毛面球墨铸铁件的专用超声换能器制作及成像检测

　　球墨铸铁因具有高强度、低成本而且减振性好的优越性,越来越得到人们的认可,球墨铸铁材料的应用已遍及机械系统的每一个行业。我国生产球墨铸铁的厂家众多,2001年中国铸铁件1395万吨,位居世界第一。因此为解决毛面球墨铸铁件的质量检测问题,提高对缺陷检测的灵敏度和分辨力,有必要研制专用探头(曲面晶片聚焦探头),在"水浸超声F扫描自动检测装置"的基础上,运用时频分析技术和可视化技术,构建超声声场自动扫查系统,对球墨铸铁件进行检测。

　　液浸式聚焦探头探伤,声束细,产生散乱反射几率小,信噪比高,灵敏度高,能克服铸件表面粗糙的问题,有利于缺陷的检出。由于声透镜聚焦会在聚焦区域产生相位差,降低换能器的分辨力;同时一次回波干涉作用明显,使得微小缺陷的定位困难。因此曲面晶片聚焦检测方法更有利于球墨铸铁件缺陷的检出。

　　1　曲面聚焦超声波探头的声场特性

　　曲面晶片的厚度膜式振动类似于平晶片的厚度膜振动,但由于聚焦的作用,其轴线上的声压分布不同于平晶片的情况(图1)。曲面换能器的声场可根据惠更斯原理用积分方法求得。

　　2　探头的设计

　　通过分析换能器的暂态特性,可以从理论上计算出压电晶片、背衬和前匹配层(增透膜)的性能参数。

　　2.1　压电材料的选择

　　晶片材料应选择机电耦合系数K较大,机械品质因子Qm较小,压电应变常数d33和压电电压常数g33较大,以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度;居里温度Tc较高,声阻抗Z适当。

　　2.2　压电片的设计

　　根据t=λ2=c2f确定压电片的厚度;而对于球面晶片聚焦探头,它是利用晶片厚度方向振动产生超声波束直接在一定深度范围内聚焦,由于采用具有一定曲率的声源,因此在设计晶片厚度时,一般是把低频的厚晶片手工研磨至合适的厚度,然后再在晶片的两面镀上银层作为电极。

　　根据所算出的T,选择厚度为T的晶片进行加工,得到曲率半径为F的球面晶片(图2)。

　　2.3　背衬设计

　　超声波探头中的背衬有两个主要用途:一是与晶片进行匹配,减少晶片震荡的次数,从而提高探头的频带宽度;二是吸收晶片背向发射的声波,减少探头固有杂波,提高探伤的可靠性。为了得到比较理想的宽带探头,一般要使背衬的声阻抗达到晶片声阻抗的2/3。

　　3　探头的制作

　　3.1　材料选择与晶片设计

　　偏铌酸铅(PbNb2O6)、锆钛酸铅(PZT-5)、铌酸锂(LiNbO3)是厚度模振动性能较好的三种,其中PZT-5的综合性能较好,因此选用的晶片材料为PZT-5。其纵波声速cl为4350m/s,故其在5MHz厚度值为0.435mm,压电片直径为20mm,选择厚度为4.2mm的晶片进行加工,得到曲率半径为55mm的球面晶片。