大厚度奧氏體不銹鋼焊縫的超聲探頭設(shè)計

胡華勇　張洪　張郁

【摘 要】奧氏體不銹鋼在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，但其在焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致事故的發(fā)生。超聲檢測可以有效地檢測出焊縫中的缺陷，但由于奧氏體的晶粒尺寸粗大，會導(dǎo)致缺陷信號被噪聲掩蓋。針對此問題，本文設(shè)計了一組適用于大厚度奧氏體焊縫檢測的超聲探頭，最終提高了檢測結(jié)果的可信度。

【關(guān)鍵詞】奧氏體;焊縫;超聲;探頭

中圖分類號： TG441.7;TM623.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）13-0022-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.010

Design of Ultrasonic Probe for Large Thickness Austenitic Stainless Steel Weld

HU Hua-yong1 ZHANG Hong2 ZHANG Yu2

（1.Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Branch of Wuxi， Wuxi Jiangsu 214174， China; 2.School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi Jiangsu 214122， China）

【Abstract】Austenitic stainless steel is widely used in industry， but it is prone to produce defects in the welding process， which will lead to accidents. Ultrasound detection can effectively detect defects in welds， but because of the large grain size of austenite， the defect signal will be covered by noise. In order to solve this problem， a set of ultrasonic probes suitable for detecting large thickness austenitic welds are designed in this paper， which ultimately improves the reliability of the test results.

【Key words】Austenitic; Weld; Ultrasonic; Probe

0 序言

金屬材料在焊接時會產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致設(shè)備的安全可靠性降低[1]。而超聲檢測可以有效地檢測出金屬焊縫中各種類型的缺陷。但大厚度焊縫中材料晶粒的聲衰減系數(shù)較大，超聲波在焊縫中會產(chǎn)生劇烈的衰減，嚴(yán)重時會導(dǎo)致檢測聲束根本無法穿透焊縫。常用的超聲探頭雖然通用性較強(qiáng)，但是由于上述原因的限制，并不適用于奧氏體焊縫的檢測。

針對超聲波無法穿透大厚度奧氏體焊縫的難題，本問根據(jù)超聲探頭的設(shè)計準(zhǔn)則，定制了一組雙晶縱波聚焦探頭。又制作了含有人工反射體的奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊，用來檢測定制探頭組的檢測效果。結(jié)果表明了這組探頭在焊縫試塊上具有良好的檢測效果，為大厚度奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測提供了可行的解決方案。

1 對比試塊的設(shè)計與制作

超聲檢測中，被檢工件是評判儀器和探頭性能優(yōu)劣的基礎(chǔ)。而對比試塊的材料與被檢工件的性能相似，且含有人工反射體，可用來評價超聲檢測工藝的檢測效果，是開發(fā)超聲檢測工藝必備的器材。

NB/T 47013.3-2015的附錄I《奧氏體不銹鋼對接接頭超聲檢測方法和質(zhì)量分級》中，對10mm-80mm的奧氏體接頭做了明確規(guī)定，且制訂了3種厚度的對比試塊標(biāo)準(zhǔn)，分別為25mm、45mm和80mm。

這3種試塊的寬度統(tǒng)一設(shè)置為120mm，其中前后兩側(cè)分別有設(shè)置有深度為40mm的橫孔，中間40mm為探頭預(yù)留了足夠的檢測空間，防止探頭同時檢測到兩側(cè)的橫孔而產(chǎn)生干擾。

橫孔的直徑統(tǒng)一為2mm，以方便使用當(dāng)量法評判實(shí)際焊縫中的缺陷。橫孔的間隔隨著試塊厚度的增大而增大，80mm厚的試塊中橫孔的間隔為20mm。常用檢測方法需在焊縫兩側(cè)實(shí)施直射法檢測，但部分情況下可能只有單側(cè)檢測的條件，焊縫中的橫孔設(shè)計需要兼顧以上兩種情況，因此焊縫的中心線和熔合線的一側(cè)都需要設(shè)置橫孔。試塊的長度并沒有明確的設(shè)計規(guī)定，需要滿足探頭的掃查范圍即可。

為了使研究成果具有更大的適用范圍，本文在國家標(biāo)準(zhǔn)中最大厚度80mm的基礎(chǔ)上，經(jīng)過推廣和重新設(shè)計，得到厚度更大的對比試塊，具體尺寸如下：

a.為達(dá)到100mm厚度的檢測效果，適當(dāng)放大尺寸，使試塊的厚度為120mm，保證100mm深度附近可以設(shè)置橫孔;

b.超聲波的傳播有一定擴(kuò)散性，且在大厚度試塊中的傳播距離顯然比小厚度試塊中的更大，因此需放大試塊寬度，防止檢測時前后兩側(cè)的橫孔相互干擾，最終將試塊的寬度定為130mm;

c.試塊的長度關(guān)系到探頭在工件表面上移動時能否掃查到全部焊縫，結(jié)合常用斜探頭的角度值，以及考慮到國家標(biāo)準(zhǔn)中80mm厚對比試塊長度為200mm，最終將對比試塊的長度設(shè)置為350mm。

結(jié)合現(xiàn)有的金屬原材料，最終設(shè)計出的試塊尺寸如圖1所示。

2 探頭參數(shù)

2.1 超聲波類型的選擇

超聲波分為橫波和縱波，對于奧氏體焊縫來說，檢測時一般使用縱波探頭。相比于縱波，橫波的波長更短，而奧氏體焊縫的晶粒具有較大的尺寸，當(dāng)晶粒尺寸接近聲波的波長時，會造成嚴(yán)重的散射問題。在大晶粒的焊縫組織中，相同頻率下橫波衰減是縱波的24倍[2]，能量衰減也會高一個數(shù)量級[3]。

同樣是波速的影響，橫波在穿過奧氏體焊的多層界面時，會產(chǎn)生比縱波更大的反射和折射角度。其次，焊縫對于超聲波來說是一種各向異性的介質(zhì)，橫波在這種介質(zhì)中傳播時的扭曲角度也更大。橫波的這兩個問題都會給缺陷定位帶來各種各樣的問題，因此一般選用縱波探頭。

2.2 晶片類型的選擇

超聲波聲束攜帶能量的多少與探頭晶片的面積大小成正比，檢測大厚度奧氏體焊縫時，為了使超聲波有足夠的能量到達(dá)缺陷位置，因此應(yīng)使用晶片面積較大的探頭。

為了進(jìn)一步提高超聲波的穿透能力，選用聚焦式探頭。這種探頭可將聲束聚集在特定區(qū)域，增強(qiáng)該位置的檢測靈敏度。常見的雙晶聚焦探頭有兩個晶片，一個用來發(fā)射超聲波，另一個用來接收超聲波，并且兩個晶片之間有一個特定的夾角，這樣可以減少干擾信號的產(chǎn)生，提高信噪比。但一個雙晶聚焦探頭只能檢測特定的深度，在檢測大厚度的對比試塊時，則需要使用多個不同聚焦深度的雙晶探頭。

2.3 中心頻率的選擇

常用超聲探頭的中心頻率一般在0.5MHz到2.5MHz的范圍內(nèi)，具體頻率的選擇需要綜合兩方面的因素：一是超聲波能否穿透大厚度的金屬材料，二是超聲回波中缺陷的可辨別性。

探頭的中心頻率過大時，超聲波波長會變短，當(dāng)波長小于晶粒尺寸時，散射會嚴(yán)重增加，因此中心頻率過大的超聲探頭不適宜用在奧氏體焊縫的檢測上。而探頭頻率過小時，超聲波的波長過長，導(dǎo)致部分微小缺陷無法檢出，且大尺寸缺陷在超聲信號中的回波會變長，檢測波形的分辨率又會不足。綜合上述兩方面的影響因素，大厚度奧氏體焊縫的檢測應(yīng)使用2MHz的超聲探頭[4]，針對特定應(yīng)用場景時可再微調(diào)。

2.4 探頭形式的選擇

根據(jù)超聲波聲束穿過工件表面后的折射角，可將超聲探頭分為直探頭和斜探頭兩個類型，直探頭的超聲波垂直入到被檢工件表面，即折射角為90°，而斜探頭的折射角一般小于90°。

用斜探頭檢測淺層深度的缺陷時，考慮到探頭的前沿與焊縫的寬度，以及需要預(yù)留一些空間供探頭移動。如果考慮到更表層深度的缺陷，可能需要更大角度的斜探頭，如此大角度的探頭制作很困難。

基于上述原因，檢測淺層深度的缺陷時應(yīng)使用雙晶縱波聚焦直探頭。因此大厚度奧氏體焊縫的檢測總結(jié)如下：焊縫需要分區(qū)檢測，淺層區(qū)域中使用雙晶縱波聚焦直探頭，深層區(qū)域中使用雙晶縱波聚焦斜探頭。

2.5 探頭的定制

根據(jù)前幾節(jié)的分析，按照分區(qū)檢測的原則，最終定制了如表1所示的雙晶縱波聚焦探頭組。需要注意的是，使用直探頭檢測前需要將對比試塊的上表面磨平，以確保耦合效果。

3 實(shí)際測試與結(jié)果

對比試塊實(shí)物，以及使用定制探頭的檢測實(shí)驗(yàn)見圖2。為了檢驗(yàn)定制探頭的檢測效果，將其與普通的探頭做對比，本文選用的普通斜探頭的型號為8×12K2.5、8×12K2、13×13K1。字母K前的參數(shù)為晶片面積，K后的參數(shù)為探頭角度。這些探頭的頻率統(tǒng)一為2.5Mhz，主要研究探頭晶片面積與角度對檢測效果的影響，其中兩個較小探頭的晶片尺寸相同，僅有探頭角度存在差異，而體積最大的探頭在晶片尺寸和角度兩個參數(shù)上均與前兩個探頭不同。普通探頭與定制探頭的典型檢測結(jié)果見圖3.

3.1 探頭與熔合線橫孔為同側(cè)時的檢測效果

探頭與熔合線橫孔為同側(cè)時，超聲波只需要穿過不銹鋼母材，不需要穿過焊縫，因此聲衰減較小。8×12K2.5與8×12K2的探頭因其角度較大，只能覆蓋到30mm、50mm深度的橫孔。13×13K1的晶片面積比較大，且衰減較低，檢測30mm、50mm、70mm、90mm深度的橫孔時，回波幅度全部超出儀器顯示屏幕，檢測110mm的橫孔時，由于擴(kuò)散衰減等原因，回波幅值略有降低。而由于角度不足的原因，三個探頭都無法清晰地檢測到10mm處的橫孔。

而使用定制的雙晶縱波探頭時，每個探頭都可以檢測到對應(yīng)深度的橫孔，且雜波較少，可從超聲信號中準(zhǔn)確分辨出反射體回波信號。

3.2 探頭與熔合線橫孔為異側(cè)時的檢測效果

在焊縫異側(cè)檢測橫孔時，超聲波需要穿過的焊縫組織大大增加，小晶片探頭反射的超聲波能量不足，同時考慮到探頭角度因素，8×12K2.5與8×12K2的兩個探頭勉強(qiáng)檢測到30mm深度的橫孔。而13×13K1探頭可以檢測到50mm、70mm、90mm、110mm的橫孔，但回波幅度都遠(yuǎn)小于同側(cè)檢測時對應(yīng)的回波幅度，且雜波更多。

而使用定制的雙晶縱波探頭時，檢測回波中出現(xiàn)少量雜波，但檢測回波的幅度明顯更大，效果明顯比普通斜探頭更有優(yōu)勢。

3.3 探頭在焊縫中心線上橫孔的檢測效果

檢測焊縫中心線上的橫孔，超聲波也需要穿過一定距離的焊縫組織，因此普通探頭的檢測效果均不理想。8×12K2的探頭勉強(qiáng)可以檢測到50mm深度處的橫孔，但幅值較小，無法確定是否為有效缺陷反射波信號。而13×13K1的探頭可以檢測到70mm、90mm、110mm處的橫孔，雖然有一定雜波，但可以從中分辨出人工反射體。

異側(cè)檢測熔合線上的橫孔時，超聲波會穿過更多的焊縫，檢測中心線上的橫孔時，超聲波會穿過更少的焊縫，因此110mm深度的橫孔在中心線上的檢測效果比異側(cè)熔合線上的效果好，但不如同側(cè)熔合線上的效果好。但檢測70mm和90mm的橫孔時，異側(cè)熔合線檢測的效果比中心線檢測的效果好，主要是由于聲束與晶粒夾角之間的影響。

而使用定制的雙晶縱波探頭時，每個探頭都可以檢測到對應(yīng)深度的橫孔，雜波比異側(cè)檢測時更少，且可從超聲信號中準(zhǔn)確分辨出反射體回波信號。

4 結(jié)論

本文分析了國標(biāo)中奧氏體不銹鋼焊縫試塊的設(shè)計準(zhǔn)則，經(jīng)過推廣后，設(shè)計并制作出了厚度更大，且適用性更強(qiáng)的對比試塊。

以試塊為檢測對象，設(shè)計制作了一組大晶片雙晶縱波聚焦探頭，得到了比普通超聲探頭更好的檢測效果，同時驗(yàn)證了探頭的晶片類型、中心頻率和探頭形式等參數(shù)對檢測結(jié)果的影響，為大厚度奧氏體不銹鋼焊縫的超聲探頭設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉旭，夏金東，弓樂，等.射頻信號在超聲檢測缺陷識別中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2002，38（4）：84-87.

[2]盧威，聶勇，許遠(yuǎn)歡，et al.寬頻帶窄脈沖TRL探頭在奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測中的優(yōu)越性[J].無損檢測，2013，35（6）：77-80.

[3]薛擁軍，張禮典，賴德海.大厚度異種鋼奧氏體焊縫超聲波檢測[J].無損檢測，2008，30（11）：816-819.

[4]原棟文，劉學(xué)錦，牛向東.厚壁奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測試塊的制作和探頭的調(diào)校[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2018，39（2）.