大厚度奥氏体不锈钢焊缝的超声探头设计

胡华勇　张洪　张郁

【摘 要】奥氏体不锈钢在工业中应用广泛，但其在焊接过程中容易产生缺陷，这些缺陷会导致事故的发生。超声检测可以有效地检测出焊缝中的缺陷，但由于奥氏体的晶粒尺寸粗大，会导致缺陷信号被噪声掩盖。针对此问题，本文设计了一组适用于大厚度奥氏体焊缝检测的超声探头，最终提高了检测结果的可信度。

【关键词】奥氏体;焊缝;超声;探头

中图分类号： TG441.7;TM623.2文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）13-0022-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.010

Design of Ultrasonic Probe for Large Thickness Austenitic Stainless Steel Weld

HU Hua-yong1 ZHANG Hong2 ZHANG Yu2

（1.Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute Branch of Wuxi， Wuxi Jiangsu 214174， China; 2.School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi Jiangsu 214122， China）

【Abstract】Austenitic stainless steel is widely used in industry， but it is prone to produce defects in the welding process， which will lead to accidents. Ultrasound detection can effectively detect defects in welds， but because of the large grain size of austenite， the defect signal will be covered by noise. In order to solve this problem， a set of ultrasonic probes suitable for detecting large thickness austenitic welds are designed in this paper， which ultimately improves the reliability of the test results.

【Key words】Austenitic; Weld; Ultrasonic; Probe

0 序言

金属材料在焊接时会产生缺陷，从而导致设备的安全可靠性降低[1]。而超声检测可以有效地检测出金属焊缝中各种类型的缺陷。但大厚度焊缝中材料晶粒的声衰减系数较大，超声波在焊缝中会产生剧烈的衰减，严重时会导致检测声束根本无法穿透焊缝。常用的超声探头虽然通用性较强，但是由于上述原因的限制，并不适用于奥氏体焊缝的检测。

针对超声波无法穿透大厚度奥氏体焊缝的难题，本问根据超声探头的设计准则，定制了一组双晶纵波聚焦探头。又制作了含有人工反射体的奥氏体不锈钢焊缝对比试块，用来检测定制探头组的检测效果。结果表明了这组探头在焊缝试块上具有良好的检测效果，为大厚度奥氏体不锈钢焊缝的超声检测提供了可行的解决方案。

1 对比试块的设计与制作

超声检测中，被检工件是评判仪器和探头性能优劣的基础。而对比试块的材料与被检工件的性能相似，且含有人工反射体，可用来评价超声检测工艺的检测效果，是开发超声检测工艺必备的器材。

NB/T 47013.3-2015的附录I《奥氏体不锈钢对接接头超声检测方法和质量分级》中，对10mm-80mm的奥氏体接头做了明确规定，且制订了3种厚度的对比试块标准，分別为25mm、45mm和80mm。

这3种试块的宽度统一设置为120mm，其中前后两侧分别有设置有深度为40mm的横孔，中间40mm为探头预留了足够的检测空间，防止探头同时检测到两侧的横孔而产生干扰。

横孔的直径统一为2mm，以方便使用当量法评判实际焊缝中的缺陷。横孔的间隔随着试块厚度的增大而增大，80mm厚的试块中横孔的间隔为20mm。常用检测方法需在焊缝两侧实施直射法检测，但部分情况下可能只有单侧检测的条件，焊缝中的横孔设计需要兼顾以上两种情况，因此焊缝的中心线和熔合线的一侧都需要设置横孔。试块的长度并没有明确的设计规定，需要满足探头的扫查范围即可。

为了使研究成果具有更大的适用范围，本文在国家标准中最大厚度80mm的基础上，经过推广和重新设计，得到厚度更大的对比试块，具体尺寸如下：

a.为达到100mm厚度的检测效果，适当放大尺寸，使试块的厚度为120mm，保证100mm深度附近可以设置横孔;

b.超声波的传播有一定扩散性，且在大厚度试块中的传播距离显然比小厚度试块中的更大，因此需放大试块宽度，防止检测时前后两侧的横孔相互干扰，最终将试块的宽度定为130mm;

c.试块的长度关系到探头在工件表面上移动时能否扫查到全部焊缝，结合常用斜探头的角度值，以及考虑到国家标准中80mm厚对比试块长度为200mm，最终将对比试块的长度设置为350mm。

结合现有的金属原材料，最终设计出的试块尺寸如图1所示。

2 探头参数

2.1 超声波类型的选择

超声波分为横波和纵波，对于奥氏体焊缝来说，检测时一般使用纵波探头。相比于纵波，横波的波长更短，而奥氏体焊缝的晶粒具有较大的尺寸，当晶粒尺寸接近声波的波长时，会造成严重的散射问题。在大晶粒的焊缝组织中，相同频率下横波衰减是纵波的24倍[2]，能量衰减也会高一个数量级[3]。

同样是波速的影响，横波在穿过奥氏体焊的多层界面时，会产生比纵波更大的反射和折射角度。其次，焊缝对于超声波来说是一种各向异性的介质，横波在这种介质中传播时的扭曲角度也更大。横波的这两个问题都会给缺陷定位带来各种各样的问题，因此一般选用纵波探头。

2.2 晶片类型的选择

超声波声束携带能量的多少与探头晶片的面积大小成正比，检测大厚度奥氏体焊缝时，为了使超声波有足够的能量到达缺陷位置，因此应使用晶片面积较大的探头。

为了进一步提高超声波的穿透能力，选用聚焦式探头。这种探头可将声束聚集在特定区域，增强该位置的检测灵敏度。常见的双晶聚焦探头有两个晶片，一个用来发射超声波，另一个用来接收超声波，并且两个晶片之间有一个特定的夹角，这样可以减少干扰信号的产生，提高信噪比。但一个双晶聚焦探头只能检测特定的深度，在检测大厚度的对比试块时，则需要使用多个不同聚焦深度的双晶探头。

2.3 中心频率的选择

常用超声探头的中心频率一般在0.5MHz到2.5MHz的范围内，具体频率的选择需要综合两方面的因素：一是超声波能否穿透大厚度的金属材料，二是超声回波中缺陷的可辨别性。

探头的中心频率过大时，超声波波长会变短，当波长小于晶粒尺寸时，散射会严重增加，因此中心频率过大的超声探头不适宜用在奥氏体焊缝的检测上。而探头频率过小时，超声波的波长过长，导致部分微小缺陷无法检出，且大尺寸缺陷在超声信号中的回波会变长，检测波形的分辨率又会不足。综合上述两方面的影响因素，大厚度奥氏体焊缝的检测应使用2MHz的超声探头[4]，针对特定应用场景时可再微调。

2.4 探头形式的选择

根据超声波声束穿过工件表面后的折射角，可将超声探头分为直探头和斜探头两个类型，直探头的超声波垂直入到被检工件表面，即折射角为90°，而斜探头的折射角一般小于90°。

用斜探头检测浅层深度的缺陷时，考虑到探头的前沿与焊缝的宽度，以及需要预留一些空间供探头移动。如果考虑到更表层深度的缺陷，可能需要更大角度的斜探头，如此大角度的探头制作很困难。

基于上述原因，检测浅层深度的缺陷时应使用双晶纵波聚焦直探头。因此大厚度奥氏体焊缝的检测总结如下：焊缝需要分区检测，浅层区域中使用双晶纵波聚焦直探头，深层区域中使用双晶纵波聚焦斜探头。

2.5 探头的定制

根据前几节的分析，按照分区检测的原则，最终定制了如表1所示的双晶纵波聚焦探头组。需要注意的是，使用直探头检测前需要将对比试块的上表面磨平，以确保耦合效果。

3 實际测试与结果

对比试块实物，以及使用定制探头的检测实验见图2。为了检验定制探头的检测效果，将其与普通的探头做对比，本文选用的普通斜探头的型号为8×12K2.5、8×12K2、13×13K1。字母K前的参数为晶片面积，K后的参数为探头角度。这些探头的频率统一为2.5Mhz，主要研究探头晶片面积与角度对检测效果的影响，其中两个较小探头的晶片尺寸相同，仅有探头角度存在差异，而体积最大的探头在晶片尺寸和角度两个参数上均与前两个探头不同。普通探头与定制探头的典型检测结果见图3.

3.1 探头与熔合线横孔为同侧时的检测效果

探头与熔合线横孔为同侧时，超声波只需要穿过不锈钢母材，不需要穿过焊缝，因此声衰减较小。8×12K2.5与8×12K2的探头因其角度较大，只能覆盖到30mm、50mm深度的横孔。13×13K1的晶片面积比较大，且衰减较低，检测30mm、50mm、70mm、90mm深度的横孔时，回波幅度全部超出仪器显示屏幕，检测110mm的横孔时，由于扩散衰减等原因，回波幅值略有降低。而由于角度不足的原因，三个探头都无法清晰地检测到10mm处的横孔。

而使用定制的双晶纵波探头时，每个探头都可以检测到对应深度的横孔，且杂波较少，可从超声信号中准确分辨出反射体回波信号。

3.2 探头与熔合线横孔为异侧时的检测效果

在焊缝异侧检测横孔时，超声波需要穿过的焊缝组织大大增加，小晶片探头反射的超声波能量不足，同时考虑到探头角度因素，8×12K2.5与8×12K2的两个探头勉强检测到30mm深度的横孔。而13×13K1探头可以检测到50mm、70mm、90mm、110mm的横孔，但回波幅度都远小于同侧检测时对应的回波幅度，且杂波更多。

而使用定制的双晶纵波探头时，检测回波中出现少量杂波，但检测回波的幅度明显更大，效果明显比普通斜探头更有优势。

3.3 探头在焊缝中心线上横孔的检测效果

检测焊缝中心线上的横孔，超声波也需要穿过一定距离的焊缝组织，因此普通探头的检测效果均不理想。8×12K2的探头勉强可以检测到50mm深度处的横孔，但幅值较小，无法确定是否为有效缺陷反射波信号。而13×13K1的探头可以检测到70mm、90mm、110mm处的横孔，虽然有一定杂波，但可以从中分辨出人工反射体。

异侧检测熔合线上的横孔时，超声波会穿过更多的焊缝，检测中心线上的横孔时，超声波会穿过更少的焊缝，因此110mm深度的横孔在中心线上的检测效果比异侧熔合线上的效果好，但不如同侧熔合线上的效果好。但检测70mm和90mm的横孔时，异侧熔合线检测的效果比中心线检测的效果好，主要是由于声束与晶粒夹角之间的影响。

而使用定制的双晶纵波探头时，每个探头都可以检测到对应深度的横孔，杂波比异侧检测时更少，且可从超声信号中准确分辨出反射体回波信号。

4 结论

本文分析了国标中奥氏体不锈钢焊缝试块的设计准则，经过推广后，设计并制作出了厚度更大，且适用性更强的对比试块。

以试块为检测对象，设计制作了一组大晶片双晶纵波聚焦探头，得到了比普通超声探头更好的检测效果，同时验证了探头的晶片类型、中心频率和探头形式等参数对检测结果的影响，为大厚度奥氏体不锈钢焊缝的超声探头设计提供了可靠的依据。

【参考文献】

[1]刘旭，夏金东，弓乐，等.射频信号在超声检测缺陷识别中的应用研究[J].机械工程学报，2002，38（4）：84-87.

[2]卢威，聂勇，许远欢，et al.宽频带窄脉冲TRL探头在奥氏体不锈钢焊缝超声检测中的优越性[J].无损检测，2013，35（6）：77-80.

[3]薛拥军，张礼典，赖德海.大厚度异种钢奥氏体焊缝超声波检测[J].无损检测，2008，30（11）：816-819.

[4]原栋文，刘学锦，牛向东.厚壁奥氏体不锈钢焊缝超声检测试块的制作和探头的调校[J].石油化工设备技术，2018，39（2）.