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(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu),在基礎(chǔ)超聲的理論研究之上,建立了CAD曲面模型,進而研發(fā)了一套鈹銅焊接件超聲結(jié)合質(zhì)量檢測系統(tǒng),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(tǒng)的有效性。
關(guān)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(jié)合質(zhì)量檢測就顯得尤為重要;若鈹銅焊接件不進行結(jié)合質(zhì)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(yīng)堆來說甚至是致命的[1]。因此,為了保證將來反應(yīng)堆的安全運轉(zhuǎn),必須對鈹銅焊接件的結(jié)合質(zhì)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(shù)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(guān)系,建模示意圖(見圖2)。
2 超聲結(jié)合質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)
超聲結(jié)合質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)包括檢測掃描傳動裝置、掃描控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、超聲成像系統(tǒng)、超聲波探傷儀及探頭五大部分組成。
結(jié)構(gòu)組成部分功能如下。
(1)檢驗掃描裝置是用于實現(xiàn)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(zhuǎn)系統(tǒng)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(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、測量點初步規(guī)劃、檢驗面數(shù)學建模、測量點自動規(guī)劃、X、Y、Z、A、B五維傳動軸的手動控制及自動控制。
(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實現(xiàn)對檢測原始數(shù)據(jù)的實時采集、存儲。超聲成像系統(tǒng)是對采集系統(tǒng)所獲得的檢測數(shù)據(jù)進行處理,并轉(zhuǎn)化直觀、量化的檢測結(jié)果圖,對檢測結(jié)果能自動處理、存儲,并能給出在檢測過程中能夠?qū)σ褭z測區(qū)域的結(jié)果實時顯示,并以不同色彩區(qū)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(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進行波形分析,自動實時給出檢測結(jié)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(tǒng)設(shè)計要求,符合JB/T10061-1999的規(guī)定。探頭為專用超聲波探頭選擇水浸點聚焦探頭。
超聲結(jié)合質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)(見圖3)。
3 驗證實驗
3.1 驗證試塊
在鈹銅焊接件的超聲結(jié)合質(zhì)量檢測系統(tǒng)建立后,為確定該自動檢驗系統(tǒng)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(shè)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(shè)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(jié)合質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)的準確性是建立在曲面建模準確的基礎(chǔ)上進行,因此曲面的數(shù)學模型與工件的一致性是至關(guān)重要的。為了確定其正確性,使用自動檢測系統(tǒng)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(tǒng)對其進行了數(shù)學建模。由結(jié)果可以得出:該自動檢測系統(tǒng)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(jié)果(見圖5)。
3.3 檢驗靈敏度驗證實驗
鈹銅焊接件超聲結(jié)合質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)的檢驗靈敏度是另一個關(guān)鍵指標,課題組對檢測系統(tǒng)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(diào)節(jié)使檢測系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)Ф1mm平底孔,在此基礎(chǔ)上再進行超聲自動掃查驗證試塊。掃查結(jié)果表明,超聲自動檢測系統(tǒng)能夠正確發(fā)現(xiàn)φ1mm平底孔及以上人工反射體,滿足設(shè)計要求。掃查結(jié)果(見圖6)。
4 結(jié)語
該文主要描述的是一種可以實現(xiàn)超聲波技術(shù)與建模技術(shù)的融合,根據(jù)超聲波回波情況對工件曲面形貌進行100%掃描建模,實現(xiàn)基于超聲波法的建模技術(shù)、超聲成像技術(shù)、超聲波自動化檢驗技術(shù)的集成,保證實時調(diào)節(jié)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(jié)果的自動化檢測,結(jié)果準確可靠,滿足歐標要求,具有較好的經(jīng)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(yīng)力分析[J].核聚變與等離子體物理,2007,27(4):320-323.