總體來講，不銹鋼無縫鋼管超聲(sheng)波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)技術較為(wei)成熟，常見的探(tan)(tan)傷(shang)(shang)方法主要包括接(jie)觸式探(tan)(tan)傷(shang)(shang)、水浸(jin)式探(tan)(tan)傷(shang)(shang)。其中水浸(jin)式探(tan)(tan)傷(shang)(shang)容易實(shi)現自動化，檢測(ce)靈敏度(du)及探(tan)(tan)傷(shang)(shang)效率均較高，因此(ci)，本書重(zhong)點討(tao)論水浸(jin)式超聲(sheng)探(tan)(tan)傷(shang)(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(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)(shang)主要(yao)采用(yong)橫波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)和表(biao)面波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)，其中(zhong)橫波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)可以檢(jian)測(ce)鋼(gang)管內外缺(que)陷，而表(biao)面波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)主要(yao)用(yong)來檢(jian)測(ce)鋼(gang)管表(biao)面的缺(que)陷。圖4.1為小直徑薄壁不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)傷(shang)(shang)的基本形式。
圖(tu)4.1中所給出的基本形式為(wei)(wei)斜角法(fa)探傷(shang)，所檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的鋼(gang)管(guan)(guan)缺(que)陷(xian)(xian)通常以軸向傷(shang)為(wei)(wei)主，以該方法(fa)為(wei)(wei)基礎，為(wei)(wei)提高檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的準(zhun)確性(xing)，可采用多(duo)個探頭(tou)同(tong)時檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。為(wei)(wei)實現鋼(gang)管(guan)(guan)內外壁(bi)的軸向缺(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，通常需要如圖(tu)4.2所示的檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)方式，為(wei)(wei)實現檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)速(su)度與檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)準(zhun)確性(xing)的提升，同(tong)樣(yang)可采用多(duo)個探頭(tou)同(tong)時檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。
鑒(jian)于汽車(che)發動(dong)機用(yong)不銹鋼(gang)無(wu)(wu)縫(feng)管(guan)(guan)(guan)的高要求，其選用(yong)的小口徑薄壁不鋼(gang)無(wu)(wu)縫(feng)鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)的題聲(sheng)探傷宜采(cai)用(yong)聚然方式(shi)檢測(ce)(ce)，超(chao)聲(sheng)傳播過程(cheng)中(zhong)，在(zai)聚焦狀烈下(xia)可(ke)(ke)(ke)以盡可(ke)(ke)(ke)能(neng)實現檢測(ce)(ce)聲(sheng)能(neng)的集(ji)中(zhong)，提(ti)高檢測(ce)(ce)靈(ling)敏度。一般情(qing)況下(xia)，為保證檢測(ce)(ce)速(su)(su)度，采(cai)用(yong)線聚焦檢測(ce)(ce)即可(ke)(ke)(ke)滿足(zu)要求，當鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)的檢測(ce)(ce)精度提(ti)出特(te)別(bie)要求時(shi)，可(ke)(ke)(ke)采(cai)用(yong)點(dian)聚焦方式(shi)，此(ci)時(shi)檢測(ce)(ce)速(su)(su)度會有(you)所降低。
小口徑薄壁不銹鋼管探(tan)傷過程(cheng)中，無論軸(zhou)向(xiang)(xiang)缺(que)陷(xian)或(huo)者(zhe)周向(xiang)(xiang)缺(que)陷(xian)的檢測(ce)，在探(tan)傷儀器性能穩(wen)定的前提下，影響(xiang)探(tan)傷靈敏度的因素(su)主要包括四個方(fang)面(mian)：①. 超(chao)聲探(tan)頭設(she)計與加(jia)工；②. 超(chao)聲探(tan)頭偏心距選(xuan)擇；③. 超(chao)聲聚焦(jiao)聲透鏡(jing)設(she)計；④. 檢測(ce)設(she)備的穩(wen)定性。
上述影響(xiang)因素中(zhong)，超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)(tan)頭的(de)設計(ji)與(yu)加工是(shi)一(yi)項專業性、技術性較強的(de)工作，涉及很多專業知識，本(ben)書中(zhong)不做詳(xiang)細討論，僅(jin)從滿足探(tan)(tan)傷工藝要求的(de)角度對超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)(tan)頭的(de)偏(pian)心距選擇及超(chao)聲(sheng)(sheng)聚焦(jiao)聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)設計(ji)加以分析。
一、軸向缺陷檢(jian)測的超聲探頭偏(pian)心距選擇
所(suo)謂(wei)超聲探頭偏(pian)心距是指采(cai)用折射橫波探傷時，探頭聲束中心線(xian)與鋼管(guan)輸心線(xian)的平行距離，用工(gong)加以(yi)表示。確定偏(pian)心距應滿足以(yi)下(xia)兩個條件（如圖4.3所(suo)示）。
1. 鋼管橫波探傷(shang)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(guan)內(nei)壁缺陷檢測(ce)條件
二、軸向缺陷探傷(shang)超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計
超聲(sheng)(sheng)探(tan)傷中所應(ying)用的聲(sheng)(sheng)透(tou)鏡材料(liao)通常為環(huan)氧樹脂膠(jiao)固化后形成，其聲(sheng)(sheng)速(su)約為2.65mm/μs.超聲(sheng)(sheng)探(tan)頭聲(sheng)(sheng)透(tou)鏡設計(ji)過程中，需要(yao)綜合(he)考(kao)慮檢測(ce)時(shi)的水層(ceng)距離(li)以(yi)及聚焦聲(sheng)(sheng)透(tou)鏡的焦距大(da)小(xiao)，水層(ceng)距離(li)要(yao)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(gu)鋼管(guan)內外壁(bi)缺(que)陷，不銹鋼無縫鋼管(guan)斜角(jiao)法超聲探(tan)傷時，聚焦(jiao)聲透鏡(jing)的(de)焦(jiao)點通(tong)常在鋼管(guan)水(shui)平(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面上(shang)較為合(he)適，接下來分(fen)析焦(jiao)點位于鋼管(guan)水(shui)平(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面上(shang)方(fang)、水(shui)平(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面上(shang)、水(shui)平(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面下方(fang)的(de)具體區別，如圖4.5所示。
1. 焦點位于(yu)鋼管水平軸面
由(you)式（4.7)可以推出，當焦(jiao)(jiao)點恰(qia)好(hao)位(wei)于鋼管(guan)水平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左右兩(liang)側聲(sheng)束(shu)人射角相等且(qie)小于中間聲(sheng)束(shu)入(ru)射角，γ、n均與探頭半聚焦(jiao)(jiao)角0的(de)(de)大小有(you)關。在(zai)該條件(jian)下，左右兩(liang)側聲(sheng)束(shu)人射角對(dui)稱分布(bu)，可兼顧鋼管(guan)內、外壁的(de)(de)缺(que)陷(xian)檢(jian)測，是探傷(shang)的(de)(de)理想狀態。
2. 焦(jiao)點位于鋼管水平軸面(mian)以上
這三(san)種情況都出現折射橫(heng)波(bo)快速向中心集(ji)中的(de)現象，反(fan)射到外壁(bi)的(de)檢(jian)(jian)測(ce)橫(heng)波(bo)面積較(jiao)大，導致對(dui)鋼管外壁(bi)缺陷的(de)檢(jian)(jian)測(ce)靈敏度降低，通過適當(dang)調(diao)整探頭，可(ke)實現折射橫(heng)波(bo)聚(ju)焦到鋼管內(nei)壁(bi)，由此提高內(nei)壁(bi)缺陷的(de)檢(jian)(jian)測(ce)靈敏度。
3. 焦點位(wei)于鋼管水平軸面以下
這三種情(qing)況都出現左(zuo)側折射(she)橫波折射(she)角大，右側折射(she)橫波折射(she)角小，引起橫波在鋼(gang)管內(nei)焦距(ju)增加的現象，可以將管內(nei)折射(she)橫波聚焦到鋼(gang)管外壁。因此，在該條(tiao)件(jian)下，通過適調整探頭可提高(gao)鋼(gang)管外壁缺陷的檢測(ce)靈敏度。
確定(ding)檢測時的(de)水層距離(li)及焦(jiao)距后，還必須分析超聲縱波在水中傳(chuan)播時的(de)近場長度(du)，超聲波無法(fa)在近場以外聚焦(jiao)。
以圓形晶片為(wei)例，近場長度的(de)計算公式為(wei)：
當所(suo)需的(de)(de)探頭透鏡(jing)焦距超(chao)出(chu)一定頻(pin)率下的(de)(de)超(chao)聲近場長度時，可通過(guo)改變(bian)探頭晶片的(de)(de)大小或者改變(bian)探頭頻(pin)率滿足聚焦要求。
需(xu)要注意的是，探(tan)頭焦距與(yu)透鏡晶片的曲(qu)率半徑(jing)并不是一回(hui)事，兩(liang)者(zhe)之(zhi)間的關系如圖4.6所示(shi)，探(tan)頭焦距與(yu)透鏡曲(qu)率半徑(jing)之(zhi)間的關系可(ke)用下式(shi)表示(shi)：
以超聲傳播(bo)介質是(shi)水(shui)、透鏡材料是(shi)環(huan)氧樹脂為(wei)例，聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之間的關系為(wei)r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹(xiu)鋼無縫鋼管為例，具體分析如(ru)何確定探頭(tou)焦距(ju)、聲透(tou)鏡曲率半徑(jing)、檢測(ce)偏心距(ju)，如(ru)圖(tu)4.7所(suo)示(shi)。其(qi)中偏心距(ju)χ為
如果超聲探頭晶(jing)片為(wei)圓盤狀，檢測(ce)頻率(lv)為(wei)5MHz,有效檢測(ce)直徑為(wei)Φ8mm,則水中縱波近場長度約(yue)為(wei)42.5mm,可以(yi)實現聚焦(jiao)。
三(san)、周向缺險探傷(shang)超聲聚焦(jiao)聲透鏡(jing)設(she)計
小口徑薄壁不(bu)銹鋼無縫(feng)鋼管周向缺陷探傷時(shi)，為增(zeng)加有效檢(jian)測的聲(sheng)能，可同(tong)樣采用斜角法聚焦方(fang)式檢(jian)測。
隨(sui)著現代工(gong)業(ye)生產(chan)(chan)的(de)發(fa)展，產(chan)(chan)品競爭日益激(ji)烈，幾(ji)乎所有的(de)汽車發(fa)動(dong)機生產(chan)(chan)廠家都(dou)對發(fa)動(dong)機內應(ying)用的(de)小口徑(jing)薄壁不銹(xiu)鋼管提出(chu)嚴苛的(de)質(zhi)量要求，不光對鋼管的(de)軸(zhou)向最小檢出(chu)缺陷提出(chu)明確要求，對周向最小檢出(chu)缺陷也(ye)提
出(chu)了嚴(yan)苛的(de)(de)(de)要(yao)求，很大程度上遠超(chao)目前的(de)(de)(de)國家(jia)標準(zhun)甚至(zhi)軍隊標準(zhun)。譬如(ru)德國博(bo)世公司對小(xiao)(xiao)口徑薄壁不銹(xiu)鋼無縫鋼管的(de)(de)(de)軸向、周向最小(xiao)(xiao)檢(jian)出(chu)缺陷(xian)都要(yao)求達(da)到(dao)人工缺陷(xian)2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如(ru)圖4.8所示。
小口徑薄(bo)壁(bi)不銹鋼無(wu)縫鋼管周向缺陷檢測時所碰到的技術(shu)工藝問(wen)題與軸向缺陷檢測基本(ben)相(xiang)同，但因鋼管中折(zhe)射橫波的傳播途徑不同，探頭聲(sheng)透鏡的設計方(fang)法(fa)也就(jiu)不一樣(yang)，以下具體(ti)分析。
聚焦(jiao)探頭焦(jiao)點或焦(jiao)線(xian)位(wei)于鋼(gang)管垂直軸(zhou)面上，如(ru)圖4.2所(suo)示。采用斜角(jiao)法檢測時，為獲得(de)折(zhe)射橫(heng)波，根(gen)據式(shi)（4.1），必(bi)須滿足第一臨界角(jiao)條件(jian)，受不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管壁(bi)厚的(de)影(ying)響，在管壁(bi)較薄的(de)情況下，應適(shi)當增加聲(sheng)束的(de)入(ru)射角(jiao)，避免(mian)探傷(shang)盲(mang)區(qu)的(de)影(ying)響，此外還(huan)可以通過提高(gao)檢測頻率，優化探頭設(she)計等手段減小檢測盲(mang)區(qu)。
探(tan)頭焦(jiao)距的(de)選(xuan)定，應以(yi)焦(jiao)點落在(zai)被(bei)檢鋼(gang)管內(nei)壁(bi)為(wei)佳。計算(suan)焦(jiao)距時，除考(kao)慮(lv)水(shui)層厚(hou)度對(dui)探(tan)傷信號的(de)影響外，還應考(kao)慮(lv)折(zhe)射橫波在(zai)鋼(gang)管內(nei)傳(chuan)播(bo)的(de)等效(xiao)水(shui)距離。如(ru)圖(tu)4.9所示，聲束在(zai)水(shui)中傳(chuan)播(bo)距離為(wei)L*，折(zhe)射橫波在(zai)鋼(gang)管中的(de)傳(chuan)播(bo)距離為(wei)L常，則等效(xiao)水(shui)距離為(wei)
探頭聲透鏡的(de)曲(qu)率半徑設計(ji)按照式(shi)8 即(ji)可。
