超声波无损检测技术工艺.doc

超声波无损检测技术工艺 第二章 超声换能器2.2 压电换能器2.2.4超声检测用压电换能器的种类,结构,设计与制作工艺的考虑因素一.超声检测技术中常用压电换能器的种类在超声检测技术中应用的压电换能器是多种多样的,但最广泛应用的是厚度振动型的压电换能器(俗称探头),它受激励而产生的超声波是纵波,然后可以利用超声波的折射特性,通过适当的方法实现波型转换,把纵波转换成其他所需要的波型用于检测.此外,根据激发超声波的工作频谱,可以把探头分为宽频带(窄脉冲)探头(可窄至一周半)和窄频带脉冲探头,前者主要用于要求具有较高分辨力的超声检测,而后者则主要用于如穿透法,谐振法,声振法等的超声检测.在实际应用中,最常见的是根据探头的用途和结构特点来分类,大致上有:1. 普通直探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能而制成的探头,其晶片多为圆形薄片,还可分为液浸法检测用的和直接接触法用的探头2.普通斜探头:由单块压电晶片兼并发射与接收功能,其晶片多为圆形,方形和矩形薄片.其上配有斜楔以改变晶片受激产生的纵波在界面上的入射角,利用超声波的折射特性产生波型转换,从而在检测介质中激发出所需要的波型.它主要用于直接接触法检测,根据所激发波型的不同,可以分为:(1)横波探头:用于对工件内部及表面缺陷的横波检测,例如检测焊缝(2)瑞利波（表面波）探头:用于对具有光洁表面的工件的表面缺陷检测,例如检测叶片表面裂纹(3)板波(兰姆波)探头:用于薄板检测(4)爬波探头:用于粗糙表面工件的近表面缺陷检测(5)可变角探头:可调整纵波入射角以探索适当波型超声波的激发条件以及调整超声波在被检介质中的折射角度此外还有如纵波斜探头及各种适应不同工件需要的专用探头.3.组合双晶探头:由两块晶片分别发射和接收超声波,晶片形状有两块半圆形(分割式),两块方形或两块矩形等.探头上配有延迟块,用以小范围改变纵波入射角以调节超声波进入工件的状态,而且起到延迟阻塞时间,抑制近场干扰等作用,从而显著提高检测的近表面分辨力.两块晶片之间还配置了隔声层以阻隔入射界面上产生的直通波和屏蔽感应电场的干扰(即起到电声屏蔽的作用).按照产生的波型和结构形式,可以分为:(1)组合双晶直探头:包括液浸法检测与直接接触法检测应用的探头,尤其以后者为常用.全部元件组合在一个整体之内,在工件中激励的是纵波-在被检介质中是以折射纵波进行检测的。(2)组合双晶斜探头:用于直接接触法,全部元件(包括斜楔)组合在一个整体内,主要用于在工件中激励横波或瑞利波进行检测。(3)骑马式组合双晶探头:两块晶片分别安置在一个马鞍形的座块两侧,在工件中激励纵波,同时也兼有横波与瑞利波成分,可进行综合波型检测,特别适合于小直径棒材的检测4.聚焦探头:利用声透镜原理或直接烧结而成的曲面形压电晶片,使激励的超声波束能汇聚成细长(或扁长)形状,有利于声能高度集中,从而明显提高穿透性,指向性和分辨率以及信噪比。聚焦探头的种类很多,主要有:(1)接触法聚焦直探头(2)液浸法聚焦直探头(3)接触法聚焦斜探头(4)接触法组合双晶聚焦斜探头(5)接触法可变角聚焦斜探头(6)阵列聚焦探头.等等此外,根据聚焦声束的形状,又可将聚焦探头分为点聚焦,线聚焦,以及特殊的长焦柱等类型.5.其他特殊(专用)探头:随着工业生产的发展,为适应各种不同工件的检测需要,还发展了许多特种探头,它们各自有其特殊的应用场合,如:(1)超声测厚探头:包括常温,中温,高温状态下使用的,接触法或液浸法使用的,不同分辨率的各种测厚探头(2)轮式超声探头:可用于自动或半自动的钢板检测等(3)检测铁路钢轨的超声探头(4)检测工件内孔的超声探头:深入工件孔内进行检测(5)从轴类、螺栓等端面进行检测的小角度纵波斜入射探头(6)用于高温条件下检测的超声探头(7)冲击波探头:产生冲击波进行检测(8)用于特殊部位的反射镜式探头:利用声反射镜改变超声束的投射方向(9)电磁超声探头(10)混凝土检测用探头(11)窄脉冲(高阻尼)探头:可获得特别高的分辨力(12)与计算机配合的相控阵探头或动态聚焦阵列探头(13)可变焦距的阵列探头.等等。随着科学技术水平的不断提高,为适应工业生产应用需求的超声探头品种还将日益增多,例如国外已出现将前置放大器组合到探头内以提高检测信号的输出能量,用于长距离检测,以及适应数字化检测需要等,而且也必然还会有更多更好的专用或特殊应用的超声探头出现.图2.20 普通直探头基本结构示意图二.常见的超声检测换能器1.普通直探头:普通直探头俗称平探头或平直探头，其基本结构如图2.20所示.(1)压电晶片:压电晶片的功能是发射与接收超声波,它是以厚度振动模式振动,激发出纵波.在设计探头时,除了考虑选择适当的压电材料外,还要考虑到压电晶片的尺寸与下述因素有关:谐振频率:在谐振状态下可以获得最大的输出功率,主要由压电晶片的厚度来确定,这可以根据压电材料的频率常数(或声速),预定的中心频率来计算.但是,还必须考虑到压电晶片与吸收块(阻尼块),保护膜粘贴在一起后,由于阻尼的原因而会使原定的谐振频率降低,在超声探头生产厂的经验数字是提高0.3左右的预置晶片厚度,例如5MHz的探头晶片选用6.5MHz的晶片厚度(大约值).指向性:通常选择晶片的直径或边长为传声介质中超声波波长的5-8倍以获得较好的指向性,在一定波长条件下,晶片直径越大,指向性越好,其近似关系有:0=70(/D) 或=arcsin1.22(/D) (圆形晶片,D-直径)0=57(/D) (方形晶片,D-边长)以及:-3dB=29(/D) (圆形晶片), -3dB=25(/D) (方形晶片) -6dB=arcsin0.51(/D) (圆形晶片)式中:0为超声长的半扩散角(指向角,零扩散角),为传声介质中超声波的波长,D为晶片直径或边长,-3dB为偏离声轴的某点声压,比声轴线上相应点的声压低3dB时的半扩散角,-6dB为偏离声轴的某点声压,比声轴线上相应点的声压低6dB时的半扩散角,见图2.21。图2.21 压电晶片指向性与近场示意图近场长度(声压分布不均匀区):这是因为压电晶片激发出的超声波在传声介质中开始传播的一段距离内,声压的分布是不均匀的,有多个极大值和极小值出现,达到一定距离时,声压呈现最后一个最大值,以后即按一定的指数规律单调下降,我们把声轴线上最后一个声压极大值之前的一段范围称为近场区,该近场区的长度有以下关系式: N=(D2-2)/4这是根据连续波理论得出的理论公式,而实际上应用的脉冲波的N值约为该理论值的0.7倍.但是我们仍然可以看出,近场长度与晶片直径和涉及的波长有关.应当注意的是:在压电换能器上,压电晶片是粘贴有吸收块和保护膜的,特别是为了抑制径向振动干扰,在压电晶片的边缘也会灌注有吸收材料,因此压电晶片在作厚度振动时,其有效振动面积的直径是小于晶片名义直径的,称为有效晶片直径,对普通直探头来说,有效晶片直径约为晶片名义直径的0.97倍.近场长度示意图见图2.21。在实际制作压电换能器时,可以直接购买已经商品化的压电晶片,若需要改变压电晶片的尺寸规格时,对单晶材料可使用金刚石刀具(如玻璃刀)进行切割,对于压电陶瓷材料还可以使用锋利的钢刀进行切割.若要修磨厚度时,可使用研磨膏在平台上进行修磨(例如长度计量器具检修用的平台),要特别注意修磨面的平整均匀,否则激发出的超声波的波形与波束会发生畸变.此外,修磨过的压电晶片一般都需要重新涂复电极.压电晶片的处理工艺主要涉及以下四个方面:1压电晶片上电极的涂复:压电晶体是电介质,需要在与厚度方向垂直的两端面涂复电极才能施加电场,用以激发超声振动.涂复的电极层要求薄而均匀,与压电晶片粘结牢固,电极面要平整光滑,而且上下两个电极面要保持平行.涂敷电极的方法可采用烧渗银法,沉铜法以及化学沉银法,真空镀膜法,用导电胶粘贴金属箔等等.下面仅介绍前面两个比较简单的普通方法:烧渗银法:用无水乙醇江压电晶片擦洗干净并干燥后,将配好的银浆涂于晶片两个端面上(不能短路),经烤干(可用红外线灯辐照),再放入烘箱中以100/小时的速度升温至600左右,保温半小时,然后自然降温(随炉冷却).一次涂层厚度不够时,可重复进行第二次涂敷(但要注意:电极层太厚将会影响晶片原有的谐振频率,太薄则影响结合强度和焊接电极引线).银浆配方:氧化银(Ag2O)-重量比为50份或重量100克 氧化铋(Bi2O3)-重量比为0.5份或重量1克硼酸铅Pb(BO2)2H2OPbO3B2O3-重量比为2.5份或重量5克 松香松节油(重量比3:7)-重量比为36份或重量72克松节油-重量比为6份或重量12克 蓖麻子油-重量比为6份或重量10克银浆配制方法:把额定的松香松节油用水浴法以缓慢加热使其融化(注意易燃),把以上各原料按配方称好放入,置于球磨罐(钢,瓷或玻璃器皿)中研磨120小时进行细化并搅拌均匀,磨毕装入瓶中密闭保存,用前应搅拌均匀.沉铜法:把清洗干净的晶片放入氢氟酸(HF)中腐蚀1分钟,取出并用水冲净,放入10%氯化锡溶液中浸润两分钟,取出并用流水冲净,然后放入2%硝酸银溶液中浸润两分钟,取出并在100左右烘干,再放入沉铜液中沉铜15分钟,取出用流水冲净,最后采用电镀法加厚,再抛光即成.沉铜液为原液1000:(5-7)促进剂搅拌均匀混和后使用,原液配方为:硫酸铜(CuSO47H2O)-150克 氢氧化钠(NaOH)-300克 丙三醇(甘油)-0.24克 水-1升将硫酸铜先溶入500毫升水中,加热使充分溶化,冷却至室温,加入甘油搅拌即成甘油铜,将氢氧化钠溶于500毫升水中,在30-40下把甘油铜与氢氧化钠溶液混和均孕(注意防止沉淀).促进剂为浓度36%的甲醛溶液.采用沉铜法在晶片上得到铜电极(晶片边缘要刮除铜层以免短路),铜的比重较大,这种电极对晶片谐振频率的影响要比银电极为大.当采用烧渗银法涂复电极时,由于其过程中有加热工序,对已经极化处理的压电晶片也会产生去极化效果,故采用这种方法涂敷电极的压电晶片需重新进行极化处理.下面以锆钛酸铅(PZT)晶片的极化处理为例:极化温度:将晶片放入硅油中加热到140左右 极化电压:每毫米晶片厚度采用2-3千伏的直流电压极化时间:在上述条件下保持10分钟,然后撤去电压并降温或者在120-150下使用直流3-5KV/mm晶片厚度持续20-60分钟,然后撤去电压并降温.沉铜法的过程中也有热烘干工序,故必要时也应考虑重新对晶片进行极化处理.在极化处理时采用的是直流电压,故被极化的晶片有正负极,有些商品化的压电晶片上有特殊标记注明.在目前情况下,这种极性的存在与换能器在交变信号电压作用下的工作状态有何关系尚不清楚,一般在制作换能器时对正负极引线方法是没有什么要求的,但是对于大功率低频换能器,则有时会提出要求,因为其表现在灵敏度上有不同,可能与极化后晶体排列状态相关.有些换能器制造厂是将晶片极化处理时的负极用于接地,正极用于连接发射信号电压,他们认为,若正负极反接时,对换能器的灵敏度有一定影响,并且有可能在交变电压作用下会有一定的去极化趋势而影响晶片的老化时间(即寿命缩短),但是这些观点尚无明确的试验分析结论证实.2压电晶片电极引线的焊接:压电晶片安置在换能器壳体中,通常将晶片底面接地线,晶片上面接发射电路.电极引线通常使用直径0.2mm左右的细铜线,使用小功率(20W左右)的内热式电烙铁较好,将烙铁头磨成尖圆锥形以减少晶片在焊接时的受热面积,也便于焊成尽可能小的焊接点,以免影响晶片的谐振状态.焊接引线前,应先用无水乙醇将晶片上焊接电极引线的部位清洗干净并干燥,使用松香为焊剂(一般的焊膏含有腐蚀性成分),首先把引线头部用细砂纸(如金相砂纸)打光并吃锡,然后进行焊接.焊接速度要尽可能快并注意散热(当然必须焊牢),以免因热效应的影响造成晶片上局部去极化或者使电极面受到破坏.焊点应尽量小但要牢固,不能虚焊,上下两焊点的焊接面积与体积最好近似一致.焊后再用无水乙醇清洗晶片上多余的焊剂.注意焊后两极不能有短路,焊点位置最好紧靠晶片边沿.焊点的大小与位置对晶片的谐振状态及发射声场形状会否发生畸变有很大的影响,必须予以高度重视.图2.22示出常见的几种焊点位置.图2.22 压电晶片电极引线焊点位置示意图为了减少热效应影响,通常可以采用特制的低温焊锡,其熔点在80左右,其中的配方一例为:锡-重量比为16或9.5%,铋-重量比为38或45.3%,铅-重量比为39或45.2%,镉-重量比为7把上述配好的各金属放入刚玉坩埚中加热熔化在一起,然后冷却即成. 3压电晶片与保护膜,吸收(阻尼)块,声透镜,斜楔等的粘接方法a)使用502快速粘胶粘接b)使用下述配方的粘接剂:618环氧树脂-100克 + 二乙烯乙胺-8克 + 邻苯二甲酸二丁酯-10克或者: 环氧树脂-100克 + 邻苯二甲酸二丁酯-10克 + 三乙醇胺-6克 + 间苯二胺-15克c)当接地极采用金属环或金属箔时,晶片与金属环或金属箔的粘接需要使用特殊的导电胶进行粘接(含金属粉末的胶粘剂)粘接时应注意粘接面间不能有空气隙存在,粘合面要平整均匀,而且粘合层应越薄越好.还应当说明的是:目前,为制作换能器而对压电晶片所做的上述处理,已经多数由专业化工厂进行,一般工厂制作换能器时则直接购买商品化的晶片,对于商品化晶片质量的鉴别主要可以采用下述方式:a)用频率特性测试仪或频谱仪等测试晶片的固有谐振频率b)把晶片焊上电极引线后直接接入探伤仪,并将晶片耦合在平面试块上,观察探伤仪示波屏上出现试块底面反射回波次数的多少(在一定灵敏度下),底波次数越多,杂波越少,将意味着该晶片的灵敏度越高-这是一种相对比较的方法.(2)保护膜保护膜的功能是避免晶片与工件直接接触而磨损晶片,同时也保护晶片不被碰伤,还作为中间介质以改善透声性能.对用于液浸法检测的探头还可保护晶片不受液体(水)的影响,包括电极间的绝缘性,以及有的单晶材料遇水会发生潮解变质.1选择保护膜材料的考虑因素:主要有耐磨性(硬度),耐冲击能力(强度),对超声能量的衰减大小以及与晶片和传声介质的声阻抗匹配（透声率）。保护膜作为中间介质,其声阻抗与晶片和传声介质的声阻抗要匹配以改善透声性能,它的理论匹配公式(最佳条件)为: Z保=(Z晶Z介)1/2 (这是以连续波为条件时的情况,脉冲波的情况参考该条件)式中:Z保为保护膜声阻抗,Z晶为晶片声阻抗,Z介为传声介质(工件或液浸法时使用的液体,例如水)声阻抗.常见的保护膜材料有硬膜和软膜两大类,硬膜主要是刚玉(氧化铝),钢,陶瓷,碳化钨,以及有机玻璃,尼龙,丙烯酸树脂,环氧树脂,含硅砂塑料等等,软膜主要是塑料薄膜,橡胶膜等,通常在软膜与晶片之间还会充填油液,有利于与粗糙表面的吻合,不过,使用软保护膜的换能器其灵敏度通常会低于使用硬保护膜的换能器,而硬膜是与晶片直接粘贴在一起的.要注意加上保护膜后(特别是硬膜),将使晶片的谐振频率降低.(这里是按脉冲波考虑的)2保护膜厚度的确定:除了考虑显而易见的耐磨性(影响探头的使用寿命)外,很重要的因素是其透声率问题.在图2.23中,设第一介质的声阻抗为Z1,第二介质的声阻抗为Z2,第三介质的声阻抗为Z3,第二介质的厚度为t,第一和三介质为半无限介质,声波垂直于界面透射,则透过声波的声强I3与入射声波的声强I1之比是透过系数T,因此有: 式中:k为第二介质中的波数,k=2f/C2,C2为第二介质中的声速,f为频率当:a)Z1Z3时,如果t=2/4或2/4的奇数倍,则:T=4Z1Z3Z22/(Z1Z3+Z22)2图2.23 声波经三层介质垂直透射令Z2=(Z1Z3)1/2 (最佳条件),可得T=1,即第一介质中的声能全部透入第三介质。b)Z1=Z3时,有:令Z1=Z2=Z3,则有T=1,或者令t=2/2或2/2的整数倍,则T=1,或者令kt1,则T1,亦即使中间介质层尽可能地薄对于第三种情况可分析如下:当Z1=Z3,而Z2Z1时,(Z2/Z1)+(Z1/Z2)2(Z2/Z1)2,由于kt1,则coskt1,sinktkt,因此:若要T1,则 Z2kt/2Z1必为一微小量(即kt0),令:rp=Z2kt/2Z1,而且要求rp0,则: rp即声压反射率又:t=(2rpZ1/kZ2)=(rpC2/f)(Z1/Z2)=(rp2/)(Z1/Z2),C2为中间介质层中的声速.因此,在要求一定透声程度(此时rp也必然为一定)时,中间介质层厚度t与频率成反比而与(Z1/Z2)成正比,若中间介质层的声阻抗比周围介质的声阻抗大的越多,显然厚度t应当越薄.当Z1=Z3,而Z2Z1时,(Z2/Z1)+(Z1/Z2)2(Z1/Z2)2,由于kt1,同样coskt1,sinktkt,因此:rp=(Z1/2Z2)kt=(tZ1/2Z2)1 t=rp2Z2/Z1同理,若中间介质层的声阻抗比周围介质声阻抗小得多,则其厚度也必然应当越薄.由此可见,在充分兼顾强度,耐磨性和声阻抗匹配的情况下,保护膜越薄越好(同样可以证明在Z1Z3的情况下,也是kt越小则T越大).据中科院声学所的研究认为,在脉冲波的情况下,甚至达到/8为好.3保护膜与晶片的粘接好坏会直接影响发射声场的指向性和均匀性,如果存在局部脱粘,保护膜本身两面不平行,保护膜破裂,局部磨损等现象时,将使发射的超声波束发生畸变(弯曲变形),导致换能器灵敏度降低,分辨率恶化等等,这样的换能器就应该报废.因此,对保护膜本身要求两面严格平行和平整,而且要求与晶片的粘接层要薄而均匀并且粘接牢固,其间不能存在空气隙或杂质.通常用粘接剂把保护膜与晶片粘合后应在一定的均匀压力下放置24小时,再在60-80下烘干4小时左右(注意温度过高会引起晶片去极化).晶片粘接上保护膜后,由于整体质量加大,会降低晶片的固有谐振频率,但是同时也抑制了晶片的径向振动,降低径向机电耦合系数,在这方面有着重要的作用.在实际应用中,当探头上的刚玉(氧化铝)保护膜破损而又必须要考虑修复使用时,可采用下述的去胶剂把残留的保护膜去除:二氯甲烷 85.3%吡啶 2%丙酮 5%磷酸 0.5%石蜡 1.2%乙酸 1%甲酸 2%按上述配方(其中有毒害品,使用时应注意安全)配制去胶剂,或采用其他适当的去胶剂,用棉纱或棉花沾湿置于晶片上破损的保护膜处浸润2-3小时,原胶层将能脱落下来,然后进一步将晶片表面清洗干净后,即可重新粘贴上新的保护膜.液浸探头多采用环氧树脂,丙烯酸树脂等作保护膜,也可以不用保护膜而直接裸露晶片(必须是不会潮解的压电材料,以及保证不会造成两电极间短路),从而简化了声阻抗匹配问题.(3)吸收(阻尼)块吸收块主要有以下三个方面的功能:1作为支持(支承)晶片的背衬材料2吸收晶片向背面发射的声波和抑制杂波3吸收(阻尼)晶片的振动能量,缩短晶片的振铃时间(自由振荡或所谓的余振,尾振),使晶片被发射脉冲激励后能很快停止下来,起到降低机械Q值(Qm)的作用,以保证波形不失真和分辨率的要求.超声检测仪对压电换能器施以高频电脉冲(电振荡信号),将激励晶片振动而产生超声波,当施加的电振荡信号停止后,由于晶片存在的惯性作用,晶片还要维持一段时间的振动才能逐渐恢复静止状态,这种情况对超声检测是不利的,因为实际检测中要求晶片振动后能立即恢复静止状态以接收回波信号,或者迎接下一个激励脉冲的到来,晶片的继续振荡将阻塞回波信号的接收或下一个激励脉冲的激发,结果降低了分辨率,增大了检测盲区.在接收状态下,晶片的这种继续振荡也导致波形失真.在超声检测中,为了获得较高的分辨率和减小检测盲区及波形畸变,一般都希望发射的超声脉冲在满足功率要求的情况下尽可能地短,要获得这样的窄脉冲,除了激励源电路产生电脉冲的宽度要尽可能窄以外,还要从探头结构上考虑,即采取加大阻尼的办法,当阻尼不充分时,探头因为出现振铃现象或处于宽脉冲(窄频带)的工作状态,从而导致低劣的分辨率和增大了检测盲区(即界面下的模糊区域),而且还可能出现因为材料,耦合剂引起的波的干涉造成干扰,影响超声脉冲的形状等等.还有一个方面,就是晶片做厚度振动时,是向前后两个方向同时发射超声波能量的,向前发射是我们所需要的,而向后发射的声能被晶片背衬支承物反射回到晶片时就会造成干扰,所以也要通过吸收块来加以抑制.综上所述,要克服和改善这些缺欠,主要是在晶片背面加上高阻尼的吸收介质-吸收块,当吸收块的声阻抗等于晶片的声阻抗,并且其超声衰减系数越大,则效果最好.因为在这样的条件下,晶片背面发射的超声波不会在晶片与吸收块界面上就产生反射,而是顺利进入吸收块并将其能量吸收掉.应当指出:加入吸收块的效果固然能使脉冲变窄,提高检测分辨率,减小检测盲区,减少波形畸变,但它是以降低机械Q值,降低辐射功率,牺牲检测灵敏度为代价的,在设计制作探头时要根据实际需要综合考虑.吸收块的设计与制作,其关键是成分的配比及制作工艺,它对探头性能的好坏有着重要影响。吸收块主要由散射微粒（如钨粉、铈钨粉、胶木粉、聚硫橡胶粉、二氧化铅粉、二硫化钼粉等）和声吸收材料（起到粘结、固定和声吸收作用，如环氧树脂），此外,作为制作工艺上的考虑,还适当加入增塑剂（如邻苯二甲酸二丁酯）和固化剂(如乙二胺,二乙烯三胺)等等组成。吸收块的密度越大，声衰减越大，阻尼吸收作用越强，而吸收块的声阻抗越接近晶片的声阻抗则透声率越好，从而可以起到良好的吸收作用。吸收块的成分组成主要有以下几种方式:a)钨粉+环氧树脂b)钨粉+二氧化铅粉(注意有毒)+环氧树脂c)钨粉+聚硫橡胶粉+环氧树脂d)二氧化铅粉(注意有毒)+聚硫橡胶粉+环氧树脂e)胶木粉+环氧树脂f)环氧树脂+红色氧化铅粉(PbO,注意有毒,200-400目化学分析纯):红色氧化铅的粘滞衰减吸收声能力很强,而且与环氧树脂在一起构成的声阻抗与有机玻璃差不多,有利于制作声陷阱,在制作背衬时常采用分层制作,第一层贴近晶片为钨粉,上面第二层则用氧化铅).等等.这些配方的实质是散射微粒+声能吸收材料(粘滞系数较大的材料),吸收块整体的声阻抗则与声速,密度及固化程度等有关.在这些组成中,钨粉,胶木粉等主要起散射质点的作用,环氧树脂起到粘结,固定和声吸收作用,而二氧化铅,橡胶粉等则综合了散射质点与声吸收的作用.散射质点的粒度一般要求越细越好,因为散射质点越小,声波散射越均匀,散射声波的路径越长越复杂,从而有利于声吸收,可以大大减少对晶片的散射杂波干扰。下面给出部分吸收块的配方示例(除注明外均是重量比):a)钨粉 2-4,环氧树脂 1,无水乙二胺 0.07,邻苯二甲酸二丁酯 0.15b)钨粉 35克,环氧树脂 10克,二乙烯三胺 0.5-1克,邻苯二甲酸二丁酯 1克还可再加入微量聚硫橡胶粉.制作时先将环氧树脂加热熔化,加入上述配料(除固化剂外)后充分搅拌均匀(注意不要将空气卷入形成气泡),再滴入固化剂(乙二胺或二乙烯三胺),快速搅拌均匀(不能有气泡产生),然后即可用于灌制吸收块(预先制好吸收块模具).c)环氧树脂 1,工业钨粉 0.5-0.7,邻苯二甲酸二丁酯 0.1-0.3,乙二胺 0.07-0.08d)橡胶粉 60%,钨粉 30%,环氧树脂 10%,再加入适量的邻苯二甲酸二丁酯和乙二胺e)HP856树脂 100%,钨粉 5-15%,橡胶粉 6%,再加入适量的增塑剂和固化剂,用该配方灌制的吸收块固化后应能使上层为树脂,中层为橡胶粉,底层为钨粉时效果最好,这可以采用离心机处理得到.f)钨粉 63%,环氧树脂 32%,邻苯二甲酸二丁酯 3%,无水乙二胺 2%,在小坩埚内先将环氧树脂和邻苯二甲酸二丁酯搅拌均匀,再加入钨粉搅拌,最后加无水乙二胺调配均匀后灌入探头壳体内晶片背面,注意不要流到晶片正面造成污染.g)环氧树脂 3克,二硫化钼(起分层隔绝作用) 2.5克,邻苯二甲酸二丁酯 0.45克,乙二胺 0.24克h)钨粉 35克,环氧树脂 10克,二乙烯三胺 0.5克,邻苯二甲酸二丁酯 1克以上配方仅是部分实例,就钨粉而言,除了工业钨粉,化学分析纯钨粉,还有使用制造白炽灯泡灯丝的铈钨粉,实际上对于不同的探头要求,还需要做大量的实验研究工作寻求各种最佳配方.例如液浸法检测用的探头与接触法检测用的探头,其传声介质不同,声辐射阻抗也不同,故它们吸收块的配方也不同.为了更有效地抑制晶片的径向振动干扰,也有在晶片与壳体的间隙中充填特殊配方的阻尼材料(与吸收块配方不同).对于要承受较大冲击力或大辐射功率的探头,要求分辨率高的探头等,其吸收块的配方可选择固化程度大(硬度高)的为好,若是只考虑声吸收作用要大时,则可配制硬度小些的吸收块,时超声波在其中受到较大的粘滞衰减,例如呈凝胶状甚至不固化的稀糊状吸收块(软吸收块)等等.吸收块的灌制方法大体上可分为两类:a)粘合法:首先用模型灌制出所需形状的吸收块并固化,然后在于晶片粘合到一起,这种方法要求吸收块与晶片贴合的面要高度平整,此外在固化后的吸收块上安置晶片电极引线也不方便,但其最大优点是避免了吸收块从流体到固化过程中体积收缩容易使晶片(特别是大直径晶片)发生翘曲变形甚至破裂,而且也比直接灌制方法的粘接质量高.b)直接灌注法:首先把晶片平稳地置入探头壳体内并将电极引线布置好,然后将流体状态的吸收块以底注法(即从最底面-晶片与吸收块的接触面开始)灌注,灌注好后即进行固化,这种方法对操作工艺要求比较严格,否则容易把晶片位置弄歪,压断或压外电极引线(引起短路),与晶片粘贴的间隙不均匀(有空隙或局部未粘牢),在晶片直径较大而且较薄(如大直径高频探头)的情况下,吸收块从热流体状态至冷固化状态转变过程中的收缩力不均匀而使晶片翘曲变形甚至破裂等等,在灌注时还要注意晶片边缘与壳体内壁间的空隙也应填满吸收材料以抑制径向振动干扰.具体的灌注工艺如下例:首先把环氧树脂加热到100左右,再加入钨粉等配料和增塑剂,搅拌均匀,注意不要产生气泡和结块,然后滴入固化剂(若制作软吸收块时可不加或少加固化剂),搅拌均匀,在60-80温度下灌注.在搅拌和灌注过程中,为保证有适当的流动性,温度不能下降太块,可以在红外线灯(例如125W红外线灯泡)辐照的条件下操作(操作时应注意烫伤防护).对于硬吸收块,在灌制后将探头壳体倾斜10-15,在20左右的温度下静置12天让其自然固化,或者置入恒温干燥箱中快速固化.对于软吸收块,灌制后要将探头壳体上方用环氧树脂密封并固化封口.硬吸收块上表面倾斜10-15并尽量成波浪式或粗糙表面,这样有利于晶片背向发射的声波更好地散射,加长了声路,在吸收块中能被充分吸收,避免散射波返回到晶片造成干扰.此外,若能使吸收块中散射质点的密度在晶片附近大些,随着逐渐远离晶片,其密度逐渐变小,这样获得渐变的声阻抗特性,有利于吸收块与晶片的声阻抗匹配,这在工艺上通常可以采用离心机-在探头灌注好吸收块而又未固化时即放入离心机进行高速离心处理,具体处理的工艺参数则要视具体情况由试验确定.在灌制吸收块时注意不要损伤或弄乱电极引线(特别是带匹配电感线圈的情况下),吸收块的高度一般不宜超过晶片直径,否则阻尼太大(这是对普通接触法直探头而言的).此外,再加入固化剂时,吸收块材料的温度不宜太高,否则固化剂会强烈挥发(冒烟)而影响固化效果和吸收块的内部质量,固化剂的用量一般不宜超过环氧树脂用量的7-8%,太多则容易固化不均匀,太少时又使固化不充分.(4)探头壳体以及与超声仪器的电阻抗匹配壳体的功能是将压电元件、吸收块、保护膜以及导线等包容组合成整体以便于使用，壳体上装有插座，便于通过探头电缆与探伤仪连接。为了使探头谐振频率能与超声仪器发出的电脉冲激励频率达到最好的配合,需要考虑探头的电阻抗特性,不同的压电材料有不同的电阻抗特性,而且还有吸收块的电阻抗特性存在,因而需要综合考虑电阻抗匹配问题,大体上可以有以下几种方式:1在吸收块内或探头壳体内装入匹配电感,如图2.20中为串联电感,也可以为并联电感.图2.24 超声仪中与探头匹配的电感和电容2在超声仪器发射电路输出端(仪器壳体内)装置匹配电感,如图2.24所示3在超声仪器发射电路输出端(仪器壳体内)装置匹配电容,如图2.24所示注:也有些探头制造厂时把这种匹配电感或电容装入探头壳体内甚至埋入吸收块内固化成整体,探头的壳体功能则是包容整个探头起保护作用和便于使用,并在壳体上装有插座便于用探头电缆与超声探伤仪连接4对于阻抗高的晶片,例如石英,硫酸锂,碘酸锂等压电单晶材料,壳采用升压变压器形式匹配,如图2.25左图,对于阻抗低的晶片,例如压电陶瓷材料,可采用降压变压器形式匹配,如图2.25右图图2.25 变压器形式的阻抗匹配注:加入匹配线圈,只要匹配得当,可以明显提高探头的灵敏度甚至谐振频率,因此是很重要的一种工艺方法 (5)探头连接件探头与超声仪器之间的连接是通过插头插座以及同轴电缆线实现的,同轴电缆线的结构是中心导线为铜线(单股硬线或多股软线),外面包有塑料绝缘套,在此套外面再包有细铜丝编织的铜网作为并行线,铜网外面再包有塑料或橡胶绝缘外皮,随电缆线的阻抗不同,常见的有50和70两种,注意电缆线的阻抗也会对探头与仪器的匹配性能有影响.连接用的插头插座有多种类型,常见的型号有:L-螺扣型,Q-插扣型,C-插入型,一概字母为首代表插头(插座)的型式,后面附以数字表示插头的直径,例如:L16-L16:两端均为直径16mm螺扣型插头的电缆线L16-Q9:一端为直径16mm螺扣型插头,另一端为直径9mm插扣型插头的电缆线以此类推,常见的电缆线还有:Q9-Q9,L16-C9,L8-L16,C9-C6,C9-C5,L16-C6,Q9-Q6,C9-L5.等等(6)普通直探头的型号命名方法根据我国ZBY344-85的规定,对于普通直探头按下述方法命名,例如:2.5P20 名义中心谐振频率2.5MHz,PZT压电材料(锆钛酸铅),晶片直径20mm即第一项数字表示名义中心谐振频率值,单位MHz,第二项为字母,代表压电材料的种类,第三项数字表示晶片尺寸,单位mm.常见压电材料种类的表示符号有:P-锆钛酸铅材料(PZT),B-钛酸钡材料,Q-石英,N-其他压电材料2.普通斜探头普通斜探头的基本结构如图2.26所示.图2.26 普通斜探头基本结构示意图压电晶片的功能与直探头相同,用以发射和接收超声波.吸收块的功能除与直探头情况相同外,还增加一项吸收斜楔中楔内回波的功能,以防止楔内回波对晶片的干扰对于斜探头,重要的考虑因素之一就是斜楔的设计:斜楔又称波型转换器,它的功能是把压电晶片激发出的纵波以一定角度倾斜入射在斜楔底面与被检工件表面之间的界面上,由于超声波的折射特性,不仅改变超声波进入工件中的传播方向,而且在适当角度时能激发出新的波型以满足检测需要.斜楔的设计有以下几个主要考虑因素:(1)斜楔材料的选择1斜楔材料的纵波声速:斜楔与利用折射原理的波型变换直接相关,根据斯涅尔定律有:C1/sin=C2/sin,式中:C1为斜楔的纵波声速,为纵波声束轴线的入射角,C2为工件中激发的新波型超声波的声速,视波型不同而不同,为折射声束轴线的折射角.由于通常利用斜探头激发横波,瑞利波,兰姆波,爬波等,它们的声速均低于纵波声速,即折射角大于入射角才便于应用,故一般要求斜楔材料的纵波声速低于被检介质的纵波声速（在某些特殊应用场合，也需要采用纵波声速高于被检介质纵波声速的材料制作，例如金属斜楔）,而且斜楔材料应具有声速各向同性的特点,可以不受加工方向的影响.在常温下常用的斜楔材料主要有:有机玻璃 CL=2730m/s聚苯乙烯 CL=2300m/s尼龙101 CL=2310m/s聚碳酸酯 CL=2220m/s聚枫(PSF) CL=2250m/s 有声速各向异性.等等2斜楔材料的声阻抗:考虑到超声波透声率的因素,应使斜楔材料的声阻抗尽量与被检介质的声阻抗相近,减小声反射率,提高透过率,上面所述的常温下常用斜楔材料的声阻抗为:有机玻璃 Z=3.24x106Kg/m2s聚苯乙烯 Z=2.42x106Kg/m2s尼龙101 Z=2.4x106Kg/m2s聚碳酸酯 Z=2.4x106Kg/m2s聚枫(PSF) Z=2.67x106Kg/m2s 有各向异性,但作为斜楔效果较好3斜楔材料的声衰减:为保证透声性要求,斜楔材料的超声衰减系数应尽量小为好,上述材料的常温下纵波衰减系数为:有机玻璃 =0.87dB/mm聚苯乙烯 =0.3dB/mm尼龙101 =1.52dB/mm聚碳酸酯 =3.28dB/mm聚枫(PSF) =1.24dB/mm4斜楔材料的加工性能:斜楔材料应具有良好的加工性能,便于加工制作,而且也应兼顾经济效益(材料价格与加工费用).除了上述四方面外,在特殊应用场合,有时也要采用金属斜楔,如钢,铝,铜等材料,用以满足特殊检测时对斜楔的声速,声阻抗等要求,例如利用钢斜楔实现对钢工件斜入射纵波检测.(2)斜楔形状的设计斜楔材料确定后,关键的问题即是设计斜楔形状,除了保证所需的入射角外，特别要注意使得晶片发射的超声波在斜楔底面上反射的部分不致因楔内反射返回晶片而造成干扰-称为楔内回波干扰，这种干扰会导致始波占宽太大而影响近表面分辨率。斜楔形状的设计应使楔内回波走向死角,经多次反射,散射而衰减消耗掉.为了提高消除楔内回波的效果,还可在斜楔端面,顶面上设置声陷阱,贴附吸声材料(如吸收块等),把到达斜楔端面或顶面上的声能吸收掉(见图2.26).图2.27示出一种典型的斜探头斜楔(称为K形斜楔)并标出了楔内回波的声路和声陷阱.图2.27 典型斜楔示意图图2.27中斜楔端面和顶面加工成锯齿形侧面作为声陷阱,入射角值视斜探头具体要求确定,当需要应用折射纵波时,角在0-I/2(I为第一临界角)以内,因为入射角超过第一临界角的一半后,折射横波分量已明显增强,并且随入射角的继续增大而不断加强,折射纵波分量则明显减弱下去,当需要应用折射横波时,角在I与II之间(II为第二临界角),当需要激发瑞利表面波时,则角大于II.等等.斜楔上晶片发射纵波的声轴线与斜楔底面的交点是对被检测工件的声束入射点,入射点到斜探头前端面的距离L称为探头前沿距离或前沿长度,简称探头前沿.(3)斜楔与晶片的粘合可采用适当的粘合剂(如502胶,环氧树脂等),把晶片直接粘贴在斜楔的斜平面上,粘贴时注意粘合层中不能有空隙,杂质等存在,并且粘合层应越薄越好,粘合后可用红外线灯辐照干燥或在常温下固化.对于整体式斜探头,可在将斜楔与晶片粘合后置入斜探头壳体内,然后灌注吸收块.有的斜探头采取可拆卸式结构,其实质是直探头与斜楔的结合,晶片与斜楔的斜平面间施以工业凡士林,黄油,润滑脂,机油等耦合剂并将两者压平压紧即可.图2.28 可变角斜探头基本结构示意图(4)可变角斜探头在实际应用中,往往需要在确定检测工艺时选择合适的入射角度,为便于选择这种工艺参数,可以把斜探头制成入射角度可调整的结构,通常是把晶片安装在一个半圆块上,它可以绕轴旋转,该半圆块再通过耦合剂与斜楔配合在一起,如图2.28所示. (5)斜探头的型号命名方法例:2.5P8x12 K2 这是横波斜探头第一项与第二项的意义与直探头相同,第三项是晶片尺寸(长x宽),单位mm,第四项表示该探头在钢中激发横波折射角的正切值为2例:2.5P10x12 S40 这是横波斜探头第一至三项意义与上述相同,第四项表示斜楔中纵波入射角为40例:2.5P8x8 BM 这是表面波斜探头，也有的表示为例如5P8x8 S62，这里62为入射角注意:当斜探头上第四项标注为角度时,我国与前苏联的标注意义是斜楔中的纵波入射角,而日本和欧美的斜探头上标注的则是钢中声轴线折射角.此外,我国斜探头上标注的K值时表示钢中横波折射角的正切值,商品化斜探头的K值系列常见的有1,1.5,2,2.5,3,但是由于探头制作装配工艺上的误差或偏差,斜楔材料的声速偏差以及被检测介质的声速差异,这些标注的K值仅仅可以作为参考值,在实际应用时还必须具体校验,而且在使用过程中随着斜楔的磨损,K值以及探头前沿(入射点)都会有变化,必须注意经常校验.图2.29这里给出民用液化气钢瓶焊缝超声检测用横波斜探头结构的一个例子(图2.29),它用于厚度2.5-3mm钢板,直径320mm的民用液化气钢瓶焊缝检查.它的压电元件为PZT,晶片尺寸8x8mm,名义中心谐振频率2.5MHz,入射角54.6,晶片与斜楔采用502胶粘合,吸收块配方为:6101环氧树脂1克,钨粉3-4克,间苯二胺(固化剂)0.5-0.7克.3.组合双晶探头(1)普通组合双晶直探头,见图2.30图2.30图2.30中的L为两晶片中心距离,晶片形状有方形,矩形或半圆形,为入射角(范围一般均在0-12),d为晶片中心至延迟块底面的距离,即延迟块厚度,f为假定两晶片同时发射超声波(双发双收)时,工件中两个折射声束的声轴线交会点(此处声压最大)至检测面的距离.压电晶片一片为发射元件,一片为接收元件,吸收块功能也与前述直探头的吸收块功能相同.延迟块一般用有机玻璃制作,其功能除了调整纵波入射角外,其厚度的存在能延迟脉冲发射的阻塞时间,并把一部分近场区落在延迟块内,可以显著提高近表面分辨率,这是组合双晶探头的重要特点。此外，由于采用一发一收方式工作，使超声波的声路有所调整，也可以明显提高检测信噪比。隔声层一般用厚度1mm左右的软木制成,其功能是防止发射的超声波在界面上直接反射到接收晶片上,即可以阻断直通波,此外,在隔声层靠发射晶片一侧,常贴附一层接地的金属箔,可以阻止振荡电脉冲对接收电路的感应干扰.因此,隔声层的功能主要是起到电声屏蔽的作用. 组合双晶探头常用“焦距”这个概念来表示在被检测介质中检测灵敏度最高的位置，这里所述的焦距与光学聚焦或声学聚焦（如聚焦探头的聚焦）并无相同意义。这里的焦距是指一发一收状态下工作时，由于主声束指向性的关系而使检测灵敏度最高的位置所在。为了直观地说明这个问题，通常是用双发射状态下两个晶片发射声束在被检测介质中折射声轴线的交会点来表示。即：组合双晶探头的焦距: 这是折射纵波声轴线交点处的焦距,实际上,组合双晶直探头在检测介质中有四个交点(图2.30),因为纵波是倾斜入射,在界面上折射时还分解出折射横波,于是出现四个交点（纵波-纵波，横波-横波，纵波-横波，横波-纵波），这些焦距分别为:fLL=f=(L-2dtg)/2tgLfLS=fSL=(L-2dtg)/(tgL+tgS)fSS=(L-2dtg)/2tgS还有所形成的四边形（棱形）的半宽度：b=(L/2)-dtgtgL-tgS/(tgL+tgS)以上公式是用于接触法检测的情况(耦合层很薄,其影响可以忽略不计).但是,在采用液浸法检测时,声束经过一定的耦合层（水层）射入被检工件,它还要经过一次折射才能相交,因此,被检工件内的焦距f就成为:式中:为发射,接收晶片的倾角(即入射角),L为两晶片中心距离,d为延迟块厚度,h为耦合层厚度(延迟块底面到探测面的距离),CL1为延迟块内的纵波速度,CL2为耦合剂内的纵波速度,CL3为被检工件内的纵波速度,f为fLL组合双晶直探头的晶片倾角一般较小(通常不大于12),这是因为它主要应用折射纵波检测,而入射角在第一临界角一半以内时,折射纵波分量较强,而折射横波分量很弱,通常可以忽略,故就焦距而言也一般只考虑fLL的情况，简称为焦距。此外,组合双晶探头的焦点是以双发双收的条件下通过几何作图确定,以及根据上述公式计算出来的,实际应用中最常用的是一发一收的条件,因此其焦点的实质应该是两晶片指向性主瓣轴线的交会点,使用焦距概念的目的是为了表明两晶片指向性主瓣交会区是灵敏度较高的区域,并以焦点处的灵敏度最高,习惯上把焦点处回波声压定为零分贝时（对于一定尺寸的几何反射体）,焦点上下左右回波声压降低6分贝的点所构成的区域称为组合双晶探头的灵敏区,当反射体超出该区域范围时,接收灵敏度将显著下降.对于不同倾角和不同压电材料,不同结构以及不同的制造工艺所制成的组合双晶探头以及在不同检测介质中和不同的发射功率及接收灵敏度下,其焦距和灵敏区大小是不同的,加上使用过程中延迟块有磨损,故组合双晶探头的焦距与灵敏区是必须经常校验的性能指标之一(通常是在试块上通过测定距离-振幅曲线来确定).普通组合双晶直探头的型号命名方法如下:5P10x12x2 F15:第一,二,三项意义与斜探头的命名方法相同,第四项x2表示双晶片,第五项F15表示在接触法检测条件下钢中焦距fLL为15mm2.5P10x12x2 S7:第一,二,三,四项意义同上,第五项S7表示该双晶探头的晶片倾角(入射角)为7(2)骑马式组合双晶探头: 见图2.31图2.31 骑马式组合双晶探头结构示意图骑马式组合双晶探头是特别用于小直径(一般在直径40毫米以下)棒材的专用探头.把两块晶片或两个直探头安装在有机玻璃制成的鞍座上,鞍座下的圆弧面与被检棒材的圆周面相吻合(之间有耦合剂),鞍座中心有隔声层,其功能与上述组合双晶探头相同,不过多是空气隙。晶片指向性主瓣的中心轴线交汇在棒材圆心上，两晶片中心轴线的交角多取60-70为宜（交角小一些则有利于减小棒材靠近探头的低灵敏区，但若太小则又会影响远区灵敏度）。骑马式组合双晶探头的一个很重要的特点是晶片发射波的中心声轴线通过棒材截面圆心,我们知道这显然透射的是纯纵波,但向晶片中心两边延伸部分相对于棒材圆周面的入射则不能通过圆心,有逐渐变大的入射角,在界面上会有折射及波型变换产生.因