奥氏体钢中径管焊缝超声爬波探伤工艺方法研究
摘要：研制开发的超声波爬波探头和试块群取代传统的横波检测，对奥氏体中径管焊缝进行全面检测，可在距焊缝30 mm处采用水平定位对缺陷进行定性和定量评价，并阐述了爬波对壁厚≤18mm中径管焊缝检测原理、特点和工艺方法。
关键字：奥氏体中径管焊缝超声爬波缺陷无损检测
1前言
随着耐高温、高强度、抗疲劳性能优良的新材料不断增加和广泛应用，对高合金材料检测技术提出了新的要求。
我国目前尚无有效的检测方法，为此研究采用超声波检测方法检测奥氏体氏体不锈钢焊缝，建立新的检测手段至关重要。
研制出的奥氏体钢超声波爬波对比试块是解决检测的必要手段，采用研制的爬波探头经对比试块已知量与未知量的比较，确定检测灵敏度，确定检测中发现的缺陷当量尺寸与指示长度，最终做到准确判断缺陷的大小及缺陷类别。
爬波又称为表面下纵波，是接近表面传播的纵波，能探测近表面的缺陷，对表面的粗糙度不敏感,入射角位于第一临界角附近（有机玻璃内）的探头可在钢中产生爬波，该探头被称为爬波探头。
由图1所示爬波探头声场示意图可见，爬波探头所激发的声场具有多波型的特征，在产生爬波的同时还产生了33°左右的横波和头波。
在探头固定不动的条件下，爬波和横波是从入射点附近向外辐射的；而头波是为满足自由边界条件，纵波沿表面传播的过程中不断辐射出的横波。
在探头固定不动的条件下，头波的辐射点是不固定的,是在爬波传播过程中不断从爬波所在点向外辐射的。
图2为爬波探头所激发的声场指向性，可以看出，在测量条件（空气/钢界面）下，爬波主瓣的折射角约为75°。
图1 爬波探头声场示意图图2 爬波指向特性图
2.试验分析
2.1超声波爬波探头的研制
根据探测距离选择适当的晶片面积和频率，采用弧度并
联式爬波探头型貌及设计见图3。
图3 爬波探头示意图
2.2探头频率、晶片规格与对应的被探管道规格编号见表1。
表1 探头频率、晶片规格与对应的被探管道规格编号
探头连线168、φ133、φ108、φ89、φ76以及平面等多种规格。
2.3试验仪器
数字式超声波探伤仪：H611
模拟式超声波探伤仪：ST-46
2.4试验管道焊接接头、试块材料情况见表2.
2.5.2模拟缺陷的制作
采用5种规格奥氏体材料（304）中径管对接焊缝，在焊缝根部及外加强面加工成为模拟未焊透和一定角度裂纹的槽。
详见图5～7：
图5 中心切槽图6 坡口切槽
加工要求：
1、中心切槽：长：10mm，宽：0.4mm。
2、坡口切槽：长：10mm，角度：25°，宽：0.4mm。
3、切槽的自身高度是在焊缝余高磨平的基础上测量为
3mm，所有的焊缝内外表面焊缝余高都要磨平，以工件
表面为基准面，然后对表面进行氩弧焊盖面，熔深1mm。
4、其中①、②为深1mm的切槽，③、④深2mm的切槽
5、试件规格数量：
φ76×10mm 2只；φ89×14mm 2只；φ108×16mm 2
只；φ133×16mm 2只；φ168×18mm 2只图7 模拟缺陷
2.6试验分析
图8 上焊缝中心加工刻槽图9 下焊缝中心加工刻槽
2.6.1 在上焊缝中心加工深度1mm,长度10 mm，宽度0.4mm，与焊缝表面垂直的刻槽，深度以管壁为基准面，见图8。
经与对比试块做比较，上焊缝中心深度1mm、长度10 mm、宽度0.4mm的槽比同深的φ2mm的通孔波高低8~9d B，见表4。
同样类似于图8，将加工深度改为2mm，其他不变，经测试得表5，经与对比试块做比较，上焊缝中心深度2mm、长度10 mm、宽度0.4mm的槽比同深的φ2mm的通孔波高低3~4d B。
2.6.2 在下焊缝中心加工深度1mm,长度10 mm，宽度0.4mm，与焊缝表面垂直的刻槽，深度以管壁为基准面，见图9。
经与对比试块做比较，下焊缝中心深度1mm、长度10 mm、宽度0.4mm的槽比同深的φ2mm的通孔波高低3~4d B，见表6。
同样类似于图9，将加工深度改为2mm，其他不变，经测试得表7，经与对比试块做比较，下焊缝中心深度2mm、长度10 mm、宽度0.4mm的槽比同深的φ2mm的通孔的波高3~4d B。
图10 上焊缝加工裂纹图11 下焊缝加工裂纹
2.6.3 在上焊缝熔合线坡口处加工深度1mm,长度10 mm，宽度0.4mm，与法线夹角25°裂纹。
(深度以管壁为基准面) 见图10，经测试得表8。
同样类似于图10，将加工深度改为2mm，其他不变，经测试得表9。
2.6.4 在下焊缝熔合线坡口处加工深度1mm,长度10 mm，宽度0.4mm，与法线夹角25°裂纹。
(深度以管壁为基准面)见图11，测试结果见表10。
同样类似于图11，将加工深度改为2mm，其他不变，经测试得表11。
图12 焊缝根部加工平底孔图13 焊缝加强面加工柱孔
2.6.5 在焊缝根部加工φ1mm平底孔，深度1.0mm。
(孔深以内壁为基准面) 见图12，测试结果见表12。
2.6.6 在焊缝加强面中心加工一只φ1mm柱孔深度1.5mm, (孔深以外壁为基准面)见图13，测试结果见表13。
图15 根部内凹
2.6.7 针对不同规格焊接接头制作根部未焊透（如图14）、内凹（如图15）进行分析信噪比分析，结果分别见表14、15：
3 探伤工艺探讨：
根据不同壁厚研制的专用爬波探头对距表面深度1～18mm内缺陷有足够的灵敏度。
因此应调整θ
角度尽可能找出最大搜索范围。
试验表明爬波回波声速快距离始脉冲较近，同程时横波声速约为爬波的1/2，由于横波产生的信号在时基线上位置滞后，爬波检验时,需要调整位置,以防干扰检测。
3.1探头选择：探伤中必须考虑加工探头弧面，以确保探头移动时的良好吻合，一般可在管径变化5mm～10mm范围内确定一种弧度规格探头,即直径大的探头可以探测直径小1挡的管子。
例如: Φ114mm的探头可以检测Φ108mm的管子。
3.2 时基线扫描的调节：采用深度定位，将探头置于对比试块（材料为304），选择对比试块上5mm、10mm的φ2mm通孔，反复调整为深度1：1比例。
3.3扫查灵敏度的确定：探头置于对比试块，根据被检管子的厚度，参考常规DAC曲线的制作方法制作DAC曲线，然后增益9dB作为扫查灵敏度。
3.4检验：
3.4.1探头沿周向做轴向扫查,应根据反射波位置、幅度进行分析,并以第一簇波中的爬波判断是否为缺陷,判断为缺陷的部位应在焊接接头表面做出标记,并对被标记的缺陷进行检验,并确定其具体位置、最大反射波幅度和指示长度。
当缺陷信号只有一个高点时,用降低6 dB相对灵敏度法测量。
当缺陷信号有多个高点时,应采用端点峰值法。
缺陷指示长度≤5mm应作点状缺陷处理。
3.4.2检测依据:
1）不允许存在的缺陷
单个缺陷回波幅度大于Φ2者。
单个缺陷缺陷回波幅度小于Φ2且指示长度大于5mm者。
2）允许存在的缺陷
单个缺陷回波幅度小于Φ2且指示长度小于5mm者。
4 讨论
4.1采用爬波双晶探头，因发射与接收分开，始脉冲不能进入放大器，避免了阻塞现象，始脉冲后基本无杂波,避免了传统横波检验始脉冲占宽干扰的弊病,由于在远距焊缝30mm处进行扫查，排除了不规则焊缝区对扫查的影响,因此对壁厚≤18mm中径管焊缝进行检验是完全可行的,由于爬波的特性,使它对大口径薄壁管、薄板等传统方法检测困难的的部件有着不可取代的优势，是一种快速直观全新的检验手段,是常规超声波检测的有力补充。
4.2试验得出壁厚≤18mm时，整个焊缝有足够的灵敏度和信噪比，能有效地区分、识别缺陷产生的爬波回波。
4.3试验得出面状缺陷比体积型缺陷反射声压高。
4.4对比试验看出模拟裂纹的取向对定量影响明显,对偏于焊缝中心两侧的上表面面状缺陷，本侧的灵敏度和信噪比相对高于对侧，定量时应引起重视。
4.5 工艺方法仍然需要补充大量试验，以便进一步完善。
参考文献
[1] 廉德良，魏天阳.超声爬波探头声场指向特性的试验研究[A].无损检测.2005
[2] 伯克斯·格林.美国无损检测手册.超声波卷（上卷）[M].世界图书出版公司.1996
[3] 郑晖，林树青.超声检测[M].中国劳动社会保障出版社.2008。
