總(zong)體(ti)來講，不銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管超聲波(bo)探(tan)(tan)傷技(ji)術較為成熟，常見的探(tan)(tan)傷方法主要包(bao)括接觸式(shi)探(tan)(tan)傷、水浸式(shi)探(tan)(tan)傷。其中水浸式(shi)探(tan)(tan)傷容易(yi)實現(xian)自動化，檢測靈敏度及探(tan)(tan)傷效率均(jun)較高，因此，本書重點(dian)討(tao)論水浸式(shi)超聲探(tan)(tan)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(guan)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(xiu)鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角法(fa)振傷(shang)主要采用(yong)橫波探(tan)(tan)傷(shang)和表(biao)(biao)面(mian)波探(tan)(tan)傷(shang)，其中橫波探(tan)(tan)傷(shang)可以檢測鋼(gang)管(guan)(guan)內外缺(que)陷，而(er)表(biao)(biao)面(mian)波探(tan)(tan)傷(shang)主要用(yong)來(lai)檢測鋼(gang)管(guan)(guan)表(biao)(biao)面(mian)的缺(que)陷。圖4.1為小直徑(jing)薄(bo)壁不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管(guan)(guan)超聲(sheng)探(tan)(tan)傷(shang)的基本形式。
圖(tu)4.1中(zhong)所(suo)給出的基(ji)本形式(shi)為(wei)斜角法探傷，所(suo)檢測(ce)(ce)(ce)的鋼管缺陷通常以軸向(xiang)傷為(wei)主，以該方法為(wei)基(ji)礎，為(wei)提(ti)高檢測(ce)(ce)(ce)的準(zhun)確性，可采用多個探頭同時檢測(ce)(ce)(ce)。為(wei)實現鋼管內外壁的軸向(xiang)缺陷檢測(ce)(ce)(ce)，通常需要如圖(tu)4.2所(suo)示的檢測(ce)(ce)(ce)方式(shi)，為(wei)實現檢測(ce)(ce)(ce)速度與檢測(ce)(ce)(ce)準(zhun)確性的提(ti)升(sheng)，同樣可采用多個探頭同時檢測(ce)(ce)(ce)。
鑒于汽(qi)車發(fa)動機用(yong)(yong)(yong)不銹鋼(gang)無(wu)縫管的高(gao)要(yao)求(qiu)，其選(xuan)用(yong)(yong)(yong)的小口徑薄壁不鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管的題(ti)聲探(tan)傷宜(yi)采用(yong)(yong)(yong)聚(ju)(ju)然方式(shi)檢測(ce)，超聲傳播過程中，在聚(ju)(ju)焦狀烈下可以(yi)盡可能實現檢測(ce)聲能的集中，提(ti)高(gao)檢測(ce)靈敏度(du)。一(yi)般情(qing)況下，為保證檢測(ce)速度(du)，采用(yong)(yong)(yong)線聚(ju)(ju)焦檢測(ce)即可滿足(zu)要(yao)求(qiu)，當(dang)鋼(gang)管的檢測(ce)精度(du)提(ti)出特別要(yao)求(qiu)時，可采用(yong)(yong)(yong)點聚(ju)(ju)焦方式(shi)，此(ci)時檢測(ce)速度(du)會有(you)所降(jiang)低。
小口徑薄壁不銹鋼管探(tan)(tan)傷過(guo)程中，無論軸向(xiang)缺陷或者周向(xiang)缺陷的檢測(ce)，在(zai)探(tan)(tan)傷儀器(qi)性(xing)(xing)能穩定(ding)(ding)的前(qian)提下，影響探(tan)(tan)傷靈(ling)敏度的因素主要包括(kuo)四(si)個方(fang)面：①. 超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)頭設(she)計與加工；②. 超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)頭偏心距選擇；③. 超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計；④. 檢測(ce)設(she)備的穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)。
上述影(ying)響因素中，超(chao)聲探(tan)頭的設(she)計與加(jia)(jia)工(gong)是(shi)一項專業(ye)性、技(ji)術性較強的工(gong)作，涉及很多專業(ye)知(zhi)識，本書中不做詳細討論，僅從滿足探(tan)傷工(gong)藝要求的角度對超(chao)聲探(tan)頭的偏心距(ju)選擇及超(chao)聲聚(ju)焦聲透鏡(jing)設(she)計加(jia)(jia)以分析。
一、軸向缺陷檢測(ce)的(de)超(chao)聲(sheng)探頭偏心距選擇
所(suo)(suo)謂超聲探頭偏心距(ju)是指采用折(zhe)射橫波探傷時，探頭聲束(shu)中心線與鋼管(guan)輸心線的平行距(ju)離，用工加以(yi)表示。確定偏心距(ju)應(ying)滿足以(yi)下兩個條件（如圖4.3所(suo)(suo)示）。
1. 鋼管橫波探傷條(tiao)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. 管內壁(bi)缺陷檢測條(tiao)件
二、軸向缺(que)陷探傷(shang)超聲聚焦聲透(tou)鏡設計
超聲(sheng)探傷中所應用的(de)(de)聲(sheng)透鏡材料通(tong)常(chang)為(wei)環氧樹脂膠固化(hua)后形成，其聲(sheng)速(su)約為(wei)2.65mm/μs.超聲(sheng)探頭聲(sheng)透鏡設計過程中，需要綜合考慮檢測時的(de)(de)水層距離以及聚焦(jiao)聲(sheng)透鏡的(de)(de)焦(jiao)距大小，水層距離要求如圖4.4所示。
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(jian)顧(gu)鋼(gang)管內(nei)外(wai)壁缺陷，不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管斜角法超聲探傷(shang)時(shi)，聚(ju)焦(jiao)(jiao)聲透鏡的(de)焦(jiao)(jiao)點(dian)通(tong)常在鋼(gang)管水(shui)平(ping)軸面(mian)上較為合適，接下來分析(xi)焦(jiao)(jiao)點(dian)位于鋼(gang)管水(shui)平(ping)軸面(mian)上方、水(shui)平(ping)軸面(mian)上、水(shui)平(ping)軸面(mian)下方的(de)具體區別，如(ru)圖(tu)4.5所示。
1. 焦點位于鋼管(guan)水(shui)平(ping)軸面(mian)
由式（4.7)可以推出，當焦點(dian)恰好位于鋼管水平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左(zuo)右兩(liang)側聲束(shu)人射(she)角(jiao)相等(deng)且小于中間(jian)聲束(shu)入射(she)角(jiao)，γ、n均與探頭(tou)半聚焦角(jiao)0的(de)大小有關。在該條件(jian)下，左(zuo)右兩(liang)側聲束(shu)人射(she)角(jiao)對稱分布，可兼顧鋼管內、外壁的(de)缺陷檢測，是探傷的(de)理想狀態。
2. 焦(jiao)點位于鋼管(guan)水平(ping)軸面以上(shang)
這三種情況(kuang)都(dou)出(chu)現(xian)折(zhe)射橫波(bo)快速向中(zhong)心集中(zhong)的(de)現(xian)象，反射到外壁(bi)的(de)檢測(ce)橫波(bo)面積較大(da)，導致對鋼管外壁(bi)缺陷的(de)檢測(ce)靈敏(min)度降低，通過(guo)適當調整探頭(tou)，可實現(xian)折(zhe)射橫波(bo)聚(ju)焦到鋼管內壁(bi)，由此提(ti)高內壁(bi)缺陷的(de)檢測(ce)靈敏(min)度。
3. 焦點(dian)位于鋼管水平軸面以下
這三種情況都出現左側折(zhe)射橫(heng)波折(zhe)射角大，右(you)側折(zhe)射橫(heng)波折(zhe)射角小，引起橫(heng)波在(zai)鋼(gang)管(guan)內焦(jiao)距(ju)增(zeng)加(jia)的現象，可(ke)以將管(guan)內折(zhe)射橫(heng)波聚焦(jiao)到(dao)鋼(gang)管(guan)外(wai)壁。因此，在(zai)該條件下(xia)，通過適調整探頭可(ke)提高(gao)鋼(gang)管(guan)外(wai)壁缺(que)陷的檢測靈敏度。
確定檢測時的(de)水層距離及焦(jiao)(jiao)距后，還必須分析超(chao)(chao)聲(sheng)縱波在水中(zhong)傳播時的(de)近(jin)場(chang)長度，超(chao)(chao)聲(sheng)波無法在近(jin)場(chang)以外聚(ju)焦(jiao)(jiao)。
以(yi)圓形晶(jing)片為(wei)(wei)例，近場長度(du)的計算公式為(wei)(wei)：
當所需的(de)探(tan)頭透鏡焦距超(chao)(chao)出一定(ding)頻(pin)率下的(de)超(chao)(chao)聲近場(chang)長度時(shi)，可通過改變探(tan)頭晶片的(de)大小或者改變探(tan)頭頻(pin)率滿足聚焦要(yao)求。
需要注意的是，探(tan)頭焦(jiao)(jiao)距與透鏡(jing)晶片的曲(qu)率半徑(jing)并不是一回事，兩者(zhe)之(zhi)間(jian)的關(guan)系如圖4.6所示(shi)，探(tan)頭焦(jiao)(jiao)距與透鏡(jing)曲(qu)率半徑(jing)之(zhi)間(jian)的關(guan)系可(ke)用下式表示(shi)：
以超聲(sheng)傳播介質是水(shui)、透鏡材料是環氧樹(shu)脂為例(li)，聲(sheng)透鏡曲(qu)率半徑與探頭焦距之間的關系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不(bu)銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管為(wei)例，具體分析如何確定探頭焦距、聲透鏡曲率半徑、檢測偏心距，如圖4.7所示(shi)。其(qi)中偏心距χ為(wei)
如果超聲探(tan)頭(tou)晶片為圓盤狀，檢測(ce)頻率為5MHz,有效(xiao)檢測(ce)直徑為Φ8mm,則水中縱波近(jin)場長度約為42.5mm,可以實現聚焦。
三、周(zhou)向(xiang)缺(que)險探傷超聲聚(ju)焦聲透鏡設(she)計
小(xiao)口徑薄壁(bi)不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管周(zhou)向(xiang)缺(que)陷探傷時，為增加有效檢測的聲能，可同(tong)樣(yang)采(cai)用(yong)斜(xie)角法聚焦方式檢測。
隨著現代工業生產(chan)(chan)的(de)(de)發展，產(chan)(chan)品競爭日(ri)益激烈，幾(ji)乎所有的(de)(de)汽(qi)車發動(dong)機生產(chan)(chan)廠(chang)家(jia)都對發動(dong)機內(nei)應用的(de)(de)小口徑薄(bo)壁不銹(xiu)鋼管提(ti)出嚴苛的(de)(de)質(zhi)量(liang)要(yao)求，不光對鋼管的(de)(de)軸向(xiang)最(zui)小檢出缺陷提(ti)出明確(que)要(yao)求，對周向(xiang)最(zui)小檢出缺陷也提(ti)
出(chu)了(le)嚴(yan)苛的要(yao)求，很大程度上遠超目前的國(guo)家(jia)標(biao)準(zhun)甚至(zhi)軍(jun)隊標(biao)準(zhun)。譬如德國(guo)博世(shi)公(gong)司對(dui)小(xiao)口徑薄壁不銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)的軸向、周向最小(xiao)檢出(chu)缺陷都要(yao)求達到人工(gong)缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深(shen)），如圖4.8所示。
小口(kou)徑(jing)薄(bo)壁(bi)不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)周向缺(que)陷(xian)(xian)檢測(ce)時所碰到的(de)(de)技(ji)術工藝問題與(yu)軸向缺(que)陷(xian)(xian)檢測(ce)基本相同，但因鋼(gang)管(guan)中折射(she)橫波的(de)(de)傳播途徑(jing)不(bu)同，探(tan)頭聲透鏡的(de)(de)設計方法也(ye)就不(bu)一樣，以下具體分析(xi)。
聚焦探頭(tou)焦點或焦線(xian)位于鋼管(guan)(guan)垂直軸面上，如圖4.2所示。采用斜角(jiao)法(fa)檢(jian)測時，為獲得折射橫波，根據式（4.1），必須滿足第一臨界(jie)角(jiao)條件，受不銹鋼無縫鋼管(guan)(guan)壁厚的(de)(de)影響，在管(guan)(guan)壁較薄的(de)(de)情況下(xia)，應(ying)適當增加聲束的(de)(de)入(ru)射角(jiao)，避(bi)免探傷盲區的(de)(de)影響，此外還可以通過提高檢(jian)測頻率(lv)，優化(hua)探頭(tou)設計(ji)等手段減小(xiao)檢(jian)測盲區。
探頭(tou)焦距(ju)的(de)選定，應以焦點(dian)落在被檢鋼管內壁為(wei)佳。計算焦距(ju)時，除考(kao)慮水(shui)層厚度對探傷信(xin)號的(de)影(ying)響外，還應考(kao)慮折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)在鋼管內傳播的(de)等(deng)效水(shui)距(ju)離。如圖4.9所示，聲束(shu)在水(shui)中(zhong)傳播距(ju)離為(wei)L*，折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)在鋼管中(zhong)的(de)傳播距(ju)離為(wei)L常，則等(deng)效水(shui)距(ju)離為(wei)
探頭聲透鏡的曲(qu)率半徑設計按照(zhao)式8 即(ji)可。
