斜探頭組件緒論：

斜探頭組件由探頭和斜鍥組成，在超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中是非常重要的，常用于多種焊縫檢測(cè)應(yīng)用和金屬板、金屬管、金屬坯以及鍛件中垂直于表面的裂縫檢測(cè)，也可用于機(jī)械加工零件與結(jié)構(gòu)零件的檢測(cè)。本篇文章是斜探頭檢測(cè)理論的一個(gè)簡(jiǎn)要回顧，以及專(zhuān)為幫助用戶做的一些注釋和小經(jīng)驗(yàn)。

為何要使用斜探頭組件?

垂直于試件表面或與表面傾斜的裂紋和不連續(xù)性，因?yàn)樗鼈冴P(guān)于聲束的傾斜性，采用直探頭檢測(cè)技術(shù)通常不能發(fā)現(xiàn)。垂直裂紋不能從直聲束反射任何大數(shù)量的聲波能量，因?yàn)槁暿鴱谋炔ㄩL(zhǎng)小得多的細(xì)小的尖端考察，而且傾斜的裂紋可能不能朝著探頭方向反射回任何能量。這種情況發(fā)生在多種裂縫、結(jié)構(gòu)金屬工件、以及許多其他關(guān)鍵部件中。一個(gè)斜探頭組件在一個(gè)選定的角度上可讓聲能直接指向試樣中。一個(gè)垂直的裂紋將沿著一般稱(chēng)為U形轉(zhuǎn)彎的路徑反射一個(gè)成角度的聲能，如下面插圖所示.

斜聲束對(duì)垂直于試件遠(yuǎn)距離表面(一次聲程)的裂紋，或者，在從遠(yuǎn)側(cè)反射后，到垂直于耦合表面的裂紋(二次聲程)非常敏感。許多特殊的聲束角度和探頭位置用于適應(yīng)不同的工件形狀和缺陷類(lèi)型。在成角度的不連續(xù)情況下，適當(dāng)?shù)剡x擇斜聲束組件可以直接將聲波以一個(gè)有利的角度反射到探頭上。

它們?nèi)绾喂ぷ鳌鼓鶢栒凵涠伤?/p>

超聲頻率的聲能有很高的方向性，而且能明確定義用于探傷的聲束。當(dāng)聲波從邊界反射時(shí)，反射角度等于入射角度，以一個(gè)角度入射到表面的聲束將以相同角度反射回來(lái)。

根據(jù)斯涅爾折射定律聲波能量從一個(gè)材料傳播到另外一個(gè)材料時(shí)要折射。當(dāng)聲束(或者任何其他的波)通過(guò)兩種不同聲速材料的邊界時(shí)，折射是改變聲束的方向。以直線傳播的聲束將繼續(xù)沿著直線方向，但是以一個(gè)角度入射到邊界時(shí)聲束將按照下面的公式改變方向：

sinθ1 /sinθ2 =V1/V2

此處：

θ1 = 在第一種材料中的入射角

θ2 = 在第二種材料中的折射角

V1 = 第一種材料的聲速

V2 = 第二種材料的聲速

典型的斜探頭組件利用波型轉(zhuǎn)換和斯涅爾折射定律在試件中產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)選定的角度(最常用為30、45、60或70度)的橫波。隨著相對(duì)于表面的入射縱波角度的增加，聲能遞增的部分被轉(zhuǎn)換成第二種材料中的橫波。而且如果角度足夠大，在第二種材料中的所有的能量都會(huì)是橫波形式。利用波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象來(lái)設(shè)計(jì)常用角度聲束具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，在入射角上的能量轉(zhuǎn)換是更有效的，它能在鋼和相似材料中產(chǎn)生橫波。第二，使用橫波可以改善最小缺陷尺寸分辨率，因?yàn)樵谝粋€(gè)給定的頻率，橫波的波長(zhǎng)約為同等縱波波長(zhǎng)的60%，而且隨著聲束波長(zhǎng)變得更小，最小缺陷缺陷分辨率也就增加。

常規(guī)鍥塊由一塊機(jī)械加工塑料制成。泛美Accupath鍥塊利用多重材料設(shè)計(jì)，一塊最優(yōu)化聲波傳播的純塑料插入物被結(jié)構(gòu)材料環(huán)繞，結(jié)構(gòu)材料由它的聲阻尼性能和耐用性來(lái)選擇，改善了信噪比和耐磨性并超出了典型的單片設(shè)計(jì)。

典型斜探頭組件

所有標(biāo)準(zhǔn)斜鍥在橫波模式下工作。在一些專(zhuān)門(mén)場(chǎng)合，斜鍥也可設(shè)計(jì)成產(chǎn)生縱波或表面波。縱波鍥塊偶爾用在粗晶材料上為了將散射噪聲最小化，盡管更長(zhǎng)的縱波波長(zhǎng)可減少散射噪聲但也會(huì)降低它對(duì)小缺陷的靈敏度。正如其名稱(chēng)所暗示的，表面波斜鍥用于檢測(cè)表面破壞的裂紋。

選擇正確的斜探頭組件在許多情況，根據(jù)檢測(cè)任務(wù)中的檢驗(yàn)代碼或規(guī)程，給檢測(cè)者指出具體型號(hào)的斜探頭組件。影響斜探頭性能的參數(shù)不僅包括由鍥塊產(chǎn)生的聲束角度，也包括探頭頻率和晶片尺寸。最合適的聲束角度一般由試件的的幾何形狀和檢測(cè)預(yù)期要發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性的方向來(lái)決定。探頭頻率影響穿透力和缺陷分辨率。當(dāng)頻率增加時(shí)，聲波在一個(gè)給定材料中傳播的距離會(huì)減少，但是小的不連續(xù)性的分辨率會(huì)變得更好。當(dāng)頻率降低時(shí)，聲波傳播的距離會(huì)增加，但是最小可發(fā)現(xiàn)缺陷尺寸會(huì)變大。同樣地，較大地晶片尺寸通過(guò)增加覆蓋面積可能減少檢測(cè)時(shí)間，但是來(lái)自小的不連續(xù)性的反射回波幅度會(huì)減少。小的晶片尺寸會(huì)增加來(lái)自小的不連續(xù)性的反射回波幅度，但是因?yàn)樾〉穆暿采w更少的面積，檢測(cè)可能花費(fèi)很多時(shí)間。在任何給定的應(yīng)用中，以規(guī)定的檢測(cè)要求為基礎(chǔ)，這些矛盾的因素必須平衡。

在ASTM標(biāo)準(zhǔn)E-164中“焊接件的接觸式檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)慣例”以及AWS建筑焊接標(biāo)準(zhǔn)第6章，可以找到一些具體的斜探頭建議。雖然這些文件作為對(duì)焊縫檢測(cè)的一個(gè)指導(dǎo)方針，它們描述的基本原理可應(yīng)用到許多其他應(yīng)用中，包括金屬制品的裂紋或類(lèi)似的不連續(xù)性的檢測(cè)。檢測(cè)規(guī)程一般要求在開(kāi)始檢測(cè)前，通過(guò)使用IIW試塊或類(lèi)似的參考標(biāo)準(zhǔn)試塊來(lái)驗(yàn)證基本的功能參數(shù)，如靈敏度、零點(diǎn)偏移、聲束入射點(diǎn)以及折射角。

在沒(méi)有規(guī)定的代碼或規(guī)程的檢測(cè)場(chǎng)合，由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的檢驗(yàn)員根據(jù)用于相關(guān)零件的包含已知缺陷或人工缺陷的參考標(biāo)準(zhǔn)試塊的評(píng)價(jià)來(lái)選擇斜探頭組件。適當(dāng)?shù)膮⒖紭?biāo)準(zhǔn)試塊允許檢測(cè)員為一個(gè)給定的應(yīng)用提供最好最可靠響應(yīng)的換能器和斜鍥的組合。

有時(shí)使用整體式斜探頭(單一的探頭/斜鍥組件)是方便的。使用小型插入式斜探頭替代螺旋式探頭，嚴(yán)格地說(shuō)，在性能上沒(méi)有功能性影響，是優(yōu)先考慮的問(wèn)題。

除鋼以外的檢測(cè)材料

除非另有說(shuō)明，來(lái)自泛美和所有其他商家供貨的標(biāo)準(zhǔn)斜鍥都設(shè)計(jì)成在橫波聲速約為3.250m/s或0.1280in/us的鋼中產(chǎn)生一個(gè)指定角度的橫波。因?yàn)檎凵浣嵌入S媒質(zhì)聲速而變化，為鋼設(shè)計(jì)的斜鍥在其他材料中會(huì)產(chǎn)生不同的折射角。在鋁上使用的鍥塊設(shè)計(jì)也可作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品來(lái)利用。對(duì)其他的材料，必須在客戶的基礎(chǔ)上來(lái)提供特殊的鍥塊。

另一方面，通過(guò)基于斯涅爾折射定律基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單公式來(lái)計(jì)算在另一種金屬上由標(biāo)準(zhǔn)(鋼)斜鍥產(chǎn)生的折射角是可能的：sinθ1 /sinθ2 =V1/V2  此處：

θ1 = 斜鍥名義角度

θ2 = 在測(cè)試材料中的折射角度

V1=在鋼中的名義橫波聲速 (3,250 m/S或0.1280 in/uS)

V2=在測(cè)試材料中的橫波聲速

在非金屬材料情況下，由于它的聲速與鋼有很大不同，如塑料或陶瓷，折射波可能以另一種不同于橫波的形式存在。在低聲速的塑料中，折射波將為縱波，而且塑料的縱波聲速應(yīng)該用來(lái)作為折射角計(jì)算中的V2的值。

在高聲速的陶瓷中，大部分聲能可能轉(zhuǎn)換為表面波。

曲面斜鍥

當(dāng)檢測(cè)小直徑管和其他曲面試件時(shí)，為了維持最佳的聲耦合，推薦使用曲面或弧面斜鍥。當(dāng)曲率增加時(shí)，斜鍥表面與試塊接觸成比例地減小，這不但使進(jìn)出工件上的聲能減少，而且增加了來(lái)自耦合層的反射噪聲的總量。斜鍥可有下面四種方式的仿形：

IIW手冊(cè)焊縫超聲波探傷建議：只要在斜鍥和測(cè)試表面間的間隙超過(guò)0.5mm(約為0.020英寸)，就應(yīng)使用曲面斜鍥。在這個(gè)指導(dǎo)方針下，只要工件的半徑小于斜鍥尺寸(長(zhǎng)或?qū)?的平方除以4，就應(yīng)該使用曲面斜鍥：R  < W2/4

此處：

R=檢測(cè)表面的半徑

W=在軸線方向檢測(cè)時(shí)斜鍥的寬，在圓周方向檢測(cè)時(shí)斜鍥的長(zhǎng)

如果可能的話，在檢測(cè)要求的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)然換用一個(gè)小鍥塊將改善對(duì)曲面的耦合。作為一個(gè)實(shí)踐問(wèn)題，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度降低或是耦合噪聲增加到降低檢測(cè)的可靠性時(shí)，應(yīng)該考慮使用曲面斜鍥。

對(duì)任何類(lèi)型和尺寸的斜鍥，在這四個(gè)方向檢測(cè)中的每一個(gè)都有一個(gè)最小可能的仿形半徑，這以可去除斜鍥材料的數(shù)量而不降低探頭的性能為基礎(chǔ)，聯(lián)系上海克洛力實(shí)業(yè)有限公司可獲得詳細(xì)資料。

聚焦雙晶探頭

大部分斜探頭組件使用非聚焦單晶片換能器。然而，在一些涉及到高衰減或散射的材料檢測(cè)時(shí)，如粗晶鑄造不銹鋼，聚焦雙晶探斜探頭是很有用的。因?yàn)樗鼈冇歇?dú)立的發(fā)射和接收晶片，具有代表性地，雙晶探頭可以在較高的激發(fā)能量下使用，沒(méi)有伴隨著振鈴或斜鍥噪聲相關(guān)的噪聲問(wèn)題。在試樣中一個(gè)選定的深度上，聚焦探頭讓聲能高度集中，增加在那個(gè)區(qū)域?qū)Σ贿B續(xù)性的靈敏度。

高溫斜鍥

標(biāo)準(zhǔn)斜探頭組件設(shè)計(jì)成只在正常環(huán)境溫度下使用。對(duì)那些必須在高溫下檢測(cè)的金屬，可使用特殊的高溫斜鍥。有些斜鍥允許在溫度為480℃或900℉的表面上短暫接觸。然而，斜鍥需要特別關(guān)注高溫斜鍥產(chǎn)生的聲程，說(shuō)明這一點(diǎn)是很重要的。任何一個(gè)高溫鍥塊，當(dāng)它加熱時(shí)，鍥塊材料的聲速會(huì)降低，因此鍥塊加熱時(shí)，在金屬中的折射角會(huì)增加。如果涉及一個(gè)給定的檢測(cè)，那么必須在實(shí)際操作溫度下校驗(yàn)折射角。作為一個(gè)實(shí)踐問(wèn)題，在檢測(cè)過(guò)程中的熱變化使得難于對(duì)實(shí)際折射角做精確測(cè)定。