總體來講(jiang)，不銹(xiu)鋼無縫鋼管超聲(sheng)波探(tan)傷(shang)技術(shu)較(jiao)為成熟，常(chang)見(jian)的探(tan)傷(shang)方法(fa)主要包括接觸式探(tan)傷(shang)、水(shui)(shui)浸(jin)式探(tan)傷(shang)。其中水(shui)(shui)浸(jin)式探(tan)傷(shang)容易實(shi)現(xian)自動(dong)化，檢測(ce)靈(ling)敏(min)度及探(tan)傷(shang)效率均(jun)較(jiao)高，因此，本(ben)書(shu)重(zhong)點(dian)討論水(shui)(shui)浸(jin)式超聲(sheng)探(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(bu)銹鋼(gang)管，斜角法顯然更為適用。
斜(xie)角法振(zhen)傷(shang)(shang)主要(yao)采用橫(heng)波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)和表面(mian)波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)，其中橫(heng)波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)可以檢測鋼管(guan)內外(wai)缺陷(xian)，而(er)表面(mian)波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)主要(yao)用來檢測鋼管(guan)表面(mian)的缺陷(xian)。圖4.1為小直(zhi)徑薄(bo)壁不銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)超聲探(tan)傷(shang)(shang)的基本形式。
圖(tu)4.1中所(suo)給(gei)出的(de)基(ji)本形式為斜角(jiao)法探傷(shang)，所(suo)檢測(ce)(ce)的(de)鋼管(guan)缺(que)陷通常以軸(zhou)向(xiang)傷(shang)為主(zhu)，以該(gai)方法為基(ji)礎，為提高(gao)檢測(ce)(ce)的(de)準(zhun)(zhun)確性，可(ke)采用多個探頭(tou)同(tong)(tong)時檢測(ce)(ce)。為實(shi)現鋼管(guan)內外壁的(de)軸(zhou)向(xiang)缺(que)陷檢測(ce)(ce)，通常需要(yao)如圖(tu)4.2所(suo)示的(de)檢測(ce)(ce)方式，為實(shi)現檢測(ce)(ce)速度與檢測(ce)(ce)準(zhun)(zhun)確性的(de)提升，同(tong)(tong)樣可(ke)采用多個探頭(tou)同(tong)(tong)時檢測(ce)(ce)。
鑒(jian)于汽車發(fa)動(dong)機用(yong)(yong)不(bu)銹鋼無縫(feng)管(guan)(guan)的高要(yao)求(qiu)(qiu)，其選用(yong)(yong)的小口徑薄壁不(bu)鋼無縫(feng)鋼管(guan)(guan)的題聲(sheng)探傷宜采用(yong)(yong)聚然方式(shi)檢(jian)(jian)測(ce)，超聲(sheng)傳播過程(cheng)中(zhong)(zhong)，在(zai)聚焦狀烈下可(ke)以盡可(ke)能(neng)(neng)實現(xian)檢(jian)(jian)測(ce)聲(sheng)能(neng)(neng)的集中(zhong)(zhong)，提高檢(jian)(jian)測(ce)靈(ling)敏度。一般情況下，為保(bao)證(zheng)檢(jian)(jian)測(ce)速度，采用(yong)(yong)線聚焦檢(jian)(jian)測(ce)即可(ke)滿(man)足要(yao)求(qiu)(qiu)，當鋼管(guan)(guan)的檢(jian)(jian)測(ce)精度提出特別要(yao)求(qiu)(qiu)時(shi)，可(ke)采用(yong)(yong)點聚焦方式(shi)，此(ci)時(shi)檢(jian)(jian)測(ce)速度會有所(suo)降低。
小口徑薄壁不銹鋼管(guan)探傷過程(cheng)中，無論軸向缺陷(xian)或者周向缺陷(xian)的檢測，在探傷儀(yi)器性能穩定的前提下，影響探傷靈敏度的因素主(zhu)要包括四個(ge)方面：①. 超(chao)聲探頭設(she)計與(yu)加工；②. 超(chao)聲探頭偏心距(ju)選擇(ze)；③. 超(chao)聲聚焦聲透鏡設(she)計；④. 檢測設(she)備的穩定性。
上述影(ying)響因素中，超聲探頭的設計(ji)與加(jia)(jia)工是一(yi)項專業性(xing)、技術性(xing)較強的工作，涉及很多專業知識，本書中不做詳細(xi)討論(lun)，僅從滿足探傷工藝要求的角度對超聲探頭的偏心距(ju)選(xuan)擇及超聲聚焦(jiao)聲透(tou)鏡設計(ji)加(jia)(jia)以分析(xi)。
一、軸(zhou)向缺陷檢測的超聲探頭偏心(xin)距選擇
所謂超(chao)聲探(tan)頭(tou)偏心(xin)(xin)距(ju)是指采(cai)用折射橫波探(tan)傷(shang)時，探(tan)頭(tou)聲束中心(xin)(xin)線(xian)與鋼(gang)管輸(shu)心(xin)(xin)線(xian)的平行(xing)距(ju)離，用工(gong)加(jia)以表示(shi)。確定偏心(xin)(xin)距(ju)應滿(man)足(zu)以下(xia)兩個條件（如圖4.3所示(shi)）。
1. 鋼管橫(heng)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. 管內壁缺陷檢測條件
二、軸(zhou)向缺陷探傷(shang)超聲聚(ju)焦聲透鏡設計
超(chao)聲(sheng)探傷(shang)中(zhong)所(suo)(suo)應用的聲(sheng)透鏡材料通常為環氧樹脂膠(jiao)固化后(hou)形成，其聲(sheng)速約(yue)為2.65mm/μs.超(chao)聲(sheng)探頭聲(sheng)透鏡設計過(guo)程(cheng)中(zhong)，需要綜合考慮檢測時的水層(ceng)距(ju)離(li)以(yi)及聚焦聲(sheng)透鏡的焦距(ju)大(da)小(xiao)，水層(ceng)距(ju)離(li)要求如(ru)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:
為兼顧(gu)鋼(gang)管內(nei)外壁(bi)缺陷，不銹(xiu)鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管斜角法超(chao)聲探傷時，聚焦(jiao)聲透(tou)鏡的焦(jiao)點(dian)通常在鋼(gang)管水平(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面上較為合適(shi)，接下來(lai)分析焦(jiao)點(dian)位于鋼(gang)管水平(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面上方(fang)、水平(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面上、水平(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)(zhou)面下方(fang)的具體區別，如圖4.5所(suo)示。
1. 焦點位于鋼(gang)管水平(ping)軸面
由式（4.7)可(ke)以推出，當焦(jiao)點恰好位于鋼(gang)管(guan)(guan)水平軸面(mian)上(shang)時，φ=0,此時γ＝η<a,表(biao)示(shi)左(zuo)右(you)兩側聲(sheng)束(shu)人射(she)(she)角(jiao)(jiao)相(xiang)等且(qie)小(xiao)于中(zhong)間(jian)聲(sheng)束(shu)入射(she)(she)角(jiao)(jiao)，γ、n均與探(tan)頭半聚焦(jiao)角(jiao)(jiao)0的(de)(de)大小(xiao)有關。在該條件(jian)下，左(zuo)右(you)兩側聲(sheng)束(shu)人射(she)(she)角(jiao)(jiao)對(dui)稱(cheng)分布，可(ke)兼顧鋼(gang)管(guan)(guan)內、外(wai)壁(bi)的(de)(de)缺陷檢(jian)測，是探(tan)傷(shang)的(de)(de)理想狀態。
2. 焦點位于(yu)鋼(gang)管水平軸面(mian)以上
這三種(zhong)情況都出現(xian)(xian)折(zhe)射(she)(she)橫波快速向中心(xin)集中的(de)現(xian)(xian)象，反射(she)(she)到(dao)(dao)外壁(bi)的(de)檢測橫波面積較大，導致對(dui)鋼管外壁(bi)缺陷的(de)檢測靈(ling)敏度降低，通過(guo)適當調(diao)整探頭(tou)，可實現(xian)(xian)折(zhe)射(she)(she)橫波聚焦到(dao)(dao)鋼管內(nei)壁(bi)，由此(ci)提高內(nei)壁(bi)缺陷的(de)檢測靈(ling)敏度。
3. 焦(jiao)點(dian)位于鋼管(guan)水平軸面以下
這三(san)種情況都出現左側折射(she)(she)橫(heng)波(bo)(bo)折射(she)(she)角(jiao)大，右側折射(she)(she)橫(heng)波(bo)(bo)折射(she)(she)角(jiao)小，引起橫(heng)波(bo)(bo)在鋼管內焦(jiao)距增(zeng)加的現象(xiang)，可以將管內折射(she)(she)橫(heng)波(bo)(bo)聚焦(jiao)到(dao)鋼管外壁(bi)。因此，在該(gai)條(tiao)件下，通過(guo)適調整探(tan)頭可提高鋼管外壁(bi)缺陷的檢(jian)測靈敏度。
確定檢測(ce)時的水(shui)層距離(li)及焦距后，還必須分析超聲(sheng)縱波在水(shui)中傳播(bo)時的近場長度(du)，超聲(sheng)波無法在近場以外聚焦。
以圓形晶片為例，近場長度的計(ji)算公式為：
當所需的(de)探(tan)頭(tou)透鏡焦距超(chao)(chao)出(chu)一定頻(pin)率下的(de)超(chao)(chao)聲近場長度時，可通(tong)過改變(bian)探(tan)頭(tou)晶片的(de)大(da)小或者改變(bian)探(tan)頭(tou)頻(pin)率滿足聚焦要求。
需要(yao)注(zhu)意的是，探頭焦距與透鏡晶片的曲率半(ban)徑并(bing)不是一回(hui)事，兩者之(zhi)間(jian)的關(guan)系如圖4.6所示，探頭焦距與透鏡曲率半(ban)徑之(zhi)間(jian)的關(guan)系可用下式表(biao)示：
以超聲傳播介質(zhi)是水、透鏡材料是環氧樹脂為(wei)例，聲透鏡曲率半(ban)徑與探(tan)頭(tou)焦距之間的關系為(wei)r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)為例，具體分析如(ru)何確定探頭焦距(ju)、聲(sheng)透鏡曲率半徑(jing)、檢(jian)測(ce)偏心距(ju)，如(ru)圖4.7所(suo)示。其(qi)中偏心距(ju)χ為
如果超聲探頭晶(jing)片為圓盤(pan)狀(zhuang)，檢(jian)測(ce)頻率(lv)為5MHz,有效檢(jian)測(ce)直徑為Φ8mm,則水(shui)中縱波近場長度約為42.5mm,可以實(shi)現聚焦。
三、周向(xiang)缺險探(tan)傷超聲聚焦聲透鏡(jing)設計
小口徑薄(bo)壁不銹(xiu)鋼無縫鋼管(guan)周向缺陷探傷時，為增加有效(xiao)檢測(ce)(ce)的聲能，可同樣采用(yong)斜角法聚(ju)焦方式檢測(ce)(ce)。
隨(sui)著現(xian)代工(gong)業生產的發展，產品競爭日益激烈，幾乎(hu)所有的汽車發動(dong)機生產廠(chang)家(jia)都(dou)對(dui)發動(dong)機內應(ying)用的小(xiao)口徑(jing)薄壁不銹鋼管(guan)提出(chu)(chu)嚴苛(ke)的質量要求(qiu)(qiu)，不光對(dui)鋼管(guan)的軸向(xiang)最(zui)小(xiao)檢出(chu)(chu)缺(que)陷(xian)提出(chu)(chu)明確要求(qiu)(qiu)，對(dui)周向(xiang)最(zui)小(xiao)檢出(chu)(chu)缺(que)陷(xian)也提
出(chu)了嚴苛的(de)(de)要求(qiu)，很大程度上遠超目前的(de)(de)國(guo)家標準甚至(zhi)軍隊標準。譬如德國(guo)博(bo)世(shi)公(gong)司對小口徑(jing)薄壁不銹鋼無縫鋼管的(de)(de)軸向(xiang)、周向(xiang)最小檢出(chu)缺陷都要求(qiu)達到(dao)人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬(kuan)×深(shen)），如圖4.8所示。
小口徑薄壁(bi)不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管周向缺(que)陷(xian)檢測時所碰到的技術(shu)工藝問題(ti)與軸(zhou)向缺(que)陷(xian)檢測基本相同，但(dan)因鋼(gang)(gang)管中折射(she)橫波的傳播(bo)途徑不(bu)(bu)同，探頭聲透鏡(jing)的設(she)計(ji)方法也就不(bu)(bu)一樣，以下具體分析。
聚焦探(tan)(tan)頭焦點或焦線位于鋼管(guan)垂直軸(zhou)面上，如圖4.2所示。采用斜角法檢測時(shi)，為獲得(de)折(zhe)射(she)橫波(bo)，根據式（4.1），必須滿足第(di)一臨界角條件，受不(bu)銹鋼無縫(feng)鋼管(guan)壁厚的影(ying)響，在管(guan)壁較(jiao)薄的情(qing)況(kuang)下，應適當增加聲束(shu)的入射(she)角，避免探(tan)(tan)傷盲(mang)區的影(ying)響，此外(wai)還可(ke)以通過提高檢測頻率，優化(hua)探(tan)(tan)頭設計等手(shou)段減小檢測盲(mang)區。
探頭焦距(ju)(ju)(ju)(ju)的選定(ding)，應以焦點(dian)落在被檢(jian)鋼(gang)管(guan)內壁為(wei)佳。計算焦距(ju)(ju)(ju)(ju)時，除(chu)考(kao)慮水(shui)層厚度對探傷信號的影響外，還應考(kao)慮折射橫波在鋼(gang)管(guan)內傳(chuan)播的等效(xiao)水(shui)距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)(li)。如圖4.9所示，聲束在水(shui)中傳(chuan)播距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)(li)為(wei)L*，折射橫波在鋼(gang)管(guan)中的傳(chuan)播距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)(li)為(wei)L常，則(ze)等效(xiao)水(shui)距(ju)(ju)(ju)(ju)離(li)(li)為(wei)
探頭聲透鏡的曲率半徑設計按(an)照式8 即(ji)可。
