一種多晶體超聲探頭的設(shè)計(jì)與分析

采用傳統(tǒng)超聲檢測(cè)法進(jìn)行確認(rèn)，通常會(huì)出現(xiàn)誤差和誤差。為解決該類問題,對(duì)該結(jié)構(gòu)件的超聲探傷方法進(jìn)行了研究。由于該部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工及探頭接觸面為弧狀等因素,加大了對(duì)超聲探頭技術(shù)性能的要求。為減少探頭入射聲束在工件中的變化,集中聲束的指向性,提高該部件超聲探傷的質(zhì)量,研制了一種多晶片超聲探頭,以提高該部件超聲探傷的可靠性。1多晶超聲檢測(cè)的背景1.1活塞桿探傷區(qū)局部剖面圖前起落架緩沖支柱活塞桿結(jié)構(gòu)見圖1所示,材料30CrMnSiA鋼,探傷部位是內(nèi)壁焊縫,活塞桿下根部至145mm處。圖2是前起落架緩沖支柱活塞桿探傷區(qū)的局部縱向剖面圖(按五倍放大),C2處是裂紋區(qū),各相關(guān)尺寸是從解剖件上測(cè)繪出來的?；钊麠U內(nèi)筒直徑為50mm,外表面鍍鉻。1.2探傷面為曲面的條件根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和裂紋部位等情況,選用便攜式超聲波探傷儀和常規(guī)橫波探頭,在對(duì)該部件的探傷中,常有誤判或漏檢的情況發(fā)生。為避免發(fā)生該類問題,提高該部件超聲探傷的可靠性,對(duì)采用的超聲探傷方法進(jìn)行了分析研究。在該部件的探傷試驗(yàn)中,考慮到探傷面為曲面,為使探頭和探傷面接觸穩(wěn)定,保持一定的接觸狀態(tài),將探頭與探傷面接觸的楔塊表面加工成相吻合的曲面。此狀態(tài)雖能保持探頭在探傷面上平穩(wěn)移動(dòng),并能以一定的入射角入射到被檢部件中,但對(duì)于管徑較小的被檢部件,即使在超聲波束范圍內(nèi),入射角也隨著位置而發(fā)生變化,因而有時(shí)在管內(nèi)發(fā)生妨礙探傷的振動(dòng)。該振動(dòng)是影響探傷結(jié)果,造成誤判或漏檢的主要原因。根據(jù)上述分析,在該類部件的探傷中,使探頭在小管徑探傷面上移動(dòng)時(shí)保持入射角不隨位置發(fā)生變化,是解決上述問題,提高探傷質(zhì)量的主要方法。由此研制了如圖3所示的多晶超聲探頭,該探頭采用幾個(gè)長方形晶片并列在斜楔上,使其在接觸塊內(nèi)產(chǎn)生的超聲波束在探傷面上的入射角保持一定,避免在探頭移動(dòng)中入射角隨位置的變化影響探傷結(jié)果的可靠性。2多晶超聲檢測(cè)的設(shè)計(jì)2.1超聲探傷件聲束的變化根據(jù)該部件探傷區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),該探頭的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為,①由于部件外徑為?50mm,壁厚3.3mm,壁厚與外徑之比為0.066。根據(jù)管材探傷的特點(diǎn),壁厚與外徑比<0.20時(shí),可在管中采用橫波進(jìn)行探傷。從外表面掃查內(nèi)表面C2處垂直于管徑的徑向裂紋,橫波從O點(diǎn)入射后除裂紋能反射外,要求R右邊的弧形面不產(chǎn)生回波。②埋深較淺的裂紋需增大檢出能力。對(duì)于管徑在50mm以下的圓筒狀零件,一是由于管材表面彎曲,探頭接觸耦合不佳;二是由于聲束在管壁內(nèi)的能量擴(kuò)散嚴(yán)重;三是探頭在小管徑上移動(dòng)時(shí)入射角隨位置的變化發(fā)生妨礙探傷的振動(dòng),影響探傷結(jié)果。為此,設(shè)計(jì)多晶體超聲探頭的目的是增強(qiáng)超聲反射能量,以減小由于小口徑管具有較大曲率而引起的聲能擴(kuò)散。更重要的是可保證探頭入射角在超聲波束范圍內(nèi)不隨位置發(fā)生變化。對(duì)垂直于管徑的徑向缺陷(圖2),采用聲波波束與管軸在同一平面的斜入射方式。對(duì)于這種管徑較小的探傷件,聲能擴(kuò)散也較為嚴(yán)重。再者,聲波在管壁中傳播不象在板中傳播那樣有固定的底面入射角,管子中的折射聲束對(duì)內(nèi)表面的入射角是隨壁厚的改變而改變的,當(dāng)壁厚和管徑之比增大到某一定值后,折射聲束不再與管內(nèi)壁相遇。所以,對(duì)已知管材的探傷,首先應(yīng)選擇好管中的折射角。2.2接頭折射角和入射角的確定在探頭的結(jié)構(gòu)確定后,應(yīng)首先選擇探頭入射角α。圖2中O為聲入射點(diǎn),探傷區(qū)壁厚3.3mm,非裂紋區(qū)壁厚6mm,中間隔斷寬度5.2mm。由于tg∠RC2C1=RC1C2C1=2.714=0.193∠RC2C1=RC1C2C1=2.714=0.193,所以∠RC2C1=10.92°。那么中間隔斷層弧面不產(chǎn)生回波,要求的橫波探頭折射角β=90°-10.92°=79.08°。選用角架為有機(jī)玻璃,對(duì)高強(qiáng)度鋼的部件材料,由折射角β得出入射角α=56°。并選擇晶片尺寸為8mm×6mm,頻率為2.5MHz。探頭總體結(jié)構(gòu)采用密封式。探頭內(nèi)部反射雜波由鎢粉和環(huán)氧樹脂組成的吸收塊將其吸收掉,同時(shí)對(duì)晶體諧振起阻尼作用。該探頭的關(guān)鍵在角架設(shè)計(jì)。除保證入射角α的設(shè)計(jì)要求外,還要有合理的構(gòu)形,使三個(gè)晶體的入射聲程相等,在角架內(nèi)的反射波聲程也盡量接近,并便于消失。圖3是楔塊的構(gòu)形立體圖。3參數(shù)3.1近場(chǎng)極限距離橫波聲場(chǎng)計(jì)算目前尚不成熟,現(xiàn)根據(jù)某些文獻(xiàn),估算近場(chǎng)極限距離XOA。引入晶片的實(shí)際測(cè)量尺寸2g=2acosβcosα2g=2acosβcosα、晶片的視在位置L2=L1tanαtanβL2=L1tanαtanβ(式中2a為晶片尺寸,L1為晶片中心至入射點(diǎn)距離),得近場(chǎng)極限距離為XOA=X0?[L2]VsVltanαtanβ(1)XΟA=X0-[L2]VsVltanαtanβ(1)式中X0——中心軸的聲壓最后峰值距晶片面距離;[L2]——實(shí)際測(cè)量值;Vs——材料中橫波聲速;Vl——角架縱波聲速。當(dāng)晶片半寬度為b時(shí),參照并分析Freedman求解的結(jié)果,得X0=0.95b2λ(2)X0=0.95b2λ(2)式中λ為頻率2.5MHz時(shí)的波長。因?yàn)樘筋^晶片尺寸為8mm×6mm,頻率為2.5MHz,測(cè)得[L2]=5.9mm。將以上參數(shù)連同式(2)代入式(1)得XOA=4.6mm。3.2縱向指向特性m橫波探頭的指向性在理論上嚴(yán)格考慮非常困難(因與楔塊關(guān))。當(dāng)引入晶片的實(shí)際測(cè)量尺寸后,將入射點(diǎn)當(dāng)作原點(diǎn),并設(shè)DA為斜入射的透過率后,則可以大致求出縱向指向特性。DA=sin(Kgsinδ)Kgsinδ(3)DA=sin(Κgsinδ)Κgsinδ(3)式中K=2πλΚ=2πλ;g——晶片實(shí)際測(cè)量尺寸;δ——縱向指向角。當(dāng)取反射波高為6dB時(shí),將該探頭已知參數(shù)代入式(3)整理后可得δ=29.5°。3.3活塞桿探傷區(qū)壁厚實(shí)際探傷中,按橫波探傷幾何學(xué)標(biāo)定儀器。該探頭K=5.18,活塞桿探傷區(qū)壁厚為3.3mm,經(jīng)計(jì)算直通波到裂紋的聲程R=16.8mm,0.5跨距L=16.5mm。4應(yīng)用效果和結(jié)論4.1超聲探傷試驗(yàn)在探頭制作完成后,對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)際探傷應(yīng)用。利用該型飛機(jī)起落架活塞桿,在裂紋部位制作了1,1.5和2mm等不同缺陷深度的標(biāo)準(zhǔn)試件。使用KK30型超聲波探傷儀,在其標(biāo)準(zhǔn)試件上使用制作的多晶體超聲探頭進(jìn)行探傷,操作標(biāo)定儀器簡便、分辨力高、波形顯示清晰,能得到滿意的探傷效果(圖4)。利用制作的多晶體超聲探頭在飛機(jī)維修廠和航空兵部隊(duì)進(jìn)行了原位探傷應(yīng)用。先后檢查起落架活塞桿20余架次,發(fā)現(xiàn)裂紋一條,解剖后用磁粉檢測(cè)驗(yàn)證,裂紋長1.5mm左右。4.2探傷區(qū)的檢查(1)該探頭使橫波與表面波在活塞桿中共存。對(duì)于較淺的裂紋(埋藏深度小于一個(gè)波長時(shí)),有用成分主要是橫波;對(duì)于嚴(yán)重的裂紋,兩種波型共同作用。但要注意探頭前沿探傷區(qū)內(nèi)不能有耦合劑。(2)該探頭無內(nèi)部中間隔斷層弧面反射波,因此掃查時(shí)易于判別缺陷。但要監(jiān)視儀器靈敏度,注意觀察始波情況。(3)探頭的近場(chǎng)極限是4.6mm,指向角