超声波探伤第5讲

1、一、超声波探头的种类和结构1、探头的种类超声波探伤中由于被探工件的形状和材质、探伤的目的、探伤的条件不同,因而使用各种不同形式的探头。超声探头按不同的归纳方式可以进行不同的分类,一般的分类方式有以下几种。(1)按波型分类按照在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)探头和表面波探头。(2)按入射声束方向分类按入射波束方向可分为直探头和斜探头。前者入射波束与被探工件表面垂直,后者入射波束与被探工件表面成一定的角度。(3)按耦合方式分类按照探头与被探工件表面耦合方式可分为直接接触式探头和液浸式探头。前者通过薄层耦合剂与工件表面直接接触,后者与工件表面之间有一定厚度的液层。(4)

2、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、双晶探头和多晶片探头。(5)按声束形状分类按照超声束的集聚与否分为聚焦探头和非聚焦探头。(6)按频谱分类按照超声波频谱可分为宽频带探头和窄频带探头。(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(纵波)及S型探头(横波)等等。2、探头的结构超声波探伤中常用的探头主要有直探头、斜探头、表面波探头、双晶探头、水浸探头和聚焦探头等：(1)直探头波束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。它用来发射和接收纵波,一般用于手工操作接触法探伤,既适宜于单探头反射法

3、,也适宜于双探头穿透法。直探头由压电晶片、阻尼块吸收块、高频接线及地线、保护膜和壳体等基本元件组成。压电晶片压电晶片是探头的核心元件,它的作用是发射和接收超声波。晶片由压电单晶体按一定方式和一定方向切割而成或由压电陶瓷经极化制成。晶片两面敷有作为电极的银层,目的是使供给晶片的电压均匀,晶片上电极接火线引至电路,底面则接地线口与电路的公共点相接以便形成回路。压电晶片是探头的关键元件,其性能好坏直接关系着探头的质量。保护膜直探头压电晶片前面一般都加保护膜,其作用是保护压电晶片和电极,防止磨损和碰坏。保护膜必须耐磨性能好、强度高、材质声衰减小、透声性能好、厚度合适。当保护膜的厚度等于的奇数倍,声压往

4、复透射率等于100%,超声波全透射。保护膜分为软保护膜和硬保护膜。硬保护膜常用氧化铝(刚玉)、金属片等制成。软保护膜常用聚胶脂软性塑料制成。 阻尼块阻尼块也称吸收块,粘附在压电晶片背面,其作用是阻止晶片的惯性振动和吸收晶片背面辐射的声能,从而减小脉冲宽度和杂波信号干扰。在脉冲反射法探伤中,我们希望晶片振动后立即恢复到静止状态,准备接收回波信号,晶片的继续振动会影响回波信号的接收,其结果使盲区增大,分辨力降低。此外,声能是从晶片前后两面同时发射的,背面辐射的声能返回晶片将会产生杂波信号。在晶片背面加高阻尼吸收介质,一方面可阻止晶片的惯性振动,另一方面又可吸收晶片背面辐射的声能。阻尼块通常用钨粉和

5、环氧树脂按一定比例配制而成。壳体探头的壳体由金属或塑料制成,它起着固定和保护整个探头元件的作用。壳体上带有探头电缆接头,有螺口也有插口或卡口的。壳体表面标有探头型号和规格。 (2)斜探头利用透声锲块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头。依入射角不同可在工件中产生纵波、横波和表面波,也可在薄板中产生板波。通常所说的斜探头系指横波斜探头。它主要由压电晶片、透声锲块、吸声材料和壳体等组成。锲块材料常用有机玻璃,这种材料易于加工,声衰减系数较适宜。模块形状对杂波占宽影响较大。设计透声锲块时,应使模块内多次反射声波不反射回晶片处。锲块前部和上部常开有所谓消声槽,使声波漫散射,以减少杂波幅度。斜探

6、头依声束入射角不同,在工件中产生折射角不同的横波。横被斜探头的标称方式有三种：以纵波入射角标称,常用的入射角有,以钢中的横波折射角标称,常用的折射角有等,以钢中折射角的正切值(K值)标称,常用的K值探头有1、1.5、2、2.5和3,有机玻璃斜探头入射角和在钢中的横波折射角的关系见表3.1，K值与折射角的关系见表3.2近似值。 (3)表面波探头当斜探头入射角等于第二临界角时,由波型转换得到沿被探材料表面传播的表面波,这种斜探头称为表面波探头。.表面波探头适合于探测工件表面或近表面的缺陷。(4)双晶探头双晶探头又称联合双探头或分割式TR探头。这种探头含有两个压电晶片,装在同一个壳体内。一个晶片发射

7、,另一个晶片接收,两个晶片之间用隔声层隔开。防止发射声波直接串入接收晶片。晶片前面带有机玻璃延迟块,使声波延迟一段时间进入工件。由于发射和接收分开,并且使用了延迟块,所以大大减小了盲区,利于近表面缺陷的探测。典型双晶探头的结构如图。(5)水浸探头探头与被探工件表面之间以一定厚度的水层作耦合剂进行探伤的探头叫水浸探头。水浸探头的结构与直探头基本相同,只是晶片前面不带保护膜。水浸探头可进行纵波探伤,在水中倾斜,也可进行横波探伤。(6)聚焦探头超声聚焦一般有两种,一种将压电晶片做成凹面,直接聚焦。另一种是用声透镜的方法将声波聚焦。以后一种为例,在水浸探头的晶片前面加上有机玻璃或环氧树脂制成的球形或圆

8、柱形凹透镜,遵循折射定律,可使声束会聚到一点或一条线,这两种探头分别称为点聚焦探头和线聚焦探头。由于声束会聚区能量集中,声束尺寸小,因而可提高灵敏度和分辨力。§3.3试块按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件称为试块,试块和仪器探头一样是超声波探伤的重要设备。一、试块的用途和种类1.试块的用途试块的种类繁多,用途各异,用途归纳几方面：(1)测试和校验探伤仪及探头的性能,如组合灵敏度、垂直线性、水平线性、盲区、分辨力等。(2)确定和校验探伤灵敏度。(3)调节探测范围,确定缺陷位置。(4)评价缺陷大小,对被探工件评级和判废。(5)测量材质衰减和确定耦合补偿等等。2.试块的种类

9、超声波探伤中使用的试块,根据使用目的和要求,其形式和种类是多种多样的,对这些试块按不同方式可以进行不同的分类。通常将试块列为标准试块和对比试块两大类。(1)标准试块(STB试块)标准试块是由权威机构规定的试块,它的材质、形状和尺寸以及表面状态等都由权威部门作了统一的规定,作为该机构的标准试块。如国际焊接学会标准试块IIW，IIW2等。标准试块主要用于测试和校验探伤仪和探头性能,也可用于调整探测范围和确定探伤灵敏度。(2)对比试块RB试块对比试块也称参考试块,它是由各部门按某些具体探伤对象规定的试块。如我国的CSK-II A、CSK- A试块等。主要用于调整探测范围、确定探伤灵敏度和评价缺陷大小

10、,它是对工件进行评级和判废的依据。二、对试块的要求试块材质应均匀,内部杂质少,无影响使用的缺陷。标准试块通常选用平炉钢或电炉钢制作,最常用的是20号碳钢。对比试块一般应选用与被探工件相同的材料制造,当无法选用相同的材料时,探伤中应对声速、材质衰减等差异进行修正。标准试块的探测面光洁度一般都高于6,尺寸允许公差一般在±0.1毫米以内。对自比试块探测面光洁度应与被探工件表面光洁度尽量保持一致,否则,探伤时应对表面声能损失差进行测量和补偿。使用试块时,应注意下列事项：(1)试块应在适当部位编号，以防混淆。(2)试块在使用和搬运过程中应防止碰伤和擦伤。(3)试块应注意防锈,使用后应在表面及时

11、涂防锈剂。(4)试块在使用时应清除反射体内的油污和锈蚀,平底孔可在清洗干燥后以尼龙塞或适合的胶合剂封口。(5)使用对比试块时,应对试块和被探工件材质及表面光洁度等引起的误差进行适当补偿和修正。三、几种常用试块1.IIW试块IIW是国际焊接学会的缩写。IIW试块是1958年国际焊接学会推荐的标准试块。因为是荷兰代表提出来的。因此俗称荷兰试块。 (1)材质 IIW试块材质一般为20号碳素钢,正火处理,晶粒度78级。(2)形状和尺寸1963年联邦德国对IIW试块作了小修改,在R100圆心处加开0.5mm沟槽,借以获得R100圆柱面的每次反射,作为联邦德国国家标准试块。后来日本工业标准也采用了这种修改后的试块。我国JB115281标准也对IIW试块作了三处修改：一是将R100圆柱面改为R50、R100阶梯圆柱面,借以同时获得两次反射波来调整横波扫描速度(时间扫描线比例)。二是将50孔改为40、44、50台阶孔,借以测定斜探头的分辨力。三是将折射角改为K值(K=tg ),借以测定斜探头的K值,作为我国标准试块。(3)用途IIW试块的主要用途如下用厚度尺寸25测定探伤仪的水平线性,垂直线性和动态范围。利用厚度尺寸25和100调纵波探测范围、扫描速度利用尺寸85、91、100测定直探头的分辨力。利用中50至两侧的距离5和10测定直探头的盲区范围