盧 威，尹 鵬，劉 云，聶 勇

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223）

安全端異種金屬焊縫的結構復雜，材料晶粒粗大，存在各向異性。對其進行超聲檢測時，聲波偏轉較明顯，超聲能量嚴重衰減，噪聲水平較高。采用單晶探頭對這類焊縫進行超聲檢測存在信噪比較低、定量精度不高等困難。目前，根據(jù)實際超聲檢測經(jīng)驗和效果來看，針對這類焊縫使用TRL探頭（一發(fā)一收式雙晶縱波探頭）具有較明顯的優(yōu)勢。如何正確合理地選用及應用TRL探頭成為能否達到較佳檢測效果的關鍵所在。筆者通過實例介紹了異種金屬焊縫超聲檢測中TRL探頭選用及應用的一些技巧。

1 安全端異種金屬焊縫的結構特點

安全端異種金屬焊縫的結構較為復雜，包括多種材料組織，如碳鋼、鎳基預堆邊、對接焊縫、不銹鋼材料以及不銹鋼堆焊層（如圖1所示）。對接焊縫組織為晶粒粗大的柱狀晶而且各向異性。

圖1 安全端異種金屬焊縫的結構

2 安全端異種金屬焊縫對超聲檢測的影響

安全端異種金屬焊縫的結構較為特殊，其對超聲檢測的主要影響體現(xiàn)在如下幾個方面［1］：

（1）粗大晶粒的影響：由于異種金屬焊縫晶粒粗大，因此當超聲波入射到這些粗大晶粒上時，將會產(chǎn)生很強烈的散亂反射，使得檢測信噪比大大下降，嚴重時噪聲會湮沒缺陷回波。

（2）各向異性的影響：超聲波在異種金屬焊縫的各向異性介質中傳播時，聲波衰減和聲速大小都受聲束方向與晶粒軸向之間夾角的影響。同時，晶粒組織的各向異性還使得超聲波聲束產(chǎn)生偏轉，即超聲波能量的傳播方向并不與波前相垂直，對于橫波而言，這種現(xiàn)象更為明顯。

3 TRL探頭的結構和優(yōu)點

TRL探頭即一發(fā)一收式雙晶縱波探頭，由兩個晶片構成，一個晶片用于發(fā)射超聲波，另一個晶片用于接收超聲波。一般發(fā)射晶片使用發(fā)射性能好的壓電材料，接收晶片使用接收性能好的壓電晶片，這樣TRL探頭的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度都很高，這是單晶探頭無法實現(xiàn)的。同時，TRL探頭的兩個晶片之間有一吸聲性強且絕緣的隔聲層，克服了發(fā)射聲波和接收回波之間的相互干擾，使脈沖變窄，分辨力提高，且由于隔聲層的存在，消除了發(fā)射晶片和延遲塊之間的反射雜波進入接收晶片，從而減少了雜波信號，提高了檢測信噪比［2］。

正是由于TRL探頭的結構特點，使其在粗晶材料超聲檢測中存在如下的優(yōu)越性：

（1）TRL探頭的一發(fā)一收模式避免了楔塊回波造成的雜亂波影響，消除了始波的影響，有效減少了干擾信號，有利于檢測工件的近表面區(qū)域。

（2）TRL探頭的一發(fā)一收模式提高了檢測靈敏度、信噪比以及分辨力。

（3）TRL探頭在工件中的入射波為縱波，與相同頻率的橫波相比，有助于減弱粗大晶粒的散射影響，減小聲波的衰減。

（4）TRL探頭減小了各向異性組織結構對超聲波傳播的影響，聲波偏轉較小。

4 TRL探頭的選用及應用技巧

對于安全端異種金屬焊縫超聲檢測，國內外已經(jīng)開展了多年的相關研究。根據(jù)大量試驗和分析，總結出如下安全端異種金屬焊縫超聲檢測中TRL探頭的選用及應用技巧。

4.1 探頭角度的選擇

安全端異種金屬焊縫組織主要為各向異性的柱狀晶。有研究表明，對于安全端異種金屬焊縫，采用縱波折射角為45°的探頭進行檢測時，其信噪比相對較高，衰減較小［2］。當焊縫厚度較大時，可選擇縱波折射角為37°的探頭進行檢測。當焊縫厚度較小時，可選擇縱波折射角為60°的探頭進行檢測［1］。

2007—2017年世界紙、紙板和紙制品進口額排名前5位的國家包括美國、德國、中國、法國、英國、意大利、比利時和日本，2007年依次為中國、美國、德國、意大利和日本，2017年為美國、德國、英國、法國和意大利。中國曾于2007年位列進口第1，之后退出世界前10，直至2011年重回世界前10;除2007年和2014—2016年外，美國均占據(jù)進口額第1位;德國除2007年居第3和2014—2016年居第1外，均位居第2;英國和法國絕大多數(shù)年份分別居第2或第3位;意大利絕大多數(shù)年份居第4位。但總體來看，絕大多數(shù)年份排名前5的國家世界占比差距不大。

當焊縫中縱波聲束為45°左右時，聲束在柱狀晶中的偏轉角最小［3］，所以當安全端異種金屬焊縫超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷時，應優(yōu)先采用45°探頭來測量缺陷位置、長度和自身高度，對缺陷進行定量。

4.2 探頭焦距的選擇

由于TRL探頭發(fā)射晶片和接收晶片存在聲束相交區(qū)，形成聚焦區(qū)域，此即為TRL探頭的有效檢測區(qū)域，如圖2所示。在非有效檢測區(qū)域，探頭的檢測靈敏度較低，因此，超聲檢測使用的TRL探頭有效檢測區(qū)域疊加起來要能保證焊縫整個受檢深度范圍內都被覆蓋，以避免缺陷漏檢或定量不準確。為了保證檢測區(qū)覆蓋，可以根據(jù)焊縫厚度，選擇多種焦距的檢測探頭，每種焦距探頭利用不同深度橫孔采用－6dB法制作出聚焦區(qū)域范圍圖，然后進行疊加，以驗證受檢區(qū)域的覆蓋（如圖3所示）。

圖2 TRL探頭聚焦區(qū)域

圖3 TRL探頭聚焦區(qū)域范圍疊加圖

4.3 探頭頻率的選擇

超聲波波長與探頭的頻率成反比關系。一般而言，當聲波波長大于焊縫中的晶粒尺寸時，受晶粒散射影響小，可以減小聲波的衰減。另外異種金屬焊縫中不同材質界面也會導致聲波有較大的衰減，頻率越高，衰減越大。所以對于檢測焊縫深度較深區(qū)域的中焦距和長焦距探頭，要選擇較低的頻率，一般為0.5～2MHz。對于檢測焊縫深度較淺區(qū)域即近表面區(qū)域的短焦距探頭，在衰減允許的情況下可以選擇使用高一些的頻率，如3～4MHz，這樣可以提高信號分辨力以及提高近表面區(qū)域缺陷的定量精度。

4.4 探頭頻帶寬度的選擇

由于安全端異種金屬焊縫的粗晶材料組織對超聲波而言相當于低通濾波器，選擇寬頻帶探頭可以減小低通濾波器的影響［4］。同時，寬頻帶探頭產(chǎn)生的聲波脈沖寬度較窄，在焊縫組織散射和衰減較高的情況下，具有比窄頻帶探頭信噪比好的優(yōu)點。寬頻帶探頭的脈沖窄，能夠保證在聲束方向有更高的分辨力，所以應選擇頻帶寬度較高的探頭，一般要求探頭頻帶寬度不小于60%。

5 TRL探頭選用及應用實例

目前，對于安全端異種金屬焊縫超聲檢測，一般要求能檢測出焊縫及其熱影響區(qū)的體積型和平面型缺陷，特別是危害性很大的平面型缺陷，如裂紋、未熔合等。對于檢測出的缺陷，定量要求一般為高度定量誤差不超過5mm，長度定量誤差不超過15mm。

5.1 試驗試件

選擇核電站常見規(guī)格為φ913mm×88.5mm的異種金屬焊縫試驗試件，如圖4。不銹鋼段材料為316LN，碳鋼段材料SA 508，堆焊層材料為E309C和E308C。試塊上設計制作有多條不同長度、高度和位置的裂紋，其中裂紋高度最小為4.7mm，裂紋長度最小為18mm。

圖4 異種金屬焊縫試驗試塊

5.2 探頭選用及應用

5.2.1 探頭角度選用

選用45°TRL探頭進行試驗。

5.2.2 探頭焦距選用

由于焊縫的壁厚較大，為了確保有效檢測區(qū)域能夠覆蓋受檢區(qū)域，根據(jù)檢測經(jīng)驗，選擇了3種不同焦距（短焦距、中焦距和長焦距）的45°的TRL探頭，并對探頭有效檢測區(qū)域進行覆蓋驗證。

利用含有不同深度φ2mm橫孔的參考試塊，分別制作出每種焦距探頭實際聚焦區(qū)域圖，然后進行疊加，如圖5。根據(jù)圖示，3個探頭的實際聚焦區(qū)域組合在一起能夠覆蓋受檢區(qū)域。所以，選用了三種焦距的45°TRL探頭，以保證整個檢驗區(qū)域的覆蓋。

圖5 探頭聚焦區(qū)域

5.2.3 探頭頻率選用

探頭焦距越大，探頭有效檢測區(qū)聲程越大，聲束傳播的距離越遠。隨著傳播距離的增加，衰減也逐漸增大。對于焦距越大的探頭，其頻率應相應降低，以減少衰減。所以，對于短焦距探頭，選用4MHz頻率；對于中焦距和長焦距探頭，選用1～2MHz頻率。

5.2.4 探頭頻帶寬度

為了提高信噪比和分辨力，要求選用頻帶寬度大于等于0%的探頭。上節(jié)中選用的短焦距、中焦距和長焦距探頭在檢測前進行了頻帶寬度測量，其實測頻帶寬度分別為62%，84.2%和85.7%，滿足對頻帶寬度的要求。

利用所選用的探頭，對試驗試件進行實測。試件中所有設計制作的裂紋都能夠被發(fā)現(xiàn)，裂紋自身高度測量誤差范圍為－3.0～1.3mm.，長度測量誤差范圍為－1.6～9.2mm。裂紋的尖端信號均能清楚分辨，信號的信噪比大于6dB，圖6～8分別為不同位置裂紋的典型信號顯示圖。檢測結果說明檢測效果十分理想，探頭選用較為正確。

圖6 內表面裂紋的典型信號

圖7 中部埋藏裂紋的典型信號

圖8 外表面裂紋的典型信號

6 結論

正確合理地選用及應用TRL探頭，可以提高異種金屬焊縫超聲檢測的可靠性和準確性。使用所述原則和技巧，以及正確合理地選用TRL探頭，可以保證在異種金屬焊縫超聲檢測中能夠獲得較高的靈敏度、信噪比以及較好的分辨力，并在缺陷定量時達到較高的測量精度。

［1］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：302－304.

［2］ 劉凱.正確選擇和使用縱波雙晶探頭［J］.無損探傷，2005，29（2）：29－32.

［3］ 李衍，馮兆國.不銹鋼焊縫的超聲檢測－現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.無損探傷，2005，29（3）：1－6.

［4］ DELAIDE M，MASE G.Design and Application of Low－Frequency Twin Side－by－Side Phased Array Transducers for Improved UT Capability on Cast Stainless Steel Components，2000，5（10）：10－15.