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        斜探頭組件由探頭和斜鍥組成,在超聲無損檢測領域中是非常重要的,常用于多種焊縫檢測應用和金屬板、金屬管、金屬坯以及鍛件中垂直于表面的裂縫檢測,也可用于機械加工零件與結構零件的檢測。本篇文章是斜探頭檢測理論的一個簡要回顧,以及專為幫助用戶做的一些注釋和小經驗。
        為何要使用斜探頭組件?
             垂直于試件表面或與表面傾斜的裂紋和不連續性,因為它們關于聲束的傾斜性,采用直探頭檢測技術通常不能發現。垂直裂紋不能從直聲束反射任何大數量的聲波能量,因為聲束從比波長小得多的細小的尖端考察,而且傾斜的裂紋可能不能朝著探頭方向反射回任何能量。這種情況發生在多種裂縫、結構金屬工件、以及許多其他關鍵部件中。一個斜探頭組件在一個選定的角度上可讓聲能直接指向試樣中。一個垂直的裂紋將沿著一般稱為U形轉彎的路徑反射一個成角度的聲能,如下面插圖所示.
         斜聲束對垂直于試件遠距離表面(一次聲程)的裂紋,或者,在從遠側反射后,到垂直于耦合表面的裂紋(二次聲程)非常敏感。許多特殊的聲束角度和探頭位置用于適應不同的工件形狀和缺陷類型。在成角度的不連續情況下,適當地選擇斜聲束組件可以直接將聲波以一個有利的角度反射到探頭上。
         它們如何工作—斯涅爾折射定律斯
        超聲頻率的聲能有很高的方向性,而且能明確定義用于探傷的聲束。當聲波從邊界反射時,反射角度等于入射角度,以一個角度入射到表面的聲束將以相同角度反射回來。
        根據斯涅爾折射定律聲波能量從一個材料傳播到另外一個材料時要折射。當聲束(或者任何其他的波)通過兩種不同聲速材料的邊界時,折射是改變聲束的方向。以直線傳播的聲束將繼續沿著直線方向,但是以一個角度入射到邊界時聲束將按照下面的公式改變方向:
        sinθ1 /sinθ2 =V1/V2
        此處:
        θ1 = 在第一種材料中的入射角
        θ2 = 在第二種材料中的折射角
        V1 = 第一種材料的聲速
        V2 = 第二種材料的聲速
            典型的斜探頭組件利用波型轉換和斯涅爾折射定律在試件中產生一個一個選定的角度(最常用為30、45、60或70度)的橫波。隨著相對于表面的入射縱波角度的增加,聲能遞增的部分被轉換成第二種材料中的橫波。而且如果角度足夠大,在第二種材料中的所有的能量都會是橫波形式。利用波型轉換現象來設計常用角度聲束具有兩個優點。第一,在入射角上的能量轉換是更有效的,它能在鋼和相似材料中產生橫波。第二,使用橫波可以改善最小缺陷尺寸分辨率,因為在一個給定的頻率,橫波的波長約為同等縱波波長的60%,而且隨著聲束波長變得更小,最小缺陷缺陷分辨率也就增加。
            常規鍥塊由一塊機械加工塑料制成。泛美Accupath鍥塊利用多重材料設計,一塊最優化聲波傳播的純塑料插入物被結構材料環繞,結構材料由它的聲阻尼性能和耐用性來選擇,改善了信噪比和耐磨性并超出了典型的單片設計。
         典型斜探頭組件
            所有標準斜鍥在橫波模式下工作。在一些專門場合,斜鍥也可設計成產生縱波或表面波??v波鍥塊偶爾用在粗晶材料上為了將散射噪聲最小化,盡管更長的縱波波長可減少散射噪聲但也會降低它對小缺陷的靈敏度。正如其名稱所暗示的,表面波斜鍥用于檢測表面破壞的裂紋。
        選擇正確的斜探頭組件在許多情況,根據檢測任務中的檢驗代碼或規程,給檢測者指出具體型號的斜探頭組件。影響斜探頭性能的參數不僅包括由鍥塊產生的聲束角度,也包括探頭頻率和晶片尺寸。最合適的聲束角度一般由試件的的幾何形狀和檢測預期要發現的不連續性的方向來決定。探頭頻率影響穿透力和缺陷分辨率。當頻率增加時,聲波在一個給定材料中傳播的距離會減少,但是小的不連續性的分辨率會變得更好。當頻率降低時,聲波傳播的距離會增加,但是最小可發現缺陷尺寸會變大。同樣地,較大地晶片尺寸通過增加覆蓋面積可能減少檢測時間,但是來自小的不連續性的反射回波幅度會減少。小的晶片尺寸會增加來自小的不連續性的反射回波幅度,但是因為小的聲束覆蓋更少的面積,檢測可能花費很多時間。在任何給定的應用中,以規定的檢測要求為基礎,這些矛盾的因素必須平衡。
        在ASTM標準E-164中“焊接件的接觸式檢測的標準慣例”以及AWS建筑焊接標準第6章,可以找到一些具體的斜探頭建議。雖然這些文件作為對焊縫檢測的一個指導方針,它們描述的基本原理可應用到許多其他應用中,包括金屬制品的裂紋或類似的不連續性的檢測。檢測規程一般要求在開始檢測前,通過使用IIW試塊或類似的參考標準試塊來驗證基本的功能參數,如靈敏度、零點偏移、聲束入射點以及折射角。
        在沒有規定的代碼或規程的檢測場合,由經過培訓的檢驗員根據用于相關零件的包含已知缺陷或人工缺陷的參考標準試塊的評價來選擇斜探頭組件。適當的參考標準試塊允許檢測員為一個給定的應用提供最好最可靠響應的換能器和斜鍥的組合。
        有時使用整體式斜探頭(單一的探頭/斜鍥組件)是方便的。使用小型插入式斜探頭替代螺旋式探頭,嚴格地說,在性能上沒有功能性影響,是優先考慮的問題。
        除鋼以外的檢測材料
        除非另有說明,來自泛美和所有其他商家供貨的標準斜鍥都設計成在橫波聲速約為3.250m/s或0.1280in/us的鋼中產生一個指定角度的橫波。因為折射角度隨媒質聲速而變化,為鋼設計的斜鍥在其他材料中會產生不同的折射角。在鋁上使用的鍥塊設計也可作為標準產品來利用。對其他的材料,必須在客戶的基礎上來提供特殊的鍥塊。
        另一方面,通過基于斯涅爾折射定律基礎上的簡單公式來計算在另一種金屬上由標準(鋼)斜鍥產生的折射角是可能的:sinθ1 /sinθ2 =V1/V2 此處:
        θ1 = 斜鍥名義角度
        θ2 = 在測試材料中的折射角度
        V1=在鋼中的名義橫波聲速 (3,250 m/S或0.1280 in/uS)
        V2=在測試材料中的橫波聲速
        在非金屬材料情況下,由于它的聲速與鋼有很大不同,如塑料或陶瓷,折射波可能以另一種不同于橫波的形式存在。在低聲速的塑料中,折射波將為縱波,而且塑料的縱波聲速應該用來作為折射角計算中的V2的值。
        在高聲速的陶瓷中,大部分聲能可能轉換為表面波。

        曲面斜鍥
        當檢測小直徑管和其他曲面試件時,為了維持最佳的聲耦合,推薦使用曲面或弧面斜鍥。當曲率增加時,斜鍥表面與試塊接觸成比例地減小,這不但使進出工件上的聲能減少,而且增加了來自耦合層的反射噪聲的總量。斜鍥可有下面四種方式的仿形:
         IIW手冊焊縫超聲波探傷建議:只要在斜鍥和測試表面間的間隙超過0.5mm(約為0.020英寸),就應使用曲面斜鍥。在這個指導方針下,只要工件的半徑小于斜鍥尺寸(長或寬)的平方除以4,就應該使用曲面斜鍥:R < W2/4
        此處:
        R=檢測表面的半徑
        W=在軸線方向檢測時斜鍥的寬,在圓周方向檢測時斜鍥的長
        如果可能的話,在檢測要求的參數范圍內,當然換用一個小鍥塊將改善對曲面的耦合。作為一個實踐問題,當信號強度降低或是耦合噪聲增加到降低檢測的可靠性時,應該考慮使用曲面斜鍥。
        對任何類型和尺寸的斜鍥,在這四個方向檢測中的每一個都有一個最小可能的仿形半徑,這以可去除斜鍥材料的數量而不降低探頭的性能為基礎。
        聚焦雙晶探頭
        大部分斜探頭組件使用非聚焦單晶片換能器。然而,在一些涉及到高衰減或散射的材料檢測時,如粗晶鑄造不銹鋼,聚焦雙晶探斜探頭是很有用的。因為它們有獨立的發射和接收晶片,具有代表性地,雙晶探頭可以在較高的激發能量下使用,沒有伴隨著振鈴或斜鍥噪聲相關的噪聲問題。在試樣中一個選定的深度上,聚焦探頭讓聲能高度集中,增加在那個區域對不連續性的靈敏度。欲了解有關聚焦雙晶斜探頭的進一步信息。
        高溫斜鍥
        標準斜探頭組件設計成只在正常環境溫度下使用。對那些必須在高溫下檢測的金屬,可使用特殊的高溫斜鍥。有些斜鍥允許在溫度為480℃或900℉的表面上短暫接觸。然而,斜鍥需要特別關注高溫斜鍥產生的聲程,說明這一點是很重要的。任何一個高溫鍥塊,當它加熱時,鍥塊材料的聲速會降低,因此鍥塊加熱時,在金屬中的折射角會增加。如果涉及一個給定的檢測,那么必須在實際操作溫度下校驗折射角。作為一個實踐問題,在檢測過程中的熱變化使得難于對實際折射角做精確測定。

         

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