奧氏體不銹鋼因其耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)越等特點(diǎn)而在各工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)各種缺陷，而常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)手段都很難高效地對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的引入為解決這一問(wèn)題提供了一種方法。本文從奧氏體不銹鋼的應(yīng)用背景出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)研究現(xiàn)狀，闡述了相控陣超聲檢測(cè)的基本原理，然后通過(guò)專用試塊的測(cè)試，論證了此檢測(cè)方法是合理的。

奧氏體不銹鋼是一種耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)越的常用材料，常用于制造核電設(shè)備的關(guān)鍵零部件。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中很容易出現(xiàn)熱裂紋，存在一定的安全隱患。因此，奧氏體不銹鋼焊接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)是其投入使用之前的重要工作。常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)手段都能實(shí)施焊縫檢測(cè)，但考慮到操作的安全性和可操作性，超聲檢測(cè)成為最常用的方法。然而，奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中無(wú)相變，且會(huì)出現(xiàn)粗大的柱狀晶體組織，其不均勻性和彈性各向異性非常明顯，會(huì)對(duì)檢測(cè)聲束造成嚴(yán)重的散射，從而影響檢測(cè)的可靠性。因此，奧氏體不銹鋼焊縫的檢測(cè)方法一直是相關(guān)學(xué)者和工程人員的研究重點(diǎn)。近年來(lái)，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，因其具有動(dòng)態(tài)聚焦、成像清晰、靈敏度高、分辨力好、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于奧氏體不銹鋼板對(duì)接焊縫的檢測(cè)。

1 奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫檢測(cè)的難點(diǎn)

奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫檢測(cè)的檢測(cè)一直是無(wú)損檢測(cè)的難點(diǎn)之一，這是由于奧氏體不銹鋼本身的理化性質(zhì)決定的。奧氏體不銹鋼在焊接過(guò)程中無(wú)相變，且會(huì)出現(xiàn)粗大的柱狀晶體組織，其不均勻性和彈性各向異性非常明顯，增加了檢測(cè)難度。奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫的常規(guī)檢測(cè)方法有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)等，這些方法都具有一定的發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷的能力，但也有著各自的缺點(diǎn)。射線檢測(cè)是奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)的最有效的方法之一，能發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼焊縫中的大多數(shù)缺陷，但對(duì)于平行于射線方向的面積型缺陷則無(wú)能為力，并且射線對(duì)人身有害，可操作性不強(qiáng)。滲透檢測(cè)只能檢測(cè)出焊縫表面的開口缺陷而無(wú)法檢測(cè)出工件內(nèi)部缺陷，使用具有很大的局限性。常規(guī)的脈沖反射式超聲檢測(cè)對(duì)面狀型缺陷檢出率也比較高，但由于奧氏體焊縫處晶粒粗大而對(duì)超聲波產(chǎn)生嚴(yán)重衰減，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外在較早的時(shí)期就已經(jīng)將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)上了，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前在低頻TRL相控陣超聲聲場(chǎng)建模仿真、成像和信號(hào)處理技術(shù)、儀器研制和參數(shù)優(yōu)化及工藝改進(jìn)等方面都有了很多研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，市場(chǎng)上也有了很多成熟的技術(shù)。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究也取得了不少成果。清華大學(xué)從相控陣超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度，分析了各向異性材料對(duì)相控陣聚焦的影響，為實(shí)驗(yàn)和模擬研究相控陣超聲檢測(cè)奧氏體不銹鋼材料的技術(shù)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。南昌航空大學(xué)對(duì)預(yù)制的氣孔和夾雜缺陷的奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)方法研究，發(fā)現(xiàn)相控陣超聲檢測(cè)方法比其它方法具備更大的檢測(cè)范圍，并實(shí)現(xiàn)了缺陷的有效評(píng)價(jià)。大連理工大學(xué)針對(duì)核電站厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫的難點(diǎn)，建立了相應(yīng)的離心鑄造奧氏體不銹鋼焊縫模型，并相控陣超聲聚焦特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用低頻聚焦探頭可以提高檢測(cè)深度，反之亦然。這些研究都對(duì)國(guó)內(nèi)奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)提供了重要的參考。

3 相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)全新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，近年發(fā)展非常迅速。該技術(shù)最初主要用于醫(yī)療領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域。超聲相控陣換能器的工作原理是基于惠更斯—菲涅耳原理。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括陣列式換能器、相位控制、聚焦調(diào)節(jié)和成像控制等。換能器是相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備的超聲波子聲源，一般是將多個(gè)陣元按一定的規(guī)律排列成陣列。陣列換能器發(fā)出聲波后，由計(jì)算機(jī)控制各個(gè)陣元發(fā)射和接收延遲時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)聲束波面方向的控制和各種聚焦模式。與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣超聲檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、可視化成像等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于缺陷的定量表征。相控陣超聲檢測(cè)原理圖如圖1所示。

在相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)中，由計(jì)算機(jī)控制的聲束掃描方式主要有線性掃描、動(dòng)態(tài)深度聚焦和扇形掃描三種。圖像顯示模式主要有A掃查模式、B掃描模式、C掃描模式、D掃描模式和S掃查模式五種。聚焦方式可以采用投影聚焦、真實(shí)深度聚焦、半聲程聚焦和聚焦平面聚焦四種方式。

4 相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

4.1 參數(shù)的選擇

為了提高檢測(cè)可靠性、準(zhǔn)確性和檢測(cè)效率，本文首先進(jìn)行相控陣聲場(chǎng)模擬研究，尋找最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)。仿真過(guò)程采用了CIVA軟件對(duì)奧氏體不銹鋼對(duì)接試塊進(jìn)行建模，仿真橫波45°和縱波30°偏轉(zhuǎn)角度時(shí)不同聚焦深度下的聲場(chǎng)。仿真表明，聚焦深度增大時(shí)焦點(diǎn)區(qū)域聲場(chǎng)能量分布更均勻。

在實(shí)際檢測(cè)時(shí)依據(jù)不同厚度的試塊選取能夠覆蓋該試塊厚度的聚焦深度。為了進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，本文采用ZETEC公司的TOPAZ便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀，配合64單元陣列3.5MHz探頭（3.5MHz64elts Matrix Array）進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較大的波長(zhǎng)使得柱狀組織對(duì)超聲波的衰減影響減小，而在奧氏體不銹鋼中縱波波長(zhǎng)是橫波波長(zhǎng)的兩倍，因此，當(dāng)試塊厚度較小時(shí)應(yīng)采用橫波檢測(cè)。在滿足其它條件的情況下，檢測(cè)頻率應(yīng)盡可能提高。本文采用3.5MHz探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2 相控陣超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)加工了厚度為10mm和40mm的焊縫試塊各一塊，表面加工了模擬缺陷的U型槽，分別采用縱波檢測(cè)和橫波檢測(cè)兩種方法進(jìn)行對(duì)比研究，如表1。

4.2.1 縱波檢測(cè)

縱波檢測(cè)采用A掃和S掃查方式，扇掃偏轉(zhuǎn)角約為±35°。頻率為3.5MHz，64晶片。在焊縫兩側(cè)結(jié)合編碼器進(jìn)行柵格掃查，保證了聲束可以覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域。厚度10mm和40mm的焊縫試塊分別在12.5mm和45.5mm的深度進(jìn)行聚焦。實(shí)驗(yàn)表明，相控陣超聲回波能量非常集中，缺陷回波清晰可見(jiàn)。U型槽深度檢測(cè)誤差見(jiàn)表1，10mm和40mm試塊的U型槽深度檢測(cè)誤差分別僅為-0.2和0.3mm，準(zhǔn)確度非常高。

4.2.2 橫波檢測(cè)

采用3.5MHz，64晶片的相控陣探頭對(duì)同一試塊進(jìn)行橫波檢測(cè)，同樣采用A掃和S掃描方式，結(jié)果表明，缺陷回波清晰，聲束能量集中。高度定量誤差為0.4mm和0.3mm。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用1.5MHz相控陣探頭（1.5M32×2E64-15）時(shí)回波能量較低，波束變形嚴(yán)重，分辨率大大下降，很難對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別與評(píng)價(jià)。值得注意的是，橫波在奧氏體不銹鋼中存在較嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，采用橫波檢測(cè)并非廣泛適用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用CIVA軟件仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式，對(duì)厚度為10mm和40mm的奧氏體不銹鋼板對(duì)接焊縫模擬試塊分別進(jìn)行了橫波和縱波的相控陣檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明，檢測(cè)誤差均在0.4mm以內(nèi)，但縱波檢測(cè)的精度比橫波檢測(cè)要高。

隨著工業(yè)的發(fā)展，超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。不難預(yù)測(cè)，未來(lái)的超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將朝著聲場(chǎng)建模和仿真、二維相控陣探頭設(shè)計(jì)、圖像顯示與重建、自適應(yīng)聚焦、全自動(dòng)檢測(cè)等方向發(fā)展，超聲相控陣系統(tǒng)無(wú)論是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、相控陣超聲檢測(cè)計(jì)算模型，還是在設(shè)備更新?lián)Q代、檢測(cè)實(shí)踐的加深等方面都將有長(zhǎng)足的進(jìn)步。