CN103743815A - 弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统和方法，超声波检测系统包括用于插入弯管中的对中工装，呈中空管状，侧壁上开有连通对中工装内外侧面的窗口，窗口的上侧和下侧设置有环状凸起，环状凸起位于对中工装的外侧面上且与弯管内壁间隙配合；柔性管；探头；驱动机构；探伤仪；其中对中工装、环状凸起和柔性管的材质均为塑料；弯管复合件包括由第一金属形成的第一金属管、由第二金属形成的第二金属管和由第三金属形成的带有通孔的块状体；第二金属管插入通孔中并与块状体焊接，第一金属管为一弯管，其插入第二金属管中并与第二金属管焊接。本发明通过上述技术方案实现了对弯管复合件两个界面焊接质量缺陷的准确定位和定量检测。

Description

弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统和方法

技术领域

本发明涉及超声波检测技术领域，主要涉及一种弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统和方法。

背景技术

对于新材料的连接及复杂精细结构件的制造，扩散焊技术凭借独特的优越性和灵活性在制造业中的应用越来越广泛，且越来越多的应用于重要部件的连接。

国际热核聚变试验堆（ITER）装置偏滤器靶板部件选择了此连接技术。具体方案为：首先将无氧铜管（内衬适配层）与具有圆通孔的钨块装配并焊接形成无氧铜内衬钨块，然后用铬锆铜弯管（热沉）将多个无氧铜内衬钨块通过扩散焊串接。由于该块体穿管结构部件在制备工艺中引入了三种不同金属的复合，形成了两个界面，而此部件的实际工况为高热负荷区域，在热核聚变装置使用时，任何结合（复合）质量的缺陷都可能诱发部件损坏，进而影响整个装置的运行。为此，该结构部件在使用前必须对各个焊接界面给予严格的无损检测，保证各焊接工艺和质量合格。

由于该结构部件的特点是内圆外方，且弯曲。针对此类内圆外方弯管复合件多个界面焊接质量的无损检测，常规方法主要有超声、射线、红外瞬态成像和涡流。其中，射线具有成本高和穿透钨能力差等问题，而后两种检测方法都有检测精度低的问题，特别是涡流对于弯管复合件内平行于内壁的脱粘性缺陷检测灵敏度较低，均不能实现直径2mm脱粘缺陷的有效检出。超声检测技术在检测焊接界面质量时具有检测方法简单、精度高、结果可靠等特点。但在检测此小管径弯管复合件的多层界面焊接质量时，有两个问题：1）一般探头外壳或者较粗或者较长，无法插入小管径弯管内；2）即使能插入，也会存在无法在弯管内的对中定位以及受控移动，进而会导致无法检测或者漏检。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统和方法。

所述超声波检测系统包括：位于所述第一金属管中的对中工装，呈中空管状，侧壁上开有连通所述对中工装内、外侧面的窗口，所述窗口的上侧和下侧设置有环状凸起，所述环状凸起位于所述对中工装的外侧面上，且与所述第一金属管间隙配合；位于所述对中工装中的探头，具有压电晶片和外壳，固定于所述外壳的侧面上的所述压电晶片正对所述窗口，向所述弯管复合件的内壁发送入射超声波和接收反射超声波；驱动机构，通过柔性管与所述对中工装连接，驱动所述对中工装旋转步进和上下移动；通过探头线与所述探头连接的探伤仪，接收来自所述探头的反射超声波信号对所述第二金属管与所述块状体界面处的焊接质量和所述第二金属管与所述第一金属管界面处的焊接质量进行检测；其中，所述对中工装、所述环状凸起和所述柔性管的材质均为塑料；所述弯管复合件包括：由第一金属形成的第一金属管、由第二金属形成的第二金属管以及由第三金属形成的带有通孔的块状体；所述第二金属管插入所述通孔中并与所述块状体焊接，所述第一金属管为一弯管，所述第一金属管插入所述第二金属管中并与所述第二金属管焊接。

在如上所述的超声波检测系统中，优选，所述柔性管的内壁与所述对中工装的外侧面连接。

在如上所述的超声波检测系统中，优选，在所述内壁上设置有卡槽；在所述对中工装的外侧面上设置有与所述卡槽卡合的卡块。

在如上所述的超声波检测系统中，优选，所述对中工装、所述环状凸起和所述柔性管的材质均为聚四氟乙烯塑料。

在如上所述的超声波检测系统中，优选，所述探头以水为耦合剂，所述以水为耦合剂的探头发送的入射超声波聚焦于所述第一金属管和所述第二金属管的界面处。

在如上所述的超声波检测系统中，优选，所述第一金属管和所述第二金属管的壁厚均为1～2mm。

在如上所述的超声波检测系统中，优选，所述第一金属为铬锆铜，所述第二金属为无氧铜，所述第三金属为钨，所述弯管复合件用于热核聚变实验堆装置偏滤器靶板部件，优选所述第一金属管和所述第二金属管之间的焊接方式、所述第二金属管和所述块状体之间的焊接方式均为扩散焊。

所述超声波检测方法，包括以下步骤：步骤S10，将连接有探头线的探头从柔性管内穿过，固定于对中工装内，所述探头的压电晶片正对所述对中工装的侧壁上的窗口；步骤S20，将所述对中工装插入所述第一金属管内，并设定检测起始位置；步骤S30，所述压电晶片在探伤仪的电脉冲激励下激发高频窄脉冲入射超声波，所述入射超声波垂直入射到所述弯管复合件的内壁，并沿所述弯管复合件的径向透射进所述弯管复合件内，同时探伤仪接收经所述探头转化的反射超声波信号；步骤S40，所述探头在驱动机构的驱动下对所述弯管复合件的内壁进行全测量扫描，得到所述弯管复合件的超声波信号，所述探伤仪对所述弯管复合件的超声波信号进行提取，得到时域全波列回波图；步骤S50，所述探伤仪对所述时域全波列回波图进行处理，分别得到所述第二金属管与所述块状体界面处和所述第二金属管与所述第一金属管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对所述弯管复合件的界面处焊接质量的检测。

在如上所述的超声波检测方法中，优选，所述步骤S40具体包括：待检测的所述弯管复合件固定不动，所述探头通过驱动机构的驱动沿所述第一金属管的轴向拖拉扫查，完成一个扫查后，再沿所述第一金属管的周向旋转步进一角度，并将所述探头推回至扫查起点开始另一个扫查，所述扫查起点与所述检测起始位置位于同一圆周上，如此循环，完成全测量扫描。

在如上所述的超声波检测方法中，优选，所述步骤S50具体包括：所述探伤仪根据待检测的所述弯管复合件中所述第一金属管、所述块状体与所述第二金属管的厚度和材料声传导性能，设置激发频率和增益值，和在所述时域全波列回波图上设置闸门宽度和高度，从而得到所述第二金属管与所述块状体界面处和所述第二金属管管与所述第一金属管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对所述弯管复合件的界面处焊接质量的检测。

本发明实施例带来的有益效果如下：

通过柔性管以及固定在对中工装上的水浸探头在弯管复合件内沿轴向扫查和沿周向旋转步进和扫查图谱的参照实现对弯管复合件界面处弱接合和剥离等缺陷的准确定位和定量检测。保证了对弯管复合件中方钨块体与内衬适配层（无氧铜管）以及内衬适配层与热沉管（铬锆铜弯管）之间连接质量的精确可靠检测，为部件的工艺改进和批量化验收提供了可靠的保障，解决了实际生产中现有无损检测无法有效检测的问题。该检测系统和方法具有很强的实用性和有效性，同时又具有检测系统和方法简单、高效、精度高等特点，经该系统和方法检测合格的弯管复合件可以承受高热负荷循环冲击，适用于长脉冲、高参数的热核聚变装置中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种铬锆铜弯管的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种弯管复合件的径向剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种弯管复合件的轴向剖面示意图；

图4是本发明实施例提供的一种探头和对中工装在弯管复合件内的检测示意图；

图5是本发明实施例提供的梳式扫查示意图；

图6是本发明实施例提供的无氧铜管和铬锆铜弯管界面处的A扫描图；

图7是本发明实施例提供的无氧铜管和铬锆铜弯管界面处的B扫描图；

图8是本发明实施例提供的无氧铜管和铬锆铜弯管界面处的C扫描图；

图9是本发明实施例提供的无氧铜管和铬锆铜弯管界面处的D扫描图；

其中，图中符号说明如下：

1入射超声波聚焦情况、2外壳、3压电晶片、4对中工装、10钨块、20无氧铜管、30铬锆铜管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供的弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统和方法，适用的弯管复合件包括：由第一金属形成的第一金属管、由第二金属形成的第二金属管以及由第三金属形成的带有通孔的块状体；第二金属管插入通孔中并与块状体焊接，第一金属管为一弯管，第一金属管插入第二金属管中并与第二金属管焊接。为了简单起见，在本发明关于超声波检测系统和方法的实施例中均以第一金属为铬锆铜，第二金属为无氧铜，第三金属为钨为例进行说明，该超声波检测系统和方法尤其适用于具有如下尺寸的弯管复合件，第一金属管即铬锆铜弯管30偏细偏薄（例如内径10～12mm，壁厚1～2mm），第二金属管即无氧铜管20偏薄（例如厚1～2mm），块状体即钨块10为方块，铬锆铜弯管30和无氧铜管20之间通过扩散焊连接在一起，无氧铜管20和钨块10之间通过扩散焊连接在一起。图1所示为铬锆铜弯管的结构示意图。

参见图1～图5所示，本发明实施例提供的弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统，包括对中工装4、探头、柔性管、驱动机构、探伤仪。

其中，探头用于发送入射超声波和接收反射超声波。其包括压电晶片3和外壳2，压电晶片3位于外壳（探头硬质段）2的侧面上，以侧向发送入射超声波。为了便于探头在弯管复合件内移动，外壳2的长度较短，例如：铬锆铜弯管30的长度为220mm，外壳2的长度为25mm，具体地，可以由压电晶片的直径和铬锆铜弯管30的曲率半径决定。由于弯管复合件中铬锆铜弯管30和无氧铜管20偏薄，因此探头优选为高强度、高频、窄脉冲、聚焦超声波。进一步地，探头以水为耦合剂，也称为水浸探头，其聚焦于铬锆铜弯管30和无氧铜管20的界面处，该探头频率为15MHz，压电晶片的焦距为11mm。在实际中，探头频率需根据第一金属、第二金属和第三金属的材料性能和厚度的不同进行确定。

对中工装4用于实现探头在对弯管复合件进行全测量扫描时，以垂直于弯管复合件内壁（铬锆铜弯管30内壁）的方式发送入射超声波。对中工装呈中空管状，其内径与外壳（硬质段）2的直径匹配（间隙配合），以容纳探头于其中。侧壁上开有窗口，该窗口的直径与压电晶片3的直径一致，该窗口正对压电晶片3，以使压电晶片3发送的入射超声波通过窗口垂直射向弯管复合件。在窗口的上侧和下侧设置有环状凸起，其位于对中工装4的外侧面上，且外径与铬锆铜弯管30的内径匹配（环状凸起与铬锆铜弯管间隙配合），例如，环状凸起的外径为11.95mm，铬锆铜弯管的内径为12mm。在实际中，环状凸起和对中工装4优选为一体。在检测时，需将对中工装4沿轴向插入待检测的弯管复合件中。为了使对中工装4和环状凸起具有合适的柔性和硬度，其材质均为塑料，优选为聚四氟乙烯塑料。如此，可以实现对中工装4和环状凸起在铬锆铜弯管30内的仿形，从而实现探头在全测量扫描时，在铬锆铜弯管30内精确仿形和移动，进而保证在铬锆铜弯管30内的移动与在探伤仪上设置的一致，从而实现探头垂直于弯管复合件的内壁发送入射超声波。

驱动机构，通过柔性管与对中工装4连接，其包括：用于驱动对中工装4旋转步进运动的旋转步进驱动单元和用于驱动对中工装4上下移动的上下移动驱动单元，具体地，旋转步进单元可以为旋转步进电机，上下移动驱动单元为链式上下移动机构。其中柔性管的材质也为塑料，优选为聚四氟乙烯塑料。优选，柔性管的内壁与对中工装的外侧面连接，该连接可以为螺纹连接，还可以为套接（插接）。为了增加连接处的强度，在对中工装的外侧面上设置有卡块，该卡块的形状优选为三角形，在柔性管的内壁上设置有与上述卡块卡合的卡槽。

探伤仪，通过探头线与探头连接，接收来自于探头的反射超声波信号对无氧铜管20与钨块10界面处的焊接质量和无氧铜管20与铬锆铜弯管30界面处的焊接质量进行检测。由于本发明实施例采用超声波对界面处的焊接质量进行检测，因此该检测也称为超声波无损检测。

通过采用对中工装、环状凸起和柔性管保证探头在弯管复合件内沿轴向扫查和沿周向旋转步进的过程中，探头对中定位（发送的入射超声波都垂直于弯管复合件的内壁，）和易于受控移动，进而实现对弯管复合件两个界面焊接质量缺陷的准确定位和定量检测。

本发明另一实施例还提供了基于上述超声波检测系统的弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测方法，其包括如下步骤：

步骤S10，将连接有探头线的探头从柔性管内穿过，固定于对中工装4内，探头的压电晶片正对对中工装的侧壁上的窗口；

步骤S20，将对中工装4插入铬锆铜弯管30内，并设定检测起始位置；

步骤S30，压电晶片3在探伤仪的电脉冲激励下激发高频窄脉冲入射超声波，该入射超声波垂直入射到弯管复合件的内壁，并沿弯管复合件的径向透射进弯管复合件内，同时探伤仪接收经探头转化的反射超声波信号；

步骤S40，探头在驱动机构的驱动下对弯管复合件的内壁进行全测量扫描，得到弯管复合件的超声波信号，探伤仪对弯管复合件的反射超声波信号进行提取，得到时域全波列回波图；

具体地，将待检测的弯管复合件固定不动，探头通过驱动机构的驱动沿铬锆铜弯管的轴向拖拉扫查，完成一个扫查后，再沿铬锆铜弯管的周向旋转步进一角度，并将探头推回至扫查起点开始另一个扫查，该扫查起点与检测起始位置位于同一圆周上，如此循环，完成全测量扫描。探头在弯管复合件内沿轴向拖拉扫查和沿周向旋转步进也称为梳式扫查，如图5所示。

步骤S50，探伤仪对时域全波列回波图进行处理，分别得到无氧铜管与钨块界面处和无氧铜管与铬锆铜弯管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对弯管复合件的界面处焊接质量的检测。

具体地，根据待检测的弯管复合件中无氧铜管、钨块与铬锆铜弯管的厚度和材料声传导性能，通过调整探头发送的入射超声波的参数和在时域全波列回波图上设置闸门宽度和高度，从而得到无氧铜管与钨块界面处和无氧铜管与铬锆铜弯管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对弯管复合件的界面处焊接质量的检测。该参数包括：激发频率、增益值和焦距，

在检测时通过设计人工预制缺陷标样，并调整根据相应界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对复合件的两个结合界面的焊接质量的准确定位和定量检测，进而根据不同的热负荷需求和试验设定检测标准。为了提高检测精度，针对不同的结合界面，需设置不同的检测参数和缺陷判定标准。该超声波检测系统尤其适用于检测焊接界面处的弱结合、剥离等缺陷。如图6～9所示，分别为铬锆铜弯管与无氧铜管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图。

综上所述，本发明的有益效果如下：

通过柔性管以及固定在对中工装上的水浸探头在弯管复合件内沿轴向扫查和沿周向旋转步进和扫查图谱的参照实现对弯管复合件界面处弱接合和剥离等缺陷的准确定位和定量检测。保证了对弯管复合件中方钨块体与内衬适配层（无氧铜管）以及内衬适配层与热沉管（铬锆铜弯管）之间连接质量的精确可靠检测，为部件的工艺改进和批量化验收提供了可靠的保障，解决了实际生产中现有无损检测无法有效检测的问题。该检测系统和方法具有很强的实用性和有效性，同时又具有检测系统和方法简单、高效、精度高等特点，经该系统和方法检测合格的弯管复合件可以承受高热负荷循环冲击，适用于长脉冲、高参数的热核聚变装置中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弯管复合件多层界面焊接质量的超声波检测系统，所述弯管复合件包括：由第一金属形成的第一金属管、由第二金属形成的第二金属管以及由第三金属形成的带有通孔的块状体；所述第二金属管插入所述通孔中并与所述块状体焊接，所述第一金属管为一弯管，所述第一金属管插入所述第二金属管中并与所述第二金属管焊接，其特征在于，所述超声波检测系统包括：

位于所述第一金属管中的对中工装，呈中空管状，侧壁上开有连通所述对中工装内、外侧面的窗口，所述窗口的上侧和下侧设置有环状凸起，所述环状凸起位于所述对中工装的外侧面上，且与所述第一金属管间隙配合；

位于所述对中工装中的探头，具有压电晶片和外壳，固定于所述外壳的侧面上的所述压电晶片正对所述窗口，向所述弯管复合件的内壁发送入射超声波和接收反射超声波；

驱动机构，通过柔性管与所述对中工装连接，驱动所述对中工装旋转步进和上下移动；

通过探头线与所述探头连接的探伤仪，接收来自所述探头的反射超声波信号对所述第二金属管与所述块状体界面处的焊接质量和所述第二金属管与所述第一金属管界面处的焊接质量进行检测；

其中，所述对中工装、所述环状凸起和所述柔性管的材质均为塑料。

2.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，所述柔性管的内壁与所述对中工装的外侧面连接。

3.根据权利要求2所述的超声波检测系统，其特征在于，在所述内壁上设置有卡槽；

在所述对中工装的外侧面上设置有与所述卡槽卡合的卡块。

4.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，所述对中工装、所述环状凸起和所述柔性管的材质均为聚四氟乙烯塑料。

5.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，所述探头以水为耦合剂，所述以水为耦合剂的探头发送的入射超声波聚焦于所述第一金属管和所述第二金属管的界面处。

6.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，所述第一金属管和所述第二金属管的壁厚均为1～2mm。

7.根据权利要求1所述的超声波检测系统，其特征在于，所述第一金属为铬锆铜，所述第二金属为无氧铜，所述第三金属为钨，所述弯管复合件用于热核聚变实验堆装置偏滤器靶板部件，优选所述第一金属管和所述第二金属管之间的焊接方式、所述第二金属管和所述块状体之间的焊接方式均为扩散焊。

8.一种超声波检测方法，利用权利要求1～7之任一所述的超声波检测系统对弯管复合件多层界面焊接质量进行检测，其特征在于，所述超声波检测方法包括以下步骤：

步骤S10，将连接有探头线的探头从柔性管内穿过，固定于对中工装内，所述探头的压电晶片正对所述对中工装的侧壁上的窗口；

步骤S20，将所述对中工装插入所述第一金属管内，并设定检测起始位置；

步骤S30，所述压电晶片在探伤仪的电脉冲激励下激发高频窄脉冲入射超声波，所述入射超声波垂直入射到所述弯管复合件的内壁，并沿所述弯管复合件的径向透射进所述弯管复合件内，同时探伤仪接收经所述探头转化的反射超声波信号；

步骤S40，所述探头在驱动机构的驱动下对所述弯管复合件的内壁进行全测量扫描，得到所述弯管复合件的超声波信号，所述探伤仪对所述弯管复合件的超声波信号进行提取，得到时域全波列回波图；

步骤S50，所述探伤仪对所述时域全波列回波图进行处理，分别得到所述第二金属管与所述块状体界面处和所述第二金属管与所述第一金属管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对所述弯管复合件的界面处焊接质量的检测。

9.根据权利要求8所述的超声波检测方法，其特征在于，所述步骤S40具体包括：

待检测的所述弯管复合件固定不动，所述探头通过驱动机构的驱动沿所述第一金属管的轴向拖拉扫查，完成一个扫查后，再沿所述第一金属管的周向旋转步进一角度，并将所述探头推回至扫查起点开始另一个扫查，所述扫查起点与所述检测起始位置位于同一圆周上，如此循环，完成全测量扫描。

10.根据权利要求8所述的超声波检测方法，其特征在于，所述步骤S50具体包括：

所述探伤仪根据待检测的所述弯管复合件中所述第一金属管、所述块状体与所述第二金属管的厚度和材料声传导性能，设置激发频率和增益值，和在所述时域全波列回波图上设置闸门宽度和高度，从而得到所述第二金属管与所述块状体界面处和所述第二金属管管与所述第一金属管界面处的A扫描图，角度校正的B、C和D扫描图，实现对所述弯管复合件的界面处焊接质量的检测。

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