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        超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用

        2020-06-29 12:34:31黃海霞
        機電信息 2020年15期

        摘 要:異種鋼焊縫深刻影響著整體結(jié)構(gòu)的安全,因此必須對焊接質(zhì)量進行嚴格的檢測,防止由于缺陷的存在而帶來的嚴重后果。異種鋼焊縫通常具有形狀不規(guī)則的特點,采用傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)很難進行準確檢測。超聲相控陣由于可以偏轉(zhuǎn)和聚焦,因而在異種鋼焊縫檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)通過實驗手段對超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用進行了詳細探討,對常見缺陷的超聲反射回波進行了分析。實驗結(jié)果表明:超聲相控檢測技術(shù)可以較好地滿足異種鋼焊縫檢測的要求。

        關(guān)鍵詞:超聲相控陣;異種鋼焊接;焊縫檢測

        0? ? 引言

        隨著各類設(shè)備和材料的增加,不同材料之間的組合應(yīng)用日益普遍,尤其是鋼材的對接使用更是常見。鋼材對接會遇到異種鋼焊接問題,由于不同種類的鋼材料在物理、化學(xué)等特性上有明顯的區(qū)別,二者之間的焊接成為應(yīng)用的難點之一[1]。無損檢測技術(shù)是檢測焊縫質(zhì)量的主要技術(shù),其中超聲技術(shù)由于環(huán)保便捷而成為最主要的無損檢測技術(shù)之一。

        隨著技術(shù)的發(fā)展,焊縫質(zhì)量檢測的要求也在不斷提高,超聲相控陣的應(yīng)用更加廣泛,并且技術(shù)日益成熟。超聲相控陣的出現(xiàn),使焊縫缺陷可以通過二維成像結(jié)果清晰地顯示出來,大大提高了檢測的效率和可靠性。

        本文通過實驗手段對超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用進行了詳細探討,具有重要的現(xiàn)實意義。

        1? ? 超聲相控陣的原理及優(yōu)勢

        超聲檢測技術(shù)是工業(yè)無損檢測四大常規(guī)技術(shù)中的重要一員,超聲相控陣則是傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)的進一步發(fā)展,它已成為提高無損檢測效率和質(zhì)量的重要手段。超聲檢測主要是利用了聲波的反射現(xiàn)象進行材料缺陷的識別,是聲學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。超聲探頭中的壓電晶片在電場的作用下發(fā)出高頻振動,振動由探頭傳播出來后形成超聲波,超聲波在穿透材料的過程中,一旦遇到不規(guī)則的介質(zhì),其正常傳播就會受到干擾,造成部分聲波被吸收或反射回來,探頭接收反射或透射的聲場后通過儀器顯示出來,即可分析出工件內(nèi)部的缺陷信息[2]。

        超聲相控陣是通過多個探頭組成陣列,利用電子技術(shù)控制聲場的聚焦方式和偏轉(zhuǎn)角度,聲場在穿透工件后反射回來重新被探頭陣列接收,經(jīng)過工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)制后的聲場攜帶了工件的缺陷信息,通過二維成像設(shè)備顯示出來后,即可識別出缺陷的位置、程度、形態(tài)等信息[3]。顯然,超聲相控陣技術(shù)無論是在檢測效率還是缺陷的識別率方面都較傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)有很大的提高,特別是對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測,超聲相控陣技術(shù)甚至完全取代了一維超聲。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,超聲相控陣正朝著自動化、智能化的方向發(fā)展。

        2? ? 異種鋼焊縫的檢測難點分析

        2.1? ? 異種鋼焊接的特點

        異種鋼的焊接在近年來呈現(xiàn)連年增加的趨勢,這主要是因為某些異種鋼具有比純種鋼更好的化學(xué)性能,例如普通碳鋼和不銹鋼焊接在一起就可以顯著提高其耐腐蝕性能,這種鋼材的應(yīng)用正在不斷推廣。但是,異種鋼由于材料的不均勻性,會給超聲檢測帶來新的問題。

        奧氏體不銹鋼是異種鋼中最常用的材料,具有很好的塑韌性,因此可以通過冷熱加工做成各種形狀的零件。然而,奧氏體不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)較其他鋼材要小,熔點也明顯變低,線膨脹系數(shù)較大,因此在異種鋼焊接時很容易出現(xiàn)粗大鑄態(tài)組織[4],這會給超聲檢測帶來較大的噪聲和能量損失。另外,在焊接的高溫條件下很容易引發(fā)奧氏體異種鋼的蠕變裂紋,使缺陷率明顯上升。

        總之,異種鋼在物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異比較明顯,常規(guī)的焊接會使缺陷概率有所上升。

        2.2? ? 異種鋼焊縫檢測的難點

        異種鋼焊接材料的優(yōu)異性能是以高質(zhì)量的焊接為基礎(chǔ)的,因此只有在保證焊接質(zhì)量的條件下,才能發(fā)揮出異種鋼的最大優(yōu)勢。這里仍以最常用的奧氏體不銹鋼與碳鋼的焊接為例進行分析。

        奧氏體不銹鋼焊縫中通常會產(chǎn)生大量的粗大晶粒,如果采用常規(guī)的超聲波檢測手段,會出現(xiàn)嚴重的散射現(xiàn)象,使回波攜帶大量噪聲,甚至找不到明顯的回波波形。一般來說,如果晶粒直徑大于聲波波長的1/10,就會產(chǎn)生明顯的散射;如果達到波長的一半,則回波幾乎被淹沒在噪聲之中,無法對缺陷進行可靠判讀。除了散射之外,粗大晶粒造成的聲波能量衰減也使檢測的難度大大提高,散射波經(jīng)過反復(fù)的反射回到探頭后,往往變成信噪比很低的叢狀波。再者,異種鋼焊縫的各向異性還會使聲波產(chǎn)生折射,影響聲波的正常接收和缺陷形態(tài)的準確判讀。可見,異種鋼焊縫的超聲波檢測難度極大。

        3? ? 異種鋼焊縫檢測研究

        焊縫檢測實質(zhì)上是一個將缺陷轉(zhuǎn)換為電信號并提取其特征量的過程。

        為了研究超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用,本文通過實驗手段對預(yù)制的人工缺陷進行實驗,通過信號的提取和分析對各類缺陷進行識別和判讀。

        3.1? ? 實驗材料及設(shè)備

        本文采用的異種鋼母材分別為Q235與304不銹鋼,尺寸均為300 mm×160 mm×25 mm,兩者開V型坡口對接后進行高溫焊接,焊接材料采用直徑為2.5 mm的308焊條,耦合劑類型為甘油。相控陣設(shè)備采用奧林巴斯MX2,其探頭采用了中心頻率為5 MHz的64晶片,通過楔塊制造近場效應(yīng),同時防止探頭磨損。

        3.2? ? 缺陷預(yù)制

        為進行實驗,在焊接試板上預(yù)制了夾雜、裂紋和氣孔三類缺陷,其中夾雜缺陷是在打底層焊縫填充金屬表層把焊絲預(yù)埋在焊縫中;裂紋缺陷是在焊接時強制局部受熱或冷卻,同時施加拉力制造熱裂紋;氣孔缺陷通過去除焊條表面的藥皮來預(yù)制。試板缺陷示意圖如圖1所示。

        3.3? ? 檢測工藝設(shè)計

        通過計算機仿真軟件ESbeam tool,按照上述試板的接頭形式進行聲束覆蓋模擬。本實驗選用復(fù)合扇掃工藝,即將扇掃和線掃的激發(fā)形式結(jié)合在一起,既有連續(xù)角度變化,又有大覆蓋范圍,將扇掃和線掃的優(yōu)勢結(jié)合在一起。

        聲束覆蓋仿真是基于理論聲學(xué)公式計算,模擬超聲波探頭在特定工藝設(shè)置下產(chǎn)生的波束覆蓋,設(shè)計出最佳的工藝參數(shù)設(shè)置,從而指導(dǎo)實際檢測。

        圖2為45°~70°的復(fù)合扇掃效果圖,可以看出,異種鋼焊接接頭檢測,需要在雙面雙側(cè)實施縱波一次波法,即直射法進行檢測,才能保證焊縫及熱影響區(qū)100%覆蓋。

        3.4? ? 實驗步驟

        (1)兩種母材分別開U型坡口,采用TIG焊打底、308鈦焊條、H0Cr19Ni19焊絲,通過手工電弧焊完成焊接。

        (2)在焊縫上預(yù)制多種缺陷類型。

        (3)采用設(shè)備出廠建模軟件設(shè)置待檢工件的尺寸和焊縫參數(shù),然后通過焊接試板調(diào)整超聲相控陣設(shè)備的適配參數(shù),對預(yù)制缺陷進行逐一檢測。

        (4)對相控陣設(shè)備進行校準,包括聲速校準、楔塊延遲校準、靈敏度校準和時間增益修正。

        (5)采用射線檢測作為對比試驗,X射線參數(shù)設(shè)置為曝光時間1 min,輻照電壓170 kV,對預(yù)制缺陷進行檢測。

        (6)將射線檢測與超聲相控陣的檢測結(jié)果進行比較,得出實驗結(jié)論。

        3.5? ? 結(jié)果分析

        檢測方向與焊縫平行,采用垂直于焊縫的方向進行掃查,扇掃角度為45°~70°,掃查步進值為1°,探頭一發(fā)一收。超聲相控陣掃查結(jié)果和相應(yīng)缺陷的射線檢測結(jié)果如圖3所示。

        從實驗結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn),夾雜缺陷檢測具有較高的A掃幅值,但裂紋和氣孔的A掃幅值相對較低,這是因為夾雜屬于體積性缺陷,對于超聲波具有強烈的反射作用;而裂紋屬于線性缺陷,反射面十分有限,因而很難收到明顯的回波;氣孔則表現(xiàn)為多個回波峰值,現(xiàn)象與密集型氣孔十分相似。

        與射線檢測結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn),盡管超聲相控陣的檢測效果仍比不上射線檢測,但氣孔、夾雜、裂紋三種缺陷仍可清晰識別,并且與射線檢測結(jié)果基本一致,由此證明了超聲相控陣檢測結(jié)果的可靠性。

        4? ? 結(jié)語

        在現(xiàn)代工業(yè)體系和醫(yī)學(xué)體系中,超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為一門獨立而成熟的無損檢測技術(shù)和醫(yī)學(xué)診斷技術(shù),其應(yīng)用優(yōu)勢日益突顯,是無損檢測技術(shù)和醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。隨著各種異種鋼焊接接頭的出現(xiàn),超聲相控陣技術(shù)更是成為了無損檢測的關(guān)鍵手段。在信號處理算法不斷進步的背景下,異種鋼焊縫的各種缺陷都可以較好地在信號特征中得到體現(xiàn)并成功提取出來,使大部分缺陷具備良好的可鑒別性,這將大大推動異種鋼材料的廣泛應(yīng)用。

        隨著電子計算機和先進控制算法的飛速發(fā)展,超聲相控陣正逐步實現(xiàn)自動化和智能化,成為工業(yè)領(lǐng)域極為重要的無損檢測手段。

        [參考文獻]

        [1] 姚小靜,韓偉,韓明,等.壓力容器制造過程中異種鋼焊接工藝及無損檢測方法研究[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2019,35(5):38-40.

        [2] 陳小明,賴傳理,張軍輝,等.小徑管異種鋼對接焊縫層間未熔合缺陷的檢測方法[J].無損檢測,2019,41(1):32-34.

        [3] 王正.相控陣檢測在厚壁鎳基合金異種鋼焊縫的研究[J].鍋爐制造,2018(5):35-39.

        [4] 江野,王東,秦小陽,等.奧氏體異種鋼薄壁小徑管焊縫裂紋超聲相控陣檢測[J].焊接學(xué)報,2018,39(8):119-122.

        收稿日期:2020-03-25

        作者簡介:黃海霞(1985—),女,江蘇如皋人,碩士,工程師,研究方向:焊接檢驗、無損檢測、質(zhì)量管理。

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