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    超声波定向探头设计与制作.pdf

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    超声波定向探头设计与制作.pdf

    第43卷第6期 2014年11月 石油化工设备 PETROCHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 No.6 NOV.201 4 文章编号10007466201406 002603 超声波定向探头设计与制作 张 鹰,张向英,郭思航,朱晓钢,许建龙,李快乐,朱 敏 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 730070 摘要通过分析超声波的发射和接收路径及其噪声信号来源,设计并制作了一种定向探头,即对超 声波探头的结构进行调整,使用声波准直器来降低噪声信号。该定向探头主要用于奥氏体钢焊缝、 铸件、锻件等粗晶材料的超声波检测,可提高信噪比和缺陷检出率,使缺陷的定位、定量更为准确。 关键词超声波;定向探头;信噪比;设计;制作 中图分类号TG115.28 文献标志码A doilO.3969/j.issn.10007466.2014.06.007 Design and Production of the Ultrasonic Directional Probe ZHANG Ying.ZHANG Xiangying,GUO Si-hang,ZHU Xiao-gang, XU Jianlong,LI Kuaile,ZHU Min I anpec Technologies Limited,Lanzhou 730070,China AbstractThrough the analysis of the transmit and receive path of ultrasonic signal and its noise source,a directional probe is put forward,which is tO adj ust the structure of the ultrasonic probe, using sound waves collimator to reduce noise.It mainly used in austenitic steel weld,castings, forgings,such as ultrasonic testing of coarse grained material,improving the signaltonoise ratio and defect detection rate,the more accurate positioning and quantitative defect. Key wordsultrasonic;directional probe;signaltOnoise ratio;design;production 目前,A型脉冲反射式超声检测仪是根据荧光 屏上缺陷波的位置和高度来评价被检工件中缺陷的 位置和大小,而超声波探头作为发射和接收超声波 的器件,是超声检测系统中最重要的组件之一,其性 能将直接影响超声检测的能力和效果。 当超声波在介质中传播时,遇到声阻抗不同的 界面产生散乱反射,声能分散引起散射衰减。固体 中尤以多晶体金属的非均匀性如杂质、粗晶、内应 力、第二相等引起的散射衰减最为明显,被散射的 超声波沿着复杂的路径传播到探头,在示波屏上引 起草状回波图1,使信噪比下降,严重时噪声掩盖 幅度低的小缺陷信号,容易引起漏检或误判,甚至无 法检测l_】 ]。笔者分析了超声波的发射和接收路径 及其噪声信号来源,对超声波探头的斜楔结构进行 改造,制作成了可定向发射和接收超声波的定向探 头,来减少示波屏上的草状回波,使强干扰噪声尽量 减少,从而提高缺陷检测灵敏度,尤其适用于散射衰 减明显的奥氏体钢焊缝、锻件或铸件的超声检测。 图1草状回波草波 收稿日期20140530 作者简介张鹰1968一,男,山西洪洞人,高级工程师,硕士,主要从事压力容器的无损检测。 第6期 张鹰,等超声波定向探头设计 制作 I 压电换能器探头结构及工作原理 压电换能器探头一般由压电晶片、阻尼块、接 头、电缆线、保护膜和外壳组成,探头结构及声波路 径见图2。压电换能器探头发射的超声波在工件中 传播并与工件材料以及其中的缺陷相互作用,发生 反射、折射或波形转换,使其传播方向或特征改变, 这些强度和方向不同的超声波被探头接收,显示在 示波屏上。如果工件引起的散射衰减强烈,则缺陷 信号将混于杂波信号中无法分辨。 图2 压电换能器探头结构及路径 2定向探头设计 对于斜探头,重要因素之一就是斜楔的设计。 斜楔是为了使超声波倾斜入射到检测面而装在斜探 头晶片前面的楔块,可以是内置或可更换的。斜楔 的作用是使探头的晶片与工件表面形成一个夹角, 保证晶片发射的超声波按设定的倾斜角入射到斜楔 与工件的界面,从而在界面处产生需要的波形转换, 以便在工件内形成特定波形和角度的声束。一般斜 楔用有机玻璃制成,近年来也有用尼龙、聚合物等其 他新材料制作的。目前使用的斜探头楔块面积大, 可接收从工件中反射回的各个方向的声波以及在斜 楔内产生的多次反射波,其中存在一系列杂乱信号, 虽然采用在斜楔周围加吸声材料、在斜楔前开槽或 将斜楔做成牛角形等方法来减少杂波、降低噪声电 平,但并不能使信噪比达到合理的范围_5]。 为此,笔者考虑用一种声波准直器来代替斜探 头中的有机玻璃斜楔。声波准直器主要由透声板与 吸声材料间隔排列组成,二者呈锯齿状咬合图3。 声波准直器与压电晶片垂直布置,且其格栅横切面 积大于压电晶片横切面积。透声层选用有机玻璃制 作,吸声层则选取高吸声材料,从而尽可能减少进入 压电晶片的杂波反射。当反射回波到达探头后,绝 大部分不与声波准直器垂直的回波被反射回工件或 被吸声材料吸收,最终只有某一固定方向的超声反 射回波被仪器接收并显示在示波屏上,从而可以提 高信噪比,对缺陷进行准确的定位和定量。 吸声材料 声波 图3声波准直器结构 接收声波的定向精度取决于透声孔径比的大 小,单通道透声孔径比大,定向精度非常低,接收信 号来自一个大的角度范围。单通道透声孔径比小, 定向接收精度提高,但随着透声孔径比的减小,接收 信号强度下降,不利于信号的分析。因此,采用透声 孔径比小、多通道结构的声波准直器就可以解决定 向精度与接收信号强度之间的矛盾_6]。 3声波准直器加工 对于9 mm15 mm的压电晶片,采用9层格 栅结构,声波准直器的透声层选用有机玻璃,将钨 粉、环氧树脂等材料配置成吸收胶用于吸声层。 具体制作方法①透声层制作。将有机玻璃切 割加工成厚2 mm、宽20 mm、锯齿高0.2 mm的薄 层,适当修磨,保证表面光滑。②吸声层制作。将钨 粉、环氧树脂、二乙烯三胺、邻苯二甲酸二丁酯按照 3O100.51的比例进行配比制成吸收材料,钨 粉颗粒尺寸应在0.2~0.3 mm及以下。③粘接工 艺。为使透声层和吸声层牢固粘接,粘接前用酒精 或丙酮仔细清洗有机玻璃透声层,然后将吸收胶加 热至8O℃均匀涂抹到有机玻璃上,应防止产生气 泡,涂吸收胶至1 mm左右再将有机玻璃薄层附在 吸声层上,照此方法粘接9层。施加一定的静压力 O.6~1 MPa,在20℃左右静置12 d_7]。 4定向探头制作测试 采用超声检测奥氏体不锈钢对接焊接接头时, 相同频率的纵波波长约为横波波长的2倍,因此推 荐使用纵波斜入射进行检测,这有助于减小粗大晶 粒的散射影响,而且纵波扭曲程度也小于横波,有利 于提高缺陷定位的准确性。有关试验表明,对于奥 氏体不锈钢对接接头,采用纵波折射角45。的纵波 斜探头检测信噪比较高、衰减较小,因此笔者初步选 择加工纵波定向斜探头K1进行试验。 28 石油化工设备 20l 4年第43卷 】压电晶片材料选择 依据超声波探头常用 压电材料的主要性能参数,PZT材料具有d。。值大、 K.值大、灵敏度高、价格便宜及材料来源广等优点, 故选用PZT材料作为定向探头的压电晶片。 2探头频率 奥氏体不锈钢对接焊接接头晶 粒粗大,超声波检测时,频率越高,衰减愈大,穿透力 愈低。因此,宜选择较低的检测频率2 MHz。 3定向探头制作 将声波准直器切割加工成 型,并与压电晶片完全粘牢,参照文献E8],使用示波 器测试一次晶片的传输特性,用试块在探伤仪上测 试晶片的传输灵敏度。当检测灵敏度满足要求时, 可灌吸收胶,并测试一次传输特性,以便判断有无脱 焊或短线等故障,最后将吸收材料灌入保护壳。定 向探头制作完毕后,根据文献E8]的要求,对探头的 各项性能进行测试标定。 5 应用实例 versity,l997,2l496-99. [2]郑中兴.奥氏体不锈钢焊缝的超声探伤方法 J].无损 检测,2005,2941216. [3] [4] i-s] 选用HS620超声波检测仪,按照文献[8,9]的 具体规定测试检测系统的工作性能。 自制1块异种钢焊接接头试块图4Io],分别 采用普通探头与定向探头结合HS620超声波检测 仪对试块上的人工反射孔波高进行测试比较,结果 证明,定向探头的指向性和信噪比明显高于普通探 头,且随着反射孔高度的增加,效果更显著。 / 、 _ / \ l / \ 一/,\- e 30408 Q345R 。 6 结语 图4异种钢焊接接头对比试块 [7] [8] 利用声波准直器的滤波技术,可以有效抑制噪 声信号、提高信噪比。此种定向探头的使用方法与 常规探头无异,结合脉冲反射法超声检测可以提高 奥氏体钢焊缝、锻件、铸件等粗晶材料的检测灵敏 [9] 度,有利于对缺陷的准确定位、定量。 参考文献 [1]崔建英,赵中龄,徐贺,等.奥氏体不锈钢焊缝超声波探 头的研制[J].北方交通大学学报,1997,2149699. CUI Jianying,ZHAZhong ling,XU He,et a1.The Development of the Austenitic Stainless Steel Weld U1 trasonic ProbeEJ].Journal of Northern Jiaotong Uni一 [1O] ZHENG Zhong xing.Austenitic Stainless Steel Weld UItrasonic Flaw Detectiml 1 J.Nondestructive Testing,2005,29412一l 6. 肖世荣.测算超声波探头频率的几种方法[J].焊接技 术,2002,3l64849. XIAShi rong.Several s of Measuring Fre quency Ultrasonic Probe[J].Welding Technology, 2002,3164849. 薛拥军,张礼典,赖德海.大厚度异种钢奥氏体焊缝超 声波检测[J].无损检测,2008,30114346. XUE Yongjun。ZHAN I idian,I AI Dehat.Big Thickness A1Jstenitie Dissirnjlar Steel We1d I】trasonic Testing,2008,301143 郑晖,林树青.超声检测[M].北京中国劳动社会保障 出版社,2008102103. ZHENG Hui,LIN Shuqing.Uitrasonic Testitlg[M . BeijingChina 1.abour and Social Security Publishing House,2008lO2103. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司.定向超声波探 头中国,zI 201110180194.4[P].2012 1 2一o5. Lanpec Technologies Limited.The Directional of UI trasonic ProbeChina,ZI 20111018O1 94.4 rP].2O1 2 l205. 任种,王涛,周淑英.超声波双晶片斜探头的设计与制 作工艺方法研究[J].科技信息,200724849. REN Chong,WANG Tao,ZHOU Shuying.The De sign and Manufacture of Ultrasonic Dualhip Angle Probe Technique Research[J].Science and Technology Ination,200724849. JB/T 10062-1999,超声探伤用探头性能测试方式 厂S]. JB/T 1OO62 1999,Testing s for Per ance of Probes Used in Uhrasonlc Flaw Detection 厂S]. JB/T 9214~2010,无损检测A型脉冲反射式超声检 测系统工作性能测试方法Es]. JB/T 9214--2010,Nondestructive TestingTest s for uating Perance Characteristics of Ascan Pulseecho Ultrasonic Testing Systems[S]. JB/T 4730 2005,承压设备无损检测Is]. 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