一发四收双晶水膜探头在中厚钢板自动探伤中的应用

　　随着我国工业建设的飞速发展, 对造船、石油、化工、桥梁、建筑、压力容器及军工可用钢板的内在质量要求越来越高, 对钢板规格品种要求也日益增多, 这就相应的要求检测技术进一步提高. 因此, 采用常规的手工方式对钢板进行超声探伤已很难满足用户对产品质量的检测要求[ 1] . 采用先进技术对钢板实现自动探伤已势在必行. 目前国内对钢板进行自动探伤通常采用一发一收式双晶水膜探头脉冲反射法, 而国外近几年开始采用一发多收式双晶探头脉冲反射法, 德国目前已在中厚钢板自动探伤中采用一发三收型双晶水膜探头替代原有的一发一收型探头, 目前国内宝钢、鞍钢、舞阳钢厂和南京中板厂等钢铁企业已从德国引进一发三收型双晶水膜探头应用于自动化探伤中. 我们经过反复试验, 自行开发研制出一发四收双晶水膜探头. 它不仅克服了常规一发一收双晶探头因晶片长而增大缺陷定量误差的缺点, 而且在增加探头有效声束宽度的同时还提高了探头在动态时耦合的稳定性.

　　1 一发四收双晶水膜探头结构与原理

　　双晶水膜探头是指发射晶片与接收晶片相分隔, 成对称型放置, 采用水膜耦合法探伤的一种超声换能器, 其纵向结构示意图如图1 所示. 一发一收型双晶水膜探头由单一的一片发射晶片和一片接收晶片组成, 发射和接收晶片较短. 我们研制的一发四收型探头结构为一片发射晶片和四片接收晶片. 特点为发射晶片比较长( 取50 mm) , 接收晶片长度为发射晶片的四分之一, 四片等长接收晶片并列放置于与发射晶片对称的位置上, 并且可根据探测钢板的厚度选择探头的有关参数. 晶片采用锆钛酸铅压电陶瓷( PZT ) 材料, 具有价廉、易加工等优点[ 2] . 一发一收型与一发四收型双晶水膜探头纵向结构与图1一致, 二者横向结构比较示意图如图2 所示. 一发四收型双晶探头是在一发一收双晶探头基础上发展的一种结构形式[ 3] , 工作原理与其基本相同, 只是声场根据接收晶片的规格发生变化, 探头回波示意图如图3 所示. 由图3( a) 可见, 四片接收晶片各自的声束宽度一致, 声场均匀分布, 从而提高了探头的缺陷定量精度及分辨力. 同时, 由于接收晶片的长度是根据发射晶片长度而定, 经过四晶片的组合又增大了探头整体有效声束宽度, 保证了探头灵敏度的均匀性. 图3( b) 为一发一收型探头接收回波, 与一发四收探头相比, 声束宽度有限. 而如果增大发射晶片尺寸, 采用与一发四收探头相同尺寸的发射和接收晶片, 则接收晶片过长, 会导致探头声束宽度过宽, 定量精度误差增大. 在实际探伤中不可用.