國際實驗聚變堆鈹銅焊接件的超聲建模系統應用

李寧 柴玉琨 王哲

摘 要：屏蔽包層作為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的關鍵部件之一，其主要作用是作為直接面對等離子體的部件，承載聚變反應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。針對國際實驗聚變堆（ITER）鈹銅焊接件的曲面帶間隙結構，在基礎超聲的理論研究之上，建立了CAD曲面模型，進而研發了一套鈹銅焊接件超聲結合質量檢測系統，能夠有效解決帶間隙曲面工件無法檢測的問題，通過對對比試塊的檢驗，驗證了此系統的有效性。

關鍵詞：超聲檢測 CAD建模 國際實驗聚變堆

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0116-02

為了使鈹銅焊接件能夠承載高的核熱，達到聚變實驗堆安全運行的目的，對聚變實驗堆鈹銅焊接件的結合質量檢測就顯得尤為重要；若鈹銅焊接件不進行結合質量的檢測，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造成一些缺陷和裂紋，而這些缺陷和裂紋對屏蔽包層整體功能的影響很大，對于整個反應堆來說甚至是致命的[1]。因此，為了保證將來反應堆的安全運轉，必須對鈹銅焊接件的結合質量進行無損檢測。鈹銅焊接件CAD圖（見圖1）。

1 建模實驗

由于被檢面為一曲面，為了使超聲波探頭在整個檢驗過程中始終保持與工件表面相垂直，需要對工件被檢面進行數學建模，建模使用超聲波原理，利用聲束入射角與表面波時域特征值之間關系，建模示意圖（見圖2）。

2 超聲結合質量自動檢測系統

超聲結合質量自動檢測系統包括檢測掃描傳動裝置、掃描控制系統、數據采集系統、超聲成像系統、超聲波探傷儀及探頭五大部分組成。

結構組成部分功能如下。

（1）檢驗掃描裝置是用于實現對弧形材料檢驗的裝置。該裝置主要由探頭X、Y、Z移動裝置（每軸由滾珠絲杠部、直線導軌、步進電機組成）、探頭A、B軸向旋轉系統裝置（由伺服電機帶動）、探頭X、Y、Z三向磁柵位移傳感器、專用的工裝夾具、機架、平臺、水槽等組成。

（2）掃描控制系統主要包括系統初始化、參數設置、測量點初步規劃、檢驗面數學建模、測量點自動規劃、X、Y、Z、A、B五維傳動軸的手動控制及自動控制。

（3）數據采集系統是實現對檢測原始數據的實時采集、存儲。超聲成像系統是對采集系統所獲得的檢測數據進行處理，并轉化直觀、量化的檢測結果圖，對檢測結果能自動處理、存儲，并能給出在檢測過程中能夠對已檢測區域的結果實時顯示，并以不同色彩區分顯示缺陷的嚴重程度，具有防止漏檢功能。

（4）超聲成像系統根據數據采集系統獲得的數據進行波形分析，自動實時給出檢測結果，輸出缺陷點成像情況包括C掃面圖像及光標處圖像點的A掃描波形圖，輸出檢驗報表。

（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，性能指標滿足系統設計要求，符合JB/T10061-1999的規定。探頭為專用超聲波探頭選擇水浸點聚焦探頭。

超聲結合質量自動檢測系統（見圖3）。

3 驗證實驗

3.1 驗證試塊

在鈹銅焊接件的超聲結合質量檢測系統建立后，為確定該自動檢驗系統的有效性，制作了驗證試塊，對其進行了功能試驗，主要包括曲面建模實驗和靈敏度實驗。

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

3.2 CAD曲面建模驗證實驗

鈹銅焊接件超聲結合質量自動檢測系統的準確性是建立在曲面建模準確的基礎上進行，因此曲面的數學模型與工件的一致性是至關重要的。為了確定其正確性，使用自動檢測系統進行曲面建模驗證實驗，曲面建模的對像是：驗證試塊，使用自動檢測系統對其進行了數學建模。由結果可以得出：該自動檢測系統的曲面建模是準確的，能滿足下一步檢測的需要。曲面建模結果（見圖5）。

3.3 檢驗靈敏度驗證實驗

鈹銅焊接件超聲結合質量自動檢測系統的檢驗靈敏度是另一個關鍵指標，課題組對檢測系統進行了檢驗靈敏度驗證實驗，檢驗對象是：驗證試塊。首先手動調節使檢測系統能夠發現Ф1mm平底孔，在此基礎上再進行超聲自動掃查驗證試塊。掃查結果表明，超聲自動檢測系統能夠正確發現φ1mm平底孔及以上人工反射體，滿足設計要求。掃查結果（見圖6）。

4 結語

該文主要描述的是一種可以實現超聲波技術與建模技術的融合，根據超聲波回波情況對工件曲面形貌進行100%掃描建模，實現基于超聲波法的建模技術、超聲成像技術、超聲波自動化檢驗技術的集成，保證實時調節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檢驗的難題，最終達到實時顯示、自動判別檢驗結果的自動化檢測，結果準確可靠，滿足歐標要求，具有較好的經濟和社會效益。

參考文獻

[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力分析[J].核聚變與等離子體物理，2007，27（4）：320-323.