總體(ti)來講(jiang)，不銹鋼無縫鋼管(guan)超(chao)聲(sheng)波探(tan)傷(shang)技術較為成熟(shu)，常見的(de)探(tan)傷(shang)方法主(zhu)要包(bao)括接觸式探(tan)傷(shang)、水浸(jin)式探(tan)傷(shang)。其(qi)中水浸(jin)式探(tan)傷(shang)容易(yi)實現自動(dong)化，檢測(ce)靈敏度(du)及探(tan)傷(shang)效(xiao)率均較高，因(yin)此(ci)，本書重點討論水浸(jin)式超(chao)聲(sheng)探(tan)傷(shang)。
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壁不銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷主要采用橫波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷和表(biao)面波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷，其中橫波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷可以檢測鋼(gang)(gang)管(guan)內外缺陷，而表(biao)面波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷主要用來檢測鋼(gang)(gang)管(guan)表(biao)面的缺陷。圖4.1為小直(zhi)徑薄壁不銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管(guan)超聲探(tan)傷的基本形式(shi)。
圖4.1中(zhong)所給出的(de)(de)基本形式為斜角法(fa)(fa)探傷，所檢(jian)測(ce)的(de)(de)鋼(gang)(gang)管缺陷(xian)(xian)通常(chang)以(yi)軸向傷為主，以(yi)該方法(fa)(fa)為基礎，為提(ti)高(gao)檢(jian)測(ce)的(de)(de)準(zhun)確性，可(ke)采用(yong)(yong)多個探頭同(tong)(tong)時檢(jian)測(ce)。為實(shi)現(xian)(xian)鋼(gang)(gang)管內外(wai)壁的(de)(de)軸向缺陷(xian)(xian)檢(jian)測(ce)，通常(chang)需要如圖4.2所示的(de)(de)檢(jian)測(ce)方式，為實(shi)現(xian)(xian)檢(jian)測(ce)速度與檢(jian)測(ce)準(zhun)確性的(de)(de)提(ti)升，同(tong)(tong)樣可(ke)采用(yong)(yong)多個探頭同(tong)(tong)時檢(jian)測(ce)。
鑒于汽車發動(dong)機用不銹鋼無(wu)縫管的(de)高要(yao)求，其選用的(de)小口徑(jing)薄壁不鋼無(wu)縫鋼管的(de)題聲探傷宜(yi)采(cai)用聚(ju)(ju)(ju)然方式檢測(ce)(ce)，超聲傳播(bo)過程中(zhong)，在聚(ju)(ju)(ju)焦狀烈下(xia)可(ke)以盡可(ke)能實(shi)現檢測(ce)(ce)聲能的(de)集中(zhong)，提高檢測(ce)(ce)靈敏度(du)(du)。一般情(qing)況下(xia)，為保證檢測(ce)(ce)速度(du)(du)，采(cai)用線(xian)聚(ju)(ju)(ju)焦檢測(ce)(ce)即可(ke)滿足要(yao)求，當鋼管的(de)檢測(ce)(ce)精度(du)(du)提出特別要(yao)求時，可(ke)采(cai)用點聚(ju)(ju)(ju)焦方式，此時檢測(ce)(ce)速度(du)(du)會有所降低(di)。
小口徑薄(bo)壁不銹(xiu)鋼管探(tan)傷(shang)過(guo)程中，無論軸向(xiang)缺(que)陷(xian)或(huo)者周(zhou)向(xiang)缺(que)陷(xian)的檢測，在探(tan)傷(shang)儀(yi)器性能穩(wen)定的前提下(xia)，影響探(tan)傷(shang)靈敏度的因(yin)素主要包括四個方面：①. 超(chao)聲探(tan)頭設(she)計(ji)與(yu)加工(gong)；②. 超(chao)聲探(tan)頭偏心距(ju)選擇；③. 超(chao)聲聚焦聲透鏡設(she)計(ji)；④. 檢測設(she)備的穩(wen)定性。
上述(shu)影(ying)響(xiang)因素中，超聲探頭(tou)的(de)設計(ji)與加(jia)工(gong)是(shi)一項專業性、技術性較強(qiang)的(de)工(gong)作(zuo)，涉及很(hen)多專業知(zhi)識，本(ben)書(shu)中不(bu)做詳(xiang)細討論，僅(jin)從滿足探傷工(gong)藝要求的(de)角度對超聲探頭(tou)的(de)偏心距選擇及超聲聚(ju)焦聲透鏡設計(ji)加(jia)以分析。
一、軸(zhou)向缺陷(xian)檢測的超聲探頭偏(pian)心距選擇
所(suo)(suo)謂超聲(sheng)探頭(tou)偏(pian)心距(ju)是指采用折射橫波探傷時，探頭(tou)聲(sheng)束中心線(xian)與鋼管輸心線(xian)的(de)平行距(ju)離，用工加以表(biao)示(shi)。確定(ding)偏(pian)心距(ju)應滿足以下兩個條件（如(ru)圖4.3所(suo)(suo)示(shi)）。
1. 鋼(gang)管橫波(bo)探傷條件
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(nei)壁缺陷檢測條(tiao)件
二、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設計
超(chao)聲(sheng)(sheng)探傷中(zhong)所(suo)應用(yong)的聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)材料通常為環氧樹脂膠固化(hua)后形成，其聲(sheng)(sheng)速約(yue)為2.65mm/μs.超(chao)聲(sheng)(sheng)探頭聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)設計(ji)過程(cheng)中(zhong)，需要綜合考慮檢(jian)測時(shi)的水層距離(li)以(yi)及(ji)聚焦聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)的焦距大小，水層距離(li)要求如圖4.4所(suo)示。
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(gang)管內外壁缺陷，不銹(xiu)鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管斜(xie)角法超聲探傷時，聚焦(jiao)聲透鏡的焦(jiao)點通常在鋼(gang)管水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)上(shang)較(jiao)為合適(shi)，接下(xia)來分析焦(jiao)點位于鋼(gang)管水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)上(shang)方(fang)、水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)上(shang)、水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)下(xia)方(fang)的具體區別，如圖4.5所示。
1. 焦(jiao)點位于鋼管水(shui)平軸(zhou)面
由式（4.7)可以推出，當焦(jiao)(jiao)點(dian)恰好位于鋼管水平軸面上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表(biao)示(shi)左右(you)兩(liang)側(ce)聲(sheng)束(shu)(shu)人(ren)射角(jiao)(jiao)相(xiang)等且(qie)小于中間聲(sheng)束(shu)(shu)入(ru)射角(jiao)(jiao)，γ、n均與探(tan)頭(tou)半聚焦(jiao)(jiao)角(jiao)(jiao)0的大小有關。在該條件下(xia)，左右(you)兩(liang)側(ce)聲(sheng)束(shu)(shu)人(ren)射角(jiao)(jiao)對稱(cheng)分布，可兼顧鋼管內、外(wai)壁的缺(que)陷檢測(ce)，是探(tan)傷的理(li)想狀(zhuang)態。
2. 焦點(dian)位于鋼管(guan)水平軸(zhou)面以(yi)上
這三種情況都出(chu)現折(zhe)射(she)橫波快速向中心集(ji)中的現象(xiang)，反射(she)到外壁的檢(jian)測(ce)橫波面(mian)積較大，導致對鋼管外壁缺陷的檢(jian)測(ce)靈敏度降(jiang)低(di)，通過適當調(diao)整探頭，可實現折(zhe)射(she)橫波聚焦到鋼管內壁，由此(ci)提高內壁缺陷的檢(jian)測(ce)靈敏度。
3. 焦點位于鋼管水平軸面以下
這三種情況都出現(xian)左側(ce)折(zhe)射(she)橫波(bo)(bo)折(zhe)射(she)角(jiao)大，右側(ce)折(zhe)射(she)橫波(bo)(bo)折(zhe)射(she)角(jiao)小，引起橫波(bo)(bo)在(zai)鋼(gang)管內(nei)(nei)焦距增加的現(xian)象，可(ke)以將管內(nei)(nei)折(zhe)射(she)橫波(bo)(bo)聚焦到鋼(gang)管外(wai)(wai)壁。因(yin)此(ci)，在(zai)該條件下，通過適調整探(tan)頭可(ke)提高鋼(gang)管外(wai)(wai)壁缺陷(xian)的檢測靈(ling)敏度。
確定檢測時的水(shui)層距(ju)離及焦距(ju)后，還必(bi)須分析超聲(sheng)縱波在(zai)水(shui)中傳播(bo)時的近場(chang)長度，超聲(sheng)波無法在(zai)近場(chang)以外聚焦。
以圓形晶片為(wei)(wei)例，近場長度的(de)計算公式為(wei)(wei)：
當所需的探頭(tou)透鏡焦(jiao)距超出一定頻率(lv)下的超聲近(jin)場(chang)長度時(shi)，可通過改(gai)變探頭(tou)晶片的大小或者改(gai)變探頭(tou)頻率(lv)滿足聚焦(jiao)要求。
需要(yao)注意的是，探(tan)(tan)頭焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡晶片的曲率半徑并不(bu)是一回事，兩(liang)者(zhe)之間的關(guan)系如圖(tu)4.6所示，探(tan)(tan)頭焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡曲率半徑之間的關(guan)系可用下式(shi)表示：
以超聲傳播(bo)介質是水、透鏡材料是環氧樹脂(zhi)為例，聲透鏡曲率半徑與探(tan)頭焦距之間的關(guan)系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管為例，具體分析如(ru)何(he)確定探頭焦距、聲(sheng)透鏡曲率半徑、檢(jian)測(ce)偏心距，如(ru)圖4.7所示。其中偏心距χ為
如果超聲探頭晶(jing)片為圓(yuan)盤狀，檢測(ce)頻率為5MHz,有效檢測(ce)直(zhi)徑(jing)為Φ8mm,則水中縱波近場(chang)長度約(yue)為42.5mm,可以實現聚(ju)焦(jiao)。
三、周向(xiang)缺險探傷超聲聚焦(jiao)聲透(tou)鏡設計
小(xiao)口徑薄壁不銹鋼無縫(feng)鋼管周向缺陷探傷時(shi)，為增加有效檢測的聲能(neng)，可同樣采用(yong)斜角法聚焦方式檢測。
隨著現代工(gong)業生(sheng)產的(de)發展，產品競爭日益激(ji)烈，幾乎(hu)所有的(de)汽車(che)發動機(ji)生(sheng)產廠家都對(dui)發動機(ji)內應用的(de)小口徑薄壁(bi)不銹鋼(gang)管(guan)提(ti)出嚴苛的(de)質量要(yao)求(qiu)，不光對(dui)鋼(gang)管(guan)的(de)軸向最小檢出缺陷提(ti)出明(ming)確要(yao)求(qiu)，對(dui)周向最小檢出缺陷也提(ti)
出(chu)了(le)嚴苛的(de)要(yao)求(qiu)，很大程度(du)上遠超目前(qian)的(de)國家標準(zhun)甚至軍(jun)隊(dui)標準(zhun)。譬如德國博世公司對小(xiao)口徑薄壁(bi)不(bu)銹(xiu)鋼無縫鋼管的(de)軸向、周向最小(xiao)檢出(chu)缺陷都要(yao)求(qiu)達(da)到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬(kuan)×深），如圖4.8所示。
小(xiao)口徑(jing)(jing)薄(bo)壁不(bu)銹鋼無縫鋼管(guan)周向缺陷(xian)檢測時所碰到(dao)的(de)技術工(gong)藝問題與軸(zhou)向缺陷(xian)檢測基本相(xiang)同(tong)，但因(yin)鋼管(guan)中折射橫波的(de)傳播途徑(jing)(jing)不(bu)同(tong)，探頭聲透鏡的(de)設計(ji)方法也就(jiu)不(bu)一(yi)樣，以(yi)下具體分析。
聚焦(jiao)探頭焦(jiao)點(dian)或焦(jiao)線(xian)位于(yu)鋼(gang)管垂(chui)直軸面上(shang)，如圖4.2所(suo)示。采用斜角法檢(jian)測時，為獲得折射橫波(bo)，根據(ju)式（4.1），必須滿足第一臨(lin)界角條件，受不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管壁厚的(de)(de)影(ying)響，在管壁較薄的(de)(de)情況下，應適當(dang)增加聲束的(de)(de)入射角，避免探傷(shang)盲區的(de)(de)影(ying)響，此外還可(ke)以(yi)通(tong)過提(ti)高檢(jian)測頻率(lv)，優化探頭設計等(deng)手段減小檢(jian)測盲區。
探頭(tou)焦(jiao)(jiao)距(ju)的(de)選定，應以焦(jiao)(jiao)點落在被檢鋼(gang)管內壁為佳。計算焦(jiao)(jiao)距(ju)時，除考慮水(shui)(shui)層厚度(du)對探傷信號的(de)影響外，還(huan)應考慮折射橫(heng)波在鋼(gang)管內傳播(bo)(bo)的(de)等(deng)效(xiao)水(shui)(shui)距(ju)離(li)(li)。如(ru)圖4.9所(suo)示(shi)，聲(sheng)束(shu)在水(shui)(shui)中(zhong)傳播(bo)(bo)距(ju)離(li)(li)為L*，折射橫(heng)波在鋼(gang)管中(zhong)的(de)傳播(bo)(bo)距(ju)離(li)(li)為L常，則等(deng)效(xiao)水(shui)(shui)距(ju)離(li)(li)為
探頭聲透鏡的曲率(lv)半徑(jing)設計按照式(shi)8 即可。
