奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測

胡 棟，王 強，肖 琨，劉富君

(1.中國計量學院質量與安全工程學院，浙江杭州310018;2.浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州310020)

0 引言

奧氏體不銹鋼具有穩定的奧氏體組織，被廣泛應用于石油化工、機械制造和核電等行業的重要部位[1］。但由于焊接技術的不完善，在奧氏體不銹鋼焊縫中容易產生缺陷，引發設備的安全問題，因此，需要加強對奧氏體不銹鋼焊縫的定期檢測。

超聲檢測是用于奧氏體不銹鋼無損檢測的常用方法，但奧氏體焊縫粗大的柱狀晶粒組織和焊縫結構的各向異性，對超聲波有強烈的散射衰減和扭曲作用，常規的超聲探頭穿透力不足，檢測困難[2-3］。相控陣超聲檢測技術具有高強度的多聲束聚焦性能和多角度可控的掃描方式，大大提高了靈敏度和穿透力，有效地減小了盲區[4］，提高了檢測效率。為奧氏體不銹鋼焊縫的檢測提供了新的思路。

目前，國內外從超聲建模、參數優化和信號處理等方面對奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測展開研究并取得了一些成果。文獻[5］采用電子背散射衍射技術對奧氏體不銹鋼焊縫的微觀組織進行了分析;文獻[6］把各向異性焊縫分成了不同的區域，并對其內部的超聲波傳播路徑進行了仿真;文獻[7］將聲線跟蹤法和彈性動力學有限積分技術相結合，解決厚壁奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測的參數優化問題;文獻[8-9］采用聲線示蹤法計算了相控陣超聲不同陣元在非均勻各向異性介質中的延遲時間和入射角;文獻[10］致力于提高相控陣列系統的二維、三維成像分辨力，提出了奧氏體不銹鋼焊縫中相位畸變的修正方法。這些成果為奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測提供了依據，但未采用試驗的方法加以證明。

本文對波束形成器性能參數選擇進行了分析，利用相控陣超聲檢測技術相控聚焦的特性，針對奧氏體不銹鋼焊縫試塊進行了普通超聲和相控陣超聲檢測對比試驗。

1 相控陣超聲技術

1.1 聚焦原理

圖1為相控陣聚焦原理圖，如圖1所示，超聲波相控陣技術是由多個壓電晶片按一定規律分布排列，然后逐次按預先規定的延時時間激發各個晶片，通過計算各陣元發射信號的時間延時，使超聲波在某一點同向，這一點就是相控聚焦的焦點，根據同向波疊加定理和能量守恒定律，超聲場在焦點處的聲能大大提高。延時時間由以下公式計算得出[11］其中，△d為陣元到焦點的距離;n為保證△d-nλ為正的最大整數;λ為聲波波長;c為波速。

1.2 相控陣超聲系統的聲束特性

為分析超聲波波束形成器性能，可通過計算其波束響應進行分析，計算公式為[12］

其中，C(φ)為波束響應;cH為給定加權矢量(列矢量)的轉置;v(φ)為陣列響應矢量(列矢量)。

對于均勻線性陣列(ULA)，其陣列響應矢量為

圖1 相控陣聚焦原理

圖2表示了一個64陣元均勻線性相控陣列波束模式(φs=0°)，其中d=λ/2。主瓣越高越窄，旁瓣越低，陣列系統指向性和分辨率越高。通常以半功率(-3 dB)點的主瓣寬度計算波束寬度△φ，計算公式為

L代表陣列孔徑。孔徑越大，陣列的分辨率越好，越能區分間隔很近的缺陷。對于陣元間隔固定的波束模式，陣元數越多，分辨率越好。但是，實際的物理現實往往限制了可用的陣元數量。因此，為提高孔徑，通常采用提高陣元間隔的方法。而為避免空間重疊，陣元間隔d又最好不要高于λ/2。綜合以上分析，64陣元，d=λ/2相控陣列系統具有良好的指向性。

圖2 64陣元相控陣列系統波束模式

2 試驗比對

2.1 試驗概況

在探頭選型上，選用64陣元，d=λ/2線陣相控探頭進行超聲相控陣檢測試驗。而對于常規超聲探頭，常用頻率為0.5～2.5 MHz的斜探頭。試驗儀器、探頭及試塊選擇如表1所示。

表1 試驗概況

2.2 試塊信息

奧氏體不銹鋼對接焊接對比試塊[13］尺寸如圖3所示，試塊長300 mm，寬30 mm，高90 mm，焊縫位于試塊長度方向中間部位，屬于V型對接焊縫，沿焊縫兩側縱向深度10 mm、30 mm、50 mm、70 mm處有直徑2 mm的人工貫穿孔。

2.3 檢測結果分析

試驗時首先對設備進行校準，檢測面為V型對接焊縫的上表面，如圖3所示，在探頭和試塊間均勻的涂抹機油，設置合適的增益、抑制，相控陣掃描角度調整為30°～70°，觀察儀器顯示情況。試驗結果如圖4和圖5所示。

圖4為試塊焊縫深10 mm缺陷相控陣超聲檢測結果A掃描對應S掃描56.0°軸線的信號，缺陷信號比較明顯，信噪比達14 dB。圖5為試塊焊縫深30 mm缺陷相控陣超聲檢測結果，A掃描對應S掃描44.0°軸線信號，缺陷信號幅值較低，無法有效識別。

圖6為奧氏體不銹鋼焊縫試塊的常規超聲檢測結果，成像僅通過A掃描顯示，橫坐標刻度為真實深度。圖6a為試塊焊縫深10 mm缺陷常規超聲檢測結果，雖然缺陷信號也比較明顯，但其信噪比僅6 dB。圖6b為試塊焊縫深30 mm缺陷常規超聲檢測結果，與相控陣超聲檢測結果相同，其缺陷信號幅值較低，無法有效識別。

圖3 奧氏體不銹鋼對接焊接接頭對比試塊

圖4 10 mm缺陷相控陣超聲檢測結果

圖5 30 mm缺陷相控陣超聲檢測結果

在圖4a和圖6a的檢測結果中，對于所選試塊焊縫深10 mm處φ2貫穿孔缺陷，相控陣超聲檢測獲得了14 dB的信噪比，而常規超聲檢測僅獲得了6 dB的信噪比，相控陣超聲檢測具有較強的穿透力。比較圖4、圖5和圖6可見:焊縫深度越深，超聲波的散射和畸變越嚴重，導致相控陣超聲檢測中按照傳統的聚焦延時法則不能很好的實現聚焦效果。綜上所述，在奧氏體不銹鋼焊縫的檢測中，相控陣超聲檢測在提高深厚奧氏體不銹鋼焊縫中超聲穿透力即缺陷檢出率上具有可行性，但仍然存在一定的困難。此外，圖4和圖5中扇掃圖像覆蓋了30°～70°范圍內的檢測信息，而常規超聲檢測結果只顯示了單一軸線(即沿聲束方向)上的檢測信息。因此，在工業現場大面積檢測時，相控陣超聲檢測比常規超聲檢測更快速、高效。

圖6 常規超聲檢測結果

3 結論

(1)超聲相控陣技術對10 mm處奧氏體不銹鋼焊縫缺陷的檢測獲得了比傳統超聲檢測更高的信噪比，說明超聲相控陣技術的聚焦特性使超聲聲束在奧氏體不銹鋼焊縫中具有更強的穿透力。

(2)30 mm處缺陷，相控陣超聲波同樣未能檢出缺陷，這是因為焊縫越深，超聲聲束的相變越嚴重，使用未經優化的聚焦延時法則不能實現各陣元發射的超聲波的疊加，因此，提高深厚奧氏體不銹鋼相控陣超聲波檢測能力的有效方法是對聚焦延時法則進行優化。

(3)相控陣超聲波一次檢測能覆蓋較大的角度范圍，能有效地提高檢測效率。

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