摘 要:结合工程应用数据,对全聚焦相控阵超声和双晶聚焦纵波斜探头超声两种技术的粗 晶焊缝质量检测结果进行了对比分析,得到两种技术的信噪比数据、缺陷检出能力数据以及扫查覆 盖能力的评价结果,指出了全聚焦相控阵检测技术具有覆盖范围大的特性,可减少扫查次数,提高 检测速度,降低缺陷漏检的概率。
关键词:全聚焦相控阵;双晶聚焦;奥氏体;焊缝检测
中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2022)07-0029-04
奥氏体粗晶焊缝的超声检测是超声技术领域的 难点。奥氏体焊缝晶粒粗大导致超声能量的衰减和 散射非常严重,且其具有的声能各向异性会使得超 声传播路径发生扭曲,故常规超声技术无法对其进 行检测。实际常采用低频宽带宽双晶聚焦纵波斜探 头技术对奥氏体不锈钢焊缝进行检测。
全聚焦相控阵检测技术是在相控阵技术的基础 上进一步改进和发展起来的超声检测新技术。与常 规相控阵技术相比,全聚焦相控阵技术具有信噪比 高,带宽宽,声束覆盖范围大,成像质量好等优点,有 望在大厚度奥氏体不锈钢焊缝的检测中得到更广泛 的应用。
为保证某重要压力容器的超声检测可靠性,笔 者设计了一次试验。该容器采用奥氏体不锈钢制 作,厚度为80 mm,试验方案是采用全聚焦相控阵 超声3D实时成像技术和双晶聚焦纵波斜探头超声 技术分别实施检测,以比较两种超声检测技术的特 性,验证大厚度奥氏体不锈钢焊缝检测工艺的可靠 性和合理性。
1 试块制作
设计的试块结构如图1所示,试块材料为S32168, 厚度为80mm,试块上焊缝的坡口型式、焊接工艺、焊 缝外形与实际工件上的相同。焊缝焊接完成后去除表 面余高,机加工至平滑,焊缝宽度约为50mm。
在试块的不同深度上加工多个长横孔,规格为 2mm×40mm(直径×长度),其中4个分布在熔合 线上,4个分布在焊缝中间,深度分别为10,30,50, 70mm。
2 检测原理
全聚焦相控阵技术实际上包括全矩阵数据采集 (FMC)和全聚焦数据处理(TFM)两个过程[1]。
FMC采集的数据需要通过 TFM 处理后再以 图像的形式显示出来。TFM 过程如下:首先确定一 个合理的检测数据重建区域(目标区),然后将目标 区进行空间离散化成为一个网格,再基于相控阵探 头的晶片位置计算网格区域中每一点的聚焦法则。 试块的全聚焦相控阵成像如图2所示。
双晶聚焦纵波检测是一种特殊的脉冲反射超声 技术,具有穿透粗晶组织能力强,信噪比高的特点。 该技术要求所使用的双晶聚焦纵波斜探头具有宽带 宽,短脉冲的特性。双晶聚焦纵波斜探头主要依靠 缩 小目标区来降低噪声,因此有效检测区域小是其缺点。
3 两种技术的声场分布对比
两种技术在原理上有明显的不同,所以其声场 分布也有明显的差异。双晶聚焦探头的声束集中, 指向性好,扩散范围也小,在焊缝厚度方向上的覆盖 范围小;全聚焦相控阵探头的声束分布引入了“场覆 盖”的概念,在待检目标区内其声束覆盖范围大,目 标区内充满超声波能量[2],与双晶聚焦技术相比,单 次扫查能够覆盖的范围更大。
以一个频率为2.5 MHz,晶片数量为8×8的 面阵探头为例进行说明。在设定的目标区范围内, 当幅值降低6dB时,中心声束向外扩散约20°,而一 个普通双晶聚焦探头的-6dB声束扩散角约为2~ 4°。双晶探头和全聚焦相控阵探头的波幅变化如图 3所示,有效声束覆盖范围如图4所示。
4 检测结果对比分析
采用全聚焦相控阵技术,选用频率为2.5MHz, 单个阵元尺寸为3 mm,数量为8×8的 二维面阵 探头对试块进行检测。探 头 中 心 距 为 25 mm,检 测覆盖焊缝中心至熔合线的人工缺陷。焊缝中心 缺陷的全聚焦相控阵检测结果如图5所示。焊缝 熔合线 处 缺 陷 的 全 聚 焦 相 控 阵 检 测 结 果 如 图 6 所示。
由图5,6可以看出,检测图像信噪比较好,但近表面区域的检测灵敏度不足。为了补偿近表面的检 测灵敏度,缩小探头中心距,再增加一次扫查,当中 心距为—10mm 时,近表面5mm 的缺陷能够清晰 显示在目标区中(见图7)。
由以上结果可以看出,采用全聚焦相控阵技术 对厚为80mm 的奥氏体焊缝试块进行检测时,需要 以一定的中心距在焊缝单面双侧进行扫查,同时减 小中心距再进行补充扫查,补充近表面检测,即可完 成对焊缝的全覆盖检测。
选用频率为2 MHz的双晶聚焦探头对试块进 行检测,检测结果如图8所示。由图8可见,回波信 号信噪比较好。
使用双晶聚焦探头对焊缝进行多次可记录的沿 线扫查,由于双晶聚焦探头的声束覆盖范围小,所以 工艺制作时需要根据反射体选择不同的中心距,试 验选择的几组中心距如下所述,检测结果如图9~13所示。
(1)第一组:中心距为-8mm,覆盖深度为0~ 20mm。
(2)第二组:中心距为10mm,覆盖深度为20~ 40mm。
(3)第三组:中心距为30mm,覆盖深度为40~ 60mm。
(4)第四组:中心距为49mm,覆盖深度为60~ 80mm。
(5)第五组:中心距为65mm,覆盖位置为底部 焊缝熔合线及热影响区。
通过以上 结 果 可 以 看 出,双 晶 聚 焦 纵 波 超 声 检测能够发 现 人 工 对 比 试 块 中 的 所 有 缺 陷,但 其 声束覆盖范 围 小,若 要 同 时 达 到 厚 度 方 向 和 焊 缝 宽度方向的 检 测 覆 盖,只 能 通 过 增 加 扫 查 次 数 的 方法来实现。
两种方法各有利弊,若结合全聚焦相控阵声束 覆盖范围大,信噪比高的特点,可以快速对焊缝进行 检测,提高检测效率,同时若兼顾双晶聚焦纵波超声 指向性好,可对缺陷准确定位定量的特点,则能够达 到更好的检测效果。
5 结语
(1)全聚焦相控阵技术和双晶聚焦纵波斜探头 技术都能检出奥氏体不锈钢试块上的横孔,检测灵 敏度和信噪比能达到相关标准要求。
(2)全聚焦相控阵技术检测覆盖范围大,缺陷 显示直观,而双晶聚焦纵波斜探头的有效检测范围 小,易导致缺陷漏检,因此必须增加扫查次数。
(3)为保证检测可靠性,需同时采用两种技术 进行检测。
参考文献:
[1] 强天鹏,杨贵德,杜南开,等.全聚焦相控阵技术的场测 量研究[J].无损检测,2020,42(2):1-6.
[2] 强天鹏,杨贵德,杜南开,等.全聚焦相控阵技术声场特 性初探[J].无损检测,2020,42(1):1-6.