大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測用縱波斜射雙晶探頭研制 鄭 中 興 摘 要 介紹了垂直深度達120 mm的J型奧氏體鋼焊縫超聲 檢測用縱波斜射雙晶探頭的設計參數和應用實例. 關鍵詞 奧氏體鋼焊縫 超聲檢測 縱波斜射 T-R探頭 分類號 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械強度、韌性和耐腐蝕性等特點而被廣泛應用.但由于焊縫材料屬于粗晶材料，尤其是對大厚度奧氏體鋼焊縫內在質量的超聲檢測，在國內外一直是個難題.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枝狀的晶體，其晶粒的大小依賴于結晶的速度、雜質的分散狀態和溫度梯度的變化.這種類型的結晶造成在特殊的方位上晶體的生長占優勢.其中的樹枝狀結晶往往和焊縫的側面相垂直，其直徑在0.1～0.5 mm，長度可達10 mm.這種粗晶結構對超聲傳播衰減很大，林狀回波的出現降低了信噪比，樹枝狀晶體的存在甚至使得超聲傳播的路徑發生變化.因此，對這類焊縫中的缺陷定位和定量有相當大的困難. 1 縱波斜射雙晶探頭設計的基本原理和參數計算晶粒對超聲散射的程度依賴于超聲波長和晶粒尺寸的比值，而且和晶界的形狀，晶界面上炭化物的析出狀態等因素有關.具體說在超聲波的聲束確定的前提下，散射的強弱和超聲聲束與晶粒軸線之間的夾角有關.在焊縫的坡口融合面上，對承受超聲作用的纖維狀組織中的晶軸方位角來講，大量的晶軸構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大致一致.用斜射聲束對奧氏體鋼焊縫進行檢測時，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.當然，如果母材是非奧氏體鋼，它對聲波的衰減，無論縱波和橫波，都要比奧氏體鋼焊縫小得多. 解決上述問題的關鍵是需要采用一種特殊的方法使強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指向聲束交叉的區域.根據國內外的有關報道［1～4］，這種探頭 的最大垂直探測深度為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的垂直探測深度在120～140 mm的大直徑、低頻雙晶縱波斜射探頭尚未見報道. 特別需要提出的是，有關縱波斜射雙晶探頭的設計參數和計算方法，各研制單位很不統一，國家也缺乏這方面的標準規范，這在一定程度上影響了這項技術的發展. 我們設計的縱波斜射雙晶探頭因采用了一發一收的T-R方式，增長了傳播路徑，消除了近場范圍的噪聲，采用1 MHz的低頻大晶片(38 mm×17 mm)縱波斜射，探測深度范 圍增大至120～140 mm，衰減明顯減小.探測垂直深度為140 mm、直徑為3 mm橫孔，有足夠靈敏 度. 有關探頭的設計參數計算國內沒有統一的模式，算法也很不相同.對聲場的聲壓從物理學角度，我們采用了克希荷夫（Kirchhoff）的衍射原理，通過富朗霍夫（Fraun-hofer）近似計算，并在具體設計時，對指向性聲瓣的表達式sin y/y和bl(δ) 進行適當的修正，給出了雙晶探頭在遠場中的聲壓分布.這里需要說明的是：首先，原方程式在求解βk、βst、β′、δ中，出現了k/t這個參數，但對它重要的物理意 義未于說明，我們進行了解釋；其次，原作者提出方程式對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.這樣做相當麻煩，由于未知數較多，從而產生了在設計中究竟應當先求哪個未知數的問題.我們在求解時，首先由已設探測深度Df求出相對于水平面的左右傾角δ（此時，入射點到隔聲層的垂直距離為預設值），再由已知h求晶片中心到入射點的聲程s（此時，由晶片中心到探頭接觸面的垂直距離h可由已設的探頭楔塊后邊角的高度E1求出.先求出這兩個參數，其它探頭楔塊設計的幾何參數通過10個幾何參數公式，就相對比較好求. 計算遠場聲壓時，采用的富朗霍夫近似計算公式［2］如下 如圖1和圖2所示，這里β′為晶片的前向傾角；δ為晶片相對于水平面的左右橫向傾角；βk為晶片在楔塊中的實際入射角;a為某一側晶片的長度; b為某一側晶片的寬度;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分別為有機玻璃楔塊和鋼中的密度;f為探頭的探測頻率;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的表達式.bl(δ)的具體公式可以用和bl(β)相類 似的表達式導出. |
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構圖 公式中有關角度β′、δ、βk的計算,有機玻璃楔塊中有關幾何尺寸H、h、E1 、E2、B、L的計算，可參看圖1和圖2由下列公式求出 式(5)中的k/t其數學表達式可分解為 ，.其物理意義是：k為與有機玻璃楔塊中的橫向傾角及楔塊的聲速有關的物理量；而t為與被檢鋼材中的折射角和鋼中聲速有關的物理量.它們都與交叉聲束所形成的聲場分布特征有關，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. 2 縱波斜射雙晶探頭的計算結果和對實際研制探頭的試驗結果在實際探頭設計中，有關參數計算的先后順序如下：①根據預設的探測垂直深度（如120 mm）和折射角（如βst=45°）算出有機玻楔塊中的入射角βk .②算 出聲波在鋼中經過縱波斜射后到達120 mm深為3 mm橫孔的實際聲程，根據預先設 定的入射 點到隔聲層中心的垂直距離AA′算出鋼中的橫向傾角δst，從而反推出此時有機 玻璃 楔塊中的橫向傾角δ，此時算出的δ在實際應用中往往偏大，需要根據實際情況和實驗數據 加以修正，這一點是探頭設計效果是否理想的關鍵原因之一.③由βk、βst 和δ值 按式（4）確定雙晶探頭聚焦聲場的特性變化因子k/t，并由此按式（3）確定有機玻璃楔塊 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）預先設定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，并根據對探頭前沿的長度要求對高度H加以修正.⑥確定楔塊的長度L.式（8）中的δ″是入射點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′已經確定的前提下實際上也已經確定，但是根據被探工件的實際要求，探頭的前沿長短不同，所以具體選用L時要根據實際情況加以修正.⑦根據式（11）確定E2，計算中δ要根據實際情況加以修正.需要說明的是δ′這個值實際和δ值（橫向傾角）相差甚微，在計算時可以用δ代替. 表1給出了縱波斜射雙晶探頭不同條件下所得聲壓的計算結果，已設定參數E1＝2 m m,AA′=11.7 mm. 由表1可知，在垂直探測深度為120 mm時，相對聲壓較強的是45°折射角 38 mm×17 mm的晶片和60°折射角40 mm×20 mm的晶片.在實際研制時，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物照片. 表1 縱波斜射雙晶探頭參數計算 |
| 晶片尺寸 /mm 2 | 探測垂直 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驗照片 從實驗結果可知：（1）配合德國USIP-12型大功率超聲波探傷儀，檢查晶粒度為-2級的粗晶護環鋼，能清晰地發現垂直深度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一體化成像系統的A型顯示部分配合該探頭檢查晶粒度為＋2級的三峽水電站上的J型奧氏體鋼焊縫，能清晰發現垂直深度為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研制 的任務. 七月供稿 |
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