超声波探头-UTIII.pdf

第一节超声波探头一. 以构造分类1. 直探头 : 单晶纵波直探头双晶纵波直探头2. 斜探头 : 单晶横波斜探头1LⅡ ，双晶横波斜探头单晶纵波斜探头L1为小角度纵波斜探头L在1附近为爬波探头爬波探头；沿工件表面传输的纵波，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频率 2.5MHZ波长约2.4mm ，讲义附件 11、12、17 题部分答案）3. 带曲率探头 : 周向曲率径向曲率周向曲率探头适合--- 无缝钢管、 直缝焊管、 筒型锻件、 轴类工件等轴向缺陷的检测 工件直径小于2000mm 时为保证耦合良好探头都需磨周向曲率径向曲率探头适合--- 无缝钢管、 钢管对接焊缝、 筒型锻件、 轴类工件等径向缺陷的检测工件直径小于600mm 时为保证耦合良好探头都需磨径向曲率4. 聚焦探头 : 点聚焦线聚焦5. 表面波探头 :( 当纵波入射角大于或等于第二临界角, 既横波折射角度等于 900形成表面波 ). 沿工件表面传输的横波，速度慢、 能量低、 波长短探测深度较爬波浅，对工件表面光洁度要求较爬波严格第一章“波的类型”中学到：表面波探伤只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。

频率 2.5MHZ波长约 1.3mm ，讲义附件 11、12 题部分答1 案） 二. 以压电晶体分类 : 三. 压电材料的主要性能参数: 1. 压电应变常数d33: d33=t/U 在压电晶片上加U 这么大的应力 , 压电晶片在厚度上发生了t 的变化量 ,d33 越大, 发射灵敏度越高 (82 页最下一行错 ) 2.压电电压常数g33: g33=UP/P在压电晶片上加P这么大的应力 . 在压电晶片上产生UP这么大的电压 ,g33 越大, 接收灵敏度越高3.介电常数: =Ct/A C-电容、 t- 极板距离 ( 晶片厚度 ) 、A-极板面积 ( 晶片面积 ) ; C小→ 小→充、放电时间短. 频率高4.机电偶合系数K: 表示压电材料机械能(声能 ) 与电能之间的转换效率对于正压电效应 :K=转换的电能 / 输入的机械能2 对于逆压电效应 :K=转换的机械能 / 输入的电能 . 晶片振动时 , 厚度和径向两个方向同时伸缩变形, 厚度方向变形大 ,探测灵敏度高 , 径向方向变形大 , 杂波多 , 分辨力降低 , 盲区增大 , 发射脉冲变宽. （讲义附件 16、19 题部分答案）声速: 3240 M/S 工件厚度 : 16.00MM 探头频率 : 2.500MC 探头 K 值: 1.96 探头前沿 : 7.00MM 坡口类型 : X 坡口角度 : 60.00 对焊宽度 : 2.00MM 补偿: -02 dB 判废: +05dB 定量: -03dB 评定: -09 dB 焊口编号 : 0000 缺陷编号 : 1. 检测日期 : 05.03.09 声速: 3240 M/S 工件厚度 : 16.00 MM 探头频率 : 5.00 MC 探头 K 值: 1.95 探头前沿 : 7.00 MM 坡口类型 : X 坡口角度 : 60.00 对焊宽度 : 2.00 MM 补偿: -02 dB 判废: +05 dB 定量: -03 dB 评定 : -09 dB 焊口编号 : 0000 缺陷编号 : 1. 检测日期 : 05.03.09 5. 机械品质因子m: 3 m=E贮/E 损, 压电晶片谐振时 , 贮存的机械能与在一个周期内(变形、恢复) 损耗的能量之比称 ,, 损耗主要是分子内摩擦引起的。

m大, 损耗小 , 振动时间长 , 脉冲宽度大 , 分辨力低m小, 损耗大 , 振动时间短 , 脉冲宽度小 , 分辨力高6.频率常数 Nt: Nt=tf0, 压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数, 晶片材料一定 ,厚度越小 , 频率越高 . （讲义附件 16、19 题部分答案）7.居里温度 Tc: 压电材料的压电效应, 只能在一定的温度范围内产生, 超过一定的温度 ,压电效应就会消失, 使压电效应消失的温度称居里温度( 主要是高温影响 ) 8．超声波探头的另一项重要指标：信噪比--- 有用信号与无用信号之比必须大于 18 dB （为什么？）四. 探头型号 ( 应注意的问题 ) 1．横波探头只报K值不报频率和晶片尺寸2．双晶探头只报频率和晶片尺寸不报F(菱形区对角线交点深度) 值例：用双晶直探头检12mm 厚的板材，翼板厚度12mm 的 T 型角焊缝，怎样选 F值？讲义附件（ 2 题答案）五. 应用举例 : 4 1. 斜探头近场 N=a b COS/COSλ =CS/. 直探头近场 N=D2/4λ =CL/. 2. 横波探伤时声束应用范围:1.64N-3N 纵波探伤时声束应用范围:3N。

双晶直探头探伤时 , 被检工件厚度应在F 菱形区内3.K 值的确定应能保证一次声程的终点越过焊缝中心线，与焊缝中心线的交点到被检工件内表面的距离应为被检工件厚度的三分之一4. 检测 16mm 厚的工件用 5P 9×9 K2、2.5P9X9K2、2.5P13X13K2那一种探头合适 ( 聚峰斜楔 ). 以 5P9X9K2探头为例1). 判断一次声程的终点能否越过焊缝中心线? （焊缝余高全宽 +前沿） / 工件厚度(2). 利用公式：N? ( 工件内剩余近场长度)=N( 探头形成的近场长度) —N?(探头内部占有的近场长度 ) =axbxcos β/ πxλxcosα–Ltg α/tg β, 计算被检工件内部占有的近场长度讲义附件（14 题答案）A． 查教材 54 页表: COS/COS 、tg/tg与 K值的关系材料K值1.0 1.5 2.0 2.5 3 有机玻璃COS/ COS0.88 0.78 0.68 0.6 0.52 聚砜COS/ COS0.83 0.704 0.6 0.51 0.44 有机玻璃tg /tg0.75 0.66 0.58 0.5 0.44 聚砜tg /tg0.62 0.52 0.44 0.38 0.33 5 查表可知 cosβ/cos α=0.6, tgα/tg β=0.44, 计算可知 α=41.35 °. B． λ=Cs/ ?=3.24/5=0.65mm C．参考图计算可知：tg α=L1/4.5, L1=tg41.35°X4.5=0.88X4.5=3.96mm. cosα=2.5/L2, L2=2.5/cos41.5°=2.5/0.751=3.33mm, L=L1+L2=7.3mm, Ltgα/tg β=7.3 × 0.44=3.21mm,(N ?) 由（1）可知， IS=35.8mm, 2S=71.6mm N=axbxcosβ/xλxcos=9× 9× 0.6/3.14 × 0.65=23.81mm, 1.64N=39.1mm, 3N=71.43mm. 工件内部剩余的近场(N? )=N-N?=20.6mm(此范围以内均属近场探伤). (1.64N-N?) 与 IS 比较, (3N-N?) 与 2S比较, 使用 2.5P13X13K2探头检测 16mm 厚工件 ,1.64N 与 3N和 5P9X9K2探头基本相同 , 但使用中仍存在问题，2.5P9X9K2探头存在什么问题？一. 探伤过程中存在的典型问题: 不同探头同一试块的测量结果反射体深度1#探头2#探头6 横波折射角声程横波折射角声程mm ( 0 ) mm ( 0 )mm 20 21.7 21.7 32.8 24.3 40 24.4 45.0 32.5 49.8 60 25.8 70 30.9 75.6 80 28.9 101.8 29.1 102.0 注:1. 晶片尺寸 13 13 2.晶片尺寸 10 20. 试验中发现 : 同一探头 ( 入射角不变 ) 在不同深度反射体上测得的横波折射角不同 , 进一步试验还发现 , 折射角的变化趋势与晶片的结构尺寸有关,对不同结构尺寸的晶片, 折射角的变化趋势不同, 甚至完全相反 , 而对同一晶片 , 改变探头纵波入射角, 其折射角变化趋势基本不变, 上表是两个晶片尺寸不同的探头在同一试块上测量的结果. 1#探头声束中心轨迹 2#探头声束中心轨迹1. 纵波与横波探头概念不清. 第一临界角 : 由折射定律SinL/CL1=SinL/CL2,当 CL2CL1时,LL, 随着L增加,L也增加 , 当L增加到一定程度时,L=900, 这时所对应的纵波入射角称为第一临界角I, I=Sin-1CL1/CL2=Sin-12730/5900=27.60, 当 LI时, 第二介质中既有折射纵波L 又有折射横波S . 7 第 二 临 界角 : 由 折 射 定 律 SinL/CL1=SinS/CS2, 当Cs2CL1时,SL, 随着L增加 ,S也增加 , 当L增加一定程度时 ,S=900, 这时所对应的纵波入射角称为第二临界角Ⅱ.Ⅱ=Sin-1CL1/CS2=Sin-12730/3240=57.70. 当 L=I--Ⅱ时, 第二介质中只有折射横波S , 没有折射纵波L , 常用横波探头的制作原理。

利用折射定律判断1#探头是否为横波探头A. 存横波探伤的条件:Sin27.60/2730=Sin/3240, Sin=Sin27.603240/2730=0.55,=33.360,K=0.66 B.折射角为 21.70时：Sin/2730=Sin21.70/3240,Sin=Sin21.702730/3240,=18.150, 小于第一临界角27.60折射角为 28.90时：Sin/2730=Sin28.90/3240,Sin= Sin28.902730/3240,=240, 也小于第一临界角 27.60C.如何解释 1#探头随反射体深度增加, 折射角逐渐增大的现象, 由 A、 B 可知 ,1# 探头实际为纵波斜探头, 同样存在上半扩散角与下半扩散角, 而且上半扩散角大于下半扩散角 （讲义附件 9 题答案）8 纵波入射角L由 00逐渐向第一临界角I(27.60) 增加时 , 第二介质中的纵波能量逐渐减弱 , 横波能量逐渐增强, 在声束的一定范围内,下区域内的纵波能量大于上区域内的纵波能量 , 探测不同深度的孔 , 实际上是由下区域内的纵波分量获得反射回波最高点由超声场横截面声压分布情况来看,A 点声压在下半扩散角之内,B 点声压在上半扩散角之内, 且 A点声压高于 B点声压。

再以近场长度N的概念来分析 ,2.5P 1313 K1探头 N=36.5mm, 由此可知反射体深度20mm时, 声程约 21.7mm, =21.70时 N=40.07mm 为近场探伤在近场内随着反射体深度增加声程增大,A 点与 B点的能量逐渐向C点增加, 折射角度小的探头角度逐渐增大, 折射角度大的探头角度逐渐减少2. 盲目追求短前沿 : 以 2.5P 1313 K2探头为例 ,b=15mm与 b=11mm, 斜楔为有机玻璃材料; (1). 检测 20mm 厚,X 口对接焊缝 , 缺陷为焊缝层间未焊透. (2). 信噪比的关系 : 有用波与杂波幅度之比必须大于18dB. (3).为什么一次标记点与二次标记点之间有固定波？9 由 54 页表可知： COS/COS =0.68，K2探头 =63.44 ，COS63.44=0.447，COS=0.447/0.68=0.66，COS=6.5/LX ，前沿 LX=6.5/0.66=9.85mm （讲义附件 6 题答案）3. 如何正确选择双晶直探头: (1).构造、声场形状、菱形区的选择; (2).用途 : 为避开近场区 , 主要检测薄板工件中面积形缺陷. (3).发射晶片联接仪器R口, 接收晶片联接T 口(匹配线圈的作用 ). 4.探头应用举例 : 二. 超声波探头的工作原理: 1．通过压电效应发射、接收超声波。

2．640V 的交变电压加至压电晶片银层，使面积相同间隔一定距离的两块金属极板分别带上等量异种电荷形成电场，有电场就存在电。