專利名稱：一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測的曲面線聚焦探頭裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及一種超聲檢測的聚焦探頭裝置，具體是針對超高壓容器和管道等厚壁筒形件周向超聲檢測的圓柱曲面線聚焦探頭裝置。
背景技術：
超高壓容器和管道一般為厚壁筒體結構。在超高壓容器和管道的各種無損檢測方法中，超聲檢測方法既能檢測內部缺陷又能檢測內外表面缺陷，是超高壓容器和管道主要的無損檢測方法。用直探頭可檢測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，可檢測出筒形件內部徑向和軸向缺陷。但對徑向缺陷進行檢測，必須進行一系列工藝試驗，取得成熟的檢測工藝。目前國內在內外徑之比小于0.8的厚壁筒形件的超聲檢測方法、檢測工藝、超聲檢測試塊和檢測標準方面開展的工作尚不成熟，標準的編制僅停留在企業標準層次上。最大的難點在于超聲橫波檢測時其探頭選擇、試塊標定、掃查方式和缺陷評定等如何規范化。目前國內對于單層厚壁筒形件的周向超聲檢測，一般采用純橫波檢測技術。按耦合方式不同，檢測方法分為接觸法和水浸法。對于內外徑之比大于等于0.8的筒體，可采用常規的橫波檢測技術，檢測方法可按照JB/T4730. 3-2005《承壓設備無損檢測第三部分超聲檢測》的規定進行。對于內外徑之比小于0.8的筒形鍛件，目前國內還沒有通用的國家標準和行業標準。國內一些企業和科研機構曾采用純橫波法、雙重波型檢測法(用小角度折射橫波檢測內壁缺陷，用大角度折射縱波檢測內壁缺陷)等方法對超高壓人造水晶釜進行試驗和檢測。但目前國內在超高壓水晶釜的檢測方法、超聲檢測試塊和檢測標準方面開展的工作尚不成熟，對不同規格的釜體的超聲檢測以及厚壁筒體檢測的聲場結構、徑向缺陷的回波特征、表面缺陷的靈敏度、缺陷定位、曲界面導致靈敏度變化和干擾雜波等多個方面缺少系統的研究，檢測標準的編制僅停留在“企業標準”層次上，在檢測工藝的選擇和優化、試塊標定、掃查方式和缺陷評定等方面缺少系統性的研究。
實用新型內容本實用新型的目的是克服上述背景技術中的不足，提供一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測的曲面線聚焦探頭裝置，該曲面線聚焦探頭裝置應具有檢測結果準確、結構簡單、 使用方便的特點。為實現以上目的，本實用新型采用了以下的技術方案—種用于厚壁筒形件周向超聲檢測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壁，晶片發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。本實用新型的工作原理是使用時，斜楔的圓柱面與工件的圓柱面貼合，晶片通電后產生超聲縱波，該超聲縱波經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產生反射和折射，反射回的聲波進入斜楔左部的聲陷阱中(凸塊的不規則形狀，會使聲波進行雜亂無章的反射，最后被吸音材料吸收)；折射后的聲波轉變成橫波，由于斜楔的聲音傳播速度與工件接近或相等，因此聲波不會產生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點位置(即圓柱曲面狀晶片的原點)或其附近。如果工件沒有缺陷，聲波會在工件內表面全部反射，如果工件有缺陷，則會有部分聲波沿原路徑反射回圓柱曲面狀晶片，根據反射回的結果即可得知工件的缺陷位置。本實用新型的有益效果是本實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不會產生折射或折射角相差很小，提高了檢測靈敏度，并且本實用新型結構簡單，使用時只需將斜楔的弧面與工件貼合之后即可檢測，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，提高了檢測靈敏度；另外，本實用新型制造成本相對較低，因此具有廣闊的市場前景。
圖1是本實用新型的立體結構剖視示意圖。圖2是本實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。
具體實施方式
下面結合說明書附圖，對本實用新型作進一步說明，但本實用新型并不局限于以下實施例。如圖1所示，一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測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(凸塊的不規則形狀，會使斜楔的左部形成一個聲陷阱，聲波進行雜亂無章的反射，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F位于工件內壁，晶片發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，結構見圖1所示。用壓電陶瓷加工成圓柱曲面狀晶片，由它來實現電-聲能量轉換。斜楔的作用是使晶片產生的超聲縱波以一定的角度射入工件，通過波形轉換使其在工件中傳播全橫波，斜楔的另一個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，使用由環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的聚焦原理如圖2所示。整個聚焦聲束由無數條聲束線所代表的細聲束組成，每條細聲束向圓柱軸線會聚，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，總輻射力由于各細聲束的會聚遠大于圓柱曲面狀晶片的表面輻射力，從而達到聚焦的目的。從理論分析，圓柱曲面超聲聚焦系統最終都將超聲能量聚集到一個幾何線， 然而由于聲的衍射效應以及超聲聚焦系統的不規矩等原因，實際的超生聚焦區域不是一條理想的線，而是一個比較復雜的區域。根據厚壁筒形件內壁的規格尺寸，選擇合適的晶片曲率半徑和斜楔尺寸，使焦點位于厚壁筒形件內壁，以提高超聲波對內壁表面裂紋的檢測靈敏度。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位置匯聚；采用錫鉛合金材料(質量比錫90%，鉛10% )作為斜楔，經實測其聲速在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發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產生折射或折射角相差很小，使聲束能夠聚焦到原焦點位置或其附近；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。特別是針對厚壁筒形件的檢測，采用與橫波聲速基本相等的錫鉛合金斜楔，可克服超聲波進入曲界面使聲束進一步發散的不利影響。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。為確保實施全橫波檢測及一次橫波能掃查到筒體內壁，橫波折射角β s應滿足公式(1)的限制
權利要求1.一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測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壁，晶片發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.根據權利要求1所述的一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測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。
專利摘要本實用新型涉及一種超聲檢測的聚焦探頭裝置。所要解決的技術問題是提供的曲面線聚焦探頭裝置應具有檢測結果準確、結構簡單、使用方便的特點。技術方案是一種用于厚壁筒形件周向超聲檢測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壁，晶片發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G01N29/04GK202141698SQ20112020398
公開日2012年2月8日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者丁守寶, 劉仲強, 郭偉燦 申請人:浙江省特種設備檢驗研究院