奧氏體不銹鋼對接焊縫超聲波相控陣檢測工藝

高志萌　倪國勝　程勝金

摘 要：對某水利工程50 mm厚奧氏體不銹鋼焊縫進行超聲波檢測時，存在受掃查空間限制、檢測信噪比低的難題，基于此，本文提出了基于雙晶面陣探頭的超聲波相控陣檢測工藝。同時，分析了檢測參數的選取原則，設計并制作了對比試塊，驗證了檢測工藝下焊縫中心的直徑為2 mm長橫孔信噪比>12 dB，滿足了標準要求。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼;焊縫;相控陣;信噪比

中圖分類號：TG457.11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0030-03

Ultrasonic Phased Array Testing Technology for Butt Weld

of Austenitic Stainless Steel

GAO Zhimeng NI Guosheng CHENG Shengjin

（National Center of Quality Inspection & Testing for Hydro Steel Structure，Ministry of Water Resources，Zhengzhou Henan 450044）

Abstract：In the ultrasonic testing of 50 mm thick austenitic stainless steel weld of a water conservancy project， there are some problems， such as limited scanning space and low signal-to-noise ratio. Based on the above questions， this paper put forward the ultrasonic phased array testing technology based on double crystal array probe. Then， the selection principle of detection parameters was analyzed， and the contrast test block was designed . It was verified that the signal-to-noise ratio of the side cross hole with the diameter of 2 mm in the center of the weld was more than 12 dB， which met the standard requirements.

Keywords： austenitic stainless steel;weld;phased array;signal-to-noise ratio

奧氏體不銹鋼因抗腐蝕性和抗氧化性優良、屈服強度高、焊接性能好等優勢而被廣泛應用于水電工程的核心部件。在奧氏體不銹鋼核心部件的制造和使用過程中，多種無損檢測方法被應用到部件焊縫內部缺陷檢測中，如射線檢測、超聲波檢測等。射線檢測存在輻射和焊縫雙面可達的要求，因此，特定場合下需要采用超聲波技術檢測焊縫內部的缺陷。

奧氏體不銹鋼具有良好的可焊性，但是，當焊接材料或焊接工藝不正確時，會出現一些缺陷，例如，晶間腐蝕、熱裂紋、應力腐蝕開裂、焊縫成形不良等。奧氏體不銹鋼焊縫組織各向異性和晶粒粗大的特征，使超聲波在焊縫傳播過程中產生較大的衰減、散射和偏轉，導致超聲波檢測該類焊縫存在檢測信噪比低、缺陷定位困難等問題。因此，不銹鋼焊縫的超聲波檢測是個難題[1-2]。

為了克服上述問題，常規超聲波檢測奧氏體不銹鋼焊縫一般采用低頻雙晶縱波檢測技術，通過多個不同折射角、聚焦深度的探頭來進行多個位置的掃查，但會存在要求一定的掃查距離、檢測效率低等問題。另外，常規超聲波一般只有一維A掃描信號，提供的缺陷信息有限，增加了缺陷的判定難度和漏檢概率。

隨著電子計算機技術軟件和硬件的快速發展，超聲波相控陣檢測技術得到了飛速發展[3]。基于此，本文主要分析奧氏體不銹鋼對接焊縫超聲波相控陣檢測工藝。

1 奧氏體不銹鋼焊縫的組織特征

奧氏體不銹鋼具有特殊的原子排列結構，在其面心立方體的中心以及棱邊中心排列著碳氮等間隙原子。在不銹鋼焊接完成后進行冷卻時，焊縫熔池中的液態金屬轉變為固態金屬的過程中，其晶粒向著冷卻最快的地方生長。

圖1為奧氏體不銹鋼焊縫的金相組織特征。焊縫兩邊的晶粒垂直于坡口斜向生長，焊縫中間的晶粒垂直于表面生長。晶粒生長過程中，會從一個焊道延伸到另一個或幾個焊道，從而形成粗大的、各向異性的柱狀晶。柱狀晶粒的寬度通常大于0.5 mm，長度往往超過10 mm。研究表明，當焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長的1/10時，就會有明顯的超聲波聲束散射，散射使超聲波能量急劇衰減，導致聲束穿透能力大幅下降;散射聲束被探頭接收到后，引起強烈的背景噪聲，會明顯降低信噪比，導致難以識別有效信號。因此，相對于常規碳鋼材料，奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測的信噪比控制是個難題。

2 超聲波相控陣檢測技術與工藝要點

2.1 超聲波相控陣檢測技術

超聲波相控陣檢測技術的檢測探頭采用的是按照一定規律排列的獨立晶片，通過軟件中的程序控制，可以讓每一個晶片同時發射和接收超聲波信號，并且每個晶片之間均相互獨立。通過程序，還可以對波束特性進行控制，使聲束聚焦并偏轉。通過仿真軟件對成百上千個聚焦方法進行了科學仿真，并且進行了動態聚焦，無須探頭進行往復的機械運動，檢測速度快、效率高，將探頭放置在一個固定位置就能顯示出被檢測焊縫的圖像，實現了自動檢查，還能檢測幾何形狀不規則的工件，克服了常規超聲檢測的局限性。相控陣技術原理如圖2所示。當各陣元被同一頻率的脈沖信號激勵時，它們發出的聲波是相干波，即空間中一些點的聲壓幅度因為聲波同相疊加而得到增強，另一些點的聲壓幅度由于聲波的反相抵消而減弱，從而在空間中形成穩定的超聲場[4]。

2.2 相超聲波控陣檢測工藝要點

2.2.1 超聲波型以及其他類型對比。對于普通碳鋼，一般推薦采用橫波進行焊縫缺陷檢測。這主要是由于常規碳鋼的焊縫晶粒細小，對超聲波聲束的衰減較小。另外，純橫波檢測時，工件中僅有橫波，波型單一，有助于檢測信號的判別和缺陷的定位。

在對奧氏體不銹鋼進行無損檢測的方法中，射線檢測較難檢測出奧氏體不銹鋼中存在的細小裂縫以及層間未融合的問題，也難以確定裂縫的位置和高度;超聲波檢測雖然能檢測出奧氏體不銹鋼焊縫的內部缺陷，但奧氏體不銹鋼焊縫是晶粒粗大的柱狀組織，而且呈各向異性，這種柱狀組織對超聲波有明顯的散射作用，在晶界處會發生反射、折射和波形轉換，對超聲波聲束的衰減較大，增加了超聲檢測的困難;滲透檢測可以正常地進行檢測，且檢測結果合理有效，但是，如果不能控制好滲透劑中的氯離子含量，會腐蝕奧氏體不銹鋼的表面，降低奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能。

奧氏體不銹鋼焊接后，其焊縫組織的晶粒比較粗大，為柱狀結構，當超聲波穿過母材到達焊縫時，其波束會出現散射的情況，從而造成聲束能量衰減，噪聲干擾增加。晶粒粗大引起的聲波能量衰減與波形和波長具有直接關系。若頻率相同，縱波是橫波波長的2倍，縱波比橫波的衰減小，因此，在對奧氏體不銹鋼進行檢測時，適合采用縱波。

2.2.2 頻率范圍。同一材料中，波長與頻率相關。為了減少晶界散射的影響，宜采取降低超聲波頻率從而增加波長的方法，波長增加，有助于超聲波波束繞過粗大的柱狀晶。有研究表明，對于柱狀晶粒寬度在0.5 mm左右的奧氏體不銹鋼焊縫，聲波波長為5 mm及以上時，晶界噪聲可以大幅度降低。采用常規超聲波檢測奧氏體不銹鋼焊縫時，一般推薦采用頻率在1.5～2.5 MHz的探頭，對于相控陣技術而言，考慮到聚焦效果，頻率可以適當提高。

2.2.3 探頭類型。利用相控陣技術檢測中厚板奧氏體不銹鋼焊縫時，首選雙晶面陣相控陣探頭，如圖3所示。二維的雙晶面陣相控陣探頭作為雙晶縱波（Transmit Receive Longitudinal Wave，TRL）系列特例，可以大幅改善聲束的穿透能力和信噪比。雙晶面陣相控陣探頭檢測奧氏體不銹鋼焊縫具有如下優勢：①采用低頻縱波、一發一收模式;②楔塊尺寸小，聲波在楔塊中損失的能量小。此外，它還具備相控陣探頭大聲場覆蓋和多位置聚焦的特點，解決了傳統雙晶探頭檢測范圍小的難題，且掃描速度更快。

3 試驗結果與討論

為了驗證檢測工藝相控陣超聲波技術信噪比，參考《承壓設備無損檢測 第三部分：超聲檢測》（NB/T 47013—2015）規范設計對比試塊，在焊縫中心距離焊縫表面分別為5 mm、10 mm、20 mm、40 mm和45 mm處，加工直徑為2 mm、長度為40 mm的長橫孔。同時，為了保證長橫孔的反射回波不互相干擾，將6個人工長橫孔均勻分布在兩個不同的試塊上[5]。

試驗用超聲波相控陣檢測設備為法國知名相控陣品牌M2M公司的GEKKO便攜式相控陣主機，如圖4所示。GEKKO相控陣設備主要參數為：64條全平行相控陣接收通道，4條常規超聲接收通道;系統帶寬為0.5～25 MHz;可編程的時間補償增益（Time Compensation Gain，TCG），采樣頻率為100 MHz;通道間串擾小于50 dB。

試驗用相控陣探頭為圖3所示探頭。該探頭是由Olympus公司生產的型號為A27的雙晶面陣相控陣探頭，詳細參數見表1。

圖5為超聲波相控陣檢測的扇形和A掃描結果。從成像效果來看，根據前面理論分析、選擇的設備及關鍵檢測參數，可以很好地驗證試塊中直徑為2 mm的長橫孔人工反射體缺陷。

表2為詳細的檢測信噪比測試結果。從表2可以看出，不同深度的長橫孔人工反射體的信噪比均超過12 dB，達到標準要求，缺陷定位也較為準確，驗證了超聲波相控陣檢測工藝的可執行性。

4 結論

采用超聲波檢測奧氏體不銹鋼粗大、各向異性的柱狀晶特征的焊縫時存在信噪比低的難題。基于此，本文提出利用超聲波相控陣檢測工藝檢測奧氏體不銹鋼焊縫，并驗證了相控陣技術的信噪比滿足標準要求。

參考文獻：

[1]趙璇.厚板奧氏體不銹鋼窄間隙焊接的焊縫組織和性能研究[D].武漢：武漢大學，2014：13-17.

[2]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008：301-303.

[3]LESTER W，SCHMERR JR.超聲相控陣原理[M].徐春廣，李衛彬，譯.北京：國防工業出版社，2017：47.

[4]NDT O. Phased Array Testing ：Basic Theory for Industrial Applications [M].Waltha： Olympus NDT，2010：12-14.

[5]國家能源局.承壓設備無損檢測 第三部分：超聲檢測：NB/T 47013.3—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.