粗晶奧氏體不銹鋼焊縫相控陣檢測討論

    轉(zhuǎn)自：圖邁檢測技術(shù)

  焊縫是工業(yè)中最常見的一種結(jié)構(gòu)形勢(shì)，廣泛存在各類制造和生產(chǎn)領(lǐng)域。焊縫的焊接質(zhì)量是保證焊接結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵，對(duì)于使用性能要求較高的焊縫，常使用先進(jìn)無損檢測技術(shù)為焊縫質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)。超聲波檢測技術(shù)作為焊縫檢測最可靠的手段之一,近些年被大量研究和應(yīng)用。經(jīng)歷了從常規(guī)超聲，相控陣超聲再到全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)的發(fā)展過程。然而超聲波檢測技術(shù)在面對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫時(shí)卻顯得困難重重，主要源自于奧氏體不銹鋼的晶粒粗大對(duì)超聲波能量造成較大衰減以及散射，同時(shí)其各向異性的特殊性造成了超聲波的聲速與入射角度密切相關(guān)，且縱波與橫波的表現(xiàn)形式也各有不同。這些都極大增加了超聲波檢測工藝的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)所獲得數(shù)據(jù)的可信度也不夠高。但隨著超聲成像技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，可以嘗試?yán)靡恍┬碌某上窆に噥慝@得一些效果的提升。

近年來全聚焦相控陣檢測技術(shù)受到業(yè)內(nèi)越來越多的研究與實(shí)踐，得益于其更高的成像質(zhì)量與靈活的模式選擇，全聚焦相控陣技術(shù)在缺陷定量定性上有著明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集以及處理方式，全聚焦技術(shù)可分類為：FMC-TFM，PWI-TFM，F(xiàn)MC-PCI，PWI-PCI等。我們可以嘗試將這些在碳鋼焊縫檢測上已經(jīng)獲得了較好應(yīng)用效果的全聚焦技術(shù)應(yīng)用到奧氏體不銹鋼焊縫檢測中，評(píng)價(jià)它們?cè)诖祟惔志Р馁|(zhì)焊縫（包括不銹鋼對(duì)接焊縫、異種鋼對(duì)接焊縫以及CRA熔覆金屬對(duì)接焊縫）的應(yīng)用中是否能比常規(guī)檢測手段獲得更好的測試結(jié)果。本章節(jié)內(nèi)容將重點(diǎn)討論利用DMA探頭在異種鋼焊縫與奧氏體不銹鋼焊縫上對(duì)比常規(guī)扇掃，PWI和FMC全聚焦技術(shù)，以及PCI相位成像技術(shù)的結(jié)果，同時(shí)從技術(shù)原理上評(píng)價(jià)不同技術(shù)在粗晶材料檢測中的適應(yīng)性。

   常規(guī)超聲檢測和相控陣檢測粗晶焊縫主要存在的難點(diǎn)如下：

晶粒粗大：與碳鋼焊縫相比，粗晶焊縫晶粒最 大可達(dá)幾個(gè)mm，粗大晶粒必然導(dǎo)致能量的高衰減，回波背景噪聲大，缺陷回波信噪比低。為了提升信噪比，通常需要降低探頭頻率，并提高激勵(lì)孔徑。降低探頭頻率的后果便是能量聚焦在相對(duì)較深位置變得更加困難，而增加探頭的激勵(lì)孔徑在相控陣工藝中必然會(huì)增加通道數(shù)量，否則如果晶片尺寸相對(duì)波長過大將會(huì)產(chǎn)生一些旁瓣從而產(chǎn)生對(duì)檢測結(jié)果的影響。探頭以及楔塊的設(shè)計(jì)在此類應(yīng)用中顯得非常重要。

各向異性：在一個(gè)各向異性材料中，超聲檢測聲束入射角度與材料晶粒取向相對(duì)角度會(huì)直接影響不同模態(tài)下的聲速。而在一個(gè)常見的不銹鋼管對(duì)接焊縫中，其晶粒的取向通常是從焊縫兩側(cè)由外向內(nèi)連續(xù)變化的，這對(duì)焊縫區(qū)域超聲定位造成了極大的難度，且在檢測工藝設(shè)計(jì)上也比較受限。在各向異性材料中，縱波所受的影響相對(duì)較小，而橫波受到影響巨大（見圖1），所以奧氏體不銹鋼焊縫檢測中通常選用縱波檢測方法作為首選工藝。并且在同樣工作頻率下縱波波長相對(duì)橫波更長，受到晶粒影響衰減的程度也相較更低。但是縱波斜探頭檢測有很大的弊端。首 先無法利用二次波進(jìn)行成像（二次波聲程可能會(huì)與橫波一次聲程混淆，從而無法判斷其回波來源性質(zhì)），從而使得上表面區(qū)域成為檢測盲區(qū)；其次縱波檢測還可能更容易出現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換，這些波形轉(zhuǎn)換后的回波被記錄后，對(duì)數(shù)據(jù)分析工作帶來了更大的難度。

  為解決上述問題，常規(guī)超聲檢測采用低頻雙晶縱波探頭 (TRL) 檢測粗晶焊縫，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

· 減少近表面盲區(qū)；不同聲程路徑的入射與接收信號(hào)的卷積，能有效降低晶粒反射造成的干擾，可提高檢測信噪比；

· 可消除縱波楔塊的干擾，縱波斜楔塊多次回波通常容易出現(xiàn)在檢測區(qū)域的聲程內(nèi)部。

  使用這類檢測方式，最早可追溯到1980年代，現(xiàn)在已經(jīng)在全球類似應(yīng)用中廣泛使用。相控陣技術(shù)在此檢測技術(shù)上利用其聚焦偏轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)，通常是將每個(gè)探頭替換為線陣或者面陣，組成了雙線陣（DLA）或者雙面陣（DMA）探頭。可控制聲束在檢測區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行三維體積掃描與能量聚焦。如此可以降低上表面的檢測盲區(qū)，多角度覆蓋可提升檢測效率并提高檢出率，并可以更有效地對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行聚焦。至于DLA與DMA之間的區(qū)別主要是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇利用。DLA采用線陣探頭作為組成單元，可以在有限的通道數(shù)前提下獲得更大的孔徑布置，從而使探頭的檢測范圍更大，但是線陣探頭的聚焦點(diǎn)分布在一個(gè)面上，讓左右兩個(gè)線陣探頭的焦點(diǎn)分布在焊縫中心對(duì)楔塊的設(shè)計(jì)難度較大，通常需要借助特殊工具的支持。DMA探頭則可以通過三維聲束擺動(dòng)與聚焦較容易實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)域聲束的聚焦，探頭設(shè)計(jì)的難點(diǎn)轉(zhuǎn)為晶片主動(dòng)孔徑與被動(dòng)孔徑數(shù)量與尺寸選擇，從而保證在被檢測工件整個(gè)厚度的良好聚焦。同時(shí)晶片尺寸的選擇對(duì)設(shè)計(jì)的最 大偏轉(zhuǎn)角度下不會(huì)產(chǎn)生柵瓣或旁瓣的影響。

  Eddyfi作為全球先進(jìn)無損檢測引領(lǐng)者，旗下?lián)碛袃蓚€(gè)相控陣品牌M2M&ZETEC。其各自品牌的設(shè)備和探頭在全球范圍內(nèi)的粗晶焊縫相控陣檢測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并深受好評(píng)。如ZETEC的TOPAZ在全球范圍內(nèi)的核電異種鋼管道中的應(yīng)用等。

案例分析

案例一：如下是GEKKO使用DMA探頭檢測100mm異種鋼（核電容器安全端接口焊縫，成分為：碳鋼-奧氏體不銹鋼-鎳基堆焊層）對(duì)接焊縫試塊橫通孔SDH 2mm檢測結(jié)果。

1. 探頭在不銹鋼側(cè)檢測

結(jié)論：

· 從不銹鋼一側(cè)檢測，各類檢測方法均可檢測試塊上的20-80mm4個(gè)SDH橫通孔

· PWI有更高的靈敏度余量

· PCI對(duì)小缺陷敏感，晶粒信號(hào)可能導(dǎo)致誤判

· 最淺的5mm深孔可以通過縮小探頭前端距，或者增大楔塊出射角度的方式檢測，但會(huì)損失80mm深孔的檢測能力

2. 向前移動(dòng)探頭前端距后檢測效果如下：

結(jié)論：

· 從不銹鋼一側(cè)檢測，PA，F(xiàn)MC-TFM，PWI-TFM均可檢測到5-60mm4個(gè)SDH橫通孔；

· 兩種PCI方法均不能在縮小前端距的條件下檢測出5mm深的橫通孔

· PWI入射能量更強(qiáng)，可獲得有更高的靈敏度余量；

· PCI對(duì)小的缺陷較敏感，晶粒信號(hào)可能導(dǎo)致誤判；

· 最深的80mm橫通孔由于探頭前端距和楔塊角度問題，不能檢出，考慮制作較小角度楔塊進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估；

· 異種鋼焊縫屬于檢測難度較大的對(duì)象，實(shí)驗(yàn)中使用的探頭頻率為2.25Mhz，如果將探頭擺放在鎳基堆焊層一側(cè)進(jìn)行檢測，將較難在穿透鎳基堆焊層后獲得較良好的檢測結(jié)果，后期將設(shè)計(jì)采用頻率更低（1Mhz）的雙面陣探頭對(duì)此焊縫進(jìn)行更多試驗(yàn)。

案例二： 使用相同的DMA探頭檢測90mm奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫試塊，橫通孔SDH 2mm。試塊上的橫通孔排布如下：

橫通孔分別位于兩側(cè)焊縫熔合線上?？咨顬?/span>10mm，30mm，50mm，70mm，80mm。

在整個(gè)焊縫深度范圍內(nèi)，穿過焊縫后橫通孔變形較小，可說明該探頭在整個(gè)深度范圍有較好的聚焦能力。

除上述DMA檢測探頭現(xiàn)象外，在奧氏體對(duì)接焊縫測試中，還具有如下特征：

· PAUT檢測不銹鋼焊縫，兩側(cè)坡口上的橫通孔均可檢出

· PWI- PCI丟失10mm深橫通孔

· PWI- PCI更易于檢測小缺陷

對(duì)于不同材料及厚度的粗晶奧氏體不銹鋼或異種鋼焊縫，EDDYFI推薦使用如下探頭進(jìn)行檢測。

綜述：

· DMA探頭檢測更具信噪比優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)儀器通道數(shù)要求更高；

· 全聚焦技術(shù)應(yīng)用中，PWI技術(shù)相對(duì)FMC采集技術(shù)檢測靈敏度更高，信噪比更好；

· PCI技術(shù)有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷，也易與晶粒噪聲混淆；對(duì)大角度的反射體檢出率不高；

· 不銹鋼一側(cè)檢測難度低，因?yàn)樵谀覆闹芯ЯＨ∠蛞?guī)則；然而當(dāng)聲束穿過堆焊層或穿透焊縫金屬檢測難度顯著提高，焊縫區(qū)域的晶粒取向連續(xù)變化；

· 為提高近表面的檢測能力，可采用更大角度楔塊；

· DMA探頭+PWI/TFM技術(shù)，檢測厚度覆蓋范圍更大，可顯著減少大壁厚粗晶粒焊縫檢測次數(shù)，大幅提高檢測效率。

   Eddyfi 提供多元化的無損檢測儀器、探頭、軟件和機(jī)器人解決方案組合，用于檢查航空航天、石油和天然氣、國防和發(fā)電等行業(yè)的關(guān)鍵資產(chǎn)。Eddyfi 為 110 多個(gè)國家的客戶提供服務(wù)。其總部位于魁北克（加拿大），擁有 1000 多名員工，并在全球擁有 13 個(gè)卓越中心和銷售辦事處，所有員工均由 NDT 專家組成。