超聲波從母材側檢測不銹鋼堆焊層的研究

摘 要：文章介紹了當采用普通單晶直探頭從母材側檢測堆焊層時，能發現堆焊層內不同深度以及堆焊層與母材界面上的φ9.5mm的平底孔。研究表明隨著探頭頻率的增加，平底孔回波與底面回波的幅值之比越高，即探頭頻率增加更有利于發現堆焊層缺陷，減少底面回波的干擾。

關鍵詞：堆焊層；母材側；超聲波；單晶直探頭

1各標準從母材側檢測堆焊層的要求

NB/T 4730.3-2015允許從母材側對堆焊層進行超聲檢測，ASME標準中也有從母材側檢測堆焊層的推薦試塊。以上兩個標準中人工反射體均分布在堆焊層與母材界面上，說明從母材側檢測堆焊層與母材界面上的未結合缺陷是可行的。但是從母材側檢測堆焊層內部未結合缺陷，在標準中沒有明確的說明。如果能驗證從母材側也能檢測堆焊層內部未結合的缺陷，那從筒體側（即母材側）檢測堆焊層的設想是切實可行的。為了驗證從母材側探傷堆焊層的可行性，我們設計了如圖1所示的超聲波試塊，即在堆焊層與母材界面以及堆焊層內部均布置不同深度的平底孔。從圖1可知，該試塊不銹鋼堆焊層厚度為8mm，在堆焊層與母材的熔合面（H=110mm）的區域布置一個φ9.5mm的平底孔，在堆焊層內布置了不同深度的φ9.5mm平底孔，距母材表面的深度分別為112mm，114mm，116mm。界面上的平底孔模擬了實際產品中堆焊層與母材之間的未結合缺陷，堆焊層內的平底孔模擬了堆焊層層間的未結合性缺陷。

2 試驗結果

為了驗證超聲波檢測能否發現堆焊層內部以及堆焊層與母材界面的平底孔，采用超聲波檢測常用的單晶直探頭（2.5P20，頻率為2.5MHz，晶片尺寸為20mm）放在試塊母材側進行試驗，直探頭能發現不同深度的平底孔。見圖2，圖3。

試驗結果可知，堆焊層內不同深度的？準9.5mm平底孔均清晰可見且伴隨底波的出現，隨著平底孔深度的增加，平底孔反射波與底波不斷靠近。如圖2所示，當平底孔深度為110mm時，平底孔反射回波與底面回波可明顯區分開，當平底孔深度H=116mm時幾乎與底波融合到一起，平底孔回波與底面回波難以分辨，且底面回波的波高遠遠大于平底孔波高。由此可見，從母材側進行堆焊層探傷是確實可行的，但是當缺陷與底面接近時，可能難以區分。為了提高底波與平底孔反射波的分辨率，采用了頻率更高的探頭進行試驗。筆者采用單晶直探頭5P20（與之前探頭相比，頻率為5MHz，晶片尺寸仍然為20mm）在試塊進行試驗。

圖2與圖4波形圖對比可知，深度為110mm的平底孔（母材與堆焊層界面平底孔），在平底孔回波均為80%滿屏高度的條件下，圖4中的底面回波高度遠遠小于圖2，由此說明5MHz與2.5MHz探頭相比，平底孔與底面回波幅值比值更大，平底孔與底波更容易區分。當平底孔接近表面時，圖3與圖5對比可知，圖5平底孔回波與底面回波更容易區分。

試驗結果表面，隨著探頭頻率增加，不同深度的平底孔回波清晰可見，平底孔與底波更容易區分，此時底波對缺陷的判定影響減小，更利于缺陷波的判定。

3 原因分析

研究上述現象可知，當從母材側檢測堆焊層時，除了出現平底孔（代表缺陷）回波外，還有一個強大的底面回波。當平底孔與底面非常接近時，兩者極易混淆或兩者無法分辨（如圖3所示）。從超聲波在平底孔上的回波聲壓以及底面上的回波聲壓理論來解釋這種現象。

其中：P0-探頭波源的起始聲壓；Fs-探頭波源的面積；Ff-平底孔缺陷面積；λ-超聲波波長；x為平底孔至波源的距離；Y為底面值波源的距離（即母材厚度）；

由公式（3）可知，當平底孔深度X和母材厚度y不變，平底孔大小也不變的情況下，波長決定了平底孔回波與底面回波的比值，當波長越短，平底孔與底面回波聲壓比值越大，即平底孔回波波幅更大。

由公式（4）可知，超聲波頻率越大，波長越短。對直探頭而言，在鋼中的聲速為5900m/S，2.5P20探頭波長為2.36mm，5P20探頭波長為1.18mm。因此可知，5MHz探頭超聲波的波長比2.5MHz探頭超聲波的波長更短，5MHz探頭的平底孔回波聲壓與底面回波聲壓之比更大。

4 結束語

從母材側檢測不銹鋼堆焊層缺陷時，普通單晶直探頭能發現堆焊層內不同深度以及堆焊層與母材熔合面的φ9.5mm平底孔。探頭頻率越高，平底孔回波越容易與底面回波區分開來，特別是接近底面的平底孔回波這種顯現更為明顯。隨著探頭頻率的增加，平底孔回波波幅與底面回波波幅的比值增大，更有利于堆焊層內平底孔的發現，即越有利于堆焊層內缺陷的發現。

參考文獻

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