薄壁管材探伤用爬波探头的设计及应用

　　在航空航天等领域,薄壁无缝管材的应用很广泛,其质量控制非常严格,因此薄壁无缝管材的无损检测非常重要。按照GB/T5777—1996[1]规定,应对钢管的纵横向缺陷进行检验,检测灵敏度最高应达到C3级,即最小应检测到相当于薄壁管材内外壁0.07mm刻槽深度的缺陷。现阶段,薄壁管材的超声探伤主要采用水浸法和接触法两种。一般水浸法的探头和传动装置都较精密,造价较高,在成本上对小批量管材不合算。接触法大都采用横波斜射法对管材的纵横向缺陷进行检测,因为此法对反射面与超声声轴相垂直的内部缺陷和垂直于管表面的表面缺陷检测最为有效,而大多数管子的缺陷也取上述方向^{[2 〗} 。为提高纵向缺陷的检测灵敏度,可采用双晶聚焦横波斜探头;对横向缺陷的检测,除了此种方法外,笔者设想将爬波应用于管材横向缺陷的检测上。

　　1　爬波在管材探伤的应用

　　1.1　爬波的特点

　　爬波可认为是表面下纵波,其传播速度与纵波相同。根据Snell定律,入射角等于第一临界角的换能器可产生爬波,同时还伴随大角度主束纵波(图1) ^[3] 。因此对薄壁管材来说,利用存在于表面的爬波检测垂直于管外表面的横向缺陷,利用主束纵波检测管材内部和内表面的横向缺陷是可行的[4]。

理论与试验研究的结果证明,可在一定程度上控制主瓣的角度。对钢而言,主瓣经验公式为

　　式中　α ₀———主瓣角度

　　d———晶片长度

　　λ _L———钢中的纵波波长

　　该公式表明,晶片越大,主瓣角度越大,当晶片尺寸无限大时可认为主瓣的角度为90°,但这在实际是不可行的。因此可通过合理调整晶片尺寸来确定其在管材壁厚方向上的敏感深度,提高内部和内表面缺陷的探测灵敏度^[2] 。

　　1.2　爬波探头的特点

　　爬波探头主要有两晶片串列式和并列式两种结构。由于晶片串列式在一定程度上限制了大尺寸晶片的应用,不适合于放置较长晶片,这里主要考虑并列式结构。目前广泛采用的并列式爬波探头主要应用在平面工件的检测上。如果简单地将该种探头磨制成与管材相匹配的弧面会造成两晶片声束交叉点上移,圆柱形表面的曲率越大,效应越明显[5]。因此要将爬波应用在管材的探伤上,需根据管材的外径对探头的结构进行特殊的设计。

　　2　双晶薄壁管材探伤用爬波探头的设计

　　以下提出探头设计的数学模型。探头有机玻璃斜楔的形状见图2,根据管材的曲率半径来选择最佳的α′、θ和γ,以实现薄壁管材的高灵敏度探伤.