奧氏體不銹鋼板對接焊縫的相控陣超聲檢測方法

張巖,陳智聰,朱佳震

(中廣核檢測技術有限公司,江蘇 蘇州 215004)

奧氏體不銹鋼板對接焊縫的相控陣超聲檢測方法

張巖,陳智聰,朱佳震

(中廣核檢測技術有限公司,江蘇 蘇州 215004)

奧氏體不銹鋼因其耐腐蝕性強、力學性能優越等特點而在各工業領域被廣泛應用.但奧氏體不銹鋼在焊接過程中很容易出現各種缺陷,而常規的無損檢測手段都很難高效地對其進行檢測.相控陣超聲檢測技術的引入為解決這一問題提供了一種方法.本文從奧氏體不銹鋼的應用背景出發,簡要介紹了奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測研究現狀,闡述了相控陣超聲檢測的基本原理,然后通過專用試塊的測試,論證了此檢測方法是合理的.

奧氏體不銹鋼;焊縫檢測;相控陣;無損檢測

奧氏體不銹鋼是一種耐腐蝕性強、力學性能優越的常用材料,常用于制造核電設備的關鍵零部件.但實踐中發現,奧氏體不銹鋼在焊接過程中很容易出現熱裂紋,存在一定的安全隱患.因此,奧氏體不銹鋼焊接質量的無損檢測是其投入使用之前的重要工作.常規的無損檢測手段都能實施焊縫檢測,但考慮到操作的安全性和可操作性,超聲檢測成為最常用的方法.然而,奧氏體不銹鋼在焊接過程中無相變,且會出現粗大的柱狀晶體組織,其不均勻性和彈性各向異性非常明顯,會對檢測聲束造成嚴重的散射,從而影響檢測的可靠性.因此,奧氏體不銹鋼焊縫的檢測方法一直是相關學者和工程人員的研究重點.近年來,相控陣超聲檢測技術發展迅速,因其具有動態聚焦、成像清晰、靈敏度高、分辨力好、信噪比高等優點,非常適用于奧氏體不銹鋼板對接焊縫的檢測.

1 奧氏體不銹鋼對接焊縫檢測的難點

奧氏體不銹鋼對接焊縫檢測的檢測一直是無損檢測的難點之一,這是由于奧氏體不銹鋼本身的理化性質決定的.奧氏體不銹鋼在焊接過程中無相變,且會出現粗大的柱狀晶體組織,其不均勻性和彈性各向異性非常明顯,增加了檢測難度.奧氏體不銹鋼對接焊縫的常規檢測方法有射線檢測、超聲檢測、滲透檢測等,這些方法都具有一定的發現焊縫缺陷的能力,但也有著各自的缺點.射線檢測是奧氏體不銹鋼焊縫檢測的最有效的方法之一,能發現奧氏體不銹鋼焊縫中的大多數缺陷,但對于平行于射線方向的面積型缺陷則無能為力,并且射線對人身有害,可操作性不強.滲透檢測只能檢測出焊縫表面的開口缺陷而無法檢測出工件內部缺陷,使用具有很大的局限性.常規的脈沖反射式超聲檢測對面狀型缺陷檢出率也比較高,但由于奧氏體焊縫處晶粒粗大而對超聲波產生嚴重衰減,影響檢測結果的準確性.

2 應用現狀

國外在較早的時期就已經將相控陣超聲檢測技術應用于奧氏體不銹鋼焊縫檢測上了,經過多年的發展,目前在低頻TRL相控陣超聲聲場建模仿真、成像和信號處理技術、儀器研制和參數優化及工藝改進等方面都有了很多研究成果和應用經驗,市場上也有了很多成熟的技術.國內的相關研究也取得了不少成果.清華大學從相控陣超聲系統的設計角度,分析了各向異性材料對相控陣聚焦的影響,為實驗和模擬研究相控陣超聲檢測奧氏體不銹鋼材料的技術提供了相應的理論依據.南昌航空大學對預制的氣孔和夾雜缺陷的奧氏體不銹鋼焊縫進行相控陣超聲檢測方法研究,發現相控陣超聲檢測方法比其它方法具備更大的檢測范圍,并實現了缺陷的有效評價.大連理工大學針對核電站厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫的難點,建立了相應的離心鑄造奧氏體不銹鋼焊縫模型,并相控陣超聲聚焦特性進行研究,發現采用低頻聚焦探頭可以提高檢測深度,反之亦然.這些研究都對國內奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測技術提供了重要的參考.

3 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測技術是一項全新的無損檢測技術,近年發展非常迅速.該技術最初主要用于醫療領域,目前已廣泛應用于工業無損檢測的各個領域.超聲相控陣換能器的工作原理是基于惠更斯-菲涅耳原理.相控陣超聲檢測技術的關鍵技術包括陣列式換能器、相位控制、聚焦調節和成像控制等.換能器是相控陣超聲檢測設備的超聲波子聲源,一般是將多個陣元按一定的規律排列成陣列.陣列換能器發出聲波后,由計算機控制各個陣元發射和接收延遲時間,從而實現聲束波面方向的控制和各種聚焦模式.與其它常規無損檢測技術相比,相控陣超聲檢測具有檢測效率高、可視化成像等優點,非常適用于缺陷的定量表征.相控陣超聲檢測原理圖如圖1所示.

圖1 相控陣超聲檢測原理圖

在相控陣超聲檢測系統中,由計算機控制的聲束掃描方式主要有線性掃描、動態深度聚焦和扇形掃描三種.圖像顯示模式主要有A 掃查模式、B 掃描模式、C掃描模式、D 掃描模式和 S 掃查模式五種.聚焦方式可以采用投影聚焦、真實深度聚焦、半聲程聚焦和聚焦平面聚焦四種方式.

4 相控陣超聲檢測實驗

4.1 參數的選擇

為了提高檢測可靠性、準確性和檢測效率,本文首先進行相控陣聲場模擬研究,尋找最優檢測參數.仿真過程采用了CIVA軟件對奧氏體不銹鋼對接試塊進行建模,仿真橫波 45°和縱波 30°偏轉角度時不同聚焦深度下的聲場.仿真表明,聚焦深度增大時焦點區域聲場能量分布更均勻.

在實際檢測時依據不同厚度的試塊選取能夠覆蓋該試塊厚度的聚焦深度.為了進一步優化檢測參數,本文采用ZETEC公司的TOPAZ便攜式相控陣超聲檢測儀,配合64單元陣列3.5MHz 探頭(3.5MHz 64elts Matrix Array)進行試驗,發現較大的波長使得柱狀組織對超聲波的衰減影響減小,而在奧氏體不銹鋼中縱波波長是橫波波長的兩倍,因此,當試塊厚度較小時應采用橫波檢測.在滿足其它條件的情況下,檢測頻率應盡可能提高.本文采用 3.5MHz探頭進行實驗.

4.2 相控陣超聲檢測實驗

本文設計加工了厚度為 10mm和 40mm 的焊縫試塊各一塊,表面加工了模擬缺陷的U 型槽,分別采用縱波檢測和橫波檢測兩種方法進行對比研究,如表1.

4.2.1 縱波檢測

縱波檢測采用A掃和S 掃查方式,扇掃偏轉角約為±35°.頻率為3.5MHz,64晶片.在焊縫兩側結合編碼器進行柵格掃查,保證了聲束可以覆蓋整個焊縫區域.厚度 10mm和 40mm 的焊縫試塊分別在12.5mm和 45.5mm的深度進行聚焦.實驗表明,相控陣超聲回波能量非常集中,缺陷回波清晰可見.U 型槽深度檢測誤差見表1,10mm和 40mm試塊的U型槽深度檢測誤差分別僅為-0.2和0.3mm,準確度非常高.

表1 U型槽檢測結果mm

4.2.2 橫波檢測

采用 3.5MHz,64晶片的相控陣探頭對同一試塊進行橫波檢測,同樣采用A掃和S掃描方式,結果表明,缺陷回波清晰,聲束能量集中.高度定量誤差為0.4 mm和0.3mm.進一步實驗發現,當采用1.5MHz相控陣探頭(1.5M32X2E64-15)時回波能量較低,波束變形嚴重,分辨率大大下降,很難對缺陷進行識別與評價.值得注意的是,橫波在奧氏體不銹鋼中存在較嚴重的散射現象,采用橫波檢測并非廣泛適用.

5 結語

本文利用 CIVA 軟件仿真模擬與實驗測試相結合的方式,對厚度為 10mm和 40mm 的奧氏體不銹鋼板對接焊縫模擬試塊分別進行了橫波和縱波的相控陣檢測,實驗表明,檢測誤差均在0.4mm以內,但縱波檢測的精度比橫波檢測要高.

隨著工業的發展,超聲相控陣無損檢測技術已經成為現代無損檢測技術最有發展前景的技術之一.不難預測,未來的超聲相控陣無損檢測技術將朝著聲場建模和仿真、二維相控陣探頭設計、圖像顯示與重建、自適應聚焦、全自動檢測等方向發展,超聲相控陣系統無論是在計算機仿真技術、相控陣超聲檢測計算模型,還是在設備更新換代、檢測實踐的加深等方面都將有長足的進步.

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TG441.7

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