材料各向異性對(duì)超聲檢測(cè)的影響_圖文

1、材料各向異性對(duì)超聲檢測(cè)的影響材料各向異性對(duì)超聲檢測(cè)的影響白小寶1 孫建罡2 江運(yùn)喜 11、 矩陣科技有限公司，北京 1001022、 上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240摘要：摘要：各向異性材料由于其特殊的物理性質(zhì)，使得超聲波在其內(nèi)部的傳播有三種體波：縱波、快橫波和慢橫波，而且在界面處會(huì)產(chǎn)生聲束的畸變和曲線傳播等復(fù)雜物理現(xiàn)象，嚴(yán)重影響檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。本文中將著重討論奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測(cè)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：各向異性 超聲檢測(cè) 不銹鋼焊縫 相控陣 THE INFLUENCE OF ANISOTROPIC PROPERTY ON ULTROSONIC DETECTION Bai Xia

2、obao 1, Sun Jiangang2,Jiang Yunxi1 1、 Matrix U/E Technologies Ltd，Beijing，1001022、 Shanghai Satellite Equipment Research Institute，Shanghai，200240AbstractAbstract： Due to the special physical properties of anisotropic materials, ultrasound propagates in the interior have three kinds of bulk waves: o

3、ne longitudinal wave and two shear waves, and difficult physical phenomenon would happen at the interface such as distortion and curve propagation. This paper will focus on the ultrasonic inspection of austenite stainless steel weld.KeywordsKeywords： Anisotropic, Ultrasound Inspection， Stainless Ste

4、el Weld ，Phased array一一前言前言 各向異性，也稱“非均勻性” ，是指晶體的不同方向上的彈性模量、硬度、斷裂抗力、屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射率等都是不同的。基于以上特性，用戶就可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)制備相應(yīng)的材料。 奧氏體不銹鋼是最為常見(jiàn)的一種各向異性材料，由于其優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性以及低溫韌性而被廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械加工、核電和航空航天等領(lǐng)域的重要部位1。為了預(yù)防潛在危險(xiǎn)，提高安全性，就需要對(duì)焊接部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。二二不銹鋼焊縫檢測(cè)不銹鋼焊縫檢測(cè)適用于奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部檢測(cè)的方法有射線和超聲兩種。其中，射線方法具有一定

5、的穿透能力，但是其對(duì)于裂紋等面積型缺陷并不敏感，而且設(shè)備復(fù)雜，需要專門的防護(hù)裝置，另外當(dāng)被檢材料厚度較大時(shí)也會(huì)因?yàn)樗p增大而是靈敏大大降低；相比之下，超聲方法則具有穿透力強(qiáng)，對(duì)人體無(wú)害，檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)。2 但是由于奧氏體不銹鋼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得超聲檢測(cè)也面臨很多難點(diǎn)。奧氏體不銹鋼焊縫中，晶粒組織粗大，對(duì)于超聲波有較強(qiáng)的散射衰減，導(dǎo)致靈敏度變化大，穿透能力減弱，無(wú)法確定缺陷的大小，而且粗大組織還會(huì)引起散射聲波的疊加及波形轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致假信號(hào)出現(xiàn)；另外，超聲波在各向異性材料中傳播有三種模態(tài)：快橫波、慢橫波和縱波，使得工件內(nèi)部的信號(hào)較為復(fù)雜，而且超聲波波前與傳播方向不一定正交，斯奈爾定律也不再適用，使得

6、聲束會(huì)在界面處產(chǎn)生畸變和曲線傳播，增大定位誤差。3 4 a.縱波聲場(chǎng) b.橫波聲場(chǎng)圖 1 各向異性焊縫中的聲場(chǎng)模擬 橫波受各向異性影響較大,散射大，衰減大，假信號(hào)多,而縱波則相對(duì)較好，故奧氏體不銹鋼焊縫通常用縱波斜探頭探傷，圖 1 是對(duì)同一角度的縱波和橫波進(jìn)入各向異性焊縫中的聲場(chǎng)模擬（只考慮了單一模態(tài)，未考慮波形轉(zhuǎn)換，綠色線是縱波，紅色線是橫波） ，從圖中可以看出，橫波進(jìn)入焊縫后，聲束散射較嚴(yán)重，指向性不明確，而相比之下，縱波的散射較小，有明顯的指向性。但縱波斜探頭又會(huì)同時(shí)產(chǎn)生橫波和波形轉(zhuǎn)換等問(wèn)題,因此,只要可行,探傷時(shí)應(yīng)盡量從兩面兩側(cè)用直射法(一次波法)進(jìn)行。焊接金屬外的熱影響區(qū)探傷,可用橫

7、波斜探頭,但此時(shí)可用直射法,也可用一次反射法(二次波法)進(jìn)行。5 雙晶縱波斜探頭與單晶縱波斜探頭相比，發(fā)射電脈沖不進(jìn)入接收電路，使得表面盲區(qū)減小，電噪聲信號(hào)減小，且雙晶探頭有一個(gè)聲能集中區(qū)，即焦點(diǎn)，該區(qū)域內(nèi)的聲能較強(qiáng)，信噪比較好，可以提高需探測(cè)區(qū)域的檢測(cè)靈敏度，所以在實(shí)際檢測(cè)中多使用雙晶縱波斜探頭來(lái)檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫。但是，雙晶探頭只在一個(gè)位置有聲場(chǎng)聚焦，在其它位置靈敏度并未改善，如果想要在整個(gè)深度范圍有均勻的靈敏度，則需要多次更換探頭，在實(shí)際檢測(cè)中并不可行。目前，多是采用深度補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)統(tǒng)一靈敏度，但這種方式并未改善非焦點(diǎn)區(qū)域的信噪比，所以整體的檢測(cè)靈敏度并未改善。三三相控陣超聲檢測(cè)相控陣

8、超聲檢測(cè)相控陣技術(shù)是將一塊常規(guī)晶片切割成許許多多的小晶片，然后通過(guò)對(duì)單個(gè)晶片施以不同的激發(fā)及接收延遲來(lái)使各晶片產(chǎn)生的小波發(fā)生干涉，從而在檢測(cè)工件中的理想位置實(shí)現(xiàn)聚焦或波束偏轉(zhuǎn)的技術(shù)。對(duì)于奧氏體不銹鋼焊縫來(lái)講，如果使用相控陣超聲檢測(cè)，則可以通過(guò)施加不同組的延遲在整個(gè)深度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聚焦，提升穿透能力，改善檢測(cè)靈敏度和信噪比；為了在整個(gè)體積內(nèi)有更好的聚焦效果，現(xiàn)多使用雙晶面陣相控陣超聲探頭（即 TRL 探頭） 。圖 2a 和 2b 是對(duì)同一不銹鋼焊縫對(duì)比試塊（在焊縫區(qū)域自上而下的添加了四個(gè)相同孔徑的橫孔缺陷）使用雙晶面陣相控陣探頭做常規(guī)扇形掃查檢測(cè)的聲束覆蓋和仿真結(jié)果圖，工件厚度 96mm 厚，

9、不銹鋼離心鑄造后焊接。圖 2c 和 2d 是對(duì)同一試塊使用同一探頭做多點(diǎn)聚焦掃查的焦點(diǎn)示意圖和仿真結(jié)果圖，仿真結(jié)果圖中上面是 B 掃圖，下面是動(dòng)態(tài)回波曲線圖，反應(yīng)的是各信號(hào)的檢測(cè)幅值，紅框中的四個(gè)信號(hào)依次對(duì)應(yīng)的是自上而下的四個(gè)橫孔缺陷，圖 2e 是將兩次掃查的動(dòng)態(tài)回波曲線圖拖入同一視圖中進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果，圖中黑色線是多點(diǎn)聚焦掃查的結(jié)果， 紅色線是扇形掃查檢測(cè)的結(jié)果；從仿真結(jié)果可以看出，使用多點(diǎn)聚焦掃查不僅使得檢測(cè)的角度分辨率改善，而且檢測(cè)幅值也明顯提高。 a.扇形掃查聲束覆蓋示意圖 b.扇形掃查仿真結(jié)果 c.多點(diǎn)聚焦掃查聚焦示意圖 d.多點(diǎn)聚焦掃查仿真結(jié)果e.扇形掃查和多點(diǎn)聚焦掃查動(dòng)態(tài)回波曲線對(duì)

10、比圖 2 不銹鋼焊縫扇形掃查和多點(diǎn)聚焦掃查仿真對(duì)比四四實(shí)際驗(yàn)證實(shí)際驗(yàn)證從仿真結(jié)果來(lái)看，雙晶相控陣探頭檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫時(shí)采用多點(diǎn)聚焦方式可以得到更好的角度分辨率和更好的信噪比，但是是否能夠滿足檢測(cè)要求還需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中使用的是法國(guó) M2M 公司的 Multi2000 256*256 相控陣設(shè)備，探頭頻率 1MHz，晶片數(shù) 2*12*5，待檢件是一核電環(huán)焊縫試件，檢測(cè)設(shè)備及工件如圖 3 所示。 圖 3 檢測(cè)設(shè)備及被檢工件照片檢測(cè)時(shí)采用多點(diǎn)聚焦方式，首先在對(duì)比試塊上進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,然后檢測(cè)待檢件。檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了兩處缺陷，見(jiàn)圖 4，圖中右邊是扇掃圖，左邊是扇掃圖中綠色角度指針上的A 掃圖。

11、a. 53mm 深度處自然缺陷b. 56mm 深度處自然缺陷圖 4 53mm 處自然缺陷（左）和 56mm 處自然缺陷（右）的檢測(cè)結(jié)果 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)自然缺陷可以很清晰的分辨出來(lái)，信噪比較高，深度也可以測(cè)量出來(lái)，說(shuō)明使用多點(diǎn)聚焦方式可以滿足檢測(cè)要求?？紤]到聲束在界面處可能會(huì)產(chǎn)生畸變和曲線傳播，所以缺陷的測(cè)量深度和真實(shí)深度之間可能會(huì)有一定的誤差存在。五五總結(jié)總結(jié)奧氏體不銹鋼焊縫因?yàn)榫Я４执?，各向異性的特點(diǎn)，使得超聲檢測(cè)面臨很多難題。從上面的仿真和實(shí)驗(yàn)可以看出，使用雙晶面陣相控陣探頭可以有效提升穿透能力、信噪比和檢測(cè)靈敏度，能夠適用于實(shí)際檢測(cè)，但是考慮到聲束可能存在的畸變和曲線傳播，所以測(cè)量深度和實(shí)際深度之間可能會(huì)存在一定的差異。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 趙新玉，鋼鐵，徐春廣. 各向異性對(duì)焊結(jié)構(gòu)中的超聲傳播模擬與缺陷回波預(yù)測(cè)【J】 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2003 年 2 月2 沙正驍. 奧氏體不銹鋼焊縫中超聲傳播路徑的模擬【D】 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2010：11-1