總體來(lai)講，不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管超聲波探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)技術較為成熟(shu)，常見的(de)探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)方法主要(yao)包括接觸式探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)、水(shui)浸(jin)式探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)。其中水(shui)浸(jin)式探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)容易實現自(zi)動化，檢測靈敏度及探(tan)(tan)(tan)傷(shang)(shang)效率(lv)均(jun)較高，因此，本書重(zhong)點討(tao)論水(shui)浸(jin)式超聲探(tan)(tan)(tan)傷(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不銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷(shang)主要(yao)采用橫波探傷(shang)和表面(mian)波探傷(shang)，其中橫波探傷(shang)可以檢(jian)測鋼管內(nei)外缺陷，而(er)表面(mian)波探傷(shang)主要(yao)用來檢(jian)測鋼管表面(mian)的缺陷。圖4.1為小(xiao)直徑薄壁(bi)不銹鋼無縫鋼管超聲探傷(shang)的基本(ben)形式。
圖(tu)4.1中所給出的(de)基本形式為斜角(jiao)法探(tan)(tan)(tan)傷，所檢(jian)(jian)測(ce)的(de)鋼管缺陷(xian)通常以(yi)軸向傷為主，以(yi)該(gai)方(fang)法為基礎，為提高檢(jian)(jian)測(ce)的(de)準確性，可(ke)采用(yong)多(duo)個(ge)探(tan)(tan)(tan)頭同(tong)時檢(jian)(jian)測(ce)。為實(shi)現(xian)鋼管內外壁的(de)軸向缺陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)，通常需要如圖(tu)4.2所示的(de)檢(jian)(jian)測(ce)方(fang)式，為實(shi)現(xian)檢(jian)(jian)測(ce)速度與檢(jian)(jian)測(ce)準確性的(de)提升，同(tong)樣可(ke)采用(yong)多(duo)個(ge)探(tan)(tan)(tan)頭同(tong)時檢(jian)(jian)測(ce)。
鑒于汽(qi)車發動(dong)機(ji)用不銹鋼(gang)(gang)無(wu)縫管的高(gao)要求，其選用的小口徑薄壁不鋼(gang)(gang)無(wu)縫鋼(gang)(gang)管的題聲(sheng)探傷(shang)宜(yi)采用聚然方式(shi)檢(jian)測，超聲(sheng)傳(chuan)播(bo)過程中，在聚焦狀烈下可(ke)以盡可(ke)能實現檢(jian)測聲(sheng)能的集中，提(ti)高(gao)檢(jian)測靈敏度。一般情(qing)況(kuang)下，為保證檢(jian)測速度，采用線聚焦檢(jian)測即可(ke)滿(man)足要求，當鋼(gang)(gang)管的檢(jian)測精度提(ti)出特別要求時，可(ke)采用點聚焦方式(shi)，此時檢(jian)測速度會有所(suo)降低(di)。
小口徑(jing)薄壁不銹鋼管(guan)探(tan)傷(shang)過程中，無論(lun)軸向缺(que)陷或(huo)者周向缺(que)陷的(de)檢測，在探(tan)傷(shang)儀器性能穩(wen)(wen)定的(de)前提下，影(ying)響探(tan)傷(shang)靈敏度的(de)因素主要包括四個方面：①. 超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭設(she)計(ji)與加工；②. 超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭偏心距選擇(ze)；③. 超(chao)聲(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)透(tou)鏡設(she)計(ji)；④. 檢測設(she)備(bei)的(de)穩(wen)(wen)定性。
上述影響因素中，超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭的(de)(de)設計與加工(gong)是一項專業性、技(ji)術性較強(qiang)的(de)(de)工(gong)作(zuo)，涉(she)及(ji)很多專業知識，本書中不做詳細討(tao)論，僅從滿足探(tan)傷工(gong)藝要求(qiu)的(de)(de)角度對超(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭的(de)(de)偏(pian)心距(ju)選擇及(ji)超(chao)聲(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)透鏡設計加以分析。
一、軸向缺陷檢(jian)測(ce)的超(chao)聲探頭(tou)偏心距選(xuan)擇
所謂超聲探頭偏心(xin)距是指(zhi)采(cai)用折射橫波探傷時，探頭聲束中心(xin)線與鋼管輸心(xin)線的平行距離(li)，用工加以表示。確定偏心(xin)距應滿足以下兩個條(tiao)件（如圖4.3所示）。
1. 鋼管橫波探傷條(tiao)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(que)陷檢測條件
二、軸向缺陷(xian)探傷超聲聚焦聲透鏡設計
超聲(sheng)探(tan)傷中(zhong)所應用的(de)(de)聲(sheng)透鏡材料通常為環氧樹脂膠(jiao)固化后形成，其聲(sheng)速約(yue)為2.65mm/μs.超聲(sheng)探(tan)頭聲(sheng)透鏡設(she)計(ji)過程中(zhong)，需要綜合考慮檢測時的(de)(de)水層距(ju)(ju)離以及聚焦(jiao)聲(sheng)透鏡的(de)(de)焦(jiao)距(ju)(ju)大小(xiao)，水層距(ju)(ju)離要求如圖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:
為兼顧鋼(gang)管內外壁缺陷，不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管斜角(jiao)法(fa)超聲探傷時，聚(ju)焦聲透鏡的焦點通常在鋼(gang)管水(shui)平軸(zhou)面(mian)(mian)上較為合適，接下來分(fen)析焦點位(wei)于(yu)鋼(gang)管水(shui)平軸(zhou)面(mian)(mian)上方、水(shui)平軸(zhou)面(mian)(mian)上、水(shui)平軸(zhou)面(mian)(mian)下方的具體區別，如圖4.5所(suo)示(shi)。
1. 焦點位于鋼(gang)管水平軸面
由(you)式（4.7)可(ke)以推出，當焦點恰好(hao)位(wei)于鋼(gang)管(guan)水平軸面(mian)上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表示左(zuo)(zuo)右(you)兩側(ce)聲束人(ren)射(she)角相等(deng)且小于中(zhong)間聲束入射(she)角，γ、n均與探頭半聚焦角0的大小有關(guan)。在該條件下，左(zuo)(zuo)右(you)兩側(ce)聲束人(ren)射(she)角對稱(cheng)分布，可(ke)兼顧鋼(gang)管(guan)內(nei)、外壁的缺(que)陷檢(jian)測(ce)，是探傷的理想狀態。
2. 焦點位于鋼管水平軸面以上
這三種(zhong)情況都出現(xian)折(zhe)射橫波(bo)快速向中(zhong)心集中(zhong)的現(xian)象，反射到(dao)外(wai)壁的檢(jian)測橫波(bo)面積較大，導致對(dui)鋼管(guan)外(wai)壁缺陷(xian)的檢(jian)測靈(ling)敏度降低(di)，通過適當調整探頭，可(ke)實現(xian)折(zhe)射橫波(bo)聚焦到(dao)鋼管(guan)內壁，由此提高(gao)內壁缺陷(xian)的檢(jian)測靈(ling)敏度。
3. 焦點位于鋼管(guan)水平軸面以下
這三種情(qing)況都出現左(zuo)側折射(she)橫(heng)波(bo)折射(she)角大，右側折射(she)橫(heng)波(bo)折射(she)角小，引起橫(heng)波(bo)在鋼(gang)管(guan)內焦距增加的現象，可以將管(guan)內折射(she)橫(heng)波(bo)聚焦到鋼(gang)管(guan)外壁(bi)。因此，在該條件下，通過適調整(zheng)探頭可提高鋼(gang)管(guan)外壁(bi)缺陷的檢測靈敏(min)度。
確定檢測(ce)時(shi)的(de)水層距(ju)(ju)離及焦距(ju)(ju)后，還必須分析超聲縱(zong)波在水中傳播(bo)時(shi)的(de)近場長度，超聲波無(wu)法在近場以外聚焦。
以圓形晶片為例，近場(chang)長度的計(ji)算公式為：
當(dang)所需的(de)(de)探(tan)頭(tou)(tou)透鏡焦距(ju)超出一定頻率(lv)下(xia)的(de)(de)超聲近場長度時(shi)，可通過改變(bian)探(tan)頭(tou)(tou)晶(jing)片(pian)的(de)(de)大(da)小或者改變(bian)探(tan)頭(tou)(tou)頻率(lv)滿足聚(ju)焦要求。
需(xu)要注意的是，探(tan)頭(tou)焦(jiao)距與透鏡(jing)晶片的曲(qu)率(lv)半徑并不是一回事(shi)，兩者(zhe)之間(jian)的關(guan)系(xi)如圖4.6所示(shi)，探(tan)頭(tou)焦(jiao)距與透鏡(jing)曲(qu)率(lv)半徑之間(jian)的關(guan)系(xi)可用下(xia)式表(biao)示(shi)：
以超(chao)聲傳播介質是水(shui)、透鏡(jing)材料是環氧(yang)樹脂為例，聲透鏡(jing)曲率半徑(jing)與(yu)探(tan)頭焦(jiao)距之間的關(guan)系為r≈0.45F。
以(yi) Φ 30×2mm不(bu)銹鋼無縫(feng)鋼管為(wei)例(li)，具體分析如何確定(ding)探頭焦距(ju)、聲透(tou)鏡(jing)曲率半徑、檢(jian)測偏(pian)心距(ju)，如圖(tu)4.7所(suo)示。其中偏(pian)心距(ju)χ為(wei)
如果超聲探頭(tou)晶(jing)片為圓(yuan)盤(pan)狀(zhuang)，檢測頻率為5MHz,有效檢測直徑為Φ8mm,則水中縱波近場長(chang)度約為42.5mm,可以實(shi)現(xian)聚(ju)焦(jiao)。
三、周向缺險探傷超(chao)聲聚焦聲透(tou)鏡設計(ji)
小口(kou)徑薄壁不銹鋼無(wu)縫鋼管周向缺陷探傷時，為增加有(you)效檢測的聲能，可同樣采用(yong)斜角法(fa)聚焦方式檢測。
隨著現代工(gong)業生產(chan)(chan)的(de)發(fa)展，產(chan)(chan)品競(jing)爭日益激烈，幾乎所有的(de)汽車(che)發(fa)動(dong)(dong)機生產(chan)(chan)廠家(jia)都對(dui)發(fa)動(dong)(dong)機內應(ying)用的(de)小口徑薄(bo)壁不銹鋼管(guan)提(ti)出(chu)嚴苛(ke)的(de)質量要(yao)求(qiu)，不光對(dui)鋼管(guan)的(de)軸(zhou)向最小檢(jian)出(chu)缺陷提(ti)出(chu)明(ming)確要(yao)求(qiu)，對(dui)周向最小檢(jian)出(chu)缺陷也提(ti)
出了(le)嚴苛的(de)要(yao)求，很(hen)大程度上遠超目(mu)前(qian)的(de)國(guo)家標(biao)準(zhun)甚至軍(jun)隊標(biao)準(zhun)。譬如(ru)德國(guo)博世公司對小(xiao)口(kou)徑薄壁不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管的(de)軸(zhou)向、周向最小(xiao)檢出缺陷都要(yao)求達到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬(kuan)×深），如(ru)圖4.8所示。
小(xiao)口(kou)徑薄壁不銹鋼無縫鋼管周(zhou)向(xiang)缺陷(xian)檢(jian)(jian)測時所碰(peng)到的(de)(de)技術工(gong)藝問題與軸向(xiang)缺陷(xian)檢(jian)(jian)測基本相同，但因鋼管中(zhong)折(zhe)射橫波的(de)(de)傳播途徑不同，探頭(tou)聲透(tou)鏡的(de)(de)設計方法(fa)也就不一(yi)樣，以下具體分析。
聚焦探頭焦點或(huo)焦線(xian)位于(yu)鋼(gang)管垂(chui)直軸面上，如圖4.2所示。采用斜(xie)角法檢(jian)測(ce)(ce)時(shi)，為獲得折射(she)橫波(bo)，根據式（4.1），必須滿足第一(yi)臨(lin)界角條件(jian)，受不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管壁(bi)厚(hou)的(de)影響，在(zai)管壁(bi)較薄的(de)情況下，應適(shi)當(dang)增加聲(sheng)束(shu)的(de)入射(she)角，避(bi)免探傷盲區的(de)影響，此(ci)外還(huan)可以通過提(ti)高檢(jian)測(ce)(ce)頻率，優化(hua)探頭設計等手段減小檢(jian)測(ce)(ce)盲區。
探頭焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)的(de)選(xuan)定，應(ying)以(yi)焦(jiao)點落在(zai)被檢鋼(gang)管內(nei)壁為佳。計算焦(jiao)距(ju)(ju)(ju)時，除考慮(lv)水層(ceng)厚(hou)度對探傷信號(hao)的(de)影響(xiang)外，還應(ying)考慮(lv)折(zhe)射橫波(bo)(bo)在(zai)鋼(gang)管內(nei)傳播的(de)等效水距(ju)(ju)(ju)離。如圖4.9所示，聲束在(zai)水中傳播距(ju)(ju)(ju)離為L*，折(zhe)射橫波(bo)(bo)在(zai)鋼(gang)管中的(de)傳播距(ju)(ju)(ju)離為L常，則等效水距(ju)(ju)(ju)離為
探頭(tou)聲透鏡(jing)的曲率半徑設計按照式(shi)8 即可。
