李 山（天津凱德實(shí)業(yè)有限公司,天津 300308）

ITER裝置縱場(chǎng)導(dǎo)體母材超聲波檢測(cè)水浸聚焦探頭的研制

李 山
（天津凱德實(shí)業(yè)有限公司,天津 300308）

摘 要：超聲波檢測(cè)中使用的探頭是各式各樣的, 本文主要講述了針對(duì)ITER裝置縱場(chǎng)導(dǎo)體母材的探傷的水浸聚焦探頭的研制過程，并進(jìn)行了性能測(cè)試。澆注過程中透鏡氣泡的排除是至關(guān)重要的，同時(shí)還進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)中的測(cè)試，達(dá)到了比較滿意的效果。本課題對(duì)已研制好不同規(guī)格的探頭進(jìn)行了性能測(cè)試，其主要測(cè)試參數(shù)有焦距、焦柱直徑、焦柱長(zhǎng)度、聲軸線上聲壓分布等。對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，測(cè)試結(jié)果表明其性能達(dá)到商品化要求。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè)；水浸聚焦；ITER裝置縱場(chǎng)導(dǎo)體母材；聲透鏡

1 概述

IΤER是International Τhermonuclear Experimental Reactor的簡(jiǎn)寫，全稱國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，也被人們形象地稱為人造太陽(yáng)，聚變能是一種戰(zhàn)略能源，也是21世紀(jì)的換代能源。中國(guó)是能源短缺的國(guó)家。中國(guó)能源資源的現(xiàn)狀是人均能源占有量極低，優(yōu)質(zhì)能源資源

（石油、天然氣等）嚴(yán)重短缺，能源結(jié)構(gòu)很不合理。從這種意義上講，聚變能的開發(fā)對(duì)我國(guó)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的意義。對(duì)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(cè)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(zhì)的一種非接觸式檢測(cè)方法，分為全浸法和局浸法，具有波形穩(wěn)定、不磨損探頭、靈敏度高、分辨力強(qiáng)、波束可控性好、受工件表面粗糙度影響小、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[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(kuò)散，改善聲束的指向性，提高檢測(cè)靈敏度和分辨力，尤其是對(duì)凸弧面工件，常采用聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)。聚焦探頭是由平直探頭在晶片前加上聲透鏡構(gòu)成的，如圖2所示：

圖2 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 水浸聚焦直探頭的結(jié)構(gòu)

常用聚焦探頭分為點(diǎn)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(diǎn)聚焦探頭

聚焦直探頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。由圖可知，聚焦探頭與平探頭的主要區(qū)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(gè)表面之一是球面或圓柱面，而且實(shí)際使用的頻率并不單一，而且圍繞中心頻率的一個(gè)頻帶。因此，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用而言，實(shí)際上對(duì)聚焦探頭來說，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的最佳透鏡厚度。從前人作過的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)位置

參見圖4。設(shè)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(diǎn)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(fā)射的超聲波可用平行線表示[2]。平行線穿過透鏡進(jìn)入水中，會(huì)因折射而改變方向。

在實(shí)際應(yīng)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(diǎn)可認(rèn)為是相等，這樣就可以把F稱之為焦點(diǎn)，OF就叫做焦距。同時(shí)，可以認(rèn)為當(dāng)OF遠(yuǎn)大于2d時(shí)，各個(gè)IF值也近似相等，這樣就可把F稱之為焦點(diǎn)，OF就叫做焦距，當(dāng)2d/R比較小時(shí)，可以認(rèn)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(diǎn)附近的聲壓分布

從幾何超聲學(xué)的觀點(diǎn)看，當(dāng)晶片直徑遠(yuǎn)小于焦距時(shí)，而且僅是考慮焦點(diǎn)處的聲場(chǎng)時(shí)，一個(gè)聚焦探頭發(fā)射的聲波在焦點(diǎn)處的“行為”，其效果等同于一個(gè)由探頭所定的、半徑為焦距、圓心在焦點(diǎn)的一部分球面波波面的“行為”。

圖5 焦平面上焦點(diǎn)附近的聲壓分布

根據(jù)惠更斯原理，焦平面上一點(diǎn)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(diǎn)建立的聲壓的總和。又根據(jù)彈性力學(xué)的研究計(jì)算一個(gè)表面積為ds的點(diǎn)聲源在離點(diǎn)聲源為r（r=MP）處所建立的聲壓dP可由下式表示：

式中：點(diǎn)所在介質(zhì)的密度；

ω——角頻率，ω=2πf，f為聲波頻率；

νmax——波面∑’上粒子振動(dòng)速度的最大值；

k——波數(shù)，k=2π/λ；

λ——聲波波長(zhǎng)；

j——為計(jì)算方便引入的虛數(shù)單位。在探傷應(yīng)用中，我們不考慮聲壓隨時(shí)間的變化。所以波面上一點(diǎn)M在P'點(diǎn)建立的聲壓可表示為：

整個(gè)探頭所限定的這部分波面在P'點(diǎn)建立的聲壓P應(yīng)是各點(diǎn)所建立的聲壓的總和，即：

在探傷實(shí)際應(yīng)用中，常常用一個(gè)直徑很小的小球來測(cè)定聲場(chǎng)中一點(diǎn)的聲壓。在工業(yè)應(yīng)用的范圍內(nèi)?？梢哉J(rèn)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(guān)系。又考慮到整個(gè)探頭在焦平面上某一點(diǎn)所建立的聲壓等同于這一點(diǎn)上的一個(gè)點(diǎn)聲源在整個(gè)探頭所建立的聲壓。因此，一個(gè)收發(fā)兼用的聚焦探頭測(cè)得的焦平面上一直徑甚小的小球所發(fā)射的聲壓為;

式中：J1——貝塞爾一階函數(shù)

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

3.3 焦柱直徑和焦柱長(zhǎng)度

圖6 焦柱直徑和焦柱長(zhǎng)度

聚焦聲束最后會(huì)聚于一點(diǎn)（或線），實(shí)際上這種情況是不存在的，因?yàn)閹缀温晫W(xué)忽略了聲波的波動(dòng)性，在焦點(diǎn)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(huì)聚于一點(diǎn)。因此聚焦聲束的焦點(diǎn)是一個(gè)聚焦區(qū)，該聚集區(qū)呈柱形，其焦柱直徑與長(zhǎng)度可用以下近似公式表示：

式中：d－焦柱直徑，以焦點(diǎn)處最大聲壓降低6dB來測(cè)定；

L－焦柱長(zhǎng)度，以焦點(diǎn)處最大聲壓降低6dB來測(cè)定；λ－波長(zhǎng)；F－焦距；

R－波源半徑；

由以上公式可知，焦柱直徑d及長(zhǎng)度L與波長(zhǎng)λ、焦點(diǎn)F、波源半徑R有關(guān)。當(dāng)R一定時(shí)，d、L隨λ、F增加而增大。二者的比值L/d為一常數(shù)，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(shù)的選擇

3.4.1 壓電晶片

由聲透鏡和壓電晶片的匹配關(guān)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(guān),在諧振頻率下,壓電晶片能夠達(dá)到最大的輸出功率.通常選擇壓電晶片的直徑為傳聲介質(zhì)中超聲波長(zhǎng)的5～8倍,以獲得較好的指向性.在一定波長(zhǎng)的條件下,晶片直徑越大,指向性越好,其近似關(guān)系有:

圓形晶片:

式中θ0為超聲場(chǎng)半擴(kuò)散角(指向角,又稱零擴(kuò)散角); λ為傳聲介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)。D為晶片直徑; θ-3dB為偏離聲軸的某點(diǎn)聲壓比聲軸線上相應(yīng)點(diǎn)聲壓低3dB時(shí)的半擴(kuò)散角。

水浸法進(jìn)行檢測(cè)時(shí),近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N=(D2-λ2)/4λ,可見N與晶片直徑有關(guān)。

3.4.2 聲透鏡材料

本節(jié)主要對(duì)透鏡材料的聲速分析。根據(jù)公式，透鏡曲率半徑一定時(shí)，可改變透鏡聲速來獲得不同焦距的探頭。目前，國(guó)內(nèi)透鏡材料主要選用環(huán)氧樹脂。環(huán)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(huán)氧樹脂加鎢粉混合料來獲得。鎢粉的衰減系數(shù)比較大，只要中心厚度足夠小則對(duì)靈敏度影響不大。當(dāng)透鏡的曲率半徑一定時(shí)，透鏡聲速?zèng)Q定探頭的焦距。聲速試塊的制作與聲速的測(cè)試決定探頭的性能參數(shù)。試塊是用不同比例的環(huán)氧樹脂加鎢粉的混合料，固定好離心時(shí)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(jù)環(huán)氧、鎢粉的比例與聲速的關(guān)系。其聲速隨鎢粉的量增加而減少，但不是無(wú)限制的減少。當(dāng)鎢粉與環(huán)氧的比例大于某個(gè)值的時(shí)候環(huán)氧已經(jīng)不能夠完全潤(rùn)濕鎢粉，流動(dòng)性就不好，在澆注過程中不能很好的去除氣泡[3]。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)鎢粉與環(huán)氧的比例在1:0.3范圍內(nèi)潤(rùn)濕效果和流動(dòng)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(fā)出的電脈沖激勵(lì)頻率達(dá)到最佳匹配，需要考慮探頭的電阻抗特性。為此，我們對(duì)所做的探頭進(jìn)行了線圈匹配實(shí)驗(yàn)：

表1 探頭測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)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(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)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(jīng)過反復(fù)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)直接串聯(lián)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(lián)0.3的電感的匹配。

表2 電感匹配結(jié)果

3.4.4 壓模的選擇

由于目前國(guó)內(nèi)僅使用純環(huán)氧作為澆注透鏡的材料。根據(jù)公式可知當(dāng)透鏡材料是純環(huán)氧樹脂，則C透就是一個(gè)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)所需探頭的焦距比較大時(shí)，其曲率半徑要求特別大，這樣對(duì)模具的要求比較高。基于這種現(xiàn)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(gè)聚焦探頭制作工藝中的關(guān)鍵。球的重量要保證壓制時(shí)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(nèi)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(shí)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(duì)脫模劑的選擇和脫模效果及所選的脫模劑適用材料進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論得出膠棉液是比較理想的脫模劑。

4 探頭性能的測(cè)試

用制作的探頭對(duì)IΤER裝置縱場(chǎng)母材進(jìn)行超聲波探傷試驗(yàn)

圖8 水浸探傷原理圖

圖9 檢測(cè)過程

對(duì)于IΤER裝置縱場(chǎng)母材有著嚴(yán)格的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，母材材質(zhì)為316L，尺寸為φ46.3×2mm，標(biāo)準(zhǔn)要求以深度為0.5mm，長(zhǎng)度為10mm的內(nèi)傷為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，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(jù)水浸探傷計(jì)算公式算得實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

（1）偏心距：偏心距平均值為：

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

（3）水層厚度：經(jīng)計(jì)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(yīng)使探頭的焦點(diǎn)落在與聲束軸線垂直的管心線上，如圖3.12所示。

在檢測(cè)前刻好了深度為0.5，長(zhǎng)度為10mm的內(nèi)傷，以作為試塊來檢測(cè)探頭的靈敏度。

將實(shí)驗(yàn)參數(shù)帶入，進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)探傷，波形圖如下：

圖11 檢測(cè)試塊波形圖

通過測(cè)試，2105，2109，2165，2168，2166，基本達(dá)到了實(shí)際操作所需要的靈敏度，能檢測(cè)出深度為0.5mm的內(nèi)傷，而2107的靈敏度過低而報(bào)廢。

5 結(jié)論

通過對(duì)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(huì)到理論與實(shí)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(dá)到了商品化程度。由于時(shí)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(duì)聚焦探頭進(jìn)行電阻抗匹配，發(fā)現(xiàn)10MHz的晶片加匹配線圈后靈敏度能提高2-3個(gè)dB，但嚴(yán)重影響晶片的回波。根據(jù)《美國(guó)無(wú)損檢測(cè)》（超聲卷）中的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)計(jì)算可知，晶片的匹配應(yīng)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?qū)瑓?shù)未能很好的測(cè)試出，如阻抗、容抗等。若解決好匹配問題，則整個(gè)聚焦探頭的制作工藝就更為完善，探頭性能也能上一個(gè)檔次。從理論上計(jì)算的探頭的焦距值與實(shí)際測(cè)試的值有偏差，這是由于實(shí)驗(yàn)過程中和測(cè)試過程中都存在誤差。

表3 探頭測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 探頭示意圖

參考文獻(xiàn)：

[1]張利等.超聲波水浸探傷中探頭距工件的最佳距離及調(diào)整[J].輕合金加工技術(shù),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(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì).美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)(超聲卷)[S].世界圖書出版公司,1996.