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超聲波雙晶探頭對薄板母材探傷
近日，不少客戶在利用雙晶探頭對薄板母材探傷的過程中，打給我們咨詢?nèi)绾握_選擇和使用雙晶探頭探傷。以下本文分三個部分和大家一起探討“雙晶探頭的結(jié)構(gòu)和工作原理”、“如何正確選擇雙晶探頭”、“射頻檢波方式的表面探傷應(yīng)用”。
1、雙晶探頭的結(jié)構(gòu)和工作原理
一般來講，一個探頭殼體內(nèi)裝有兩個晶片的探頭我們稱之為雙晶探頭，又稱分割式探頭。由兩個縱波晶片組合成的雙晶探頭稱為縱波雙晶探頭，又稱雙晶直探頭；由兩個橫波晶片組成的雙晶探頭稱為橫波雙晶探頭，又稱雙晶斜探頭。
這兩種雙晶探頭中，雙晶直探頭的應(yīng)用較為廣泛，以下以雙晶直探頭為例重點探討雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)和工作原理：
雙晶直探頭的兩個縱波晶片一個用于發(fā)射超聲，一個用于接收超聲（圖一）。發(fā)射壓電晶片大都采用發(fā)射性能好的鋯鈦酸鉛，接收壓電晶片大都采用接收性能好的硫酸鋰。區(qū)別于單晶探頭而言，雙晶探頭的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度都更高。雙晶探頭的兩個晶片之間有一片吸聲性強、絕緣性好的隔聲層，它不僅用于克服發(fā)射聲束與反射聲束的相互干擾和阻塞，而且能使脈沖變窄、分辨率提高、消除發(fā)射晶片和延遲塊之間的反射雜波進入接收晶片，有效減少雜波。
（圖一）
由于雙晶探頭的發(fā)射部分和接收部分都帶有延遲塊，能使探傷盲區(qū)大幅減小，故雙晶探頭對表面缺陷的探傷十分有利。
2、如何正確選擇雙晶探頭
a、探頭頻率的選擇
超聲的發(fā)射頻率在很大程度上決定了超聲波探傷的檢測能力。頻率高時，波長短，聲束指向性好，擴散角較小，能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力則比較強、分辨力好、缺陷定位準(zhǔn)確。但高頻率超聲在材料中衰減較大，穿透能力較差，反之亦然。
由于雙晶探頭適用于較薄工件的探傷，不需要較強的穿透力。因此可以采用較高頻率的探頭。對于鍛件，板材，棒材等晶粒細(xì)小的工件，可以采用5MHz的雙晶探頭（若被檢工件表面較粗糙，高頻超聲散射較大，不易射入，則容易出現(xiàn)林狀回波）。對于晶粒粗大，超聲散射嚴(yán)重的材料，如奧斯體不銹鋼和鑄造件等，頻率高時，也會出現(xiàn)晶界引起的林狀回波，致使無法探傷，對于這一類材料，建議選用1MHz~2.5MHz的低頻率雙晶探頭。
b、晶片尺寸的選擇
從以上介紹的雙晶探頭的工作原理來看，雙晶探頭探傷主要取決于雙晶探頭的聲能集中區(qū)，跟晶片的大小沒有直接的關(guān)系。雙晶探頭的晶片大小，只與工件探測面積的大小有關(guān)，當(dāng)檢測面積大時，為了提高探傷效率，宜采用晶片尺寸較大的探頭，如Ø14mm,Ø20mm等。當(dāng)檢測面積較小，或者檢測面帶有一定曲率的情況下，為了減少耦合損失宜用晶片尺寸小的探頭。
c、焦距的選擇
雙晶探頭的兩個晶片都有一定的傾斜角度。發(fā)射聲束與接收聲束必然會產(chǎn)生相交，形成棱形的區(qū)域，此區(qū)域即為探傷區(qū)域（圖二）。
（圖二）
處于棱形區(qū)的缺陷，其反射信號強，同時對于同樣大小的缺陷，位于棱形區(qū)中心時，反射信號zui強。因此在實際探傷過程中，要根據(jù)被檢工件的厚度選取適當(dāng)?shù)慕咕?。焦距越小，則對薄工件的探傷越有利。一般來說，選擇雙晶探頭的焦距小于被檢工件厚度5~10mm左右。
3、射頻檢波方法的表面探傷應(yīng)用
雙晶探頭的探傷方法與直探頭基本相同，這里著重介紹利用雙晶探頭和數(shù)字超聲探傷儀的射頻檢波方式檢測表面缺陷。傳統(tǒng)超聲探傷儀的檢波方式大都為正弦波檢波或者全波檢波，此兩種檢波方式在薄板探傷時，由于儀器設(shè)置聲程較小，反射波的根部較寬，對于同一個部位的多個缺陷不能明顯分辨。射頻檢波方式則可以有效解決這一問題。下圖是利用射頻檢波方式檢測CSK-IA試塊上深度為15mm，直徑為Ø1.5mm的橫通孔的波形圖：
從上圖可以看出，利用射頻檢波方式能準(zhǔn)確迅速地將缺陷波以全波的方式顯示在屏幕上，使得辨別更容易。