无损检测超声波检测探头选择分析

摘要：超声检测一般是指使超声波与工件相互作用，就反射，透射和散射的波进行研究，对工件宏观缺陷检测，几何特性测量，组织结构和力学性能的变化的检测和表征，并进行对其特定应用进行评价的技术。超声波检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。

关键词 无损检测 超声检测 缺陷

如在众多有关超声检验的技术规范中，对诸如确定缺陷埋藏深度，评定缺陷的当量大小，延伸长度以及缺陷投影面积等都有明确的方法规定，对保证产品构件的质量和安全使用具有重大作用。这主要是由于缺陷对超声波的反射特性取决于缺陷的取向、几何形状、相对超声波传播方向的长度和厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷内含物以及缺陷的种类和性质等等。可见，超声检测是一个综合复杂因素，我们要把最基础的探头选择好，才会给我们带来不必要的麻烦。

1.探头分类

（1）、以压电晶体分

（2）、探头结构形式分类：

a.直探头：单晶纵波直探头，双晶纵波直探头。

b.斜探头：单晶横波斜探头，双晶横波斜探头，1

单晶纵波斜探头L

e.带曲率探头：大多数为横波探头，分周向曲率、轴向曲率。

横波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2000.00mm时为保证耦合良好都需磨周向曲率）。

横波轴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600.00mm时为保证耦合良好都需磨轴向曲率）。

f.聚焦探头：点聚焦（压电晶片为锅底型）；

线聚焦（压电晶片为瓦片型）；

2、探头规格型号的正确表达方式：

（1）.纵波单晶直探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-00或（Z）。

（2）.纵波双晶直探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-F值（菱形区对角线交点深度）。

（3）.纵波单晶斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-βL（纵波折射角度）。

（4）.横波单晶斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-K值或（βS横波折射角度）。

（5）.横波轴向曲率单晶斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-K值或（βS横波折射角度）-R。

（6）.横波周向曲率单晶斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-K值或（βS横波折射角度）-RZ。

（7）.横波双晶斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-K值或（βS横波折射角度）-F值（菱形区对角线交点深度）。

（8）.横波点聚焦斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-DR-K值或（βS横波折射角度）。

（9）.横波线聚焦斜探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-XR-K值或（βS横波折射角度）。

（10）.表面波探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-BM。

（11）.爬波探头：

频率-压电晶体材质-压电晶体尺寸-PB。

3、探头中压电晶体的几项主要性能参数对探头技术指标的影响：

（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。

（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：

（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。

对于逆压电效应：K=转换的机械能/输入的电能.

（5）.机械品质因子m：

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。

（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）。

4.代表探头性能好坏的几项主要技术指标

（1）、前沿；（2）、K值；（3）、偏斜角；（4）、双峰；（5）、灵敏度；（6）、信噪比；

5、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两侧银层，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，有电场就存在电场力，压电晶片处在电场中在电场力的作用下发生形变，在交变电场力的作用下发生变形的效应称为逆压电效应，也是发射超声波的过程。

（3）.超声波是机械波，机械波是由振动产生的，超声波发现缺陷引起缺陷振动其中一部分沿原路返回，由于超声波具有一定的能量再作用到压电晶体上，使压电晶体在交变拉、压力作用下产生交变电场，这种效应称为正压电效应，是接收超声波的过程。

正、逆压电效应统称为压电效应。

以仪器的电路来说只能放大电压或电流信号，不能放大声信号。

了解上述几点，我们重新思考几个问题：

1.为什么不能盲目追求短前沿？

以使用2.5P1313K2探头检测20.0mm厚X坡口对接焊缝，缺陷为焊缝层间未焊透为例。焊缝余高半宽b1=12mm，探头前沿b2=11mm，探头斜楔为有机玻璃材料；

（1）.探伤过程分析：

参考上图此类缺陷一般埋藏在工件厚度约1/2处，即使探头前沿做到11mm一次声程也扫查不到此类缺陷。按照探伤理论一次波主要是用来发现一次声程与焊缝中心线交点以下约1/3壁厚处的根部缺陷。

（2）.探头设计时如何确定前沿长度：

根据超声波探伤教材第二章的理论观点，声源附近要有扩散波存在且能量较强，要通过斜楔前端的消声槽及其到探头外壳之间的阻尼材料进行吸收（不可能完全吸收）。由于横波在空气中不传播，剩余超声能量通过探头外壳反射到探头底面经探头底面形成二次反射被探头接收产生噪声和固定波反射，其固定波出现的位置正好是二次波发现缺陷的位置容易引起误判（注：距离校准、K值校准、曲线制做的过程都是用一次波完成的看不到此现象）。

（3）、解决问题的途经：

为了最大限度的消除噪声和固定波反射，探头制作过程中要人为加大探头的前沿长度（一般增加6―7mm），增加超声波在斜楔中走过的距离使扩散波的能量尽量消耗掉。生产的斜楔为有机玻璃材料的2.5P1313K2探头其前沿长度做到18mm就是这个原因。

前沿长度18mm确实太长了！探头设计人员为了改变这种状况找到了一种新型材料“聚砜”制作斜楔，其纵波声速为2300.0m/s。利用这种材料通过折射定律可以计算出纵波入射角度=39.80（计算过程略），通过角可以计算出探头的理论前沿长度为8.5mm（计算过程略），加上1mm外壳厚度和前述的（6―7）mm，以材料“聚砜”制做斜楔的2.5P1313K2探头其前沿长度做到15mm是理想的。

2.为什么要求探头自身的信噪比（有用波幅度与杂波幅度之比）必须大于18dB？

以JB/T4730.3―2005标准为例，按此标准使用CSK--ⅢA试块制作距离波幅曲线检测20mm厚焊缝，则判废、定量、评定三条线分别在基准线的基础上+5dB、-3dB、-9dB，如果在补偿4dB则评定线比基准线低了13dB。如果探头信噪比不够18dB尤其是使用带自动报警的数字仪器，探伤过程中仪器就会经常处在报警状态下给探伤带来困难。

3.斜探头压电晶片为什么不易使用长方形晶片？

超声波进入工件后要产生折射，折射角度是由上半扩散角与下半扩散角组成，并且上半扩散角大于下半扩散角（左、右扩散角相等可不考虑），因此正方型压电晶片在工件中形成超声场的截面积变成长方型，长方型压电晶片形成超声场的截面积变得更窄。探伤中缺陷反射回波幅度的高低是由超声波引起缺陷振动的剧烈程度决定，超声场的截面积越窄覆盖缺陷的能力越差反射回波的幅度越低，直接影响对缺陷的定量，因此制作探头时没有特殊要求应该尽量使用正方型晶片（参考下图）。

4.检测厚度≤20mm的钢板和T形角焊缝中翼板侧未熔合缺陷如何选择纵波双晶直探头的F值？

纵波一次声程检测翼板侧未熔合或翼板侧撕裂缺陷一般单晶直探头均处在近场探伤，应该选用双晶直探头。双晶直探头属于聚焦探头的一种特例，菱形区声场的对角线焦点区域是此种探头超声能量最集中的位置最有利于发现缺陷，因此应选择焦点深度F等于翼板厚度的双晶直探头。

5.小角度纵波斜探头如何校准扫描基线、k值与前沿？

4730标准提到了使用小角度纵波斜探头检测螺栓及母材，但教材与标准没有给出使用那一种试块及方法来校准探头与仪器（只有对比试块），可用CSK--ⅢA试块上较深的两个孔采用双孔法校准。

3）距离校准（数字机）：

得出a、K、b后用探头扫查h2或h1孔，得到1或2后使用数字机的手动校准功能或零点偏移功能将h2或h1孔在声程坐标上显示的位置移动到（1或2）-a的位置即完成距离校准或称扫描速度调节。

6.外圆周向横波探头前沿要比一般横波探头长2---3倍为什么？

常规焊缝横波检测用的探头为最大限度检测到焊缝中心线另一侧热影响区及根部缺陷，探头前沿一般要求做的尽量短。参考下图不难看出超声波由第Ⅱ象限进入被检工件比由第Ⅰ象限进入被检工件，工件内、外壁对超声波能量的反射损失是不相同的，因此外圆周向探伤用的横波探头前沿一般要比普通横波斜探头长（2DD3）倍。

7.如何确定外圆周向横波探头的折射角度β？

（1）、为保证使用纯横波探伤，根据超声波的折射定律可求出横波在钢中的最小折射角度。

（2）、参考下图，主声束扫查到内壁的极限条件是主声束与内壁相切则：几何临界角0=Sin-1r/R。

（3）、考虑探头制作过程中β角度的误差，使用过程中磨损后β角度会发生变化，外圆周向探头β角度的测试误差（没有标准试块）将β角度的取值范围确定为：

综上所述，可以看出探头的选择是要求是十分的重要的，所以要对每一个环节都足够的重视，还要不断的提升对探头选择的认识，保证在超声检测时能准确的定位，定量，定性。着力提高自身的专业水平。总之，探头的选择是超声波检测最基础也是最关键的一步，探头选择的是否合理才能准确的检测出产品的缺陷，才能有效的保证产品的质量。

参考文献：

1 承压设备无损检测 JB/T4730-2005

2 刘应和. 探头、试块、仪器部分讲解 2008年（01）

3 全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材 超声检测