侯懷書，李金好，陸 頂，夏帥軍，辛健龍

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200112)

0 引 言

304L奧氏體不銹鋼焊管具有耐腐蝕性好、抗高溫蠕變能力強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，在航天、汽車、石油化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。研究[2]表明，奧氏體不銹鋼平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布是影響鋼管力學(xué)性能的2個(gè)重要因素。為獲得良好的韌性和塑性，同時(shí)改善不銹鋼焊管的耐腐蝕性、高溫持久性和抗蠕變性能等，薄壁奧氏體不銹鋼焊管一般要經(jīng)過固溶熱處理，而固溶熱處理的質(zhì)量會(huì)直接影響不銹鋼焊管的性能。研究[2-4]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固溶熱處理溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒異常長大、變形，從而影響焊管的整體強(qiáng)度與塑性。異常長大的奧氏體晶粒與表面裂紋的產(chǎn)生有很大關(guān)聯(lián)[5-8]。為保證奧氏體不銹鋼焊管的強(qiáng)度和焊接質(zhì)量，對(duì)固溶熱處理后的焊管母材與焊縫晶粒尺寸進(jìn)行檢測非常重要。

目前，奧氏體不銹鋼焊管晶粒尺寸主要檢測方法為金相法，但該方法屬于破壞性檢測，且檢測效率低，難以適應(yīng)大批量在線檢測需求。超聲波檢測作為一種非破壞性方法，具有快速、直接、適用性廣等特點(diǎn)。研究人員嘗試用聲速法和衰減法對(duì)奧氏體鋼晶粒尺寸進(jìn)行測試，雖取得了一定的成果，但檢測結(jié)果不夠直觀準(zhǔn)確。衰減法檢測時(shí)，聲波在奧氏體中傳播時(shí)常受到晶界、相界、位錯(cuò)等的影響，導(dǎo)致超聲參量發(fā)生衰減，同時(shí)零件形狀以及探頭與鋼管之間的耦合狀態(tài)等也會(huì)影響聲波的衰減[2]。聲速法通過測量超聲穿過奧氏體不銹鋼組織時(shí)的聲衰減和聲速來間接評(píng)價(jià)晶粒的尺寸[9-11]，由于超聲聲速受溫度以及聲程測量誤差的影響較大，檢測精度也較低。

小波變換的主要特點(diǎn)是在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，而在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，很適合于分析非平穩(wěn)的信號(hào)和提取信號(hào)的局部特征[12]。超聲波在金屬材料中傳播時(shí)，能量的衰減一般用連續(xù)回波幅度的變化來獲得[13]，但因薄壁焊管聲程較小，導(dǎo)致超聲信號(hào)疊加在一起，難以分辨，因此簡單的時(shí)域分析不能滿足要求。小波變換的另一特點(diǎn)是通過信號(hào)變換，用一個(gè)局部緊支撐基本小波函數(shù)，通過不同尺度的平移和伸縮構(gòu)成小波函數(shù)系去表示或逼近一個(gè)信號(hào)。利用連續(xù)小波變換提取奧氏體不銹鋼焊管超聲信號(hào)的特征能量，可有效排除其他因素對(duì)晶粒尺寸檢測的影響?；诖?，作者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)經(jīng)不同溫度(800～1 350 ℃)固溶處理后的薄壁304L奧氏體不銹鋼焊管母材與焊縫的晶粒尺寸，利用連續(xù)小波變換技術(shù)分析超聲衰減的變化來評(píng)估焊縫和母材的晶粒尺寸，研究超聲衰減法評(píng)估奧氏體不銹鋼焊管奧氏體晶粒尺寸的可行性。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為厚度1 mm的304L奧氏體不銹鋼鋼帶，化學(xué)成分見表1。鋼帶經(jīng)過冷彎成型,非熔化極氣體保護(hù)焊焊接,焊縫內(nèi)外整平后得到外徑27 mm、壁厚1 mm的不銹鋼焊管。截取長0.5 m的焊管試樣11個(gè)。采用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)焊管進(jìn)行光亮固溶熱處理，固溶溫度分別為800，850，900，950，1 000，1 050，1 100，1 150，1 200，1 250，1 350 ℃，保溫時(shí)間為1 min，隨后空冷至室溫。將冷卻后的試樣沿軸向切開，經(jīng)研磨、拋光，采用飽和苦味酸溶液加緩蝕劑和2～3滴HF溶液在60 ℃水浴中熱腐蝕后，采用Axio Imager 2型光學(xué)顯微鏡觀察奧氏體晶粒形貌，同時(shí)借助Image-Pro專業(yè)圖像分析軟件，按照GB/T 6394—2017采用截點(diǎn)法測定奧氏體平均晶粒尺寸，并對(duì)其晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)。

表1 304L奧氏體不銹鋼帶的化學(xué)成分

超聲檢測裝置主要包括中心頻率為5 MHz的超聲縱波探頭、5072PR型超聲信號(hào)發(fā)射接收儀、AC6111型高速A/D采集卡、計(jì)算機(jī)。設(shè)置A/D高速采集卡的采樣頻率為125 MHz，采用超聲A掃描方式，將焊管水平放置在V型軌道上，超聲探頭垂直焊管置于支架上，利用機(jī)油耦合實(shí)現(xiàn)縱波垂直入射，信號(hào)采集位置如圖1所示，位置1和位置2分別采集焊縫和母材晶粒的縱波回波信號(hào)。

圖1 焊管超聲信號(hào)采集位置示意

連續(xù)小波變換可以看作是基波作位移后，在不同尺度因子下與待分析信號(hào)x(t)作內(nèi)積，即

(1)

式中：Wx(α,τ)為小波變換系數(shù)；α為尺度因子，大于0，其作用是對(duì)基波φ*(t)函數(shù)作伸縮，上標(biāo)*表示復(fù)共軛；τ為位移；t為時(shí)間。

式(1)等效頻域的表示方法為

(2)

式中：X(w)，Ψ分別為x(t)，φ(t)的傅里葉變換；ω為角頻率；j為復(fù)數(shù)。

連續(xù)小波變換[14]定義為

f(α,b)≤x(t)

(3)

(4)

式中：f(α,b)為連續(xù)小波變換系數(shù)；Ψα,b(t)為連續(xù)小波的基函數(shù)或者母小波；b為平移因子；R為尺度空間。

根據(jù)α，b的不同，可以得到連續(xù)小波變換下不同時(shí)、頻寬度的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的局部化分析。在連續(xù)小波變換中能量和信號(hào)的幅值平方成正比。由于輸入和輸出信號(hào)都是非平穩(wěn)瞬態(tài)信號(hào)，設(shè)11個(gè)試樣的1～11組信號(hào)Si(i=1，2，…，11)對(duì)應(yīng)的能量為Ei(i=1,2，…，11)，則有：

(5)

式中：xik(i=1，2，…，11,k=1,2，…，n)為重構(gòu)信號(hào)Si的離散點(diǎn)幅值；i為信號(hào)的第i組;k為第i組信號(hào)的k處。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2、圖3和表2可以看出：800～1 000 ℃固溶處理后，焊管焊縫區(qū)域奧氏體晶粒呈典型的樹枝狀分布，晶粒較細(xì)，晶粒度在10～13級(jí)之間；當(dāng)固溶溫度提高至1 000～1 250 ℃時(shí)，焊縫晶粒尺寸變大，晶粒度在6～10級(jí)之間，晶粒尺寸差異嚴(yán)重。母材區(qū)奧氏體晶粒尺寸隨固溶溫度的升高而增大，平均尺寸由10 μm逐漸增大至40.1 μm。當(dāng)固溶溫度達(dá)到1 250℃時(shí)焊縫已經(jīng)出現(xiàn)大量的黑色氧化物和魏氏組織。當(dāng)固溶溫度達(dá)到1 350 ℃時(shí)，焊縫和母材奧氏體晶界出現(xiàn)了魏氏組織與黑色氧化物。魏氏組織的出現(xiàn)不僅使晶粒粗化，而且由于大量鐵素體針片的形成使金屬的韌性急速降低[15]，奧氏體不銹鋼變脆而易出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖2 不同溫度固溶處理后焊管焊縫的顯微組織

圖3 不同溫度固溶處理后焊管母材的顯微組織

2.2 超聲信號(hào)的連續(xù)小波變換處理

在檢測過程中由于不同晶粒度焊管的聲抗特征參數(shù)及超聲回波信號(hào)的散射程度不同，其超聲反射回波高度均不同。由圖4可以看出，不同溫度固溶處理后焊縫與母材回波信號(hào)的相對(duì)幅值均具有較大的差別。焊縫晶粒尺寸較母材差異大，導(dǎo)致焊縫的聲阻抗和母材不同，因此焊縫的回波信號(hào)相對(duì)幅值與母材之間的差異較大，且隨固溶溫度的升高，相對(duì)幅值呈減小的趨勢。由于采樣中不可避免地存在各種噪聲信號(hào)，采用連續(xù)小波變換技術(shù)可以較好地濾除高頻噪聲，從而提取超聲回波信號(hào)中奧氏體不銹鋼焊管晶粒的特征能量。

圖4 1 050,1 250 ℃固溶處理后焊管焊縫和母材回波信號(hào)的時(shí)域波形

利用小波變換對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多尺度空間能量特征提取。參考文獻(xiàn)[16]選用db3小波基，采用rigrsure規(guī)則選擇閾值，對(duì)超聲A掃描信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，小波包分解樹如圖5所示。第一層d1為波形主頻率范圍70～125 MHz的高頻噪聲；第二層d2為波形主頻率范圍40～70 MHz的中高頻噪聲；第三層d3為波形主頻率范圍20～40 MHz的中低頻噪聲。經(jīng)分解重構(gòu)后，提取低頻帶范圍的信號(hào)，信號(hào)a3的波形主頻率范圍在3～6 MHz。

圖5 三層小波包分解樹

由圖6可以看出：選取的部分回波信號(hào)通過連續(xù)小波降噪重構(gòu)后，幾乎保持了原始信號(hào)的基本特征，將高頻干擾噪聲去除后可以更清楚地顯示出信號(hào)輪廓。將1 050 ℃固溶處理后焊管超聲波反射回波信號(hào)三層小波分解后，對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行傅里葉能量變換，并提取a1,a2,a3中的特征能量。由圖7可以看出：第一層分解后的波形主頻率在18～20 MHz，特征能量最大，其中包含大部分的噪聲能量；第二層分解后的波形主頻率在8～12 MHz，特征能量中也摻雜部分噪聲能量；第三層分解后的波形主頻率在3～7 MHz，特征能量最小,且頻率接近超聲探頭的中心頻率。

圖6 連續(xù)小波降噪處理后1 050,1 250 ℃固溶處理焊管焊縫和母材回波信號(hào)的時(shí)域波形

圖7 1 050 ℃固溶處理焊管超聲波回波信號(hào)三層小波分解后的焊縫特征能量

將超聲波回波信號(hào)分解變換后，提取不同溫度固溶處理后焊管的信號(hào)相對(duì)能量值，經(jīng)多項(xiàng)式擬合后得到母材和焊縫的第一層相對(duì)特征能量變化曲線。由圖8可以看出，焊管母材的相對(duì)特征能量隨固溶溫度的升高而逐漸減小，其原因是固溶溫度的升高會(huì)引起晶粒度減小，使母材聲阻抗升高，造成超聲回波能量降低，并且晶粒尺寸越大，能量降低程度越大。基于此，在對(duì)304L奧氏體不銹鋼焊管母材晶粒尺寸的實(shí)際檢測中可以設(shè)置2個(gè)相對(duì)特征能量閾值，即600與1 000。當(dāng)相對(duì)特征能量小于600時(shí)，晶粒度在5.5～7之間；當(dāng)相對(duì)特征能量介于600與1 000之間時(shí)，晶粒度在7～8.5之間，在實(shí)際生產(chǎn)中通常設(shè)定在此區(qū)間內(nèi)的晶粒尺寸為合格；當(dāng)相對(duì)特征能量大于1 000時(shí)，晶粒度在8.5～10之間，晶粒尺寸不合格。

圖8 回波信號(hào)分解后焊管母材晶粒的第一層相對(duì)特征能量隨固溶溫度的變化曲線

由圖9可以看出：焊縫的相對(duì)特征能量隨著固溶溫度的升高先上升后下降再升高。結(jié)合顯微組織可以發(fā)現(xiàn)：在固溶溫度為800～1 050 ℃時(shí)，焊縫晶粒分布較規(guī)律，晶粒長大現(xiàn)象不明顯，此時(shí)焊縫相對(duì)特征能量升高，并在1 050 ℃附近相對(duì)特征能量達(dá)到最大；隨著固溶溫度的進(jìn)一步提高，焊縫晶粒呈現(xiàn)出無序的不規(guī)則快速長大現(xiàn)象，且溫度越高，長大現(xiàn)象越明顯，此時(shí)焊縫相對(duì)特征能量逐漸降低至40左右；但是在固溶溫度高于1 200 ℃時(shí)，由于奧氏體晶粒出現(xiàn)雜亂無序狀態(tài)，聲阻抗小幅度減小，因此焊縫特征能量出現(xiàn)小范圍增大?；诖耍趯?duì)焊縫晶粒尺寸的實(shí)際檢測中可設(shè)置超聲信號(hào)的相對(duì)特征能量閾值在140～180之間，當(dāng)檢測得到的相對(duì)特征能量在此范圍，說明此時(shí)焊縫的晶粒度為8.5～9，焊縫晶粒尺寸合格；當(dāng)焊縫超聲信號(hào)相對(duì)特征能量不在此范圍時(shí)，判定焊縫晶粒尺寸不合格，說明生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了固溶處理溫度不穩(wěn)定的情況。受試驗(yàn)條件限制，目前尚無法建立晶粒尺寸、聲阻抗與超聲信號(hào)能量分布之間的準(zhǔn)確關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。該檢測方法可以為薄壁304L奧氏體不銹鋼焊管的超聲檢測提供有益借鑒。

圖9 回波信號(hào)分解后固溶處理焊管焊縫晶粒的第一層相對(duì)特征能量隨固溶溫度的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)不同溫度固溶處理后薄壁304L奧氏體不銹鋼焊管母材與焊縫晶粒尺寸發(fā)生改變，引起奧氏體不銹鋼焊管的聲阻抗變化，進(jìn)而導(dǎo)致超聲回波信號(hào)特征能量的變化。

(2)隨著固溶溫度的升高，焊管母材晶粒尺寸與對(duì)應(yīng)的特征能量均呈減小趨勢，實(shí)際檢測中可設(shè)置超聲信號(hào)的相對(duì)特征能量閾值在600～1 000之間，當(dāng)檢測時(shí)獲得的相對(duì)特征能量在此范圍，說明此時(shí)晶粒度在7～8.5之間，晶粒尺寸合格。

(3)隨著固溶溫度的升高，焊管焊縫的晶粒尺寸增大，相對(duì)特征能量先升高后降低再升高，并在1 050 ℃附近達(dá)到最大，實(shí)際檢測中可設(shè)置超聲信號(hào)的相對(duì)特征能量閾值在140～180之間，當(dāng)檢測得到相對(duì)特征能量在此范圍，說明此時(shí)晶粒度為8.5～9，焊縫晶粒尺寸合格。