不銹鋼異質(zhì)焊縫超聲探傷界面回波的分析

高東海，范振中，黃鳳英，郭 犇，史啟帥

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所 無(wú)損檢測(cè)事業(yè)部，北京 100081）

超聲探傷是檢驗(yàn)焊縫的常用方法。在對(duì)不銹鋼與碳鋼的閃光焊焊縫（宏觀形貌如圖1所示）進(jìn)行探傷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的異質(zhì)界面回波，嚴(yán)重影響焊縫異質(zhì)界面處缺陷識(shí)別，無(wú)法有效實(shí)施超聲檢測(cè)。為此，筆者通過(guò)使用超聲波測(cè)試異質(zhì)界面的聲壓反射率，分析了異質(zhì)界面反射波形成原因。

圖1 異質(zhì)焊縫縱斷面宏觀形貌

1 界面反射量級(jí)比較試驗(yàn)

閃光焊焊縫中主要以面積型缺陷為主，且該類缺陷基本與檢測(cè)面垂直。對(duì)于此類缺陷的常規(guī)超聲波探傷，通常采用單斜探頭法檢測(cè)靠近表面的區(qū)域，如圖2（a）所示；采用雙探頭法（K 型、串列式掃查）檢測(cè)內(nèi)部區(qū)域，如圖2（b），2（c）所示［1］。

1.1 單探頭法

為對(duì)單探頭法檢測(cè)靠近表面缺陷與異質(zhì)界面的反射進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)如圖3所示試塊。人工刻槽深1mm、長(zhǎng)10mm，距離異質(zhì)界面3 mm。試驗(yàn)結(jié)果顯示，單探頭法可以發(fā)現(xiàn)試塊表面人工刻槽模擬的裂紋類缺陷，但是異質(zhì)界面的反射更強(qiáng)（圖4）。這就導(dǎo)致如果異質(zhì)界面處出現(xiàn)深1mm、長(zhǎng)10mm 當(dāng)量的裂紋類缺陷將無(wú)法有效分辨。

1.2 雙探頭法

為對(duì)雙探頭法檢測(cè)內(nèi)部面積性缺陷與異質(zhì)界面的反射進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)如圖5所示試塊。該類焊縫的雙探頭法探傷靈敏度為φ3 mm 平底孔當(dāng)量，試塊中孔底距離異質(zhì)界面3mm。對(duì)比圖6（a），6（b）可知，K型掃查結(jié)果顯示異質(zhì)界面反射波達(dá)到甚至超過(guò)φ3mm 平底孔當(dāng)量。對(duì)比圖7（a），7（b）可知，串列式掃查結(jié)果顯示異質(zhì)界面反射波達(dá)到甚至超過(guò)φ3mm 平底孔當(dāng)量。

由此可見(jiàn)，常規(guī)單探頭和雙探頭法探傷時(shí)異質(zhì)界面的回波已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了探傷靈敏度的當(dāng)量，造成實(shí)際探傷中難以識(shí)別波形。

2 聲學(xué)測(cè)試

脈沖反射法超聲探傷是利用超聲波在異質(zhì)界面處產(chǎn)生反射的規(guī)律進(jìn)行缺陷探測(cè)的，這與兩種材料的聲阻抗差異有關(guān)。筆者采用聲特性測(cè)試和比較測(cè)試兩種方法測(cè)試其聲阻抗及聲壓反射率。

2.1 聲特性測(cè)試法

聲特性測(cè)試采取在多試塊多點(diǎn)多方向測(cè)試取均值的方式。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。聲特性測(cè)試結(jié)果表明：聲速CT＞CB；聲衰減αT＜αB，且不銹鋼聲衰減各向異性；聲阻抗ZT＞ZB，但差異不大（下標(biāo)T表示碳鋼，B表示不銹鋼）。

表1 不銹鋼、碳鋼聲學(xué)測(cè)試結(jié)果

以縱波自碳鋼垂直入射到不銹鋼為例（圖8），計(jì)算聲壓反射率：

圖8 碳鋼、不銹鋼界面的反射、透射示意圖

聲壓透射率：

由此可見(jiàn)，碳鋼與不銹鋼兩種材料聲阻抗基本相同，反射率低，透射率高。

2.2 比較測(cè)試法

兩種材料經(jīng)過(guò)焊接后，焊縫有可能出現(xiàn)不同于原本兩種材質(zhì)的第三種形態(tài)。反射率不能簡(jiǎn)單通過(guò)兩種材料的聲阻抗計(jì)算而來(lái)，所以設(shè)計(jì)比較測(cè)試試塊（圖9），試塊1為全碳鋼，試塊2為由碳鋼和不銹鋼焊接而成，通過(guò)比較兩個(gè)反射波信號(hào)（圖10，11），計(jì)算得到近似的聲壓反射率：

P0為20mm 深處界面的入射聲壓；P1為碳鋼與空氣界面的反射聲壓；P1′為碳鋼與不銹鋼界面的反射聲壓；P2為碳鋼與不銹鋼界面的透射聲壓。

式中：rT→K、rT→B分別為碳鋼與空氣、碳鋼與不銹鋼界面的聲壓反射率；ZK，ZT分別為空氣聲阻抗、碳鋼聲阻抗。

由此可見(jiàn)，比較測(cè)試法得到的聲壓反射率2.4%，略高于聲特性測(cè)試法得到的0.77%?？偟膩?lái)說(shuō)，聲壓反射率不高。

3 異質(zhì)界面反射波的分析

異質(zhì)界面聲壓反射率由兩種材料的聲阻抗決定，從兩種方法測(cè)試得到的聲壓反射率結(jié)果看，反射率并不高，因此導(dǎo)致探傷時(shí)界面反射回波較高的原因，不是聲阻抗差異大所致。

3.1 模擬計(jì)算

通過(guò)直探頭法探傷模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，可反映異質(zhì)界面的反射聲壓情況，斜探頭法探傷也有類似情況。以頻率為5MHz、直徑為14mm 的縱波直探頭分別探測(cè)距探頭距離a為120mm（約3倍近場(chǎng)長(zhǎng)度）深處的φ3mm 平底孔和異質(zhì)界面為例，計(jì)算兩種面積的聲壓。異質(zhì)界面為形狀規(guī)則的大面積界面，超聲波在異質(zhì)界面為大平底反射。

平底孔反射聲壓Pφ：

式中：A為探頭晶片面積；s為平底孔面積；λ為超聲波波長(zhǎng)。

異質(zhì)界面反射聲壓：

兩者聲壓比：

rT→B取值以比較測(cè)試法得到的2.4%為例，代入以上公式中，可得到異質(zhì)界面的發(fā)射聲壓比φ3mm平底孔反射聲壓約低12 dB。如果是φ2mm平底孔，則約低5dB。

3.2 分析

試驗(yàn)中反射波的高低與聲壓反射率和反射體面積等有關(guān)。上述模擬計(jì)算中異質(zhì)界面的反射波與平底孔相差不大。探測(cè)平底孔時(shí)，以鋼／空氣作為反射界面，因?yàn)榭諝馀c鋼聲阻抗相差較大，所以聲壓全反射；而在異質(zhì)焊縫實(shí)際探傷時(shí)普通探頭的聲束經(jīng)過(guò)擴(kuò)散到達(dá)異質(zhì)界面時(shí)的截面積可達(dá)到平底孔的幾十倍，異質(zhì)界面的反射率即使在0.77%～2.4%，也可以反射較高能量，影響波形識(shí)別。

所以，不銹鋼與碳鋼異質(zhì)界面較高反射波的形成原因主要是由于在聲壓反射率相對(duì)較小的情況下，因?yàn)殚W光焊接異質(zhì)界面的形狀較規(guī)則、面積大，能夠集中反射回較強(qiáng)聲波，并被探頭接收所致。

4 結(jié)論

（1）超聲波探傷時(shí)經(jīng)常存在異質(zhì)界面的較高反射回波，有的是由兩種材質(zhì)聲阻抗存在巨大差異造成的；有的聲阻抗兩種材質(zhì)差異并不大，反射率不高，則是主要由于異質(zhì)界面形狀規(guī)則、大面積集中反射能量所致。

（2）常規(guī)單探頭、雙探頭法均為脈沖反射法，這種以波形高度為判傷依據(jù)的方法比較難于區(qū)分類似的形狀規(guī)則且能夠大面積集中反射聲波的異質(zhì)界面與宏觀缺陷。可考慮嘗試采用TOFD、相控陣聚焦等工藝方法，以改善異質(zhì)界面對(duì)探傷的不利影響。

［1］ TB／T 2658.21－2007 工務(wù)作業(yè) 第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業(yè)［S］.

［2］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)編.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.