斜探頭組件緒論：

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)小的尖端考察，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?/p>

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 = 在第一種材料中的入射角

θ2 = 在第二種材料中的折射角

V1 = 第一種材料的聲速

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(最常用為30、45、60或70度)的橫波。隨著相對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)。第一，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)，一塊最優(yōu)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。縱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降低它對小缺陷的靈敏度。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減少，但是小的不連續(xù)性的分辨率會變得更好。當(dāng)頻率降低時(shí)，聲波傳播的距離會增加，但是最小可發(fā)現(xiàn)缺陷尺寸會變大。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減少。小的晶片尺寸會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)用提供最好最可靠響應(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)指定角度的橫波。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)，為了維持最佳的聲耦合，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)?的平方除以4，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)小鍥塊將改善對曲面的耦合。作為一個(gè)實(shí)踐問題，當(dāng)信號強(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)，聯(lián)系上海克洛力實(shí)業(yè)有限公司可獲得詳細(xì)資料。

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。

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)，鍥塊材料的聲速會降低，因此鍥塊加熱時(shí)，在金屬中的折射角會增加。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實(shí)際折射角做精確測定。