超聲波探傷探頭的分類(lèi)、作用及選用（ZT）

   導讀：

      隨著(zhù)新技術(shù)的不斷出現和檢測設備的不斷新，超聲波檢測技術(shù)是目前無(wú)損檢測技術(shù)中發(fā)展快、應用廣泛的方法之一，在無(wú)損檢測技術(shù)中占有非常重要的地位。在檢測過(guò)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(zhù)非常重要的作用，所以，探頭性能的好壞以及探傷過(guò)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和可靠性。 

下文重點(diǎn)講述壓電型超聲探頭的分類(lèi)、作用和選用原則。 

分類(lèi) 

       超聲波探傷中由于被探工件的形狀、材質(zhì)、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(jìn)行不同的分類(lèi)，一般有以下幾種。

 1)按被探工件中產(chǎn)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。 

9)特殊探頭，除一般探頭外，還有一些在特殊條件下和用于特殊目的的探頭。

 常見(jiàn)典型探頭的作用

 1）縱波探頭通常稱(chēng)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，是入射角在一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，廣泛用于焊縫、管材、鍛件的檢測。

 3）縱波斜探頭是入射角小于一臨界角的探頭。目的是利用小角度的縱波進(jìn)行缺陷檢驗，或在橫波衰減過(guò)大的情況下，利用縱波穿透能力強的特點(diǎn)進(jìn)行縱波斜入射檢驗，使用時(shí)需注意試件中同時(shí)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，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(chǎn)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(gè)波長(cháng)之內，檢查表面裂紋靈敏度極，主要對表面或近表面缺陷進(jìn)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。 

雙晶探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度、雜波少盲區小、工件中近場(chǎng)區長(cháng)度小、檢測范圍可調，雙晶探頭主要用于檢測近表面缺陷。

探頭的作用

    超聲波探頭的類(lèi)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(shù)要求，合理選用探頭是保證探傷結果正確可靠的基礎。

 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(lái)選擇探頭的形式，盡量使超聲波聲束軸線(xiàn)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(cháng)。在同一材料內超聲波波速是一定的，因此提頻率，超聲波波長(cháng)變短，探傷靈敏度提，有利于發(fā)現小的缺陷。

 2)頻率，脈沖寬度小，分辨率，有利于區分相鄰缺陷，分辨力提。 

3)由擴散公式可知，頻率，超聲波長(cháng)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。 

4)由近場(chǎng)區長(cháng)度公式可知，頻率，超聲波長(cháng)短，近場(chǎng)區長(cháng)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(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，探傷靈敏度和分辨率，波束指向性好，對探傷有利。

 但是頻率，近場(chǎng)區長(cháng)，介質(zhì)衰減大，對探傷不利，所以在選擇探頭頻率時(shí)，應綜合考慮，全面分析各方面因素，合理選取。 

一般說(shuō)來(lái)，在滿(mǎn)足探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選取頻率較低的探頭；

 對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較頻率的探頭，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(guò)，就會(huì )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(shí)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(chǎng)區。由近場(chǎng)區長(cháng)度公式可知，晶片尺寸增加，近場(chǎng)區長(cháng)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(shí)，為提探傷效率，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)現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭；對小型工件，為了提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(xiàn)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(lèi)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，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(xiàn)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。 

對于用有機玻璃斜探頭檢測鋼制工件，β=40°（K=0.84）左右時(shí)，聲壓往復透射率，即檢測靈敏度。 

由此可知，K值大，β值大，一次波的聲程大。因此在實(shí)際檢測中，當工件厚度較小時(shí)，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場(chǎng)區檢測。 

當工件厚度較大時(shí)，應選用較小的K值，以減少聲程過(guò)大引起的衰減，便于發(fā)現深度較大處的缺陷。

 在焊縫檢測中，還要保證主聲束能掃查整個(gè)焊縫截面。 

對于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問(wèn)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。