中科院等離子體物理研究院所承接ITER項(xiàng)目中超導(dǎo)導(dǎo)體線圈的研制。超導(dǎo)線的保護(hù)外套（簡(jiǎn)稱鎧甲）由外方內(nèi)圓的不銹鋼管制造，因其內(nèi)部通有液氮，并在盤繞成線圈時(shí)受彎曲變形，對(duì)其質(zhì)量要求就十分嚴(yán)格。用超聲方法檢出導(dǎo)管母材中的缺陷成為保障其質(zhì)量安全的重要手段。

1、鎧甲母材的基本情況及檢測(cè)難點(diǎn)

1.1  鎧甲母材的基本情況

鎧甲材料的斷面形狀如圖1所示，金相照片見圖2.

母材在制造過程中可能產(chǎn)生裂紋、凹坑和折疊等多種缺陷。圖3是內(nèi)缺陷的例子，有的裂紋正好分布在壁厚最厚的45°部位。

圖1 管幾何外形圖                  圖2  母材金相照片

1.2  檢測(cè)難點(diǎn)

（1）外方內(nèi)圓的結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)超聲全體積的覆蓋較為困難。

（2）ITER文件要求標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷為Φ0.5mm孔和R0.5mm×2mm的半圓槽，以此來確定靈敏度。其要求高于一般ASME標(biāo)準(zhǔn)中的要求，成為了檢測(cè)的一個(gè)難點(diǎn)。

（3）材料的超聲衰減較嚴(yán)重，聲波穿透力較差，增加了檢測(cè)難度。經(jīng)測(cè)量，Φ0.5mm×7mm的橫孔中，橫波穿過10mm聲程差時(shí)的增益差達(dá)16dB。

2、試塊

2.1  試塊的外形

     圖4和5為內(nèi)外表面刻有人工缺陷的試塊。

圖3 母材上的自然缺陷   圖4 內(nèi)表面人工缺陷     圖5 外表面人工 缺陷

2.2  試塊的說明

（1）試塊的材料、表面粗糙度、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、聲學(xué)特性、人工缺陷公差、缺陷間距、標(biāo)定方法等遵照SE-213《金屬管材超聲檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)探傷方法》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

（2）缺陷的數(shù)量，在1/4橫斷面上看有33個(gè)，整個(gè)母材橫斷面分布的缺陷數(shù)等于132個(gè)，從橫斷面上看，位置完全不同的人工缺陷有68個(gè)。在校準(zhǔn)檢測(cè)儀器探頭系統(tǒng)時(shí)，這些缺陷均需要一次掃查中探出，以保證在探測(cè)工件時(shí)不易漏掉自然缺陷。

（3）人工缺陷種類有縱向、橫向和斜向的Φ0.5mm孔和垂直于內(nèi)外表面刻入的縱向及橫向的R0.5mm×2mm的半圓長(zhǎng)槽，一共5種缺陷。以避免不同方位形狀的缺陷漏檢。

（4）通過多次聲束有效橫向覆蓋寬度的試驗(yàn)，已經(jīng)確認(rèn)，選擇適當(dāng)?shù)奶筋^，聲束完全可以覆蓋試塊的全體積。

3、檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法

3.1  檢測(cè)系統(tǒng)

探測(cè)系統(tǒng)涵蓋探傷儀系統(tǒng)、水槽系統(tǒng)和管子翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

（1）儀器的通道數(shù)由所用探頭數(shù)目決定。筆者用圖6所示16通道手動(dòng)探頭車掃查。

（2）探頭布置示意圖參見圖7.

（3）采用探頭車（架）運(yùn)動(dòng)方法時(shí)，其水槽最簡(jiǎn)單，僅用一個(gè)水槽。僅需具有足夠的長(zhǎng)度以保證管子兩段有安裝減少端頭探測(cè)盲區(qū)的延伸段。采用管子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)探傷的水槽，則應(yīng)采用內(nèi)外水槽，分別用于保水和供水。

（4）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。用探頭車手動(dòng)掃查時(shí)，每次掃查管子的1/4。管子需要翻動(dòng)3次，探頭車走四趟。翻轉(zhuǎn)管子的方法是通過杠桿裝置抬高管子的端頭，而后在管子兩端頭各套上一內(nèi)方外圓的套管，使方管翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)。用自動(dòng)或半自動(dòng)掃查時(shí)，方管的翻轉(zhuǎn)是通過一個(gè)特制的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

圖6  探頭車                     圖7  探頭布置示意圖

3.2  水浸多探頭非垂直入射探測(cè)方法

（1）探測(cè)時(shí)采用水浸探測(cè)法。工件和試塊均浸沒在水槽中，耦合介質(zhì)為水。可以采用手動(dòng)掃查、半自動(dòng)掃查和自動(dòng)掃查。

（2）探頭采用多個(gè)聚焦探頭。其數(shù)量根據(jù)配用的自動(dòng)裝置決定。如果是手動(dòng)每次掃查1/4截面，用探頭車下的滾輪在工件上滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃查，最少可用16個(gè)探頭，安裝在探頭車上。若配用二維機(jī)械精密掃查系統(tǒng)，探頭數(shù)量可大量減少。可以由它帶動(dòng)探頭往返精密掃查。

（3）探頭的安放應(yīng)使產(chǎn)生的聲束以非垂直的方向入射工件。垂直入射帶來的不利是界面波十分強(qiáng)勁，占寬太大，影響缺陷的識(shí)別。

3.3  探頭的參數(shù)

3.3.1  基本參數(shù)

手動(dòng)探頭掃查時(shí)，探頭頻率為2.5MHz，水距離為20mm，聚焦方式為線聚焦，晶片直徑為φ10mm。

3.3.2  探頭入射角的確定

（1）首先自制了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室水浸探傷裝置（簡(jiǎn)稱LITE），其實(shí)質(zhì)是一個(gè)可變角水浸探頭裝置（圖8）。在裝置里對(duì)短試塊進(jìn)行試驗(yàn)（短試塊見圖9），以確定最佳入射角。

（2）最佳入射角大小與水溫和不銹鋼材質(zhì)有關(guān)。但所有測(cè)得的最佳入射角可分為兩類，一類是α₁，鋼中折射角既有縱波又有橫波。另一類是α₂，鋼中只有橫波。

（3）偏離中心垂直線一定角度的內(nèi)表面缺陷，探測(cè)時(shí)極難發(fā)現(xiàn)，采用在兩個(gè)垂直平面內(nèi)各傾斜一定角度的主體角，可以獲得滿意的效果。

   圖8 實(shí)驗(yàn)室水浸探傷裝置                   圖9 短試塊

4、聲波理論和焦距計(jì)算公式

4.1  聲波類型和聲束指向

（1）探頭是以三種不同角度入射的，α₁，α₂，和α₁×α₃。α₁入射時(shí)，其聲束指向見圖10。圖中可見，有兩個(gè)主聲束，一個(gè)是縱波聲束，一個(gè)是橫波聲束。這兩個(gè)聲束在探傷中均被利用。由于聲束的不同，不會(huì)互相干擾。

圖10 α₁入射時(shí)主要折射聲束指向圖     圖11α₂入射時(shí)主要折射聲束指向圖

（2）縱波束發(fā)現(xiàn)表面缺陷十分敏感。探測(cè)外表面的φ0.5mm中心豎孔和縱向及橫向半圓槽時(shí)均是利用此聲束。用折射角為β_1S的橫波探測(cè)內(nèi)表面半圓槽和工件內(nèi)位置較深的φ0.5mm橫孔。

（3）α₃入射時(shí)，聲束指向如圖11所示，折射波為β_2S的橫波。用它探測(cè)距表面很近的缺陷。可使缺陷波與界面波拉得很開。

（4）α₁×α₃入射角聲束指向見圖12。圖中可見，在ABCD平面內(nèi)看，入射波傾斜α₁。在EFGH平面內(nèi)看，入射波傾斜α₃。折射角為β_1S×β_3S，即Af與法線所成的夾角，波形為橫波。用此入射角可敏感地探測(cè)到內(nèi)孔偏離中心垂直線一定角度的缺陷。

圖12  α₁×α₃入射角聲束指向圖

4.2  焦距計(jì)算公式

探頭的有機(jī)玻璃聲透鏡的曲率半徑R按焦距F計(jì)算（R=0.464F）。水浸探頭焦距的長(zhǎng)度F應(yīng)為兩段距離之和，水距離（L_水）和折合成水中距離的鋼中所占距離（L_水→鋼）之和。即F=L_水+ L_水→鋼。

當(dāng)焦距大于晶片直徑時(shí)，通過幾何光學(xué)的方法可以證明：L_水→鋼=v_鋼/水×L_鋼，所以F=L_水+ v_鋼/v_水×L_鋼。

對(duì)于縱波F_L= L_水+ v_鋼L/v_水×L_鋼L，橫波F_S= L_水+ v_鋼S/v_水×L_鋼S，如果v_鋼L=5720m/s，v_鋼S=3160m/s，v_水=1490m/s，得到F_L= L_水+3.8 L_鋼L，F_S= L_水+2.1 L_鋼S。

5、試驗(yàn)結(jié)果和措施分析

5.1  試驗(yàn)結(jié)果

（1）試驗(yàn)敏感地探出所有的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷，實(shí)現(xiàn)了全體積掃查。缺陷波容易識(shí)別，信噪比都能達(dá)到令人滿意的程度。

（2）探傷時(shí)，儀器增益調(diào)在23—49dB范圍內(nèi)，所有缺陷波均達(dá)到合適的高度。標(biāo)稱增益范圍為100或110dB的儀器都能提供足夠的靈敏度余量。

（3）探頭車行走平穩(wěn)。車輪和探頭的下半截在水中按150mm/s的速度行走，無明顯水波，不產(chǎn)生雜波干擾。

（4）多通道儀器顯示的波形與單通道時(shí)一致。多探頭發(fā)射和接收的聲波無干擾。總之水浸多通道非垂直入射法可以實(shí)現(xiàn)外方內(nèi)圓不銹鋼管較高靈敏度的檢測(cè)。

5.2  措施分析

    以下措施確保了試驗(yàn)方案能夠克服外方內(nèi)圓不銹鋼管的檢測(cè)特點(diǎn)：

   （1）線聚焦探頭和用近表面下的縱波探測(cè)外表面的缺陷的方法克服了靈敏度要求高的困難。

（2）多探頭小車方式和多角度入射方式克服了外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)帶來的缺陷方位復(fù)雜的困難。

（3）采用較低頻率（2.5MHz）和較小折射角的橫波探測(cè)，縮短了探頭至缺陷的聲程，克服了材料衰減問題。

（4）非垂直入射的方法避免了水/鋼界面波的干擾，對(duì)距表面較淺的缺陷聲程短，從而靈敏度夠用。采用較大折射角的橫波探測(cè)，使缺陷波在熒光屏上的位置離界面波較遠(yuǎn)，圖形清晰，利于用閘門控制報(bào)警，參見圖13。

圖13  缺陷波離界面波較遠(yuǎn)，圖形清晰