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(pán)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(jiàn)圖2.
母材在制造過(guò)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(lái)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(guò)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(shuō)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(lèi)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(guò)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(chē)掃查。
（2）探頭布置示意圖參見(jiàn)圖7.
（3）采用探頭車(chē)（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(chē)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(chē)走四趟。翻轉(zhuǎn)管子的方法是通過(guò)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(guò)一個(gè)特制的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。
圖6 探頭車(chē) 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(méi)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(chē)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(chē)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(lái)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(jiàn)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(lèi)，一類(lèi)是α1，鋼中折射角既有縱波又有橫波。另一類(lèi)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(lèi)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(jiàn)圖10。圖中可見(jiàn)，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β1S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β2S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(kāi)。
（4）α1×α3入射角聲束指向見(jiàn)圖12。圖中可見(jiàn)，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β1S×β3S，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(guò)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FL= L水+ v鋼L/v水×L鋼L，橫波FS= 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FL= L水+3.8 L鋼L，FS= 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(chē)行走平穩(wěn)。車(chē)輪和探頭的下半截在水中按150mm/s的速度行走，無(wú)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(wú)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(chē)方式和多角度入射方式克服了外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)帶來(lái)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(wèn)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(mén)控制報(bào)警，參見(jiàn)圖13。
圖13 缺陷波離界面波較遠(yuǎn)，圖形清晰