聚变堆铍铜连接件结合质量超声检测技术
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摘 要 在超声检测的理论基础上，采用CAD曲面建模和超声检测技术相融合的方法，实现了国际实验聚变堆中的铍铜连接件结合质量的超声检测。本文设计了专用的对比试块，系统能对对比试块进行数学建模，能准确发现对比试块的人工缺陷，并在工件中进行了应用，超声检测结果真实、准确、可靠。
关键词 超声检测；CAD建模；聚变堆
中图分类号 TG115.28 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）119-0184-02
0 引言
为开发并掌握核聚变能的相关技术，国际原子能机构（IAEA）牵头组织欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度七个国家共同出资，在法国建立了国际热核聚变实验堆（ITER），用于开展相关的工艺、技术和设备的研发工作。中国承担了10%的铍铜连接件的研制工作。
铍铜连接件是国际热核聚变实验堆（ITER）的关键部件之一，直接面对等离子体，需要承载高热流及中子壁负荷，其质量直接影响国际热核聚变实验堆的安全运行。铍铜连接件的制造采用等静压扩散连接技术，铍铜连接件连接界面的质量对高热负荷疲劳寿命影响很大，因此，为了实现对第一壁板铍铜连接件制造质量的有效控制，确保聚变堆的安全运行，须对第一壁板铍铜连接件结合质量进行无损检测。
铍铜连接件是由大量铍块（12mm×12mm×8mm）与铜经热等静压后制成，每个铍块有一定的斜率，且铍块与铍块之间留有1mm间隙。所形成的小尺寸、多斜率、网格状的表面，无法实施手动超声检测，只能进行自动化超声检测。国内外相关技术的调研结果表明，目前已有的检测装置，能够实现两个垂直方向的自由摆动，能实现对某一点的检测，但不能构建检测表面模型，不能实时调整探头与检测表面的相对位置，无法对小尺寸、多斜率、网格状的工件进行结合质量检测。铍铜连接件示意图如图1所示。
本文以曲面仿真测量理论研究为基础上，建立了曲面工件仿真模型，实现探头空间坐标数据的存储与工件模型的建立，通过读取所获得探头空间坐标数据，实现探头位姿的实时自动调整，保证探头声束与工件表面始终垂直，从而实现对铍铜连接件结合质量的超声自动检测。
2检测原理
采用单探头超声脉冲反射法进行结合质量的检测，首先调整探头与对比试块垂直，利用垂直入射的声波在通过不同声阻抗的界面时，一部分声波反射一部分声波透射的性质，根据包壳/框架、包壳/芯体上反射波的幅度并依据测量的缺陷面积，进行结合质量的评定。
根据缺陷反射回波声压的高低及回波位置来确定反射体的性质、大小及位置，但实际上由于缺陷性质、表面状况、几何形状以及声束相对方向等诸多复杂因素的影响，目前的通用探伤方法尚无法测定缺陷的真实大小，因此，常用“当量尺寸”表示缺陷大小，相同探测条件下，如果缺陷反射回波声压与某种人工反射体的回波声压相同，即两者的反射波高相等时，则规则反射体的尺寸即为缺陷的当量尺寸。根据底波衰减的幅值也可判断缺陷和材质衰减情况。
3检测系统
根据上述原理开发研制了铍铜连接件结合质量水浸法超声自动检测系统。该系统由检测扫描传动装置、数据采集系统、扫描控制系统、超声成像系统、超声波探伤仪及探头五大部分组成。检测系统实物图如图2所示。
由于检测表面为小尺寸、多斜率、网格状的表面，为准确跟踪检测表面、保持探头与检测表面的垂直，检测前需通过超声波方式测定探头与检测表面距离，获取相关数据后进行数学建模；以建立的检测表面模型为基础进行自动检测；系统根据表面模型在每个采集点适时调整探头位置与姿态，使探头与检测表面垂直；检测过程中，系统自动采集检测数据，并处理存储。
4对比试块
5验证实验
5.1曲面建模实验
铍铜连接件结合质量自动检测的准确性是建立在曲面建模准确的基础上进行，因此曲面的数学模型与工件的一致性是至关重要的。为了确定其正确性，使用自动检测系统进行曲面建模实验，曲面建模的对像是：对比试块，使用自动检测系统对其进行了数学建模，建模结果见图4。由结果可以得出：该自动检测系统的曲面建模是准确的，能满足下一步检测的需要。
5.2对比试块灵敏度实验
铍铜连接件结合质量超声自动检测系统的检测灵敏度是另一个关键指标，课题组对检测系统进行了灵敏度检测实验，检测对象是：对比试块，手动调节使检测系统能够发现φ1.5mm平底孔，在此基础上自动扫描对比试块。对比试块的检测结果如图5所示。图中红色的地方表示平底孔。实验结果表明，铍铜连接件结合质量超声自动检测系统能够正确发现φ1.5mm及以上人工反射体。
5.3工件检测
检测工件及检测结果如图6所示。实验结果表明，未发现超标缺陷。
6结论
本文以超声理论为基础，采用了CAD建模技术和超声检测技术相融合的方法，建立了铍铜连接件结合质量超声检测系统。系统经曲面建模、灵敏度实验和工件检测实验表明，该系统能够准确的对对比试块进行数学建模，能够发现小尺寸、多斜率、网格状工件上直径为Φ1.5mm及以上的人工反射体，检测的灵敏度和检测结果经验证符合欧标的检测要求，该系统可以应用于国际实验聚变堆中铍铜连接件结合质量的工程检测。
参考文献
[1]康伟山，张斧，吴继红，等.ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析[J].核聚变与等离子体物理，2007，27（4）：320-323.
[2]郑晖，林树青.超声检测[M].2版，北京：中国劳动社会保障出版社，2008.