總(zong)體來講，不銹鋼無縫鋼管超(chao)聲(sheng)波探(tan)(tan)傷(shang)技術較為成熟(shu)，常(chang)見的探(tan)(tan)傷(shang)方(fang)法主要包括接觸式(shi)探(tan)(tan)傷(shang)、水浸式(shi)探(tan)(tan)傷(shang)。其中水浸式(shi)探(tan)(tan)傷(shang)容易實現自動(dong)化，檢測靈敏度(du)及探(tan)(tan)傷(shang)效率均(jun)較高，因此，本書(shu)重(zhong)點討論水浸式(shi)超(chao)聲(sheng)探(tan)(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(xiu)鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角法(fa)振傷(shang)主要(yao)采(cai)用(yong)橫(heng)波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)和表(biao)面波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)，其中橫(heng)波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)可以檢測鋼管(guan)(guan)內外缺(que)陷(xian)，而表(biao)面波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)主要(yao)用(yong)來檢測鋼管(guan)(guan)表(biao)面的缺(que)陷(xian)。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)(guan)超聲(sheng)探(tan)(tan)傷(shang)的基本(ben)形式。
圖4.1中所給出的(de)基本(ben)形(xing)式為(wei)斜角(jiao)法探傷，所檢(jian)(jian)(jian)測的(de)鋼(gang)管(guan)缺(que)(que)陷(xian)通常以軸向(xiang)傷為(wei)主，以該方法為(wei)基礎(chu)，為(wei)提高檢(jian)(jian)(jian)測的(de)準確性，可采用(yong)多個探頭同時檢(jian)(jian)(jian)測。為(wei)實(shi)(shi)現(xian)鋼(gang)管(guan)內外壁(bi)的(de)軸向(xiang)缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測，通常需(xu)要如(ru)圖4.2所示的(de)檢(jian)(jian)(jian)測方式，為(wei)實(shi)(shi)現(xian)檢(jian)(jian)(jian)測速(su)度與檢(jian)(jian)(jian)測準確性的(de)提升，同樣可采用(yong)多個探頭同時檢(jian)(jian)(jian)測。
鑒于(yu)汽車發動機用(yong)(yong)不(bu)銹鋼無縫(feng)管(guan)的(de)高要求，其(qi)選用(yong)(yong)的(de)小口(kou)徑(jing)薄(bo)壁不(bu)鋼無縫(feng)鋼管(guan)的(de)題(ti)聲探傷宜采(cai)用(yong)(yong)聚(ju)然方式檢(jian)測(ce)(ce)(ce)，超聲傳播過程(cheng)中，在聚(ju)焦狀烈下可(ke)(ke)以盡(jin)可(ke)(ke)能(neng)實現(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)聲能(neng)的(de)集(ji)中，提(ti)高檢(jian)測(ce)(ce)(ce)靈敏度。一般(ban)情況(kuang)下，為保證檢(jian)測(ce)(ce)(ce)速(su)度，采(cai)用(yong)(yong)線聚(ju)焦檢(jian)測(ce)(ce)(ce)即可(ke)(ke)滿足要求，當鋼管(guan)的(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)精度提(ti)出特別要求時(shi)，可(ke)(ke)采(cai)用(yong)(yong)點(dian)聚(ju)焦方式，此時(shi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)速(su)度會有(you)所降(jiang)低。
小口徑薄壁(bi)不銹鋼管探傷(shang)過(guo)程中，無(wu)論軸(zhou)向缺(que)陷(xian)或者周向缺(que)陷(xian)的檢測，在探傷(shang)儀器性能穩(wen)(wen)定的前提下，影響探傷(shang)靈(ling)敏度(du)的因素主要(yao)包(bao)括四個方面：①. 超聲(sheng)探頭(tou)設計與加(jia)工；②. 超聲(sheng)探頭(tou)偏心距選擇；③. 超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡(jing)設計；④. 檢測設備的穩(wen)(wen)定性。
上述(shu)影響因素(su)中(zhong)(zhong)，超聲(sheng)探(tan)頭的(de)設(she)計與加(jia)工(gong)是(shi)一(yi)項(xiang)專業(ye)性(xing)(xing)、技術性(xing)(xing)較強(qiang)的(de)工(gong)作，涉及(ji)很(hen)多專業(ye)知識，本書中(zhong)(zhong)不做詳(xiang)細討(tao)論，僅從滿足探(tan)傷工(gong)藝要求的(de)角度對(dui)超聲(sheng)探(tan)頭的(de)偏心距選擇及(ji)超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計加(jia)以(yi)分析。
一、軸向缺陷檢(jian)測的超聲探頭偏心距(ju)選擇
所謂超聲探(tan)頭(tou)偏(pian)(pian)心(xin)距(ju)是指采用折射橫(heng)波探(tan)傷(shang)時，探(tan)頭(tou)聲束中(zhong)心(xin)線與(yu)鋼管輸心(xin)線的(de)平行距(ju)離，用工(gong)加以(yi)(yi)表示(shi)。確(que)定偏(pian)(pian)心(xin)距(ju)應滿足以(yi)(yi)下兩個條件（如圖(tu)4.3所示(shi)）。
1. 鋼(gang)管橫波探傷條件(jian)
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. 管內壁缺(que)陷檢測(ce)條件
二、軸向缺(que)陷探傷超聲聚焦聲透鏡設計
超(chao)聲(sheng)探傷中所應用的(de)聲(sheng)透鏡(jing)材料通(tong)常為環(huan)氧樹(shu)脂膠(jiao)固化后形(xing)成，其(qi)聲(sheng)速約(yue)為2.65mm/μs.超(chao)聲(sheng)探頭聲(sheng)透鏡(jing)設計過程(cheng)中，需(xu)要綜合考慮(lv)檢測(ce)時的(de)水層距離(li)以(yi)及聚焦(jiao)聲(sheng)透鏡(jing)的(de)焦(jiao)距大小，水層距離(li)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:
為兼顧鋼管(guan)(guan)內外壁(bi)缺(que)陷(xian)，不銹鋼無縫鋼管(guan)(guan)斜角法超聲探傷時(shi)，聚焦(jiao)聲透鏡的焦(jiao)點通常(chang)在鋼管(guan)(guan)水(shui)平(ping)軸面(mian)上較(jiao)為合(he)適，接下來分析焦(jiao)點位(wei)于鋼管(guan)(guan)水(shui)平(ping)軸面(mian)上方(fang)、水(shui)平(ping)軸面(mian)上、水(shui)平(ping)軸面(mian)下方(fang)的具體區別(bie)，如圖4.5所示。
1. 焦點(dian)位于鋼管(guan)水平軸面(mian)
由式（4.7)可(ke)以(yi)推出，當焦(jiao)點(dian)恰好位于鋼(gang)管水平軸(zhou)面上時(shi)，φ=0,此(ci)時(shi)γ＝η<a,表(biao)示左(zuo)右(you)兩側聲束人射角相等且小(xiao)(xiao)于中間聲束入(ru)射角，γ、n均與探頭(tou)半聚焦(jiao)角0的大小(xiao)(xiao)有關(guan)。在該條(tiao)件下，左(zuo)右(you)兩側聲束人射角對稱(cheng)分布，可(ke)兼(jian)顧鋼(gang)管內、外(wai)壁(bi)的缺(que)陷檢測，是探傷的理想(xiang)狀(zhuang)態。
2. 焦點位于(yu)鋼管水平軸面(mian)以上
這(zhe)三(san)種情況都出(chu)現折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)快(kuai)速向中心集中的(de)現象(xiang)，反(fan)射(she)到(dao)外(wai)壁(bi)(bi)的(de)檢測(ce)橫(heng)波(bo)(bo)面積(ji)較大，導(dao)致對(dui)鋼(gang)管(guan)外(wai)壁(bi)(bi)缺陷(xian)的(de)檢測(ce)靈敏(min)(min)度降低，通過適(shi)當(dang)調整探頭，可(ke)實現折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)聚焦到(dao)鋼(gang)管(guan)內壁(bi)(bi)，由(you)此提高內壁(bi)(bi)缺陷(xian)的(de)檢測(ce)靈敏(min)(min)度。
3. 焦點位于鋼管(guan)水平(ping)軸面以(yi)下
這(zhe)三(san)種情況都出現左側折射(she)橫波折射(she)角大，右側折射(she)橫波折射(she)角小，引(yin)起(qi)橫波在鋼(gang)管(guan)內(nei)焦距增加的現象(xiang)，可以將管(guan)內(nei)折射(she)橫波聚焦到(dao)鋼(gang)管(guan)外(wai)壁。因此，在該(gai)條件下(xia)，通過適調整探頭可提高鋼(gang)管(guan)外(wai)壁缺陷(xian)的檢測靈敏度(du)。
確定檢測時(shi)的水層距離及(ji)焦距后，還必(bi)須分析超聲(sheng)縱(zong)波在(zai)水中傳播時(shi)的近場長(chang)度，超聲(sheng)波無法(fa)在(zai)近場以外聚焦。
以圓形晶(jing)片為(wei)例，近場長(chang)度的計算公式為(wei)：
當所需的(de)(de)探頭(tou)透鏡焦距超出一(yi)定頻率(lv)下(xia)的(de)(de)超聲近場(chang)長度時，可通過改變探頭(tou)晶片的(de)(de)大小或者(zhe)改變探頭(tou)頻率(lv)滿足聚焦要求。
需要(yao)注意的(de)是，探頭(tou)焦(jiao)距與(yu)透鏡(jing)(jing)晶(jing)片的(de)曲率半徑(jing)并不(bu)是一(yi)回事，兩者之間的(de)關系如(ru)圖(tu)4.6所示(shi)，探頭(tou)焦(jiao)距與(yu)透鏡(jing)(jing)曲率半徑(jing)之間的(de)關系可用(yong)下式表示(shi)：
以超聲傳播介質是水、透鏡材料是環氧(yang)樹脂為例，聲透鏡曲(qu)率半(ban)徑與探頭(tou)焦距之間的關(guan)系(xi)為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹(xiu)鋼無縫鋼管(guan)為例(li)，具體(ti)分析如何(he)確定探頭焦(jiao)距、聲透鏡曲率半徑、檢測偏心(xin)(xin)距，如圖4.7所(suo)示(shi)。其(qi)中偏心(xin)(xin)距χ為
如(ru)果超聲探頭晶片為(wei)圓盤狀，檢(jian)測頻率為(wei)5MHz,有效檢(jian)測直徑為(wei)Φ8mm,則水中縱(zong)波近場(chang)長度(du)約為(wei)42.5mm,可以實現聚焦。
三、周向缺(que)險探傷超聲聚焦聲透鏡設計
小口徑薄壁不銹(xiu)鋼無縫(feng)鋼管周向缺陷(xian)探傷時，為(wei)增(zeng)加有效檢測的聲能(neng)，可同樣采用斜角(jiao)法聚(ju)焦方式檢測。
隨著現(xian)代工業生產(chan)的(de)發展(zhan)，產(chan)品競爭日益激烈，幾(ji)乎所有的(de)汽車發動(dong)機生產(chan)廠家都對(dui)發動(dong)機內應用的(de)小(xiao)口徑薄壁不(bu)銹鋼管(guan)提出(chu)嚴苛(ke)的(de)質量要求，不(bu)光對(dui)鋼管(guan)的(de)軸向(xiang)(xiang)最(zui)(zui)小(xiao)檢出(chu)缺(que)陷(xian)提出(chu)明確(que)要求，對(dui)周向(xiang)(xiang)最(zui)(zui)小(xiao)檢出(chu)缺(que)陷(xian)也(ye)提
出了(le)嚴苛的(de)要(yao)求(qiu)，很大(da)程度上遠超目前的(de)國家標(biao)準甚至軍(jun)隊標(biao)準。譬如(ru)德國博世公司對(dui)小(xiao)口徑薄壁(bi)不銹鋼無縫鋼管的(de)軸向(xiang)、周向(xiang)最小(xiao)檢(jian)出缺(que)陷(xian)都要(yao)求(qiu)達到人(ren)工缺(que)陷(xian)2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深(shen)），如(ru)圖4.8所(suo)示。
小口徑薄壁(bi)不銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管(guan)周向(xiang)缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)時所碰到(dao)的(de)技(ji)術工藝問題與軸向(xiang)缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)基本相同(tong)(tong)，但因鋼(gang)(gang)管(guan)中(zhong)折(zhe)射橫波的(de)傳播(bo)途徑不同(tong)(tong)，探頭(tou)聲透鏡(jing)的(de)設計方法也就不一樣(yang)，以下具體分析。
聚焦探(tan)(tan)頭(tou)焦點或焦線位于鋼管垂直軸(zhou)面上，如圖4.2所示。采用斜角法(fa)檢(jian)(jian)測時，為獲(huo)得折射橫(heng)波，根據式（4.1），必(bi)須滿足第(di)一臨界角條件，受不(bu)銹鋼無縫鋼管壁厚的(de)(de)影響，在管壁較(jiao)薄的(de)(de)情況(kuang)下，應適當增加聲(sheng)束(shu)的(de)(de)入射角，避(bi)免(mian)探(tan)(tan)傷盲區的(de)(de)影響，此外還可以通過提高檢(jian)(jian)測頻率，優化探(tan)(tan)頭(tou)設計(ji)等手段減小檢(jian)(jian)測盲區。
探頭焦(jiao)距的(de)(de)選(xuan)定，應(ying)以焦(jiao)點落在(zai)(zai)被(bei)檢鋼(gang)管內(nei)壁(bi)為佳。計(ji)算(suan)焦(jiao)距時(shi)，除考(kao)慮水(shui)層厚度對(dui)探傷(shang)信(xin)號的(de)(de)影響外(wai)，還應(ying)考(kao)慮折(zhe)射(she)橫波在(zai)(zai)鋼(gang)管內(nei)傳(chuan)播(bo)的(de)(de)等(deng)效水(shui)距離。如圖4.9所示(shi)，聲(sheng)束在(zai)(zai)水(shui)中(zhong)傳(chuan)播(bo)距離為L*，折(zhe)射(she)橫波在(zai)(zai)鋼(gang)管中(zhong)的(de)(de)傳(chuan)播(bo)距離為L常，則(ze)等(deng)效水(shui)距離為
探頭(tou)聲透鏡的(de)曲率半徑設計(ji)按照式8 即可。
