總體(ti)來講，不銹(xiu)鋼無(wu)縫鋼管超聲波(bo)探(tan)(tan)傷技術較為成(cheng)熟，常見的探(tan)(tan)傷方法(fa)主要包括接觸(chu)式探(tan)(tan)傷、水(shui)浸(jin)式探(tan)(tan)傷。其中水(shui)浸(jin)式探(tan)(tan)傷容易實現自動化，檢測靈敏度及探(tan)(tan)傷效率均(jun)較高，因此，本書重(zhong)點(dian)討論水(shui)浸(jin)式超聲探(tan)(tan)傷。
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(guan)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)銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角(jiao)法振傷(shang)主要(yao)采用橫波(bo)(bo)(bo)探傷(shang)和表(biao)(biao)面波(bo)(bo)(bo)探傷(shang)，其中橫波(bo)(bo)(bo)探傷(shang)可以檢測鋼管內外缺(que)陷，而表(biao)(biao)面波(bo)(bo)(bo)探傷(shang)主要(yao)用來檢測鋼管表(biao)(biao)面的缺(que)陷。圖(tu)4.1為小直徑薄壁不銹鋼無縫鋼管超(chao)聲探傷(shang)的基本形式。
圖4.1中(zhong)所給出的(de)(de)基本形式(shi)為(wei)(wei)斜角法探(tan)傷(shang)，所檢測(ce)(ce)的(de)(de)鋼管缺陷通(tong)常(chang)以(yi)軸(zhou)向(xiang)傷(shang)為(wei)(wei)主，以(yi)該方(fang)法為(wei)(wei)基礎，為(wei)(wei)提高檢測(ce)(ce)的(de)(de)準確性(xing)，可采用多(duo)個探(tan)頭同時(shi)檢測(ce)(ce)。為(wei)(wei)實現鋼管內外壁的(de)(de)軸(zhou)向(xiang)缺陷檢測(ce)(ce)，通(tong)常(chang)需(xu)要如圖4.2所示的(de)(de)檢測(ce)(ce)方(fang)式(shi)，為(wei)(wei)實現檢測(ce)(ce)速度與檢測(ce)(ce)準確性(xing)的(de)(de)提升，同樣(yang)可采用多(duo)個探(tan)頭同時(shi)檢測(ce)(ce)。
鑒于汽車(che)發動機用不銹(xiu)鋼(gang)無縫(feng)管(guan)(guan)的(de)(de)高要求(qiu)，其選(xuan)用的(de)(de)小(xiao)口(kou)徑薄壁不鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管(guan)(guan)的(de)(de)題(ti)聲探傷宜(yi)采用聚(ju)然方(fang)式(shi)檢(jian)(jian)測(ce)，超聲傳播過程中，在聚(ju)焦(jiao)狀(zhuang)烈下(xia)可以盡可能(neng)實(shi)現檢(jian)(jian)測(ce)聲能(neng)的(de)(de)集中，提高檢(jian)(jian)測(ce)靈敏度(du)(du)。一般情(qing)況下(xia)，為保證檢(jian)(jian)測(ce)速(su)度(du)(du)，采用線聚(ju)焦(jiao)檢(jian)(jian)測(ce)即可滿足要求(qiu)，當(dang)鋼(gang)管(guan)(guan)的(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)精度(du)(du)提出特別要求(qiu)時(shi)，可采用點聚(ju)焦(jiao)方(fang)式(shi)，此時(shi)檢(jian)(jian)測(ce)速(su)度(du)(du)會(hui)有所降低。
小口徑薄壁(bi)不銹鋼管(guan)探傷(shang)過程中(zhong)，無論軸向(xiang)缺陷或(huo)者周向(xiang)缺陷的(de)(de)檢測(ce)，在探傷(shang)儀器(qi)性(xing)能(neng)穩定的(de)(de)前(qian)提下，影(ying)響(xiang)探傷(shang)靈敏(min)度的(de)(de)因素主要包括四個方面：①. 超(chao)(chao)聲探頭(tou)設計(ji)與加工(gong)；②. 超(chao)(chao)聲探頭(tou)偏心距選擇；③. 超(chao)(chao)聲聚焦(jiao)聲透鏡設計(ji)；④. 檢測(ce)設備的(de)(de)穩定性(xing)。
上述影響因素中(zhong)(zhong)，超聲(sheng)(sheng)探頭的設(she)計與(yu)加工是(shi)一(yi)項專(zhuan)業性、技(ji)術(shu)性較強的工作，涉及(ji)(ji)很多專(zhuan)業知識(shi)，本書(shu)中(zhong)(zhong)不做詳細(xi)討論，僅從滿足探傷工藝要(yao)求的角度對超聲(sheng)(sheng)探頭的偏心距選擇及(ji)(ji)超聲(sheng)(sheng)聚(ju)焦聲(sheng)(sheng)透鏡設(she)計加以分析。
一、軸向缺陷檢測的超聲探頭偏心(xin)距選擇
所謂超聲(sheng)探頭偏心(xin)距是指采用折(zhe)射橫波探傷時，探頭聲(sheng)束中心(xin)線與鋼管輸心(xin)線的平行距離(li)，用工加以(yi)表(biao)示。確定偏心(xin)距應滿足以(yi)下兩個條件(jian)（如圖4.3所示）。
1. 鋼(gang)管橫波探傷條(tiao)件(jian)
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(bi)缺陷檢測(ce)條件
二、軸向缺陷探傷(shang)超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設計
超聲(sheng)(sheng)探(tan)傷中(zhong)所應用的聲(sheng)(sheng)透鏡材料(liao)通常為環(huan)氧樹脂膠固化后(hou)形成(cheng)，其聲(sheng)(sheng)速約為2.65mm/μs.超聲(sheng)(sheng)探(tan)頭聲(sheng)(sheng)透鏡設計(ji)過程中(zhong)，需要綜(zong)合考慮檢測(ce)時的水層距離(li)以(yi)及聚焦聲(sheng)(sheng)透鏡的焦距大小(xiao)，水層距離(li)要求(qiu)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:
為兼顧鋼(gang)管內外壁缺(que)陷，不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管斜角法超(chao)聲(sheng)探(tan)傷時，聚焦聲(sheng)透鏡的(de)焦點(dian)通常在鋼(gang)管水(shui)平(ping)軸(zhou)面上(shang)較(jiao)為合適(shi)，接(jie)下(xia)來分(fen)析焦點(dian)位于鋼(gang)管水(shui)平(ping)軸(zhou)面上(shang)方、水(shui)平(ping)軸(zhou)面上(shang)、水(shui)平(ping)軸(zhou)面下(xia)方的(de)具(ju)體區別，如圖4.5所(suo)示。
1. 焦點位于鋼管水平軸面
由式（4.7)可(ke)以推出(chu)，當焦點(dian)恰好位于鋼(gang)管水(shui)平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左右兩側聲束人射(she)角(jiao)相等且小(xiao)于中間聲束入(ru)射(she)角(jiao)，γ、n均與探(tan)頭半聚焦角(jiao)0的(de)(de)大小(xiao)有(you)關。在(zai)該條件下，左右兩側聲束人射(she)角(jiao)對稱分布，可(ke)兼顧鋼(gang)管內、外壁的(de)(de)缺陷檢測(ce)，是探(tan)傷(shang)的(de)(de)理想狀態。
2. 焦點位于鋼(gang)管水平軸面以上
這(zhe)三(san)種情況都出現(xian)折射橫波快(kuai)速向(xiang)中(zhong)心集中(zhong)的現(xian)象，反射到(dao)外壁的檢(jian)測橫波面(mian)積較大，導致對鋼(gang)管(guan)外壁缺陷的檢(jian)測靈(ling)敏度(du)降(jiang)低，通過適當調(diao)整探頭，可(ke)實現(xian)折射橫波聚焦到(dao)鋼(gang)管(guan)內(nei)壁，由此提(ti)高內(nei)壁缺陷的檢(jian)測靈(ling)敏度(du)。
3. 焦點(dian)位于鋼管水(shui)平軸(zhou)面以下
這(zhe)三種情況都(dou)出現(xian)左側(ce)折(zhe)射(she)橫(heng)(heng)(heng)波折(zhe)射(she)角(jiao)大，右側(ce)折(zhe)射(she)橫(heng)(heng)(heng)波折(zhe)射(she)角(jiao)小，引(yin)起橫(heng)(heng)(heng)波在(zai)鋼管內焦(jiao)距增加的(de)現(xian)象，可(ke)以將(jiang)管內折(zhe)射(she)橫(heng)(heng)(heng)波聚焦(jiao)到鋼管外(wai)壁。因此，在(zai)該條件下，通過適調整探頭可(ke)提高鋼管外(wai)壁缺(que)陷(xian)的(de)檢測(ce)靈敏度。
確定檢(jian)測時(shi)的(de)水層距離及焦距后，還必須分析超(chao)聲縱波(bo)在(zai)水中(zhong)傳播時(shi)的(de)近(jin)場(chang)長度，超(chao)聲波(bo)無(wu)法(fa)在(zai)近(jin)場(chang)以(yi)外聚焦。
以圓形晶片為例，近場長(chang)度的計算公式為：
當所(suo)需的(de)探頭(tou)透(tou)鏡(jing)焦距超(chao)出一定頻率下(xia)的(de)超(chao)聲近場長度時，可(ke)通(tong)過(guo)改變探頭(tou)晶片的(de)大小或者改變探頭(tou)頻率滿足聚焦要求。
需要注意(yi)的是(shi)(shi)，探頭(tou)焦距與(yu)(yu)透鏡晶片的曲率半徑(jing)并不是(shi)(shi)一回事，兩者之(zhi)間(jian)的關系如圖4.6所示，探頭(tou)焦距與(yu)(yu)透鏡曲率半徑(jing)之(zhi)間(jian)的關系可用(yong)下式表示：
以超聲傳播介質是(shi)水(shui)、透(tou)鏡材料是(shi)環氧(yang)樹脂為例，聲透(tou)鏡曲率(lv)半徑與探頭焦距之間的(de)關系(xi)為r≈0.45F。
以(yi) Φ 30×2mm不銹鋼無縫(feng)鋼管(guan)為例，具體分析如(ru)何確定探頭焦距、聲(sheng)透(tou)鏡曲率半徑、檢測偏(pian)心(xin)(xin)距，如(ru)圖4.7所(suo)示。其中(zhong)偏(pian)心(xin)(xin)距χ為
如果超聲探頭晶片(pian)為圓(yuan)盤狀(zhuang)，檢測頻(pin)率為5MHz,有效(xiao)檢測直徑為Φ8mm,則水中縱波近場長度約為42.5mm,可(ke)以(yi)實現(xian)聚焦。
三、周向缺險探(tan)傷超聲聚焦聲透鏡設計
小(xiao)口徑薄壁不銹鋼無(wu)縫鋼管周(zhou)向缺(que)陷探傷時，為(wei)增加(jia)有效(xiao)檢(jian)測的聲(sheng)能(neng)，可同樣采用斜(xie)角法聚焦(jiao)方式檢(jian)測。
隨著現(xian)代工業生產(chan)的(de)發展，產(chan)品(pin)競爭日益激烈，幾乎所(suo)有的(de)汽車發動(dong)機(ji)(ji)生產(chan)廠家都對發動(dong)機(ji)(ji)內應用(yong)的(de)小(xiao)口徑薄壁(bi)不(bu)銹鋼(gang)管(guan)提出嚴苛的(de)質(zhi)量要(yao)求(qiu)，不(bu)光對鋼(gang)管(guan)的(de)軸向最(zui)(zui)小(xiao)檢(jian)出缺(que)陷提出明確要(yao)求(qiu)，對周(zhou)向最(zui)(zui)小(xiao)檢(jian)出缺(que)陷也提
出了嚴苛的要(yao)求，很大程度上遠超目(mu)前的國家標準甚至軍隊(dui)標準。譬如德國博世公司對(dui)小口徑薄(bo)壁(bi)不(bu)銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)的軸向、周向最小檢出缺(que)陷都要(yao)求達(da)到人工缺(que)陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬(kuan)×深），如圖(tu)4.8所示。
小口徑薄壁不(bu)銹鋼無縫鋼管(guan)周向(xiang)缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)時所碰到的(de)技術工(gong)藝(yi)問題與軸向(xiang)缺(que)陷檢(jian)測(ce)(ce)基本相同，但(dan)因(yin)鋼管(guan)中(zhong)折射橫(heng)波的(de)傳播途徑不(bu)同，探頭(tou)聲透鏡的(de)設計方法也就不(bu)一樣，以下具體分析。
聚焦(jiao)探(tan)頭焦(jiao)點或(huo)焦(jiao)線(xian)位于鋼管垂直軸面上，如圖4.2所示。采用(yong)斜(xie)角法檢測時，為獲得折射橫波，根據式(shi)（4.1），必須(xu)滿(man)足第一臨界角條件(jian)，受不銹鋼無(wu)縫鋼管壁(bi)厚的影響，在管壁(bi)較薄的情況下，應適當增加(jia)聲束的入射角，避免探(tan)傷盲區(qu)的影響，此外還可以通過(guo)提高檢測頻率，優化探(tan)頭設計等手(shou)段(duan)減小檢測盲區(qu)。
探頭焦(jiao)(jiao)距(ju)的(de)選定，應(ying)以(yi)焦(jiao)(jiao)點落在(zai)被檢鋼管(guan)內(nei)壁為佳。計算焦(jiao)(jiao)距(ju)時，除(chu)考(kao)慮水層(ceng)厚(hou)度對(dui)探傷(shang)信號的(de)影(ying)響外，還應(ying)考(kao)慮折(zhe)(zhe)射橫(heng)波(bo)在(zai)鋼管(guan)內(nei)傳(chuan)播的(de)等(deng)(deng)效(xiao)水距(ju)離(li)。如圖4.9所示(shi)，聲束在(zai)水中傳(chuan)播距(ju)離(li)為L*，折(zhe)(zhe)射橫(heng)波(bo)在(zai)鋼管(guan)中的(de)傳(chuan)播距(ju)離(li)為L常，則等(deng)(deng)效(xiao)水距(ju)離(li)為
探頭聲透鏡的曲率半(ban)徑設計按照式8 即(ji)可(ke)。
