楊 力 張 侃 王學(xué)權(quán) 陽 雷 孫大朋 張 旻 孫 琳

（中國核動力研究設(shè)計院核燃料與材料研究所，四川 成都 610213）

【關(guān)鍵字】超聲顯微；復(fù)合結(jié)構(gòu)件；焊縫熔深

0 前言

復(fù)合結(jié)構(gòu)件為焊接構(gòu)件，是反應(yīng)堆的核心部件，長期承受高溫、 高輻照的惡劣工況， 對焊縫質(zhì)量提出了較高要求。 在復(fù)合結(jié)構(gòu)件制造過程中， 焊縫熔深必須處于特定的范圍內(nèi)[1]。 若焊縫熔深太淺，會使焊縫的強(qiáng)度變低；若焊縫熔深太深，將產(chǎn)生較大焊接殘余應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)件變形。 因此，必須對焊縫熔深進(jìn)行檢測。

由于復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫排布密集，結(jié)構(gòu)特殊，常規(guī)無損檢測方法無法實現(xiàn)檢測[2-3]。 超聲顯微技術(shù)具有高靈敏度，小盲區(qū)，強(qiáng)分辨能力等特點(diǎn) ，為復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深的檢測提供了方法。

本文采用超聲顯微技術(shù)對復(fù)合構(gòu)件的焊縫熔深進(jìn)行了檢測，結(jié)合CIVA 仿真、金相解剖驗證了該方法的可行性，并對檢測的精度進(jìn)行評估。

1 檢測原理

采用高頻超聲直入射脈沖波對焊縫熔深進(jìn)行檢測， 即將聲波從焊縫正上方入射， 利用焊縫處的微小間隙對聲波反射得到的回波信號對焊縫進(jìn)行熔深檢測。 由于熔合區(qū)與未熔合縫隙界面間存在聲阻抗差異， 將使聲波在界面間產(chǎn)生反射并被探頭接收， 通過計算表面反射波間與界面反射波的時間差， 并結(jié)合材料聲速即可得出被檢焊縫的熔深。

2 仿真模擬

將復(fù)合結(jié)構(gòu)件進(jìn)行解剖，得到焊縫金相照片。 從焊縫金相照片看出， 焊縫熔池與母材分界明顯， 熔合線清晰，整個熔池呈半圓狀；在焊縫區(qū)域，組織排列方向無明顯差別。 在焊縫熔池下方， 有寬度約75μm 的間隙。 結(jié)合金相照片，采用CIVA 仿真軟件的超聲仿真模塊， 使 用 超 聲 頻 率 為10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz、50MHz、75MHz、100MHz、125MHz 的 探 頭 對 焊 縫間隙回波響應(yīng)進(jìn)行模擬， 得到如圖1 所示的間隙反射回波幅值變化趨勢。

圖1 不同頻率下間隙回波幅值的變化

從圖 1 中可以看出， 當(dāng)頻率從 10MHz 增加到125MHz 時，間隙反射回波幅值逐漸減小，呈指數(shù)規(guī)律下降；在10MHz 到30MHz，間隙回波幅值下降明顯，表明焊縫間隙對此范圍內(nèi)的頻率變化敏感； 而從30MHz到125MHz，間隙回波幅值下降緩慢，表明焊縫間隙對此范圍內(nèi)的頻率變化不再敏感。

此外，焊縫實際熔深在一定范圍內(nèi)變化，需保證探頭在一定深度范圍內(nèi)具有良好的聲場覆蓋， 這就需要考慮不同頻率的焦點(diǎn)聲壓和焦點(diǎn)深度。 對不同頻率探頭的聲場進(jìn)行模擬， 結(jié)果如圖2 所示。 由圖2 （a）可知，隨著頻率的增加，焦點(diǎn)聲壓幅值逐漸降低，當(dāng)頻率大于75MHz 以后，幅值急劇降低。 由圖2（b）可以看出，頻率的增加并不會使焦點(diǎn)深度發(fā)生大幅變化，但-6dB 焦軸長度在10MHz-30MHz 時隨頻率降低逐漸減小；30MHz-75MHz 時變化幅度較??； 大于75MHz 后隨頻率降低反而增大，但結(jié)合圖2（a）可知，頻率過大會造成焦點(diǎn)聲壓下降，無法保證聲場良好覆蓋。

圖2 不同頻率下的焦區(qū)特性變化

3 實驗驗證與評價

為驗證超聲顯微技術(shù)測量焊縫熔深的準(zhǔn)確性，結(jié)合仿真結(jié)果， 選取頻率為75MHz 的超聲顯微探頭對復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深進(jìn)行檢測。 調(diào)節(jié)水層厚度使被檢焊縫間隙處于探頭焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)， 在對比試塊上進(jìn)行時基線比例調(diào)整和靈敏度確認(rèn)后進(jìn)行掃查， 得到焊縫的結(jié)構(gòu)信號和熔深信號，并合成B 掃圖、C 掃圖和D 掃圖，如圖3 所示。 由圖3 可以看出， 焊縫間隙回波信號清晰可見， 信噪比高， 多點(diǎn)統(tǒng)計后的平均信噪比為11.76dB。

圖3 超聲顯微檢測結(jié)果

將結(jié)構(gòu)件進(jìn)行破壞性解剖，得到焊縫金相照片。 將超聲顯微檢測結(jié)果與金相照片的焊縫熔深值進(jìn)行比較， 結(jié)果表明超聲顯微檢測結(jié)果與金相照片熔深值符合良好，平均偏差為137.4μm。

4 結(jié)論

本文采用超聲顯微技術(shù)，結(jié)合CIVA 仿真、金相解剖驗證對復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深進(jìn)行了檢測， 結(jié)論如下：

（1） 超聲顯微技術(shù)對復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深的檢測具有可行性。

（2） 頻率為75MHz 的超聲顯微探頭既可以保證較高的檢測靈敏度，又可以保證良好的焦軸覆蓋。

（3） 超聲顯微技術(shù)對于復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深的檢測平均偏差為137.4μm，具有較高精度。