超聲檢測探頭的分類、作用及選用

隨著新技術的不斷出現和檢測設備的不斷更新，超聲波檢測技術是目前無損檢測技術中發展最快、應用最廣泛的方法之一，在無損檢測技術中占有非常重要的地位。

在檢測過程中，除了超聲檢測儀器，發射和接收超聲波的探頭也起著非常重要的作用，所以，探頭性能的好壞以及探傷過程中對探頭的選取是否得當，將直接影響到探傷結果的準確性和可靠性。

下文重點講述壓電型超聲探頭的分類、作用和選用原則。

超聲波探傷中由于被探工件的形狀、材質、探傷目的、探傷條件不同，因而需使用不同形式的探頭。

超聲波探頭按不同的歸納方式可以進行不同的分類，一般有以下幾種。

1)按被探工件中產生的波型，可分為縱波探頭、橫波探頭、板波(蘭姆波)探頭、爬波探頭和表面波探頭。

2)按按入射聲束方向，可分為直探頭和斜探頭。

3)按照探頭與被探工件表面的耦合方式，可分為接觸式探頭和液浸式探頭。

4)按照探頭中壓電晶片的材料，可分為普通壓電晶片探頭和復合壓電晶片探頭。

5)按照探頭中壓電晶片的數目，可分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭。

6)按照超聲波聲束的聚焦否可，分為聚焦探頭和非聚焦探頭。

7)按超聲波頻譜，可分為寬頻帶和窄頻帶探頭。

8)按匹配檢測工件的曲率，可分為平面探頭和曲面探頭。

9)特殊探頭，除一般探頭外，還有一些在特殊條件下和用于特殊目的的探頭。

1）縱波探頭通常稱為直探頭，主要用于檢測與檢測面平行的缺陷，如板材、鑄、鍛件檢測等。

2）橫波斜探頭是利用橫波檢測，是入射角在第一臨界角與第二臨界角之間且折射波為純橫波的探頭，主要用于檢測與檢測面垂直或成一定角度的缺陷，廣泛用于焊縫、管材、鍛件的檢測。

3）縱波斜探頭是入射角小于第一臨界角的探頭。目的是利用小角度的縱波進行缺陷檢驗，或在橫波衰減過大的情況下，利用縱波穿透能力強的特點進行縱波斜入射檢驗，使用時需注意試件中同時存在橫波的干擾。

4）爬波探頭，由于一次爬波的角度在75o～83o之間，幾乎垂直于被檢工件的厚度方向，與工件中垂直方向的裂紋接近成90o。

因此，對于垂直性裂紋有較好的檢測靈敏度，且對工件表面的粗糙度要求不高，適用于表面、近表面的裂紋檢測。

5）表面波（瑞利波）探頭入射角需在產生瑞利波的臨界角附近，通常比第二臨界角略大。由于表面波的能量集中于表面下2個波長之內，檢查表面裂紋靈敏度極高，主要對表面或近表面缺陷進行檢驗。

6）雙晶探頭。雙晶探頭有兩塊壓電晶片，一塊用于發射超聲波，另一塊用于接收超聲波，根據入射角αL的不同，分為縱波雙晶直探頭和橫波雙晶斜探頭。

雙晶探頭具有以下優點：靈敏度高、雜波少盲區小、工件中近場區長度小、檢測范圍可調，雙晶探頭主要用于檢測近表面缺陷。

超聲波探頭的類型很多，性能各異，因此根據超聲波探傷對象的形狀、對超聲波的衰減和技術要求，合理選用探頭是保證探傷結果正確可靠的基礎。

對超聲波探頭的選擇主要體現在：探頭型式、探頭頻率、探頭晶片尺寸和探頭角度等。

3.1 探頭型式

一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的形式，盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直。具體可參考上述常見典型探頭作用部分。

3.2 探頭頻率

超聲波探傷頻率在0．5一15MHz之間，選擇范圍較大。一般選擇頻率時應考慮以下幾個因素：

1)由于超聲波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為二分之一波長。在同一材料內超聲波波速是一定的，因此提高頻率，超聲波波長變短，探傷靈敏度提高，有利于發現更小的缺陷。

2)頻率高，脈沖寬度小，分辨率高，有利于區分相鄰缺陷，分辨力提高。

3)由擴散公式可知，頻率高，超聲波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，超聲波能量集中，有利于發現缺陷并對缺陷定位，定量精度高。

4)由近場區長度公式可知，頻率高，超聲波長短，近場區長度大，對探傷不利。

5)由衰減、吸收公式可知，超聲波的衰減隨超聲波頻率、介質晶粒度增加而急劇增加。

通過上面分析可知超聲波探傷時頻率的影響較大，頻率高，探傷靈敏度和分辨率高，波束指向性好，對探傷有利。

但是頻率高，近場區長，介質衰減大，對探傷不利，所以在選擇探頭頻率時，應綜合考慮，全面分析各方面因素，合理選取。

一般說來，在滿足探傷靈敏度要求的前提下，盡可能選取頻率較低的探頭；

對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較高頻率的探頭，常用2.5—5.0MHz。

對于晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等工件，宜選用軟低頻率的探頭，常用0.5～2.5MHz，否則若選用頻率過高，就會引起超聲波能量嚴重衰減。

3.3 探頭晶片尺寸

探頭晶片的形狀一般為圓形和方形，探頭的晶片尺寸對超聲波探傷結果有一定影響，選擇時主要考慮以下因素：

1)半擴散角，由擴散角公式可知，晶片尺寸增加，半擴散角減小，波束指向性好，超聲波能量集中，對探傷有利。

2)探傷近場區。由近場區長度公式可知，晶片尺寸增加，近場區長度增大，對探傷不利。

3)晶片尺寸大，輻射的超聲波能量強，探頭未擴散區掃查范圍大，發現遠距離缺陷能力增強。

在探傷面積范圍大的工件時，為提高探傷效率，宜選用大晶片探頭；探傷厚度大的工件時，為了有效地發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭；對小型工件，為了提高缺陷的定位定量精度，宜選用小晶片探頭；對表面不太平整、曲率較大的工工件，為了減少耦合損失，宜選用小晶片探頭。

3.4角度

在檢測中應盡量使超聲波聲束軸線與缺陷垂直，因此角度的選擇根據檢測對象中可能存在的缺陷類型、位置和工件允許的探傷條件，利用反射、折射定律以及相關幾何知識，選擇合適角度的探頭。

以在橫波檢測中，探頭的K值為例，折射角對檢測靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點至底面反射點的距離）有較大影響。

對于用有機玻璃斜探頭檢測鋼制工件，β=40°（K=0.84）左右時，聲壓往復透射率最高，即檢測靈敏度最高。

由此可知，K值大，β值大，一次波的聲程大。因此在實際檢測中，當工件厚度較小時，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區檢測。

當工件厚度較大時，應選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減，便于發現深度較大處的缺陷。

在焊縫檢測中，還要保證主聲束能掃查整個焊縫截面。

對于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問題，應使K=0.7～1.5，因為K<0.7或K>1.5，端角反射率很低，容易引起漏檢。