超声波探伤所用探头的分类、作用和选用原则

chinarjg

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。  


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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4、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。         

wrnndt

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