超聲波探傷第5講

PAGEPAGE19一、超聲波探頭的種類和結(jié)構(gòu)1、探頭的種類超聲波探傷中由于被探工件的形狀和材質(zhì)、探傷的目的、探傷的條件不同,因而使用各種不同形式的探頭。超聲探頭按不同的歸納方式可以進行不同的分類,一般的分類方式有以下幾種。(1)按波型分類按照在被探工件中產(chǎn)生的波型可分為縱波探頭、橫波探頭、板波(蘭姆波)探頭和表面波探頭。(2)按入射聲束方向分類按入射波束方向可分為直探頭和斜探頭。前者入射波束與被探工件表面垂直,后者入射波束與被探工件表面成一定的角度。(3)按耦合方式分類按照探頭與被探工件表面耦合方式可分為直接接觸式探頭和液浸式探頭。前者通過薄層耦合劑與工件表面直接接觸,后者與工件表面之間有一定厚度的液層。(4)按晶片數(shù)目分類按照探頭中壓電晶片的數(shù)目可分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶片探頭。(5)按聲束形狀分類按照超聲束的集聚與否分為聚焦探頭和非聚焦探頭。(6)按頻譜分類按照超聲波頻譜可分為寬頻帶探頭和窄頻帶探頭。(7)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。如機械掃描切換探頭、電子掃描陣列探頭、高溫探頭、瓷瓶探傷專用扁平探頭(縱波)及S型探頭(橫波)等等。2、探頭的結(jié)構(gòu)超聲波探傷中常用的探頭主要有直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、水浸探頭和聚焦探頭等：(1)直探頭波束垂直于被探工件表面入射的探頭稱為直探頭。它用來發(fā)射和接收縱波,一般用于手工操作接觸法探傷,既適宜于單探頭反射法,也適宜于雙探頭穿透法。直探頭由壓電晶片、阻尼塊〈吸收塊〉、高頻接線及地線、保護膜和殼體等基本元件組成。eq\o\ac(○,1)壓電晶片壓電晶片是探頭的核心元件,它的作用是發(fā)射和接收超聲波。晶片由壓電單晶體按一定方式和一定方向切割而成或由壓電陶瓷經(jīng)極化制成。晶片兩面敷有作為電極的銀層,目的是使供給晶片的電壓均勻,晶片上電極接火線引至電路,底面則接地線口與電路的公共點相接以便形成回路。壓電晶片是探頭的關(guān)鍵元件,其性能好壞直接關(guān)系著探頭的質(zhì)量。②保護膜直探頭壓電晶片前面一般都加保護膜,其作用是保護壓電晶片和電極,防止磨損和碰壞。保護膜必須耐磨性能好、強度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適。當(dāng)保護膜的厚度等于的奇數(shù)倍,聲壓往復(fù)透射率等于100%,超聲波全透射。保護膜分為軟保護膜和硬保護膜。硬保護膜常用氧化鋁(剛玉)、金屬片等制成。軟保護膜常用聚膠脂軟性塑料制成。③阻尼塊阻尼塊也稱吸收塊,粘附在壓電晶片背面,其作用是阻止晶片的慣性振動和吸收晶片背面輻射的聲能,從而減小脈沖寬度和雜波信號干擾。在脈沖反射法探傷中,我們希望晶片振動后立即恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài),準(zhǔn)備接收回波信號,晶片的繼續(xù)振動會影響回波信號的接收,其結(jié)果使盲區(qū)增大,分辨力降低。此外,聲能是從晶片前后兩面同時發(fā)射的,背面輻射的聲能返回晶片將會產(chǎn)生雜波信號。在晶片背面加高阻尼吸收介質(zhì),一方面可阻止晶片的慣性振動,另一方面又可吸收晶片背面輻射的聲能。阻尼塊通常用鎢粉和環(huán)氧樹脂按一定比例配制而成。④殼體探頭的殼體由金屬或塑料制成,它起著固定和保護整個探頭元件的作用。殼體上帶有探頭電纜接頭,有螺口也有插口或卡口的。殼體表面標(biāo)有探頭型號和規(guī)格。(2)斜探頭利用透聲鍥塊使聲束傾斜于工件表面射入工件的探頭稱為斜探頭。依入射角不同可在工件中產(chǎn)生縱波、橫波和表面波,也可在薄板中產(chǎn)生板波。通常所說的斜探頭系指橫波斜探頭。它主要由壓電晶片、透聲鍥塊、吸聲材料和殼體等組成。鍥塊材料常用有機玻璃,這種材料易于加工,聲衰減系數(shù)較適宜。模塊形狀對雜波占寬影響較大。設(shè)計透聲鍥塊時,應(yīng)使模塊內(nèi)多次反射聲波不反射回晶片處。鍥塊前部和上部常開有所謂消聲槽,使聲波漫散射,以減少雜波幅度。斜探頭依聲束入射角不同,在工件中產(chǎn)生折射角不同的橫波。橫被斜探頭的標(biāo)稱方式有三種：①以縱波入射角標(biāo)稱,常用的入射角有,②以鋼中的橫波折射角標(biāo)稱,常用的折射角有等,③以鋼中折射角的正切值(K值)標(biāo)稱,常用的K值探頭有1、1.5、2、2.5和3,有機玻璃斜探頭入射角和在鋼中的橫波折射角的關(guān)系見表3.1，K值與折射角的關(guān)系見表3.2〈近似值〉。(3)表面波探頭當(dāng)斜探頭入射角等于第二臨界角時,由波型轉(zhuǎn)換得到沿被探材料表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?這種斜探頭稱為表面波探頭。.表面波探頭適合于探測工件表面或近表面的缺陷。(4)雙晶探頭雙晶探頭又稱聯(lián)合雙探頭或分割式TR探頭。這種探頭含有兩個壓電晶片,裝在同一個殼體內(nèi)。一個晶片發(fā)射,另一個晶片接收,兩個晶片之間用隔聲層隔開。防止發(fā)射聲波直接串入接收晶片。晶片前面帶有機玻璃延遲塊,使聲波延遲一段時間進入工件。由于發(fā)射和接收分開,并且使用了延遲塊,所以大大減小了盲區(qū),利于近表面缺陷的探測。典型雙晶探頭的結(jié)構(gòu)如圖。(5)水浸探頭探頭與被探工件表面之間以一定厚度的水層作耦合劑進行探傷的探頭叫水浸探頭。水浸探頭的結(jié)構(gòu)與直探頭基本相同,只是晶片前面不帶保護膜。水浸探頭可進行縱波探傷,在水中傾斜,也可進行橫波探傷。(6)聚焦探頭超聲聚焦一般有兩種,一種將壓電晶片做成凹面,直接聚焦。另一種是用聲透鏡的方法將聲波聚焦。以后一種為例,在水浸探頭的晶片前面加上有機玻璃或環(huán)氧樹脂制成的球形或圓柱形凹透鏡,遵循折射定律,可使聲束會聚到一點或一條線,這兩種探頭分別稱為點聚焦探頭和線聚焦探頭。由于聲束會聚區(qū)能量集中,聲束尺寸小,因而可提高靈敏度和分辨力?！?.3試塊按一定的用途設(shè)計制作的具有簡單形狀人工反射體的試件稱為試塊,試塊和儀器探頭一樣是超聲波探傷的重要設(shè)備。一、試塊的用途和種類1.試塊的用途試塊的種類繁多,用途各異,用途歸納幾方面：(1)測試和校驗探傷儀及探頭的性能,如組合靈敏度、垂直線性、水平線性、盲區(qū)、分辨力等。(2)確定和校驗探傷靈敏度。(3)調(diào)節(jié)探測范圍,確定缺陷位置。(4)評價缺陷大小,對被探工件評級和判廢。(5)測量材質(zhì)衰減和確定耦合補償?shù)鹊取?.試塊的種類超聲波探傷中使用的試塊,根據(jù)使用目的和要求,其形式和種類是多種多樣的,對這些試塊按不同方式可以進行不同的分類。通常將試塊列為標(biāo)準(zhǔn)試塊和對比試塊兩大類。(1)標(biāo)準(zhǔn)試塊(STB試塊)標(biāo)準(zhǔn)試塊是由權(quán)威機構(gòu)規(guī)定的試塊,它的材質(zhì)、形狀和尺寸以及表面狀態(tài)等都由權(quán)威部門作了統(tǒng)一的規(guī)定,作為該機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)試塊。如國際焊接學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)試塊IIW，IIW2等。標(biāo)準(zhǔn)試塊主要用于測試和校驗探傷儀和探頭性能,也可用于調(diào)整探測范圍和確定探傷靈敏度。(2)對比試塊〈RB試塊〉對比試塊也稱參考試塊,它是由各部門按某些具體探傷對象規(guī)定的試塊。如我國的CSK--IIA、CSK-ⅢA試塊等。主要用于調(diào)整探測范圍、確定探傷靈敏度和評價缺陷大小,它是對工件進行評級和判廢的依據(jù)。二、對試塊的要求試塊材質(zhì)應(yīng)均勻,內(nèi)部雜質(zhì)少,無影響使用的缺陷。標(biāo)準(zhǔn)試塊通常選用平爐鋼或電爐鋼制作,最常用的是20號碳鋼。對比試塊一般應(yīng)選用與被探工件相同的材料制造,當(dāng)無法選用相同的材料時,探傷中應(yīng)對聲速、材質(zhì)衰減等差異進行修正。標(biāo)準(zhǔn)試塊的探測面光潔度一般都高于6,尺寸允許公差一般在±0.1毫米以內(nèi)。對自比試塊探測面光潔度應(yīng)與被探工件表面光潔度盡量保持一致,否則,探傷時應(yīng)對表面聲能損失差進行測量和補償。使用試塊時,應(yīng)注意下列事項：(1)試塊應(yīng)在適當(dāng)部位編號，以防混淆。(2)試塊在使用和搬運過程中應(yīng)防止碰傷和擦傷。(3)試塊應(yīng)注意防銹,使用后應(yīng)在表面及時涂防銹劑。(4)試塊在使用時應(yīng)清除反射體內(nèi)的油污和銹蝕,平底孔可在清洗干燥后以尼龍塞或適合的膠合劑封口。(5)使用對比試塊時,應(yīng)對試塊和被探工件材質(zhì)及表面光潔度等引起的誤差進行適當(dāng)補償和修正。三、幾種常用試塊1.IIW試塊IIW是國際焊接學(xué)會的縮寫。IIW試塊是1958年國際焊接學(xué)會推薦的標(biāo)準(zhǔn)試塊。因為是荷蘭代表提出來的。因此俗稱荷蘭試塊。(1)材質(zhì)IIW試塊材質(zhì)一般為20號碳素鋼,正火處理,晶粒度7~8級。(2)形狀和尺寸1963年聯(lián)邦德國對IIW試塊作了小修改,在R100圓心處加開0.5mm溝槽,借以獲得R100圓柱面的每次反射,作為聯(lián)邦德國國家標(biāo)準(zhǔn)試塊。后來日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也采用了這種修改后的試塊。我國JB1152—81標(biāo)準(zhǔn)也對IIW試塊作了三處修改：一是將R100圓柱面改為R50、R100階梯圓柱面,借以同時獲得兩次反射波來調(diào)整橫波掃描速度(時間掃描線比例)。二是將50孔改為40、44、50臺階孔,借以測定斜探頭的分辨力。三是將折射角改為K值(K=tg),借以測定斜探頭的K值,作為我國標(biāo)準(zhǔn)試塊。(3)用途IIW試塊的主要用途如下eq\o\ac(○,1)用厚度尺寸25測定探傷儀的水平線性,垂直線性和動態(tài)范圍。eq\o\ac(○,2)利用厚度尺寸25和100調(diào)縱波探測范圍、掃描速度eq\o\ac(○,3)利用尺寸85、91、100測定直探頭的分辨力。eq\o\ac(○,4)利用中50至兩側(cè)的距離5和10測定直探頭的盲區(qū)范圍。|eq\o\ac(○,5)利用中50×23有機玻璃塊測定探傷儀和直探頭的穿透能力eq\o\ac(○,6)利用R100測定斜探頭的