焊接工藝對9Ni鋼焊縫超聲檢測的定量影響

朱旭晨，劉晴巖，顧福明，吳 芃，丁 菊，劉書宏,諸 穎

(1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062；2.華東理工大學 承壓系統安全科學教育部重點實驗室，上海 200237)

1 概述

9Ni鋼是國際上廣泛使用的鋼種，從20世紀40年代開始，對9Ni鋼的研究和開發工作一直沒有中斷過，尤其是對其焊接性能的研究。9Ni鋼焊接特性的研究結果表明：9Ni鋼焊接接頭的韌性良好，即使不通過消除焊接殘余應力的焊后熱處理，也能夠滿足低溫容器安全運行的要求。故，9Ni鋼在LNG(液化天然氣)儲罐建造中得到了廣泛的應用。

1.1 9Ni鋼焊縫超聲檢測研究現狀與存在的問題

9Ni鋼儲罐焊縫內部缺陷常用的檢測方法主要有射線檢測法和超聲檢測法，其中射線檢測屬于比較傳統、成熟的檢測方法，但是其對于平面型缺陷的識別較為困難，同時9Ni鋼焊縫和母材金屬吸收X射線的特性不一致，可能會導致結果錯誤識別。而超聲檢測法具有對平面型缺陷的高檢測靈敏度、即時提供檢測結果、不產生放射性等優勢，成為9Ni鋼焊縫檢測當下的研究重點。

趙中齡等[1]對9Ni鋼大型球罐焊縫進行了超聲波檢測試驗，發現9Ni鋼大型球罐焊縫晶粒粗大，常用的橫波入射法無法使用，為此開發了窄脈沖縱波斜探頭的應用，以提高檢測靈敏度、改善分辨率、獲得高的信噪比，配合使用 9Ni 鋼母材制作的試塊，對9Ni鋼球罐焊縫的超聲檢測效果較好。

車成武[2]對公稱體積為1500m3的9Ni鋼儲罐進行了超聲檢測，彌補了射線檢測的不足，且對焊縫中的缺陷深度進行了準確定位。研究發現采用6分貝法對裂紋缺陷測長不夠準確，從實際缺陷的打磨情況看，一般裂紋尺寸都較檢測結果的長一些，對于這類缺陷測長至少要增加2分貝。

李衍等[3]研究了設置窄槽、熱裂紋的9Ni鋼焊縫超聲 TOFD檢測中的信號處理方法，利用小波變換法將檢出信號分解為多個頻帶寬度不同的成分，重建了A型顯示信號。結果表明，缺陷回波的平均信噪比可提高約18 dB，D掃描圖像中的缺陷顯示也分外明顯。

可見，9Ni鋼超聲波檢測存在的主要問題，除了焊縫組織變化引起的聲波速度變化對定位的影響和焊縫中超聲波的信噪比對檢測靈敏度的影響外，更重要的是焊縫晶粒度粗大對缺陷定量準確性的影響。

1.2 焊接工藝對9Ni鋼焊縫組織以及焊縫晶粒粗細的影響

焊接工藝會改變焊縫的微觀組織與晶粒度大小，直接影響焊縫的機械性能尤其是沖擊韌性，而裂紋等缺陷的產生與焊縫的韌性密切相關。

采用不同的焊接工藝，9Ni鋼焊縫的組織會產生差異。孟根巴根等[4]分別用手工焊和鎢極氬弧焊兩種不同的方法、不同的焊接工藝研究焊縫的組織，認為不同焊接方法的組織區別很大。9Ni鋼焊縫組織主要由γ相固溶體和析出相組成。手工焊的焊縫枝晶偏析嚴重，柱狀晶比較粗大[5]；鎢極氬弧焊的焊縫枝晶偏析不嚴重，柱狀晶比較細小。熱影響區組織中板條馬氏體細小，使接頭的低溫韌性高于手工焊接頭的。

除組織差異外，不同的焊接工藝還會影響焊縫及熱影響區的晶粒度。作為鎳基材料的9Ni鋼焊接材料，使用時應當注意：鎳基合金的導熱性差，焊接時易過熱而引起晶粒長大；焊后冷卻速度越慢，越有助于晶粒長大；焊接時熱輸入過大，易造成熱影響區的晶粒粗大，故必須控制焊接熱輸入。

筆者從超聲檢測的定量對比出發，研究焊接工藝對9Ni鋼焊縫超聲傳播性能的影響，探討材料組織結構變化對超聲波透聲能力的影響，分析9Ni鋼超聲檢測定量結果的影響因素，為優化9Ni鋼超聲檢測工藝、提高定量檢測的準確度提供依據。

2 焊接工藝對9Ni鋼焊縫超聲檢測的定量試驗

2.1 試驗方案

9Ni鋼焊接接頭有很好的低溫韌性，但9Ni鋼焊縫易出現過熱現象，導致晶粒粗大和缺陷產生，這均與焊接工藝方法及參數有關，筆者主要選用藥芯焊絲電弧焊(FCAW)與手工電弧焊(SMAW)[6]的焊縫進行對比分析，研究焊接工藝對定量準確性的影響。

焊接主要缺陷包括裂紋、未焊透、未熔合、夾渣與氣孔等，為簡化試驗對比難度，文章選用橫通孔以模擬體積型缺陷。使用直射波與一次反射波分別對不同傳播路徑的同一缺陷進行檢測的試驗方法，比較其聲波衰減規律，分析其對缺陷定量的影響。

按照試驗方案，設計了以下試驗來研究焊接工藝對焊縫內缺陷定量檢測準確性的影響。

試驗一：檢測試塊母材上的橫孔，制作橫孔在母材中的距離-波幅曲線，并將其作為標準，用于和焊縫中的橫孔回波波幅作對比。

試驗二：測試手工焊和自動焊焊縫中的相同大小的橫孔反射體回波波幅，制作焊縫反射體回波的距離-波幅曲線，再與母材的數據進行對比，分析手工焊和自動焊對焊縫定量的影響。

2.2 試驗設備與對比試塊的制作

采用型號為USM Go的數字式A型脈沖反射式超聲波檢測儀器以及K2.5斜探頭進行試驗，其中斜探頭的頻率為5 MHz，晶片尺寸(長×寬)為6 mm×6 mm，前沿為6 mm。

設計并制作了一組帶人工缺陷的藥芯焊絲電弧焊(FCAW)與手工電弧焊(SMAW)的焊縫對比試塊。

試塊所使用的母材為10 mm厚的06Ni9DR鋼板，試塊的焊接工藝參數分別如表1，2所示。

對試塊焊縫組織的金相結果進行分析，得出以下結論：對于不同焊接工藝及參數下的焊縫組織，組織形貌均為奧氏體樹枝晶，無較大差別，但不同工藝下的樹枝晶大小有一定差異。測得的結果表明，SMAW的焊縫樹枝晶長度明顯大于FCAW的焊縫樹枝晶長度。

表1 FCAW焊接工藝參數

表2 SMAW焊接工藝參數

反射體加工方法：分別在兩種試塊上母材和焊縫相同深度處加工直徑為1.0，1.5，2.0 mm的橫孔反射體；為了保證母材中缺陷和焊縫中缺陷在超聲檢測時不互相干擾，將母材和焊縫的缺陷間距設置為120 mm。圖1為對比試塊結構與檢測方法示意，圖2為對比試塊與探頭實物照片。

圖1 對比試塊結構與檢測方法示意

圖2 對比試塊與探頭實物照片

2.3 試驗過程與結果分析

在試驗所用的超聲檢測儀上，測量的缺陷回波在同一高度時，分貝越大代表反射體回波越低。如前文所述，如用母材材料制作對比試塊，并用其反射體回波作為標準，分別與被檢焊縫內的反射體回波作比較，就可得到兩者的分貝差，以用于檢測中的缺陷定量修正。

為了繪制反射體回波的距離-波幅曲線，每個反射體需要多組數據，因此將探頭放置在試塊上表面，使用直射波(圖中一次波)和一次反射波(圖中二次波)進行測量后，再將探頭放置在試塊下表面進行直射波和一次反射波的測量。

試驗前,先測量K2.5斜探頭的前沿和K值，隨后用該探頭分別對母材與焊縫中直徑為1.0，1.5，2.0 mm的橫通孔進行超聲檢測，記錄直射波所得的增益，以及一次反射波所對應的增益。對焊縫中的橫通孔進行檢測時，受探頭前沿和焊縫加強高的限制，深度T/3(T為工件厚度)位置的橫孔直射波數據測不到，所以用直射波檢測深度2T/3位置的孔，用一次反射波檢測T/3，2T/3位置的孔，記錄直射波與一次波反射的3組數據。表3，4分別為母材中橫孔與焊縫中橫孔回波的波幅數據。圖3為直徑1.0，1.5，2.0 mm橫孔的距離-波幅曲線。

表3 母材中的橫孔回波波幅

表4 焊縫中的橫孔回波波幅

圖3 不同直徑橫孔的距離-波幅曲線

由圖3可以得到以下結果。

(1) 焊接工藝對焊接接頭的透聲性能產生了較大的影響。焊接接頭中橫孔回波的增益比母材中的增益要大(差異約10 dB)，表明超聲波在焊接接頭中的衰減更大。焊接使得焊縫中枝晶偏析嚴重，柱狀晶比較粗大并且具有各向異性，增大了超聲波在焊縫中的衰減，焊縫的檢測靈敏度降低；而母材為正火態，組織均勻，衰減小。試驗結果表明了檢測定量結果修正的必要性。

(2) 不同的焊接工藝對焊接接頭透聲性能的影響不同。手工焊的焊縫橫孔回波增益要比自動焊中的增益大。兩種焊接工藝都采用多層或多道焊，焊接過程中部分區域會出現二次熱循環，二次熱循環部位的晶粒會生長而變得粗大。手工電弧焊二次熱循環區域較大,晶粒也就更粗大。這一試驗結果與SMAW的焊縫樹枝晶明顯大于FCAW的焊縫樹枝晶的金相分析結果一致。

3 結論

研究了焊接工藝對9Ni鋼焊縫超聲傳播特性的影響，比較了焊縫與母材中聲傳播性能的差異，得到以下結論。

(1) 母材與焊接接頭對比，焊縫接頭對超聲波的衰減比母材中的衰減要大得多，因此焊接對超聲傳播特性的影響比較大，會降低檢測靈敏度。

(2) 自動焊和手工焊的焊縫組織受焊接工藝參數的影響，包括熱輸入值、焊接速度、焊道焊層數等，超聲波在不同焊接工藝焊縫中的衰減程度不一樣。按文中所述的焊接工藝條件，手工焊焊接接頭中的超聲波衰減要大一些，增益補償也隨之增大，需要的檢測靈敏度比自動焊需要的靈敏度高。

(3) 試驗結果給9Ni鋼焊縫缺陷超聲檢測的定量修正提供了方法與依據。實際檢測中，用9Ni鋼母材制作對比試塊，并按標準規定制作反射體的距離-波幅曲線進行評定，焊接缺陷定量修正時可利用相應焊接工藝的曲線。當然，每一種焊接工藝要有自己的修正曲線。