探伤仪器设备

4.2　探伤仪器设备

无损探伤的方法很多，不管采用什么方法，都离不开仪器设备。仪器设备是探伤的关键。下面主要介绍一种超声波探伤的仪器设备。

超声波探伤的主要设备包括超声波探伤仪、探头和试块三部分。只有了解这些设备的原理、构造、性能特点和作用及其使用方法，才能正确选择和使用探伤设备，进行有效探伤。

4.2.1　超声波探伤仪

4.2.1.1　超声波探伤仪的主要作用

超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它的作用是产生电振荡并加于探头上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定的方式显示出来，从而得到被探结构内部有否缺陷及缺陷位置、大小等信息。

4.2.1.2　探伤仪的分类

根据探测的对象、目的、场合和速度等方面的不同要求，各研究单位、厂家设计生产了种类繁多的超声波探伤仪。常见的分类方法如下。

(1)按发射波的连续性分为脉冲波探伤仪、连续波探伤仪、调频式探伤仪等。其中脉冲波探伤仪是目前应用最为广泛的探伤仪，它根据超身波的传播时间和幅度判断结构构件内部缺陷的位置和大小。连续波探伤仪灵敏度低、不能进行缺陷定位。调频式探伤仪能检测与检测面平行的缺陷，很多场合下也已被脉冲探伤仪所代替。

(2)按缺陷显示方式分为A型显示探伤仪、B型显示探伤仪、C型显示探伤仪。三种显示方式各有特点，其中A型显示探伤仪是一种波形显示仪，显示屏的横坐标代表超声波的传播时间(距离)，纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷位置，用反射波的幅度估算缺陷的大小;B型显示探伤仪可以直观地显示被测构件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度;C型显示探伤仪可显示被探构件内部缺陷的平面图像，但不能显示缺陷的深度。在水工金属结构的探伤中，使用较多的是A型显示探伤仪。

(3)按声通道分为单通道探伤仪和多通道探伤仪。其中单通道探伤仪由一个或一对探头单独工作，是目前超声波探伤中应用最广泛的仪器。

(4)按设计电路分为模拟式探伤仪和数字式探伤仪。目前数字式探伤仪的应用较广，有取代模拟式探伤仪的趋势。

目前探伤中广泛使用的超声波探伤仪均是A型显示脉冲反射式探伤仪。如CST—26、HS510和泛美2300等。下面对A型显示脉冲反射式探伤仪的工作原理、特点等予以介绍。

4.2.2　A型显示脉冲反射探伤仪

探伤仪的工作原理及特点如下。

4.2.2.1　仪器的电路方框图及其工作原理

1.仪器的电路方框图

模拟式脉冲反射式超声波探伤仪由同步电路、发射电路、接收电路、扫描电路和电源等部分组成。各部分之间的相互联系如图4-1所示。

图4-1　A型脉冲反射式超声波探伤仪电路方框图

2.仪器的工作原理

如图4-1所示，同步电路产生周期性的同步脉冲信号，同步脉冲的作用是控制脉冲电路、时基电路等步调一致地工作。稍加延迟后的同步信号反馈至发射电路立刻产生一个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的电脉冲——发射脉冲。发射脉冲加到探头上，激励探头产生脉冲超声波，超声波透过耦合剂射入被探测的构件。在构件内传播的超声波遇到构件界面或缺陷时，即产生反射。反射波经探头接收后转变成电脉冲，电脉冲经放大器放大(检波)后送至示波管y轴进行显示。另一方面，当同步脉冲反馈至时基电路时，时基电路立刻产生一个线性较好的锯齿波，锯齿波加到示波管x偏转板上，则产生一个从左至右的水平扫描线，即时基线。扫描光电的位移与时间成正比。因此从示波管荧光屏上反射波信号的位置，即可确定超声波传播至构件底面或缺陷处的距离。荧光屏上显示的波高与探头接收到的超声波成正比，故可根据反射波波高对缺陷进行定量分析。

4.2.2.2　仪器的特点

脉冲反射式超声波探伤仪与其他超声波探伤仪相比有如下一些突出的优点:

(1)在被检工件的一个探伤面上，用单探头脉冲反射法即可进行探伤。这对于诸如容器、管道等一些很难在双面上放置探头进行探伤的场合，更显示出其优越性。

(2)用脉冲反射法可以准确地确定缺陷的深度。

(3)灵敏度远比其他方法高。例如，使用连续波穿透法探伤时，如果缺陷反射的超声能量为5%，那么接收到的超声能量将从100%(无缺陷时)下降到95%。作为引起接收能量有5%的缺陷已经不小了，但指示仅改变5%。这样小的指示变化往往比耦合状况差异等引起的变化还要小。但对于脉冲反射法来说，接收能量是5%与零(完全没有反射)之差。所以这种方法的灵敏度非常高，从而能较容易地测出小缺陷。

(4)可以同时探测到不同深度的多个缺陷，分别对它们进行定位、定量和定性。

(5)适用范围广。用一台探伤仪可进行纵波、横波、表面波、板波探伤，而且适用于探测很多种工件;不仅可用于探伤，还可以用于测厚、测声速和测衰减速等。

4.2.2.3　HS510数字式超声波探伤仪简介

该仪器是武汉中科院物理所研发的，它是便携式、小型的无损探伤设备。显示器采用场致发光管显示屏，其优点是高对比度、高分辨率，显示无线形误差。配以电子刻度，读数精确，无视差，并具有超长的电池工作时间(大于7h)。全部操作通过密封性能良好的接触式键盘，以人机对话的方式实施。键盘上的符号多采用国际标识，显示画面的主功能菜单、状态、参数项及提示全为中文显示，使用起来一目了然。

4.2.3　超声波探头

探头作为超声波振动和电振荡之间的电声转换器，是超声波探伤仪的重要组成部分。超声波探头的种类很多，按波形可以分为纵波探头(直探头)、横波探头(斜探头)、表面波探头及板波探头;按耦合方式可以分为接触式探头和液(水)浸探头;按波束可以分为聚焦探头和非聚焦探头;按晶片数不同可分为单晶探头和双晶探头等。此外，还有高温探头、微型探头等特殊用途探头。这里只介绍几种常用探头。

4.2.3.1　直探头(纵波探头)

直探头就是当探头接触被检查物体时，在与探头的接触面垂直的方向上发射和接收纵波的探头。直探头一般用于探测与被测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等，也可用于测厚。

直探头的结构如图4-2(a)所示，主要由压电晶片、保护膜、吸收块、电缆接头和外壳组成。

图4-2　常用探头的结构

压电晶片的作用是发射和接收超声波，实现声能转换。

保护膜的作用是保护压电晶片不致磨损和损坏。保护膜分为硬、软保护膜两类。硬保护膜用于表面光洁度较高的工件探伤和测厚。软保护膜用于表面光洁度较低的工件探伤和测厚。当保护膜的厚度为λ₂/4(λ₂为保护膜中超声波的波长)的奇数倍，且保护膜的声阻抗Z₂为晶片声阻抗Z₁和工件声阻抗Z₃的几何平均值(Z₂=)时，超声波全投射。

吸收块紧贴压电晶片，对压电晶片的振动起阻尼作用，所以又叫阻尼块。阻尼块的作用是:

(1)使晶片起振后尽快停下来，从而使脉冲宽度变窄，分辨率提高。

(2)吸收晶片背面的杂波，提高信噪比。

(3)支撑晶片。

吸收块常用环氧树脂加钨粉制成，其声阻抗尽可能接近压电晶片的声阻抗。

外壳的作用是将各组成部分组合在一起，并保护之。

4.2.3.2　斜探头(横波探头)

斜探头是将用于探伤的超声波倾斜地射入被检物体的探伤面并且接收由该方向反射回来的声波的探头，可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头。

横波斜探头利用横波探伤，主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤、汽轮机叶轮探伤等。

横波斜探头的结构如图4-2(b)所示，横波斜探头实际上是由直探头加透声斜楔组成的。由于晶片不直接与工件接触，因此斜探头没有保护膜。

透声斜楔的作用是实现波形转换，使被探工件中只存在折射横波。要求透声斜楔具有如下性能:①其中的纵波声速必须小于工件中的纵波声速;②衰减系数适当，且耐磨、易加工。为减少杂波，可在斜楔前面开槽，或将做成牛角形，使反射波进入牛角出不来。

横波探头的标称方式有3种:①以纵波入射角α_L来标称，常用α_L= 30°、40°、45°等，如前苏联;②以横波折射角β_S来标称，常用β_S= 40°、45°、60°、70°等，如西方国家和日本;③以K= tanβ_S来标称，常用K= 0.8、1.0、1.5、2.0、2.5等，我国目前基本上采用这种标称方式。使用模拟式仪器探伤，可使缺陷定位计算大为简化。

K值与α_L、β_S的换算关系见表4-1。此表只适用于有机玻璃/钢界面。

国产横波斜探头上常标有工作频率、晶片尺寸和K值。

K值探头的入射角α_L可按下式计算:

表4-1　常用K值与α_L、β_S的换算表(有机玻璃/钢界面)

式中:C_L1——斜楔中的纵波声速;

C_S2——工件中的横波声速;

K——探头的K值，K= tanβ_S。

4.2.3.3　探头型号的表示方法

探头型号的表示方法如下:

基本频率:用阿拉伯数字表示，单位为MHz。

晶片材料:用化学元素符号表示。

晶片尺寸:用阿拉伯数字表示，单位为mm。其中圆晶片用直径表示;方晶片用长×宽表示。

探头种类:用汉语拼音缩写字母表示，直探头也可不标出。

探头特征:斜探头K值(钢中折射角)用阿拉伯数字表示。

例如:5P6×6K2.5表示频率为5MHz、压电晶片材料为P(镐钛酸铅陶瓷)、晶片形状为矩形(尺寸为6mm×6mm)的斜探头，其K值为2.5。

4.2.4　试块

按一定设计制作的具有简单几何形状反射体的试样，通常称为试块。试块和仪器、探头一样，都是超声波探伤中的重要工具。

试块的作用有:确定探伤灵敏度、测试仪器和探头的性能、调整扫描速度和评判缺陷大小。

国内外无损检测界根据不同的应用目的设计和制作了大量的试块。这些有国际组织推荐的，有国家和部颁标准规定的，也有行业和厂家自行规定的。下面介绍焊缝探伤常用试块。

4.2.4.1　CSK-1A型试块

CSK-1A型试块的结构和主要尺寸如图4-3所示。

图4-3　CSK-1A型试块

CSK-1A型试块的主要用途有:

(1)调整纵波探测范围和扫描速度:利用厚度25和高度100调。

(2)测试仪器的水平线性垂直线性和动态范围:利用厚度25和高度100调。

(3)测试直探头和仪器的分辨力:利用试块上85、91和100调。

(4)测试斜探头的入射点:利用试块上R100圆弧测。

(5)测试斜探头的K值(折射角):利用试块上φ50和φ1.5孔测。

(6)测试斜探头和仪器的分辨力:利用试块上台阶孔φ50、φ44和φ40测;

(7)调整横波探测范围和扫描速度:利用试块上φ100和φ50圆弧调;

CSK-1A型试块的材质要求:20号钢，正火处理晶粒度7～8级。

4.2.4.2　半圆试块

半圆试块是目前广泛使用的一种试块，其特点是加工方便，便于携带。其结构和主要尺寸如图4-4所示。试块圆弧部分切去一块是为了放置平稳。

图4-4　半圆试块

半圆试块的主要用途有:

(1)调整纵波探测范围和扫描速度:利用厚度20调;

(2)测试仪器的水平线性垂直线性和动态范围:利用厚度20调;

(3)测试斜探头的入射点:利用试块上φ50圆弧测;

(4)调整灵敏度:利用试块上φ50圆弧调;

(5)调整横波探测范围和扫描速度:利用试块上φ50圆弧调。

半圆试块的材质要求:20号钢，正火处理晶粒度7～8级。

4.2.4.3　RB试块

RB试块是钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果标准GB11345-89规定的试块。其结构和主要尺寸如图4-5所示。

RB试块的主要用途有:

(1)制作横波距离-波幅曲线。

(2)测试斜探头的K值和探头前沿。

(3)调整灵敏度。

(4)调整横波扫描速度。

RB试块的材质要求与被探工件相同或相似。

图4-5　RB试快