锆合金薄板材兰姆波探伤工艺研究

石养鑫* 卢 辉 郭陈勇 张 成

（1.西安优耐特容器制造有限公司 2.国核宝钛锆业股份有限公司）

0 引言

锆合金具有优异的耐腐蚀、耐高温及中子截面吸收系数小等优点，被普遍的用作核反应堆的包壳材料和结构材料。基于其特殊的应用环境和苛刻的服役条件，要求对其进行100%无损检测。对于厚度为6 mm 以下的薄板，通常需采用兰姆波进行超声检测。与常规的超声波相比，兰姆波检测具有快捷、高效的特点，同时由于兰姆波的多模式和频散特性，导致其在激励、传播和信号处理等方面较为复杂，因此，选择合适的兰姆波模式对缺陷探伤十分重要。本文以Zr-4 合金（δ1.50 mm 和δ4.50 mm）板材为例，对兰姆波探伤时的最佳参数、调伤环节过程进行实验，取得了较好的检测效果。

1 工艺实验前的准备

1.1 兰姆波检测原理

兰姆波是一种板波，一种以特殊形式存在并传播的超声波。且兰姆波的传播速度是变化的，并与检测对象的介质性质、波的频率f、板的厚度d有关。

对于给定材料的薄板，当工作频率和板厚确定时，可通过改变入射角在板中得到不同模式的兰姆波。不同模式兰姆波的灵敏度沿深度方向的分布情况也不同。为了可靠地发现不同深度的缺陷，在实际检测时，应选择两种或两种以上的模式，并分别对同一板进行检测。

1.2 群速度曲线和相速度曲线

一般将频率与板厚的乘积（f·d）作为一个因子考虑，由材料的纵波速度和横波速度计算得到f·d与兰姆波相速度Cp的关系曲线，也就是相速度曲线；群速度（Cg）的严格计算非常复杂，为了便于计算，通常将一个脉冲谐波中最大振幅的频率及其附近频率成分的群速率定为该脉冲的群速度。因此，可利用被检材料的纵波速度和横波速度求解兰姆波特征方程，计算并绘制该材料的相速度曲线和群速度曲线。对于Zr-4 合金，其纵波声速为4 840 m/s，横波声速为2 340 m/s，根据计算结果绘制的相速度和群速度曲线如图1 所示。

图1 Zr-4板材的相速度和群速度曲线

1.3 检测模式选择

通常根据探伤所用探头的频率和被检板材板厚的乘积，在相应合金材料的相速度曲线图上，查找不同模式下的相速度，分别计算出其相应的入射角。再按理论计算的入射角进行设备调试，要求检测效果好，检测灵敏度高。

入射角α可由式（1）确定：

2 实验及实验数据分析

2.1 仪器选择

为了使激励的兰姆波模式相对单一，超声检测仪发射的脉冲带宽和接收放大器的带宽要求尽可能窄。目前市售的发射脉冲为方波的检测仪与普通的发射脉冲为尖脉冲的检测仪相比，更适合用于兰姆波检测。本次工艺实验选用性能稳定的便携式数字超声探伤仪EPOCH1000。

2.2 探头选择

兰姆波的激发与一般的纵波和横波检测时的要求存在很大的不同，改变探头入射角可获得不同模式的兰姆波，本次工艺实验选用探头为2.5 MHz 的可变角探头。

2.3 对比试块

对比试块是用以调整探伤仪灵敏度和评价缺陷当量大小的依据，因产品技术要求标准伤为 1.0 mm通孔，选取与被检板材一致的材料牌号、状态和公称厚度一致的板材，按照GJB 3384—1998《金属薄板兰姆波检验方法》标准要求制作了 1.0 mm 通孔对比试块，对比试块的情况可见图2。

图2 对比试块（单位：mm）

2.4 实验

依据Zr-4 相速度频散曲线图，查找不同模式下的相速度，分别计算出其相应的入射角。在模式的选择中，因为模阶越高，其相速度越快，能量越低，因此高阶模式的兰姆波的端面回波会出现在低阶模式兰姆波的端面回波之前。选择的模阶过低会被高阶模式兰姆波信号干扰，而选择的模阶过高则会因为能量过低而受到杂波的影响，所以模阶的选择因根据实际情况而定，尽量避免各种干扰信号，详见表1。

表1 实验参数设计

由表1 可以看出，在2.5 MHz 下条件，检测Zr-4 δ1.50 mm的板材，模式仅能选取A1、S1、S2三种模式，δ4.50 mm Zr-4板材，检测模式可选择A3、S3、A4、S4、A5、S5等 6 种模式。

对厚度为δ1.50 mm 试板进行三种模式的试验，获得的检测效果分别如图3 所示。

图3 δ1.50 mm试板不同模式标准伤检测图

由图3 可以看出，理论分析确定的三种检测模式中，A1、S2 模式在实际检测中波形较为理想，具有足够的信噪比和检测灵敏度，S1 模式下信号与板边的分辨率较差。检测过程中需要采用多种模式检测，可以变换更高点的检测频率，获取更多的检测模式。

厚度为δ4.50 mm Zr-4 合金试板进行检测，获得的检测效果如图4 所示。

由图4 实验结果表明，理论分析确定的几种检测模式，在实际检测过程中A3、S3模式下信号与板边的分辨率较差，S4模式下人工缺陷波形不独立，S5模式噪声偏高，信噪比差，其余波形较为理想。

图4 δ4.50 mm试板不同模式标准伤检测图

3 现场应用效果

对现场1.50 mm 板材采用A1、S2两种模式进行进行兰姆波超声检测时，发现一例自然缺陷（两种模式均可检出）。对信号处进行了分析及金相解剖，该自然缺陷检测波形如图5 所示 ，解剖结果可见图6。

图5 自然缺陷波形图

图6 自然缺陷金相图

由检测波形可以看出，该自然缺陷在A1模式下波幅较高超出满屏80%，S2模式下波幅较低，仅为满屏的40%，进一步说明兰姆波在整个板厚上的能量不一致。根据金相解剖结果显示，该处显示信号为夹杂缺陷，在轧制过程中被延长，长度为0.2 mm。

4 工艺实验过程的要领分析

根据理论分析和实验确定的检测模式，在实际检测中得到充分应用，完成了公司Zr-4 合金薄板材的超声检测。为了进一步确保检测效果，应用中应注意以下要点。

（1）兰姆波的激发

兰姆波的激发与一般的纵波和横波检测时的要求存在很大的不同，为了易于激发兰姆波，要求激励脉冲持续时间长，晶片尺寸大。

为了使激励的兰姆波模式相对单一，超声检测仪发射的脉冲带宽和接收放大器的带宽要求尽可能窄。目前市售的发射脉冲为方波的检测仪与普通的发射脉冲为尖脉冲的检测仪相比，更适用于兰姆波检测。

（2）兰姆波的鉴别

判别探头激发的波为兰姆波还是其他波，可以将探头前沿垂直板的边缘放置在紧靠棱边处，再将探头垂直棱边后移，观察荧光屏上的棱边反射回波宽度及幅度的变化。

如果激发的是兰姆波，随着探头后移，探头与棱边的距离增大，棱边反射波的宽度会随之变宽，幅度逐渐变小。

若激发的是横波，则当探头后移时，棱边反射波的宽度不变，幅度则会呈规律性跳跃。

（3）灵敏度确定

兰姆波检测用的对比试验块，可在板材上距端面一定距离处加工通孔，或在板材端面厚度方向上的某些位置加工刻槽。

灵敏度调整时，将探头对准人工通孔，使探头前沿与人工通孔间的间距等于所确定的扫查行距，擦净探头至通孔间的耦合剂，调整增益，使通孔反射波高达到规定的高度。

（4）前沿盲区确定

将探头对准人工通孔，调整仪器使孔反射回波达到所要求的高度，然后将探头向通孔移近，当通孔反射波前沿与始波后沿刚好相交时，探头后沿至通孔的距离为探头的前沿盲区。

（5）扫查方式选择

由于兰姆波在整个板厚范围内传播，只要模式选择合适，在整个板厚范围内的灵敏度满足要求，对板材的检测从一面进行即可，无需正、反两面进行。每次扫查过程中，要注意探头前沿盲区，检测区域应在下一次扫查中予以覆盖，以免造成漏检。

（6）缺陷的评判

兰姆波检测到的缺陷回波的高度与缺陷迎波面的形态有关，与缺陷面积并无一定关系。因此，兰姆波检测不能根据反射高度来确定缺陷大小，可使波从四周入射，以定出周界或确定长度。

5 结论

通过理论分析和实验验证，确定了锆合金检测模式的选择方法，实际应用效果证明了方法的可行性，从而解决了检测中模式模糊的实际问题，对保证检测效果和产品质量起到了指导作用。

为了确保检测效果，检测过程中应注意兰姆波的激发、鉴别、灵敏度、前沿盲区、扫查方式及缺陷判定的检测要领。

根据自然缺陷的检测情况，板材进行兰姆波检测时，为了确保质量应需至少2 种模式进行检测。