熊秋良
深圳生富检测股份公司
摘要：超声波检测技术可以为工件中一些较难发现的隐藏缺陷进行检验。由于超声波是利用机械波的振动来对工件中的缺陷进行检验，因此有助于对工件中的几何特性、力学性能以及内部结构等内在属性进行检测与综合分析，进而对工件质量进行全面分析，以保证产品的生产质量。而超声波检测时的探头选择关系到检测的准确性，需要我们提升对探头性能和指标的掌握度，能够根据实际情况进行灵活、合理的选择。本文主要围绕超声波探头的选择进行讨论，在分析了超声波探头的类型、性能指标及工作原理的基础上，进一步提出无损检测超声波检测时探头选择的有效策略。
关键词：超声波检测；超声波探头；工件缺陷；无损检测；探头
超声检验技术已经在各领域得到了广泛应用，尤其是在缺陷检验方面，效果十分明显。由于缺陷取向、表面粗糙程度、所含物质、相对超声波厚度与长度、缺陷的类型及其性质等共同决定了超声波反射特性，这就使超声检验能够依据特性制定出相应的技术规范，尤其在判断缺陷大孝延伸长度、埋藏深度和投影面积等方面的规范已经非常明确，极大的保障了产品部件的质量与安全性能。超声检验技术涉及的因素众多，受影响的原因也较为复杂，这就要求在实际运用中要选择合适的探头，以保证检验的顺利进行。
一、超声波检测探头概述
超声波检测探头一般按照压电晶体来对结构形式进行分类，其具体类型入下：
1.直探头又可根据晶体数量分为单晶纵波探头和双晶纵波探头。
2.斜探头按照镜头数量可分为单晶横波探头和双晶横波探头。
3.带曲率的探头有横波轴向曲率探头与横波轴向曲率探头两种。其中第一种探头多用于检测无缝钢管、筒状锻件、钢管对接焊缝以及轴类工件的缺陷。第二种探头不适用于钢管对接焊缝，但对直缝焊管缺陷有较好的检测效果。
4.聚焦探头可分为瓦片型压电晶片的线聚焦探头和锅底型压电晶片的点聚焦探头。
由于超声波检测探头的核心是压电晶体，因此探头的相关指标通常会受到压电应变常数d33、压电电压常数g33、介电常数、机电偶合系数K、机械品质因子m、频率常数Nt以及居里温度Tc等压电晶体性能参数的影响。而在衡量探头性能方面，则主要从前沿性、偏斜角、K值、灵敏度、双峰以及信噪比等几项指标进行评价。
超声波检测作为一种高科技技术，其探头主要是利用压电效用来发射和接收超声波的，压电效应分为负压电效应和正压电效应两种。负压电效应的工作原理是在压电晶片两面的银层上施加一个640伏的交变电压，再通过一定间隔距离的两个金属极板在电压下所产生的相同数量电荷所形成的电场来发出电场力，这种电场力能够使压电晶片产生变形，从而发出超声波。同时，超声波也属于机械波，因此其产生机理是振动，超声波的接收过程即是正压电效应的产生过程，是当超声波发射到检验物质中后，如果有缺陷存在，则会引起缺陷的共同振动，其中一部分缺陷振动反馈至压电晶体，会使压电晶体在受到交变的拉力或压力作用，进而形成交变电场，完成超声波接收。
二、无损检测超声波检测探头选择策略
(一)合理设计探头的前沿长度
在超声波检测中，探头的性能选择上不能盲目追求短前沿。比如为了尽可能减小噪声与固定波反射，就需要探头的前沿长度适当加长。以2.5P1313K2玻璃有机材料的斜楔探头检测20m厚度，12m焊缝余高半宽和11m的前沿的x坡口对接焊缝中的未焊透缺陷为例，由于这种缺陷通常在工件中埋藏的较深，约在工件厚度一半的地方，所以11m一次声程的探头前沿也无法探测到。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另外由于声源周边的扩散波能量较强，需要利用斜楔中的消声槽和其他阻尼材料来进行吸收，所以要考虑到多余超声能量经探头外壳反射到底面的二次反射情况，这种二次反射接收到的噪声与定波反射能够发现缺席的具体位置。但这个位置容易判断失误，所以需要适当增加消声槽长度来使能量流经距离变长从而尽可能使能量在途中因得到扩散而消除。在这种情况下，较短的探头前沿明显不符合要求，而如果将探头做成18m就可以解决这个问题，但在实际探测中18m就显得过长，这就要求我们从探头材料入手去找到更加有效的解决方法。而随着人们的不断研究与尝试，"聚砜"这种材料开始受到重视，这种材料的纵波声速达到2300m/s，再利用折射定律人们计算出用这种材料制作超声波探头，其理论前沿仅需8.5m。而在此处的实际案例中，为了能够有效消除扩散波的多余能量，采用"聚砜"作为材料制作出的前沿长度只需15m即可达到要求，实际应用中也不会显得过长。
(二)应注意选择自身信噪比大于18dB的探头进行探伤检测
由于当前的相关标准对超声波探测设备的制作进行了规范与明确，例如根据相关标准运用CSKⅢ!A试块制作出的波幅曲线在检测厚度达到20m的焊缝时，如果探头的信噪比不够18dB，就会使需许多探测参数难以达到既定标准，尤其对于一些安装有自动报警设备发热仪器，其设定的报警指标通常较高，在使用过程中会因评定线低于基准线而时常处于报警状态，从而影响到正常的探伤过程。
(三)斜探头压电晶片避免选择长方形晶片。
在超声波探伤过程中，不同的超声波引起的缺陷振动强度不同，而由此反射回的波幅强度也不一样。但由于超声波进入工件后会发生折射，折射角度的上半扩散角与下半扩散角会因压电晶体的存在而不相等，且上半扩散角比下半扩散角要大，这就使得经压电晶体在工件中产生的超声场截面积会变小，如果使用正方形的压电晶体，则超声场截面积会变为长方型，如果使用长方形压电晶体，其产生的超声场截面积会更小，无法满足对反射波幅进行全面覆盖的要求。因此斜探头压电晶体的选择上不应选择长方形晶片。
(四)外圆周向横波探头应比一般横波探头长2至3倍
对于横波探头的前沿长度设置上并不都是越短越好，一般情况下用于焊缝横波检测的探头前沿越短越好，但对于外圆周横波探头来说，其超声波从不同象限进入工件后工件内部与外壁在反射超声波能量时的损失不同，这就要求外圆周向探测的横波探头应该使用比一般横波斜探头更长的前沿，通常这个前沿应比一般横波探头长2至3倍，从而更好的保证检测效果。
结束语：综上所述，超声波探头的种类较多，涉及的相关技术参数与性能指标也十分复杂，这就要求我们要在选择探头时能够考虑到多方面的影响因素，在充分研究分析之后确定最合适的探头。而作为超声波检测中的最关键、最基础的一环，超声波检测探头的选择不仅要结合实际缺陷检验的类型来合理选择检测探头的使用类型，更要对其中的每一个环节都进行细致、认真地分析。同时，在实际工作中，也应进一步加强对探头性能极其使用方法的研究，在掌握各种探头特点的基础上，不断找到能够对工件缺陷进行更加准确地定位、定量、定性检测与分析的探头使用方法，从而切实的提升我国的超声波检测专业技术水平，进而更好的保证产品的生产质量和使用性能，推动生产制造领域的稳定发展。
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论文作者:熊秋良
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/19
标签：超声波论文; 工件论文; 缺陷论文; 晶体论文; 压电效应论文; 晶片论文; 横波论文; 《中国西部科技》2019年第12期论文;