不銹鋼無縫管超聲波探傷工藝技術操作流程

 總體來講，不銹鋼無縫管超聲波探傷技術較為成熟，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現自動化，檢測靈敏度及探傷效率均較高，因此，本書重點討論水浸式超聲探傷。

 不銹鋼無縫鋼管水浸式探傷過程中，常見的檢測方法為垂直探傷法和斜角探傷法，其中垂直探傷法主要應用于大口徑厚壁鋼管的無損檢測，當餓管壁厚達到直徑的20%以上時，采用垂直法較為合適。對于汽車發動機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鋼管內外缺陷，而表面波探傷主要用來檢測鋼管表面的缺陷。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。

  圖4.1中所給出的基本形式為斜角法探傷，所檢測的鋼管缺陷通常以軸向傷為主，以該方法為基礎，為提高檢測的準確性，可采用多個探頭同時檢測。為實現鋼管內外壁的軸向缺陷檢測，通常需要如圖4.2所示的檢測方式，為實現檢測速度與檢測準確性的提升，同樣可采用多個探頭同時檢測。

 鑒于汽車發動機用不銹鋼無縫管的高要求，其選用的小口徑薄壁無縫鋼管的題聲探傷宜采用聚然方式檢測，超聲傳播過程中，在聚焦狀烈下可以盡可能實現檢測聲能的集中，提高檢測靈敏度。一般情況下，為保證檢測速度，采用線聚焦檢測即可滿足要求，當鋼管的檢測精度提出特別要求時，可采用點聚焦方式，此時檢測速度會有所降低。

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，在探傷儀器性能穩定的前提下，影響探傷靈敏度的因素主要包括四個方面：①. 超聲探頭設計與加工；②. 超聲探頭偏心距選擇；③. 超聲聚焦聲透鏡設計；④. 檢測設備的穩定性。

上述影響因素中，超聲探頭的設計與加工是一項專業性、技術性較強的工作，涉及很多專業知識，本書中不做詳細討論，僅從滿足探傷工藝要求的角度對超聲探頭的偏心距選擇及超聲聚焦聲透鏡設計加以分析。

一、軸向缺陷檢測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，探頭聲束中心線與鋼管輸心線的平行距離，用工加以表示。確定偏心距應滿足以下兩個條件（如圖4.3所示）。

 1. 鋼管橫波探傷條件

 當超聲入射角滿足第一臨界角，即鋼中縱波折射角為90°時，所得到的入射角即為純橫波探傷條件下的最小入射角，用 α_Lmin 加以表示，探傷時選擇的入射角應滿足α≥α_Lmin,此時折射進鋼管內的超聲波變為橫波，折射角用β_s加以表示。

 2. 管內壁缺陷檢測條件

二、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設計

 超聲探傷中所應用的聲透鏡材料通常為環氧樹脂膠固化后形成，其聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭聲透鏡設計過程中，需要綜合考慮檢測時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。

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

  為兼顧鋼管內外壁缺陷，不銹鋼無縫鋼管斜角法超聲探傷時，聚焦聲透鏡的焦點通常在鋼管水平軸面上較為合適，接下來分析焦點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別，如圖4.5所示。

1. 焦點位于鋼管水平軸面

由式（4.7)可以推出，當焦點恰好位于鋼管水平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左右兩側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。在該條件下，左右兩側聲束人射角對稱分布，可兼顧鋼管內、外壁的缺陷檢測，是探傷的理想狀態。

2. 焦點位于鋼管水平軸面以上

 這三種情況都出現折射橫波快速向中心集中的現象，反射到外壁的檢測橫波面積較大，導致對鋼管外壁缺陷的檢測靈敏度降低，通過適當調整探頭，可實現折射橫波聚焦到鋼管內壁，由此提高內壁缺陷的檢測靈敏度。

3. 焦點位于鋼管水平軸面以下

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

確定檢測時的水層距離及焦距后，還必須分析超聲縱波在水中傳播時的近場長度，超聲波無法在近場以外聚焦。

以圓形晶片為例，近場長度的計算公式為：

當所需的探頭透鏡焦距超出一定頻率下的超聲近場長度時，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，兩者之間的關系如圖4.6所示，探頭焦距與透鏡曲率半徑之間的關系可用下式表示：

以超聲傳播介質是水、透鏡材料是環氧樹脂為例，聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之間的關系為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、檢測偏心距，如圖4.7所示。其中偏心距χ為

如果超聲探頭晶片為圓盤狀，檢測頻率為5MHz,有效檢測直徑為Φ8mm,則水中縱波近場長度約為42.5mm,可以實現聚焦。

三、周向缺險探傷超聲聚焦聲透鏡設計

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

 隨著現代工業生產的發展，產品競爭日益激烈，幾乎所有的汽車發動機生產廠家都對發動機內應用的小口徑薄壁不銹鋼管提出嚴苛的質量要求，不光對鋼管的軸向最小檢出缺陷提出明確要求，對周向最小檢出缺陷也提

 出了嚴苛的要求，很大程度上遠超目前的國家標準甚至軍隊標準。譬如德國博世公司對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到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖4.8所示。

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

 聚焦探頭焦點或焦線位于鋼管垂直軸面上，如圖4.2所示。采用斜角法檢測時，為獲得折射橫波，根據式（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，應適當增加聲束的入射角，避免探傷盲區的影響，此外還可以通過提高檢測頻率，優化探頭設計等手段減小檢測盲區。

 探頭焦距的選定，應以焦點落在被檢鋼管內壁為佳。計算焦距時，除考慮水層厚度對探傷信號的影響外，還應考慮折射橫波在鋼管內傳播的等效水距離。如圖4.9所示，聲束在水中傳播距離為L*，折射橫波在鋼管中的傳播距離為L常，則等效水距離為：

探頭聲透鏡的曲率半徑設計按照式8 即可。