專利名稱：一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型專利涉及一種超聲檢測(cè)的聚焦探頭裝置，具體是針對(duì)超高壓容器和管道等厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的圓柱曲面線聚焦探頭裝置。
背景技術(shù)：
超高壓容器和管道一般為厚壁筒體結(jié)構(gòu)。在超高壓容器和管道的各種無(wú)損檢測(cè)方法中，超聲檢測(cè)方法既能檢測(cè)內(nèi)部缺陷又能檢測(cè)內(nèi)外表面缺陷，是超高壓容器和管道主要的無(wú)損檢測(cè)方法。用直探頭可檢測(cè)出與釜體外圓表面平行的缺陷，用不同角度的斜探頭從外圓面探測(cè)，可檢測(cè)出筒形件內(nèi)部徑向和軸向缺陷。但對(duì)徑向缺陷進(jìn)行檢測(cè)，必須進(jìn)行一系列工藝試驗(yàn)，取得成熟的檢測(cè)工藝。目前國(guó)內(nèi)在內(nèi)外徑之比小于0.8的厚壁筒形件的超聲檢測(cè)方法、檢測(cè)工藝、超聲檢測(cè)試塊和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面開展的工作尚不成熟，標(biāo)準(zhǔn)的編制僅停留在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層次上。最大的難點(diǎn)在于超聲橫波檢測(cè)時(shí)其探頭選擇、試塊標(biāo)定、掃查方式和缺陷評(píng)定等如何規(guī)范化。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于單層厚壁筒形件的周向超聲檢測(cè)，一般采用純橫波檢測(cè)技術(shù)。按耦合方式不同，檢測(cè)方法分為接觸法和水浸法。對(duì)于內(nèi)外徑之比大于等于0.8的筒體，可采用常規(guī)的橫波檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)方法可按照J(rèn)B/T4730. 3-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第三部分超聲檢測(cè)》的規(guī)定進(jìn)行。對(duì)于內(nèi)外徑之比小于0.8的筒形鍛件，目前國(guó)內(nèi)還沒有通用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)曾采用純橫波法、雙重波型檢測(cè)法(用小角度折射橫波檢測(cè)內(nèi)壁缺陷，用大角度折射縱波檢測(cè)內(nèi)壁缺陷)等方法對(duì)超高壓人造水晶釜進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)。但目前國(guó)內(nèi)在超高壓水晶釜的檢測(cè)方法、超聲檢測(cè)試塊和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面開展的工作尚不成熟，對(duì)不同規(guī)格的釜體的超聲檢測(cè)以及厚壁筒體檢測(cè)的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)、徑向缺陷的回波特征、表面缺陷的靈敏度、缺陷定位、曲界面導(dǎo)致靈敏度變化和干擾雜波等多個(gè)方面缺少系統(tǒng)的研究，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的編制僅停留在“企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”層次上，在檢測(cè)工藝的選擇和優(yōu)化、試塊標(biāo)定、掃查方式和缺陷評(píng)定等方面缺少系統(tǒng)性的研究。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服上述背景技術(shù)中的不足，提供一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置，該曲面線聚焦探頭裝置應(yīng)具有檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 使用方便的特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型采用了以下的技術(shù)方案—種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置，其特征在于它包括制有腔體的外殼，安裝在腔體內(nèi)并且傳播聲音的速度與工件橫波聲速相等或接近的斜楔; 該斜楔的底面是與工件外圓柱面相適應(yīng)的圓柱面，斜楔的較厚端制有向上凸起的凸塊，該斜楔的上表面與圓柱曲面狀晶片的下表面完全貼合，所述晶片的圓心位于工件內(nèi)壁，晶片發(fā)射聲束的軸線與工件界面的法線的夾角q為33. 2-45度之間。該晶片背面的粘有高阻抗背襯塊，所述晶片與電纜連接；所述腔體的其余部位填充有吸音材料。所述斜楔采用錫鉛合金材料制作。本實(shí)用新型的工作原理是使用時(shí)，斜楔的圓柱面與工件的圓柱面貼合，晶片通電后產(chǎn)生超聲縱波，該超聲縱波經(jīng)過斜楔后射入工件中，入射角處于工件的第I臨界角與第II臨界角之間。超聲波在斜楔與工件的接觸面同時(shí)產(chǎn)生反射和折射，反射回的聲波進(jìn)入斜楔左部的聲陷阱中(凸塊的不規(guī)則形狀，會(huì)使聲波進(jìn)行雜亂無(wú)章的反射，最后被吸音材料吸收)；折射后的聲波轉(zhuǎn)變成橫波，由于斜楔的聲音傳播速度與工件接近或相等，因此聲波不會(huì)產(chǎn)生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點(diǎn)位置(即圓柱曲面狀晶片的原點(diǎn))或其附近。如果工件沒有缺陷，聲波會(huì)在工件內(nèi)表面全部反射，如果工件有缺陷，則會(huì)有部分聲波沿原路徑反射回圓柱曲面狀晶片，根據(jù)反射回的結(jié)果即可得知工件的缺陷位置。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型利用與工件聲速相等或相近的斜楔，使得聲束在射入工件時(shí)不會(huì)產(chǎn)生折射或折射角相差很小，提高了檢測(cè)靈敏度，并且本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用時(shí)只需將斜楔的弧面與工件貼合之后即可檢測(cè)，使用非常方便。而且，斜楔材料的聲阻抗與鋼工件橫波聲阻抗相差較小，使超聲波在斜楔與工件界面產(chǎn)生的反射聲能損失較少，大部分聲能透射至被檢工件中，提高了檢測(cè)靈敏度；另外，本實(shí)用新型制造成本相對(duì)較低，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。

圖1是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)剖視示意圖。圖2是本實(shí)用新型的聚焦原理示意圖。圖3是圖2中C部的放大示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說明書附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型并不局限于以下實(shí)施例。如圖1所示，一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置，包括制有腔體的外殼1，安裝在腔體內(nèi)并且傳播聲音的速度與工件橫波聲速相等或接近的斜楔3 ； 該斜楔的底面制有與工件外圓柱面相適應(yīng)的圓柱面3-1 (方向如圖1所示)，斜楔的較厚端制有向上凸起的凸塊(凸塊的不規(guī)則形狀，會(huì)使斜楔的左部形成一個(gè)聲陷阱，聲波進(jìn)行雜亂無(wú)章的反射，最后被吸音材料吸收)，斜楔的上表面也粘貼著用于產(chǎn)生超聲縱波的圓柱曲面狀晶片(圓柱曲面狀晶片與斜楔完全貼合)，所述晶片的圓心即焦點(diǎn)F位于工件內(nèi)壁，晶片發(fā)射聲束的軸線與工件界面的法線的夾角q范圍在33. 2-45度之間(由公式
arcsin(C^ )—arcsir/^^^導(dǎo)出；下限由楔塊與工件的第I臨界角決定，上限要保證聚
焦聲束掃查到筒體內(nèi)壁)。該晶片背面的粘有高阻抗背襯塊4，所述晶片與電纜6連接；所述腔體的其余部位填充有吸音材料2。所述斜楔采用錫鉛合金材料制作。1)圓柱曲面線聚焦方法[0019]利用圓柱曲面晶片制作聚焦的超聲波探頭，結(jié)構(gòu)見圖1所示。用壓電陶瓷加工成圓柱曲面狀晶片，由它來實(shí)現(xiàn)電-聲能量轉(zhuǎn)換。斜楔的作用是使晶片產(chǎn)生的超聲縱波以一定的角度射入工件，通過波形轉(zhuǎn)換使其在工件中傳播全橫波，斜楔的另一個(gè)作用是作為聲陷阱消除反射縱波和橫波的干擾。晶片的高阻抗背襯塊采用鎢粉與環(huán)氧樹脂混合物通過擠壓法制作而成。首先粘接背襯塊與晶片；粘接時(shí)，使用由環(huán)氧樹脂與二乙烯三胺制成的粘接劑，背襯塊與晶片粘接牢固后，再焊接電極，然后把背襯塊、晶片和電極固定在外殼中。圓柱曲面線聚焦技術(shù)的聚焦原理如圖2所示。整個(gè)聚焦聲束由無(wú)數(shù)條聲束線所代表的細(xì)聲束組成，每條細(xì)聲束向圓柱軸線會(huì)聚，在軸線所受的超聲輻射力在與聲軸相垂直方向上的分量，因其軸對(duì)稱性而抵銷，總和為零。軸線所受的聲軸方向的超聲輻射力的總和即總輻射力，總輻射力由于各細(xì)聲束的會(huì)聚遠(yuǎn)大于圓柱曲面狀晶片的表面輻射力，從而達(dá)到聚焦的目的。從理論分析，圓柱曲面超聲聚焦系統(tǒng)最終都將超聲能量聚集到一個(gè)幾何線， 然而由于聲的衍射效應(yīng)以及超聲聚焦系統(tǒng)的不規(guī)矩等原因，實(shí)際的超生聚焦區(qū)域不是一條理想的線，而是一個(gè)比較復(fù)雜的區(qū)域。根據(jù)厚壁筒形件內(nèi)壁的規(guī)格尺寸，選擇合適的晶片曲率半徑和斜楔尺寸，使焦點(diǎn)位于厚壁筒形件內(nèi)壁，以提高超聲波對(duì)內(nèi)壁表面裂紋的檢測(cè)靈敏度。2)采用與工件(鋼)橫波聲速相近且超聲波衰減很小的斜楔材料，保證變型橫波能夠在原焦點(diǎn)位置匯聚；采用錫鉛合金材料(質(zhì)量比錫90%，鉛10% )作為斜楔，經(jīng)實(shí)測(cè)其聲速在3220 米/秒左右，與工件(鋼)橫波聲速基本相等，聲阻抗與鋼橫波聲阻抗相差小于10%，且超聲波衰減小于0. ldB/mm。圓柱曲面晶片通過壓電效應(yīng)發(fā)射的超聲波在斜楔材料中傳播，并在斜楔與鋼工件界面上形成反射和折射，由于斜楔材料的聲速與鋼橫波聲速相等或接近， 聲束在斜楔與鋼工件界面不會(huì)產(chǎn)生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點(diǎn)位置或其附近；聲阻抗與鋼橫波聲阻抗相差小于10%，從而獲得較大能量的折射橫波。特別是針對(duì)厚壁筒形件的檢測(cè)，采用與橫波聲速基本相等的錫鉛合金斜楔，可克服超聲波進(jìn)入曲界面使聲束進(jìn)一步發(fā)散的不利影響。3)采用在第I臨界角與第II臨界角之間的入射角，獲得全橫波折射。為確保實(shí)施全橫波檢測(cè)及一次橫波能掃查到筒體內(nèi)壁，橫波折射角β s應(yīng)滿足公式(1)的限制
權(quán)利要求1.一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置，其特征在于它包括制有腔體的外殼(1)，安裝在腔體內(nèi)并且傳播聲音的速度與工件橫波聲速相等或接近的斜楔 (3)；該斜楔的底面是與工件外圓柱面相適應(yīng)的圓柱面(3-1)，斜楔的較厚端制有向上凸起的凸塊(3-2)，該斜楔的上表面與圓柱曲面狀晶片(5)的下表面完全貼合，所述晶片的圓心位于工件內(nèi)壁，晶片發(fā)射聲束的軸線與工件界面的法線的夾角為33. 2-45度，該晶片背面的粘有高阻抗背襯塊G)，所述晶片與電纜(6)連接；所述腔體的其余部位填充有吸音材料⑵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置， 其特征在于所述斜楔采用錫鉛合金材料制作。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種超聲檢測(cè)的聚焦探頭裝置。所要解決的技術(shù)問題是提供的曲面線聚焦探頭裝置應(yīng)具有檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)。技術(shù)方案是一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測(cè)的曲面線聚焦探頭裝置，其特征在于它包括制有腔體的外殼，安裝在腔體內(nèi)并且傳播聲音的速度與工件橫波聲速相等或接近的斜楔；該斜楔的底面是與工件外圓柱面相適應(yīng)的圓柱面，斜楔的較厚端制有向上凸起的凸塊，該斜楔的上表面與圓柱曲面狀晶片的下表面完全貼合，所述晶片的圓心位于工件內(nèi)壁，晶片發(fā)射聲束的軸線與工件界面的法線的夾角αL為33.2-45度之間。該晶片背面的粘有高阻抗背襯塊，所述晶片與電纜連接；所述腔體的其余部位填充有吸音材料。
文檔編號(hào)G01N29/04GK202141698SQ20112020398
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者丁守寶, 劉仲?gòu)?qiáng), 郭偉燦 申請(qǐng)人:浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院