304不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測

吳 勇，許 衎，仇方鋼

(杭州華安無損檢測技術(shù)有限公司，杭州 310023)

為了提高生產(chǎn)效率，筆者公司結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用相控陣超聲檢測方法對304不銹鋼(厚度為6～20 mm)對接焊縫實施檢測，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明檢測結(jié)果符合要求。

1 相控陣超聲檢測和驗收標(biāo)準(zhǔn)

ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會)第VIII卷第1分冊要求，“作為以上射線檢測要求的替代方法，材料厚度不小于6 mm的所有焊縫可以采用UW-53(b)章節(jié)規(guī)定的超聲波方法檢測”；而UW-53(b)中的焊縫超聲檢測應(yīng)按ASME第VIII卷第2分冊7.5.5節(jié)的要求進(jìn)行判定，7.5.5.1節(jié)規(guī)定“當(dāng)用于代替7.5.3節(jié)的射線檢測要求時，自動或半自動超聲檢測應(yīng)按照符合ASME第V卷第4章強(qiáng)制性附錄VIII要求的書面程序及以下附加要求進(jìn)行”。該節(jié)的小字注釋部分明確了“只要相位分段掃描(S掃描)演示滿足7.5.5.1(e)節(jié)要求，則可以用于焊縫檢測”，因ASME第V卷第4章強(qiáng)制性附錄V包括相控陣S掃查檢驗技術(shù)，相控陣屬于半自動超聲檢測的一種，只要滿足7.5.5.1(e)的要求，就可用相控陣超聲檢測替代射線檢測。

2 校準(zhǔn)和演示試塊

用于聲速和延遲校準(zhǔn)的試塊外觀如圖1所示，TCG(深度補(bǔ)償)曲線制作的校準(zhǔn)試塊參照ASME第V卷第4章圖T-434.1和圖T-434.2.1的要求制造，試塊材料與實際產(chǎn)品形式一致，聲學(xué)性能相近、熱處理方法相同。

圖1 304不銹鋼CSK-IA校準(zhǔn)試塊外觀

根據(jù)ASME第VIII卷第2分冊7.5.5.1(e)要求,演示試塊應(yīng)滿足ASME第V卷第4章強(qiáng)制性附錄IX要求：焊接接頭幾何形狀為產(chǎn)品焊接接頭細(xì)節(jié)的典型結(jié)構(gòu)，演示試塊至少包含3個真實的平面缺陷或3個EDM(電火花加工)切槽，其為模擬缺陷，方向平行于產(chǎn)品焊縫軸線和主要的坡口面(一個外表面缺陷，一個內(nèi)表面缺陷，一個下表面缺陷)。

演示試塊上的缺陷尺寸應(yīng)滿足附錄IX-435.6要求，根據(jù)試塊厚度而定，且不應(yīng)比ASME第VIII卷第2分冊表7.8或表7.9所規(guī)定的尺寸大，缺陷長度統(tǒng)一為6.4 mm，演示試塊缺陷參數(shù)如表1～5所示(表面缺陷設(shè)置在焊縫余高上，T為試塊厚度)。

表1 演示試塊PA1缺陷參數(shù)(T=6 mm) mm

表2 演示試塊PA9缺陷參數(shù) (T=6 mm) mm

表3 演示試塊PA11缺陷參數(shù) (T=20 mm) mm

3 規(guī)程演示要求

根據(jù)ASME第V卷第4章強(qiáng)制性附錄VIII，即VIII-482評定水平，當(dāng)材料厚度不大于38 mm時，所有指示長度超過4 mm的顯示圖像應(yīng)按ASME第VIII卷第2冊7.5.5.3節(jié)驗收。

表4 演示試塊PA13缺陷參數(shù)(帶墊板T=20 mm) mm

表5 演示試塊PA17缺陷參數(shù) (T=12 mm) mm

根據(jù)ASME第V卷第4章強(qiáng)制性附錄IX，即IX-482，演示應(yīng)滿足以下要求：檢測演示試塊中的所有缺陷；超過演示所用規(guī)程評定準(zhǔn)則時，記錄信號或成像長度；對缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤诸?即表面缺陷或近表面缺陷)；測定的缺陷尺寸不小于其實際尺寸(長度和高度)；測定缺陷的長度或高度不超過實際尺寸的50%。

4 工藝參數(shù)設(shè)置

檢測設(shè)備為OMNISCAN-MX2(32/128PR)型超聲檢測儀，由于不銹鋼的柱狀晶粒粗大且各向異性，與母材存在明顯的異質(zhì)界面，故對厚度小于10 mm的材料采用雙線陣5DL16-12x5-A25型(簡寫為A25)探頭，對厚度為1020 mm的材料采用雙矩陣4DM16x2-A27型(簡寫為A27)探頭進(jìn)行檢測，用Beamtool軟件對檢測工藝進(jìn)行模擬，具體設(shè)置參數(shù)如表6所示。

表6 檢測參數(shù)設(shè)置

5 檢測儀器校準(zhǔn)

采用制作的304不銹鋼CSK-IA試塊的R50和R100圓弧進(jìn)行聲速校準(zhǔn)，使用試塊上φ1.5 mm的橫通孔進(jìn)行延遲校準(zhǔn)，根據(jù)ASME第V卷第4章T-434.2.1規(guī)定，焊縫厚度T≤25 mm，校準(zhǔn)反射體橫通孔孔徑為2.5 mm，最后使用不銹鋼對比試塊上不同深度的φ2.5 mm橫通孔繪制TCG(深度補(bǔ)償)曲線。

6 試驗結(jié)果

使用水為耦合劑，實際檢測結(jié)果清晰易分辨(見圖213)。

圖2 PA1試塊A25探頭A側(cè)檢測結(jié)果

圖3 PA1試塊A25探頭B側(cè)檢測結(jié)果

圖4 PA1試塊A27探頭A側(cè)檢測結(jié)果

圖5 PA1試塊A27探頭B側(cè)檢測結(jié)果

圖6 PA9試塊A27探頭A側(cè)檢測結(jié)果

圖7 PA9試塊A27探頭B側(cè)檢測結(jié)果

圖8 PA11試塊A27探頭A側(cè)檢測結(jié)果

圖9 PA11試塊A27探頭B側(cè)檢測結(jié)果

圖10 PA13試塊A27探頭A側(cè)檢測結(jié)果

圖11 PA13試塊A27探頭B側(cè)檢測結(jié)果

圖12 PA17試塊A27探頭A側(cè)檢測結(jié)果

圖13 PA17試塊A27探頭B側(cè)檢測結(jié)果

7 結(jié)語

(1) 相控陣超聲檢測的缺陷長度與實際缺陷長度基本一致，誤差基本在2 mm以內(nèi)，檢測的缺陷高度基本在缺陷自身高度的1.5倍以內(nèi)，缺陷高度越小誤差越大，缺陷高度越大誤差越小。

(2) 由于探頭在移動過程中有一定程度的偏離(約1.5 mm)，焊縫中心位置沒有找準(zhǔn)，焊縫坡口沒有精確設(shè)置，所以實測焊縫缺陷與焊縫中心線的距離也存在一定偏差。

(3) 由于爬波在表面?zhèn)鞑r衰減很快，只能傳播一定距離(通常為幾十毫米)，所以在焊縫寬度增加時，通常只能把探頭放置在缺陷側(cè)時才能發(fā)現(xiàn)，而在相對側(cè)則沒有顯示。

(4) 當(dāng)縱波從第一種介質(zhì)以第一臨界角附近的角度(±30°)入射于第二種介質(zhì)時，在第二種介質(zhì)中不僅存在表面縱波，還存在斜射橫波，通常把橫波的波前稱為頭波，把沿介質(zhì)表面下一定距離(近似1個波長)處在橫波和表面縱波之間傳播的峰值波稱為爬波[1]。爬波對粗大晶粒的各向異性焊縫的表面開口缺陷和近表面缺陷的檢測也有很高的靈敏度，試塊PA1表面缺陷設(shè)置在焊縫余高上，其他試塊的上表面缺陷均由爬波(大于75°)檢測到，但深度檢測不準(zhǔn)確。

(5) 由于聲束受晶粒的影響會產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn)[2]，故缺陷深度檢測具有一定的誤差(1～2 mm)。