CN103575811B - 超声波探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波探头，该探头具有本体、镶嵌在本体内的两个晶片和一端分别与所述晶片连接的连接线，该本体由透光体和用以吸收晶片向背面发射的声波和抑制杂波的阻尼体两部分构成，其中透光体与阻尼体交界处呈圆锥状，所述晶片相对该透光体的中心线对称设在该透光体的锥面上，所述连接线穿过阻尼体分别连接所述晶片，该透光体的锥顶角大于或等于170度。其中一个晶片发射出的频率为5MHz，本发明通过对入射角和晶片发射超声波频率的改变从而实现利用超声波的主声束来进行检测，能很直观地将裂纹波与螺纹波区分开来。

Description

超声波探头

技术领域

本发明涉及超声波探伤技术，尤其是一种用于吊具中吊环螺钉根部的疲劳裂纹的超声波探头。

背景技术

机车顶盖是电力机车的一个重要部件，在布管和布线工序中，需要对顶盖进行180°翻转，而翻转时需要使用天车、柔性四肢吊带和吊环螺钉，。吊环螺钉的结构如图1所示，先将吊环螺钉的螺纹杆11拧入设在机车顶盖上的吊装螺纹孔从而与机车顶盖连接，再将柔性四肢吊带的U型卸扣的螺杆穿入吊环螺钉的吊环12中，然后将顶盖吊起实现翻转。

顶盖水平放置在工作台位时，如图2所示，吊环螺钉13与水平面之间的角度接近45°，顶盖14被吊起时，吊带15的拉力与吊环螺钉的螺纹杆的方向接近垂直，螺纹部位受最大的剪切力。

在使用天车翻转时，使用两个天车及四根吊带进行作业，每个天车吊顶盖同一侧的两根吊带，其中的一个钩头上升，另一个钩头下降，在顶盖翻转到90°时，其中的两根吊带受力，另外两根不受力，在越过90°的一瞬间，由于受冲击载荷的作用，受力的吊环螺钉很容易被拉断。现场作业中如发生该意外，被拉断的吊环螺钉会导致顶盖掉下造成顶盖损坏的现象，比较容易发生断裂的部位在吊环螺钉根部两到三个螺纹之间。

从断裂的吊环螺钉来看，应该是原始表面裂纹扩展所导致，如果能事先检查材料的性能，就可以最大可能地防止上述意外的发生。通常情况下，采用磁粉探伤或渗透探伤是发现表面裂纹最有效和最理想的方法，但由于吊环螺钉的结构比较特殊，尺寸较小，实施磁粉探伤及渗透探伤时缺陷磁痕与螺纹磁痕很难区分，所以，实践表明，对于结构比较特殊的吊环螺钉以及类似特点的部件，磁粉探伤及渗透探伤难以有效解决该问题。射线检测作为另一种手段，虽然从理论上讲可以克服以上问题，但其检测条件较为苛刻，要求疲劳裂纹有一定的深度，且检测成本高，效率低，实际应用中也受到较大限制。

超声波检测也是一种疲劳检测手段。如图3所示，现有的双晶片超声波探头由本体、镶嵌在本体内的两个晶片3和一端与晶片3连接的连接线4构成，本体由透光体2和用以吸收晶片向背面发射的声波和抑制杂波的阻尼体1两部分构成，其中透光体2与阻尼体1交界处呈圆锥状，晶片3相对该透光体2的中心线对称设在该透光体2的锥面上，二个连接线4穿过阻尼体1分别连接晶片3。但是现有的双晶片超声波探头主要用来检测厚度较大的板或工件，透光体的入射角a普遍较大，一般采用10°或7°，透光体2的锥顶角b与入射角a之间的关系满足2a+b=180°，入射角a为10°时，锥顶角为160°；入射角a为7°时，锥顶角为166°，其中一个晶片用来发射超声波，另一个晶片用来接收超声波，利用超声波的扩散声束进行检测，缺陷信号混杂在干扰信号中，使缺陷信号不能分辨，不适用于截面尺寸较小的吊环螺钉的螺纹裂痕检测。

发明内容

本发明提供一种超声波探头，用于克服现有技术中的缺陷，从而保证吊环螺钉的质量及现场作业的安全，简单快捷且准确可靠地检测其螺纹根部的疲劳裂纹。

本发明提供的超声波探头具有本体、镶嵌在本体内的两个晶片和一端分别与所述晶片连接的连接线，该本体由透光体和用以吸收晶片向背面发射的声波和抑制杂波的阻尼体两部分构成，其中透光体与阻尼体交界处呈圆锥状，所述晶片相对该透光体的中心线对称设在该透光体的锥面上，所述连接线穿过阻尼体分别连接所述晶片，该透光体的锥顶角大于或等于170度。

本发明提供的超声波探头，原理是基于同一种螺钉的螺纹型式都是一致的，它们对超声波的反射也基本相同，所以在荧光屏上螺纹波的特征都是相似的，但是，一旦在某一道螺纹处出现了裂纹，在荧光屏上就会出现特殊波形和一些波形的特殊变化，利用此特点便可检测螺钉中的疲劳裂纹。而本专利所使用的探头通过对入射角和晶片发射超声波频率的改变从而实现利用超声波的主声束来进行检测，能很直观地将裂纹波与螺纹波区分开来。

附图说明

图1为现有技术中吊环螺钉的结构示意图；

图2为现有技术中吊装螺钉与机车顶盖连接部位示意图；

图3为现有技术中双晶超声波探头的结构示意图；

图4为本发明超声波探头实施例的结构示意图；

图5为本发明超声波探头在测试过程中显示吊环螺钉根部螺纹无缺陷时的波形图；

图6为本发明超声波探头在测试过程中显示吊环螺钉根部螺纹有缺陷时的波形图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的实施例提供一种超声波探头，该探头具有本体、镶嵌在本体内的两个晶片3和一端与晶片3连接的连接线4，该本体由透光体2和用以吸收晶片3向背面发射的声波和抑制杂波的阻尼体1两部分构成，其中透光体2与阻尼体1交界处呈圆锥状，晶片2相对该透光体2的中心线对称设在该透光体2的锥面上，连接线4穿过阻尼体1分别连接晶片2，该透光体2的锥顶角大于或等于170度。其中一个晶片3发射的超声波的频率为5MHz。阻尼体1还可以使晶片3被发射脉冲激励后能很快停下来，以保证波形不失真和分辨率。晶片3相对该透光体2的中心线对称设在该透光体2的锥面上以使焦点能位于透光体2的中心线上，方便调整探头与待测工件的相对位置。

常规的探头频率为2.5MHz，本发明使用的探头选择5MHz，选择这样的频率是为了提高小缺陷的检出能力，因为频率高，波长短，发现小缺陷的能力就强。探头晶片的形状制作成圆形，目的是为了和吊环螺钉的圆端面相吻合。探头晶片尺寸主要依据吊环螺钉的螺纹尺寸选择，晶片稍小于吊环螺钉的端面，同时又能确保声束覆盖整个工件，使其旋转一周便能实现吊环螺钉的全面探伤，使缺陷不漏检，如M24的吊环螺钉选择晶片尺寸为φ20mm。

入射角a选择在5°以内即锥顶角b大于或等于170°，这样做的目的是为了保证最有利地扫查到螺纹处的裂纹波，使裂纹波能够明显区别于螺纹波，这是经过实际应用和理论计算相结合的方式确定的，且不同规格的探头采用不同的入射角度。通过对入射角和晶片发射超声波频率的改变从而实现利用超声波的主声束8来进行检测，能很直观地将裂纹波与螺纹波区分开来。

检测前，利用吊环螺钉制作一个实物试块，方法是利用线切割在螺纹根部两到三个螺纹处制作一个1mm深的锯口，以此作为定量的灵敏度。用于检测的超声波探头制作成小角度的双晶探头，该探头的频率选择5MHz，入射角在5°以内，这样既具有普通双晶探头的优势，同时由于发射声波是以小角度入射，克服了普通双晶探头的不足之处。检测时，将超声波探头透光体的底面置于待检的吊环螺钉的端面，将线切割1mm处锯口的反射波调整到荧光屏满幅度的60%，以此作为探伤灵敏度，此时的螺纹反射波控制在20%左右，当螺纹中间存在疲劳裂纹时，如图6所示，探伤仪的荧光屏上会在始波10与底波20之间出现一个缺陷反射波40，这个缺陷反射波40会明显高于螺纹反射波30，且缺陷反射波40后的螺纹反射波30会降低甚至消失，而在吊环螺钉根部螺纹无缺陷时不会出现缺陷反射波，如图5所示，从而达到检出疲劳裂纹的目的。

作为上述实施例的优选实施方式，两晶片之间设有用以电声屏蔽的隔声层5。用于阻隔入射界面即透光体2的底面上产生的直通波和屏蔽感应电场的干扰。晶片3上均设有用以延迟阻塞时间、抑制近场干扰的延迟块，所述连接线穿出该遮光体分别连接该延迟块6。在小范围改变纵波入射角以调节超声波进入工件的状态，而且起到延迟阻塞时间、抑制近场干扰的作用。透光体2的入射界面上贴设有保护膜7。功能主要是避免压电晶片与工件直接接触而造成磨损，同时保护晶片不被碰伤，还作为中间介质以改善透声性能。透光体2材质为有机玻璃。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种超声波探头，该探头具有本体、镶嵌在本体内的两个晶片和一端分别与所述晶片连接的连接线，该本体由透光体和用以吸收晶片向背面发射的声波和抑制杂波的阻尼体两部分构成，其中透光体与阻尼体交界处呈圆锥状，所述晶片相对该透光体的中心线对称设在该透光体的锥面上，所述连接线穿过阻尼体分别连接所述晶片，其特征在于，该透光体的锥顶角大于或等于170度；

两所述晶片之间设有用以电声屏蔽的隔声层，该隔声层嵌设在本体内；

所述晶片上均设有用以延迟阻塞时间、抑制近场干扰的延迟块，所述连接线穿出该阻尼体分别连接该延迟块；

所述透光体的入射界面上贴设有保护膜；

所述晶片呈圆形；

所述晶片直径为20mm；

所述透光体材质为有机玻璃；

所述两个晶片中的一个晶片发射的超声波的频率为5MHz；

所述透光体的底面置于待检的吊环螺钉的端面，在所述吊环螺钉的螺纹根部两到三个螺纹处存在一个利用线切割制作的1mm深的锯口，将所述锯口处的反射波调整到荧光屏满幅度的60％，螺纹反射波控制在20％，当所述待检的吊环螺钉的螺纹中间存在疲劳裂纹时，荧光屏上在始波与底波之间出现一个缺陷反射波，所述缺陷反射波高于所述螺纹反射波，且所述缺陷反射波后的螺纹反射波降低或消失。