超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用

摘 要：異種鋼焊縫深刻影響著整體結(jié)構(gòu)的安全，因此必須對焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，防止由于缺陷的存在而帶來的嚴(yán)重后果。異種鋼焊縫通常具有形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)很難進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。超聲相控陣由于可以偏轉(zhuǎn)和聚焦，因而在異種鋼焊縫檢測中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)手段對超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探討，對常見缺陷的超聲反射回波進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲相控檢測技術(shù)可以較好地滿足異種鋼焊縫檢測的要求。

關(guān)鍵詞：超聲相控陣;異種鋼焊接;焊縫檢測

0? ? 引言

隨著各類設(shè)備和材料的增加，不同材料之間的組合應(yīng)用日益普遍，尤其是鋼材的對接使用更是常見。鋼材對接會遇到異種鋼焊接問題，由于不同種類的鋼材料在物理、化學(xué)等特性上有明顯的區(qū)別，二者之間的焊接成為應(yīng)用的難點(diǎn)之一[1]。無損檢測技術(shù)是檢測焊縫質(zhì)量的主要技術(shù)，其中超聲技術(shù)由于環(huán)保便捷而成為最主要的無損檢測技術(shù)之一。

隨著技術(shù)的發(fā)展，焊縫質(zhì)量檢測的要求也在不斷提高，超聲相控陣的應(yīng)用更加廣泛，并且技術(shù)日益成熟。超聲相控陣的出現(xiàn)，使焊縫缺陷可以通過二維成像結(jié)果清晰地顯示出來，大大提高了檢測的效率和可靠性。

本文通過實(shí)驗(yàn)手段對超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探討，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? ? 超聲相控陣的原理及優(yōu)勢

超聲檢測技術(shù)是工業(yè)無損檢測四大常規(guī)技術(shù)中的重要一員，超聲相控陣則是傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它已成為提高無損檢測效率和質(zhì)量的重要手段。超聲檢測主要是利用了聲波的反射現(xiàn)象進(jìn)行材料缺陷的識別，是聲學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。超聲探頭中的壓電晶片在電場的作用下發(fā)出高頻振動，振動由探頭傳播出來后形成超聲波，超聲波在穿透材料的過程中，一旦遇到不規(guī)則的介質(zhì)，其正常傳播就會受到干擾，造成部分聲波被吸收或反射回來，探頭接收反射或透射的聲場后通過儀器顯示出來，即可分析出工件內(nèi)部的缺陷信息[2]。

超聲相控陣是通過多個(gè)探頭組成陣列，利用電子技術(shù)控制聲場的聚焦方式和偏轉(zhuǎn)角度，聲場在穿透工件后反射回來重新被探頭陣列接收，經(jīng)過工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)制后的聲場攜帶了工件的缺陷信息，通過二維成像設(shè)備顯示出來后，即可識別出缺陷的位置、程度、形態(tài)等信息[3]。顯然，超聲相控陣技術(shù)無論是在檢測效率還是缺陷的識別率方面都較傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)有很大的提高，特別是對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測，超聲相控陣技術(shù)甚至完全取代了一維超聲。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣正朝著自動化、智能化的方向發(fā)展。

2? ? 異種鋼焊縫的檢測難點(diǎn)分析

2.1? ? 異種鋼焊接的特點(diǎn)

異種鋼的焊接在近年來呈現(xiàn)連年增加的趨勢，這主要是因?yàn)槟承┊惙N鋼具有比純種鋼更好的化學(xué)性能，例如普通碳鋼和不銹鋼焊接在一起就可以顯著提高其耐腐蝕性能，這種鋼材的應(yīng)用正在不斷推廣。但是，異種鋼由于材料的不均勻性，會給超聲檢測帶來新的問題。

奧氏體不銹鋼是異種鋼中最常用的材料，具有很好的塑韌性，因此可以通過冷熱加工做成各種形狀的零件。然而，奧氏體不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)較其他鋼材要小，熔點(diǎn)也明顯變低，線膨脹系數(shù)較大，因此在異種鋼焊接時(shí)很容易出現(xiàn)粗大鑄態(tài)組織[4]，這會給超聲檢測帶來較大的噪聲和能量損失。另外，在焊接的高溫條件下很容易引發(fā)奧氏體異種鋼的蠕變裂紋，使缺陷率明顯上升。

總之，異種鋼在物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異比較明顯，常規(guī)的焊接會使缺陷概率有所上升。

2.2? ? 異種鋼焊縫檢測的難點(diǎn)

異種鋼焊接材料的優(yōu)異性能是以高質(zhì)量的焊接為基礎(chǔ)的，因此只有在保證焊接質(zhì)量的條件下，才能發(fā)揮出異種鋼的最大優(yōu)勢。這里仍以最常用的奧氏體不銹鋼與碳鋼的焊接為例進(jìn)行分析。

奧氏體不銹鋼焊縫中通常會產(chǎn)生大量的粗大晶粒，如果采用常規(guī)的超聲波檢測手段，會出現(xiàn)嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，使回波攜帶大量噪聲，甚至找不到明顯的回波波形。一般來說，如果晶粒直徑大于聲波波長的1/10，就會產(chǎn)生明顯的散射;如果達(dá)到波長的一半，則回波幾乎被淹沒在噪聲之中，無法對缺陷進(jìn)行可靠判讀。除了散射之外，粗大晶粒造成的聲波能量衰減也使檢測的難度大大提高，散射波經(jīng)過反復(fù)的反射回到探頭后，往往變成信噪比很低的叢狀波。再者，異種鋼焊縫的各向異性還會使聲波產(chǎn)生折射，影響聲波的正常接收和缺陷形態(tài)的準(zhǔn)確判讀。可見，異種鋼焊縫的超聲波檢測難度極大。

3? ? 異種鋼焊縫檢測研究

焊縫檢測實(shí)質(zhì)上是一個(gè)將缺陷轉(zhuǎn)換為電信號并提取其特征量的過程。

為了研究超聲相控陣在異種鋼焊縫檢測中的應(yīng)用，本文通過實(shí)驗(yàn)手段對預(yù)制的人工缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過信號的提取和分析對各類缺陷進(jìn)行識別和判讀。

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本文采用的異種鋼母材分別為Q235與304不銹鋼，尺寸均為300 mm×160 mm×25 mm，兩者開V型坡口對接后進(jìn)行高溫焊接，焊接材料采用直徑為2.5 mm的308焊條，耦合劑類型為甘油。相控陣設(shè)備采用奧林巴斯MX2，其探頭采用了中心頻率為5 MHz的64晶片，通過楔塊制造近場效應(yīng)，同時(shí)防止探頭磨損。

3.2? ? 缺陷預(yù)制

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在焊接試板上預(yù)制了夾雜、裂紋和氣孔三類缺陷，其中夾雜缺陷是在打底層焊縫填充金屬表層把焊絲預(yù)埋在焊縫中;裂紋缺陷是在焊接時(shí)強(qiáng)制局部受熱或冷卻，同時(shí)施加拉力制造熱裂紋;氣孔缺陷通過去除焊條表面的藥皮來預(yù)制。試板缺陷示意圖如圖1所示。

3.3? ? 檢測工藝設(shè)計(jì)

通過計(jì)算機(jī)仿真軟件ESbeam tool，按照上述試板的接頭形式進(jìn)行聲束覆蓋模擬。本實(shí)驗(yàn)選用復(fù)合扇掃工藝，即將扇掃和線掃的激發(fā)形式結(jié)合在一起，既有連續(xù)角度變化，又有大覆蓋范圍，將扇掃和線掃的優(yōu)勢結(jié)合在一起。

聲束覆蓋仿真是基于理論聲學(xué)公式計(jì)算，模擬超聲波探頭在特定工藝設(shè)置下產(chǎn)生的波束覆蓋，設(shè)計(jì)出最佳的工藝參數(shù)設(shè)置，從而指導(dǎo)實(shí)際檢測。

圖2為45°～70°的復(fù)合扇掃效果圖，可以看出，異種鋼焊接接頭檢測，需要在雙面雙側(cè)實(shí)施縱波一次波法，即直射法進(jìn)行檢測，才能保證焊縫及熱影響區(qū)100%覆蓋。

3.4? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）兩種母材分別開U型坡口，采用TIG焊打底、308鈦焊條、H0Cr19Ni19焊絲，通過手工電弧焊完成焊接。

（2）在焊縫上預(yù)制多種缺陷類型。

（3）采用設(shè)備出廠建模軟件設(shè)置待檢工件的尺寸和焊縫參數(shù)，然后通過焊接試板調(diào)整超聲相控陣設(shè)備的適配參數(shù)，對預(yù)制缺陷進(jìn)行逐一檢測。

（4）對相控陣設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，包括聲速校準(zhǔn)、楔塊延遲校準(zhǔn)、靈敏度校準(zhǔn)和時(shí)間增益修正。

（5）采用射線檢測作為對比試驗(yàn)，X射線參數(shù)設(shè)置為曝光時(shí)間1 min，輻照電壓170 kV，對預(yù)制缺陷進(jìn)行檢測。

（6）將射線檢測與超聲相控陣的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.5? ? 結(jié)果分析

檢測方向與焊縫平行，采用垂直于焊縫的方向進(jìn)行掃查，扇掃角度為45°～70°，掃查步進(jìn)值為1°，探頭一發(fā)一收。超聲相控陣掃查結(jié)果和相應(yīng)缺陷的射線檢測結(jié)果如圖3所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，夾雜缺陷檢測具有較高的A掃幅值，但裂紋和氣孔的A掃幅值相對較低，這是因?yàn)閵A雜屬于體積性缺陷，對于超聲波具有強(qiáng)烈的反射作用;而裂紋屬于線性缺陷，反射面十分有限，因而很難收到明顯的回波;氣孔則表現(xiàn)為多個(gè)回波峰值，現(xiàn)象與密集型氣孔十分相似。

與射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，盡管超聲相控陣的檢測效果仍比不上射線檢測，但氣孔、夾雜、裂紋三種缺陷仍可清晰識別，并且與射線檢測結(jié)果基本一致，由此證明了超聲相控陣檢測結(jié)果的可靠性。

4? ? 結(jié)語

在現(xiàn)代工業(yè)體系和醫(yī)學(xué)體系中，超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)成為一門獨(dú)立而成熟的無損檢測技術(shù)和醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，其應(yīng)用優(yōu)勢日益突顯，是無損檢測技術(shù)和醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。隨著各種異種鋼焊接接頭的出現(xiàn)，超聲相控陣技術(shù)更是成為了無損檢測的關(guān)鍵手段。在信號處理算法不斷進(jìn)步的背景下，異種鋼焊縫的各種缺陷都可以較好地在信號特征中得到體現(xiàn)并成功提取出來，使大部分缺陷具備良好的可鑒別性，這將大大推動異種鋼材料的廣泛應(yīng)用。

隨著電子計(jì)算機(jī)和先進(jìn)控制算法的飛速發(fā)展，超聲相控陣正逐步實(shí)現(xiàn)自動化和智能化，成為工業(yè)領(lǐng)域極為重要的無損檢測手段。

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收稿日期：2020-03-25

作者簡介：黃海霞（1985—），女，江蘇如皋人，碩士，工程師，研究方向：焊接檢驗(yàn)、無損檢測、質(zhì)量管理。