由于钛合金具有高强度、耐腐蚀、耐热等优点，在工业领域中被广泛应用，特别是钛合金管的使用，因此对钛合金管道进行必要的检测和维护来保证其使用安全也变得越来越重要。目前国内外针对内部结垢问题大都采用的是人工定期拆管检查，这样的检测方式不仅效率低，还增加了企业的成本。超声波测厚技术是检测行业厚度测量工程中的一个重要部分，能够有效且快捷地完成厚度的测量。
本文通过对超声耦合系统进行研究，结合钛合金管坯特点、自动超声测厚系统和壁厚砂带修磨装置的关系，对钛合金管坯超声检测机构的机械部分进行了设计。
钛合金管超声波液浸测厚法及耦合系统研究
1.1 缝管材超声波液浸法测厚基本原理
超声波液浸法指的是探头发射的声波经过一段液体层后再进入工件的检测方法。
当被检管材沿其轴线穿过检测区时，套住管材的容器充满液态耦合剂，超声探头发出与管材轴线垂直的超声波声束，通过耦合剂传播到管材表面上，在管材外表面一部分形成反射波，一部分透射后继续在管体内传播。反射波再通过耦合剂传播至探头后，经声电转化形成外表面回波脉冲，另一部分透射波传播至内下表面时也会形成反射波，其中的一部分又会在内外表面多次反射，进而形成多次回波信号。
根据超声波脉冲法测厚的基本原理，液浸法所测得的壁厚值h为：
其中，t1为探头接收到外表面反射回波的时间，t2为探头接收到一次透射回波的时间。
液浸法检测，探头不直接接触工件，因此对工件表面粗糙度要求不高，探头也不易磨损。并且声波的发射和接收都比较稳定，探测结果重复性好，便于自动化检测的实现。
1.2超声波耦合系统
1.2.1耦合剂的选择
耦合剂必须具备的性质：
对晶片和工件的湿润性和中性;适当的粘度、流动性；声特性阻抗与工件的声特性阻抗相近；不会对工件产生腐蚀，无毒；透声性能好，价格低廉。水浸检测能够提供均匀的耦合，还能使探头避免摩擦和磨损。
鉴于水浸法已成功应用于超声波探伤，有其现实可行性，且水对人体无害，对钛合金无腐蚀性，同时遵从工业应用低成本的原则，我们选择水作为耦合剂。
1.2.2超声波耦合方式的选择
在超声波液浸法测厚系统中，探头与工件间的耦合方式分为直接接触法、充液法、局部液浸法和全没液浸法四种。
分析可得直接接触法不适用于自动检测，充液法存在摩擦问题，局部液浸法需要良好的密封，因此本文选择如图1.2所示的全没液浸法的耦合方式。
全没液浸法就是将试件整个浸没在水槽或水箱中的方法，探头用夹具固定，超声波束中心通常应垂直于试件的检测面或地面。
1.3探头到管坯表面距离的计算
为了将探头激励信号与被测表面的回波反射信号区分开来，保证探头能够进行有效范围的检测，减少其扫描盲区，要求探头和被检测面之间的距离足够长。当水层厚度较小时，声波在探头与试件间的延迟时间将短于在试件中的延迟时间，在试件后壁回波到达之前将会出现不希望有的二次界面回波。
由于实际声场近场区轴线上声压分布较为均匀，声能变化小，若管坯内外表面正好处在近场区内，可以有效提高测量的精度和准确性。因此，必须要设计合理的耦合水层厚度。
①衰减对耦合水层厚度S影响的计算
鉴于底面回波会在管壁中多次反射的缘故，超声检测仪器在设计时通常会设定当第n次所发射的超声波脉冲衰减至0后再发射第n+1次超声波脉冲。因此，两次界面波之间的距离即为超声波脉冲在管壁内反射n次的距离。由前述超声波测厚理论可知，脉冲反射法测厚的实质是测量两相邻反射回波之间的经历时间T。因此，若把超声波在管壁内8次反复传播的时间设计为小于等于第一次界面波的返回时间，由T水=T钛， (式中T为超声波在介质中的传播时间，S'为声波传播距离，V为超声波在介质中的传播速度)，可得：式中，t为管坯平均壁厚。
②近场距离N对水层厚度影响的计算
水的近场距离为：
钛合金的近场距离为：
两种介质接触时，钛合金中的近场距离为：
因此，从保证测量装置水腔容积和检测装置灵活性的角度出发，探头至管坯表面距离定在S~N是较为合理的选择。
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