朱旭晨，劉晴巖，顧福明，吳 芃，丁 菊，劉書(shū)宏,諸 穎

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；2.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

1 概述

9Ni鋼是國(guó)際上廣泛使用的鋼種，從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，對(duì)9Ni鋼的研究和開(kāi)發(fā)工作一直沒(méi)有中斷過(guò)，尤其是對(duì)其焊接性能的研究。9Ni鋼焊接特性的研究結(jié)果表明：9Ni鋼焊接接頭的韌性良好，即使不通過(guò)消除焊接殘余應(yīng)力的焊后熱處理，也能夠滿足低溫容器安全運(yùn)行的要求。故，9Ni鋼在LNG(液化天然氣)儲(chǔ)罐建造中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1 9Ni鋼焊縫超聲檢測(cè)研究現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

9Ni鋼儲(chǔ)罐焊縫內(nèi)部缺陷常用的檢測(cè)方法主要有射線檢測(cè)法和超聲檢測(cè)法，其中射線檢測(cè)屬于比較傳統(tǒng)、成熟的檢測(cè)方法，但是其對(duì)于平面型缺陷的識(shí)別較為困難，同時(shí)9Ni鋼焊縫和母材金屬吸收X射線的特性不一致，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤識(shí)別。而超聲檢測(cè)法具有對(duì)平面型缺陷的高檢測(cè)靈敏度、即時(shí)提供檢測(cè)結(jié)果、不產(chǎn)生放射性等優(yōu)勢(shì)，成為9Ni鋼焊縫檢測(cè)當(dāng)下的研究重點(diǎn)。

趙中齡等[1]對(duì)9Ni鋼大型球罐焊縫進(jìn)行了超聲波檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)9Ni鋼大型球罐焊縫晶粒粗大，常用的橫波入射法無(wú)法使用，為此開(kāi)發(fā)了窄脈沖縱波斜探頭的應(yīng)用，以提高檢測(cè)靈敏度、改善分辨率、獲得高的信噪比，配合使用 9Ni 鋼母材制作的試塊，對(duì)9Ni鋼球罐焊縫的超聲檢測(cè)效果較好。

車成武[2]對(duì)公稱體積為1500m3的9Ni鋼儲(chǔ)罐進(jìn)行了超聲檢測(cè)，彌補(bǔ)了射線檢測(cè)的不足，且對(duì)焊縫中的缺陷深度進(jìn)行了準(zhǔn)確定位。研究發(fā)現(xiàn)采用6分貝法對(duì)裂紋缺陷測(cè)長(zhǎng)不夠準(zhǔn)確，從實(shí)際缺陷的打磨情況看，一般裂紋尺寸都較檢測(cè)結(jié)果的長(zhǎng)一些，對(duì)于這類缺陷測(cè)長(zhǎng)至少要增加2分貝。

李衍等[3]研究了設(shè)置窄槽、熱裂紋的9Ni鋼焊縫超聲 TOFD檢測(cè)中的信號(hào)處理方法，利用小波變換法將檢出信號(hào)分解為多個(gè)頻帶寬度不同的成分，重建了A型顯示信號(hào)。結(jié)果表明，缺陷回波的平均信噪比可提高約18 dB，D掃描圖像中的缺陷顯示也分外明顯。

可見(jiàn)，9Ni鋼超聲波檢測(cè)存在的主要問(wèn)題，除了焊縫組織變化引起的聲波速度變化對(duì)定位的影響和焊縫中超聲波的信噪比對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響外，更重要的是焊縫晶粒度粗大對(duì)缺陷定量準(zhǔn)確性的影響。

1.2 焊接工藝對(duì)9Ni鋼焊縫組織以及焊縫晶粒粗細(xì)的影響

焊接工藝會(huì)改變焊縫的微觀組織與晶粒度大小，直接影響焊縫的機(jī)械性能尤其是沖擊韌性，而裂紋等缺陷的產(chǎn)生與焊縫的韌性密切相關(guān)。

采用不同的焊接工藝，9Ni鋼焊縫的組織會(huì)產(chǎn)生差異。孟根巴根等[4]分別用手工焊和鎢極氬弧焊兩種不同的方法、不同的焊接工藝研究焊縫的組織，認(rèn)為不同焊接方法的組織區(qū)別很大。9Ni鋼焊縫組織主要由γ相固溶體和析出相組成。手工焊的焊縫枝晶偏析嚴(yán)重，柱狀晶比較粗大[5]；鎢極氬弧焊的焊縫枝晶偏析不嚴(yán)重，柱狀晶比較細(xì)小。熱影響區(qū)組織中板條馬氏體細(xì)小，使接頭的低溫韌性高于手工焊接頭的。

除組織差異外，不同的焊接工藝還會(huì)影響焊縫及熱影響區(qū)的晶粒度。作為鎳基材料的9Ni鋼焊接材料，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：鎳基合金的導(dǎo)熱性差，焊接時(shí)易過(guò)熱而引起晶粒長(zhǎng)大；焊后冷卻速度越慢，越有助于晶粒長(zhǎng)大；焊接時(shí)熱輸入過(guò)大，易造成熱影響區(qū)的晶粒粗大，故必須控制焊接熱輸入。

筆者從超聲檢測(cè)的定量對(duì)比出發(fā)，研究焊接工藝對(duì)9Ni鋼焊縫超聲傳播性能的影響，探討材料組織結(jié)構(gòu)變化對(duì)超聲波透聲能力的影響，分析9Ni鋼超聲檢測(cè)定量結(jié)果的影響因素，為優(yōu)化9Ni鋼超聲檢測(cè)工藝、提高定量檢測(cè)的準(zhǔn)確度提供依據(jù)。

2 焊接工藝對(duì)9Ni鋼焊縫超聲檢測(cè)的定量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

9Ni鋼焊接接頭有很好的低溫韌性，但9Ni鋼焊縫易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒粗大和缺陷產(chǎn)生，這均與焊接工藝方法及參數(shù)有關(guān)，筆者主要選用藥芯焊絲電弧焊(FCAW)與手工電弧焊(SMAW)[6]的焊縫進(jìn)行對(duì)比分析，研究焊接工藝對(duì)定量準(zhǔn)確性的影響。

焊接主要缺陷包括裂紋、未焊透、未熔合、夾渣與氣孔等，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)對(duì)比難度，文章選用橫通孔以模擬體積型缺陷。使用直射波與一次反射波分別對(duì)不同傳播路徑的同一缺陷進(jìn)行檢測(cè)的試驗(yàn)方法，比較其聲波衰減規(guī)律，分析其對(duì)缺陷定量的影響。

按照試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)來(lái)研究焊接工藝對(duì)焊縫內(nèi)缺陷定量檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響。

試驗(yàn)一：檢測(cè)試塊母材上的橫孔，制作橫孔在母材中的距離-波幅曲線，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)，用于和焊縫中的橫孔回波波幅作對(duì)比。

試驗(yàn)二：測(cè)試手工焊和自動(dòng)焊焊縫中的相同大小的橫孔反射體回波波幅，制作焊縫反射體回波的距離-波幅曲線，再與母材的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析手工焊和自動(dòng)焊對(duì)焊縫定量的影響。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與對(duì)比試塊的制作

采用型號(hào)為USM Go的數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波檢測(cè)儀器以及K2.5斜探頭進(jìn)行試驗(yàn)，其中斜探頭的頻率為5 MHz，晶片尺寸(長(zhǎng)×寬)為6 mm×6 mm，前沿為6 mm。

設(shè)計(jì)并制作了一組帶人工缺陷的藥芯焊絲電弧焊(FCAW)與手工電弧焊(SMAW)的焊縫對(duì)比試塊。

試塊所使用的母材為10 mm厚的06Ni9DR鋼板，試塊的焊接工藝參數(shù)分別如表1，2所示。

對(duì)試塊焊縫組織的金相結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：對(duì)于不同焊接工藝及參數(shù)下的焊縫組織，組織形貌均為奧氏體樹(shù)枝晶，無(wú)較大差別，但不同工藝下的樹(shù)枝晶大小有一定差異。測(cè)得的結(jié)果表明，SMAW的焊縫樹(shù)枝晶長(zhǎng)度明顯大于FCAW的焊縫樹(shù)枝晶長(zhǎng)度。

表1 FCAW焊接工藝參數(shù)

表2 SMAW焊接工藝參數(shù)

反射體加工方法：分別在兩種試塊上母材和焊縫相同深度處加工直徑為1.0，1.5，2.0 mm的橫孔反射體；為了保證母材中缺陷和焊縫中缺陷在超聲檢測(cè)時(shí)不互相干擾，將母材和焊縫的缺陷間距設(shè)置為120 mm。圖1為對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)與檢測(cè)方法示意，圖2為對(duì)比試塊與探頭實(shí)物照片。

圖1 對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)與檢測(cè)方法示意

圖2 對(duì)比試塊與探頭實(shí)物照片

2.3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

在試驗(yàn)所用的超聲檢測(cè)儀上，測(cè)量的缺陷回波在同一高度時(shí)，分貝越大代表反射體回波越低。如前文所述，如用母材材料制作對(duì)比試塊，并用其反射體回波作為標(biāo)準(zhǔn)，分別與被檢焊縫內(nèi)的反射體回波作比較，就可得到兩者的分貝差，以用于檢測(cè)中的缺陷定量修正。

為了繪制反射體回波的距離-波幅曲線，每個(gè)反射體需要多組數(shù)據(jù)，因此將探頭放置在試塊上表面，使用直射波(圖中一次波)和一次反射波(圖中二次波)進(jìn)行測(cè)量后，再將探頭放置在試塊下表面進(jìn)行直射波和一次反射波的測(cè)量。

試驗(yàn)前,先測(cè)量K2.5斜探頭的前沿和K值，隨后用該探頭分別對(duì)母材與焊縫中直徑為1.0，1.5，2.0 mm的橫通孔進(jìn)行超聲檢測(cè)，記錄直射波所得的增益，以及一次反射波所對(duì)應(yīng)的增益。對(duì)焊縫中的橫通孔進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，受探頭前沿和焊縫加強(qiáng)高的限制，深度T/3(T為工件厚度)位置的橫孔直射波數(shù)據(jù)測(cè)不到，所以用直射波檢測(cè)深度2T/3位置的孔，用一次反射波檢測(cè)T/3，2T/3位置的孔，記錄直射波與一次波反射的3組數(shù)據(jù)。表3，4分別為母材中橫孔與焊縫中橫孔回波的波幅數(shù)據(jù)。圖3為直徑1.0，1.5，2.0 mm橫孔的距離-波幅曲線。

表3 母材中的橫孔回波波幅

表4 焊縫中的橫孔回波波幅

圖3 不同直徑橫孔的距離-波幅曲線

由圖3可以得到以下結(jié)果。

(1) 焊接工藝對(duì)焊接接頭的透聲性能產(chǎn)生了較大的影響。焊接接頭中橫孔回波的增益比母材中的增益要大(差異約10 dB)，表明超聲波在焊接接頭中的衰減更大。焊接使得焊縫中枝晶偏析嚴(yán)重，柱狀晶比較粗大并且具有各向異性，增大了超聲波在焊縫中的衰減，焊縫的檢測(cè)靈敏度降低；而母材為正火態(tài)，組織均勻，衰減小。試驗(yàn)結(jié)果表明了檢測(cè)定量結(jié)果修正的必要性。

(2) 不同的焊接工藝對(duì)焊接接頭透聲性能的影響不同。手工焊的焊縫橫孔回波增益要比自動(dòng)焊中的增益大。兩種焊接工藝都采用多層或多道焊，焊接過(guò)程中部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)二次熱循環(huán)，二次熱循環(huán)部位的晶粒會(huì)生長(zhǎng)而變得粗大。手工電弧焊二次熱循環(huán)區(qū)域較大,晶粒也就更粗大。這一試驗(yàn)結(jié)果與SMAW的焊縫樹(shù)枝晶明顯大于FCAW的焊縫樹(shù)枝晶的金相分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

研究了焊接工藝對(duì)9Ni鋼焊縫超聲傳播特性的影響，比較了焊縫與母材中聲傳播性能的差異，得到以下結(jié)論。

(1) 母材與焊接接頭對(duì)比，焊縫接頭對(duì)超聲波的衰減比母材中的衰減要大得多，因此焊接對(duì)超聲傳播特性的影響比較大，會(huì)降低檢測(cè)靈敏度。

(2) 自動(dòng)焊和手工焊的焊縫組織受焊接工藝參數(shù)的影響，包括熱輸入值、焊接速度、焊道焊層數(shù)等，超聲波在不同焊接工藝焊縫中的衰減程度不一樣。按文中所述的焊接工藝條件，手工焊焊接接頭中的超聲波衰減要大一些，增益補(bǔ)償也隨之增大，需要的檢測(cè)靈敏度比自動(dòng)焊需要的靈敏度高。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果給9Ni鋼焊縫缺陷超聲檢測(cè)的定量修正提供了方法與依據(jù)。實(shí)際檢測(cè)中，用9Ni鋼母材制作對(duì)比試塊，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制作反射體的距離-波幅曲線進(jìn)行評(píng)定，焊接缺陷定量修正時(shí)可利用相應(yīng)焊接工藝的曲線。當(dāng)然，每一種焊接工藝要有自己的修正曲線。