噴注器焊縫熔深超聲相控陣定量檢測(cè)

周世圓，鄭翀，趙燦，杜佩承，程宇涵，王永紅

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西，西安 710100）

焊縫熔深是指焊縫金屬?gòu)暮缚p表面向接頭內(nèi)延伸的距離，不包括焊縫余高.焊縫熔深是衡量焊縫質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響著焊接構(gòu)件的承載能力、安全性能和使用壽命[1?4].噴注器是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，由噴注器盤(pán)和噴注環(huán)通過(guò)電子束焊焊接而成，其焊縫熔深的合格性對(duì)噴注器自身及發(fā)動(dòng)機(jī)整體的安全性能起決定性作用.若其焊縫熔深達(dá)不到合格性要求，會(huì)導(dǎo)致焊縫承載截面面積減小、強(qiáng)度將低，在工作時(shí)可能造成氧化劑或燃料從焊接接頭處泄漏，影響推進(jìn)劑混合比，降低推力室比沖，影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)造成安全隱患.因此，開(kāi)展噴注器電子束焊縫熔深的定量檢測(cè)研究，對(duì)保證液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能和改善焊接工藝具有重要意義.

超聲波因具有良好的穿透性，在制造和檢測(cè)等領(lǐng)域受到了研究人員的關(guān)注[5?6].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)焊接構(gòu)件焊縫熔深的超聲檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了廣泛研究.常規(guī)超聲[7?8]、超聲顯微[9?10]、TOFD[11?12]、超聲相控陣[13?16]等常用超聲檢測(cè)方法均可實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件焊縫熔深的定量檢測(cè).噴注器截面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫分布密集，檢測(cè)位置小，采用單探頭入射進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法直接獲取可以表征焊縫熔深信息的信號(hào)；噴注器厚度小，檢測(cè)區(qū)域位于近表面0.5 mm～3.2 mm 之間，采用TOFD 方法存在表面盲區(qū)問(wèn)題[17]，對(duì)于焊接區(qū)域位于盲區(qū)范圍內(nèi)（近表面5 mm 內(nèi)）的構(gòu)件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊縫熔深的定量.

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)采用多晶片的陣列探頭，可以靈活的控制聲束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和聚焦，在復(fù)雜構(gòu)件焊縫檢測(cè)上具有其他檢測(cè)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[18].文中針對(duì)復(fù)雜截面的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器，基于超聲相控陣RATT 開(kāi)展了其電子束焊縫熔深的定量檢測(cè)方法研究，為解決其檢測(cè)面尺寸小且存在凹槽的檢測(cè)難點(diǎn)，提出了水浸式RATT 檢測(cè)方法，搭建了檢測(cè)系統(tǒng)并利用CIVA 軟件進(jìn)行檢測(cè)仿真，采用所提方法對(duì)研制的人工缺陷對(duì)比試樣和電子束焊接模擬試樣開(kāi)展檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性.

1 檢測(cè)方法及原理

某型航天發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器材料為不銹鋼，整體結(jié)構(gòu)為圓盤(pán)形，局部實(shí)物圖如圖1（a）所示.噴注環(huán)徑向尺寸為8 mm，兩側(cè)通過(guò)電子束焊縫與噴注器盤(pán)連接，兩環(huán)形焊縫之間的距離僅為2 mm.噴注器焊縫形式為對(duì)接焊縫，焊縫截面如圖1（b）所示.為保證其安全性能，要求每條焊縫的熔深不小于1.5 mm.

圖1 航天發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器Fig.1 Aerospace engine injector

噴注器焊接區(qū)域上下兩側(cè)均存在凹槽，由于超聲相控陣探頭大多尺寸較大，若采用有機(jī)玻璃斜楔夾持探頭進(jìn)行接觸式檢測(cè)無(wú)法避開(kāi)表面凹槽，進(jìn)而造成耦合不良，無(wú)法完成檢測(cè).為了克服有限檢測(cè)面的難題，文中基于超聲相控陣相對(duì)到達(dá)時(shí)間技術(shù)（relative arrival time technique，RATT），采用水楔塊夾持探頭，對(duì)噴注器焊縫熔深進(jìn)行水浸式RATT 檢測(cè).

采用水浸式RATT 定量檢測(cè)焊縫熔深時(shí)，以水為耦合劑，利用超聲相控陣線性掃描方式，根據(jù)同一角度下不同位置的線性掃描回波信號(hào)進(jìn)行焊縫熔深定量檢測(cè).如圖2 所示，超聲相控陣探頭的位置不變，通過(guò)超聲相控陣的線性掃描方式實(shí)現(xiàn)對(duì)噴注器被檢區(qū)域的固定角度掃描，此時(shí)未熔透尖端衍射回波路徑為CD，端角反射回波路徑為BA，折射角均為θ.利用B掃圖中噴注環(huán)端角B點(diǎn)的反射回波信號(hào)與未熔透尖端C點(diǎn)的衍射回波信號(hào)，可以定量檢測(cè)噴注器電子束焊縫熔深

圖2 焊縫熔深超聲相控陣RATT 定量檢測(cè)原理Fig.2 Quantitative detection principle of weld penetration depth using ultrasonic phased array RATT

式中：T=2.7 mm，為工件厚度；H為焊縫未熔透高度；CT為工件中的橫波聲速；t1為焊縫未熔透尖端衍射回波時(shí)間；t2為噴注環(huán)端角反射回波時(shí)間.

2 檢測(cè)系統(tǒng)與仿真

基于上述檢測(cè)方法及原理，文中搭建了如圖3（a）所示的焊縫熔深超聲相控陣水浸式RATT 檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括：奧林巴斯相控陣探傷儀OmniScan X3（32/128PR）、奧林巴斯水浸相控陣探頭10L64-FSW（10 MHz、一維線陣、64 陣元）、專用水楔塊SFSWN45S-WHC（鋼中折射角為45°）、水槽和檢測(cè)試樣等.系統(tǒng)示意圖如圖3（b）所示.

圖3 焊縫熔深超聲相控陣水浸式RATT 檢測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Water immersed RATT System with ultrasonic phased array detection for weld penetration depth

為了驗(yàn)證檢測(cè)方法及系統(tǒng)對(duì)于噴注器焊縫熔深定量檢測(cè)的可行性，采用CIVA 仿真軟件進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)仿真，獲得缺陷響應(yīng)結(jié)果.

對(duì)噴注器焊接區(qū)域的截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模并生成CAD 文件，導(dǎo)入到CIVA 軟件中.材料選取304不銹鋼，設(shè)定密度為7.89 g/cm3，縱波聲速為5 790 m/s，橫波聲速為3 100 m/s.利用垂直平面型缺陷模擬未熔透區(qū)域，設(shè)置缺陷高度為1.2 mm，長(zhǎng)度為10 mm，以模擬1.5 mm 的焊縫熔深.構(gòu)建的焊縫熔深檢測(cè)CIVA 模型如圖4 所示.

圖4 焊縫熔深檢測(cè)CIVA 模型Fig.4 CIVA model for weld penetration depth detection

根據(jù)搭建的水浸式RATT 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置探頭和楔塊參數(shù)：探頭晶片數(shù)量為64 個(gè)，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為0.4 mm，頻率為10 MHz，?6 dB 帶寬為60%；楔塊中耦合劑為水，縱波聲速為1 480 m/s.仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置探頭孔徑為32 個(gè)晶片，采用線性掃描，晶片步距為1.橫波聲束在試樣中的折射角為45°，試樣四周介質(zhì)為水.聚焦類型選擇角度加深度聚焦，將聚焦位置設(shè)置于噴注環(huán)底面，即聚焦深度為3.5 mm.

采用上述設(shè)置參數(shù)對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行缺陷響應(yīng)仿真，尖端衍射和端角反射的缺陷響應(yīng)結(jié)果分別如圖5（a）和（b）所示.圖中左側(cè)為焊接區(qū)域的B 掃圖像，右側(cè)為對(duì)應(yīng)孔徑下的A 掃信號(hào).由B 掃圖像可知，焊縫未熔透尖端位置出現(xiàn)衍射信號(hào)，噴注環(huán)端角的反射信號(hào)亦明顯可見(jiàn).由A 掃信號(hào)可采集到尖端衍射信號(hào)和端角反射信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)信號(hào)最大幅值的深度位置差可得到未熔透高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊縫熔深的定量檢測(cè).

圖5 焊縫熔深檢測(cè)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of weld penetration depth detection

利用CIVA 軟件進(jìn)行仿真檢測(cè)驗(yàn)證了水浸式RATT 對(duì)于噴注器焊縫熔深的定量檢測(cè)具有可行性，但該方案的實(shí)際檢測(cè)效果與定量檢測(cè)的有效性，還需要利用檢測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

3 矩形槽人工缺陷對(duì)比試樣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法及系統(tǒng)的可行性，研制了檢測(cè)對(duì)比試樣，并對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn).

3.1 對(duì)比試樣

依據(jù)噴注器焊縫熔深的檢測(cè)要求以及其結(jié)構(gòu)與尺寸，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 13466-2018 《無(wú)損檢測(cè) 接頭熔深相控陣超聲測(cè)定方法》，采用矩形槽模擬未熔透區(qū)域，設(shè)計(jì)了熔深檢測(cè)對(duì)比試樣，試樣材料為304不銹鋼.試樣外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為平板型，矩形槽局部截面結(jié)構(gòu)與噴注器焊道截面相同，預(yù)制不同高度的矩形槽（間隔為0.1 mm），刻槽寬度設(shè)計(jì)為0.15 mm，采用電蝕方法加工，加工后采用覆形方法測(cè)量其真實(shí)尺寸.對(duì)比試樣實(shí)物圖如圖6（a）所示，截面結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示，刻槽規(guī)格如表1 所示.

表1 對(duì)比試樣刻槽規(guī)格Tab.1 Specifications of notches in comparative samples

圖6 噴注器對(duì)比試樣Fig.6 Samples for the injector comparison

3.2 對(duì)比試樣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)噴注器對(duì)比試樣進(jìn)行水浸線性掃描檢測(cè).檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置與仿真中一致，如表2 所示.檢測(cè)過(guò)程中，控制聲束沿垂直于刻槽長(zhǎng)度的方向入射，得到刻槽位置處的B 掃圖像并進(jìn)行分析與測(cè)量.

表2 檢測(cè)參數(shù)Tab.2 Detection parameters

如圖7（a）所示，以1#刻槽為例，B掃圖像中刻槽尖端衍射信號(hào)和端角反射信號(hào)均清晰可見(jiàn)辨易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量，在相同增益下，采集到刻槽尖端衍射信號(hào)和端角反射信號(hào)分別達(dá)到最大的兩個(gè)A掃信號(hào)，如圖7（b）和（c）所示，在上述兩信號(hào)中分別讀取刻槽尖端衍射信號(hào)和端角反射信號(hào)的聲時(shí)t1和t2，由公式（1）計(jì)算得到人工刻槽缺陷所對(duì)應(yīng)的模擬熔深D.

圖7 對(duì)比試樣檢測(cè)結(jié)果分析與測(cè)量（序號(hào)1 刻槽）Fig.7 Analysis and measurement to detection results of comparative sample(1# notch)

其余刻槽位置處的B 掃圖像如圖8 所示，采用上述步驟進(jìn)行分析與測(cè)量，得到刻槽高度值.

圖8 對(duì)比試樣檢測(cè)B 掃圖像Fig.8 B-scan images of comparative sample detection

利用編碼器對(duì)對(duì)比試樣進(jìn)行C 掃描檢測(cè)，得到的C 掃圖像如圖9 所示，對(duì)每個(gè)刻槽長(zhǎng)度方向間隔為1 mm 的9 個(gè)位置分別采集一次B 掃圖像并進(jìn)行刻槽高度測(cè)量.計(jì)算檢測(cè)高度和檢測(cè)熔深的均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差，最終得到的對(duì)比試樣檢測(cè)結(jié)果如表3所示，其中誤差δ和相對(duì)誤差δr表示熔深檢測(cè)的誤差與相對(duì)誤差.

表3 對(duì)比試樣檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Results of comparative sample detection

圖9 對(duì)比試樣檢測(cè)C 掃圖像Fig.9 C-scan image of comparative sample detection

由檢測(cè)結(jié)果可知，采用水浸式RATT 進(jìn)行對(duì)比試樣焊縫熔深檢測(cè)的精度優(yōu)于0.15 mm，通過(guò)得到的B 掃圖像和A 掃信號(hào)可實(shí)現(xiàn)模擬熔深的定量檢測(cè)，且重復(fù)性水平高，檢測(cè)結(jié)果可靠.

4 模擬試樣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證方法及系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際構(gòu)件焊縫熔深的定量檢測(cè)的有效性，研制了焊接模擬試樣，并對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，最終通過(guò)對(duì)其焊縫進(jìn)行金相檢測(cè)衡量了定量精度.

4.1 模擬試樣

如圖10（a）所示，熔深檢測(cè)模擬試樣采用與噴注器原件相同材料，由6 個(gè)噴注環(huán)和1 個(gè)噴注器盤(pán)通過(guò)電子束焊接形成，具有與噴注器原件相同的徑向截面結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外共10 條環(huán)焊縫.電子束焊接按照標(biāo)準(zhǔn)GJB1718A-2005《電子束焊接》Ⅰ級(jí)要求執(zhí)行，改變焊接時(shí)采用的電流值，以使各焊縫達(dá)到不同熔深.垂直焊縫方向的剖面示意圖如圖10（b）所示.

圖10 噴注器模擬試樣Fig.10 Simulation sample of the injector

4.2 模擬試樣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用與對(duì)比試樣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中相同的檢測(cè)參數(shù)（包括探頭孔徑、晶片步距、聚焦深度、聲束折射角等）對(duì)噴注器模擬試樣的每條焊縫進(jìn)行熔深檢測(cè).檢測(cè)過(guò)程中，控制聲束沿環(huán)焊縫的法向入射，得到的從內(nèi)到外共10 條焊縫特定位置處的B 掃圖像如圖11所示.

圖11 模擬試樣檢測(cè)B 掃圖像Fig.11 B-scan images of simulation sample detection

經(jīng)對(duì)比模擬試樣和對(duì)比試樣的B 掃圖像發(fā)現(xiàn)，采用該方案對(duì)實(shí)際焊接構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，信噪比略有降低，但焊縫未熔透尖端的衍射信號(hào)清晰可辨，可實(shí)現(xiàn)熔深定量檢測(cè).

為了驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)模擬試樣的焊縫熔深進(jìn)行金相檢測(cè).利用100 倍的光學(xué)顯微鏡檢測(cè)，得到的從內(nèi)到外共10 條焊縫的截面金相圖如圖12 所示.通過(guò)對(duì)金相圖進(jìn)行測(cè)量可以得到每條焊縫的實(shí)際熔深.

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，除10#焊縫的熔深未檢測(cè)出之外，其余焊縫由實(shí)驗(yàn)得到的檢測(cè)熔深均大于由金相檢測(cè)得到的實(shí)際熔深，且除2#焊縫之外，兩者之間的誤差均在0.3 mm 附近波動(dòng).基于上述現(xiàn)象，可以為檢測(cè)熔深附加一個(gè)補(bǔ)償量Δ（Δ=?0.3 mm），將補(bǔ)償熔深D1作為最終的檢測(cè)結(jié)果，如表4 所示.

表4 模擬試樣檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Results of simulation sample detection (after compensation)

由檢測(cè)結(jié)果可知，采用水浸式RATT 實(shí)現(xiàn)了1#～9#焊縫的定量檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)噴注器模擬試樣（0.02～1.58）mm 熔深焊縫的定量檢測(cè).2#焊縫的熔深檢測(cè)誤差較大的原因是模擬試樣上表面外形復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)發(fā)生大量散射，當(dāng)被檢測(cè)焊縫的實(shí)際熔深過(guò)小時(shí)，B 掃圖像中的未熔透尖端衍射信號(hào)會(huì)被試樣上表面的散射信號(hào)覆蓋，實(shí)際所測(cè)信號(hào)為衍射信號(hào)附近的散射信號(hào).10#焊縫的熔深未實(shí)現(xiàn)測(cè)量的原因是焊縫未熔透根部端角反射信號(hào)存在較強(qiáng)的散射現(xiàn)象，且檢測(cè)結(jié)果存在正偏差，當(dāng)被檢測(cè)焊縫的實(shí)際熔深較大時(shí)，B 掃圖像中的未熔透尖端衍射信號(hào)會(huì)與端角反射信號(hào)發(fā)生混疊，無(wú)法分辨.但如圖11（j）所示，區(qū)別于其余焊縫，僅10#焊縫的B 掃圖像中未出現(xiàn)焊縫未熔透尖端衍射信號(hào)，故其B 掃圖像的特點(diǎn)在10 條焊縫中具有唯一性，故在實(shí)際檢測(cè)中可據(jù)此對(duì)熔深大于1.58 mm 的焊縫進(jìn)行熔深合格性的定性判別.

綜上，采用水浸式RATT 可以實(shí)現(xiàn)噴注器焊縫熔深的定量檢測(cè)，對(duì)（0.15～1.58）mm 熔深焊縫的檢測(cè)精度優(yōu)于0.15 mm，并能對(duì)熔深大于1.58 mm的焊縫進(jìn)行熔深合格性的定性判別.在實(shí)際生產(chǎn)中由工藝保障不會(huì)出現(xiàn)熔深小于0.5 mm 的焊縫，因此，采用超聲相控陣水浸式RATT 進(jìn)行檢測(cè)，可以滿足噴注器實(shí)際生產(chǎn)中熔深不小于1.5 mm 的檢測(cè)需求.

5 結(jié) 論

針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子束焊縫的熔深定量檢測(cè)需求，基于超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，提出了水浸式RATT 定量檢測(cè)方法，克服了噴注器檢測(cè)面尺寸小且存在凹槽難以檢測(cè)的問(wèn)題.根據(jù)提出的檢測(cè)方法搭建了檢測(cè)系統(tǒng)，先利用CIVA 軟件進(jìn)行檢測(cè)仿真，而后研制檢測(cè)試樣，利用10MHz 的高頻探頭配備水楔塊進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法及系統(tǒng)對(duì)于噴注器電子束焊縫熔深定量檢測(cè)的可行性和有效性.模擬試樣焊縫熔深的超聲檢測(cè)結(jié)果與金相檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，采用超聲相控陣水浸式RATT進(jìn)行噴注器電子束焊縫熔深定量檢測(cè)的精度優(yōu)于0.15 mm，且可檢范圍滿足噴注器實(shí)際生產(chǎn)中的熔深檢測(cè)需求.