分享：GH3535合金焊接坡口未熔合相控陣超聲檢測工藝定量分析

釷基熔鹽堆（TMSR）是第四代先進核能的代表，具有固有安全性、防核擴散、無水冷卻、利用釷基核燃料等優(yōu)勢，成為我國核能的重要發(fā)展方向之一[1-6]。TMSR的主體結構材料是我國自主研發(fā)的耐熔鹽腐蝕合金GH3535合金[7-8]。 

GH3535合金焊縫的完整性對TMSR的安全運行起著重要作用[9]。但GH3535合金的焊接流動性差、熔敷金屬與母材間不容易潤濕易產(chǎn)生坡口未熔合缺陷，且缺陷附近應力集中嚴重、危害性大[10]。傳統(tǒng)的壓水堆核電中，對缺陷檢測主要采用射線檢測技術，但作為面積型缺陷的坡口未熔合在射線束穿透方向上的厚度差小，射線檢測的缺陷檢出率低于超聲檢測的[11]。 

超聲檢測是無損檢測的重要手段之一。未熔合缺陷界面兩側是合金和空隙，兩者的聲阻抗差異大，超聲波在界面處反射率高，缺陷檢出率高。相控陣超聲作為新興的超聲檢測技術，與常規(guī)超聲相比具有檢測靈敏度高、缺陷定位精度好、實時可視化、檢測數(shù)據(jù)可保存等優(yōu)點[12]。 

GH3535合金焊縫接頭為粗晶材料，存在聲學各向異性和不均勻性，超聲波傳播方向的改變和衰減會帶來缺陷錯位和小缺陷漏檢問題[13-14]。為提高對粗晶焊縫缺陷的檢測效果，業(yè)內(nèi)逐漸開始采用雙面陣相控陣（DMA）探頭。DMA探頭采用一發(fā)一收的晶片排布陣列模式，產(chǎn)生菱形物理聚焦區(qū)，降低探頭始波和楔塊回波的干擾信號，從而減小焊縫中超聲波傳播方向的變化，減小缺陷定位誤差[15-17]。 

劉貴吉等[18]以刻槽模擬粗晶焊縫中的未熔合缺陷，采用DMA探頭對其進行長度和深度的檢測，檢測誤差小于5%。WANG等[19]使用DMA探頭檢測粗晶焊縫中的未熔合缺陷（長度為20 mm），深度偏差為2.6 mm，缺陷長度偏差為5 mm。KUMAR等[20]采用DMA探頭檢測異種粗晶焊縫的未熔合缺陷（長度為8~12 mm），所檢測的缺陷長度與射線檢測結果接近。關于缺陷的當量值研究，目前還少有研究涉及。相控陣超聲檢測一般采用自動或半自動化的掃查方式，不同的工藝參數(shù)在缺陷定量和定位時有一定的差異。因此深入量化研究不同工藝參數(shù)對缺陷定量的影響在指導實際應用方面具有一定意義。 

相控陣超聲檢測工藝參數(shù)中聚焦聲程和探頭前端距是非常重要的，對缺陷的定量和定位影響較大。聚焦聲程即聲束聚焦點離探頭的聲程。由于聲波干涉，聲束在以聚焦點為中心的有效聚焦區(qū)域即焦柱處產(chǎn)生聚焦，其聲場特性是在焦柱內(nèi)能量集中度、分辨率和靈敏度高，但焦柱外聲場發(fā)散嚴重[21]。實際相控陣探頭只能在近場區(qū)內(nèi)聚焦[22]。隨著聚焦聲程的增加，焦柱的寬度和長度也隨之增大，并逐步趨向穩(wěn)定。明確相控陣探頭在工件內(nèi)的焦柱需根據(jù)探頭類型、聚焦聲程、被檢材料和缺陷的類型、方位、尺寸等綜合考慮。因此，需要合理設置聚焦聲程，既要在相控陣探頭近場區(qū)內(nèi)聚焦，又要使焦柱能覆蓋缺陷。若焦柱無法覆蓋缺陷，焦柱外的聲場發(fā)散嚴重，難以準確對缺陷進行定位和定量。 

在缺陷定位上，若探頭前端遠離缺陷，焦柱可能無法覆蓋缺陷，導致定位誤差增大。在缺陷定量上，探頭前端距改變，缺陷與焦柱的相對位置也隨之改變，缺陷處反射聲束強度不同，導致缺陷定量產(chǎn)生偏差。同時，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束越接近主聲束，其能量越強，測量的缺陷當量越大，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束越靠近缺陷的法線方向，越利于探頭接收反射聲束信號，測量的缺陷當量越大。 

綜上所述，文章采用DMA探頭針對GH3535合金焊縫易出現(xiàn)的坡口未熔合進行檢測工藝分析。缺陷由人工自然焊接形成，探究探頭前端距和聚焦聲程等工藝參數(shù)對檢測信噪比、缺陷定位和定量的影響，明確缺陷的有效檢測工藝參數(shù)。 

1.   試驗設備與方法

1.1   檢測系統(tǒng)

文章采用M2M GEKKO型便攜式相控陣超聲檢測儀搭配E6B2-CWZ1X型編碼器，檢測系統(tǒng)實物如圖1所示。選用4M 16×2-A27型DMA探頭，其頻率為4 MHz，探頭陣元排列為16×2，探頭晶片孔徑為16 mm，陣元間隙為0.08 mm。焊縫試板厚度為22 mm，坡口未熔合缺陷的尺寸示意及實物如圖2，3所示。楔塊的具體參數(shù)如表1所示。 

圖  1  檢測系統(tǒng)實物

圖  2  坡口未熔合缺陷的尺寸示意

圖  3  坡口未熔合缺陷實物

采用垂直透照的方式對焊縫試板進行射線檢測，檢測結果如圖4所示，射線底片中無缺陷顯示，可知射線檢測技術對細小的坡口未熔合缺陷的檢測靈敏度低。 

圖  4  坡口未熔合缺陷的射線檢測結果

1.2   檢測工藝

對比試塊的長橫孔位置及尺寸示意如圖5所示。長橫孔直徑為2.5 mm，深度分別5，10，15 mm，分布于對接接頭的焊縫中心和熔合線處。為確保不同深度處的檢測靈敏度一致，選用對比試塊上位于焊縫中心處的長橫孔進行靈敏度校準。檢測工藝參數(shù)如表2所示，檢測示意如圖6所示（圖中f為聚焦聲程）。分別記錄檢測的增益、信噪比、缺陷的深度和距焊縫中心水平距離。 

圖  5  對比試塊的長橫孔位置及尺寸示意

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

圖  6  缺陷檢測示意

2.   試驗結果

2.1   信噪比

聚焦聲程為8 mm時，不同探頭前端距下的缺陷扇掃圖譜如圖7所示，可知信噪比較高時，缺陷信號易于從噪聲信號中辨別；信噪比過低時，缺陷信號淹沒于結構噪聲信號中，難以分辨，引起缺陷的漏檢。 

圖  7  聚焦聲程為8 mm時，不同探頭前端距下的缺陷扇掃圖譜

不同聚焦聲程下，缺陷檢測的信噪比如圖8所示?？芍劢孤暢滔嗤瑫r，探頭越接近缺陷，超聲波的傳播聲程越短，聲束在焊縫中的擴散、散射和衰減越少，缺陷反射信號越強，信噪比越高。探頭前端距為6 mm時，聲束出射點距缺陷的聲程約為16 mm，聚焦聲程為13和18 mm的焦柱最為接近缺陷，所以信噪比最高，分別是24.8 dB和23.3 dB；聚焦聲程為 23 mm的焦柱遠離缺陷，信噪比較低。實際檢測過程中，還需保證聲場能覆蓋整個焊縫，探頭前端距為0，－6，－12 mm的聲場可以較好覆蓋焊縫。探頭前端距為0 mm，聚焦聲程為 8~28 mm時的信噪比為13~18 dB；探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為18~28 mm時的信噪比為12~15 dB，均滿足ASME標準中信噪比不小于12 dB的要求。但探頭前端距為－12 mm，聚焦聲程為13~28 mm時的信噪比不大于12 dB。 

圖  8  不同聚焦聲程下，缺陷檢測的信噪比

2.2   缺陷當量值

因缺陷位于坡口且深度為12.9 mm，選擇熔合線上深度為10 mm的?2.5 mm長橫孔作為基準靈敏度進行缺陷當量對比分析。在相同的工藝參數(shù)下，調(diào)整增益，分別使長橫孔和缺陷的信號幅值達到80%（滿屏），長橫孔和缺陷的增益差值即為缺陷當量值，缺陷當量值曲線如圖9所示。測量缺陷的當量值如表3所示。 

圖  9  檢測缺陷的當量值曲線

探頭離缺陷過遠時，信噪比低，缺陷當量值變化大，如探頭前端距為－12 mm，聚焦聲程為13~28 mm時的信噪比不大于12 dB，缺陷當量值的最大值與最小值差7 dB。探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為13~28 mm時，缺陷當量值較大，約為?2.5 mm＋1 dB~－1 dB，其中聚焦聲程為23 mm時的缺陷當量值最大。探頭前端距為0 mm，聚焦聲程為8~28 mm時，缺陷當量值約為?2.5 mm－1 dB~－4dB，若聚焦聲程過遠（如28 mm），缺陷當量值約為?2.5 mm－4 dB。探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為8~18 mm時，缺陷當量值約為?2.5 mm－1 dB~－2dB。 

2.3   深度和水平距離定位

檢測缺陷的深度和水平距離定位如圖10所示。缺陷定位數(shù)據(jù)如表4所示。相同的聚焦聲程，探頭前端距不同，缺陷深度和距焊縫中心水平距離的定位偏差不同，但總體偏差在1 mm左右。探頭前端距為－12 mm時，信噪比不大于12 dB，暫不進行討論。探頭前端距分別為－6，0 mm，聚焦聲程為 13，18，23，28 mm時，深度定位偏差為0.35~1.80 mm（相對偏差為2.7%~14.0%），距焊縫中心水平距離定位偏差為0.4~1.4 mm（相對偏差為8%~28%）。探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為 8，13 mm時，深度定位偏差為0.09~0.26 mm（相對偏差為0.7%~2%），距焊縫中心水平距離定位偏差約為0.1 mm（相對偏差約為2%），但聚焦聲程為18 mm時的定位偏差較大。 

圖  10  檢測缺陷的深度和水平距離定位

綜上，在探頭前端距為－6~6 mm，聚焦聲程為13~28 mm時，可進行有效檢測。探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為13 mm時的定位效果最佳；其深度定位偏差為0.7%，距焊縫中心水平距離定位偏差為2%。 

2.4   缺陷長度

采用－6 dB法測量缺陷長度，結果如圖11所示，缺陷長度參數(shù)如表5所示。采用－6dB法測量缺陷長度時，測量的最小長度即為6 dB聲束寬度，若缺陷過小，則會放大缺陷[23]。缺陷長度為3 mm時，測量的缺陷長度為4~10 mm，對缺陷有明顯的放大。 

圖  11  －6 dB法的缺陷長度檢測結果

總體上，隨著探頭距缺陷越遠，聲束在工件中傳播的聲程越長，聲束的擴散越嚴重，6 dB聲束寬度越寬，測量出的缺陷長度越長。聚焦聲程不同，6 dB聲束寬度的空間分布不同，焦柱的位置、空間形貌和6 dB寬度不同。探頭前端距6 mm處，探頭出射點距缺陷的聲程約為16 mm，聚焦聲程8，13，18 mm處能量集中，聲束寬度窄，測得缺陷長度為4，5，5 mm，與實際缺陷長度的誤差不超過2 mm，測量準確度高。探頭前端距為0 mm，探頭出射點距缺陷的聲程約為20 mm，聚焦聲程8，13，18 mm的聚焦點較為接近缺陷，測得缺陷長度為5，6，5 mm，與實際缺陷長度的誤差不超過3 mm；聚焦聲程23和28 mm的聚焦點離缺陷較遠，因此缺陷處的6 dB聲束寬度較寬，測得缺陷長度為8 mm。探頭前端距為－6 mm，探頭出射點距缺陷的聲程約為25 mm，測量的缺陷長度為6~7 mm。探頭前端距為－12 mm，探頭出射點距缺陷的聲程約為30 mm，測量的缺陷長度為7~10 mm。 

3.   結果分析

3.1   聲束與缺陷夾角

根據(jù)缺陷位置，探頭前端距和探頭出射點，得不同探頭前端距下，與缺陷發(fā)生相互作用的主要聲束偏轉角度的示意，如圖12所示。隨著探頭遠離缺陷，與缺陷發(fā)生相互作用的主要聲束偏轉角增大，偏轉角約為35°，49°，58°，65°。根據(jù)坡口角度，可算得聲束偏轉角為57.5°時，聲束垂直于坡口。由Snell公式可知該楔塊的自然折射聲束角度為56.5°。探頭前端距為－6 mm，偏轉角為58°的聲束與缺陷發(fā)生相互作用，該聲束接近主聲束和缺陷的法線，這與前文中該參數(shù)下測量的缺陷當量值最高（?2.5 mm+1 dB~－1 dB）相對應。 

圖  12  不同探頭前端距下的缺陷檢測（聲束偏轉）示意

探頭前端距為6 mm，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束偏轉角為35°,偏離缺陷法線，但聚焦聲程為 8~18 mm，缺陷當量值較高（?2.5 mm－1 dB），可見除聲束與缺陷夾角外，聚焦點位置、傳播聲程等因素對測量缺陷當量值也有較大影響。 

3.2   有效孔徑和近場區(qū)長度

有效孔徑示意如圖13所示（F為聚焦深度）。探頭陣列有效孔徑AEFF和工件中近場區(qū)長度N可表示為[24-25] 

式中：A為探頭激活孔徑，取16 mm；φ為偏轉角度；α為聲束入射角，取20°；h為修正系數(shù)，其取值與探頭有效孔徑長寬比有關；a為有效孔徑長度值的一半；ν工為工件聲速，取5 680 m/s；ν楔為楔塊聲速，取2 330 m/s；λ為超聲波在工件中的波長，取1.42 mm；?楔為聲束在楔塊中的聲程。 

圖  13  探頭陣列有效孔徑示意

不同探頭前端距下，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF和N如圖14所示。由圖14可知，隨著探頭接近缺陷，AEFF和N增大。探頭前端距為6 mm時，AEFF和N最大，聲束能量強，傳播聲程短，聲束能量衰減少，且設置的聚焦聲程可有效聚焦，加強缺陷處的聲場能量。所以即便與缺陷發(fā)生相互作用的聲束偏離缺陷法線方向，檢測缺陷當量值也較高。 

圖  14  不同探頭前端距下，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF和N

對于缺陷定位，在探頭前端距為6 mm，聚焦聲程為 8~13 mm的工藝參數(shù)下，缺陷定位最為準確，定位偏差不大于2%。探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為28 mm時的定位偏差不大于8%；但聚焦聲程為13~23 mm時的缺陷定位偏差偏大，約為14%~28%。兩種工藝參數(shù)的定量結果接近，但定位準確性有一點差異。探頭前端距為－6 mm，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束偏轉角度為58°，該聲束的近場區(qū)長度約為12.6 mm，而探頭出射點距缺陷的距離約為25 mm，這導致探頭輻射聲場無法在缺陷附近聚焦，聲束指向性減弱；且超聲波的傳播聲程更遠，聲束擴散更嚴重，聲束6 dB寬度更寬。由于缺陷的取向，聲束擴散角內(nèi)可能某一角度更有利缺陷反射，探頭檢測到的缺陷最大回波幅值不是來自聲束中心線，而儀器默認以聲束中心線對缺陷進行定位，因此定位偏差更大[26]。 

可見，對于缺陷的定量和定位，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束與缺陷夾角對缺陷定量影響更大；與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF對缺陷定位影響更大。故檢測定位和定量要綜合考慮，確保檢測參數(shù)對定位和定量都是最為合適的。 

4.   結論

（1） DMA探頭可以有效檢出GH3535合金焊縫中埋藏的坡口未熔合缺陷，信噪比較高，定位準確性較高。 

（2） 探頭前端距為－6 mm，聚焦聲程為13~28 mm時，聲束可一次性覆蓋焊縫，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束接近缺陷法線，缺陷當量值最高，約為?2.5 mm＋1 dB~－1 dB。 

（3） 探頭前端距為6 mm，與缺陷發(fā)生相互作用的聲束的AEFF大，傳播聲程短，信噪比高。聚焦聲程為8，13 mm時，定位準確性最高，定位偏差不大于0.26 mm（相對偏差不大于2%）。 

（4） 僅對焊縫內(nèi)部埋藏缺陷的定量因素進行了檢測分析，由于探頭聲場焦柱隨折射偏轉角度的增大而縮小，因此，對于近表面開口或埋藏缺陷（缺陷距離焊縫表面的深度不大于5 mm）的檢測需要匹配折射角度約為70°和物理聚焦深度較淺的楔塊重新進行定量分析。

文章來源——材料與測試網(wǎng)