

3)由公式oo=arcsinl222,/D(式中:00 扩散角;D为波源晶片直径)可知,频率高.超声 波短,则半扩散角8o 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. 为近场区长度)可知,频率高,超声波短,近场区长度犬, 对探伤不利. 

4)由公式a=Clf+c2Fd]f4(式中:a 为介质 衰减系数;C.,c2 为常数;F 为各向异性常数;d 为介质晶粒直径)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 减天,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 束,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25— 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 超声波探伤中探头的选择 减,并在探伤仪示波屏上出现"林状回波" 信噪比下降,影响对缺陷波的判断. 

2.3 探头晶片尺寸的选择 

引起34 横波探头K 值的选择 探头晶片的形状一般为圆形和方形.圆形晶片 直径一般为10—20mm探头的晶片尺寸对趟声波 探伤结果有一定影响,选择时主要考虑以下困素 

1)半扩散角.由3.2(3)条中的公式可知, 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3.2(4)条中的公式可 知,晶片尺寸增加,近场区长度增大,对探伤 

3)晶片尺寸大,辐射的超声波能量火.探头未扩散区扫查范围大,远距离扫查范围相对变小, 发现远距离缺陷能力增强 在探伤面积范围太的工件时,为r 提高探伤效 率,宜选用大晶片探头;探份厚度大的工件时,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,曲率较大的工件, 为了减少耦合损失,宜选用小晶片探头 在横渡探伤中,探头的K 值对探伤灵敏度, 声束轴线的方向,一次波的声程都有较大的影响. 对于用有机玻璃斜探头探钢制工件时,折射角8= 40.即K=0.84 左右时,声压往复透射率Z高,即 探伤灵敏度Z高.而K=tg2,K 超声波一次波的声程大.因此,在实际探伤中,当工件厚度较小时,应选用较大K 值的探头.避 免近场区探伤;当工件厚度较大时,应选用较小K 值的探头,以减少声程过大引起的衰减.以便于发 现较远距离的缺陷另外,在检验焊缝时还应保证 主声束能扫查整个焊缝截面,对于单面焊根部未焊 透,还要考虑到端角反射问题,选用探头时,应使 值在0.7～1.5之间,在此间端角反射Z强,否 则易引起漏检. 

3 超声探伤仪器探头选择总结

超声波探伤用探头剥探伤结果影响巨大,在实 际探伤过程中应根据工件情况,探伤条件以及执行 的标准认真选用,使超声波探伤结果尽量做到准 确,可靠.