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，增加了檢測難度。經(jīng)測量，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、檢測系統(tǒng)和檢測方法
3.1 檢測系統(tǒng)
探測系統(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)，其水槽最簡單，僅用一個(gè)水槽。僅需具有足夠的長度以保證管子兩段有安裝減少端頭探測盲區(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方法
（1）探測時(shí)采用水浸探測法。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。
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)圓不銹鋼管的檢測特點(diǎn)：
（1）線聚焦探頭和用近表面下的縱波探測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，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，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