厚壁管材的超聲波檢測技巧

■南車株洲電力機車有限公司 （湖南 412001） 張佐時

厚壁管材的超聲波檢測技巧

■南車株洲電力機車有限公司 （湖南 412001） 張佐時

摘要：根據空心軸等圓管類工件內部缺陷產生部位及缺陷取向的情況，從超聲波檢測時的參數選擇、試塊制作及缺陷定位、定量等方面進行分析研究，為檢測相關厚壁管材產品提供參考。

我公司生產的多型客運機車，其輪對驅動采用空心軸結構，在對用于空心軸的管材進行入庫檢查探傷時，數次發現管材內部存在嚴重缺陷。現將厚壁管材超聲波檢測中的一些實踐經驗整理成文，供大家參考指正。

1. 檢測對象

檢測對象為空心軸厚壁管材，其材料為35鋼，形狀尺寸如圖1所示，主要檢測其管壁內外各種取向不同的內部原始缺陷。

2. 檢測方法及探頭參數的選擇

由圖1可知，空心軸管材為一長筒形工件，其生產制造工藝為鍛造熱軋成型，這類工件內部缺陷比較復雜，既可能有垂直于軸線的徑向和周向缺陷，又可能有平行于軸線的軸向缺陷。不同類型的缺陷需要采用不同的方法來探測，根據缺陷的取向及超聲波反射原理，采用縱波垂直探傷法、橫波周向探傷法和橫波軸向探傷法3種不同方法對空心軸進行檢測，可以保證缺陷最大限度地不漏檢。

（1）縱波垂直探傷法：對于與空心軸軸線垂直的周向缺陷（見圖2），采用縱波單直探頭或者聯合雙晶探頭探傷效果比較好。根據工件材質及厚度，探頭頻率可選擇2.5～5.0MHz，晶片尺寸以14～20mm為宜。

（2）橫波軸向探傷法：對于與空心軸軸線垂直的徑向缺陷（見圖3），采用橫波單斜探頭進行軸向探測，探頭頻率可選擇2.5 ～5.0MHz，K值選擇以K1為宜，要注意的是這時的聲束在內壁的反射波更進一步發散，聲能損失大，因此外壁缺陷靈敏度較低。

圖1　空心軸厚壁管材

圖2

（3）橫波周向探傷法：對于與空心軸軸線平行的軸向缺陷（見圖4），采用橫波單斜探頭進行周向探測，探頭頻率可選擇2.5 ～5.0MHz，考慮到缺陷的取向不同，探測時，探頭應作正反兩個方向的全面掃查，以免漏檢。

橫波周向探傷時K值的確定如圖5所示。

當用橫波沿工件外圓周向探測空心軸時，只有當超聲波波束軸線與空心軸內壁圓相切或相交時，超聲波才能夠掃查到工件內壁。運用幾何知識，可以推導出如下計算公式式中，T為空心軸壁厚；D為空心軸外徑；β為斜探頭橫波入射角。

將圖1所示 T、D值代入式（1）中，可以算出β=40.3°，由此可知，只有當橫波入射角＜40.3°時，超聲波波束才能完全掃查到工件內壁。實際探傷中，我們選擇橫波入射角β=38.7°，亦即K=0.8的斜探頭進行檢測。

3. 試塊制作及探傷靈敏度調整

根據供需雙方技術協定，通過查閱GB/T 5777-1996標準，制作了如圖6所示的對比試塊，該試塊是從空心軸原始坯料上截取的，其規格、材質、熱處理及表面狀態均與被檢測工件相同或相近，試塊本身無超標缺陷。

（1）縱波垂直探傷法靈敏度調整：參照供需雙方訂貨技術協定以及鋼鍛件一般通用檢驗方法，采用如圖6所示自制對比試塊，前后移動探頭找到試塊處人工缺陷（φ2mm平底孔）的最高反射回波，將此回波調至熒光屏滿幅度的80%，補償試塊與工件之間的耦合差即完成基準靈敏度調整，在基準靈敏度的基礎上提高6dB作為探傷掃查靈敏度。

圖3

圖4

圖5

圖6　縱波探傷對比試塊

（2）橫波軸向探傷靈敏度調整：將K1斜探頭置于如圖6所示對比試塊上，前后移動探頭找到試塊上內壁矩形槽處最高反射回波，并將之調至熒光屏滿幅度的80%，在此靈敏度基礎上再移動探頭，找到試塊外壁矩形槽處的最高反射回波，二者波峰的連線為距離波幅曲線，作為基準靈敏度，在基準靈敏度的基礎上提高

6dB作為掃查靈敏度。

（3）橫波周向探傷法靈敏度調整：將K0.8斜探頭置于對比試塊上，前后移動探頭找到試塊上內壁矩形槽處的最高反射回波，并將之調至熒光屏滿幅度的80%，在此靈敏度基礎上再移動探頭，找到試塊上外壁矩形槽處的最高反射回波，二者波峰連線為距離波幅曲線，作為基準靈敏度，在基準靈敏度的基礎上提高6dB作為掃查靈敏度。

4. 缺陷評定及定位、定量

（1）縱波垂直探傷法：缺陷位置可直接從儀器上讀出，其缺陷定量可通過平底孔對比試塊測定。線性缺陷的測長可以采用6dB法，但要注意的是此時探頭的移動距離不再是缺陷的指示長度了（見圖7）。

按幾何關系可以推導出此時缺陷的實際指示長度L為

式中，l為探頭實際移動的外圓弧長；R為空心軸外半徑；h為缺陷的聲程。

（2）橫波軸向探傷法：缺陷定位與平面探傷時相同，通過計算或直接從儀器上讀取，可以很方便地得出缺陷的深度和距探頭的水平距離。發現缺陷時，將儀器調整到基準靈敏度，若缺陷回波幅度≥基準靈敏度波幅曲線，則為不合格。線性缺陷的測長可以采用6dB法。

（3）橫波周向探傷法：當采用橫波周向探傷法檢測空心軸時，缺陷定位與平面定位不同，外圓周向探測空心軸時，缺陷的位置由深度h和弧長來確定，h、與平板工件中缺陷的深度d和水平距離l是有很大差別的（見圖8）。

圖8中，A C=d（平板工件缺陷深度），BC=dtanβ=Kd=l（平板工件中缺陷水平距離），AO=R，CO=R-d，可得

從而推導出

圖7　縱波垂直探傷法

圖8

5. 結語

實際工作中，對超過基準靈敏度波幅曲線的缺陷定位，通過對缺陷部位截除、車削、金相檢查等方法，均可以很明顯地看到裂紋及夾層等缺陷。因此，采用該方法檢測SS9空心軸內部缺陷是可行的。

參考文獻：

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[2] 鄭熙，侯力，王裕林，等. 厚壁無縫鋼管的超聲波檢測系統［J］. 機械設計與制造，2010 （7）：95-97.

[3] 李明，余慶彬. 厚壁鋼管縱向缺陷的超聲波探傷［J］. 無損檢測，2008（10）：60-62.

收稿日期：（20141217）