基于超聲顯微技術的復合結構件焊縫熔深檢測

楊 力 張 侃 王學權 陽 雷 孫大朋 張 旻 孫 琳

（中國核動力研究設計院核燃料與材料研究所，四川 成都 610213）

【關鍵字】超聲顯微；復合結構件；焊縫熔深

0 前言

復合結構件為焊接構件，是反應堆的核心部件，長期承受高溫、 高輻照的惡劣工況， 對焊縫質量提出了較高要求。 在復合結構件制造過程中， 焊縫熔深必須處于特定的范圍內[1]。 若焊縫熔深太淺，會使焊縫的強度變低；若焊縫熔深太深，將產生較大焊接殘余應力，造成結構件變形。 因此，必須對焊縫熔深進行檢測。

由于復合結構件焊縫排布密集，結構特殊，常規無損檢測方法無法實現檢測[2-3]。 超聲顯微技術具有高靈敏度，小盲區，強分辨能力等特點 ，為復合結構件焊縫熔深的檢測提供了方法。

本文采用超聲顯微技術對復合構件的焊縫熔深進行了檢測，結合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行熔深檢測。 由于熔合區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， 并結合材料聲速即可得出被檢焊縫的熔深。

2 仿真模擬

將復合結構件進行解剖，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 縫間隙回波響應進行模擬， 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， 當頻率從 10MHz 增加到125MHz 時，間隙反射回波幅值逐漸減小，呈指數規律下降；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的頻率變化不再敏感。

此外，焊縫實際熔深在一定范圍內變化，需保證探頭在一定深度范圍內具有良好的聲場覆蓋， 這就需要考慮不同頻率的焦點聲壓和焦點深度。 對不同頻率探頭的聲場進行模擬， 結果如圖2 所示。 由圖2 （a）可知，隨著頻率的增加，焦點聲壓幅值逐漸降低，當頻率大于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深度發生大幅變化，但-6dB 焦軸長度在10MHz-30MHz 時隨頻率降低逐漸減小；30MHz-75MHz 時變化幅度較小； 大于75MHz 后隨頻率降低反而增大，但結合圖2（a）可知，頻率過大會造成焦點聲壓下降，無法保證聲場良好覆蓋。

圖2 不同頻率下的焦區特性變化

3 實驗驗證與評價

為驗證超聲顯微技術測量焊縫熔深的準確性，結合仿真結果， 選取頻率為75MHz 的超聲顯微探頭對復合結構件焊縫熔深進行檢測。 調節水層厚度使被檢焊縫間隙處于探頭焦點區域內， 在對比試塊上進行時基線比例調整和靈敏度確認后進行掃查， 得到焊縫的結構信號和熔深信號，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， 多點統計后的平均信噪比為11.76dB。

圖3 超聲顯微檢測結果

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

4 結論

本文采用超聲顯微技術，結合CIVA 仿真、金相解剖驗證對復合結構件焊縫熔深進行了檢測， 結論如下：

（1） 超聲顯微技術對復合結構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） 超聲顯微技術對于復合結構件焊縫熔深的檢測平均偏差為137.4μm，具有較高精度。