超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應用

摘 要：異種鋼焊縫深刻影響著整體結構的安全，因此必須對焊接質量進行嚴格的檢測，防止由于缺陷的存在而帶來的嚴重后果。異種鋼焊縫通常具有形狀不規則的特點，采用傳統的超聲波檢測技術很難進行準確檢測。超聲相控陣由于可以偏轉和聚焦，因而在異種鋼焊縫檢測中得到了廣泛的應用。現通過實驗手段對超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應用進行了詳細探討，對常見缺陷的超聲反射回波進行了分析。實驗結果表明：超聲相控檢測技術可以較好地滿足異種鋼焊縫檢測的要求。

關鍵詞：超聲相控陣;異種鋼焊接;焊縫檢測

0? ? 引言

隨著各類設備和材料的增加，不同材料之間的組合應用日益普遍，尤其是鋼材的對接使用更是常見。鋼材對接會遇到異種鋼焊接問題，由于不同種類的鋼材料在物理、化學等特性上有明顯的區別，二者之間的焊接成為應用的難點之一[1]。無損檢測技術是檢測焊縫質量的主要技術，其中超聲技術由于環保便捷而成為最主要的無損檢測技術之一。

隨著技術的發展，焊縫質量檢測的要求也在不斷提高，超聲相控陣的應用更加廣泛，并且技術日益成熟。超聲相控陣的出現，使焊縫缺陷可以通過二維成像結果清晰地顯示出來，大大提高了檢測的效率和可靠性。

本文通過實驗手段對超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應用進行了詳細探討，具有重要的現實意義。

1? ? 超聲相控陣的原理及優勢

超聲檢測技術是工業無損檢測四大常規技術中的重要一員，超聲相控陣則是傳統超聲波檢測技術的進一步發展，它已成為提高無損檢測效率和質量的重要手段。超聲檢測主要是利用了聲波的反射現象進行材料缺陷的識別，是聲學領域的重要應用方向。超聲探頭中的壓電晶片在電場的作用下發出高頻振動，振動由探頭傳播出來后形成超聲波，超聲波在穿透材料的過程中，一旦遇到不規則的介質，其正常傳播就會受到干擾，造成部分聲波被吸收或反射回來，探頭接收反射或透射的聲場后通過儀器顯示出來，即可分析出工件內部的缺陷信息[2]。

超聲相控陣是通過多個探頭組成陣列，利用電子技術控制聲場的聚焦方式和偏轉角度，聲場在穿透工件后反射回來重新被探頭陣列接收，經過工件內部結構調制后的聲場攜帶了工件的缺陷信息，通過二維成像設備顯示出來后，即可識別出缺陷的位置、程度、形態等信息[3]。顯然，超聲相控陣技術無論是在檢測效率還是缺陷的識別率方面都較傳統的超聲檢測技術有很大的提高，特別是對于一些復雜結構的檢測，超聲相控陣技術甚至完全取代了一維超聲。隨著電子技術的發展，超聲相控陣正朝著自動化、智能化的方向發展。

2? ? 異種鋼焊縫的檢測難點分析

2.1? ? 異種鋼焊接的特點

異種鋼的焊接在近年來呈現連年增加的趨勢，這主要是因為某些異種鋼具有比純種鋼更好的化學性能，例如普通碳鋼和不銹鋼焊接在一起就可以顯著提高其耐腐蝕性能，這種鋼材的應用正在不斷推廣。但是，異種鋼由于材料的不均勻性，會給超聲檢測帶來新的問題。

奧氏體不銹鋼是異種鋼中最常用的材料，具有很好的塑韌性，因此可以通過冷熱加工做成各種形狀的零件。然而，奧氏體不銹鋼材料的導熱系數較其他鋼材要小，熔點也明顯變低，線膨脹系數較大，因此在異種鋼焊接時很容易出現粗大鑄態組織[4]，這會給超聲檢測帶來較大的噪聲和能量損失。另外，在焊接的高溫條件下很容易引發奧氏體異種鋼的蠕變裂紋，使缺陷率明顯上升。

總之，異種鋼在物理、化學性質上的差異比較明顯，常規的焊接會使缺陷概率有所上升。

2.2? ? 異種鋼焊縫檢測的難點

異種鋼焊接材料的優異性能是以高質量的焊接為基礎的，因此只有在保證焊接質量的條件下，才能發揮出異種鋼的最大優勢。這里仍以最常用的奧氏體不銹鋼與碳鋼的焊接為例進行分析。

奧氏體不銹鋼焊縫中通常會產生大量的粗大晶粒，如果采用常規的超聲波檢測手段，會出現嚴重的散射現象，使回波攜帶大量噪聲，甚至找不到明顯的回波波形。一般來說，如果晶粒直徑大于聲波波長的1/10，就會產生明顯的散射;如果達到波長的一半，則回波幾乎被淹沒在噪聲之中，無法對缺陷進行可靠判讀。除了散射之外，粗大晶粒造成的聲波能量衰減也使檢測的難度大大提高，散射波經過反復的反射回到探頭后，往往變成信噪比很低的叢狀波。再者，異種鋼焊縫的各向異性還會使聲波產生折射，影響聲波的正常接收和缺陷形態的準確判讀。可見，異種鋼焊縫的超聲波檢測難度極大。

3? ? 異種鋼焊縫檢測研究

焊縫檢測實質上是一個將缺陷轉換為電信號并提取其特征量的過程。

為了研究超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應用，本文通過實驗手段對預制的人工缺陷進行實驗，通過信號的提取和分析對各類缺陷進行識別和判讀。

3.1? ? 實驗材料及設備

本文采用的異種鋼母材分別為Q235與304不銹鋼，尺寸均為300 mm×160 mm×25 mm，兩者開V型坡口對接后進行高溫焊接，焊接材料采用直徑為2.5 mm的308焊條，耦合劑類型為甘油。相控陣設備采用奧林巴斯MX2，其探頭采用了中心頻率為5 MHz的64晶片，通過楔塊制造近場效應，同時防止探頭磨損。

3.2? ? 缺陷預制

為進行實驗，在焊接試板上預制了夾雜、裂紋和氣孔三類缺陷，其中夾雜缺陷是在打底層焊縫填充金屬表層把焊絲預埋在焊縫中;裂紋缺陷是在焊接時強制局部受熱或冷卻，同時施加拉力制造熱裂紋;氣孔缺陷通過去除焊條表面的藥皮來預制。試板缺陷示意圖如圖1所示。

3.3? ? 檢測工藝設計

通過計算機仿真軟件ESbeam tool，按照上述試板的接頭形式進行聲束覆蓋模擬。本實驗選用復合扇掃工藝，即將扇掃和線掃的激發形式結合在一起，既有連續角度變化，又有大覆蓋范圍，將扇掃和線掃的優勢結合在一起。

聲束覆蓋仿真是基于理論聲學公式計算，模擬超聲波探頭在特定工藝設置下產生的波束覆蓋，設計出最佳的工藝參數設置，從而指導實際檢測。

圖2為45°～70°的復合扇掃效果圖，可以看出，異種鋼焊接接頭檢測，需要在雙面雙側實施縱波一次波法，即直射法進行檢測，才能保證焊縫及熱影響區100%覆蓋。

3.4? ? 實驗步驟

（1）兩種母材分別開U型坡口，采用TIG焊打底、308鈦焊條、H0Cr19Ni19焊絲，通過手工電弧焊完成焊接。

（2）在焊縫上預制多種缺陷類型。

（3）采用設備出廠建模軟件設置待檢工件的尺寸和焊縫參數，然后通過焊接試板調整超聲相控陣設備的適配參數，對預制缺陷進行逐一檢測。

（4）對相控陣設備進行校準，包括聲速校準、楔塊延遲校準、靈敏度校準和時間增益修正。

（5）采用射線檢測作為對比試驗，X射線參數設置為曝光時間1 min，輻照電壓170 kV，對預制缺陷進行檢測。

（6）將射線檢測與超聲相控陣的檢測結果進行比較，得出實驗結論。

3.5? ? 結果分析

檢測方向與焊縫平行，采用垂直于焊縫的方向進行掃查，扇掃角度為45°～70°，掃查步進值為1°，探頭一發一收。超聲相控陣掃查結果和相應缺陷的射線檢測結果如圖3所示。

從實驗結果中不難發現，夾雜缺陷檢測具有較高的A掃幅值，但裂紋和氣孔的A掃幅值相對較低，這是因為夾雜屬于體積性缺陷，對于超聲波具有強烈的反射作用;而裂紋屬于線性缺陷，反射面十分有限，因而很難收到明顯的回波;氣孔則表現為多個回波峰值，現象與密集型氣孔十分相似。

與射線檢測結果進行對比發現，盡管超聲相控陣的檢測效果仍比不上射線檢測，但氣孔、夾雜、裂紋三種缺陷仍可清晰識別，并且與射線檢測結果基本一致，由此證明了超聲相控陣檢測結果的可靠性。

4? ? 結語

在現代工業體系和醫學體系中，超聲相控陣技術已經成為一門獨立而成熟的無損檢測技術和醫學診斷技術，其應用優勢日益突顯，是無損檢測技術和醫學診斷技術領域的重大突破。隨著各種異種鋼焊接接頭的出現，超聲相控陣技術更是成為了無損檢測的關鍵手段。在信號處理算法不斷進步的背景下，異種鋼焊縫的各種缺陷都可以較好地在信號特征中得到體現并成功提取出來，使大部分缺陷具備良好的可鑒別性，這將大大推動異種鋼材料的廣泛應用。

隨著電子計算機和先進控制算法的飛速發展，超聲相控陣正逐步實現自動化和智能化，成為工業領域極為重要的無損檢測手段。

[參考文獻]

[1] 姚小靜，韓偉，韓明，等.壓力容器制造過程中異種鋼焊接工藝及無損檢測方法研究[J].石油工業技術監督，2019，35（5）：38-40.

[2] 陳小明，賴傳理，張軍輝，等.小徑管異種鋼對接焊縫層間未熔合缺陷的檢測方法[J].無損檢測，2019，41（1）：32-34.

[3] 王正.相控陣檢測在厚壁鎳基合金異種鋼焊縫的研究[J].鍋爐制造，2018（5）：35-39.

[4] 江野，王東，秦小陽，等.奧氏體異種鋼薄壁小徑管焊縫裂紋超聲相控陣檢測[J].焊接學報，2018，39（8）：119-122.

收稿日期：2020-03-25

作者簡介：黃海霞（1985—），女，江蘇如皋人，碩士，工程師，研究方向：焊接檢驗、無損檢測、質量管理。