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斜探頭組件由探頭和斜鍥組成,在超聲無損檢測領(lǐng)域中是非常重要的,常用于多種焊縫檢測應(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,也可用于機(jī)械加工零件與結(jié)構(gòu)零件的檢測。本篇文章是斜探頭檢測理論的一個(gè)簡要回顧,以及專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小得多的細(xì)小的考察,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?br>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。
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 = 在種材料中的入射角
θ2 = 在第二種材料中的折射角
V1 = 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(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)象來設(shè)計(jì)常用角度聲束具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。,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,橫波的波長約為同等縱波波長的60%,而且隨著聲束波長變得更小,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。在一些專門場合,斜鍥也可設(shè)計(jì)成產(chǎn)生縱波或表面波??v波鍥塊偶爾用在粗晶材料上為了將散射噪聲最小化,盡管更長的縱波波長可減少散射噪聲但也會(huì)降低它對(duì)小缺陷的靈敏度。正如其名稱所暗示的,表面波斜鍥用于檢測表面破壞的裂紋。
選擇正確的斜探頭組件在許多情況,根據(jù)檢測任務(wù)中的檢驗(yàn)代碼或規(guī)程,給檢測者指出具體型號(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預(yù)期要發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性的方向來決定。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增加覆蓋面積可能減少檢測時(shí)間,但是來自小的不連續(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似的不連續(xù)性的檢測。檢測規(guī)程一般要求在開始檢測前,通過使用IIW試塊或類似的參考標(biāo)準(zhǔn)試塊來驗(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。
在沒有規(guī)定的代碼或規(guī)程的檢測場合,由經(jīng)過培訓(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)來選擇斜探頭組件。適當(dāng)?shù)膮⒖紭?biāo)準(zhǔn)試塊允許檢測員為一個(gè)給定的應(yīng)用提供響應(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,在性能上沒有功能性影響,是優(yōu)先考慮的問題。
除鋼以外的檢測材料
除非另有說明,來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)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)品來利用。對(duì)其他的材料,必須在客戶的基礎(chǔ)上來提供特殊的鍥塊。
另一方面,通過基于斯涅爾折射定律基礎(chǔ)上的簡單公式來計(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)檢測小直徑管和其他曲面試件時(shí),為了維持的聲耦合,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:只要在斜鍥和測試表面間的間隙超過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(長或?qū)挘┑钠椒匠?,就應(yīng)該使用曲面斜鍥:R < W2/4
此處:
R=檢測表面的半徑
W=在軸線方向檢測時(shí)斜鍥的寬,在圓周方向檢測時(shí)斜鍥的長
如果可能的話,在檢測要求的參數(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)踐問題,當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度降低或是耦合噪聲增加到降低檢測的可靠性時(shí),應(yīng)該考慮使用曲面斜鍥。
對(duì)任何類型和尺寸的斜鍥,在這四個(gè)方向檢測中的每一個(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)。
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,沒有伴隨著振鈴或斜鍥噪聲相關(guān)的噪聲問題。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。欲了解有關(guān)聚焦雙晶斜探頭的進(jìn)一步信息。
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,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)踐問題,在檢測過程中的熱變化使得難于對(duì)實(shí)際折射角做精確測定。
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