總體來(lai)講，不銹鋼無縫鋼管超聲波(bo)探傷(shang)(shang)(shang)技(ji)術(shu)較(jiao)為成熟，常見的(de)探傷(shang)(shang)(shang)方(fang)法主要(yao)包括接觸式(shi)(shi)探傷(shang)(shang)(shang)、水(shui)浸(jin)(jin)式(shi)(shi)探傷(shang)(shang)(shang)。其中水(shui)浸(jin)(jin)式(shi)(shi)探傷(shang)(shang)(shang)容易實現自動(dong)化，檢(jian)測靈敏度(du)及(ji)探傷(shang)(shang)(shang)效率均(jun)較(jiao)高，因此(ci)，本(ben)書重點討論水(shui)浸(jin)(jin)式(shi)(shi)超聲探傷(shang)(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(bi)不銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜(xie)角法振傷(shang)主(zhu)要采用(yong)橫(heng)波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)和(he)表(biao)面(mian)波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)，其中橫(heng)波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)可以(yi)檢測鋼管(guan)內外缺陷，而表(biao)面(mian)波(bo)探(tan)(tan)傷(shang)主(zhu)要用(yong)來檢測鋼管(guan)表(biao)面(mian)的缺陷。圖4.1為小直(zhi)徑薄壁不銹鋼無縫鋼管(guan)超聲探(tan)(tan)傷(shang)的基本形式(shi)。
圖4.1中所給出的基本形式為(wei)(wei)斜角(jiao)法探傷(shang)，所檢(jian)測(ce)(ce)的鋼(gang)管缺陷通常(chang)以(yi)軸(zhou)向傷(shang)為(wei)(wei)主，以(yi)該方法為(wei)(wei)基礎，為(wei)(wei)提高檢(jian)測(ce)(ce)的準確性(xing)，可(ke)采用(yong)多個探頭同時(shi)檢(jian)測(ce)(ce)。為(wei)(wei)實(shi)現鋼(gang)管內外壁的軸(zhou)向缺陷檢(jian)測(ce)(ce)，通常(chang)需要(yao)如圖4.2所示的檢(jian)測(ce)(ce)方式，為(wei)(wei)實(shi)現檢(jian)測(ce)(ce)速度與檢(jian)測(ce)(ce)準確性(xing)的提升，同樣可(ke)采用(yong)多個探頭同時(shi)檢(jian)測(ce)(ce)。
鑒于汽車發動(dong)機(ji)用(yong)不銹鋼(gang)無(wu)縫管的高要求(qiu)，其選(xuan)用(yong)的小(xiao)口徑薄壁不鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管的題聲(sheng)探(tan)傷宜采用(yong)聚(ju)然方(fang)式(shi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，超聲(sheng)傳播過(guo)程中(zhong)，在聚(ju)焦狀烈下(xia)(xia)可(ke)以(yi)盡可(ke)能(neng)實(shi)現檢(jian)(jian)(jian)測(ce)聲(sheng)能(neng)的集中(zhong)，提高檢(jian)(jian)(jian)測(ce)靈敏度。一般(ban)情況下(xia)(xia)，為保證檢(jian)(jian)(jian)測(ce)速度，采用(yong)線聚(ju)焦檢(jian)(jian)(jian)測(ce)即可(ke)滿足要求(qiu)，當鋼(gang)管的檢(jian)(jian)(jian)測(ce)精度提出特(te)別要求(qiu)時，可(ke)采用(yong)點聚(ju)焦方(fang)式(shi)，此時檢(jian)(jian)(jian)測(ce)速度會有所(suo)降低。
小口徑薄壁不銹鋼(gang)管探(tan)(tan)傷過程中，無論軸(zhou)向缺(que)陷或者周(zhou)向缺(que)陷的(de)檢(jian)測，在探(tan)(tan)傷儀器性能穩定的(de)前(qian)提下，影響探(tan)(tan)傷靈(ling)敏度的(de)因素主(zhu)要包括(kuo)四個方面：①. 超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)頭(tou)設計與加工；②. 超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)頭(tou)偏心距(ju)選(xuan)擇；③. 超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設計；④. 檢(jian)測設備(bei)的(de)穩定性。
上述(shu)影響因素(su)中，超聲(sheng)探(tan)頭的設計(ji)與(yu)加(jia)工是一項專業性、技(ji)術性較強的工作，涉及很多專業知識，本書中不(bu)做詳(xiang)細討論，僅(jin)從滿足(zu)探(tan)傷工藝要求(qiu)的角度對超聲(sheng)探(tan)頭的偏(pian)心距選擇(ze)及超聲(sheng)聚(ju)焦聲(sheng)透(tou)鏡設計(ji)加(jia)以(yi)分析(xi)。
一、軸向缺陷檢測的(de)超聲探頭偏心距選擇(ze)
所謂超聲探(tan)頭偏(pian)(pian)心距(ju)是指采用折射橫波探(tan)傷時(shi)，探(tan)頭聲束中心線與鋼管輸心線的平行距(ju)離，用工加以表示。確(que)定偏(pian)(pian)心距(ju)應滿(man)足以下兩(liang)個(ge)條件（如圖4.3所示）。
1. 鋼管橫波探傷條件
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. 管內壁缺陷檢(jian)測條件(jian)
二、軸向缺陷探傷(shang)超聲聚焦聲透鏡設計
超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)探傷中(zhong)所(suo)(suo)應用(yong)的(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)透鏡材(cai)料(liao)通常為環氧(yang)樹脂(zhi)膠(jiao)固化后形成，其(qi)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)速約(yue)為2.65mm/μs.超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)探頭(tou)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)透鏡設計過程中(zhong)，需(xu)要綜合考慮檢(jian)測(ce)時的(de)水層距離以及聚焦(jiao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)透鏡的(de)焦(jiao)距大小，水層距離要求如圖4.4所(suo)(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(wei)兼顧鋼(gang)管(guan)內(nei)外(wai)壁缺陷，不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)斜角法超聲探(tan)傷時，聚焦(jiao)(jiao)聲透鏡的焦(jiao)(jiao)點(dian)通常在鋼(gang)管(guan)水平軸面(mian)上較為(wei)合適，接下來分析(xi)焦(jiao)(jiao)點(dian)位于鋼(gang)管(guan)水平軸面(mian)上方、水平軸面(mian)上、水平軸面(mian)下方的具體區別，如圖4.5所示。
1. 焦點位于鋼管(guan)水平軸(zhou)面
由式（4.7)可以(yi)推出，當(dang)焦點恰好(hao)位于鋼管(guan)水平軸面上(shang)時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左(zuo)右(you)兩側(ce)聲束(shu)人(ren)射角相等且(qie)小于中間聲束(shu)入(ru)射角，γ、n均與探頭(tou)半(ban)聚焦角0的(de)大小有關。在該(gai)條(tiao)件下，左(zuo)右(you)兩側(ce)聲束(shu)人(ren)射角對稱分布，可兼顧鋼管(guan)內(nei)、外壁的(de)缺陷檢測，是探傷的(de)理想狀態。
2. 焦點位于鋼管水平軸面以上(shang)
這三種情況都(dou)出(chu)現折射(she)橫波快速向中心集中的(de)(de)現象，反射(she)到外(wai)(wai)壁的(de)(de)檢測(ce)橫波面積較大，導致(zhi)對鋼管(guan)外(wai)(wai)壁缺陷(xian)的(de)(de)檢測(ce)靈敏度(du)降(jiang)低(di)，通過適(shi)當調整探頭，可實(shi)現折射(she)橫波聚(ju)焦到鋼管(guan)內(nei)壁，由(you)此提高內(nei)壁缺陷(xian)的(de)(de)檢測(ce)靈敏度(du)。
3. 焦點位(wei)于(yu)鋼管水平軸面以下
這(zhe)三種情(qing)況都出現(xian)左側折(zhe)(zhe)射橫波(bo)折(zhe)(zhe)射角大，右(you)側折(zhe)(zhe)射橫波(bo)折(zhe)(zhe)射角小，引(yin)起橫波(bo)在鋼(gang)(gang)管內(nei)焦(jiao)距增加的現(xian)象，可以將管內(nei)折(zhe)(zhe)射橫波(bo)聚焦(jiao)到鋼(gang)(gang)管外(wai)壁。因此，在該(gai)條(tiao)件下(xia)，通過適調(diao)整(zheng)探(tan)頭可提高鋼(gang)(gang)管外(wai)壁缺陷的檢測靈敏度。
確(que)定檢測時(shi)的(de)水層距離及焦距后，還(huan)必須分析超(chao)聲(sheng)縱波在水中(zhong)傳播時(shi)的(de)近場長度，超(chao)聲(sheng)波無法在近場以外聚焦。
以圓形晶片為例，近場(chang)長度的計(ji)算(suan)公式為：
當所需的探頭(tou)透鏡焦(jiao)(jiao)距超出一(yi)定頻(pin)率(lv)下的超聲近場長度時，可通(tong)過(guo)改變探頭(tou)晶片的大(da)小或(huo)者改變探頭(tou)頻(pin)率(lv)滿足(zu)聚焦(jiao)(jiao)要(yao)求。
需要注意的(de)(de)(de)是，探頭(tou)焦(jiao)距與透鏡晶片的(de)(de)(de)曲(qu)率半徑(jing)(jing)并(bing)不是一回事，兩者之(zhi)間的(de)(de)(de)關系(xi)如圖4.6所示，探頭(tou)焦(jiao)距與透鏡曲(qu)率半徑(jing)(jing)之(zhi)間的(de)(de)(de)關系(xi)可(ke)用下式表示：
以超聲(sheng)傳播介質是水、透鏡材(cai)料是環(huan)氧(yang)樹脂為例，聲(sheng)透鏡曲率半(ban)徑與探頭焦距(ju)之間的關系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼無縫鋼管(guan)為(wei)例，具(ju)體分析(xi)如何(he)確定探頭(tou)焦距(ju)、聲(sheng)透鏡曲率半徑、檢測偏心距(ju)，如圖(tu)4.7所示。其中(zhong)偏心距(ju)χ為(wei)
如果超聲探頭(tou)晶片為(wei)(wei)(wei)圓盤狀，檢測(ce)頻率為(wei)(wei)(wei)5MHz,有效(xiao)檢測(ce)直徑(jing)為(wei)(wei)(wei)Φ8mm,則水(shui)中縱(zong)波近場長度約為(wei)(wei)(wei)42.5mm,可(ke)以實現聚(ju)焦。
三(san)、周向缺險探傷超聲(sheng)聚焦(jiao)聲(sheng)透鏡設(she)計
小口徑薄(bo)壁(bi)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向缺陷探傷(shang)時，為增加有(you)效檢測的(de)聲能，可同(tong)樣采(cai)用斜角(jiao)法聚焦(jiao)方式檢測。
隨著現代(dai)工業(ye)生產的(de)(de)發展(zhan)，產品競爭(zheng)日益激烈，幾乎所有的(de)(de)汽車(che)發動機(ji)生產廠家都對發動機(ji)內應用(yong)的(de)(de)小(xiao)口徑薄壁(bi)不(bu)銹鋼管提(ti)出(chu)(chu)嚴苛的(de)(de)質量要(yao)(yao)求，不(bu)光對鋼管的(de)(de)軸向最小(xiao)檢(jian)出(chu)(chu)缺(que)陷(xian)(xian)提(ti)出(chu)(chu)明確(que)要(yao)(yao)求，對周向最小(xiao)檢(jian)出(chu)(chu)缺(que)陷(xian)(xian)也提(ti)
出(chu)了(le)嚴(yan)苛(ke)的(de)要(yao)求，很大程(cheng)度上遠(yuan)超目前的(de)國(guo)家(jia)標準甚至軍隊標準。譬如德(de)國(guo)博世公司對小(xiao)口徑薄壁不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管的(de)軸向(xiang)、周向(xiang)最小(xiao)檢出(chu)缺陷都要(yao)求達到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬(kuan)×深），如圖4.8所示。
小口徑(jing)(jing)薄壁不銹(xiu)鋼(gang)(gang)無縫(feng)鋼(gang)(gang)管周向缺陷檢(jian)測時所碰到的技術工藝問題(ti)與軸向缺陷檢(jian)測基本相同(tong)，但因鋼(gang)(gang)管中折(zhe)射橫波的傳播途徑(jing)(jing)不同(tong)，探(tan)頭(tou)聲透鏡的設計方法也就不一樣，以下具體(ti)分析。
聚焦(jiao)(jiao)探(tan)頭焦(jiao)(jiao)點或焦(jiao)(jiao)線位(wei)于(yu)鋼管垂直軸面上，如圖4.2所示。采用斜角法檢測(ce)時(shi)，為獲得折射(she)橫波，根據式（4.1），必須滿(man)足第一臨界角條(tiao)件，受不(bu)銹鋼無縫鋼管壁(bi)厚的(de)(de)影響(xiang)，在(zai)管壁(bi)較薄的(de)(de)情況(kuang)下，應適(shi)當增加聲(sheng)束的(de)(de)入射(she)角，避免探(tan)傷盲區的(de)(de)影響(xiang)，此(ci)外(wai)還可以通過提高檢測(ce)頻(pin)率(lv)，優化探(tan)頭設計等手段減(jian)小檢測(ce)盲區。
探頭焦距的(de)(de)選(xuan)定，應以(yi)焦點落在(zai)(zai)(zai)被檢鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)內(nei)壁為(wei)佳。計(ji)算焦距時，除考(kao)慮水(shui)層厚度(du)對探傷信(xin)號的(de)(de)影響外，還應考(kao)慮折射橫波在(zai)(zai)(zai)鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)內(nei)傳(chuan)(chuan)播的(de)(de)等(deng)效(xiao)水(shui)距離(li)。如圖(tu)4.9所示，聲束在(zai)(zai)(zai)水(shui)中傳(chuan)(chuan)播距離(li)為(wei)L*，折射橫波在(zai)(zai)(zai)鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)中的(de)(de)傳(chuan)(chuan)播距離(li)為(wei)L常，則等(deng)效(xiao)水(shui)距離(li)為(wei)
探頭(tou)聲透鏡的曲(qu)率半徑設計按照式8 即可。
