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超声波探伤仪探头(传感器)的分类、作用及选用原则

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超声波探伤仪探头传感器)的分类、作用及选用原则
超声波探头.jpg
随着新技术的不断出现和检测设备的不断更新,超声波检测技术作为无损检测五大检测技术之一,在无损检测中占有重要的地位。在检测过程中,除了超声波探伤仪器,发射和接收超声波的探头也起着重要的作用,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。下文重点讲述压电型超声探头的分类、作用和选用原则。

1. 超声波探伤仪探头的分类

超声波探伤仪探伤时由于被测工件的形状、材质、尺寸大小、表面状况、探伤目的、探伤条件的不同,因而需要使用不同形式的超声波探头。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)按波型分类:按被测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)按耦合方式分类:按照探头与被测工件表面的耦合方式可分为直接接触式探头和液浸式探头。

3)按入射声束方向分类:按入射声束方向可分为直探头斜探头

4)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。

5)按晶片材料分类: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。

6)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。

7)按频谱分类:按超声波频谱可分为宽频带和窄频带探头。

8)按被测工件曲率分类:按被测工件的曲率,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。如机械扫描切换探头、电子扫描阵列探头、高温探头、可变角度探头(0°到90°可调)、瓷瓶探伤扁平探头(纵波)及S型探头(横波)等。

2. 常见典型超声波探头的作用

1)纵波探头: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,如锻件、铸件、棒材、板材、轴类(如气孔、砂眼、夹杂、折叠等缺陷)检测等。

2)横波斜探头: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,用于焊缝(如未熔合和未焊透等缺陷)、管材、锻件(如裂纹、夹杂等缺陷)的检测。

3)纵波斜探头: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:爬波探头是一种利用爬波检测的换能器。爬波探头由于一次爬波的角度在75º~83º之间,几乎垂直于被测工件的厚度方向,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,且对表面粗糙度不敏感,速度快、能量大、波长长探测深度较表面波深,对工件表面光洁度要求较表面波松,适用于表面、近表面的裂纹检测。超声检测中主要利用的能量为纵波。

5)表面波探头:表面波(瑞利波)探头是斜探头的一个特例,当入射角增大到某一角度,使在工件中横波的折射角为90°时,在工件中可产生表面波,直探头在液体中倾斜入射工件时,也能产生表面波。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高,主要用于表面或近表面缺陷进行检验,如薄板探伤,薄壁管、薄壁容器探伤以及检测近表面小缺陷等。
6)双晶探头:双晶探头在一个探头里面包含两个独立的晶片,又称分割式探头、或者联合双探头。两块压电晶片装在一个探头架内,一个晶片发射超声波信号另一个接收,可以设计指定一个晶片发射,也可设计为任意晶片发射。双晶探头根据入射角αL的不同,又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。双晶探头一边发射,另一边接收的设计尤其适合用于检测深度非常靠近传感器位置的缺陷,由于双晶探头的发射部分和接收部分都带有延迟块,这种设计极大的消除了近表面盲区,对表面缺陷的探伤十分有利。双晶探头在超薄件探伤和超声波测厚中有非常重要的应用。

3. 超声波探伤仪探头的选用原则

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,合理选用探头是保障探伤结果正确的基础。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 超声波探伤仪探头型式

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 超声波探伤仪探头频率的选择

超声波探伤频率在0.5—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超声波探头频率的影响较大,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,所以在选择超声波探头频率时,应综合考虑,分析各方面因素,合理选取。一般说来,在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 超声波探伤仪探头晶片尺寸的选择

超声波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,为探伤效率,宜选用大晶片探头;探伤厚度大的工件时,为了发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头;对小型工件,为了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 超声波探伤仪探头角度的选择

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,声压往复透射率高,即检测灵敏度高。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,还要保障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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  发表于 2023-1-18 22:25
济南三木科仪检测技术有限公司

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ywt 手机号认证 实名认证  无损检测新人  发表于 2023-2-1 08:40:19 | 显示全部楼层
学习学习在学习
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