張鑫 林莉 金士杰

(大連理工大學(xué)無損檢測研究所 大連 116085)

0 引言

核電站厚壁奧氏體不銹鋼主管道連接采用窄間隙自動焊技術(shù)，焊接過程中電弧軸向與焊縫側(cè)壁夾角小，導(dǎo)致熔敷金屬與焊道側(cè)壁熔合不充分，易形成側(cè)壁未熔合[1?2]。側(cè)壁未熔合屬于面積型缺陷，端點處容易發(fā)生應(yīng)力集中，對長期服役的主管道危害極大。按照NB/T 47013.15《承壓設(shè)備無損檢測》標準要求，必須對其實施無損檢測。超聲檢測具有對人體無害、便于現(xiàn)場應(yīng)用等優(yōu)點，且對面積型缺陷更為敏感。相控陣超聲檢測技術(shù)特有的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦功能進一步提高了超聲波穿透能力和檢測靈敏度，應(yīng)用于核電站主管道焊縫檢測有較大優(yōu)勢[3]。圍繞厚壁奧氏體不銹鋼相控陣超聲檢測的研究較多，主要集中在檢測工藝優(yōu)化、超聲散射機制分析和邊鉆孔超聲檢測等方面，關(guān)于側(cè)壁未熔合的檢測研究鮮有報道[1,4]。

側(cè)壁未熔合取向垂直，表面反射波具有方向性，且受奧氏體不銹鋼粗大晶粒影響，接收的回波信號能量較弱，檢測信噪比偏低[5]。因此，需要借助建模仿真及實驗優(yōu)化相控陣超聲檢測工藝，并進一步結(jié)合信號后處理技術(shù)提高側(cè)壁未熔合檢測信噪比。其中，建立焊縫仿真模型進行數(shù)值計算，能夠直觀呈現(xiàn)聲場特性，有助于分析超聲波傳播與散射過程，以及與缺陷的相互作用規(guī)律。近年來，隨著顯微觀測技術(shù)發(fā)展，電子背散射衍射(Electron back-scattered diffraction,EBSD)技術(shù)廣泛應(yīng)用于厚壁奧氏體不銹鋼晶粒結(jié)構(gòu)和晶體取向分析[6?7]。在此基礎(chǔ)上，建立奧氏體不銹鋼焊縫模型并進行聲場模擬，是當(dāng)下研究粗晶材料超聲散射機制及微觀組織對檢測結(jié)果影響的重要手段[8?9]。此外，采用相控陣超聲檢測對厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫進行檢測時，晶粒散射會降低檢測信噪比，影響缺陷識別[10]。全聚焦方法(Total focusing method,TFM)能夠?qū)﹃嚵蠥掃描信號進行延時疊加處理，實現(xiàn)目標區(qū)域內(nèi)逐點聚焦，重建不同深度及位置的缺陷[11?13]。TFM有助于提高檢測分辨力和缺陷信號幅值，但結(jié)構(gòu)噪聲也被增強，甚至形成偽缺陷[14]。相位相干成像(Phase coherence imaging,PCI)方法考慮了缺陷信號和噪聲信號相位差異，構(gòu)建權(quán)重矩陣并進行加權(quán)處理，有效抑制結(jié)構(gòu)噪聲，提升檢測信噪比和成像質(zhì)量[10,15]。

本文針對壁厚69.5 mm核電站主管道奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試樣，基于EBSD技術(shù)建立同時包含母材與焊縫的模型，采用仿真與實驗相結(jié)合的方式對側(cè)壁未熔合相控陣超聲檢測工藝及檢測結(jié)果進行探討。同時，結(jié)合TFM和PCI方法進行信號后處理，進一步抑制結(jié)構(gòu)噪聲。

1 原理

1.1 相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測技術(shù)是通過控制陣列換能器各陣元激勵脈沖信號的延遲時間，使陣元發(fā)射聲波在空間產(chǎn)生干涉效應(yīng)，進而形成具有偏轉(zhuǎn)和聚焦特性的合成聲束，實現(xiàn)空間內(nèi)某一點的聚焦[16]。相控陣超聲檢測參數(shù)主要包括探頭頻率、聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度等，針對特定材料及缺陷，對檢測參數(shù)進行調(diào)整可得到最優(yōu)檢測參數(shù)。通過多個角度聲束信號合成，獲得實時扇掃描圖像，讀取圖像中呈現(xiàn)出的缺陷端點峰值位置即可實現(xiàn)缺陷定量、定位檢測。

1.2 全聚焦方法

全聚焦方法是一種基于全矩陣捕捉(Full matrix capture,FMC)數(shù)據(jù)的信號后處理算法[17]。對于一個由N陣元組成的相控陣列，每個晶片依次激發(fā)，同時所有晶片接收，可以得到N×N個A掃描信號組成的FMC矩陣[13]。TFM通過對FMC矩陣中的A掃描信號進行延時處理和幅值疊加，可以實現(xiàn)成像區(qū)域內(nèi)每個離散坐標點的虛擬聚焦，使缺陷處幅值增強，任意聚焦點(x,z)對應(yīng)幅值ITFM(x,z)可表示為[18]

式(1)中，Sij()為對應(yīng)聚焦點回波幅值，tij(x,z)為第i個陣元發(fā)射、第j個陣元接收信號的傳播時間。

1.3 相位相干成像方法

由式(1)可知，TFM僅對A掃描信號進行幅值疊加，未考慮信號相位信息。對于粗晶材料的超聲檢測信號，延時處理后缺陷處信號相位分布較一致，而噪聲相位分布散亂[10]。相位相干成像算法即是利用歐拉公式提取超聲信號的相位信息并對TFM矩陣信號進行加權(quán)處理[19]，從而達到抑制結(jié)構(gòu)噪聲、提升檢測信噪比的目的。加權(quán)表達式為

式(2)中，φ為信號相角，var()為變量方差。

2 模型建立

以壁厚69.5 mm，長、寬、高分別為400.0 mm、70.0 mm和69.5 mm的316L厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊為研究對象，并沿焊縫方向截取35.0 mm×69.5 mm試樣，進行切割、打磨和拋光。使用質(zhì)量濃度為10.0%的草酸溶液進行電解腐蝕，得到如圖1(a)所示焊縫宏觀金相?？梢钥吹胶缚p為多層多道焊，坡口寬度5.0～12.0 mm，且越靠近焊趾位置，坡口越寬。

考慮到重復(fù)多道焊二次熱循環(huán)作用導(dǎo)致晶粒尺寸從焊根向焊趾逐步減小[20]，因此選擇焊縫中央?yún)^(qū)域進行分析，更能反映晶粒尺寸平均水平。本文選取圖1(a)中標注的紅色區(qū)域進行EBSD分析，該區(qū)域高度1.3 mm，寬度9.7 mm，包含母材和完整焊縫。設(shè)置掃描步長10.0μm[21]，得到9.7 mm×1.3 mm的EBSD圖譜，如圖1(b)所示。可以看出焊縫和母材之間無明顯熱影響區(qū)，從母材細小的等軸晶直接過渡到焊縫細長的柱狀晶。選擇閾值角度為15?，最終得到12種顏色對應(yīng)的歐拉角組合，如表1所示。

通過晶體取向歸一化處理，得到如圖2所示的EBSD圖譜，與圖1(b)相比，晶粒輪廓更加清晰。對EBSD圖譜進行處理，保留焊縫部分并將母材拼接到焊縫左右兩側(cè)，然后縱向拼接形成寬度106.0 mm、高度69.5 mm的厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫模型。

圖1 奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of narrow gap welding in austenitic stainless steel

表1 EBSD圖譜中的12組晶體取向Table 1 Twelve crystal orientations in EBSD map

圖2 歸一化后的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫EBSD圖譜Fig.2 The normalized EBSD map of narrow gap welding in austenitic stainless steel

奧氏體不銹鋼本構(gòu)剛度矩陣中的彈性常數(shù)C11=265.8 GPa，C12=114.0 GPa，C44=117.1 GPa[9]。已知每個晶粒對應(yīng)的歐拉角，利用方向余弦矩陣對本構(gòu)剛度矩陣進行旋轉(zhuǎn)，得到晶體坐標系下剛度矩陣的彈性常數(shù)，并賦給模型中相應(yīng)區(qū)域。

3 數(shù)值模擬及實驗

3.1 數(shù)值模擬

基于WAVE有限差分軟件建立模型并進行相控陣超聲檢測數(shù)值模擬。將模型下邊界設(shè)置為固體-真空邊界，其他邊界均設(shè)置為無限吸收邊界。以水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，設(shè)置橫向和縱向網(wǎng)格尺寸均為0.1 mm。沿焊縫熔合線設(shè)置中心深度26.5 mm、高度3.0 mm、寬度1.0 mm的槽模擬側(cè)壁未熔合?？紤]到側(cè)壁未熔合的位置，以及晶粒散射引起的結(jié)構(gòu)噪聲和衰減，改變相控陣探頭頻率、陣元數(shù)量和聚焦深度等參數(shù)，以確定最優(yōu)檢測參數(shù)。最終采用中心頻率2.25 MHz、32陣元相控陣探頭配合45?縱波楔塊實施檢測，聚焦深度設(shè)為26.5 mm，偏轉(zhuǎn)角度25?～70?。圖3(a)給出相控陣扇掃描圖像，能夠區(qū)分側(cè)壁未熔合上下端點，但晶粒散射引起的結(jié)構(gòu)噪聲較明顯。統(tǒng)計側(cè)壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為3.5 dB和2.6 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.3 mm和27.2 mm，測量誤差分別為10%和2.6%。

基于建立的模型，進一步利用相控陣探頭采集全矩陣數(shù)據(jù)并進行TFM和PCI處理。TFM處理后的成像結(jié)果見圖3(b)，側(cè)壁未熔合上下端點區(qū)分更加明顯，成像質(zhì)量得到提升。統(tǒng)計側(cè)壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為5.8 dB和3.9 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.2 mm和26.2 mm，測量誤差分別為6.7%和1.1%。PCI處理后的成像結(jié)果見圖3(c)，此時粗晶結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)噪聲基本消失，統(tǒng)計側(cè)壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為8.2 dB和6.6 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.2 mm和26.7 mm，測量誤差分別為6.7%和0.8%。顯然，經(jīng)過PCI處理后側(cè)壁未熔合的檢測信噪比提升4.7 dB，高度和中心深度定量誤差分別降低3.3%和1.8%，表明信號后處理技術(shù)能夠有效抑制結(jié)構(gòu)噪聲，提高檢測信噪比及定量精度。

圖3 側(cè)壁未熔合相控陣扇掃描及信號后處理仿真成像結(jié)果Fig.3 Images of lack of sidewall fusion with phased array and signal post-processing by simulation

3.2 實驗驗證

在壁厚69.5 mm的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊熔合線位置加工中心深度26.5 mm、高度3.0 mm的側(cè)壁未熔合，使用Omiscan MX2多通道相控陣超聲檢測儀，結(jié)合3.1節(jié)模擬給出的參數(shù)實施超聲檢測。圖4(a)為側(cè)壁未熔合相控陣超聲扇掃描圖像，可以看出雖存在較明顯的結(jié)構(gòu)噪聲，但側(cè)壁未熔合上下端點可同時被識別。統(tǒng)計側(cè)壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為3.9 dB和3.2 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.4 mm和26.1 mm，測量誤差分別為13.3%和1.5%。對比圖3(a)和圖4(a)可知，仿真和實驗檢測信噪比非常接近，最大相差0.6 dB，高度和中心深度定量誤差分別相差3.3%和1.1%，驗證了基于EBSD技術(shù)所建模型的有效性。

針對厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊，進一步利用相控陣探頭采集全矩陣數(shù)據(jù)并進行TFM和PCI處理。TFM成像結(jié)果見圖4(b)，成像質(zhì)量較處理前得到提升。統(tǒng)計側(cè)壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為6.2 dB和4.2 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為2.8 mm和26.2 mm，測量誤差分別為6.7%和1.1%。PCI處理后成像結(jié)果見圖4(c)，可以看出結(jié)構(gòu)噪聲得到抑制，統(tǒng)計側(cè)壁未熔合上下端點檢測信噪比分別為4.4 dB和3.3 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為2.8 mm和26.3 mm，測量誤差分別為6.7%和0.8%。

圖4 側(cè)壁未熔合相控陣扇掃描及信號后處理實驗成像結(jié)果Fig.4 Images of lack of sidewall fusion with phased array and signal post-processing by experiments

仿真和實驗結(jié)果表明，利用相控陣超聲檢測技術(shù)能夠有效檢出厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫中的側(cè)壁未熔合，并實現(xiàn)定量表征。然而，受粗晶結(jié)構(gòu)影響，檢測信噪比較低，成像質(zhì)量有待提高。TFM能夠?qū)θ毕菪盘柗颠M行疊加，實現(xiàn)檢測區(qū)域內(nèi)逐點聚焦，使得側(cè)壁未熔合散射信號能量增強，檢測信噪比最大提升2.3 dB。PCI能夠提取信號相位信息并進行加權(quán)處理，缺陷處權(quán)重因子較大，噪聲處權(quán)重因子較小，達到抑制結(jié)構(gòu)噪聲的目的，與扇掃描結(jié)果相比檢測信噪比提升4.7 dB。因此，經(jīng)過TFM和PCI處理后的圖像中側(cè)壁未熔合信號能量增強，結(jié)構(gòu)噪聲得到抑制，提高了圖像質(zhì)量及檢測信噪比。

4 結(jié)論

(1)基于EBSD技術(shù)建立了同時包含母材和焊縫的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫模型。

(2)對窄間隙焊縫模型和試塊中的側(cè)壁未熔合進行相控陣超聲仿真與實驗檢測，檢測信噪比相差不超過0.6 dB，驗證了模型有效性，并實現(xiàn)了側(cè)壁未熔合深度與高度定量表征。

(3)結(jié)合TFM和PCI信號后處理技術(shù)可進一步改善檢測信噪比，提高側(cè)壁未熔合成像質(zhì)量及定量精度。