齊高君1，岳大慶1，楊 敬， 徐學(xué)堃1，焦敬品

(1.山東豐匯工程檢測(cè)有限公司，濟(jì)南 250200；2.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

奧氏體不銹鋼以其優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性以及低溫韌性被廣泛應(yīng)用于電力、石化等行業(yè)的管道系統(tǒng)中[1]。由于該材料導(dǎo)熱性較差，線膨脹系數(shù)較大，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，容易產(chǎn)生晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷，影響焊縫的質(zhì)量[2]，因此奧氏體不銹鋼焊縫是工程中的重點(diǎn)檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)部位。

奧氏體不銹鋼焊縫在凝固時(shí)未發(fā)生相變，室溫下以鑄態(tài)柱狀?yuàn)W氏體晶粒存在，該組織晶粒粗大、不均勻，具有顯著的各向異性。超聲波在各向異性焊縫中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生畸變、分離和傳播路徑的變化[3-4]，進(jìn)而產(chǎn)生較大的衰減和散射，直接影響超聲波檢測(cè)的靈敏度和精度。

相控陣超聲波檢測(cè)是目前國(guó)際上先進(jìn)、前沿的超聲波檢測(cè)技術(shù)[5]。該技術(shù)具有聲束靈活可控、可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，并具有電子濾波等優(yōu)勢(shì)，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)各向異性材料的無(wú)損檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外已有多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測(cè)研究。龔思璠等[6]采用匹配追蹤后處理的方法對(duì)相控陣檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行了處理，提高了奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)的信噪比。張鷹等[7]提出了一種二維距離波幅表法，該方法能解決奧氏體焊縫中缺陷無(wú)法定量的問(wèn)題，并且提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。胡棟等[8]利用相控陣超聲技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫中的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)改進(jìn)檢測(cè)工藝有效抑制了噪聲信號(hào)，提高了檢測(cè)精度和效率。

筆者針對(duì)小徑管奧氏體不銹鋼焊縫各向異性的特點(diǎn)，利用CIVA仿真技術(shù)對(duì)縱波聲束入射角度與回波聲壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)相控陣探頭楔塊角度進(jìn)行了優(yōu)化，最終通過(guò)對(duì)試樣的測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性。

1 檢測(cè)方法

1.1 基本原理

利用電子背散射衍射技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行金相組織分析，通過(guò)圖像處理將焊縫中晶粒取向相近的區(qū)域看作一個(gè)均勻區(qū)域，將整個(gè)焊縫分成多個(gè)均勻的各項(xiàng)異性區(qū)域并建立Silk模型[9-10]，基于Silk焊縫模型，利用射線追蹤法[11]確定各向異性焊縫中的傳播路徑。運(yùn)用CIVA仿真技術(shù)對(duì)被檢試樣進(jìn)行仿真計(jì)算，確定縱波入射角度與回波聲壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即楔塊角度與回波最大幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)仿真結(jié)果，確定最佳的縱波入射角以獲得最大的缺陷回波幅值，即確定最佳的楔塊角度。

1.2 檢測(cè)設(shè)備和試樣參數(shù)

檢測(cè)儀器包括計(jì)算機(jī)、相控陣檢測(cè)儀和相控陣探頭，探頭參數(shù)如表1所示，檢測(cè)試樣參數(shù)如表2所示。

表1 相控陣探頭參數(shù)

探頭頻率/MHz陣元數(shù)量陣元寬度/mm陣元間距/mm5320.50.1

表2 檢測(cè)試樣參數(shù)

1.3 模型建立

由于奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性好，在對(duì)其進(jìn)行常規(guī)金相組織分析時(shí)，浸蝕劑的選擇和浸蝕時(shí)間的控制相對(duì)較難，不容易得到清晰的金相組織圖片。掃描電鏡背散射電子成像技術(shù)利用的是精細(xì)聚焦電子束轟擊樣品表面產(chǎn)生的背散射電子信號(hào)成像，只需對(duì)試樣磨平拋光，不需進(jìn)行化學(xué)拋光，可快速地分析樣品的組織構(gòu)成及晶粒位向，并具有較高的襯度，是目前常用的材料組織分析技術(shù)。首先采用該技術(shù)對(duì)試樣焊縫進(jìn)行組織分析，背散射電子金相圖片如圖1所示。

圖1 試樣的背散射電子金相圖片

圖2 圖像處理流程

對(duì)金相圖片進(jìn)行處理，將焊縫中晶粒取向相近的區(qū)域看作一個(gè)均勻區(qū)域，將整個(gè)焊縫分成多個(gè)均勻的各項(xiàng)異性區(qū)域，圖像處理流程如圖2所示，根據(jù)圖像處理結(jié)果建立Silk模型(見(jiàn)圖3)，確定晶粒方向。

圖3 焊縫Silk模型

1.4 傳播路徑計(jì)算

通過(guò)Silk模型的建立，確定了晶粒方向?；谠撃Ｐ?，運(yùn)用射線追蹤法計(jì)算聲線在介質(zhì)中的傳播路徑;求解各向異性介質(zhì)的彈性波的波動(dòng)方程，得到超聲波在各項(xiàng)異性材料中的相速度和群速度的大小和方向;再根據(jù)斯涅爾定律，已知兩種介質(zhì)的聲速，根據(jù)入射方向求得超聲波的折射方向。

1.5 仿真研究

根據(jù)試樣坡口形式和焊接工藝設(shè)置焊縫結(jié)構(gòu)參數(shù)，在焊縫中心設(shè)置1個(gè)直徑為1 mm的圓形缺陷，通過(guò)CIVA仿真軟件構(gòu)建仿真模型(見(jiàn)圖4)，將晶粒參數(shù)、入射方向及折射方向關(guān)系式等相關(guān)參數(shù)輸入至仿真軟件中，進(jìn)行仿真模擬(見(jiàn)圖5)。

圖4 仿真模型建立

圖5 CIVA 仿真結(jié)果

采用不同的探頭入射角度，即改變楔塊角度參數(shù)對(duì)焊縫中心的模擬缺陷進(jìn)行檢測(cè)，在同一方向選取A掃信號(hào)記錄缺陷的反射回波幅值。以5°為步進(jìn)，測(cè)試楔塊角度范圍為5°～60°時(shí)對(duì)應(yīng)的缺陷回波幅值，不同楔塊角度對(duì)應(yīng)的最大幅值變化曲線如圖6所示。分析檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)楔塊角度為20°時(shí)回波幅值最大。

圖6 不同楔塊角度對(duì)應(yīng)的最大幅值變化曲線

相控陣檢測(cè)靈敏度的高低主要取決于聚焦法則的設(shè)置，聚焦法則設(shè)置中除了掃查角度參數(shù)外，另一主要變量就是探頭的檢測(cè)距離，即相控陣探頭距焊縫的水平位移距離。上文分析了楔塊角度與缺陷回波幅值的變化規(guī)律，而要獲取最佳的檢測(cè)效果還需要加入探頭檢測(cè)距離這一變量進(jìn)行綜合分析，為此，再進(jìn)行模擬仿真，以分析楔塊角度和檢測(cè)距離這兩個(gè)變量對(duì)缺陷回波幅值的影響。設(shè)置楔塊角度以2°為步進(jìn)，角度變化范圍為2°～40°；設(shè)置檢測(cè)距離以5 mm為步進(jìn)，距離變化范圍為10～25 mm，利用CIVA仿真軟件模擬對(duì)應(yīng)的缺陷回波幅值變化。不同檢測(cè)距離和楔塊角度對(duì)應(yīng)的最大幅值變化曲線如圖7所示。將同一檢測(cè)距離的一組測(cè)試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行幅值歸一化，得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 不同檢測(cè)距離和楔塊角度對(duì)應(yīng)的最大幅值變化曲線

圖8 幅值歸一化數(shù)據(jù)

經(jīng)分析確認(rèn)，不同檢測(cè)距離時(shí)，缺陷回波最大幅值對(duì)應(yīng)的楔塊角度范圍均為20°～30°，并且隨著檢測(cè)距離的增大，缺陷回波幅值呈遞減趨勢(shì)，因此該小徑管不銹鋼焊接試樣的最優(yōu)檢測(cè)距離為10 mm，對(duì)應(yīng)的楔塊角度為20°。考慮到同批試樣雖然焊接工藝相同，但焊縫相關(guān)參數(shù)仍存在稍許偏差，同時(shí)也無(wú)法對(duì)每個(gè)試樣都進(jìn)行切割來(lái)分析其金相組織，因此最經(jīng)濟(jì)的方式是定制角度為20°的探頭楔塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

2 檢測(cè)結(jié)果

制作角度為20°的相控陣探頭楔塊并與探頭組裝，連接檢測(cè)設(shè)備并進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置設(shè)備參數(shù)與CIVA仿真試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)一致，對(duì)小徑管試樣進(jìn)行檢測(cè)。

采用縱波斜入射檢測(cè)模式，扇掃角度范圍為60°～89°，可有效檢測(cè)出焊縫中埋藏深度為3 mm的圓形缺陷，其扇掃結(jié)果如圖9所示，焊縫根部未熔合缺陷的扇掃結(jié)果如圖10所示。從扇掃圖像可以看出，該檢測(cè)方案的信噪比高，成像質(zhì)量好。通過(guò)對(duì)比常規(guī)商用相控陣檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果，該方案提高了缺陷的檢出率，并且大大提高了缺陷檢測(cè)精度。

圖9 圓形缺陷扇掃結(jié)果

圖10 未熔合缺陷扇掃結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

采用相控陣超聲波檢測(cè)方法對(duì)各項(xiàng)異性焊縫檢測(cè)時(shí)，焊縫晶粒的非均勻性和各項(xiàng)異性會(huì)嚴(yán)重影響聲束傳播，使超聲波束無(wú)法按聚焦法則進(jìn)行聚焦和掃描，需根據(jù)試樣的金相組織具體分析晶粒的方向，計(jì)算聲波的相速度和群速度，進(jìn)而計(jì)算傳播路徑，優(yōu)化檢測(cè)工藝。

楔塊角度不同，聲束在焊縫中的傳播路徑就不同，致使儀器計(jì)算的聲發(fā)射、接收延時(shí)不同，在扇掃范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度也不同，通過(guò)CIVA軟件測(cè)試模擬缺陷回波的最大幅值，進(jìn)而確定最優(yōu)的楔塊角度，可減小聚焦法則在實(shí)際檢測(cè)中存在的偏差，進(jìn)而提高實(shí)際檢測(cè)中的缺陷檢測(cè)精度和成像質(zhì)量。

研究工作為奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣檢測(cè)提供了一種可行的工藝優(yōu)化方案和新的研究思路，目前已對(duì)制作的TP310H、TP304、TP316、TP347H材料的不銹鋼小徑管試樣進(jìn)行了測(cè)試，均得到了良好的檢測(cè)效果，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。