總體來講(jiang)，不銹鋼無縫(feng)鋼管超聲(sheng)波探傷(shang)技術較為成熟，常見的探傷(shang)方法主要包(bao)括接觸式(shi)(shi)探傷(shang)、水浸式(shi)(shi)探傷(shang)。其中水浸式(shi)(shi)探傷(shang)容易實現自動化，檢測靈敏度及探傷(shang)效率均較高(gao)，因此，本書重點討論水浸式(shi)(shi)超聲(sheng)探傷(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(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(gang)管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷主(zhu)要采用橫波探(tan)(tan)傷和表(biao)面波探(tan)(tan)傷，其中橫波探(tan)(tan)傷可以檢(jian)測鋼(gang)管(guan)內外缺陷，而表(biao)面波探(tan)(tan)傷主(zhu)要用來(lai)檢(jian)測鋼(gang)管(guan)表(biao)面的(de)(de)缺陷。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)傷的(de)(de)基本(ben)形式。
圖(tu)4.1中所(suo)給出的(de)基本形式(shi)(shi)為(wei)(wei)斜(xie)角(jiao)法探(tan)傷(shang)，所(suo)檢(jian)(jian)測(ce)的(de)鋼管缺(que)(que)陷通(tong)常以軸向(xiang)傷(shang)為(wei)(wei)主，以該方法為(wei)(wei)基礎，為(wei)(wei)提高檢(jian)(jian)測(ce)的(de)準確(que)性(xing)，可采(cai)用(yong)多個探(tan)頭(tou)同(tong)時檢(jian)(jian)測(ce)。為(wei)(wei)實現鋼管內外(wai)壁(bi)的(de)軸向(xiang)缺(que)(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)，通(tong)常需(xu)要如圖(tu)4.2所(suo)示的(de)檢(jian)(jian)測(ce)方式(shi)(shi)，為(wei)(wei)實現檢(jian)(jian)測(ce)速度與(yu)檢(jian)(jian)測(ce)準確(que)性(xing)的(de)提升，同(tong)樣可采(cai)用(yong)多個探(tan)頭(tou)同(tong)時檢(jian)(jian)測(ce)。
鑒(jian)于汽車(che)發(fa)動(dong)機用不(bu)(bu)銹鋼無(wu)(wu)縫管(guan)的(de)(de)(de)高要(yao)求(qiu)，其選用的(de)(de)(de)小口徑薄壁(bi)不(bu)(bu)鋼無(wu)(wu)縫鋼管(guan)的(de)(de)(de)題(ti)聲探傷宜采用聚(ju)然方式檢(jian)測，超聲傳播(bo)過程中，在聚(ju)焦狀烈下可(ke)(ke)以盡可(ke)(ke)能(neng)實現檢(jian)測聲能(neng)的(de)(de)(de)集中，提高檢(jian)測靈敏度。一般(ban)情況下，為(wei)保證檢(jian)測速度，采用線聚(ju)焦檢(jian)測即(ji)可(ke)(ke)滿足要(yao)求(qiu)，當(dang)鋼管(guan)的(de)(de)(de)檢(jian)測精度提出特(te)別要(yao)求(qiu)時(shi)，可(ke)(ke)采用點(dian)聚(ju)焦方式，此時(shi)檢(jian)測速度會有所降低。
小口徑薄壁(bi)不銹鋼管探(tan)(tan)傷過程中，無論軸向缺陷(xian)或者周向缺陷(xian)的(de)檢(jian)(jian)測(ce)，在探(tan)(tan)傷儀器性能穩定的(de)前提下，影(ying)響探(tan)(tan)傷靈敏度的(de)因素主(zhu)要包括(kuo)四個方面：①. 超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)頭(tou)設計(ji)與加(jia)工；②. 超(chao)聲(sheng)探(tan)(tan)頭(tou)偏心距選擇(ze)；③. 超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡(jing)設計(ji)；④. 檢(jian)(jian)測(ce)設備的(de)穩定性。
上述影響因素中，超(chao)聲(sheng)探(tan)頭(tou)的(de)設計與加工是(shi)一項專業性、技(ji)術性較強(qiang)的(de)工作，涉及很多專業知識，本書中不做(zuo)詳(xiang)細討論，僅(jin)從滿足探(tan)傷工藝要求的(de)角度對超(chao)聲(sheng)探(tan)頭(tou)的(de)偏心距(ju)選擇及超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設計加以分析(xi)。
一、軸向缺陷檢測的(de)超聲探頭偏心距選(xuan)擇
所(suo)謂超(chao)聲(sheng)(sheng)探頭偏心(xin)(xin)距(ju)是指采用折射(she)橫(heng)波(bo)探傷時(shi)，探頭聲(sheng)(sheng)束中心(xin)(xin)線與鋼管輸心(xin)(xin)線的平行距(ju)離，用工加以表(biao)示。確定偏心(xin)(xin)距(ju)應滿足(zu)以下(xia)兩個條件（如圖(tu)4.3所(suo)示）。
1. 鋼管橫(heng)波探傷(shang)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(nei)壁缺陷檢測條件
二(er)、軸(zhou)向(xiang)缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡(jing)設計
超聲(sheng)探傷中所應用的(de)聲(sheng)透鏡(jing)材料通常為環(huan)氧樹脂膠固化(hua)后形成(cheng)，其聲(sheng)速約為2.65mm/μs.超聲(sheng)探頭聲(sheng)透鏡(jing)設計過程中，需要(yao)綜合考慮(lv)檢測時的(de)水層距(ju)離(li)以及(ji)聚焦聲(sheng)透鏡(jing)的(de)焦距(ju)大小(xiao)，水層距(ju)離(li)要(yao)求如圖(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(gu)鋼(gang)(gang)管(guan)內外壁(bi)缺陷，不銹(xiu)鋼(gang)(gang)無縫(feng)鋼(gang)(gang)管(guan)斜(xie)角法(fa)超聲探傷(shang)時，聚焦聲透鏡(jing)的焦點通(tong)常在鋼(gang)(gang)管(guan)水平(ping)(ping)(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)面上(shang)較(jiao)為合(he)適(shi)，接下來分析焦點位于鋼(gang)(gang)管(guan)水平(ping)(ping)(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)面上(shang)方、水平(ping)(ping)(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)面上(shang)、水平(ping)(ping)(ping)(ping)軸(zhou)(zhou)面下方的具體區別，如圖(tu)4.5所示。
1. 焦點位(wei)于鋼管水平(ping)軸面
由式（4.7)可(ke)以推出，當(dang)焦點恰好(hao)位于(yu)鋼(gang)管(guan)水(shui)平軸面(mian)上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表示左右(you)兩側(ce)聲(sheng)束人(ren)射(she)角相等(deng)且小于(yu)中間聲(sheng)束入射(she)角，γ、n均與探頭半聚焦角0的(de)大(da)小有關(guan)。在該條件下，左右(you)兩側(ce)聲(sheng)束人(ren)射(she)角對稱(cheng)分布，可(ke)兼顧鋼(gang)管(guan)內、外壁的(de)缺(que)陷檢測，是探傷的(de)理(li)想(xiang)狀態。
2. 焦點位于鋼管(guan)水平軸面以上
這三種情況都出現折射橫(heng)波(bo)快速向中(zhong)心集中(zhong)的(de)(de)現象，反射到(dao)(dao)外(wai)(wai)壁的(de)(de)檢測橫(heng)波(bo)面積較大，導致對鋼管外(wai)(wai)壁缺陷(xian)的(de)(de)檢測靈(ling)(ling)敏度降低，通(tong)過適當調整探頭，可(ke)實(shi)現折射橫(heng)波(bo)聚焦到(dao)(dao)鋼管內壁，由此(ci)提高內壁缺陷(xian)的(de)(de)檢測靈(ling)(ling)敏度。
3. 焦點位于鋼管水平(ping)軸面以(yi)下
這三種情況都出現左(zuo)側(ce)折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)折(zhe)射(she)角(jiao)大，右(you)側(ce)折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)折(zhe)射(she)角(jiao)小，引起橫(heng)波(bo)(bo)在鋼管(guan)內(nei)焦距增加的(de)(de)現象，可(ke)以將(jiang)管(guan)內(nei)折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)聚焦到鋼管(guan)外壁(bi)。因此，在該條件下，通過適調整探頭可(ke)提(ti)高鋼管(guan)外壁(bi)缺陷的(de)(de)檢測靈(ling)敏度。
確定檢測時(shi)的水層距離(li)及焦(jiao)(jiao)距后，還必須分(fen)析超聲縱波在(zai)水中傳播時(shi)的近場(chang)長(chang)度(du)，超聲波無法在(zai)近場(chang)以外聚焦(jiao)(jiao)。
以圓(yuan)形晶(jing)片(pian)為例，近場長度的計算公式為：
當所需的探(tan)(tan)頭(tou)透鏡焦(jiao)距超出一定頻率下的超聲近(jin)場長(chang)度時，可(ke)通過改變探(tan)(tan)頭(tou)晶(jing)片的大小(xiao)或(huo)者(zhe)改變探(tan)(tan)頭(tou)頻率滿足聚(ju)焦(jiao)要求。
需要(yao)注意的(de)是，探頭焦距(ju)與(yu)透鏡晶片的(de)曲(qu)率半徑并(bing)不(bu)是一回事，兩(liang)者之間的(de)關(guan)系(xi)如(ru)圖4.6所示(shi)，探頭焦距(ju)與(yu)透鏡曲(qu)率半徑之間的(de)關(guan)系(xi)可用下式表示(shi)：
以超聲傳播介質是水、透(tou)鏡材料(liao)是環氧樹(shu)脂為例，聲透(tou)鏡曲率半徑與探頭焦距之間的(de)關系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼無縫(feng)鋼管為(wei)例(li)，具體分(fen)析如何確定探頭(tou)焦距、聲透(tou)鏡曲率半(ban)徑、檢測偏(pian)心(xin)距，如圖4.7所示(shi)。其中偏(pian)心(xin)距χ為(wei)
如(ru)果超聲(sheng)探頭晶(jing)片為(wei)圓盤狀(zhuang)，檢測頻率為(wei)5MHz,有效檢測直徑(jing)為(wei)Φ8mm,則水(shui)中縱波(bo)近場長度約為(wei)42.5mm,可(ke)以實現聚(ju)焦。
三、周向缺險探傷超聲(sheng)聚(ju)焦聲(sheng)透鏡(jing)設計
小口徑(jing)薄(bo)壁不銹鋼無縫鋼管周向缺陷探傷時，為增加有效(xiao)檢測的(de)聲能，可同樣采用斜角法聚(ju)焦方式(shi)檢測。
隨(sui)著現(xian)代工業生產(chan)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)，產(chan)品競爭(zheng)日益激烈，幾(ji)乎所有的(de)(de)(de)汽(qi)車(che)發(fa)動機生產(chan)廠家都對(dui)發(fa)動機內應(ying)用的(de)(de)(de)小口徑薄壁不銹鋼管(guan)提(ti)出嚴苛的(de)(de)(de)質量(liang)要求，不光對(dui)鋼管(guan)的(de)(de)(de)軸向(xiang)最小檢出缺陷提(ti)出明確要求，對(dui)周向(xiang)最小檢出缺陷也(ye)提(ti)
出了嚴苛的(de)要求，很大程度上遠超目前的(de)國(guo)(guo)家標準(zhun)甚至軍隊標準(zhun)。譬如德國(guo)(guo)博(bo)世公(gong)司對小口(kou)徑(jing)薄壁(bi)不銹鋼無縫鋼管的(de)軸(zhou)向(xiang)、周向(xiang)最小檢(jian)出缺(que)陷都(dou)要求達到人工缺(que)陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖(tu)4.8所示。
小口(kou)徑薄壁不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管周(zhou)向(xiang)缺(que)陷(xian)檢測時所(suo)碰到的技術(shu)工藝問題與軸(zhou)向(xiang)缺(que)陷(xian)檢測基本(ben)相同，但因(yin)鋼(gang)管中折射(she)橫(heng)波的傳(chuan)播途(tu)徑不同，探頭(tou)聲透鏡(jing)的設計方法也就(jiu)不一(yi)樣，以(yi)下(xia)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所示。采用斜(xie)角法檢測(ce)(ce)(ce)時，為獲(huo)得折射(she)橫(heng)波，根據式（4.1），必(bi)須(xu)滿足第一臨界角條件，受不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管壁(bi)(bi)厚(hou)的(de)影響，在(zai)管壁(bi)(bi)較薄(bo)的(de)情況下，應(ying)適當增加聲束的(de)入(ru)射(she)角，避免(mian)探(tan)傷盲(mang)區(qu)的(de)影響，此外還可以通過提高檢測(ce)(ce)(ce)頻率，優化探(tan)頭設(she)計等(deng)手(shou)段減小(xiao)檢測(ce)(ce)(ce)盲(mang)區(qu)。
探(tan)頭(tou)焦(jiao)距的選定(ding)，應以焦(jiao)點落(luo)在(zai)(zai)(zai)被檢(jian)鋼(gang)管(guan)(guan)內壁為佳。計算焦(jiao)距時，除考(kao)慮水層厚度對探(tan)傷信號的影(ying)響外，還應考(kao)慮折(zhe)射(she)橫波(bo)在(zai)(zai)(zai)鋼(gang)管(guan)(guan)內傳播的等(deng)效水距離。如圖(tu)4.9所示，聲束在(zai)(zai)(zai)水中傳播距離為L*，折(zhe)射(she)橫波(bo)在(zai)(zai)(zai)鋼(gang)管(guan)(guan)中的傳播距離為L常，則(ze)等(deng)效水距離為
探(tan)頭聲(sheng)透鏡(jing)的曲率半徑設計(ji)按照式8 即可。
