基于連續小波變換的超聲衰減法評估薄壁304L鋼焊管晶粒尺寸

侯懷書，李金好，陸 頂，夏帥軍，辛健龍

(1.上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200112)

0 引 言

304L奧氏體不銹鋼焊管具有耐腐蝕性好、抗高溫蠕變能力強、生產效率高等特點，在航天、汽車、石油化工等領域得到廣泛應用[1]。研究[2]表明，奧氏體不銹鋼平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布是影響鋼管力學性能的2個重要因素。為獲得良好的韌性和塑性，同時改善不銹鋼焊管的耐腐蝕性、高溫持久性和抗蠕變性能等，薄壁奧氏體不銹鋼焊管一般要經過固溶熱處理，而固溶熱處理的質量會直接影響不銹鋼焊管的性能。研究[2-4]發現，當固溶熱處理溫度過高時，會導致奧氏體晶粒異常長大、變形，從而影響焊管的整體強度與塑性。異常長大的奧氏體晶粒與表面裂紋的產生有很大關聯[5-8]。為保證奧氏體不銹鋼焊管的強度和焊接質量，對固溶熱處理后的焊管母材與焊縫晶粒尺寸進行檢測非常重要。

目前，奧氏體不銹鋼焊管晶粒尺寸主要檢測方法為金相法，但該方法屬于破壞性檢測，且檢測效率低，難以適應大批量在線檢測需求。超聲波檢測作為一種非破壞性方法，具有快速、直接、適用性廣等特點。研究人員嘗試用聲速法和衰減法對奧氏體鋼晶粒尺寸進行測試，雖取得了一定的成果，但檢測結果不夠直觀準確。衰減法檢測時，聲波在奧氏體中傳播時常受到晶界、相界、位錯等的影響，導致超聲參量發生衰減，同時零件形狀以及探頭與鋼管之間的耦合狀態等也會影響聲波的衰減[2]。聲速法通過測量超聲穿過奧氏體不銹鋼組織時的聲衰減和聲速來間接評價晶粒的尺寸[9-11]，由于超聲聲速受溫度以及聲程測量誤差的影響較大，檢測精度也較低。

小波變換的主要特點是在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，而在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，很適合于分析非平穩的信號和提取信號的局部特征[12]。超聲波在金屬材料中傳播時，能量的衰減一般用連續回波幅度的變化來獲得[13]，但因薄壁焊管聲程較小，導致超聲信號疊加在一起，難以分辨，因此簡單的時域分析不能滿足要求。小波變換的另一特點是通過信號變換，用一個局部緊支撐基本小波函數，通過不同尺度的平移和伸縮構成小波函數系去表示或逼近一個信號。利用連續小波變換提取奧氏體不銹鋼焊管超聲信號的特征能量，可有效排除其他因素對晶粒尺寸檢測的影響。基于此，作者根據試驗結果，統計經不同溫度(800～1 350 ℃)固溶處理后的薄壁304L奧氏體不銹鋼焊管母材與焊縫的晶粒尺寸，利用連續小波變換技術分析超聲衰減的變化來評估焊縫和母材的晶粒尺寸，研究超聲衰減法評估奧氏體不銹鋼焊管奧氏體晶粒尺寸的可行性。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度1 mm的304L奧氏體不銹鋼鋼帶，化學成分見表1。鋼帶經過冷彎成型,非熔化極氣體保護焊焊接,焊縫內外整平后得到外徑27 mm、壁厚1 mm的不銹鋼焊管。截取長0.5 m的焊管試樣11個。采用中頻感應加熱技術對焊管進行光亮固溶熱處理，固溶溫度分別為800，850，900，950，1 000，1 050，1 100，1 150，1 200，1 250，1 350 ℃，保溫時間為1 min，隨后空冷至室溫。將冷卻后的試樣沿軸向切開，經研磨、拋光，采用飽和苦味酸溶液加緩蝕劑和2～3滴HF溶液在60 ℃水浴中熱腐蝕后，采用Axio Imager 2型光學顯微鏡觀察奧氏體晶粒形貌，同時借助Image-Pro專業圖像分析軟件，按照GB/T 6394—2017采用截點法測定奧氏體平均晶粒尺寸，并對其晶粒度進行評級。

表1 304L奧氏體不銹鋼帶的化學成分

超聲檢測裝置主要包括中心頻率為5 MHz的超聲縱波探頭、5072PR型超聲信號發射接收儀、AC6111型高速A/D采集卡、計算機。設置A/D高速采集卡的采樣頻率為125 MHz，采用超聲A掃描方式，將焊管水平放置在V型軌道上，超聲探頭垂直焊管置于支架上，利用機油耦合實現縱波垂直入射，信號采集位置如圖1所示，位置1和位置2分別采集焊縫和母材晶粒的縱波回波信號。

圖1 焊管超聲信號采集位置示意

連續小波變換可以看作是基波作位移后，在不同尺度因子下與待分析信號x(t)作內積，即

(1)

式中：Wx(α,τ)為小波變換系數；α為尺度因子，大于0，其作用是對基波φ*(t)函數作伸縮，上標*表示復共軛；τ為位移；t為時間。

式(1)等效頻域的表示方法為

(2)

式中：X(w)，Ψ分別為x(t)，φ(t)的傅里葉變換；ω為角頻率；j為復數。

連續小波變換[14]定義為

f(α,b)≤x(t)

(3)

(4)

式中：f(α,b)為連續小波變換系數；Ψα,b(t)為連續小波的基函數或者母小波；b為平移因子；R為尺度空間。

根據α，b的不同，可以得到連續小波變換下不同時、頻寬度的信息，實現對信號的局部化分析。在連續小波變換中能量和信號的幅值平方成正比。由于輸入和輸出信號都是非平穩瞬態信號，設11個試樣的1～11組信號Si(i=1，2，…，11)對應的能量為Ei(i=1,2，…，11)，則有：

(5)

式中：xik(i=1，2，…，11,k=1,2，…，n)為重構信號Si的離散點幅值；i為信號的第i組;k為第i組信號的k處。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2、圖3和表2可以看出：800～1 000 ℃固溶處理后，焊管焊縫區域奧氏體晶粒呈典型的樹枝狀分布，晶粒較細，晶粒度在10～13級之間；當固溶溫度提高至1 000～1 250 ℃時，焊縫晶粒尺寸變大，晶粒度在6～10級之間，晶粒尺寸差異嚴重。母材區奧氏體晶粒尺寸隨固溶溫度的升高而增大，平均尺寸由10 μm逐漸增大至40.1 μm。當固溶溫度達到1 250℃時焊縫已經出現大量的黑色氧化物和魏氏組織。當固溶溫度達到1 350 ℃時，焊縫和母材奧氏體晶界出現了魏氏組織與黑色氧化物。魏氏組織的出現不僅使晶粒粗化，而且由于大量鐵素體針片的形成使金屬的韌性急速降低[15]，奧氏體不銹鋼變脆而易出現疲勞裂紋。

圖2 不同溫度固溶處理后焊管焊縫的顯微組織

圖3 不同溫度固溶處理后焊管母材的顯微組織

2.2 超聲信號的連續小波變換處理

在檢測過程中由于不同晶粒度焊管的聲抗特征參數及超聲回波信號的散射程度不同，其超聲反射回波高度均不同。由圖4可以看出，不同溫度固溶處理后焊縫與母材回波信號的相對幅值均具有較大的差別。焊縫晶粒尺寸較母材差異大，導致焊縫的聲阻抗和母材不同，因此焊縫的回波信號相對幅值與母材之間的差異較大，且隨固溶溫度的升高，相對幅值呈減小的趨勢。由于采樣中不可避免地存在各種噪聲信號，采用連續小波變換技術可以較好地濾除高頻噪聲，從而提取超聲回波信號中奧氏體不銹鋼焊管晶粒的特征能量。

圖4 1 050,1 250 ℃固溶處理后焊管焊縫和母材回波信號的時域波形

利用小波變換對回波信號進行多尺度空間能量特征提取。參考文獻[16]選用db3小波基，采用rigrsure規則選擇閾值，對超聲A掃描信號進行三層小波包分解，小波包分解樹如圖5所示。第一層d1為波形主頻率范圍70～125 MHz的高頻噪聲；第二層d2為波形主頻率范圍40～70 MHz的中高頻噪聲；第三層d3為波形主頻率范圍20～40 MHz的中低頻噪聲。經分解重構后，提取低頻帶范圍的信號，信號a3的波形主頻率范圍在3～6 MHz。

圖5 三層小波包分解樹

由圖6可以看出：選取的部分回波信號通過連續小波降噪重構后，幾乎保持了原始信號的基本特征，將高頻干擾噪聲去除后可以更清楚地顯示出信號輪廓。將1 050 ℃固溶處理后焊管超聲波反射回波信號三層小波分解后，對得到的信號進行傅里葉能量變換，并提取a1,a2,a3中的特征能量。由圖7可以看出：第一層分解后的波形主頻率在18～20 MHz，特征能量最大，其中包含大部分的噪聲能量；第二層分解后的波形主頻率在8～12 MHz，特征能量中也摻雜部分噪聲能量；第三層分解后的波形主頻率在3～7 MHz，特征能量最小,且頻率接近超聲探頭的中心頻率。

圖6 連續小波降噪處理后1 050,1 250 ℃固溶處理焊管焊縫和母材回波信號的時域波形

圖7 1 050 ℃固溶處理焊管超聲波回波信號三層小波分解后的焊縫特征能量

將超聲波回波信號分解變換后，提取不同溫度固溶處理后焊管的信號相對能量值，經多項式擬合后得到母材和焊縫的第一層相對特征能量變化曲線。由圖8可以看出，焊管母材的相對特征能量隨固溶溫度的升高而逐漸減小，其原因是固溶溫度的升高會引起晶粒度減小，使母材聲阻抗升高，造成超聲回波能量降低，并且晶粒尺寸越大，能量降低程度越大。基于此，在對304L奧氏體不銹鋼焊管母材晶粒尺寸的實際檢測中可以設置2個相對特征能量閾值，即600與1 000。當相對特征能量小于600時，晶粒度在5.5～7之間；當相對特征能量介于600與1 000之間時，晶粒度在7～8.5之間，在實際生產中通常設定在此區間內的晶粒尺寸為合格；當相對特征能量大于1 000時，晶粒度在8.5～10之間，晶粒尺寸不合格。

圖8 回波信號分解后焊管母材晶粒的第一層相對特征能量隨固溶溫度的變化曲線

由圖9可以看出：焊縫的相對特征能量隨著固溶溫度的升高先上升后下降再升高。結合顯微組織可以發現：在固溶溫度為800～1 050 ℃時，焊縫晶粒分布較規律，晶粒長大現象不明顯，此時焊縫相對特征能量升高，并在1 050 ℃附近相對特征能量達到最大；隨著固溶溫度的進一步提高，焊縫晶粒呈現出無序的不規則快速長大現象，且溫度越高，長大現象越明顯，此時焊縫相對特征能量逐漸降低至40左右；但是在固溶溫度高于1 200 ℃時，由于奧氏體晶粒出現雜亂無序狀態，聲阻抗小幅度減小，因此焊縫特征能量出現小范圍增大。基于此，在對焊縫晶粒尺寸的實際檢測中可設置超聲信號的相對特征能量閾值在140～180之間，當檢測得到的相對特征能量在此范圍，說明此時焊縫的晶粒度為8.5～9，焊縫晶粒尺寸合格；當焊縫超聲信號相對特征能量不在此范圍時，判定焊縫晶粒尺寸不合格，說明生產過程中出現了固溶處理溫度不穩定的情況。受試驗條件限制，目前尚無法建立晶粒尺寸、聲阻抗與超聲信號能量分布之間的準確關系，有待進一步研究。該檢測方法可以為薄壁304L奧氏體不銹鋼焊管的超聲檢測提供有益借鑒。

圖9 回波信號分解后固溶處理焊管焊縫晶粒的第一層相對特征能量隨固溶溫度的變化曲線

3 結 論

(1)不同溫度固溶處理后薄壁304L奧氏體不銹鋼焊管母材與焊縫晶粒尺寸發生改變，引起奧氏體不銹鋼焊管的聲阻抗變化，進而導致超聲回波信號特征能量的變化。

(2)隨著固溶溫度的升高，焊管母材晶粒尺寸與對應的特征能量均呈減小趨勢，實際檢測中可設置超聲信號的相對特征能量閾值在600～1 000之間，當檢測時獲得的相對特征能量在此范圍，說明此時晶粒度在7～8.5之間，晶粒尺寸合格。

(3)隨著固溶溫度的升高，焊管焊縫的晶粒尺寸增大，相對特征能量先升高后降低再升高，并在1 050 ℃附近達到最大，實際檢測中可設置超聲信號的相對特征能量閾值在140～180之間，當檢測得到相對特征能量在此范圍，說明此時晶粒度為8.5～9，焊縫晶粒尺寸合格。