摘要：利用接管安全端異種金屬焊縫顯微組織分析結(jié)果對(duì)該焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè)物理分析。通過(guò)CIVA軟件對(duì)該焊縫進(jìn)行了計(jì)算機(jī)超聲檢測(cè)仿真模擬，開發(fā)了焊縫超聲檢測(cè)的檢測(cè)工藝，利用模擬試塊實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果和檢測(cè)工藝的可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明超聲仿真模擬能夠得到所需的探頭參數(shù)及不同角度探頭的定位精度，模擬試塊實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了仿真模擬結(jié)果，并證明了檢測(cè)工藝的可靠性。本文對(duì)核電站接管安全端異種金屬焊縫進(jìn)行了焊縫物理特性分析，包括異種金屬焊接接頭組成，焊縫及母材顯微組織分析，焊縫組織對(duì)超聲波衰減影響分析等，根據(jù)分析結(jié)果及該類型焊縫的檢測(cè)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；異種金屬焊縫；超聲檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 引言

核電站反應(yīng)堆壓力容器接管異種金屬焊縫，內(nèi)徑為Ф736mm，外徑為Ф916mm，壁厚為T=90mm，材料為SA508+預(yù)堆邊+不銹鋼焊縫+316L，該焊縫為厚壁異種金屬焊縫，檢測(cè)技術(shù)難度大，現(xiàn)場(chǎng)工作條件苛刻、對(duì)設(shè)備要求高、對(duì)人員要求高[1]。目前美國(guó)、法國(guó)、日本等核電強(qiáng)國(guó)都具備此種焊縫的檢測(cè)能力，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家科研院所在進(jìn)行此類焊縫的研究，例如武漢核動(dòng)力運(yùn)行研究所、上海核工程研究設(shè)計(jì)院、中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)公司等，在對(duì)焊縫中缺陷的精確定位方面與國(guó)外檢測(cè)水平還存在較大差距[1]。

2 異種金屬焊縫物理特性分析

2.1 異種金屬焊接接頭組成

接管安全端異種金屬焊縫結(jié)構(gòu)為鐵素體鋼+預(yù)堆邊+焊縫+不銹鋼焊縫。焊絲為鎳基合金焊絲，接管側(cè)材料為316L不銹鋼，安全端側(cè)材料為SA508-III鋼，SA508-III側(cè)內(nèi)表面堆焊有6mm的不銹鋼堆焊層（材料309），坡口處采用鎳基合金預(yù)堆邊。SA508-III焊縫內(nèi)外表面留有一定的焊縫余高[1]。

2.2 異種金屬焊縫及母材顯微組織分析

316L鋼屬于奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼焊縫凝固時(shí)未發(fā)生相變，室溫下仍以鑄態(tài)柱狀?yuàn)W氏體晶粒存在，這種柱狀晶的晶粒粗大，組織不均，具有明顯的各向異性。508-III鋼區(qū)和堆焊層的熱影響區(qū)的晶粒細(xì)?。缓缚p區(qū)域晶粒粗大且呈現(xiàn)一定方向性的柱狀，有明顯的各向異性[1]。異種金屬焊縫晶粒情況對(duì)實(shí)施超聲波檢測(cè)有較大的影響，材料晶粒度的大小以及晶粒的方向都會(huì)影響超聲波在材料中的傳播方向與能量衰減[2]。因此了解異種金屬焊縫中的顯微組織情況對(duì)異種金屬焊縫超聲檢測(cè)具有重要意義。據(jù)英國(guó)疲勞斷裂工程材料雜志接管安全端焊縫殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)調(diào)查一文中調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[3]，壓力容器端母材和堆焊層的熱影響區(qū)的晶粒細(xì)??；堆焊的鎳基合金層組織不均勻，晶粒非常粗大；對(duì)接焊縫的晶粒呈現(xiàn)一定方向性的柱狀，有明顯的各向異性；對(duì)接焊縫的熱影響區(qū)和管道端的母材組織晶粒大小不一，非常不均勻，明顯各向異性和奧氏體鋼晶粒的特點(diǎn)。

2.3 焊縫組織對(duì)超聲波衰減影響分析

異種金屬焊縫晶粒不均勻及晶粒呈現(xiàn)一定方向性的柱狀，有明顯各向異性的特點(diǎn)，會(huì)增大超聲波在金屬內(nèi)部傳播的散射衰減[1]。散射衰減與材質(zhì)的晶粒大小密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波，使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會(huì)湮沒(méi)缺陷波。在實(shí)際探傷中，當(dāng)介質(zhì)晶粒較粗大時(shí)，若采用較高的頻率，就會(huì)引起嚴(yán)重衰減，示波屏上出現(xiàn)大量草狀回波，使信噪比明顯下降，超聲波穿透能力顯著降低。

3 異種金屬焊縫超聲檢測(cè)工藝研究

3.1 掃查方式

縱波直探頭掃查：利用縱波直探頭掃查焊縫及母材區(qū)域，以檢測(cè)是否有影響斜探頭檢測(cè)結(jié)果的分層或其他種類缺陷存在。多探頭多角度分層檢測(cè)：接管安全端異種金屬焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組織晶粒粗大，需要采用多種角度的探頭對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。將檢測(cè)區(qū)域分為上（0mm～30mm）、中（30mm～60mm）、下（60mm～90mm）三個(gè)部分，利用55o以上雙晶縱波斜探頭對(duì)上部焊縫區(qū)域進(jìn)行掃查，利用40o～50o雙晶縱波斜探頭對(duì)中部及下部焊縫區(qū)域進(jìn)行掃查，利用40o以下雙晶縱波斜探頭對(duì)下部焊縫區(qū)域進(jìn)行掃查。

3.2 探頭選擇

探頭類型選擇：確定對(duì)奧氏體焊縫的超聲探傷，須采用專用縱波粗晶斜探頭。

探頭頻率選擇：探頭頻率通常是根據(jù)晶粒尺寸、波長(zhǎng)、信噪比和分辨率等綜合因素確定的，探頭頻率選擇1MHz～2MHz。

探頭晶片尺寸選擇：選擇大晶片尺寸探頭，該種探頭具有能量大，傳播距離長(zhǎng)，適合檢測(cè)較大厚度的焊縫。

探頭參數(shù)范圍：根據(jù)探頭選擇的理論分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的超聲探頭，初步選用頻率為1～2MHz，角度為35°～65°，晶片尺寸為50～240mm2的縱波斜探頭進(jìn)行檢測(cè)。

4 異種金屬焊縫超聲檢測(cè)計(jì)算機(jī)仿真

CIVA是目前應(yīng)用最多的模擬軟件，在該軟件中可以進(jìn)行探頭參數(shù)、工件參數(shù)以及掃查方向等設(shè)置，利用該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接管安全端異種金屬焊縫的超聲檢測(cè)仿真模擬，為下一步檢測(cè)靈敏度試驗(yàn)和超聲檢測(cè)工藝確定提供參考[4]。

4.1 工件仿真模擬

CIVA可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接管安全端屬于異種金屬焊縫的模擬。采用母材顯微組織分析結(jié)果，按照聲學(xué)性能的差異將接管安全端異種金屬焊縫分成多個(gè)區(qū)域。在工件模擬中人為加入多個(gè)不同深度的橫通孔。

4.2 探頭仿真模擬

通過(guò)模擬軟件模擬出各種不同參數(shù)的探頭在模擬工件上進(jìn)行模擬的超聲檢測(cè)，根據(jù)模擬檢測(cè)的結(jié)果來(lái)選擇購(gòu)買合適的探頭。進(jìn)行仿真的探頭參數(shù)見表1。

4.3 超聲掃查仿真模擬結(jié)果分析

4.3.1 不同晶片尺寸雙晶縱波斜探頭仿真模擬

進(jìn)行了不同晶片尺寸雙晶縱波斜探頭仿真，結(jié)果表明：對(duì)于厚壁異種金屬焊縫大晶片雙晶縱波斜面探頭檢測(cè)靈敏度要優(yōu)于相同參數(shù)的小晶片雙晶縱波斜探頭。

4.3.2 不同形狀晶片雙晶縱波斜探頭仿真模擬

進(jìn)行了不同形狀晶片雙晶縱波斜探頭仿真，結(jié)果表明：具有相似面積的方形晶片探頭較圓形晶片探頭具有更高的檢測(cè)靈敏度。

4.3.3 不同頻率雙晶縱波斜探頭仿真模擬

進(jìn)行了不同頻率雙晶縱波斜探頭仿真，結(jié)果表明：隨著超聲波傳播深度增大，超聲波的衰減越嚴(yán)重；超聲波的頻率對(duì)能量衰減影響較大，頻率越高，衰減越嚴(yán)重。在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)，需盡量采用1MHz～2MHz的低頻探頭進(jìn)行檢測(cè)。

4.3.4 探頭對(duì)不同深度人工反射體檢測(cè)靈敏度仿真模擬

進(jìn)行了探頭對(duì)不同深度人工反射體檢測(cè)靈敏度仿真，結(jié)果表明：60°雙晶縱波斜探頭對(duì)淺層缺陷有較好的檢測(cè)靈敏度；45°雙晶縱波斜探頭對(duì)中間層缺陷有較好的檢測(cè)靈敏度。

4.3.5 探頭對(duì)不同深度人工反射體定位精度仿真模擬

進(jìn)行了探頭對(duì)不同深度人工反射體定位精度仿真，結(jié)果表明：具有相同頻率（2MHz）、相同晶片尺寸（雙晶矩形：10×22mm）的超聲波雙晶縱波斜探頭（#1、#8、#9），對(duì)于焊縫近表面缺陷，45°和60°探頭具有較高的定位精度，35°探頭定位精度較低；對(duì)于焊縫中部缺陷，35°、45°探頭定位精定較高，60°探頭定位精定較低；對(duì)于焊縫下部缺陷，35°探頭定位精度最高，45°探頭定位精定其次，60°探頭定位精度最低。

5 模擬試塊對(duì)比實(shí)驗(yàn)

模擬試塊對(duì)比實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)并制作模擬試塊，利用建立的模型及選定的探頭在試塊上進(jìn)行檢測(cè)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 模擬試塊設(shè)計(jì)加工

該模擬試塊在材料、焊縫結(jié)構(gòu)、焊接工藝等方面，與真實(shí)的焊縫相同或者相近，模擬試塊焊縫不同深度和位置設(shè)計(jì)人工反射體，人工反射體為Φ2mm的橫通孔。具體的試塊設(shè)計(jì)見圖1。

5.2 模擬試塊對(duì)比實(shí)驗(yàn)

利用專用縱波斜探頭WHT35、VRY45、VRY60、VSY45、VSY60和專用模擬試塊進(jìn)行靈敏度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探頭頻率為1.5MHz或2MHz，角度從35°到60°，探頭形式為雙晶矩形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

5.3 模擬試塊對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

1）WHT35縱波斜探頭可以檢測(cè)整個(gè)橫孔深度區(qū)域，在深度為60mm～90mm時(shí)，靈敏度較高，與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果相似，該類探頭適合檢查焊縫深層區(qū)域；

2）VRY45縱波斜探頭可以檢測(cè)整個(gè)橫孔深度區(qū)域，在深度為30mm～60mm時(shí)，靈敏度較高，與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果相似，該類探頭適合檢查焊縫中層區(qū)域；

3）VSY60縱波斜探頭和VRY60縱波斜探頭不能檢測(cè)事個(gè)橫孔區(qū)域，在深度為10mm～30mm時(shí)，靈敏度較高，與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果相似，該類探頭適合檢查焊縫淺層區(qū)域；

4） VSY45探頭不能檢測(cè)到深度超過(guò)60mm的橫孔，VSY60探頭不能檢測(cè)到深度超過(guò)10mm的橫孔。VRY45和VRY60探頭能夠檢測(cè)到更大深度的缺陷，結(jié)果表明低頻探頭更有利于發(fā)現(xiàn)焊縫中的缺陷。

實(shí)際模擬試塊對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果相似，所選探頭可以對(duì)整個(gè)焊縫區(qū)域進(jìn)行較好的檢測(cè)，驗(yàn)證了對(duì)該焊縫檢測(cè)工藝的可靠性。

6 結(jié)論

本文對(duì)核電站接管安全端異種金屬焊縫進(jìn)行了焊縫物理特性分析，包括異種金屬焊接接頭組成，焊縫及母材顯微組織分析，焊縫組織對(duì)超聲波衰減影響分析等，根據(jù)分析結(jié)果及該類型焊縫的檢測(cè)特點(diǎn)，進(jìn)行了超聲檢測(cè)工藝研究，并建立了該異種金屬焊縫超聲檢測(cè)工藝。利用無(wú)損檢測(cè)專用模擬軟件CIVA進(jìn)行了該焊縫超聲檢測(cè)的計(jì)算機(jī)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到可適用于該焊縫檢測(cè)的超聲檢測(cè)參數(shù)，最后利用模擬試塊進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬試塊對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果相吻合，所選探頭檢測(cè)參數(shù)可以對(duì)整個(gè)焊縫區(qū)域進(jìn)行較好的檢測(cè)，驗(yàn)證了該焊縫檢測(cè)工藝的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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