總(zong)體來講，不銹鋼無縫鋼管超聲波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)(shang)技術較為成熟，常見(jian)的探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)(shang)方法主要包括接觸式探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)(shang)、水浸(jin)式探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)(shang)。其中水浸(jin)式探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)(shang)容易實現自(zi)動化，檢測靈敏(min)度及探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)(shang)效率均較高(gao)，因此，本書(shu)重點(dian)討論水浸(jin)式超聲探(tan)(tan)傷(shang)(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)(shang)主要(yao)采用橫(heng)波探傷(shang)(shang)和(he)表面(mian)波探傷(shang)(shang)，其中橫(heng)波探傷(shang)(shang)可以檢測(ce)鋼(gang)管內外缺陷，而表面(mian)波探傷(shang)(shang)主要(yao)用來檢測(ce)鋼(gang)管表面(mian)的缺陷。圖4.1為(wei)小直徑(jing)薄壁不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管超聲探傷(shang)(shang)的基(ji)本(ben)形式。
圖(tu)(tu)4.1中所給出的基本形(xing)式(shi)為斜角法探傷，所檢(jian)(jian)測(ce)的鋼管缺陷(xian)通常以軸向(xiang)傷為主，以該方法為基礎，為提(ti)高(gao)檢(jian)(jian)測(ce)的準(zhun)確性(xing)，可采用多(duo)個(ge)探頭同時檢(jian)(jian)測(ce)。為實(shi)現鋼管內外壁的軸向(xiang)缺陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)，通常需(xu)要如(ru)圖(tu)(tu)4.2所示的檢(jian)(jian)測(ce)方式(shi)，為實(shi)現檢(jian)(jian)測(ce)速度與檢(jian)(jian)測(ce)準(zhun)確性(xing)的提(ti)升(sheng)，同樣可采用多(duo)個(ge)探頭同時檢(jian)(jian)測(ce)。
鑒于汽車發(fa)動機用(yong)不銹(xiu)鋼無縫管的(de)(de)高要(yao)求，其選用(yong)的(de)(de)小口徑(jing)薄壁不鋼無縫鋼管的(de)(de)題聲(sheng)(sheng)探(tan)傷宜(yi)采用(yong)聚(ju)然(ran)方(fang)(fang)式(shi)檢(jian)(jian)測，超(chao)聲(sheng)(sheng)傳播(bo)過程中，在聚(ju)焦狀烈下可(ke)(ke)以(yi)盡可(ke)(ke)能實現(xian)檢(jian)(jian)測聲(sheng)(sheng)能的(de)(de)集中，提(ti)高檢(jian)(jian)測靈敏度(du)。一般情況(kuang)下，為保證檢(jian)(jian)測速(su)度(du)，采用(yong)線(xian)聚(ju)焦檢(jian)(jian)測即可(ke)(ke)滿足要(yao)求，當鋼管的(de)(de)檢(jian)(jian)測精度(du)提(ti)出(chu)特別要(yao)求時(shi)，可(ke)(ke)采用(yong)點聚(ju)焦方(fang)(fang)式(shi)，此(ci)時(shi)檢(jian)(jian)測速(su)度(du)會有所(suo)降低。
小口徑薄壁不銹鋼(gang)管探(tan)傷過程中(zhong)，無論軸向缺(que)陷或(huo)者周(zhou)向缺(que)陷的(de)檢測(ce)，在探(tan)傷儀器(qi)性能穩(wen)定的(de)前提(ti)下，影響探(tan)傷靈(ling)敏度的(de)因素主要包括四(si)個方面：①. 超聲探(tan)頭設計(ji)與加工；②. 超聲探(tan)頭偏心距選擇(ze)；③. 超聲聚焦聲透鏡(jing)設計(ji)；④. 檢測(ce)設備的(de)穩(wen)定性。
上述影(ying)響因素中(zhong)，超(chao)聲(sheng)探頭的設計與加(jia)工是一項(xiang)專業性(xing)、技術性(xing)較強的工作，涉及很(hen)多(duo)專業知識，本書(shu)中(zhong)不做(zuo)詳細(xi)討(tao)論(lun)，僅從滿足探傷工藝要(yao)求的角(jiao)度對超(chao)聲(sheng)探頭的偏心距選(xuan)擇及超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設計加(jia)以分(fen)析。
一、軸向(xiang)缺陷檢測的超聲探(tan)頭偏(pian)心距選擇
所(suo)謂(wei)超(chao)聲探(tan)頭偏(pian)心(xin)距(ju)是(shi)指(zhi)采用折射橫波探(tan)傷時(shi)，探(tan)頭聲束中心(xin)線與(yu)鋼管輸心(xin)線的平行距(ju)離，用工加以表示。確定偏(pian)心(xin)距(ju)應滿足以下兩(liang)個(ge)條件（如圖4.3所(suo)示）。
1. 鋼管(guan)橫波(bo)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. 管內壁缺陷檢測條件
二、軸向缺陷探(tan)傷超聲聚焦聲透鏡(jing)設計
超(chao)聲探傷中(zhong)所應(ying)用的聲透鏡(jing)(jing)材料通常為環氧樹脂膠固化(hua)后形成，其聲速約為2.65mm/μs.超(chao)聲探頭聲透鏡(jing)(jing)設計過程中(zhong)，需要綜合考慮檢測時(shi)的水(shui)層距(ju)離(li)(li)以及(ji)聚焦(jiao)聲透鏡(jing)(jing)的焦(jiao)距(ju)大小(xiao)，水(shui)層距(ju)離(li)(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(gu)鋼管內外壁缺陷，不銹鋼無(wu)縫鋼管斜(xie)角法(fa)超聲(sheng)探傷時，聚焦聲(sheng)透鏡的焦點通(tong)常在鋼管水(shui)(shui)平軸面(mian)上較為合適，接下來分析焦點位于鋼管水(shui)(shui)平軸面(mian)上方、水(shui)(shui)平軸面(mian)上、水(shui)(shui)平軸面(mian)下方的具體區(qu)別，如(ru)圖(tu)4.5所示。
1. 焦點(dian)位于鋼管水平軸面
由式（4.7)可以推出，當焦點恰好位于(yu)鋼管水平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示(shi)左右(you)兩側聲(sheng)束(shu)人(ren)射角相(xiang)等且小(xiao)于(yu)中間聲(sheng)束(shu)入(ru)射角，γ、n均與探(tan)頭半(ban)聚焦角0的大(da)小(xiao)有關。在該條件下，左右(you)兩側聲(sheng)束(shu)人(ren)射角對稱分(fen)布，可兼顧鋼管內、外壁的缺陷檢測，是探(tan)傷的理想狀態。
2. 焦點(dian)位于鋼管水平軸面以上
這(zhe)三種(zhong)情(qing)況都出現(xian)折(zhe)射(she)橫波(bo)快速向中心集中的(de)現(xian)象(xiang)，反(fan)射(she)到外(wai)壁(bi)(bi)(bi)(bi)的(de)檢測橫波(bo)面積較大，導致(zhi)對鋼管外(wai)壁(bi)(bi)(bi)(bi)缺陷(xian)的(de)檢測靈(ling)敏度降(jiang)低，通過適(shi)當調整探(tan)頭，可實(shi)現(xian)折(zhe)射(she)橫波(bo)聚焦到鋼管內壁(bi)(bi)(bi)(bi)，由此提高內壁(bi)(bi)(bi)(bi)缺陷(xian)的(de)檢測靈(ling)敏度。
3. 焦點(dian)位于鋼管水平(ping)軸(zhou)面以下
這三種情況都出現左側折(zhe)射橫波(bo)折(zhe)射角(jiao)大，右側折(zhe)射橫波(bo)折(zhe)射角(jiao)小，引起橫波(bo)在鋼(gang)管內(nei)焦距(ju)增加的現象，可以將管內(nei)折(zhe)射橫波(bo)聚焦到鋼(gang)管外壁。因此，在該條件下(xia)，通過適調整探(tan)頭可提高鋼(gang)管外壁缺陷的檢測靈敏度。
確定檢測(ce)時(shi)的水(shui)層距離及(ji)焦距后，還必須分析超聲縱波(bo)在水(shui)中(zhong)傳播時(shi)的近(jin)場(chang)長度，超聲波(bo)無法在近(jin)場(chang)以外聚焦。
以(yi)圓形晶片(pian)為例，近場長度(du)的(de)計算公式為：
當所需的(de)探頭透鏡焦距超出一定頻率(lv)下(xia)的(de)超聲(sheng)近場(chang)長度時(shi)，可通過改變探頭晶片的(de)大小或者改變探頭頻率(lv)滿足聚焦要(yao)求。
需要注意的是，探頭焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡(jing)晶片的曲率(lv)半(ban)(ban)徑(jing)并不是一回事，兩者(zhe)之間(jian)的關(guan)系如圖4.6所(suo)示(shi)，探頭焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡(jing)曲率(lv)半(ban)(ban)徑(jing)之間(jian)的關(guan)系可(ke)用下式表(biao)示(shi)：
以超聲傳播介(jie)質是(shi)水、透鏡材料是(shi)環氧(yang)樹脂為例，聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之(zhi)間的(de)關(guan)系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹(xiu)鋼無縫鋼管為(wei)例，具體(ti)分(fen)析(xi)如(ru)何確定(ding)探頭焦距、聲透鏡曲率半徑(jing)、檢測(ce)偏心距，如(ru)圖4.7所示。其(qi)中(zhong)偏心距χ為(wei)
如(ru)果超聲探頭晶片為圓盤狀，檢測(ce)頻率(lv)為5MHz,有效檢測(ce)直徑(jing)為Φ8mm,則水中縱波(bo)近(jin)場長度約為42.5mm,可以實(shi)現聚焦(jiao)。
三(san)、周向缺(que)險探傷超聲聚焦聲透鏡設計
小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管周向缺陷探(tan)傷(shang)時(shi)，為增加有效檢(jian)(jian)測的(de)聲能，可同樣(yang)采用斜(xie)角法(fa)聚焦(jiao)方式檢(jian)(jian)測。
隨(sui)著現代工業生產的(de)(de)發展，產品(pin)競爭日(ri)益激烈(lie)，幾乎(hu)所有的(de)(de)汽車發動(dong)機生產廠(chang)家都(dou)對發動(dong)機內應用的(de)(de)小口徑薄壁(bi)不(bu)銹鋼(gang)管提(ti)出嚴苛(ke)的(de)(de)質(zhi)量要求，不(bu)光對鋼(gang)管的(de)(de)軸向(xiang)最小檢(jian)出缺陷(xian)提(ti)出明確(que)要求，對周(zhou)向(xiang)最小檢(jian)出缺陷(xian)也提(ti)
出了嚴苛的要求，很大(da)程(cheng)度(du)上遠超(chao)目前的國家標準甚至(zhi)軍隊標準。譬如德(de)國博世公司對(dui)小口徑薄壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管的軸(zhou)向(xiang)、周向(xiang)最小檢出缺陷(xian)都要求達到(dao)人工缺陷(xian)2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖4.8所示。
小口徑薄(bo)壁(bi)不(bu)(bu)銹鋼無縫(feng)鋼管(guan)(guan)周(zhou)向缺陷(xian)檢(jian)測時(shi)所(suo)碰(peng)到的(de)技術工(gong)藝問(wen)題(ti)與軸向缺陷(xian)檢(jian)測基本(ben)相同(tong)，但因鋼管(guan)(guan)中(zhong)折射橫波的(de)傳播途徑不(bu)(bu)同(tong)，探(tan)頭聲透(tou)鏡的(de)設計(ji)方法也就不(bu)(bu)一(yi)樣(yang)，以下(xia)具體分析。
聚(ju)焦(jiao)探(tan)頭(tou)焦(jiao)點或焦(jiao)線位于(yu)鋼(gang)管垂直(zhi)軸面上，如圖4.2所示。采用斜角(jiao)法檢(jian)(jian)測(ce)時，為(wei)獲得折射(she)橫波，根據式(shi)（4.1），必須滿足第一臨界角(jiao)條(tiao)件，受不銹鋼(gang)無(wu)縫(feng)鋼(gang)管壁厚(hou)的(de)影響(xiang)，在(zai)管壁較薄的(de)情(qing)況下，應適當增加聲(sheng)束的(de)入射(she)角(jiao)，避免探(tan)傷(shang)盲區的(de)影響(xiang)，此外還可以通(tong)過(guo)提高檢(jian)(jian)測(ce)頻率，優(you)化(hua)探(tan)頭(tou)設計等手段減(jian)小(xiao)檢(jian)(jian)測(ce)盲區。
探(tan)頭焦距(ju)(ju)的(de)(de)選定(ding)，應(ying)以焦點落在(zai)被檢鋼管內(nei)壁為佳。計(ji)算(suan)焦距(ju)(ju)時，除考慮水層厚(hou)度對探(tan)傷信號的(de)(de)影響(xiang)外，還(huan)應(ying)考慮折射(she)橫波(bo)在(zai)鋼管內(nei)傳(chuan)(chuan)播(bo)的(de)(de)等效水距(ju)(ju)離(li)。如圖4.9所示，聲(sheng)束在(zai)水中傳(chuan)(chuan)播(bo)距(ju)(ju)離(li)為L*，折射(she)橫波(bo)在(zai)鋼管中的(de)(de)傳(chuan)(chuan)播(bo)距(ju)(ju)離(li)為L常，則(ze)等效水距(ju)(ju)離(li)為
探頭(tou)聲透鏡的曲率半(ban)徑設計按照(zhao)式8 即可。
