噴注器焊縫熔深超聲相控陣定量檢測

周世圓，鄭翀，趙燦，杜佩承，程宇涵，王永紅

（1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.西安航天發動機有限公司，陜西，西安 710100）

焊縫熔深是指焊縫金屬從焊縫表面向接頭內延伸的距離，不包括焊縫余高.焊縫熔深是衡量焊縫質量的一項重要指標，直接影響著焊接構件的承載能力、安全性能和使用壽命[1?4].噴注器是液體火箭發動機的關鍵部件，由噴注器盤和噴注環通過電子束焊焊接而成，其焊縫熔深的合格性對噴注器自身及發動機整體的安全性能起決定性作用.若其焊縫熔深達不到合格性要求，會導致焊縫承載截面面積減小、強度將低，在工作時可能造成氧化劑或燃料從焊接接頭處泄漏，影響推進劑混合比，降低推力室比沖，影響發動機效率，同時造成安全隱患.因此，開展噴注器電子束焊縫熔深的定量檢測研究，對保證液體火箭發動機的安全性能和改善焊接工藝具有重要意義.

超聲波因具有良好的穿透性，在制造和檢測等領域受到了研究人員的關注[5?6].近年來，國內外專家對焊接構件焊縫熔深的超聲檢測技術開展了廣泛研究.常規超聲[7?8]、超聲顯微[9?10]、TOFD[11?12]、超聲相控陣[13?16]等常用超聲檢測方法均可實現不同構件焊縫熔深的定量檢測.噴注器截面結構復雜，焊縫分布密集，檢測位置小，采用單探頭入射進行檢測，無法直接獲取可以表征焊縫熔深信息的信號；噴注器厚度小，檢測區域位于近表面0.5 mm～3.2 mm 之間，采用TOFD 方法存在表面盲區問題[17]，對于焊接區域位于盲區范圍內（近表面5 mm 內）的構件，無法實現焊縫熔深的定量.

超聲相控陣檢測技術采用多晶片的陣列探頭，可以靈活的控制聲束進行偏轉和聚焦，在復雜構件焊縫檢測上具有其他檢測技術無法比擬的優勢[18].文中針對復雜截面的液體火箭發動機噴注器，基于超聲相控陣RATT 開展了其電子束焊縫熔深的定量檢測方法研究，為解決其檢測面尺寸小且存在凹槽的檢測難點，提出了水浸式RATT 檢測方法，搭建了檢測系統并利用CIVA 軟件進行檢測仿真，采用所提方法對研制的人工缺陷對比試樣和電子束焊接模擬試樣開展檢測實驗驗證了方法的有效性.

1 檢測方法及原理

某型航天發動機的噴注器材料為不銹鋼，整體結構為圓盤形，局部實物圖如圖1（a）所示.噴注環徑向尺寸為8 mm，兩側通過電子束焊縫與噴注器盤連接，兩環形焊縫之間的距離僅為2 mm.噴注器焊縫形式為對接焊縫，焊縫截面如圖1（b）所示.為保證其安全性能，要求每條焊縫的熔深不小于1.5 mm.

圖1 航天發動機噴注器Fig.1 Aerospace engine injector

噴注器焊接區域上下兩側均存在凹槽，由于超聲相控陣探頭大多尺寸較大，若采用有機玻璃斜楔夾持探頭進行接觸式檢測無法避開表面凹槽，進而造成耦合不良，無法完成檢測.為了克服有限檢測面的難題，文中基于超聲相控陣相對到達時間技術（relative arrival time technique，RATT），采用水楔塊夾持探頭，對噴注器焊縫熔深進行水浸式RATT 檢測.

采用水浸式RATT 定量檢測焊縫熔深時，以水為耦合劑，利用超聲相控陣線性掃描方式，根據同一角度下不同位置的線性掃描回波信號進行焊縫熔深定量檢測.如圖2 所示，超聲相控陣探頭的位置不變，通過超聲相控陣的線性掃描方式實現對噴注器被檢區域的固定角度掃描，此時未熔透尖端衍射回波路徑為CD，端角反射回波路徑為BA，折射角均為θ.利用B掃圖中噴注環端角B點的反射回波信號與未熔透尖端C點的衍射回波信號，可以定量檢測噴注器電子束焊縫熔深

圖2 焊縫熔深超聲相控陣RATT 定量檢測原理Fig.2 Quantitative detection principle of weld penetration depth using ultrasonic phased array RATT

式中：T=2.7 mm，為工件厚度；H為焊縫未熔透高度；CT為工件中的橫波聲速；t1為焊縫未熔透尖端衍射回波時間；t2為噴注環端角反射回波時間.

2 檢測系統與仿真

基于上述檢測方法及原理，文中搭建了如圖3（a）所示的焊縫熔深超聲相控陣水浸式RATT 檢測系統，主要包括：奧林巴斯相控陣探傷儀OmniScan X3（32/128PR）、奧林巴斯水浸相控陣探頭10L64-FSW（10 MHz、一維線陣、64 陣元）、專用水楔塊SFSWN45S-WHC（鋼中折射角為45°）、水槽和檢測試樣等.系統示意圖如圖3（b）所示.

圖3 焊縫熔深超聲相控陣水浸式RATT 檢測系統Fig.3 Water immersed RATT System with ultrasonic phased array detection for weld penetration depth

為了驗證檢測方法及系統對于噴注器焊縫熔深定量檢測的可行性，采用CIVA 仿真軟件進行超聲相控陣檢測仿真，獲得缺陷響應結果.

對噴注器焊接區域的截面結構進行二維建模并生成CAD 文件，導入到CIVA 軟件中.材料選取304不銹鋼，設定密度為7.89 g/cm3，縱波聲速為5 790 m/s，橫波聲速為3 100 m/s.利用垂直平面型缺陷模擬未熔透區域，設置缺陷高度為1.2 mm，長度為10 mm，以模擬1.5 mm 的焊縫熔深.構建的焊縫熔深檢測CIVA 模型如圖4 所示.

圖4 焊縫熔深檢測CIVA 模型Fig.4 CIVA model for weld penetration depth detection

根據搭建的水浸式RATT 檢測系統設置探頭和楔塊參數：探頭晶片數量為64 個，晶片間距為0.5 mm，晶片寬度為0.4 mm，頻率為10 MHz，?6 dB 帶寬為60%；楔塊中耦合劑為水，縱波聲速為1 480 m/s.仿真實驗中，設置探頭孔徑為32 個晶片，采用線性掃描，晶片步距為1.橫波聲束在試樣中的折射角為45°，試樣四周介質為水.聚焦類型選擇角度加深度聚焦，將聚焦位置設置于噴注環底面，即聚焦深度為3.5 mm.

采用上述設置參數對構建的模型進行缺陷響應仿真，尖端衍射和端角反射的缺陷響應結果分別如圖5（a）和（b）所示.圖中左側為焊接區域的B 掃圖像，右側為對應孔徑下的A 掃信號.由B 掃圖像可知，焊縫未熔透尖端位置出現衍射信號，噴注環端角的反射信號亦明顯可見.由A 掃信號可采集到尖端衍射信號和端角反射信號，通過兩個信號最大幅值的深度位置差可得到未熔透高度，進而實現焊縫熔深的定量檢測.

圖5 焊縫熔深檢測仿真結果Fig.5 Simulation results of weld penetration depth detection

利用CIVA 軟件進行仿真檢測驗證了水浸式RATT 對于噴注器焊縫熔深的定量檢測具有可行性，但該方案的實際檢測效果與定量檢測的有效性，還需要利用檢測實驗進行驗證.

3 矩形槽人工缺陷對比試樣檢測實驗

為了進一步驗證方法及系統的可行性，研制了檢測對比試樣，并對其進行了檢測實驗.

3.1 對比試樣

依據噴注器焊縫熔深的檢測要求以及其結構與尺寸，按照行業標準JB/T 13466-2018 《無損檢測 接頭熔深相控陣超聲測定方法》，采用矩形槽模擬未熔透區域，設計了熔深檢測對比試樣，試樣材料為304不銹鋼.試樣外形結構設計為平板型，矩形槽局部截面結構與噴注器焊道截面相同，預制不同高度的矩形槽（間隔為0.1 mm），刻槽寬度設計為0.15 mm，采用電蝕方法加工，加工后采用覆形方法測量其真實尺寸.對比試樣實物圖如圖6（a）所示，截面結構如圖6（b）所示，刻槽規格如表1 所示.

表1 對比試樣刻槽規格Tab.1 Specifications of notches in comparative samples

圖6 噴注器對比試樣Fig.6 Samples for the injector comparison

3.2 對比試樣檢測實驗

采用檢測系統對噴注器對比試樣進行水浸線性掃描檢測.檢測參數的設置與仿真中一致，如表2 所示.檢測過程中，控制聲束沿垂直于刻槽長度的方向入射，得到刻槽位置處的B 掃圖像并進行分析與測量.

表2 檢測參數Tab.2 Detection parameters

如圖7（a）所示，以1#刻槽為例，B掃圖像中刻槽尖端衍射信號和端角反射信號均清晰可見辨易于實現測量，在相同增益下，采集到刻槽尖端衍射信號和端角反射信號分別達到最大的兩個A掃信號，如圖7（b）和（c）所示，在上述兩信號中分別讀取刻槽尖端衍射信號和端角反射信號的聲時t1和t2，由公式（1）計算得到人工刻槽缺陷所對應的模擬熔深D.

圖7 對比試樣檢測結果分析與測量（序號1 刻槽）Fig.7 Analysis and measurement to detection results of comparative sample(1# notch)

其余刻槽位置處的B 掃圖像如圖8 所示，采用上述步驟進行分析與測量，得到刻槽高度值.

圖8 對比試樣檢測B 掃圖像Fig.8 B-scan images of comparative sample detection

利用編碼器對對比試樣進行C 掃描檢測，得到的C 掃圖像如圖9 所示，對每個刻槽長度方向間隔為1 mm 的9 個位置分別采集一次B 掃圖像并進行刻槽高度測量.計算檢測高度和檢測熔深的均值和樣本標準差，最終得到的對比試樣檢測結果如表3所示，其中誤差δ和相對誤差δr表示熔深檢測的誤差與相對誤差.

表3 對比試樣檢測結果Tab.3 Results of comparative sample detection

圖9 對比試樣檢測C 掃圖像Fig.9 C-scan image of comparative sample detection

由檢測結果可知，采用水浸式RATT 進行對比試樣焊縫熔深檢測的精度優于0.15 mm，通過得到的B 掃圖像和A 掃信號可實現模擬熔深的定量檢測，且重復性水平高，檢測結果可靠.

4 模擬試樣檢測實驗

為了驗證方法及系統對于實際構件焊縫熔深的定量檢測的有效性，研制了焊接模擬試樣，并對其進行了檢測實驗，最終通過對其焊縫進行金相檢測衡量了定量精度.

4.1 模擬試樣

如圖10（a）所示，熔深檢測模擬試樣采用與噴注器原件相同材料，由6 個噴注環和1 個噴注器盤通過電子束焊接形成，具有與噴注器原件相同的徑向截面結構，從內到外共10 條環焊縫.電子束焊接按照標準GJB1718A-2005《電子束焊接》Ⅰ級要求執行，改變焊接時采用的電流值，以使各焊縫達到不同熔深.垂直焊縫方向的剖面示意圖如圖10（b）所示.

圖10 噴注器模擬試樣Fig.10 Simulation sample of the injector

4.2 模擬試樣檢測實驗

采用與對比試樣檢測實驗中相同的檢測參數（包括探頭孔徑、晶片步距、聚焦深度、聲束折射角等）對噴注器模擬試樣的每條焊縫進行熔深檢測.檢測過程中，控制聲束沿環焊縫的法向入射，得到的從內到外共10 條焊縫特定位置處的B 掃圖像如圖11所示.

圖11 模擬試樣檢測B 掃圖像Fig.11 B-scan images of simulation sample detection

經對比模擬試樣和對比試樣的B 掃圖像發現，采用該方案對實際焊接構件進行檢測時，信噪比略有降低，但焊縫未熔透尖端的衍射信號清晰可辨，可實現熔深定量檢測.

為了驗證上述實驗結果的準確性，對模擬試樣的焊縫熔深進行金相檢測.利用100 倍的光學顯微鏡檢測，得到的從內到外共10 條焊縫的截面金相圖如圖12 所示.通過對金相圖進行測量可以得到每條焊縫的實際熔深.

經過對比分析發現，除10#焊縫的熔深未檢測出之外，其余焊縫由實驗得到的檢測熔深均大于由金相檢測得到的實際熔深，且除2#焊縫之外，兩者之間的誤差均在0.3 mm 附近波動.基于上述現象，可以為檢測熔深附加一個補償量Δ（Δ=?0.3 mm），將補償熔深D1作為最終的檢測結果，如表4 所示.

表4 模擬試樣檢測結果Tab.4 Results of simulation sample detection (after compensation)

由檢測結果可知，采用水浸式RATT 實現了1#～9#焊縫的定量檢測，即可實現噴注器模擬試樣（0.02～1.58）mm 熔深焊縫的定量檢測.2#焊縫的熔深檢測誤差較大的原因是模擬試樣上表面外形復雜，檢測時發生大量散射，當被檢測焊縫的實際熔深過小時，B 掃圖像中的未熔透尖端衍射信號會被試樣上表面的散射信號覆蓋，實際所測信號為衍射信號附近的散射信號.10#焊縫的熔深未實現測量的原因是焊縫未熔透根部端角反射信號存在較強的散射現象，且檢測結果存在正偏差，當被檢測焊縫的實際熔深較大時，B 掃圖像中的未熔透尖端衍射信號會與端角反射信號發生混疊，無法分辨.但如圖11（j）所示，區別于其余焊縫，僅10#焊縫的B 掃圖像中未出現焊縫未熔透尖端衍射信號，故其B 掃圖像的特點在10 條焊縫中具有唯一性，故在實際檢測中可據此對熔深大于1.58 mm 的焊縫進行熔深合格性的定性判別.

綜上，采用水浸式RATT 可以實現噴注器焊縫熔深的定量檢測，對（0.15～1.58）mm 熔深焊縫的檢測精度優于0.15 mm，并能對熔深大于1.58 mm的焊縫進行熔深合格性的定性判別.在實際生產中由工藝保障不會出現熔深小于0.5 mm 的焊縫，因此，采用超聲相控陣水浸式RATT 進行檢測，可以滿足噴注器實際生產中熔深不小于1.5 mm 的檢測需求.

5 結 論

針對液體火箭發動機噴注器復雜結構電子束焊縫的熔深定量檢測需求，基于超聲相控陣檢測技術，提出了水浸式RATT 定量檢測方法，克服了噴注器檢測面尺寸小且存在凹槽難以檢測的問題.根據提出的檢測方法搭建了檢測系統，先利用CIVA 軟件進行檢測仿真，而后研制檢測試樣，利用10MHz 的高頻探頭配備水楔塊進行檢測實驗，驗證了方法及系統對于噴注器電子束焊縫熔深定量檢測的可行性和有效性.模擬試樣焊縫熔深的超聲檢測結果與金相檢測結果對比表明，采用超聲相控陣水浸式RATT進行噴注器電子束焊縫熔深定量檢測的精度優于0.15 mm，且可檢范圍滿足噴注器實際生產中的熔深檢測需求.