總體來講,不銹鋼無縫鋼管超聲波探傷技術(shù)較為成熟,常見的探傷方法主要包括接觸式探傷、水浸式探傷。其中水浸式探傷容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,檢測(cè)靈敏度及探傷效率均較高,因此,本書重點(diǎn)討論水浸式超聲探傷。


 不銹鋼無縫鋼管水浸式探傷過程中,常見的檢測(cè)方法為垂直探傷法和斜角探傷法,其中垂直探傷法主要應(yīng)用于大口徑厚壁不銹鋼管的無損檢測(cè),當(dāng)餓管壁厚達(dá)到直徑的20%以上時(shí),采用垂直法較為合適。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中采用的小直徑薄壁不銹鋼管,斜角法顯然更為適用。


 斜角法振傷主要采用橫波探傷和表面波探傷,其中橫波探傷可以檢測(cè)鋼管內(nèi)外缺陷,而表面波探傷主要用來檢測(cè)鋼管表面的缺陷。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼無縫鋼管超聲探傷的基本形式。


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  圖4.1中所給出的基本形式為斜角法探傷,所檢測(cè)的鋼管缺陷通常以軸向傷為主,以該方法為基礎(chǔ),為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性,可采用多個(gè)探頭同時(shí)檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外壁的軸向缺陷檢測(cè),通常需要如圖4.2所示的檢測(cè)方式,為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度與檢測(cè)準(zhǔn)確性的提升,同樣可采用多個(gè)探頭同時(shí)檢測(cè)。


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 鑒于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用不銹鋼無縫管的高要求,其選用的小口徑薄壁不鋼無縫鋼管的題聲探傷宜采用聚然方式檢測(cè),超聲傳播過程中,在聚焦?fàn)盍蚁驴梢员M可能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)聲能的集中,提高檢測(cè)靈敏度。一般情況下,為保證檢測(cè)速度,采用線聚焦檢測(cè)即可滿足要求,當(dāng)鋼管的檢測(cè)精度提出特別要求時(shí),可采用點(diǎn)聚焦方式,此時(shí)檢測(cè)速度會(huì)有所降低。


小口徑薄壁不銹鋼管探傷過程中,無論軸向缺陷或者周向缺陷的檢測(cè),在探傷儀器性能穩(wěn)定的前提下,影響探傷靈敏度的因素主要包括四個(gè)方面:①. 超聲探頭設(shè)計(jì)與加工;②. 超聲探頭偏心距選擇;③. 超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì);④. 檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性。


上述影響因素中,超聲探頭的設(shè)計(jì)與加工是一項(xiàng)專業(yè)性、技術(shù)性較強(qiáng)的工作,涉及很多專業(yè)知識(shí),本書中不做詳細(xì)討論,僅從滿足探傷工藝要求的角度對(duì)超聲探頭的偏心距選擇及超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)加以分析。



一、軸向缺陷檢測(cè)的超聲探頭偏心距選擇


所謂超聲探頭偏心距是指采用折射橫波探傷時(shí),探頭聲束中心線與鋼管輸心線的平行距離,用工加以表示。確定偏心距應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件(如圖4.3所示)。


 1. 鋼管橫波探傷條件


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 當(dāng)超聲入射角滿足第一臨界角,即鋼中縱波折射角為90°時(shí),所得到的入射角即為純橫波探傷條件下的最小入射角,用 αLmin 加以表示,探傷時(shí)選擇的入射角應(yīng)滿足α≥αLmin,此時(shí)折射進(jìn)鋼管內(nèi)的超聲波變?yōu)闄M波,折射角用βs加以表示。


 2. 管內(nèi)壁缺陷檢測(cè)條件


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二、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)


 超聲探傷中所應(yīng)用的聲透鏡材料通常為環(huán)氧樹脂膠固化后形成,其聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭聲透鏡設(shè)計(jì)過程中,需要綜合考慮檢測(cè)時(shí)的水層距離以及聚焦聲透鏡的焦距大小,水層距離要求如圖4.4所示。


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 為避免缺陷反射波受二次表面反射波的干擾,必須滿足T≥2T,即水中的超聲傳播時(shí)間不小于鋼中的傳播時(shí)間的2倍,由該條件,可得探傷時(shí)探頭距離鋼管表面的距離條件為:


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  為兼顧鋼管內(nèi)外壁缺陷,不銹鋼無縫鋼管斜角法超聲探傷時(shí),聚焦聲透鏡的焦點(diǎn)通常在鋼管水平軸面上較為合適,接下來分析焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面上方、水平軸面上、水平軸面下方的具體區(qū)別,如圖4.5所示。


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1. 焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面


由式(4.7)可以推出,當(dāng)焦點(diǎn)恰好位于鋼管水平軸面上時(shí),φ=0,此時(shí)γ=η<a,表示左右兩側(cè)聲束人射角相等且小于中間聲束入射角,γ、n均與探頭半聚焦角0的大小有關(guān)。在該條件下,左右兩側(cè)聲束人射角對(duì)稱分布,可兼顧鋼管內(nèi)、外壁的缺陷檢測(cè),是探傷的理想狀態(tài)。


2. 焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面以上


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 這三種情況都出現(xiàn)折射橫波快速向中心集中的現(xiàn)象,反射到外壁的檢測(cè)橫波面積較大,導(dǎo)致對(duì)鋼管外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度降低,通過適當(dāng)調(diào)整探頭,可實(shí)現(xiàn)折射橫波聚焦到鋼管內(nèi)壁,由此提高內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。


3. 焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面以下


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 這三種情況都出現(xiàn)左側(cè)折射橫波折射角大,右側(cè)折射橫波折射角小,引起橫波在鋼管內(nèi)焦距增加的現(xiàn)象,可以將管內(nèi)折射橫波聚焦到鋼管外壁。因此,在該條件下,通過適調(diào)整探頭可提高鋼管外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。


確定檢測(cè)時(shí)的水層距離及焦距后,還必須分析超聲縱波在水中傳播時(shí)的近場(chǎng)長(zhǎng)度,超聲波無法在近場(chǎng)以外聚焦。


以圓形晶片為例,近場(chǎng)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為:


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當(dāng)所需的探頭透鏡焦距超出一定頻率下的超聲近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí),可通過改變探頭晶片的大小或者改變探頭頻率滿足聚焦要求。


需要注意的是,探頭焦距與透鏡晶片的曲率半徑并不是一回事,兩者之間的關(guān)系如圖4.6所示,探頭焦距與透鏡曲率半徑之間的關(guān)系可用下式表示:


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以超聲傳播介質(zhì)是水、透鏡材料是環(huán)氧樹脂為例,聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之間的關(guān)系為r≈0.45F。


以 Φ 30×2mm不銹鋼無縫鋼管為例,具體分析如何確定探頭焦距、聲透鏡曲率半徑、檢測(cè)偏心距,如圖4.7所示。其中偏心距χ為


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如果超聲探頭晶片為圓盤狀,檢測(cè)頻率為5MHz,有效檢測(cè)直徑為Φ8mm,則水中縱波近場(chǎng)長(zhǎng)度約為42.5mm,可以實(shí)現(xiàn)聚焦。



三、周向缺險(xiǎn)探傷超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)


 小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管周向缺陷探傷時(shí),為增加有效檢測(cè)的聲能,可同樣采用斜角法聚焦方式檢測(cè)。


 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,幾乎所有的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)應(yīng)用的小口徑薄壁不銹鋼管提出嚴(yán)苛的質(zhì)量要求,不光對(duì)鋼管的軸向最小檢出缺陷提出明確要求,對(duì)周向最小檢出缺陷也提


 出了嚴(yán)苛的要求,很大程度上遠(yuǎn)超目前的國家標(biāo)準(zhǔn)甚至軍隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)。譬如德國博世公司對(duì)小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管的軸向、周向最小檢出缺陷都要求達(dá)到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm(長(zhǎng)×寬×深),如圖4.8所示。


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 小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管周向缺陷檢測(cè)時(shí)所碰到的技術(shù)工藝問題與軸向缺陷檢測(cè)基本相同,但因鋼管中折射橫波的傳播途徑不同,探頭聲透鏡的設(shè)計(jì)方法也就不一樣,以下具體分析。


 聚焦探頭焦點(diǎn)或焦線位于鋼管垂直軸面上,如圖4.2所示。采用斜角法檢測(cè)時(shí),為獲得折射橫波,根據(jù)式(4.1),必須滿足第一臨界角條件,受不銹鋼無縫鋼管壁厚的影響,在管壁較薄的情況下,應(yīng)適當(dāng)增加聲束的入射角,避免探傷盲區(qū)的影響,此外還可以通過提高檢測(cè)頻率,優(yōu)化探頭設(shè)計(jì)等手段減小檢測(cè)盲區(qū)。


 探頭焦距的選定,應(yīng)以焦點(diǎn)落在被檢鋼管內(nèi)壁為佳。計(jì)算焦距時(shí),除考慮水層厚度對(duì)探傷信號(hào)的影響外,還應(yīng)考慮折射橫波在鋼管內(nèi)傳播的等效水距離。如圖4.9所示,聲束在水中傳播距離為L(zhǎng)*,折射橫波在鋼管中的傳播距離為L(zhǎng)常,則等效水距離為


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探頭聲透鏡的曲率半徑設(shè)計(jì)按照式8 即可。