(西部新鋯核材料科技有限公司，西安 710299)

鋯合金具有加工性能好、 耐腐蝕性較強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度適中等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作水堆的結(jié)構(gòu)材料[1]。鋯合金薄板材作為核燃料組件的結(jié)構(gòu)材料，其質(zhì)量至關(guān)重要，因而要求對(duì)板材進(jìn)行100%無損檢測(cè)，內(nèi)部不得有大于φ1.0 mm孔徑的缺陷。

一般來說，常采用蘭姆波檢測(cè)厚度為0.56 mm的金屬薄板材，GJB 3384-1998 《金屬薄板蘭姆波檢驗(yàn)方法》和GB/T 8651-2015 《金屬板材超聲板波探傷方法》等標(biāo)準(zhǔn)均提出采用蘭姆波對(duì)薄板進(jìn)行檢測(cè)。 傳統(tǒng)的蘭姆波薄板檢測(cè)一般采用手動(dòng)檢測(cè)的方法，而蘭姆波自動(dòng)檢測(cè)少有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[2-4]。為了獲得更加穩(wěn)定及可保存的檢測(cè)結(jié)果，以及更好地保障鋯合金薄板材的質(zhì)量，筆者對(duì)薄板蘭姆波自動(dòng)檢測(cè)的方法進(jìn)行了研究，以4.5 mm厚的薄板進(jìn)行了穩(wěn)定性等性能測(cè)試，結(jié)果顯示該自動(dòng)檢測(cè)方法可以獲得穩(wěn)定的檢測(cè)結(jié)果。

1 蘭姆波的自動(dòng)檢測(cè)

1.1 蘭姆波產(chǎn)生原理

蘭姆波是在薄板中形成的一種特殊形式的波，由于薄板上下界面的存在，聲波在其中不斷地被反射并相互干涉，最終在厚度方向形成駐波，而在板的延伸方向形成蘭姆波的傳播[5]。蘭姆波產(chǎn)生原理示意如圖1所示。

圖1 蘭姆波產(chǎn)生原理示意

1.2 頻散曲線

根據(jù)板內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的分布形態(tài)不同，Lamb波分為對(duì)稱型Lamb波和反對(duì)稱型Lamb波。同時(shí)，對(duì)于不同類型的Lamb波，還有不同的階次，通常用S0，S1，S2等表示不同的對(duì)稱型Lamb波模式，A0，A1，A2等表示不同的反對(duì)稱型Lamb波模式。

蘭姆波在自由邊界條件下的特征方程(對(duì)稱型)為

(1)

式中：d為板厚；ξ為角波數(shù)；α為入射角；β為折射角。

蘭姆波在自由邊界條件下的特征方程(非對(duì)稱型)為

(2)

其中

(3)

(4)

ξ=ω/cP

(5)

ω=2πf

(6)

式中：f為聲波頻率；cS為介質(zhì)中橫波的聲速；cL為無限大介質(zhì)中縱波的聲速；cP為蘭姆波的相速度；ω為角頻率。

由于蘭姆波的頻散特性，其在激勵(lì)、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、傳播、接收和信息提取等方面均十分復(fù)雜，且在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)要依據(jù)頻散曲線選擇合適的蘭姆波模式，所以蘭姆波頻散曲線是進(jìn)行蘭姆波檢測(cè)的重要參考依據(jù)，頻散曲線的繪制是利用蘭姆波檢測(cè)的前提和必要條件[6]。

根據(jù)鋯合金板材的縱波和橫波聲速(cL=4 680 m·s-1，cS=2 360 m·s-1)，通過軟件繪制了鋯合金板材的頻散曲線。群速度頻散曲線和相速度頻散曲線如圖2，3所示(圖中Cg為群速度)。

圖2 群速度頻散曲線

圖3 相速度頻散曲線

1.3 探頭的選擇

按照GJB 3384-1998標(biāo)準(zhǔn)的方法，選取不同頻率的可變角探頭，根據(jù)板端反射信號(hào)及通孔反射信號(hào)的信噪比來選擇探頭的頻率及入射角。不同頻率探頭的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同頻率探頭的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，頻率為2.5 MHz和2 MHz的探頭在A0/S0模式下有較好的檢測(cè)效果。

1.4 蘭姆波手動(dòng)掃查方式

對(duì)特定的板材及選用的儀器，按照模式選擇的方法正確選擇模式后，還需選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)參數(shù)進(jìn)行板材的掃查。

蘭姆波掃查通常采用列線法掃查，即按確定的掃查行距在板上沿軋制方向畫線，探頭從板邊最近的一條線開始，使聲傳播方向垂直于軋制方向和側(cè)邊，沿此線移動(dòng)并掃查完畢后，再沿相鄰的一條線繼續(xù)掃查[5]。

圖4 蘭姆波手動(dòng)掃查方法示意

按照GJB 3384標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行手動(dòng)掃查時(shí)，掃查方法示意如圖4所示。蘭姆波探頭(CH1)沿掃查方向進(jìn)行掃查，L1為探頭前沿到通孔的最大掃查行距，其中a1為板材端部盲區(qū)，b1為探頭前沿盲區(qū)。根據(jù)板材受檢方向的尺寸和選定的最大掃查行距合理地確定掃查行距，完成整張板材的100%掃查。

在手動(dòng)掃查時(shí)，可能存在用力不均、耦合不良及掃查線偏移等因素，較容易造成漏檢，因此有必要進(jìn)行蘭姆波的自動(dòng)檢測(cè)，以保證檢測(cè)的穩(wěn)定性。

1.5 蘭姆波自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

以蘭姆波手動(dòng)掃查方式為基礎(chǔ)，在水浸超聲設(shè)備縱波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了蘭姆波自動(dòng)檢測(cè)的功能。

蘭姆波檢測(cè)有兩種方式，一種是在水中進(jìn)行檢測(cè)，一種是升出水面進(jìn)行檢測(cè)。為了選擇合適的檢測(cè)方式，對(duì)這兩種方式進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

采用2.5 MHz的可變角探頭，對(duì)4.5 mm厚鋯合金試塊分別進(jìn)行水上和水中檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，其中間距為探頭前沿到人工缺陷的距離(人工缺陷至板端為50 mm)。

表2 4.5 mm厚鋯合金試塊的水上和水中的

結(jié)果顯示，在相同靈敏度的情況下，波高達(dá)到30%左右時(shí)，空氣中蘭姆波在板中可傳播300 mm，而板材浸入水中時(shí)，蘭姆波僅可傳播約20 mm。板材浸入水中時(shí)蘭姆波衰減非常大，因此系統(tǒng)選擇了將檢測(cè)平臺(tái)升出水面進(jìn)行蘭姆波檢測(cè)的方式。蘭姆波檢測(cè)系統(tǒng)具備以下的基本功能。

(1) 水槽中有可升降的檢測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)落入水槽時(shí)可用于水浸縱波檢測(cè)，平臺(tái)升出水面時(shí)可用于蘭姆波檢測(cè)。

(2) 探頭機(jī)械掃查器。掃查器包括可升降的探頭工裝等機(jī)械電氣裝置，可在x、y、z3個(gè)方向傳動(dòng)。線性軸x=4 500 mm，速度≤600 mm·s-1；y=1 300 mm，速度≤300 mm·s-1；z=200 mm，速度≤100 mm·s-1。

(3) 水循環(huán)系統(tǒng)。具備穩(wěn)定提供耦合水的功能。

(4) 真空吸水功能?？梢詫Ⅰ詈纤皶r(shí)吸走，避免多余耦合水對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

(5) 供水及吸水的平衡通過水流量閥進(jìn)行控制，以蘭姆波信號(hào)穩(wěn)定時(shí)的水壓作為水流量控制的參數(shù)。

(6) 蘭姆波檢測(cè)軟件具備實(shí)時(shí)的 A/B/C掃查顯示，A/B/C 掃描圖像可自由縮放顯示及對(duì)掃描圖像進(jìn)行缺陷統(tǒng)計(jì)分析，其中蘭姆波成像為B掃描圖像。

1.6 蘭姆波的自動(dòng)掃查方式

蘭姆波探頭掃查機(jī)構(gòu)配置了兩個(gè)檢測(cè)通道，分別安裝了兩個(gè)蘭姆波探頭(蘭姆波的傳播方向相反)，掃查方向?yàn)榘宀能埾颉Ｌm姆波的自動(dòng)掃查方式示意如圖5所示(CH1為蘭姆波檢測(cè)1通道；CH2為蘭姆波檢測(cè)2通道；最大掃查行距為L(zhǎng)=L1+L2-x0，L1為CH1探頭的最大掃查行距，L2為CH2探頭的最大掃查行距，x0為前沿盲區(qū)互相掃查的覆蓋區(qū)域，x0≥b1+b2，b1為CH1的前沿盲區(qū)，b2為CH2的前沿盲區(qū))。

圖5 蘭姆波的自動(dòng)掃查方式示意

實(shí)際掃查時(shí)，由設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將探頭掃查裝置沿x軸方向進(jìn)行掃查，當(dāng)一次不能完成掃查時(shí)，可在y軸方向上進(jìn)行步進(jìn)，掃查的次數(shù)為N≥n=A/L，其中N取大于等于n的整數(shù)，掃查步徑為L(zhǎng)0=A/N，其中A為板材寬度。

2 板材自動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用

以4.5 mm厚的鋯合金薄板材進(jìn)行蘭姆波自動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用。檢測(cè)儀器為EU-14型8通道超聲波檢測(cè)儀，使用其中的2個(gè)通道；探頭為2.5 MHz10×15 KB(0°～80°角度可調(diào))，2只。

圖6 蘭姆波檢測(cè)試塊結(jié)構(gòu)示意

2.1 檢測(cè)試塊

根據(jù)檢測(cè)要求，為了驗(yàn)證檢測(cè)能力，試塊中設(shè)計(jì)了不同大小的通孔及平底孔。蘭姆波檢測(cè)試塊結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

2.2 工藝參數(shù)

采用CH1和CH2探頭分別對(duì)試塊兩端的通孔進(jìn)行靈敏度調(diào)試(按端部盲區(qū)a1=a2=15 mm的通孔進(jìn)行調(diào)試)，確定的檢測(cè)參數(shù)為：探頭角度59°；CH1和CH2探頭掃查行距L1=L2=130 mm；CH1和CH2探頭的前沿盲區(qū)b1=b2=10 mm；最大掃查行距L=240 mm，掃查次數(shù)n=3.3次，取整N=4次，掃查步徑為L(zhǎng)0=200 mm；掃查速度為100 mm·s-1。

2.3 掃查結(jié)果

按以上工藝參數(shù)對(duì)試塊進(jìn)行掃查，其結(jié)果是該方法可以穩(wěn)定地檢出試塊的所有人工缺陷。4次檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

2.4 穩(wěn)定性測(cè)試

采用CH1和CH2兩通道分別對(duì)人工缺陷進(jìn)行50次穩(wěn)定性測(cè)試，50次測(cè)試結(jié)果靈敏度的波動(dòng)小于2 dB。

2.5 改進(jìn)空間

優(yōu)選合適參數(shù)的探頭，增加探頭最大掃查行距L，可再提升檢測(cè)效率。探頭掃查機(jī)構(gòu)的寬度較寬，使得x方向上板材兩端的盲區(qū)較大，需采用增加延長(zhǎng)塊或其他合理的方式減小盲區(qū)。

3 結(jié)論

通過在水浸C掃描檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上增加蘭姆波自動(dòng)掃查裝置，采用模擬手動(dòng)檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)了蘭姆波的自動(dòng)檢測(cè)。以4.5 mm厚板材試塊進(jìn)行穩(wěn)定性等性能測(cè)試，其結(jié)果顯示該自動(dòng)檢測(cè)方法可以獲得穩(wěn)定的檢測(cè)結(jié)果。