釷基熔鹽堆（TMSR）是第四代先進(jìn)核能的代表，具有固有安全性、防核擴(kuò)散、無(wú)水冷卻、利用釷基核燃料等優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)核能的重要發(fā)展方向之一[1-6]。TMSR的主體結(jié)構(gòu)材料是我國(guó)自主研發(fā)的耐熔鹽腐蝕合金GH3535合金[7-8]。 

GH3535合金焊縫的完整性對(duì)TMSR的安全運(yùn)行起著重要作用[9]。但GH3535合金的焊接流動(dòng)性差、熔敷金屬與母材間不容易潤(rùn)濕易產(chǎn)生坡口未熔合缺陷，且缺陷附近應(yīng)力集中嚴(yán)重、危害性大[10]。傳統(tǒng)的壓水堆核電中，對(duì)缺陷檢測(cè)主要采用射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，但作為面積型缺陷的坡口未熔合在射線(xiàn)束穿透方向上的厚度差小，射線(xiàn)檢測(cè)的缺陷檢出率低于超聲檢測(cè)的[11]。 

超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的重要手段之一。未熔合缺陷界面兩側(cè)是合金和空隙，兩者的聲阻抗差異大，超聲波在界面處反射率高，缺陷檢出率高。相控陣超聲作為新興的超聲檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)超聲相比具有檢測(cè)靈敏度高、缺陷定位精度好、實(shí)時(shí)可視化、檢測(cè)數(shù)據(jù)可保存等優(yōu)點(diǎn)[12]。 

GH3535合金焊縫接頭為粗晶材料，存在聲學(xué)各向異性和不均勻性，超聲波傳播方向的改變和衰減會(huì)帶來(lái)缺陷錯(cuò)位和小缺陷漏檢問(wèn)題[13-14]。為提高對(duì)粗晶焊縫缺陷的檢測(cè)效果，業(yè)內(nèi)逐漸開(kāi)始采用雙面陣相控陣（DMA）探頭。DMA探頭采用一發(fā)一收的晶片排布陣列模式，產(chǎn)生菱形物理聚焦區(qū)，降低探頭始波和楔塊回波的干擾信號(hào)，從而減小焊縫中超聲波傳播方向的變化，減小缺陷定位誤差[15-17]。 

劉貴吉等[18]以刻槽模擬粗晶焊縫中的未熔合缺陷，采用DMA探頭對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)度和深度的檢測(cè)，檢測(cè)誤差小于5%。WANG等[19]使用DMA探頭檢測(cè)粗晶焊縫中的未熔合缺陷（長(zhǎng)度為20 mm），深度偏差為2.6 mm，缺陷長(zhǎng)度偏差為5 mm。KUMAR等[20]采用DMA探頭檢測(cè)異種粗晶焊縫的未熔合缺陷（長(zhǎng)度為8~12 mm），所檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度與射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果接近。關(guān)于缺陷的當(dāng)量值研究，目前還少有研究涉及。相控陣超聲檢測(cè)一般采用自動(dòng)或半自動(dòng)化的掃查方式，不同的工藝參數(shù)在缺陷定量和定位時(shí)有一定的差異。因此深入量化研究不同工藝參數(shù)對(duì)缺陷定量的影響在指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用方面具有一定意義。 

相控陣超聲檢測(cè)工藝參數(shù)中聚焦聲程和探頭前端距是非常重要的，對(duì)缺陷的定量和定位影響較大。聚焦聲程即聲束聚焦點(diǎn)離探頭的聲程。由于聲波干涉，聲束在以聚焦點(diǎn)為中心的有效聚焦區(qū)域即焦柱處產(chǎn)生聚焦，其聲場(chǎng)特性是在焦柱內(nèi)能量集中度、分辨率和靈敏度高，但焦柱外聲場(chǎng)發(fā)散嚴(yán)重[21]。實(shí)際相控陣探頭只能在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聚焦[22]。隨著聚焦聲程的增加，焦柱的寬度和長(zhǎng)度也隨之增大，并逐步趨向穩(wěn)定。明確相控陣探頭在工件內(nèi)的焦柱需根據(jù)探頭類(lèi)型、聚焦聲程、被檢材料和缺陷的類(lèi)型、方位、尺寸等綜合考慮。因此，需要合理設(shè)置聚焦聲程，既要在相控陣探頭近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聚焦，又要使焦柱能覆蓋缺陷。若焦柱無(wú)法覆蓋缺陷，焦柱外的聲場(chǎng)發(fā)散嚴(yán)重，難以準(zhǔn)確對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。 

在缺陷定位上，若探頭前端遠(yuǎn)離缺陷，焦柱可能無(wú)法覆蓋缺陷，導(dǎo)致定位誤差增大。在缺陷定量上，探頭前端距改變，缺陷與焦柱的相對(duì)位置也隨之改變，缺陷處反射聲束強(qiáng)度不同，導(dǎo)致缺陷定量產(chǎn)生偏差。同時(shí)，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束越接近主聲束，其能量越強(qiáng)，測(cè)量的缺陷當(dāng)量越大，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束越靠近缺陷的法線(xiàn)方向，越利于探頭接收反射聲束信號(hào)，測(cè)量的缺陷當(dāng)量越大。 

綜上所述，文章采用DMA探頭針對(duì)GH3535合金焊縫易出現(xiàn)的坡口未熔合進(jìn)行檢測(cè)工藝分析。缺陷由人工自然焊接形成，探究探頭前端距和聚焦聲程等工藝參數(shù)對(duì)檢測(cè)信噪比、缺陷定位和定量的影響，明確缺陷的有效檢測(cè)工藝參數(shù)。 

1.   試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1   檢測(cè)系統(tǒng)

文章采用M2M GEKKO型便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀搭配E6B2-CWZ1X型編碼器，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。選用4M 16×2-A27型DMA探頭，其頻率為4 MHz，探頭陣元排列為16×2，探頭晶片孔徑為16 mm，陣元間隙為0.08 mm。焊縫試板厚度為22 mm，坡口未熔合缺陷的尺寸示意及實(shí)物如圖2，3所示。楔塊的具體參數(shù)如表1所示。 

圖  1  檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物

圖  2  坡口未熔合缺陷的尺寸示意

圖  3  坡口未熔合缺陷實(shí)物

采用垂直透照的方式對(duì)焊縫試板進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，射線(xiàn)底片中無(wú)缺陷顯示，可知射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)對(duì)細(xì)小的坡口未熔合缺陷的檢測(cè)靈敏度低。 

圖  4  坡口未熔合缺陷的射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

1.2   檢測(cè)工藝

對(duì)比試塊的長(zhǎng)橫孔位置及尺寸示意如圖5所示。長(zhǎng)橫孔直徑為2.5 mm，深度分別5，10，15 mm，分布于對(duì)接接頭的焊縫中心和熔合線(xiàn)處。為確保不同深度處的檢測(cè)靈敏度一致，選用對(duì)比試塊上位于焊縫中心處的長(zhǎng)橫孔進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。檢測(cè)工藝參數(shù)如表2所示，檢測(cè)示意如圖6所示（圖中f為聚焦聲程）。分別記錄檢測(cè)的增益、信噪比、缺陷的深度和距焊縫中心水平距離。 

圖  5  對(duì)比試塊的長(zhǎng)橫孔位置及尺寸示意

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

圖  6  缺陷檢測(cè)示意

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   信噪比

聚焦聲程為8 mm時(shí)，不同探頭前端距下的缺陷扇掃圖譜如圖7所示，可知信噪比較高時(shí)，缺陷信號(hào)易于從噪聲信號(hào)中辨別；信噪比過(guò)低時(shí)，缺陷信號(hào)淹沒(méi)于結(jié)構(gòu)噪聲信號(hào)中，難以分辨，引起缺陷的漏檢。 

圖  7  聚焦聲程為8 mm時(shí)，不同探頭前端距下的缺陷扇掃圖譜

不同聚焦聲程下，缺陷檢測(cè)的信噪比如圖8所示?？芍劢孤暢滔嗤瑫r(shí)，探頭越接近缺陷，超聲波的傳播聲程越短，聲束在焊縫中的擴(kuò)散、散射和衰減越少，缺陷反射信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越高。探頭前端距為6 mm時(shí)，聲束出射點(diǎn)距缺陷的聲程約為16 mm，聚焦聲程為13和18 mm的焦柱最為接近缺陷，所以信噪比最高，分別是24.8 dB和23.3 dB；聚焦聲程為 23 mm的焦柱遠(yuǎn)離缺陷，信噪比較低。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，還需保證聲場(chǎng)能覆蓋整個(gè)焊縫，探頭前端距為0，－6，－12 mm的聲場(chǎng)可以較好覆蓋焊縫。探頭前端距為0 mm，聚焦聲程為 8~28 mm時(shí)的信噪比為13~18 dB；探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為18~28 mm時(shí)的信噪比為12~15 dB，均滿(mǎn)足ASME標(biāo)準(zhǔn)中信噪比不小于12 dB的要求。但探頭前端距為－12 mm，聚焦聲程為13~28 mm時(shí)的信噪比不大于12 dB。 

圖  8  不同聚焦聲程下，缺陷檢測(cè)的信噪比

2.2   缺陷當(dāng)量值

因缺陷位于坡口且深度為12.9 mm，選擇熔合線(xiàn)上深度為10 mm的?2.5 mm長(zhǎng)橫孔作為基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行缺陷當(dāng)量對(duì)比分析。在相同的工藝參數(shù)下，調(diào)整增益，分別使長(zhǎng)橫孔和缺陷的信號(hào)幅值達(dá)到80%（滿(mǎn)屏），長(zhǎng)橫孔和缺陷的增益差值即為缺陷當(dāng)量值，缺陷當(dāng)量值曲線(xiàn)如圖9所示。測(cè)量缺陷的當(dāng)量值如表3所示。 

圖  9  檢測(cè)缺陷的當(dāng)量值曲線(xiàn)

探頭離缺陷過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，信噪比低，缺陷當(dāng)量值變化大，如探頭前端距為－12 mm，聚焦聲程為13~28 mm時(shí)的信噪比不大于12 dB，缺陷當(dāng)量值的最大值與最小值差7 dB。探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為13~28 mm時(shí)，缺陷當(dāng)量值較大，約為?2.5 mm＋1 dB~－1 dB，其中聚焦聲程為23 mm時(shí)的缺陷當(dāng)量值最大。探頭前端距為0 mm，聚焦聲程為8~28 mm時(shí)，缺陷當(dāng)量值約為?2.5 mm－1 dB~－4dB，若聚焦聲程過(guò)遠(yuǎn)（如28 mm），缺陷當(dāng)量值約為?2.5 mm－4 dB。探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為8~18 mm時(shí)，缺陷當(dāng)量值約為?2.5 mm－1 dB~－2dB。 

2.3   深度和水平距離定位

檢測(cè)缺陷的深度和水平距離定位如圖10所示。缺陷定位數(shù)據(jù)如表4所示。相同的聚焦聲程，探頭前端距不同，缺陷深度和距焊縫中心水平距離的定位偏差不同，但總體偏差在1 mm左右。探頭前端距為－12 mm時(shí)，信噪比不大于12 dB，暫不進(jìn)行討論。探頭前端距分別為－6，0 mm，聚焦聲程為 13，18，23，28 mm時(shí)，深度定位偏差為0.35~1.80 mm（相對(duì)偏差為2.7%~14.0%），距焊縫中心水平距離定位偏差為0.4~1.4 mm（相對(duì)偏差為8%~28%）。探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為 8，13 mm時(shí)，深度定位偏差為0.09~0.26 mm（相對(duì)偏差為0.7%~2%），距焊縫中心水平距離定位偏差約為0.1 mm（相對(duì)偏差約為2%），但聚焦聲程為18 mm時(shí)的定位偏差較大。 

圖  10  檢測(cè)缺陷的深度和水平距離定位

綜上，在探頭前端距為－6~6 mm，聚焦聲程為13~28 mm時(shí)，可進(jìn)行有效檢測(cè)。探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為13 mm時(shí)的定位效果最佳；其深度定位偏差為0.7%，距焊縫中心水平距離定位偏差為2%。 

2.4   缺陷長(zhǎng)度

采用－6 dB法測(cè)量缺陷長(zhǎng)度，結(jié)果如圖11所示，缺陷長(zhǎng)度參數(shù)如表5所示。采用－6dB法測(cè)量缺陷長(zhǎng)度時(shí)，測(cè)量的最小長(zhǎng)度即為6 dB聲束寬度，若缺陷過(guò)小，則會(huì)放大缺陷[23]。缺陷長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，測(cè)量的缺陷長(zhǎng)度為4~10 mm，對(duì)缺陷有明顯的放大。 

圖  11  －6 dB法的缺陷長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果

總體上，隨著探頭距缺陷越遠(yuǎn)，聲束在工件中傳播的聲程越長(zhǎng)，聲束的擴(kuò)散越嚴(yán)重，6 dB聲束寬度越寬，測(cè)量出的缺陷長(zhǎng)度越長(zhǎng)。聚焦聲程不同，6 dB聲束寬度的空間分布不同，焦柱的位置、空間形貌和6 dB寬度不同。探頭前端距6 mm處，探頭出射點(diǎn)距缺陷的聲程約為16 mm，聚焦聲程8，13，18 mm處能量集中，聲束寬度窄，測(cè)得缺陷長(zhǎng)度為4，5，5 mm，與實(shí)際缺陷長(zhǎng)度的誤差不超過(guò)2 mm，測(cè)量準(zhǔn)確度高。探頭前端距為0 mm，探頭出射點(diǎn)距缺陷的聲程約為20 mm，聚焦聲程8，13，18 mm的聚焦點(diǎn)較為接近缺陷，測(cè)得缺陷長(zhǎng)度為5，6，5 mm，與實(shí)際缺陷長(zhǎng)度的誤差不超過(guò)3 mm；聚焦聲程23和28 mm的聚焦點(diǎn)離缺陷較遠(yuǎn)，因此缺陷處的6 dB聲束寬度較寬，測(cè)得缺陷長(zhǎng)度為8 mm。探頭前端距為－6 mm，探頭出射點(diǎn)距缺陷的聲程約為25 mm，測(cè)量的缺陷長(zhǎng)度為6~7 mm。探頭前端距為－12 mm，探頭出射點(diǎn)距缺陷的聲程約為30 mm，測(cè)量的缺陷長(zhǎng)度為7~10 mm。 

3.   結(jié)果分析

3.1   聲束與缺陷夾角

根據(jù)缺陷位置，探頭前端距和探頭出射點(diǎn)，得不同探頭前端距下，與缺陷發(fā)生相互作用的主要聲束偏轉(zhuǎn)角度的示意，如圖12所示。隨著探頭遠(yuǎn)離缺陷，與缺陷發(fā)生相互作用的主要聲束偏轉(zhuǎn)角增大，偏轉(zhuǎn)角約為35°，49°，58°，65°。根據(jù)坡口角度，可算得聲束偏轉(zhuǎn)角為57.5°時(shí)，聲束垂直于坡口。由Snell公式可知該楔塊的自然折射聲束角度為56.5°。探頭前端距為－6 mm，偏轉(zhuǎn)角為58°的聲束與缺陷發(fā)生相互作用，該聲束接近主聲束和缺陷的法線(xiàn)，這與前文中該參數(shù)下測(cè)量的缺陷當(dāng)量值最高（?2.5 mm+1 dB~－1 dB）相對(duì)應(yīng)。 

圖  12  不同探頭前端距下的缺陷檢測(cè)（聲束偏轉(zhuǎn)）示意

探頭前端距為6 mm，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束偏轉(zhuǎn)角為35°,偏離缺陷法線(xiàn)，但聚焦聲程為 8~18 mm，缺陷當(dāng)量值較高（?2.5 mm－1 dB），可見(jiàn)除聲束與缺陷夾角外，聚焦點(diǎn)位置、傳播聲程等因素對(duì)測(cè)量缺陷當(dāng)量值也有較大影響。 

3.2   有效孔徑和近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度

有效孔徑示意如圖13所示（F為聚焦深度）。探頭陣列有效孔徑AEFF和工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N可表示為[24-25] 

式中：A為探頭激活孔徑，取16 mm；φ為偏轉(zhuǎn)角度；α為聲束入射角，取20°；h為修正系數(shù)，其取值與探頭有效孔徑長(zhǎng)寬比有關(guān)；a為有效孔徑長(zhǎng)度值的一半；ν工為工件聲速，取5 680 m/s；ν楔為楔塊聲速，取2 330 m/s；λ為超聲波在工件中的波長(zhǎng)，取1.42 mm；?楔為聲束在楔塊中的聲程。 

圖  13  探頭陣列有效孔徑示意

不同探頭前端距下，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF和N如圖14所示。由圖14可知，隨著探頭接近缺陷，AEFF和N增大。探頭前端距為6 mm時(shí)，AEFF和N最大，聲束能量強(qiáng)，傳播聲程短，聲束能量衰減少，且設(shè)置的聚焦聲程可有效聚焦，加強(qiáng)缺陷處的聲場(chǎng)能量。所以即便與缺陷發(fā)生相互作用的聲束偏離缺陷法線(xiàn)方向，檢測(cè)缺陷當(dāng)量值也較高。 

圖  14  不同探頭前端距下，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF和N

對(duì)于缺陷定位，在探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為 8~13 mm的工藝參數(shù)下，缺陷定位最為準(zhǔn)確，定位偏差不大于2%。探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為28 mm時(shí)的定位偏差不大于8%；但聚焦聲程為13~23 mm時(shí)的缺陷定位偏差偏大，約為14%~28%。兩種工藝參數(shù)的定量結(jié)果接近，但定位準(zhǔn)確性有一點(diǎn)差異。探頭前端距為－6 mm，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束偏轉(zhuǎn)角度為58°，該聲束的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度約為12.6 mm，而探頭出射點(diǎn)距缺陷的距離約為25 mm，這導(dǎo)致探頭輻射聲場(chǎng)無(wú)法在缺陷附近聚焦，聲束指向性減弱；且超聲波的傳播聲程更遠(yuǎn)，聲束擴(kuò)散更嚴(yán)重，聲束6 dB寬度更寬。由于缺陷的取向，聲束擴(kuò)散角內(nèi)可能某一角度更有利缺陷反射，探頭檢測(cè)到的缺陷最大回波幅值不是來(lái)自聲束中心線(xiàn)，而儀器默認(rèn)以聲束中心線(xiàn)對(duì)缺陷進(jìn)行定位，因此定位偏差更大[26]。 

可見(jiàn)，對(duì)于缺陷的定量和定位，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束與缺陷夾角對(duì)缺陷定量影響更大；與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF對(duì)缺陷定位影響更大。故檢測(cè)定位和定量要綜合考慮，確保檢測(cè)參數(shù)對(duì)定位和定量都是最為合適的。 

4.   結(jié)論

（1） DMA探頭可以有效檢出GH3535合金焊縫中埋藏的坡口未熔合缺陷，信噪比較高，定位準(zhǔn)確性較高。 

（2） 探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為13~28 mm時(shí)，聲束可一次性覆蓋焊縫，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束接近缺陷法線(xiàn)，缺陷當(dāng)量值最高，約為?2.5 mm＋1 dB~－1 dB。 

（3） 探頭前端距為6 mm，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF大，傳播聲程短，信噪比高。聚焦聲程為8，13 mm時(shí)，定位準(zhǔn)確性最高，定位偏差不大于0.26 mm（相對(duì)偏差不大于2%）。 

（4） 僅對(duì)焊縫內(nèi)部埋藏缺陷的定量因素進(jìn)行了檢測(cè)分析，由于探頭聲場(chǎng)焦柱隨折射偏轉(zhuǎn)角度的增大而縮小，因此，對(duì)于近表面開(kāi)口或埋藏缺陷（缺陷距離焊縫表面的深度不大于5 mm）的檢測(cè)需要匹配折射角度約為70°和物理聚焦深度較淺的楔塊重新進(jìn)行定量分析。

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