大厚度奥氏体钢焊缝超声检测用纵波斜射双晶探头研制

大厚度奥氏体钢焊缝超声检测用纵波斜射双晶探头研制

郑中兴

摘要介绍了垂直深度达120 mm的J型奥氏体钢焊缝超声 检测用纵波斜射双晶探头的设计参数和应用实例.
关键词奥氏体钢焊缝超声检测纵波斜射T-R探头
分类号TG115.285TB552

Development and Application of Longitudinal Waves
Angle Beam T-R Probes for the Ultrasonic Inspection
of Austenitic Steel Welds in Big Thickness

Zheng Zhongxing
(College of Sciences, Northern Jiaotong University, Beijing 100044)

AbstractThis paper introduced the ultrasonic inspection of vert ical depth within the limits of 120mm J-type in austenitic steel weld, and made use of longitudinal waves angle beam T-R probes for parameter design and appli cable example.
Key wordsaustenitic steel weld ultrasonic inspection longitud inal waves angle beam T-R probe

奥氏体钢焊接工艺由于具有良好的机械强度、韧性和耐腐蚀性等特点而被广泛应用.但由于焊缝材料属于粗晶材料，尤其是对大厚度奥氏体钢焊缝内在质量的超声检测，在国内外一直是个难题.其主要原因是焊接材料在金属凝固期间生成了纤维状或树枝状的晶体，其晶粒的大小依赖于结晶的速度、杂质的分散状态和温度梯度的变化.这种类型的结晶造成在特殊的方位上晶体的生长占优势.其中的树枝状结晶往往和焊缝的侧面相垂直，其直径在0.1～0.5 mm，长度可达10 mm.这种粗晶结构对超声传播衰减很大，林状回波的出现降低了信噪比，树枝状晶体的存在甚至使得超声传播的路径发生变化.因此，对这类焊缝中的缺陷定位和定量有相当大的困难.
晶粒对超声散射的程度依赖于超声波长和晶粒尺寸的比值，而且和晶界的形状，晶界面上炭化物的析出状态等因素有关.具体说在超声波的声束确定的前提下，散射的强弱和超声声束与晶粒轴线之间的夹角有关.在焊缝的坡口融合面上，对承受超声作用的纤维状组织中的晶轴方位角来讲，大量的晶轴构成了纤维状组织的轴线方向，它们和传播的超声波的方向应大致一致.用斜射声束对奥氏体钢焊缝进行检测时，尽管声束的指向性和纤维状组织的轴线方向并不总是理想的，但它进入焊缝中的声束指向角选择在45°～70°之间比较合适.选用纵波斜射比选用横波斜射衰减要小.当然，如果母材是非奥氏体钢，它对声波的衰减，无论纵波和横波，都要比奥氏体钢焊缝小得多.
解决上述问题的关键是需要采用一种特殊的方法使强干扰噪声即奥氏体钢晶界上的散射尽量地减少.常用的方法是采用双晶探头、聚束探头、大直径探头和宽频带窄脉冲探头，而且要采用1 MHz左右的低频.其中重要的是纵波斜射的双晶探头，这种探头的灵敏度范围是指两个指向声束交叉的区域.根据国内外的有关报道〔1～4〕，这种探头 的最大垂直探测深度为60～80 mm，我们研制的用于三峡水电站的J 型奥氏体钢焊缝检测的垂直探测深度在120～140 mm的大直径、低频双晶纵波斜射探头尚未见报道.
特别需要提出的是，有关纵波斜射双晶探头的设计参数和计算方法，各研制单位很不统一，国家也缺乏这方面的标准规范，这在一定程度上影响了这项技术的发展.

1纵波斜射双晶探头设计的基本原理和参数计算

我们设计的纵波斜射双晶探头因采用了一发一收的T-R方式，增长了传播路径，消除了近场范围的噪声，采用1 MHz的低频大晶片(38 mm×17 mm)纵波斜射，探测深度范 围增大至120～140 mm，衰减明显减小.探测垂直深度为140 mm、直径为3 mm横孔，有足够灵敏 度.
有关探头的设计参数计算国内没有统一的模式，算法也很不相同.对声场的声压从物理学角度，我们采用了克希荷夫（Kirchhoff）的衍射原理，通过富朗霍夫（Fraun-hofer）近似计算，并在具体设计时，对指向性声瓣的表达式sin y/y和bl(δ) 进行适当的修正，给出了双晶探头在远场中的声压分布.这里需要说明的是：首先，原方程式在求解βk、βst、β＇、δ中，出现了k/t这个参数，但对它重要的物理意 义未于说明，我们进行了解释；其次，原作者提出方程式对任意情况是不可解的，所以需要采用替代法确定晶片的尺寸a和b.这样做相当麻烦，由于未知数较多，从而产生了在设计中究竟应当先求哪个未知数的问题.我们在求解时，首先由已设探测深度Df求出相对于水平面的左右倾角δ（此时，入射点到隔声层的垂直距离为预设值），再由已知h求晶片中心到入射点的声程s（此时，由晶片中心到探头接触面的垂直距离h可由已设的探头楔块后边角的高度E1求出.先求出这两个参数，其它探头楔块设计的几何参数通过10个几何参数公式，就相对比较好求.
计算远场声压时，采用的富朗霍夫近似计算公式〔2〕如下

(1)

如图1和图2所示，这里β＇为晶片的前向倾角；δ为晶片相对于水平面的左右横向倾角；βk为晶片在楔块中的实际入射角;a为某一侧晶片的长度; b为某一侧晶片的宽度;cl,st为钢中纵波声速;cl,k和ct，k分别为楔块中的纵波 和横波声速;ρk 和ρst分别为有机玻璃楔块和钢中的密度;f为探头的探测频率;bl(β)和b l(δ)分别为与前向倾角和左右倾角的指向声束有关的表达式.bl(δ)的具体公式可以用和bl(β)相类 似的表达式导出.

图1探头楔块几何形状和折射声 波路径图

图2T-R探头的楔块和晶片外形结构图

公式中有关角度β＇、δ、βk的计算,有机玻璃楔块中有关几何尺寸H、h、E1 、E2、B、L的计算，可参看图1和图2由下列公式求出

(2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)

式(5)中的k/t其数学表达式可分解为 ，.其物理意义是：k为与有机玻璃楔块中的横向倾角及楔块的声速有关的物理量；而t为与被检钢材中的折射角和钢中声速有关的物理量.它们都与交叉声束所形成的声场分布特征有关，而且交叉声束的范围随k/t的增大而增大.因此，k/t可称为双晶探头的聚焦声束特性变化因子.
在实际探头设计中，有关参数计算的先后顺序如下：①根据预设的探测垂直深度（如120 mm）和折射角（如βst=45°）算出有机玻楔块中的入射角βk .②算 出声波在钢中经过纵波斜射后到达120mm深为3 mm横孔的实际声程，根据预先设 定的入射 点到隔声层中心的垂直距离AA＇算出钢中的横向倾角δst，从而反推出此时有机 玻璃 楔块中的横向倾角δ，此时算出的δ在实际应用中往往偏大，需要根据实际情况和实验数据 加以修正，这一点是探头设计效果是否理想的关键原因之一.③由βk、βst 和δ值 按式（4）确定双晶探头聚焦声场的特性变化因子k/t，并由此按式（3）确定有机玻璃楔块 中的前向倾角β＇.④ 确定探头中心到探头与工件接触面的垂直距离h.具体方法是按式（10）预先设定E1为2mm，已知b 、δ、βk，即可算出h.⑤由式（7）确定楔块高度H，并根据对探头前沿的长度要求对高度H加以修正.⑥确定楔块的长度L.式（8）中的δ〃是入射点和探头中分线下部棱角的连线与前下棱边之间的夹角，它在AA＇已经确定的前提下实际上也已经确定，但是根据被探工件的实际要求，探头的前沿长短不同，所以具体选用L时要根据实际情况加以修正.⑦根据式（11）确定E2，计算中δ要根据实际情况加以修正.需要说明的是δ＇这个值实际和δ值（横向倾角）相差甚微，在计算时可以用δ代替.

2纵波斜射双晶探头的计算结果和对实际研制探头的试验结果

表1给出了纵波斜射双晶探头不同条件下所得声压的计算结果，已设定参数E1＝2 m m,AA＇=11.7 mm.
由表1可知，在垂直探测深度为120 mm时，相对声压较强的是45°折射角 38 mm×17 mm的晶片和60°折射角40 mm×20 mm的晶片.在实际研制时，基本上选用了1 MHz 38 mm ×17 mmd的晶片和45°的折射角.图3即为我们研制的纵波斜射双晶探头的实物照片.

表1纵波斜射双晶探头参数计算

晶片尺寸
/mm 2 探测垂直
深度Df
/mm 折射角
βst bl(β) bl(δ) Pl(β，δ 40×20 120 45° 846.596 8 1.7589 6 1.866 556 6 0.08 3 897 0.017 45 4.069 26 40×20 120 50° 855.546 1 1.729 48 1.866 736 4 0.000 408 5 0.017 45 0.019 69 40×20 120 60° 873.167 3 1.698 28 1.867 081 7 0.091 248 0.017 45 4.408 48 38×17 120 45° 683.626 9 1.758 96 1.866 556 6 0.115 49 2 0.017 45 4.520 79 38×17 120 50° 690.853 5 1.729 48 1.866 736 4 0.050 32 0.017 45 1.958 49 38×17 120 60° 705.082 6 1.6982 8 1.867 081 7 0.075 60 0.017 45 2.949 37

图3纵波斜射双晶探头实验照片

从实验结果可知：
（1）配合德国USIP-12型大功率超声波探伤仪，检查晶粒度为-2级的粗晶护环钢，能清晰地发现垂直深度70 mm处的刻槽反射，信噪比大于10 dB，灵敏度余量30 dB.
（2）用我们研制的BL-1型UT-ET超声—涡流NDE一体化成像系统的A型显示部分配合该探头检查晶粒度为＋2级的三峡水电站上的J型奥氏体钢焊缝，能清晰发现垂直深度为140 mm、直径为3 mm横通孔，信噪比大于10 dB，灵敏度余量35 dB，较顺利的完成了这项研制 的任务.

北京铁道科学仪器厂刘志鹏、北京电力科学研究院毕和平、葫芦岛市机械工业部大件加工厂黄德文等在研制和实验过程中，给予了大力帮助和支持，仅在此表示诚挚的感谢.

郑中兴 男 1937年生 教授em ail bfxb@center njtu.edu.cn
作者单位：北方交通大学理学院，北京 100044

参考文献

1刘金宏.厚壁奥氏体锈钢焊缝超声波探伤研究.见：中国无损检测学会第五届年 会论文集，中国无损检测学会出版，1991.143～146
2Kuklow B.Ultrasonic Testing of Austenitic steel Weld Joints. EightWorld Conference on NDT, 2B6,1976.
3Silber F A. Contribution to Ultrasonic Testing of Austenitic Steel.Elghth World Conference on NDT,2B7,1976.
4Kuppeman D S. Ultrasonic Investigation of welds in Cast Stainless Stee l.Elghth World Conference on NDT,2B8,1976.
5钱其林,宗毛弟.奥氏体不锈钢焊缝超声波探伤研究.辽宁省第六届无损检测年会论文集,1998.