陳振華，謝長鴻，郭文光，盧 超

(無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063)

0 引言

核反應堆壓力容器通過奧氏體不銹鋼管道焊縫與外部設備(如主泵、蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器等)連接［1］。與焊接普通碳鋼相比，核電用奧氏體不銹鋼焊接工藝更復雜、質量要求更嚴格，同類缺陷在高溫、高壓、放射性、水流沖擊的服役環(huán)境下更容易導致結構嚴重破壞［2－4］;因此，能準確檢測與評定焊縫缺陷的無損檢測方法是保證核電站安全運行的前提［5－6］。在常規(guī)無損檢測中，射線檢測方法常常應用與奧氏體不銹鋼焊縫的檢測中［7］。然而，射線檢測對危害性最大的裂紋、未熔合等面積型缺陷并不敏感且難以在測量其厚度方向的位置。超聲方法較適合檢測面積型缺陷，但面對晶粒粗大且各向異性的奧氏體焊縫組織，超聲波將發(fā)生頻散、衰減增大、波束偏移等現(xiàn)象，增加了檢測難度，因此奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測多年來一直倍受關注［8］。

超聲相控陣檢測技術是近年來發(fā)展較快的一種超聲檢測新技術。相控陣聲束聚焦靈活可控，在不改變探頭布置的前提下可對檢測對象進行多角度、多方位的掃查，從而可降低缺陷漏檢概率，提高檢測可靠性［9］。相控陣探頭中的壓電換能器是由多個晶片組成的晶片陣列，通過控制各晶片激發(fā)聲波的延遲時間并相互疊加可產生各種入射角度及焦距的聚焦聲束。聲束的延時疊加類似于信號空間平均去噪，因此相控陣技術在降低結構噪聲的同時能保持較大的檢測波能量。本研究采用相控陣檢測技術對不銹鋼焊縫中夾渣和氣孔缺陷進行檢測。試驗中對檢測參數(shù)進行了優(yōu)化，獲得完好焊縫的相控陣圖像作為缺陷檢測圖像的參照基準;分別對焊縫中夾渣和氣孔缺陷進行相控陣成像并分析了扇掃圖像和A掃描信號的特征。

1 試驗方法

1.1 設備與試樣

試驗設備采用汕頭超聲儀器研究所公司研制的CTS－602型相控陣儀器，是一種便攜式相控陣超聲探傷儀。該設備共有32個物理通道，能夠支持16/32/64/128陣元探頭，具備扇掃和線掃兩種掃描方式。試驗采用扇掃方式對奧氏體不銹鋼焊縫進行檢測，扇形掃查可在不移動探頭的情況下對焊縫截面的大部分區(qū)域進行檢測。試驗所用相控陣探頭是16個晶片線性陣列探頭，晶片間距為0.5mm，探頭頻率為4MHz，楔塊角度為36°。

檢測試樣為預制了缺陷的奧氏體不銹鋼板對接焊縫，不銹鋼板材牌號為0Cr18Ni9Ti，厚度為21mm;采用手工電弧焊焊接，接頭形式為對接X型坡口(圖1)。焊接過程中，在焊縫中預置夾渣、氣孔兩類缺陷。

圖1 試樣結構圖Fig.1 Sectional view of the testing sample

1.2 深度定標與參數(shù)優(yōu)化

相控陣扇形掃描能夠對整個焊縫截面進行檢測，相當于常規(guī)檢測中聚焦探頭以不同的角度對焊縫截面進行掃查。為了能從掃描圖直接讀出缺陷深度，還要對檢測設備進行深度標定。試驗中采用奧氏體不銹鋼板母材邊緣反射波進行深度標定(圖2)。移動探頭分別采用一次反射和二次反射對母材邊緣上下端部進行掃描。

圖2 深度標定實驗示意圖Fig.2 Sketch of depth calibration test

調節(jié)設備中橫波聲速及垂直零點分別為3125 m/s和4.32 μs，掃查角范圍為 30°～70°，探頭前沿為9mm。圖3顯示了儀器調整后的相控陣成像結果。圖3a顯示掃描圖上深度為 20.8mm的位置出現(xiàn)試塊下端角的反射波能量;圖3b顯示掃描圖上深度為42.4mm的位置出現(xiàn)試塊上端角的反射波能量;檢測結果符合實際情況，此時設此時設置的掃描參數(shù)可以用于奧氏體不銹鋼焊縫的檢測。相控陣扇形掃描圖中，由左至右分別為:A掃描信號、深度軸、掃描圖、顏色標尺(由藍到紅幅度增大)，如圖3所示。

圖3 深度標定圖像Fig.3 Image of depth calibration

1.3 奧氏體不銹鋼焊縫的超聲相控陣檢測

本研究在奧氏體不銹鋼板焊縫中制備了夾渣和氣孔兩種缺陷。采用上述設定的儀器參數(shù)對含有缺陷的焊縫進行掃查，采用雙面單側的檢測方式，如圖4所示。

圖4 焊縫的相控陣檢測Fig.4 Ultrasonic phased array testing on the weld

2 結果分析

由于相控陣檢測的聲束掃查范圍大，結構復雜，焊縫坡口、余高、根部均有可能產生聲波反射成像并引起誤判，因此需對完整焊縫的相控陣圖像進行分析。保持上述儀器參數(shù)，分別將增益調整到4、14 dB，圖5為兩種增益下完好焊縫相控陣檢測圖像。圖5顯示，當儀器增益為4 dB時，相控陣圖像顯示在根部區(qū)域(12mm左右)有微弱反射;當增益提高到14 dB時，根部區(qū)域(12mm左右)的反射幅度變得更為顯著。盡管提高增益能夠增強檢測靈敏度，焊縫根部對檢測結果的不良影響以及近表面的盲區(qū)也將增大;因此，在實際檢測中，應優(yōu)先使用較小增益，并可將圖5作為缺陷特征圖像的基準。

圖5 焊縫相控陣圖像Fig.5 Ultrasonic phased array image of weld seam

缺陷檢測過程采用相同探頭布置及扇掃參數(shù)。圖6是對焊縫中夾渣缺陷的檢測，探頭采用雙面單側放置，儀器增益為4 dB。圖6a是探頭布置在左側上表面檢測的結果，圖中顯示缺陷在焊縫距離上表面深度為10.7mm;圖6b是探頭布置在左側下表面檢測的結果，圖中顯示缺陷在距離下表面9.8mm處。將圖6的結果與完好焊縫的成像結果對比可進一步判斷，在4 dB增益下，距離上表面深10.8mm處存在一高幅度的反射。參照圖5a的成像結果，4 dB增益下完好焊縫10mm深附近并無高能量顯示，因此可確認掃描圖6中10mm深度附近顯示的高能量反射波并非由根部引起而是源于夾渣缺陷。從試塊兩面測量缺陷深度分別為10.7、9.8mm也可評價夾渣為厚度較薄的片狀夾渣。此外，缺陷圖像處的A掃描信號也表現(xiàn)出了面狀缺陷反射波的單峰特征。

在對氣孔缺陷進行檢測時，保持探頭布置及扇掃參數(shù)不變，僅改變設備增益。當設備增益設置為4 dB時，未觀察到明顯缺陷特征圖像。當增益提高到12 dB時，相控陣扇掃圖上發(fā)現(xiàn)了明顯的反射波特征圖像，如圖7所示。圖7a是探頭位于試樣左側上面時的掃描圖像，掃描圖深度為8.6mm處出現(xiàn)明顯反射波;圖7b是探頭位于試樣左側下面的掃描圖像，掃描圖上深度為9.8mm處出現(xiàn)明顯反射波。由于圖7顯示的反射波深度與焊縫根部的反射波位置相近(圖5b)，因此僅僅依據(jù)相控陣掃描圖深度顯示并不足以確定缺陷的存在。將圖7與圖5b對比分析可知:1)從相控陣圖像特征看，圖5b顯示的焊縫根部圖像是單一的反射體圖像，而圖7顯示的特征圖像顯示了聲波入射到多個聚集反射體發(fā)生反射的圖像特征;2)從特征圖像對應的A信號特征看，圖5b焊縫根部的反射脈沖為單峰窄脈沖;而圖6特征圖像對應的A信號為多峰寬脈沖。以上兩點進一步說明，距焊縫上表面8.6mm處的反射波信號及圖像特征與焊縫根部的反射波信號及圖像特征存在明顯差異，其圖像特征及A信號特征均符合群聚型氣孔缺陷的特征。試驗中，從兩面測得的缺陷深度之和小于板厚，分析其原因主要是由于測量深度是以A信號的起波位置為準，測量值應為缺陷上下表面距檢測面的距離，深度之和與板厚的差值應為缺陷厚度即2.6mm。

圖6 夾渣的相控陣檢測圖像Fig.6 Ultrasonic phased array image of slag inclusion

圖7 氣孔的相控陣檢測圖像Fig.7 Ultrasonic phased array image of pore

3 結論

1)相控陣超聲檢測方法能夠用于檢測不銹鋼焊縫，具有檢測范圍大、靈敏度高、檢測信息豐富、噪聲小的特點。通過對相控陣圖像及信號的分析，可以獲得豐富檢測信息，可對焊縫缺陷的位置及尺寸進行測量。

2)對焊縫中夾渣和氣孔缺陷進行相控陣檢測后獲得了能夠判斷缺陷類型的圖像特征和A信號特征;片狀夾渣在較小的增益(4 dB)下具有明顯的長條型弧狀能量顯示，其A掃描信號具有明顯的單峰特征;而聚集型氣孔缺陷在較大的增益下(12 dB)具有明顯的多個較短的聚集型弧狀能量圖顯示，其 A掃描信號具有明顯的多峰特征。

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