摘 要: 为了满足钢板自动化探伤的要求, 在常规的一发一收探头基础上, 研制了新式的一发四收型双晶水膜探头. 比较了一发四收与一发一收探头的结构、原理和性能指标. 经多次实验测试表明, 一发四收探头具有声束宽, 定量精度高, 水平分辨力高等多项优势, 从而提高了中厚钢板自动探伤的技术指标.
关键词: 一发四收; 双晶水膜探头; 自动探伤
随着我国工业建设的飞速发展, 对造船、石油、化工、桥梁、建筑、压力容器及军工可用钢板的内在质量要求越来越高, 对钢板规格品种要求也日益增多, 这就相应的要求检测技术进一步提高. 因此, 采用常规的手工方式对钢板进行超声探伤已很难满足用户对产品质量的检测要求[ 1] . 采用先进技术对钢板实现自动探伤已势在必行. 目前国内对钢板进行自动探伤通常采用一发一收式双晶水膜探头脉冲反射法, 而国外近几年开始采用一发多收式双晶探头脉冲反射法, 德国目前已在中厚钢板自动探伤中采用一发三收型双晶水膜探头替代原有的一发一收型探头, 目前国内宝钢、鞍钢、舞阳钢厂和南京中板厂等钢铁企业已从德国引进一发三收型双晶水膜探头应用于自动化探伤中. 我们经过反复试验, 自行开发研制出一发四收双晶水膜探头. 它不仅克服了常规一发一收双晶探头因晶片长而增大缺陷定量误差的缺点, 而且在增加探头有效声束宽度的同时还提高了探头在动态时耦合的稳定性.
1 一发四收双晶水膜探头结构与原理
双晶水膜探头是指发射晶片与接收晶片相分隔, 成对称型放置, 采用水膜耦合法探伤的一种超声换能器, 其纵向结构示意图如图1 所示. 一发一收型双晶水膜探头由单一的一片发射晶片和一片接收晶片组成, 发射和接收晶片较短. 我们研制的一发四收型探头结构为一片发射晶片和四片接收晶片. 特点为发射晶片比较长( 取50 mm) , 接收晶片长度为发射晶片的四分之一, 四片等长接收晶片并列放置于与发射晶片对称的位置上, 并且可根据探测钢板的厚度选择探头的有关参数. 晶片采用锆钛酸铅压电陶瓷( PZT ) 材料, 具有价廉、易加工等优点[ 2] . 一发一收型与一发四收型双晶水膜探头纵向结构与图1一致, 二者横向结构比较示意图如图2 所示. 一发四收型双晶探头是在一发一收双晶探头基础上发展的一种结构形式[ 3] , 工作原理与其基本相同, 只是声场根据接收晶片的规格发生变化, 探头回波示意图如图3 所示. 由图3( a) 可见, 四片接收晶片各自的声束宽度一致, 声场均匀分布, 从而提高了探头的缺陷定量精度及分辨力. 同时, 由于接收晶片的长度是根据发射晶片长度而定, 经过四晶片的组合又增大了探头整体有效声束宽度, 保证了探头灵敏度的均匀性. 图3( b) 为一发一收型探头接收回波, 与一发四收探头相比, 声束宽度有限. 而如果增大发射晶片尺寸, 采用与一发四收探头相同尺寸的发射和接收晶片, 则接收晶片过长, 会导致探头声束宽度过宽, 定量精度误差增大. 在实际探伤中不可用.
图4 是一发四收探头工作时超声传播示意图,由图可以看出: 接收晶片和发射晶片在电和声方面都是彼此隔离开的, 发射电压并不直接加到接收晶片上, 这就使接收电路上无阻塞现象, 不受干扰, 收发探头几乎是同时进行工作. 同时由于接收晶片与发射晶片之间被隔声层所隔开, 所以这种探头工作时通常没有界面( 被检工件表面) 波出现, 这就对近表面层缺陷的分辨本领提高了, 使盲区大为减小, 因而可以探测较薄工件的缺陷或工件表面层内的缺陷[ 4] .
从图4 可以看到: 凡是在菱形区( a b c d) 域内的各种缺陷, 只要伤的大小和方向合适, 都能够被探测出来, 而且波型简单, 易于放置报警闸门实现自动化探伤. 但是, 由于声束中声能的分布是不均匀的,声束中心声能最强, 因此同样的伤位于菱形区中心处伤波最强, 位于菱形区边缘处伤波最弱. 由此不难想象, 探伤灵敏度是随着伤的深度而变化的, 开始时随着探伤深度的增加而上升, 在达到一个极大值后又随着探伤深度的增加而下降. 不同规格的双晶超声探头( 包括发射晶片接收晶片的倾角、晶片尺寸、延迟块厚度等) , 其探测深度和最大灵敏度区域也不同. 减小发射晶片和接收晶片的倾角或增大晶片横向尺寸, 都可以增加和扩大探测深度和探测灵敏区域[ 5] . 按图4 用下面的公式可求出菱形区中心到被检零件上表面的距离f , 距离f 叫做交距[ 6].
式中: a为发射晶片和接收晶片与被检工件表面的夹角, u 为压电晶片中心到隔声层距离, L 为由压电晶片中心计算的延迟块的长度, C1、C3 分别为延迟块材料和被检工件材料中的声速. 频率为5 MHz,发射晶片尺寸为10 @ 50 mm, 交距为10 mm 的一发四收型双晶水膜直探头型号表示为5P10 x 50 -4RFG10Z. 我们制作的5P10 x 50- 4RFG10Z、4P12x 50- 4RFG20Z、2. 5P14 x 50 - 4RFG30Z 一发四收双晶水膜探头, 按公式计算出的交距f 分别为10. 5、20. 7 和29. 6 mm, 实际测定的结果分别是10、2 0 和30 mm, 二者结果很接近.
在实际超声探伤中, 可根据钢板的厚度来选择具有适当交距的探头. 从图4 可以看到: 检测厚度为6~ 60 mm 的钢板可选择入射角和接收角大一些的探头; 检测厚度为60~ 150 mm 的钢板可选择入射角和接收角小一些的探头. 双晶探头的适用范围还是很宽的, 一般来说, 在钢板的中层区域内, 因锻造及轧制时比上下两表面所受到的挤压量小, 所以缺陷存在的机会也就比表面层带的大, 由于探头的探伤灵敏度恰好在中间区域最高, 刚好适应这种情况.
除此之外, 还可通过深度补偿办法来得到进一步的改善. 为了减小上下盲区, 使之不漏检和不误判, 保证探伤质量, 我们采用不同规格的探头来适应不同的探伤范围.
双晶探头工作时, 在延迟材料和被检材料中将发生一系列波型转换[ 7] , 如表1 所示. 发射晶片发射纵波经延迟块和耦合水层斜入射到钢材中, 由于波型转换在钢板中得到折射纵波和折射横波. 折射纵波和折射横波入射到底面或缺陷时分别得到各自的反射纵波和反射横波. 反射纵波和反射横波入射到钢与耦合水层的界面时, 由于横波不能在液体中传播, 所以在耦合水层中只得到各自的折射纵波. 折射纵波入射到延迟块中得到各自的折射纵波和折射横波, 最后由接收晶片接收. 波型转换产生的多束波会造成在底波后面常常有迟到波出现, 有时在伤波后面也出现迟到波, 这主要是由于折射波中的折射横波存在而引起的. 因横波声速小于纵波声速, 所以纵波脉冲反射信号在前, 横波在后. 在判伤时, 只观察界面波至第一次底波之间的波形变化即可.
我们研制的一发四收型探头比一发一收型探头有效声束宽, 探伤灵敏度高, 减少了百分之百钢板扫描所需要的探头数量, 进一步满足了自动化超声探伤的要求. 同时, 由于晶片前面粘接着延迟块, 晶片不是裸露在耦合剂之中的, 这样晶片表面上不会粘附产生气泡, 免去了冲洗晶片和调整探头的时间, 并且在探头与钢板工件的耦合方式上, 我们采用了水膜耦合法( 间隙扫描法) , 它使耦合条件非常稳定且探头不易受到磨损[ 8] . 这些措施也大大提高了探伤速度( 30 m/ min 以上) .
2 探头性能及试验结果
根据双晶探头原理可知, 对于探测不同厚度的钢板, 可设计不同交距的一发四收型探头. 但是探头的性能必须满足国家标准GB/ T 2970-2004《厚钢板超声波检验方法》规定. 此标准中要求对于6 ~ 60mm 钢板探伤应采用符合性能要求的双晶探头, 对于大于60 mm 钢板的探伤, 当双晶探头的性能达到单晶直探头性能时, 也可采用双晶探头[ 9] . 我们按照此标准规定分别对一发一收型和一发四收型双晶探头进行了试验测试, 探头性能如表2 和表3 所示. 表2 表明不同规格的一发四收型双晶探头可探测不同厚度的钢板, 其性能指标达到了国家标准要求. 表3比较了一发四收型与一发一收型双晶探头的水平分辨力, 可见一发四收型探头的缺陷分辨距离和缺陷定量精度比一发一收型探头有明显提高.
3 总 结
综上所述, 我们自行研制开发的一发四收型双晶水膜探头通过多项试验测试验证, 其特有的四接收晶片的组合结构, 使探头整体有效声束增大, 探头灵敏度均匀; 提高了对近表面层缺陷的分辨力, 减少了检测盲区, 从而可探测较浅工件或工件表面层内的缺陷. 与传统的一发一收型双晶探头相比, 一发四收型探头具有探头声束宽, 定量精度高, 探头水平分辨力强, 探伤速度快, 效率高, 耦合条件稳定, 探伤灵敏度均匀等优势, 并且在探测同宽度钢板时, 使用一发四收型探头的数量比使用传统的一发一收型探头数量减少很多, 从而提高了自动探伤的技术水平. 这种新型的双晶水膜探头与自动探伤技术结合, 可大大提高现今钢板质量检测的技术指标, 进一步满足了用户对产品的质量要求.
参考文献:
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[ 3] 张广纯主编. 金属材料的超声波探伤[ C] M冶金无损检测人员技术资格坚定委员会, 2002: 78.
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[ 5] 全国锅炉压力容器无损检测人民资格考核委员会编. 超声波探伤[ M] . 劳动部锅炉压力容器安全杂志社, 1995: 87.
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[ 9] 厚钢板超声波检验方法[ M ] . 中华人民共和国国家标准GB/ T2970- 2004.
