總體來講，不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)超(chao)聲波探(tan)(tan)傷技術(shu)較為成熟，常見的探(tan)(tan)傷方法主要包括接觸式探(tan)(tan)傷、水浸式探(tan)(tan)傷。其(qi)中水浸式探(tan)(tan)傷容易實(shi)現自動化，檢測靈敏度及探(tan)(tan)傷效率(lv)均較高，因此，本書重點討論水浸式超(chao)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(gang)管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷(shang)主要(yao)采(cai)用(yong)橫(heng)波(bo)探傷(shang)和表面(mian)(mian)波(bo)探傷(shang)，其中橫(heng)波(bo)探傷(shang)可以檢測鋼(gang)(gang)管內外缺(que)陷，而表面(mian)(mian)波(bo)探傷(shang)主要(yao)用(yong)來檢測鋼(gang)(gang)管表面(mian)(mian)的(de)缺(que)陷。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管超聲探傷(shang)的(de)基本形式。
圖(tu)4.1中所給出的(de)(de)基本形式為(wei)(wei)斜角法探傷(shang)，所檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)鋼管缺(que)陷(xian)通常(chang)以(yi)軸向傷(shang)為(wei)(wei)主(zhu)，以(yi)該(gai)方法為(wei)(wei)基礎，為(wei)(wei)提(ti)高檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)準(zhun)確性(xing)(xing)，可采用(yong)多個探頭同時(shi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。為(wei)(wei)實現鋼管內外壁的(de)(de)軸向缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，通常(chang)需要如圖(tu)4.2所示(shi)的(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)方式，為(wei)(wei)實現檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)速度(du)與檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)準(zhun)確性(xing)(xing)的(de)(de)提(ti)升，同樣可采用(yong)多個探頭同時(shi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。
鑒(jian)于汽車發(fa)動機用(yong)不銹鋼(gang)無(wu)縫管的(de)高要(yao)(yao)求，其選(xuan)用(yong)的(de)小口徑薄壁不鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管的(de)題聲探(tan)傷宜采用(yong)聚(ju)(ju)然(ran)方(fang)(fang)式(shi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，超聲傳播過程中，在聚(ju)(ju)焦(jiao)狀烈下可(ke)(ke)(ke)以盡可(ke)(ke)(ke)能實(shi)現檢(jian)(jian)(jian)測(ce)聲能的(de)集中，提高檢(jian)(jian)(jian)測(ce)靈(ling)敏度(du)(du)。一般(ban)情(qing)況下，為(wei)保證檢(jian)(jian)(jian)測(ce)速(su)度(du)(du)，采用(yong)線聚(ju)(ju)焦(jiao)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)即(ji)可(ke)(ke)(ke)滿足要(yao)(yao)求，當鋼(gang)管的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)精度(du)(du)提出特別要(yao)(yao)求時，可(ke)(ke)(ke)采用(yong)點聚(ju)(ju)焦(jiao)方(fang)(fang)式(shi)，此時檢(jian)(jian)(jian)測(ce)速(su)度(du)(du)會(hui)有所降(jiang)低。
小(xiao)口(kou)徑薄壁不銹鋼管探(tan)傷過程(cheng)中，無論(lun)軸(zhou)向缺陷或者周向缺陷的檢測，在探(tan)傷儀器性能穩(wen)定(ding)(ding)的前提下(xia)，影響探(tan)傷靈(ling)敏度(du)的因(yin)素主(zhu)要(yao)包括四個方面：①. 超(chao)(chao)聲(sheng)探(tan)頭(tou)設(she)計(ji)與加工；②. 超(chao)(chao)聲(sheng)探(tan)頭(tou)偏心距選(xuan)擇；③. 超(chao)(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計(ji)；④. 檢測設(she)備的穩(wen)定(ding)(ding)性。
上述(shu)影響因(yin)素(su)中，超聲(sheng)(sheng)探(tan)頭(tou)的設計與加(jia)工是一項專業性、技術性較強的工作(zuo)，涉及很多(duo)專業知(zhi)識，本(ben)書中不(bu)做詳(xiang)細討論，僅(jin)從滿足(zu)探(tan)傷工藝要求的角度對超聲(sheng)(sheng)探(tan)頭(tou)的偏心距選擇及超聲(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)透鏡設計加(jia)以分析。
一、軸(zhou)向(xiang)缺陷檢(jian)測的超聲探(tan)頭偏心距選擇
所謂超(chao)聲探(tan)頭(tou)(tou)偏心(xin)(xin)(xin)距是指(zhi)采用折射橫波(bo)探(tan)傷(shang)時，探(tan)頭(tou)(tou)聲束中心(xin)(xin)(xin)線與鋼管輸心(xin)(xin)(xin)線的平(ping)行距離(li)，用工(gong)加以表示。確定偏心(xin)(xin)(xin)距應滿(man)足以下(xia)兩個(ge)條件（如(ru)圖4.3所示）。
1. 鋼(gang)管(guan)橫波(bo)探傷條件(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. 管內壁缺(que)陷(xian)檢(jian)測條件
二、軸向缺陷(xian)探傷超聲(sheng)聚焦(jiao)聲(sheng)透鏡(jing)設計
超聲探(tan)傷中所應用的聲透(tou)鏡(jing)材(cai)料(liao)通常為(wei)環氧(yang)樹脂膠(jiao)固(gu)化后(hou)形成，其聲速(su)約為(wei)2.65mm/μs.超聲探(tan)頭聲透(tou)鏡(jing)設計(ji)過程中，需要綜合考慮檢測(ce)時的水層距(ju)離(li)以及(ji)聚焦(jiao)聲透(tou)鏡(jing)的焦(jiao)距(ju)大小(xiao)，水層距(ju)離(li)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(wei)兼顧鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)內外壁缺(que)陷，不銹鋼(gang)(gang)(gang)無縫(feng)鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)斜(xie)角(jiao)法(fa)超(chao)聲探傷時(shi)，聚焦聲透鏡(jing)的(de)(de)焦點(dian)通(tong)常在(zai)鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)水(shui)(shui)平(ping)軸面上較為(wei)合適，接下來分析焦點(dian)位于(yu)鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)水(shui)(shui)平(ping)軸面上方(fang)、水(shui)(shui)平(ping)軸面上、水(shui)(shui)平(ping)軸面下方(fang)的(de)(de)具體區(qu)別，如圖4.5所(suo)示。
1. 焦點位于鋼管水平軸面
由(you)式（4.7)可以推出(chu)，當焦點(dian)恰好位于鋼管水平軸面(mian)上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左右兩(liang)側聲束(shu)人射角(jiao)相等且小于中間聲束(shu)入射角(jiao)，γ、n均與探頭半(ban)聚焦角(jiao)0的(de)(de)大小有關(guan)。在該條件(jian)下(xia)，左右兩(liang)側聲束(shu)人射角(jiao)對(dui)稱(cheng)分布，可兼顧鋼管內、外壁的(de)(de)缺陷檢測，是探傷的(de)(de)理想狀態。
2. 焦點位于鋼管水平軸面以上
這三種情況(kuang)都(dou)出(chu)現折射橫(heng)波(bo)快速向中心集中的(de)現象，反射到(dao)外壁(bi)的(de)檢測(ce)橫(heng)波(bo)面積較大，導致對鋼管(guan)外壁(bi)缺陷(xian)的(de)檢測(ce)靈敏度降低，通過適(shi)當調整探(tan)頭，可實現折射橫(heng)波(bo)聚焦(jiao)到(dao)鋼管(guan)內(nei)(nei)壁(bi)，由此提(ti)高內(nei)(nei)壁(bi)缺陷(xian)的(de)檢測(ce)靈敏度。
3. 焦點(dian)位于(yu)鋼管水平軸(zhou)面以下
這(zhe)三種情況都出現左側(ce)折射(she)橫(heng)波(bo)折射(she)角大，右(you)側(ce)折射(she)橫(heng)波(bo)折射(she)角小，引起橫(heng)波(bo)在鋼管內(nei)焦距增(zeng)加(jia)的現象，可以將管內(nei)折射(she)橫(heng)波(bo)聚焦到鋼管外壁(bi)。因(yin)此，在該條件下，通過適(shi)調整探(tan)頭可提(ti)高(gao)鋼管外壁(bi)缺陷(xian)的檢測靈敏度(du)。
確定檢測(ce)時(shi)的水(shui)層距離(li)及焦(jiao)距后，還必須分析超(chao)聲縱波在水(shui)中傳播(bo)時(shi)的近場(chang)長度，超(chao)聲波無法在近場(chang)以外聚焦(jiao)。
以圓形(xing)晶片(pian)為(wei)例，近(jin)場長(chang)度的計算公式為(wei)：
當(dang)所需的(de)探頭(tou)透鏡焦距超(chao)出一定頻(pin)率下的(de)超(chao)聲近場長度時，可通(tong)過改(gai)變探頭(tou)晶(jing)片的(de)大小或者改(gai)變探頭(tou)頻(pin)率滿足聚焦要(yao)求(qiu)。
需(xu)要注意的是(shi)，探(tan)頭(tou)焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡晶片的曲(qu)率半(ban)徑并不是(shi)一回事，兩者之間的關(guan)系(xi)(xi)如圖4.6所示(shi)，探(tan)頭(tou)焦距(ju)與(yu)透(tou)鏡曲(qu)率半(ban)徑之間的關(guan)系(xi)(xi)可用下式表示(shi)：
以超聲(sheng)傳播介質是(shi)水(shui)、透鏡(jing)材料(liao)是(shi)環氧樹脂(zhi)為例，聲(sheng)透鏡(jing)曲率半徑與探頭(tou)焦(jiao)距(ju)之間(jian)的關系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼(gang)無(wu)縫(feng)鋼(gang)管為(wei)例，具體分析如何確定探頭(tou)焦(jiao)距、聲(sheng)透鏡曲率半徑、檢測(ce)偏心距，如圖4.7所(suo)示。其中偏心距χ為(wei)
如果超聲探頭晶(jing)片為(wei)(wei)圓(yuan)盤狀，檢測頻率(lv)為(wei)(wei)5MHz,有效(xiao)檢測直(zhi)徑(jing)為(wei)(wei)Φ8mm,則水中縱(zong)波近場長度約為(wei)(wei)42.5mm,可以實現聚焦。
三、周(zhou)向缺險探傷超聲(sheng)聚(ju)焦(jiao)聲(sheng)透鏡設計
小(xiao)口(kou)徑薄壁(bi)不銹(xiu)鋼無(wu)縫鋼管周向缺陷探(tan)傷時(shi)，為(wei)增加有效檢(jian)(jian)測的聲(sheng)能，可同樣采用斜角法聚焦方式檢(jian)(jian)測。
隨著現代工業生產(chan)(chan)的發(fa)展，產(chan)(chan)品競爭(zheng)日(ri)益激烈，幾乎所(suo)有的汽車發(fa)動(dong)機生產(chan)(chan)廠(chang)家都對(dui)發(fa)動(dong)機內應用的小口徑薄壁不(bu)銹鋼(gang)管(guan)提(ti)(ti)出嚴苛的質(zhi)量要求(qiu)，不(bu)光(guang)對(dui)鋼(gang)管(guan)的軸向最小檢出缺(que)(que)陷(xian)提(ti)(ti)出明(ming)確要求(qiu)，對(dui)周向最小檢出缺(que)(que)陷(xian)也提(ti)(ti)
出了嚴苛的(de)要求(qiu)，很大程度上遠超(chao)目(mu)前的(de)國家標準(zhun)甚至軍隊(dui)標準(zhun)。譬如德國博世公司對小口徑薄(bo)壁不銹鋼無縫鋼管的(de)軸向、周向最小檢出缺陷都要求(qiu)達(da)到人(ren)工(gong)缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖4.8所示。
小口徑(jing)薄(bo)壁不銹鋼(gang)(gang)無(wu)縫鋼(gang)(gang)管周向(xiang)缺(que)陷檢測時(shi)所碰到的(de)(de)技術工藝(yi)問題(ti)與軸向(xiang)缺(que)陷檢測基(ji)本相同，但(dan)因鋼(gang)(gang)管中折射橫(heng)波的(de)(de)傳播途徑(jing)不同，探頭聲透鏡的(de)(de)設(she)計方法也就(jiu)不一樣(yang)，以下具體分析。
聚焦探(tan)頭焦點或(huo)焦線位(wei)于鋼(gang)管垂直軸(zhou)面上，如圖4.2所示。采用斜角(jiao)法檢(jian)測(ce)時，為獲得(de)折射橫波，根據式（4.1），必須滿足第一(yi)臨界角(jiao)條件(jian)，受(shou)不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管壁(bi)厚的(de)影(ying)(ying)響，在管壁(bi)較薄的(de)情況(kuang)下，應適(shi)當(dang)增加聲束的(de)入射角(jiao)，避免(mian)探(tan)傷盲區的(de)影(ying)(ying)響，此外還可以通過提(ti)高(gao)檢(jian)測(ce)頻(pin)率(lv)，優化探(tan)頭設計等手段減小檢(jian)測(ce)盲區。
探頭焦(jiao)距(ju)(ju)的選定，應以焦(jiao)點落在(zai)被檢鋼(gang)管(guan)內壁為(wei)佳(jia)。計(ji)算焦(jiao)距(ju)(ju)時，除考(kao)慮水(shui)層厚度(du)對探傷信號的影響外(wai)，還(huan)應考(kao)慮折(zhe)射橫波在(zai)鋼(gang)管(guan)內傳(chuan)播(bo)的等效水(shui)距(ju)(ju)離(li)。如圖4.9所(suo)示(shi)，聲束在(zai)水(shui)中傳(chuan)播(bo)距(ju)(ju)離(li)為(wei)L*，折(zhe)射橫波在(zai)鋼(gang)管(guan)中的傳(chuan)播(bo)距(ju)(ju)離(li)為(wei)L常，則等效水(shui)距(ju)(ju)離(li)為(wei)
探頭聲(sheng)透(tou)鏡的曲(qu)率半徑設計按照式(shi)8 即可。
