26 陕西科技大学过程装备制造与检测课程设计
图2-2斜探头示意图
能够在材料中产生超声波的方式有多种，其原理均涉及将某种其他形式的能量转换为超音频的振动能量。而在超声检测中最常用是与超声探伤仪相匹配的超声探头，是利用材料的压电效应实现电声能量转换的压电换能器探头。这类探头中的关键部位的压电换能器，又称为压电晶片，是一个具有压电特性的单晶或多晶薄片或薄膜。其作用是将电能转换为声能，并将声能转换为电能。 （1） 探头的结构及各部分的作用
探头的主要组成部分有压电晶片、阻尼块、电缆线、接头、保护膜和外壳。斜探头中通常还有一使晶片与入射面成一定角度的斜楔。
1)晶片: 压电晶片是以压电效应发射并接收超声波的元件，是探头中最重要的元件。晶片的性能决定着探头的性能。晶片的尺寸和谐振频率，决定着发射声场的强度、距离幅度特性与指向性。晶片制作质量的好坏，也关系到探头的声场对称性、分辨率、信噪比等特性。晶片可制成圆形、方形、矩形或曲面。
2）阻尼块和吸声材料：阻尼块是由环氧树脂和钨粉等按一定比例配成德阻尼材料，粘附在晶片或斜楔后面。阻尼块的作用一是对压电晶片的振动起阻尼作用；二是吸收晶片向其背面发射的超声波；三是对晶片起支撑作用。
3）保护膜：压电陶瓷晶片通常都很脆，在用与试件直接接触的方式沿试件表面进行扫查，晶片很容易损坏。为此，常在晶片前面粘附一层薄保护膜，以保护晶片和电极层不被磨损或破坏，某些情况下，也能改善探头与试件的耦合效果。但保护膜也会使始波宽度增大，分辨率变差，灵敏度降低。
4）斜楔：斜楔是斜探头中为了使超声波倾斜入射到检测面而装在晶片前面的楔块。楔块使探头的晶片和试件表面形成一个严格的夹角，以保证晶片发射的
27 陕西科技大学过程装备制造与检测课程设计 超声波按照设定的入射角倾斜入射到斜楔与试件的界面，从而能够在界面处产生所需要的波形转换，在试件内形成特定波形和角度声束。有斜楔就一般不用保护膜。
（2）探头的分类
常用探头种类有直探头和斜探头两大种，但如果按波型分，又分为横波探头、表面波（瑞利波）探头、纵波探头及兰姆波探头等。按晶片数分，又分为单晶探头，双晶探头。
1）直探头（纵波探头） 直探头用于发射和接收纵波。
直探头主要用于探测晶片正下方与声束方向垂直的缺陷，其探测深度较大，适用范围较广；检测灵敏度高。
2）斜探头
斜探头主要用于探测斜下方不同角度方向的缺陷，其探测深度较小，适用直探头难以探测的部位；检测灵敏度较高。其中常用的有横波斜探头等。
横波斜探头是入射角在第一临界角与第二临界角之间且折射波为纯横波的探头，适宜探测与检测面成一定角度的缺陷，广泛用于焊缝、管材、锻件的检测。
横波斜探头的标称方式常用两种：
①一种是以横波折射角?来标称。如?=40o，45o，60o等；
②另一种是以折射角的正切值（K?tg?）来标称。K=1.0，1.5，2.0，2.5等。
3）双晶探头
双晶片声场重叠区域灵敏度最高，一般用于定向定位检测，探测深度较小；检测灵敏度较高。
常用探头型号：（1）2.5B20Z； （2）5P6×6K3。
28 陕西科技大学过程装备制造与检测课程设计 2.3超声波试块
（1）试块的分类
为了保证检测结果的准确性与可重复性、可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样（试块）对检测系统进行校准。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块（校准试块）和对比试块（参考试块）。 （2）标准试块
标准试块具有规定的材质、表面状态、几何形状与尺寸，可用以评定和校准超声检测设备。标准试块通常由权威机构讨论通过，其特性与制作要求有专门的标准规定。
1)标准试块的基本要求
标准试块的材料、热处理状态、表面粗糙度、外形和尺寸要求均有严格规定。材料应易于加工，不易变形和腐蚀，具有良好的声学性质。制作时，应确认材质 均匀、无杂质、无影响使用的缺陷。
图2-3 标准试块
标准试块外形加工的平行度、垂直度与尺寸精度均应经过严格检验并符合图样要求。尺寸允许公差一般在±0.1mm以内。检测面的表面粗糙度一般应优于Ra1.6um。
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试块中的平底孔应经硅橡胶覆型并检验其直径、孔底表面粗糙度、平面度等。检验后，平底孔应清洗干燥后进行永久性封堵。对于标准试块，还应测量其声学性能。 2）CSK-IA试块的主要用途
CSK-IA 试块是 JB1152-1981《锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声检测》中规定的标准试块。CSK-IA试块较多用于焊缝横波检测，也是本课设所使用的试块。
① 校验超声检测仪的水平线性、垂直线性和动态范围：用50mm或100mm尺寸。
②调节横波时基线比例和范围，用50mm和100mm尺寸。 ③测定斜探头在深度方向的分辨力。
图2-4 对比试块
④可直接测出横波斜探头的k值。 (3） 对比试块的主要用途
CSK-IIIA试块使用壁厚范围为6mm~120mm的焊接接头。 ①调节时基线比例和探测范围。
30 陕西科技大学过程装备制造与检测课程设计 ②测定斜探头的k值。 ③测定横波AVG曲线。 ④调节检测灵敏度。 ⑤进行缺陷定量。
2.4耦合剂
（1) 耦合剂的作用
为了改善探头与试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层称为耦合剂。
当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。 (2）常用耦合剂
常用耦合剂有水、甘油、全损耗系统用油、变压器油、化学浆糊等。 ①水的优点是来源方便；缺点是容易流失，容易使试件生锈，有时不易润湿试件。液浸检测中最常使用水作耦合剂，使用时可加入润湿剂和防腐剂等。
②甘油的优点是声阻抗大、耦合效果好；缺点是要用水稀释，容易使试件形成腐蚀坑，价格较贵。
③全损耗系统用油（俗称机油）和变压器油的附着力、粘度、润湿性都较适当，也无腐蚀性，价格不贵，因此是最常用的耦合剂。本文焊缝检测也是使用此机油作为耦合剂。
④化学浆糊的耦合效果比较好，也是一种常用的耦合剂。