圖 1 檢測系統實物
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勢，成為我國核能的重要發展方向之一[1-6]。TMSR的主體結構材料是我國自主研發的耐熔鹽腐蝕合金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、檢測數據可保存等優點[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，業內逐漸開始采用雙面陣相控陣（DMA）探頭。DMA探頭采用一發一收的晶片排布陣列模式，產生菱形物理聚焦區，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域即焦柱處產生聚焦，其聲場特性是在焦柱內能量集中度、分辨率和靈敏度高，但焦柱外聲場發散嚴重[21]。實際相控陣探頭只能在近場區內聚焦[22]。隨著聚焦聲程的增加，焦柱的寬度和長度也隨之增大，并逐步趨向穩定。明確相控陣探頭在工件內的焦柱需根據探頭類型、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內聚焦，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，導致缺陷定量產生偏差。同時，與缺陷發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。
1. 試驗設備與方法
1.1 檢測系統
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。楔塊的具體參數如表1所示。
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
Table 1. 楔塊參數
| 楔塊類型 | 聲速/（m · s－1） | 入射角/（°） | 屋頂角/（°） | 第一陣元高度/mm | 邊緣晶片間距/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| M27-DN60L-IHC FD25 | 2 330 | 20 | 2.8 | 7.25 | 16.08 |
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。
Table 2. 聚焦法則參數
| 聚焦法則 | 入射角/（°） | 掃查方式 | 探頭前端距/mm | 聚焦方式 | 聚焦聲程/mm | 掃查角度范圍/（°） | 角度步進/（°） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 扇形掃查 | 6，0，－6，－12 | 等聲程 | 8，13，18，23，28 | 10~80 | 1 |
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。可知聚焦聲程相同時，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。在相同的工藝參數下，調整增益，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
Table 3. 測量缺陷的當量值
| 探頭前端距/mm | 聚焦聲程/mm | 缺陷當量值/dB |
|---|---|---|
| 6 | 8 | －0.88 |
| 13 | －2.02 | |
| 18 | －1.42 | |
| 0 | 8 | －0.68 |
| 13 | －1.32 | |
| 18 | －2.32 | |
| 23 | －3.22 | |
| 28 | －4.02 | |
| －6 | 13 | －0.52 |
| 18 | －1.02 | |
| 23 | 1.18 | |
| 28 | －0.52 | |
| －12 | 13 | －8.42 |
| 18 | －6.82 | |
| 23 | －2.02 | |
| 28 | －5.32 |
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。缺陷定位數據如表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
Table 4. 缺陷定位數據
| 探頭前端距 | 聚焦聲程 | 缺陷深度 | 距焊縫中心水平距離 |
|---|---|---|---|
| 6 | 8 | 12.64 | 5.1 |
| 13 | 12.81 | 4.9 | |
| 18 | 13.97 | 2.2 | |
| 0 | 8 | 8.85 | 7.9 |
| 13 | 11.10 | 6.4 | |
| 18 | 11.64 | 5.8 | |
| 23 | 11.67 | 5.7 | |
| 28 | 11.81 | 5.8 | |
| －6 | 13 | 11.60 | 5.9 |
| 18 | 11.64 | 5.8 | |
| 23 | 11.48 | 6.4 | |
| 28 | 12.55 | 5.4 | |
| －12 | 18 | 12.12 | 5.1 |
| 23 | 12.60 | 4.7 | |
| 28 | 13.53 | 4.1 |
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
Table 5. 測量得到的缺陷長度
| 探頭前端距 | 聚焦聲程 | 測出缺陷長度 |
|---|---|---|
| 6 | 8 | 4 |
| 13 | 5 | |
| 18 | 5 | |
| 0 | 8 | 5 |
| 13 | 6 | |
| 18 | 5 | |
| 23 | 8 | |
| 28 | 8 | |
| －6 | 13 | 6 |
| 18 | 7 | |
| 23 | 6 | |
| 28 | 7 | |
| －12 | 18 | 9 |
| 23 | 7 | |
| 28 | 10 |
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和工件中近場區長度N可表示為[24-25]
|
|
(1) |
|
|
(2) |
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，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，與缺陷發生相互作用的聲束偏轉角度為58°，該聲束的近場區長度約為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
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