CN110057913A - 一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，包括换能器本体、用于封装换能器本体的外壳，以及用于承载所述换能器本体的楔块和连接于楔块端部的吸声层；采用楔块将水平剪切波以一定角度传播进入焊缝中，并采用吸声层消除楔块中多余的声波。与现有技术相比，本发明具有结构简单、检测结果准确、使用方便、便于安装等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种导波换能器，尤其是涉及一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器。
背景技术
水平剪切波是质点振动方向与工件表面平行的横波。传统超声在检测粗晶材料焊缝时，由于焊缝晶粒粗大，会改变声波的传播方向并产生大量杂波信号。水平剪切波由于振动方向与横波不同，受粗晶材料的影响很小，是理想的粗晶材料焊缝检测波形。
中国专利CN106093209A公布了一种磁致伸缩相控阵水平剪切导波换能器，多个磁致伸缩薄片阵元均由各自的磁致伸缩薄片、直流偏置线圈和交流线圈组成，两线圈正交缠绕在磁致伸缩薄片上，各阵元的线圈端经各自接口与总接口连接；交流线圈经线路切换装置能与功率放大电路模块相连；或经线路切换装置能与信号调理方法电路模块相连；交流线圈作为检测线圈，直流偏置线圈提供直流偏置磁场，多个磁致伸缩薄片阵元组成一维线阵。该专利技术提供一种磁致伸缩相控阵SH(水平剪切)导波换能器，能够实现SH导波模式的精确控制和全面扫查。但是上述的专利技术以及常见的磁致伸缩激励的水平剪切波并非斜入射，无法对焊缝进行检测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，本发明的换能器能能够实现水平剪切波的斜入射，从而实现对粗晶材料焊缝的检测。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，包括换能器本体和用于封装换能器本体的外壳，还包括用于承载所述换能器本体的楔块和连接于楔块端部的吸声层。
本发明采用具有一定倾斜角度的楔块，将换能器本体产生的水平剪切波以一定角度传播进入焊缝中，并且在楔块的端部设置吸声层消除楔块中多余的声波，从而实现改变水平剪切波的入射方向以及实现对粗晶材料焊缝的精确检测。
所述楔块的材质为有机玻璃或碳钢；所述楔块的斜面与地面之间的夹角为27～70°。
有机玻璃的声阻抗为3.2*103MPa/s,声透过性能优异，可以与不同材料的被检测对象实现声阻抗匹配。当检测钢质焊缝时，推荐采用碳钢作为楔块，检测非金属材料时推荐采用有机玻璃。由于材质与被检测材料相同或相近，声能量损失最小。通过楔块的作用，可以实现水平剪切波的倾斜入射，推荐楔块角度为27°至70°。楔块角度为27°至45°时，检测声波主要能发现垂直焊缝表面的缺陷，如焊缝根部未焊透；楔块角度为45°至70°时，主要用于发现焊缝中心及近表面缺陷，如层间未熔合和近表面裂纹等缺陷。当楔块角度小于27°时，声波接近垂直入射，声波中的倾斜入射分量小，难以发现焊缝中缺陷。当楔块角度大于70°时，由于声波传播方向接近水平，在换能器中的大部分声能无法倾斜进入被检测焊缝。因此该范围为最佳的检测焊缝中缺陷的角度。
所述吸声层与楔块的接触面为相互匹配的矩形齿；其材质为吸声材料。
工件和楔块界面的反射波传播至吸声层时，会产生反射波和投射波。当吸声层为锯齿形时，由于锯齿形最大程度增加了吸声层声波的接触面积，大部分声波将能被吸声层吸收，小部分声波形成反射波。由于锯齿形的反射面作用，反射波将改变原来传播方向，变成散射波，进一步减小声波进入工件或被换能器接收而产生干扰声波。
所述换能器本体包括置于所述楔块的斜面上的永磁体、置于所述永磁体内部的磁感应线圈、贴合于所述磁感应线圈下表面的磁感应薄片、贴合于所述磁感应薄片下表面的环氧树脂耦合层，以及与所述磁感应线圈连接的信号线接头。
其中，各个部件的作用为：永磁体用于产生水平偏置磁场；磁感应线圈用于产生涡流和变化磁场，接收和激励水平剪切波信号；磁感应薄片受永磁体和磁感应线圈作用产生磁致伸缩振动，激励水平剪切波；信号线接头用于传输磁感应线圈信号；环氧树脂耦合层用于将磁感应薄片与楔块达到阻抗匹配，并将水平剪切波传输进入楔块。
所述永磁体为U型磁铁，其材质为钕铁硼永磁体。
所述磁感应线圈为回折式环形铜线圈，其匝数为20～100匝，优选为40匝。
所述信号线接头的接口针数与磁感应线圈的匝数相匹配，优选为40针。所述磁感应薄片的长度方向与所述永磁体的N极和S极方向，并且所述磁感应薄片长度方向的两个端部分别与所述永磁体的N极和S极接触连接；
所述磁感应薄片的宽度为25～75mm，优选为50mm；
所述磁感应薄片的厚度为0.1～0.3mm，优选为0.25mm；
所述磁感应薄片的材质为铁钴合金或者纯度为99.99％的镍。
所述环氧树脂耦合层的材质为环氧树脂快干胶。
所述外壳的材质为非导波材料，所述外壳通过螺栓固定于所述楔块的斜面上。
本发明的使用方法为：
本发明的水平剪切波换能器为能够检测粗晶材料焊缝的探头，产生的水平剪切波具有多个入射角度，根据楔块角度的不同可以实现不同角度的水平剪切波斜入射。在检测时，采用粗晶材料对比试块进行探头测试，本发明的楔块的底面置于待测材料上，探头激励水平剪切波穿过焊缝检测焊缝中间和另一侧的横通孔，分别对6个横通孔进行检测，并记录各个横通孔声程。将检测结果与理论上声波传播声程进行比对，显示测量的声程与理论声程一致，表明激励的水平剪切波没有受到焊缝中的粗大晶粒的影响发生偏转。因此可以采用探头进行粗晶材料焊缝检测，检测方法与常规斜探头一致，即探头垂直于焊缝进行锯齿形扫查。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用水平剪切波对焊缝进行检测，相比于传统的超声检测，检测精度更高，结果更加准确；
(2)水平剪切波不会受被检测焊缝中粗大晶粒的影响而改变传播方向，因此缺陷定位更加精确，可以实现检测奥氏体不锈钢等粗晶材料焊缝。
(3)水平剪切波在材料中的衰减小于纵波和横波，因此可以检测声衰减较大的非金属材料，如PE材料焊缝。
(4)换能器中产生水平剪切波的磁感应薄片为金属材料，相比传统压电晶片材质，可以承受最大300V和最大40A的电信号，产生能量更强的水平剪切波。
(5)采用楔块改变水平剪切波的入射方向，使其能够进行斜入射，使得采用水平剪切波检测焊缝能够实现；
(6)在楔块的端部添加吸声材料，消除楔块中多余的声波，提高了检测精度；
(7)由于楔块与换能器为可拆卸组合，一个换能器可以匹配多个不同角度楔块，实现对焊缝中不同部位的缺陷进行检测。
附图说明
图1为本发明的主视方向的剖视图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的测量原理示意图；
图中，1为外壳，2为永磁体，3为磁感应线圈，4为磁感应薄片，5为信号线接头，6为环氧树脂耦合层，7为楔块，8为吸声层，9为螺栓。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，如图1所示，包括换能器本体、用于封装换能器本体的外壳1、用于承载换能器本体的楔块7、以及连接于楔块7端部的吸声层8。其中，换能器本体包括置于楔块7的斜面上的永磁体2、置于永磁体2内部的磁感应线圈3、贴合于磁感应线圈3下表面的磁感应薄片4、贴合于磁感应薄片4下表面的环氧树脂耦合层6，以及与磁感应线圈3连接的信号线接头5。
本实施例中各零件的作用为：外壳1，用于封装换能器本体结构；永磁体2用于产生水平偏置磁场；磁感应线圈3用于产生涡流和变化磁场，接收和激励水平剪切波信号；磁感应薄片4受永磁体和磁感应线圈作用产生磁致伸缩振动，激励水平剪切波；信号线接头5用于传输磁感应线圈信号；环氧树脂耦合层6用于将磁感应薄片与楔块达到阻抗匹配；楔块7用于将水平剪切波以一定角度传播进入焊缝中；吸声层8用于消除楔块中多余的声波；螺栓9用于将换能器固定在楔块上。
其中，楔块7的材质为有机玻璃；楔块7的斜面与底面之间的夹角为45°。吸声层8与楔块7的接触面为相互匹配的矩形齿；其材质为吸声材料。永磁体2为U型磁铁，其材质为钕铁硼永磁体2。磁感应线圈3为回折式环形铜线圈，其匝数为40匝。磁感应薄片4的长度方向与永磁体2的N极和S极方向，并且磁感应薄片4长度方向的两个端部分别与永磁体2的N极和S极接触连接；磁感应薄片4的宽度为50mm；磁感应薄片4的厚度为0.25mm；磁感应薄片4的材质为铁钴合金或者纯度为99.99％的镍。环氧树脂耦合层6的材质为环氧树脂快干胶，用于将水平剪切波传输进入楔块。信号线接头5为接口针数为40针；信号线接头5与磁感应线圈3相配套，用于传输和接收电信号。外壳1的材质为非导波材料，楔块的斜面上加工有四个螺纹孔，外壳1通过4个螺栓9固定于楔块7的斜面上。
本实施例为能够检测粗晶材料焊缝的探头，根据楔块角度的不同可以实现不同角度的水平剪切波斜入射，本实施例的探头入射角度为45°。在检测时，采用粗晶材料对比试块进行探头测试，如图3所示。探头激励水平剪切波穿过焊缝检测焊缝中间和另一侧的横通孔，分别对6个横通孔进行检测，并记录各个横通孔声程。将检测结果与理论上声波传播声程进行比对，显示测量的声程与理论声程一致，表明激励的水平剪切波没有受到焊缝中的粗大晶粒的影响发生偏转。因此可以采用探头进行粗晶材料焊缝检测，检测方法与常规斜探头一致，即探头垂直于焊缝进行锯齿形扫查。
水平剪切波是质点振动方向与工件表面平行的横波。传统超声在检测粗晶材料焊缝时，由于焊缝晶粒粗大，会改变声波的传播方向并产生大量杂波信号。水平剪切波由于振动方向与横波不同，受粗晶材料的影响很小，是理想的粗晶材料焊缝检测波形。本实施例则采用水平剪切波对焊缝进行检测，但是通常磁致伸缩激励的水平剪切波并非斜入射，无法对焊缝进行检测。本实施例采用楔块实现水平剪切波的斜入射，从而实现对粗晶材料焊缝的检测。
本实施例采用水平剪切波对焊缝进行检测，相比于传统的超声检测，检测精度更高，结果更加准确；采用楔块改变水平剪切波的入射方向，使其能够进行斜入射，使得采用水平剪切波检测焊缝能够实现；在楔块的端部添加吸声材料，消除楔块中多余的声波，提高了检测精度。
实施例2
本实施例的主体结构与实施例1的结构相同，不同之处在于楔块以及承载换能器本体内零件的设计参数。本实施例中，采用的楔块的斜面和底面之间的夹角为60°；同时，磁感应薄片4的宽度为25mm；磁感应薄片4的厚度为0.2mm，磁感应线圈3的匝数为40匝，与该磁感应线圈3配套的信号线接头5为接口针数为20针。
实施例3
本实施例的主体结构与实施例1的结构相同，不同之处在于楔块以及承载换能器本体内零件的设计参数。本实施例中，采用的楔块的斜面和底面之间的夹角为70°；同时，磁感应薄片4的宽度为50mm；磁感应薄片4的厚度为0.25mm，磁感应线圈3的匝数为100匝，与该磁感应线圈3配套的信号线接头5为接口针数为40针。
实施例4
本实施例的主体结构与实施例1的结构相同，不同之处在于楔块以及承载换能器本体内零件的设计参数。本实施例中，采用的楔块的斜面和底面之间的夹角为27°；同时，磁感应薄片4的宽度为75mm；磁感应薄片4的厚度为0.1mm，磁感应线圈3的匝数为20匝，与该磁感应线圈3配套的信号线接头5为接口针数为40针。
实施例5
本实施例的主体结构与实施例1的结构相同，不同之处在于楔块以及承载换能器本体内零件的设计参数。本实施例中，采用的楔块的斜面和底面之间的夹角为70°；同时，磁感应薄片4的宽度为75mm；磁感应薄片4的厚度为0.3mm，磁感应线圈3的匝数为100匝，与该磁感应线圈3配套的信号线接头5为接口针数为40针。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，包括换能器本体和用于封装换能器本体的外壳(1)，
其特征在于，
还包括用于承载所述换能器本体的楔块(7)和连接于楔块(7)端部的吸声层(8)。
2.根据权利要求1所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述楔块(7)的材质为有机玻璃或碳钢；所述楔块(7)的斜面与地面之间的夹角为27～70°。
3.根据权利要求1所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述吸声层(8)与楔块(7)的接触面为相互匹配的矩形齿；其材质为吸声材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述换能器本体包括置于所述楔块(7)的斜面上的永磁体(2)、置于所述永磁体(2)内部的磁感应线圈(3)、贴合于所述磁感应线圈(3)下表面的磁感应薄片(4)、贴合于所述磁感应薄片(4)下表面的环氧树脂耦合层(6)，以及与所述磁感应线圈(3)连接的信号线接头(5)。
5.根据权利要求4所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述永磁体(2)为U型磁铁，其材质为钕铁硼永磁体(2)。
6.根据权利要求4所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述磁感应线圈(3)为回折式环形铜线圈，其匝数为20～100匝，优选为40匝。
7.根据权利要求6所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述信号线接头(5)的接口针数与磁感应线圈(3)的匝数相匹配，优选为40针。
8.根据权利要求4所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述磁感应薄片(4)的长度方向与所述永磁体(2)的N极和S极方向，并且所述磁感应薄片(4)长度方向的两个端部分别与所述永磁体(2)的N极和S极接触连接；
所述磁感应薄片(4)的宽度为25～75mm，优选为50mm；
所述磁感应薄片(4)的厚度为0.1～0.3mm，优选为0.25mm；
所述磁感应薄片(4)的材质为铁钴合金或者纯度为99.99％的镍。
9.根据权利要求4所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述环氧树脂耦合层(6)的材质为环氧树脂快干胶。
10.根据权利要求1所述的一种用于粗晶材料焊缝检测的水平剪切波换能器，其特征在于，所述外壳(1)的材质为非导波材料，所述外壳(1)通过螺栓(9)固定于所述楔块(7)的斜面上。
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