不銹鋼復(fù)合板焊縫PAUT二次波掃查可適用性研究

寧東明，黃鳳生

（ 森松（江蘇）重工有限公司， 江蘇 南通 226532 ）

目前，基層為低合金鋼爆炸復(fù)合不銹鋼的復(fù)合材料以其強(qiáng)度高、耐蝕性能好、用料省等優(yōu)點(diǎn)在化工設(shè)備行業(yè)廣泛應(yīng)用。相控陣超聲檢測技術(shù)（PAUT）作為一種新技術(shù)以其數(shù)據(jù)可記錄、效率高、可隨時(shí)隨地現(xiàn)場檢測等優(yōu)點(diǎn)，已在全球工業(yè)質(zhì)量檢測中廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，相控陣超聲檢測技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]，如航空、海工、風(fēng)電等行業(yè)。承壓設(shè)備制造業(yè)相信未來的幾年內(nèi)該檢測技術(shù)也將在行業(yè)的質(zhì)量檢測中廣泛應(yīng)用。常規(guī)超聲波檢測技術(shù)針對這種復(fù)合板焊縫主要是在基層面使用一次波檢測，而PAUT 技術(shù)在復(fù)合板焊縫中檢測時(shí)也通常在基層表面采用一次波掃查獲得數(shù)據(jù)，是否能使用二次波檢測呢？筆者做了演示實(shí)驗(yàn)，在此介紹一下。

1 焊縫結(jié)構(gòu)介紹

演示試塊焊縫結(jié)構(gòu)及人工缺陷布置見圖1，主要參數(shù)如下：

材料：SA516 70N + 304L

厚度： T60 + 3.2 mm

坡口形式：X 型

焊接方法：SMAW+SAW焊縫寬度：基層外表面40 mm

基層內(nèi)表面40 mm

復(fù)層焊縫可見表面寬度50 mm

缺陷布置說明如下：

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)及人工缺陷布置圖Fig.1 Sketch for weld structure and artificial defect

F1：模擬基層外表面右側(cè)熔合線處表面裂紋缺陷；F2： 模擬基層內(nèi)表面（碳鋼和不銹鋼界面裂紋缺陷）；F3：模擬焊縫上部分左側(cè)坡口面未熔合缺陷；F4：模擬焊縫下部分右側(cè)坡口面未熔合缺陷。

該演示試塊焊縫人工缺陷數(shù)據(jù)表見表1。

表1 人工缺陷數(shù)據(jù)表Table 1 Data for artificial defect

2 PAUT檢測工藝介紹

對于此復(fù)合材料焊縫的PAUT 檢測，首先考慮一次橫波主聲束入射到焊縫下半部分焊縫體積，焊縫雙側(cè)掃查。掃查計(jì)劃A 見圖2。該設(shè)置楔塊前沿相對焊縫中心線偏移量為35 mm，第一組聲束覆蓋焊縫下表面及熱影響區(qū)（見圖中藍(lán)色聲束），第二組聲束覆蓋焊縫中上部區(qū)域（見圖中紅色聲束）。

圖2 掃查計(jì)劃AFig.2 Scan plan A

按照圖2 掃查計(jì)劃A，焊縫上表面附近區(qū)域聲束無法覆蓋。考慮增加一個(gè)掃查計(jì)劃B，增大聲束偏移量，嘗試使用二次波覆蓋上表面附近區(qū)域。此時(shí)暫不考慮焊縫下表面的厚度3.2 mm 不銹鋼材料對聲束的影響，圖3 是新增加的掃查計(jì)劃B。經(jīng)過計(jì)算該設(shè)置B 楔塊前沿相對焊縫中心線偏移量為90 mm，第一組聲束二次波覆蓋焊縫上表面及熱影響區(qū)（見圖中藍(lán)色聲束），第二組聲束覆蓋焊縫中下部區(qū)域（見圖中紅色聲束）。

圖3 掃查計(jì)劃BFig.3 Scan plan B

3 數(shù)據(jù)評(píng)定、驗(yàn)證和分析

按上述掃查計(jì)劃A、B，焊縫雙側(cè)采集總共得到四段數(shù)據(jù)，分別命名為A-90°、A-270°、B-90°、B-270°。所有數(shù)據(jù)評(píng)定完成后，對檢出該四個(gè)缺陷情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，評(píng)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

從表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，僅按掃查計(jì)劃A 采集得到的數(shù)據(jù)，對于上表面缺陷F1 附近區(qū)域是無法覆蓋的，缺陷F1 無法檢測出來。增加掃查計(jì)劃B 采集得到的數(shù)據(jù)補(bǔ)充覆蓋了上表面缺陷F1 附近的區(qū)域，同時(shí)與掃查計(jì)劃A 重復(fù)覆蓋焊縫下半部分區(qū)域。按B方案二次橫波可檢測到F1～F4 四個(gè)缺陷，橫波入射到內(nèi)表面再反射到整個(gè)焊縫區(qū)域，此過程中3.2 mm的不銹鋼層對橫波反射缺陷的檢出沒有明顯的影響。也就證明此類復(fù)合板焊縫中，PAUT 二次橫波是可以檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的（對缺陷的尺寸測量偏差后文再討論）。按掃查計(jì)劃B，270°側(cè)無法檢測出缺陷F3， 原因與該缺陷走向和橫波入射夾角有關(guān)。此時(shí)聲束一次波無法覆蓋F3 缺陷，二次波與F3 缺陷面接近于平行，因而無法檢測出來。

表2 PAUT 評(píng)定統(tǒng)計(jì)表Table 2 List for PAUT test evaluation result

圖4a～d 是按掃查計(jì)劃B 左側(cè)掃查（也稱為90°側(cè)掃查）檢測發(fā)現(xiàn)的F1～F4 四個(gè)缺陷的截圖。

圖4a 中F1 缺陷波幅度較低，該缺陷系焊縫外表面開口缺陷，從圖像得知系53°橫波主聲束檢出，A 掃顯示主聲束幅度為滿屏的13%，幅值低，信噪比不高，易漏檢。評(píng)定B-270°數(shù)據(jù)，也可以發(fā)現(xiàn)F1缺陷，截圖見圖5。數(shù)據(jù)上顯示發(fā)現(xiàn)F1 缺陷的主聲束角度為43°，此時(shí)A 掃顯示主聲束幅度為滿屏的70%，信噪比高，缺陷容易識(shí)別。此處F1 缺陷的存在，導(dǎo)致超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射[2]?？梢园l(fā)現(xiàn)43°橫波比53°橫波對端角反射信號(hào)更敏感?？梢娊Y(jié)合雙側(cè)掃查的兩個(gè)數(shù)據(jù)綜合評(píng)定，足以檢測發(fā)現(xiàn)所有預(yù)設(shè)人工缺陷。

把兩個(gè)掃查計(jì)劃得到的數(shù)據(jù)中的四個(gè)缺陷按-6 dB 法進(jìn)行長度和高度測量和比較，如表3 缺陷測量對比表所示。對于兩個(gè)埋藏缺陷，按兩種掃查計(jì)劃其長度測量值比較接近，B 計(jì)劃中缺陷高度值偏小，深度誤差較大。可見，二次波檢測對于缺陷高度和深度的測量還是存在誤差的。

圖4 F1～F4 缺陷圖像（來自B-90°）Fig.4 Defect map for F1～F4 （from B-90°）

圖5 F1 缺陷圖像（來自B-270°）Fig.5 Defect map for F1（from B-270°）

結(jié)合該案例得知，掃查計(jì)劃B 僅作為掃查計(jì)劃A 的補(bǔ)充方案，以滿足檢測區(qū)域的聲束全覆蓋。日常檢測中應(yīng)首先使用一次波，結(jié)合使用二次波檢測，以滿足檢測區(qū)域全覆蓋和缺陷測量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）PAUT 技術(shù)在碳鋼不銹鋼爆炸復(fù)合板焊縫檢測過程中，基層碳鋼側(cè)發(fā)出的二次波是可以實(shí)施檢測的。

（2）對碳鋼不銹鋼爆炸復(fù)合板焊縫PAUT 檢測時(shí)，考慮聲束全覆蓋和對缺陷測量的準(zhǔn)確性，可使用一次波和二次波結(jié)合檢測。

（3）PAUT 檢測的基本原理來自常規(guī)超聲檢測技術(shù)，缺陷的檢出與缺陷平面和聲束夾角有關(guān)，缺陷面和聲束夾角達(dá)90°（接近垂直），容易檢出，夾角較?。ɑ蚪咏叫校瑒t不容易檢出。

表3 缺陷測量對比表Table 3 List for defect measure comparison