總體來講，不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管超(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)技術較(jiao)為成熟，常見的探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)方法主要(yao)包(bao)括接觸式探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)、水(shui)浸式探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)。其中水(shui)浸式探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)容易實現自動化，檢測(ce)靈敏度(du)及探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)效率(lv)均較(jiao)高，因此，本書重點討論水(shui)浸式超(chao)聲(sheng)探(tan)(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(bu)銹鋼(gang)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(cai)用(yong)橫波(bo)(bo)探(tan)傷和表面波(bo)(bo)探(tan)傷，其(qi)中橫波(bo)(bo)探(tan)傷可(ke)以(yi)檢(jian)測鋼管(guan)內外缺陷(xian)，而(er)表面波(bo)(bo)探(tan)傷主要用(yong)來檢(jian)測鋼管(guan)表面的缺陷(xian)。圖(tu)4.1為小直徑(jing)薄壁不銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)超聲探(tan)傷的基本形式。
圖4.1中所給出的(de)基(ji)本形(xing)式(shi)為斜角(jiao)法探(tan)傷，所檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)鋼管(guan)缺(que)陷(xian)通(tong)常以(yi)軸(zhou)向(xiang)傷為主，以(yi)該(gai)方法為基(ji)礎(chu)，為提(ti)高檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)準確性，可(ke)采用多(duo)個探(tan)頭同時(shi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)。為實現鋼管(guan)內外壁(bi)的(de)軸(zhou)向(xiang)缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)，通(tong)常需要如圖4.2所示的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)方式(shi)，為實現檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)速(su)度與檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)準確性的(de)提(ti)升，同樣可(ke)采用多(duo)個探(tan)頭同時(shi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)。
鑒于汽車發(fa)動機用(yong)(yong)(yong)不銹鋼無縫管的(de)(de)高要(yao)(yao)求(qiu)，其選用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)小口徑薄壁不鋼無縫鋼管的(de)(de)題聲(sheng)探(tan)傷宜采用(yong)(yong)(yong)聚(ju)然方式檢(jian)測(ce)，超聲(sheng)傳播(bo)過程中(zhong)，在聚(ju)焦(jiao)狀烈下可以盡可能實現檢(jian)測(ce)聲(sheng)能的(de)(de)集中(zhong)，提高檢(jian)測(ce)靈敏度(du)。一般情況下，為(wei)保證檢(jian)測(ce)速度(du)，采用(yong)(yong)(yong)線聚(ju)焦(jiao)檢(jian)測(ce)即可滿足要(yao)(yao)求(qiu)，當鋼管的(de)(de)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)提出特別要(yao)(yao)求(qiu)時(shi)，可采用(yong)(yong)(yong)點聚(ju)焦(jiao)方式，此時(shi)檢(jian)測(ce)速度(du)會有所降低。
小口徑(jing)薄壁(bi)不(bu)銹鋼管探傷過程中，無(wu)論軸向(xiang)缺(que)陷(xian)或(huo)者周向(xiang)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)檢測，在探傷儀器性(xing)能穩定的(de)(de)(de)前提下，影響探傷靈敏度的(de)(de)(de)因素主要包括四個(ge)方面：①. 超聲(sheng)(sheng)(sheng)探頭設(she)計(ji)與加工(gong)；②. 超聲(sheng)(sheng)(sheng)探頭偏心距選擇(ze)；③. 超聲(sheng)(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)(sheng)透鏡設(she)計(ji)；④. 檢測設(she)備(bei)的(de)(de)(de)穩定性(xing)。
上述影響因素(su)中，超聲探(tan)(tan)(tan)頭的(de)設(she)計(ji)(ji)與(yu)加(jia)工(gong)是一項專業性(xing)、技術性(xing)較強的(de)工(gong)作，涉(she)及很多專業知識，本書中不做詳細討論，僅從滿足探(tan)(tan)(tan)傷工(gong)藝要求的(de)角(jiao)度對超聲探(tan)(tan)(tan)頭的(de)偏心距選擇及超聲聚焦(jiao)聲透鏡(jing)設(she)計(ji)(ji)加(jia)以分析。
一、軸向缺陷檢測的超聲(sheng)探頭偏心距選(xuan)擇
所(suo)(suo)謂超聲探頭偏(pian)心距是(shi)指采用折(zhe)射(she)橫波探傷時，探頭聲束中心線(xian)與鋼管輸心線(xian)的平行距離，用工加以表示(shi)。確(que)定偏(pian)心距應滿足以下兩(liang)個條件（如圖4.3所(suo)(suo)示(shi)）。
1. 鋼管橫波(bo)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. 管內壁缺陷檢測條(tiao)件
二(er)、軸向缺陷(xian)探傷超(chao)聲聚焦聲透鏡設計
超聲探傷中(zhong)所應用的(de)(de)聲透鏡材料(liao)通常為環氧樹(shu)脂(zhi)膠固(gu)化后形成，其(qi)聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭聲透鏡設計過(guo)程中(zhong)，需要綜合考慮檢測(ce)時的(de)(de)水(shui)層距(ju)離以及(ji)聚焦(jiao)聲透鏡的(de)(de)焦(jiao)距(ju)大小(xiao)，水(shui)層距(ju)離要求如(ru)圖(tu)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)顧鋼(gang)管(guan)內外(wai)壁缺陷，不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)斜(xie)角法超(chao)聲探傷時，聚焦(jiao)聲透鏡的(de)焦(jiao)點(dian)通常在鋼(gang)管(guan)水平(ping)軸(zhou)面上較(jiao)為合適，接下(xia)來分析(xi)焦(jiao)點(dian)位于(yu)鋼(gang)管(guan)水平(ping)軸(zhou)面上方(fang)、水平(ping)軸(zhou)面上、水平(ping)軸(zhou)面下(xia)方(fang)的(de)具體區別(bie)，如圖4.5所示。
1. 焦(jiao)點位于鋼管水平軸面(mian)
由式（4.7)可以推出，當焦(jiao)點恰好位于(yu)鋼管(guan)水平(ping)軸面(mian)上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表示左右兩側聲束(shu)人射角(jiao)相等且(qie)小(xiao)于(yu)中間聲束(shu)入(ru)射角(jiao)，γ、n均與探頭半聚焦(jiao)角(jiao)0的(de)大小(xiao)有關。在該條件下(xia)，左右兩側聲束(shu)人射角(jiao)對稱分布，可兼顧鋼管(guan)內、外壁的(de)缺(que)陷檢測，是探傷的(de)理想狀態。
2. 焦點位(wei)于(yu)鋼(gang)管水平軸面以上
這(zhe)三種(zhong)情(qing)況都出現折射(she)橫(heng)波(bo)快速向中心集中的(de)(de)(de)現象，反射(she)到外壁(bi)的(de)(de)(de)檢測橫(heng)波(bo)面積較大，導致對(dui)鋼(gang)管外壁(bi)缺陷的(de)(de)(de)檢測靈敏度(du)(du)降低，通過適當調整探(tan)頭，可(ke)實現折射(she)橫(heng)波(bo)聚焦到鋼(gang)管內壁(bi)，由此提高內壁(bi)缺陷的(de)(de)(de)檢測靈敏度(du)(du)。
3. 焦(jiao)點位于鋼(gang)管水平軸面以下
這三種情況都(dou)出現左(zuo)側(ce)折(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)折(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)射(she)角大，右側(ce)折(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)折(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)射(she)角小，引起橫(heng)波(bo)在(zai)鋼管(guan)(guan)內(nei)焦(jiao)距增加的現象(xiang)，可(ke)(ke)以將管(guan)(guan)內(nei)折(zhe)(zhe)(zhe)(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)聚(ju)焦(jiao)到(dao)鋼管(guan)(guan)外(wai)壁。因(yin)此，在(zai)該條(tiao)件下，通(tong)過(guo)適(shi)調整(zheng)探頭可(ke)(ke)提高鋼管(guan)(guan)外(wai)壁缺陷(xian)的檢(jian)測(ce)靈敏度。
確定(ding)檢(jian)測時的水層距離(li)及焦(jiao)距后，還必須分析(xi)超(chao)聲(sheng)縱波在(zai)水中(zhong)傳播時的近場(chang)(chang)長度(du)，超(chao)聲(sheng)波無法在(zai)近場(chang)(chang)以外聚焦(jiao)。
以(yi)圓(yuan)形(xing)晶(jing)片為(wei)例，近場長(chang)度的(de)計算公式為(wei)：
當所(suo)需的探頭(tou)透鏡(jing)焦(jiao)距超出一定頻(pin)率下的超聲近場長(chang)度時，可通過改變探頭(tou)晶片的大小(xiao)或者改變探頭(tou)頻(pin)率滿(man)足(zu)聚焦(jiao)要求。
需要(yao)注意的是(shi)，探頭焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡晶(jing)片的曲率半徑并不(bu)是(shi)一回事，兩者之間(jian)的關系如圖4.6所(suo)示(shi)，探頭焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡曲率半徑之間(jian)的關系可用下式表示(shi)：
以超聲(sheng)傳播介質是水、透鏡材料(liao)是環氧樹脂(zhi)為例，聲(sheng)透鏡曲率半徑與探頭焦(jiao)距(ju)之間的(de)關(guan)系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管為例(li)，具體分析如何確(que)定(ding)探頭(tou)焦距、聲透鏡曲率半徑(jing)、檢測偏心(xin)(xin)距，如圖4.7所示。其中偏心(xin)(xin)距χ為
如果超聲探頭晶(jing)片為(wei)圓盤狀，檢測頻率為(wei)5MHz,有效檢測直(zhi)徑為(wei)Φ8mm,則水中縱波近場長度(du)約為(wei)42.5mm,可以實現聚焦。
三、周向缺(que)險探(tan)傷(shang)超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設計
小口徑薄壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)周向(xiang)缺陷探(tan)傷時，為增(zeng)加有效檢測的聲(sheng)能(neng)，可同樣(yang)采用斜角法聚(ju)焦方(fang)式檢測。
隨著現代工業生(sheng)產(chan)(chan)(chan)的發(fa)展，產(chan)(chan)(chan)品競(jing)爭日(ri)益激烈，幾乎所有的汽車發(fa)動(dong)機(ji)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)廠家都對發(fa)動(dong)機(ji)內(nei)應用(yong)的小口徑薄壁不(bu)銹鋼(gang)管(guan)提出嚴苛(ke)的質量(liang)要求，不(bu)光(guang)對鋼(gang)管(guan)的軸向最小檢出缺陷提出明(ming)確要求，對周向最小檢出缺陷也提
出了嚴苛的(de)要(yao)求，很大程度上遠超目前的(de)國(guo)家(jia)標準甚至軍隊標準。譬如(ru)德國(guo)博世(shi)公司對小(xiao)口徑(jing)薄(bo)壁不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管的(de)軸(zhou)向、周(zhou)向最小(xiao)檢出缺陷都要(yao)求達到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬(kuan)×深），如(ru)圖4.8所示。
小口徑(jing)薄壁不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向(xiang)缺陷檢測時所(suo)碰到(dao)的(de)技(ji)術工藝(yi)問題與(yu)軸向(xiang)缺陷檢測基本相同(tong)，但(dan)因鋼(gang)管中(zhong)折射橫(heng)波(bo)的(de)傳播途徑(jing)不同(tong)，探頭(tou)聲透鏡的(de)設(she)計方法也就不一樣(yang)，以下具(ju)體分析。
聚(ju)焦(jiao)探頭焦(jiao)點或焦(jiao)線位于(yu)鋼(gang)(gang)管(guan)垂直(zhi)軸(zhou)面上(shang)，如圖4.2所示。采用斜角法檢(jian)(jian)測時，為獲得折射橫(heng)波，根據(ju)式（4.1），必須滿足第一臨界角條件(jian)，受(shou)不銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管(guan)壁厚的(de)影響，在(zai)管(guan)壁較薄的(de)情況下，應適(shi)當(dang)增加聲束的(de)入射角，避免探傷盲區的(de)影響，此外還可以(yi)通過提(ti)高檢(jian)(jian)測頻率，優(you)化探頭設計等(deng)手段減(jian)小檢(jian)(jian)測盲區。
探(tan)頭焦(jiao)距(ju)(ju)的選定，應以焦(jiao)點落在被檢鋼管內壁為(wei)佳。計算焦(jiao)距(ju)(ju)時，除考慮水(shui)(shui)層厚度對探(tan)傷信號(hao)的影響外，還(huan)應考慮折射橫(heng)波在鋼管內傳(chuan)播(bo)的等(deng)效(xiao)水(shui)(shui)距(ju)(ju)離。如(ru)圖4.9所示(shi)，聲束在水(shui)(shui)中傳(chuan)播(bo)距(ju)(ju)離為(wei)L*，折射橫(heng)波在鋼管中的傳(chuan)播(bo)距(ju)(ju)離為(wei)L常，則等(deng)效(xiao)水(shui)(shui)距(ju)(ju)離為(wei)
探頭聲透鏡的曲率(lv)半徑(jing)設計按照式8 即可。
