奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测马巍.docx

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奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测马巍

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摘要：本文围绕奥氏体不锈钢焊缝的组织结构形式、超声检测、发展展望等相关内容进行分析，以供参考。

关键词：奥氏体；不锈钢焊缝；组织结构；超声检测

1.前言

奥氏体不锈钢由于其很好的抗腐蚀性以及抗氧化性，在工业生产中广泛应用。但是其焊缝检测不能用射线，需要采取超声检测技术。

2.奥氏体焊缝组织结构分析

奥氏体不锈钢由于热膨胀系数小、导热性差，在奥氏体焊缝冷却凝固的过程中，温度梯度小、散热慢，形成了粗大的柱状晶结构。焊缝结晶晶粒的方向始于半熔化的母材晶粒，结晶形态和结晶方向由冷却速度和母材晶粒方向决定。冷却速度较快的区域促进柱状晶的形成；冷却速度中等区域促进枝状晶的产生。因此焊道底部会出现柱状晶，焊道中部会出现枝状晶。图1（a）为放大500倍的奥氏体不锈钢焊缝横向切面金相组织，图1（b）为放大50倍的奥氏体不锈钢母材焊缝熔合区的金相组织。从图1（a）中可以看出焊缝组织结构复杂，晶粒的方向不均，大小形状不一，枝状晶明显，且呈各向异性；图1（b）显示熔合线左边为奥氏体母材区，右边为焊缝区，焊缝区晶粒方向大致平行，且呈粗大等轴的柱状晶。所以当超声波在焊缝组织中传播时，由于晶粒的非均匀性和各向异性，使得超声波产生严重的波形散射和声能衰减。特别是对奥氏体不锈钢焊缝中较深缺陷进行检测时，常规超声检测存在很大的困难。

图1奥氏体不锈钢焊缝金相组织

3.厚壁CASS管道焊缝PAUT关键技术

3.1针对厚壁CASS管道焊缝组织状态复杂性带来的超声检测难点，事先应研究此类焊缝的结晶组织特征，以及焊接金属组织生长方向引起的超声传播路径变化的规律；对于异种金属焊缝的超声检测，还应明确超声波在焊接金属与母材界面上发生的折射和波型转换等。

3.2研究相位延迟与合成波阵面的曲率、指向、孔径等特性参数之间的关系，明确PAUT系统的聚焦参数、检测参数的设置原则，从而对参数进行综合优化和配置，改善由于粗大晶粒和各向异性带来的高衰减、低信噪比等问题。

3.3针对由于声速非均匀性引起的相位畸变，研究产生畸变的原因和规律，提出相位校正的方法和策略，提高声束合成信号的幅度、信噪比、空间分辨力以及对比度分辨力。

3.4鉴于目前常规PAUT检测系统的局限性，将新的信号处理方法及成像技术集成于此类系统，开发更为先进的PAUT系统，使之更加适用于CASS焊缝及其他厚壁、粗晶、非均匀材料的超声检测。

4.解决策略及研究进展

4.1超声波在CASS焊缝中传播模型及散射规律

数值模拟是研究CASS焊缝结晶组织特征及其声学响应规律的有效工具。法国原子能委员会、英国伯明翰大学等研究机构采用有限元分析、声线示踪等方法对超声波在CASS焊缝中的传播进行了数值模拟，并取得重要进展。

4.2PAUT技术的参数优化原则和方法

PAUT技术涉及上百个参数，且参数之间关系复杂，因此需要在熟练掌握相控阵声场特征的基础上，根据实测对象的组织结构特性，研究各参数之间的关系并进行参数优化，从而最大限度地发挥PAUT的优势。

（1）研究PAUT的声场特征，明确其与常规超声探头声场的区别。

（2）激励频率的优化。聚焦声场中的主瓣高度和旁瓣直接影响相控阵成像的对比度分辨力和伪像的产生，通常以增强主瓣高度、抑制旁瓣为目标对各阵元激励频率进行优化。这种方法对聚焦声场具有一定的改善，可使焦点声强增加并改善信噪比，从而提高成像质量。

（3）聚焦法则参数的优化。通过研究PAUT技术的聚焦原理以及聚焦声束特性，明确动态聚焦、动态孔径、动态变迹等技术的原理和实现方法；提出聚焦位置、聚焦方式、扫查方式等聚焦法则参数的优化原则和方法，提高PAUT的成像分辨力和信噪比。

（4）超声设置参数的优化。研究脉冲宽度、整流、滤波、平滑、增益、数字化频率、平均化、采样率和脉冲重复频率等超声设置参数的物理意义、优化原则和优化方法。

（5）采用相控阵校准和补偿技术，实现对CASS焊缝中不同位置回波延时和幅度的校准，并补偿粗大晶粒带来的衰减，从而减小声束畸变对PAUT的影响，提高检测的信噪比。以上工作集中于对PAUT系统的调整及优化原则的研究，除此之外，对PAUT系统中探头参数的设置与优化也是至关重要的，如探头类型、频率、波型以及探头尺寸等。探头类型和波型应根据检测部位、检测对象几何尺寸、形状等选定。探头频率对衰减影响很大，因此，在考虑CASS焊缝结晶组织状态复杂性的基础上，选择合适的探头频率能够提高超声波的穿透能力和对缺陷的分辨能力。阵元长度、宽度和间距和数量等探头几何参数的选择将对相控阵声场的指向性起到决定性的作用，合理地选择探头几何参数是提高成像分辨力、灵敏度以及信噪比的基础。国内外研究者在相控阵探头参数优化方面进行了许多探索。

5.存在的问题及发展展望

5.1奥氏体不锈钢导热性差，焊接时