不锈钢薄壁盘管,小口径薄壁不锈钢无缝钢管超声波探伤工艺技术流程

一般来说，不锈钢无缝钢管的超声波探伤技术比较成熟，常见的探伤方法主要有接触式探伤和水浸式探伤。 其中，水浸探伤易于实现自动化，检测灵敏度和探伤效率高。 因此，本书以水浸式超声探伤为主。

在不锈钢无缝钢管的水浸探伤过程中，常用的检测方法有垂直探伤法和倾斜探伤法。 其中垂直探伤法主要用于大口径厚壁不锈钢管的无损检测。 当饿管壁厚达到直径的20%以上时，采用立式法较为适宜。 对于汽车发动机用的小口径薄壁不锈钢管，坡口法显然更为合适。

斜角法主要采用横波探伤和面波探伤，其中横波探伤可检测钢管内外缺陷，面波探伤主要检测钢管表面缺陷。 图4.1为小口径薄壁不锈钢无缝钢管超声探伤的基本形式。

图4.1给出的基本形式是斜角探伤法。 检测到的钢管缺陷通常主要是轴向缺陷。 基于该方法，可以采用多个探针同时检测，以提高检测的准确性。 为实现钢管内外壁轴向缺陷的检测，通常需要采用图4.2所示的检测方法。 为了提高检测速度和检测精度，也可以采用多个探头同时检测。

鉴于汽车发动机用不锈钢无缝管的要求较高，小口径薄壁不锈钢无缝管的声波探伤宜采用收敛法进行检测。 超声波在传播过程中，尽可能实现在焦点下的声能集中，提高了检测灵敏度。 一般来说，为了保证检测速度，线聚焦检测可以满足要求。 当钢管检测精度有特殊要求时，可采用点聚焦法，此时检测速度会降低。

在小口径薄壁不锈钢管探伤过程中，无论检测轴向缺陷还是环向缺陷，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有：四个方面：①． 超声波探头的设计与加工； ②. 超声波探头偏心度选择； ③. 超声波聚焦透镜设计； ④. 测试设备的稳定性。

在以上因素中，超声波探头的设计和加工是一项涉及大量专业知识的专业性、技术性强的工作。 本书不作详细讨论不锈钢薄壁盘管，只是从满足探伤工艺要求的角度考虑超声波探头的偏心问题。 分析了超声聚焦声透镜的选择和设计。

1、轴向缺陷检测超声波探头偏心距的选择

所谓超声探头偏心是指折射剪切波探伤时，探头声束中心线与钢管中心线的平行距离，用劳力表示。 确定偏心率应满足以下两个条件（如图4.3所示）。

一、钢管剪切波检测条件

当超声入射角满足第一临界角，即纵波在钢中的折射角为90°时，得到的入射角为纯横波探伤条件下的最小入射角，用αLmin表示，探伤时选择的入射角应为 如果满足α≥αLmin，此时折射到钢管内的超声波变为横波，折射角用βs表示。

2、内壁缺陷的检验条件

2. 轴向探伤用超声聚焦声透镜设计

超声波探伤所用的声透镜材料通常由环氧树脂固化而成，其声速约为2.65mm/μs。 在超声探头声透镜的设计过程中，需要综合考虑探测时水层的距离和声透镜的焦点。 焦距和水层距离要求如图4.4所示。

为避免二次表面反射波对缺陷反射波的干扰，必须满足T水≥2T钢，即超声波在水中的传播时间不小于在钢中传播时间的两倍。 由该条件可知，探伤时探头与钢管表面的距离条件为：

不锈钢无缝钢管超声探伤时，为了兼顾钢管内外壁的缺陷，聚焦声透镜的焦点通常在钢管的水平轴上。 轴向平面以下的具体差异如图4.5所示。

1.重点放在钢管的横轴上

由式(4.7)可知，当焦点刚好在钢管的横轴上时，φ=0，此时γ=η

2.焦点在钢管横轴上方

三种情况都出现了折射剪切波向中心快速集中的现象，检测到的剪切波反射到外壁的面积都比较大不锈钢薄壁盘管，导致对表面缺??陷的检测灵敏度下降钢管的外壁。 通过适当调整探头，可以使折射横波聚焦在钢管内壁上。 这提高了内壁缺陷的检测灵敏度。

3.焦点在钢管横轴下方

在这三种情况下，左侧折射横波的折射角较大，右侧折射横波的折射角较小，造成横波焦距在钢管增大，管内折射剪切波可聚焦到钢管外壁。 因此，在此条件下，可通过适当调整探头来提高钢管外壁缺陷的检测灵敏度。

确定水层距离和检测焦距后，还需要分析超声波纵波在水中传播的近场长度，因为超声波不能在近场外聚焦。

以圆形晶圆为例，近场长度的计算公式为：

当所需探头透镜焦距超过某一频率下的超声近场长度时，可通过改变探头元件尺寸或改变探头频率来满足聚焦要求。

需要注意的是，探头的焦距和透镜晶片的曲率半径不是一回事。 两者的关系如图4.6所示。 探头焦距与透镜曲率半径的关系可用下式表示：

以水为超声传播介质，环氧树脂为透镜材料，声透镜的曲率半径与探头焦距的关系为r≈0.45F。

以Φ30×2mm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、检测偏心率，如图4.7所示，其中偏心率χ是

如果超声探头芯片为圆盘形，检测频率为5MHz，有效检测直径为Φ8mm，则纵波在水中的近场长度约为42.5mm，即可实现聚焦。

3. 圆周缺陷检测超声聚焦声透镜设计

检测小口径薄壁不锈钢无缝钢管环向缺陷时，为增加有效检测的声能，也可采用斜角法检测。

随着现代工业生产的发展和产品竞争的日益激烈，几乎所有的汽车发动机制造商都对发动机用小口径薄壁不锈钢管提出了严格的质量要求，不仅要求轴向检测缺陷最少钢管方向明确要求，同时规定了圆周方向的最小可检测缺陷

有严格的要求，在很大程度上远超现行的国家标准，甚至是军用标准。 例如，德国博世公司要求小口径薄壁不锈钢无缝钢管轴向和圆周方向的最小检出缺陷要达到2mm×0.15mm×0.15mm（长×宽×深）的人工缺陷，如图 4.8 所示。

小口径薄壁不锈钢无缝钢管检测中遇到的技术工艺问题与轴向缺陷检测中遇到的问题基本相同。 但由于折射横波在钢管中的传播路径不同，探头声透镜的设计方法也不同。 下面具体分析。

聚焦探头的焦点或焦线位于钢管的垂直轴线上，如图4.2所示。 采用斜角法检测时，为得到折射横波，根据式（4.1），必须满足第一个临界角条件。 不锈钢无缝钢管受壁厚影响，在管壁较薄的情况下，应适当增大声束入射角，避免探伤盲区的影响。 此外，还可以通过提高检测频率和优化探头设计来减少检测盲区。

探头焦距的选择最好集中在被检钢管的内壁上。 计算焦距时，除考虑水层厚度对探伤信号的影响外，还应考虑折射剪切波在钢管中传播的等效水距。如图4.9所示，声束在水中的传播距离为L*，折射横波在钢管中的传播距离为常数L，则等效水距为

探头声透镜的曲率半径可以根据公式8进行设计。