總體來講(jiang)，不銹鋼無縫鋼管超(chao)聲(sheng)波(bo)探傷(shang)技術較為成熟，常見(jian)的探傷(shang)方法主要包括接觸式探傷(shang)、水浸式探傷(shang)。其中水浸式探傷(shang)容易(yi)實現自動化，檢測靈敏度及探傷(shang)效率均較高，因此(ci)，本(ben)書(shu)重點討論水浸式超(chao)聲(sheng)探傷(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(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)角法振傷(shang)(shang)主要采用橫波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)和表(biao)面波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)，其中橫波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)可以檢(jian)測鋼(gang)管(guan)內外缺(que)陷，而表(biao)面波探(tan)(tan)傷(shang)(shang)主要用來檢(jian)測鋼(gang)管(guan)表(biao)面的缺(que)陷。圖4.1為小直徑薄(bo)壁不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管(guan)超聲探(tan)(tan)傷(shang)(shang)的基本形式。
圖4.1中所(suo)給(gei)出的(de)基(ji)本形(xing)式為(wei)(wei)斜角法(fa)探(tan)(tan)傷(shang)(shang)，所(suo)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)鋼(gang)管(guan)缺陷通(tong)常以軸(zhou)向傷(shang)(shang)為(wei)(wei)主，以該方(fang)(fang)法(fa)為(wei)(wei)基(ji)礎，為(wei)(wei)提高(gao)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)準確(que)性(xing)，可采用(yong)多個探(tan)(tan)頭同(tong)時檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。為(wei)(wei)實(shi)現鋼(gang)管(guan)內外壁的(de)軸(zhou)向缺陷檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，通(tong)常需要(yao)如圖4.2所(suo)示的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)方(fang)(fang)式，為(wei)(wei)實(shi)現檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)速度與檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)準確(que)性(xing)的(de)提升，同(tong)樣可采用(yong)多個探(tan)(tan)頭同(tong)時檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。
鑒于汽車(che)發(fa)動機(ji)用(yong)(yong)不銹鋼無(wu)縫管的高(gao)要(yao)(yao)求，其選用(yong)(yong)的小口(kou)徑薄壁不鋼無(wu)縫鋼管的題(ti)聲探傷宜(yi)采(cai)用(yong)(yong)聚(ju)然(ran)方(fang)式檢(jian)測，超聲傳播(bo)過(guo)程中，在聚(ju)焦(jiao)狀烈下可(ke)以盡可(ke)能實現檢(jian)測聲能的集中，提高(gao)檢(jian)測靈(ling)敏度(du)(du)。一般(ban)情(qing)況下，為保證檢(jian)測速度(du)(du)，采(cai)用(yong)(yong)線聚(ju)焦(jiao)檢(jian)測即可(ke)滿足(zu)要(yao)(yao)求，當鋼管的檢(jian)測精度(du)(du)提出特(te)別要(yao)(yao)求時(shi)，可(ke)采(cai)用(yong)(yong)點(dian)聚(ju)焦(jiao)方(fang)式，此(ci)時(shi)檢(jian)測速度(du)(du)會有所降低。
小口徑(jing)薄壁(bi)不(bu)銹鋼(gang)管(guan)探(tan)傷(shang)過程(cheng)中，無論軸向缺(que)陷或者周(zhou)向缺(que)陷的(de)檢(jian)測(ce)(ce)，在探(tan)傷(shang)儀器性(xing)能穩定的(de)前(qian)提下(xia)，影響(xiang)探(tan)傷(shang)靈敏度的(de)因(yin)素主要包括四個(ge)方面(mian)：①. 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探(tan)頭設計(ji)與加工；②. 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)探(tan)頭偏(pian)心(xin)距選擇；③. 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)聚焦聲(sheng)(sheng)(sheng)透鏡設計(ji)；④. 檢(jian)測(ce)(ce)設備的(de)穩定性(xing)。
上述(shu)影(ying)響因素中(zhong)，超(chao)聲探(tan)頭的(de)設計(ji)(ji)與加工是一項專業性(xing)、技(ji)術性(xing)較強的(de)工作，涉及很(hen)多專業知識，本書中(zhong)不做詳細討論(lun)，僅從滿足探(tan)傷工藝要求的(de)角度對(dui)超(chao)聲探(tan)頭的(de)偏心距(ju)選(xuan)擇及超(chao)聲聚焦聲透鏡(jing)設計(ji)(ji)加以分析。
一(yi)、軸向缺陷檢測(ce)的(de)超聲探(tan)頭偏(pian)心距(ju)選擇
所謂超聲探頭偏(pian)心距是指采(cai)用折射橫波探傷時(shi)，探頭聲束中(zhong)心線與鋼管(guan)輸心線的平(ping)行距離，用工(gong)加(jia)以表示(shi)(shi)。確定偏(pian)心距應(ying)滿足(zu)以下兩個條件（如(ru)圖4.3所示(shi)(shi)）。
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)壁缺陷檢(jian)測條件
二(er)、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設計
超(chao)(chao)聲探傷中(zhong)所(suo)應用(yong)的(de)聲透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(chao)(chao)聲探頭聲透鏡設計過程中(zhong)，需要(yao)綜合考慮檢測(ce)時的(de)水(shui)層距(ju)離以及(ji)聚焦(jiao)聲透鏡的(de)焦(jiao)距(ju)大小，水(shui)層距(ju)離要(yao)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(wei)兼顧鋼(gang)(gang)(gang)管內外壁(bi)缺(que)陷(xian)，不銹鋼(gang)(gang)(gang)無縫鋼(gang)(gang)(gang)管斜(xie)角法超聲探傷時，聚焦(jiao)聲透(tou)鏡的焦(jiao)點通常在鋼(gang)(gang)(gang)管水平(ping)(ping)軸面上(shang)較為(wei)合適，接下來分析焦(jiao)點位于鋼(gang)(gang)(gang)管水平(ping)(ping)軸面上(shang)方(fang)、水平(ping)(ping)軸面上(shang)、水平(ping)(ping)軸面下方(fang)的具體區別，如圖4.5所示(shi)。
1. 焦點位于鋼(gang)管(guan)水平軸面
由式(shi)（4.7)可以推出，當焦點恰好位于鋼管水(shui)平軸面上時(shi)，φ=0,此時(shi)γ＝η<a,表(biao)示左右兩側聲束(shu)人射(she)角相等且小于中間聲束(shu)入射(she)角，γ、n均與(yu)探(tan)(tan)頭半聚焦角0的(de)大(da)小有關。在該條件下，左右兩側聲束(shu)人射(she)角對稱分布(bu)，可兼顧(gu)鋼管內、外壁(bi)的(de)缺陷檢測，是探(tan)(tan)傷的(de)理想狀態(tai)。
2. 焦(jiao)點位于鋼管(guan)水平軸(zhou)面以上
這三(san)種情況都(dou)出現(xian)折射橫波快速向中心集(ji)中的現(xian)象，反射到(dao)外壁(bi)的檢(jian)測橫波面積較大，導(dao)致(zhi)對鋼管外壁(bi)缺(que)(que)陷(xian)的檢(jian)測靈敏度降低(di)，通過適當調(diao)整探頭(tou)，可實現(xian)折射橫波聚焦到(dao)鋼管內(nei)壁(bi)，由此提高內(nei)壁(bi)缺(que)(que)陷(xian)的檢(jian)測靈敏度。
3. 焦點(dian)位(wei)于鋼管水平軸面以下
這三(san)種情況(kuang)都出現左側折射橫(heng)波折射角大，右側折射橫(heng)波折射角小，引起橫(heng)波在鋼管(guan)(guan)(guan)內焦距(ju)增加的(de)(de)現象(xiang)，可(ke)以將管(guan)(guan)(guan)內折射橫(heng)波聚(ju)焦到(dao)鋼管(guan)(guan)(guan)外壁(bi)。因此，在該(gai)條件下，通過適調整探頭可(ke)提高鋼管(guan)(guan)(guan)外壁(bi)缺(que)陷的(de)(de)檢測靈敏度。
確定(ding)檢測時的水層距離及焦距后(hou)，還必須分析超聲(sheng)(sheng)縱(zong)波在水中傳播時的近場長度(du)，超聲(sheng)(sheng)波無法在近場以外聚焦。
以(yi)圓(yuan)形晶片為例，近場長度的(de)計算公(gong)式為：
當所需的(de)探(tan)頭(tou)透(tou)鏡焦距超出一定頻(pin)(pin)率(lv)(lv)下(xia)的(de)超聲近場長度(du)時，可通過改(gai)變(bian)探(tan)頭(tou)晶片的(de)大(da)小或者改(gai)變(bian)探(tan)頭(tou)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)滿足聚焦要求。
需要注意(yi)的(de)是，探頭焦距與透(tou)鏡晶片的(de)曲(qu)率半徑并不是一回事，兩者(zhe)之間的(de)關系如圖4.6所(suo)示(shi)，探頭焦距與透(tou)鏡曲(qu)率半徑之間的(de)關系可用下式表示(shi)：
以超聲(sheng)(sheng)傳播介質是水、透鏡材料是環氧樹脂為(wei)例，聲(sheng)(sheng)透鏡曲率半徑與探頭(tou)焦距之間(jian)的關系(xi)為(wei)r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼無縫(feng)鋼管為(wei)例，具(ju)體分析如(ru)何確定探頭焦距(ju)(ju)、聲透鏡(jing)曲率半徑、檢測偏心距(ju)(ju)，如(ru)圖4.7所(suo)示(shi)。其中(zhong)偏心距(ju)(ju)χ為(wei)
如果超聲探頭晶片為(wei)(wei)圓盤狀，檢(jian)測頻率為(wei)(wei)5MHz,有效(xiao)檢(jian)測直徑為(wei)(wei)Φ8mm,則水中縱(zong)波近場(chang)長度約為(wei)(wei)42.5mm,可以實現聚焦。
三、周向缺(que)險探傷超聲聚焦聲透(tou)鏡設計
小口(kou)徑(jing)薄壁不銹鋼無縫鋼管周向缺陷探傷時(shi)，為(wei)增(zeng)加有(you)效(xiao)檢(jian)(jian)測(ce)的聲(sheng)能，可同樣采(cai)用斜(xie)角法聚(ju)焦(jiao)方式檢(jian)(jian)測(ce)。
隨著現代工業(ye)生產的發(fa)展，產品競(jing)爭(zheng)日益激烈，幾(ji)乎所有的汽車發(fa)動機生產廠(chang)家(jia)都對發(fa)動機內應用的小口徑薄壁不(bu)銹鋼管提出(chu)(chu)嚴苛的質量(liang)要(yao)求，不(bu)光對鋼管的軸向(xiang)最(zui)小檢(jian)出(chu)(chu)缺(que)陷提出(chu)(chu)明(ming)確要(yao)求，對周向(xiang)最(zui)小檢(jian)出(chu)(chu)缺(que)陷也提
出了嚴(yan)苛的要求(qiu)，很大程度上(shang)遠(yuan)超目(mu)前的國家標準(zhun)甚至軍隊(dui)標準(zhun)。譬如德國博世公司(si)對小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管(guan)的軸向(xiang)、周向(xiang)最(zui)小檢出缺陷都(dou)要求(qiu)達到人工(gong)缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長(chang)×寬×深(shen)），如圖(tu)4.8所示。
小(xiao)口徑(jing)薄壁(bi)不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管周向缺陷(xian)檢測(ce)時所碰到(dao)的技術工藝問(wen)題(ti)與(yu)軸向缺陷(xian)檢測(ce)基本相同(tong)，但因鋼(gang)管中折射橫波的傳播途徑(jing)不同(tong)，探頭聲透鏡的設計方法也就(jiu)不一(yi)樣，以下具體(ti)分(fen)析。
聚焦探(tan)頭焦點(dian)或焦線(xian)位于鋼管垂直軸面上(shang)，如圖4.2所示。采用斜角法檢(jian)(jian)測(ce)時，為獲(huo)得折射橫波，根據式（4.1），必須滿(man)足(zu)第一臨界角條件，受不銹鋼無縫鋼管壁厚的(de)(de)影響，在管壁較薄(bo)的(de)(de)情況下，應(ying)適當增(zeng)加聲束(shu)的(de)(de)入射角，避免探(tan)傷盲(mang)區(qu)的(de)(de)影響，此外還(huan)可以通(tong)過提高檢(jian)(jian)測(ce)頻率，優化探(tan)頭設計等手(shou)段(duan)減小檢(jian)(jian)測(ce)盲(mang)區(qu)。
探頭焦距的選定，應(ying)以焦點落在(zai)被檢鋼管內壁為(wei)佳(jia)。計算焦距時(shi)，除(chu)考(kao)(kao)慮水層厚(hou)度(du)對探傷信(xin)號的影(ying)響外，還應(ying)考(kao)(kao)慮折射橫波(bo)在(zai)鋼管內傳(chuan)播的等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)水距離(li)。如(ru)圖4.9所(suo)示(shi)，聲束在(zai)水中傳(chuan)播距離(li)為(wei)L*，折射橫波(bo)在(zai)鋼管中的傳(chuan)播距離(li)為(wei)L常，則(ze)等(deng)(deng)效(xiao)(xiao)水距離(li)為(wei)
探頭聲透鏡(jing)的曲(qu)率半徑(jing)設計(ji)按照式(shi)8 即可。
