奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測對比試塊的改進

郭黎群，洪君華，魏高洋

(臺州市特種設備檢驗檢測研究院，浙江 臺州 318000)

0 引言

承壓設備選用材料比較廣泛，每類材料都有其特有的物理和化學特性。從材料的組織特點分析，常用的奧氏體不銹鋼材料及焊縫組織與其他碳鋼、低合金鋼材料有非常大區別。通常標準會要求選用標準試塊做儀器和探頭的系統校準，比如零偏和掃描比例校準；用CSK-IIA 對比試塊調節儀器的幅度和聲程的關系，由于奧氏體不銹鋼材料不但與其他鋼材料的性能差別大，不同牌號的奧氏體不銹鋼材料縱波聲速差異也很大，所以對比試塊的制作應選用實際產品制造的型號材料，并用同樣的焊接方法形成焊縫。

1 奧氏體鋼對比試塊的特征

奧氏體鋼焊縫的超聲檢測一直存在一些比較復雜技術盲區，這與其獨特的金相組織的結構和特性有關。奧氏體組織本身晶粒較大，在超聲檢測中聲束的波長大小將影響其在奧氏體鋼中的傳播效率；其次材料的各向異性，體現晶體在不同方向上的彈性模量、硬度和折射率等方面的差異[1]。超聲波聲束在奧氏體不銹鋼試塊焊縫中傳播，即使遇到的人工反射體是想同深度，但由于在焊縫截面中所處的水平位置不同，接觸的金相組織大小和方向就不同，并且聲束與焊縫中的晶粒結晶方向的接觸角度不同，使得超聲波在焊縫中來回途徑的聲程長度差別很大，故得到反射體回波的衰減幅值變化也很大，所以不能采用碳鋼試塊的調試方法，即只采用單一縱向反射體進行的DAC 曲線的校準，并與產品檢測的缺陷回波分貝值相比較，來確定缺陷的大小和位置。對奧氏體不銹鋼對比試塊的調校即要準確反映回波反射當量大小，也要正確顯示反射體的實際位置，但是由于材料的各向異性的存在，若對每一個區域都去測定反射體的回波當量大小和位置，這在實際工作中是不現實的，在一定的范圍內標準也允許有一定幅度的大小變化，相當于認為滿足了實際檢測要求，所以檢測中在覆蓋了標準的要求下，可以提供少量的反射體數量，來滿足標準的檢測要求。但是不銹鋼焊縫超聲檢測的特點還是應明確，即超聲橫波聲束進入奧氏體不銹鋼焊縫后，聲束散射較嚴重，衰減較大，指向性偏離；而縱波相對散射較輕，衰減較少，指向性明確。所以為了更好的符合實際的檢測結果，對比試塊的制作應考慮到這些特性。

2 奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊的改進方面

在NB/T 47013.3—2015 附錄I 中，奧氏體不銹鋼對比試塊的形狀是矩形，在中部設置一條對接焊縫，人工規則反射體橫孔只能加工在焊縫橫向端面，由于在母材處掃查所需要一定的探頭移動區寬度，因而母材寬度需要設計較大的尺寸，這樣設置將不利于在焊縫內加工橫向人工缺陷來調整橫向缺陷的檢測靈敏度；另外由于焊縫中奧氏體金相組織的自身特點，聲束在焊縫傳播過程中會發生散射和進一步折射，影響了對反射體的定位，所以將奧氏體不銹鋼對比試塊做了些改進，以滿足其特定的需求。

2.1 形狀的變化

在標準NB/T 47013.3—2015 中的形狀時呈矩形，這次將其設計形狀呈L 形，即在試塊一端沿焊縫中心軸線截去一角，見圖1。

圖1 新設計試塊

標準中的試塊只能在焊縫的兩個橫向端面加工橫孔反射體，這種人工反射體在近場區和遠場區都表示，其只能單一提供了縱向條形缺陷的特征，不能全面的展示奧氏體不銹鋼的各類缺陷的內容，譬如不同方向上缺陷聲壓大小的變化，表面裂紋的檢測盲區范圍以及根部未焊透等缺陷的檢測靈敏度不同。而在試塊一端沿焊縫中心軸線去掉一角，將多提供了一段焊縫縱向端面，除了保留原先的人工規則反射體，還可以利用這一端面來加工焊縫橫向人工規則反射體。通過這一端面的有效利用，豐富了各個方向的超聲波聲場反映，提供了多層面的靈敏度校準，適應了奧氏體不銹鋼的焊縫特點。

2.2 焊接坡口形式的變化

在承壓設備產品的制造過程中，會采用焊條電弧焊、氬弧焊和埋弧自動焊等常規焊接方法，盡管不同的焊接方法會產生不同大小的熱輸入量，但通過試驗的金相圖中測得的晶粒尺寸，得出不同的焊接方法不會影響晶粒的尺寸變化[2]。但不同的焊縫工藝會影響焊縫組織中的晶粒結晶方向，不同的結晶方向與超聲波聲束的傳播方向夾角大小不同，對超聲波聲束在焊縫中的傳播的衰減和散射的影響區別很大。為了更好地反映產品焊縫的實際質量情況，試塊的焊接接頭采用的焊接工藝宜和產品的工藝相一致。從對奧氏體不銹鋼采用不同焊接方法的金相圖來分析，在相近的厚度下，不同的焊接方法所顯示的金相組織結構和尺寸來看，沒有明顯的區別。所以采用不同的焊接方法可以作為其他方法的對比試塊。但焊接坡口的變化會改變晶粒的結晶方向，從而影響反射體靈敏度的大小，所以在對比試塊的焊接坡口采用了雙面焊坡口，見圖2。

圖2 焊縫雙面焊坡口

試塊和產品的焊接坡口的形式還是應該相一致。在相同焊縫厚度的檢測中，由于單面焊和雙面焊的不同構造，超聲波聲束在焊縫中傳播的實際聲程是不同的，從而影響超聲波在焊縫中的衰減的變化，在確定缺陷的當量尺寸的大小會發生誤差。在實際產品中，主要焊縫在考慮焊接方便性和焊接變形的控制上，會優先選擇雙面焊焊接方式。

2.3 增加矩形槽人工規則反射體

新試塊應該體現焊縫上下表面的超聲檢測盲區范圍，所以在焊縫表面增加矩形槽人工規則反射體。對于焊縫坡口雙面焊的試塊，將焊縫上下兩面中寬度較窄那面焊縫磨平。雙面焊時，一般先將坡口寬度較窄這面先焊完，再將另一面焊縫坡口清根后蓋面焊。通常產品焊縫外部這面無特殊要求不打磨，且這面焊縫寬度較寬，為使試塊與實際情況保持一致，試塊這一面焊縫選擇保留焊縫外觀形狀；而另一面為了掃查方便把焊縫磨平，然后在焊縫中心沿焊縫縱向加工一組不同深度，長度30 mm 和寬度0.5 mm，間距為15 mm 的矩形槽，見圖1 所示。矩形槽的人工缺陷主要是模擬表面裂紋和根部未焊透缺陷。

3 人工規則反射體的校準作用

3.1 測定表面裂紋的盲區深度試驗

在焊縫磨平這一面進行探頭掃查，主要是用來測定表面裂紋的盲區深度試驗。由于這一組矩形槽的深度分別為1 mm、2 mm、3 mm 和4 mm，測試時可以在人工規則反射體這一面母材移動區垂直焊縫前后掃查，以確定超聲波檢測的表面盲區范圍。

3.2 確定焊縫根部缺陷的檢測靈敏度和定位偏移量

在另一面母材處垂直焊縫前后掃查，一方面來確定焊縫根部缺陷的檢測靈敏度，同時于奧氏體焊縫金相組織晶粒較大，聲束在焊縫中傳播時會發生散射現象，聲束折射角會發生偏移，所以在缺陷的定位上面會發生偏離，通過測試可以確定偏移量。

4 增加橫向橫孔人工反射體

NB/T 47013.3—2015 附錄I 中，奧氏體不銹鋼對比試塊的焊縫時單面焊，只在焊縫單側檢測時，聲束應經過焊縫金屬利用熔合線的橫孔制作DAC 曲線來確定靈敏度。雙面焊坡口形式的焊接工藝是在焊接接頭一面焊接后，另一面經過清根處理后，再進行焊縫的蓋面焊接，這樣對焊工的焊接技術要求沒有單面焊高，容易保證焊縫根部質量，減少焊接變形。在鍋爐和壓力容器的制造中，大量采用雙面焊坡口形式，所以模擬試塊采用的焊接坡口形式應該和實際產品的焊接相一致。由于奧氏體焊縫組織各向異性，超聲波聲束在焊縫和母材中的聲速是不同的，所以在試塊的焊縫中心和焊縫熔合區制作不同深度的φ2×40mm的橫孔，來分別測試聲束在母材、全焊縫和半焊縫的靈敏度區別。在試塊平端部的焊縫中心端面按不同的深度分別制作橫孔，這位置的人工反射體除了可以確定焊縫中的靈敏度，還可以修正反射體回波的深度和水平位置偏移量，從而為檢測缺陷的位置進行精確校準。在另一端面由于保留了一半焊縫，由于母材和焊縫熔合區的金相組織的晶粒尺寸區別很小，所以在其端面的焊縫熔合線上制作橫孔。熔合線上的橫孔的作用有兩個，其一是為了比較奧氏體鋼母材和焊縫對超聲波聲束的衰減和反射的差異，將探頭在母材處垂直焊縫進行掃查，使聲束只經過母材區域，利用該熔合線上的橫孔反射來制作DAC 曲線；其二是檢測全焊縫時，為了確保聲束完整經過整個焊縫截面，需要探頭在另一側的母材上垂直焊縫進行掃查，因為聲束經過整個焊縫截面，超聲波會發生相當大的衰減和散射，但是應確保掃查靈敏度在檢測聲程的范圍內最遠距離處反射體回波高度大于20%，信噪比應控制在2:1 以上。

在碳鋼和低合金鋼材料檢測焊縫的橫向缺陷時，依據NB/T 47013.3—2015 第6.3.8.4.6 款的要求需將各線靈敏度提高6 dB。材料是碳鋼和低合金鋼的焊縫金相組織是各向同性，而奧氏體鋼焊縫的金相組織是各向異性，所以在對奧氏體鋼焊縫檢測橫向缺陷時，仍然如碳鋼那樣將各線靈敏度提高6 dB 是不夠的，所以在試塊的L 端部的焊縫縱向端面垂直焊縫制作不同深度的橫孔。在保留焊縫余高這面測試時，可將探頭放置在焊接接頭邊緣與焊接接頭中心線成不大于10°斜平行掃查；在不保留焊縫余高的這面測試，可將探頭置于焊接接頭表面作平行掃查。得到的測試值與縱向檢測的靈敏度值進行比較，可得出奧氏體鋼焊縫橫向掃查需提高的靈敏度值。

這一組焊縫上橫向橫孔在縱向截面上的排列并不是垂直表面，而是與上表面成一定的夾角，見圖3。

圖3 焊縫橫向橫孔排列

因為奧氏體不銹鋼的焊縫金相組織的晶粒大小和方向與母材中的晶粒尺寸差異很大，所以當超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫中傳播的聲速與在母材中的值就會有很大的不同，因而不能簡單利用母材處的人工反射體調校的聲速來進行焊縫檢測。常用的方法是先在碳鋼制作的CSK-IA 標準試塊作零偏校準和調節時基線比例，按水平或深度為基準調校，再將探頭在奧氏體不銹鋼母材上作時基線比例修正。但是奧氏體不銹鋼焊縫與母材存在超聲波聲速的差異，所以修正過的超聲波檢測系統還是不能進行檢測，需要進行二次修正。將時基線比例的調節放在帶焊縫的奧氏體不銹鋼試塊上進行，實際上在根據現場試驗中還發現[3]，厚度不同的奧氏體不銹鋼焊縫在校準時基線比例時，還是存在一定的變化。因此采用的試塊厚度應該與需檢測的工件厚度相近。

超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫中的聲速值，可以利用試塊焊縫上橫孔反射體來測量。由于奧氏體不銹鋼焊縫檢測需要用縱波檢測，所以需要測量超聲波的縱波聲速。采用超聲波直探頭放置在試塊焊縫橫向橫孔的上方磨平的一面，橫向橫孔是45°傾斜排列，可以測量不同深度反射體的縱波聲速值，如果把這些測量值進行平均后就能得一平均值，這就是超聲波的焊縫縱波聲速值，一些試驗中奧氏體不銹鋼母材的縱波聲速是5 820 m/s，焊縫的縱波聲速是5 310 m/s，兩者相差10%[4]。工件聲速的改變，就會影響探頭K 值的變化，繼而也會改變基線比例，這樣在超聲波檢測中對缺陷的定位就要考慮到這個變化。利用該試塊的焊縫橫孔反射體的測試，可以精確測量焊縫縱波聲速，完成零偏和時基線比例的調節，完全符合奧氏體不銹鋼焊縫定位、定量的檢測要求。

5 增加母材處橫向橫孔

母材處增加一組不同深度垂直排列的橫向橫孔，橫孔的尺寸任采用φ2×40 mm，分布在焊縫橫孔的另一端面的母材方向，這樣不會影響縱向橫孔的調試校準，見圖4。

這組人工規則反射體的目的主要有兩個方面，其一是為了測試母材的超聲波聲速，垂直排列是為了更準確的提供探頭聲束出發點到反射體的水平距離，由已知的反射體深度就知道了聲程，從儀器中獲得的反射體傳播時間就能算出超聲波在奧氏體不銹鋼母材處的聲速；其二依托這一組不同深度的橫孔，通過探頭在表面垂直反射體測試校準，可以獲得一組不同深度反射體的回波幅值，將各最高回波點連接得到母材橫向的DAC 曲線，與縱向熔合線處的DAC 曲線對比，來確定下縱橫向的靈敏度的差異。

6 結語

超聲波的對比試塊主要用于檢測校準，對于奧氏體不銹鋼制的產品一般需采用專用對比試塊，在試塊內就應充分考慮到反射體的種類、尺寸、數量和位置分布各種要素，才能滿足奧氏體不銹鋼制產品的檢測校準和工藝性驗證的需求。上述試塊的設計全面涉及到奧氏體不銹鋼材料晶粒的特性和焊縫金相組織的生成機理，既考慮到超聲波聲速在焊縫和母材中的變化，也顧及到聲束的傳播方向與晶粒的生長方向不同所產生的衰減影響。該試塊的多項改進大大提高了檢測校準的精度和效率，并為奧氏體不銹鋼制產品的檢測帶來了更加準確的數據。