奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫側壁未熔合相控陣超聲檢測?

張鑫 林莉 金士杰

(大連理工大學無損檢測研究所 大連 116085)

0 引言

核電站厚壁奧氏體不銹鋼主管道連接采用窄間隙自動焊技術，焊接過程中電弧軸向與焊縫側壁夾角小，導致熔敷金屬與焊道側壁熔合不充分，易形成側壁未熔合[1?2]。側壁未熔合屬于面積型缺陷，端點處容易發生應力集中，對長期服役的主管道危害極大。按照NB/T 47013.15《承壓設備無損檢測》標準要求，必須對其實施無損檢測。超聲檢測具有對人體無害、便于現場應用等優點，且對面積型缺陷更為敏感。相控陣超聲檢測技術特有的聲束偏轉和聚焦功能進一步提高了超聲波穿透能力和檢測靈敏度，應用于核電站主管道焊縫檢測有較大優勢[3]。圍繞厚壁奧氏體不銹鋼相控陣超聲檢測的研究較多，主要集中在檢測工藝優化、超聲散射機制分析和邊鉆孔超聲檢測等方面，關于側壁未熔合的檢測研究鮮有報道[1,4]。

側壁未熔合取向垂直，表面反射波具有方向性，且受奧氏體不銹鋼粗大晶粒影響，接收的回波信號能量較弱，檢測信噪比偏低[5]。因此，需要借助建模仿真及實驗優化相控陣超聲檢測工藝，并進一步結合信號后處理技術提高側壁未熔合檢測信噪比。其中，建立焊縫仿真模型進行數值計算，能夠直觀呈現聲場特性，有助于分析超聲波傳播與散射過程，以及與缺陷的相互作用規律。近年來，隨著顯微觀測技術發展，電子背散射衍射(Electron back-scattered diffraction,EBSD)技術廣泛應用于厚壁奧氏體不銹鋼晶粒結構和晶體取向分析[6?7]。在此基礎上，建立奧氏體不銹鋼焊縫模型并進行聲場模擬，是當下研究粗晶材料超聲散射機制及微觀組織對檢測結果影響的重要手段[8?9]。此外，采用相控陣超聲檢測對厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫進行檢測時，晶粒散射會降低檢測信噪比，影響缺陷識別[10]。全聚焦方法(Total focusing method,TFM)能夠對陣列A掃描信號進行延時疊加處理，實現目標區域內逐點聚焦，重建不同深度及位置的缺陷[11?13]。TFM有助于提高檢測分辨力和缺陷信號幅值，但結構噪聲也被增強，甚至形成偽缺陷[14]。相位相干成像(Phase coherence imaging,PCI)方法考慮了缺陷信號和噪聲信號相位差異，構建權重矩陣并進行加權處理，有效抑制結構噪聲，提升檢測信噪比和成像質量[10,15]。

本文針對壁厚69.5 mm核電站主管道奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試樣，基于EBSD技術建立同時包含母材與焊縫的模型，采用仿真與實驗相結合的方式對側壁未熔合相控陣超聲檢測工藝及檢測結果進行探討。同時，結合TFM和PCI方法進行信號后處理，進一步抑制結構噪聲。

1 原理

1.1 相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測技術是通過控制陣列換能器各陣元激勵脈沖信號的延遲時間，使陣元發射聲波在空間產生干涉效應，進而形成具有偏轉和聚焦特性的合成聲束，實現空間內某一點的聚焦[16]。相控陣超聲檢測參數主要包括探頭頻率、聚焦深度和偏轉角度等，針對特定材料及缺陷，對檢測參數進行調整可得到最優檢測參數。通過多個角度聲束信號合成，獲得實時扇掃描圖像，讀取圖像中呈現出的缺陷端點峰值位置即可實現缺陷定量、定位檢測。

1.2 全聚焦方法

全聚焦方法是一種基于全矩陣捕捉(Full matrix capture,FMC)數據的信號后處理算法[17]。對于一個由N陣元組成的相控陣列，每個晶片依次激發，同時所有晶片接收，可以得到N×N個A掃描信號組成的FMC矩陣[13]。TFM通過對FMC矩陣中的A掃描信號進行延時處理和幅值疊加，可以實現成像區域內每個離散坐標點的虛擬聚焦，使缺陷處幅值增強，任意聚焦點(x,z)對應幅值ITFM(x,z)可表示為[18]

式(1)中，Sij()為對應聚焦點回波幅值，tij(x,z)為第i個陣元發射、第j個陣元接收信號的傳播時間。

1.3 相位相干成像方法

由式(1)可知，TFM僅對A掃描信號進行幅值疊加，未考慮信號相位信息。對于粗晶材料的超聲檢測信號，延時處理后缺陷處信號相位分布較一致，而噪聲相位分布散亂[10]。相位相干成像算法即是利用歐拉公式提取超聲信號的相位信息并對TFM矩陣信號進行加權處理[19]，從而達到抑制結構噪聲、提升檢測信噪比的目的。加權表達式為

式(2)中，φ為信號相角，var()為變量方差。

2 模型建立

以壁厚69.5 mm，長、寬、高分別為400.0 mm、70.0 mm和69.5 mm的316L厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊為研究對象，并沿焊縫方向截取35.0 mm×69.5 mm試樣，進行切割、打磨和拋光。使用質量濃度為10.0%的草酸溶液進行電解腐蝕，得到如圖1(a)所示焊縫宏觀金相。可以看到焊縫為多層多道焊，坡口寬度5.0～12.0 mm，且越靠近焊趾位置，坡口越寬。

考慮到重復多道焊二次熱循環作用導致晶粒尺寸從焊根向焊趾逐步減小[20]，因此選擇焊縫中央區域進行分析，更能反映晶粒尺寸平均水平。本文選取圖1(a)中標注的紅色區域進行EBSD分析，該區域高度1.3 mm，寬度9.7 mm，包含母材和完整焊縫。設置掃描步長10.0μm[21]，得到9.7 mm×1.3 mm的EBSD圖譜，如圖1(b)所示。可以看出焊縫和母材之間無明顯熱影響區，從母材細小的等軸晶直接過渡到焊縫細長的柱狀晶。選擇閾值角度為15?，最終得到12種顏色對應的歐拉角組合，如表1所示。

通過晶體取向歸一化處理，得到如圖2所示的EBSD圖譜，與圖1(b)相比，晶粒輪廓更加清晰。對EBSD圖譜進行處理，保留焊縫部分并將母材拼接到焊縫左右兩側，然后縱向拼接形成寬度106.0 mm、高度69.5 mm的厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫模型。

圖1 奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫組織結構Fig.1 Microstructure of narrow gap welding in austenitic stainless steel

表1 EBSD圖譜中的12組晶體取向Table 1 Twelve crystal orientations in EBSD map

圖2 歸一化后的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫EBSD圖譜Fig.2 The normalized EBSD map of narrow gap welding in austenitic stainless steel

奧氏體不銹鋼本構剛度矩陣中的彈性常數C11=265.8 GPa，C12=114.0 GPa，C44=117.1 GPa[9]。已知每個晶粒對應的歐拉角，利用方向余弦矩陣對本構剛度矩陣進行旋轉，得到晶體坐標系下剛度矩陣的彈性常數，并賦給模型中相應區域。

3 數值模擬及實驗

3.1 數值模擬

基于WAVE有限差分軟件建立模型并進行相控陣超聲檢測數值模擬。將模型下邊界設置為固體-真空邊界，其他邊界均設置為無限吸收邊界。以水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，設置橫向和縱向網格尺寸均為0.1 mm。沿焊縫熔合線設置中心深度26.5 mm、高度3.0 mm、寬度1.0 mm的槽模擬側壁未熔合。考慮到側壁未熔合的位置，以及晶粒散射引起的結構噪聲和衰減，改變相控陣探頭頻率、陣元數量和聚焦深度等參數，以確定最優檢測參數。最終采用中心頻率2.25 MHz、32陣元相控陣探頭配合45?縱波楔塊實施檢測，聚焦深度設為26.5 mm，偏轉角度25?～70?。圖3(a)給出相控陣扇掃描圖像，能夠區分側壁未熔合上下端點，但晶粒散射引起的結構噪聲較明顯。統計側壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為3.5 dB和2.6 dB，高度和中心深度定量結果分別為3.3 mm和27.2 mm，測量誤差分別為10%和2.6%。

基于建立的模型，進一步利用相控陣探頭采集全矩陣數據并進行TFM和PCI處理。TFM處理后的成像結果見圖3(b)，側壁未熔合上下端點區分更加明顯，成像質量得到提升。統計側壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為5.8 dB和3.9 dB，高度和中心深度定量結果分別為3.2 mm和26.2 mm，測量誤差分別為6.7%和1.1%。PCI處理后的成像結果見圖3(c)，此時粗晶結構引起的結構噪聲基本消失，統計側壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為8.2 dB和6.6 dB，高度和中心深度定量結果分別為3.2 mm和26.7 mm，測量誤差分別為6.7%和0.8%。顯然，經過PCI處理后側壁未熔合的檢測信噪比提升4.7 dB，高度和中心深度定量誤差分別降低3.3%和1.8%，表明信號后處理技術能夠有效抑制結構噪聲，提高檢測信噪比及定量精度。

圖3 側壁未熔合相控陣扇掃描及信號后處理仿真成像結果Fig.3 Images of lack of sidewall fusion with phased array and signal post-processing by simulation

3.2 實驗驗證

在壁厚69.5 mm的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊熔合線位置加工中心深度26.5 mm、高度3.0 mm的側壁未熔合，使用Omiscan MX2多通道相控陣超聲檢測儀，結合3.1節模擬給出的參數實施超聲檢測。圖4(a)為側壁未熔合相控陣超聲扇掃描圖像，可以看出雖存在較明顯的結構噪聲，但側壁未熔合上下端點可同時被識別。統計側壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為3.9 dB和3.2 dB，高度和中心深度定量結果分別為3.4 mm和26.1 mm，測量誤差分別為13.3%和1.5%。對比圖3(a)和圖4(a)可知，仿真和實驗檢測信噪比非常接近，最大相差0.6 dB，高度和中心深度定量誤差分別相差3.3%和1.1%，驗證了基于EBSD技術所建模型的有效性。

針對厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊，進一步利用相控陣探頭采集全矩陣數據并進行TFM和PCI處理。TFM成像結果見圖4(b)，成像質量較處理前得到提升。統計側壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為6.2 dB和4.2 dB，高度和中心深度定量結果分別為2.8 mm和26.2 mm，測量誤差分別為6.7%和1.1%。PCI處理后成像結果見圖4(c)，可以看出結構噪聲得到抑制，統計側壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為4.4 dB和3.3 dB，高度和中心深度定量結果分別為2.8 mm和26.3 mm，測量誤差分別為6.7%和0.8%。

圖4 側壁未熔合相控陣扇掃描及信號后處理實驗成像結果Fig.4 Images of lack of sidewall fusion with phased array and signal post-processing by experiments

仿真和實驗結果表明，利用相控陣超聲檢測技術能夠有效檢出厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫中的側壁未熔合，并實現定量表征。然而，受粗晶結構影響，檢測信噪比較低，成像質量有待提高。TFM能夠對缺陷信號幅值進行疊加，實現檢測區域內逐點聚焦，使得側壁未熔合散射信號能量增強，檢測信噪比最大提升2.3 dB。PCI能夠提取信號相位信息并進行加權處理，缺陷處權重因子較大，噪聲處權重因子較小，達到抑制結構噪聲的目的，與扇掃描結果相比檢測信噪比提升4.7 dB。因此，經過TFM和PCI處理后的圖像中側壁未熔合信號能量增強，結構噪聲得到抑制，提高了圖像質量及檢測信噪比。

4 結論

(1)基于EBSD技術建立了同時包含母材和焊縫的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫模型。

(2)對窄間隙焊縫模型和試塊中的側壁未熔合進行相控陣超聲仿真與實驗檢測，檢測信噪比相差不超過0.6 dB，驗證了模型有效性，并實現了側壁未熔合深度與高度定量表征。

(3)結合TFM和PCI信號后處理技術可進一步改善檢測信噪比，提高側壁未熔合成像質量及定量精度。