總體來講，不銹鋼無(wu)縫鋼管超(chao)聲波(bo)探(tan)傷(shang)(shang)技(ji)術較為成熟，常見的探(tan)傷(shang)(shang)方(fang)法主要(yao)包括接觸(chu)式(shi)探(tan)傷(shang)(shang)、水(shui)浸(jin)式(shi)探(tan)傷(shang)(shang)。其(qi)中水(shui)浸(jin)式(shi)探(tan)傷(shang)(shang)容易實現自動化，檢(jian)測靈敏度(du)及探(tan)傷(shang)(shang)效率均(jun)較高，因此，本書重點討論水(shui)浸(jin)式(shi)超(chao)聲探(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(guan)，斜角法顯然更為適用。
斜角(jiao)法振(zhen)傷(shang)主要(yao)采用橫波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)和表面波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)，其(qi)中橫波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)可以檢測(ce)(ce)鋼管(guan)內外缺陷，而表面波(bo)(bo)探(tan)傷(shang)主要(yao)用來檢測(ce)(ce)鋼管(guan)表面的缺陷。圖4.1為小直(zhi)徑(jing)薄(bo)壁(bi)不銹鋼無縫鋼管(guan)超聲探(tan)傷(shang)的基本形式。
圖4.1中所(suo)給(gei)出(chu)的基本(ben)形式為(wei)(wei)斜角法探(tan)傷，所(suo)檢測(ce)的鋼管(guan)缺陷(xian)通(tong)常(chang)以軸向傷為(wei)(wei)主，以該(gai)方法為(wei)(wei)基礎，為(wei)(wei)提高檢測(ce)的準確性，可采(cai)用多(duo)個(ge)探(tan)頭同(tong)時檢測(ce)。為(wei)(wei)實(shi)現(xian)鋼管(guan)內外壁的軸向缺陷(xian)檢測(ce)，通(tong)常(chang)需要如圖4.2所(suo)示的檢測(ce)方式，為(wei)(wei)實(shi)現(xian)檢測(ce)速(su)度與檢測(ce)準確性的提升，同(tong)樣(yang)可采(cai)用多(duo)個(ge)探(tan)頭同(tong)時檢測(ce)。
鑒于汽車發動機用(yong)不(bu)銹鋼(gang)無縫管(guan)的高要求，其選用(yong)的小口徑薄壁不(bu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)的題(ti)聲(sheng)探傷宜采(cai)用(yong)聚然方式檢(jian)測，超聲(sheng)傳播過程中，在聚焦狀烈下(xia)可(ke)(ke)(ke)以盡可(ke)(ke)(ke)能實(shi)現檢(jian)測聲(sheng)能的集中，提(ti)高檢(jian)測靈敏度(du)。一般情況下(xia)，為保證檢(jian)測速(su)度(du)，采(cai)用(yong)線(xian)聚焦檢(jian)測即可(ke)(ke)(ke)滿足(zu)要求，當鋼(gang)管(guan)的檢(jian)測精度(du)提(ti)出特別要求時，可(ke)(ke)(ke)采(cai)用(yong)點聚焦方式，此時檢(jian)測速(su)度(du)會有(you)所降低。
小口徑薄壁不銹鋼管探(tan)傷過程(cheng)中(zhong)，無論軸(zhou)向缺(que)陷或者周(zhou)向缺(que)陷的檢(jian)(jian)測(ce)，在探(tan)傷儀(yi)器(qi)性(xing)能(neng)穩定(ding)的前提下，影(ying)響探(tan)傷靈敏度的因素主要(yao)包括四個方面：①. 超聲(sheng)探(tan)頭設(she)計與(yu)加工(gong)；②. 超聲(sheng)探(tan)頭偏心距選擇；③. 超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計；④. 檢(jian)(jian)測(ce)設(she)備的穩定(ding)性(xing)。
上述影響因素中，超聲探(tan)頭(tou)的(de)設(she)計與加工是一項專(zhuan)業(ye)性、技術(shu)性較(jiao)強的(de)工作(zuo)，涉及很(hen)多專(zhuan)業(ye)知識，本書中不做詳細討論(lun)，僅(jin)從滿足探(tan)傷工藝要求的(de)角度對超聲探(tan)頭(tou)的(de)偏(pian)心(xin)距(ju)選(xuan)擇及超聲聚(ju)焦(jiao)聲透鏡(jing)設(she)計加以(yi)分析。
一、軸向缺陷(xian)檢測的超聲探(tan)頭偏(pian)心距選擇(ze)
所謂超(chao)聲探(tan)頭(tou)偏心距(ju)是指采用折射橫波探(tan)傷時，探(tan)頭(tou)聲束中心線與(yu)鋼管輸心線的平行距(ju)離(li)，用工加以表(biao)示。確定偏心距(ju)應(ying)滿(man)足以下兩個條(tiao)件（如(ru)圖4.3所示）。
1. 鋼管橫波探(tan)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(bi)缺陷(xian)檢測條件
二、軸(zhou)向(xiang)缺陷探傷超聲聚(ju)焦聲透鏡設計
超聲探傷(shang)中所(suo)應用(yong)的聲透鏡材(cai)料通常為環(huan)氧樹脂膠固(gu)化后形成(cheng)，其聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭(tou)聲透鏡設(she)計過(guo)程(cheng)中，需要綜合考慮檢測時的水(shui)層(ceng)(ceng)距離(li)以及聚(ju)焦(jiao)聲透鏡的焦(jiao)距大小，水(shui)層(ceng)(ceng)距離(li)要求(qiu)如圖4.4所(suo)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)管內外壁(bi)缺陷(xian)，不銹(xiu)鋼(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)管斜角法(fa)超聲探(tan)傷時，聚焦聲透鏡的(de)焦點(dian)通常在鋼(gang)(gang)管水平軸(zhou)(zhou)面(mian)上較(jiao)為(wei)合適(shi)，接下來分析焦點(dian)位于鋼(gang)(gang)管水平軸(zhou)(zhou)面(mian)上方、水平軸(zhou)(zhou)面(mian)上、水平軸(zhou)(zhou)面(mian)下方的(de)具體區別，如圖4.5所示。
1. 焦點位于鋼(gang)管(guan)水平軸面
由式（4.7)可以推出，當焦點(dian)恰(qia)好(hao)位于鋼管水平軸面上時(shi)(shi)，φ=0,此時(shi)(shi)γ＝η<a,表示(shi)左(zuo)右(you)兩(liang)側聲束(shu)人(ren)射角(jiao)相(xiang)等且小(xiao)于中間(jian)聲束(shu)入射角(jiao)，γ、n均與探頭半聚焦角(jiao)0的大小(xiao)有關(guan)。在該條件(jian)下，左(zuo)右(you)兩(liang)側聲束(shu)人(ren)射角(jiao)對稱分布，可兼顧鋼管內、外壁的缺陷檢測，是(shi)探傷的理(li)想狀態。
2. 焦點位于(yu)鋼(gang)管水(shui)平軸面以上
這(zhe)三(san)種情況都出現折(zhe)射橫波(bo)快速向中心集中的(de)現象，反射到(dao)外壁(bi)的(de)檢(jian)測橫波(bo)面積較大，導致對鋼(gang)管外壁(bi)缺陷的(de)檢(jian)測靈(ling)敏(min)度降低，通過適當調整探頭，可實現折(zhe)射橫波(bo)聚焦到(dao)鋼(gang)管內壁(bi)，由此(ci)提高(gao)內壁(bi)缺陷的(de)檢(jian)測靈(ling)敏(min)度。
3. 焦點位(wei)于(yu)鋼管水平軸(zhou)面(mian)以下
這三(san)種情況都出(chu)現左(zuo)側(ce)折射(she)橫(heng)波折射(she)角大，右側(ce)折射(she)橫(heng)波折射(she)角小，引起橫(heng)波在(zai)鋼(gang)管內焦(jiao)距增加(jia)的(de)(de)現象，可以將管內折射(she)橫(heng)波聚焦(jiao)到鋼(gang)管外(wai)壁。因此(ci)，在(zai)該條(tiao)件(jian)下，通(tong)過適調整(zheng)探頭可提高鋼(gang)管外(wai)壁缺陷的(de)(de)檢測(ce)靈敏度(du)。
確定檢測時的(de)水層距離及焦距后，還必須分(fen)析超聲縱(zong)波(bo)在水中(zhong)傳播時的(de)近(jin)場(chang)長度(du)，超聲波(bo)無法在近(jin)場(chang)以外聚焦。
以圓形晶片為例(li)，近場長度(du)的(de)計算公式為：
當所需的探(tan)頭(tou)透(tou)鏡焦(jiao)距超出一定頻率下的超聲(sheng)近場長(chang)度(du)時(shi)，可通過改(gai)變(bian)(bian)探(tan)頭(tou)晶(jing)片的大小或者改(gai)變(bian)(bian)探(tan)頭(tou)頻率滿足(zu)聚焦(jiao)要求。
需要注意的是(shi)(shi)，探頭(tou)焦距與透(tou)鏡(jing)(jing)晶片(pian)的曲率半徑并不(bu)是(shi)(shi)一回事，兩者之(zhi)(zhi)間的關系如圖4.6所示，探頭(tou)焦距與透(tou)鏡(jing)(jing)曲率半徑之(zhi)(zhi)間的關系可用下式表示：
以(yi)超聲傳(chuan)播(bo)介質是水、透鏡材料是環(huan)氧樹脂(zhi)為(wei)例，聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之間的關(guan)系為(wei)r≈0.45F。
以(yi) Φ 30×2mm不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)為(wei)例，具(ju)體分析如何確定探頭焦距、聲透(tou)鏡曲率半徑、檢測(ce)偏心距，如圖4.7所示。其中偏心距χ為(wei)
如(ru)果超(chao)聲(sheng)探頭(tou)晶片為(wei)圓盤狀，檢測頻率為(wei)5MHz,有效檢測直(zhi)徑(jing)為(wei)Φ8mm,則水中(zhong)縱波近場長度約(yue)為(wei)42.5mm,可以實(shi)現聚焦。
三、周向(xiang)缺險(xian)探(tan)傷超聲(sheng)聚焦聲(sheng)透鏡設(she)計
小口徑薄(bo)壁(bi)不銹鋼無縫鋼管(guan)周向缺陷探傷時，為增加有效檢測的聲能，可同(tong)樣采用斜角法(fa)聚焦方(fang)式檢測。
隨著現代(dai)工業生產的(de)發(fa)展(zhan)，產品競爭(zheng)日益激烈，幾乎(hu)所(suo)有的(de)汽車發(fa)動機(ji)生產廠家(jia)都對(dui)發(fa)動機(ji)內應用的(de)小口徑薄(bo)壁不(bu)(bu)銹(xiu)鋼管提出嚴苛的(de)質量要求，不(bu)(bu)光對(dui)鋼管的(de)軸向最小檢出缺陷(xian)提出明確要求，對(dui)周向最小檢出缺陷(xian)也提
出了嚴苛的(de)要(yao)求(qiu)，很大(da)程度上遠超目(mu)前的(de)國(guo)家標(biao)準甚(shen)至軍隊標(biao)準。譬如德國(guo)博世公司對小(xiao)(xiao)口(kou)徑薄壁不銹鋼無縫(feng)鋼管的(de)軸(zhou)向、周向最小(xiao)(xiao)檢出缺(que)陷(xian)都要(yao)求(qiu)達到人工(gong)缺(que)陷(xian)2mm×0.15mm×0.15mm（長(chang)×寬×深），如圖4.8所示。
小(xiao)口徑薄壁不銹(xiu)鋼無縫鋼管周向缺陷(xian)檢(jian)測(ce)時所碰到的技術(shu)工(gong)藝問題與軸(zhou)向缺陷(xian)檢(jian)測(ce)基本相同，但(dan)因鋼管中折射(she)橫波的傳播途徑不同，探頭聲透鏡的設計(ji)方法也(ye)就不一樣，以(yi)下具體分析。
聚(ju)焦探(tan)頭焦點或(huo)焦線位于(yu)鋼(gang)管垂直軸面上，如圖4.2所示(shi)。采(cai)用(yong)斜角法檢測(ce)時，為獲得(de)折射橫(heng)波，根據式（4.1），必須滿足第(di)一(yi)臨界角條件，受不(bu)銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管壁厚的(de)影(ying)響，在管壁較薄的(de)情況下，應適當增加聲(sheng)束的(de)入射角，避免探(tan)傷盲區的(de)影(ying)響，此外還可(ke)以通過提高檢測(ce)頻率(lv)，優化探(tan)頭設計等手段(duan)減(jian)小檢測(ce)盲區。
探頭(tou)焦(jiao)(jiao)距(ju)的選(xuan)定(ding)，應以焦(jiao)(jiao)點(dian)落在(zai)被檢(jian)鋼管內壁為佳。計算焦(jiao)(jiao)距(ju)時，除考慮水(shui)層(ceng)厚度對(dui)探傷信號的影響外，還應考慮折射(she)橫波在(zai)鋼管內傳(chuan)(chuan)播(bo)(bo)(bo)的等(deng)效水(shui)距(ju)離(li)。如(ru)圖4.9所示，聲束在(zai)水(shui)中傳(chuan)(chuan)播(bo)(bo)(bo)距(ju)離(li)為L*，折射(she)橫波在(zai)鋼管中的傳(chuan)(chuan)播(bo)(bo)(bo)距(ju)離(li)為L常(chang)，則等(deng)效水(shui)距(ju)離(li)為
探(tan)頭聲(sheng)透(tou)鏡(jing)的(de)曲率半徑設計按照式(shi)8 即可。
