不銹鋼焊縫缺陷尺寸的超聲波探傷定量研究

楊 靜 羅四維 劉 峰 張 梅,2,3 張恒華,2,3

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200072; 2.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應用重點實驗室，上海 200072;3.上海大學材料科學與工程學院，上海 200072)

近年來，隨著重工業(yè)的快速發(fā)展，對焊接質(zhì)量控制的要求也越來越高。因此，各種無損檢測方法在焊接質(zhì)量控制中得到了廣泛應用。超聲波檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，是目前國內(nèi)外應用最廣泛且發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)。焊接過程中，由于操作不當或焊接工藝參數(shù)波動，將會導致在焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生焊接缺陷，并導致鋼結(jié)構(gòu)存在安全隱患。因此很有必要采用超聲波技術(shù)定量檢測焊接結(jié)構(gòu)中缺陷的尺寸。

在超聲波探傷過程中，除了簡單地確定缺陷在焊縫中的位置外，更重要的是如何對缺陷的尺寸進行定量。相關(guān)文獻中對缺陷進行定量研究的方法有很多。曹天寶等[1]通過儀器顯示屏上的閘門線截取振幅-深度曲線對缺陷進行定量；馮挺等[2]采用端點反射回波法和端點衍射法對缺陷進行定量；王小保等[3]采用6 dB法測長對常見缺陷進行定量；文獻[4-6]用DAC+dB或者SL+dB的方法來表示缺陷當量(DAC為距離-波幅曲線，SL線為定量線)。但采用這些方法定量的結(jié)果大都存在一定差異且缺少驗證過程。因此，本文采用在焊縫探傷中繪制AVG曲線的方法對缺陷的尺寸進行定量。

本文在3件不銹鋼試塊上制作了多組不同直徑和長度的橫通孔，通過記錄每組橫通孔回波高度達到基準波高時的增益值，進而繪制出相應的AVG(A-距離，V-波幅，G-當量)曲線，并對該曲線的變化規(guī)律進行分析研究。試驗驗證表明，該AVG曲線可以用來對不銹鋼焊縫中直徑當量為φ1～3 mm的缺陷的尺寸進行定量。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用材料為3件100 mm×10 mm×10 mm的不銹鋼試塊，分別在每件試塊上制作如圖1所示的不同直徑和長度的橫通孔。圖1中：(a)1號試塊上的6組孔直徑均為1 mm，長度分別為1、2、3、4、5和6 mm；(b)2號試塊上的6組孔直徑均為2 mm，長度同(a)；(c)3號試塊上的6組孔直徑均為3 mm，長度同上。

圖1 3種不銹鋼試塊Fig.1 Three stainless steel specimens

1.2 試驗方法

AVG曲線的具體繪制步驟如下：

(1)測定探頭入射點和探頭K值。

(2)分別將探頭置于3件不銹鋼試塊中長度為1 mm的橫通孔內(nèi)，調(diào)節(jié)探頭位置使反射回波達到最高，調(diào)節(jié)“增益”，使該反射回波占據(jù)示波屏的80%，該波高即為“基準波高”，記下此時的dB值。

(3)在3組試塊上檢測孔深為2 mm的橫通孔，使反射回波達到最高。此時由于聲程的增加，超聲波的衰減也隨之增大，其反射回波降低，即低于基準波高。調(diào)節(jié)“增益”，將回波調(diào)至基準波高，記下此時的dB值。

(4)重復第3個步驟，依次測3件試塊上孔深為3、4、5、6 mm的橫通孔，記下相對應的dB值，如表1所示。

表1 不同直徑和長度橫通孔的dB值Table 1 dB values of the cross through holes of different diameters and lengths

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 曲線變化

將表1中數(shù)據(jù)以孔長為橫坐標、dB值為縱坐標繪制AVG曲線，如圖2所示。該曲線即為采用探頭5P9×9K3分別對直徑1、2和3 mm橫通孔進行焊縫檢測的實用AVG曲線。

圖2 AVG曲線Fig.2 AVG curves

如圖1所示，3條曲線的總體變化規(guī)律類似：隨著孔長度的增加，dB值即回波強度降低。本文從橫向、縱向兩個方面深入分析曲線變化規(guī)律。

a)橫向比較

如圖1所示，每組曲線的回波強度隨著孔長的增大而降低，但是降低速度越來越緩慢，即曲線越來越平緩。關(guān)于回波強度的變化速率趨于平緩的原因，可采用超聲波衰減規(guī)律進行解釋。在超聲波傳播過程中，主要考慮散射引起的衰減，規(guī)律為：

Px=P0e-ax

(1)

式中：px—離壓電晶片表面x處的聲壓，Pa；P0—超聲波原始聲壓，Pa；e—自然對數(shù)的底；a—金屬材料的(散射)衰減系數(shù)，dB/m；x—超聲波在材料中傳播的距離，m。

從式(1)看，聲壓按負指數(shù)規(guī)律衰減，即隨著聲程的增大，聲壓的衰減速率越來越小，衰減曲線也越來越趨于平緩。在檢測過程中，波幅高度反映的是聲壓大小，當超聲波探傷儀垂直線性較好時，儀器示波屏上的波高與聲壓成正比，這時有：

(2)

式中：△—分貝；H0—波高基準；H—波幅高度；P0—原始聲壓；P—聲壓。

當聲壓的衰減速率越來越慢時，波幅的衰減速率也越來越慢。即用來反映波幅大小的dB值的變化也越來越緩慢，因此圖1中每條曲線都是隨著聲程的增大而越來越平緩。

b)縱向比較

在孔長相同時，隨著橫通孔直徑的增大，3組曲線的反射回波強度也越大，但增大的速率越來越慢，即曲線與曲線間的間距越來越小。這種非線性變化與超聲波的傳播特性有關(guān)，超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時是一直向前傳播不改變方向的，但遇到異質(zhì)界面時會發(fā)生反射和折射。也就是說，一部分超聲波在界面上反射回第一介質(zhì)，另一部分透過界面折射進入第二介質(zhì)，反射回來的超聲波即以波高表現(xiàn)。

超聲波在發(fā)射之初其聲束角是一定的，但當檢測過程中遇到不同尺寸的缺陷時，反射回波的有效反射回波角度也會發(fā)生變化，這種變化與缺陷的直徑和長度有關(guān)，如圖3所示。

有效反射回波角度可以用式(3)表示。

θ=2arctan(φ/2h)

(3)

式中:θ—孔徑為φ的有效回波角度，(°)；φ—缺陷直徑，mm；h—缺陷長度，mm；

在孔長h相同時，隨著橫通孔直徑φ的增大，超聲波有效掃描角度θ也增大，但增長速率緩慢下降，即曲線越來越平緩，如圖4所示。

圖3 超聲波的有效回波角Fig.3 Effective echo angle of ultrasonic wave

圖4 超聲波有效回波角θ值的變化Fig.4 Change of effective echo angle θ of ultrasonic wave

2.2 采用曲線定量缺陷尺寸

對一兩對接板厚度均為5.5 mm的不銹鋼手工氬弧焊焊縫進行了超聲波探傷，檢測過程中在距探頭位置(X=12.50 mm，Y=1.17 mm)和(X=14.93 mm，Y=3.02 mm)各發(fā)現(xiàn)1處缺陷，記錄了缺陷和回波高度為顯示屏的80%時的dB值，結(jié)果列于表1。

表1 兩處缺陷的長度和dB值Table 1 Lengths and dB values of the two defects

在圖1中將兩缺陷的位置標記出來，如圖5所示。缺陷1位于φ1 mm曲線以下，因此缺陷直徑當量應小于φ1 mm，但根據(jù)曲線變化規(guī)律約為φ0.8 mm。缺陷2則在φ2 mm曲線上，因此缺陷直徑當量應為φ2 mm。

2.3 焊縫缺陷的金相檢驗

本文采用繪制AVG曲線的方法對超聲波探傷過程中不銹鋼焊縫缺陷尺寸進行定量，并通過對兩處缺陷所在位置進行了金相檢驗，結(jié)果如圖6所示，證實了所繪制的AVG曲線可以用來對不銹鋼焊縫中直徑當量為φ1～3 mm的缺陷的尺寸進行定量。

圖5 兩處焊縫缺陷在曲線中的位置Fig.5 Positions of two weld defects on the curves

檢驗結(jié)果表明，缺陷1為氣孔，當量直徑為0.3 mm，位置2的缺陷為未熔合，直徑當量為1.9 mm，最大誤差當量為φ0.5 mm，對于一般超聲檢測，這是允許的。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)對不銹鋼試樣中不同直徑和長度的橫通孔80%波幅時dB值的超聲檢測結(jié)果記錄繪制相應的AVG曲線，通過對未知焊縫缺陷的定量驗證，證明該曲線可以用來對直徑當量為φ1～3 mm的缺陷的尺寸進行定量。

圖6 焊縫中兩處缺陷的低倍形貌Fig.6 Macrographs of the two defects in weld

(2)隨著缺陷長度的增加，AVG曲線的回波幅度逐漸下降且速度越來越慢，即曲線越來越平緩；隨著缺陷直徑的增大，曲線與曲線間的間距減小。這一變化規(guī)律對于直徑當量不在φ1～3 mm范圍內(nèi)的缺陷尺寸的定量也有參考意義。