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不锈钢无缝管超声波探伤工艺技术操作流程

来源:至德钢业 日期:2021-08-18 14:07:58 人气:906

 总体来讲,不锈钢无缝管超声波探伤技术较为成熟,常见的探伤方法主要包括接触式探伤、水浸式探伤。其中水浸式探伤容易实现自动化,检测灵敏度及探伤效率均较高,因此,本书重点讨论水浸式超声探伤。


 不锈钢无缝钢管水浸式探伤过程中,常见的检测方法为垂直探伤法和斜角探伤法,其中垂直探伤法主要应用于大口径厚壁钢管的无损检测,当饿管壁厚达到直径的20%以上时,采用垂直法较为合适。对于汽车发动机中采用的小直径薄壁不锈钢管,斜角法显然更为适用。


斜角法振伤主要采用横波探伤和表面波探伤,其中横波探伤可以检测钢管内外缺陷,而表面波探伤主要用来检测钢管表面的缺陷。图4.1为小直径薄壁不锈钢无缝钢管超声探伤的基本形式。


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  图4.1中所给出的基本形式为斜角法探伤,所检测的钢管缺陷通常以轴向伤为主,以该方法为基础,为提高检测的准确性,可采用多个探头同时检测。为实现钢管内外壁的轴向缺陷检测,通常需要如图4.2所示的检测方式,为实现检测速度与检测准确性的提升,同样可采用多个探头同时检测。


图 2.jpg


 鉴于汽车发动机用不锈钢无缝管的高要求,其选用的小口径薄壁无缝钢管的题声探伤宜采用聚然方式检测,超声传播过程中,在聚焦状烈下可以尽可能实现检测声能的集中,提高检测灵敏度。一般情况下,为保证检测速度,采用线聚焦检测即可满足要求,当钢管的检测精度提出特别要求时,可采用点聚焦方式,此时检测速度会有所降低。


小口径薄壁不锈钢管探伤过程中,无论轴向缺陷或者周向缺陷的检测,在探伤仪器性能稳定的前提下,影响探伤灵敏度的因素主要包括四个方面:①. 超声探头设计与加工;②. 超声探头偏心距选择;③. 超声聚焦声透镜设计;④. 检测设备的稳定性。


上述影响因素中,超声探头的设计与加工是一项专业性、技术性较强的工作,涉及很多专业知识,本书中不做详细讨论,仅从满足探伤工艺要求的角度对超声探头的偏心距选择及超声聚焦声透镜设计加以分析。



一、轴向缺陷检测的超声探头偏心距选择


所谓超声探头偏心距是指采用折射横波探伤时,探头声束中心线与钢管输心线的平行距离,用工加以表示。确定偏心距应满足以下两个条件(如图4.3所示)。


 1. 钢管横波探伤条件


式 1.jpg

图 3.jpg


 当超声入射角满足第一临界角,即钢中纵波折射角为90°时,所得到的入射角即为纯横波探伤条件下的最小入射角,用 αLmin 加以表示,探伤时选择的入射角应满足α≥αLmin,此时折射进钢管内的超声波变为横波,折射角用βs加以表示。


 2. 管内壁缺陷检测条件


式 2.jpg

4.jpg



二、轴向缺陷探伤超声聚焦声透镜设计


 超声探伤中所应用的声透镜材料通常为环氧树脂胶固化后形成,其声速约为2.65mm/μs.超声探头声透镜设计过程中,需要综合考虑检测时的水层距离以及聚焦声透镜的焦距大小,水层距离要求如图4.4所示。


图 4.jpg


 为避免缺陷反射波受二次表面反射波的干扰,必须满足T≥2T,即水中的超声传播时间不小于钢中的传播时间的2倍,由该条件,可得探伤时探头距离钢管表面的距离条件为:


式 6.jpg



  为兼顾钢管内外壁缺陷,不锈钢无缝钢管斜角法超声探伤时,聚焦声透镜的焦点通常在钢管水平轴面上较为合适,接下来分析焦点位于钢管水平轴面上方、水平轴面上、水平轴面下方的具体区别,如图4.5所示。


图 5.jpg



1. 焦点位于钢管水平轴面


由式(4.7)可以推出,当焦点恰好位于钢管水平轴面上时,φ=0,此时γ=η<a,表示左右两侧声束人射角相等且小于中间声束入射角,γ、n均与探头半聚焦角0的大小有关。在该条件下,左右两侧声束人射角对称分布,可兼顾钢管内、外壁的缺陷检测,是探伤的理想状态。


2. 焦点位于钢管水平轴面以上


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 这三种情况都出现折射横波快速向中心集中的现象,反射到外壁的检测横波面积较大,导致对钢管外壁缺陷的检测灵敏度降低,通过适当调整探头,可实现折射横波聚焦到钢管内壁,由此提高内壁缺陷的检测灵敏度。


3. 焦点位于钢管水平轴面以下


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 这三种情况都出现左侧折射横波折射角大,右侧折射横波折射角小,引起横波在钢管内焦距增加的现象,可以将管内折射横波聚焦到钢管外壁。因此,在该条件下,通过适调整探头可提高钢管外壁缺陷的检测灵敏度。


确定检测时的水层距离及焦距后,还必须分析超声纵波在水中传播时的近场长度,超声波无法在近场以外聚焦。


以圆形晶片为例,近场长度的计算公式为:


3.jpg


当所需的探头透镜焦距超出一定频率下的超声近场长度时,可通过改变探头晶片的大小或者改变探头频率满足聚焦要求。


需要注意的是,探头焦距与透镜晶片的曲率半径并不是一回事,两者之间的关系如图4.6所示,探头焦距与透镜曲率半径之间的关系可用下式表示:


式 8.jpg

图 6.jpg


以超声传播介质是水、透镜材料是环氧树脂为例,声透镜曲率半径与探头焦距之间的关系为r≈0.45F。


以 Φ 30×2mm不锈钢无缝钢管为例,具体分析如何确定探头焦距、声透镜曲率半径、检测偏心距,如图4.7所示。其中偏心距χ为


图 7.jpg

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如果超声探头晶片为圆盘状,检测频率为5MHz,有效检测直径为Φ8mm,则水中纵波近场长度约为42.5mm,可以实现聚焦。



三、周向缺险探伤超声聚焦声透镜设计


 小口径薄壁不锈钢无缝钢管周向缺陷探伤时,为增加有效检测的声能,可同样采用斜角法聚焦方式检测。


 随着现代工业生产的发展,产品竞争日益激烈,几乎所有的汽车发动机生产厂家都对发动机内应用的小口径薄壁不锈钢管提出严苛的质量要求,不光对钢管的轴向最小检出缺陷提出明确要求,对周向最小检出缺陷也提


 出了严苛的要求,很大程度上远超目前的国家标准甚至军队标准。譬如德国博世公司对小口径薄壁不锈钢无缝钢管的轴向、周向最小检出缺陷都要求达到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm(长×宽×深),如图4.8所示。


图 8.jpg


 小口径薄壁不锈钢无缝钢管周向缺陷检测时所碰到的技术工艺问题与轴向缺陷检测基本相同,但因钢管中折射横波的传播途径不同,探头声透镜的设计方法也就不一样,以下具体分析。


 聚焦探头焦点或焦线位于钢管垂直轴面上,如图4.2所示。采用斜角法检测时,为获得折射横波,根据式(4.1),必须满足第一临界角条件,受不锈钢无缝钢管壁厚的影响,在管壁较薄的情况下,应适当增加声束的入射角,避免探伤盲区的影响,此外还可以通过提高检测频率,优化探头设计等手段减小检测盲区。


 探头焦距的选定,应以焦点落在被检钢管内壁为佳。计算焦距时,除考虑水层厚度对探伤信号的影响外,还应考虑折射横波在钢管内传播的等效水距离。如图4.9所示,声束在水中传播距离为L*,折射横波在钢管中的传播距离为L常,则等效水距离为:



探头声透镜的曲率半径设计按照式8 即可。


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