鎢塊-銅管熱等靜壓焊接界面電磁超聲檢測(cè)的數(shù)值模擬

肖 盼，楊桂才，裴翠祥，解社娟，陳振茂

（西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

鎢塊-銅管熱等靜壓焊接界面電磁超聲檢測(cè)的數(shù)值模擬

肖 盼，楊桂才，裴翠祥，解社娟，陳振茂

（西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

托卡馬克裝置的偏濾器靶板多為鎢塊-銅管穿管部件，鎢塊-銅管間采用熱等靜壓（HIP）焊接且有過渡層，具有多層管狀結(jié)構(gòu)。針對(duì)該多層管焊接界面的無損檢測(cè)，提出了管外施加偏置磁場(chǎng)的電磁超聲檢測(cè)方法，開發(fā)了多層管電磁超聲檢測(cè)信號(hào)數(shù)值模擬程序，通過計(jì)算和比較缺陷區(qū)域大小和探頭-缺陷相對(duì)位置對(duì)檢出信號(hào)的影響，分析了橫波和縱波探頭的檢測(cè)靈敏度和空間分辨率，說明了電磁超聲無損檢測(cè)方法對(duì)多層管界面脫粘缺陷檢測(cè)的有效性。

電磁超聲；數(shù)值模擬；多層管；界面缺陷

在托卡馬克裝置的等離子體部件，特別是偏濾器靶板中大量采用了具有HIP（熱等靜壓）焊接界面的多層管結(jié)構(gòu)部件——鎢銅穿管部件，該結(jié)構(gòu)件起著冷卻等離子體部件和移除熱量以產(chǎn)生蒸汽并進(jìn)行發(fā)電的作用［1］。多層管HIP焊接界面的焊接不良或脫粘缺陷直接影響換熱管熱交換能力，且可能導(dǎo)致異常熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而嚴(yán)重影響托卡馬克內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全性和完整性，因此需要進(jìn)行役前/在役無損檢測(cè)以對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，但目前相應(yīng)的無損檢測(cè)手段尚不完善。

電磁超聲檢測(cè)方法因具有非接觸性、無需耦合劑、適應(yīng)性強(qiáng)、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，成為材料和結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)領(lǐng)域中的一種重要方法［2－4］。針對(duì)穿管部件的無損檢測(cè)問題，提出了基于管外施加偏置磁場(chǎng)和管內(nèi)激勵(lì)的多層管HIP焊接面電磁超聲無損檢測(cè)方法，探索了兩種不同結(jié)構(gòu)的橫波和縱波探頭的檢測(cè)靈敏度和空間分辨率，說明了此方法對(duì)多層管脫粘缺陷檢測(cè)的有效性。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 Ar法基本原理

采用自主開發(fā)的退化磁矢位Ar法有限元程序?qū)MAT產(chǎn)生的渦流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算模擬，以計(jì)算電磁力并進(jìn)而計(jì)算超聲場(chǎng)。Ar法將計(jì)算區(qū)域分為衰減區(qū)域、混合區(qū)域、正常區(qū)域和導(dǎo)體區(qū)域四個(gè)部分，在衰減區(qū)域采用退化的磁矢位，在其他區(qū)域直接采用磁矢位，可以避免對(duì)探頭進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，對(duì)復(fù)雜探頭和掃查信號(hào)計(jì)算具有優(yōu)勢(shì)。

由于在電磁超聲檢測(cè)中激勵(lì)電流頻率一般不超過10 MHz，因此渦流計(jì)算中的電磁場(chǎng)可以看作是準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)問題，其控制方程可寫為［5］:

式中:A為矢量磁位；Φ為標(biāo)量磁位；μ為導(dǎo)體中磁導(dǎo)率；μ0為空氣中磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)電率；Js為源電流密度；Jv為導(dǎo)體中的速度誘發(fā)電流。

進(jìn)行棱邊有限元法離散，可以得到如下單元控制方程:

最終綜合各單元方程并利用Crank-Nicholson直接積分法可得:

式中:N為矢量形函數(shù)；θ為0～1間的積分常數(shù)；P［］，Q［］，R｛｝為系數(shù)矩陣；I為激勵(lì)電流；Δt為積分時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)式逐步積分即可得到磁矢位A。

1.2 超聲場(chǎng)計(jì)算原理

根據(jù)彈性力學(xué)，超聲波在介質(zhì)中的傳播過程滿足波動(dòng)方程:

式中:λ，μ為材料的彈性常數(shù)；γ為材料的阻尼系數(shù)；ρ為材料的密度；u為節(jié)點(diǎn)位移。

在模型中超聲波傳播的體力項(xiàng)由洛倫茲力產(chǎn)生，故:

式中:Bm為靜磁場(chǎng)強(qiáng)度；A為節(jié)點(diǎn)磁矢位；Je為節(jié)點(diǎn)渦流。

進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元法離散，可得控制方程［6］:

式中:［M］，［C］，［K］分別為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；｛U｝、｛F｝分別為位移矩陣、載荷向量。

1.3 檢出電壓的計(jì)算

由界面反射回來的超聲波在導(dǎo)體表面引起的振動(dòng)將在偏置磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生渦流，通過電磁感應(yīng)定律可得渦流在檢出線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

式中:Afe為線圈上渦流產(chǎn)生的磁矢位；Je為導(dǎo)體中的渦流；r為導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)到線圈節(jié)點(diǎn)的距離。

2 管用電磁超聲探頭結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型

為實(shí)現(xiàn)多層管界面脫粘缺陷的檢測(cè)，需要采用半徑方向垂直入射的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)由于內(nèi)徑較小、外部形狀復(fù)雜，偏濾器鎢-銅穿管部件等需要采用內(nèi)插式檢測(cè)方式。由于產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)的永磁體體積較大，難于直接使用常規(guī)電磁超聲探頭?？紤]到鎢-銅穿管部件是非磁性材料，筆者提出一種在鎢-銅穿管部件的外部施加偏置磁場(chǎng)，在線圈內(nèi)部設(shè)置激勵(lì)和檢測(cè)線圈的電磁超聲檢測(cè)方式。探頭具體可采用橫波和縱波電磁超聲探頭方式，如圖1，2所示。其中圖1所示橫波探頭由管外部磁體提供設(shè)定方向的徑向偏置磁場(chǎng)，而激勵(lì)和檢測(cè)線圈則采用回型線圈結(jié)構(gòu)，且采用平行于管軸-垂直于偏置磁場(chǎng)的布置方式。為方便數(shù)值計(jì)算，采用了施加徑向均勻磁場(chǎng)來等效偏置磁場(chǎng)的方法。對(duì)于圖2所示縱波探頭，偏置磁場(chǎng)可由與穿管部件管同軸的螺線管磁體提供，而激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈分別選置于管內(nèi)的Bobbin大線圈和平行于管軸方向的回型線圈。同樣作為初步計(jì)算模型，縱波探頭的偏置磁場(chǎng)由沿管軸方向的均勻磁場(chǎng)代替。

圖1 橫波探頭模式三維圖

圖2 縱波探頭模式三維圖

熱等靜壓焊接多層管通常在界面處可能出現(xiàn)脫粘，因此通過在多層管界面處設(shè)置各種大小、不同位置的缺陷，并計(jì)算和分析比較相應(yīng)的電磁超聲信號(hào)變化，以明確電磁超聲方法對(duì)多層管界面缺陷檢測(cè)的有效性和進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的可行性。

作為偏濾器穿管部件的特例，首先針對(duì)一個(gè)鎢銅雙層管進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。具體尺寸參數(shù)為:多層管的內(nèi)層材料為銅，外層材料為鎢，內(nèi)徑為6 mm，銅管為5 mm厚，鎢管為7 mm厚。電磁超聲渦流激勵(lì)線圈的內(nèi)徑設(shè)定為5.5 mm，線圈厚度為0.2 mm。材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 銅和鎢的材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 橫波探頭模擬結(jié)果

對(duì)于圖1所示的橫波激勵(lì)探頭，典型檢測(cè)信號(hào)如圖3所示。雖然在焊接界面均存在界面電磁超聲反射波，但不同缺陷大小所對(duì)應(yīng)的界面反射波的幅值差別不明顯。為明確差別，抽取了有缺陷信號(hào)和無缺陷信號(hào)的差分信號(hào)，以確定缺陷大?。`敏度）和缺陷偏移（分辨率）與電磁超聲信號(hào)之間的關(guān)系。

圖4給出了不同缺陷大小與差分信號(hào)幅值的相關(guān)性。不難看出信號(hào)大小與缺陷大小存在明確的關(guān)聯(lián)性，通過相關(guān)分析可以得知兩者基本呈線形關(guān)系（與線形函數(shù)的相關(guān)度為0.925 6）。該圖也說明對(duì)于缺陷偏離檢出線圈8°以上的脫粘缺陷，電磁超聲具有良好的定量檢測(cè)能力。

圖3 橫波模式差分信號(hào)

圖4 橫波模式缺陷大小與差分信號(hào)幅值的相關(guān)性

圖5給出了探頭中心與缺陷中心相對(duì)位置具有不同偏離時(shí)檢測(cè)信號(hào)的變化，這時(shí)缺陷的大小為10°。從這些結(jié)果可知，當(dāng)缺陷中心偏離檢出線圈正中10°時(shí)，其峰值信號(hào)為最大信號(hào)值的61%；當(dāng)偏離角度為12°時(shí)，其峰值降為最大峰值的37%。因此可認(rèn)為該線圈的檢測(cè)范圍為－10°～10°，即探頭的空間分辨率在20°以內(nèi)。

圖5 缺陷中心偏離檢出線圈中心的角度和檢出信號(hào)峰值的關(guān)系

3.2 縱波探頭模擬結(jié)果

圖6，7分別給出了縱波探頭對(duì)不同大小缺陷的檢測(cè)信號(hào)以及界面回波幅值與缺陷大小的相關(guān)曲線。相較于橫波探頭，縱波探頭的界面回波信號(hào)由于本身缺陷的存在會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，因此圖7中直接給出了界面回波信號(hào)幅值與缺陷大小的關(guān)系而非差分信號(hào)幅值。如圖6，7所示，縱波探頭的界面回波峰值隨著界面裂紋缺陷的增大而顯著減小，且檢出電壓信號(hào)的峰值和缺陷大小具有高達(dá)0.996的線性相關(guān)性。

圖6 縱波模式檢測(cè)信號(hào)

圖7 縱波模式缺陷大小相關(guān)性

圖8，9給出了縱波探頭中心與缺陷中心相對(duì)位置不同時(shí)檢測(cè)信號(hào)的變化，這時(shí)缺陷的偏離角度大小同樣為10°。由圖9可知，縱波探頭模式的空間分辨率與橫波模式有所不同。當(dāng)缺陷偏離檢出線圈的角度大于18°時(shí)，信號(hào)峰值快速下降，因此可以認(rèn)為單個(gè)檢測(cè)線圈的縱波探頭的可檢測(cè)范圍為－18°～18°。

縱波探頭的檢測(cè)信號(hào)對(duì)缺陷更敏感，且空間分辨范圍更大，是一種相對(duì)更好的探頭模式。

圖8 縱波模式不同偏離角檢測(cè)信號(hào)

圖9 缺陷中心偏離檢出線圈中心角度和檢出信號(hào)峰值的關(guān)系

4 結(jié)語

針對(duì)鎢塊-銅管多層管層間HIP焊接界面脫粘的電磁超聲檢測(cè)，提出了管外施加偏置磁場(chǎng)管內(nèi)激勵(lì)檢出的電磁超聲檢測(cè)方法，并通過開發(fā)和應(yīng)用管用電磁超聲檢測(cè)信號(hào)數(shù)值模擬程序，驗(yàn)證了方法的有效性。對(duì)于提出的橫波和縱波探頭，分別通過對(duì)不同大小缺陷和不同缺陷-探頭中心位置時(shí)的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)管用電磁超聲探頭的靈敏度和空間分辨率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)縱波探頭具有更好的檢測(cè)性能。為電磁超聲信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行定量重構(gòu)奠定了一定的基礎(chǔ)，對(duì)拓展電磁超聲應(yīng)用具有重要意義。

［1］肖美華，陳振茂，李勇，等.多層管HIP焊接界面脫粘渦流檢測(cè)數(shù)值模擬研究［J］.失效分析與預(yù)防，2013，8（2）:65-68.

［2］LUDWIG R，PALANISAMY R.Numerical simulations of an electromagnetic acoustic transducer-receiver system for NDT applications［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1993，29（3）:2081-2088.

［3］KALTENBACHER M，ETTINGER K，LERCH R. Finite element analysis of coupled electromagnetic acoustic systems［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1999，35（3）:1610-1613.

［4］周海強(qiáng)，李勇，陳振茂.鐵磁材料電磁超聲無損檢測(cè)數(shù)值模擬［J］.無損檢測(cè)，2012，34（11）:21-24.

［5］CHEN Z M，KUROKAWA，MIYA K，et al.Rapid prediction of eddy current testing signals A-fai method and database［J］.NDT&E International，1999，32:29-36.

［6］PEI C，CHEN Z M，WU W.Development of simulation method for EMAT signals and applications to TBC inspection［J］.Int.J.Appl.Electromagn.Mech.，2010，33（3/4）:1077-1085.

Numerical Simulation of EMAT NDT for HIP Welding Joint in W-Cu Mono-Block

XIAO Pan，YANG Gui-cai，PEI Cui-xiang，XIE She-juan，CHEN Zhen-mao
（State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

The vertical target of diverter of a Tokamak system consists of a lot of units of W-Cu Mono-block which has a multi-layer tube structure and is bonded together with the HIP welding technique.To validate the NDT method for quality of welding joint of the Mono-blocks，a numerical code was developed for the signal simulation of EMAT of a multi-layer tube，and was used to investigate the detectability and space resolution of EMAT probes with two different structures.Numerical results verified the validity of the proposed EMAT method and probe structure for the inspection of delamination in multilayer tube.

EMAT；Numerical Simulation；Multilayered Pipes；Interface defect

TG115.28

A

1000-6656（2015）11-0018-04

10.11973/wsjc201511005

2015-05-28

肖 盼（1992－），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)理論和試驗(yàn)研究。