专利名称：不解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹超声波检测专用超声波探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及检测螺栓疲劳裂纹时所用的检测装置，特别涉及一种不解 体螺栓螺纹根部疲劳裂纹超声波检测专用超声波探头。
技术背景存在于螺栓螺纹根部的疲劳裂纹，对重要构件、设备的危害相当大，正确、 高效、低成本地对螺栓螺纹根部的疲劳裂纹进行安全检测，是保证铁道机车车 辆、桥梁等重要金属构件、设备安全的重要一环。长期以来，在不拆卸螺栓的前提下，检测螺栓螺纹根部的疲劳裂纹始终是 个难题。虽然，螺纹根部产生的缺陷较之锻件、铸件及焊接件等单一，即螺纹 根部只存在疲劳裂纹，但由于其形状的复杂性，以及各种常规检测方法的局限 性，给检测工作带来了一定的难度。目前，常规的无损检测方法主要有五种磁粉检测、渗透检测、涡流检测、 射线检测及超声波检测。通过长期实践表明，磁粉检测、渗透检测及涡流检测 均不能解决此问题。理论上射线检测虽可以进行试验，但其要求的检测条件相 当苛刻 一是要求疲劳裂纹有一定的深度；其次要求螺栓必须解体后方可对螺栓整个一周的圆周面进行拍片或工业成像观察；三是检测成本太高。而螺栓，尤其是在役设备的螺栓通常情况下是不能解体的。而且现场检测要求对螺栓螺纹根部产生的疲劳裂纹及时发现；且操作方便； 工艺方法可操作性强。现有技术尚不能满足这些要求。 发明内容本实用新型的目的是提供一种不解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹检测方法和一 种专用超声波探头，以便有效地对解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹进行低成本检测。按照本实用新型提供的技术方案，在探头外壳内有晶片，所述晶片包括发 射晶片与接受晶片，并且在发射晶片与接受晶片间利用隔离层相互隔离，在探 头外壳上设置接头，发射晶片与接受晶片分别利用导线与接头连接，在探头外 壳的开口端有延迟块，在延迟块上有保护膜，发射晶片与接受晶片分别贴合在 延迟块上，其特征在于隔离层、发射晶片与接受晶片相对于保护膜倾斜布置， 在发射晶片与接受晶片的对称中心线与垂直于保护膜的平面之间有夹角a ，当 超声波探头置于螺栓端面上时，探头发射晶片发射的超声波以小于10°的入射 角e进入保护膜。在探头外壳的内壁设置屏蔽层。发射晶片用于发射声波，接受晶片用于接 受声波；发射晶片与接受晶片都有各自的延迟块，而且两延迟块的声束入射平 面与垂直于保护膜的平面之间均有夹角a ，倾角的大小，取决于要探测区域距 探测面的深度。本实用新型的优点是-本实用新型的专用超声波探头是一种双晶分割小角度探头，具有两个晶片， 并通过隔离层分割开来， 一个用于发射声波， 一个用于接受声波，使发射电脉冲不再进入接受电路；收发晶片都有各自的延迟块，而且两延迟块的声束入射 平面均带一倾角，晶片发射的超声波以较小(10°以下)的入射角进入楔块， 经楔块与螺栓端面折射后，以纵波形式入射至螺栓内部，并在某一深度形成聚 焦区。采用上述结构后，本实用新型的专用超声波探头不仅具有普通双晶直探 头的优点，即在探伤区内探伤灵敏度高，而且由于发射波不是垂直于检测面， 而是具有一定的小角度，所以克服了普通双晶直探头的一些不足之处首先，普通双晶直探头只对与探测面平行的缺陷检测的效果较好，而对与 探测面成一定角度、但不平行的缺陷却无法检测，而本实用新型的双晶分割小 角度探头不仅能发现与探测面平行的缺陷，而且对与探测面成一定角度、但不 平行的缺陷的检测效果也很好；其次，本实用新型的双晶分割小角度探头在螺栓的四周移动时，所形成的 聚焦区基本能覆盖螺栓的各个部位，所以能基本消除检测盲区，不存在漏检的'^i后，采用普通双晶分割探头没有扫查面时，可采用本实用新型的双晶分 割小角度探头错位进行扫査。(即缺陷所在部位垂直方向表面不能放置探头时， 不能采用普通双晶分割探头，因为普通双晶探头的声束与接触面垂直；可采用 声束与接触面有一定角度的小角度探头进行扫查)如图1所示。呈小角度的本实用新型的不解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹超声波检测方法具 有安全、可靠、高效、低成本的优点，具体优势体现在以下几方面-1、 适用的螺栓范围较广，特别适用于不拆卸螺栓；本实用新型方法除特别 适用于不拆卸螺栓外，适用于任何形式的螺栓，包括双头、单头或其他任何结 构形式的螺栓均可以检测，因此，适用的螺栓范围较广；2、 适用于螺栓任何部位的裂纹检测，不限于固定位置裂纹的螺栓检测；本 实用新型方法可以检测到螺栓任何部位的裂纹，不限于裂纹位置固定的螺栓检 坝U;(要有一些具体的说明，要结合本实用新型的结构及与现有技术的差别比较后，有理有 据地导出)。目前螺栓疲劳裂纹的检测通常需拆卸后进行磁粉探伤，拆卸与重新安装过 程十分麻烦，有的螺栓不允许拆卸。用常见的探头进行螺栓裂纹的超声波探伤， 由于受到探头角度及探测面的影响，只能探测到某个特点部位的可能存在的缺 陷。小角度探头通过在探测面的移动和改变反向可扫査到螺栓任何部位的裂纹。3、 检测灵敏度高，可以检测最小裂纹深度为0.5mm;现有技术中采用普通直探头或小角度纵波探头检测螺栓对小于lmm裂纹的 检测灵敏度较低，且存在漏检质量隐患；而本实用新型由于采用了专门设计的 双晶分割小角度探头，可以检测的最小裂纹深度为0.5mm。综上所述表明，本实用新型方法对不拆卸螺栓螺纹无损检测技术领域而言 是一个突破，本实用新型方法的实施将对金属构件、设备无损检测领域产生积 极而深远的影响，并产生巨大的社会效益和经济效益。
图1是采用普通双晶分割探头没有扫査面时，可采用本实用新型的双晶分 割小角度探头错位进行扫查的示意图。图2是在螺栓上采用本实用新型进行探伤的示意图。 图3是检测出有裂纹时的波形图。 图4是没有检测到裂纹时的波形图。 图5普通探头的示意图。 图6是本实用新型的探头的示意图。
具体实施方式
如图所示:在探头外壳5内有晶片，所述晶片包括发射晶片2与接受晶片7， 并且在发射晶片2与接受晶片7间利用隔离层1相互隔离，在探头外壳5上设 置接头4，发射晶片2与接受晶片7分别利用导线与接头4连接，在探头外壳5 的开口端有延迟块3，在延迟块3上有保护膜8，发射晶片2与接受晶片7分别 贴合在延迟块3上，并且，隔离层l、发射晶片2与接受晶片7相对于保护膜8 倾斜布置，在发射晶片2与接受晶片7的对称中心线与垂直于保护膜8的平面 之间有夹角a ，当超声波探头置于螺栓端面上时，探头发射晶片发射的超声波 以小于10°的，通过控制发射晶片的角度，就可控制入射波角度，入射角P进 入保护膜8。在探头外壳5的内壁设置屏蔽层6。发射晶片2用于发射声波，接受晶片7用于接受声波；发射晶片2与接受 晶片7都有各自的延迟块3，而且两延迟块3的声束入射平面与垂直于保护膜8 的平面之间均有夹角a，夹角的大小决定两声束聚焦位置，聚焦位置最好在探 测区域，所以倾角大小取决于探测区域探测面的深度，夹角的大小，取决于要 探测区域距探测面的深度。发射晶片2发射的超声波以小于10。的入射角e进入保护膜8，经保护膜8 与螺栓端面折射后，以纵波形式入射至螺栓内部，并在某一深度形成聚焦区。 形成聚焦区的目的提高检测灵敏度，准确判定裂纹长度、深度和位置。在检测时，将超声波探头置于待检测的螺栓端面上，探头发射晶片(2)发 射的超声波以小于IO。的入射角e进入保护膜(8)，经保护膜(8)与螺栓端面 折射后，入射至螺栓内部，并在螺栓螺纹丝扣部位形成聚焦区(探头晶片反射 的超声波在保护膜与螺栓两个介质的界面中会发生折射，根据理论计算和实际 经验可知道超声波入射角P需小于10° ,探头由两个晶片组成，会发射成一定 角度的两束超声波，在工件内部聚焦，可提高超声波探伤灵敏度)。当螺栓螺纹 的某个丝扣根部出现裂纹时，其后邻近的第1个丝扣反射波被裂纹遮挡；当裂 纹较大时，第2、第3个丝扣反射波也将被遮挡；如发现缺陷的反射波幅与其后 的第1个丝扣反射波幅之差大于或等于一定6dB (分贝)值(分贝就是两个反射 波幅的强度比的对数表示，是反映反射波幅度大小的一个物理量，在超声波探 伤仪上，面板的读书值就是dB数，它可以直接反映反射波幅的差值，在超声波 探伤领域，通过dB值的差，即AdB来表示波幅强度差。)，且其指示长度大于等于3mm (就是》3mm，超声波探伤可采用半波法来确定缺陷的指示长度)时， 即可判定为裂纹。在检测前，先调节超声波检测仪，将超声波检测仪中的超声波探头置于螺 栓的校准试块或实物试块上，找出螺纹丝扣反射波，前后移动探头，使反射波 最强，然后调节超声波检测仪的衰减器，将丝扣反射波调到超声波检测仪显示 屏满刻度的一定高度(如满刻度20 80%)(满刻度的多少不是一定要规定死的， 只要自由选择一个高度作为基准就行了，如选择80%，那么就以80%高度为基 准，同样也可以选择50%作为基准)。本实用新型的设计思路如下-(1) 探测面的选择超声波探头置于螺栓哪个部位，对所需检测的缺陷是至关重要的。不拆卸 螺栓螺纹根部疲劳裂纹的检测，其探头放置位置只有两处螺杆无螺纹处和螺 栓端面。在螺杆上放置探头有两大不利因素 一是只能使用横波斜探头；其次 在螺栓不解体的情况下，探头移动距离受限制，探伤操作不便。因此，为使探头的主声束扫查到螺栓螺纹根部，探测面选择在螺栓端面较为合适。(2) 检测探头型式的选择及制作实际探测时，探测面选择在螺栓端面，常规检测探头无法满足实际探伤要 求，且存在漏检裂纹的巨大质量隐患。因此本实用新型特制作一专用超声波检 测探头，即双晶分割小角度探头。探头结构示意图如图2所示，主要包括隔离层、发射晶片、延迟块、接头、 探头外壳、屏蔽层、接受晶片及楔块组成。双晶分割小角度探头采用两个晶片，并将两个晶片分割开来， 一个用于 发射声波， 一个用于接受声波，使发射电脉冲不再进入接受电路。但收发探头 都有各自的延迟块，而且两延迟块的声束入射平面均带一倾角，倾角的大小， 取决于要探测区域距探测面的深度。为能够有效探测不解体螺栓螺纹根部疲劳 裂纹，晶片发射的超声波以较小(IOG以下)的入射角进入楔块，经楔块与螺栓 端面折射后，以纵波形式入射至螺栓内部，并在某一深度形成聚焦区。制作专用探头必须同时考虑的因素有合适的检测频率(超声波探伤的频率影响探伤的效果，如工件晶粒较大时，检测频率应较低。频率由探头晶片的 厚度决定)、合理的探头晶片直径(晶片大小决定声场的覆盖范围和声束的指向 性，即超声波声束的大小及声场的分布， 一般选择探头，使缺陷反射处声强较)、 较佳的声波入射方式及晶片材料的选择(晶片材料居里点、介电常数、压电应 变常数、压电电压常数等，分别决定晶片的适应温度和反射性能好坏和接收性 能好坏)等。提高检测频率，虽然提高了发现浅小裂纹的能力，但声能衰减亦大，不利于检测探测深度较深部位的细小裂纹；晶片直径的大小，由于扩散因 素的存在，同样直接影响声能的变化；晶片材料的物理性能一厚向机电耦合系 数、机械品质因素、压电常数及介电常数等对探头声学性能的影响也较大。在 充分综合上述因素的前提上，最终确定探头声波入射方式为双晶分割入射方式。 并结合上述诸因素，制作一种窄形尺寸双晶分割小角度专用超声波探头。这样实际检测过程中，探头只需在螺栓端面转动一周，即可完成整个螺栓的检测。 探伤前，探头、探头线、仪器、试块等组成探伤系统，以实物对比试块进行定 位校准和探伤灵敏度校验图2描述了本实用新型方法对螺栓螺纹根部疲劳裂纹进行探伤的方法。 将本实用新型的超声波探头9放置于螺栓12的端面，对螺栓12最危险的 部位一一螺纹根部进行探伤，探伤方法(1) 将超声波探头9置于校准试块或其他实物试块上，找出螺纹丝扣反射波， 前后移动探头，使反射波最强，然后调节仪器衰减器，将丝扣反射波调到仪器 显示屏满刻度的一定高度即可。(2) 在实物螺栓12的端面上对螺栓12的螺纹根部进行检测，当螺栓12的螺 纹某个丝扣根部出现裂纹13时，其后邻近的第1个丝扣反射波被裂纹遮挡。当 裂纹13较大时，第2、第3个丝扣波也将被遮挡。如发现裂纹13的反射波幅与 其后的第1个丝扣反射波幅之差大于或等于一定dB值(如6dB)，且其指示长 度大于等于一定数值时，即可判定为有裂纹13。由于双晶探头的两个晶片中， 一个用于发射声信号， 一个用于接收声信号， 所以不存在盲区，同时因为小角度探头可以错位扫査，所以与螺栓端面状况无 关，能有效检查出裂纹并判断裂纹深度、长度以及准确位置。 本实用新型的探头与传统的探头相比有如下特点1. 都有利于提高分辨力、减少杂波和减小探测盲区。2. 在探伤区内探伤灵敏度高。3. 传统的双晶分割探头只能减小探测盲区，本实用新型的双晶分割小角 度探头基本能消除盲区。4. 传统的双晶分割探头只对与探测面平行的缺陷效果较好。本实用新型 的发射波具有一定角度的小角度探头对发现不与探测面平行(与探测面成一定 角度)的缺陷效果好。5. 在采用传统的双晶分割探头没有扫査面时，可采用本实用新型的小角 度探头错位进行扫査。
权利要求1、一种不解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹超声波检测方法所用的超声波探头，包括位于探头外壳(5)内的晶片，所述晶片包括发射晶片(2)与接受晶片(7)，并且在发射晶片(2)与接受晶片(7)间利用隔离层(1)相互隔离，在探头外壳(5)上设置接头(4)，发射晶片(2)与接受晶片(7)分别利用导线与接头(4)连接，在探头外壳(5)的开口端有延迟块(3)，在延迟块(3)上有保护膜(8)，发射晶片(2)与接受晶片(7)分别贴合在延迟块(3)上，其特征在于隔离层(1)、发射晶片(2)与接受晶片(7)相对于保护膜(8)倾斜布置，在发射晶片(2)与接受晶片(7)的对称中心线与垂直于保护膜(8)的平面之间有夹角α，当超声波探头置于螺栓端面上时，探头发射晶片(2)发射的超声波以小于10°的入射角β进入保护膜(8)。
2、 如权利要求1所述的超声波探头，其特征是在探头外壳(5)的内壁 设置屏蔽层(6)。
3、 如权利要求1所述的超声波探头，其特征是发射晶片(2)用于发射 声波，接受晶片(7)用于接受声波；发射晶片(2)与接受晶片(7)都有各自 的延迟块(3)，而且两延迟块(3)的声束入射平面与垂直于保护膜(8)的平 面之间均有夹角a，倾角的大小，取决于要探测区域距探测面的深度。
专利摘要本实用新型涉及检测螺栓疲劳裂纹时所用的检测装置，特别涉及一种不解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹超声波检测专用超声波探头。按照本实用新型提供的技术方案，在探头外壳内有晶片，所述晶片包括发射晶片与接受晶片，并且在发射晶片与接受晶片间利用隔离层相互隔离，在探头外壳上设置接头，发射晶片与接受晶片分别利用导线与接头连接，在探头外壳的开口端有延迟块，其特征在于隔离层、发射晶片与接受晶片相对于保护膜倾斜布置，在发射晶片与接受晶片的对称中心线与垂直于保护膜的平面之间有夹角α，当超声波探头置于螺栓端面上时，探头发射晶片发射的超声波以小于10°的入射角β进入保护膜。本实用新型可以有效地对解体螺栓螺纹根部疲劳裂纹进行低成本检测。
文档编号G01N29/24GK201110843SQ200720042329
公开日2008年9月3日 申请日期2007年11月19日 优先权日2007年11月19日
发明者万升云, 卢东磊, 郑小康 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司