鋯合金薄板材蘭姆波探傷工藝研究

石養(yǎng)鑫* 盧 輝 郭陳勇 張 成

（1.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司 2.國核寶鈦鋯業(yè)股份有限公司）

0 引言

鋯合金具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫及中子截面吸收系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，被普遍的用作核反應(yīng)堆的包殼材料和結(jié)構(gòu)材料?；谄涮厥獾膽?yīng)用環(huán)境和苛刻的服役條件，要求對(duì)其進(jìn)行100%無損檢測(cè)。對(duì)于厚度為6 mm 以下的薄板，通常需采用蘭姆波進(jìn)行超聲檢測(cè)。與常規(guī)的超聲波相比，蘭姆波檢測(cè)具有快捷、高效的特點(diǎn)，同時(shí)由于蘭姆波的多模式和頻散特性，導(dǎo)致其在激勵(lì)、傳播和信號(hào)處理等方面較為復(fù)雜，因此，選擇合適的蘭姆波模式對(duì)缺陷探傷十分重要。本文以Zr-4 合金（δ1.50 mm 和δ4.50 mm）板材為例，對(duì)蘭姆波探傷時(shí)的最佳參數(shù)、調(diào)傷環(huán)節(jié)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了較好的檢測(cè)效果。

1 工藝實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

1.1 蘭姆波檢測(cè)原理

蘭姆波是一種板波，一種以特殊形式存在并傳播的超聲波。且蘭姆波的傳播速度是變化的，并與檢測(cè)對(duì)象的介質(zhì)性質(zhì)、波的頻率f、板的厚度d有關(guān)。

對(duì)于給定材料的薄板，當(dāng)工作頻率和板厚確定時(shí)，可通過改變?nèi)肷浣窃诎逯械玫讲煌Ｊ降奶m姆波。不同模式蘭姆波的靈敏度沿深度方向的分布情況也不同。為了可靠地發(fā)現(xiàn)不同深度的缺陷，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇兩種或兩種以上的模式，并分別對(duì)同一板進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 群速度曲線和相速度曲線

一般將頻率與板厚的乘積（f·d）作為一個(gè)因子考慮，由材料的縱波速度和橫波速度計(jì)算得到f·d與蘭姆波相速度Cp的關(guān)系曲線，也就是相速度曲線；群速度（Cg）的嚴(yán)格計(jì)算非常復(fù)雜，為了便于計(jì)算，通常將一個(gè)脈沖諧波中最大振幅的頻率及其附近頻率成分的群速率定為該脈沖的群速度。因此，可利用被檢材料的縱波速度和橫波速度求解蘭姆波特征方程，計(jì)算并繪制該材料的相速度曲線和群速度曲線。對(duì)于Zr-4 合金，其縱波聲速為4 840 m/s，橫波聲速為2 340 m/s，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制的相速度和群速度曲線如圖1 所示。

圖1 Zr-4板材的相速度和群速度曲線

1.3 檢測(cè)模式選擇

通常根據(jù)探傷所用探頭的頻率和被檢板材板厚的乘積，在相應(yīng)合金材料的相速度曲線圖上，查找不同模式下的相速度，分別計(jì)算出其相應(yīng)的入射角。再按理論計(jì)算的入射角進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，要求檢測(cè)效果好，檢測(cè)靈敏度高。

入射角α可由式（1）確定：

2 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 儀器選擇

為了使激勵(lì)的蘭姆波模式相對(duì)單一，超聲檢測(cè)儀發(fā)射的脈沖帶寬和接收放大器的帶寬要求盡可能窄。目前市售的發(fā)射脈沖為方波的檢測(cè)儀與普通的發(fā)射脈沖為尖脈沖的檢測(cè)儀相比，更適合用于蘭姆波檢測(cè)。本次工藝實(shí)驗(yàn)選用性能穩(wěn)定的便攜式數(shù)字超聲探傷儀EPOCH1000。

2.2 探頭選擇

蘭姆波的激發(fā)與一般的縱波和橫波檢測(cè)時(shí)的要求存在很大的不同，改變探頭入射角可獲得不同模式的蘭姆波，本次工藝實(shí)驗(yàn)選用探頭為2.5 MHz 的可變角探頭。

2.3 對(duì)比試塊

對(duì)比試塊是用以調(diào)整探傷儀靈敏度和評(píng)價(jià)缺陷當(dāng)量大小的依據(jù)，因產(chǎn)品技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)傷為 1.0 mm通孔，選取與被檢板材一致的材料牌號(hào)、狀態(tài)和公稱厚度一致的板材，按照GJB 3384—1998《金屬薄板蘭姆波檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求制作了 1.0 mm 通孔對(duì)比試塊，對(duì)比試塊的情況可見圖2。

圖2 對(duì)比試塊（單位：mm）

2.4 實(shí)驗(yàn)

依據(jù)Zr-4 相速度頻散曲線圖，查找不同模式下的相速度，分別計(jì)算出其相應(yīng)的入射角。在模式的選擇中，因?yàn)槟ｋA越高，其相速度越快，能量越低，因此高階模式的蘭姆波的端面回波會(huì)出現(xiàn)在低階模式蘭姆波的端面回波之前。選擇的模階過低會(huì)被高階模式蘭姆波信號(hào)干擾，而選擇的模階過高則會(huì)因?yàn)槟芰窟^低而受到雜波的影響，所以模階的選擇因根據(jù)實(shí)際情況而定，盡量避免各種干擾信號(hào)，詳見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

由表1 可以看出，在2.5 MHz 下條件，檢測(cè)Zr-4 δ1.50 mm的板材，模式僅能選取A1、S1、S2三種模式，δ4.50 mm Zr-4板材，檢測(cè)模式可選擇A3、S3、A4、S4、A5、S5等 6 種模式。

對(duì)厚度為δ1.50 mm 試板進(jìn)行三種模式的試驗(yàn)，獲得的檢測(cè)效果分別如圖3 所示。

圖3 δ1.50 mm試板不同模式標(biāo)準(zhǔn)傷檢測(cè)圖

由圖3 可以看出，理論分析確定的三種檢測(cè)模式中，A1、S2 模式在實(shí)際檢測(cè)中波形較為理想，具有足夠的信噪比和檢測(cè)靈敏度，S1 模式下信號(hào)與板邊的分辨率較差。檢測(cè)過程中需要采用多種模式檢測(cè)，可以變換更高點(diǎn)的檢測(cè)頻率，獲取更多的檢測(cè)模式。

厚度為δ4.50 mm Zr-4 合金試板進(jìn)行檢測(cè)，獲得的檢測(cè)效果如圖4 所示。

由圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論分析確定的幾種檢測(cè)模式，在實(shí)際檢測(cè)過程中A3、S3模式下信號(hào)與板邊的分辨率較差，S4模式下人工缺陷波形不獨(dú)立，S5模式噪聲偏高，信噪比差，其余波形較為理想。

圖4 δ4.50 mm試板不同模式標(biāo)準(zhǔn)傷檢測(cè)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)1.50 mm 板材采用A1、S2兩種模式進(jìn)行進(jìn)行蘭姆波超聲檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一例自然缺陷（兩種模式均可檢出）。對(duì)信號(hào)處進(jìn)行了分析及金相解剖，該自然缺陷檢測(cè)波形如圖5 所示 ，解剖結(jié)果可見圖6。

圖5 自然缺陷波形圖

圖6 自然缺陷金相圖

由檢測(cè)波形可以看出，該自然缺陷在A1模式下波幅較高超出滿屏80%，S2模式下波幅較低，僅為滿屏的40%，進(jìn)一步說明蘭姆波在整個(gè)板厚上的能量不一致。根據(jù)金相解剖結(jié)果顯示，該處顯示信號(hào)為夾雜缺陷，在軋制過程中被延長，長度為0.2 mm。

4 工藝實(shí)驗(yàn)過程的要領(lǐng)分析

根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)確定的檢測(cè)模式，在實(shí)際檢測(cè)中得到充分應(yīng)用，完成了公司Zr-4 合金薄板材的超聲檢測(cè)。為了進(jìn)一步確保檢測(cè)效果，應(yīng)用中應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

（1）蘭姆波的激發(fā)

蘭姆波的激發(fā)與一般的縱波和橫波檢測(cè)時(shí)的要求存在很大的不同，為了易于激發(fā)蘭姆波，要求激勵(lì)脈沖持續(xù)時(shí)間長，晶片尺寸大。

為了使激勵(lì)的蘭姆波模式相對(duì)單一，超聲檢測(cè)儀發(fā)射的脈沖帶寬和接收放大器的帶寬要求盡可能窄。目前市售的發(fā)射脈沖為方波的檢測(cè)儀與普通的發(fā)射脈沖為尖脈沖的檢測(cè)儀相比，更適用于蘭姆波檢測(cè)。

（2）蘭姆波的鑒別

判別探頭激發(fā)的波為蘭姆波還是其他波，可以將探頭前沿垂直板的邊緣放置在緊靠棱邊處，再將探頭垂直棱邊后移，觀察熒光屏上的棱邊反射回波寬度及幅度的變化。

如果激發(fā)的是蘭姆波，隨著探頭后移，探頭與棱邊的距離增大，棱邊反射波的寬度會(huì)隨之變寬，幅度逐漸變小。

若激發(fā)的是橫波，則當(dāng)探頭后移時(shí)，棱邊反射波的寬度不變，幅度則會(huì)呈規(guī)律性跳躍。

（3）靈敏度確定

蘭姆波檢測(cè)用的對(duì)比試驗(yàn)塊，可在板材上距端面一定距離處加工通孔，或在板材端面厚度方向上的某些位置加工刻槽。

靈敏度調(diào)整時(shí)，將探頭對(duì)準(zhǔn)人工通孔，使探頭前沿與人工通孔間的間距等于所確定的掃查行距，擦凈探頭至通孔間的耦合劑，調(diào)整增益，使通孔反射波高達(dá)到規(guī)定的高度。

（4）前沿盲區(qū)確定

將探頭對(duì)準(zhǔn)人工通孔，調(diào)整儀器使孔反射回波達(dá)到所要求的高度，然后將探頭向通孔移近，當(dāng)通孔反射波前沿與始波后沿剛好相交時(shí)，探頭后沿至通孔的距離為探頭的前沿盲區(qū)。

（5）掃查方式選擇

由于蘭姆波在整個(gè)板厚范圍內(nèi)傳播，只要模式選擇合適，在整個(gè)板厚范圍內(nèi)的靈敏度滿足要求，對(duì)板材的檢測(cè)從一面進(jìn)行即可，無需正、反兩面進(jìn)行。每次掃查過程中，要注意探頭前沿盲區(qū)，檢測(cè)區(qū)域應(yīng)在下一次掃查中予以覆蓋，以免造成漏檢。

（6）缺陷的評(píng)判

蘭姆波檢測(cè)到的缺陷回波的高度與缺陷迎波面的形態(tài)有關(guān)，與缺陷面積并無一定關(guān)系。因此，蘭姆波檢測(cè)不能根據(jù)反射高度來確定缺陷大小，可使波從四周入射，以定出周界或確定長度。

5 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了鋯合金檢測(cè)模式的選擇方法，實(shí)際應(yīng)用效果證明了方法的可行性，從而解決了檢測(cè)中模式模糊的實(shí)際問題，對(duì)保證檢測(cè)效果和產(chǎn)品質(zhì)量起到了指導(dǎo)作用。

為了確保檢測(cè)效果，檢測(cè)過程中應(yīng)注意蘭姆波的激發(fā)、鑒別、靈敏度、前沿盲區(qū)、掃查方式及缺陷判定的檢測(cè)要領(lǐng)。

根據(jù)自然缺陷的檢測(cè)情況，板材進(jìn)行蘭姆波檢測(cè)時(shí)，為了確保質(zhì)量應(yīng)需至少2 種模式進(jìn)行檢測(cè)。