奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫側(cè)壁未熔合相控陣超聲檢測(cè)?

張?chǎng)?林莉 金士杰

(大連理工大學(xué)無(wú)損檢測(cè)研究所 大連 116085)

0 引言

核電站厚壁奧氏體不銹鋼主管道連接采用窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)，焊接過(guò)程中電弧軸向與焊縫側(cè)壁夾角小，導(dǎo)致熔敷金屬與焊道側(cè)壁熔合不充分，易形成側(cè)壁未熔合[1?2]。側(cè)壁未熔合屬于面積型缺陷，端點(diǎn)處容易發(fā)生應(yīng)力集中，對(duì)長(zhǎng)期服役的主管道危害極大。按照NB/T 47013.15《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求，必須對(duì)其實(shí)施無(wú)損檢測(cè)。超聲檢測(cè)具有對(duì)人體無(wú)害、便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)面積型缺陷更為敏感。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)特有的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦功能進(jìn)一步提高了超聲波穿透能力和檢測(cè)靈敏度，應(yīng)用于核電站主管道焊縫檢測(cè)有較大優(yōu)勢(shì)[3]。圍繞厚壁奧氏體不銹鋼相控陣超聲檢測(cè)的研究較多，主要集中在檢測(cè)工藝優(yōu)化、超聲散射機(jī)制分析和邊鉆孔超聲檢測(cè)等方面，關(guān)于側(cè)壁未熔合的檢測(cè)研究鮮有報(bào)道[1,4]。

側(cè)壁未熔合取向垂直，表面反射波具有方向性，且受奧氏體不銹鋼粗大晶粒影響，接收的回波信號(hào)能量較弱，檢測(cè)信噪比偏低[5]。因此，需要借助建模仿真及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化相控陣超聲檢測(cè)工藝，并進(jìn)一步結(jié)合信號(hào)后處理技術(shù)提高側(cè)壁未熔合檢測(cè)信噪比。其中，建立焊縫仿真模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，能夠直觀呈現(xiàn)聲場(chǎng)特性，有助于分析超聲波傳播與散射過(guò)程，以及與缺陷的相互作用規(guī)律。近年來(lái)，隨著顯微觀測(cè)技術(shù)發(fā)展，電子背散射衍射(Electron back-scattered diffraction,EBSD)技術(shù)廣泛應(yīng)用于厚壁奧氏體不銹鋼晶粒結(jié)構(gòu)和晶體取向分析[6?7]。在此基礎(chǔ)上，建立奧氏體不銹鋼焊縫模型并進(jìn)行聲場(chǎng)模擬，是當(dāng)下研究粗晶材料超聲散射機(jī)制及微觀組織對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的重要手段[8?9]。此外，采用相控陣超聲檢測(cè)對(duì)厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，晶粒散射會(huì)降低檢測(cè)信噪比，影響缺陷識(shí)別[10]。全聚焦方法(Total focusing method,TFM)能夠?qū)﹃嚵蠥掃描信號(hào)進(jìn)行延時(shí)疊加處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)聚焦，重建不同深度及位置的缺陷[11?13]。TFM有助于提高檢測(cè)分辨力和缺陷信號(hào)幅值，但結(jié)構(gòu)噪聲也被增強(qiáng)，甚至形成偽缺陷[14]。相位相干成像(Phase coherence imaging,PCI)方法考慮了缺陷信號(hào)和噪聲信號(hào)相位差異，構(gòu)建權(quán)重矩陣并進(jìn)行加權(quán)處理，有效抑制結(jié)構(gòu)噪聲，提升檢測(cè)信噪比和成像質(zhì)量[10,15]。

本文針對(duì)壁厚69.5 mm核電站主管道奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試樣，基于EBSD技術(shù)建立同時(shí)包含母材與焊縫的模型，采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)側(cè)壁未熔合相控陣超聲檢測(cè)工藝及檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行探討。同時(shí)，結(jié)合TFM和PCI方法進(jìn)行信號(hào)后處理，進(jìn)一步抑制結(jié)構(gòu)噪聲。

1 原理

1.1 相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)控制陣列換能器各陣元激勵(lì)脈沖信號(hào)的延遲時(shí)間，使陣元發(fā)射聲波在空間產(chǎn)生干涉效應(yīng)，進(jìn)而形成具有偏轉(zhuǎn)和聚焦特性的合成聲束，實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)某一點(diǎn)的聚焦[16]。相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)主要包括探頭頻率、聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度等，針對(duì)特定材料及缺陷，對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整可得到最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)。通過(guò)多個(gè)角度聲束信號(hào)合成，獲得實(shí)時(shí)扇掃描圖像，讀取圖像中呈現(xiàn)出的缺陷端點(diǎn)峰值位置即可實(shí)現(xiàn)缺陷定量、定位檢測(cè)。

1.2 全聚焦方法

全聚焦方法是一種基于全矩陣捕捉(Full matrix capture,FMC)數(shù)據(jù)的信號(hào)后處理算法[17]。對(duì)于一個(gè)由N陣元組成的相控陣列，每個(gè)晶片依次激發(fā)，同時(shí)所有晶片接收，可以得到N×N個(gè)A掃描信號(hào)組成的FMC矩陣[13]。TFM通過(guò)對(duì)FMC矩陣中的A掃描信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理和幅值疊加，可以實(shí)現(xiàn)成像區(qū)域內(nèi)每個(gè)離散坐標(biāo)點(diǎn)的虛擬聚焦，使缺陷處幅值增強(qiáng)，任意聚焦點(diǎn)(x,z)對(duì)應(yīng)幅值ITFM(x,z)可表示為[18]

式(1)中，Sij()為對(duì)應(yīng)聚焦點(diǎn)回波幅值，tij(x,z)為第i個(gè)陣元發(fā)射、第j個(gè)陣元接收信號(hào)的傳播時(shí)間。

1.3 相位相干成像方法

由式(1)可知，TFM僅對(duì)A掃描信號(hào)進(jìn)行幅值疊加，未考慮信號(hào)相位信息。對(duì)于粗晶材料的超聲檢測(cè)信號(hào)，延時(shí)處理后缺陷處信號(hào)相位分布較一致，而噪聲相位分布散亂[10]。相位相干成像算法即是利用歐拉公式提取超聲信號(hào)的相位信息并對(duì)TFM矩陣信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理[19]，從而達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)噪聲、提升檢測(cè)信噪比的目的。加權(quán)表達(dá)式為

式(2)中，φ為信號(hào)相角，var()為變量方差。

2 模型建立

以壁厚69.5 mm，長(zhǎng)、寬、高分別為400.0 mm、70.0 mm和69.5 mm的316L厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊為研究對(duì)象，并沿焊縫方向截取35.0 mm×69.5 mm試樣，進(jìn)行切割、打磨和拋光。使用質(zhì)量濃度為10.0%的草酸溶液進(jìn)行電解腐蝕，得到如圖1(a)所示焊縫宏觀金相。可以看到焊縫為多層多道焊，坡口寬度5.0～12.0 mm，且越靠近焊趾位置，坡口越寬。

考慮到重復(fù)多道焊二次熱循環(huán)作用導(dǎo)致晶粒尺寸從焊根向焊趾逐步減小[20]，因此選擇焊縫中央?yún)^(qū)域進(jìn)行分析，更能反映晶粒尺寸平均水平。本文選取圖1(a)中標(biāo)注的紅色區(qū)域進(jìn)行EBSD分析，該區(qū)域高度1.3 mm，寬度9.7 mm，包含母材和完整焊縫。設(shè)置掃描步長(zhǎng)10.0μm[21]，得到9.7 mm×1.3 mm的EBSD圖譜，如圖1(b)所示?？梢钥闯龊缚p和母材之間無(wú)明顯熱影響區(qū)，從母材細(xì)小的等軸晶直接過(guò)渡到焊縫細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶。選擇閾值角度為15?，最終得到12種顏色對(duì)應(yīng)的歐拉角組合，如表1所示。

通過(guò)晶體取向歸一化處理，得到如圖2所示的EBSD圖譜，與圖1(b)相比，晶粒輪廓更加清晰。對(duì)EBSD圖譜進(jìn)行處理，保留焊縫部分并將母材拼接到焊縫左右兩側(cè)，然后縱向拼接形成寬度106.0 mm、高度69.5 mm的厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫模型。

圖1 奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of narrow gap welding in austenitic stainless steel

表1 EBSD圖譜中的12組晶體取向Table 1 Twelve crystal orientations in EBSD map

圖2 歸一化后的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫EBSD圖譜Fig.2 The normalized EBSD map of narrow gap welding in austenitic stainless steel

奧氏體不銹鋼本構(gòu)剛度矩陣中的彈性常數(shù)C11=265.8 GPa，C12=114.0 GPa，C44=117.1 GPa[9]。已知每個(gè)晶粒對(duì)應(yīng)的歐拉角，利用方向余弦矩陣對(duì)本構(gòu)剛度矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到晶體坐標(biāo)系下剛度矩陣的彈性常數(shù)，并賦給模型中相應(yīng)區(qū)域。

3 數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)

3.1 數(shù)值模擬

基于WAVE有限差分軟件建立模型并進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)數(shù)值模擬。將模型下邊界設(shè)置為固體-真空邊界，其他邊界均設(shè)置為無(wú)限吸收邊界。以水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，設(shè)置橫向和縱向網(wǎng)格尺寸均為0.1 mm。沿焊縫熔合線設(shè)置中心深度26.5 mm、高度3.0 mm、寬度1.0 mm的槽模擬側(cè)壁未熔合。考慮到側(cè)壁未熔合的位置，以及晶粒散射引起的結(jié)構(gòu)噪聲和衰減，改變相控陣探頭頻率、陣元數(shù)量和聚焦深度等參數(shù)，以確定最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)。最終采用中心頻率2.25 MHz、32陣元相控陣探頭配合45?縱波楔塊實(shí)施檢測(cè)，聚焦深度設(shè)為26.5 mm，偏轉(zhuǎn)角度25?～70?。圖3(a)給出相控陣扇掃描圖像，能夠區(qū)分側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)，但晶粒散射引起的結(jié)構(gòu)噪聲較明顯。統(tǒng)計(jì)側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)檢測(cè)信噪比分別為3.5 dB和2.6 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.3 mm和27.2 mm，測(cè)量誤差分別為10%和2.6%。

基于建立的模型，進(jìn)一步利用相控陣探頭采集全矩陣數(shù)據(jù)并進(jìn)行TFM和PCI處理。TFM處理后的成像結(jié)果見(jiàn)圖3(b)，側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)區(qū)分更加明顯，成像質(zhì)量得到提升。統(tǒng)計(jì)側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)檢測(cè)信噪比分別為5.8 dB和3.9 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.2 mm和26.2 mm，測(cè)量誤差分別為6.7%和1.1%。PCI處理后的成像結(jié)果見(jiàn)圖3(c)，此時(shí)粗晶結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)噪聲基本消失，統(tǒng)計(jì)側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)檢測(cè)信噪比分別為8.2 dB和6.6 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.2 mm和26.7 mm，測(cè)量誤差分別為6.7%和0.8%。顯然，經(jīng)過(guò)PCI處理后側(cè)壁未熔合的檢測(cè)信噪比提升4.7 dB，高度和中心深度定量誤差分別降低3.3%和1.8%，表明信號(hào)后處理技術(shù)能夠有效抑制結(jié)構(gòu)噪聲，提高檢測(cè)信噪比及定量精度。

圖3 側(cè)壁未熔合相控陣扇掃描及信號(hào)后處理仿真成像結(jié)果Fig.3 Images of lack of sidewall fusion with phased array and signal post-processing by simulation

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在壁厚69.5 mm的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊熔合線位置加工中心深度26.5 mm、高度3.0 mm的側(cè)壁未熔合，使用Omiscan MX2多通道相控陣超聲檢測(cè)儀，結(jié)合3.1節(jié)模擬給出的參數(shù)實(shí)施超聲檢測(cè)。圖4(a)為側(cè)壁未熔合相控陣超聲扇掃描圖像，可以看出雖存在較明顯的結(jié)構(gòu)噪聲，但側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)可同時(shí)被識(shí)別。統(tǒng)計(jì)側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)檢測(cè)信噪比分別為3.9 dB和3.2 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為3.4 mm和26.1 mm，測(cè)量誤差分別為13.3%和1.5%。對(duì)比圖3(a)和圖4(a)可知，仿真和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)信噪比非常接近，最大相差0.6 dB，高度和中心深度定量誤差分別相差3.3%和1.1%，驗(yàn)證了基于EBSD技術(shù)所建模型的有效性。

針對(duì)厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫試塊，進(jìn)一步利用相控陣探頭采集全矩陣數(shù)據(jù)并進(jìn)行TFM和PCI處理。TFM成像結(jié)果見(jiàn)圖4(b)，成像質(zhì)量較處理前得到提升。統(tǒng)計(jì)側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)檢測(cè)信噪比分別為6.2 dB和4.2 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為2.8 mm和26.2 mm，測(cè)量誤差分別為6.7%和1.1%。PCI處理后成像結(jié)果見(jiàn)圖4(c)，可以看出結(jié)構(gòu)噪聲得到抑制，統(tǒng)計(jì)側(cè)壁未熔合上下端點(diǎn)檢測(cè)信噪比分別為4.4 dB和3.3 dB，高度和中心深度定量結(jié)果分別為2.8 mm和26.3 mm，測(cè)量誤差分別為6.7%和0.8%。

圖4 側(cè)壁未熔合相控陣扇掃描及信號(hào)后處理實(shí)驗(yàn)成像結(jié)果Fig.4 Images of lack of sidewall fusion with phased array and signal post-processing by experiments

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能夠有效檢出厚壁奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫中的側(cè)壁未熔合，并實(shí)現(xiàn)定量表征。然而，受粗晶結(jié)構(gòu)影響，檢測(cè)信噪比較低，成像質(zhì)量有待提高。TFM能夠?qū)θ毕菪盘?hào)幅值進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)聚焦，使得側(cè)壁未熔合散射信號(hào)能量增強(qiáng)，檢測(cè)信噪比最大提升2.3 dB。PCI能夠提取信號(hào)相位信息并進(jìn)行加權(quán)處理，缺陷處權(quán)重因子較大，噪聲處權(quán)重因子較小，達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)噪聲的目的，與扇掃描結(jié)果相比檢測(cè)信噪比提升4.7 dB。因此，經(jīng)過(guò)TFM和PCI處理后的圖像中側(cè)壁未熔合信號(hào)能量增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)噪聲得到抑制，提高了圖像質(zhì)量及檢測(cè)信噪比。

4 結(jié)論

(1)基于EBSD技術(shù)建立了同時(shí)包含母材和焊縫的奧氏體不銹鋼窄間隙焊縫模型。

(2)對(duì)窄間隙焊縫模型和試塊中的側(cè)壁未熔合進(jìn)行相控陣超聲仿真與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)信噪比相差不超過(guò)0.6 dB，驗(yàn)證了模型有效性，并實(shí)現(xiàn)了側(cè)壁未熔合深度與高度定量表征。

(3)結(jié)合TFM和PCI信號(hào)后處理技術(shù)可進(jìn)一步改善檢測(cè)信噪比，提高側(cè)壁未熔合成像質(zhì)量及定量精度。