總體來講，不銹鋼無縫鋼管(guan)超(chao)聲波探(tan)傷技術(shu)較為成熟，常見的探(tan)傷方法主要包(bao)括接觸式探(tan)傷、水浸(jin)式探(tan)傷。其中水浸(jin)式探(tan)傷容易實現自動化，檢測(ce)靈敏度及探(tan)傷效率均較高，因此，本(ben)書(shu)重點討論水浸(jin)式超(chao)聲探(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(xiu)鋼(gang)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(gang)管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷主要采用橫(heng)波(bo)探傷和表面(mian)(mian)波(bo)探傷，其中橫(heng)波(bo)探傷可以檢測鋼管(guan)內外(wai)缺陷，而(er)表面(mian)(mian)波(bo)探傷主要用來檢測鋼管(guan)表面(mian)(mian)的缺陷。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼無(wu)縫(feng)鋼管(guan)超聲探傷的基(ji)本形(xing)式。
圖4.1中(zhong)所給出的(de)基(ji)本形式為(wei)(wei)斜角法探(tan)(tan)傷，所檢(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)鋼管(guan)缺陷通常以軸向傷為(wei)(wei)主，以該方法為(wei)(wei)基(ji)礎，為(wei)(wei)提(ti)高檢(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)準確性(xing)，可采(cai)用(yong)(yong)多個探(tan)(tan)頭(tou)同(tong)時(shi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)。為(wei)(wei)實(shi)現鋼管(guan)內外壁的(de)軸向缺陷檢(jian)測(ce)(ce)(ce)，通常需要如圖4.2所示(shi)的(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方式，為(wei)(wei)實(shi)現檢(jian)測(ce)(ce)(ce)速度與(yu)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)準確性(xing)的(de)提(ti)升，同(tong)樣(yang)可采(cai)用(yong)(yong)多個探(tan)(tan)頭(tou)同(tong)時(shi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)。
鑒于汽車發動機用(yong)不(bu)銹鋼無縫(feng)管的高(gao)要求(qiu)，其選(xuan)用(yong)的小(xiao)口徑薄壁不(bu)鋼無縫(feng)鋼管的題聲(sheng)(sheng)探傷宜采用(yong)聚然方式(shi)檢(jian)測(ce)，超聲(sheng)(sheng)傳(chuan)播過程中，在聚焦(jiao)(jiao)狀烈下(xia)可(ke)(ke)以(yi)盡可(ke)(ke)能實現檢(jian)測(ce)聲(sheng)(sheng)能的集中，提高(gao)檢(jian)測(ce)靈敏度(du)。一般情況下(xia)，為保證檢(jian)測(ce)速(su)度(du)，采用(yong)線(xian)聚焦(jiao)(jiao)檢(jian)測(ce)即可(ke)(ke)滿(man)足(zu)要求(qiu)，當(dang)鋼管的檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)提出(chu)特別要求(qiu)時，可(ke)(ke)采用(yong)點聚焦(jiao)(jiao)方式(shi)，此時檢(jian)測(ce)速(su)度(du)會有所降低。
小口徑薄(bo)壁(bi)不銹鋼管探(tan)傷(shang)(shang)過程中，無論軸(zhou)向缺(que)(que)陷或者周(zhou)向缺(que)(que)陷的(de)檢測(ce)，在(zai)探(tan)傷(shang)(shang)儀器性(xing)能穩(wen)定的(de)前(qian)提下(xia)，影響探(tan)傷(shang)(shang)靈敏度的(de)因素(su)主要包括四個方面：①. 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭設(she)計與加工(gong)；②. 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)探(tan)頭偏(pian)心(xin)距選擇；③. 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)透(tou)鏡設(she)計；④. 檢測(ce)設(she)備(bei)的(de)穩(wen)定性(xing)。
上述影響因素中，超(chao)(chao)聲探頭(tou)的設計(ji)與加工(gong)是一項專業(ye)性、技術性較強的工(gong)作，涉及(ji)很(hen)多專業(ye)知識，本書中不做詳細(xi)討論，僅從滿足探傷工(gong)藝要求(qiu)的角度對超(chao)(chao)聲探頭(tou)的偏心距選擇及(ji)超(chao)(chao)聲聚焦(jiao)聲透鏡設計(ji)加以分析。
一、軸向缺陷檢測的超聲探頭偏心距選(xuan)擇(ze)
所謂超聲探(tan)頭(tou)(tou)偏(pian)心(xin)(xin)距是指采(cai)用(yong)折射橫波(bo)探(tan)傷時，探(tan)頭(tou)(tou)聲束中心(xin)(xin)線(xian)與鋼管輸心(xin)(xin)線(xian)的平行距離，用(yong)工加以表示(shi)。確定偏(pian)心(xin)(xin)距應滿足以下兩(liang)個條件（如圖4.3所示(shi)）。
1. 鋼管(guan)橫波探傷(shang)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(guan)內壁(bi)缺(que)陷檢測條(tiao)件
二、軸向(xiang)缺陷(xian)探傷(shang)超(chao)聲聚(ju)焦聲透(tou)鏡(jing)設計
超聲探傷中所(suo)應用(yong)的(de)聲透(tou)(tou)鏡材料通常為環氧樹脂膠固化后形成，其聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭聲透(tou)(tou)鏡設計(ji)過(guo)程中，需要綜合考慮(lv)檢測時的(de)水層距離(li)以及聚(ju)焦聲透(tou)(tou)鏡的(de)焦距大小，水層距離(li)要求如圖4.4所(suo)示(shi)。
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)內(nei)外壁缺陷，不銹鋼(gang)(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)斜角法超聲探傷時，聚焦(jiao)聲透鏡的焦(jiao)點通常在鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)(mian)(mian)上(shang)較(jiao)為合適，接下(xia)來分析(xi)焦(jiao)點位于(yu)鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)(mian)(mian)上(shang)方(fang)、水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)(mian)(mian)上(shang)、水(shui)平軸(zhou)(zhou)面(mian)(mian)(mian)下(xia)方(fang)的具體區別，如圖4.5所示。
1. 焦點位于(yu)鋼管水平軸面
由式（4.7)可以(yi)推出，當焦點恰好位于鋼管水平軸面(mian)上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表示左右兩(liang)(liang)側(ce)聲(sheng)束(shu)人(ren)射(she)角相等(deng)且小(xiao)于中間聲(sheng)束(shu)入射(she)角，γ、n均與探(tan)頭(tou)半(ban)聚焦角0的大小(xiao)有關。在該條件下，左右兩(liang)(liang)側(ce)聲(sheng)束(shu)人(ren)射(she)角對稱分(fen)布，可兼(jian)顧鋼管內、外壁的缺陷檢測，是(shi)探(tan)傷的理想狀態。
2. 焦(jiao)點位于鋼管水平軸面(mian)以(yi)上(shang)
這(zhe)三種情況都(dou)出現折射橫(heng)波(bo)(bo)快速向中心集(ji)中的現象(xiang)，反射到外壁(bi)的檢測(ce)橫(heng)波(bo)(bo)面積較大，導致對鋼(gang)管外壁(bi)缺陷(xian)的檢測(ce)靈敏度降低(di)，通過適當調(diao)整探頭，可實現折射橫(heng)波(bo)(bo)聚(ju)焦到鋼(gang)管內(nei)壁(bi)，由此提高內(nei)壁(bi)缺陷(xian)的檢測(ce)靈敏度。
3. 焦點位(wei)于鋼管水平軸面以下
這三種情況都出現(xian)左側(ce)折(zhe)射(she)橫波折(zhe)射(she)角(jiao)大(da)，右(you)側(ce)折(zhe)射(she)橫波折(zhe)射(she)角(jiao)小，引(yin)起橫波在鋼(gang)管內焦距增加的現(xian)象(xiang)，可以將(jiang)管內折(zhe)射(she)橫波聚焦到鋼(gang)管外(wai)壁(bi)。因此，在該條(tiao)件下，通過適調整探(tan)頭可提高鋼(gang)管外(wai)壁(bi)缺陷的檢測靈敏(min)度(du)。
確(que)定檢測(ce)時(shi)的水層(ceng)距離(li)及焦距后，還必須分析超聲縱(zong)波在水中傳(chuan)播時(shi)的近(jin)場長度(du)，超聲波無法在近(jin)場以外(wai)聚焦。
以圓形晶(jing)片(pian)為例，近場長(chang)度的計算公式為：
當所需(xu)的(de)探(tan)頭透(tou)鏡(jing)焦距超(chao)出一定頻率(lv)下的(de)超(chao)聲近場長(chang)度(du)時，可通過改(gai)變探(tan)頭晶片的(de)大小或者改(gai)變探(tan)頭頻率(lv)滿足聚焦要求。
需要注意的(de)是，探頭焦(jiao)(jiao)距(ju)與(yu)透鏡晶片的(de)曲(qu)率半(ban)徑(jing)并不是一回事，兩者(zhe)之間(jian)的(de)關系如圖4.6所示(shi)，探頭焦(jiao)(jiao)距(ju)與(yu)透鏡曲(qu)率半(ban)徑(jing)之間(jian)的(de)關系可(ke)用下式表示(shi)：
以超聲傳播介(jie)質是水(shui)、透鏡(jing)材(cai)料是環氧樹脂(zhi)為(wei)例，聲透鏡(jing)曲率半徑(jing)與探頭(tou)焦(jiao)距(ju)之間的(de)關系為(wei)r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管為例，具體(ti)分析如何(he)確定探頭(tou)焦距、聲透鏡曲率半(ban)徑、檢測偏心(xin)距，如圖4.7所示(shi)。其中(zhong)偏心(xin)距χ為
如(ru)果超聲探頭晶片(pian)為圓盤狀，檢(jian)測頻率為5MHz,有(you)效檢(jian)測直徑(jing)為Φ8mm,則水中縱波近場長度約為42.5mm,可(ke)以(yi)實現聚焦。
三、周向(xiang)缺險探傷超聲聚焦聲透鏡設(she)計
小口徑薄(bo)壁(bi)不銹鋼無(wu)縫(feng)鋼管周向(xiang)缺陷探傷時，為增(zeng)加(jia)有效(xiao)檢測的聲(sheng)能，可(ke)同樣采(cai)用斜(xie)角法聚焦方式檢測。
隨著現代工業(ye)生產的發(fa)(fa)展，產品競爭日益(yi)激烈，幾乎所有(you)的汽車發(fa)(fa)動(dong)機生產廠家(jia)都對發(fa)(fa)動(dong)機內應(ying)用的小口徑薄壁不銹鋼管(guan)提出嚴(yan)苛的質(zhi)量要求(qiu)，不光對鋼管(guan)的軸向最(zui)小檢(jian)出缺(que)陷(xian)提出明確要求(qiu)，對周向最(zui)小檢(jian)出缺(que)陷(xian)也提
出了嚴苛的要(yao)求(qiu)，很大(da)程(cheng)度上遠超(chao)目(mu)前(qian)的國家標準甚至軍(jun)隊標準。譬如(ru)德國博(bo)世(shi)公(gong)司對小口徑薄壁不銹鋼無(wu)縫鋼管的軸向、周(zhou)向最小檢出缺(que)陷都要(yao)求(qiu)達(da)到人工缺(que)陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如(ru)圖(tu)4.8所(suo)示。
小口徑薄壁不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向(xiang)缺陷檢測(ce)時(shi)所碰到的(de)技(ji)術工藝(yi)問題與軸向(xiang)缺陷檢測(ce)基本相同，但(dan)因鋼(gang)管中折(zhe)射橫波(bo)的(de)傳(chuan)播途徑不(bu)同，探頭聲(sheng)透(tou)鏡的(de)設(she)計(ji)方法也就不(bu)一樣，以(yi)下具體分析。
聚焦(jiao)(jiao)探(tan)頭(tou)焦(jiao)(jiao)點或(huo)焦(jiao)(jiao)線(xian)位于鋼管垂直(zhi)軸面(mian)上，如圖4.2所示。采用斜角法檢測(ce)時，為獲得折(zhe)射橫波，根(gen)據式（4.1），必(bi)須滿足第一臨界角條件，受不銹(xiu)鋼無縫鋼管壁厚的(de)(de)(de)影響，在管壁較薄的(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下，應適當增加聲束(shu)的(de)(de)(de)入射角，避免探(tan)傷盲(mang)區的(de)(de)(de)影響，此外還可(ke)以通過(guo)提高檢測(ce)頻率，優化探(tan)頭(tou)設(she)計等手(shou)段減小檢測(ce)盲(mang)區。
探頭(tou)焦距的(de)選定，應(ying)以焦點落在被檢鋼管(guan)內壁(bi)為佳。計(ji)算(suan)焦距時，除考慮水層厚度對探傷信號的(de)影響外，還應(ying)考慮折射橫波在鋼管(guan)內傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)的(de)等效水距離。如圖4.9所示，聲束(shu)在水中傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)距離為L*，折射橫波在鋼管(guan)中的(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)播(bo)距離為L常，則等效水距離為
探(tan)頭(tou)聲透鏡的曲率半(ban)徑設計(ji)按照式8 即可。
