2205雙相不銹鋼焊縫的超聲檢測應(yīng)用

鄧軍明，張東生，盧錦祥

(廣東承信公路工程檢驗有限公司，廣州 511400)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁是我國現(xiàn)代交通建設(shè)重點推行的發(fā)展橋型，因具有抗拉性好、結(jié)構(gòu)強度高、節(jié)能且可再利用等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。在海上橋梁建造結(jié)構(gòu)中，國內(nèi)外均使用過雙相不銹鋼新型材料[1]，如香港昂船洲大橋塔頂部以下118 m為不銹鋼結(jié)構(gòu)，選用20 mm厚的2205雙相不銹鋼板作為外表，內(nèi)澆灌800 mm厚的混凝土圓形塔壁；新加坡雙螺旋橋設(shè)計采用雙相不銹鋼2205作為主要支承構(gòu)件，做到維護率低且美觀耐用[2-3]。但由于雙相不銹鋼2205的材料特性，在修建橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接過程與運營管養(yǎng)中的質(zhì)量檢測存在一定的難度。本文利用超聲波縱波斜聲束入射對雙相不銹鋼2205材料與焊接質(zhì)量檢測進行分析研究，以提高該材料在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用和發(fā)展[4]。

1 雙相不銹鋼2205材料焊接與超聲波檢測技術(shù)[5]

1.1 雙相不銹鋼2205材料與性能

雙相不銹鋼2205是一種金相組織，由鐵素體與奧氏體各約占50%組成，其組成成分如表1所示?，F(xiàn)場橋梁結(jié)構(gòu)建造板厚通常為10 mm～30 mm，其具備鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)勢，具有較小的線膨脹系數(shù)，在耐腐蝕和機械力學(xué)性能參數(shù)等方面也具有良好的表現(xiàn)[6]，如表2所示。

表1 雙相不銹鋼2205材料組分 %

表2 雙相不銹鋼2205力學(xué)性能

現(xiàn)代雙相不銹鋼2205采用氮合金化工藝技術(shù)生產(chǎn)，在焊接中具有良好的焊接性能，在干燥環(huán)境下焊前不需要預(yù)熱，可與普通碳鋼等異種鋼焊接。雙相不銹鋼是靠鐵素體和奧氏體兩相組織的平衡共存而獲得最佳的各項性能[7]。焊接工藝參數(shù)對焊縫及熱影響區(qū)域有很大的影響，焊接中要避免有害的金屬相位或非金屬相位的析出，以免受腐蝕傾向和氫裂紋或材料脆化的危害[8]，橋梁常用的雙相不銹鋼2205焊接參數(shù)如表3所示，在焊接中應(yīng)嚴格按照焊接工藝執(zhí)行。

表3 雙相不銹鋼2205焊接工藝參數(shù)

1.2 雙相不銹鋼2205超聲波檢測存在的問題

1)材料晶粒粗大，聲波的散射衰減增大，對小缺欠的檢測能力下降，導(dǎo)致小缺欠漏檢發(fā)生。

2)雙相不銹鋼2205在生產(chǎn)與焊接過程中因材料晶粒粗大不存在相變發(fā)生，不能用熱處理方式對材料晶粒進行細處理，其晶粒尺寸遠遠大于超聲波的波長。與超聲波檢測普通碳鋼不同，在檢測非均勻粗大晶粒的2205材料時，信噪比會下降，致使波束指向性差的問題發(fā)生。

3)焊縫組織對超聲波的各向異性導(dǎo)致波型轉(zhuǎn)換及主聲束軌跡發(fā)生轉(zhuǎn)移。當(dāng)主聲束未能正切缺欠時，引起檢測靈敏度下降，造成可能存在漏檢區(qū)；當(dāng)采取高靈敏度補償時，產(chǎn)生林狀回波和分辨力降低，對缺欠判斷造成影響[9]。因此用超聲波檢測雙相不銹鋼2205焊縫存在很大的難度。

2 檢測實施

2.1 人員與設(shè)備要求

超聲波檢測人員應(yīng)持證上崗，掌握材料和焊接的基礎(chǔ)知識，了解2205雙相鋼的焊接工藝，對檢測中可能出現(xiàn)的問題能作出正確的分析、判斷和處理。采用數(shù)字A型反射式超聲檢測儀檢測，并應(yīng)按GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定標準》[10]要求定期進行性能測試。

2.2 試塊的制作

1)自行加工制作的2205綜合對比試塊，其材質(zhì)需與工程項目所使用的板材成分保持一致，最好從其中的板材里切割出來加工。本試塊是在其他標準試塊上經(jīng)優(yōu)化設(shè)計制作而成，規(guī)格為30 mm(長)×40 mm(寬)×3 mm(高)，可利用寬度40 mm的平面調(diào)校縱波探頭。在試塊左右兩邊設(shè)計了2種規(guī)格的R弧，加工尺寸分別為R15/R30、R20/R40，可依據(jù)探頭聚焦距離選擇其中一種合適的R弧，進行校定時作為基線或測定斜探頭的入射點。在試塊底部開切3條空槽，用于表面波探頭的調(diào)節(jié)，槽寬均為 0.5 mm，槽深分別為0.5 mm、1 mm、2 mm。試塊中還有3個Φ2 mm的橫孔，用于探頭的K值調(diào)校以及距離-波幅曲線制作等。試塊規(guī)格較小，重量較輕，攜帶方便適合現(xiàn)場檢測使用。試塊加工制作如圖1所示。

(a)主視圖

2)參照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[11]附錄I 加工制作的對比試塊如圖2所示。該材質(zhì)使用2205進行加工對比試塊，其尺寸為150 mm(長)×120 mm(寬)×45 mm(厚)，橫孔尺寸為Φ2×40 mm，可用于設(shè)置靈敏度與距離-波幅調(diào)節(jié)。

(a)平面

2.3 探頭的選擇

2.3.1 橫波、縱波的比較與頻率的選擇

用0.5 MHz橫波探頭檢測試塊35 mm深的孔，分辨率低，較難發(fā)現(xiàn)反射波；而用2.5 MHz橫波探頭檢測，說明過低頻率的探頭不能很好地發(fā)現(xiàn)缺欠。另外，5 MHz的縱波探頭信噪比和靈敏度要比2.5 MHz低一些。對于縱波探頭，若頻率低、脈沖寬、分辨率小、靈敏度低，則探頭無法使用；但若頻率高、衰減大、噪聲大，則信噪比也要變小一些，故探頭頻率選擇應(yīng)在2.0 MHz～2.5 MHz范圍。

試驗得出超聲波的衰減與波長和波型有關(guān)?？v波相比橫波更具有明顯的優(yōu)勢，同樣的條件下縱波信噪比和反射信號相較橫波更高，如表4所示。對于雙晶探頭還有一個聲能集中區(qū)，利用這一特點，可提高缺欠檢出靈敏度的能力。因此，綜合考慮對于檢測板厚為10 mm～25 mm的雙相不銹鋼2205，優(yōu)先使用頻率2.0 MHz～2.5 MHz的縱波雙晶斜探頭。

表4 同等探頭下不同波型的信噪比分析

2.3.2 晶片與聚焦參數(shù)的選擇

1)雙晶探頭焦距理論計算

雙晶探頭在雙發(fā)、雙收情況下，2個折射聲束軸線交點至探測面的距離(組合雙晶直探頭)或至入射點的距離如圖3所示，可通過理論計算確定，其計算公式如下[12]：

(a)聲速入射正面

F=(L-2dtana)/2tan[sin-1(C2sina/C1)]

式中：F為雙晶探頭的焦距，mm；C1為延遲塊入射縱波聲速，m/s；C2為工件中縱波傳播的速度，m/s；d為晶片中心到延遲塊底面的距離(延遲塊厚度)，mm；L為兩晶片中心距離，mm；α為晶片入射角組合雙晶探頭有效探測范圍，一般指焦點上下6 dB區(qū)域。

2)雙晶探頭焦距試驗測定

本文利用測定距離-振幅曲線獲得具體參數(shù)。試驗器材為中科HS616E探傷儀、碳鋼試塊(分布橫孔：孔徑2 mm，深度間距5 mm)一塊、雙晶縱波斜探頭3個。3個雙晶縱波斜探頭所對應(yīng)的編號為A、B、C，探頭頻率均為2 MHz，探頭折射角分別為45°、60°、70°，焦距分別為60 mm、40 mm、20 mm，分別測得碳鋼試塊橫孔的深度距離-波幅曲線，如圖4所示。

3)試驗結(jié)果分析

由圖4可知，聲壓最強的位置在探頭標稱焦距的1/2位置，探頭在碳鋼試塊中探出反射能量最強的位置即是焦點位置F[13]。F點位置反射波最高，探測靈敏度也是最高，離開F點位置聲壓反射逐漸降低。F值的大小對探傷范圍有很大影響，理論和試驗數(shù)據(jù)證明雙晶探頭有效探測范圍在焦點兩端聲壓降低6 dB的位置。然而，較大的晶片其發(fā)射能量大，擴散角小，掃查空間大，近場長度長，發(fā)現(xiàn)遠距離小缺欠的能力高。因此檢測10 mm～25 mm板厚的雙相不銹鋼2205，探頭選擇標稱焦距為20 mm～50 mm，晶片尺寸長10 mm、寬12 mm，折射角為60°，頻率在2.0 MHz～2.5 MHz范圍的縱波雙晶斜探頭。

圖4 深度距離-波幅曲線結(jié)果

3 儀器調(diào)校

1)設(shè)定工件聲速

根據(jù)材料性質(zhì)設(shè)定聲速。當(dāng)使用縱波雙晶斜探頭時，儀器聲速應(yīng)為縱波聲速，可采用脈沖回波比較法測定，即把被檢測材料的聲速與已知A3鋼材料聲速進行比較。已知A3聲速CLA3=5 900 m/s，L2505=CL2205×t1，LA3=CLA3×t2，因兩回波在超聲儀上的位置重合，傳播時間t1=t2，由此可得：CL2205/CLA3=L2205/LA3，試件測量數(shù)據(jù)L2205=150 mm，LA3=148 mm，代入式中計算得出：CL2205=5 980 m/s，與普通鋼材縱波聲速差異不大，故可按普通鋼縱波聲速 5 900 m/s進行設(shè)定。

2)測前沿與探頭零點

探傷板厚在10 mm～30 mm之間的探頭選用聲速聚焦深度為20 mm，為使測量的實際聲束與零偏更精確，故選圖1的綜合對比試塊找到20 mm/40 mm 圓弧最高波，再調(diào)節(jié)探頭的零點，前沿距離為圓弧外徑R40 mm減去尺子測量探頭前端到R40 mm圓弧切點的距離。

3)探頭入射角調(diào)試

雙晶縱波斜探頭有一定的聚焦聲程范圍，一般在探頭標稱值深度的 1/2 倍焦距和 2 倍焦距之間，雙晶斜探頭在焦點附近校準角度相對準確，故選擇2205綜合對比試塊中深度為15 mm的通孔進行角度測試。

4)制作深度距離-波幅曲線

根據(jù)檢測的工件角度與厚度，選用對比試塊的人工缺欠進行靈敏度與深度距離-波幅線的制作，可以分別選擇試塊的5 mm、10 mm、15 mm、20 mm 等不同深度的孔進行調(diào)試。

4 表面波對雙相不銹鋼2205的焊縫近表面補充檢測

鋼結(jié)構(gòu)超聲波檢測時應(yīng)盡量避免漏檢測，以獲得最大的質(zhì)量保證。采用雙晶縱波斜探頭檢測時，應(yīng)對工件或焊縫的近表面增加補充性檢測，而表面波可有效檢測鋼材焊縫表面1 mm范圍內(nèi)的缺欠。

表面波產(chǎn)生位置是與表面垂直和平行2個方向振動的機械波，即縱波與橫波共同組成的橢圓形振動[14]。表面波在遇到表面或近表中的缺欠會產(chǎn)生反射，表面下2倍波長范圍內(nèi)集中99%以上能量，鋼材料中表面波的聲速是縱波聲速的一半，波長即是表面檢測深度范圍。在選擇表面波探頭頻率為2.5 MHz時，波長的計算公式如下:

λ=C/f=5 900/2/2.5=1.196 mm

式中：λ為波長，mm；C為聲速，m/s；f為頻率，MHz。

當(dāng)選擇表面波探頭頻率為2.5 MHz時，檢測深度已覆蓋工作表面缺欠深度1.19 mm，能作為表面檢測的有效補充措施。

表面波控頭調(diào)?？墒褂?205綜合對比試塊，試塊表面開槽深度的0.5 mm、1 mm、2 mm進行校準，探頭應(yīng)選擇前沿距離較小，頻率在2.5 MHz以下的低頻率探頭。

5 檢測分析

1)數(shù)據(jù)對比分析

選用5組雙相不銹鋼2205焊縫，經(jīng)超聲波檢測后分別采用射線檢測RT和碳刨后目視檢測VT進行對比，檢測結(jié)果對比相差最大組為W1。其中，W1為同種鋼材的埋弧自動焊焊縫，超聲波檢測(UT)出缺欠長度為50 mm，同一部位經(jīng)射線檢測(RT)出缺欠長度為53 mm的未熔合，UT和RT 兩種檢測方法的缺欠長度對比結(jié)果相差3 mm，W2～W5數(shù)據(jù)組缺欠長度對比值均相差在2 mm內(nèi)，如表5所示。

表5 各種檢測方法對比

2)檢測實例

對板厚為24 mm、坡口形式為U型坡口、焊縫寬度為26 mm的雙相不銹鋼2205對接縫，依據(jù)GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定標準》[10]的要求進行檢測。檢測中選用2.5 MHz、晶片尺寸10 mm×12 mm、探頭折射角70°(K=2.74)、焦距FD20 mm的雙晶縱波斜探頭。探頭掃查寬度為100 mm(直射法檢測A≥0.75P，P=2KT)，前后掃查發(fā)現(xiàn)缺欠反射波在SL+7.2，平行掃查時波峰不變，并保持一段平直距離后波峰下降。缺欠深度為18.2 mm，水平距離為13.5 mm，在焊縫中心位置，經(jīng)超聲波檢測判斷為平面型缺欠，如圖5所示。碳刨后目視(VT)檢查發(fā)現(xiàn)缺欠為焊接電流過小導(dǎo)致的未焊透[15]，如圖6所示。

圖5 超聲示屏截圖

圖6 碳刨后的缺欠

6 結(jié)束語

經(jīng)過一系列的對比分析，使用雙晶縱波斜探頭A型脈沖反射法對雙相不銹鋼2205的檢測是可行的，但為避免結(jié)果偏差過大和錯、漏檢的發(fā)生，檢測中還應(yīng)注意以下問題：

1)縱波檢測時缺欠反射波較寬，回波信號游動變化較大，不利于缺欠的準確判斷，檢測中應(yīng)注意檢測速度，探頭的掃查速度不應(yīng)大于150 mm/s，充分運用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞4種掃查方法，對發(fā)現(xiàn)的疑似缺陷認真分析。

2)在特殊材料的檢測中縱波探頭在入射工作時常伴有橫波，會影響檢測結(jié)果的準確性，探頭移動區(qū)域在保證聲速覆蓋焊縫的前提下應(yīng)盡可能避免使用二次波進行檢測，減少波型轉(zhuǎn)換及折射帶來的不利影響，保證缺欠不漏檢與誤判。

3)對于檢測不同焊接形式的焊縫，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場實際情況做更多人工對比試塊進行靈敏度調(diào)節(jié)，掃查靈敏度應(yīng)比基準靈敏度提高6 dB進行，進一步保證缺欠的檢出能力。

4)超聲波檢測應(yīng)在雙相不銹鋼2205焊接完成24 h后才能進行檢測，應(yīng)避免因焊接導(dǎo)致的延遲性裂紋或材料脆化發(fā)生的缺欠，檢測時母材的溫度范圍在0°～60°，周邊環(huán)境應(yīng)避免由于振動、噪音過大等影響檢測人員對結(jié)果判斷的因素存在。