總體來講，不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管超(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)(shang)技(ji)術較為成熟(shu)，常見的(de)探(tan)傷(shang)(shang)(shang)方法主(zhu)要包括接觸式(shi)(shi)探(tan)傷(shang)(shang)(shang)、水(shui)浸(jin)式(shi)(shi)探(tan)傷(shang)(shang)(shang)。其中水(shui)浸(jin)式(shi)(shi)探(tan)傷(shang)(shang)(shang)容(rong)易實現(xian)自動化，檢測靈敏(min)度(du)及探(tan)傷(shang)(shang)(shang)效率均較高，因此，本書重點討論(lun)水(shui)浸(jin)式(shi)(shi)超(chao)聲(sheng)探(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(bu)銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角(jiao)法振(zhen)傷主要采(cai)用(yong)橫(heng)波探(tan)傷和表面波探(tan)傷，其中橫(heng)波探(tan)傷可(ke)以檢(jian)測(ce)鋼(gang)管(guan)內外缺陷(xian)，而表面波探(tan)傷主要用(yong)來檢(jian)測(ce)鋼(gang)管(guan)表面的(de)缺陷(xian)。圖4.1為小直徑薄(bo)壁(bi)不銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)超(chao)聲(sheng)探(tan)傷的(de)基本形式。
圖4.1中所給(gei)出(chu)的(de)基(ji)本形式(shi)(shi)為斜角法探(tan)傷，所檢測的(de)鋼管缺陷(xian)通(tong)常以軸(zhou)向傷為主，以該方(fang)法為基(ji)礎，為提(ti)高檢測的(de)準確性(xing)，可采(cai)用(yong)多個探(tan)頭同時檢測。為實現(xian)鋼管內外壁的(de)軸(zhou)向缺陷(xian)檢測，通(tong)常需要(yao)如圖4.2所示的(de)檢測方(fang)式(shi)(shi)，為實現(xian)檢測速度(du)與檢測準確性(xing)的(de)提(ti)升(sheng)，同樣可采(cai)用(yong)多個探(tan)頭同時檢測。
鑒于汽車發動機(ji)用(yong)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無縫(feng)管的(de)高(gao)要(yao)求，其選(xuan)用(yong)的(de)小口徑薄(bo)壁不(bu)鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管的(de)題聲(sheng)探傷(shang)宜采用(yong)聚然方式檢(jian)測(ce)，超(chao)聲(sheng)傳播過程中(zhong)，在(zai)聚焦狀烈下(xia)可以盡(jin)可能實現檢(jian)測(ce)聲(sheng)能的(de)集(ji)中(zhong)，提(ti)高(gao)檢(jian)測(ce)靈敏度。一般情(qing)況(kuang)下(xia)，為(wei)保(bao)證檢(jian)測(ce)速度，采用(yong)線(xian)聚焦檢(jian)測(ce)即可滿足要(yao)求，當鋼(gang)管的(de)檢(jian)測(ce)精度提(ti)出(chu)特別要(yao)求時，可采用(yong)點聚焦方式，此(ci)時檢(jian)測(ce)速度會有所降低。
小口徑薄壁不(bu)銹鋼管探傷過程中(zhong)，無論(lun)軸向(xiang)缺陷或者周(zhou)向(xiang)缺陷的(de)檢測，在探傷儀器性能穩定的(de)前提(ti)下，影響探傷靈敏(min)度的(de)因素主要(yao)包括四個方面(mian)：①. 超(chao)聲探頭設計(ji)與(yu)加工；②. 超(chao)聲探頭偏心(xin)距選(xuan)擇；③. 超(chao)聲聚(ju)焦聲透(tou)鏡設計(ji)；④. 檢測設備的(de)穩定性。
上述影(ying)響因素中，超(chao)聲(sheng)探頭的設(she)計(ji)與加工(gong)(gong)是一項專(zhuan)業性、技(ji)術(shu)性較強(qiang)的工(gong)(gong)作，涉(she)及很(hen)多專(zhuan)業知(zhi)識，本書中不做詳細討論，僅從滿足探傷工(gong)(gong)藝要求(qiu)的角度(du)對超(chao)聲(sheng)探頭的偏心距選擇及超(chao)聲(sheng)聚焦聲(sheng)透(tou)鏡設(she)計(ji)加以分析。
一(yi)、軸向缺陷檢測的超聲探頭偏心距選擇
所謂超聲(sheng)探頭(tou)偏心(xin)距(ju)是(shi)指采用折射橫波(bo)探傷時，探頭(tou)聲(sheng)束(shu)中心(xin)線與鋼管輸心(xin)線的平(ping)行距(ju)離，用工(gong)加以表示。確定(ding)偏心(xin)距(ju)應滿足(zu)以下兩(liang)個條(tiao)件（如圖4.3所示）。
1. 鋼管橫波探傷條件
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(nei)壁缺(que)陷檢(jian)測(ce)條件
二、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設(she)計
超聲探傷中(zhong)所應用的(de)聲透鏡材料通(tong)常為環氧(yang)樹(shu)脂膠固化后形成，其聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭聲透鏡設計過程中(zhong)，需要(yao)綜(zong)合考(kao)慮檢測時的(de)水(shui)層(ceng)距(ju)離(li)以及聚焦(jiao)聲透鏡的(de)焦(jiao)距(ju)大小，水(shui)層(ceng)距(ju)離(li)要(yao)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)(gang)(gang)管(guan)(guan)內(nei)外壁缺陷，不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)無(wu)縫鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)斜角(jiao)法(fa)超聲(sheng)探傷(shang)時(shi)，聚焦聲(sheng)透鏡(jing)的(de)焦點通常在鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)水平軸面(mian)上較(jiao)為合適，接(jie)下來分析焦點位(wei)于鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)水平軸面(mian)上方、水平軸面(mian)上、水平軸面(mian)下方的(de)具體區別，如圖(tu)4.5所(suo)示。
1. 焦點位于鋼管(guan)水平(ping)軸面
由式（4.7)可以推出，當焦點恰好位于(yu)鋼管水(shui)平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表(biao)示左右(you)兩側(ce)聲(sheng)束人射(she)角相等且小于(yu)中間聲(sheng)束入射(she)角，γ、n均與探頭半聚焦角0的(de)大小有關。在該條(tiao)件(jian)下(xia)，左右(you)兩側(ce)聲(sheng)束人射(she)角對稱分(fen)布，可兼顧(gu)鋼管內、外壁的(de)缺(que)陷檢測(ce)，是(shi)探傷的(de)理(li)想(xiang)狀態。
2. 焦點(dian)位于鋼管水平軸面以上
這(zhe)三種情(qing)況都出現(xian)折射橫波(bo)快速(su)向中心集中的(de)現(xian)象，反(fan)射到外壁(bi)的(de)檢(jian)(jian)測橫波(bo)面(mian)積較(jiao)大，導(dao)致對鋼(gang)管(guan)外壁(bi)缺(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)檢(jian)(jian)測靈敏(min)度(du)降低，通過適(shi)當調整探頭(tou)，可實(shi)現(xian)折射橫波(bo)聚焦(jiao)到鋼(gang)管(guan)內(nei)壁(bi)，由此提高內(nei)壁(bi)缺(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)檢(jian)(jian)測靈敏(min)度(du)。
3. 焦點位于鋼(gang)管水平軸面以(yi)下
這三種情況都出現(xian)左側折(zhe)射橫波折(zhe)射角(jiao)大，右(you)側折(zhe)射橫波折(zhe)射角(jiao)小，引起橫波在鋼(gang)管內(nei)焦距增加的現(xian)象，可(ke)以(yi)將管內(nei)折(zhe)射橫波聚(ju)焦到鋼(gang)管外壁(bi)。因此，在該條件下，通過適調整探頭可(ke)提高鋼(gang)管外壁(bi)缺陷(xian)的檢測靈敏度。
確定檢測時的水(shui)層距離及焦(jiao)距后，還必須分析超聲縱波在(zai)水(shui)中傳播時的近(jin)場長度，超聲波無法在(zai)近(jin)場以外聚(ju)焦(jiao)。
以圓形晶片為例，近場長度(du)的(de)計算公式為：
當所(suo)需的(de)探頭(tou)透鏡(jing)焦距超出一(yi)定頻(pin)率下的(de)超聲近場長度時，可(ke)通過改變(bian)探頭(tou)晶片(pian)的(de)大小或者改變(bian)探頭(tou)頻(pin)率滿足聚(ju)焦要求。
需要注意(yi)的(de)是(shi)，探(tan)(tan)頭焦(jiao)距(ju)與透(tou)鏡晶片的(de)曲(qu)率半徑(jing)并不是(shi)一回事，兩者之間的(de)關系如圖4.6所示，探(tan)(tan)頭焦(jiao)距(ju)與透(tou)鏡曲(qu)率半徑(jing)之間的(de)關系可用(yong)下(xia)式表示：
以超聲傳(chuan)播介質是水、透(tou)(tou)鏡(jing)材料是環氧樹脂為例，聲透(tou)(tou)鏡(jing)曲率半徑與探頭焦(jiao)距之間的關系為r≈0.45F。
以(yi) Φ 30×2mm不銹鋼無縫鋼管為例(li)，具體分析如何確定探頭焦距、聲(sheng)透鏡曲(qu)率半徑、檢測偏(pian)心(xin)距，如圖4.7所示。其中(zhong)偏(pian)心(xin)距χ為
如(ru)果超聲探(tan)頭(tou)晶片為(wei)圓盤狀，檢測頻率為(wei)5MHz,有效檢測直徑為(wei)Φ8mm,則(ze)水(shui)中縱波近場長度約為(wei)42.5mm,可以實現聚焦。
三、周向缺險探(tan)傷超聲聚(ju)焦聲透鏡設計
小口徑(jing)薄壁不(bu)銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)周向缺陷探傷(shang)時(shi)，為增(zeng)加有效(xiao)檢(jian)測的聲能，可同樣采用(yong)斜(xie)角法聚焦方式檢(jian)測。
隨著現代工業生產(chan)的發(fa)(fa)展，產(chan)品(pin)競爭(zheng)日益激烈，幾乎所有的汽車發(fa)(fa)動(dong)機(ji)生產(chan)廠家(jia)都對(dui)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)內應用的小(xiao)口徑薄壁不銹鋼管提出嚴苛的質量要求，不光對(dui)鋼管的軸向(xiang)最小(xiao)檢出缺(que)陷提出明(ming)確要求，對(dui)周向(xiang)最小(xiao)檢出缺(que)陷也(ye)提
出了嚴苛的要求，很大程度上(shang)遠超目前的國家標準甚至(zhi)軍隊標準。譬如(ru)德國博世(shi)公司對小口(kou)徑薄壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管的軸向、周向最小檢出缺(que)(que)陷(xian)都要求達到人(ren)工(gong)缺(que)(que)陷(xian)2mm×0.15mm×0.15mm（長(chang)×寬×深(shen)），如(ru)圖(tu)4.8所示。
小口(kou)徑(jing)薄壁不(bu)銹(xiu)鋼無縫鋼管周向缺陷(xian)檢測時所碰到的(de)(de)技(ji)術工藝問題(ti)與軸(zhou)向缺陷(xian)檢測基本相同，但因鋼管中折(zhe)射橫波的(de)(de)傳播(bo)途(tu)徑(jing)不(bu)同，探(tan)頭(tou)聲透鏡的(de)(de)設計方法也就不(bu)一樣，以下具體分(fen)析。
聚焦(jiao)探頭焦(jiao)點或焦(jiao)線位于鋼管(guan)(guan)垂直軸面上(shang)，如圖4.2所示(shi)。采用斜角法檢測(ce)時(shi)，為獲得折射橫波，根(gen)據(ju)式（4.1），必須滿足(zu)第一(yi)臨界(jie)角條(tiao)件，受不銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)(guan)壁厚的(de)影響，在管(guan)(guan)壁較薄的(de)情況下(xia)，應適當增加聲(sheng)束的(de)入射角，避免探傷盲(mang)區的(de)影響，此外還(huan)可以(yi)通過(guo)提高檢測(ce)頻(pin)率，優化(hua)探頭設計等手段減小(xiao)檢測(ce)盲(mang)區。
探(tan)頭焦距的選定，應(ying)以焦點落在被檢鋼(gang)管(guan)內壁為佳。計(ji)算焦距時(shi)，除考慮水層厚度對探(tan)傷信(xin)號的影響(xiang)外(wai)，還(huan)應(ying)考慮折(zhe)射(she)橫波在鋼(gang)管(guan)內傳(chuan)播的等效水距離。如圖4.9所示，聲束在水中(zhong)傳(chuan)播距離為L*，折(zhe)射(she)橫波在鋼(gang)管(guan)中(zhong)的傳(chuan)播距離為L常，則等效水距離為
探頭(tou)聲透鏡的曲率半徑設計按照式8 即(ji)可。
