總體來講，不銹鋼無縫鋼管超聲波探傷技術(shù)較為成熟，常見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)自動化，檢測靈敏度及探傷效率均較高，因此，本書重點(diǎn)討論水浸式超聲探傷。
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(yīng)用于大口徑厚壁不銹鋼管的無損檢測，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。對于汽車發(fā)動機(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鋼管內(nèi)外缺陷，而表面波探傷主要用來檢測鋼管表面的缺陷。圖4.1為小直徑薄壁不銹鋼無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)，為提高檢測的準(zhǔn)確性，可采用多個(gè)探頭同時(shí)檢測。為實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外壁的軸向缺陷檢測，通常需要如圖4.2所示的檢測方式，為實(shí)現(xiàn)檢測速度與檢測準(zhǔn)確性的提升，同樣可采用多個(gè)探頭同時(shí)檢測。
鑒于汽車發(fā)動機(jī)用不銹鋼無縫管的高要求，其選用的小口徑薄壁不鋼無縫鋼管的題聲探傷宜采用聚然方式檢測，超聲傳播過程中，在聚焦?fàn)盍蚁驴梢员M可能實(shí)現(xiàn)檢測聲能的集中，提高檢測靈敏度。一般情況下，為保證檢測速度，采用線聚焦檢測即可滿足要求，當(dāng)鋼管的檢測精度提出特別要求時(shí)，可采用點(diǎn)聚焦方式，此時(shí)檢測速度會有所降低。
小口徑薄壁不銹鋼管探傷過程中，無論軸向缺陷或者周向缺陷的檢測，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)專業(yè)性、技術(shù)性較強(qiáng)的工作，涉及很多專業(yè)知識，本書中不做詳細(xì)討論，僅從滿足探傷工藝要求的角度對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)，探頭聲束中心線與鋼管輸心線的平行距離，用工加以表示。確定偏心距應(yīng)滿足以下兩個(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)過程中，需要綜合考慮檢測時(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)聲束人射角對稱分布，可兼顧鋼管內(nèi)、外壁的缺陷檢測，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，反射到外壁的檢測橫波面積較大，導(dǎo)致對鋼管外壁缺陷的檢測靈敏度降低，通過適當(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，通過適調(diào)整探頭可提高鋼管外壁缺陷的檢測靈敏度。
確定檢測時(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)的近場長度，超聲波無法在近場以外聚焦。
以圓形晶片為例，近場長度的計(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長度時(shí)，可通過改變探頭晶片的大小或者改變探頭頻率滿足聚焦要求。
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狀，檢測頻率為5MHz,有效檢測直徑為Φ8mm,則水中縱波近場長度約為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縫鋼管周向缺陷探傷時(shí)，為增加有效檢測的聲能，可同樣采用斜角法聚焦方式檢測。
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品競爭日益激烈，幾乎所有的汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠家都對發(fā)動機(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，不光對鋼管的軸向最小檢出缺陷提出明確要求，對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)超目前的國家標(biāo)準(zhǔn)甚至軍隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)。譬如德國博世公司對小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管的軸向、周向最小檢出缺陷都要求達(dá)到人工缺陷2mm×0.15mm×0.15mm（長×寬×深），如圖4.8所示。
小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管周向缺陷檢測時(shí)所碰到的技術(shù)工藝問題與軸向缺陷檢測基本相同，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)或焦線位于鋼管垂直軸面上，如圖4.2所示。采用斜角法檢測時(shí)，為獲得折射橫波，根據(jù)式（4.1），必須滿足第一臨界角條件，受不銹鋼無縫鋼管壁厚的影響，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，此外還可以通過提高檢測頻率，優(yōu)化探頭設(shè)計(jì)等手段減小檢測盲區(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)，除考慮水層厚度對探傷信號的影響外，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*，折射橫波在鋼管中的傳播距離為L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。
