奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测

奥田杯锈钢焊缝的相控阵超声检测胡栋;王强消琨;刘富君 【摘要】 The ultrasonic testing(UT) of austenitic stainless steel welds defects is always difficult because its coarse-grained material and anisotropic structure which lead to aberration and scattering of the ultrasonic waves. In this paper, ultrasonic testing properties of austenitic welds were analyzed. Ultrasonic test and ultrasonic phased array test were performed in an austenitic stainless steel welds test block. The results reveal that 14 dB signal-to-noise ratio (SNR) is obtained by ultrasonic phased array test while by ultrasonic test onlyrn6 dB SNR is obtained to the defects in 10 mm depth. But both of these two tests cannot detect the defects in 30 mm depth.%由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒组织粗大以及结构的各向 异性导致超声声束的散射和畸变,其超声检测比较困难.本文分析了奥氏体不锈钢焊 缝超声检测特性，在奥氏体不锈钢焊缝试块上进行了常规超声和相控阵超声检测试 验研究结果表明:对于10 mm深焊缝缺陷相控阵超声检测信噪比可达14 dB,而常 规超声技术仅获得6 dB的信噪比,对于30 mm深内部缺陷，均未取得较好的效果.【期刊名称】河南科技大学学报(自然科学版) 【年(卷)，期】2013(034)001 【总页数】4页(P8-11) 【关键词】超声波相控阵;超声检测;奥氏体不锈钢焊缝;信噪比 【作者】胡栋;王强消琨;刘富君【作者单位】中国计量学院质量与安全工程学院，浙江杭州310018；中国计量学院 质量与安全工程学院，浙江杭州310018;中国计量学院质量与安全工程学院，浙江杭 州310018;浙江省特种设备检验研究院，浙江杭州I 310020【正文语种】中文【中图分类】TG115.2850引言奥氏体不锈钢具有稳定的奥氏体组织，被广泛应用于石油化工、机械制造和核电等 行业的重要部位1。但由于焊接技术的不完善，在奥氏体不锈钢焊缝中容易产生 缺陷，引发设备的安全问题，因此，需要加强对奥氏体不锈钢焊缝的定期检测。超声检测是用于奥氏体不锈钢无损检测的常用方法，但奥氏体焊缝粗大的柱状晶粒 组织和焊缝结构的各向异性，对超声波有强烈的散射衰减和扭曲作用，常规的超声 探头穿透力不足，检测困难2-3 。相控阵超声检测技术具有高强度的多声束聚焦 性能和多角度可控的扫描方式，大大提高了灵敏度和穿透力，有效地减小了盲区4，提高了检测效率。为奥氏体不锈钢焊缝的检测提供了新的思路。目前，国内外从超声建模、参数优化和信号处理等方面对奥氏体不锈钢焊缝超声检 测展开研究并取得了一些成果。文献5采用电子背散射衍射技术对奥氏体不锈钢 焊缝的微观组织进行了分析;文献6把各向异性焊缝分成了不同的区域，并对其 内部的超声波传播路径进行了仿真;文献7将声线跟踪法和弹性动力学有限积分 技术相结合，解决厚壁奥氏体不锈钢焊缝超声检测的参数优化问题;文献8-9 采 用声线示踪法计算了相控阵超声不同阵元在非均匀各向异性介质中的延迟时间和入 射角;文献10致力于提高相控阵列系统的二维、三维成像分辨力，提出了奥氏体 不锈钢焊缝中相位畸变的修正方法。这些成果为奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声检测 提供了依据，但未采用试验的方法加以证明。本文对波束形成器性能参数选择进行了分析，利用相控阵超声检测技术相控聚焦的 特性，针对奥氏体不锈钢焊缝试块进行了普通超声和相控阵超声检测对比试验。1相控阵超声技术1.1聚焦原理图1为相控阵聚焦原理图，如图1所示，超声波相控阵技术是由多个压电晶片按 定规律分布排列，然后逐次按预先规定的延时时间激发各个晶片，通过计算各阵 元发射信号的时间延时，使超声波在某一点同向，这一点就是相控聚焦的焦点，根 据同向波叠加定理和能量守恒定律，超声场在焦点处的声能大大提高。延时时间由 以下公式计算得出11 其中，d为阵元到焦点的距离;n为保证d-n入为正的最 大整数；入为声波波长;c为波速。1.2相控阵超声系统的声束特性为分析超声波波束形成器性能，可通过计算其波束响应进行分析，计算公式为12 其中，C）为波束响应;cH为给定加权矢量（列矢量）的转置;v）为阵列响应矢量 （列矢量）。对于均匀线性阵列（ULA）,其阵列响应矢量为图1相控阵聚焦原理其中，M为阵元数;j=;d为相邻阵元间距;入为波长。图2表示了一个64阵元均匀线性相控阵列波束模式s=0°）,其中d=A/2。主瓣 越高越窄，旁瓣越低，阵列系统指向性和分辨率越高。通常以半功率（-3 dB）点的 主瓣宽度计算波束宽度中，计算公式为L代表阵列孔径。孔径越大，阵列的分辨率越好，越能区分间隔很近的缺陷。对于 阵元间隔固定的波束模式，阵元数越多，分辨率越好。但是，实际的物理现实往往 限制了可用的阵元数量。因此，为提高孔径，通常采用提高阵元间隔的方法。而为 避免空间重叠，阵元间隔d又最好不要高于入/2。综合以上分析，64阵元， d=A/2相控阵列系统具有良好的指向性。图2 64阵元相控阵列系统波束模式2试验比对2.1试验概况在探头选型上，选用64阵元，d=入/2线阵相控探头进行超声相控阵检测试验。而 对于常规超声探头，常用频率为0.52.5 MHz的斜探头。试验仪器、探头及试块 选择如表1所示。表1试验概况试验序号1#2#试验名称超声相控阵检测试验常规超声检测试验仪 器Omniscan MX便携式超声探伤仪HY-6400数字超声波探伤仪探头5L64-A2 相控探头，探头频率5 MHz , 64阵元2.5M13X13K1.5,探头频率2.5 MHz，横 波斜探头耦合剂机油机油试块奥氏体不锈钢对接焊接对比试块奥氏体不锈钢对 接焊接对比试块2.2试块信息奥氏体不锈钢对接焊接对比试块13 尺寸如图3所示，试块长300 mm,宽30 mm,高90 mm ,焊缝位于试块长度方向中间部位，属于V型对接焊缝，沿焊缝 两侧纵向深度10 mm、30 mm、50 mm、70 mm处有直径2 mm的人工贯穿 孔。2.3检测结果分析试验时首先对设备进行校准，检测面为V型对接焊缝的上表面，如图3所示，在 探头和试块间均匀的涂抹机油，设置合适的增益、抑制，相控阵扫描角度调整为30°70°，观察仪器显示情况。试验结果如图4和图5所示。图4为试块焊缝深10 mm缺陷相控阵超声检测结果A扫描对应S扫描56.0°轴线 的信号，缺陷信号比较明显，信噪比达14 dB。图5为试块焊缝深30 mm缺陷相 控阵超声检测结果，A扫描对应S扫描44.0°轴线信号，缺陷信号幅值较低，无法 有效识别。图6为奥氏体不锈钢焊缝试块的常规超声检测结果，成像仅通过A扫描显示，横 坐标刻度为真实深度。图6a为试块焊缝深10 mm缺陷常规超声检测结果，虽然 缺陷信号也比较明显，但其信噪比仅6 dB。图6b为试块焊缝深30 mm缺陷常规 超声检测结果，与相控阵超声检测结果相同，其缺陷信号幅值较低，无法有效识别。 图3奥氏体不锈钢对接焊接接头对比试块 图4 10 mm缺陷相控阵超声检测结果 图5 30 mm缺陷相控阵超声检测结果在图4a和图6a的检测结果中，对于所选试块焊缝深10 mm处中2贯穿孔缺陷， 相控阵超声检测获得了 14 dB的信噪比，而常规超声检测仅获得了 6 dB的信噪比， 相控阵超声检测具有较强的穿透力。比较图4、图5和图6可见:焊缝深度越深， 超声波的散射和畸变越严重，导致相控阵超声检测中按照传统的聚焦延时法则不能 很好的实现聚焦效果。综上所述，在奥氏体不锈钢焊缝的检测中，相控阵超声检测 在提高深厚奥氏体不锈钢焊缝中超声穿透力即缺陷检出率上具有可行性，但仍然存 在一定的困难。此外，图4和图5中扇扫图像覆盖了 30。70。范围内的检测信息， 而常规超声检测结果只显示了单一轴线（即沿声束方向）上的检测信息。因此，在工 业现场大面积检测时，相控阵超声检测比常规超声检测更快速、高效。图6常规超声检测结果3结论(1) 超声相控阵技术对10 mm处奥氏体不锈钢焊缝缺陷的检测获得了比传统超声 检测更高的信噪比，说明超声相控阵技术的聚焦特性使超声声束在奥氏体不锈钢焊 缝中具有更强的穿透力。(2) 30 mm处缺陷，相控阵超声波同样未能检出缺陷，这是因为焊缝越深，超声声 束的相变越严重，使用未经优化的聚焦延时法则不能实现各阵元发射的超声波的叠 加，因此，提高深厚奥氏体不锈钢相控阵超声波检测能力的有效方法是对聚焦延时 法则进行优化。(3) 相控阵超声波一次检测能覆盖较大的角度范围，能有效地提高检测效率。参考文献：【相关文献】1 张鹰，张延丰，雷毅.奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测方法研究J.无损检测，2006 , 28(3) :119-122.2 王柄方，韩赞东，原可义，等.基于时频分析的奥氏体焊缝超声检测信号处理J.焊接学报， 2011 , 32(5):25-28.3 薛拥军，张礼典，赖德海.大厚度异种钢奥氏体焊缝超声波检测J .无损检测，2008 , 30(11):816-919.4 钟志民，梅德松.超声相控阵技术的发展及应用J.无损检测，2002 , 24(2):69-71.5 Nageswaran C , Cappentier C , Tse Y Y.Microstructural Quantification , Modeling and Array Ultrasonic to Improve the Inspection of Austenitic WeldsJ .Insight , 2009 , 51(12):1-7.6 Liu Q , Wirdelius H.A 2D Model of Ultrasonic Wave Propagation in an Anisotropic WeldJ .NDT & E International , 2007,40(3):229-238.7 Han T Y ,Kohler B, Schmitz V , et al.Investigation into Ultrasonic Testing of Thick Walled Austenitic WeldsJ .无损检测，2009 , 31(11):837-841.8 Ye J , Kim H J , Song S J , et al.The Far field Scattering Response of a Side Drilled Hole Insingle/layered Anisotropic Media in Ultrasonic Pulse-echo SetupJ .Wave Motion , 2011,48(3):275-289.9 Ye J , Kim H J , Song S J , et al.Model Based Simulation of Focused Beam Fields.IzvmlzoIOZ、一 旦根贸 5 己.96ZO6 毕£寸寸、SOT EUO右 EEUI Lu0alaNJSP-<DM -s_>-CU=UJ 一 SSQU 一<Dunpsua5l uc0scu+->5>cuv pCDscuqdcu>q p(Dunpod.mLnwsIT noz 、艮燹眼二n旺目日姓柬泾尽垣反亦堡地吸堡反弟螺杓也旧啾.帅、卿«咽或峋、W湛3己oom9IZ900z、ss(Dd >1 一 s(D>unCunq6u-SJJ6U5<D8l/IJ6u-ss(Duod -CUU6 一 s<D>ldcupv pucu-cuuqspcuAS.X IAI uCDqdCDAS、I >1 >cuu>、IAI D s-MLUQCNEl .m9"8LnA(0D9m、ZOOTffl旱I思热积酒泾低幽雌瀛«咧饱出鬲柬.并炀、蒋照H、出案用日-