CN202141698U - 一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超声检测的聚焦探头装置。所要解决的技术问题是提供的曲面线聚焦探头装置应具有检测结果准确、结构简单、使用方便的特点。技术方案是：一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置，其特征在于：它包括制有腔体的外壳，安装在腔体内并且传播声音的速度与工件横波声速相等或接近的斜楔；该斜楔的底面是与工件外圆柱面相适应的圆柱面，斜楔的较厚端制有向上凸起的凸块，该斜楔的上表面与圆柱曲面状晶片的下表面完全贴合，所述晶片的圆心位于工件内壁，晶片发射声束的轴线与工件界面的法线的夹角α_L为33.2-45度之间。该晶片背面的粘有高阻抗背衬块，所述晶片与电缆连接；所述腔体的其余部位填充有吸音材料。

Description

一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置

技术领域

本实用新型专利涉及一种超声检测的聚焦探头装置，具体是针对超高压容器和管道等厚壁筒形件周向超声检测的圆柱曲面线聚焦探头装置。

背景技术

超高压容器和管道一般为厚壁筒体结构。在超高压容器和管道的各种无损检测方法中，超声检测方法既能检测内部缺陷又能检测内外表面缺陷，是超高压容器和管道主要的无损检测方法。用直探头可检测出与釜体外圆表面平行的缺陷，用不同角度的斜探头从外圆面探测，可检测出筒形件内部径向和轴向缺陷。但对径向缺陷进行检测，必须进行一系列工艺试验，取得成熟的检测工艺。目前国内在内外径之比小于0.8的厚壁筒形件的超声检测方法、检测工艺、超声检测试块和检测标准方面开展的工作尚不成熟，标准的编制仅停留在企业标准层次上。最大的难点在于超声横波检测时其探头选择、试块标定、扫查方式和缺陷评定等如何规范化。

目前国内对于单层厚壁筒形件的周向超声检测，一般采用纯横波检测技术。按耦合方式不同，检测方法分为接触法和水浸法。对于内外径之比大于等于0.8的筒体，可采用常规的横波检测技术，检测方法可按照JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测第三部分超声检测》的规定进行。对于内外径之比小于0.8的筒形锻件，目前国内还没有通用的国家标准和行业标准。

国内一些企业和科研机构曾采用纯横波法、双重波型检测法(用小角度折射横波检测内壁缺陷，用大角度折射纵波检测内壁缺陷)等方法对超高压人造水晶釜进行试验和检测。但目前国内在超高压水晶釜的检测方法、超声检测试块和检测标准方面开展的工作尚不成熟，对不同规格的釜体的超声检测以及厚壁筒体检测的声场结构、径向缺陷的回波特征、表面缺陷的灵敏度、缺陷定位、曲界面导致灵敏度变化和干扰杂波等多个方面缺少系统的研究，检测标准的编制仅停留在“企业标准”层次上，在检测工艺的选择和优化、试块标定、扫查方式和缺陷评定等方面缺少系统性的研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置，该曲面线聚焦探头装置应具有检测结果准确、结构简单、使用方便的特点。

为实现以上目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置，其特征在于：它包括制有腔体的外壳，安装在腔体内并且传播声音的速度与工件横波声速相等或接近的斜楔；该斜楔的底面是与工件外圆柱面相适应的圆柱面，斜楔的较厚端制有向上凸起的凸块，该斜楔的上表面与圆柱曲面状晶片的下表面完全贴合，所述晶片的圆心位于工件内壁，晶片发射声束的轴线与工件界面的法线的夹角α_L为33.2-45度之间。该晶片背面的粘有高阻抗背衬块，所述晶片与电缆连接；所述腔体的其余部位填充有吸音材料。

所述斜楔采用锡铅合金材料制作。

本实用新型的工作原理是：

使用时，斜楔的圆柱面与工件的圆柱面贴合，晶片通电后产生超声纵波，该超声纵波经过斜楔后射入工件中，入射角处于工件的第I临界角与第II临界角之间。超声波在斜楔与工件的接触面同时产生反射和折射，反射回的声波进入斜楔左部的声陷阱中(凸块的不规则形状，会使声波进行杂乱无章的反射，最后被吸音材料吸收)；折射后的声波转变成横波，由于斜楔的声音传播速度与工件接近或相等，因此声波不会产生折射或折射角相差很小，使声束能够聚焦到原焦点位置(即圆柱曲面状晶片的原点)或其附近。如果工件没有缺陷，声波会在工件内表面全部反射，如果工件有缺陷，则会有部分声波沿原路径反射回圆柱曲面状晶片，根据反射回的结果即可得知工件的缺陷位置。

本实用新型的有益效果是：本实用新型利用与工件声速相等或相近的斜楔，使得声束在射入工件时不会产生折射或折射角相差很小，提高了检测灵敏度，并且本实用新型结构简单，使用时只需将斜楔的弧面与工件贴合之后即可检测，使用非常方便。而且，斜楔材料的声阻抗与钢工件横波声阻抗相差较小，使超声波在斜楔与工件界面产生的反射声能损失较少，大部分声能透射至被检工件中，提高了检测灵敏度；另外，本实用新型制造成本相对较低，因此具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构剖视示意图。

图2是本实用新型的聚焦原理示意图。

图3是图2中C部的放大示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置，包括制有腔体的外壳1，安装在腔体内并且传播声音的速度与工件横波声速相等或接近的斜楔3；该斜楔的底面制有与工件外圆柱面相适应的圆柱面3-1(方向如图1所示)，斜楔的较厚端制有向上凸起的凸块(凸块的不规则形状，会使斜楔的左部形成一个声陷阱，声波进行杂乱无章的反射，最后被吸音材料吸收)，斜楔的上表面也粘贴着用于产生超声纵波的圆柱曲面状晶片(圆柱曲面状晶片与斜楔完全贴合)，所述晶片的圆心即焦点F位于工件内壁，晶片发射声束的轴线与工件界面的法线的夹角α_L范围在33.2-45度之间(由公式

导出；下限由楔块与工件的第I临界角决定，上限要保证聚焦声束扫查到筒体内壁)。该晶片背面的粘有高阻抗背衬块4，所述晶片与电缆6连接；所述腔体的其余部位填充有吸音材料2。

所述斜楔采用锡铅合金材料制作。

1)圆柱曲面线聚焦方法

利用圆柱曲面晶片制作聚焦的超声波探头，结构见图1所示。用压电陶瓷加工成圆柱曲面状晶片，由它来实现电-声能量转换。斜楔的作用是使晶片产生的超声纵波以一定的角度射入工件，通过波形转换使其在工件中传播全横波，斜楔的另一个作用是作为声陷阱消除反射纵波和横波的干扰。晶片的高阻抗背衬块采用钨粉与环氧树脂混合物通过挤压法制作而成。首先粘接背衬块与晶片；粘接时，使用由环氧树脂与二乙烯三胺制成的粘接剂，背衬块与晶片粘接牢固后，再焊接电极，然后把背衬块、晶片和电极固定在外壳中。

圆柱曲面线聚焦技术的聚焦原理如图2所示。整个聚焦声束由无数条声束线所代表的细声束组成，每条细声束向圆柱轴线会聚，在轴线所受的超声辐射力在与声轴相垂直方向上的分量，因其轴对称性而抵销，总和为零。轴线所受的声轴方向的超声辐射力的总和即总辐射力，总辐射力由于各细声束的会聚远大于圆柱曲面状晶片的表面辐射力，从而达到聚焦的目的。从理论分析，圆柱曲面超声聚焦系统最终都将超声能量聚集到一个几何线，然而由于声的衍射效应以及超声聚焦系统的不规矩等原因，实际的超生聚焦区域不是一条理想的线，而是一个比较复杂的区域。根据厚壁筒形件内壁的规格尺寸，选择合适的晶片曲率半径和斜楔尺寸，使焦点位于厚壁筒形件内壁，以提高超声波对内壁表面裂纹的检测灵敏度。

2)采用与工件(钢)横波声速相近且超声波衰减很小的斜楔材料，保证变型横波能够在原焦点位置汇聚；

采用锡铅合金材料(质量比：锡90％，铅10％)作为斜楔，经实测其声速在3220米/秒左右，与工件(钢)横波声速基本相等，声阻抗与钢横波声阻抗相差小于10％，且超声波衰减小于0.1dB/mm。圆柱曲面晶片通过压电效应发射的超声波在斜楔材料中传播，并在斜楔与钢工件界面上形成反射和折射，由于斜楔材料的声速与钢横波声速相等或接近，声束在斜楔与钢工件界面不会产生折射或折射角相差很小，使声束能够聚焦到原焦点位置或其附近；声阻抗与钢横波声阻抗相差小于10％，从而获得较大能量的折射横波。特别是针对厚壁筒形件的检测，采用与横波声速基本相等的锡铅合金斜楔，可克服超声波进入曲界面使声束进一步发散的不利影响。

3)采用在第I临界角与第II临界角之间的入射角，获得全横波折射。为确保实施全横波检测及一次横波能扫查到筒体内壁，横波折射角β_S应满足公式(1)的限制：

$C_{S_2}/C_{L_2}\≤\sin {\mathrm{\β}}_S\≤r/R---\left(1\right)$

式中：

-工件中横波声速，m/s；

-工件中纵波声速，m/s；

r-厚壁筒形件内半径，mm；

R-厚壁筒形件外半径，mm。

因此选择的入射角α_L为：

$C_{L_1}/C_{L_2}{\≤\sin \mathrm{\α}}_L\≤{\mathrm{rC}}_{L_1}/{\mathrm{RC}}_{S_2}---\left(2\right)$

式中：

-楔块中纵波声速，m/s；

选择由公式(2)决定的入射角，实现工件中没有折射纵波，只有折射横波，并保证斜楔材料与工件较高的超声波往复透射率时，使声压转换效率提高。另外，全横波折射获得的波型单一，对缺陷判定相对容易。

图中还有，入射纵波A，折射横波B。

Claims (2)

1.一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置，其特征在于：它包括制有腔体的外壳(1)，安装在腔体内并且传播声音的速度与工件横波声速相等或接近的斜楔(3)；该斜楔的底面是与工件外圆柱面相适应的圆柱面(3-1)，斜楔的较厚端制有向上凸起的凸块(3-2)，该斜楔的上表面与圆柱曲面状晶片(5)的下表面完全贴合，所述晶片的圆心位于工件内壁，晶片发射声束的轴线与工件界面的法线的夹角α_L为33.2-45度，该晶片背面的粘有高阻抗背衬块(4)，所述晶片与电缆(6)连接；所述腔体的其余部位填充有吸音材料(2)。

2.根据权利要求1所述的一种用于厚壁筒形件周向超声检测的曲面线聚焦探头装置，其特征在于：所述斜楔采用锡铅合金材料制作。

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