粗晶奧氏體不銹鋼焊縫相控陣檢測討論

    轉自：圖邁檢測技術

  焊縫是工業(yè)中最常見的一種結構形勢，廣泛存在各類制造和生產領域。焊縫的焊接質量是保證焊接結構性能的關鍵，對于使用性能要求較高的焊縫，常使用先進無損檢測技術為焊縫質量進行把關。超聲波檢測技術作為焊縫檢測最可靠的手段之一,近些年被大量研究和應用。經歷了從常規(guī)超聲，相控陣超聲再到全聚焦相控陣超聲檢測技術的發(fā)展過程。然而超聲波檢測技術在面對奧氏體不銹鋼焊縫時卻顯得困難重重，主要源自于奧氏體不銹鋼的晶粒粗大對超聲波能量造成較大衰減以及散射，同時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，且縱波與橫波的表現形式也各有不同。這些都極大增加了超聲波檢測工藝的設計難度，同時所獲得數據的可信度也不夠高。但隨著超聲成像技術的不斷發(fā)展進步，可以嘗試利用一些新的成像工藝來獲得一些效果的提升。

近年來全聚焦相控陣檢測技術受到業(yè)內越來越多的研究與實踐，得益于其更高的成像質量與靈活的模式選擇，全聚焦相控陣技術在缺陷定量定性上有著明顯優(yōu)勢。根據不同的數據采集以及處理方式，全聚焦技術可分類為：FMC-TFM，PWI-TFM，FMC-PCI，PWI-PCI等。我們可以嘗試將這些在碳鋼焊縫檢測上已經獲得了較好應用效果的全聚焦技術應用到奧氏體不銹鋼焊縫檢測中，評價它們在此類粗晶材質焊縫（包括不銹鋼對接焊縫、異種鋼對接焊縫以及CRA熔覆金屬對接焊縫）的應用中是否能比常規(guī)檢測手段獲得更好的測試結果。本章節(jié)內容將重點討論利用DMA探頭在異種鋼焊縫與奧氏體不銹鋼焊縫上對比常規(guī)扇掃，PWI和FMC全聚焦技術，以及PCI相位成像技術的結果，同時從技術原理上評價不同技術在粗晶材料檢測中的適應性。

   常規(guī)超聲檢測和相控陣檢測粗晶焊縫主要存在的難點如下：

晶粒粗大：與碳鋼焊縫相比，粗晶焊縫晶粒最 大可達幾個mm，粗大晶粒必然導致能量的高衰減，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，并提高激勵孔徑。降低探頭頻率的后果便是能量聚焦在相對較深位置變得更加困難，而增加探頭的激勵孔徑在相控陣工藝中必然會增加通道數量，否則如果晶片尺寸相對波長過大將會產生一些旁瓣從而產生對檢測結果的影響。探頭以及楔塊的設計在此類應用中顯得非常重要。

各向異性：在一個各向異性材料中，超聲檢測聲束入射角度與材料晶粒取向相對角度會直接影響不同模態(tài)下的聲速。而在一個常見的不銹鋼管對接焊縫中，其晶粒的取向通常是從焊縫兩側由外向內連續(xù)變化的，這對焊縫區(qū)域超聲定位造成了極大的難度，且在檢測工藝設計上也比較受限。在各向異性材料中，縱波所受的影響相對較小，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行成像（二次波聲程可能會與橫波一次聲程混淆，從而無法判斷其回波來源性質），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波形轉換，這些波形轉換后的回波被記錄后，對數據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：

· 減少近表面盲區(qū)；不同聲程路徑的入射與接收信號的卷積，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在檢測區(qū)域的聲程內部。

  使用這類檢測方式，最早可追溯到1980年代，現在已經在全球類似應用中廣泛使用。相控陣技術在此檢測技術上利用其聚焦偏轉的優(yōu)勢進行了技術升級，通常是將每個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?？煽刂坡暿跈z測區(qū)域內部進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，并可以更有效地對焊縫區(qū)域進行聚焦。至于DLA與DMA之間的區(qū)別主要是根據實際情況進行選擇利用。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分布在一個面上，讓左右兩個線陣探頭的焦點分布在焊縫中心對楔塊的設計難度較大，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與聚焦較容易實現焊縫區(qū)域聲束的聚焦，探頭設計的難點轉為晶片主動孔徑與被動孔徑數量與尺寸選擇，從而保證在被檢測工件整個厚度的良好聚焦。同時晶片尺寸的選擇對設計的最 大偏轉角度下不會產生柵瓣或旁瓣的影響。

  Eddyfi作為全球先進無損檢測引領者，旗下擁有兩個相控陣品牌M2M&ZETEC。其各自品牌的設備和探頭在全球范圍內的粗晶焊縫相控陣檢測領域廣泛應用，并深受好評。如ZETEC的TOPAZ在全球范圍內的核電異種鋼管道中的應用等。

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）對接焊縫試塊橫通孔SDH 2mm檢測結果。

1. 探頭在不銹鋼側檢測

結論：

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

· PWI有更高的靈敏度余量

· PCI對小缺陷敏感，晶粒信號可能導致誤判

· 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，但會損失80mm深孔的檢測能力

2. 向前移動探頭前端距后檢測效果如下：

結論：

· 從不銹鋼一側檢測，PA，FMC-TFM，PWI-TFM均可檢測到5-60mm4個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，可獲得有更高的靈敏度余量；

· PCI對小的缺陷較敏感，晶粒信號可能導致誤判；

· 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行進一步評估；

· 異種鋼焊縫屬于檢測難度較大的對象，實驗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進行檢測，將較難在穿透鎳基堆焊層后獲得較良好的檢測結果，后期將設計采用頻率更低（1Mhz）的雙面陣探頭對此焊縫進行更多試驗。

案例二： 使用相同的DMA探頭檢測90mm奧氏體不銹鋼對接焊縫試塊，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焊縫熔合線上?？咨顬?/span>10mm，30mm，50mm，70mm，80mm。

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

除上述DMA檢測探頭現象外，在奧氏體對接焊縫測試中，還具有如下特征：

· PAUT檢測不銹鋼焊縫，兩側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行檢測。

綜述：

· DMA探頭檢測更具信噪比優(yōu)勢，但是對儀器通道數要求更高；

· 全聚焦技術應用中，PWI技術相對FMC采集技術檢測靈敏度更高，信噪比更好；

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

· 不銹鋼一側檢測難度低，因為在母材中晶粒取向規(guī)則；然而當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，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，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)的關鍵資產。Eddyfi 為 110 多個國家的客戶提供服務。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 個卓越中心和銷售辦事處，所有員工均由 NDT 專家組成。