CN202710519U - 一种用于对工件焊缝进行探伤的复合探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于对工件焊缝进行探伤的复合探头，其包括一个长柱形的外壳，在外壳的中间部位设有有机玻璃楔块，在所述有机玻璃楔块的外围、且位于外壳内设有阻尼块，所述有机玻璃楔块上从其右端到左端依次嵌设有倾斜的TOFD晶片、普通脉冲反射超声波晶片a以及普通脉冲反射超声波晶片b，所述外壳的左端设有用于与压电晶体片连接的电源线及电源线接口。本实用新型将TOFD晶片与普通脉冲反射超声波晶片组合在一起，从而形成了本TOFD+普通脉冲反射超声波复合探头，利用TOFD晶片对焊缝层间缺陷进行精确定位，利用普通脉冲反射超声波探头对焊缝上下表面的区域进行检测，能够解决TOFD检测技术表面“死区”问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种对工件焊缝进行探伤的复合探头，尤其适用于对壁厚为20～50mm工件焊缝的超声波探伤检测。
背景技术
目前对壁厚为20～50㎜的工件焊缝探伤一般采用超声TOFD技术，超声TOFD技术具有检测可靠性高、缺陷尺寸测量精确等众多的优点，而获得了越来越广泛的应用。但是由于超声TOFD技术也存在其难以避免的“死区”问题，又使得它进一步的广泛应用受到很大的限制。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够解决TOFD检测技术表面“死区”问题的复合探头。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种用于对工件焊缝进行探伤的复合探头，其关键技术在于：其包括一个长方形的外壳，在外壳的中间部位设有有机玻璃楔块，在所述有机玻璃楔块的外围、且位于外壳内设有阻尼块，所述有机玻璃楔块上从其右端到左端依次嵌设有倾斜的TOFD晶片、普通脉冲反射超声波晶片a以及普通脉冲反射超声波晶片b，所述外壳的左端设有用于与压电晶体片连接的电源线及电源线接口。
所述TOFD晶片的纵波入射角为αTOFD为41.5°，所述普通脉冲反射超声波晶片a的纵波入射角为αa为32°，所述普通脉冲反射超声波晶片b的纵波入射角αb为42°。
所述阻尼块是材质为高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层的阻尼块。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型将TOFD晶片与普通脉冲反射超声波晶片组合在一起，从而形成了本TOFD+普通脉冲反射超声波复合探头，利用TOFD晶片对焊缝层间缺陷进行精确定位，利用普通脉冲反射超声波探头对焊缝上下表面的区域进行检测，既发挥了超声TOFD技术的优势，同时又能弥补它的不足，可以满足超声波对壁厚为20～50mm工件的完全覆盖，能够解决TOFD检测技术表面“死区”问题。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的原理示意图；
图3是探头晶片布置及声束中心传播路径的几何关系图；
其中， 1、TOFD晶片；2、普通脉冲反射超声波晶片a；3、普通脉冲反射超声波晶片b；4、电源线及电源线接口；5、有机玻璃楔块；6、阻尼块；7、外壳；8、普通脉冲反射超声波晶片b中心声束；9、TOFD晶片中心声束；10、普通脉冲反射超声波晶片a中心声束;11、焊缝区；12、普通脉冲反射超声波晶片b声束覆盖范围；13、TOFD晶片声束覆盖范；14、普通脉冲反射超声波晶片a声束覆盖范围。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参见附图1，本实用新型包括一个长方形的外壳7，在外壳7的中间部位设有有机玻璃楔块5，即其位于外壳7的中心部位，在有机玻璃楔块5的外围、且位于外壳7内设有阻尼块6，所述有机玻璃楔块5上从其右端到左端依次嵌设有倾斜的TOFD晶片1、倾斜的普通脉冲反射超声波晶片a以及倾斜的普通脉冲反射超声波晶片b，这里的右端指本复合探头的前端，左端指其后端，所述外壳7的左端设有用于与压电晶体片连接的电源线及电源线接口4。
本复合探头主要适用于壁厚为20～50mm工件焊缝的超声波探伤检测，工作原理如图2所示，为解决TOFD检测技术表面“死区”问题，在TOFD晶片1后方布置两只普通脉冲反射超声波晶片；使用时两个复合探头为一组，将两个复合探头对称放置在焊缝两侧，布置在两只探头前端的TOFD晶片1一发一收，实现对焊缝的TOFD检测；布置在探头中部的任意一只普通脉冲反射超声波晶片a发射的声波以52.5°（K1.3）入射至工件内部，实现对焊缝下表面的检测；布置在探头后部的任意一只普通脉冲反射超声波晶片b发射的声波以38.7（K0.8）入射至工件内部，声波经工件下表面一次反射后，实现对焊缝上表面缺陷的检测。参见附图2和3，TOFD晶片1实现对工件的TOFD检测，探头中部侧布置的普通脉冲反射超声波晶片a利用一次波对工件下表面扫查；探头后部布置普通脉冲反射超声波晶片b利用二次波对工件上表面扫查。
本复合探头主要是借鉴现有常规超声波探头及TOFD探头制作技术，其各种技术参数如下：
1、透声斜楔的选择
由于TOFD晶片1与普通脉冲反射超声波晶片在探头内的安装角度取决于透声楔的纵波声速，故需要首先确定透声斜楔材料。本实用新型透声楔选用有机玻璃，因为有机玻璃在声波频率5MHz以下衰减系数适宜，而且对于声陷阱内的多次反射能量有足够的吸收作用；此外，有机玻璃与工件的耦合特性好，易于加工。
2、TOFD晶片结构设计及参数选择
在整个复合探头中，TOFD探头晶片位于最前端，这样布置可以使得TOFD检测时探头间距较小，保证较好的检测效果。
为满足宽频带和短脉冲的性能要求，TOFD晶片选用声能/电能的转换效率高、机械品质因数Q值低、分辨力高的压电复合材料。
TOFD晶片的频率及晶片安装角度，应该根据检测对象选择。对于电站中适宜采用TOFD检测的部件一般壁厚在20～50mm左右，为保证较好的深度分辨率及较低的衰减与散射，选择探头所发射声波的频率为5MHZ。根据snell定理及三角函数关系，TOFD晶片的安装角度α应由式（1）确定
αTOFD=sin-1(Cw/CL*sinβTOFD) (1)
式中：αTOFD为TOFD晶片纵波入射角；
Cw为楔形材料的纵波波速，已知；
CL为工件材料的纵波波速，已知；
βTOFD为TOFD声束在工件内的折射角，已知；
为使工件中TOFD声束中心折射角βTOFD在55°左右，αTOFD应选取为41.5°。
由于在TOFD检测中使用的探头为宽声束探头，所以选择了小晶片，晶片尺寸为Φ6。
3、普通脉冲反射超声波晶片结构设计及参数选择
普通脉冲反射超声波晶片选择具有良好的机电耦合系数、压电发射系数、压电接收系数的多晶体压电陶瓷－锆钛酸铅。
根据snell定理及三角函数关系，普通脉冲反射超声波晶片a及普通脉冲反射超声波晶片b在探头内的安装角度α可分别由式（2）及式（3）确定
αa=sin-1(Cw/CT*sinβa) (2)
αb=sin-1(Cw/CT*sinβb) (3)
式中：αa为普通脉冲反射超声波晶片a纵波入射角；
αb为普通脉冲反射超声波晶片b纵波入射角；
Cw为楔形材料的纵波波速，已知；
CT为工件材料的纵波波速，已知；
βa为晶片a所发射声束在工件内的折射角，已知；
βb为晶片b所发射声束在工件内的折射角，已知；
为使晶片a以及晶片b所发射的声波中心声束在工件中折射角分别为38.7°及52.5°，αa及αb应分别选取为32°及42°。
探头晶片尺寸及频率除了对声束指向性、声束半扩散角、近场长度有影响外，对扫查范围和远距离缺陷检出能力也有较大影响。经综合分析，为减小近场长度不利影响，并考虑到声束对焊缝的覆盖范围、缺陷定位及定量精度，宜选用较小晶片尺寸探头；同时选用较小晶片探头也有利于减小耦合损失，提高耦合效果。由于方形晶片与园形晶片相比，增加了靠近工件部分的发射强度，可明显提高灵敏度，故探头晶片形状采用方形。综合考虑上述因素，根据检验部件壁厚在20～50mm，选择频率为5MHZ的6×6方形晶片尺寸探头。
4、晶片间距离的确定
TOFD晶片、普通脉冲反射超声波晶片a以及普通脉冲反射超声波晶片b之间的距离，应该根据检测对象的厚度选择，同时又要保证后方晶片所发射的声波不会被前方晶片遮挡。一般情况下，TOFD检测应使用2/3T法则确定探头间距PCS，普通脉冲反射超声波晶片a以及普通脉冲反射超声波晶片b的布置应根据TOFD晶片的PCS来确定。普通脉冲反射超声波晶片a与TOFD晶片间距离Xa、普通脉冲反射超声波晶片b与普通脉冲反射超声波晶片a间距离Xb以及两探头TOFD晶片的PCS根据声束中心传播路径的几何关系（如图3）大致可由式（4）～式（6）确定。
PCS=2*(2/3)*T*tanβTOFD≈2*T (4)
Xa=1.3*T-0.5*PCS≈0.3T (5)
Xb=1.6*T-1.3*T=0.3T=Xa (6)
式中：T为工件厚度，已知；
PCS为两TOFD晶片中心间距；
Xa为普通脉冲反射超声波晶片a与TOFD晶片中心间距Xa；
Xb为普通脉冲反射超声波晶片a与普通脉冲反射超声波晶片b中心间距Xa；
综合上述，根据电站中适宜采用TOFD检测的部件一般壁厚在20～50mm左右，根据不同壁厚设计晶片中心间距分别为8mm、11mm、14mm三种探头，分别用于检测壁厚为20~30mm、30~40mm、40~50mm的工件。
5、阻尼块的选择应从两个方面考虑，一是它的声阻抗必须较大，以便产生较大的阻尼作用；二是要求它有较强的吸声作用，尽可能吸收掉晶片向后发射的声波。为此选择吸收能力高的高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层作为阻尼与吸收材料。
Claims (2)
1.一种用于对工件焊缝进行探伤的复合探头，其特征在于：其包括一个长方形的外壳（7），在外壳（7）的中间部位设有有机玻璃楔块（5），在所述有机玻璃楔块（5）的外围、且位于外壳（7）内设有阻尼块（6），所述有机玻璃楔块（5）上从其右端到左端依次嵌设有倾斜的TOFD晶片（1）、普通脉冲反射超声波晶片a（2）以及普通脉冲反射超声波晶片b（3），所述外壳（7）的左端设有用于与压电晶体片连接的电源线及电源线接口（4）。
2.根据权利要求1所述的一种用于对工件焊缝进行探伤的复合探头，其特征是：所述TOFD晶片（1）的纵波入射角为αTOFD为41.5°，所述普通脉冲反射超声波晶片a（2）的纵波入射角为αa为32°，所述普通脉冲反射超声波晶片b（3）的纵波入射角αb为42°。
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