奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼因其優(yōu)良的耐腐蝕性及力學(xué)性能，廣泛地應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、石油化工等重要的領(lǐng)域。不銹鋼焊縫是完整構(gòu)件的薄弱區(qū)域，并且一般服役在高溫、高壓、沖刷、腐蝕、放射性的惡劣環(huán)境。此外，由于焊接工藝參數(shù)波動(dòng)的影響，焊縫中可能出現(xiàn)未熔合、未焊透、夾渣、氣孔、形狀缺陷以及裂紋等其他缺陷，嚴(yán)重影響焊縫的使用性能。因此，無論是生產(chǎn)過程還是服役過程，需要通過無損檢測(cè)方法及早發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷及服役損傷，先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)是設(shè)備安全運(yùn)行的重要保障。

2、r>　　超聲波檢測(cè)技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的焊縫檢測(cè)技術(shù)之一，具有穿透力強(qiáng)，檢測(cè)范圍廣、效率高、便攜、對(duì)環(huán)境無害等優(yōu)勢(shì)。然而，由于奧氏體不銹鋼焊縫中各向異性粗大的柱狀晶組織，超聲波在焊縫中傳播會(huì)出現(xiàn)衰減大，噪聲強(qiáng)，聲束扭曲等問題，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)信噪比降低，缺陷定量、定位困難。超聲衍射時(shí)差法(TOFD，Time of Flight Diffraction)是利用缺陷端部產(chǎn)生的衍射波來檢測(cè)和評(píng)價(jià)缺陷的方法，具有定量準(zhǔn)、速度快、抗噪能力強(qiáng)、檢測(cè)結(jié)

3、果直觀等優(yōu)勢(shì)。鑒于奧氏體不銹鋼焊縫超聲無損檢測(cè)存在的問題，本研究提出將超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于奧氏體不銹鋼焊縫的無損檢測(cè)。
　　本研究分析了超聲波在焊縫中的傳播特性及超聲波與柱狀晶相互作用機(jī)理，通過優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)降低柱狀晶組織超聲散射對(duì)檢測(cè)信號(hào)的不利影響。開發(fā)基于超聲TOFD-D掃描的合成孔徑聚焦算法，有效地進(jìn)一步抑制了噪聲信號(hào)，并改善了缺陷的超聲TOFD-D掃描成像結(jié)果。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)柱狀晶與超聲波相互作用

4、的機(jī)理研究。通過試驗(yàn)揭示了缺陷檢測(cè)信號(hào)的信噪比和超聲聲束與柱狀晶生長(zhǎng)方向之間夾角的關(guān)系。在對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行TOFD檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，缺陷衍射波信號(hào)的信噪比主要與焊縫中柱狀晶的生長(zhǎng)方向和聲束方向的夾角有關(guān)。結(jié)合金相分析可知：缺陷檢測(cè)信號(hào)的信噪比隨超聲聲束與柱狀晶生長(zhǎng)方向之間夾角的增大而減小，當(dāng)夾角較小時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的信噪比較高。
　　(2)檢測(cè)方法研究，優(yōu)化了奧氏體不銹鋼一次波檢測(cè)的參數(shù)，提出了基于超聲TOFD技術(shù)的二次波檢測(cè)方法。當(dāng)

5、采用一次波對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，考慮到檢測(cè)信號(hào)信噪比受檢測(cè)聲束方向與柱狀晶生長(zhǎng)方向夾角和缺陷端聲壓分布的影響，需要從焊縫根部側(cè)布置探頭，根據(jù)不銹鋼焊縫的組織結(jié)構(gòu)特征，調(diào)整探頭斜楔角度及探頭間距在保證檢測(cè)聲束與柱狀晶生長(zhǎng)方向成較小夾角的前提下，提高檢測(cè)區(qū)域的聲壓能量分布。由于封閉管道或容器的焊縫根部位于內(nèi)壁，有時(shí)無法在內(nèi)壁布置探頭進(jìn)行檢測(cè)，為了獲得較小的聲束與柱狀晶夾角，可將探頭布置在余高側(cè)，采用二次波檢測(cè)方法提取焊縫中缺陷的衍射波特征信號(hào)。

6、通過試驗(yàn)可知，需對(duì)檢測(cè)信號(hào)中各特征脈沖進(jìn)行判別，其中，變型波一次底波會(huì)導(dǎo)致余高附近出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)。檢測(cè)聲波能量分布是影響二次波檢測(cè)信號(hào)信噪比的重要因素，因此，為保證焊縫中具有較大的檢測(cè)聲波能量分布，檢測(cè)過程中應(yīng)盡量選用小角度探頭，并設(shè)置較小的探頭間距（PCS間距）開展檢測(cè)工作。
　　(3)設(shè)計(jì)了基于超聲TOFD-D掃描的合成孔徑聚焦成像(SAFT)算法，對(duì)幅度變跡窗進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，增強(qiáng)TOFD-D掃描圖像的

7、分辨率。首先，通過合成孔徑聚焦成像技術(shù)對(duì)不銹鋼焊縫的TOFD-D掃描信號(hào)進(jìn)行處理研究。其次，通過優(yōu)化合成孔徑算法的內(nèi)部參數(shù)，對(duì)變跡窗進(jìn)行研究。對(duì)比缺陷中部、端部位置的信噪比可知，高斯窗(a=4)能在兼顧缺陷端部位置信噪比的前提下提高缺陷中部的檢測(cè)信號(hào)信噪比，處理效果優(yōu)于矩形窗和高斯窗(a=1)，加強(qiáng)了不銹鋼焊縫超聲TOFD-D掃描圖像的缺陷顯示能力。
　　綜上所述，通過對(duì)柱狀晶與超聲波相互作用的機(jī)理研究可知，柱狀晶會(huì)造成超聲波聲束

8、衰減以及噪聲干擾，嚴(yán)重影響超聲TOFD檢測(cè)的定位精度和檢測(cè)靈敏度。在檢測(cè)聲束與柱狀晶生長(zhǎng)方向之間夾角較小的情況下，能夠有效降低柱狀晶組織對(duì)聲波造成的衰減及散射作用?；诖私Y(jié)論，當(dāng)選擇用一次波對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭應(yīng)布置在焊縫的根部側(cè)，在保證檢測(cè)聲束與柱狀晶生長(zhǎng)方向成較小夾角的前提下，提高檢測(cè)區(qū)域的聲壓能量分布。當(dāng)探頭布置在焊縫的余高側(cè)時(shí)，可利用二次波對(duì)不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)，為保證焊縫中具有較大的檢測(cè)聲波能量分布，檢測(cè)過程中應(yīng)盡量選用小角度