奧氏體不銹鋼焊縫超聲回波信號的匹配追蹤處理

龔思璠，王強，謝正文，翟永軍，胡棟

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奧氏體不銹鋼焊縫超聲回波信號的匹配追蹤處理

龔思璠1，王強1，謝正文1，翟永軍2，胡棟2

(1. 中國計量大學質量與安全工程學院，浙江杭州310018；2.山東省特種設備檢驗研究院泰安分院，山東泰安271000)

奧氏體不銹鋼；焊縫顯微組織；超聲相控陣；匹配追蹤；缺陷信號

0 序言

奧氏體不銹鋼由于具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性、抗氧化性和無磁性等特點，被廣泛應用于核工業、機械制造及化工行業等重要鄰域[1]。奧氏體不銹鋼常采用焊接技術成型制造，在奧氏體不銹鋼使用和制造過程中，常會出現內部沖蝕、腐蝕開裂、焊縫裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。為了確保焊縫和設備的安全，需要定期加強對焊縫的無損檢測[2]。超聲相控陣技術因其具有聲束偏轉和聚焦的功能[3]，受到了國內外研究粗晶材料檢測人員的密切關注。但是奧氏體不銹鋼焊縫組織由于晶粒粗大，各向異性明顯，也會導致超聲檢測信號受到嚴重的干擾，穿透力不強，靈敏度不高，聲波能量明顯衰減。所以本文采用匹配追蹤去噪方法對缺陷信號進行提取和增強。

1 奧氏體焊縫組織結構分析

奧氏體不銹鋼由于熱膨脹系數小、導熱性差，在奧氏體焊縫冷卻凝固的過程中，溫度梯度小、散熱慢，形成了粗大的柱狀晶結構。焊縫結晶晶粒的方向始于半熔化的母材晶粒，結晶形態和結晶方向由冷卻速度和母材晶粒方向決定。冷卻速度較快的區域促進柱狀晶的形成；冷卻速度中等區域促進枝狀晶的產生[4]。因此焊道底部會出現柱狀晶，焊道中部會出現枝狀晶。圖1(a)為放大500倍的奧氏體不銹鋼焊縫橫向切面金相組織，圖1(b)為放大50倍的奧氏體不銹鋼母材焊縫熔合區的金相組織。從圖1(a)中可以看出焊縫組織結構復雜，晶粒的方向不均，大小形狀不一，枝狀晶明顯，且呈各向異性；圖1(b)顯示熔合線左邊為奧氏體母材區，右邊為焊縫區，焊縫區晶粒方向大致平行，且呈粗大等軸的柱狀晶。所以當超聲波在焊縫組織中傳播時，由于晶粒的非均勻性和各向異性，使得超聲波產生嚴重的波形散射和聲能衰減。特別是對奧氏體不銹鋼焊縫中較深缺陷進行檢測時，常規超聲檢測存在很大的困難。

(a) 焊縫區橫向切面圖

(b)母材焊縫熔合區

圖1 奧氏體不銹鋼焊縫金相組織

Fig.1 Metallographic structure in Austenitic stainless steel weld

2 超聲相控陣檢測及分析

2.1 試塊信息

2.2 超聲相控陣檢測及分析

檢測采用OmniScan MX2超聲相控陣成像探傷儀，探頭為5L64-A12，楔塊為SA12-N60L，耦合劑為普通機油。檢測參數設置為扇形掃查方式，激發陣元數為16，設置信號中心頻率為5 MHz，掃描角度范圍為30°～70°，采用聚焦方式為扇形聚焦，檢測波型分別采用橫波和縱波進行檢測，顯示類型設置為A掃描和S掃描，橫、縱波檢測結果如圖3所示。

(a) 試塊的設計圖(單位：mm)

(b) 試塊的實物圖

圖2 奧氏體不銹鋼對接焊接接頭對比試塊

Fig.2 Comparative specimen of butt welded joint of Austenitic stainless steel

(a) 橫波檢測結果

(b) 縱波檢測結果

圖3 不同波型(橫波和縱波)檢測結果

Fig.3 Detection results of different waveforms (T-wave and P-wave)

圖3(a)增益設置為55 dB，其左側為對應右側S掃描37°通道的A掃描信號，S掃描結果顯示橫波可以檢測到深度為10 mm和30 mm的兩處缺陷，但A掃描信號顯示出30 mm處的缺陷回波信號幾乎被淹沒在噪聲信號中，10 mm和30 mm兩處缺陷回波信號的信噪比分別為10.8、6.3 dB；圖3(b)增益設置為56 dB，其左側為對應右側S掃描39°通道的A掃描信號，S掃描結果顯示出縱波可以檢測到深度為10、30、50 mm三處缺陷，且根據A掃描信號可知三處缺陷回波的信噪比分別為20、15.6、12.5 dB。對比橫波、縱波檢測結果可以知道，縱波能檢測到橫波檢測不到的深為50 mm處的缺陷，且縱波檢測缺陷回波信噪比均比橫波檢測的高9 dB左右；當缺陷深度增加時，缺陷回波的信噪比逐漸降低，這是由于材料噪聲和結構噪聲的影響，使得超聲波的能量逐漸降低；對于70 mm處的缺陷，縱波也無法檢測到，這是由于超聲波在焊縫組織中傳播時發生了嚴重的聲能衰減，導致缺陷的回波信號淹沒在噪聲信號當中，不能與噪聲信號區分開來。所以對于奧氏體不銹鋼焊縫這種組織結構不均、晶粒粗大材料中深50 mm以內缺陷的檢測，選擇縱波檢測方式可能會得到比較理想的結果。

3 匹配追蹤信號處理

3.1 匹配追蹤原理

通過年修前后硫含量的比較得知，凈化二氧化硫脫吸塔的二氧化硫脫吸效率對硫化區域的硫攜帶量有很大的影響，這也是造成砷濾餅量增加的原因之一。綜上所述，提高二氧化硫的脫吸效率，減少進入硫化區域的二氧化硫含量可降低單質硫的形成，從而直接降低砷濾餅的發生量。

根據上述原理可知，匹配追蹤的效果不僅跟原子數的選取有關，迭代分解次數對其也會產生影響。所以在使用匹配追蹤方法去噪時，應根據實際信號中可能包含缺陷信號的個數和缺陷信號強度進行原子數和迭代分解次數的選取。

3.2 超聲回波信號的匹配追蹤處理

采用匹配追蹤方法對2.2節中奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測的回波原始信號進行處理，獲得的超聲回波原始信號如圖4所示。為了確保超聲回波原始信號的準確性，對縱波原始信號進行頻譜分析如圖5所示。換能器的發射信號中心頻率為5 MHz，從圖4中可以推測包含的缺陷個數為2～3個，所以對匹配追蹤處理進行反復調試和修正，通過不斷改變原子數和迭代次數來優化處理結果。在橫波檢測信號的匹配追蹤處理中設置的原子數為2，迭代分解次數為80；在縱波檢測信號的匹配追蹤處理中設置的原子數為3，迭代分解次數為140。最后的匹配追蹤處理結果如圖6所示。

圖4中的超聲回波原始信號都有較好的連續性，圖4(a)橫波檢測超聲回波原始信號在0～10 mm處由于近場效應，干擾噪聲非常嚴重，并且30 mm處的缺陷信號幾乎被淹沒在噪聲信號中，50 mm處的缺陷信號完全被噪聲信號掩蓋。圖4(b)縱波檢測超聲回波原始信號在30 mm和50 mm處顯示了兩個明顯的缺陷信號，且幅值分別為66.6%和32.5%，原始信號中缺陷顯示的位置和幅值與圖3(b)中縱波檢測結果基本一致，但是70 mm處的缺陷信號幾乎完全被噪聲信號淹沒。圖5縱波原始信號的頻譜分析結果顯示：該頻譜主要成分的頻率集中在5 MHz左右，雖然超聲波在焊縫組織中傳播導致頻率有部分降低(頻譜圖峰值左移)，但基本與發射信號的頻率相符，所以可以將超聲回波原始信號用于匹配追蹤信號后處理。圖6是對超聲回波信號匹配追蹤后處理的結果，對于0～10 mm近場區域嚴重的干擾噪聲，匹配追蹤的效果并不是非常理想。圖6(a)處理結果顯示匹配追蹤不僅保留了10 mm和30 mm處的缺陷信號且缺陷位置基本保持不變，同時還提取出了50 mm處完全被噪聲信號掩蓋的缺陷信息。圖6(b)處理結果顯示匹配追蹤雖然保留了30 mm和50 mm處的缺陷信號且缺陷位置和幅值基本保持不變，但是在約5 mm處還保留了一個信號，這個信號不同于材料噪聲，它是由于超聲波在楔塊和試塊的交界面發生了反射接收到的信號，所以被保留了下來，同時處理過程還提取出了埋藏較深的70 mm處的缺陷信號，如果在實際檢測過程中未知此處包含一個缺陷，該信號是無法判定為缺陷信號的。從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，超聲回波信號中的噪聲信號經過匹配追蹤處理后基本被有效抑制。整個匹配追蹤對超聲檢測回波信號的后處理不僅能有效抑制噪聲信號、保留有用的缺陷信號，還能提取出被淹沒在噪聲信號中的缺陷信號，明顯提高了缺陷信號的信噪比，增強了缺陷的信息。

(a) 橫波

(b) 縱波

圖4 超聲回波原始信號

Fig.4 Raw ultrasonic echo

圖5 縱波原始信號頻譜分析

(a) 橫波

(b) 縱波

圖6 超聲回波信號的匹配追蹤處理

Fig.6 Matching track process of ultrasonic echo

4 結 論

(1) 奧氏體不銹鋼焊縫顯微組織結構復雜，晶粒的方向不均，大小形狀不一，各項異性明顯。當超聲波在焊縫組織中傳播時，由于晶粒的非均勻性和各向異性，會使超聲波產生嚴重的波形散射和聲能衰減。

(2) 利用超聲相控陣技術對奧氏體不銹鋼焊縫中不同深度的缺陷進行檢測。結果表明縱波檢測效果比橫波檢測效果好。縱波能檢測到試塊中深為50 mm的缺陷而橫波檢測不到，且縱波檢測的10 mm和30 mm處缺陷信號的信噪比均比橫波檢測高9 dB左右。由于奧氏體不銹鋼焊縫組織結構對超聲波能量的嚴重衰減，對于埋藏較深的缺陷，縱波檢測也比較困難。

(3) 采用匹配追蹤方法對奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測回波信號進行處理。結果顯示：該方法不僅能有效抑制噪聲信號、提高缺陷信號的信噪比，還能提取出被淹沒在噪聲信號中的缺陷信號，避免的缺陷的漏檢。

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Matching track process of ultrasonic echo signal in austenitic stainless steel welds

GONG Si-fan1, WANG Qiang1, XIE Zheng-wen1, ZHAI Yong-jun2, HU Dong2

(1. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, Zhejiang, China;2. Shandong Special Equipment Inspection Institute Taian Branch,Taian271000,Shandong, China)

Austenitic stainless steel; weld microstructure; ultrasonic phased array; matching track; defect signal

TG115.28

A

1000-3630(2017)-03-0252-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.010

2016-12-15;

2017-02-17

質檢公益性行業科研專項(201410027)

龔思璠(1991－), 女, 湖南岳陽人, 碩士研究生，研究方向為超聲相控陣檢測。

王強, E-mail: qiangwang@cjlu.edu.cn