一般來(lái)說(shuō)，不銹鋼無(wú)縫鋼管的超聲波探傷技術(shù)比較成熟，常見(jiàn)的探傷方法主要有接觸式探傷和水浸式探傷。 其中，水浸探傷易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，檢測(cè)靈敏度和探傷效率高。 因此，本書(shū)以水浸式超聲探傷為主。

在不銹鋼無(wú)縫鋼管的水浸探傷過(guò)程中，常用的檢測(cè)方法有垂直探傷法和傾斜探傷法。 其中垂直探傷法主要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)，采用立式法較為適宜。 對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用的小口徑薄壁不銹鋼管，坡口法顯然更為合適。

斜角法主要采用橫波探傷和面波探傷，其中橫波探傷可檢測(cè)鋼管內(nèi)外缺陷，面波探傷主要檢測(cè)鋼管表面缺陷。 圖4.1為小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管超聲探傷的基本形式。

圖4.1給出的基本形式是斜角探傷法。 檢測(cè)到的鋼管缺陷通常主要是軸向缺陷。 基于該方法，可以采用多個(gè)探針同時(shí)檢測(cè)，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。 為實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外壁軸向缺陷的檢測(cè)，通常需要采用圖4.2所示的檢測(cè)方法。 為了提高檢測(cè)速度和檢測(cè)精度，也可以采用多個(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)縫管的要求較高，小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫管的聲波探傷宜采用收斂法進(jìn)行檢測(cè)。 超聲波在傳播過(guò)程中，盡可能實(shí)現(xiàn)在焦點(diǎn)下的聲能集中，提高了檢測(cè)靈敏度。 一般來(lái)說(shuō)，為了保證檢測(cè)速度，線(xiàn)聚焦檢測(cè)可以滿(mǎn)足要求。 當(dāng)鋼管檢測(cè)精度有特殊要求時(shí)，可采用點(diǎn)聚焦法，此時(shí)檢測(cè)速度會(huì)降低。

在小口徑薄壁不銹鋼管探傷過(guò)程中，無(wú)論檢測(cè)軸向缺陷還是環(huán)向缺陷，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有：四個(gè)方面：①． 超聲波探頭的設(shè)計(jì)與加工； ②. 超聲波探頭偏心度選擇； ③. 超聲波聚焦透鏡設(shè)計(jì)； ④. 測(cè)試設(shè)備的穩(wěn)定性。

在以上因素中，超聲波探頭的設(shè)計(jì)和加工是一項(xiàng)涉及大量專(zhuān)業(yè)知識(shí)的專(zhuān)業(yè)性、技術(shù)性強(qiáng)的工作。 本書(shū)不作詳細(xì)討論不銹鋼薄壁盤(pán)管，只是從滿(mǎn)足探傷工藝要求的角度考慮超聲波探頭的偏心問(wèn)題。 分析了超聲聚焦聲透鏡的選擇和設(shè)計(jì)。

1、軸向缺陷檢測(cè)超聲波探頭偏心距的選擇

所謂超聲探頭偏心是指折射剪切波探傷時(shí)，探頭聲束中心線(xiàn)與鋼管中心線(xiàn)的平行距離，用勞力表示。 確定偏心率應(yīng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件（如圖4.3所示）。

一、鋼管剪切波檢測(cè)條件

當(dāng)超聲入射角滿(mǎn)足第一臨界角，即縱波在鋼中的折射角為90°時(shí)，得到的入射角為純橫波探傷條件下的最小入射角，用αLmin表示，探傷時(shí)選擇的入射角應(yīng)為 如果滿(mǎn)足α≥αLmin，此時(shí)折射到鋼管內(nèi)的超聲波變?yōu)闄M波，折射角用βs表示。

2、內(nèi)壁缺陷的檢驗(yàn)條件

2. 軸向探傷用超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)

超聲波探傷所用的聲透鏡材料通常由環(huán)氧樹(shù)脂固化而成，其聲速約為2.65mm/μs。 在超聲探頭聲透鏡的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮探測(cè)時(shí)水層的距離和聲透鏡的焦點(diǎn)。 焦距和水層距離要求如圖4.4所示。

為避免二次表面反射波對(duì)缺陷反射波的干擾，必須滿(mǎn)足T水≥2T鋼，即超聲波在水中的傳播時(shí)間不小于在鋼中傳播時(shí)間的兩倍。 由該條件可知，探傷時(shí)探頭與鋼管表面的距離條件為：

不銹鋼無(wú)縫鋼管超聲探傷時(shí)，為了兼顧鋼管內(nèi)外壁的缺陷，聚焦聲透鏡的焦點(diǎn)通常在鋼管的水平軸上。 軸向平面以下的具體差異如圖4.5所示。

1.重點(diǎn)放在鋼管的橫軸上

由式(4.7)可知，當(dāng)焦點(diǎn)剛好在鋼管的橫軸上時(shí)，φ=0，此時(shí)γ=η

2.焦點(diǎn)在鋼管橫軸上方

三種情況都出現(xiàn)了折射剪切波向中心快速集中的現(xiàn)象，檢測(cè)到的剪切波反射到外壁的面積都比較大不銹鋼薄壁盤(pán)管，導(dǎo)致對(duì)表面缺??陷的檢測(cè)靈敏度下降鋼管的外壁。 通過(guò)適當(dāng)調(diào)整探頭，可以使折射橫波聚焦在鋼管內(nèi)壁上。 這提高了內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。

3.焦點(diǎn)在鋼管橫軸下方

在這三種情況下，左側(cè)折射橫波的折射角較大，右側(cè)折射橫波的折射角較小，造成橫波焦距在鋼管增大，管內(nèi)折射剪切波可聚焦到鋼管外壁。 因此，在此條件下，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整探頭來(lái)提高鋼管外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。

確定水層距離和檢測(cè)焦距后，還需要分析超聲波縱波在水中傳播的近場(chǎng)長(zhǎng)度，因?yàn)槌暡ú荒茉诮鼒?chǎng)外聚焦。

以圓形晶圓為例，近場(chǎng)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

當(dāng)所需探頭透鏡焦距超過(guò)某一頻率下的超聲近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)，可通過(guò)改變探頭元件尺寸或改變探頭頻率來(lái)滿(mǎn)足聚焦要求。

需要注意的是，探頭的焦距和透鏡晶片的曲率半徑不是一回事。 兩者的關(guān)系如圖4.6所示。 探頭焦距與透鏡曲率半徑的關(guān)系可用下式表示：

以水為超聲傳播介質(zhì)，環(huán)氧樹(shù)脂為透鏡材料，聲透鏡的曲率半徑與探頭焦距的關(guān)系為r≈0.45F。

以Φ30×2mm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)偏心率，如圖4.7所示，其中偏心率χ是

如果超聲探頭芯片為圓盤(pán)形，檢測(cè)頻率為5MHz，有效檢測(cè)直徑為Φ8mm，則縱波在水中的近場(chǎng)長(zhǎng)度約為42.5mm，即可實(shí)現(xiàn)聚焦。

3. 圓周缺陷檢測(cè)超聲聚焦聲透鏡設(shè)計(jì)

檢測(cè)小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管環(huán)向缺陷時(shí)，為增加有效檢測(cè)的聲能，也可采用斜角法檢測(cè)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，幾乎所有的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用小口徑薄壁不銹鋼管提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求，不僅要求軸向檢測(cè)缺陷最少鋼管方向明確要求，同時(shí)規(guī)定了圓周方向的最小可檢測(cè)缺陷

有嚴(yán)格的要求，在很大程度上遠(yuǎn)超現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，甚至是軍用標(biāo)準(zhǔn)。 例如，德國(guó)博世公司要求小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管軸向和圓周方向的最小檢出缺陷要達(dá)到2mm×0.15mm×0.15mm（長(zhǎng)×寬×深）的人工缺陷，如圖 4.8 所示。

小口徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管檢測(cè)中遇到的技術(shù)工藝問(wèn)題與軸向缺陷檢測(cè)中遇到的問(wèn)題基本相同。 但由于折射橫波在鋼管中的傳播路徑不同，探頭聲透鏡的設(shè)計(jì)方法也不同。 下面具體分析。

聚焦探頭的焦點(diǎn)或焦線(xiàn)位于鋼管的垂直軸線(xiàn)上，如圖4.2所示。 采用斜角法檢測(cè)時(shí)，為得到折射橫波，根據(jù)式（4.1），必須滿(mǎn)足第一個(gè)臨界角條件。 不銹鋼無(wú)縫鋼管受壁厚影響，在管壁較薄的情況下，應(yīng)適當(dāng)增大聲束入射角，避免探傷盲區(qū)的影響。 此外，還可以通過(guò)提高檢測(cè)頻率和優(yōu)化探頭設(shè)計(jì)來(lái)減少檢測(cè)盲區(qū)。

探頭焦距的選擇最好集中在被檢鋼管的內(nèi)壁上。 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)考慮折射剪切波在鋼管中傳播的等效水距。如圖4.9所示，聲束在水中的傳播距離為L(zhǎng)*，折射橫波在鋼管中的傳播距離為常數(shù)L，則等效水距為

探頭聲透鏡的曲率半徑可以根據(jù)公式8進(jìn)行設(shè)計(jì)。