锆合金薄板材的兰姆波自动检测

2020-08-04

无损检测 2020年7期

(西部新锆核材料科技有限公司，西安 710299)

锆合金具有加工性能好、耐腐蚀性较强、机械强度适中等优点，被广泛用作水堆的结构材料[1]。锆合金薄板材作为核燃料组件的结构材料，其质量至关重要，因而要求对板材进行100%无损检测，内部不得有大于φ1.0 mm孔径的缺陷。

一般来说，常采用兰姆波检测厚度为0.56 mm的金属薄板材，GJB 3384-1998 《金属薄板兰姆波检验方法》和GB/T 8651-2015 《金属板材超声板波探伤方法》等标准均提出采用兰姆波对薄板进行检测。传统的兰姆波薄板检测一般采用手动检测的方法，而兰姆波自动检测少有相关文献报道[2-4]。为了获得更加稳定及可保存的检测结果，以及更好地保障锆合金薄板材的质量，笔者对薄板兰姆波自动检测的方法进行了研究，以4.5 mm厚的薄板进行了稳定性等性能测试，结果显示该自动检测方法可以获得稳定的检测结果。

1 兰姆波的自动检测

1.1 兰姆波产生原理

兰姆波是在薄板中形成的一种特殊形式的波，由于薄板上下界面的存在，声波在其中不断地被反射并相互干涉，最终在厚度方向形成驻波，而在板的延伸方向形成兰姆波的传播[5]。兰姆波产生原理示意如图1所示。

图1 兰姆波产生原理示意

1.2 频散曲线

根据板内质点振动位移的分布形态不同，Lamb波分为对称型Lamb波和反对称型Lamb波。同时，对于不同类型的Lamb波，还有不同的阶次，通常用S0，S1，S2等表示不同的对称型Lamb波模式，A0，A1，A2等表示不同的反对称型Lamb波模式。

兰姆波在自由边界条件下的特征方程(对称型)为

(1)

式中：d为板厚；ξ为角波数；α为入射角；β为折射角。

兰姆波在自由边界条件下的特征方程(非对称型)为

(2)

其中

(3)

(4)

ξ=ω/cP

(5)

ω=2πf

(6)

式中：f为声波频率；cS为介质中横波的声速；cL为无限大介质中纵波的声速；cP为兰姆波的相速度；ω为角频率。

由于兰姆波的频散特性，其在激励、质点振动、传播、接收和信息提取等方面均十分复杂，且在进行检测时要依据频散曲线选择合适的兰姆波模式，所以兰姆波频散曲线是进行兰姆波检测的重要参考依据，频散曲线的绘制是利用兰姆波检测的前提和必要条件[6]。

根据锆合金板材的纵波和横波声速(cL=4 680 m·s-1，cS=2 360 m·s-1)，通过软件绘制了锆合金板材的频散曲线。群速度频散曲线和相速度频散曲线如图2，3所示(图中Cg为群速度)。

图2 群速度频散曲线

图3 相速度频散曲线

1.3 探头的选择

按照GJB 3384-1998标准的方法，选取不同频率的可变角探头，根据板端反射信号及通孔反射信号的信噪比来选择探头的频率及入射角。不同频率探头的测试结果如表1所示。

表1 不同频率探头的测试结果

根据测试结果显示，频率为2.5 MHz和2 MHz的探头在A0/S0模式下有较好的检测效果。

1.4 兰姆波手动扫查方式

对特定的板材及选用的仪器，按照模式选择的方法正确选择模式后，还需选择适当的检测参数进行板材的扫查。

兰姆波扫查通常采用列线法扫查，即按确定的扫查行距在板上沿轧制方向画线，探头从板边最近的一条线开始，使声传播方向垂直于轧制方向和侧边，沿此线移动并扫查完毕后，再沿相邻的一条线继续扫查[5]。

图4 兰姆波手动扫查方法示意

按照GJB 3384标准进行手动扫查时，扫查方法示意如图4所示。兰姆波探头(CH1)沿扫查方向进行扫查，L1为探头前沿到通孔的最大扫查行距，其中a1为板材端部盲区，b1为探头前沿盲区。根据板材受检方向的尺寸和选定的最大扫查行距合理地确定扫查行距，完成整张板材的100%扫查。

在手动扫查时，可能存在用力不均、耦合不良及扫查线偏移等因素，较容易造成漏检，因此有必要进行兰姆波的自动检测，以保证检测的稳定性。

1.5 兰姆波自动检测设备

以兰姆波手动扫查方式为基础，在水浸超声设备纵波C扫描检测系统的基础上，增加了兰姆波自动检测的功能。

兰姆波检测有两种方式，一种是在水中进行检测，一种是升出水面进行检测。为了选择合适的检测方式，对这两种方式进行了对比试验。

采用2.5 MHz的可变角探头，对4.5 mm厚锆合金试块分别进行水上和水中检测，结果如表2所示，其中间距为探头前沿到人工缺陷的距离(人工缺陷至板端为50 mm)。

表2 4.5 mm厚锆合金试块的水上和水中的

结果显示，在相同灵敏度的情况下，波高达到30%左右时，空气中兰姆波在板中可传播300 mm，而板材浸入水中时，兰姆波仅可传播约20 mm。板材浸入水中时兰姆波衰减非常大，因此系统选择了将检测平台升出水面进行兰姆波检测的方式。兰姆波检测系统具备以下的基本功能。

(1) 水槽中有可升降的检测平台，平台落入水槽时可用于水浸纵波检测，平台升出水面时可用于兰姆波检测。

(2) 探头机械扫查器。扫查器包括可升降的探头工装等机械电气装置，可在x、y、z3个方向传动。线性轴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) 水循环系统。具备稳定提供耦合水的功能。

(4) 真空吸水功能。可以将耦合水及时吸走，避免多余耦合水对检测结果的干扰。

(5) 供水及吸水的平衡通过水流量阀进行控制，以兰姆波信号稳定时的水压作为水流量控制的参数。

(6) 兰姆波检测软件具备实时的 A/B/C扫查显示，A/B/C 扫描图像可自由缩放显示及对扫描图像进行缺陷统计分析，其中兰姆波成像为B扫描图像。

1.6 兰姆波的自动扫查方式

兰姆波探头扫查机构配置了两个检测通道，分别安装了两个兰姆波探头(兰姆波的传播方向相反)，扫查方向为板材轧向。兰姆波的自动扫查方式示意如图5所示(CH1为兰姆波检测1通道；CH2为兰姆波检测2通道；最大扫查行距为L=L1+L2-x0，L1为CH1探头的最大扫查行距，L2为CH2探头的最大扫查行距，x0为前沿盲区互相扫查的覆盖区域，x0≥b1+b2，b1为CH1的前沿盲区，b2为CH2的前沿盲区)。

图5 兰姆波的自动扫查方式示意

实际扫查时，由设备的传动机构将探头扫查装置沿x轴方向进行扫查，当一次不能完成扫查时，可在y轴方向上进行步进，扫查的次数为N≥n=A/L，其中N取大于等于n的整数，扫查步径为L0=A/N，其中A为板材宽度。

2 板材自动检测的应用

以4.5 mm厚的锆合金薄板材进行兰姆波自动检测的应用。检测仪器为EU-14型8通道超声波检测仪，使用其中的2个通道；探头为2.5 MHz10×15 KB(0°～80°角度可调)，2只。

图6 兰姆波检测试块结构示意

2.1 检测试块

根据检测要求，为了验证检测能力，试块中设计了不同大小的通孔及平底孔。兰姆波检测试块结构示意如图6所示。

2.2 工艺参数

采用CH1和CH2探头分别对试块两端的通孔进行灵敏度调试(按端部盲区a1=a2=15 mm的通孔进行调试)，确定的检测参数为：探头角度59°；CH1和CH2探头扫查行距L1=L2=130 mm；CH1和CH2探头的前沿盲区b1=b2=10 mm；最大扫查行距L=240 mm，扫查次数n=3.3次，取整N=4次，扫查步径为L0=200 mm；扫查速度为100 mm·s-1。