小孔径扩散焊质量检测用超声换能器的研制

　　双金属转子复合层是由铜和钢通过扩散焊连接,对于复合层连接质量的检测,目前最常用的方法是超声检测[1-4].但是由于铜和钢的声特性阻抗接近,所以在铜和钢界面上声反射率很低.为了提高超声信号信噪比和超声成像检测分辨率,必须采用高频聚焦换能器,压制表面波的反射幅度,提高界面波的反射波幅度,从而对扩散焊的连接质量给出客观评价.另外,由于转子内孔孔径小、铜层薄,针对此类扩散焊检测,在超声换能器研制过程中,必须满足这些特定要求.

　　因此,本文针对双金属复合层内孔的检测,研制了水浸式既发又收的高频聚焦超声换能器,其主频为8~10 MHz,用于对扩散焊连接质量进行评价的全自动超声成像检测系统中.

　　1 参数设计

　　1.1 压电片和背衬

　　压电材料选用综合性能较好的锆钛酸铅(PZT-5)[5].

　　为了得到较高的效率,须使压电片在共振状态下工作,此时压电片厚度为1/2波长:

　　其中,t是压电片的厚度,f是探头的设计主频率,c=4350m/s为压电片(PZT-5)中的纵波速度.根据公式(1),设计主频率为10 MHz时,厚度值为0.218mm.

　　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.PZT-5压电片的声特性阻抗ZP为:

　　式(2)中,ρ=7.75g/cm³,c=4350m/s.因此要求背衬的声特性阻抗应达到22.5x10⁶kg.m^-2.s^-1左右.

　　背衬材料采用环氧钨粉,即用钨粉作为填料掺入环氧树脂,经过固化后形成的一种材料.在环氧钨粉中,固化的环氧作为框架,提供材料的杨氏模量,也决定了材料的声速,钨粉颗粒作为填料,提供了材料的高密度,同时也对声波进行散射和吸收.

　　1.2 聚焦的实现

　　图1所示为超声波聚焦到铜和钢界面的示意图.在内孔的检测中,由于水和铜声速的不同,使得铜层相当于平面换能器的聚焦声透镜.

　　由于声波波长的有限性,导致了声波的衍射,使得会聚镜面的曲率中心和在声轴上的波动焦点的不同.即焦点的位置并不能按照光学折射定律来计算,而是应该按照声程相等的概念进行计算.

　　声程相等,即将换能器表面看成一系列半径不等的圆环声波带,由于两种介质声速不同,所以经不同路径传播的各波带的声波能够同相到达焦点处,或者相差1/4个周期相位之内达到焦点,产生衍射极大,达到聚焦的目的[6-9],形成聚区附近的聚焦声场分布.

　　为验证设计的可行性,利用动态数字光弹仪做了模拟实验.动态数字光弹仪是利用动态光弹法研究固体中超声波传播和散射声场等,并且能对数字化图像进行处理[10-11].