奧氏體不銹鋼焊縫超聲衍射時(shí)差法檢測(cè)的有限元仿真及應(yīng)用

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048；2.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

奧氏體不銹鋼焊縫結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于石油、化工、核電、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。由于焊縫接頭常年服役于高溫高壓、腐蝕、沖刷、放射性的惡劣環(huán)境中，是完整構(gòu)件的薄弱區(qū)域，為了保障構(gòu)件的安全運(yùn)行，需對(duì)該區(qū)域?qū)嵤o損檢測(cè)[1]。由于焊縫組織較為粗大且各向異性，通常采用低頻橫波脈沖反射法進(jìn)行無損檢測(cè)。然而，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)存在定位不準(zhǔn)、信噪比低、穿透性差、定量難的問題。特別是常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)是基于幅度定位的，其幅度衰減及噪聲干擾容易造成定量誤差大。超聲衍射時(shí)差法(TOFD)是焊縫無損檢測(cè)最有效的方法之一，具有檢測(cè)信息豐富、抗噪聲強(qiáng)、效率高、定位定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)[2-3]。TOFD檢測(cè)技術(shù)通過衍射波時(shí)差代替脈沖幅度定量缺陷，可避免常規(guī)方法中缺陷反射波幅度較低及噪聲干擾對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。盡管如此，將超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼檢測(cè)同樣存在檢測(cè)信號(hào)衰減過大、信噪比低的問題。目前，超聲TOFD檢測(cè)方法主要應(yīng)用于普通鋼焊縫的檢測(cè)中，研究領(lǐng)域包括：檢測(cè)信號(hào)處理、檢測(cè)盲區(qū)、檢測(cè)圖像分析、缺陷自動(dòng)識(shí)別等[4-6]。超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫中傳播的機(jī)理研究是提高焊縫超聲TOFD檢測(cè)效力的重要基礎(chǔ)，對(duì)于優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)、革新檢測(cè)方法、解釋檢測(cè)結(jié)果具有重要作用。

筆者充分考慮焊縫組織結(jié)構(gòu)的各向異性特征對(duì)超聲波束的影響，基于有限元方法建立了奧氏體不銹鋼焊縫的超聲TOFD檢測(cè)仿真模型；基于該模型分析了焊縫中超聲波傳播特性，并應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)中，提出了檢測(cè)探頭的優(yōu)化布置方法。研究結(jié)果顯示：有限元模型可反映超聲波在焊縫中傳播的各向異性特征，包括散射衰減、聲速變化以及聲場(chǎng)扭曲；檢測(cè)面的選取對(duì)超聲波衰減及散射具有顯著影響，將檢測(cè)探頭布置于V型焊縫的根部側(cè)可獲得較高的信噪比。

1 焊縫組織結(jié)構(gòu)特征及有限元仿真

1.1 檢測(cè)試樣及檢測(cè)原理

檢測(cè)試樣為0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊縫，焊接方法為埋弧焊,坡口型式為V型,坡口角為90°，尺寸為300 mm×70 mm×35 mm(長×寬×高)，焊縫試樣的幾何結(jié)構(gòu)示意及其金相檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，從金相圖上可清晰觀察到焊縫粗大的柱狀晶垂直于坡口斜面生長，穿過多道焊道后，其生長方向趨于垂直于焊縫表面，其金相檢測(cè)結(jié)果體現(xiàn)了典型的奧氏體不銹鋼組織的結(jié)構(gòu)特征。

圖1 焊縫試樣的幾何結(jié)構(gòu)示意及其焊縫組織金相檢測(cè)結(jié)果

超聲TOFD檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域特征包括直通波、底波、缺陷衍射波等信號(hào)特征，可按式(1)分析各特征信號(hào)在時(shí)域上的起波位置。

(1)

式中：t為特征信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(起波位置)；2S為探頭間距；d為目標(biāo)缺陷深度；c為縱波聲束；t0為探頭延遲時(shí)間。

d=0時(shí)，t(0,S)為直通波起波位置；d與試樣厚度h相等時(shí)，t(h,S)為底波起波位置；0

1.2 有限元建模

奧氏體不銹鋼焊縫中粗大的柱狀晶組織與超聲波束的相互作用非常復(fù)雜，通過解析方法很難計(jì)算焊縫中的檢測(cè)聲場(chǎng)，有限元方法是復(fù)雜結(jié)構(gòu)中聲波傳播分析的有效工具。因此，研究基于有限元方法直觀分析了焊縫超聲TOFD檢測(cè)中的聲波傳播特性，揭示了焊縫組織結(jié)構(gòu)與超聲檢測(cè)聲場(chǎng)的相互作用機(jī)理。

通過深入觀察焊縫的金相組織結(jié)構(gòu)可知，柱狀晶在焊縫截面的較大區(qū)域內(nèi)幾乎保持同樣的方向；而在焊縫延伸方向上，柱狀晶方向不發(fā)生傾斜，焊縫組織在焊縫延伸方向有很好的重復(fù)性。因此，盡管奧氏體不銹鋼焊縫為非均勻正交各向異性介質(zhì)，可將焊縫模型簡(jiǎn)化為區(qū)域(而非晶粒)各向異性的二維模型，并設(shè)置焊縫中各區(qū)域的彈性常數(shù)。焊縫TOFD檢測(cè)的有限元模型及位移激勵(lì)信號(hào)如圖2所示，奧氏體不銹鋼焊縫的有限元模型采用二維建模方式，焊縫厚度為35 mm，開90°V型坡口，焊縫中心模擬缺陷為直徑1 mm的橫孔。焊縫各向異性結(jié)構(gòu)由各向同性區(qū)域組成，各區(qū)域由以根部為交點(diǎn)的直線隔開，晶粒取向?yàn)?60°～ 60°，每隔10°漸變，共14個(gè)各向同性區(qū)域。為了分析檢測(cè)面及超聲聲束入射方向?qū)Τ晜鞑ヌ匦缘挠绊?，探頭共采用兩種布置方式：方式1為兩探頭布置于焊縫余高側(cè)[見圖2(a)]，方式2為兩探頭布置于焊縫根部側(cè)[見圖2(b)]。為了簡(jiǎn)化探頭發(fā)射超聲波模擬方式，在有限元模型中并未建立壓電晶片的實(shí)體模型，而通過直接在楔塊上施加1周期、5 MHz的交變位移來模擬中心頻率為5 MHz的晶片振動(dòng)，交變位移在楔塊上的作用長度為6 mm，該交變位移為1周期、5 MHz 的加漢寧窗時(shí)域信號(hào)。對(duì)探頭楔塊建模，使其能以折射角60°入射至模擬橫孔； 為了使得主聲束覆蓋橫孔，設(shè)置探頭間距PCS(發(fā)射探頭入射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離)為60 mm；模型網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為波長的1/10。

圖2 焊縫TOFD檢測(cè)的有限元模型及位移激勵(lì)信號(hào)

上述有限元模型將焊縫結(jié)構(gòu)劃分成了多個(gè)均勻的各向異性區(qū)域，每個(gè)區(qū)域只有晶粒取向的不同。各區(qū)域介質(zhì)在正常晶體坐標(biāo)系下的彈性常數(shù)都是相同的，但在各向異性焊縫結(jié)構(gòu)建模時(shí)，由于有限元實(shí)際建模時(shí)對(duì)整個(gè)焊縫采用了統(tǒng)一的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與各區(qū)域正常晶體坐標(biāo)系并不相同，相當(dāng)于正常晶體坐標(biāo)系繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)了一定角度，不同的各向同性區(qū)域具有不同的角度，即形成了焊縫的各向異性特征。對(duì)于各區(qū)域而言，新坐標(biāo)系相當(dāng)于正常晶體坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)了φ角，φ表示區(qū)域晶粒方向與豎直方向的夾角。晶粒旋轉(zhuǎn)后的彈性常數(shù)矩陣C′可表示為

C′=MCMT

(2)

(3)

式中:M為各向異性介質(zhì)的彈性常數(shù)轉(zhuǎn)換矩陣;C為奧氏體不銹鋼焊縫(正交各向異性介質(zhì))的彈性常數(shù)矩陣，m=cosφ，n=sinφ。

根據(jù)式(2)(3)及各向異性區(qū)域的φ角，可求出任意各向異性區(qū)域的彈性常數(shù)矩陣，在有限元模型中可設(shè)置各區(qū)域彈性常數(shù)矩陣。

2 模擬結(jié)果及試驗(yàn)過程

2.1 模擬結(jié)果

TOFD檢測(cè)的仿真聲場(chǎng)及信號(hào)如圖3所示，圖3(a)，3(b)為探頭置于余高側(cè)時(shí)在焊縫中形成的仿真聲場(chǎng)，圖3(c)，3(d)為探頭置于根部時(shí)在焊縫中形成的仿真聲場(chǎng)。如圖3(a)所示，探頭從余高側(cè)發(fā)出的超聲縱波在11.24 μs時(shí)傳播至橫孔附近，此過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的超聲波散射，且波前發(fā)生扭曲；相較而言，從根部側(cè)發(fā)出的超聲縱波在11.24 μs時(shí)也傳播至橫孔附近，但散射較弱且波前未發(fā)生明顯扭曲。圖3(b)顯示余高側(cè)發(fā)出的縱波在12.58 μs時(shí)穿過橫孔，并在橫孔周圍形成衍射波，衍射波以橫孔為中心向外輻射，且向余高側(cè)輻射時(shí)受到的晶粒散射更為嚴(yán)重；從根部側(cè)發(fā)出的縱波同樣在12.58 μs時(shí)穿過橫孔，并在橫孔周圍形成衍射波，衍射波由橫孔向外輻射，且在向余高側(cè)輻射時(shí)受到的晶粒散射更為嚴(yán)重；整體上看探頭布置于根部側(cè)的衍射波幅度較從余高側(cè)入射時(shí)的更大。為了進(jìn)一步分析焊縫中超聲波傳播的各向異性特征，分別提取了兩種探頭布置方式下焊縫中主聲束方向上(與法線方向的夾角為60°的聲波傳播方向)相等聲程的超聲波仿真信號(hào)；探頭布置在根部側(cè)時(shí)提取A點(diǎn)和B點(diǎn)信號(hào)，探頭布置在焊縫余高側(cè)時(shí)分別提取C點(diǎn)和A點(diǎn)信號(hào)，如圖3(c)所示。由圖3(e)和3(f)可知：探頭布置于焊縫根部側(cè)時(shí)，A點(diǎn)信號(hào)降低至B點(diǎn)信號(hào)的27%；當(dāng)探頭布置于焊縫余高側(cè)時(shí)，A點(diǎn)信號(hào)降低至B點(diǎn)信號(hào)的49%。因此，各向異性焊縫對(duì)于不同入射方向的檢測(cè)聲束的散射和衰減特性是不同的，當(dāng)檢測(cè)聲束從余高側(cè)入射時(shí)，晶粒散射非常嚴(yán)重、衰減很大、聲束扭曲；而當(dāng)檢測(cè)聲束從根部側(cè)入射時(shí)，晶粒散射幾乎觀察不到、衰減較小。結(jié)合焊縫金相圖可知，當(dāng)檢測(cè)聲束與柱狀晶生長方向成較小夾角時(shí)，聲束的散射、衰減、扭曲較小。此外，需要注意的是：從余高側(cè)檢測(cè)時(shí)，聲波幾乎全部在焊縫中傳播，超聲波散射衰減更為嚴(yán)重；而當(dāng)探頭布置于根部側(cè)時(shí)，超聲波只在較小范圍內(nèi)的焊縫中傳播，所受到的焊縫散射及衰減影響更小。

從有限元模型中分別提取余高側(cè)和根部側(cè)檢測(cè)的超聲TOFD檢測(cè)信號(hào),仿真信號(hào)如圖4所示。由圖4(a)可知，從根部側(cè)提取的信號(hào)可分辨明顯的缺陷衍射波信號(hào)，根據(jù)式(2)(3)可知，17.25 μs處的檢測(cè)脈沖為17.5 mm的橫孔的衍射波，直通波和底波分別位于15.44 μs和20.63 μs；而由圖4(b)可知，從余高處提取的信號(hào)中無法分辨衍射波信號(hào)，可分辨直通波信號(hào),但其幅度較低，在直通波和底波之前存在散射波信號(hào)。進(jìn)一步觀察可知，根部側(cè)檢測(cè)的直通波與底波時(shí)差小于余高側(cè)檢測(cè)的，說明在焊縫介質(zhì)中從根部入射的超聲波聲速大于從余高側(cè)入射的超聲波聲速。

圖3 TOFD檢測(cè)的仿真聲場(chǎng)及信號(hào)

圖4 余高側(cè)和根部側(cè)TOFD檢測(cè)仿真信號(hào)

2.2 試驗(yàn)過程

圖5 探頭布置方法示意

按上述有限元模型布置探頭開展試驗(yàn)，探頭布置方法示意如圖5所示。由圖5可知，兩探頭相對(duì)于焊縫中心線對(duì)稱布置，探頭中心頻率為5 MHz，晶片直徑為6 mm，楔塊與不銹鋼界面的超聲波折射角為60°，探頭前沿實(shí)測(cè)值為8 mm，探頭PCS設(shè)置為60 mm。兩探頭分別布置于焊縫根部側(cè)和余高側(cè)，檢測(cè)參數(shù)與有限元模型一致，并提取檢測(cè)信號(hào)。

與有限元模擬一致，設(shè)置PCS=60 mm，實(shí)測(cè)探頭延時(shí)2t0=5.2 μs,縱波聲速c=5 850 m·s-1。從焊縫根部側(cè)和余高側(cè)提取的檢測(cè)信號(hào)如圖6所示。由式(1)可知,直通波位于15.45 μs(實(shí)測(cè)值為15.43 μs，模擬值為15.44 μs),缺陷波位于17.34 μs(實(shí)測(cè)值為17.53 μs，模擬值為17.25 μs),底波位于 20.96 μs(實(shí)測(cè)值為21.24 μs，模擬值為20.63 μs)。計(jì)算值、實(shí)測(cè)值與模擬值基本一致，有限元模擬結(jié)果更接近于式(1)的計(jì)算值，如圖6(a)所示。然而，在余高側(cè)提取的檢測(cè)信號(hào)中只能分辨出直通波信號(hào)和底波信號(hào)，如圖6(b)所示。綜上所述，有限元模擬的時(shí)域信號(hào)特征與試驗(yàn)結(jié)果相同，仿真模型所反映的超聲波在焊縫中傳播的各向異性特征與檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果一致，均表現(xiàn)為：TOFD檢測(cè)聲束從焊縫根部側(cè)入射時(shí)具有較小的散射和衰減；從焊縫根部側(cè)入射和提取的TOFD檢測(cè)信號(hào)中可分辨缺陷衍射波特征信號(hào)，而余高側(cè)檢測(cè)則無法觀察到缺陷的衍射波特征信號(hào)；此外，有限元模型和檢測(cè)試驗(yàn)均顯示檢測(cè)聲束從焊縫根部入射具有較高的聲速。

圖6 從焊縫根部側(cè)和余高側(cè)提取的檢測(cè)信號(hào)

3 結(jié)語

(1) 建立了奧氏體不銹鋼焊縫的超聲TOFD檢測(cè)模型，該模型可反映超聲波在各向異性材料中的散射、衰減、聲場(chǎng)扭曲等各向異性特征。

(2) 通過試驗(yàn)方法，進(jìn)一步證明了有限元模型的實(shí)用性，該模型可成為檢測(cè)方案制定、試驗(yàn)結(jié)果分析的依據(jù)。

(3) 在對(duì)奧氏體不銹鋼V型焊縫進(jìn)行超聲TOFD檢測(cè)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮將探頭布置于焊縫根部，此時(shí)超聲波穿過的焊縫組區(qū)域較小，在焊縫中傳播的散射衰減、聲場(chǎng)扭曲較小，可提取到有效的焊縫缺陷衍射波信號(hào)。