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閱讀：2926發(fā)布時間：2021-10-15
緒 論
隨著新技術的不斷出現和檢測設備的不斷更新，超聲波檢測技術是檢測技術之一，在檢測技術中占有重要的地位。在檢測過程中，除了超聲檢測儀器，發(fā)射和接收超聲波的探頭也起著重要的作用，所以，探頭性能的好壞以及探傷過程中對探頭的選取是否得當，將直接影響到探傷結果的準確性。下文重點講述壓電型超聲探頭的分類、作用和選用原則。
超聲探頭的分類、作用和選用原則
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、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行不同的分類，一般有以下幾種。
1)按被探工件中產生的波型，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合壓電晶片探頭。
5)按照探頭中壓電晶片的數目，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)按匹配檢測工件的曲率，可分為平面探頭和曲面探頭。
常見典型探頭的作用
1）縱波探頭通常稱為直探頭，主要用于檢測與檢測面平行的缺陷，如板材、鑄、鍛件檢測等。
2）橫波斜探頭是利用橫波檢測，是入射角在臨界角與第二臨界角之間且折射波為純橫波的探頭，主要用于檢測與檢測面垂直或成一定角度的缺陷，用于焊縫、管材、鍛件的檢測。
3）縱波斜探頭是入射角小于臨界角的探頭。目的是利用小角度的縱波進行缺陷檢驗，或在橫波衰減過大的情況下，利用縱波穿透能力強的特點進行縱波斜入射檢驗，使用時需注意試件中同時存在橫波的干擾。
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，對于垂直性裂紋有較好的檢測靈敏度，且對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。
5）表面波（瑞利波）探頭入射角需在產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個波長之內，檢查表面裂紋靈敏度高，主要對表面或近表面缺陷進行檢驗。
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。雙晶探頭具有以下點：靈敏度高、雜波少盲區(qū)小、工件中近場區(qū)長度小、檢測范圍可調，雙晶探頭主要用于檢測近表面缺陷。
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，因此根據超聲波探傷對象的形狀、對超聲波的衰減和技術要求，合理選用探頭是保障探傷結果正確的基礎。對超聲波探頭的選擇主要體現在：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
一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的形式，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。一般選擇頻率時應考慮以下幾個因素。
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。在同一材料內超聲波波速是一定的，因此提高頻率，超聲波波長變短，探傷靈敏度提高，有利于發(fā)現更小的缺陷。
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)由擴散公式可知，頻率高，超聲波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，超聲波能量集中，有利于發(fā)現缺陷并對缺陷定位，定量精度高。
4)由近場區(qū)長度公式可知，頻率高，超聲波長短，近場區(qū)長度大，對探傷不利。
5)由衰減、吸收公式可知，超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質晶粒度增加而急劇增加。
通過上面分析可知超聲波探傷時頻率的影響較大，頻率高，探傷靈敏度和分辨率高，波束指向性好，對探傷有利。但是頻率高，近場區(qū)長，介質衰減大，對探傷不利，所以在選擇探頭頻率時，應綜合考慮，分析各方面因素，合理選取。一般說來，在探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選取頻率較低的探頭；對于晶粒較細的鍛件、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，否則若選用頻率過高，就會引起超聲波能量嚴重衰減。
3.3 探頭晶片尺寸
探頭晶片的形狀一般為圓形和方形。探頭的晶片尺寸對超聲波探傷結果有一定影響，選擇時主要考慮以下因素
1)半擴散角。由擴散角公式可知，晶片尺寸增加，半擴散角減小，波束指向性好，超聲波能量集中，對探傷有利。
2)探傷近場區(qū)。由近場區(qū)長度公式可知，晶片尺寸增加，近場區(qū)長度增大，對探傷不利。
3)晶片尺寸大，輻射的超聲波能量強，探頭未擴散區(qū)掃查范圍大，發(fā)現遠距離缺陷能力增強。
在探傷面積范圍大的工件時，為探傷效率，宜選用大晶片探頭；探傷厚度大的工件時，為了發(fā)現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭；對小型工件，為了缺陷的定位定量精度，宜選用小晶片探頭；對表面不太平整、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
在檢測中應盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直，因此角度的選擇根據檢測對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、折射定律以及相關幾何知識，選擇合適角度的探頭。以在橫波檢測中，探頭的K值為例，折射角對檢測靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點至底面反射點的距離）有較大影響。對于用有機玻璃斜探頭檢測鋼制工件，β=40°（K=0.84）左右時，聲壓往復透射率高，即檢測靈敏度高。由此可知，K值大，β值大，一次波的聲程大。因此在實際檢測中，當工件厚度較小時，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區(qū)檢測。當工件厚度較大時，應選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發(fā)現深度較大處的缺陷。在焊縫檢測中，還要保障主聲束能掃查整個焊縫截面。對于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問題，應使K=0.7～1.5，因為K<0.7或K>1.5，端角反射率很低，容易引起漏檢。
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結束語
超聲波探頭對于超聲檢測來說，就像是它的眼睛，探頭對探傷結果影響大，俗話說工欲善其事必先利其器，在實際探傷過程中應根據工件情況、探傷條件、缺陷情況以及執(zhí)行的標準認真選用，使超聲波探傷盡量做到準確。此外對于探頭性能指標，探頭和儀器的組合性能指標的相關要求，可參照JB/T10062探頭、JB/T9214 A型超探系統(tǒng)工作性能、GB/T18694探頭及聲場、EN12668-2探頭、EN12668-3組合性能、ISO10375探頭及聲場、ASTM E1065探頭等有關標準。
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