鋯合金薄板材的蘭姆波自動檢測

(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、機械強度適中等優點，被廣泛用作水堆的結構材料[1]。鋯合金薄板材作為核燃料組件的結構材料，其質量至關重要，因而要求對板材進行100%無損檢測，內部不得有大于φ1.0 mm孔徑的缺陷。

一般來說，常采用蘭姆波檢測厚度為0.56 mm的金屬薄板材，GJB 3384-1998 《金屬薄板蘭姆波檢驗方法》和GB/T 8651-2015 《金屬板材超聲板波探傷方法》等標準均提出采用蘭姆波對薄板進行檢測。 傳統的蘭姆波薄板檢測一般采用手動檢測的方法，而蘭姆波自動檢測少有相關文獻報道[2-4]。為了獲得更加穩定及可保存的檢測結果，以及更好地保障鋯合金薄板材的質量，筆者對薄板蘭姆波自動檢測的方法進行了研究，以4.5 mm厚的薄板進行了穩定性等性能測試，結果顯示該自動檢測方法可以獲得穩定的檢測結果。

1 蘭姆波的自動檢測

1.1 蘭姆波產生原理

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]。蘭姆波產生原理示意如圖1所示。

圖1 蘭姆波產生原理示意

1.2 頻散曲線

根據板內質點振動位移的分布形態不同，Lamb波分為對稱型Lamb波和反對稱型Lamb波。同時，對于不同類型的Lamb波，還有不同的階次，通常用S0，S1，S2等表示不同的對稱型Lamb波模式，A0，A1，A2等表示不同的反對稱型Lamb波模式。

蘭姆波在自由邊界條件下的特征方程(對稱型)為

(1)

式中：d為板厚；ξ為角波數；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為介質中橫波的聲速；cL為無限大介質中縱波的聲速；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、質點振動、傳播、接收和信息提取等方面均十分復雜，且在進行檢測時要依據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行蘭姆波檢測的重要參考依據，頻散曲線的繪制是利用蘭姆波檢測的前提和必要條件[6]。

根據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標準的方法，選取不同頻率的可變角探頭，根據板端反射信號及通孔反射信號的信噪比來選擇探頭的頻率及入射角。不同頻率探頭的測試結果如表1所示。

表1 不同頻率探頭的測試結果

根據測試結果顯示，頻率為2.5 MHz和2 MHz的探頭在A0/S0模式下有較好的檢測效果。

1.4 蘭姆波手動掃查方式

對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，還需選擇適當的檢測參數進行板材的掃查。

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邊，沿此線移動并掃查完畢后，再沿相鄰的一條線繼續掃查[5]。

圖4 蘭姆波手動掃查方法示意

按照GJB 3384標準進行手動掃查時，掃查方法示意如圖4所示。蘭姆波探頭(CH1)沿掃查方向進行掃查，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，b1為探頭前沿盲區。根據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。

在手動掃查時，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，因此有必要進行蘭姆波的自動檢測，以保證檢測的穩定性。

1.5 蘭姆波自動檢測設備

以蘭姆波手動掃查方式為基礎，在水浸超聲設備縱波C掃描檢測系統的基礎上，增加了蘭姆波自動檢測的功能。

蘭姆波檢測有兩種方式，一種是在水中進行檢測，一種是升出水面進行檢測。為了選擇合適的檢測方式，對這兩種方式進行了對比試驗。

采用2.5 MHz的可變角探頭，對4.5 mm厚鋯合金試塊分別進行水上和水中檢測，結果如表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

結果顯示，在相同靈敏度的情況下，波高達到30%左右時，空氣中蘭姆波在板中可傳播300 mm，而板材浸入水中時，蘭姆波僅可傳播約20 mm。板材浸入水中時蘭姆波衰減非常大，因此系統選擇了將檢測平臺升出水面進行蘭姆波檢測的方式。蘭姆波檢測系統具備以下的基本功能。

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

(2) 探頭機械掃查器。掃查器包括可升降的探頭工裝等機械電氣裝置，可在x、y、z3個方向傳動。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) 水循環系統。具備穩定提供耦合水的功能。

(4) 真空吸水功能。可以將耦合水及時吸走，避免多余耦合水對檢測結果的干擾。

(5) 供水及吸水的平衡通過水流量閥進行控制，以蘭姆波信號穩定時的水壓作為水流量控制的參數。

(6) 蘭姆波檢測軟件具備實時的 A/B/C掃查顯示，A/B/C 掃描圖像可自由縮放顯示及對掃描圖像進行缺陷統計分析，其中蘭姆波成像為B掃描圖像。

1.6 蘭姆波的自動掃查方式

蘭姆波探頭掃查機構配置了兩個檢測通道，分別安裝了兩個蘭姆波探頭(蘭姆波的傳播方向相反)，掃查方向為板材軋向。蘭姆波的自動掃查方式示意如圖5所示(CH1為蘭姆波檢測1通道；CH2為蘭姆波檢測2通道；最大掃查行距為L=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為前沿盲區互相掃查的覆蓋區域，x0≥b1+b2，b1為CH1的前沿盲區，b2為CH2的前沿盲區)。

圖5 蘭姆波的自動掃查方式示意

實際掃查時，由設備的傳動機構將探頭掃查裝置沿x軸方向進行掃查，當一次不能完成掃查時，可在y軸方向上進行步進，掃查的次數為N≥n=A/L，其中N取大于等于n的整數，掃查步徑為L0=A/N，其中A為板材寬度。

2 板材自動檢測的應用

以4.5 mm厚的鋯合金薄板材進行蘭姆波自動檢測的應用。檢測儀器為EU-14型8通道超聲波檢測儀，使用其中的2個通道；探頭為2.5 MHz10×15 KB(0°～80°角度可調)，2只。

圖6 蘭姆波檢測試塊結構示意

2.1 檢測試塊

根據檢測要求，為了驗證檢測能力，試塊中設計了不同大小的通孔及平底孔。蘭姆波檢測試塊結構示意如圖6所示。

2.2 工藝參數

采用CH1和CH2探頭分別對試塊兩端的通孔進行靈敏度調試(按端部盲區a1=a2=15 mm的通孔進行調試)，確定的檢測參數為：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b1=b2=10 mm；最大掃查行距L=240 mm，掃查次數n=3.3次，取整N=4次，掃查步徑為L0=200 mm；掃查速度為100 mm·s-1。

2.3 掃查結果

按以上工藝參數對試塊進行掃查，其結果是該方法可以穩定地檢出試塊的所有人工缺陷。4次檢測結果如圖7所示。

2.4 穩定性測試

采用CH1和CH2兩通道分別對人工缺陷進行50次穩定性測試，50次測試結果靈敏度的波動小于2 dB。

2.5 改進空間

優選合適參數的探頭，增加探頭最大掃查行距L，可再提升檢測效率。探頭掃查機構的寬度較寬，使得x方向上板材兩端的盲區較大，需采用增加延長塊或其他合理的方式減小盲區。

3 結論

通過在水浸C掃描檢測設備的基礎上增加蘭姆波自動掃查裝置，采用模擬手動檢測的方法實現了蘭姆波的自動檢測。以4.5 mm厚板材試塊進行穩定性等性能測試，其結果顯示該自動檢測方法可以獲得穩定的檢測結果。