ITER裝置縱場導體母材超聲波檢測水浸聚焦探頭的研制

李 山（天津凱德實業有限公司,天津 300308）

ITER裝置縱場導體母材超聲波檢測水浸聚焦探頭的研制

李 山
（天津凱德實業有限公司,天津 300308）

摘 要：超聲波檢測中使用的探頭是各式各樣的, 本文主要講述了針對ITER裝置縱場導體母材的探傷的水浸聚焦探頭的研制過程，并進行了性能測試。澆注過程中透鏡氣泡的排除是至關重要的，同時還進行了實際生產中的測試，達到了比較滿意的效果。本課題對已研制好不同規格的探頭進行了性能測試，其主要測試參數有焦距、焦柱直徑、焦柱長度、聲軸線上聲壓分布等。對其測試結果進行了分析，測試結果表明其性能達到商品化要求。

關鍵詞：超聲波檢測；水浸聚焦；ITER裝置縱場導體母材；聲透鏡

1 概述

IΤER是International Τhermonuclear Experimental Reactor的簡寫，全稱國際熱核聚變實驗反應堆，也被人們形象地稱為人造太陽，聚變能是一種戰略能源，也是21世紀的換代能源。中國是能源短缺的國家。中國能源資源的現狀是人均能源占有量極低，優質能源資源

（石油、天然氣等）嚴重短缺，能源結構很不合理。從這種意義上講，聚變能的開發對我國長期可持續發展具有極為重要的意義。對此能承受聚變的壓力容器需要確保安全可靠，所以IΤER裝置的母材檢測的研究是非常有必要的。

2 水浸法超聲波探傷的原理

超聲波水浸探傷是以水作為耦合介質的一種非接觸式檢測方法，分為全浸法和局浸法，具有波形穩定、不磨損探頭、靈敏度高、分辨力強、波束可控性好、受工件表面粗糙度影響小、便于實現自動化等優點[1]。異型模鍛件多采用全浸法，如圖1所示：

圖1 超聲波全浸探傷示意圖

在水浸探傷中，為了克服聲束在水中的擴散，改善聲束的指向性，提高檢測靈敏度和分辨力，尤其是對凸弧面工件，常采用聚焦探頭進行檢測。聚焦探頭是由平直探頭在晶片前加上聲透鏡構成的，如圖2所示：

圖2 探頭結構示意圖

3 水浸聚焦直探頭的結構

常用聚焦探頭分為點聚焦探頭和線聚焦探頭，如圖3：

圖3 左為線聚焦探頭，右為點聚焦探頭

聚焦直探頭的結構如圖2所示[2]。由圖可知，聚焦探頭與平探頭的主要區別是在壓電晶片前面加了聲透鏡。聲透鏡靠晶片一面是平面，另一面是曲面。

從理論上講，有最佳透聲厚度的說法，但由于聚焦探頭聲透鏡的兩個表面之一是球面或圓柱面，而且實際使用的頻率并不單一，而且圍繞中心頻率的一個頻帶。因此，對于工業應用而言，實際上對聚焦探頭來說，并未發現有明顯的最佳透鏡厚度。從前人作過的實驗結果表明，聲透鏡中心處厚度越薄越好。

3.1 聚焦探頭在水中的焦點位置

參見圖4。設C透是透鏡中聲速，C水是水中聲速，R 為聲透鏡表面曲率半徑d為

圖4 聚焦探頭在水中的焦點位置

入射聲束距透鏡中心線的距離，在靠近晶片的部位，晶片發射的超聲波可用平行線表示[2]。平行線穿過透鏡進入水中，會因折射而改變方向。

在實際應用中，一般取2d/R＜0.2，在2d/R比較小的情況下，各平行線折射后與軸線的交點可認為是相等，這樣就可以把F稱之為焦點，OF就叫做焦距。同時，可以認為當OF遠大于2d時，各個IF值也近似相等，這樣就可把F稱之為焦點，OF就叫做焦距，當2d/R比較小時，可以認為：

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

3.2 焦平面上焦點附近的聲壓分布

從幾何超聲學的觀點看，當晶片直徑遠小于焦距時，而且僅是考慮焦點處的聲場時，一個聚焦探頭發射的聲波在焦點處的“行為”，其效果等同于一個由探頭所定的、半徑為焦距、圓心在焦點的一部分球面波波面的“行為”。

圖5 焦平面上焦點附近的聲壓分布

根據惠更斯原理，焦平面上一點處的聲壓可以看作是波面上由探頭口徑所限定的那部分的各點建立的聲壓的總和。又根據彈性力學的研究計算一個表面積為ds的點聲源在離點聲源為r（r=MP）處所建立的聲壓dP可由下式表示：

式中：點所在介質的密度；

ω——角頻率，ω=2πf，f為聲波頻率；

νmax——波面∑’上粒子振動速度的最大值；

k——波數，k=2π/λ；

λ——聲波波長；

j——為計算方便引入的虛數單位。在探傷應用中，我們不考慮聲壓隨時間的變化。所以波面上一點M在P'點建立的聲壓可表示為：

整個探頭所限定的這部分波面在P'點建立的聲壓P應是各點所建立的聲壓的總和，即：

在探傷實際應用中，常常用一個直徑很小的小球來測定聲場中一點的聲壓。在工業應用的范圍內。可以認為直徑非常小的小球反射的聲壓與小球所在位置的聲壓是正比關系。又考慮到整個探頭在焦平面上某一點所建立的聲壓等同于這一點上的一個點聲源在整個探頭所建立的聲壓。因此，一個收發兼用的聚焦探頭測得的焦平面上一直徑甚小的小球所發射的聲壓為;

式中：J1——貝塞爾一階函數

由式（11）可看出，如果兩個探頭的直徑與焦距之比（探頭對焦點的張角）相同時，那么他們在焦點處的聲壓分布也相同，即某一大直徑大焦距探頭在某焦點處的聲壓分布與某一小直徑小焦距的探頭在焦點處的聲壓分布時相同的。

3.3 焦柱直徑和焦柱長度

圖6 焦柱直徑和焦柱長度

聚焦聲束最后會聚于一點（或線），實際上這種情況是不存在的，因為幾何聲學忽略了聲波的波動性，在焦點附近，聲波存在干涉。此外聲透鏡存在一定的球差，并非完全會聚于一點。因此聚焦聲束的焦點是一個聚焦區，該聚集區呈柱形，其焦柱直徑與長度可用以下近似公式表示：

式中：d－焦柱直徑，以焦點處最大聲壓降低6dB來測定；

L－焦柱長度，以焦點處最大聲壓降低6dB來測定；λ－波長；F－焦距；

R－波源半徑；

由以上公式可知，焦柱直徑d及長度L與波長λ、焦點F、波源半徑R有關。當R一定時，d、L隨λ、F增加而增大。二者的比值L/d為一常數，即為焦距與波源半徑之比的二倍。

3.4 水浸聚焦直探頭參數的選擇

3.4.1 壓電晶片

由聲透鏡和壓電晶片的匹配關系，壓電晶片材料選用鈦酸鉛.晶片厚度的選擇與晶片的諧振頻率有關,在諧振頻率下,壓電晶片能夠達到最大的輸出功率.通常選擇壓電晶片的直徑為傳聲介質中超聲波長的5～8倍,以獲得較好的指向性.在一定波長的條件下,晶片直徑越大,指向性越好,其近似關系有:

圓形晶片:

式中θ0為超聲場半擴散角(指向角,又稱零擴散角); λ為傳聲介質中超聲波的波長。D為晶片直徑; θ-3dB為偏離聲軸的某點聲壓比聲軸線上相應點聲壓低3dB時的半擴散角。

水浸法進行檢測時,近場區長度N=(D2-λ2)/4λ,可見N與晶片直徑有關。

3.4.2 聲透鏡材料

本節主要對透鏡材料的聲速分析。根據公式，透鏡曲率半徑一定時，可改變透鏡聲速來獲得不同焦距的探頭。目前，國內透鏡材料主要選用環氧樹脂。環氧樹脂的聲阻抗與壓電晶片的聲阻抗相差較大，其透射率較小。為提高探頭的靈敏度，可以選用聲阻抗的較大的環氧樹脂加鎢粉混合料來獲得。鎢粉的衰減系數比較大，只要中心厚度足夠小則對靈敏度影響不大。當透鏡的曲率半徑一定時，透鏡聲速決定探頭的焦距。聲速試塊的制作與聲速的測試決定探頭的性能參數。試塊是用不同比例的環氧樹脂加鎢粉的混合料，固定好離心時間和速度，待試塊固化后取出，將上表面磨平，留取含鎢粉比例大的那部分，以保證與離心后的透鏡鎢粉比例含量相近。

根據環氧、鎢粉的比例與聲速的關系。其聲速隨鎢粉的量增加而減少，但不是無限制的減少。當鎢粉與環氧的比例大于某個值的時候環氧已經不能夠完全潤濕鎢粉，流動性就不好，在澆注過程中不能很好的去除氣泡[3]。實驗過程中發現鎢粉與環氧的比例在1:0.3范圍內潤濕效果和流動性都比較好。

3.4.3 電阻抗的最佳匹配

為使探頭的諧振頻率能與超聲探傷儀發出的電脈沖激勵頻率達到最佳匹配，需要考慮探頭的電阻抗特性。為此，我們對所做的探頭進行了線圈匹配實驗：

表1 探頭測試結果

通過測試我們發現，串聯0.3的電感，探頭的峰值頻率和回波頻率都接近了10M，但是靈敏度不高。

為了提高靈敏度，我們又重新進行匹配，發現去掉電容之后，靈敏度提高了，波形也很理想，但是頻率降低。

經過反復測試，我們發現直接串聯0.3的電感之后，波形和靈敏度都滿足要求，因此，我們選用了直接串聯0.3的電感的匹配。

表2 電感匹配結果

3.4.4 壓模的選擇

由于目前國內僅使用純環氧作為澆注透鏡的材料。根據公式可知當透鏡材料是純環氧樹脂，則C透就是一個固定值。若需要得到不同焦距的探頭，只有通過改變透鏡的曲率半徑來實現。當所需探頭的焦距比較大時，其曲率半徑要求特別大，這樣對模具的要求比較高。基于這種現狀考慮，可以通過改變透鏡的聲速來解決。

透鏡的壓制成型是整個聚焦探頭制作工藝中的關鍵。球的重量要保證壓制時能與澆注模具很好的接觸且要求軸線不能偏離，如圖7壓制示意圖。

圖7 透鏡壓制示意圖

澆注模具的擺放位置要保證水平，圖中h為透鏡中心厚度，d為澆注模具的內徑。

3.4.5 脫模材料的篩選

本課題中，脫模劑的作用是澆注透鏡時讓模具能輕易的脫離透鏡，脫模劑的脫模效果直接影響到透鏡澆注成功與否。本課題對脫模劑的選擇和脫模效果及所選的脫模劑適用材料進行多次實驗。發現膠棉液在塑料面能快速形成一層薄膜，而且很容易從球表面脫落。實驗結論得出膠棉液是比較理想的脫模劑。

4 探頭性能的測試

用制作的探頭對IΤER裝置縱場母材進行超聲波探傷試驗

圖8 水浸探傷原理圖

圖9 檢測過程

對于IΤER裝置縱場母材有著嚴格的驗收標準，母材材質為316L，尺寸為φ46.3×2mm，標準要求以深度為0.5mm，長度為10mm的內傷為驗收標準，任何缺陷大于此缺陷尺寸均視為不合格。由于拍攝難度，將其畫出如下：

圖10 缺陷尺寸

在水浸探傷操作中，根據水浸探傷計算公式算得實驗參數如下：

（1）偏心距：偏心距平均值為：

（2）水層厚度：當水層厚度大于鋼管中橫波聲程的1/2時，水/鋼界面的第二次回波S2將位于管子的缺陷波F內（一次波）、F外（二次波）之后，這樣有利于對缺陷的判別。

（3）水層厚度：經計算，需滿足H＞2.87mm，這里取10mm

（4）焦距的選擇：用水浸聚焦探頭探傷小徑管，應使探頭的焦點落在與聲束軸線垂直的管心線上，如圖3.12所示。

在檢測前刻好了深度為0.5，長度為10mm的內傷，以作為試塊來檢測探頭的靈敏度。

將實驗參數帶入，進行實際檢測探傷，波形圖如下：

圖11 檢測試塊波形圖

通過測試，2105，2109，2165，2168，2166，基本達到了實際操作所需要的靈敏度，能檢測出深度為0.5mm的內傷，而2107的靈敏度過低而報廢。

5 結論

通過對水浸聚焦探頭的研制，掌握了此類探頭的制作工藝，活躍了思維，從中體會到理論與實踐的差距。本次聚焦探頭的研制是成功的，探頭性能按要求達到了商品化程度。由于時間的原因，晶片的電阻抗匹配未能很好的研究，只是采用普通直探頭配線圈的方法對聚焦探頭進行電阻抗匹配，發現10MHz的晶片加匹配線圈后靈敏度能提高2-3個dB，但嚴重影響晶片的回波。根據《美國無損檢測》（超聲卷）中的阻抗匹配網絡計算可知，晶片的匹配應是容抗和感抗的匹配[4]。而容抗與感抗是由晶片來確定。由于各種原因對晶片參數未能很好的測試出，如阻抗、容抗等。若解決好匹配問題，則整個聚焦探頭的制作工藝就更為完善，探頭性能也能上一個檔次。從理論上計算的探頭的焦距值與實際測試的值有偏差，這是由于實驗過程中和測試過程中都存在誤差。

表3 探頭測試實驗結果

圖12 探頭示意圖

參考文獻：

[1]張利等.超聲波水浸探傷中探頭距工件的最佳距離及調整[J].輕合金加工技術,2006,34(10):47.

[2]劉偉平.水浸聚焦換能器的研制及性能分析[D]．南昌航空工業學院畢業設計論文,2003(06).

[3]LAWRENCE E.KINSLER、AUSTIN R.FREY、ALAN B.COPPENS、AND JAMES V.SANDERS .《FUNDAMENTALS OF ACOUSTICS》,USA.1982

[4]美國無損檢測學會.美國無損檢測手冊(超聲卷)[S].世界圖書出版公司,1996.