總體來(lái)講，不銹鋼無(wú)縫鋼管超聲波探傷技術(shù)較為成熟，常見(jiàn)的探傷方法主要包括接觸式探傷、水浸式探傷。其中水浸式探傷容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，檢測(cè)靈敏度及探傷效率均較高，因此，本書(shū)重點(diǎn)討論水浸式超聲探傷。
不銹鋼無(wú)縫鋼管水浸式探傷過(guò)程中，常見(jiàn)的檢測(cè)方法為垂直探傷法和斜角探傷法，其中垂直探傷法主要應(yīng)用于大口徑厚壁不銹鋼管的無(wú)損檢測(cè)，當(dāng)餓管壁厚達(dá)到直徑的20%以上時(shí)，采用垂直法較為合適。對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中采用的小直徑薄壁不銹鋼管，斜角法顯然更為適用。
斜角法振傷主要采用橫波探傷和表面波探傷，其中橫波探傷可以檢測(cè)鋼管內(nèi)外缺陷，而表面波探傷主要用來(lái)檢測(cè)鋼管表面的缺陷。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管超聲探傷的基本形式。
圖4.1中所給出的基本形式為斜角法探傷，所檢測(cè)的鋼管缺陷通常以軸向傷為主，以該方法為基礎(chǔ)，為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可采用多個(gè)探頭同時(shí)檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外壁的軸向缺陷檢測(cè)，通常需要如圖4.2所示的檢測(cè)方式，為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)速度與檢測(cè)準(zhǔn)確性的提升，同樣可采用多個(gè)探頭同時(shí)檢測(cè)。
鑒于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用不銹鋼無(wú)縫管的高要求，其選用的小口徑薄壁不鋼無(wú)縫鋼管的題聲探傷宜采用聚然方式檢測(cè)，超聲傳播過(guò)程中，在聚焦?fàn)盍蚁驴梢员M可能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)聲能的集中，提高檢測(cè)靈敏度。一般情況下，為保證檢測(cè)速度，采用線(xiàn)聚焦檢測(cè)即可滿(mǎn)足要求，當(dāng)鋼管的檢測(cè)精度提出特別要求時(shí)，可采用點(diǎn)聚焦方式，此時(shí)檢測(cè)速度會(huì)有所降低。
小口徑薄壁不銹鋼管探傷過(guò)程中，無(wú)論軸向缺陷或者周向缺陷的檢測(cè)，在探傷儀器性能穩(wěn)定的前提下，影響探傷靈敏度的因素主要包括四個(gè)方面：①. 超聲探頭設(shè)計(jì)與加工；②. 超聲探頭偏心距選擇；③. 超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)；④. 檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性。
上述影響因素中，超聲探頭的設(shè)計(jì)與加工是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性、技術(shù)性較強(qiáng)的工作，涉及很多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，本書(shū)中不做詳細(xì)討論，僅從滿(mǎn)足探傷工藝要求的角度對(duì)超聲探頭的偏心距選擇及超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)加以分析。
一、軸向缺陷檢測(cè)的超聲探頭偏心距選擇
所謂超聲探頭偏心距是指采用折射橫波探傷時(shí)，探頭聲束中心線(xiàn)與鋼管輸心線(xiàn)的平行距離，用工加以表示。確定偏心距應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件（如圖4.3所示）。
1. 鋼管橫波探傷條件
當(dāng)超聲入射角滿(mǎn)足第一臨界角，即鋼中縱波折射角為90°時(shí)，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(shí)選擇的入射角應(yīng)滿(mǎn)足α≥αLmin,此時(shí)折射進(jìn)鋼管內(nèi)的超聲波變?yōu)闄M波，折射角用βs加以表示。
2. 管內(nèi)壁缺陷檢測(cè)條件
二、軸向缺陷探傷超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)
超聲探傷中所應(yīng)用的聲透鏡材料通常為環(huán)氧樹(shù)脂膠固化后形成，其聲速約為2.65mm/μs.超聲探頭聲透鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮檢測(cè)時(shí)的水層距離以及聚焦聲透鏡的焦距大小，水層距離要求如圖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(mǎn)足T水≥2T鋼，即水中的超聲傳播時(shí)間不小于鋼中的傳播時(shí)間的2倍，由該條件，可得探傷時(shí)探頭距離鋼管表面的距離條件為:
為兼顧鋼管內(nèi)外壁缺陷，不銹鋼無(wú)縫鋼管斜角法超聲探傷時(shí)，聚焦聲透鏡的焦點(diǎn)通常在鋼管水平軸面上較為合適，接下來(lái)分析焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面上方、水平軸面上、水平軸面下方的具體區(qū)別，如圖4.5所示。
1. 焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面
由式（4.7)可以推出，當(dāng)焦點(diǎn)恰好位于鋼管水平軸面上時(shí)，φ=0,此時(shí)γ＝η<a,表示左右兩側(cè)聲束人射角相等且小于中間聲束入射角，γ、n均與探頭半聚焦角0的大小有關(guān)。在該條件下，左右兩側(cè)聲束人射角對(duì)稱(chēng)分布，可兼顧鋼管內(nèi)、外壁的缺陷檢測(cè)，是探傷的理想狀態(tài)。
2. 焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面以上
這三種情況都出現(xiàn)折射橫波快速向中心集中的現(xiàn)象，反射到外壁的檢測(cè)橫波面積較大，導(dǎo)致對(duì)鋼管外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度降低，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整探頭，可實(shí)現(xiàn)折射橫波聚焦到鋼管內(nèi)壁，由此提高內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。
3. 焦點(diǎn)位于鋼管水平軸面以下
這三種情況都出現(xiàn)左側(cè)折射橫波折射角大，右側(cè)折射橫波折射角小，引起橫波在鋼管內(nèi)焦距增加的現(xiàn)象，可以將管內(nèi)折射橫波聚焦到鋼管外壁。因此，在該條件下，通過(guò)適調(diào)整探頭可提高鋼管外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。
確定檢測(cè)時(shí)的水層距離及焦距后，還必須分析超聲縱波在水中傳播時(shí)的近場(chǎng)長(zhǎng)度，超聲波無(wú)法在近場(chǎng)以外聚焦。
以圓形晶片為例，近場(chǎng)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：
當(dāng)所需的探頭透鏡焦距超出一定頻率下的超聲近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)，可通過(guò)改變探頭晶片的大小或者改變探頭頻率滿(mǎn)足聚焦要求。
需要注意的是，探頭焦距與透鏡晶片的曲率半徑并不是一回事，兩者之間的關(guān)系如圖4.6所示，探頭焦距與透鏡曲率半徑之間的關(guān)系可用下式表示：
以超聲傳播介質(zhì)是水、透鏡材料是環(huán)氧樹(shù)脂為例，聲透鏡曲率半徑與探頭焦距之間的關(guān)系為r≈0.45F。
以 Φ 30×2mm不銹鋼無(wú)縫鋼管為例，具體分析如何確定探頭焦距、聲透鏡曲率半徑、檢測(cè)偏心距，如圖4.7所示。其中偏心距χ為
如果超聲探頭晶片為圓盤(pán)狀，檢測(cè)頻率為5MHz,有效檢測(cè)直徑為Φ8mm,則水中縱波近場(chǎng)長(zhǎng)度約為42.5mm,可以實(shí)現(xiàn)聚焦。
三、周向缺險(xiǎn)探傷超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)
小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管周向缺陷探傷時(shí)，為增加有效檢測(cè)的聲能，可同樣采用斜角法聚焦方式檢測(cè)。
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，幾乎所有的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)應(yīng)用的小口徑薄壁不銹鋼管提出嚴(yán)苛的質(zhì)量要求，不光對(duì)鋼管的軸向最小檢出缺陷提出明確要求，對(duì)周向最小檢出缺陷也提
出了嚴(yán)苛的要求，很大程度上遠(yuǎn)超目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)甚至軍隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)。譬如德國(guó)博世公司對(duì)小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管的軸向、周向最小檢出缺陷都要求達(dá)到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長(zhǎng)×寬×深），如圖4.8所示。
小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管周向缺陷檢測(cè)時(shí)所碰到的技術(shù)工藝問(wèn)題與軸向缺陷檢測(cè)基本相同，但因鋼管中折射橫波的傳播途徑不同，探頭聲透鏡的設(shè)計(jì)方法也就不一樣，以下具體分析。
聚焦探頭焦點(diǎn)或焦線(xiàn)位于鋼管垂直軸面上，如圖4.2所示。采用斜角法檢測(cè)時(shí)，為獲得折射橫波，根據(jù)式（4.1），必須滿(mǎn)足第一臨界角條件，受不銹鋼無(wú)縫鋼管壁厚的影響，在管壁較薄的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加聲束的入射角，避免探傷盲區(qū)的影響，此外還可以通過(guò)提高檢測(cè)頻率，優(yōu)化探頭設(shè)計(jì)等手段減小檢測(cè)盲區(qū)。
探頭焦距的選定，應(yīng)以焦點(diǎn)落在被檢鋼管內(nèi)壁為佳。計(jì)算焦距時(shí)，除考慮水層厚度對(duì)探傷信號(hào)的影響外，還應(yīng)考慮折射橫波在鋼管內(nèi)傳播的等效水距離。如圖4.9所示，聲束在水中傳播距離為L(zhǎng)*，折射橫波在鋼管中的傳播距離為L(zhǎng)常，則等效水距離為
探頭聲透鏡的曲率半徑設(shè)計(jì)按照式8 即可。
