總(zong)體來講，不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管超(chao)聲(sheng)波探傷(shang)(shang)(shang)技術較為成熟(shu)，常見的(de)探傷(shang)(shang)(shang)方法主(zhu)要包括接觸式探傷(shang)(shang)(shang)、水浸式探傷(shang)(shang)(shang)。其中水浸式探傷(shang)(shang)(shang)容易實現自動化，檢(jian)測靈敏度及探傷(shang)(shang)(shang)效率均較高，因此(ci)，本書重(zhong)點討(tao)論水浸式超(chao)聲(sheng)探傷(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(bu)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銹(xiu)鋼管(guan)，斜角法顯然更為適用。
斜(xie)角(jiao)法振(zhen)傷主要(yao)采用橫波探(tan)傷和表面(mian)波探(tan)傷，其中橫波探(tan)傷可以檢(jian)測(ce)鋼(gang)管內(nei)外缺(que)陷，而表面(mian)波探(tan)傷主要(yao)用來檢(jian)測(ce)鋼(gang)管表面(mian)的缺(que)陷。圖4.1為小直徑薄壁(bi)不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管超聲探(tan)傷的基本(ben)形式(shi)。
圖(tu)4.1中所(suo)給出(chu)的(de)(de)基(ji)本形式為(wei)(wei)斜角法探(tan)傷，所(suo)檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)鋼管(guan)缺陷通常(chang)以軸向傷為(wei)(wei)主，以該方法為(wei)(wei)基(ji)礎(chu)，為(wei)(wei)提高檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)準確性，可采用多個(ge)探(tan)頭同時檢(jian)測(ce)(ce)。為(wei)(wei)實現(xian)鋼管(guan)內(nei)外壁的(de)(de)軸向缺陷檢(jian)測(ce)(ce)，通常(chang)需要如圖(tu)4.2所(suo)示(shi)的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)方式，為(wei)(wei)實現(xian)檢(jian)測(ce)(ce)速度(du)與檢(jian)測(ce)(ce)準確性的(de)(de)提升，同樣可采用多個(ge)探(tan)頭同時檢(jian)測(ce)(ce)。
鑒于汽(qi)車(che)發(fa)動機用(yong)不銹鋼無縫(feng)管(guan)的(de)高要(yao)求，其選用(yong)的(de)小口徑薄(bo)壁(bi)不鋼無縫(feng)鋼管(guan)的(de)題聲探傷宜采用(yong)聚然(ran)方式檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)，超聲傳播過程中，在(zai)聚焦狀烈下(xia)(xia)可以盡可能(neng)實現(xian)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)聲能(neng)的(de)集(ji)中，提高檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)靈敏度。一般(ban)情況下(xia)(xia)，為保證檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)速度，采用(yong)線聚焦檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)即可滿(man)足要(yao)求，當鋼管(guan)的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)精度提出特(te)別要(yao)求時，可采用(yong)點(dian)聚焦方式，此時檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)速度會有所降低(di)。
小口徑(jing)薄壁(bi)不銹鋼管探(tan)(tan)傷過(guo)程中，無論軸向缺陷或(huo)者周向缺陷的(de)(de)檢測(ce)，在探(tan)(tan)傷儀器性(xing)能穩定(ding)的(de)(de)前提下，影響探(tan)(tan)傷靈敏度的(de)(de)因素主要包括四(si)個方面：①. 超聲(sheng)探(tan)(tan)頭(tou)設計與加工；②. 超聲(sheng)探(tan)(tan)頭(tou)偏心距選擇；③. 超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透(tou)鏡設計；④. 檢測(ce)設備的(de)(de)穩定(ding)性(xing)。
上述影響因(yin)素中(zhong)，超聲(sheng)(sheng)探頭(tou)的設計(ji)與加工(gong)是一項專(zhuan)業(ye)性、技術性較強的工(gong)作，涉及(ji)很多專(zhuan)業(ye)知識，本書中(zhong)不做詳細討論，僅(jin)從(cong)滿足探傷工(gong)藝要求的角度(du)對超聲(sheng)(sheng)探頭(tou)的偏心(xin)距選擇及(ji)超聲(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)透鏡設計(ji)加以分(fen)析。
一(yi)、軸向缺陷(xian)檢測的(de)超聲探頭偏心距選(xuan)擇
所謂超聲探頭偏心(xin)距(ju)是(shi)指(zhi)采用折射橫波探傷(shang)時，探頭聲束中心(xin)線與(yu)鋼管輸心(xin)線的平行(xing)距(ju)離，用工(gong)加(jia)以表示。確定(ding)偏心(xin)距(ju)應滿足以下兩個(ge)條(tiao)件（如(ru)圖4.3所示）。
1. 鋼管橫波(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(guan)內壁(bi)缺陷(xian)檢測條件(jian)
二、軸(zhou)向(xiang)缺陷探傷超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計
超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探傷中所應用(yong)的聲(sheng)(sheng)(sheng)透(tou)鏡材料通常為環氧樹脂膠固化后形成，其(qi)聲(sheng)(sheng)(sheng)速(su)約(yue)為2.65mm/μs.超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探頭聲(sheng)(sheng)(sheng)透(tou)鏡設計過(guo)程(cheng)中，需要(yao)綜合(he)考慮檢測時的水層(ceng)距離以及聚焦聲(sheng)(sheng)(sheng)透(tou)鏡的焦距大小，水層(ceng)距離要(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(wei)兼顧鋼(gang)(gang)(gang)管內(nei)外壁缺(que)陷(xian)，不銹鋼(gang)(gang)(gang)無縫(feng)鋼(gang)(gang)(gang)管斜角(jiao)法超聲探傷時，聚焦聲透鏡的焦點通(tong)常在(zai)鋼(gang)(gang)(gang)管水平(ping)軸(zhou)面(mian)(mian)上(shang)較為(wei)合適，接下來分析焦點位(wei)于鋼(gang)(gang)(gang)管水平(ping)軸(zhou)面(mian)(mian)上(shang)方(fang)、水平(ping)軸(zhou)面(mian)(mian)上(shang)、水平(ping)軸(zhou)面(mian)(mian)下方(fang)的具體區別，如圖4.5所(suo)示。
1. 焦點位(wei)于(yu)鋼(gang)管水平軸面
由(you)式（4.7)可以推出，當(dang)焦點恰好位于鋼管水平軸面上時，φ=0,此時γ＝η<a,表示左右兩(liang)(liang)側(ce)聲束(shu)(shu)人射(she)角(jiao)相等且小于中間聲束(shu)(shu)入射(she)角(jiao)，γ、n均與探頭半聚焦角(jiao)0的(de)大小有關。在(zai)該條件下，左右兩(liang)(liang)側(ce)聲束(shu)(shu)人射(she)角(jiao)對稱分布，可兼顧鋼管內、外壁(bi)的(de)缺(que)陷檢測(ce)，是探傷的(de)理想狀態(tai)。
2. 焦點(dian)位(wei)于(yu)鋼管(guan)水(shui)平軸面以上
這三(san)種情況都出(chu)現(xian)(xian)折(zhe)射橫波(bo)快速(su)向中心集中的現(xian)(xian)象，反射到(dao)外壁(bi)的檢(jian)測橫波(bo)面積較大，導致對鋼(gang)管(guan)外壁(bi)缺陷(xian)的檢(jian)測靈敏(min)度(du)降低，通過適當調整探頭(tou)，可實現(xian)(xian)折(zhe)射橫波(bo)聚焦(jiao)到(dao)鋼(gang)管(guan)內壁(bi)，由此提高內壁(bi)缺陷(xian)的檢(jian)測靈敏(min)度(du)。
3. 焦點(dian)位于(yu)鋼管水平(ping)軸面以下(xia)
這三種情況都出現(xian)左側折(zhe)射(she)(she)橫(heng)波(bo)(bo)折(zhe)射(she)(she)角大，右(you)側折(zhe)射(she)(she)橫(heng)波(bo)(bo)折(zhe)射(she)(she)角小，引起(qi)橫(heng)波(bo)(bo)在(zai)鋼(gang)管內(nei)焦(jiao)距增加的(de)現(xian)象(xiang)，可(ke)以將管內(nei)折(zhe)射(she)(she)橫(heng)波(bo)(bo)聚(ju)焦(jiao)到鋼(gang)管外(wai)(wai)壁(bi)。因此，在(zai)該條件下(xia)，通過適(shi)調(diao)整探頭可(ke)提高(gao)鋼(gang)管外(wai)(wai)壁(bi)缺陷的(de)檢測靈敏度(du)。
確定(ding)檢測時的(de)水(shui)層距離(li)及焦(jiao)距后(hou)，還必須分析超聲(sheng)縱波(bo)在水(shui)中傳播時的(de)近場(chang)長(chang)度，超聲(sheng)波(bo)無法在近場(chang)以(yi)外聚(ju)焦(jiao)。
以(yi)圓形(xing)晶片為(wei)例，近場(chang)長度的計算公式為(wei)：
當所需的(de)探頭透鏡焦距超出一定頻率下的(de)超聲近(jin)場長(chang)度時，可通過(guo)改變探頭晶片的(de)大小或者改變探頭頻率滿足聚焦要求。
需要(yao)注意的(de)(de)是，探頭焦距(ju)(ju)與透(tou)鏡晶片的(de)(de)曲率半徑并不是一回(hui)事，兩者之(zhi)間的(de)(de)關系如(ru)圖4.6所示(shi)，探頭焦距(ju)(ju)與透(tou)鏡曲率半徑之(zhi)間的(de)(de)關系可用下(xia)式表示(shi)：
以超聲傳(chuan)播介(jie)質(zhi)是(shi)水、透鏡材料是(shi)環氧樹脂為(wei)例，聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之間的關系為(wei)r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不(bu)銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管為例，具體分析如(ru)何(he)確定探頭焦距(ju)(ju)、聲透鏡(jing)曲(qu)率半徑、檢測偏心距(ju)(ju)，如(ru)圖4.7所(suo)示(shi)。其中偏心距(ju)(ju)χ為
如果超(chao)聲(sheng)探(tan)頭(tou)晶(jing)片為(wei)圓(yuan)盤狀，檢(jian)測頻率(lv)為(wei)5MHz,有效(xiao)檢(jian)測直(zhi)徑為(wei)Φ8mm,則水中縱波(bo)近場長度約(yue)為(wei)42.5mm,可以實現(xian)聚焦。
三、周向缺險探傷超聲聚焦聲透鏡設計
小口徑薄(bo)壁不銹鋼無縫鋼管周向(xiang)缺陷探傷時，為(wei)增加有效檢(jian)測(ce)的聲能，可同樣采用斜角法聚焦方式檢(jian)測(ce)。
隨(sui)著現代工業生(sheng)產的(de)發展(zhan)，產品競爭(zheng)日益激烈，幾乎所有(you)的(de)汽車發動機(ji)生(sheng)產廠(chang)家都對發動機(ji)內應用的(de)小(xiao)口徑薄(bo)壁不銹鋼管(guan)提出嚴(yan)苛的(de)質量(liang)要(yao)求，不光對鋼管(guan)的(de)軸向最小(xiao)檢出缺陷提出明確要(yao)求，對周(zhou)向最小(xiao)檢出缺陷也提
出了(le)嚴苛的(de)要求，很大程度(du)上(shang)遠超(chao)目前(qian)的(de)國家標準甚至軍隊標準。譬如德國博世(shi)公司對(dui)小口(kou)徑(jing)薄壁(bi)不銹鋼無縫鋼管的(de)軸向(xiang)(xiang)、周(zhou)向(xiang)(xiang)最(zui)小檢(jian)出缺(que)陷都要求達到人(ren)工缺(que)陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖4.8所(suo)示。
小(xiao)口徑薄壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)周向缺(que)陷檢測(ce)時(shi)所碰到的(de)技(ji)術工藝問題與軸向缺(que)陷檢測(ce)基(ji)本相(xiang)同，但因鋼(gang)管(guan)中折射(she)橫波的(de)傳播途徑不同，探頭聲(sheng)透鏡的(de)設計方法也(ye)就(jiu)不一樣，以下具(ju)體分析。
聚(ju)焦探(tan)頭焦點或焦線(xian)位于鋼管(guan)(guan)垂直軸(zhou)面(mian)上，如圖4.2所(suo)示。采用斜(xie)角法檢測(ce)(ce)時，為(wei)獲得折射(she)橫波，根據式（4.1），必須滿足第一臨界角條件，受不銹鋼無縫鋼管(guan)(guan)壁厚的(de)影響，在管(guan)(guan)壁較薄(bo)的(de)情況下，應適當增(zeng)加(jia)聲束的(de)入射(she)角，避免(mian)探(tan)傷盲(mang)區的(de)影響，此外還可(ke)以通過提高檢測(ce)(ce)頻率，優化(hua)探(tan)頭設計等(deng)手段減小檢測(ce)(ce)盲(mang)區。
探頭焦(jiao)距的(de)選定，應以焦(jiao)點落在(zai)被檢鋼(gang)管內壁為(wei)佳(jia)。計(ji)算焦(jiao)距時，除考(kao)(kao)慮水(shui)層厚度對探傷信號的(de)影響外，還應考(kao)(kao)慮折(zhe)射橫(heng)波在(zai)鋼(gang)管內傳播(bo)(bo)(bo)的(de)等效水(shui)距離(li)。如圖4.9所(suo)示，聲束在(zai)水(shui)中傳播(bo)(bo)(bo)距離(li)為(wei)L*，折(zhe)射橫(heng)波在(zai)鋼(gang)管中的(de)傳播(bo)(bo)(bo)距離(li)為(wei)L常，則等效水(shui)距離(li)為(wei)
探頭聲(sheng)透鏡(jing)的曲率半徑設計按照式8 即可。
