總體來講，不(bu)銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管超聲波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)技(ji)術較為成熟，常見的探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)方(fang)法主要包括接觸式(shi)(shi)(shi)探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)、水浸式(shi)(shi)(shi)探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)。其(qi)中水浸式(shi)(shi)(shi)探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)容(rong)易實現自動化，檢測靈(ling)敏度及探(tan)(tan)傷(shang)(shang)(shang)效(xiao)率均(jun)較高，因此，本書重點討(tao)論水浸式(shi)(shi)(shi)超聲探(tan)(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鋼(gang)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(bo)壁不銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角(jiao)法(fa)振傷(shang)(shang)主(zhu)要采用橫(heng)波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷(shang)(shang)和表(biao)面(mian)(mian)波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷(shang)(shang)，其中橫(heng)波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷(shang)(shang)可(ke)以檢(jian)測鋼(gang)管(guan)(guan)內外缺陷，而(er)表(biao)面(mian)(mian)波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷(shang)(shang)主(zhu)要用來(lai)檢(jian)測鋼(gang)管(guan)(guan)表(biao)面(mian)(mian)的缺陷。圖(tu)4.1為小(xiao)直徑薄壁(bi)不銹(xiu)鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管(guan)(guan)超聲(sheng)探(tan)傷(shang)(shang)的基本形式。
圖4.1中(zhong)所(suo)給出(chu)的(de)基(ji)本形式(shi)(shi)為(wei)斜角法(fa)探(tan)(tan)傷，所(suo)檢(jian)測(ce)的(de)鋼管(guan)缺陷通常(chang)以軸向(xiang)傷為(wei)主(zhu)，以該(gai)方法(fa)為(wei)基(ji)礎(chu)，為(wei)提(ti)高檢(jian)測(ce)的(de)準確性(xing)(xing)，可采用多個(ge)探(tan)(tan)頭(tou)同時(shi)檢(jian)測(ce)。為(wei)實現鋼管(guan)內(nei)外壁的(de)軸向(xiang)缺陷檢(jian)測(ce)，通常(chang)需要如圖4.2所(suo)示的(de)檢(jian)測(ce)方式(shi)(shi)，為(wei)實現檢(jian)測(ce)速度與檢(jian)測(ce)準確性(xing)(xing)的(de)提(ti)升，同樣(yang)可采用多個(ge)探(tan)(tan)頭(tou)同時(shi)檢(jian)測(ce)。
鑒于汽車發動機(ji)用不銹鋼無縫管的高要(yao)求(qiu)，其選用的小(xiao)口徑薄壁(bi)不鋼無縫鋼管的題聲(sheng)探(tan)傷宜采(cai)用聚(ju)(ju)然方(fang)式檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)，超聲(sheng)傳播過程中，在聚(ju)(ju)焦(jiao)狀烈(lie)下可(ke)以盡(jin)可(ke)能實(shi)現(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)聲(sheng)能的集中，提(ti)高檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)靈敏度(du)。一般情(qing)況下，為保(bao)證檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)速度(du)，采(cai)用線(xian)聚(ju)(ju)焦(jiao)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)即(ji)可(ke)滿足要(yao)求(qiu)，當鋼管的檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)精度(du)提(ti)出特別(bie)要(yao)求(qiu)時，可(ke)采(cai)用點聚(ju)(ju)焦(jiao)方(fang)式，此時檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)速度(du)會(hui)有(you)所(suo)降(jiang)低(di)。
小(xiao)口徑薄壁(bi)不(bu)銹鋼(gang)管(guan)探傷過程中，無論(lun)軸向(xiang)缺(que)陷或者周(zhou)向(xiang)缺(que)陷的檢測(ce)，在(zai)探傷儀(yi)器性(xing)能(neng)穩定(ding)的前提下，影(ying)響探傷靈敏度的因素主要(yao)包(bao)括四個方面：①. 超聲(sheng)探頭設計與加工；②. 超聲(sheng)探頭偏心(xin)距選擇；③. 超聲(sheng)聚焦(jiao)聲(sheng)透鏡設計；④. 檢測(ce)設備的穩定(ding)性(xing)。
上述影(ying)響因素(su)中，超聲(sheng)探頭的(de)設(she)計(ji)與加(jia)工(gong)是一項專業(ye)性(xing)(xing)、技術性(xing)(xing)較強(qiang)的(de)工(gong)作(zuo)，涉及很多專業(ye)知(zhi)識，本(ben)書中不做(zuo)詳細討論，僅從滿足探傷工(gong)藝要求的(de)角度(du)對超聲(sheng)探頭的(de)偏心距(ju)選擇及超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計(ji)加(jia)以(yi)分析。
一(yi)、軸向(xiang)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)的超(chao)聲探(tan)頭偏心(xin)距選擇(ze)
所謂超聲探(tan)頭(tou)偏(pian)心(xin)距(ju)是指采(cai)用(yong)折射橫波探(tan)傷(shang)時，探(tan)頭(tou)聲束中心(xin)線(xian)與鋼管輸心(xin)線(xian)的(de)平行距(ju)離，用(yong)工加以表示。確定偏(pian)心(xin)距(ju)應滿足以下兩個條件（如圖4.3所示）。
1. 鋼(gang)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(que)陷檢(jian)測條件(jian)
二、軸向缺陷(xian)探傷(shang)超(chao)聲聚焦聲透鏡(jing)設計(ji)
超(chao)聲(sheng)(sheng)探傷(shang)中所應用(yong)的聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)材料通常(chang)為環氧樹(shu)脂(zhi)膠固化后形成，其聲(sheng)(sheng)速約(yue)為2.65mm/μs.超(chao)聲(sheng)(sheng)探頭聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)設計過程(cheng)中，需要綜合考慮檢測時的水層距離以及聚焦(jiao)(jiao)聲(sheng)(sheng)透鏡(jing)的焦(jiao)(jiao)距大(da)小，水層距離要求如圖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(wei)(wei)兼(jian)顧鋼(gang)管(guan)內外壁缺(que)陷，不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管(guan)斜角法超聲(sheng)探傷時，聚焦(jiao)(jiao)聲(sheng)透(tou)鏡的焦(jiao)(jiao)點通(tong)常在鋼(gang)管(guan)水平(ping)(ping)軸面上較(jiao)為(wei)(wei)合(he)適，接下來分析(xi)焦(jiao)(jiao)點位于鋼(gang)管(guan)水平(ping)(ping)軸面上方、水平(ping)(ping)軸面上、水平(ping)(ping)軸面下方的具體區別，如圖4.5所示。
1. 焦(jiao)點位于鋼管(guan)水平軸(zhou)面
由式（4.7)可以推出，當焦(jiao)點恰好位于鋼管(guan)水平軸面(mian)上時，φ=0,此時γ＝η<a,表(biao)示左右兩(liang)側(ce)聲束(shu)人射角相等且小于中間聲束(shu)入(ru)射角，γ、n均與探(tan)頭(tou)半聚焦(jiao)角0的(de)大小有關。在該條件下，左右兩(liang)側(ce)聲束(shu)人射角對稱分布(bu)，可兼顧鋼管(guan)內(nei)、外壁(bi)的(de)缺(que)陷檢測，是探(tan)傷的(de)理想狀態。
2. 焦(jiao)點位于鋼管水平軸面以上
這三種情況都(dou)出現(xian)折(zhe)射橫波(bo)(bo)(bo)快速向中心(xin)集中的(de)(de)現(xian)象，反射到外壁(bi)的(de)(de)檢(jian)測橫波(bo)(bo)(bo)面積較(jiao)大，導致對鋼管(guan)外壁(bi)缺陷(xian)的(de)(de)檢(jian)測靈(ling)敏度降低(di)，通過適(shi)當調整探(tan)頭，可(ke)實(shi)現(xian)折(zhe)射橫波(bo)(bo)(bo)聚焦(jiao)到鋼管(guan)內壁(bi)，由此提高(gao)內壁(bi)缺陷(xian)的(de)(de)檢(jian)測靈(ling)敏度。
3. 焦點位于鋼管水平軸(zhou)面以下
這三種情況都(dou)出現左(zuo)側折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)折(zhe)射(she)角大(da)，右側折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)折(zhe)射(she)角小，引(yin)起橫(heng)波(bo)(bo)在鋼管(guan)內焦距增加的(de)現象，可(ke)以將管(guan)內折(zhe)射(she)橫(heng)波(bo)(bo)聚(ju)焦到鋼管(guan)外壁。因此，在該條件下，通過適調整探頭可(ke)提高(gao)鋼管(guan)外壁缺陷(xian)的(de)檢測靈敏度。
確定檢測(ce)時的水層距(ju)離及焦距(ju)后，還必須分析(xi)超(chao)(chao)聲(sheng)縱波在(zai)水中傳播時的近(jin)場長度，超(chao)(chao)聲(sheng)波無法在(zai)近(jin)場以(yi)外聚焦。
以圓形晶片(pian)為例，近場長度的計算公式為：
當所需(xu)的(de)(de)(de)探頭透鏡焦距超出一定頻率下(xia)的(de)(de)(de)超聲近場長度時，可通過改變探頭晶片的(de)(de)(de)大小或者改變探頭頻率滿足聚焦要求。
需要注意的(de)是，探頭(tou)焦距與透鏡晶片的(de)曲(qu)率(lv)半徑(jing)并不是一(yi)回事，兩者之間的(de)關系如圖4.6所(suo)示(shi)(shi)，探頭(tou)焦距與透鏡曲(qu)率(lv)半徑(jing)之間的(de)關系可(ke)用下式表示(shi)(shi)：
以超聲(sheng)傳播介(jie)質是水、透鏡材(cai)料(liao)是環氧樹脂為例，聲(sheng)透鏡曲率(lv)半徑(jing)與(yu)探頭焦距(ju)之間的關系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹(xiu)鋼無縫鋼管為例，具體(ti)分析如(ru)何(he)確定(ding)探(tan)頭焦距、聲(sheng)透鏡(jing)曲率(lv)半徑、檢測(ce)偏(pian)心距，如(ru)圖4.7所示。其中偏(pian)心距χ為
如(ru)果超聲探(tan)頭晶片為(wei)圓盤狀，檢(jian)測頻率(lv)為(wei)5MHz,有效檢(jian)測直徑為(wei)Φ8mm,則水中縱波近場(chang)長度約為(wei)42.5mm,可以實現聚焦。
三、周向(xiang)缺(que)險(xian)探(tan)傷超聲聚焦聲透(tou)鏡設計(ji)
小(xiao)口徑薄壁不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向缺陷(xian)探傷時(shi)，為增加(jia)有效檢(jian)測(ce)的聲(sheng)能，可同樣(yang)采(cai)用斜角法聚焦(jiao)方(fang)式檢(jian)測(ce)。
隨著現(xian)代工業生產(chan)的發(fa)(fa)展，產(chan)品競爭(zheng)日益激烈，幾乎(hu)所有的汽車發(fa)(fa)動(dong)機生產(chan)廠家都對(dui)(dui)發(fa)(fa)動(dong)機內應用(yong)的小(xiao)口徑薄壁不銹鋼(gang)管(guan)提(ti)出(chu)(chu)嚴苛的質量要求，不光對(dui)(dui)鋼(gang)管(guan)的軸向最(zui)小(xiao)檢出(chu)(chu)缺(que)陷(xian)提(ti)出(chu)(chu)明確要求，對(dui)(dui)周向最(zui)小(xiao)檢出(chu)(chu)缺(que)陷(xian)也提(ti)
出(chu)了(le)嚴苛的(de)(de)要求(qiu)，很大程度上遠超目前(qian)的(de)(de)國家標(biao)準甚至軍隊(dui)標(biao)準。譬如(ru)德國博(bo)世公司對小(xiao)(xiao)口徑薄壁不(bu)銹鋼無縫鋼管(guan)的(de)(de)軸向(xiang)、周向(xiang)最(zui)小(xiao)(xiao)檢(jian)出(chu)缺陷都(dou)要求(qiu)達到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長(chang)×寬×深），如(ru)圖4.8所(suo)示。
小口徑(jing)薄(bo)壁不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向(xiang)(xiang)缺(que)陷檢測時所碰到的(de)(de)技(ji)術工藝(yi)問(wen)題與軸向(xiang)(xiang)缺(que)陷檢測基本相同，但因鋼(gang)管中折(zhe)射橫(heng)波的(de)(de)傳播途徑(jing)不(bu)同，探頭(tou)聲透鏡的(de)(de)設計方法(fa)也就不(bu)一(yi)樣，以下(xia)具(ju)體分析。
聚焦探頭(tou)焦點或焦線(xian)位于鋼管垂直軸面上，如圖4.2所示。采用斜角(jiao)(jiao)法檢(jian)(jian)測時，為獲(huo)得折射橫波(bo)，根據式（4.1），必須滿足(zu)第一(yi)臨界角(jiao)(jiao)條件(jian)，受不(bu)銹鋼無(wu)縫(feng)鋼管壁(bi)厚的(de)影(ying)響，在管壁(bi)較薄的(de)情況(kuang)下，應適當增(zeng)加聲束的(de)入(ru)射角(jiao)(jiao)，避免探傷盲區的(de)影(ying)響，此外還可以(yi)通過提高檢(jian)(jian)測頻(pin)率(lv)，優化探頭(tou)設(she)計等手(shou)段(duan)減小檢(jian)(jian)測盲區。
探頭焦(jiao)距(ju)的(de)選定，應(ying)以(yi)焦(jiao)點落在(zai)被(bei)檢鋼(gang)管(guan)內(nei)壁為(wei)佳。計算焦(jiao)距(ju)時，除(chu)考(kao)慮(lv)水(shui)層(ceng)厚度對探傷(shang)信號的(de)影響(xiang)外，還應(ying)考(kao)慮(lv)折(zhe)射橫波在(zai)鋼(gang)管(guan)內(nei)傳播的(de)等效水(shui)距(ju)離(li)。如圖4.9所示(shi)，聲束(shu)在(zai)水(shui)中傳播距(ju)離(li)為(wei)L*，折(zhe)射橫波在(zai)鋼(gang)管(guan)中的(de)傳播距(ju)離(li)為(wei)L常，則等效水(shui)距(ju)離(li)為(wei)
探頭聲(sheng)透鏡的曲率(lv)半徑設計按照式8 即可。
