CN109387571A - 一种多晶片多角度超声横波斜探头及其超声波探伤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶片多角度超声横波斜探头及其超声波探伤方法,用于接入超声波设备并发出超声波从而对工件焊缝进行探伤，包括探头楔块，所述探头楔块可通过耦合剂耦合于工件表面；数个压电晶片，所述数个压电晶片设置于所述探头楔块上，其中，每个压电晶片于探头楔块上的倾斜角度均不相同；当压电晶片受激发时，压电晶片产生的超声波声束于工件中的入射角度为0°～90°从而实现对工件焊缝的全面覆盖。通过上述的方案能够实现探头放置在固定位置就可在被检对象或焊缝厚度方向上接近全面覆盖扫查。

Description

一种多晶片多角度超声横波斜探头及其超声波探伤方法

技术领域

本发明涉及一种超声波探伤领域，更具体地说，它涉及一种多晶片多角度超声横波斜探头及其超声波探伤方法。

背景技术

在各种工业无损检测技术方法中，超声波是一种非常有效的检测方法，它具有穿透能力强、定位准确和灵敏度高等优点，超声波能够实现对金属，特别是焊缝内部缺陷尺寸和深度位置的精确测量，尤其对焊缝内部裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔等缺陷比较敏感，因而这种方式在无损检测领域得到了非常广泛的应用。

超声检测的实施要素主要包括专业技术人员、检测设备与器材、检测技术方法和工作空间环境等，在这些要素中检测设备与器材起着决定性的作用，主要包括超声波检测仪、超横波探头、对比试块和机械扫查装置等，特别是超声波探头（超声波换能器），它将电能转换成高频的机械振动，发射超声波进入被检测工件中。因此，超声波探头的结构与性能是超声波检测的基础，对超声波无损检测技术起着至关重要的作用。

超声波探头根据不同的用途分为许多种类，有纵波直探头、纵波斜探头、横波斜探头、表面波探头、爬坡探头等等。其中纵波直探头和横波斜探头在工作检测中最为常见。

超声波斜探头的机构一般由吸声材料、阻尼块、外壳、接插头、电缆线以及用于产生超声波的压电晶片等原件组成。超声波探头的基本工作原理是超声波仪器电路产生的电脉冲波作用到具有压电效应的压电晶片上，使得压电晶片产生逆压电效，压电晶片发生轴线方向和垂直轴线方向的径向振动。压电晶片径向振动产生杂波被吸声材料吸收，而轴向振动产生的超声波声速才是有用的声束才是有用的声束。压电晶片振动方向即为超声波质点振动方向，质点振动方向与超声波声束传输方向相同，则可推断出压电晶片轴向振动产生的有用声束为纵波声束，斜楔块的超声波声速为有机玻璃的纵波声束。当晶片接收到一个电脉冲完成一次逆压电效应，将被固定在晶片上的阻尼块阻止余震，减少超声波余波。

现有的可参考授权公众号为CN201653984U的中国发明文件，其公开了一种自动连续变角超声波探头，包括微型马达和可变角探头，微型马达固定在可变角探头上部 ；微型马达上设有曲柄，可变角探头的可转动晶片处固定有摆杆，曲柄和摆杆间通过连杆连接。

上述发明用于钢板对接焊缝探伤时，能在微型马达驱动下连续改变探头超声波入射角，使探头在焊缝边一个合适的位置不动，便能完成对该位置所对应焊缝截面的扫查，然后沿该焊缝适合的位置直线移动探头，便可完成对整条焊缝所有截面的扫查。

该发明通过曲柄和摆杆之间的连杆连接实现压电晶片的连续转动，但是，在实际使用中由于晶片的转动角度时刻在变化，且其中包含较多无效的角度，其探头直线移动时会出现部分位置恰好处在无效角度，产生漏检的现象。

另外，常规的单晶片K值固定的超声横波斜探头检测角度单一、检测范围较小，为了能够有效的对缺陷进行探测，检测人员需要手持探头按照规定沿焊边在探头移动区域做匀速的锯齿形运动，这样的锯齿形扫查方式使得探头磨损量相当大，且在检测过程中，由于探头磨损致使角度发生变化，还需要经常校验灵敏度，以防止缺陷漏检，采用常规探头进行探检，探伤质量较差而且探伤效率较低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多晶片多角度超声横波斜探头，实现探头放置在固定位置就可在被检对象或焊缝厚度方向上接近全面覆盖扫查。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种多晶片多角度超声横波斜探头,用于接入超声波设备并发出超声波从而对工件焊缝进行探伤，包括探头楔块，所述探头楔块可耦合于工件表面；数个压电晶片，所述数个压电晶片设置于所述探头楔块上，其中，每个压电晶片于探头楔块上的倾斜角度均不相同；当压电晶片受激发时，压电晶片产生的超声波声束于工件中的横波折射角度为0°～90°从而实现对工件焊缝的全面覆盖。

通过采用上述技术方案，通过将多个压电晶片按照各自的方式排列在探头楔块上，并且每一个压电晶片的倾斜角度以及超声波入射角度均不相同，这样，每一个压电晶片同时受激发产生超声波声束对工件或者焊缝进行探伤，能够实现将多晶片多角度超声横波斜探头置于一个相对固定的位置或者移动范围很小的区域内即可实现对工件或者焊缝厚度方向的全面覆盖，不必采用传统的锯齿形扫查方式，操作较为简单、探伤效率以及探伤效果较高。

较佳的，所述探头楔块具有一1/4圆弧面，所述数个压电晶片沿该1/4圆弧面依次排列设置。

通过采用上述技术方案，将探头楔块设计呈1/4圆弧形楔块，压电晶片可以按照1/4圆弧依次自然排列设置，方便对压电晶片的固定安装。

较佳的，所述探头楔块沿所述1/4圆弧面开设有若干对应于每个压电晶片倾斜角度的台阶刻槽，所述压电晶片固定于所述台阶刻槽上。

通过采用上述技术方案，在探头楔块上的1/4圆弧面上开设台阶刻槽，方便安装、固定压电晶片。

较佳的，所述压电晶片优选设置有七个，所述压电晶片发射的超声波声束于工件中的横波折射角分别为0°、35°、45°、60°、70°、80°和90°对应于探头楔块中压电晶片的倾斜角度分别为0°、29°、36.7°、47.1°、52.6°、56.4°和90°，所述压电晶片倾斜角度为0°时，压电晶片于探头楔块上水平放置，所述压电晶片发射纵波；倾斜角度为90°时，压电晶片于探头楔块上竖直放置，所述压电晶片发射表面波。

通过采用上述技术方案，压电晶片优选设置7个，并且按照超声波声束在工件或者焊缝中的横波折射角来设计对应的压电晶片角度，使得工件或者焊缝中的超横波声束能够覆盖工件或者焊缝厚度方向，从而实现对缺陷有效的、全面的探测。

较佳的，所述探头楔块通过外壳封装，外壳内其余空间填充有背衬吸声材料。

通过采用上述技术方案，通过设置的背衬吸声材料能够吸收压电晶片背面、探头楔块四周发散的超声波噪声，探头楔块通过外壳封装，能够对内部元件起到固定、保护以及电磁屏蔽作用。

较佳的，每个压电晶片通过电缆线接入至外壳一端的探头接插头并且通过控制开关控制压电晶片的工作状态。

较佳的，所述探头楔块采用有机玻璃制成。

通过采用上述技术方案，探头楔块采用有及玻璃制成，能够实现对超声波声束的波形转换，能够将超声波声束以给定的折射角进入工件并且对工件或者焊缝厚度方向进行全面的声波覆盖以达到有效的、接近全面的缺陷探测。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超声波探伤方法，实现探头放置在固定位置就可在被检对象或焊缝厚度方向上接近全面覆盖扫查。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种超声波探伤方法，其利用多晶片多角度超声横波斜探头检测工件或者工件焊缝，包括如下步骤：步骤1：将多晶片多角度超声横波斜探头连接超声波设备；步骤2：将所述多晶片多角度超声横波斜探头放置于工件或者工件焊缝的外表面上并根据实际探测区域静置或者移动所述多晶片多角度超声横波斜探头；步骤3：超声波设备提供所述多晶片多角度超声横波斜探头内的压电晶片的激发信号促使压电晶片发射超声波声束对工件或者工件焊缝进行探伤；步骤4：根据超声波设备接收到的来自工件或者工件焊缝的反射回波分析、判断工件或者工件焊缝内部是否有缺陷、缺陷位置以及缺陷严重程度。

通过采用上述技术方案，将多晶片多角度超声横波斜探头放置在一个相对固定的位置或者移动范围较小的区域内可以实现对工件焊缝厚度方向的接近全面覆盖。

较佳的，将多晶片多角度超声横波斜探头放置于工件待测区域表面或者焊缝上方静置，完成对焊缝相应的截面的扫查；将多晶片多角度超声横波斜探头放置于工件待测区域表面或者工件焊缝上方并且沿工件待测区域表面或者工件焊缝进行直线移动，完成对整个工件或者整条工件焊缝进行扫查。

通过采用上述技术方案，传统的超声横波斜探头适用范围较小，使用多晶片多角度超声横波斜探头不需要进行锯齿形扫查，只需要将其放置在一个相对固定的位置或者移动范围较小的区域，通过直线扫查便可以对工件或者焊缝进行接近100%的全面覆盖，适用范围较广，探测效率以及效果较高。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过将多晶片多角度超声横波斜探头不需要进行锯齿形扫查，只需要进行直线扫查方式即可以实现对工件或者工件焊缝在厚度方向上的全面覆盖，减少了探头的磨损，探伤效果较好；

2、探头楔块采用1/4圆弧形楔块，方便对多个压电晶片进行布局，且能够使各个压电晶片产生的超声波声束能够接近完全覆盖工件和工件焊缝厚度方向；

3、通过采用多晶片多角度超声横波斜探头能够对诸如钢结构焊缝等结构形式复杂、检测区域有限的工件具有较好的效果，因为这种工件焊缝并没有足够的检测区域来完成常规探头对其进行的扫查；

4、采用该多晶片多角度超声横波斜探头能够结合TOFD或其他超声技术实现对焊缝高灵敏度、高覆盖率的扫查。

附图说明

图1是一种多晶片多角度超声横波斜探头的整体结构示意图；

图2是一种多晶片多角度超声横波斜探头的A-A向剖面视图；

图3A是一种多晶片多角度超声横波斜探头的左视图；

图3B是一种多晶片多角度超声横波斜探头的俯视图；

图4是一种多晶片多角度超声横波斜探头扫查工件焊缝的示意图；

图5是一种多晶片多角度超声横波斜探头直线扫查整条工件焊缝的示意图；

图6是一种利用多晶片多角度超声横波斜探头的超声波探伤方法流程示意图。

附图标记：1、探头楔块；11、1/4圆弧面；12、台阶刻槽；2、压电晶片；3、外壳；4、背衬吸声材料；5、接插头；6、电缆线；7、阻尼块；71、阻尼外罩；8、多晶片多角度超声横波斜探头；9、工件；10、工件焊缝。

具体实施方式

以下结合附图对本发明新型作进一步详细说明。其中相同或者类似的标号表示相同或者类似的元件或者具有相同或类似功能的元件。下面结合附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明新型，而不能理解为对本发明新型的限制。

在本发明新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明新型的简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置、组件或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明新型的限制。此外，对于术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者多个该特征。在本发明新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或者两个以上。

在本发明新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应该做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体连接，可以是机械连接、也可以是直接相连、也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明新型中的具体含义。

一种多晶片多角度超声横波斜探头，参考图1至图6,包括探头楔块1，探头楔块1上排列有数个压电晶片2，每一个压电晶片2的倾斜角度与受激发产生的超声波声束的入射角度均不相同，工件9中的折射横波声束能够在工件9或工件焊缝10厚度方向上的接近全面覆盖。

具体的，参考图1与图2，探头楔块1为一1/4圆弧形楔块，其采用有机玻璃制成，探头楔块1沿其1/4圆弧面11可以布置7个（根据实际需要可以布置更多数量）倾斜角度不同的压电晶片2，压电晶片2的编号为1～7。

编号1～7的压电晶片2产生的超声波声束在工件9中的横波折射角即超声波声束在工件9中的入射角度分别为0°（发射纵波）、35°、45°、60°、70°、80°和90°（发射表面波），相对应的压电晶片2在探头楔块1的1/4圆弧面11上的倾斜角度分别为0°（水平放置）、29°、36.7°、47.1°、52.6°、56.4°和90°（竖直放置）。

压电晶片2作为整个探头的“心脏”，是探头产生超声波的最关键的元件，本实例中的压电晶片2可以采用石英、压电陶瓷等具有压电效应的材料制作而成。

为了能够稳定的放置压电晶片2，用铣刀在探头楔块1的1/4圆弧面11上分别加工好相对应压电晶片2倾斜角度（0°、29°、36.7°、47.1°、52.6°、56.4°90°）的台阶刻槽12，各个压电晶片2通过嵌合方式、粘接方式固定在各台阶刻槽12中。

在上述实例中，参考图3A，探头楔块1的长度为40mm，宽度为30mm，参考图3B探头楔块1上的7个压电晶片2的宽度均为3mm，长度为30mm。

返回参考图2，整体探头楔块1通过外壳3封装，外壳3起到了对内部元件的支撑固定、保护以及电磁屏蔽等作用，其内部其余空间均采用背衬吸声材料4进行填充，背衬吸声材料4的作用是吸收压电晶片2背面、探头楔块1四周发散的超声波噪声；外壳3的端部安装有接插头5，每个压电晶片2的背部引接有一条电缆线6，用于激发压电晶片2工作、接受信号，各条电缆线6汇聚至接插头5处，探头楔块1的接口处安装控制开关用于控制每个压电晶片2的工作状态。

这里，每个压电晶片2均可以作为一个独立的工作单元进行信号的自发自收，另外，每个压电晶片2可以全部作为发射晶片，同时发射超声波，由另一个纵波直探头或者横波斜探头来接受发射信号，通过外接的超声检测仪对这些发射信号进行分析。

为了能够使压电晶片2在起振后尽快停下来，减少压电晶片2的余震，减小超声波的脉冲宽度，提高超声检测分辨力，每个压电晶片2的背部压合有阻尼块7，阻尼块7四周通过阻尼外罩71固定，阻尼块7还能够吸收压电晶片2向背面发射的超声波，减少始脉冲杂波。

探头接口处采用控制开关或者电子控制均可以实现每个压电晶片2的单独工作或者同时工作的目的，每个压电晶片2单独工作时，为自发自收的工作模式；各个压电晶片2同时工作时，多个压电晶片2可以同时发射信号，由另外一个探头来接受信号的工作模式。

参考图4,，在进行实际的超声波探伤时，分为以下步骤：

步骤1（S1）：将多晶片多角度超声横波斜探头8接入到超声检测仪的插接头上；

步骤2（S2）：将多晶片多角度超声横波斜探头8放置在工件9或者工件焊缝10的检测区域表面上；

步骤3（S3）：开启超声检测仪并向多晶片多角度超声横波斜探头8内的压电晶片2提供激发信号，压电晶片2产生逆压电效产生超声波，多个压电晶片2产生的多条超声波声束经过由有机玻璃制成的探头楔块1在于工件9的接触界面发生波形转换，最后进入工件9中对工件9或者工件焊缝10厚度方向进行接近100%覆盖的探伤。

其中，在探测过程中，参考图4，如果对工件9或者工件焊缝10进行单点扫查，只需要将多晶片多角度超声横波斜探头8放置于工件9待测区域表面或者工件焊缝10上方静置，便可以完成对工件焊缝10相应的截面的扫查，参考图5，如果需要对工件9或者工件焊缝10整条进行扫查，可以将多晶片多角度超声横波斜探头8放置于工件9待测区域表面或者工件焊缝10上方并且沿工件9待测区域表面或者工件焊缝10进行直线移动，便可以完成对整个工件9或者整条工件焊缝10进行扫查。

步骤4（S4）：根据超声检测仪接收到的来自工件9或者工件焊缝10内部的发射回波进行分析从而判断工件9或者工件焊缝10内部是否具有缺陷、缺陷的位置以及缺陷的严重程度。

本实例中的多晶片多角度超声横波斜探头8不需要进行传统的锯齿形扫查，能够减小探头楔块1的磨损。

本发明中的多晶片多角度超声横波斜探头8可以结合TOFD或者其他技术可以实现对工件焊缝10高灵敏度、高覆盖率的扫查。多晶片多角度超声横波斜探头8摒弃传统的锯齿形扫查方式，同时也不需要通过压电晶片2变换不同的角度对工件9或者工件焊缝10进行扫查，只需要将多晶片多角度超声横波斜探头8放置在工件9或者工件焊缝10的一个位置或者进行直线移动扫查便可以在工件9或者工件焊缝10厚度方向上接近全面的覆盖；此探头的设计，尤其对如钢结构焊缝等结构形式较为复杂、检测区域有限的工件9具有非常好的效果。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种多晶片多角度超声横波斜探头,用于接入超声波设备并发出超声波从而对工件（9）和工件焊缝（10）进行探伤，其特征是，包括

探头楔块（1），所述探头楔块（1）可耦合于工件（9）的表面；

数个压电晶片（2），所述数个压电晶片（2）设置于所述探头楔块（1）上，其中，每个压电晶片（2）于探头楔块（1）上的倾斜角度均不相同；

当压电晶片（2）受激发时，压电晶片（2）产生的超声波声束于工件（9）中的横波折射角度为0°～90°从而实现对工件焊缝（10）的全面覆盖。

2.根据权利要求1所述的多晶片多角度超声横波斜探头，其特征是，

所述探头楔块（1）具有一1/4圆弧面（11），所述数个压电晶片（2）沿该1/4圆弧面（11）依次排列设置。

3.根据权利要求2所述的多晶片多角度超声横波斜探头，其特征是，

所述探头楔块（1）沿所述1/4圆弧面（11）开设有若干对应于每个压电晶片（2）倾斜角度的台阶刻槽（12），所述压电晶片（2）固定于所述台阶刻槽（12）上。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的多晶片多角度超声横波斜探头，其特征是，

所述压电晶片（2）优选设置有七个，所述压电晶片（2）发射的超声波声束于工件（9）中的横波折射角分别为0°、35°、45°、60°、70°、80°和90°对应于探头楔块（1）中压电晶片（2）的倾斜角度分别为0°、29°、36.7°、47.1°、52.6°、56.4°和90°，所述压电晶片（2）倾斜角度为0°时，压电晶片（2）于探头楔块（1）上水平放置，所述压电晶片（2）发射纵波；倾斜角度为90°时，压电晶片（2）于探头楔块（1）上竖直放置，所述压电晶片（2）发射表面波。

5.根据权利要求1所述的多晶片多角度超声横波斜探头，其特征是，

所述探头楔块（1）通过外壳（3）封装，外壳（3）内其余空间填充有背衬吸声材料（4）。

6.根据权利要求5所述的多晶片多角度超声横波斜探头，其特征是，

每个压电晶片（2）通过电缆线（6）接入至外壳（3）一端的探头接插头（5）并且通过控制开关控制压电晶片（2）的工作状态。

7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的多晶片多角度超声横波斜探头，其特征是，

所述探头楔块（1）采用有机玻璃制成。

8.一种超声波探伤方法，其利用权利要求1至7任意一项所述的多晶片多角度超声横波斜探头检测工件或者工件焊缝，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：将多晶片多角度超声横波斜探头8接入到超声检测仪的插接头上；

步骤2：将所述多晶片多角度超声横波斜探头（8）放置于工件（9）或者工件焊缝（10）的外表面上并根据实际探测区域静置或者移动所述多晶片多角度超声横波斜探头（8）；

步骤3：超声波设备提供所述多晶片多角度超声横波斜探头（8）内的压电晶片（2）的激发信号促使压电晶片（2）发射超声波声束对工件（9）或者工件焊缝（10）进行探伤；

步骤4：根据超声波设备接收到的来自工件（9）或者工件焊缝（10）的反射回波分析、判断工件（9）或者工件焊缝（10）内部是否有缺陷、缺陷位置以及缺陷严重程度。

9.根据权利要求8所述的超声波探伤方法，其特征是，所述步骤4具体为：

将多晶片多角度超声横波斜探头（8）放置于工件（9）待测区域表面或者工件焊缝（10）上方静置，完成对工件焊缝（10）相应的截面的扫查；

将多晶片多角度超声横波斜探头（8）放置于工件（9）待测区域表面或者工件焊缝（10）上方并且沿工件（9）待测区域表面或者工件焊缝（10）进行直线移动，完成对整个工件（9）或者整条工件焊缝（10）进行扫查。