總(zong)體(ti)來(lai)講，不銹鋼無縫鋼管超(chao)聲(sheng)波探(tan)傷(shang)(shang)(shang)技術較(jiao)為成熟，常見的探(tan)傷(shang)(shang)(shang)方法主要包括(kuo)接觸(chu)式探(tan)傷(shang)(shang)(shang)、水浸(jin)式探(tan)傷(shang)(shang)(shang)。其中水浸(jin)式探(tan)傷(shang)(shang)(shang)容易實(shi)現(xian)自動化，檢測靈敏(min)度及探(tan)傷(shang)(shang)(shang)效率均較(jiao)高，因此，本(ben)書重(zhong)點討論水浸(jin)式超(chao)聲(sheng)探(tan)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(xiu)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(bi)不(bu)銹(xiu)鋼管(guan)，斜角法顯然更為適用。
斜(xie)角法(fa)振傷(shang)主要采用(yong)橫(heng)波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)和表面(mian)(mian)波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)，其中橫(heng)波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)可以檢測鋼(gang)管(guan)內外缺陷(xian)，而表面(mian)(mian)波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)主要用(yong)來(lai)檢測鋼(gang)管(guan)表面(mian)(mian)的(de)缺陷(xian)。圖4.1為小直(zhi)徑薄壁不銹(xiu)鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管(guan)超聲探(tan)傷(shang)的(de)基本(ben)形(xing)式(shi)。
圖4.1中所給出的(de)基(ji)本形式為(wei)(wei)斜角(jiao)法探傷，所檢(jian)測(ce)(ce)的(de)鋼管(guan)缺陷通(tong)常(chang)以軸向(xiang)(xiang)傷為(wei)(wei)主，以該方法為(wei)(wei)基(ji)礎，為(wei)(wei)提(ti)高檢(jian)測(ce)(ce)的(de)準(zhun)確(que)性，可采(cai)用(yong)多個(ge)探頭同(tong)時檢(jian)測(ce)(ce)。為(wei)(wei)實(shi)(shi)現(xian)鋼管(guan)內外壁(bi)的(de)軸向(xiang)(xiang)缺陷檢(jian)測(ce)(ce)，通(tong)常(chang)需要如圖4.2所示的(de)檢(jian)測(ce)(ce)方式，為(wei)(wei)實(shi)(shi)現(xian)檢(jian)測(ce)(ce)速度(du)與檢(jian)測(ce)(ce)準(zhun)確(que)性的(de)提(ti)升，同(tong)樣可采(cai)用(yong)多個(ge)探頭同(tong)時檢(jian)測(ce)(ce)。
鑒于(yu)汽車發動(dong)機(ji)用(yong)(yong)不銹鋼(gang)無(wu)縫管的(de)(de)高要求，其選用(yong)(yong)的(de)(de)小口(kou)徑薄壁不鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管的(de)(de)題聲(sheng)探(tan)傷(shang)宜采用(yong)(yong)聚(ju)(ju)然方(fang)式(shi)檢(jian)測(ce)，超聲(sheng)傳播過程中，在聚(ju)(ju)焦(jiao)狀烈(lie)下可(ke)(ke)以(yi)盡可(ke)(ke)能(neng)實現檢(jian)測(ce)聲(sheng)能(neng)的(de)(de)集中，提高檢(jian)測(ce)靈敏度(du)。一般情況下，為保證檢(jian)測(ce)速(su)(su)度(du)，采用(yong)(yong)線聚(ju)(ju)焦(jiao)檢(jian)測(ce)即可(ke)(ke)滿足要求，當鋼(gang)管的(de)(de)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)提出特別(bie)要求時(shi)，可(ke)(ke)采用(yong)(yong)點聚(ju)(ju)焦(jiao)方(fang)式(shi)，此時(shi)檢(jian)測(ce)速(su)(su)度(du)會有所降(jiang)低。
小口徑薄壁不銹(xiu)鋼管探(tan)傷過程中，無(wu)論軸向缺陷或者周(zhou)向缺陷的(de)檢(jian)測，在探(tan)傷儀(yi)器(qi)性能(neng)穩(wen)定(ding)的(de)前(qian)提(ti)下，影響探(tan)傷靈(ling)敏度的(de)因素主要包括四個(ge)方面：①. 超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探(tan)頭設計與加工；②. 超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探(tan)頭偏心距選(xuan)擇；③. 超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)(sheng)透鏡設計；④. 檢(jian)測設備的(de)穩(wen)定(ding)性。
上述影響(xiang)因素中，超(chao)聲(sheng)探頭(tou)的設計與加(jia)工是一項專(zhuan)(zhuan)業(ye)性、技(ji)術性較強的工作，涉及很(hen)多專(zhuan)(zhuan)業(ye)知識，本書(shu)中不(bu)做詳細討論(lun)，僅(jin)從滿足探傷工藝要求的角度對超(chao)聲(sheng)探頭(tou)的偏心距(ju)選擇及超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設計加(jia)以(yi)分析。
一(yi)、軸向缺陷(xian)檢測的超聲探頭偏心距選擇
所謂超聲探(tan)頭(tou)偏心(xin)(xin)距是指采(cai)用(yong)折射橫波探(tan)傷時，探(tan)頭(tou)聲束中(zhong)心(xin)(xin)線與(yu)鋼(gang)管輸(shu)心(xin)(xin)線的平行距離，用(yong)工加以(yi)表示。確定偏心(xin)(xin)距應滿足(zu)以(yi)下兩個條件（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(xian)檢測條(tiao)件
二、軸(zhou)向缺陷探傷超聲聚(ju)焦聲透鏡設計
超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)傷中所(suo)應用(yong)的(de)聲(sheng)(sheng)透鏡材(cai)料通常為環(huan)氧樹脂膠固化后形成，其聲(sheng)(sheng)速約為2.65mm/μs.超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭聲(sheng)(sheng)透鏡設計過程(cheng)中，需要綜合(he)考(kao)慮檢測時的(de)水(shui)層(ceng)距離(li)以及聚焦聲(sheng)(sheng)透鏡的(de)焦距大小，水(shui)層(ceng)距離(li)要求如圖4.4所(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)兼顧鋼管內(nei)外壁(bi)缺陷，不銹鋼無(wu)縫鋼管斜角法超聲(sheng)探傷時，聚焦(jiao)(jiao)聲(sheng)透鏡的焦(jiao)(jiao)點通常在鋼管水(shui)平(ping)(ping)軸(zhou)面(mian)上較為(wei)合適，接(jie)下來分析焦(jiao)(jiao)點位于鋼管水(shui)平(ping)(ping)軸(zhou)面(mian)上方(fang)、水(shui)平(ping)(ping)軸(zhou)面(mian)上、水(shui)平(ping)(ping)軸(zhou)面(mian)下方(fang)的具體區別(bie)，如(ru)圖4.5所示。
1. 焦(jiao)點位于鋼管水平(ping)軸(zhou)面
由式(shi)（4.7)可以推出(chu)，當焦點恰(qia)好位于鋼管(guan)水平軸面(mian)上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表示(shi)左右兩(liang)側聲束(shu)人(ren)射(she)角(jiao)(jiao)相等且小于中間聲束(shu)入射(she)角(jiao)(jiao)，γ、n均與(yu)探頭半聚焦角(jiao)(jiao)0的(de)大小有關。在該條(tiao)件下，左右兩(liang)側聲束(shu)人(ren)射(she)角(jiao)(jiao)對稱(cheng)分布，可兼顧鋼管(guan)內、外(wai)壁的(de)缺陷檢(jian)測，是(shi)探傷的(de)理(li)想狀態。
2. 焦點位于(yu)鋼管水平軸面以(yi)上
這三種情(qing)況都出現(xian)折射橫(heng)波(bo)快速向中心集中的(de)現(xian)象，反射到外壁的(de)檢測(ce)橫(heng)波(bo)面積較(jiao)大(da)，導致對鋼管外壁缺陷(xian)(xian)的(de)檢測(ce)靈敏度降低，通過適當(dang)調整探(tan)頭，可(ke)實(shi)現(xian)折射橫(heng)波(bo)聚焦到鋼管內(nei)壁，由此提高內(nei)壁缺陷(xian)(xian)的(de)檢測(ce)靈敏度。
3. 焦點(dian)位(wei)于鋼管水平軸面(mian)以下
這三種情況都出現(xian)左側折(zhe)射(she)橫波(bo)折(zhe)射(she)角大，右側折(zhe)射(she)橫波(bo)折(zhe)射(she)角小，引起橫波(bo)在(zai)鋼(gang)管(guan)內(nei)焦距(ju)增加的現(xian)象，可以將管(guan)內(nei)折(zhe)射(she)橫波(bo)聚焦到(dao)鋼(gang)管(guan)外壁(bi)。因(yin)此，在(zai)該(gai)條件下，通過適調(diao)整(zheng)探(tan)頭可提高鋼(gang)管(guan)外壁(bi)缺陷的檢測靈敏度。
確(que)定檢測時(shi)的水(shui)層距離及焦距后，還必須(xu)分析超聲縱波(bo)在(zai)水(shui)中傳播時(shi)的近(jin)(jin)場長度(du)，超聲波(bo)無法(fa)在(zai)近(jin)(jin)場以外聚焦。
以圓形晶片(pian)為例，近場長度的計算(suan)公(gong)式為：
當所需的探頭(tou)透鏡焦距超出一定頻率下的超聲近場長度時，可通過(guo)改變探頭(tou)晶(jing)片的大小(xiao)或者改變探頭(tou)頻率滿足聚(ju)焦要求。
需要注(zhu)意的(de)(de)是，探(tan)頭焦距(ju)與透(tou)鏡(jing)(jing)晶片的(de)(de)曲率半徑并(bing)不(bu)是一回(hui)事，兩者(zhe)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)關(guan)系如圖4.6所示(shi)，探(tan)頭焦距(ju)與透(tou)鏡(jing)(jing)曲率半徑之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)關(guan)系可用下式(shi)表示(shi)：
以超聲傳播介質是(shi)水、透鏡(jing)材料是(shi)環氧樹(shu)脂為(wei)例(li)，聲透鏡(jing)曲(qu)率半(ban)徑與探頭(tou)焦(jiao)距之間的關系為(wei)r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管為例，具體(ti)分析如(ru)何確定探頭焦距(ju)、聲(sheng)透鏡曲率半徑(jing)、檢測偏心距(ju)，如(ru)圖(tu)4.7所示。其中偏心距(ju)χ為
如果超聲探頭晶片為圓盤狀，檢測(ce)頻(pin)率(lv)為5MHz,有效檢測(ce)直徑為Φ8mm,則水中縱波近場長度約為42.5mm,可(ke)以實現聚焦(jiao)。
三(san)、周(zhou)向缺險探(tan)傷超聲聚焦聲透鏡設計
小口(kou)徑薄壁(bi)不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向缺(que)陷(xian)探傷(shang)時，為(wei)增加有效檢測的聲(sheng)能，可同樣采用斜角法聚焦(jiao)方式檢測。
隨著現代(dai)工業生(sheng)產(chan)(chan)的(de)發展，產(chan)(chan)品競爭日益(yi)激(ji)烈，幾乎所有的(de)汽車(che)發動(dong)機生(sheng)產(chan)(chan)廠(chang)家都對發動(dong)機內應用的(de)小口徑薄壁不銹鋼管(guan)提出(chu)嚴苛的(de)質(zhi)量要(yao)求，不光對鋼管(guan)的(de)軸(zhou)向(xiang)最小檢出(chu)缺陷提出(chu)明確(que)要(yao)求，對周向(xiang)最小檢出(chu)缺陷也提
出了嚴苛的要求，很大(da)程(cheng)度上遠超目前的國家標準(zhun)甚(shen)至(zhi)軍隊標準(zhun)。譬(pi)如德國博世公(gong)司對小(xiao)口徑薄壁不銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管的軸向、周向最小(xiao)檢出缺陷都要求達(da)到人工(gong)缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖4.8所示(shi)。
小(xiao)口徑薄(bo)壁(bi)不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管(guan)周(zhou)向缺(que)陷(xian)檢測時所(suo)碰到的技術工藝問題(ti)與軸(zhou)向缺(que)陷(xian)檢測基本相同(tong)，但因(yin)鋼(gang)管(guan)中折射橫波(bo)的傳(chuan)播途徑不同(tong)，探頭聲透鏡的設計(ji)方法也(ye)就不一(yi)樣，以下具體分析。
聚焦探(tan)頭焦點或焦線位于鋼(gang)管垂直軸面上，如圖4.2所(suo)示(shi)。采用斜角(jiao)(jiao)法檢(jian)測時，為(wei)獲得折(zhe)射(she)橫波(bo)，根據式（4.1），必須滿足(zu)第(di)一(yi)臨界(jie)角(jiao)(jiao)條件，受不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管壁厚的(de)影(ying)響，在管壁較薄的(de)情況下，應適當增加聲束的(de)入射(she)角(jiao)(jiao)，避免探(tan)傷盲(mang)區的(de)影(ying)響，此外(wai)還可以通過提高檢(jian)測頻率(lv)，優化探(tan)頭設計(ji)等手段減小檢(jian)測盲(mang)區。
探頭焦(jiao)距(ju)的選(xuan)定，應以(yi)焦(jiao)點落在(zai)被(bei)檢鋼管(guan)內(nei)壁為(wei)佳。計算焦(jiao)距(ju)時，除考慮(lv)(lv)水層厚度對探傷(shang)信號的影(ying)響外，還應考慮(lv)(lv)折射(she)橫波(bo)在(zai)鋼管(guan)內(nei)傳播的等效水距(ju)離(li)。如圖4.9所示(shi)，聲束在(zai)水中傳播距(ju)離(li)為(wei)L*，折射(she)橫波(bo)在(zai)鋼管(guan)中的傳播距(ju)離(li)為(wei)L常(chang)，則等效水距(ju)離(li)為(wei)
探頭聲透(tou)鏡的曲率(lv)半徑(jing)設計按照(zhao)式8 即可。
