吳佳勇 唐 偉 宋爾輝

（貴州航天新力科技有限公司，貴州 遵義 563001）

0 引言

核能部件P3是安置在熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆內(nèi)，承受反應(yīng)堆其他系統(tǒng)巨大運(yùn)行壓力的重要設(shè)備。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆由全球八個(gè)國家和地區(qū)首次進(jìn)行研制的新型實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目，是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作大項(xiàng)目之一，僅次于國際空間站的又一個(gè)國際大科學(xué)工程計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)堆P3部件由25塊不同規(guī)格的鍛件加工焊接而成。該產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)使得在制造階段組裝焊接和各道工序的檢驗(yàn)要求很高。當(dāng)進(jìn)行熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫超聲波檢測時(shí)，超聲波傳播在焊縫的晶界面會(huì)發(fā)生嚴(yán)重散射和波形轉(zhuǎn)換，引起超聲波嚴(yán)重衰減、信噪比下降[1]。為了更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部是否存在未焊透、未熔合、裂紋、夾渣和氣孔等缺陷問題，采用多種探頭進(jìn)行探測才能達(dá)到最佳檢測效果。

該文結(jié)合超聲波垂直入射和斜射線法，采用射線雙膠片技術(shù)作為補(bǔ)充試驗(yàn)來分析。研究其他工藝參數(shù)對超聲檢測的影響，采取相應(yīng)的措施和方法進(jìn)行驗(yàn)證，從而更好地保證實(shí)驗(yàn)堆產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫的焊接工藝和焊縫組織

1.1 核能部件P3焊縫的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)

核能部件P3焊縫的結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)如下：1）實(shí)驗(yàn)堆P3部件材質(zhì)。熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件和焊接支撐板的材質(zhì)是316LN高溫合金高強(qiáng)度不銹鋼，厚度均為50mm；2）實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫材質(zhì)。熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫的焊接材料為 Φ2 317L不銹鋼；3）實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫坡口形式為雙面U型全焊透坡口打磨清理，如圖1所示；4）實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊接方法為手工鎢極氬弧焊；5）實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊后熱處理為焊后去應(yīng)力處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫金相組織

焊縫宏觀金相組織顯示每層高約6mm，焊縫金相組織柱狀晶粒基本上垂直于接管坡口，焊縫焊道較寬，約8mm，焊道每層5mm～6mm高，實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫晶粒在每條焊道內(nèi)基本形成扇形結(jié)構(gòu)，偶爾有延伸穿過焊道的情況，有利于提高超聲檢測的信噪比。

2 熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件無損檢測試驗(yàn)方案和檢測工藝實(shí)施

2.1 超聲檢測焊縫

熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊接工藝復(fù)雜，焊縫厚度比較大，容易出現(xiàn)未焊透、未熔合、裂紋、夾渣和氣孔等缺陷。夾雜和氣孔為體積型缺陷，未焊透、未熔合和裂紋為平面型缺陷，危害程度非常大。超聲檢測雖然對這種結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫檢測有一定限制，但是對異型件焊縫內(nèi)部缺陷的精準(zhǔn)性和定量不準(zhǔn)確。充分利用實(shí)驗(yàn)堆P3部件鍛件端面為檢測面是超聲檢測的優(yōu)點(diǎn)，相較于其他無損檢測方法，使用多種探頭直射法的檢測工藝方法更好。

2.1.1 超聲波探傷儀器

型號(hào)：USM GO，編號(hào)11075431。該設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，可自動(dòng)測試計(jì)算零點(diǎn)和聲速。對焊縫檢測三角投影曲率修正符合EN1713、ASME和JIS標(biāo)準(zhǔn)，在15Hz和2000Hz范圍內(nèi)自動(dòng)優(yōu)化，三種自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，增益在0.5MHz和20MHz之間自由匹配。檢測焊縫時(shí)能幫助識(shí)別幻像波的影響，適合于焊縫余高不要求磨平、錯(cuò)口連接等難點(diǎn)的焊縫檢測。

2.1.2 超聲波檢測探頭

所用探頭結(jié)合了GE公司的進(jìn)口產(chǎn)品和我國產(chǎn)品，對熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫中可能出現(xiàn)的夾渣、未熔合、未焊透、焊瘤、內(nèi)凹缺陷和焊材填料金屬以及P3部件本體中的裂紋須使用斜射聲束接觸型探頭；實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫厚度變化分層使用雙晶接觸型探頭。在該核能部件產(chǎn)品的超聲波檢測中以上幾種類型的探頭均須使用，熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫超聲波檢測使用探頭見表1。

表1 超聲波檢測探頭

2.1.3 超聲檢測介質(zhì)

選用聲阻抗高、透聲性能好、聲特性阻抗與核能部件材料聲特性阻抗相近的耦合劑，牌號(hào)為CG-08，該耦合劑的有害元素含量符合ISO 22825：2006焊縫的無損檢測——熔化焊接頭超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4 超聲檢測鍛件表面要求

熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件超聲檢測面包括檢測區(qū)和探頭移動(dòng)區(qū)，檢測區(qū)的寬度應(yīng)該是焊縫本身加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%的一段區(qū)域，即熱影響區(qū)域。這個(gè)區(qū)域最小為5mm，最大為10mm，當(dāng)使用一次反射法檢測時(shí)，探頭移動(dòng)區(qū)域大于或等于1.25P。所有檢測表面經(jīng)過自能化機(jī)械設(shè)備加工，表面粗糙度為3.2μm，符合熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件的超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求。

2.1.5 超聲檢測試塊

檢測熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫的探傷試塊的材質(zhì)與該核能部件材質(zhì)相同，均為316LNI不銹鋼，超聲檢測不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)試塊焊縫中的平底孔作為缺陷的反射體，其尺寸和焊縫檢測工藝與核能部件P3部件相同，這樣才能保證超聲檢測靈敏度和測量范圍，并能準(zhǔn)確比較缺陷的大小。A孔位于核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件不銹鋼焊縫熔合區(qū)，B孔距離核能部件P3不銹鋼焊縫熔合水平距離32mm，C孔位于焊縫與支撐板熔合區(qū)，與核能部件P3不銹鋼側(cè)焊縫熔合水平距離45mm，檢測對比試塊加工如圖2所示。

2.1.6 檢測焊縫靈敏度不應(yīng)低于評定線靈敏度

對熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫進(jìn)行超聲探傷，當(dāng)耦合劑損失及材料衰減與試塊不一致時(shí)應(yīng)補(bǔ)償檢測靈敏度。掃查速度小于100mm/s，相鄰兩次探頭移動(dòng)間距重疊10%。探頭先垂直于焊縫中心線上進(jìn)行鋸齒型掃查，然后在焊縫兩側(cè)邊緣使用斜探頭與焊縫中心線成45°和60°作斜平行掃查。為了確定缺陷性質(zhì)或區(qū)分缺陷真?zhèn)涡盘?hào)，應(yīng)采用前后左右及轉(zhuǎn)角環(huán)繞方式進(jìn)行掃查檢測。熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫檢測如圖3所示。

2.1.7 超聲檢測焊縫余高的判定

對熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫進(jìn)行超聲波探傷，其存在焊縫余高不能磨平、錯(cuò)口連接等難點(diǎn)問題。當(dāng)探傷時(shí)要充分考慮焊縫余高寬度和焊縫錯(cuò)口高度等因素的影響并并進(jìn)行判斷[2]，用游標(biāo)卡尺或焊接檢驗(yàn)尺測量余高寬度，探頭的K值和前沿距離組合應(yīng)考慮測量的焊縫余高寬度。當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)有焊接頭錯(cuò)口時(shí)，要考慮錯(cuò)口高度引起的回波。檢測結(jié)果顯示焊縫余高、錯(cuò)口連接等引起的偽缺陷反射波比較規(guī)則，波幅高而穩(wěn)定，而真實(shí)缺陷引起的反射波不同，形狀不規(guī)則，波幅為不穩(wěn)定的波形。當(dāng)發(fā)現(xiàn)反射波時(shí)一定要認(rèn)真對比、計(jì)算和分析。考慮到超聲檢測對這種反射波不能準(zhǔn)確判定，應(yīng)輔以其他探傷檢測方法。

2.2 射線檢測

射線檢測是超聲波檢測工藝方法的補(bǔ)充，能夠驗(yàn)證超聲波檢測發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷的可靠性。核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件由各種規(guī)格的支撐板通過焊接組成，其結(jié)構(gòu)的特殊性決定射線檢測只能以50°角用雙膠片技術(shù)（雙膠片是為了辨別射線檢測焊縫后的偽缺陷）進(jìn)行透照，用HS-XY450X 射線機(jī)作為射線源且工作狀況十分穩(wěn)定。射線探傷方法檢測熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫來作為對比和補(bǔ)充檢測評定，保證核能部件的產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 滲透檢測

焊縫表面無損檢測采用溶劑滲透檢測方法，滲透檢測所用的試劑、不銹鋼鍍鉻試塊和方法滿足核能部件的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3組部件焊縫檢測試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲檢測信號(hào)回波噪聲強(qiáng)度分析

根據(jù)熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫檢測工藝，使用GE公司生產(chǎn)的便攜式探傷儀進(jìn)行探傷，其核能部件超聲檢測信號(hào)回波噪聲強(qiáng)度見表2。

表2 核能部件超聲探頭的回波和噪聲強(qiáng)度

3.2 核能部件P3焊縫超聲結(jié)果分析

從超聲檢測結(jié)果可以看出焊縫中缺陷的檢測能力與探頭直接相關(guān)。當(dāng)進(jìn)行焊縫檢測時(shí)，所有反射波幅達(dá)到或超過定量線的缺陷均確定了位置并從焊縫另一側(cè)的端面進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)信號(hào)并非由正常的焊縫幾何形貌或波形變換所引起。結(jié)果顯示有一超過評定線的信號(hào)疑似裂紋信號(hào)顯示，通過改變探頭角度和增加探傷面來觀察動(dòng)態(tài)波型，結(jié)合異形結(jié)構(gòu)工藝特征分析后，確定不是真正的缺陷。焊縫中既有縱波又有橫波，縱波穿透率比較大，橫波穿透率比較小，有利于縱波和橫波的區(qū)分[3]。當(dāng)橫波折射角較小時(shí)，縱波往復(fù)透過率與橫波往復(fù)透過率相差較大，但橫波折射角越小對應(yīng)的縱波往復(fù)透過率越小?？梢钥闯?.5MHz～4MHz的直探頭效果較好，2MHz探頭雖然材質(zhì)衰減系數(shù)更小，但比2.5MHz的檢測效果差。因?yàn)榈皖l率穿透力更強(qiáng)，寬聲束覆蓋了更多的焊縫晶粒，聲束截面積相應(yīng)變大，所以缺陷反射回波的能量在整個(gè)聲束中所占比例下降，即信噪比降低。

3.3 超聲檢測靈敏度提高的方法

為了進(jìn)一步提高熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3焊縫的超聲檢測靈敏度，當(dāng)對核能部件P3焊縫進(jìn)行超聲檢測時(shí)，降低了焊縫的衰減量和減少焊縫區(qū)有效聲束覆蓋面積，從而提升檢測效果。超聲波檢測結(jié)果表明，探頭從P3部件端面和側(cè)面對焊縫進(jìn)行掃射探傷，均取得了理想效果，成功檢出和識(shí)別了實(shí)驗(yàn)堆部件焊縫的內(nèi)部缺陷。

3.4 焊縫超聲檢測側(cè)壁干涉效應(yīng)的影響與對應(yīng)措施

核能部件超聲檢測結(jié)果反映了對焊縫中間部位的檢測能力，如果缺陷靠近表面，探頭靠近側(cè)壁，當(dāng)信號(hào)沿側(cè)壁傳播時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的波型轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致強(qiáng)度衰減，噪聲增加，導(dǎo)致探傷靈敏度急劇下降[4]。為解決這一問題，我們采用斜探頭在焊縫兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行輔助檢驗(yàn)。為了準(zhǔn)確檢測核能部件P3焊縫及熱影響區(qū)的缺陷，檢測過程中使用了直探頭、斜探頭和雙晶探頭配合探傷。當(dāng)移動(dòng)探頭時(shí)雜波信號(hào)幅值變化不明顯，基本不游動(dòng)，而缺陷信號(hào)隨探頭的移動(dòng)幅值變化，信號(hào)前后移動(dòng)。以上試驗(yàn)表明結(jié)合使用斜射法和垂直法能得到滿意的檢測效果，更能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。核能部件的側(cè)壁效應(yīng)區(qū)域如圖4所示。

3.5 射線檢測分析

射線探傷檢測熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆P3部件焊縫部位，工作電壓可到400kV，焦點(diǎn)尺寸Φ5.5mm，焦距700mm，曝光量35mA·min，工作狀況十分穩(wěn)定。膠片型號(hào)：AGFA C4；顯影液G128；定影液G328。射線探傷底片黑度（雙膠片技術(shù)）為2.72～4.05，底片上像質(zhì)計(jì)顯示最小絲徑為W9，黑度和靈敏度均滿足ISO 17636標(biāo)準(zhǔn)要求，底片上有2mm長形缺陷顯示。由于射線采用一定的角度透照，因此其缺陷顯示大于超聲波檢測顯示。這證明了超聲波檢測結(jié)果準(zhǔn)確，檢測工藝和方法有效。

4 結(jié)論

針對國際核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆P3部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，該文通過研究P3部件焊縫無損探傷方法，采用超聲波垂直入射、斜射相組合的工藝方法以及射線補(bǔ)充檢測結(jié)果分析，證明了該試驗(yàn)的無損檢測工藝方法和驗(yàn)證結(jié)果有效。當(dāng)超聲波檢測時(shí)探頭從P3部件主體端面對焊縫進(jìn)行掃射檢測，結(jié)合斜射法和垂直法在縱向和橫向面分別掃射檢測，檢出實(shí)驗(yàn)堆部件焊縫內(nèi)部缺陷，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的探傷效果，保證了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆部件的產(chǎn)品質(zhì)量。該試驗(yàn)的工藝方法和驗(yàn)證結(jié)果對航空、航天、船舶和石油機(jī)械等領(lǐng)域的金屬材料焊接件無損探傷檢測具有一定的工藝參考和應(yīng)用價(jià)值。