ITER装置纵场导体母材超声波检测水浸聚焦探头的研制

2015-07-28天津凯德实业有限公司天津300308

山东工业技术 2015年11期

李山（天津凯德实业有限公司,天津 300308）

李山
（天津凯德实业有限公司,天津 300308）

摘要：超声波检测中使用的探头是各式各样的, 本文主要讲述了针对ITER装置纵场导体母材的探伤的水浸聚焦探头的研制过程，并进行了性能测试。浇注过程中透镜气泡的排除是至关重要的，同时还进行了实际生产中的测试，达到了比较满意的效果。本课题对已研制好不同规格的探头进行了性能测试，其主要测试参数有焦距、焦柱直径、焦柱长度、声轴线上声压分布等。对其测试结果进行了分析，测试结果表明其性能达到商品化要求。

关键词：超声波检测；水浸聚焦；ITER装置纵场导体母材；声透镜

1 概述

IΤER是International Τhermonuclear Experimental Reactor的简写，全称国际热核聚变实验反应堆，也被人们形象地称为人造太阳，聚变能是一种战略能源，也是21世纪的换代能源。中国是能源短缺的国家。中国能源资源的现状是人均能源占有量极低，优质能源资源

（石油、天然气等）严重短缺，能源结构很不合理。从这种意义上讲，聚变能的开发对我国长期可持续发展具有极为重要的意义。对此能承受聚变的压力容器需要确保安全可靠，所以IΤER装置的母材检测的研究是非常有必要的。

2 水浸法超声波探伤的原理

超声波水浸探伤是以水作为耦合介质的一种非接触式检测方法，分为全浸法和局浸法，具有波形稳定、不磨损探头、灵敏度高、分辨力强、波束可控性好、受工件表面粗糙度影响小、便于实现自动化等优点[1]。异型模锻件多采用全浸法，如图1所示：

图1 超声波全浸探伤示意图

在水浸探伤中，为了克服声束在水中的扩散，改善声束的指向性，提高检测灵敏度和分辨力，尤其是对凸弧面工件，常采用聚焦探头进行检测。聚焦探头是由平直探头在晶片前加上声透镜构成的，如图2所示：

图2 探头结构示意图

3 水浸聚焦直探头的结构

常用聚焦探头分为点聚焦探头和线聚焦探头，如图3：

图3 左为线聚焦探头，右为点聚焦探头

聚焦直探头的结构如图2所示[2]。由图可知，聚焦探头与平探头的主要区别是在压电晶片前面加了声透镜。声透镜靠晶片一面是平面，另一面是曲面。

从理论上讲，有最佳透声厚度的说法，但由于聚焦探头声透镜的两个表面之一是球面或圆柱面，而且实际使用的频率并不单一，而且围绕中心频率的一个频带。因此，对于工业应用而言，实际上对聚焦探头来说，并未发现有明显的最佳透镜厚度。从前人作过的实验结果表明，声透镜中心处厚度越薄越好。

3.1 聚焦探头在水中的焦点位置

参见图4。设C透是透镜中声速，C水是水中声速，R 为声透镜表面曲率半径d为

图4 聚焦探头在水中的焦点位置

入射声束距透镜中心线的距离，在靠近晶片的部位，晶片发射的超声波可用平行线表示[2]。平行线穿过透镜进入水中，会因折射而改变方向。

在实际应用中，一般取2d/R＜0.2，在2d/R比较小的情况下，各平行线折射后与轴线的交点可认为是相等，这样就可以把F称之为焦点，OF就叫做焦距。同时，可以认为当OF远大于2d时，各个IF值也近似相等，这样就可把F称之为焦点，OF就叫做焦距，当2d/R比较小时，可以认为：

Sini1=i1,Sini2=i2,n透i1=n水i2, IF=OF,于是由图3.2的△ICF知：

3.2 焦平面上焦点附近的声压分布

从几何超声学的观点看，当晶片直径远小于焦距时，而且仅是考虑焦点处的声场时，一个聚焦探头发射的声波在焦点处的“行为”，其效果等同于一个由探头所定的、半径为焦距、圆心在焦点的一部分球面波波面的“行为”。

图5 焦平面上焦点附近的声压分布

根据惠更斯原理，焦平面上一点处的声压可以看作是波面上由探头口径所限定的那部分的各点建立的声压的总和。又根据弹性力学的研究计算一个表面积为ds的点声源在离点声源为r（r=MP）处所建立的声压dP可由下式表示：

式中：点所在介质的密度；

ω——角频率，ω=2πf，f为声波频率；

νmax——波面∑’上粒子振动速度的最大值；

k——波数，k=2π/λ；

λ——声波波长；

j——为计算方便引入的虚数单位。在探伤应用中，我们不考虑声压随时间的变化。所以波面上一点M在P'点建立的声压可表示为：

整个探头所限定的这部分波面在P'点建立的声压P应是各点所建立的声压的总和，即：

在探伤实际应用中，常常用一个直径很小的小球来测定声场中一点的声压。在工业应用的范围内。可以认为直径非常小的小球反射的声压与小球所在位置的声压是正比关系。又考虑到整个探头在焦平面上某一点所建立的声压等同于这一点上的一个点声源在整个探头所建立的声压。因此，一个收发兼用的聚焦探头测得的焦平面上一直径甚小的小球所发射的声压为;

式中：J1——贝塞尔一阶函数

由式（11）可看出，如果两个探头的直径与焦距之比（探头对焦点的张角）相同时，那么他们在焦点处的声压分布也相同，即某一大直径大焦距探头在某焦点处的声压分布与某一小直径小焦距的探头在焦点处的声压分布时相同的。

3.3 焦柱直径和焦柱长度

图6 焦柱直径和焦柱长度

聚焦声束最后会聚于一点（或线），实际上这种情况是不存在的，因为几何声学忽略了声波的波动性，在焦点附近，声波存在干涉。此外声透镜存在一定的球差，并非完全会聚于一点。因此聚焦声束的焦点是一个聚焦区，该聚集区呈柱形，其焦柱直径与长度可用以下近似公式表示：

式中：d－焦柱直径，以焦点处最大声压降低6dB来测定；

L－焦柱长度，以焦点处最大声压降低6dB来测定；λ－波长；F－焦距；

R－波源半径；

由以上公式可知，焦柱直径d及长度L与波长λ、焦点F、波源半径R有关。当R一定时，d、L随λ、F增加而增大。二者的比值L/d为一常数，即为焦距与波源半径之比的二倍。

3.4 水浸聚焦直探头参数的选择

3.4.1 压电晶片

由声透镜和压电晶片的匹配关系，压电晶片材料选用钛酸铅.晶片厚度的选择与晶片的谐振频率有关,在谐振频率下,压电晶片能够达到最大的输出功率.通常选择压电晶片的直径为传声介质中超声波长的5～8倍,以获得较好的指向性.在一定波长的条件下,晶片直径越大,指向性越好,其近似关系有:

圆形晶片:

式中θ0为超声场半扩散角(指向角,又称零扩散角); λ为传声介质中超声波的波长。D为晶片直径; θ-3dB为偏离声轴的某点声压比声轴线上相应点声压低3dB时的半扩散角。

水浸法进行检测时,近场区长度N=(D2-λ2)/4λ,可见N与晶片直径有关。

3.4.2 声透镜材料

本节主要对透镜材料的声速分析。根据公式，透镜曲率半径一定时，可改变透镜声速来获得不同焦距的探头。目前，国内透镜材料主要选用环氧树脂。环氧树脂的声阻抗与压电晶片的声阻抗相差较大，其透射率较小。为提高探头的灵敏度，可以选用声阻抗的较大的环氧树脂加钨粉混合料来获得。钨粉的衰减系数比较大，只要中心厚度足够小则对灵敏度影响不大。当透镜的曲率半径一定时，透镜声速决定探头的焦距。声速试块的制作与声速的测试决定探头的性能参数。试块是用不同比例的环氧树脂加钨粉的混合料，固定好离心时间和速度，待试块固化后取出，将上表面磨平，留取含钨粉比例大的那部分，以保证与离心后的透镜钨粉比例含量相近。

根据环氧、钨粉的比例与声速的关系。其声速随钨粉的量增加而减少，但不是无限制的减少。当钨粉与环氧的比例大于某个值的时候环氧已经不能够完全润湿钨粉，流动性就不好，在浇注过程中不能很好的去除气泡[3]。实验过程中发现钨粉与环氧的比例在1:0.3范围内润湿效果和流动性都比较好。

3.4.3 电阻抗的最佳匹配

为使探头的谐振频率能与超声探伤仪发出的电脉冲激励频率达到最佳匹配，需要考虑探头的电阻抗特性。为此，我们对所做的探头进行了线圈匹配实验：

表1 探头测试结果

通过测试我们发现，串联0.3的电感，探头的峰值频率和回波频率都接近了10M，但是灵敏度不高。

为了提高灵敏度，我们又重新进行匹配，发现去掉电容之后，灵敏度提高了，波形也很理想，但是频率降低。

经过反复测试，我们发现直接串联0.3的电感之后，波形和灵敏度都满足要求，因此，我们选用了直接串联0.3的电感的匹配。

表2 电感匹配结果

3.4.4 压模的选择

由于目前国内仅使用纯环氧作为浇注透镜的材料。根据公式可知当透镜材料是纯环氧树脂，则C透就是一个固定值。若需要得到不同焦距的探头，只有通过改变透镜的曲率半径来实现。当所需探头的焦距比较大时，其曲率半径要求特别大，这样对模具的要求比较高。基于这种现状考虑，可以通过改变透镜的声速来解决。

透镜的压制成型是整个聚焦探头制作工艺中的关键。球的重量要保证压制时能与浇注模具很好的接触且要求轴线不能偏离，如图7压制示意图。

图7 透镜压制示意图

浇注模具的摆放位置要保证水平，图中h为透镜中心厚度，d为浇注模具的内径。

3.4.5 脱模材料的筛选

本课题中，脱模剂的作用是浇注透镜时让模具能轻易的脱离透镜，脱模剂的脱模效果直接影响到透镜浇注成功与否。本课题对脱模剂的选择和脱模效果及所选的脱模剂适用材料进行多次实验。发现胶棉液在塑料面能快速形成一层薄膜，而且很容易从球表面脱落。实验结论得出胶棉液是比较理想的脱模剂。

4 探头性能的测试

用制作的探头对IΤER装置纵场母材进行超声波探伤试验

图8 水浸探伤原理图

图9 检测过程

对于IΤER装置纵场母材有着严格的验收标准，母材材质为316L，尺寸为φ46.3×2mm，标准要求以深度为0.5mm，长度为10mm的内伤为验收标准，任何缺陷大于此缺陷尺寸均视为不合格。由于拍摄难度，将其画出如下：

图10 缺陷尺寸

在水浸探伤操作中，根据水浸探伤计算公式算得实验参数如下：

（1）偏心距：偏心距平均值为：

（2）水层厚度：当水层厚度大于钢管中横波声程的1/2时，水/钢界面的第二次回波S2将位于管子的缺陷波F内（一次波）、F外（二次波）之后，这样有利于对缺陷的判别。

（3）水层厚度：经计算，需满足H＞2.87mm，这里取10mm

（4）焦距的选择：用水浸聚焦探头探伤小径管，应使探头的焦点落在与声束轴线垂直的管心线上，如图3.12所示。

在检测前刻好了深度为0.5，长度为10mm的内伤，以作为试块来检测探头的灵敏度。

将实验参数带入，进行实际检测探伤，波形图如下：

图11 检测试块波形图

通过测试，2105，2109，2165，2168，2166，基本达到了实际操作所需要的灵敏度，能检测出深度为0.5mm的内伤，而2107的灵敏度过低而报废。

5 结论

通过对水浸聚焦探头的研制，掌握了此类探头的制作工艺，活跃了思维，从中体会到理论与实践的差距。本次聚焦探头的研制是成功的，探头性能按要求达到了商品化程度。由于时间的原因，晶片的电阻抗匹配未能很好的研究，只是采用普通直探头配线圈的方法对聚焦探头进行电阻抗匹配，发现10MHz的晶片加匹配线圈后灵敏度能提高2-3个dB，但严重影响晶片的回波。根据《美国无损检测》（超声卷）中的阻抗匹配网络计算可知，晶片的匹配应是容抗和感抗的匹配[4]。而容抗与感抗是由晶片来确定。由于各种原因对晶片参数未能很好的测试出，如阻抗、容抗等。若解决好匹配问题，则整个聚焦探头的制作工艺就更为完善，探头性能也能上一个档次。从理论上计算的探头的焦距值与实际测试的值有偏差，这是由于实验过程中和测试过程中都存在误差。