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(jiàn)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。
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