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(shù)

  焊縫是工業(yè)中最常見(jiàn)的一種結構形勢，廣泛存在各類(lèi)制造和生產(chǎn)領(lǐng)域。焊縫的焊接質(zhì)量是保證焊接結構性能的關(guān)鍵，對于使用性能要求較高的焊縫，常使用先進(jìn)無(wú)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用。經(jīng)歷了從常規超聲，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(guò)程。然而超聲波檢測技術(shù)在面對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(shí)所獲得數據的可信度也不夠高。但隨著(zhù)超聲成像技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，可以嘗試利用一些新的成像工藝來(lái)獲得一些效果的提升。

近年來(lái)全聚焦相控陣檢測技術(shù)受到業(yè)內越來(lái)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(zhù)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(shù)可分類(lèi)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(jīng)獲得了較好應用效果的全聚焦技術(shù)應用到奧氏體不銹鋼焊縫檢測中，評價(jià)它們在此類(lèi)粗晶材質(zhì)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檢測手段獲得更好的測試結果。本章節內容將重點(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比常規扇掃，PWI和FMC全聚焦技術(shù)，以及PCI相位成像技術(shù)的結果，同時(shí)從技術(shù)原理上評價(jià)不同技術(shù)在粗晶材料檢測中的適應性。

   常規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 大可達幾個(gè)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(huì )增加通道數量，否則如果晶片尺寸相對波長(cháng)過(guò)大將會(huì )產(chǎn)生一些旁瓣從而產(chǎn)生對檢測結果的影響。探頭以及楔塊的設計在此類(lèi)應用中顯得非常重要。

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角度會(huì )直接影響不同模態(tài)下的聲速。而在一個(gè)常見(jiàn)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變化的，這對焊縫區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(jiàn)圖1），所以?shī)W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(cháng)相對橫波更長(cháng)，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(wú)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(wú)法判斷其回波來(lái)源性質(zhì)），從而使得上表面區域成為檢測盲區；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(lái)了更大的難度。

  為解決上述問(wèn)題，常規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；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域的聲程內部。

  使用這類(lèi)檢測方式，最早可追溯到1980年代，現在已經(jīng)在全球類(lèi)似應用中廣泛使用。相控陣技術(shù)在此檢測技術(shù)上利用其聚焦偏轉的優(yōu)勢進(jìn)行了技術(shù)升級，通常是將每個(gè)探頭替換為線(xiàn)陣或者面陣，組成了雙線(xiàn)陣（DLA）或者雙面陣（DMA）探頭?？煽刂坡暿跈z測區域內部進(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，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域進(jìn)行聚焦。至于DLA與DMA之間的區別主要是根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇利用。DLA采用線(xiàn)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(xiàn)陣探頭的聚焦點(diǎn)分布在一個(gè)面上，讓左右兩個(gè)線(xiàn)陣探頭的焦點(diǎn)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(guò)三維聲束擺動(dòng)與聚焦較容易實(shí)現焊縫區域聲束的聚焦，探頭設計的難點(diǎn)轉為晶片主動(dòng)孔徑與被動(dòng)孔徑數量與尺寸選擇，從而保證在被檢測工件整個(gè)厚度的良好聚焦。同時(shí)晶片尺寸的選擇對設計的最 大偏轉角度下不會(huì )產(chǎn)生柵瓣或旁瓣的影響。

  Eddyfi作為全球先進(jìn)無(wú)損檢測引領(lǐng)者，旗下?lián)碛袃蓚€(gè)相控陣品牌M2M&ZETEC。其各自品牌的設備和探頭在全球范圍內的粗晶焊縫相控陣檢測領(lǐng)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(lèi)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(guò)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：

結論：

· 從不銹鋼一側檢測，PA，FMC-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，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(wèn)題，不能檢出，考慮制作較小角度楔塊進(jìn)行進(jìn)一步評估；

· 異種鋼焊縫屬于檢測難度較大的對象，實(shí)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(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果，后期將設計采用頻率更低（1Mhz）的雙面陣探頭對此焊縫進(jìn)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(xiàn)上?？咨顬?/span>10mm，30mm，50mm，70mm，80mm。

在整個(gè)焊縫深度范圍內，穿過(guò)焊縫后橫通孔變形較小，可說(shuō)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(jìn)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(shù)應用中，PWI技術(shù)相對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則；然而當聲束穿過(guò)堆焊層或穿透焊縫金屬檢測難度顯著(zhù)提高，焊縫區域的晶粒取向連續變化；

· 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(zhù)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(wú)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(guān)鍵資產(chǎn)。Eddyfi 為 110 多個(gè)國家的客戶(hù)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(xiāo)售辦事處，所有員工均由 NDT 專(zhuān)家組成。