超聲波從母材側(cè)檢測(cè)不銹鋼堆焊層的研究

摘 要：文章介紹了當(dāng)采用普通單晶直探頭從母材側(cè)檢測(cè)堆焊層時(shí)，能發(fā)現(xiàn)堆焊層內(nèi)不同深度以及堆焊層與母材界面上的φ9.5mm的平底孔。研究表明隨著探頭頻率的增加，平底孔回波與底面回波的幅值之比越高，即探頭頻率增加更有利于發(fā)現(xiàn)堆焊層缺陷，減少底面回波的干擾。

關(guān)鍵詞：堆焊層；母材側(cè)；超聲波；單晶直探頭

1各標(biāo)準(zhǔn)從母材側(cè)檢測(cè)堆焊層的要求

NB/T 4730.3-2015允許從母材側(cè)對(duì)堆焊層進(jìn)行超聲檢測(cè)，ASME標(biāo)準(zhǔn)中也有從母材側(cè)檢測(cè)堆焊層的推薦試塊。以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中人工反射體均分布在堆焊層與母材界面上，說(shuō)明從母材側(cè)檢測(cè)堆焊層與母材界面上的未結(jié)合缺陷是可行的。但是從母材側(cè)檢測(cè)堆焊層內(nèi)部未結(jié)合缺陷，在標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確的說(shuō)明。如果能驗(yàn)證從母材側(cè)也能檢測(cè)堆焊層內(nèi)部未結(jié)合的缺陷，那從筒體側(cè)（即母材側(cè)）檢測(cè)堆焊層的設(shè)想是切實(shí)可行的。為了驗(yàn)證從母材側(cè)探傷堆焊層的可行性，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的超聲波試塊，即在堆焊層與母材界面以及堆焊層內(nèi)部均布置不同深度的平底孔。從圖1可知，該試塊不銹鋼堆焊層厚度為8mm，在堆焊層與母材的熔合面（H=110mm）的區(qū)域布置一個(gè)φ9.5mm的平底孔，在堆焊層內(nèi)布置了不同深度的φ9.5mm平底孔，距母材表面的深度分別為112mm，114mm，116mm。界面上的平底孔模擬了實(shí)際產(chǎn)品中堆焊層與母材之間的未結(jié)合缺陷，堆焊層內(nèi)的平底孔模擬了堆焊層層間的未結(jié)合性缺陷。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證超聲波檢測(cè)能否發(fā)現(xiàn)堆焊層內(nèi)部以及堆焊層與母材界面的平底孔，采用超聲波檢測(cè)常用的單晶直探頭（2.5P20，頻率為2.5MHz，晶片尺寸為20mm）放在試塊母材側(cè)進(jìn)行試驗(yàn)，直探頭能發(fā)現(xiàn)不同深度的平底孔。見(jiàn)圖2，圖3。

試驗(yàn)結(jié)果可知，堆焊層內(nèi)不同深度的？準(zhǔn)9.5mm平底孔均清晰可見(jiàn)且伴隨底波的出現(xiàn)，隨著平底孔深度的增加，平底孔反射波與底波不斷靠近。如圖2所示，當(dāng)平底孔深度為110mm時(shí)，平底孔反射回波與底面回波可明顯區(qū)分開(kāi)，當(dāng)平底孔深度H=116mm時(shí)幾乎與底波融合到一起，平底孔回波與底面回波難以分辨，且底面回波的波高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平底孔波高。由此可見(jiàn)，從母材側(cè)進(jìn)行堆焊層探傷是確實(shí)可行的，但是當(dāng)缺陷與底面接近時(shí)，可能難以區(qū)分。為了提高底波與平底孔反射波的分辨率，采用了頻率更高的探頭進(jìn)行試驗(yàn)。筆者采用單晶直探頭5P20（與之前探頭相比，頻率為5MHz，晶片尺寸仍然為20mm）在試塊進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2與圖4波形圖對(duì)比可知，深度為110mm的平底孔（母材與堆焊層界面平底孔），在平底孔回波均為80%滿(mǎn)屏高度的條件下，圖4中的底面回波高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖2，由此說(shuō)明5MHz與2.5MHz探頭相比，平底孔與底面回波幅值比值更大，平底孔與底波更容易區(qū)分。當(dāng)平底孔接近表面時(shí)，圖3與圖5對(duì)比可知，圖5平底孔回波與底面回波更容易區(qū)分。

試驗(yàn)結(jié)果表面，隨著探頭頻率增加，不同深度的平底孔回波清晰可見(jiàn)，平底孔與底波更容易區(qū)分，此時(shí)底波對(duì)缺陷的判定影響減小，更利于缺陷波的判定。

3 原因分析

研究上述現(xiàn)象可知，當(dāng)從母材側(cè)檢測(cè)堆焊層時(shí)，除了出現(xiàn)平底孔（代表缺陷）回波外，還有一個(gè)強(qiáng)大的底面回波。當(dāng)平底孔與底面非常接近時(shí)，兩者極易混淆或兩者無(wú)法分辨（如圖3所示）。從超聲波在平底孔上的回波聲壓以及底面上的回波聲壓理論來(lái)解釋這種現(xiàn)象。

其中：P0-探頭波源的起始聲壓；Fs-探頭波源的面積；Ff-平底孔缺陷面積；λ-超聲波波長(zhǎng)；x為平底孔至波源的距離；Y為底面值波源的距離（即母材厚度）；

由公式（3）可知，當(dāng)平底孔深度X和母材厚度y不變，平底孔大小也不變的情況下，波長(zhǎng)決定了平底孔回波與底面回波的比值，當(dāng)波長(zhǎng)越短，平底孔與底面回波聲壓比值越大，即平底孔回波波幅更大。

由公式（4）可知，超聲波頻率越大，波長(zhǎng)越短。對(duì)直探頭而言，在鋼中的聲速為5900m/S，2.5P20探頭波長(zhǎng)為2.36mm，5P20探頭波長(zhǎng)為1.18mm。因此可知，5MHz探頭超聲波的波長(zhǎng)比2.5MHz探頭超聲波的波長(zhǎng)更短，5MHz探頭的平底孔回波聲壓與底面回波聲壓之比更大。

4 結(jié)束語(yǔ)

從母材側(cè)檢測(cè)不銹鋼堆焊層缺陷時(shí)，普通單晶直探頭能發(fā)現(xiàn)堆焊層內(nèi)不同深度以及堆焊層與母材熔合面的φ9.5mm平底孔。探頭頻率越高，平底孔回波越容易與底面回波區(qū)分開(kāi)來(lái)，特別是接近底面的平底孔回波這種顯現(xiàn)更為明顯。隨著探頭頻率的增加，平底孔回波波幅與底面回波波幅的比值增大，更有利于堆焊層內(nèi)平底孔的發(fā)現(xiàn)，即越有利于堆焊層內(nèi)缺陷的發(fā)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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