热核聚变实验堆P3焊缝无损检测研究

吴佳勇 唐 伟 宋尔辉

（贵州航天新力科技有限公司，贵州 遵义 563001）

0 引言

核能部件P3是安置在热核聚变实验反应堆内，承受反应堆其他系统巨大运行压力的重要设备。国际热核聚变实验反应堆由全球八个国家和地区首次进行研制的新型实验堆项目，是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作大项目之一，仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。实验堆P3部件由25块不同规格的锻件加工焊接而成。该产品的焊接结构使得在制造阶段组装焊接和各道工序的检验要求很高。当进行热核聚变实验堆P3部件焊缝超声波检测时，超声波传播在焊缝的晶界面会发生严重散射和波形转换，引起超声波严重衰减、信噪比下降[1]。为了更准确地发现焊缝内部是否存在未焊透、未熔合、裂纹、夹渣和气孔等缺陷问题，采用多种探头进行探测才能达到最佳检测效果。

该文结合超声波垂直入射和斜射线法，采用射线双胶片技术作为补充试验来分析。研究其他工艺参数对超声检测的影响，采取相应的措施和方法进行验证，从而更好地保证实验堆产品的质量。

1 热核聚变实验堆P3部件焊缝的焊接工艺和焊缝组织

1.1 核能部件P3焊缝的结构与工艺参数

核能部件P3焊缝的结构与工艺参数如下：1）实验堆P3部件材质。热核聚变实验堆P3部件和焊接支撑板的材质是316LN高温合金高强度不锈钢，厚度均为50mm；2）实验堆P3部件焊缝材质。热核聚变实验堆P3部件焊缝的焊接材料为 Φ2 317L不锈钢；3）实验堆P3部件焊缝坡口形式为双面U型全焊透坡口打磨清理，如图1所示；4）实验堆P3部件焊接方法为手工钨极氩弧焊；5）实验堆P3部件焊后热处理为焊后去应力处理。

1.2 实验堆P3部件焊缝金相组织

焊缝宏观金相组织显示每层高约6mm，焊缝金相组织柱状晶粒基本上垂直于接管坡口，焊缝焊道较宽，约8mm，焊道每层5mm～6mm高，实验堆P3部件焊缝晶粒在每条焊道内基本形成扇形结构，偶尔有延伸穿过焊道的情况，有利于提高超声检测的信噪比。

2 热核聚变实验堆P3部件无损检测试验方案和检测工艺实施

2.1 超声检测焊缝

热核聚变实验堆P3部件焊接工艺复杂，焊缝厚度比较大，容易出现未焊透、未熔合、裂纹、夹渣和气孔等缺陷。夹杂和气孔为体积型缺陷，未焊透、未熔合和裂纹为平面型缺陷，危害程度非常大。超声检测虽然对这种结构特别复杂的热核聚变实验堆P3部件焊缝检测有一定限制，但是对异型件焊缝内部缺陷的精准性和定量不准确。充分利用实验堆P3部件锻件端面为检测面是超声检测的优点，相较于其他无损检测方法，使用多种探头直射法的检测工艺方法更好。

2.1.1 超声波探伤仪器

型号：USM GO，编号11075431。该设备体积小、质量轻，可自动测试计算零点和声速。对焊缝检测三角投影曲率修正符合EN1713、ASME和JIS标准，在15Hz和2000Hz范围内自动优化，三种自动调节模式，增益在0.5MHz和20MHz之间自由匹配。检测焊缝时能帮助识别幻像波的影响，适合于焊缝余高不要求磨平、错口连接等难点的焊缝检测。

2.1.2 超声波检测探头

所用探头结合了GE公司的进口产品和我国产品，对热核聚变实验堆P3部件焊缝中可能出现的夹渣、未熔合、未焊透、焊瘤、内凹缺陷和焊材填料金属以及P3部件本体中的裂纹须使用斜射声束接触型探头；实验堆P3部件焊缝厚度变化分层使用双晶接触型探头。在该核能部件产品的超声波检测中以上几种类型的探头均须使用，热核聚变实验堆P3部件焊缝超声波检测使用探头见表1。

表1 超声波检测探头

2.1.3 超声检测介质

选用声阻抗高、透声性能好、声特性阻抗与核能部件材料声特性阻抗相近的耦合剂，牌号为CG-08，该耦合剂的有害元素含量符合ISO 22825：2006焊缝的无损检测——熔化焊接头超声检测标准。

2.1.4 超声检测锻件表面要求

热核聚变实验堆P3部件超声检测面包括检测区和探头移动区，检测区的宽度应该是焊缝本身加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域，即热影响区域。这个区域最小为5mm，最大为10mm，当使用一次反射法检测时，探头移动区域大于或等于1.25P。所有检测表面经过自能化机械设备加工，表面粗糙度为3.2μm，符合热核聚变实验堆P3部件的超声检测标准和技术条件要求。

2.1.5 超声检测试块

检测热核聚变实验堆P3部件焊缝的探伤试块的材质与该核能部件材质相同，均为316LNI不锈钢，超声检测不锈钢标准试块焊缝中的平底孔作为缺陷的反射体，其尺寸和焊缝检测工艺与核能部件P3部件相同，这样才能保证超声检测灵敏度和测量范围，并能准确比较缺陷的大小。A孔位于核聚变实验堆P3部件不锈钢焊缝熔合区，B孔距离核能部件P3不锈钢焊缝熔合水平距离32mm，C孔位于焊缝与支撑板熔合区，与核能部件P3不锈钢侧焊缝熔合水平距离45mm，检测对比试块加工如图2所示。

2.1.6 检测焊缝灵敏度不应低于评定线灵敏度

对热核聚变实验堆P3部件焊缝进行超声探伤，当耦合剂损失及材料衰减与试块不一致时应补偿检测灵敏度。扫查速度小于100mm/s，相邻两次探头移动间距重叠10%。探头先垂直于焊缝中心线上进行锯齿型扫查，然后在焊缝两侧边缘使用斜探头与焊缝中心线成45°和60°作斜平行扫查。为了确定缺陷性质或区分缺陷真伪信号，应采用前后左右及转角环绕方式进行扫查检测。热核聚变实验堆P3部件焊缝检测如图3所示。

2.1.7 超声检测焊缝余高的判定

对热核聚变实验堆P3部件焊缝进行超声波探伤，其存在焊缝余高不能磨平、错口连接等难点问题。当探伤时要充分考虑焊缝余高宽度和焊缝错口高度等因素的影响并并进行判断[2]，用游标卡尺或焊接检验尺测量余高宽度，探头的K值和前沿距离组合应考虑测量的焊缝余高宽度。当检测发现有焊接头错口时，要考虑错口高度引起的回波。检测结果显示焊缝余高、错口连接等引起的伪缺陷反射波比较规则，波幅高而稳定，而真实缺陷引起的反射波不同，形状不规则，波幅为不稳定的波形。当发现反射波时一定要认真对比、计算和分析。考虑到超声检测对这种反射波不能准确判定，应辅以其他探伤检测方法。

2.2 射线检测

射线检测是超声波检测工艺方法的补充，能够验证超声波检测发现焊缝缺陷的可靠性。核聚变实验堆P3部件由各种规格的支撑板通过焊接组成，其结构的特殊性决定射线检测只能以50°角用双胶片技术（双胶片是为了辨别射线检测焊缝后的伪缺陷）进行透照，用HS-XY450X 射线机作为射线源且工作状况十分稳定。射线探伤方法检测热核聚变实验堆P3部件焊缝来作为对比和补充检测评定，保证核能部件的产品质量。

2.3 渗透检测

焊缝表面无损检测采用溶剂渗透检测方法，渗透检测所用的试剂、不锈钢镀铬试块和方法满足核能部件的标准要求。

3 热核聚变实验堆P3组部件焊缝检测试验结果分析

3.1 超声检测信号回波噪声强度分析

根据热核聚变实验堆P3部件焊缝检测工艺，使用GE公司生产的便携式探伤仪进行探伤，其核能部件超声检测信号回波噪声强度见表2。

表2 核能部件超声探头的回波和噪声强度

3.2 核能部件P3焊缝超声结果分析

从超声检测结果可以看出焊缝中缺陷的检测能力与探头直接相关。当进行焊缝检测时，所有反射波幅达到或超过定量线的缺陷均确定了位置并从焊缝另一侧的端面进行验证，确认信号并非由正常的焊缝几何形貌或波形变换所引起。结果显示有一超过评定线的信号疑似裂纹信号显示，通过改变探头角度和增加探伤面来观察动态波型，结合异形结构工艺特征分析后，确定不是真正的缺陷。焊缝中既有纵波又有横波，纵波穿透率比较大，横波穿透率比较小，有利于纵波和横波的区分[3]。当横波折射角较小时，纵波往复透过率与横波往复透过率相差较大，但横波折射角越小对应的纵波往复透过率越小。可以看出2.5MHz～4MHz的直探头效果较好，2MHz探头虽然材质衰减系数更小，但比2.5MHz的检测效果差。因为低频率穿透力更强，宽声束覆盖了更多的焊缝晶粒，声束截面积相应变大，所以缺陷反射回波的能量在整个声束中所占比例下降，即信噪比降低。

3.3 超声检测灵敏度提高的方法

为了进一步提高热核聚变实验堆P3焊缝的超声检测灵敏度，当对核能部件P3焊缝进行超声检测时，降低了焊缝的衰减量和减少焊缝区有效声束覆盖面积，从而提升检测效果。超声波检测结果表明，探头从P3部件端面和侧面对焊缝进行扫射探伤，均取得了理想效果，成功检出和识别了实验堆部件焊缝的内部缺陷。

3.4 焊缝超声检测侧壁干涉效应的影响与对应措施

核能部件超声检测结果反映了对焊缝中间部位的检测能力，如果缺陷靠近表面，探头靠近侧壁，当信号沿侧壁传播时将产生严重的波型转换，导致强度衰减，噪声增加，导致探伤灵敏度急剧下降[4]。为解决这一问题，我们采用斜探头在焊缝两个侧面进行辅助检验。为了准确检测核能部件P3焊缝及热影响区的缺陷，检测过程中使用了直探头、斜探头和双晶探头配合探伤。当移动探头时杂波信号幅值变化不明显，基本不游动，而缺陷信号随探头的移动幅值变化，信号前后移动。以上试验表明结合使用斜射法和垂直法能得到满意的检测效果，更能满足标准要求。核能部件的侧壁效应区域如图4所示。

3.5 射线检测分析

射线探伤检测热核聚变实验堆P3部件焊缝部位，工作电压可到400kV，焦点尺寸Φ5.5mm，焦距700mm，曝光量35mA·min，工作状况十分稳定。胶片型号：AGFA C4；显影液G128；定影液G328。射线探伤底片黑度（双胶片技术）为2.72～4.05，底片上像质计显示最小丝径为W9，黑度和灵敏度均满足ISO 17636标准要求，底片上有2mm长形缺陷显示。由于射线采用一定的角度透照，因此其缺陷显示大于超声波检测显示。这证明了超声波检测结果准确，检测工艺和方法有效。

4 结论

针对国际核聚变反应实验堆P3部件产品的设计要求，该文通过研究P3部件焊缝无损探伤方法，采用超声波垂直入射、斜射相组合的工艺方法以及射线补充检测结果分析，证明了该试验的无损检测工艺方法和验证结果有效。当超声波检测时探头从P3部件主体端面对焊缝进行扫射检测，结合斜射法和垂直法在纵向和横向面分别扫射检测，检出实验堆部件焊缝内部缺陷，达到了标准要求的探伤效果，保证了国际热核聚变实验堆部件的产品质量。该试验的工艺方法和验证结果对航空、航天、船舶和石油机械等领域的金属材料焊接件无损探伤检测具有一定的工艺参考和应用价值。