粗晶奥氏体不锈钢焊缝相控阵检测讨论

    转自：图迈检测技术

  焊缝是工业中最常见的一种结构形势，广泛存在各类制造和生产领域。焊缝的焊接质量是保证焊接结构性能的关键，对于使用性能要求较高的焊缝，常使用先进无损检测技术为焊缝质量进行把关。超声波检测技术作为焊缝检测最可靠的手段之一,近些年被大量研究和应用。经历了从常规超声，相控阵超声再到全聚焦相控阵超声检测技术的发展过程。然而超声波检测技术在面对奥氏体不锈钢焊缝时却显得困难重重，主要源自于奥氏体不锈钢的晶粒粗大对超声波能量造成较大衰减以及散射，同时其各向异性的特殊性造成了超声波的声速与入射角度密切相关，且纵波与横波的表现形式也各有不同。这些都极大增加了超声波检测工艺的设计难度，同时所获得数据的可信度也不够高。但随着超声成像技术的不断发展进步，可以尝试利用一些新的成像工艺来获得一些效果的提升。

近年来全聚焦相控阵检测技术受到业内越来越多的研究与实践，得益于其更高的成像质量与灵活的模式选择，全聚焦相控阵技术在缺陷定量定性上有着明显优势。根据不同的数据采集以及处理方式，全聚焦技术可分类为：FMC-TFM，PWI-TFM，FMC-PCI，PWI-PCI等。我们可以尝试将这些在碳钢焊缝检测上已经获得了较好应用效果的全聚焦技术应用到奥氏体不锈钢焊缝检测中，评价它们在此类粗晶材质焊缝（包括不锈钢对接焊缝、异种钢对接焊缝以及CRA熔覆金属对接焊缝）的应用中是否能比常规检测手段获得更好的测试结果。本章节内容将重点讨论利用DMA探头在异种钢焊缝与奥氏体不锈钢焊缝上对比常规扇扫，PWI和FMC全聚焦技术，以及PCI相位成像技术的结果，同时从技术原理上评价不同技术在粗晶材料检测中的适应性。

   常规超声检测和相控阵检测粗晶焊缝主要存在的难点如下：

晶粒粗大：与碳钢焊缝相比，粗晶焊缝晶粒最 大可达几个mm，粗大晶粒必然导致能量的高衰减，回波背景噪声大，缺陷回波信噪比低。为了提升信噪比，通常需要降低探头频率，并提高激励孔径。降低探头频率的后果便是能量聚焦在相对较深位置变得更加困难，而增加探头的激励孔径在相控阵工艺中必然会增加通道数量，否则如果晶片尺寸相对波长过大将会产生一些旁瓣从而产生对检测结果的影响。探头以及楔块的设计在此类应用中显得非常重要。

各向异性：在一个各向异性材料中，超声检测声束入射角度与材料晶粒取向相对角度会直接影响不同模态下的声速。而在一个常见的不锈钢管对接焊缝中，其晶粒的取向通常是从焊缝两侧由外向内连续变化的，这对焊缝区域超声定位造成了极大的难度，且在检测工艺设计上也比较受限。在各向异性材料中，纵波所受的影响相对较小，而横波受到影响巨大（见图1），所以奥氏体不锈钢焊缝检测中通常选用纵波检测方法作为首选工艺。并且在同样工作频率下纵波波长相对横波更长，受到晶粒影响衰减的程度也相较更低。但是纵波斜探头检测有很大的弊端。首 先无法利用二次波进行成像（二次波声程可能会与横波一次声程混淆，从而无法判断其回波来源性质），从而使得上表面区域成为检测盲区；其次纵波检测还可能更容易出现波形转换，这些波形转换后的回波被记录后，对数据分析工作带来了更大的难度。

  为解决上述问题，常规超声检测采用低频双晶纵波探头 (TRL) 检测粗晶焊缝，它具有如下优点：

· 减少近表面盲区；不同声程路径的入射与接收信号的卷积，能有效降低晶粒反射造成的干扰，可提高检测信噪比；

· 可消除纵波楔块的干扰，纵波斜楔块多次回波通常容易出现在检测区域的声程内部。

  使用这类检测方式，最早可追溯到1980年代，现在已经在全球类似应用中广泛使用。相控阵技术在此检测技术上利用其聚焦偏转的优势进行了技术升级，通常是将每个探头替换为线阵或者面阵，组成了双线阵（DLA）或者双面阵（DMA）探头。可控制声束在检测区域内部进行三维体积扫描与能量聚焦。如此可以降低上表面的检测盲区，多角度覆盖可提升检测效率并提高检出率，并可以更有效地对焊缝区域进行聚焦。至于DLA与DMA之间的区别主要是根据实际情况进行选择利用。DLA采用线阵探头作为组成单元，可以在有限的通道数前提下获得更大的孔径布置，从而使探头的检测范围更大，但是线阵探头的聚焦点分布在一个面上，让左右两个线阵探头的焦点分布在焊缝中心对楔块的设计难度较大，通常需要借助特殊工具的支持。DMA探头则可以通过三维声束摆动与聚焦较容易实现焊缝区域声束的聚焦，探头设计的难点转为晶片主动孔径与被动孔径数量与尺寸选择，从而保证在被检测工件整个厚度的良好聚焦。同时晶片尺寸的选择对设计的最 大偏转角度下不会产生栅瓣或旁瓣的影响。

  Eddyfi作为全球先进无损检测引领者，旗下拥有两个相控阵品牌M2M&ZETEC。其各自品牌的设备和探头在全球范围内的粗晶焊缝相控阵检测领域广泛应用，并深受好评。如ZETEC的TOPAZ在全球范围内的核电异种钢管道中的应用等。

案例分析

案例一：如下是GEKKO使用DMA探头检测100mm异种钢（核电容器安全端接口焊缝，成分为：碳钢-奥氏体不锈钢-镍基堆焊层）对接焊缝试块横通孔SDH 2mm检测结果。

1. 探头在不锈钢侧检测

结论：

· 从不锈钢一侧检测，各类检测方法均可检测试块上的20-80mm4个SDH横通孔

· PWI有更高的灵敏度余量

· PCI对小缺陷敏感，晶粒信号可能导致误判

· 最浅的5mm深孔可以通过缩小探头前端距，或者增大楔块出射角度的方式检测，但会损失80mm深孔的检测能力

2. 向前移动探头前端距后检测效果如下：

结论：

· 从不锈钢一侧检测，PA，FMC-TFM，PWI-TFM均可检测到5-60mm4个SDH横通孔；

· 两种PCI方法均不能在缩小前端距的条件下检测出5mm深的横通孔

· PWI入射能量更强，可获得有更高的灵敏度余量；

· PCI对小的缺陷较敏感，晶粒信号可能导致误判；

· 最深的80mm横通孔由于探头前端距和楔块角度问题，不能检出，考虑制作较小角度楔块进行进一步评估；

· 异种钢焊缝属于检测难度较大的对象，实验中使用的探头频率为2.25Mhz，如果将探头摆放在镍基堆焊层一侧进行检测，将较难在穿透镍基堆焊层后获得较良好的检测结果，后期将设计采用频率更低（1Mhz）的双面阵探头对此焊缝进行更多试验。

案例二： 使用相同的DMA探头检测90mm奥氏体不锈钢对接焊缝试块，横通孔SDH 2mm。试块上的横通孔排布如下：

横通孔分别位于两侧焊缝熔合线上。孔深为10mm，30mm，50mm，70mm，80mm。

在整个焊缝深度范围内，穿过焊缝后横通孔变形较小，可说明该探头在整个深度范围有较好的聚焦能力。

除上述DMA检测探头现象外，在奥氏体对接焊缝测试中，还具有如下特征：

· PAUT检测不锈钢焊缝，两侧坡口上的横通孔均可检出

· PWI- PCI丢失10mm深横通孔

· PWI- PCI更易于检测小缺陷

对于不同材料及厚度的粗晶奥氏体不锈钢或异种钢焊缝，EDDYFI推荐使用如下探头进行检测。

综述：

· DMA探头检测更具信噪比优势，但是对仪器通道数要求更高；

· 全聚焦技术应用中，PWI技术相对FMC采集技术检测灵敏度更高，信噪比更好；

· PCI技术有利于发现小缺陷，也易与晶粒噪声混淆；对大角度的反射体检出率不高；

· 不锈钢一侧检测难度低，因为在母材中晶粒取向规则；然而当声束穿过堆焊层或穿透焊缝金属检测难度显著提高，焊缝区域的晶粒取向连续变化；

· 为提高近表面的检测能力，可采用更大角度楔块；

· DMA探头+PWI/TFM技术，检测厚度覆盖范围更大，可显著减少大壁厚粗晶粒焊缝检测次数，大幅提高检测效率。

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