鋯合金薄板材蘭姆波探傷工藝研究

石養鑫* 盧 輝 郭陳勇 張 成

（1.西安優耐特容器制造有限公司 2.國核寶鈦鋯業股份有限公司）

0 引言

鋯合金具有優異的耐腐蝕、耐高溫及中子截面吸收系數小等優點，被普遍的用作核反應堆的包殼材料和結構材料。基于其特殊的應用環境和苛刻的服役條件，要求對其進行100%無損檢測。對于厚度為6 mm 以下的薄板，通常需采用蘭姆波進行超聲檢測。與常規的超聲波相比，蘭姆波檢測具有快捷、高效的特點，同時由于蘭姆波的多模式和頻散特性，導致其在激勵、傳播和信號處理等方面較為復雜，因此，選擇合適的蘭姆波模式對缺陷探傷十分重要。本文以Zr-4 合金（δ1.50 mm 和δ4.50 mm）板材為例，對蘭姆波探傷時的最佳參數、調傷環節過程進行實驗，取得了較好的檢測效果。

1 工藝實驗前的準備

1.1 蘭姆波檢測原理

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，并與檢測對象的介質性質、波的頻率f、板的厚度d有關。

對于給定材料的薄板，當工作頻率和板厚確定時，可通過改變入射角在板中得到不同模式的蘭姆波。不同模式蘭姆波的靈敏度沿深度方向的分布情況也不同。為了可靠地發現不同深度的缺陷，在實際檢測時，應選擇兩種或兩種以上的模式，并分別對同一板進行檢測。

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）作為一個因子考慮，由材料的縱波速度和橫波速度計算得到f·d與蘭姆波相速度Cp的關系曲線，也就是相速度曲線；群速度（Cg）的嚴格計算非常復雜，為了便于計算，通常將一個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，計算并繪制該材料的相速度曲線和群速度曲線。對于Zr-4 合金，其縱波聲速為4 840 m/s，橫波聲速為2 340 m/s，根據計算結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 檢測模式選擇

通常根據探傷所用探頭的頻率和被檢板材板厚的乘積，在相應合金材料的相速度曲線圖上，查找不同模式下的相速度，分別計算出其相應的入射角。再按理論計算的入射角進行設備調試，要求檢測效果好，檢測靈敏度高。

入射角α可由式（1）確定：

2 實驗及實驗數據分析

2.1 儀器選擇

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

2.2 探頭選擇

蘭姆波的激發與一般的縱波和橫波檢測時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，本次工藝實驗選用探頭為2.5 MHz 的可變角探頭。

2.3 對比試塊

對比試塊是用以調整探傷儀靈敏度和評價缺陷當量大小的依據，因產品技術要求標準傷為 1.0 mm通孔，選取與被檢板材一致的材料牌號、狀態和公稱厚度一致的板材，按照GJB 3384—1998《金屬薄板蘭姆波檢驗方法》標準要求制作了 1.0 mm 通孔對比試塊，對比試塊的情況可見圖2。

圖2 對比試塊（單位：mm）

2.4 實驗

依據Zr-4 相速度頻散曲線圖，查找不同模式下的相速度，分別計算出其相應的入射角。在模式的選擇中，因為模階越高，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出現在低階模式蘭姆波的端面回波之前。選擇的模階過低會被高階模式蘭姆波信號干擾，而選擇的模階過高則會因為能量過低而受到雜波的影響，所以模階的選擇因根據實際情況而定，盡量避免各種干擾信號，詳見表1。

表1 實驗參數設計

由表1 可以看出，在2.5 MHz 下條件，檢測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，檢測模式可選擇A3、S3、A4、S4、A5、S5等 6 種模式。

對厚度為δ1.50 mm 試板進行三種模式的試驗，獲得的檢測效果分別如圖3 所示。

圖3 δ1.50 mm試板不同模式標準傷檢測圖

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

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

由圖4 實驗結果表明，理論分析確定的幾種檢測模式，在實際檢測過程中A3、S3模式下信號與板邊的分辨率較差，S4模式下人工缺陷波形不獨立，S5模式噪聲偏高，信噪比差，其余波形較為理想。

圖4 δ4.50 mm試板不同模式標準傷檢測圖

3 現場應用效果

對現場1.50 mm 板材采用A1、S2兩種模式進行進行蘭姆波超聲檢測時，發現一例自然缺陷（兩種模式均可檢出）。對信號處進行了分析及金相解剖，該自然缺陷檢測波形如圖5 所示 ，解剖結果可見圖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%，進一步說明蘭姆波在整個板厚上的能量不一致。根據金相解剖結果顯示，該處顯示信號為夾雜缺陷，在軋制過程中被延長，長度為0.2 mm。

4 工藝實驗過程的要領分析

根據理論分析和實驗確定的檢測模式，在實際檢測中得到充分應用，完成了公司Zr-4 合金薄板材的超聲檢測。為了進一步確保檢測效果，應用中應注意以下要點。

（1）蘭姆波的激發

蘭姆波的激發與一般的縱波和橫波檢測時的要求存在很大的不同，為了易于激發蘭姆波，要求激勵脈沖持續時間長，晶片尺寸大。

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

（2）蘭姆波的鑒別

判別探頭激發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隨之變寬，幅度逐漸變小。

若激發的是橫波，則當探頭后移時，棱邊反射波的寬度不變，幅度則會呈規律性跳躍。

（3）靈敏度確定

蘭姆波檢測用的對比試驗塊，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。

靈敏度調整時，將探頭對準人工通孔，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，調整增益，使通孔反射波高達到規定的高度。

（4）前沿盲區確定

將探頭對準人工通孔，調整儀器使孔反射回波達到所要求的高度，然后將探頭向通孔移近，當通孔反射波前沿與始波后沿剛好相交時，探頭后沿至通孔的距離為探頭的前沿盲區。

（5）掃查方式選擇

由于蘭姆波在整個板厚范圍內傳播，只要模式選擇合適，在整個板厚范圍內的靈敏度滿足要求，對板材的檢測從一面進行即可，無需正、反兩面進行。每次掃查過程中，要注意探頭前沿盲區，檢測區域應在下一次掃查中予以覆蓋，以免造成漏檢。

（6）缺陷的評判

蘭姆波檢測到的缺陷回波的高度與缺陷迎波面的形態有關，與缺陷面積并無一定關系。因此，蘭姆波檢測不能根據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 結論

通過理論分析和實驗驗證，確定了鋯合金檢測模式的選擇方法，實際應用效果證明了方法的可行性，從而解決了檢測中模式模糊的實際問題，對保證檢測效果和產品質量起到了指導作用。

為了確保檢測效果，檢測過程中應注意蘭姆波的激發、鑒別、靈敏度、前沿盲區、掃查方式及缺陷判定的檢測要領。

根據自然缺陷的檢測情況，板材進行蘭姆波檢測時，為了確保質量應需至少2 種模式進行檢測。