N08810鎳基合金焊縫的超聲檢測

羅　瑯，王建平，奚延安，燕　輝,錢　輝

(南京寶色股份公司, 南京 211100)

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N08810鎳基合金焊縫的超聲檢測

羅瑯，王建平，奚延安，燕輝,錢輝

(南京寶色股份公司, 南京 211100)

針對N08810鎳基合金焊縫超聲檢測時信號衰減嚴重，信噪比低，從而影響缺陷的判定及定位、定量等難題進行了分析,并對該鎳基合金焊縫超聲檢測用的探頭、對比試塊、信噪比及DAC曲線作了探討。結果表明，研制的縱波雙晶斜探頭在粗晶N08810鎳基合金焊縫的超聲檢測中效果明顯，提高了檢測信噪比及缺陷檢出率,自行設計、加工制作的鎳基合金焊縫對比試塊符合檢測要求，并對N08810鎳基合金焊縫超聲檢測工藝進行了可檢性評價，該工藝在工程實踐中得到了應用，并取得了良好的效果。

縱波雙晶斜探頭；粗晶鎳基合金；焊縫對比試塊； 超聲檢測

UNS N08810鎳基合金為美國標準ASTM B409的牌號，相當于Incoloy 800H，屬Ni-Fe-Cr系鎳基合金，具有很好的耐腐蝕和抗高溫氧化性能，尤其是在1 000 ℃的高溫下具有優良的耐腐蝕、耐熱疲勞、耐高溫沖擊性能，且在固溶情況下具有優越的抗壓力破裂特性，廣泛應用于石化行業中各類高溫高壓設備及傳輸管線等結構中。而該材料在常溫下主要以奧氏體形態存在，故具有奧氏體不銹鋼類似的聲學特征。

從20世紀70年代起，國內外對鎳基合金焊縫、奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測都作了大量研究，由于檢測方法較復雜，與鐵素體鋼的超聲檢測相比，其適用范圍仍受到一定限制。為了解決N08810鎳基合金焊縫超聲檢測難題，以及滿足實際生產需要，筆者所在單位研發了縱波雙晶斜探頭，設計了用于檢測鎳基合金焊縫的對比試塊，制定了N08810鎳基合金焊縫超聲波檢驗規程及檢測工藝卡，取得了良好應用效果。

1　N08810鎳基合金焊縫超聲檢測方法

1.1N08810鎳基合金焊縫對超聲檢測的影響

N08810鎳基合金焊縫及奧氏體不銹鋼焊縫等粗晶材料的超聲檢測存在一些問題：① 粗晶組織對超聲波的衰減很大，林狀回波的出現降低了缺陷的信噪比。② 超聲波穿過異種金屬焊縫界面時產生的折射會使超聲波傳播路徑發生畸變，且異種金屬焊縫界面會引起偽缺陷信號，造成誤判。③ 焊縫的粗大晶粒和各向異性易使得超聲傳播路徑發生畸變。這些因素都會給超聲檢測和缺陷檢出及定位、定量造成極大困難。鑒于鎳基合金及奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測的特殊性，進行該類粗晶材料焊縫超聲檢測的人員，應掌握一定的材料和焊接基礎知識，才能對檢測中可能出現的問題做出正確的分析、判斷和處理。同時檢測人員需要接受一定時間的有關奧氏體不銹鋼焊縫檢測的培訓[1]，了解奧氏體不銹鋼焊縫的組織特征及聲學性能。另外，粗晶材料焊縫的超聲檢測一直是超聲檢測中的難題[2]。下面針對具體的影響進行分析。

1.1.1焊縫的粗晶組織對超聲波的影響——衰減

超聲波在傳播過程中的衰減主要有散射衰減，由于鎳基合金金屬焊縫的介質晶粒較大且具有各向異性，會導致嚴重的散射，當焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長的1/10時，就會有明顯的聲散射[3]；散射的強弱和超聲波聲束與晶粒軸線之間的夾角有關。被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播到探頭時，在顯示屏上會引起草狀回波，使信噪比下降。草狀回波較為嚴重時，噪聲信號會淹沒缺陷信號。

1.1.2焊縫的各向異性對超聲波的影響——改變傳播方向

金屬結構的各向異性會導致超聲波的傳播方向改變，聲衰減值和聲速大小都受波束方向和晶軸之間夾角的影響；由于母材、焊縫材料的各向異性的影響，會導致超聲波在傳播過程中產生聲束的偏轉；鎳基合金的焊縫熔合面、焊縫內部晶粒間的界面組織差異顯著，超聲波束入射到該異質界面會發生反射、折射和波型轉換或由于反射回波疊加容易產生假信號[3]。

1.1.3焊縫粗晶對超聲波的影響——試塊

國內外標準中，要求焊縫對比試塊的厚度與工件一致或在一定偏差范圍內；試塊上人工缺陷的最大深度小于工件厚度。如在美國機械工程師協會(ASME)標準中，焊縫對比試塊上橫孔的最大深度位于試塊厚度的3/4處。這種情況僅適用于被檢測材料的衰減系數較小(鐵素體碳鋼采用二次波檢測)的情況。

鎳基焊縫對超聲波的衰減很大；超聲波可檢測的最大深度無法覆蓋工件厚度時，無法保證工件上未覆蓋區域的檢測靈敏度；設計試塊時應保證人工缺陷的深度覆蓋備檢工件最大深度，即缺陷深度處于一倍板厚處時檢測靈敏度滿足規范要求。

1.1.4焊縫粗晶對超聲波的影響——探頭

當探頭接收到從缺陷上返回的超聲波時，接收到的信號頻率通常低于發射時超聲波的頻率，這是材料對超聲波產生低通濾波的影響；材料晶粒粗大時，低通濾波效應變大。同時，考慮到超聲檢測時頻率越高衰減越大，穿透力越低，通常推薦用0.52.5 MHz窄脈沖縱波雙晶斜探頭[3]。但JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測》附錄N未給出探頭具體的晶片尺寸及規格要求。同時實際檢測時，需要根據檢測材料的特點研制合適的探頭。

綜上分析，鎳基合金焊縫超聲檢測工藝中，探頭是檢測工藝最關鍵的因素，直接決定該工藝是否可行；焊縫對比試塊設計時應保證人工缺陷的深度設置覆蓋待檢工件最大厚度。焊縫上設置最大深度人工反射體的信噪比對檢測深度范圍及可檢性評價具有較大實際意義。

1.2縱波雙晶斜探頭及對比試塊研制

1.2.1自行設計制作的縱波雙晶探頭

為解決鎳基合金焊縫超聲檢測晶粒粗大引起噪聲信號較大，缺陷信號較弱，檢測靈敏度較低等問題，在分析粗晶對超聲檢測影響的基礎上，結合JB/T 4730.3-2005附錄N要求及《大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測用縱波斜射雙晶探頭研制》中相關制作經驗[4-5]，研制了專用縱波雙晶斜射探頭。探頭實物如圖1所示，相關參數為：探頭名稱為VRY45-2；頻率為2 MHz；采用進口復合材料晶片制作，單片晶片尺寸12 mm×24 mm；探頭角度為45°，理論聚焦深度約為30 mm；理論檢測范圍為3060 mm。

圖1　自行設計制作的縱波雙晶斜探頭實物

測試儀器：CST-22型;測試試塊：奧氏體標準試塊。測試數據為：① 回波頻率誤差：不大于10%。② 靈敏度余量：不小于58 dB。③ 空載始波寬度：窄脈沖。④ 分辨率：不小于28。⑤ 聲速偏斜角：不大于1°。⑥ 實測K值/角度：45O。⑦ 測試焦點：26 mm。測試用奧氏體標準試塊實物如圖2所示。

圖2　探頭廠家測試用奧氏體標準試塊

1.2.2自行加工制作的N08810鎳基合金焊縫對比試塊

試塊備料尺寸長250 mm，寬60 mm，厚75 mm，

材料為N08810，根據實際設備制作的焊接工藝施焊而成。試塊正面有三個φ2 mm×40 mm的孔，鉆孔位置與大坡口左側平齊；焊縫右側加工成類似CSK-IA R100/R50 臺階，紅色標記部分切割至該原始表面下20 mm，R50下部分R弧圓滑過渡，參照CSK-1A 試塊。試塊反面在焊縫中心線(在距焊縫大坡口邊緣約30 mm處)有三個φ2 mm×40 mm的孔。共需鉆6個φ2 mm×40 mm孔，已在實物上標記，與圖示深度數據要求一致后，按外協單位制作流程開孔。試塊設計及實物外觀如圖3所示。

圖3　試塊設計示意及實物外觀

(1) 將CSK-1A和N08810焊縫對比試塊相結合，設計制作一試塊，該試塊具備兩塊試塊的功能。母材、焊縫開孔位置以及CSK-1A R弧位置布局合理，可有效提高試塊實用性。將探頭零點校核、聲速測試、焊縫及母材DAC曲線制作等檢測步驟都用于同一試塊，適合現場檢測使用，攜帶方便[6]。

(2) 在焊縫上設置T/4、T/2、3T/4(T為板厚)三個φ2 mm×40 mm的孔，孔的位置設置參照ASME試塊，擴大了試塊的應用范圍，但ASME中規定孔徑為φ3 mm×40 mm。同時針對前期試塊自制過程中發現的一個問題：在聲程上設置兩個人工反射體，使其回波能夠不互相影響，或者說在同一視窗內只有一個反射體的信號。進一步實踐發現N08810兩相鄰人工反射體不出現相互干涉的最小間距為ΔTmin=15 mm。因此該試塊將兩相鄰孔徑深度差設置為18 mm或20 mm，有效避免了DAC曲線制作階段相鄰反射體相互干涉的情況。聲束通過母材DAC、焊縫DAC曲線更加接近焊縫真實情況，材料可探性具有更合理的評價(JB/T 4730.3-2005附錄N規定聲束通過母材和焊接接頭分別測繪的兩條距離-波幅曲線間距應小于10 dB，俄羅斯相關規范《奧氏體鋼焊接接頭檢驗》提出聲程畸變不得大于2 mm[3])。根據設備制作過程中裂紋出現位置進行了統計分析后，在焊縫中心設置三個孔，進一步提高了檢測效果。

(3) 將試塊寬度增加到60 mm，改善了JB/T 4730.3-2005附錄N推薦的寬度30 mm無法滿足大晶片雙晶斜探頭調試的情況，且進一步排除了側壁干涉對雙晶探頭的影響。試塊寬度增加后，檢測奧氏體不銹鋼焊縫所用的縱波雙晶斜探頭能提供更精確的接觸面，調試穩定性、準確性也相應提高。

1.3超聲檢測工藝試驗——可檢性評價

對N08810鎳基合金進行焊縫超聲檢測前，應進行可檢性評價，以保證得到有意義的檢測結果。由于鎳基合金焊縫晶粒粗大對超聲檢測的影響，一般不推薦采用橫波斜探頭進行檢測，但是筆者對N08810焊縫(母材T=44 mm)采用橫波斜探頭進行檢測，發現橫波斜探頭雖然信噪比不如縱波斜探頭，但其反射信號更加清晰。在304奧氏體不銹鋼焊縫(母材厚度50 mm以下)上橫波斜探頭的缺陷回波信號較清晰，信噪比也較高。有文獻指出，只有縱波可以穿過近120 mm長的奧氏體區，橫波則不能穿過[7]。并且，橫波斜探頭實際檢測時容易出現偽缺陷回波，該回波易被懷疑為異質晶界引起的反射回波。

1.3.1縱波雙晶斜探頭、普通橫波斜探頭信噪比檢測

采用自行研制的N08810焊縫對比試塊、縱波雙晶斜探頭及普通橫波斜探頭進行信噪比測試及DAC曲線制作，得到的結果如表1所示。最大信噪比即參考反射體與相應檢測范圍內的平均晶粒噪聲的比值，平均晶粒噪聲指特定檢測深度Hmax的一定范圍內的平均晶粒噪聲水平，一般取Hmax±5 mm。此處母材Hmax=62 mm;焊縫Hmax=54 mm。

由表1可以得出：普通橫波斜探頭在對比試塊焊縫最大信噪比達不到《超聲檢測》中10 dB要求，但母材深Hmax為62 mm處最大信噪比比縱波雙晶斜探頭信噪比還略高1.0 dB，橫波可檢性評價以焊縫上設置最大人工反射體的信噪比滿足要求較為合適；普通橫波斜探頭在對比試塊焊縫中心深Hmax為54 mm處人工反射體最大信噪比不足10 dB，說明T不小于54 mm的N08810焊縫超聲檢測存在困難，但仍滿足俄羅斯相關規范要求(至少6 dB)。

表1　縱波雙晶斜探頭和普通橫波斜探頭檢測數據

圖4　縱波雙晶斜探頭及普通橫波斜探頭實測DAC曲線

縱波雙晶斜探頭在對比試塊母材和焊縫上的最大人工反射體信噪比，均達到基本檢測要求10 dB 以上。當超聲聲束穿過焊縫時母材最大信噪比(基本增益為32.5 dB)實測為12.3 dB，說明鎳基合金對縱波聲束畸變影響小于普通橫波；整個測試過程中，實測聲速5 750 m·s-1,實測定位誤差不大于1.5 mm,滿足俄羅斯相關規范要求。

1.3.2縱波雙晶斜探頭、普通橫波斜探頭DAC曲線制作

縱波雙晶斜探頭及普通橫波斜探頭實際DAC曲線制作如圖4所示。由圖4可以得到鎳基合金焊縫晶粒對普通橫波探頭聲波影響較大，利用聲束經過母材DAC曲線進行定量將會導致較大誤差；通過實際測試，普通橫波斜探頭除了焊縫中心深36 mm反射體和母材DAC曲線相差無幾，其他兩個點均相差較大，差值大于10 dB，可能與鎳基合金焊縫坡口設置和焊接工藝有關；普通橫波斜探頭從小坡口側對應的掃查面掃查較為合適，與焊縫結構及晶粒有關。

縱波雙晶斜探頭因近場區影響，導致母材DAC曲線上深度小于焦點(F實=26 mm)處波高較低，同樣超聲聲束穿過焊縫制作母材DAC曲線可以發現聲束畸變；縱波雙晶斜探頭從小坡口側對應的掃查面進行掃查較為合適，此時母材DAC和焊縫DAC相差不大于10 dB,滿足JB/T 4730.3-2005附錄N要求。

1.3.3檢測工藝綜合評價

綜上分析，研制的縱波雙晶斜探頭信噪比和DAC曲線偏離均符合JB/T 4730.3-2005附錄N要求；實際檢測時，以小坡口側對應掃查面檢測時定量、定位較準確；普通橫波斜探頭信噪比(焊縫)不足10 dB，但人工反射體或缺陷回波清晰，可以作為輔助超聲檢測方法，其檢測結果具有一定參考意義[8]。

2　試驗結果及分析

對44.7 mm(實測)封頭拼縫試板分別采用UT縱波雙晶斜探頭、普通橫波斜探頭、X射線拍片、加速器拍片檢測，得到如表2所示檢測結果。(其中L1為缺陷距離起參考零點標記的距離。2#，3#未解剖)。

表2　不同檢測方法結果比較

采用普通橫波斜探頭檢測發現兩處超標缺陷(1#，2#)，缺陷長度與射線檢測結果有所不同。采用縱波斜探頭發現三處缺陷(1#，2#，3#)與X射線檢測結果相同，如圖5所示。對于普通橫波探頭不超標的第三處(L1=68 mm)缺陷，縱波雙晶斜探頭缺陷信號明顯，檢測效果較好，如圖6所示。

圖 5　1#，2#，3#裂紋缺陷X射線底片

圖6　縱波雙晶斜探頭與普通橫波斜探頭的檢測波形

1#裂紋解剖后，與縱波雙晶斜探頭檢測、射線檢測結果一致。說明縱波雙晶斜探頭在該N08810材料中檢測效果較好，達到研制的各項要求。

圖7　裂紋宏觀解剖圖

3　結論

(1) 縱波雙晶斜探頭在N08810鎳基合金焊縫檢測時，母材和焊縫信噪比均達到10 dB要求，且兩DAC曲線相差不大于10 dB,滿足JB/T 4730.3-2005附錄N要求。并且，研制的縱波雙晶斜探頭在焊縫深Hmax=54 mm處最大信噪比為11.6 dB，并不限于附錄N的1050 mm厚度范圍，該探頭的適用深度范圍還留有一定余量。

(2) 普通橫波斜探頭雖然在焊縫上最大深度處信噪比達不到10 dB要求，但其反射信號比縱波清晰。實際檢測中，可以與縱波雙晶斜探頭結合使用、互為補充；假如奧氏體焊縫經過實際檢測驗證或演示獲得監檢認可，則可采用橫波斜探頭的檢測規程[6]。

(3) 實際檢測時，若檢測條件許可，應將焊縫余高磨平，實行雙面雙側掃查；當焊縫坡口為非對稱X型坡口時，從小坡口側對應的掃查面進行超聲檢測，評定更加準確。

同時JB/T 4730.3-2011審批稿附錄N已將檢測范圍由50 mm擴大到80 mm,需要繼續研制性能更好的縱波雙晶斜探頭。有文獻報道采用超聲相控陣檢測系統再配合面陣探頭，不僅能有效克服鎳基合金等粗晶材料超聲檢測中存在的衰減嚴重、噪聲信號較強、各向異性和低通濾波器的影響，同時擁有更高的檢測靈敏度和信噪比，并且具有檢測速度快、檢出率高等特點。另外有關文獻指出，鎳基合金焊縫或奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測需要從兩個方面著手：一方面，研制更為合適的探頭;另一方面，采用小波變換等方法進一步提高缺陷識別和信噪比[9-10]。

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Ultrasonic Testing of Weld in N08810 Nickel-based Alloys

LUO Lang, WANG Jian-ping, XI Yan-an, YAN Hui, QIAN Hui

(Nanjing Baose Co., Ltd., Nanjing 211100, China)

Aiming at the ultrasonic inspection of N08810 nickel-based alloy weld, analysis is made on its severe attenuation and low signal-to-noise ratio, which affects the defect judgment, positioning and quantitative evaluation. At the same time the probe, the test blocks for ultrasonic inspection of the nickel-based alloy weld, the signal to noise ratio and the DAC curve are also discussed. The results showed that longitudinal twin oblique angle beam probe (TRL) developed obvious was effective in ultrasonic testing of welds N08810 nickel-based alloy of coarse-grained material and it improved the signal-to-noise ratio and the defect detection rate. Our self-designed and manufactured test block can meet the detection requirements. Finally, the detection process of ultrasonic N08810 weld is summarized; the technology has been applied in engineering practice and achieved good results.

Longitudinal twin oblique angle beam probe; Coarse-grained Nickel-based alloy; Weld test block; Ultrasonic detection

2015-07-24

羅瑯(1980-),男，碩士，工程師，主要從事TOFD及超聲檢測工作。

10.11973/wsjc201603015

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0060-06