總體(ti)來(lai)講，不銹(xiu)鋼無縫鋼管(guan)超(chao)聲波探傷技(ji)術較為(wei)成熟(shu)，常(chang)見(jian)的探傷方法主要包括接觸式(shi)探傷、水浸(jin)式(shi)探傷。其中水浸(jin)式(shi)探傷容易(yi)實現自動(dong)化(hua)，檢測靈(ling)敏度及探傷效率均(jun)較高，因(yin)此(ci)，本書重點討論水浸(jin)式(shi)超(chao)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不銹鋼管的無損檢測，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(bo)壁不銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷(shang)主要(yao)采用橫波探(tan)(tan)(tan)傷(shang)和表面波探(tan)(tan)(tan)傷(shang)，其中橫波探(tan)(tan)(tan)傷(shang)可以檢測鋼(gang)管(guan)內外(wai)缺(que)陷，而表面波探(tan)(tan)(tan)傷(shang)主要(yao)用來(lai)檢測鋼(gang)管(guan)表面的(de)缺(que)陷。圖4.1為小直徑薄(bo)壁不(bu)銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管(guan)超聲探(tan)(tan)(tan)傷(shang)的(de)基本(ben)形式(shi)。
圖(tu)4.1中所給(gei)出的基(ji)本(ben)形式(shi)為(wei)(wei)斜角(jiao)法探傷(shang)，所檢(jian)測(ce)(ce)(ce)的鋼(gang)管缺(que)陷(xian)通常以軸向(xiang)傷(shang)為(wei)(wei)主，以該方法為(wei)(wei)基(ji)礎，為(wei)(wei)提高檢(jian)測(ce)(ce)(ce)的準(zhun)確(que)性(xing)，可采用多個探頭(tou)同時檢(jian)測(ce)(ce)(ce)。為(wei)(wei)實(shi)現(xian)鋼(gang)管內外壁的軸向(xiang)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)，通常需要如圖(tu)4.2所示的檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方式(shi)，為(wei)(wei)實(shi)現(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)速度與檢(jian)測(ce)(ce)(ce)準(zhun)確(que)性(xing)的提升，同樣可采用多個探頭(tou)同時檢(jian)測(ce)(ce)(ce)。
鑒于汽車發動機用(yong)(yong)不銹鋼(gang)無縫管(guan)的高(gao)要(yao)(yao)求，其選用(yong)(yong)的小口徑薄壁不鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)的題(ti)聲探傷(shang)宜采(cai)用(yong)(yong)聚(ju)然方式檢測(ce)(ce)，超(chao)聲傳播過程中，在(zai)聚(ju)焦狀烈(lie)下可(ke)以(yi)盡可(ke)能(neng)實現(xian)檢測(ce)(ce)聲能(neng)的集中，提高(gao)檢測(ce)(ce)靈(ling)敏度(du)(du)(du)。一般情況下，為保證檢測(ce)(ce)速(su)度(du)(du)(du)，采(cai)用(yong)(yong)線聚(ju)焦檢測(ce)(ce)即可(ke)滿(man)足要(yao)(yao)求，當鋼(gang)管(guan)的檢測(ce)(ce)精度(du)(du)(du)提出特(te)別要(yao)(yao)求時，可(ke)采(cai)用(yong)(yong)點聚(ju)焦方式，此時檢測(ce)(ce)速(su)度(du)(du)(du)會有所降低。
小口徑薄壁不銹鋼管探(tan)傷過程中，無論軸(zhou)向缺陷或者周向缺陷的檢(jian)測，在(zai)探(tan)傷儀(yi)器性能穩(wen)(wen)定的前提下(xia)，影響探(tan)傷靈敏度的因素主要(yao)包括四個方(fang)面：①. 超(chao)(chao)聲(sheng)探(tan)頭設(she)計與加工；②. 超(chao)(chao)聲(sheng)探(tan)頭偏心距選擇；③. 超(chao)(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計；④. 檢(jian)測設(she)備(bei)的穩(wen)(wen)定性。
上述影響因(yin)素中(zhong)，超聲(sheng)探(tan)頭(tou)的(de)設計(ji)與加工(gong)是一項專業(ye)性、技術性較強的(de)工(gong)作，涉及(ji)很多(duo)專業(ye)知識，本書中(zhong)不做(zuo)詳(xiang)細討論，僅從(cong)滿足探(tan)傷工(gong)藝要求的(de)角度對(dui)超聲(sheng)探(tan)頭(tou)的(de)偏心距選擇及(ji)超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡(jing)設計(ji)加以分析。
一、軸向缺陷檢(jian)測的超聲探頭(tou)偏心(xin)距選擇
所謂(wei)超(chao)聲探(tan)頭偏(pian)心距是(shi)指采(cai)用(yong)折射橫波探(tan)傷(shang)時，探(tan)頭聲束中心線與鋼管輸心線的平行距離(li)，用(yong)工加(jia)以(yi)表(biao)示(shi)。確定(ding)偏(pian)心距應滿(man)足以(yi)下兩個條件（如圖4.3所示(shi)）。
1. 鋼管橫(heng)波探(tan)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 αLmin 加以表示，探傷時選擇的入射角應滿足α≥αLmin,此時折射進鋼管內的超聲波變為橫波，折射角用βs加以表示。
2. 管(guan)內壁缺陷檢測條件(jian)
二、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設(she)計(ji)
超聲(sheng)(sheng)探傷(shang)中所應用的(de)(de)聲(sheng)(sheng)透鏡材料通常為環氧樹脂(zhi)膠(jiao)固(gu)化后形成(cheng)，其(qi)聲(sheng)(sheng)速約為2.65mm/μs.超聲(sheng)(sheng)探頭聲(sheng)(sheng)透鏡設計(ji)過程中，需要綜合考慮檢測(ce)時的(de)(de)水層(ceng)(ceng)距(ju)離(li)以及聚焦(jiao)(jiao)聲(sheng)(sheng)透鏡的(de)(de)焦(jiao)(jiao)距(ju)大小(xiao)，水層(ceng)(ceng)距(ju)離(li)要求如圖4.4所示(shi)。
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(guan)內外壁缺陷，不銹(xiu)鋼無(wu)縫鋼管(guan)斜角法(fa)超(chao)聲探傷(shang)時，聚焦聲透(tou)鏡的(de)焦點通(tong)常在鋼管(guan)水(shui)平軸面上(shang)較(jiao)為合適，接下(xia)來分析焦點位于鋼管(guan)水(shui)平軸面上(shang)方(fang)、水(shui)平軸面上(shang)、水(shui)平軸面下(xia)方(fang)的(de)具體區別(bie)，如圖4.5所示。
1. 焦點位于(yu)鋼管水平(ping)軸面
由式（4.7)可以推出，當(dang)焦(jiao)點(dian)恰(qia)好位(wei)于鋼(gang)管水(shui)平軸面上時(shi)(shi)，φ=0,此時(shi)(shi)γ＝η<a,表(biao)示左(zuo)右兩側聲(sheng)束(shu)人(ren)(ren)射(she)角(jiao)(jiao)相等且小于中間(jian)聲(sheng)束(shu)入射(she)角(jiao)(jiao)，γ、n均與探(tan)頭半聚焦(jiao)角(jiao)(jiao)0的大小有關。在該(gai)條件(jian)下，左(zuo)右兩側聲(sheng)束(shu)人(ren)(ren)射(she)角(jiao)(jiao)對稱分布，可兼顧鋼(gang)管內(nei)、外(wai)壁的缺(que)陷檢測(ce)，是探(tan)傷的理想狀態。
2. 焦(jiao)點位于鋼管(guan)水平軸面以(yi)上
這三種(zhong)情況都出現折射(she)橫(heng)波(bo)(bo)快速(su)向中(zhong)心集(ji)中(zhong)的(de)現象，反射(she)到外(wai)(wai)壁的(de)檢測(ce)橫(heng)波(bo)(bo)面積較大，導(dao)致(zhi)對(dui)鋼(gang)(gang)管(guan)外(wai)(wai)壁缺(que)陷的(de)檢測(ce)靈敏(min)度降低(di)，通過(guo)適當調(diao)整探頭，可實現折射(she)橫(heng)波(bo)(bo)聚焦到鋼(gang)(gang)管(guan)內壁，由此(ci)提高內壁缺(que)陷的(de)檢測(ce)靈敏(min)度。
3. 焦(jiao)點位(wei)于鋼管水平(ping)軸面以下
這三種情況都出現(xian)左側(ce)折(zhe)(zhe)(zhe)射橫(heng)波折(zhe)(zhe)(zhe)射角大(da)，右側(ce)折(zhe)(zhe)(zhe)射橫(heng)波折(zhe)(zhe)(zhe)射角小，引起橫(heng)波在(zai)鋼(gang)管(guan)內焦距增加的(de)現(xian)象，可以將管(guan)內折(zhe)(zhe)(zhe)射橫(heng)波聚焦到鋼(gang)管(guan)外壁。因此(ci)，在(zai)該條件下，通(tong)過適調整(zheng)探(tan)頭可提高(gao)鋼(gang)管(guan)外壁缺陷的(de)檢測靈敏度。
確定檢測時的水層距離及焦距后，還必(bi)須分析超(chao)聲(sheng)縱波在水中傳播(bo)時的近(jin)場(chang)長度，超(chao)聲(sheng)波無(wu)法(fa)在近(jin)場(chang)以外(wai)聚焦。
以圓形晶(jing)片為(wei)例，近場長(chang)度的(de)計算公式(shi)為(wei)：
當所需(xu)的(de)探頭(tou)透(tou)鏡焦(jiao)距超出一定頻率(lv)下(xia)的(de)超聲近場長(chang)度時，可通過改變探頭(tou)晶片的(de)大小或(huo)者改變探頭(tou)頻率(lv)滿足聚焦(jiao)要求。
需要注意的是(shi)，探頭焦距與透(tou)(tou)鏡晶片的曲率(lv)半徑并不是(shi)一回事，兩(liang)者之(zhi)間的關(guan)系(xi)如圖4.6所示，探頭焦距與透(tou)(tou)鏡曲率(lv)半徑之(zhi)間的關(guan)系(xi)可(ke)用下式(shi)表示：
以(yi)超(chao)聲傳播介質(zhi)是水(shui)、透鏡材料是環氧(yang)樹脂(zhi)為例，聲透鏡曲率半徑與(yu)探頭焦(jiao)距之間的關系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹(xiu)鋼無縫鋼管為例，具體(ti)分析如(ru)何確定(ding)探(tan)頭焦距、聲透鏡(jing)曲率半徑、檢測偏(pian)心距，如(ru)圖4.7所示。其中偏(pian)心距χ為
如果超聲探頭晶片為圓盤狀，檢測(ce)頻率(lv)為5MHz,有效檢測(ce)直徑(jing)為Φ8mm,則水(shui)中縱(zong)波近(jin)場長度約(yue)為42.5mm,可(ke)以實現聚焦。
三、周向缺險探傷超聲(sheng)(sheng)聚焦(jiao)聲(sheng)(sheng)透鏡設計
小口徑薄(bo)壁(bi)不(bu)銹鋼無縫鋼管周(zhou)向(xiang)缺陷探傷時，為(wei)增加有效檢測的聲(sheng)能，可同樣采(cai)用斜角法(fa)聚焦(jiao)方式檢測。
隨著現代工業生產的(de)發(fa)展，產品競(jing)爭日益激(ji)烈，幾乎所(suo)有的(de)汽車發(fa)動機(ji)生產廠家都(dou)對(dui)發(fa)動機(ji)內應(ying)用的(de)小口(kou)徑薄壁不銹(xiu)鋼(gang)管提(ti)出(chu)嚴苛的(de)質量要求(qiu)，不光對(dui)鋼(gang)管的(de)軸向最小檢出(chu)缺陷提(ti)出(chu)明確要求(qiu)，對(dui)周向最小檢出(chu)缺陷也提(ti)
出(chu)(chu)了嚴(yan)苛的要求(qiu)，很(hen)大程(cheng)度上遠超目前的國(guo)家標(biao)準甚至(zhi)軍隊標(biao)準。譬(pi)如德國(guo)博世公司對小口(kou)徑薄壁不銹鋼無縫鋼管的軸向、周向最小檢出(chu)(chu)缺(que)陷都(dou)要求(qiu)達到人工(gong)缺(que)陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖(tu)4.8所示。
小(xiao)口(kou)徑(jing)薄壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向缺陷(xian)檢(jian)測時所(suo)碰(peng)到的技(ji)術工(gong)藝(yi)問題(ti)與軸向缺陷(xian)檢(jian)測基本相同，但因鋼(gang)管中折射橫波(bo)的傳播途徑(jing)不同，探頭聲透(tou)鏡(jing)的設(she)計方法也就(jiu)不一(yi)樣，以下具(ju)體(ti)分(fen)析(xi)。
聚(ju)焦(jiao)探(tan)頭焦(jiao)點或(huo)焦(jiao)線位于(yu)鋼(gang)管(guan)(guan)垂直軸(zhou)面(mian)上，如(ru)圖4.2所示。采用(yong)斜(xie)角(jiao)(jiao)法檢測時，為獲(huo)得折射橫波，根據式（4.1），必(bi)須滿(man)足(zu)第一臨(lin)界(jie)角(jiao)(jiao)條件，受(shou)不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)(guan)壁厚的(de)影響，在管(guan)(guan)壁較薄的(de)情況下(xia)，應適當(dang)增加(jia)聲束的(de)入(ru)射角(jiao)(jiao)，避免探(tan)傷盲(mang)區的(de)影響，此外還(huan)可以通過提(ti)高檢測頻(pin)率，優化探(tan)頭設計(ji)等(deng)手段減(jian)小(xiao)檢測盲(mang)區。
探頭焦(jiao)(jiao)距(ju)的(de)(de)選定，應(ying)以焦(jiao)(jiao)點(dian)落在被檢鋼管(guan)(guan)內壁(bi)為(wei)佳。計算焦(jiao)(jiao)距(ju)時，除考慮水(shui)層厚度(du)對探傷信號的(de)(de)影響外，還應(ying)考慮折(zhe)射橫波(bo)在鋼管(guan)(guan)內傳(chuan)播(bo)的(de)(de)等(deng)效(xiao)(xiao)水(shui)距(ju)離(li)(li)。如(ru)圖4.9所示，聲束(shu)在水(shui)中傳(chuan)播(bo)距(ju)離(li)(li)為(wei)L*，折(zhe)射橫波(bo)在鋼管(guan)(guan)中的(de)(de)傳(chuan)播(bo)距(ju)離(li)(li)為(wei)L常，則(ze)等(deng)效(xiao)(xiao)水(shui)距(ju)離(li)(li)為(wei)
探頭聲透鏡的曲率半徑設計(ji)按照式8 即(ji)可(ke)。
