專利名稱：不解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋超聲波檢測專用超聲波探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及檢測螺栓疲勞裂紋時(shí)所用的檢測裝置，特別涉及一種不解 體螺栓螺紋根部疲勞裂紋超聲波檢測專用超聲波探頭。
技術(shù)背景存在于螺栓螺紋根部的疲勞裂紋，對(duì)重要構(gòu)件、設(shè)備的危害相當(dāng)大，正確、 高效、低成本地對(duì)螺栓螺紋根部的疲勞裂紋進(jìn)行安全檢測，是保證鐵道機(jī)車車 輛、橋梁等重要金屬構(gòu)件、設(shè)備安全的重要一環(huán)。長期以來，在不拆卸螺栓的前提下，檢測螺栓螺紋根部的疲勞裂紋始終是 個(gè)難題。雖然，螺紋根部產(chǎn)生的缺陷較之鍛件、鑄件及焊接件等單一，即螺紋 根部只存在疲勞裂紋，但由于其形狀的復(fù)雜性，以及各種常規(guī)檢測方法的局限 性，給檢測工作帶來了一定的難度。目前，常規(guī)的無損檢測方法主要有五種磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、 射線檢測及超聲波檢測。通過長期實(shí)踐表明，磁粉檢測、滲透檢測及渦流檢測 均不能解決此問題。理論上射線檢測雖可以進(jìn)行試驗(yàn)，但其要求的檢測條件相 當(dāng)苛刻 一是要求疲勞裂紋有一定的深度；其次要求螺栓必須解體后方可對(duì)螺栓整個(gè)一周的圓周面進(jìn)行拍片或工業(yè)成像觀察；三是檢測成本太高。而螺栓，尤其是在役設(shè)備的螺栓通常情況下是不能解體的。而且現(xiàn)場檢測要求對(duì)螺栓螺紋根部產(chǎn)生的疲勞裂紋及時(shí)發(fā)現(xiàn)；且操作方便； 工藝方法可操作性強(qiáng)?，F(xiàn)有技術(shù)尚不能滿足這些要求。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種不解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋檢測方法和一 種專用超聲波探頭，以便有效地對(duì)解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋進(jìn)行低成本檢測。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，在探頭外殼內(nèi)有晶片，所述晶片包括發(fā) 射晶片與接受晶片，并且在發(fā)射晶片與接受晶片間利用隔離層相互隔離，在探 頭外殼上設(shè)置接頭，發(fā)射晶片與接受晶片分別利用導(dǎo)線與接頭連接，在探頭外 殼的開口端有延遲塊，在延遲塊上有保護(hù)膜，發(fā)射晶片與接受晶片分別貼合在 延遲塊上，其特征在于隔離層、發(fā)射晶片與接受晶片相對(duì)于保護(hù)膜傾斜布置， 在發(fā)射晶片與接受晶片的對(duì)稱中心線與垂直于保護(hù)膜的平面之間有夾角a ，當(dāng) 超聲波探頭置于螺栓端面上時(shí)，探頭發(fā)射晶片發(fā)射的超聲波以小于10°的入射 角e進(jìn)入保護(hù)膜。在探頭外殼的內(nèi)壁設(shè)置屏蔽層。發(fā)射晶片用于發(fā)射聲波，接受晶片用于接 受聲波；發(fā)射晶片與接受晶片都有各自的延遲塊，而且兩延遲塊的聲束入射平 面與垂直于保護(hù)膜的平面之間均有夾角a ，傾角的大小，取決于要探測區(qū)域距 探測面的深度。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是-本實(shí)用新型的專用超聲波探頭是一種雙晶分割小角度探頭，具有兩個(gè)晶片， 并通過隔離層分割開來， 一個(gè)用于發(fā)射聲波， 一個(gè)用于接受聲波，使發(fā)射電脈沖不再進(jìn)入接受電路；收發(fā)晶片都有各自的延遲塊，而且兩延遲塊的聲束入射 平面均帶一傾角，晶片發(fā)射的超聲波以較小(10°以下)的入射角進(jìn)入楔塊， 經(jīng)楔塊與螺栓端面折射后，以縱波形式入射至螺栓內(nèi)部，并在某一深度形成聚 焦區(qū)。采用上述結(jié)構(gòu)后，本實(shí)用新型的專用超聲波探頭不僅具有普通雙晶直探 頭的優(yōu)點(diǎn)，即在探傷區(qū)內(nèi)探傷靈敏度高，而且由于發(fā)射波不是垂直于檢測面， 而是具有一定的小角度，所以克服了普通雙晶直探頭的一些不足之處首先，普通雙晶直探頭只對(duì)與探測面平行的缺陷檢測的效果較好，而對(duì)與 探測面成一定角度、但不平行的缺陷卻無法檢測，而本實(shí)用新型的雙晶分割小 角度探頭不僅能發(fā)現(xiàn)與探測面平行的缺陷，而且對(duì)與探測面成一定角度、但不 平行的缺陷的檢測效果也很好；其次，本實(shí)用新型的雙晶分割小角度探頭在螺栓的四周移動(dòng)時(shí)，所形成的 聚焦區(qū)基本能覆蓋螺栓的各個(gè)部位，所以能基本消除檢測盲區(qū)，不存在漏檢的'^i后，采用普通雙晶分割探頭沒有掃查面時(shí)，可采用本實(shí)用新型的雙晶分 割小角度探頭錯(cuò)位進(jìn)行掃査。(即缺陷所在部位垂直方向表面不能放置探頭時(shí)， 不能采用普通雙晶分割探頭，因?yàn)槠胀p晶探頭的聲束與接觸面垂直；可采用 聲束與接觸面有一定角度的小角度探頭進(jìn)行掃查)如圖1所示。呈小角度的本實(shí)用新型的不解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋超聲波檢測方法具 有安全、可靠、高效、低成本的優(yōu)點(diǎn)，具體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面-1、 適用的螺栓范圍較廣，特別適用于不拆卸螺栓；本實(shí)用新型方法除特別 適用于不拆卸螺栓外，適用于任何形式的螺栓，包括雙頭、單頭或其他任何結(jié) 構(gòu)形式的螺栓均可以檢測，因此，適用的螺栓范圍較廣；2、 適用于螺栓任何部位的裂紋檢測，不限于固定位置裂紋的螺栓檢測；本 實(shí)用新型方法可以檢測到螺栓任何部位的裂紋，不限于裂紋位置固定的螺栓檢 壩U;(要有一些具體的說明，要結(jié)合本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及與現(xiàn)有技術(shù)的差別比較后，有理有 據(jù)地導(dǎo)出)。目前螺栓疲勞裂紋的檢測通常需拆卸后進(jìn)行磁粉探傷，拆卸與重新安裝過 程十分麻煩，有的螺栓不允許拆卸。用常見的探頭進(jìn)行螺栓裂紋的超聲波探傷， 由于受到探頭角度及探測面的影響，只能探測到某個(gè)特點(diǎn)部位的可能存在的缺 陷。小角度探頭通過在探測面的移動(dòng)和改變反向可掃査到螺栓任何部位的裂紋。3、 檢測靈敏度高，可以檢測最小裂紋深度為0.5mm;現(xiàn)有技術(shù)中采用普通直探頭或小角度縱波探頭檢測螺栓對(duì)小于lmm裂紋的 檢測靈敏度較低，且存在漏檢質(zhì)量隱患；而本實(shí)用新型由于采用了專門設(shè)計(jì)的 雙晶分割小角度探頭，可以檢測的最小裂紋深度為0.5mm。綜上所述表明，本實(shí)用新型方法對(duì)不拆卸螺栓螺紋無損檢測技術(shù)領(lǐng)域而言 是一個(gè)突破，本實(shí)用新型方法的實(shí)施將對(duì)金屬構(gòu)件、設(shè)備無損檢測領(lǐng)域產(chǎn)生積 極而深遠(yuǎn)的影響，并產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是采用普通雙晶分割探頭沒有掃査面時(shí)，可采用本實(shí)用新型的雙晶分 割小角度探頭錯(cuò)位進(jìn)行掃查的示意圖。圖2是在螺栓上采用本實(shí)用新型進(jìn)行探傷的示意圖。 圖3是檢測出有裂紋時(shí)的波形圖。 圖4是沒有檢測到裂紋時(shí)的波形圖。 圖5普通探頭的示意圖。 圖6是本實(shí)用新型的探頭的示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖所示:在探頭外殼5內(nèi)有晶片，所述晶片包括發(fā)射晶片2與接受晶片7， 并且在發(fā)射晶片2與接受晶片7間利用隔離層1相互隔離，在探頭外殼5上設(shè) 置接頭4，發(fā)射晶片2與接受晶片7分別利用導(dǎo)線與接頭4連接，在探頭外殼5 的開口端有延遲塊3，在延遲塊3上有保護(hù)膜8，發(fā)射晶片2與接受晶片7分別 貼合在延遲塊3上，并且，隔離層l、發(fā)射晶片2與接受晶片7相對(duì)于保護(hù)膜8 傾斜布置，在發(fā)射晶片2與接受晶片7的對(duì)稱中心線與垂直于保護(hù)膜8的平面 之間有夾角a ，當(dāng)超聲波探頭置于螺栓端面上時(shí)，探頭發(fā)射晶片發(fā)射的超聲波 以小于10°的，通過控制發(fā)射晶片的角度，就可控制入射波角度，入射角P進(jìn) 入保護(hù)膜8。在探頭外殼5的內(nèi)壁設(shè)置屏蔽層6。發(fā)射晶片2用于發(fā)射聲波，接受晶片7用于接受聲波；發(fā)射晶片2與接受 晶片7都有各自的延遲塊3，而且兩延遲塊3的聲束入射平面與垂直于保護(hù)膜8 的平面之間均有夾角a，夾角的大小決定兩聲束聚焦位置，聚焦位置最好在探 測區(qū)域，所以傾角大小取決于探測區(qū)域探測面的深度，夾角的大小，取決于要 探測區(qū)域距探測面的深度。發(fā)射晶片2發(fā)射的超聲波以小于10。的入射角e進(jìn)入保護(hù)膜8，經(jīng)保護(hù)膜8 與螺栓端面折射后，以縱波形式入射至螺栓內(nèi)部，并在某一深度形成聚焦區(qū)。 形成聚焦區(qū)的目的提高檢測靈敏度，準(zhǔn)確判定裂紋長度、深度和位置。在檢測時(shí)，將超聲波探頭置于待檢測的螺栓端面上，探頭發(fā)射晶片(2)發(fā) 射的超聲波以小于IO。的入射角e進(jìn)入保護(hù)膜(8)，經(jīng)保護(hù)膜(8)與螺栓端面 折射后，入射至螺栓內(nèi)部，并在螺栓螺紋絲扣部位形成聚焦區(qū)(探頭晶片反射 的超聲波在保護(hù)膜與螺栓兩個(gè)介質(zhì)的界面中會(huì)發(fā)生折射，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際 經(jīng)驗(yàn)可知道超聲波入射角P需小于10° ,探頭由兩個(gè)晶片組成，會(huì)發(fā)射成一定 角度的兩束超聲波，在工件內(nèi)部聚焦，可提高超聲波探傷靈敏度)。當(dāng)螺栓螺紋 的某個(gè)絲扣根部出現(xiàn)裂紋時(shí)，其后鄰近的第1個(gè)絲扣反射波被裂紋遮擋；當(dāng)裂 紋較大時(shí)，第2、第3個(gè)絲扣反射波也將被遮擋；如發(fā)現(xiàn)缺陷的反射波幅與其后 的第1個(gè)絲扣反射波幅之差大于或等于一定6dB (分貝)值(分貝就是兩個(gè)反射 波幅的強(qiáng)度比的對(duì)數(shù)表示，是反映反射波幅度大小的一個(gè)物理量，在超聲波探 傷儀上，面板的讀書值就是dB數(shù)，它可以直接反映反射波幅的差值，在超聲波 探傷領(lǐng)域，通過dB值的差，即AdB來表示波幅強(qiáng)度差。)，且其指示長度大于等于3mm (就是》3mm，超聲波探傷可采用半波法來確定缺陷的指示長度)時(shí)， 即可判定為裂紋。在檢測前，先調(diào)節(jié)超聲波檢測儀，將超聲波檢測儀中的超聲波探頭置于螺 栓的校準(zhǔn)試塊或?qū)嵨镌噳K上，找出螺紋絲扣反射波，前后移動(dòng)探頭，使反射波 最強(qiáng)，然后調(diào)節(jié)超聲波檢測儀的衰減器，將絲扣反射波調(diào)到超聲波檢測儀顯示 屏滿刻度的一定高度(如滿刻度20 80%)(滿刻度的多少不是一定要規(guī)定死的， 只要自由選擇一個(gè)高度作為基準(zhǔn)就行了，如選擇80%，那么就以80%高度為基 準(zhǔn)，同樣也可以選擇50%作為基準(zhǔn))。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路如下-(1) 探測面的選擇超聲波探頭置于螺栓哪個(gè)部位，對(duì)所需檢測的缺陷是至關(guān)重要的。不拆卸 螺栓螺紋根部疲勞裂紋的檢測，其探頭放置位置只有兩處螺桿無螺紋處和螺 栓端面。在螺桿上放置探頭有兩大不利因素 一是只能使用橫波斜探頭；其次 在螺栓不解體的情況下，探頭移動(dòng)距離受限制，探傷操作不便。因此，為使探頭的主聲束掃查到螺栓螺紋根部，探測面選擇在螺栓端面較為合適。(2) 檢測探頭型式的選擇及制作實(shí)際探測時(shí)，探測面選擇在螺栓端面，常規(guī)檢測探頭無法滿足實(shí)際探傷要 求，且存在漏檢裂紋的巨大質(zhì)量隱患。因此本實(shí)用新型特制作一專用超聲波檢 測探頭，即雙晶分割小角度探頭。探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括隔離層、發(fā)射晶片、延遲塊、接頭、 探頭外殼、屏蔽層、接受晶片及楔塊組成。雙晶分割小角度探頭采用兩個(gè)晶片，并將兩個(gè)晶片分割開來， 一個(gè)用于 發(fā)射聲波， 一個(gè)用于接受聲波，使發(fā)射電脈沖不再進(jìn)入接受電路。但收發(fā)探頭 都有各自的延遲塊，而且兩延遲塊的聲束入射平面均帶一傾角，傾角的大小， 取決于要探測區(qū)域距探測面的深度。為能夠有效探測不解體螺栓螺紋根部疲勞 裂紋，晶片發(fā)射的超聲波以較小(IOG以下)的入射角進(jìn)入楔塊，經(jīng)楔塊與螺栓 端面折射后，以縱波形式入射至螺栓內(nèi)部，并在某一深度形成聚焦區(qū)。制作專用探頭必須同時(shí)考慮的因素有合適的檢測頻率(超聲波探傷的頻率影響探傷的效果，如工件晶粒較大時(shí)，檢測頻率應(yīng)較低。頻率由探頭晶片的 厚度決定)、合理的探頭晶片直徑(晶片大小決定聲場的覆蓋范圍和聲束的指向 性，即超聲波聲束的大小及聲場的分布， 一般選擇探頭，使缺陷反射處聲強(qiáng)較)、 較佳的聲波入射方式及晶片材料的選擇(晶片材料居里點(diǎn)、介電常數(shù)、壓電應(yīng) 變常數(shù)、壓電電壓常數(shù)等，分別決定晶片的適應(yīng)溫度和反射性能好壞和接收性 能好壞)等。提高檢測頻率，雖然提高了發(fā)現(xiàn)淺小裂紋的能力，但聲能衰減亦大，不利于檢測探測深度較深部位的細(xì)小裂紋；晶片直徑的大小，由于擴(kuò)散因 素的存在，同樣直接影響聲能的變化；晶片材料的物理性能一厚向機(jī)電耦合系 數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因素、壓電常數(shù)及介電常數(shù)等對(duì)探頭聲學(xué)性能的影響也較大。在 充分綜合上述因素的前提上，最終確定探頭聲波入射方式為雙晶分割入射方式。 并結(jié)合上述諸因素，制作一種窄形尺寸雙晶分割小角度專用超聲波探頭。這樣實(shí)際檢測過程中，探頭只需在螺栓端面轉(zhuǎn)動(dòng)一周，即可完成整個(gè)螺栓的檢測。 探傷前，探頭、探頭線、儀器、試塊等組成探傷系統(tǒng)，以實(shí)物對(duì)比試塊進(jìn)行定 位校準(zhǔn)和探傷靈敏度校驗(yàn)圖2描述了本實(shí)用新型方法對(duì)螺栓螺紋根部疲勞裂紋進(jìn)行探傷的方法。 將本實(shí)用新型的超聲波探頭9放置于螺栓12的端面，對(duì)螺栓12最危險(xiǎn)的 部位一一螺紋根部進(jìn)行探傷，探傷方法(1) 將超聲波探頭9置于校準(zhǔn)試塊或其他實(shí)物試塊上，找出螺紋絲扣反射波， 前后移動(dòng)探頭，使反射波最強(qiáng)，然后調(diào)節(jié)儀器衰減器，將絲扣反射波調(diào)到儀器 顯示屏滿刻度的一定高度即可。(2) 在實(shí)物螺栓12的端面上對(duì)螺栓12的螺紋根部進(jìn)行檢測，當(dāng)螺栓12的螺 紋某個(gè)絲扣根部出現(xiàn)裂紋13時(shí)，其后鄰近的第1個(gè)絲扣反射波被裂紋遮擋。當(dāng) 裂紋13較大時(shí)，第2、第3個(gè)絲扣波也將被遮擋。如發(fā)現(xiàn)裂紋13的反射波幅與 其后的第1個(gè)絲扣反射波幅之差大于或等于一定dB值(如6dB)，且其指示長 度大于等于一定數(shù)值時(shí)，即可判定為有裂紋13。由于雙晶探頭的兩個(gè)晶片中， 一個(gè)用于發(fā)射聲信號(hào)， 一個(gè)用于接收聲信號(hào)， 所以不存在盲區(qū)，同時(shí)因?yàn)樾〗嵌忍筋^可以錯(cuò)位掃査，所以與螺栓端面狀況無 關(guān)，能有效檢查出裂紋并判斷裂紋深度、長度以及準(zhǔn)確位置。 本實(shí)用新型的探頭與傳統(tǒng)的探頭相比有如下特點(diǎn)1. 都有利于提高分辨力、減少雜波和減小探測盲區(qū)。2. 在探傷區(qū)內(nèi)探傷靈敏度高。3. 傳統(tǒng)的雙晶分割探頭只能減小探測盲區(qū)，本實(shí)用新型的雙晶分割小角 度探頭基本能消除盲區(qū)。4. 傳統(tǒng)的雙晶分割探頭只對(duì)與探測面平行的缺陷效果較好。本實(shí)用新型 的發(fā)射波具有一定角度的小角度探頭對(duì)發(fā)現(xiàn)不與探測面平行(與探測面成一定 角度)的缺陷效果好。5. 在采用傳統(tǒng)的雙晶分割探頭沒有掃査面時(shí)，可采用本實(shí)用新型的小角 度探頭錯(cuò)位進(jìn)行掃査。
權(quán)利要求1、一種不解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋超聲波檢測方法所用的超聲波探頭，包括位于探頭外殼(5)內(nèi)的晶片，所述晶片包括發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)，并且在發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)間利用隔離層(1)相互隔離，在探頭外殼(5)上設(shè)置接頭(4)，發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)分別利用導(dǎo)線與接頭(4)連接，在探頭外殼(5)的開口端有延遲塊(3)，在延遲塊(3)上有保護(hù)膜(8)，發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)分別貼合在延遲塊(3)上，其特征在于隔離層(1)、發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)相對(duì)于保護(hù)膜(8)傾斜布置，在發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)的對(duì)稱中心線與垂直于保護(hù)膜(8)的平面之間有夾角α，當(dāng)超聲波探頭置于螺栓端面上時(shí)，探頭發(fā)射晶片(2)發(fā)射的超聲波以小于10°的入射角β進(jìn)入保護(hù)膜(8)。
2、 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征是在探頭外殼(5)的內(nèi)壁 設(shè)置屏蔽層(6)。
3、 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征是發(fā)射晶片(2)用于發(fā)射 聲波，接受晶片(7)用于接受聲波；發(fā)射晶片(2)與接受晶片(7)都有各自 的延遲塊(3)，而且兩延遲塊(3)的聲束入射平面與垂直于保護(hù)膜(8)的平 面之間均有夾角a，傾角的大小，取決于要探測區(qū)域距探測面的深度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及檢測螺栓疲勞裂紋時(shí)所用的檢測裝置，特別涉及一種不解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋超聲波檢測專用超聲波探頭。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，在探頭外殼內(nèi)有晶片，所述晶片包括發(fā)射晶片與接受晶片，并且在發(fā)射晶片與接受晶片間利用隔離層相互隔離，在探頭外殼上設(shè)置接頭，發(fā)射晶片與接受晶片分別利用導(dǎo)線與接頭連接，在探頭外殼的開口端有延遲塊，其特征在于隔離層、發(fā)射晶片與接受晶片相對(duì)于保護(hù)膜傾斜布置，在發(fā)射晶片與接受晶片的對(duì)稱中心線與垂直于保護(hù)膜的平面之間有夾角α，當(dāng)超聲波探頭置于螺栓端面上時(shí)，探頭發(fā)射晶片發(fā)射的超聲波以小于10°的入射角β進(jìn)入保護(hù)膜。本實(shí)用新型可以有效地對(duì)解體螺栓螺紋根部疲勞裂紋進(jìn)行低成本檢測。
文檔編號(hào)G01N29/24GK201110843SQ200720042329
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者萬升云, 盧東磊, 鄭小康 申請(qǐng)人:南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司