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、無水冷卻、利用釷基核燃料等優(yōu)勢，成為我國核能的重要發(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TMSR的安全運(yùn)行起著重要作用[9]。但GH3535合金的焊接流動性差、熔敷金屬與母材間不容易潤濕易產(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，對缺陷檢測主要采用射線檢測技術(shù)，但作為面積型缺陷的坡口未熔合在射線束穿透方向上的厚度差小，射線檢測的缺陷檢出率低于超聲檢測的[11]。
超聲檢測是無損檢測的重要手段之一。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技術(shù)，與常規(guī)超聲相比具有檢測靈敏度高、缺陷定位精度好、實(shí)時(shí)可視化、檢測數(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帶來缺陷錯(cuò)位和小缺陷漏檢問題[13-14]。為提高對粗晶焊縫缺陷的檢測效果，業(yè)內(nèi)逐漸開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，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探頭對其進(jìn)行長度和深度的檢測，檢測誤差小于5%。WANG等[19]使用DMA探頭檢測粗晶焊縫中的未熔合缺陷（長度為20 mm），深度偏差為2.6 mm，缺陷長度偏差為5 mm。KUMAR等[20]采用DMA探頭檢測異種粗晶焊縫的未熔合缺陷（長度為8~12 mm），所檢測的缺陷長度與射線檢測結(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。相控陣超聲檢測一般采用自動或半自動化的掃查方式，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。
相控陣超聲檢測工藝參數(shù)中聚焦聲程和探頭前端距是非常重要的，對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，但焦柱外聲場發(fā)散嚴(yán)重[21]。實(shí)際相控陣探頭只能在近場區(qū)內(nèi)聚焦[22]。隨著聚焦聲程的增加，焦柱的寬度和長度也隨之增大，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)探頭類型、聚焦聲程、被檢材料和缺陷的類型、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區(qū)內(nèi)聚焦，又要使焦柱能覆蓋缺陷。若焦柱無法覆蓋缺陷，焦柱外的聲場發(fā)散嚴(yán)重，難以準(zhǔn)確對缺陷進(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方向，越利于探頭接收反射聲束信號，測量的缺陷當(dāng)量越大。
綜上所述，文章采用DMA探頭針對GH3535合金焊縫易出現(xiàn)的坡口未熔合進(jìn)行檢測工藝分析。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)對檢測信噪比、缺陷定位和定量的影響，明確缺陷的有效檢測工藝參數(shù)。
1. 試驗(yàn)設(shè)備與方法
1.1 檢測系統(tǒng)
文章采用M2M GEKKO型便攜式相控陣超聲檢測儀搭配E6B2-CWZ1X型編碼器，檢測系統(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。
| 楔塊類型 | 聲速/（m · s－1） | 入射角/（°） | 屋頂角/（°） | 第一陣元高度/mm | 邊緣晶片間距/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| M27-DN60L-IHC FD25 | 2 330 | 20 | 2.8 | 7.25 | 16.08 |
采用垂直透照的方式對焊縫試板進(jìn)行射線檢測，檢測結(jié)果如圖4所示，射線底片中無缺陷顯示，可知射線檢測技術(shù)對細(xì)小的坡口未熔合缺陷的檢測靈敏度低。
1.2 檢測工藝
對比試塊的長橫孔位置及尺寸示意如圖5所示。長橫孔直徑為2.5 mm，深度分別5，10，15 mm，分布于對接接頭的焊縫中心和熔合線處。為確保不同深度處的檢測靈敏度一致，選用對比試塊上位于焊縫中心處的長橫孔進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。檢測工藝參數(shù)如表2所示，檢測示意如圖6所示（圖中f為聚焦聲程）。分別記錄檢測的增益、信噪比、缺陷的深度和距焊縫中心水平距離。
| 聚焦法則 | 入射角/（°） | 掃查方式 | 探頭前端距/mm | 聚焦方式 | 聚焦聲程/mm | 掃查角度范圍/（°） | 角度步進(jìn)/（°） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 扇形掃查 | 6，0，－6，－12 | 等聲程 | 8，13，18，23，28 | 10~80 | 1 |
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)，缺陷信號易于從噪聲信號中辨別；信噪比過低時(shí)，缺陷信號淹沒于結(jié)構(gòu)噪聲信號中，難以分辨，引起缺陷的漏檢。
不同聚焦聲程下，缺陷檢測的信噪比如圖8所示。可知聚焦聲程相同時(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)際檢測過程中，還需保證聲場能覆蓋整個(gè)焊縫，探頭前端距為0，－6，－12 mm的聲場可以較好覆蓋焊縫。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。
2.2 缺陷當(dāng)量值
因缺陷位于坡口且深度為12.9 mm，選擇熔合線上深度為10 mm的?2.5 mm長橫孔作為基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行缺陷當(dāng)量對比分析。在相同的工藝參數(shù)下，調(diào)整增益，分別使長橫孔和缺陷的信號幅值達(dá)到80%（滿屏），長橫孔和缺陷的增益差值即為缺陷當(dāng)量值，缺陷當(dāng)量值曲線如圖9所示。測量缺陷的當(dāng)量值如表3所示。
