不銹鋼復合鋼板對接焊縫超聲檢測

曹福想 郭少宏 鄭文江 鄧 波

（廣東省特種設備檢測研究院佛山檢測院 佛山 528000）

不銹鋼復合鋼板對接焊縫超聲檢測

曹福想 郭少宏 鄭文江 鄧 波

（廣東省特種設備檢測研究院佛山檢測院 佛山 528000）

本文對不銹鋼復合板對接焊縫金相組織特點進行了分析，并對超聲波在不銹鋼復合板對接焊縫中傳播時產生的定位誤差和定量誤差進行了理論分析和試驗研究，總結了超聲檢測時定位誤差和定量誤差的補償規律，給出了不銹鋼復合鋼板對接焊縫超聲檢測時缺陷精確定位的解決辦法。

復合板 對接焊縫 超聲檢測 定位誤差 定量誤差

復合鋼板以其優良的綜合性能被廣泛地應用于石油化工、建筑、交通運輸及日用品等許多領域中。不銹鋼復合板通常上由較薄的不銹鋼與較厚的碳鋼或低合金鋼通過爆炸法、熱軋成型工藝等方法復合而成[1]。由于基層碳鋼或者低合金鋼與覆層不銹鋼在化學成分、顯微組織、物理性能等方面存在較大差異，使得復合板對接焊縫熔化焊接時會遇到較大困難，如果工藝控制不當，在焊縫中極易出現成分偏析或者其它焊接缺陷。復合板對接焊縫的無損檢測方法通常采用X射線檢測或滲透檢測，但X射線檢測無法確定缺陷深度，而滲透檢測只能檢測焊縫的表面缺陷；超聲檢測雖然能檢測出內部缺陷的位置和深度，但在復合板對接焊縫探傷中由于涉及到超聲波在兩種不同聲速的固體介質中傳播而帶來較大的定位誤差和定量誤差，從而極易導致誤判或漏檢，使其在復合板對接焊縫的無損檢測應用受到較大的限制[2]。

本文通過研究不銹鋼復合鋼板對接焊縫的金相組織特點，并在不銹鋼復合板對接焊縫超聲檢測定位誤差理論研究基礎上，進一步研究了復合板對接焊縫超聲檢測定量誤差的補償規律，以便能對復合鋼板對接焊縫中的缺陷進行精確定位。

1 不銹鋼復合鋼板對接焊縫的金相組織特點

本文選取表1中的A-2試塊（29+7mm）對接焊縫進行金相分析，試塊基板材料均為Q345R，復板材料為304，采用焊條電弧焊（SMAW）焊接方法，并采用Cr、Ni 元素含量較高的A302 焊條作為復層填充金屬，E5015焊條焊接基層，A-2試塊選用Y型坡口型式對不銹鋼/碳鋼復合板進行對接焊接（見圖1）。

圖1 A-2試塊對接焊縫

圖2 A-2試塊復板母材金相組織

圖3 A-2試塊復板側焊縫金相組織

圖4 A-2試塊基板側焊縫金相組織

金相分析結果表明，復板側母材金相組織為奧氏體，復板側焊縫凝固時未發生相變，為由表面向基板側生長的呈鑄態的奧氏體柱狀晶體，奧氏體基體上分布著板條狀及蠕蟲狀的鐵素體；基板母材金相組織為鐵素體+帶狀珠光體組織，在熔合線附近碳鋼側存在一層明顯的脫碳層，在靠近脫碳層處，黑色的珠光體組織數量逐漸減少，直至形成單一的鐵素體組織，且晶粒較粗大，脫碳層的形成說明不銹鋼復合板在焊接過程中存在一定程度的碳遷移現象。在奧氏體焊縫與碳鋼焊縫脫碳層之間還會形成一個類馬氏體組織過渡區，該區主要由細小的板條馬氏體、孿晶馬氏體、貝氏體和碳化物組成的一個混合組織區。當不銹鋼焊縫焊接區被加熱至熔化溫度時，由于基層母材和奧氏體焊縫之間的碳含量差異以及碳在液態鐵中的溶解度大于在固態鐵中的溶解度等原因，碳原子從未熔化的基層側熱影響區向過渡層或復層焊縫擴散，當焊縫開始冷卻后，碳元素在熔合線的焊縫金屬側以碳化物的形式析出，從而導致珠光體脫碳并在不同材質焊接界面形成類馬氏體組織[3-5]，使得復層或過渡層焊縫和基板焊縫金屬結合部位很容易出現焊接缺陷，故重點應對該部位進行無損檢測。

2 復合板對接焊縫超聲檢測的定位誤差研究

由于復合板復板側焊縫為分布著板條狀及蠕蟲狀鐵素體的奧氏體柱狀晶粒，這種柱狀晶粒較粗大，組織不均，具有較明顯的各向異性，導致超聲檢測時通過復板母材、復板焊縫及基板的超聲波聲速不同、介質衰減系數不同[6]，從而帶來一定的定位誤差及定量誤差，筆者在《無損檢測》雜志2016年第一期《不銹鋼復合板對接焊縫超聲波檢測中的定位誤差》一文中對水平定位誤差進行了較深入的理論研究[7]，其中有如下結論：

1）復合板超聲檢測時產生的理論水平定位誤差與基板厚度無關，僅與復板及復板焊縫厚度和探頭在不同聲速時的正切值有關。

2）復板產生的理論水平定位誤差修正值為：

式中：

K——探頭K值；

復板焊縫產生的理論水平定位誤差修正值為：

tanβs2——聲波在復板中的正切值；

tan ′βs2——聲波在復板焊縫中的正切值；

t2——復板厚度。

3）修正后的水平定位位置為儀器水平讀數減去修正值。

4）采用不同K值探頭進行探傷時，不同復板厚度、不同檢測面所相應的定位誤差補償值均為定值。

3 復合板對接焊縫超聲檢測的定量誤差研究

復合板對接焊縫超聲檢測時定量誤差大小的影響因素除了和聲程有關外，還和反射體大小、位向及介質衰減系數等有關，理想的測試條件上在上述因素相同時測定基板與復板焊縫反射體的當量波高，以此確定其補償值。

3.1 試塊的制作

為此，筆者焊制不同板厚的帶人工缺陷的測試試塊，試塊示意圖見圖5，基板厚度為t1，復板厚度為t2，焊縫表面線切割槽人工缺陷深度為10%的總板厚，探測面A1、A2分別為復板側焊縫對稱位置的探測面，B1、B2分別為基板側焊縫對稱位置的探測面。

圖5 測試試塊

測試試塊的規格見表1。

表1 測試試塊規格mm

3.2 定量誤差的產生路徑

根據超聲波在復合板中傳播聲程的不同，定量誤差的產生有4種不同路徑：

1）超聲波通過復板到達基板焊縫反射體；

2）超聲波通過基板、復板到達基板焊縫反射體；

3）超聲波通過基板到達復板焊縫反射體；

4）超聲波通過復板、基板到達復板焊縫反射體。

3.3 基板焊縫反射體定量誤差分析

聲波按路徑1）、2）到達基板焊縫反射體時，由于基板和復板材質的差異導致的介質衰減系數的不同，為滿足測試條件，需對A1、A2探測面進行材質差異補償，定量誤差及其補償值大小可按下列公式進行計算：

一次波定量誤差：

二次波定量誤差：

其中，一次波補償值：

二次波補償值：

式中：

HA1、HA2、HB1、HB2——相應探測面的波高，dB；

α奧——奧氏體不銹鋼（復板）介質衰減系數，實測

值為0.34dB/mm；

α碳——碳鋼（基板）介質衰減系數，實測值為

0.29 dB/mm；

t2——復板厚度；

cosβs2——超聲波穿過復板時的入射角余弦。

分別用K2、K1.5、K1測試1)、2）路徑下基板焊縫反射體的定量誤差補償值，根據折射定律和式（5）、式（6）可得，奧氏體不銹鋼橫波聲速經實測為3156m/s，碳鋼為3230m/s，βs2分別為60.9°、54.4°、43.7°，Δ1補分別為0.1t2、0.086t2、0.07t2，經計算，不同復板厚度的基板焊縫反射體定量誤差補償值見表2。

表2 不同復板厚度的基板焊縫反射體定量誤差補償值

3.4 復板焊縫反射體定量誤差的測試

聲波按路徑3）到達復板焊縫反射體時，定量誤差的補償可按式（5）得出，聲波按路徑4）到達復板焊縫反射體時，定量誤差的補償由于涉及因素較多（如復板及復板焊接金屬晶粒大小及位向等），因此通過實測獲得定量誤差補償數據較為合理。

為此，分別采用K2、K1.5、K1、K1縱波斜探頭測試復板焊縫反射體的定量誤差，其中K2探頭一、二次波定量誤差測試結果分別見表3和表4。

表3 K2探頭一次波定量誤差

表4 K2探頭二次波缺陷定量誤差

用縱波斜探頭K1進行測試時，根據折射定律和式（5）、式（6）可得，βs2＝43.6°，Δ1補=0.07t2，Δ2補=0.14t2，其一次波測試結果見表5。

表5 縱波斜探頭K1一次波定量誤差

試塊編號 復板厚度/mm一次波高/dB 定量誤差Δ1/dB HA1HA2HB1HB2B-2 7 12 7.2 6.7 3.2 0.7 5.5 C-1 6 30 16.4 15.9 2.3 11.5 9.7 E-1 6 29 9.2 11.7 9.1 4.0 4.3 I-1 5 13 1.4 1.4 -4.8 -5.0 6.7 F-1 5 30 12.9 10.5 5.9 4.7 6.8 D-1 4 30 8.9 11.6 8.9 5.6 3.3 H-1 4 15 -1.2 3.8 -3.4 -4.3 5.4 G-1 3 14 3.6 2.1 -1.7 -4.2 6.0基板厚度/mm

3.5 復板焊縫反射體定量誤差測試結果分析

通過對上述不同K值探頭的定量誤差試驗結果進行分析，可看出：

1）橫波斜探頭測得的定量誤差Δ隨復板厚度增加而增加，縱波斜探頭不明顯。不同復板厚度范圍的定量誤差Δ的算術平均值見表6。

表6 不同復板厚度范圍的定量誤差△算術平均值

按表6數據，取3種橫波斜探頭（K2、K1.5、K1）2種厚度范圍的定量誤差Δ圓整后的算術平均值，分別為8.0、4.0(dB)，由此可總結出復板焊縫反射體定量誤差補償量Δ補的經驗公式：Δ補=t2+1（dB）

(7)

2）一次波與二次波的定量誤差差別較少，可忽略不計。一、二次波定量誤差Δ的算術平均值見表7。

表7 不同K值探頭的一、二次波定量誤差△算術平均值

3）從K1探頭與K1縱波斜探頭的對比試驗中可看出，條件允許時，應優先考慮采用縱波斜探頭。

4）對特定的超聲反射體，不同K值探頭其定量誤差Δ有較大的差異，由于復板焊縫組織的差異，不同試塊的定量誤差Δ也有較大差異，因此，采集的試驗數據越多，其結果越精確（本試驗共采集154組數據）。

4 實測試驗驗證

制作8塊帶焊接缺陷的試塊并對其對接焊縫進行超聲檢測，按本文方法對其缺陷的定位誤差和定量誤差進行補償，均取得較為滿意的效果。其中缺陷試塊Q8板厚為5+11mm，焊縫部位共有3處缺陷，缺陷1、缺陷3為φ2mm×10mm人工缺陷，分別位于基層與復層交界處和復層中部，缺陷2為基板內的焊接缺陷。試塊Q8焊縫RT圖象見圖6，缺陷超聲波形圖見圖7。用K2探頭對其進行超聲檢測，缺陷定位誤差補償值按參考文獻[7]中表1的數據選取，定量誤差補償值按本文表2和式（7）選取，實測結果見表8。

圖6 Q8試塊焊縫RT圖像

圖7 Q8試塊缺陷波形圖

表8 Q8試塊缺陷A實測結果

5 結束語

本文對不銹鋼復合鋼板對接焊縫超聲檢測時產生的定位誤差和定量誤差進行了研究，并給出了誤差補償的解決辦法，該方法不需添加特別的儀器設備及試塊，不需限定檢測面及修磨焊縫，尤其適合在用復合板設備的檢測。

[1] 周松，曾為民，胡雯，等．16MnR+316L復合鋼板焊接工藝及性能研究[J]．化工裝備技術，2009，30(6)：49-50+60.

[2] 富陽．復合板壓力容器裂紋的無損檢測[J]．無損檢測，2010，33(3)：227-229.

[3] 王能利，張希艷，潘希德，等．超薄層0Cr18Ni9/20g復合鋼板的焊接工藝及接頭組織[J]．機械工程材料，2007，33(11): 55-57+64.

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[6] 鄧波，郭少宏，曹福想，等．薄板奧氏體不銹鋼對接焊縫超聲波探傷方法研究[J]．壓力容器，2012，29(6)：14-18+49.

[7] 鄭文江，曹福想，郭少宏，等．不銹鋼復合板對接焊縫超聲波檢測中的定位誤差分析[J]．無損檢測，2016，3 8(1)：49-51+78.

[2015年度廣東省質監局科技項目（不銹鋼復合鋼板對接焊縫超聲波探傷方法研究）：2015CT03]

Stainless Steel Clad Plate Butt Welds Ultrasonic Testing

Cao Fuxiang Guo Shaohong Zheng Wenjiang Deng Bo
(Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research Foshan Branch Foshan 528000)

The article analyzed the feature of metallurgical structure in the stainless steel clad plate’s butt welds, and the theoretical analysis and experimental research on the positional error and the quantitative error were carried out during ultrasonic wave propagated in the clad plate’s butt welds, the compensating law of the positional error and quantitative error was summarized, the solution to the precise location of defects was afforded during ultrasonic testing in stainless steel clad plate’s butt welds.

Clad plate Butt welds Ultrasonic testing Positional error Quantitative error

X924

B

1673-257X(2017)02-0031-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.02.009

曹福想(1978～)，男，碩士，副主任，高級工程師，從事特種承壓設備檢驗檢測工作。

2016-08-25）