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奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测

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发表于 2015-3-6 13:40:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测
摘要:由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒组织粗大以及结构的各向异性导致超声声束的散射和畸变,其超声检测比较困难。本文分析了奥氏体不锈钢焊缝超声检测特性,在奥氏体不锈钢焊缝试块上进行了常规超声和相控阵超声检测试验。研究结果表明:对于10mm深焊缝缺陷,相控阵超声检测信噪比可达14dB,而常规超声技术仅获得6dB的信噪比,
对于30mm深内部缺陷,均未取得较好的效果。关键词:超声波相控阵;超声检测;奥氏体不锈钢焊缝;信噪比
第1期胡栋等:奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测
图1
相控阵聚焦原理
其中,△d为阵元到焦点的距离;n为保证△d-nλ为正的最大整数;λ为声波波长;c为波速。1.2
相控阵超声系统的声束特性
为分析超声波波束形成器性能,可通过计算其波束响应进行分析,计算公式为
[12]
C()=cHv(),(2)其中,
C()为波束响应;cH为给定加权矢量(列矢量)的转置;v()为阵列响应矢量(列矢量)。
对于均匀线性阵列(ULA),其阵列响应矢量为
v()=1槡
M[1e-j2π[dsinλ]…e-j2π[dsinλ](M-1)]T

(3)
其中,
M为阵元数;j槡=-1;d为相邻阵元间距;λ为波长。图2表示了一个64阵元均匀线性相控阵列波束模式(s=0°),其中d=λ/2。主瓣越高越窄,旁瓣越低,阵列系统指向性和分辨率越高。通常以半功率(-3dB)点的主瓣宽度计算波束宽度△,计算公式为
图2
64阵元相控阵列系统波束模式
△3dB=0.89λ/L。
(4)L代表阵列孔径。孔径越大,阵列的分辨率越好,越能区分间隔很近的缺陷。对于阵元间隔固定的波束模式,
阵元数越多,分辨率越好。但是,实际的物理现实往往限制了可用的阵元数量。因此,为提高孔径,通常采用提高阵元间隔的方法。而为避免空间重叠,阵元间隔d又最好不要高于λ/2。综合以上分析,
64阵元,
d=λ/2相控阵列系统具有良好的指向性。2
试验比对
2.1
试验概况
在探头选型上,选用64阵元,
d=λ/2线阵相控探头进行超声相控阵检测试验。而对于常规超声探头,
常用频率为0.5~2.5MHz的斜探头。试验仪器、探头及试块选择如表1所示。
表1
试验概况
试验序号1#
2#
试验名称超声相控阵检测试验
常规超声检测试验
仪器OmniscanMX便携式超声探伤仪
HY-6400数字超声波探伤仪
探头5L64-A2相控探头,探头频率5MHz,64阵元2.5M13×13K1.5,探头频率2.5MHz,横波斜探头
耦合剂机油
机油
试块
奥氏体不锈钢对接焊接对比试块
奥氏体不锈钢对接焊接对比试块
2.2试块信息
奥氏体不锈钢对接焊接对比试块[13]
尺寸如图3所示,试块长300mm,宽30mm,高90mm,焊缝位
于试块长度方向中间部位,属于V型对接焊缝,沿焊缝两侧纵向深度10mm、
30mm、50mm、70mm处有直径2mm的人工贯穿孔。
2.3检测结果分析
试验时首先对设备进行校准,检测面为V型对接焊缝的上表面,如图3所示,在探头和试块间均匀的涂抹机油,设置合适的增益、抑制,相控阵扫描角度调整为30°~70°,观察仪器显示情况。试验结果如图4和图5所示。
·


图3
奥氏体不锈钢对接焊接接头对比试块
图4为试块焊缝深10mm缺陷相控阵超声检测结果A扫描对应S扫描56.0°轴线的信号,缺陷信号比较明显,
信噪比达14dB。图5为试块焊缝深30mm缺陷相控阵超声检测结果,
A扫描对应S扫描44.0°轴线信号,缺陷信号幅值较低,无法有效识别。
图6为奥氏体不锈钢焊缝试块的常规超声检测结果,成像仅通过A扫描显示,横坐标刻度为真实深度。图6a为试块焊缝深10mm缺陷常规超声检测结果,虽然缺陷信号也比较明显,但其信噪比仅6dB。图6b为试块焊缝深30mm缺陷常规超声检测结果,与相控阵超声检测结果相同,其缺陷信号幅值较低,无法有效识别。
(a)A扫描
(b)S扫描
图4
10mm缺陷相控阵超声检测结果
(a)A扫描
(b)S扫描
图5
30mm缺陷相控阵超声检测结果
在图4a和图6a的检测结果中,对于所选试块焊缝深10mm处2贯穿孔缺陷,相控阵超声检测获得了14dB的信噪比,而常规超声检测仅获得了6dB的信噪比,相控阵超声检测具有较强的穿透力。比较图4、图5和图6可见:焊缝深度越深,超声波的散射和畸变越严重,导致相控阵超声检测中按照传统的聚焦延时法则不能很好的实现聚焦效果。综上所述,在奥氏体不锈钢焊缝的检测中,相控阵超声检测在提高深厚奥氏体不锈钢焊缝中超声穿透力即缺陷检出率上具有可行性,但仍然存在一定的困难。此外,图4和图5中扇扫图像覆盖了30°~70°范围内的检测信息,而常规超声检测结果只显示了单一轴线(即沿声束方向)上的检测信息。因此,在工业现场大面积检测时,相控阵超声检测比常规超声检测更快速、高效。
·
01·河南科技大学学报:自然科学版2013年

第1期胡栋等:奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测
(a)10mm缺陷
(b)30mm缺陷
图6
常规超声检测结果
3结论
(1)超声相控阵技术对10mm处奥氏体不锈钢焊缝缺陷的检测获得了比传统超声检测更高的信噪比,说明超声相控阵技术的聚焦特性使超声声束在奥氏体不锈钢焊缝中具有更强的穿透力。
(2)30mm处缺陷,相控阵超声波同样未能检出缺陷,这是因为焊缝越深,超声声束的相变越严重,使用未经优化的聚焦延时法则不能实现各阵元发射的超声波的叠加,因此,提高深厚奥氏体不锈钢相控阵超声波检测能力的有效方法是对聚焦延时法则进行优化。
(3)相控阵超声波一次检测能覆盖较大的角度范围,能有效地提高检测效率



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