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.