CN101672828B - 一种用于喷水超声无损检测的喷嘴 - Google Patents
一种用于喷水超声无损检测的喷嘴 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于喷水超声无损检测的喷嘴属于超声波无损检测技术领域。其特征在于，除管嘴外的结构沿水柱中心线对称布置；进水嘴通过螺纹和喷嘴本体连接；探头端盖和喷嘴本体采用快速组装结构；管嘴与喷嘴本体之间通过螺纹连接；在喷嘴本体内部有一个隔离用的环形水筛，其一侧是与进水嘴连通的充水室，另一侧是过流斜面和流道；环形水筛上布满筛孔，单个筛孔的直径小于2mm，环形水筛的过流断面面积之和大于流道截面积的3倍，环形水筛的内环供探头通过，探头端盖和探头通过过盈配合方式固定。本发明所设计的喷嘴，在向上喷射距离大于300mm时水柱仍能保持层流模式，能够满足喷水超声无损检测的多数需求。
Description
技术领域：
本发明属于超声波无损检测技术领域，涉及一种可喷出稳定水流的喷嘴，用于材料或构件超声无损检测中超声波的传导和耦合，尤其适合于复合材料构件的检测。
背景技术：
超声波探伤是当前五大常用无损检测方法中应用最广的一种，可用于检测复合材料构件中的分层、气孔、结合缺陷和夹杂物等缺陷。超声波检测需要使用耦合剂在超声波发生器和被测工件间传导超声波，常用的偶合剂包括水、甘油、全损耗系统用油等。为了实现超声无损检测的自动化，早期的检测设备需要将被检测工件淹没在耦合液体中。近年来，为了进行大型三维复合材料构件的自动检测，出现了喷水超声检测工艺，通过水柱的耦合实现超声波的传导，避免了水浸检测方法带来的诸多不便。
喷水超声检测需要一个可喷出稳定水柱的喷嘴，通过水柱联通超声发生器和被测工件。当水柱的流动变为非层流模式时，水柱的形状和完整性被破坏，水柱内超声波声场变得紊乱，超声波能量不能保持聚集。另外，非层流的水柱会导致工件反射回的液滴数量增加，液滴撞击水柱造成液流紊乱，更增加了声场的不确定性。因此，当水柱的流动为非层流模式时，水柱中传输超声波的信噪比明显下降。
喷嘴与工件间的距离称为水柱喷射距离。水柱会导致超声波的衰减，为了提高超声检测的信噪比，应采用小的喷射距离。但在一些特定的结构中，比如构件中包含凸出的法兰、加强肋或其它结构支撑体，喷射距离必须增加。为了保证检测的信噪比，必须保证在更大的喷射距离内，水柱的层流模式不能改变。
根据Reynolds的研究成果，喷嘴喷出的水柱是否为层流模式在很大程度上取决于流速。当流速增大时，保持层流的最小喷射距离减小。为使喷嘴喷出的水柱在喷射距离内可以保证超声波良好的信噪比，流速必须足够小。但是当流速过小时，如果采用水平喷射检测工艺，水柱在重力的作用下会下垂。导致实际检测的工件部位和自动超声检测系统中计算出来的工件部位存在差异，这种情况在工件表面轮廓变化时更为严重。
经过检索发现，美国专利(专利号5431342)设计了一种用于喷水超声无损检测的喷嘴，但这种喷嘴由12个部件构成，结构比较复杂。本专利的目的在于设计一种结构更为简单的喷嘴，并在一定的喷水速度和水柱刚度下保证水柱处于层流模式。
发明内容：
因此，本发明的目的在于，设计一种结构更为简单的喷嘴，实现在一定的喷水速度和水柱刚度下保证水柱的层流模式，满足喷水超声无损检测的需要
该装置含有：管嘴(8)、喷嘴本体(9)、进水嘴(11)、探头端盖(10)和探头(12)，其特征在于，所述管嘴(8)、喷嘴本体(9)和探头端盖(10)沿水柱中心线对称布置；所述进水嘴(11)位于喷嘴本体(9)上部，通过螺纹和喷嘴本体(9)连接；所述探头端盖(10)和喷嘴本体(9)采用快速组装结构，所述快速组装结构是连接时将探头端盖和喷嘴本体对齐压下并旋转30度即组装好的结构；所述管嘴(8)与喷嘴本体(9)之间通过螺纹连接；所述喷嘴本体(9)内部有一个隔离用的环形水筛(4)，该环形水筛(4)的一侧是充水室(6)，所述充水室(6)与进水嘴连通，所述环形水筛(4)的另一侧是过流斜面(3)和流道(2)；所述环形水筛(4)上布满筛孔，单个筛孔的直径小于2mm，且环形水筛(4)的过流断面面积之和大于流道(2)截面积的3倍，环形水筛(4)的内环供探头(12)通过，所述探头端盖(10)和探头(12)通过过盈配合方式固定。
所述环形水筛(4)上的筛孔沿水筛中心均匀分布。
所述流道(2)和过流斜面(3)的内表面采用研磨工艺处理。
所述流道(2)的长度大于流道直径的3倍。
所述过流斜面(3)与流道(2)壁面之间通过弧面过渡。
所述过流斜面(3)与水柱中心线的角度为35～40度。
试验表明：本发明所设计的喷嘴，在向上喷射距离大于300mm时水柱仍能保持层流模式(向下喷水的层流模式最容易保持，而向上喷水则不容易保持)，能够满足喷水超声无损检测的多数需求。
附图说明：
图1本发明实施例的喷嘴装配示意图；
图2喷嘴本体的结构示意图及A-A剖视图；
图3喷嘴用于三维构件穿透法检测的示意图；
图4喷水检测时的超声波型实测图。
其中：1-水柱；2-流道；3-斜面；4-环形水筛；5-筛孔；6-充水室；7-密封圈；8-管嘴；9-喷嘴本体；10-探头端盖；11-进水嘴；12-探头；13-超声探头及喷嘴；14-被检工件；15-多自由度探头夹持器；16-检测工装；17-扫查机架。
具体实施方式：
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
图1所示是本发明喷嘴的装配示意图，除进水嘴11外，整个喷嘴在结构上沿水柱1中心线对称布置，这种结构容易保证水柱的层流模式。
探头端盖10和探头12通过过盈配合的方式固定在一起，探头端盖10和喷嘴本体9的连接采用快速组装结构，连接时仅需将探头端盖10和喷嘴本体9对齐压下并旋转30度即可。 这种结构方式不但保证了探头更换的方便性，更重要的是探头更换不会引起探头线的缠绕。探头端盖10和喷嘴本体9的密封通过O型圈7保证。
进水嘴11通过螺纹和喷嘴本体9连接在一起。来自水源的来流通过进水嘴11进入充水室6，然后通过水筛4上的筛孔5进入流道2，最后喷出水柱1。
本发明的进水嘴可选用标准的黄铜水嘴；优选地，本发明喷嘴的其它构件采用低硬度的有机玻璃制造。
图2所示为喷嘴本体9的结构示意图，来自进水嘴11的水流进入充水室6后因流向改变必然会产生旋转和紊流，为了保证喷嘴喷出的水柱1处于层流模式，应避免充水室6中水流的旋转和横向波动对水柱1的影响。因此本发明采用水筛4将充水室6和流道2隔离，以保证水流只以纵向速度进入管嘴8。水筛4的过流断面面积之和应大于流道截面积的3倍，而且单个筛孔的直径应小于2mm。
多孔水筛4消除了进口水流横向流动对水柱1的影响，同时，均布细小筛孔的流阻也减小了充水室6水压动态变化对水柱1流态的影响。水筛上的筛孔均布为优选方案，也可以不用均匀分布的结构。
管嘴8和喷嘴本体9通过螺纹连接。来自充水室的水通过筛孔5进入流道2，并最终喷出形成水柱1。为了在更大的范围内保证水柱的层流模式，本发明采用了如下措施：流道2的内表面采用研磨工艺处理；流道长度应大于流道直径的3倍；过流斜面3与流道壁面之间通过弧面过渡，以避免过流截面突变对水柱1的流态产生不利影响。
如果探头发射的超声波经过喷嘴的一个或几个结构面反射后又回到探头表面，则会产生虚假的超声波信息，它会降低携带有效测试数据的超声波的信噪比。为了防止喷嘴的结构回波对超声反射法检测造成干扰，斜面3与水柱1中心线的角度设计在35～40度。如果这一角度在45度左右，则探头发射的超声波经过斜面3的两次反射，部分超声能量又回到探头，形成结构回波；如果这一角度在30度左右，则探头发射的超声波经过斜面3的三次反射，部分超声能量也会回到探头，形成结构回波。当斜面3与水柱1中心线的角度在35～40度之间时，发射探头收到的结构回波可以忽略。
层流能减小水柱撞击工件产生的飞溅，当水柱1向上、向斜上方或水平喷射时，这种结构减少了被反射回水柱的水滴数量。因为撞击的水滴会产生超声干扰信号，降低信噪比，用这种结构可以进一步改善超声检测的信噪比。
例如，如果充水室的直径为36mm，筛孔的总面积约为500mm2，流道的直径为6mm，流速为6升/分钟时，垂直喷射距离在200mm以内信噪比是可以接受的。
图3所示为喷嘴用于三维复合材料构件穿透法检测的示意图。图4所示为检测时的超声波型实测图。从图4可以看出，发射探头在收到被检材料的界面波之前，没有收到任何喷嘴的结构回波。
本发明提出的装置具有如下特点：
(1)结构简单。除超声探头外，本发明的喷嘴仅由4个主要部件构成：管嘴、喷嘴本体、进水嘴和探头端盖。
(2)探头更换方便。超声探头和喷嘴的连接采用快速组装结构，安装时仅需将探头端盖和喷嘴本体对齐压下并旋转30度即可。不但保证了探头更换的方便性，更重要的是探头更换不会引起探头线的缠绕。
(3)适用于多种直径的水柱。通过更换具有不同直径流道的管嘴，可以喷出不同直径的水柱，适用于不同的检测精度和进行不同的检测工艺参数实验。
Claims (6)
1.一种用于喷水超声无损检测的喷嘴，含有管嘴(8)、喷嘴本体(9)、进水嘴(11)、探头端盖(10)和探头(12)，其特征在于，所述管嘴(8)、喷嘴本体(9)和探头端盖(10)沿水柱中心线对称布置；所述进水嘴(11)位于喷嘴本体(9)上部，通过螺纹和喷嘴本体(9)连接；所述探头端盖(10)和喷嘴本体(9)采用快速组装结构，所述快速组装结构是连接时将探头端盖和喷嘴本体对齐压下并旋转30度即组装好的结构；管嘴(8)与喷嘴本体(9)之间通过螺纹连接；所述喷嘴本体(9)内部有一个隔离用的环形水筛(4)，该环形水筛(4)的一侧是充水室(6)，所述充水室(6)与进水嘴连通，所述环形水筛(4)的另一侧是过流斜面(3)和流道(2)；所述环形水筛(4)上布满筛孔，单个筛孔的直径小于2mm，且环形水筛(4)的过流断面面积之和大于流道(2)截面积的3倍，环形水筛(4)的内环供探头(12)通过，所述探头端盖(10)和探头(12)通过过盈配合方式固定。
2.如权利要求1所述的用于喷水超声无损检测的喷嘴，其特征在于，所述环形水筛(4)上的筛孔沿水筛中心均匀分布。
3.如权利要求1所述的用于喷水超声无损检测的喷嘴，其特征在于，所述流道(2)和过流斜面(3)的内表面采用研磨工艺处理。
4.如权利要求1所述的用于喷水超声无损检测的喷嘴，其特征在于，所述流道(2)的长度大于流道直径的3倍。
5.如权利要求1所述的用于喷水超声无损检测的喷嘴，其特征在于，所述过流斜面(3)与流道(2)壁面之间通过弧面过渡。
6.如权利要求1所述的用于喷水超声无损检测的喷嘴，其特征在于，所述过流斜面(3)与水柱中心线的角度为35～40度。
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