龔思璠，王強(qiáng)，謝正文，翟永軍，胡棟

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奧氏體不銹鋼焊縫超聲回波信號(hào)的匹配追蹤處理

龔思璠1，王強(qiáng)1，謝正文1，翟永軍2，胡棟2

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江杭州310018；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泰安分院，山東泰安271000)

奧氏體不銹鋼；焊縫顯微組織；超聲相控陣；匹配追蹤；缺陷信號(hào)

0 序言

奧氏體不銹鋼由于具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性、抗氧化性和無(wú)磁性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、機(jī)械制造及化工行業(yè)等重要鄰域[1]。奧氏體不銹鋼常采用焊接技術(shù)成型制造，在奧氏體不銹鋼使用和制造過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部沖蝕、腐蝕開裂、焊縫裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。為了確保焊縫和設(shè)備的安全，需要定期加強(qiáng)對(duì)焊縫的無(wú)損檢測(cè)[2]。超聲相控陣技術(shù)因其具有聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的功能[3]，受到了國(guó)內(nèi)外研究粗晶材料檢測(cè)人員的密切關(guān)注。但是奧氏體不銹鋼焊縫組織由于晶粒粗大，各向異性明顯，也會(huì)導(dǎo)致超聲檢測(cè)信號(hào)受到嚴(yán)重的干擾，穿透力不強(qiáng)，靈敏度不高，聲波能量明顯衰減。所以本文采用匹配追蹤去噪方法對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行提取和增強(qiáng)。

1 奧氏體焊縫組織結(jié)構(gòu)分析

奧氏體不銹鋼由于熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性差，在奧氏體焊縫冷卻凝固的過(guò)程中，溫度梯度小、散熱慢，形成了粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)。焊縫結(jié)晶晶粒的方向始于半熔化的母材晶粒，結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶方向由冷卻速度和母材晶粒方向決定。冷卻速度較快的區(qū)域促進(jìn)柱狀晶的形成；冷卻速度中等區(qū)域促進(jìn)枝狀晶的產(chǎn)生[4]。因此焊道底部會(huì)出現(xiàn)柱狀晶，焊道中部會(huì)出現(xiàn)枝狀晶。圖1(a)為放大500倍的奧氏體不銹鋼焊縫橫向切面金相組織，圖1(b)為放大50倍的奧氏體不銹鋼母材焊縫熔合區(qū)的金相組織。從圖1(a)中可以看出焊縫組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，晶粒的方向不均，大小形狀不一，枝狀晶明顯，且呈各向異性；圖1(b)顯示熔合線左邊為奧氏體母材區(qū)，右邊為焊縫區(qū)，焊縫區(qū)晶粒方向大致平行，且呈粗大等軸的柱狀晶。所以當(dāng)超聲波在焊縫組織中傳播時(shí)，由于晶粒的非均勻性和各向異性，使得超聲波產(chǎn)生嚴(yán)重的波形散射和聲能衰減。特別是對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫中較深缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，常規(guī)超聲檢測(cè)存在很大的困難。

(a) 焊縫區(qū)橫向切面圖

(b)母材焊縫熔合區(qū)

圖1 奧氏體不銹鋼焊縫金相組織

Fig.1 Metallographic structure in Austenitic stainless steel weld

2 超聲相控陣檢測(cè)及分析

2.1 試塊信息

2.2 超聲相控陣檢測(cè)及分析

檢測(cè)采用OmniScan MX2超聲相控陣成像探傷儀，探頭為5L64-A12，楔塊為SA12-N60L，耦合劑為普通機(jī)油。檢測(cè)參數(shù)設(shè)置為扇形掃查方式，激發(fā)陣元數(shù)為16，設(shè)置信號(hào)中心頻率為5 MHz，掃描角度范圍為30°～70°，采用聚焦方式為扇形聚焦，檢測(cè)波型分別采用橫波和縱波進(jìn)行檢測(cè)，顯示類型設(shè)置為A掃描和S掃描，橫、縱波檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

(a) 試塊的設(shè)計(jì)圖(單位：mm)

(b) 試塊的實(shí)物圖

圖2 奧氏體不銹鋼對(duì)接焊接接頭對(duì)比試塊

Fig.2 Comparative specimen of butt welded joint of Austenitic stainless steel

(a) 橫波檢測(cè)結(jié)果

(b) 縱波檢測(cè)結(jié)果

圖3 不同波型(橫波和縱波)檢測(cè)結(jié)果

Fig.3 Detection results of different waveforms (T-wave and P-wave)

圖3(a)增益設(shè)置為55 dB，其左側(cè)為對(duì)應(yīng)右側(cè)S掃描37°通道的A掃描信號(hào)，S掃描結(jié)果顯示橫波可以檢測(cè)到深度為10 mm和30 mm的兩處缺陷，但A掃描信號(hào)顯示出30 mm處的缺陷回波信號(hào)幾乎被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中，10 mm和30 mm兩處缺陷回波信號(hào)的信噪比分別為10.8、6.3 dB；圖3(b)增益設(shè)置為56 dB，其左側(cè)為對(duì)應(yīng)右側(cè)S掃描39°通道的A掃描信號(hào)，S掃描結(jié)果顯示出縱波可以檢測(cè)到深度為10、30、50 mm三處缺陷，且根據(jù)A掃描信號(hào)可知三處缺陷回波的信噪比分別為20、15.6、12.5 dB。對(duì)比橫波、縱波檢測(cè)結(jié)果可以知道，縱波能檢測(cè)到橫波檢測(cè)不到的深為50 mm處的缺陷，且縱波檢測(cè)缺陷回波信噪比均比橫波檢測(cè)的高9 dB左右；當(dāng)缺陷深度增加時(shí)，缺陷回波的信噪比逐漸降低，這是由于材料噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲的影響，使得超聲波的能量逐漸降低；對(duì)于70 mm處的缺陷，縱波也無(wú)法檢測(cè)到，這是由于超聲波在焊縫組織中傳播時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的聲能衰減，導(dǎo)致缺陷的回波信號(hào)淹沒(méi)在噪聲信號(hào)當(dāng)中，不能與噪聲信號(hào)區(qū)分開來(lái)。所以對(duì)于奧氏體不銹鋼焊縫這種組織結(jié)構(gòu)不均、晶粒粗大材料中深50 mm以內(nèi)缺陷的檢測(cè)，選擇縱波檢測(cè)方式可能會(huì)得到比較理想的結(jié)果。

3 匹配追蹤信號(hào)處理

3.1 匹配追蹤原理

通過(guò)年修前后硫含量的比較得知，凈化二氧化硫脫吸塔的二氧化硫脫吸效率對(duì)硫化區(qū)域的硫攜帶量有很大的影響，這也是造成砷濾餅量增加的原因之一。綜上所述，提高二氧化硫的脫吸效率，減少進(jìn)入硫化區(qū)域的二氧化硫含量可降低單質(zhì)硫的形成，從而直接降低砷濾餅的發(fā)生量。

根據(jù)上述原理可知，匹配追蹤的效果不僅跟原子數(shù)的選取有關(guān)，迭代分解次數(shù)對(duì)其也會(huì)產(chǎn)生影響。所以在使用匹配追蹤方法去噪時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際信號(hào)中可能包含缺陷信號(hào)的個(gè)數(shù)和缺陷信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行原子數(shù)和迭代分解次數(shù)的選取。

3.2 超聲回波信號(hào)的匹配追蹤處理

采用匹配追蹤方法對(duì)2.2節(jié)中奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測(cè)的回波原始信號(hào)進(jìn)行處理，獲得的超聲回波原始信號(hào)如圖4所示。為了確保超聲回波原始信號(hào)的準(zhǔn)確性，對(duì)縱波原始信號(hào)進(jìn)行頻譜分析如圖5所示。換能器的發(fā)射信號(hào)中心頻率為5 MHz，從圖4中可以推測(cè)包含的缺陷個(gè)數(shù)為2～3個(gè)，所以對(duì)匹配追蹤處理進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和修正，通過(guò)不斷改變?cè)訑?shù)和迭代次數(shù)來(lái)優(yōu)化處理結(jié)果。在橫波檢測(cè)信號(hào)的匹配追蹤處理中設(shè)置的原子數(shù)為2，迭代分解次數(shù)為80；在縱波檢測(cè)信號(hào)的匹配追蹤處理中設(shè)置的原子數(shù)為3，迭代分解次數(shù)為140。最后的匹配追蹤處理結(jié)果如圖6所示。

圖4中的超聲回波原始信號(hào)都有較好的連續(xù)性，圖4(a)橫波檢測(cè)超聲回波原始信號(hào)在0～10 mm處由于近場(chǎng)效應(yīng)，干擾噪聲非常嚴(yán)重，并且30 mm處的缺陷信號(hào)幾乎被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中，50 mm處的缺陷信號(hào)完全被噪聲信號(hào)掩蓋。圖4(b)縱波檢測(cè)超聲回波原始信號(hào)在30 mm和50 mm處顯示了兩個(gè)明顯的缺陷信號(hào)，且幅值分別為66.6%和32.5%，原始信號(hào)中缺陷顯示的位置和幅值與圖3(b)中縱波檢測(cè)結(jié)果基本一致，但是70 mm處的缺陷信號(hào)幾乎完全被噪聲信號(hào)淹沒(méi)。圖5縱波原始信號(hào)的頻譜分析結(jié)果顯示：該頻譜主要成分的頻率集中在5 MHz左右，雖然超聲波在焊縫組織中傳播導(dǎo)致頻率有部分降低(頻譜圖峰值左移)，但基本與發(fā)射信號(hào)的頻率相符，所以可以將超聲回波原始信號(hào)用于匹配追蹤信號(hào)后處理。圖6是對(duì)超聲回波信號(hào)匹配追蹤后處理的結(jié)果，對(duì)于0～10 mm近場(chǎng)區(qū)域嚴(yán)重的干擾噪聲，匹配追蹤的效果并不是非常理想。圖6(a)處理結(jié)果顯示匹配追蹤不僅保留了10 mm和30 mm處的缺陷信號(hào)且缺陷位置基本保持不變，同時(shí)還提取出了50 mm處完全被噪聲信號(hào)掩蓋的缺陷信息。圖6(b)處理結(jié)果顯示匹配追蹤雖然保留了30 mm和50 mm處的缺陷信號(hào)且缺陷位置和幅值基本保持不變，但是在約5 mm處還保留了一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)不同于材料噪聲，它是由于超聲波在楔塊和試塊的交界面發(fā)生了反射接收到的信號(hào)，所以被保留了下來(lái)，同時(shí)處理過(guò)程還提取出了埋藏較深的70 mm處的缺陷信號(hào)，如果在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中未知此處包含一個(gè)缺陷，該信號(hào)是無(wú)法判定為缺陷信號(hào)的。從圖6(a)和圖6(b)中可以看出，超聲回波信號(hào)中的噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配追蹤處理后基本被有效抑制。整個(gè)匹配追蹤對(duì)超聲檢測(cè)回波信號(hào)的后處理不僅能有效抑制噪聲信號(hào)、保留有用的缺陷信號(hào)，還能提取出被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中的缺陷信號(hào)，明顯提高了缺陷信號(hào)的信噪比，增強(qiáng)了缺陷的信息。

(a) 橫波

(b) 縱波

圖4 超聲回波原始信號(hào)

Fig.4 Raw ultrasonic echo

圖5 縱波原始信號(hào)頻譜分析

(a) 橫波

(b) 縱波

圖6 超聲回波信號(hào)的匹配追蹤處理

Fig.6 Matching track process of ultrasonic echo

4 結(jié) 論

(1) 奧氏體不銹鋼焊縫顯微組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，晶粒的方向不均，大小形狀不一，各項(xiàng)異性明顯。當(dāng)超聲波在焊縫組織中傳播時(shí)，由于晶粒的非均勻性和各向異性，會(huì)使超聲波產(chǎn)生嚴(yán)重的波形散射和聲能衰減。

(2) 利用超聲相控陣技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫中不同深度的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明縱波檢測(cè)效果比橫波檢測(cè)效果好?？v波能檢測(cè)到試塊中深為50 mm的缺陷而橫波檢測(cè)不到，且縱波檢測(cè)的10 mm和30 mm處缺陷信號(hào)的信噪比均比橫波檢測(cè)高9 dB左右。由于奧氏體不銹鋼焊縫組織結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波能量的嚴(yán)重衰減，對(duì)于埋藏較深的缺陷，縱波檢測(cè)也比較困難。

(3) 采用匹配追蹤方法對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行處理。結(jié)果顯示：該方法不僅能有效抑制噪聲信號(hào)、提高缺陷信號(hào)的信噪比，還能提取出被淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中的缺陷信號(hào)，避免的缺陷的漏檢。

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Matching track process of ultrasonic echo signal in austenitic stainless steel welds

GONG Si-fan1, WANG Qiang1, XIE Zheng-wen1, ZHAI Yong-jun2, HU Dong2

(1. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, Zhejiang, China;2. Shandong Special Equipment Inspection Institute Taian Branch,Taian271000,Shandong, China)

Austenitic stainless steel; weld microstructure; ultrasonic phased array; matching track; defect signal

TG115.28

A

1000-3630(2017)-03-0252-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.010

2016-12-15;

2017-02-17

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201410027)

龔思璠(1991－), 女, 湖南岳陽(yáng)人, 碩士研究生，研究方向?yàn)槌曄嗫仃嚈z測(cè)。

王強(qiáng), E-mail: qiangwang@cjlu.edu.cn