國際實(shí)驗(yàn)聚變堆鈹銅焊接件的超聲建模系統(tǒng)應(yīng)用

李寧 柴玉琨 王哲

摘 要：屏蔽包層作為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是作為直接面對(duì)等離子體的部件，承載聚變反應(yīng)過程中的中子輻照及高熱，而屏蔽包層就是由鈹銅焊接件組成。針對(duì)國際實(shí)驗(yàn)聚變堆（ITER）鈹銅焊接件的曲面帶間隙結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)超聲的理論研究之上，建立了CAD曲面模型，進(jìn)而研發(fā)了一套鈹銅焊接件超聲結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效解決帶間隙曲面工件無法檢測(cè)的問題，通過對(duì)對(duì)比試塊的檢驗(yàn)，驗(yàn)證了此系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè) CAD建模 國際實(shí)驗(yàn)聚變堆

中圖分類號(hào)：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0116-02

為了使鈹銅焊接件能夠承載高的核熱，達(dá)到聚變實(shí)驗(yàn)堆安全運(yùn)行的目的，對(duì)聚變實(shí)驗(yàn)堆鈹銅焊接件的結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)就顯得尤為重要；若鈹銅焊接件不進(jìn)行結(jié)合質(zhì)量的檢測(cè)，在等靜壓和電子束焊接的過程中，或者在材料加工過程中難免會(huì)造成一些缺陷和裂紋，而這些缺陷和裂紋對(duì)屏蔽包層整體功能的影響很大，對(duì)于整個(gè)反應(yīng)堆來說甚至是致命的[1]。因此，為了保證將來反應(yīng)堆的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對(duì)鈹銅焊接件的結(jié)合質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。鈹銅焊接件CAD圖（見圖1）。

1 建模實(shí)驗(yàn)

由于被檢面為一曲面，為了使超聲波探頭在整個(gè)檢驗(yàn)過程中始終保持與工件表面相垂直，需要對(duì)工件被檢面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建模使用超聲波原理，利用聲束入射角與表面波時(shí)域特征值之間關(guān)系，建模示意圖（見圖2）。

2 超聲結(jié)合質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

超聲結(jié)合質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)掃描傳動(dòng)裝置、掃描控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、超聲成像系統(tǒng)、超聲波探傷儀及探頭五大部分組成。

結(jié)構(gòu)組成部分功能如下。

（1）檢驗(yàn)掃描裝置是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)弧形材料檢驗(yàn)的裝置。該裝置主要由探頭X、Y、Z移動(dòng)裝置（每軸由滾珠絲杠部、直線導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)組成）、探頭A、B軸向旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置（由伺服電機(jī)帶動(dòng)）、探頭X、Y、Z三向磁柵位移傳感器、專用的工裝夾具、機(jī)架、平臺(tái)、水槽等組成。

（2）掃描控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、測(cè)量點(diǎn)初步規(guī)劃、檢驗(yàn)面數(shù)學(xué)建模、測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)規(guī)劃、X、Y、Z、A、B五維傳動(dòng)軸的手動(dòng)控制及自動(dòng)控制。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)。超聲成像系統(tǒng)是對(duì)采集系統(tǒng)所獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化直觀、量化的檢測(cè)結(jié)果圖，對(duì)檢測(cè)結(jié)果能自動(dòng)處理、存儲(chǔ)，并能給出在檢測(cè)過程中能夠?qū)σ褭z測(cè)區(qū)域的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，并以不同色彩區(qū)分顯示缺陷的嚴(yán)重程度，具有防止漏檢功能。

（4）超聲成像系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分析，自動(dòng)實(shí)時(shí)給出檢測(cè)結(jié)果，輸出缺陷點(diǎn)成像情況包括C掃面圖像及光標(biāo)處圖像點(diǎn)的A掃描波形圖，輸出檢驗(yàn)報(bào)表。

（5）超聲波探傷儀采用GE公司的USN60型脈沖反射式超聲波探傷儀，性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，符合JB/T10061-1999的規(guī)定。探頭為專用超聲波探頭選擇水浸點(diǎn)聚焦探頭。

超聲結(jié)合質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)（見圖3）。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 驗(yàn)證試塊

在鈹銅焊接件的超聲結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)建立后，為確定該自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，制作了驗(yàn)證試塊，對(duì)其進(jìn)行了功能試驗(yàn)，主要包括曲面建模實(shí)驗(yàn)和靈敏度實(shí)驗(yàn)。

驗(yàn)證試塊的作用是開展建模實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證建模程序；開展靈敏度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證檢驗(yàn)靈敏度。所以，設(shè)計(jì)該試塊時(shí)，需要遵循以下幾點(diǎn)：（1）能夠代表實(shí)際工件的形貌，曲率及溝槽尺寸與實(shí)際工件相同；（2）表面弧長與實(shí)際工件相同；（3）在工件底部設(shè)置有4個(gè)Ф1mm平底孔，平底孔位置與鈹銅界面的位置相同；（4）由于是驗(yàn)證試塊，為便于加工，材料采用不銹鋼。驗(yàn)證試塊（見圖4）。

3.2 CAD曲面建模驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

鈹銅焊接件超聲結(jié)合質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是建立在曲面建模準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此曲面的數(shù)學(xué)模型與工件的一致性是至關(guān)重要的。為了確定其正確性，使用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行曲面建模驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，曲面建模的對(duì)像是：驗(yàn)證試塊，使用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。由結(jié)果可以得出：該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的曲面建模是準(zhǔn)確的，能滿足下一步檢測(cè)的需要。曲面建模結(jié)果（見圖5）。

3.3 檢驗(yàn)靈敏度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

鈹銅焊接件超聲結(jié)合質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢驗(yàn)靈敏度是另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，課題組對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)靈敏度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)對(duì)象是：驗(yàn)證試塊。首先手動(dòng)調(diào)節(jié)使檢測(cè)系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)Ф1mm平底孔，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行超聲自動(dòng)掃查驗(yàn)證試塊。掃查結(jié)果表明，超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠正確發(fā)現(xiàn)φ1mm平底孔及以上人工反射體，滿足設(shè)計(jì)要求。掃查結(jié)果（見圖6）。

4 結(jié)語

該文主要描述的是一種可以實(shí)現(xiàn)超聲波技術(shù)與建模技術(shù)的融合，根據(jù)超聲波回波情況對(duì)工件曲面形貌進(jìn)行100%掃描建模，實(shí)現(xiàn)基于超聲波法的建模技術(shù)、超聲成像技術(shù)、超聲波自動(dòng)化檢驗(yàn)技術(shù)的集成，保證實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)探頭與多斜率曲面模塊保持垂直，解決了多斜率曲面模塊無法自動(dòng)檢驗(yàn)的難題，最終達(dá)到實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)判別檢驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)化檢測(cè)，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足歐標(biāo)要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 康偉山，張斧，吳繼紅，等.ITER屏蔽包層模塊的熱工水力與熱應(yīng)力分析[J].核聚變與等離子體物理，2007，27（4）：320-323.