壓電型超聲探頭的分類、作用和選用原則

　　隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和檢測(cè)設(shè)備的不斷更新，超聲波檢測(cè)技術(shù)是目前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中發(fā)展較快、應(yīng)用廣泛的方法之一，在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。

　　在檢測(cè)過(guò)程中，除了超聲檢測(cè)儀器，發(fā)射和接收超聲波的探頭也起著非常重要的作用，所以，探頭性能的好壞以及探傷過(guò)程中對(duì)探頭的選取是否得當(dāng)，將直接影響到探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　下文重點(diǎn)講述壓電型超聲探頭的分類、作用和選用原則。

　　1、超聲波探頭的分類

　　超聲波探傷中由于被探工件的形狀、材質(zhì)、探傷目的、探傷條件不同，因而需使用不同形式的探頭。

　　超聲波探頭按不同的歸納方式可以進(jìn)行不同的分類，一般有以下幾種：

　　1)按被探工件中產(chǎn)生的波型，可分為縱波探頭、橫波探頭、板波(蘭姆波)探頭、爬波探頭和表面波探頭。

　　2)按按入射聲束方向，可分為直探頭和斜探頭。

　　3)按照探頭與被探工件表面的耦合方式，可分為接觸式探頭和液浸式探頭。

　　4)按照探頭中壓電晶片的材料，可分為普通壓電晶片探頭和復(fù)合壓電晶片探頭。

　　5)按照探頭中壓電晶片的數(shù)目，可分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭。

　　6)按照超聲波聲束的聚焦否可，分為聚焦探頭和非聚焦探頭。

　　7)按超聲波頻譜，可分為寬頻帶和窄頻帶探頭。

　　8)按匹配檢測(cè)工件的曲率，可分為平面探頭和曲面探頭。

　　9)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。

　　2、常見典型探頭的作用

　　1）縱波探頭通常稱為直探頭，主要用于檢測(cè)與檢測(cè)面平行的缺陷，如板材、鑄、鍛件檢測(cè)等。

　　2）橫波斜探頭是利用橫波檢測(cè)，是入射角在第一臨界角與第二臨界角之間且折射波為純橫波的探頭，主要用于檢測(cè)與檢測(cè)面垂直或成一定角度的缺陷，廣泛用于焊縫、管材、鍛件的檢測(cè)。

　　3）縱波斜探頭是入射角小于第一臨界角的探頭。目的是利用小角度的縱波進(jìn)行缺陷檢驗(yàn)，或在橫波衰減過(guò)大的情況下，利用縱波穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)進(jìn)行縱波斜入射檢驗(yàn)，使用時(shí)需注意試件中同時(shí)存在橫波的干擾。

　　4）爬波探頭。由于一次爬波的角度在75o～83o之間，幾乎垂直于被檢                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            工件的厚度方向，與工件中垂直方向的裂紋接近成90o，因此，對(duì)于垂直性裂紋有較好的檢測(cè)靈敏度，且對(duì)工件表面的粗糙度要求不高，適用于表面、近表面的裂紋檢測(cè)。

　　5）表面波（瑞利波）探頭入射角需在產(chǎn)生瑞利波的臨界角附近，通常比第二臨界角略大。由于表面波的能量集中于表面下2個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi)，檢查表面裂紋靈敏度極高，主要對(duì)表面或近表面缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)。

　　6）雙晶探頭。雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發(fā)射超聲波，另一塊用于接收超聲波，根據(jù)入射角αL的不同，分為縱波雙晶直探頭和橫波雙晶斜探頭。雙晶探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、雜波少盲區(qū)小、工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小、檢測(cè)范圍可調(diào)，雙晶探頭主要用于檢測(cè)近表面缺陷。

　　3.超聲波探傷中探頭的選用原則

　　超聲波探頭的類型很多，性能各異，因此根據(jù)超聲波探傷對(duì)象的形狀、對(duì)超聲波的衰減和技術(shù)要求，合理選用探頭是保證探傷結(jié)果正確可靠的基礎(chǔ)。

　　對(duì)超聲波探頭的選擇主要體現(xiàn)在：探頭型式、探頭頻率、探頭晶片尺寸和探頭角度等。

　　3.1 探頭型式

　　一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來(lái)選擇探頭的形式，盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。具體可參考上述常見典型探頭作用部分。

　　3.2 探頭頻率

　　超聲波探傷頻率在0．5一15MHz之間，選擇范圍較大。一般選擇頻率時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素。

　　1)由于超聲波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為二分之一波長(zhǎng)。在同一材料內(nèi)超聲波波速是一定的，因此提高頻率，超聲波波長(zhǎng)變短，探傷靈敏度提高，有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。

　　2)頻率高，脈沖寬度小，分辨率高，有利于區(qū)分相鄰缺陷，分辨力提高。

　　3)由擴(kuò)散公式可知，頻率高，超聲波長(zhǎng)短，則半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，超聲波能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷定位，定量精度高。

　　4)由近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度公式可知，頻率高，超聲波長(zhǎng)短，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度大，對(duì)探傷不利。

　　5)由衰減、吸收公式可知，超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質(zhì)晶粒度增加而急劇增加。

　　通過(guò)上面分析可知超聲波探傷時(shí)頻率的影響較大，頻率高，探傷靈敏度和分辨率高，波束指向性好，對(duì)探傷有利。但是頻率高，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)，介質(zhì)衰減大，對(duì)探傷不利，所以在選擇探頭頻率時(shí)，應(yīng)綜合考慮，全面分析各方面因素，合理選取。

　　一般說(shuō)來(lái)，在滿足探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選取頻率較低的探頭；對(duì)于晶粒較細(xì)的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較高頻率的探頭，常用2.5-5.0MHz。對(duì)于晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等工件，宜選用軟低頻率的探頭，常用0.5-2.5MHz，否則若選用頻率過(guò)高，就會(huì)引起超聲波能量嚴(yán)重衰減。

　　3.3 探頭晶片尺寸

　　探頭晶片的形狀一般為圓形和方形。探頭的晶片尺寸對(duì)超聲波探傷結(jié)果有一定影響，選擇時(shí)主要考慮以下因素：

　　1)半擴(kuò)散角。由擴(kuò)散角公式可知，晶片尺寸增加，半擴(kuò)散角減小，波束指向性好，超聲波能量集中，對(duì)探傷有利。

　　2)探傷近場(chǎng)區(qū)。由近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度公式可知，晶片尺寸增加，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度增大，對(duì)探傷不利。

　　3)晶片尺寸大，輻射的超聲波能量強(qiáng)，探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)。

　　在探傷面積范圍大的工件時(shí)，為提高探傷效率，宜選用大晶片探頭；探傷厚度大的工件時(shí)，為了有效地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的缺陷宜選用大晶片探頭；對(duì)小型工件，為了提高缺陷的定位定量精度，宜選用小晶片探頭；對(duì)表面不太平整、曲率較大的工工件，為了減少耦合損失，宜選用小晶片探頭。

　　3.4角度

　　在檢測(cè)中應(yīng)盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直，因此角度的選擇根據(jù)檢測(cè)對(duì)象中可能存在的缺陷類型、位置和工件允許的探傷條件，利用反射、折射定律以及相關(guān)幾何知識(shí)，選擇合適角度的探頭。

　　以在橫波檢測(cè)中，探頭的K值為例，折射角對(duì)檢測(cè)靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點(diǎn)至底面反射點(diǎn)的距離）有較大影響。對(duì)于用有機(jī)玻璃斜探頭檢測(cè)鋼制工件，β=40°（K=0.84）左右時(shí)，聲壓往復(fù)透射率最高，即檢測(cè)靈敏度最高。

　　由此可知，K值大，β值大，一次波的聲程大。因此在實(shí)際檢測(cè)中，當(dāng)工件厚度較小時(shí)，應(yīng)選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)。當(dāng)工件厚度較大時(shí)，應(yīng)選用較小的K值，以減少聲程過(guò)大引起的衰減，便于發(fā)現(xiàn)深度較大處的缺陷。

　　在焊縫檢測(cè)中，還要保證主聲束能掃查整個(gè)焊縫截面。對(duì)于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問(wèn)題，應(yīng)使K=0.7～1.5，因?yàn)镵<0.7或k>1.5，端角反射率很低，容易引起漏檢。

　　結(jié)論

　　超聲波探頭對(duì)于超聲檢測(cè)來(lái)說(shuō)，就像是它的眼睛，探頭對(duì)探傷結(jié)果影響非常大，俗話說(shuō)工欲善其事必先利其器，在實(shí)際探傷過(guò)程中應(yīng)根據(jù)工件情況、探傷條件、缺陷情況以及執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真選用，使超聲波探傷盡量做到準(zhǔn)確、可靠、高效。

　　此外對(duì)于探頭性能指標(biāo)，探頭和儀器的組合性能指標(biāo)的相關(guān)要求，可參照J(rèn)B/T10062探頭、JB/T9214 A型超探系統(tǒng)工作性能、GB/T18694探頭及聲場(chǎng)、EN12668-2探頭、EN12668-3組合性能、ISO10375探頭及聲場(chǎng)、ASTM E1065探頭等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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