奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫超聲波相控陣檢測(cè)工藝

高志萌　倪國(guó)勝　程勝金

摘 要：對(duì)某水利工程50 mm厚奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，存在受掃查空間限制、檢測(cè)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(cè)工藝。同時(shí)，分析了檢測(cè)參數(shù)的選取原則，設(shè)計(jì)并制作了對(duì)比試塊，驗(yàn)證了檢測(cè)工藝下焊縫中心的直徑為2 mm長(zhǎng)橫孔信噪比>12 dB，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;焊縫;相控陣;信噪比

中圖分類號(hào)：TG457.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(yōu)良、屈服強(qiáng)度高、焊接性能好等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)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(guò)程中，多種無(wú)損檢測(cè)方法被應(yīng)用到部件焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)中，如射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等。射線檢測(cè)存在輻射和焊縫雙面可達(dá)的要求，因此，特定場(chǎng)合下需要采用超聲波技術(shù)檢測(cè)焊縫內(nèi)部的缺陷。

奧氏體不銹鋼具有良好的可焊性，但是，當(dāng)焊接材料或焊接工藝不正確時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，例如，晶間腐蝕、熱裂紋、應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(guò)程中產(chǎn)生較大的衰減、散射和偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致超聲波檢測(cè)該類焊縫存在檢測(cè)信噪比低、缺陷定位困難等問(wèn)題。因此，不銹鋼焊縫的超聲波檢測(cè)是個(gè)難題[1-2]。

為了克服上述問(wèn)題，常規(guī)超聲波檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫一般采用低頻雙晶縱波檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)多個(gè)不同折射角、聚焦深度的探頭來(lái)進(jìn)行多個(gè)位置的掃查，但會(huì)存在要求一定的掃查距離、檢測(cè)效率低等問(wèn)題。另外，常規(guī)超聲波一般只有一維A掃描信號(hào)，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(jì)算機(jī)技術(shù)軟件和硬件的快速發(fā)展，超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)得到了飛速發(fā)展[3]。基于此，本文主要分析奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫超聲波相控陣檢測(cè)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行冷卻時(shí)，焊縫熔池中的液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過(guò)程中，其晶粒向著冷卻最快的地方生長(zhǎng)。

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(zhǎng)，焊縫中間的晶粒垂直于表面生長(zhǎng)。晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)從一個(gè)焊道延伸到另一個(gè)或幾個(gè)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(zhǎng)度往往超過(guò)10 mm。研究表明，當(dāng)焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長(zhǎng)的1/10時(shí)，就會(huì)有明顯的超聲波聲束散射，散射使超聲波能量急劇衰減，導(dǎo)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(qiáng)烈的背景噪聲，會(huì)明顯降低信噪比，導(dǎo)致難以識(shí)別有效信號(hào)。因此，相對(duì)于常規(guī)碳鋼材料，奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測(cè)的信噪比控制是個(gè)難題。

2 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)與工藝要點(diǎn)

2.1 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)

超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)探頭采用的是按照一定規(guī)律排列的獨(dú)立晶片，通過(guò)軟件中的程序控制，可以讓每一個(gè)晶片同時(shí)發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，并且每個(gè)晶片之間均相互獨(dú)立。通過(guò)程序，還可以對(duì)波束特性進(jìn)行控制，使聲束聚焦并偏轉(zhuǎn)。通過(guò)仿真軟件對(duì)成百上千個(gè)聚焦方法進(jìn)行了科學(xué)仿真，并且進(jìn)行了動(dòng)態(tài)聚焦，無(wú)須探頭進(jìn)行往復(fù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)速度快、效率高，將探頭放置在一個(gè)固定位置就能顯示出被檢測(cè)焊縫的圖像，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢查，還能檢測(cè)幾何形狀不規(guī)則的工件，克服了常規(guī)超聲檢測(cè)的局限性。相控陣技術(shù)原理如圖2所示。當(dāng)各陣元被同一頻率的脈沖信號(hào)激勵(lì)時(shí)，它們發(fā)出的聲波是相干波，即空間中一些點(diǎn)的聲壓幅度因?yàn)槁暡ㄍ喁B加而得到增強(qiáng)，另一些點(diǎn)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(wěn)定的超聲場(chǎng)[4]。

2.2 相超聲波控陣檢測(cè)工藝要點(diǎn)

2.2.1 超聲波型以及其他類型對(duì)比。對(duì)于普通碳鋼，一般推薦采用橫波進(jìn)行焊縫缺陷檢測(cè)。這主要是由于常規(guī)碳鋼的焊縫晶粒細(xì)小，對(duì)超聲波聲束的衰減較小。另外，純橫波檢測(cè)時(shí)，工件中僅有橫波，波型單一，有助于檢測(cè)信號(hào)的判別和缺陷的定位。

在對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法中，射線檢測(cè)較難檢測(cè)出奧氏體不銹鋼中存在的細(xì)小裂縫以及層間未融合的問(wèn)題，也難以確定裂縫的位置和高度;超聲波檢測(cè)雖然能檢測(cè)出奧氏體不銹鋼焊縫的內(nèi)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(duì)超聲波有明顯的散射作用，在晶界處會(huì)發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換，對(duì)超聲波聲束的衰減較大，增加了超聲檢測(cè)的困難;滲透檢測(cè)可以正常地進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)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(huì)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(jié)構(gòu)，當(dāng)超聲波穿過(guò)母材到達(dá)焊縫時(shí)，其波束會(huì)出現(xiàn)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(zhǎng)具有直接關(guān)系。若頻率相同，縱波是橫波波長(zhǎng)的2倍，縱波比橫波的衰減小，因此，在對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，適合采用縱波。

2.2.2 頻率范圍。同一材料中，波長(zhǎng)與頻率相關(guān)。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(zhǎng)的方法，波長(zhǎng)增加，有助于超聲波波束繞過(guò)粗大的柱狀晶。有研究表明，對(duì)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(zhǎng)為5 mm及以上時(shí)，晶界噪聲可以大幅度降低。采用常規(guī)超聲波檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫時(shí)，一般推薦采用頻率在1.5～2.5 MHz的探頭，對(duì)于相控陣技術(shù)而言，考慮到聚焦效果，頻率可以適當(dāng)提高。

2.2.3 探頭類型。利用相控陣技術(shù)檢測(cè)中厚板奧氏體不銹鋼焊縫時(shí)，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(cè)奧氏體不銹鋼焊縫具有如下優(yōu)勢(shì)：①采用低頻縱波、一發(fā)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(chǎng)覆蓋和多位置聚焦的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)雙晶探頭檢測(cè)范圍小的難題，且掃描速度更快。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證檢測(cè)工藝相控陣超聲波技術(shù)信噪比，參考《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第三部分：超聲檢測(cè)》（NB/T 47013—2015）規(guī)范設(shè)計(jì)對(duì)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(zhǎng)度為40 mm的長(zhǎng)橫孔。同時(shí)，為了保證長(zhǎng)橫孔的反射回波不互相干擾，將6個(gè)人工長(zhǎng)橫孔均勻分布在兩個(gè)不同的試塊上[5]。

試驗(yàn)用超聲波相控陣檢測(cè)設(shè)備為法國(guó)知名相控陣品牌M2M公司的GEKKO便攜式相控陣主機(jī)，如圖4所示。GEKKO相控陣設(shè)備主要參數(shù)為：64條全平行相控陣接收通道，4條常規(guī)超聲接收通道;系統(tǒng)帶寬為0.5～25 MHz;可編程的時(shí)間補(bǔ)償增益（Time Compensation Gain，TCG），采樣頻率為100 MHz;通道間串?dāng)_小于50 dB。

試驗(yàn)用相控陣探頭為圖3所示探頭。該探頭是由Olympus公司生產(chǎn)的型號(hào)為A27的雙晶面陣相控陣探頭，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5為超聲波相控陣檢測(cè)的扇形和A掃描結(jié)果。從成像效果來(lái)看，根據(jù)前面理論分析、選擇的設(shè)備及關(guān)鍵檢測(cè)參數(shù)，可以很好地驗(yàn)證試塊中直徑為2 mm的長(zhǎng)橫孔人工反射體缺陷。

表2為詳細(xì)的檢測(cè)信噪比測(cè)試結(jié)果。從表2可以看出，不同深度的長(zhǎng)橫孔人工反射體的信噪比均超過(guò)12 dB，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，缺陷定位也較為準(zhǔn)確，驗(yàn)證了超聲波相控陣檢測(cè)工藝的可執(zhí)行性。

4 結(jié)論

采用超聲波檢測(cè)奧氏體不銹鋼粗大、各向異性的柱狀晶特征的焊縫時(shí)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(cè)工藝檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫，并驗(yàn)證了相控陣技術(shù)的信噪比滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)，2014：13-17.

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[3]LESTER W，SCHMERR JR.超聲相控陣原理[M].徐春廣，李衛(wèi)彬，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2017：47.

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[5]國(guó)家能源局.承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第三部分：超聲檢測(cè)：NB/T 47013.3—2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.