張巖,陳智聰,朱佳震

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司,江蘇 蘇州 215004)

奧氏體不銹鋼板對(duì)接焊縫的相控陣超聲檢測(cè)方法

張巖,陳智聰,朱佳震

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司,江蘇 蘇州 215004)

奧氏體不銹鋼因其耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)越等特點(diǎn)而在各工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.但奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)各種缺陷,而常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)手段都很難高效地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè).相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的引入為解決這一問(wèn)題提供了一種方法.本文從奧氏體不銹鋼的應(yīng)用背景出發(fā),簡(jiǎn)要介紹了奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)研究現(xiàn)狀,闡述了相控陣超聲檢測(cè)的基本原理,然后通過(guò)專用試塊的測(cè)試,論證了此檢測(cè)方法是合理的.

奧氏體不銹鋼;焊縫檢測(cè);相控陣;無(wú)損檢測(cè)

奧氏體不銹鋼是一種耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)越的常用材料,常用于制造核電設(shè)備的關(guān)鍵零部件.但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)熱裂紋,存在一定的安全隱患.因此,奧氏體不銹鋼焊接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)是其投入使用之前的重要工作.常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)手段都能實(shí)施焊縫檢測(cè),但考慮到操作的安全性和可操作性,超聲檢測(cè)成為最常用的方法.然而,奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中無(wú)相變,且會(huì)出現(xiàn)粗大的柱狀晶體組織,其不均勻性和彈性各向異性非常明顯,會(huì)對(duì)檢測(cè)聲束造成嚴(yán)重的散射,從而影響檢測(cè)的可靠性.因此,奧氏體不銹鋼焊縫的檢測(cè)方法一直是相關(guān)學(xué)者和工程人員的研究重點(diǎn).近年來(lái),相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速,因其具有動(dòng)態(tài)聚焦、成像清晰、靈敏度高、分辨力好、信噪比高等優(yōu)點(diǎn),非常適用于奧氏體不銹鋼板對(duì)接焊縫的檢測(cè).

1 奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫檢測(cè)的難點(diǎn)

奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫檢測(cè)的檢測(cè)一直是無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)之一,這是由于奧氏體不銹鋼本身的理化性質(zhì)決定的.奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中無(wú)相變,且會(huì)出現(xiàn)粗大的柱狀晶體組織,其不均勻性和彈性各向異性非常明顯,增加了檢測(cè)難度.奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫的常規(guī)檢測(cè)方法有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)等,這些方法都具有一定的發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷的能力,但也有著各自的缺點(diǎn).射線檢測(cè)是奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)的最有效的方法之一,能發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼焊縫中的大多數(shù)缺陷,但對(duì)于平行于射線方向的面積型缺陷則無(wú)能為力,并且射線對(duì)人身有害,可操作性不強(qiáng).滲透檢測(cè)只能檢測(cè)出焊縫表面的開口缺陷而無(wú)法檢測(cè)出工件內(nèi)部缺陷,使用具有很大的局限性.常規(guī)的脈沖反射式超聲檢測(cè)對(duì)面狀型缺陷檢出率也比較高,但由于奧氏體焊縫處晶粒粗大而對(duì)超聲波產(chǎn)生嚴(yán)重衰減,影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外在較早的時(shí)期就已經(jīng)將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)上了,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,目前在低頻TRL相控陣超聲聲場(chǎng)建模仿真、成像和信號(hào)處理技術(shù)、儀器研制和參數(shù)優(yōu)化及工藝改進(jìn)等方面都有了很多研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),市場(chǎng)上也有了很多成熟的技術(shù).國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究也取得了不少成果.清華大學(xué)從相控陣超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度,分析了各向異性材料對(duì)相控陣聚焦的影響,為實(shí)驗(yàn)和模擬研究相控陣超聲檢測(cè)奧氏體不銹鋼材料的技術(shù)提供了相應(yīng)的理論依據(jù).南昌航空大學(xué)對(duì)預(yù)制的氣孔和夾雜缺陷的奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)方法研究,發(fā)現(xiàn)相控陣超聲檢測(cè)方法比其它方法具備更大的檢測(cè)范圍,并實(shí)現(xiàn)了缺陷的有效評(píng)價(jià).大連理工大學(xué)針對(duì)核電站厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫的難點(diǎn),建立了相應(yīng)的離心鑄造奧氏體不銹鋼焊縫模型,并相控陣超聲聚焦特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)采用低頻聚焦探頭可以提高檢測(cè)深度,反之亦然.這些研究都對(duì)國(guó)內(nèi)奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)提供了重要的參考.

3 相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)全新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),近年發(fā)展非常迅速.該技術(shù)最初主要用于醫(yī)療領(lǐng)域,目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域.超聲相控陣換能器的工作原理是基于惠更斯-菲涅耳原理.相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括陣列式換能器、相位控制、聚焦調(diào)節(jié)和成像控制等.換能器是相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備的超聲波子聲源,一般是將多個(gè)陣元按一定的規(guī)律排列成陣列.陣列換能器發(fā)出聲波后,由計(jì)算機(jī)控制各個(gè)陣元發(fā)射和接收延遲時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)聲束波面方向的控制和各種聚焦模式.與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比,相控陣超聲檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、可視化成像等優(yōu)點(diǎn),非常適用于缺陷的定量表征.相控陣超聲檢測(cè)原理圖如圖1所示.

圖1 相控陣超聲檢測(cè)原理圖

在相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)中,由計(jì)算機(jī)控制的聲束掃描方式主要有線性掃描、動(dòng)態(tài)深度聚焦和扇形掃描三種.圖像顯示模式主要有A 掃查模式、B 掃描模式、C掃描模式、D 掃描模式和 S 掃查模式五種.聚焦方式可以采用投影聚焦、真實(shí)深度聚焦、半聲程聚焦和聚焦平面聚焦四種方式.

4 相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

4.1 參數(shù)的選擇

為了提高檢測(cè)可靠性、準(zhǔn)確性和檢測(cè)效率,本文首先進(jìn)行相控陣聲場(chǎng)模擬研究,尋找最優(yōu)檢測(cè)參數(shù).仿真過(guò)程采用了CIVA軟件對(duì)奧氏體不銹鋼對(duì)接試塊進(jìn)行建模,仿真橫波 45°和縱波 30°偏轉(zhuǎn)角度時(shí)不同聚焦深度下的聲場(chǎng).仿真表明,聚焦深度增大時(shí)焦點(diǎn)區(qū)域聲場(chǎng)能量分布更均勻.

在實(shí)際檢測(cè)時(shí)依據(jù)不同厚度的試塊選取能夠覆蓋該試塊厚度的聚焦深度.為了進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)參數(shù),本文采用ZETEC公司的TOPAZ便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀,配合64單元陣列3.5MHz 探頭(3.5MHz 64elts Matrix Array)進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)較大的波長(zhǎng)使得柱狀組織對(duì)超聲波的衰減影響減小,而在奧氏體不銹鋼中縱波波長(zhǎng)是橫波波長(zhǎng)的兩倍,因此,當(dāng)試塊厚度較小時(shí)應(yīng)采用橫波檢測(cè).在滿足其它條件的情況下,檢測(cè)頻率應(yīng)盡可能提高.本文采用 3.5MHz探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

4.2 相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)加工了厚度為 10mm和 40mm 的焊縫試塊各一塊,表面加工了模擬缺陷的U 型槽,分別采用縱波檢測(cè)和橫波檢測(cè)兩種方法進(jìn)行對(duì)比研究,如表1.

4.2.1 縱波檢測(cè)

縱波檢測(cè)采用A掃和S 掃查方式,扇掃偏轉(zhuǎn)角約為±35°.頻率為3.5MHz,64晶片.在焊縫兩側(cè)結(jié)合編碼器進(jìn)行柵格掃查,保證了聲束可以覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域.厚度 10mm和 40mm 的焊縫試塊分別在12.5mm和 45.5mm的深度進(jìn)行聚焦.實(shí)驗(yàn)表明,相控陣超聲回波能量非常集中,缺陷回波清晰可見(jiàn).U 型槽深度檢測(cè)誤差見(jiàn)表1,10mm和 40mm試塊的U型槽深度檢測(cè)誤差分別僅為-0.2和0.3mm,準(zhǔn)確度非常高.

表1 U型槽檢測(cè)結(jié)果mm

4.2.2 橫波檢測(cè)

采用 3.5MHz,64晶片的相控陣探頭對(duì)同一試塊進(jìn)行橫波檢測(cè),同樣采用A掃和S掃描方式,結(jié)果表明,缺陷回波清晰,聲束能量集中.高度定量誤差為0.4 mm和0.3mm.進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用1.5MHz相控陣探頭(1.5M32X2E64-15)時(shí)回波能量較低,波束變形嚴(yán)重,分辨率大大下降,很難對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別與評(píng)價(jià).值得注意的是,橫波在奧氏體不銹鋼中存在較嚴(yán)重的散射現(xiàn)象,采用橫波檢測(cè)并非廣泛適用.

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用 CIVA 軟件仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式,對(duì)厚度為 10mm和 40mm 的奧氏體不銹鋼板對(duì)接焊縫模擬試塊分別進(jìn)行了橫波和縱波的相控陣檢測(cè),實(shí)驗(yàn)表明,檢測(cè)誤差均在0.4mm以內(nèi),但縱波檢測(cè)的精度比橫波檢測(cè)要高.

隨著工業(yè)的發(fā)展,超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最有發(fā)展前景的技術(shù)之一.不難預(yù)測(cè),未來(lái)的超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將朝著聲場(chǎng)建模和仿真、二維相控陣探頭設(shè)計(jì)、圖像顯示與重建、自適應(yīng)聚焦、全自動(dòng)檢測(cè)等方向發(fā)展,超聲相控陣系統(tǒng)無(wú)論是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、相控陣超聲檢測(cè)計(jì)算模型,還是在設(shè)備更新?lián)Q代、檢測(cè)實(shí)踐的加深等方面都將有長(zhǎng)足的進(jìn)步.

[1]涂春磊,鄒建華,強(qiáng)天鵬,李士林,鄭凱,孫忠波. 對(duì)接焊縫相控陣超聲檢測(cè)可靠性的CIVA仿真與試驗(yàn)[J]. 無(wú)損檢測(cè),2013,35(11):22-26.

[2]李來(lái)平,周建平,危荃. 基于相控陣超聲的鋁合金熔焊縫缺陷深度定位技術(shù)研究[J]. 宇航材料工藝,2014,44(05):69-72.

[3]汪良華. 承壓設(shè)備對(duì)接焊縫超聲相控陣檢測(cè)圖譜分析[D].南昌航空大學(xué),2014.

[4]孫舒然,陳以方,原可義,韓贊東. 厚壁焊縫陣列超聲SH波檢測(cè)的成像方法[J]. 無(wú)損檢測(cè),2013,35(04):10-14.

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