摘 要:結(jié)合工程應(yīng)用數(shù)據(jù),對全聚焦相控陣超聲和雙晶聚焦縱波斜探頭超聲兩種技術(shù)的粗 晶焊縫質(zhì)量檢測結(jié)果進(jìn)行了對比分析,得到兩種技術(shù)的信噪比數(shù)據(jù)、缺陷檢出能力數(shù)據(jù)以及掃查覆 蓋能力的評價結(jié)果,指出了全聚焦相控陣檢測技術(shù)具有覆蓋范圍大的特性,可減少掃查次數(shù),提高 檢測速度,降低缺陷漏檢的概率。
關(guān)鍵詞:全聚焦相控陣;雙晶聚焦;奧氏體;焊縫檢測
中圖分類號:TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-6656(2022)07-0029-04
奧氏體粗晶焊縫的超聲檢測是超聲技術(shù)領(lǐng)域的 難點(diǎn)。奧氏體焊縫晶粒粗大導(dǎo)致超聲能量的衰減和 散射非常嚴(yán)重,且其具有的聲能各向異性會使得超 聲傳播路徑發(fā)生扭曲,故常規(guī)超聲技術(shù)無法對其進(jìn) 行檢測。實(shí)際常采用低頻寬帶寬雙晶聚焦縱波斜探 頭技術(shù)對奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測。
全聚焦相控陣檢測技術(shù)是在相控陣技術(shù)的基礎(chǔ) 上進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展起來的超聲檢測新技術(shù)。與常 規(guī)相控陣技術(shù)相比,全聚焦相控陣技術(shù)具有信噪比 高,帶寬寬,聲束覆蓋范圍大,成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),有 望在大厚度奧氏體不銹鋼焊縫的檢測中得到更廣泛 的應(yīng)用。
為保證某重要壓力容器的超聲檢測可靠性,筆 者設(shè)計(jì)了一次試驗(yàn)。該容器采用奧氏體不銹鋼制 作,厚度為80 mm,試驗(yàn)方案是采用全聚焦相控陣 超聲3D實(shí)時成像技術(shù)和雙晶聚焦縱波斜探頭超聲 技術(shù)分別實(shí)施檢測,以比較兩種超聲檢測技術(shù)的特 性,驗(yàn)證大厚度奧氏體不銹鋼焊縫檢測工藝的可靠 性和合理性。
1 試塊制作
設(shè)計(jì)的試塊結(jié)構(gòu)如圖1所示,試塊材料為S32168, 厚度為80mm,試塊上焊縫的坡口型式、焊接工藝、焊 縫外形與實(shí)際工件上的相同。焊縫焊接完成后去除表 面余高,機(jī)加工至平滑,焊縫寬度約為50mm。
在試塊的不同深度上加工多個長橫孔,規(guī)格為 2mm×40mm(直徑×長度),其中4個分布在熔合 線上,4個分布在焊縫中間,深度分別為10,30,50, 70mm。
2 檢測原理
全聚焦相控陣技術(shù)實(shí)際上包括全矩陣數(shù)據(jù)采集 (FMC)和全聚焦數(shù)據(jù)處理(TFM)兩個過程[1]。
FMC采集的數(shù)據(jù)需要通過 TFM 處理后再以 圖像的形式顯示出來。TFM 過程如下:首先確定一 個合理的檢測數(shù)據(jù)重建區(qū)域(目標(biāo)區(qū)),然后將目標(biāo) 區(qū)進(jìn)行空間離散化成為一個網(wǎng)格,再基于相控陣探 頭的晶片位置計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域中每一點(diǎn)的聚焦法則。 試塊的全聚焦相控陣成像如圖2所示。
雙晶聚焦縱波檢測是一種特殊的脈沖反射超聲 技術(shù),具有穿透粗晶組織能力強(qiáng),信噪比高的特點(diǎn)。 該技術(shù)要求所使用的雙晶聚焦縱波斜探頭具有寬帶 寬,短脈沖的特性。雙晶聚焦縱波斜探頭主要依靠 縮 小目標(biāo)區(qū)來降低噪聲,因此有效檢測區(qū)域小是其缺點(diǎn)。
3 兩種技術(shù)的聲場分布對比
兩種技術(shù)在原理上有明顯的不同,所以其聲場 分布也有明顯的差異。雙晶聚焦探頭的聲束集中, 指向性好,擴(kuò)散范圍也小,在焊縫厚度方向上的覆蓋 范圍小;全聚焦相控陣探頭的聲束分布引入了“場覆 蓋”的概念,在待檢目標(biāo)區(qū)內(nèi)其聲束覆蓋范圍大,目 標(biāo)區(qū)內(nèi)充滿超聲波能量[2],與雙晶聚焦技術(shù)相比,單 次掃查能夠覆蓋的范圍更大。
以一個頻率為2.5 MHz,晶片數(shù)量為8×8的 面陣探頭為例進(jìn)行說明。在設(shè)定的目標(biāo)區(qū)范圍內(nèi), 當(dāng)幅值降低6dB時,中心聲束向外擴(kuò)散約20°,而一 個普通雙晶聚焦探頭的-6dB聲束擴(kuò)散角約為2~ 4°。雙晶探頭和全聚焦相控陣探頭的波幅變化如圖 3所示,有效聲束覆蓋范圍如圖4所示。
4 檢測結(jié)果對比分析
采用全聚焦相控陣技術(shù),選用頻率為2.5MHz, 單個陣元尺寸為3 mm,數(shù)量為8×8的 二維面陣 探頭對試塊進(jìn)行檢測。探 頭 中 心 距 為 25 mm,檢 測覆蓋焊縫中心至熔合線的人工缺陷。焊縫中心 缺陷的全聚焦相控陣檢測結(jié)果如圖5所示。焊縫 熔合線 處 缺 陷 的 全 聚 焦 相 控 陣 檢 測 結(jié) 果 如 圖 6 所示。
由圖5,6可以看出,檢測圖像信噪比較好,但近表面區(qū)域的檢測靈敏度不足。為了補(bǔ)償近表面的檢 測靈敏度,縮小探頭中心距,再增加一次掃查,當(dāng)中 心距為—10mm 時,近表面5mm 的缺陷能夠清晰 顯示在目標(biāo)區(qū)中(見圖7)。
由以上結(jié)果可以看出,采用全聚焦相控陣技術(shù) 對厚為80mm 的奧氏體焊縫試塊進(jìn)行檢測時,需要 以一定的中心距在焊縫單面雙側(cè)進(jìn)行掃查,同時減 小中心距再進(jìn)行補(bǔ)充掃查,補(bǔ)充近表面檢測,即可完 成對焊縫的全覆蓋檢測。
選用頻率為2 MHz的雙晶聚焦探頭對試塊進(jìn) 行檢測,檢測結(jié)果如圖8所示。由圖8可見,回波信 號信噪比較好。
使用雙晶聚焦探頭對焊縫進(jìn)行多次可記錄的沿 線掃查,由于雙晶聚焦探頭的聲束覆蓋范圍小,所以 工藝制作時需要根據(jù)反射體選擇不同的中心距,試 驗(yàn)選擇的幾組中心距如下所述,檢測結(jié)果如圖9~13所示。
(1)第一組:中心距為-8mm,覆蓋深度為0~ 20mm。
(2)第二組:中心距為10mm,覆蓋深度為20~ 40mm。
(3)第三組:中心距為30mm,覆蓋深度為40~ 60mm。
(4)第四組:中心距為49mm,覆蓋深度為60~ 80mm。
(5)第五組:中心距為65mm,覆蓋位置為底部 焊縫熔合線及熱影響區(qū)。
通過以上 結(jié) 果 可 以 看 出,雙 晶 聚 焦 縱 波 超 聲 檢測能夠發(fā) 現(xiàn) 人 工 對 比 試 塊 中 的 所 有 缺 陷,但 其 聲束覆蓋范 圍 小,若 要 同 時 達(dá) 到 厚 度 方 向 和 焊 縫 寬度方向的 檢 測 覆 蓋,只 能 通 過 增 加 掃 查 次 數(shù) 的 方法來實(shí)現(xiàn)。
兩種方法各有利弊,若結(jié)合全聚焦相控陣聲束 覆蓋范圍大,信噪比高的特點(diǎn),可以快速對焊縫進(jìn)行 檢測,提高檢測效率,同時若兼顧雙晶聚焦縱波超聲 指向性好,可對缺陷準(zhǔn)確定位定量的特點(diǎn),則能夠達(dá) 到更好的檢測效果。
5 結(jié)語
(1)全聚焦相控陣技術(shù)和雙晶聚焦縱波斜探頭 技術(shù)都能檢出奧氏體不銹鋼試塊上的橫孔,檢測靈 敏度和信噪比能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)全聚焦相控陣技術(shù)檢測覆蓋范圍大,缺陷 顯示直觀,而雙晶聚焦縱波斜探頭的有效檢測范圍 小,易導(dǎo)致缺陷漏檢,因此必須增加掃查次數(shù)。
(3)為保證檢測可靠性,需同時采用兩種技術(shù) 進(jìn)行檢測。
參考文獻(xiàn):
[1] 強(qiáng)天鵬,楊貴德,杜南開,等.全聚焦相控陣技術(shù)的場測 量研究[J].無損檢測,2020,42(2):1-6.
[2] 強(qiáng)天鵬,楊貴德,杜南開,等.全聚焦相控陣技術(shù)聲場特 性初探[J].無損檢測,2020,42(1):1-6.