奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲波檢測探頭設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

倪國勝，高志萌

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南 鄭州 450044）

0 引言

奧氏體不銹鋼因其穩(wěn)定的組織特征和優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于水利工程行業(yè)的重要焊接結(jié)構(gòu)件。采用焊接方法不可避免存在焊接缺陷，因此，特定場合下一些重要的焊縫需要采用超聲波無損檢測技術(shù)來進(jìn)行焊縫缺陷檢測。

如圖1所示，奧氏體不銹鋼焊縫具有晶粒粗大、各向異性的特征，造成母材和焊縫存在一定的聲速差異。依據(jù)斯涅耳定律，由于母材和焊縫的聲速差異，超聲波聲束穿過焊縫熔合線時，超聲波會波形轉(zhuǎn)換和聲束偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致偽缺陷信號產(chǎn)生和缺陷定位出現(xiàn)偏差；超聲波在焊縫中傳播時，粗大、各向異性的柱狀晶組織會引起聲束散射和衰減，從而引起噪聲［1］。因此，奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測是個挑戰(zhàn)。

奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測，傳統(tǒng)的超聲檢測方法一般采用低頻雙晶縱波（Transmit Receive Longitudinal Wave，TRL）探頭，通過多個不同折射角、聚焦深度的探頭來進(jìn)行多位置掃查、分區(qū)檢測，這種方法需要較大的掃查空間，同時存在效率低、缺陷漏檢率高的問題。

基于雙晶面陣相控陣探頭的相控陣檢測技術(shù)，是近年來解決奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測難題的首選。雙矩陣（Double Matrix，DMA）探頭，采用一組面陣晶片用于發(fā)射超聲波，另外一組面陣晶片用于接收超聲波。DMA探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合相控陣技術(shù)優(yōu)勢，使其在奧氏體不銹鋼焊縫的檢測中存在如下優(yōu)越性［2-3］：

（1）一發(fā)一收模式，避免了楔塊回波和探頭始波的影響，減少了干擾信號，有利于近表面盲區(qū)檢測。

（2）電子控制聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，在一定角度范圍內(nèi)提高了檢測靈敏度、信噪比以及分辨力。

圖1 奧氏體不銹鋼焊縫組織特征（x200）

目前，基于雙晶面陣探頭的相控陣檢測技術(shù)在奧氏體不銹鋼焊縫的實(shí)際檢測工程中已經(jīng)得到應(yīng)用［4-5］。本文結(jié)合國內(nèi)某水利工程50 mm厚的奧氏體不銹鋼對接焊縫超聲檢測工藝開發(fā)過程，詳細(xì)介紹了開發(fā)的雙晶面陣相控陣探頭的關(guān)鍵參數(shù)、聲場的仿真以及試塊的驗(yàn)證結(jié)果。

2 探頭設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

雙晶面陣相控陣探頭設(shè)計(jì)時需要綜合考慮不銹鋼焊縫對超聲的衰減效應(yīng)、可利用的掃查空間以及檢測效率。希望通過合理的晶片尺寸和排列設(shè)計(jì)，搭配固定角度的楔塊，使超聲場在不銹鋼中實(shí)現(xiàn)大角度范圍內(nèi)的掃查，最終實(shí)現(xiàn)一次波聲束覆蓋整個焊縫區(qū)域。

雙晶面陣相控陣探頭的聲場特性是能否獲得并有效利用被檢測區(qū)域回波信息的決定因素，在CIVA軟件中，根據(jù)聲場特性對探頭的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，聲場優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的是：最小化主瓣寬度、消除刪瓣、抑制旁瓣和偏轉(zhuǎn)方向的聲壓最大化。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

雙晶面陣相控陣探頭的陣元數(shù)量、陣元大小、陣元焦距、激發(fā)頻率、楔塊角度、屋頂角等設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響探頭的聲場特性。除此之外，由于其一發(fā)一收的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除了陣元數(shù)量、陣元大小、陣元焦距、激發(fā)頻率、楔塊角度等參數(shù)外，屋頂角、晶片組間距等參數(shù)也影響著聲場特性。在CIVA軟件的超聲模塊中，對上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了探頭和楔塊參數(shù)如表1所示。

表1 DMA探頭及楔塊參數(shù)

圖2給出了雙晶面陣相控陣探頭的三維設(shè)計(jì)模型和實(shí)物。從圖2（a）中可以看出，晶片成矩陣一發(fā)一收布置，其中一組陣列用于發(fā)射，另一組陣列用于接收。

探頭整體尺寸設(shè)計(jì)小巧，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

3 聲場仿真

在CIVA軟件中，對設(shè)計(jì)的探頭在35°～85°范圍內(nèi)的聲場進(jìn)行仿真。采用投影聚焦模式，如圖3（a）所示，設(shè)置聚焦點(diǎn)位于焊縫中心。

對35°～85°范圍內(nèi)的聲場分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)85°下無柵瓣現(xiàn)象發(fā)生，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)探頭的大角度偏轉(zhuǎn)能力。圖3（b）為60°仿真聲場分布，測試結(jié)果顯示-12 dB焦柱范圍為35～46 mm。

綜合分析35°～85°聲場仿真結(jié)果，可以看出在合適的聚焦法則下，設(shè)計(jì)的雙晶面陣相控陣探頭的聲場可以覆蓋整個焊縫區(qū)域。

圖2 雙晶面陣相控陣探頭

圖3 相控陣聚焦法則設(shè)置與聲場分布

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

信噪比驗(yàn)證試驗(yàn)的對比試塊選用工程中使用的同牌號的50 mm厚的不銹鋼材料，采用手工氬弧焊技術(shù)，按照實(shí)際焊接工藝進(jìn)行焊接，焊后表面打磨平整。距離焊縫表面在5 mm，10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，45 mm處分別加工直徑為2 mm，長40 mm的側(cè)橫孔，為了避免不同孔之間的反射信號互相影響，將上述孔均分在兩塊不同的對比試塊上。

試驗(yàn)設(shè)備選擇法國M2M公司生產(chǎn)的便攜式相控陣設(shè)備，型號為GEEKO 64×64，配合設(shè)計(jì)的雙晶面陣相控陣探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

調(diào)試相控陣設(shè)備，激發(fā)35°～85°扇形掃查角度，在不銹鋼母材的側(cè)橫孔試塊上完成基準(zhǔn)靈敏度的調(diào)整。移動探頭至合適區(qū)域，使得聲束覆蓋整個焊縫區(qū)域。圖4為相控陣檢測的扇形掃查和信噪比測定結(jié)果，可以看出，扇形掃查界面?zhèn)葯M孔成像清晰，測定的結(jié)果表明所有側(cè)橫孔信噪比均大于12 dB，滿足了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不銹鋼焊縫信噪比的要求。

圖4 焊縫中心φ2 mm側(cè)橫孔相控陣檢測結(jié)果

5 結(jié)語

聲場仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的DMA探頭滿足設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，假發(fā)35°～85°扇形角度可以實(shí)現(xiàn)焊縫厚度方向全覆蓋，焊縫中心φ2 mm側(cè)橫孔信噪比大于12 dB標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)的DMA探頭結(jié)構(gòu)小巧，為后續(xù)該工程不銹鋼焊縫相控陣檢測工藝的開發(fā)提供了便利。