大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測(cè)用縱波斜射雙晶探頭

只看該作者 · 2012-2-18 10:10:01

大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測(cè)用縱波斜射雙晶探頭研制

鄭　中　興

摘　要　介紹了垂直深度達(dá)120 mm的J型奧氏體鋼焊縫超聲檢測(cè)用縱波斜射雙晶探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)和應(yīng)用實(shí)例.
關(guān)鍵詞　奧氏體鋼焊縫　超聲檢測(cè)　縱波斜射　T-R探頭
分類號(hào)　TG115.285　TB552

Development and Application of Longitudinal Waves
Angle Beam T-R Probes for the Ultrasonic Inspection
of Austenitic Steel Welds in Big Thickness

Zheng Zhongxing
(College of Sciences, Northern Jiaotong University, Beijing 100044)

Abstract　This paper introduced the ultrasonic inspection of vert ical depth within the limits of 120mm J-type in austenitic steel weld, and made use of longitudinal waves angle beam T-R probes for parameter design and appli cable example.
Key words　austenitic steel weld ultrasonic inspection longitud inal waves angle beam T-R probe

　　奧氏體鋼焊接工藝由于具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用.但由于焊縫材料屬于粗晶材料，尤其是對(duì)大厚度奧氏體鋼焊縫內(nèi)在質(zhì)量的超聲檢測(cè)，在國(guó)內(nèi)外一直是個(gè)難題.其主要原因是焊接材料在金屬凝固期間生成了纖維狀或樹(shù)枝狀的晶體，其晶粒的大小依賴于結(jié)晶的速度、雜質(zhì)的分散狀態(tài)和溫度梯度的變化.這種類型的結(jié)晶造成在特殊的方位上晶體的生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì).其中的樹(shù)枝狀結(jié)晶往往和焊縫的側(cè)面相垂直，其直徑在0.1～0.5 mm，長(zhǎng)度可達(dá)10 mm.這種粗晶結(jié)構(gòu)對(duì)超聲傳播衰減很大，林狀回波的出現(xiàn)降低了信噪比，樹(shù)枝狀晶體的存在甚至使得超聲傳播的路徑發(fā)生變化.因此，對(duì)這類焊縫中的缺陷定位和定量有相當(dāng)大的困難.
　　晶粒對(duì)超聲散射的程度依賴于超聲波長(zhǎng)和晶粒尺寸的比值，而且和晶界的形狀，晶界面上炭化物的析出狀態(tài)等因素有關(guān).具體說(shuō)在超聲波的聲束確定的前提下，散射的強(qiáng)弱和超聲聲束與晶粒軸線之間的夾角有關(guān).在焊縫的坡口融合面上，對(duì)承受超聲作用的纖維狀組織中的晶軸方位角來(lái)講，大量的晶軸構(gòu)成了纖維狀組織的軸線方向，它們和傳播的超聲波的方向應(yīng)大致一致.用斜射聲束對(duì)奧氏體鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，盡管聲束的指向性和纖維狀組織的軸線方向并不總是理想的，但它進(jìn)入焊縫中的聲束指向角選擇在45°～70°之間比較合適.選用縱波斜射比選用橫波斜射衰減要小.當(dāng)然，如果母材是非奧氏體鋼，它對(duì)聲波的衰減，無(wú)論縱波和橫波，都要比奧氏體鋼焊縫小得多.
　　解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是需要采用一種特殊的方法使強(qiáng)干擾噪聲即奧氏體鋼晶界上的散射盡量地減少.常用的方法是采用雙晶探頭、聚束探頭、大直徑探頭和寬頻帶窄脈沖探頭，而且要采用1 MHz左右的低頻.其中重要的是縱波斜射的雙晶探頭，這種探頭的靈敏度范圍是指兩個(gè)指向聲束交叉的區(qū)域.根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)報(bào)道［1～4］，這種探頭的最大垂直探測(cè)深度為60～80 mm，我們研制的用于三峽水電站的J 型奧氏體鋼焊縫檢測(cè)的垂直探測(cè)深度在120～140 mm的大直徑、低頻雙晶縱波斜射探頭尚未見(jiàn)報(bào)道.
　　特別需要提出的是，有關(guān)縱波斜射雙晶探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法，各研制單位很不統(tǒng)一，國(guó)家也缺乏這方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這在一定程度上影響了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展.

1　縱波斜射雙晶探頭設(shè)計(jì)的基本原理和參數(shù)計(jì)算
　　我們?cè)O(shè)計(jì)的縱波斜射雙晶探頭因采用了一發(fā)一收的T-R方式，增長(zhǎng)了傳播路徑，消除了近場(chǎng)范圍的噪聲，采用1 MHz的低頻大晶片(38 mm×17 mm)縱波斜射，探測(cè)深度范圍增大至120～140 mm，衰減明顯減小.探測(cè)垂直深度為140 mm、直徑為3 mm橫孔，有足夠靈敏度.
　　有關(guān)探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的模式，算法也很不相同.對(duì)聲場(chǎng)的聲壓從物理學(xué)角度，我們采用了克希荷夫（Kirchhoff）的衍射原理，通過(guò)富朗霍夫（Fraun-hofer）近似計(jì)算，并在具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)指向性聲瓣的表達(dá)式sin y/y和bl(δ) 進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚o出了雙晶探頭在遠(yuǎn)場(chǎng)中的聲壓分布.這里需要說(shuō)明的是：首先，原方程式在求解βk、βst、β′、δ中，出現(xiàn)了k/t這個(gè)參數(shù)，但對(duì)它重要的物理意義未于說(shuō)明，我們進(jìn)行了解釋；其次，原作者提出方程式對(duì)任意情況是不可解的，所以需要采用替代法確定晶片的尺寸a和b.這樣做相當(dāng)麻煩，由于未知數(shù)較多，從而產(chǎn)生了在設(shè)計(jì)中究竟應(yīng)當(dāng)先求哪個(gè)未知數(shù)的問(wèn)題.我們?cè)谇蠼鈺r(shí)，首先由已設(shè)探測(cè)深度Df求出相對(duì)于水平面的左右傾角δ（此時(shí)，入射點(diǎn)到隔聲層的垂直距離為預(yù)設(shè)值），再由已知h求晶片中心到入射點(diǎn)的聲程s（此時(shí)，由晶片中心到探頭接觸面的垂直距離h可由已設(shè)的探頭楔塊后邊角的高度E1求出.先求出這兩個(gè)參數(shù)，其它探頭楔塊設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)通過(guò)10個(gè)幾何參數(shù)公式，就相對(duì)比較好求.
　　計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓時(shí)，采用的富朗霍夫近似計(jì)算公式［2］如下
　　　　
　　如圖1和圖2所示，這里β′為晶片的前向傾角；δ為晶片相對(duì)于水平面的左右橫向傾角；βk為晶片在楔塊中的實(shí)際入射角;a為某一側(cè)晶片的長(zhǎng)度; b為某一側(cè)晶片的寬度;cl,st為鋼中縱波聲速;cl,k和ct，k分別為楔塊中的縱波和橫波聲速;ρk 和ρst分別為有機(jī)玻璃楔塊和鋼中的密度;f為探頭的探測(cè)頻率;bl(β)和b l(δ)分別為與前向傾角和左右傾角的指向聲束有關(guān)的表達(dá)式.bl(δ)的具體公式可以用和bl(β)相類似的表達(dá)式導(dǎo)出.

圖1　探頭楔塊幾何形狀和折射聲波路徑圖

圖2　T-R探頭的楔塊和晶片外形結(jié)構(gòu)圖

　　公式中有關(guān)角度β′、δ、βk的計(jì)算,有機(jī)玻璃楔塊中有關(guān)幾何尺寸H、h、E1 、E2、B、L的計(jì)算，可參看圖1和圖2由下列公式求出

式(5)中的k/t其數(shù)學(xué)表達(dá)式可分解為，.其物理意義是：k為與有機(jī)玻璃楔塊中的橫向傾角及楔塊的聲速有關(guān)的物理量；而t為與被檢鋼材中的折射角和鋼中聲速有關(guān)的物理量.它們都與交叉聲束所形成的聲場(chǎng)分布特征有關(guān)，而且交叉聲束的范圍隨k/t的增大而增大.因此，k/t可稱為雙晶探頭的聚焦聲束特性變化因子.
　　在實(shí)際探頭設(shè)計(jì)中，有關(guān)參數(shù)計(jì)算的先后順序如下：①根據(jù)預(yù)設(shè)的探測(cè)垂直深度（如120 mm）和折射角（如βst=45°）算出有機(jī)玻楔塊中的入射角βk .②算出聲波在鋼中經(jīng)過(guò)縱波斜射后到達(dá)120　mm深為3 mm橫孔的實(shí)際聲程，根據(jù)預(yù)先設(shè) 定的入射點(diǎn)到隔聲層中心的垂直距離AA′算出鋼中的橫向傾角δst，從而反推出此時(shí)有機(jī) 玻璃楔塊中的橫向傾角δ，此時(shí)算出的δ在實(shí)際應(yīng)用中往往偏大，需要根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 加以修正，這一點(diǎn)是探頭設(shè)計(jì)效果是否理想的關(guān)鍵原因之一.③由βk、βst 和δ值按式（4）確定雙晶探頭聚焦聲場(chǎng)的特性變化因子k/t，并由此按式（3）確定有機(jī)玻璃楔塊中的前向傾角β′.④ 確定探頭中心到探頭與工件接觸面的垂直距離h.具體方法是按式（10）預(yù)先設(shè)定E1為2　mm，已知b 、δ、βk，即可算出h.⑤由式（7）確定楔塊高度H，并根據(jù)對(duì)探頭前沿的長(zhǎng)度要求對(duì)高度H加以修正.⑥確定楔塊的長(zhǎng)度L.式（8）中的δ″是入射點(diǎn)和探頭中分線下部棱角的連線與前下棱邊之間的夾角，它在AA′已經(jīng)確定的前提下實(shí)際上也已經(jīng)確定，但是根據(jù)被探工件的實(shí)際要求，探頭的前沿長(zhǎng)短不同，所以具體選用L時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況加以修正.⑦根據(jù)式（11）確定E2，計(jì)算中δ要根據(jù)實(shí)際情況加以修正.需要說(shuō)明的是δ′這個(gè)值實(shí)際和δ值（橫向傾角）相差甚微，在計(jì)算時(shí)可以用δ代替.

2　縱波斜射雙晶探頭的計(jì)算結(jié)果和對(duì)實(shí)際研制探頭的試驗(yàn)結(jié)果
表1給出了縱波斜射雙晶探頭不同條件下所得聲壓的計(jì)算結(jié)果，已設(shè)定參數(shù)E1＝2 m m,AA′=11.7 mm.
　　由表1可知，在垂直探測(cè)深度為120 mm時(shí)，相對(duì)聲壓較強(qiáng)的是45°折射角 38 mm×17 mm的晶片和60°折射角40 mm×20 mm的晶片.在實(shí)際研制時(shí)，基本上選用了1 MHz 38 mm ×17 mmd的晶片和45°的折射角.圖3即為我們研制的縱波斜射雙晶探頭的實(shí)物照片.

表1　縱波斜射雙晶探頭參數(shù)計(jì)算

晶片尺寸 /mm 2	探測(cè)垂直深度Df /mm	折射角 βst		bl(β)	bl(δ)			Pl(β，δ
40×20	120	45°	846.596 8	1.7589 6	1.866 556 6	0.08 3 897	0.017 45	4.069 26
40×20	120	50°	855.546 1	1.729 48	1.866 736 4	0.000 408 5	0.017 45	0.019 69
40×20	120	60°	873.167 3	1.698 28	1.867 081 7	0.091 248	0.017 45	4.408 48
38×17	120	45°	683.626 9	1.758 96	1.866 556 6	0.115 49 2	0.017 45	4.520 79
38×17	120	50°	690.853 5	1.729 48	1.866 736 4	0.050 32	0.017 45	1.958 49
38×17	120	60°	705.082 6	1.6982 8	1.867 081 7	0.075 60	0.017 45	2.949 37

圖3　縱波斜射雙晶探頭實(shí)驗(yàn)照片

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：
　　（1）配合德國(guó)USIP-12型大功率超聲波探傷儀，檢查晶粒度為-2級(jí)的粗晶護(hù)環(huán)鋼，能清晰地發(fā)現(xiàn)垂直深度70 mm處的刻槽反射，信噪比大于10 dB，靈敏度余量30 dB.
　　（2）用我們研制的BL-1型UT-ET超聲—渦流NDE一體化成像系統(tǒng)的A型顯示部分配合該探頭檢查晶粒度為＋2級(jí)的三峽水電站上的J型奧氏體鋼焊縫，能清晰發(fā)現(xiàn)垂直深度為140 mm、直徑為3 mm橫通孔，信噪比大于10 dB，靈敏度余量35 dB，較順利的完成了這項(xiàng)研制的任務(wù).

七月供稿