發生器頭部電子束焊縫熔深相控陣超聲檢測

趙 燦，王建超，張 健，張 楠，王永紅

(西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

燃氣發生器是液氧煤油火箭發動機產生燃氣渦輪工質的組件，具有室壓高、流量密度大、富氧燃燒等特點。其中發生器頭部由外底部件與底部組件構成，二者通過電子束焊接方法連接，焊接厚度約11 mm，如圖1所示。根據產品結構及實際工況分析可知，熔深不小于8 mm時，焊縫連接強度能夠滿足發動機工作要求。焊接過程中由于工藝參數控制不當、接頭裝配偏差等原因易產生未焊透缺陷或熔深不合格問題，使焊縫承載截面面積減少，降低焊接接頭力學性能，可能造成煤油外泄漏影響發生器做功能力，嚴重時導致發動機工況無法滿足額定工況要求。實際生產中曾發生過外底部件與底部組件在液壓強度試驗時沿電子束焊縫發生撕裂的質量問題。因此對焊縫熔深進行高精度測量，及時發現熔深不足問題，對保障發生器產品質量、保證發動機正常工作具有重要意義。

圖1 發生器頭部結構示意圖Fig.1 Structure diagram of generator head

根據發生器頭部結構特點可以看出，此焊縫熔深測量為面積型缺陷檢測問題，不宜使用X射線檢測。利用工業CT檢測時，焊縫中心位置切層的射線穿透厚度太大，檢測靈敏度低、信噪比差，難以準確測量熔深；另外，CT檢測效率低，成本昂貴。一些學者采用超聲檢測技術實現了特定結構電子束焊縫熔深檢測，如謝寶奎等用常規超聲橫波接觸法對組合齒輪的輪盤與齒圈電子束焊縫熔深進行檢測，由于常規超聲無法進行特定角度的聲場聚焦，不適用于本文高精度定量需求。唐盛明等采用水浸超聲C掃描技術實現了車輛發動機傳動齒輪中電子束焊縫熔深的有效測量，超聲檢測值與缺陷實際尺寸誤差不超過0.2 mm，考慮到發生器頭部內腔結構復雜且封堵困難，不宜進行水浸檢測。任俊波等利用超聲掃描顯微技術對核電站燃料元件中熔深800～1 000 μm的鋯合金電子束焊縫進行檢測，測量精度達到±30 μm，由于檢測頻率較高，該方法僅適用于淺焊縫熔深(小于1 mm)的檢測。相控陣超聲技術能夠在不移動或少移動探頭的前提下實現大范圍內高靈敏度的動態聚焦掃查，可有效解決某些空間限制和聲束可達性問題，因此本文采用相控陣超聲方法開展發生器頭部電子束焊縫熔深測量研究，為解決此類問題提供新途徑。

1 熔深檢測原理

相控陣超聲技術是借鑒相控陣雷達技術的原理發展起來的。相控陣超聲探頭基于惠更斯原理設計，由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，按一定的規則和時序激發各個陣元，因各列波頻率相同、相位差恒定，從而形成干涉。對各陣元的激發延時進行精確設定可實現波束聚焦、偏轉等相控效果；在反射波接收過程中，采用同樣的方法控制波束并進行信號合成，最后將合成結果以適當形式顯示。

焊縫熔深相控陣超聲檢測主要基于脈沖反射原理，如圖2所示。

圖2 不同探頭位置的聲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic beam at different positions

通過設置合適的聚焦法則使聲波入射至焊縫處，若外底部件與底部組件對接界面已熔合良好，則聲波穿過焊縫繼續傳播，無回波信號；若界面未熔合，則聲波被界面反射并被探頭接收，因此熔深測量的關鍵是能否找到熔合與未熔合的交界處，即準確獲得未焊透的邊緣位置，其實質是缺陷測長問題。

根據外底部件的幾何尺寸計算可知，熔深4.5～11 mm范圍內45°聚焦法則形成的一次橫波聲束與焊縫對接面法線夾角小于2°，即45°聲束近似垂直于對接平面。因此可以通過測量45°聲束位于焊縫根部熔合與未熔合交界處時的聲程計算熔深。此外，考慮到外底部件曲率影響，需對測量值進行修正。具體方法為：垂直于焊縫方向移動探頭找到45°聲束的界面反射最高波，調節增益使波高達到80%，然后移動探頭至界面波幅值降低至40%(-6 dB法)，如圖3所示。圖3中藍色區域為相控陣扇掃聲場覆蓋區，此時大于45°的聲束可穿過熔合區，小于45°的聲束在未焊透區發生反射，45°聲束恰好位于臨界點。讀取回波聲程SA值(式中簡記)，則焊縫實際熔深為= (-0.8) mm(0.8是修正系數)。

圖3 熔深測量原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of weld penetration measurement

2 模型建立及驗證

為了優化檢測工藝和輔助超聲信號分析采用CIVA軟件進行仿真。CIVA是由法國原子能委員會研發的一款專業無損檢測仿真軟件，其主要由聲場分析和缺陷響應2個模塊組成，前者的計算模型是基于Pencil法修正的瑞利積分，后者主要采用基于基爾霍夫(Kirchhoff)近似和伯恩(Born)近似等理論的半解析法。

2.1 模型參數

按照發生器頭部實際幾何尺寸建立仿真模型(見圖4)，材料屬性為各向同性的單一介質，密度為7.8×10kg/m，橫波聲速3 230 m/s。在外底部件焊縫對接面處設置一個1 mm×1 mm(寬×高)的矩形槽缺陷，缺陷中心位于熔深8 mm處。

圖4 發生器頭部仿真模型Fig.4 Simulation model of generator head

超聲設置方面，由于外底部件表面為球面，接觸法檢測時使用的平面楔塊長度應盡可能小，以減少耦合不良造成的聲能損失。同時為了匹配小尺寸楔塊，探頭陣元數量不宜太多。鑒于檢測聲程較小,本文選用16陣元線陣列探頭，陣元間距0.6 mm，激發孔徑9.52 mm，陣元寬度10 mm，脈沖激勵為10 MHz高斯脈沖，-6 dB帶寬60%。為保證一次波最大限度地掃查到焊縫根部，應選擇短前沿楔塊,使用55°橫波楔塊，前沿長度9.6 mm。聚焦類型為角度加深度聚焦，偏轉角度45°，聚焦深度5 mm。

2.2 模型驗證

試驗所用儀器為Olympus MX2相控陣超聲檢測儀，探頭為10 MHz的16陣元線陣探頭，法則配置為角度扇形，角度范圍30°～70°，步距0.5°，聚焦深度5 mm。制作了外底部件模擬件，并在與仿真模型相同位置加工了1 mm×1 mm(寬×高)的矩形槽。

仿真與試驗結果如圖5所示，可以看到矩形槽缺陷均能被有效檢出。測量45°聲束在缺陷回波最高位置的聲程，仿真結果為7.1 mm，試驗結果為6.9 mm。對比結果表明，仿真圖像及測量結果與試驗符合較好，證明了模型建立的合理性和計算結果的有效性。

圖5 仿真與試驗結果對比Fig.5 Comparison of simulation and testing results

3 仿真分析

為了提高測量精度，應將聲束聚焦于焊縫對接面，并盡可能提高系統的橫向分辨力。橫向分辨力與超聲波聲束寬度成反比，聲壓降落值為-6 dB時的聲束寬度可按式(1)近似計算。

(1)

式中:為材料聲速，m/s；為聚焦深度，mm；為探頭頻率，MHz；為探頭孔徑，mm。本文在材料聲速和探頭孔徑一定的條件下，分析探頭頻率和聚焦深度對聲場及檢測結果的影響。

3.1 探頭頻率對聲場的影響

選擇常用的5 MHz和10 MHz探頭進行仿真，探頭陣元參數見2.1節。圖6是聚焦深度=8 mm時45°橫波的聲場仿真圖像，其中圖6(a)和圖6(c)是焦點位置45°聲束軸線法線方向與從動軸方向的截面圖；圖6(b)和圖6(d)是聲束軸線方向與從動軸方向的截面圖。可以看出一維線陣列的聲束在主動軸偏轉面聚焦明顯，但其從動軸上不具備聚焦能力，因此線陣列相控陣探頭聲束在三維空間中呈蝶形。針對本文熔深測量需求，只需關注45°聲束軸線法線方向的焦點寬度的大小，對比可見10 MHz的焦點寬度更小，具有更好的聚焦效果。

圖6 不同頻率下45°橫波聲場仿真圖像Fig.6 Simulation images of 45° S-wave sound field at different frequencies

圖7給出了不同聚焦深度下45°聲束的焦點寬度，可以看出隨著焦距增加，焦點寬度逐漸增大。在聚焦深度4～15 mm范圍內，5 MHz和10 MHz探頭焦點寬度范圍分別為1.4～2.2 mm和0.7～1.3 mm。由上文分析可知，宜選用焦點更小的10 MHz 探頭進行熔深測量。

圖7 不同頻率探頭在不同聚焦深度下的45°聲束焦點寬度Fig.7 Focal width of 45° sound beam at different focal depths of 5 MHz and 10 MHz probes

3.2 聚焦深度對熔深測量的影響

圖8所示為10 MHz探頭對熔深分別為9.7 mm、7.7 mm和5.7 mm焊縫在不同聚焦深度下的B掃描圖像。可以看到聚焦深度影響根部未焊透的界面回波幅值，并且在=4 mm和=15 mm時B掃圖像出現了明顯的“拖尾”現象。這是由于聚焦深度影響焊接界面處的聲場情況，當焦點落在焊接界面附近(如=6～10 mm)時，聲束能量集中，回波能量高，具有較高的靈敏度和分辨力；當聚焦深度較小(如=4 mm)時，聲波在焊接界面前已經聚焦，到達焊接界面時會有一定程度的發散；當聚焦深度較大(如=15 mm)時，焦點位于焊接界面下方，在焊接界面處還未形成聚焦聲束。后兩者聲束在焊接界面呈散焦狀態，造成檢測靈敏度和分辨力均下降。

圖8 不同焊接熔深在不同聚焦深度下的B掃圖像Fig.8 B-scan images of different weld penetration at different focal depths

圖9給出了不同焊接熔深下未焊透界面回波幅值隨聚焦深度的變化規律，在=5～12 mm范圍內回波歸一化幅值波動小于3 dB，可以較好地保證不同熔深檢測靈敏度的一致性。

對不同焊接熔深進行仿真計算，統計在不同聚焦深度下超聲測量值與模型預設值之間的測量誤差，結果如表1所示。可以看到在=4～15 mm范圍內超聲測量絕對誤差小于1 mm；當>10 mm時，由于檢測聲程減小，對于較小熔深的測量誤差較大。結合回波幅值變化規律，初步得出聚焦深度宜設置在5～10 mm范圍內。

圖9 不同焊接熔深檢測的歸一化幅值Fig.9 Normalized amplitude of different weld penetration detection

表1 不同焊接熔深在不同聚焦深度下的仿真測量結果

4 焊縫熔深相控陣超聲檢測試驗

設計制作了發生器頭部1∶1模擬樣件(見圖10)，通過控制電子束焊接電流得到4個不同的焊接熔深區域(1～4區)，利用模擬樣件開展試驗研究。

圖10 發生器頭部模擬樣件Fig.10 Simulation specimen of generator head

試驗所用探頭為10 MHz和5 MHz的16陣元線陣探頭，探頭陣元參數及楔塊參數與2.1節設置相同。由于楔塊前沿仍有一定長度，檢測時探頭垂直于焊縫方向移動的極限位置為楔塊前沿緊貼焊縫余高邊緣，結合工件結構可知，聚焦深度為5～15 mm時可以保證覆蓋熔深4.5～11 mm的檢測區域。

圖11和圖12分別為5 MHz和10 MHz探頭在不同聚焦深度下對模擬樣件1區的檢測圖像。從圖11(a)扇掃圖中可以看到焊縫根部未焊透的界面反射波和45°聲束的A波圖像，界面波在探頭偏轉角度方向的寬度代表了未焊透界面的長度，寬度越大，未焊透界面越長，則熔深越小。對比圖11(a)和圖12(a)可以看出，10 MHz得到的界面回波比5 MHz邊緣更加清晰銳利，更有利于提高熔深測量精度。

對比圖11(a)～圖11(d)、圖12(a)～圖12(d)可見，5 MHz和10 MHz探頭在不同聚焦深度設置下均能檢出根部未焊透，隨著聚焦深度增加，界面波在探頭偏轉角度方向的寬度逐漸減小，在=15 mm時界面波幅值明顯降低并出現“拖尾”現象，與仿真結果一致。

圖11 5 MHz探頭不同聚焦深度檢測圖像Fig.11 Detection images with different focal depths of 5 MHz probe

圖12 10 MHz探頭不同聚焦深度檢測圖像Fig.12 Detection images with different focal depths of 10 MHz probe

用10 MHz探頭在不同聚焦深度下對模擬樣件1～4區依次進行熔深測量。從模擬樣件每個分區取樣兩處用金相法測量熔深，將兩處熔深平均值作為該區熔深，焊縫不同熔深區宏觀金相見圖13。1～4區熔深金相測量值分別為9.6 mm、8.8 mm、7.8 mm和6.9 mm，超聲測量值與絕對誤差依次如表2所示。對比可以看到，聚焦深度在5～14 mm范圍時，超聲測量絕對誤差小于1 mm，特別地，當6 mm≤≤9 mm時，超聲測量結果穩定且誤差較小；隨著聚焦深度增加，測量誤差呈增大趨勢；當=15 mm時，熔深7.8 mm和6.9 mm區域的測量誤差大于1 mm。結合扇掃波形和測量結果最終選擇=8 mm作為實際檢測時的聚焦深度。

圖13 模擬樣件不同熔深區金相圖Fig.13 Metallographic images of simulation specimen with different penetrations

表2 焊縫熔深超聲測量與金相測量結果

采用試驗確定的工藝參數累計完成了120余件發生器頭部的熔深測量工作，并對部分不合格產品進行剖切，剖切樣品金相測量結果與相控陣超聲檢測結果符合較好，從而驗證了本文方法的可行性和準確性。

5 結論

1)通過仿真分析獲得了不同頻率相控陣探頭在工件內部的橫波聲場信息，并對探頭頻率進行了優選。根據不同焊接熔深下未焊透界面回波幅值隨聚焦深度的變化規律以及熔深測量結果，得到了聚焦深度的最佳取值范圍。

2)對于焊接厚度約11 mm的焊縫，采用10 MHz線陣相控陣超聲探頭，聚焦深度設置為8 mm時，焊縫熔深測量誤差小于1 mm，能夠滿足工程定量需求。

3)本文所采用的方法可實現液體火箭發動機燃氣發生器頭部焊縫熔深測量，且此法操作便捷，顯示直觀，檢測效率高。可為優化焊接工藝、提高產品電子束焊接質量提供有力保障，也為類似結構產品的檢測提供借鑒，后期可通過設計專用掃查工裝進一步提高測量精度。