超聲波探傷探頭的分類、作用及選用（ZT）

   導(dǎo)讀：

      隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和檢測(cè)設(shè)備的不斷新，超聲波檢測(cè)技術(shù)是目前無損檢測(cè)技術(shù)中發(fā)展快、應(yīng)用廣泛的方法之一，在無損檢測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。在檢測(cè)過程中，除了超聲檢測(cè)儀器，發(fā)射和接收超聲波的探頭也起著非常重要的作用，所以，探頭性能的好壞以及探傷過程中對(duì)探頭的選取是否得當(dāng)，將直接影響到探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 

下文重點(diǎn)講述壓電型超聲探頭的分類、作用和選用原則。 

分類 

       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，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(fù)合壓電晶片探頭。 

5)按照探頭中壓電晶片的數(shù)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(cè)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。

 常見典型探頭的作用

 1）縱波探頭通常稱為直探頭，主要用于檢測(cè)與檢測(cè)面平行的缺陷，如板材、鑄、鍛件檢測(cè)等。 

2）橫波斜探頭是利用橫波檢測(cè)，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(cè)與檢測(cè)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(cè)。

 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(yàn)，或在橫波衰減過大的情況下，利用縱波穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)進(jìn)行縱波斜入射檢驗(yàn)，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(duì)于垂直性裂紋有較好的檢測(cè)靈敏度，且對(duì)工件表面的粗糙度要求不，適用于表面、近表面的裂紋檢測(cè)。

 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(zhǎng)之內(nèi)，檢查表面裂紋靈敏度極，主要對(duì)表面或近表面缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)。

 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(jù)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(qū)小、工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小、檢測(cè)范圍可調(diào)，雙晶探頭主要用于檢測(cè)近表面缺陷。

探頭的作用

    超聲波探頭的類型很多，性能各異，因此根據(jù)超聲波探傷對(duì)象的形狀、對(duì)超聲波的衰減和技術(shù)要求，合理選用探頭是保證探傷結(jié)果正確可靠的基礎(chǔ)。

 對(duì)超聲波探頭的選擇主要體現(xiàn)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(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的形式，盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。具體可參考上述常見典型探頭作用部分。 

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(yīng)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(zhǎng)。在同一材料內(nèi)超聲波波速是一定的，因此提頻率，超聲波波長(zhǎng)變短，探傷靈敏度提，有利于發(fā)現(xiàn)小的缺陷。

 2)頻率，脈沖寬度小，分辨率，有利于區(qū)分相鄰缺陷，分辨力提。 

3)由擴(kuò)散公式可知，頻率，超聲波長(zhǎng)短，則半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，超聲波能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷定位，定量精度。 

4)由近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度公式可知，頻率，超聲波長(zhǎng)短，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度大，對(duì)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(duì)探傷有利。

 但是頻率，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)，介質(zhì)衰減大，對(duì)探傷不利，所以在選擇探頭頻率時(shí)，應(yīng)綜合考慮，全面分析各方面因素，合理選取。 

一般說來，在滿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(duì)于晶粒較細(xì)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(duì)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，就會(huì)引起超聲波能量嚴(yán)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(duì)超聲波探傷結(jié)果有一定影響，選擇時(shí)主要考慮以下因素：

 1)半擴(kuò)散角，由擴(kuò)散角公式可知，晶片尺寸增加，半擴(kuò)散角減小，波束指向性好，超聲波能量集中，對(duì)探傷有利。 

2)探傷近場(chǎng)區(qū)。由近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度公式可知，晶片尺寸增加，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度增大，對(duì)探傷不利。 

3)晶片尺寸大，輻射的超聲波能量強(qiáng)，探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)。

 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(xiàn)遠(yuǎn)距離的缺陷宜選用大晶片探頭；對(duì)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(duì)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(cè)中應(yīng)盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直，因此角度的選擇根據(jù)檢測(cè)對(duì)象中可能存在的缺陷類型、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(shí)，選擇合適角度的探頭。

 以在橫波檢測(cè)中，探頭的K值為例，折射角對(duì)檢測(cè)靈敏度、聲束軸線的方向，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(duì)于用有機(jī)玻璃斜探頭檢測(cè)鋼制工件，β=40°（K=0.84）左右時(shí)，聲壓往復(fù)透射率，即檢測(cè)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(cè)中，當(dāng)工件厚度較小時(shí)，應(yīng)選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)。 

當(dāng)工件厚度較大時(shí)，應(yīng)選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發(fā)現(xiàn)深度較大處的缺陷。

 在焊縫檢測(cè)中，還要保證主聲束能掃查整個(gè)焊縫截面。 

對(duì)于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問題，應(yīng)使K=0.7～1.5，因?yàn)镵<0.7或k>1.5，端角反射率很低，容易引起漏檢。