材料各向异性对超声检测的影响

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材料各向异性对超声检测的影响
摘要：各向异性材料由于其特殊的物理性质，使得超声波在其内部的传播有三种体波：纵波、快横波和慢横波，而且在界面处会产生声束的畸变和曲线传播等复杂物理现象，严重影响检测的灵敏度和准确性。本文中将着重讨论奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测。
关键词：各向异性 超声检测 不锈钢焊缝 相控阵
    各向异性，也称“非均匀性”，是指晶体的不同方向上的弹性模量、硬度、断裂抗力、
屈服强度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。基于以上特性，用户就可以根据实际需求来制备相应的材料。
    奥氏体不锈钢是最为常见的一种各向异性材料，由于其优良的抗腐蚀性、抗氧化性以及低温韧性而被广泛应用于石油化工、机械加工、核电和航空航天等领域的重要部位[1]。为了预防潜在危险，提高安全性，就需要对焊接部位进行无损检测。
二．        不锈钢焊缝检测
适用于奥氏体不锈钢焊缝内部检测的方法有射线和超声两种。其中，射线方法具有一定的穿透能力，但是其对于裂纹等面积型缺陷并不敏感，而且设备复杂，需要专门的防护装置，另外当被检材料厚度较大时也会因为衰减增大而是灵敏大大降低；相比之下，超声方法则具有穿透力强，对人体无害，检测速度快等优势。[2] 但是由于奥氏体不锈钢的结构特点，使得超声检测也面临很多难点。
奥氏体不锈钢焊缝中，晶粒组织粗大，对于超声波有较强的散射衰减，导致灵敏度变化大，穿透能力减弱，无法确定缺陷的大小，而且粗大组织还会引起散射声波的叠加及波形转换，导致假信号出现；另外，超声波在各向异性材料中传播有三种模态：快横波、慢横波和纵波，使得工件内部的信号较为复杂，而且超声波波前与传播方向不一定正交，斯奈尔定律也不再适用，使得声束会在界面处产生畸变和曲线传播，增大定位误差。[3] [4]

            a.纵波声场                                         b.横波声场
图1  各向异性焊缝中的声场模拟
横波受各向异性影响较大,散射大，衰减大，假信号多,而纵波则相对较好，故奥氏体不锈钢焊缝通常用纵波斜探头探伤，图1是对同一角度的纵波和横波进入各向异性焊缝中的声场模拟（只考虑了单一模态，未考虑波形转换，绿色线是纵波，红色线是横波），从图中可以看出，横波进入焊缝后，声束散射较严重，指向性不明确，而相比之下，纵波的散射较小，有明显的指向性。但纵波斜探头又会同时产生横波和波形转换等问题,因此,只要可行,探伤时应尽量从两面两侧用直射法(一次波法)进行。焊接金属外的热影响区探伤,可用横波斜探头,但此时可用直射法,也可用一次反射法(二次波法)进行。[5]         
双晶纵波斜探头与单晶纵波斜探头相比，发射电脉冲不进入接收电路，使得表面盲区减小，电噪声信号减小，且双晶探头有一个声能集中区，即焦点，该区域内的声能较强，信噪比较好，可以提高需探测区域的检测灵敏度，所以在实际检测中多使用双晶纵波斜探头来检测奥氏体不锈钢焊缝。
但是，双晶探头只在一个位置有声场聚焦，在其它位置灵敏度并未改善，如果想要在整个深度范围有均匀的灵敏度，则需要多次更换探头，在实际检测中并不可行。目前，多是采用深度补偿的方式来统一灵敏度，但这种方式并未改善非焦点区域的信噪比，所以整体的检测灵敏度并未改善。
三．        相控阵超声检测
相控阵技术是将一块常规晶片切割成许许多多的小晶片，然后通过对单个晶片施以不同的激发及接收延迟来使各晶片产生的小波发生干涉，从而在检测工件中的理想位置实现聚焦或波束偏转的技术。
对于奥氏体不锈钢焊缝来讲，如果使用相控阵超声检测，则可以通过施加不同组的延迟在整个深度范围内实现多点聚焦，提升穿透能力，改善检测灵敏度和信噪比；为了在整个体积内有更好的聚焦效果，现多使用双晶面阵相控阵超声探头（即TRL探头）。
图2a和2b是对同一不锈钢焊缝对比试块（在焊缝区域自上而下的添加了四个相同孔径的横孔缺陷）使用双晶面阵相控阵探头做常规扇形扫查检测的声束覆盖和仿真结果图，工件厚度96mm厚，不锈钢离心铸造后焊接。图2c和2d是对同一试块使用同一探头做多点聚焦扫查的焦点示意图和仿真结果图，仿真结果图中上面是B扫图，下面是动态回波曲线图，反应的是各信号的检测幅值，红框中的四个信号依次对应的是自上而下的四个横孔缺陷，图2e是将两次扫查的动态回波曲线图拖入同一视图中进行对比的结果，图中黑色线是多点聚焦扫查的结果， 红色线是扇形扫查检测的结果；从仿真结果可以看出，使用多点聚焦扫查不仅使得检测的角度分辨率改善，而且检测幅值也明显提高。

        a.扇形扫查声束覆盖示意图                           b.扇形扫查仿真结果

        c.多点聚焦扫查聚焦示意图                           d.多点聚焦扫查仿真结果

e.扇形扫查和多点聚焦扫查动态回波曲线对比
图2  不锈钢焊缝扇形扫查和多点聚焦扫查仿真对比
四．        实际验证
从仿真结果来看，双晶相控阵探头检测奥氏体不锈钢焊缝时采用多点聚焦方式可以得到更好的角度分辨率和更好的信噪比，但是是否能够满足检测要求还需要实验来验证。
实验中使用的是法国M2M公司的Multi2000 256*256相控阵设备，探头频率1MHz，晶片数2*12*5，待检件是一核电环焊缝试件，检测设备及工件如图3所示。

图3  检测设备及被检工件照片
检测时采用多点聚焦方式，首先在对比试块上进行灵敏度标定,然后检测待检件。检测过程中发现了两处缺陷，见图4，图中右边是扇扫图，左边是扇扫图中绿色角度指针上的A扫图。

a. 53mm深度处自然缺陷

b. 56mm深度处自然缺陷
图4  53mm处自然缺陷（左）和56mm处自然缺陷（右）的检测结果
    从实验结果来看，两个自然缺陷可以很清晰的分辨出来，信噪比较高，深度也可以测量出来，说明使用多点聚焦方式可以满足检测要求。考虑到声束在界面处可能会产生畸变和曲线传播，所以缺陷的测量深度和真实深度之间可能会有一定的误差存在。
五．        总结
奥氏体不锈钢焊缝因为晶粒粗大，各向异性的特点，使得超声检测面临很多难题。从上面的仿真和实验可以看出，使用双晶面阵相控阵探头可以有效提升穿透能力、信噪比和检测灵敏度，能够适用于实际检测，但是考虑到声束可能存在的畸变和曲线传播，所以测量深度和实际深度之间可能会存在一定的差异。