安全端異種金屬焊縫超聲檢測中TRL探頭的選用及應(yīng)用技巧

盧 威，尹 鵬，劉 云，聶 勇

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

安全端異種金屬焊縫的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料晶粒粗大，存在各向異性。對其進(jìn)行超聲檢測時(shí)，聲波偏轉(zhuǎn)較明顯，超聲能量嚴(yán)重衰減，噪聲水平較高。采用單晶探頭對這類焊縫進(jìn)行超聲檢測存在信噪比較低、定量精度不高等困難。目前，根據(jù)實(shí)際超聲檢測經(jīng)驗(yàn)和效果來看，針對這類焊縫使用TRL探頭（一發(fā)一收式雙晶縱波探頭）具有較明顯的優(yōu)勢。如何正確合理地選用及應(yīng)用TRL探頭成為能否達(dá)到較佳檢測效果的關(guān)鍵所在。筆者通過實(shí)例介紹了異種金屬焊縫超聲檢測中TRL探頭選用及應(yīng)用的一些技巧。

1 安全端異種金屬焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

安全端異種金屬焊縫的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括多種材料組織，如碳鋼、鎳基預(yù)堆邊、對接焊縫、不銹鋼材料以及不銹鋼堆焊層（如圖1所示）。對接焊縫組織為晶粒粗大的柱狀晶而且各向異性。

圖1 安全端異種金屬焊縫的結(jié)構(gòu)

2 安全端異種金屬焊縫對超聲檢測的影響

安全端異種金屬焊縫的結(jié)構(gòu)較為特殊，其對超聲檢測的主要影響體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面［1］：

（1）粗大晶粒的影響：由于異種金屬焊縫晶粒粗大，因此當(dāng)超聲波入射到這些粗大晶粒上時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)烈的散亂反射，使得檢測信噪比大大下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒缺陷回波。

（2）各向異性的影響：超聲波在異種金屬焊縫的各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波衰減和聲速大小都受聲束方向與晶粒軸向之間夾角的影響。同時(shí)，晶粒組織的各向異性還使得超聲波聲束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，即超聲波能量的傳播方向并不與波前相垂直，對于橫波而言，這種現(xiàn)象更為明顯。

3 TRL探頭的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)

TRL探頭即一發(fā)一收式雙晶縱波探頭，由兩個(gè)晶片構(gòu)成，一個(gè)晶片用于發(fā)射超聲波，另一個(gè)晶片用于接收超聲波。一般發(fā)射晶片使用發(fā)射性能好的壓電材料，接收晶片使用接收性能好的壓電晶片，這樣TRL探頭的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度都很高，這是單晶探頭無法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，TRL探頭的兩個(gè)晶片之間有一吸聲性強(qiáng)且絕緣的隔聲層，克服了發(fā)射聲波和接收回波之間的相互干擾，使脈沖變窄，分辨力提高，且由于隔聲層的存在，消除了發(fā)射晶片和延遲塊之間的反射雜波進(jìn)入接收晶片，從而減少了雜波信號(hào)，提高了檢測信噪比［2］。

正是由于TRL探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其在粗晶材料超聲檢測中存在如下的優(yōu)越性：

（1）TRL探頭的一發(fā)一收模式避免了楔塊回波造成的雜亂波影響，消除了始波的影響，有效減少了干擾信號(hào)，有利于檢測工件的近表面區(qū)域。

（2）TRL探頭的一發(fā)一收模式提高了檢測靈敏度、信噪比以及分辨力。

（3）TRL探頭在工件中的入射波為縱波，與相同頻率的橫波相比，有助于減弱粗大晶粒的散射影響，減小聲波的衰減。

（4）TRL探頭減小了各向異性組織結(jié)構(gòu)對超聲波傳播的影響，聲波偏轉(zhuǎn)較小。

4 TRL探頭的選用及應(yīng)用技巧

對于安全端異種金屬焊縫超聲檢測，國內(nèi)外已經(jīng)開展了多年的相關(guān)研究。根據(jù)大量試驗(yàn)和分析，總結(jié)出如下安全端異種金屬焊縫超聲檢測中TRL探頭的選用及應(yīng)用技巧。

4.1 探頭角度的選擇

安全端異種金屬焊縫組織主要為各向異性的柱狀晶。有研究表明，對于安全端異種金屬焊縫，采用縱波折射角為45°的探頭進(jìn)行檢測時(shí)，其信噪比相對較高，衰減較小［2］。當(dāng)焊縫厚度較大時(shí)，可選擇縱波折射角為37°的探頭進(jìn)行檢測。當(dāng)焊縫厚度較小時(shí)，可選擇縱波折射角為60°的探頭進(jìn)行檢測［1］。

2007—2017年世界紙、紙板和紙制品進(jìn)口額排名前5位的國家包括美國、德國、中國、法國、英國、意大利、比利時(shí)和日本，2007年依次為中國、美國、德國、意大利和日本，2017年為美國、德國、英國、法國和意大利。中國曾于2007年位列進(jìn)口第1，之后退出世界前10，直至2011年重回世界前10;除2007年和2014—2016年外，美國均占據(jù)進(jìn)口額第1位;德國除2007年居第3和2014—2016年居第1外，均位居第2;英國和法國絕大多數(shù)年份分別居第2或第3位;意大利絕大多數(shù)年份居第4位。但總體來看，絕大多數(shù)年份排名前5的國家世界占比差距不大。

當(dāng)焊縫中縱波聲束為45°左右時(shí)，聲束在柱狀晶中的偏轉(zhuǎn)角最小［3］，所以當(dāng)安全端異種金屬焊縫超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用45°探頭來測量缺陷位置、長度和自身高度，對缺陷進(jìn)行定量。

4.2 探頭焦距的選擇

由于TRL探頭發(fā)射晶片和接收晶片存在聲束相交區(qū)，形成聚焦區(qū)域，此即為TRL探頭的有效檢測區(qū)域，如圖2所示。在非有效檢測區(qū)域，探頭的檢測靈敏度較低，因此，超聲檢測使用的TRL探頭有效檢測區(qū)域疊加起來要能保證焊縫整個(gè)受檢深度范圍內(nèi)都被覆蓋，以避免缺陷漏檢或定量不準(zhǔn)確。為了保證檢測區(qū)覆蓋，可以根據(jù)焊縫厚度，選擇多種焦距的檢測探頭，每種焦距探頭利用不同深度橫孔采用－6dB法制作出聚焦區(qū)域范圍圖，然后進(jìn)行疊加，以驗(yàn)證受檢區(qū)域的覆蓋（如圖3所示）。

圖2 TRL探頭聚焦區(qū)域

圖3 TRL探頭聚焦區(qū)域范圍疊加圖

4.3 探頭頻率的選擇

超聲波波長與探頭的頻率成反比關(guān)系。一般而言，當(dāng)聲波波長大于焊縫中的晶粒尺寸時(shí)，受晶粒散射影響小，可以減小聲波的衰減。另外異種金屬焊縫中不同材質(zhì)界面也會(huì)導(dǎo)致聲波有較大的衰減，頻率越高，衰減越大。所以對于檢測焊縫深度較深區(qū)域的中焦距和長焦距探頭，要選擇較低的頻率，一般為0.5～2MHz。對于檢測焊縫深度較淺區(qū)域即近表面區(qū)域的短焦距探頭，在衰減允許的情況下可以選擇使用高一些的頻率，如3～4MHz，這樣可以提高信號(hào)分辨力以及提高近表面區(qū)域缺陷的定量精度。

4.4 探頭頻帶寬度的選擇

由于安全端異種金屬焊縫的粗晶材料組織對超聲波而言相當(dāng)于低通濾波器，選擇寬頻帶探頭可以減小低通濾波器的影響［4］。同時(shí)，寬頻帶探頭產(chǎn)生的聲波脈沖寬度較窄，在焊縫組織散射和衰減較高的情況下，具有比窄頻帶探頭信噪比好的優(yōu)點(diǎn)。寬頻帶探頭的脈沖窄，能夠保證在聲束方向有更高的分辨力，所以應(yīng)選擇頻帶寬度較高的探頭，一般要求探頭頻帶寬度不小于60%。

5 TRL探頭選用及應(yīng)用實(shí)例

目前，對于安全端異種金屬焊縫超聲檢測，一般要求能檢測出焊縫及其熱影響區(qū)的體積型和平面型缺陷，特別是危害性很大的平面型缺陷，如裂紋、未熔合等。對于檢測出的缺陷，定量要求一般為高度定量誤差不超過5mm，長度定量誤差不超過15mm。

5.1 試驗(yàn)試件

選擇核電站常見規(guī)格為φ913mm×88.5mm的異種金屬焊縫試驗(yàn)試件，如圖4。不銹鋼段材料為316LN，碳鋼段材料SA 508，堆焊層材料為E309C和E308C。試塊上設(shè)計(jì)制作有多條不同長度、高度和位置的裂紋，其中裂紋高度最小為4.7mm，裂紋長度最小為18mm。

圖4 異種金屬焊縫試驗(yàn)試塊

5.2 探頭選用及應(yīng)用

5.2.1 探頭角度選用

選用45°TRL探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

5.2.2 探頭焦距選用

由于焊縫的壁厚較大，為了確保有效檢測區(qū)域能夠覆蓋受檢區(qū)域，根據(jù)檢測經(jīng)驗(yàn)，選擇了3種不同焦距（短焦距、中焦距和長焦距）的45°的TRL探頭，并對探頭有效檢測區(qū)域進(jìn)行覆蓋驗(yàn)證。

利用含有不同深度φ2mm橫孔的參考試塊，分別制作出每種焦距探頭實(shí)際聚焦區(qū)域圖，然后進(jìn)行疊加，如圖5。根據(jù)圖示，3個(gè)探頭的實(shí)際聚焦區(qū)域組合在一起能夠覆蓋受檢區(qū)域。所以，選用了三種焦距的45°TRL探頭，以保證整個(gè)檢驗(yàn)區(qū)域的覆蓋。

圖5 探頭聚焦區(qū)域

5.2.3 探頭頻率選用

探頭焦距越大，探頭有效檢測區(qū)聲程越大，聲束傳播的距離越遠(yuǎn)。隨著傳播距離的增加，衰減也逐漸增大。對于焦距越大的探頭，其頻率應(yīng)相應(yīng)降低，以減少衰減。所以，對于短焦距探頭，選用4MHz頻率；對于中焦距和長焦距探頭，選用1～2MHz頻率。

5.2.4 探頭頻帶寬度

為了提高信噪比和分辨力，要求選用頻帶寬度大于等于0%的探頭。上節(jié)中選用的短焦距、中焦距和長焦距探頭在檢測前進(jìn)行了頻帶寬度測量，其實(shí)測頻帶寬度分別為62%，84.2%和85.7%，滿足對頻帶寬度的要求。

利用所選用的探頭，對試驗(yàn)試件進(jìn)行實(shí)測。試件中所有設(shè)計(jì)制作的裂紋都能夠被發(fā)現(xiàn)，裂紋自身高度測量誤差范圍為－3.0～1.3mm.，長度測量誤差范圍為－1.6～9.2mm。裂紋的尖端信號(hào)均能清楚分辨，信號(hào)的信噪比大于6dB，圖6～8分別為不同位置裂紋的典型信號(hào)顯示圖。檢測結(jié)果說明檢測效果十分理想，探頭選用較為正確。

圖6 內(nèi)表面裂紋的典型信號(hào)

圖7 中部埋藏裂紋的典型信號(hào)

圖8 外表面裂紋的典型信號(hào)

6 結(jié)論

正確合理地選用及應(yīng)用TRL探頭，可以提高異種金屬焊縫超聲檢測的可靠性和準(zhǔn)確性。使用所述原則和技巧，以及正確合理地選用TRL探頭，可以保證在異種金屬焊縫超聲檢測中能夠獲得較高的靈敏度、信噪比以及較好的分辨力，并在缺陷定量時(shí)達(dá)到較高的測量精度。

［1］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：302－304.

［2］ 劉凱.正確選擇和使用縱波雙晶探頭［J］.無損探傷，2005，29（2）：29－32.

［3］ 李衍，馮兆國.不銹鋼焊縫的超聲檢測－現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.無損探傷，2005，29（3）：1－6.

［4］ DELAIDE M，MASE G.Design and Application of Low－Frequency Twin Side－by－Side Phased Array Transducers for Improved UT Capability on Cast Stainless Steel Components，2000，5（10）：10－15.