奥氏体焊缝和母材超声传播特性的研究

奥氏体焊缝和母材超声传播特性的研究

厚壁焊接结构广泛应用于原油、采矿、冶金、原子能工业等领域。在焊接过程中因焊接条件或焊接操作失当,焊缝中常产生不同程度的气孔、夹渣、未熔合与未焊透以及裂纹等缺陷,对焊接结构的安全服役构成了威胁。超声检测是广泛用于材料无损检测的常用方法,也是对厚壁焊缝无损检测的主要方法之一。厚壁焊缝的焊接线能量一般较大,导致焊缝的晶粒明显长大,且在冷却过程中一般形成粗大的柱状晶组织,具有各向异性,常温组织为奥氏体的厚壁焊缝尤其明显。焊缝的微观组织对超声产生强烈散射,导致严重的信号衰减和散射噪声,缺陷信号较难识别;超声在各向异性材料中传播,一定条件下会发生波形转换,传播方向也可能发生变化。因此,厚壁焊缝尤其是奥氏体组织的厚壁焊缝,其超声检测比普通金属材料难度大。国内外的研究者对奥氏体焊缝的无损检测开展了广泛的研究,解决方法主要从两个方面入手。一是研制高灵敏度的低频窄脉冲超声探头,减少材料的散射;二是采用信号处理技术,将缺陷信息从含有材料噪声的信号中分离出来。这两类方法都是以选择正确的检测条件为基础的,因此本文以奥氏体不锈钢焊缝为例,研究超声在厚壁焊缝中的传播特性,在此基础上总结厚壁焊缝的超声检测条件。1试验条件1.1试验接头的选择由于焊缝存在余高,焊缝表面凹凸不平,危险性缺陷一般垂直于检测表面,焊缝的超声检测一般用斜探头。同种材料中,相同频率的超声纵波波长大于横波波长,纵波衰减小于横波。因此,对厚壁焊缝的超声检测选用纵波斜探头。文中提到,采用窄脉冲纵波斜探头检测奥氏体不锈钢焊缝的结果明显优于普通横波斜探头。本文选择纵波斜探头进行研究。实验中用到的探头都是自制,制作工艺一致,探头的灵敏度,脉冲长度等特性相近,尽量减小探头差异对实验结果的影响。为使检测波倾斜入射,用有机玻璃材料制作了纵波K值为1和1.5两种楔块,用于组成纵波斜探头。1.2器的接口与分析采用GE检测科技的数字化超声探伤仪USIP40。本仪器通过以太网接口与计算机相连,操作与分析在计算机上进行。配置有5个超声通道,可以满足多个探头同时检测的需要。检测中进行实时数字化A扫描,并可提供模拟信号输出。1.3粗晶补偿v型坡口焊缝试块如图1所示,母材为316L不锈钢,焊缝采用V型坡口,焊缝组织为粗晶奥氏体组织。为减小应力集中的影响,为便于检测,已将焊缝的上表面磨平,这也符合核电站主管道不锈钢焊缝的实际情况。1.4am/ann-md的测量衰减系数的测量值与超声探伤仪的脉冲频谱和探头的频谱有关,用式(1)计算衰减系数:α=20lg(Am/An)2(n−m)d=10lg(Am/An)(n−m)d.(1)α=20lg(Am/An)2(n-m)d=10lg(Am/An)(n-m)d.(1)其中Am、An是第m次和第n次底波幅度值,d为试块厚度。为作比较,本文测量取m=1,n=2。母材声速的测量方法是,测量母材中前4次底面回波的时间坐标ti(i=1,2,3,4),相邻两次回波的时间差为Δt=13(t4−t1)Δt=13(t4-t1),则声速为cl=2dΔt.(2)cl=2dΔt.(2)焊缝中超声衰减严重,因此只测量前两次回波的时间差Δt,独立地测量3次得到Δti(i=1,2,3),Δt=13∑i=13ΔtiΔt=13∑i=13Δti,由式(2)计算焊缝中的声速。2表面元素在母材和焊缝中的衰减系数测量探头频率极大地影响超声对缺陷的探测能力。厚壁焊缝对超声的散射衰减大,超声频率越高,散射越严重。为了选择合适的探头频率,依照1.4节所述的方法测量不同频率探头发射的超声在母材和焊缝中的衰减系数,如图2所示。测量得到的衰减系数为视在衰减,包括散射、吸收和扩散衰减。对于焊缝材料,利用2MHz及以下频率的探头检测时,可以分辨出2次底波;2.5～5MHz的探头检测,仅能接收到一次底波;10MHz的探头检测接收不到底波。因此图2中只测量了1MHz和2MHz探头在焊缝中的衰减系数,检测中选用的探头频率一般在2MHz以下。焊缝处的衰减系数远大于母材,相同频率的探头焊缝处的衰减系数是母材的数倍。随着探头频率的增大,衰减系数增大。3检测波的种类和检测方法K值定义为主声束在被检工件中折射角的正切值,即以主声束入射点为基准,缺陷水平距离和垂直距离之比。K=tanβ.(3)Κ=tanβ.(3)β是纵波的折射角。为减小声程,厚壁焊缝的检测应尽量用1次波。对于埋深为d的缺陷,声程s=dcosβ.(4)s=dcosβ.(4)对于某个固定埋深的缺陷,K值小的斜探头声程短。纵波斜探头是利用直探头发出的纵波在有机玻璃楔块中折射,利用折射纵波进行检测。当入射角α<αI(αI是第一临界角)时,被检材料中既有折射纵波,也有折射横波,且随着入射角增加,折射纵波减弱。USIP40探伤仪上设置相同的激励电压和增益,利用1MHz的探头和楔块分别组合成K=1和K=1.5的纵波斜探头,用于检测焊缝中的中间横孔,检测结果如图3所示。从图3中可见,K=1斜探头的缺陷回波幅值大于K=1.5斜探头,且前者的缺陷回波声程较短。4接头回波的频率实验表明,探头发出的超声在试块中传播时,回波的中心频率会随着传播距离的增加而发生改变。分别用标称1MHz和2MHz的探头测量了母材和焊缝中各次回波频率,如图4所示。为了获得探头的真实频率,将探头放在IIW标准试块上,分析一次回波的频谱。标称1MHz和2MHz探头的1次回波中心频率分别为1.2MHz和2.1MHz。从图4可以看出,在母材中各次回波的中心频率逐渐下降,1MHz探头的7次回波中心频率高于1MHz,2MHz探头的7次回波中心频率高于1.6MHz。焊缝中的回波频率也随声程的增加而下降,但比母材中下降显著得多。1MHz和2MHz探头的二次回波频率均为1.02MHz。5焊缝方向对超声传播的影响按照1.4节所述的声速测量方法,分别用1MHz和2MHz探头测量母材和焊缝中的声速,测量结果如图5所示。测量包括垂直于焊缝表面方向(图1中的A方向)和平行于焊缝焊接的方向,在图5中分别标为A向和B向。从图5可以看出,母材的声速在两个方向上相同,与探头的频率无关,测量值的微小差别是测量误差。但焊缝材料两个方向上的声速明显不同,并且声速和探头的频率有关,1MHz探头的声速大于2MHz探头。超声在焊缝中传播发生频散,脉冲波形畸变,导致测量的声波相速度是频率的函数。超声在焊缝中传播发生频散的原因是焊缝属非均匀的各向异性介质。文中论述了各向异性介质中弹性波的传播问题,给出了非均匀弹性介质中波传播的控制方程,该方程中出现位移场分量的一次和二次导数,且弹性常数Cijkl是位置的函数,由控制方程决定的波的传播速度是频率的函数。测量垂直于焊缝表面方向和平行于焊缝方向的衰减系数并做对比,如图6所示。图6表明,对于1MHz和2MHz两种频率的探头,垂直于焊缝表面方向的衰减系数都大于平行于焊缝方向。结合图5所示的实验结果,平行于焊缝方向的声速大于垂直于焊缝表面方向。因此,平行于焊缝方向有利于超声的传播。母材和焊缝中声速和衰减系数测量结果表明,相比于母材,焊缝中声衰减严重,声速低,介质呈明显的各向异性。平行于焊缝方向比垂直于焊缝表面方向超声衰减小,声速大。6超声检测条件的选择上述实验结果为厚壁焊缝超声检测条件的选择提供了实验依据。为获得较好的检测效果,超声检测条件可以选择如下。1不同接头的衰减采用纵波斜探头进行检测,探头频率选择1～2MHz。1MHz的探头衰减更小,更容易满足带宽要求。如果需要检测细小的缺陷,必须提高探头的频率,这时才考虑用2MHz窄脉冲的宽带探头,如果有条件可以使用聚焦探头。2小入射角的影响斜探头折射角应该保证声束能扫查到整个焊缝截面,在此前提下,小的入射角有利于获得较强的折射纵波,也有利于减小检测声程。因此,应选择尽量小的K值。3覆盖2.0z为了能接收到回波,要求探头的频带范围必须覆盖1.02MHz。考虑到回波频谱也有一定的宽度,为有效地检测缺陷,探头的3dB带宽最好能覆盖0.8MHz。7接头频率和回波频率为了优化厚壁焊缝的超声检测条件,本文研究了超声在厚壁焊缝中传播的特性,得到了以下结论。1)超声在焊缝中传播过程中散射衰减严重,回波信噪比低,往往出现草状回波。为减小衰减,并获得合适的入射角度,应选用纵波斜探头,探头频率不大于2MHz;为检出细小的缺陷,探头频率不小于1MHz。2)斜探头K值选择应该考虑扫查范围和危险缺陷的空间方位,在此前提下选择较小的K值,以获得较强的折射纵波和较小的检测声程。3)超声在焊缝中的回波