奥氏体不锈钢焊缝超声检测国内研究进展

宋鹏 曹素红 曹玉库 吕静波

摘 要：奥氏体不锈钢焊缝由于其晶粒粗大，声学特性各向异性，致使奥氏体不锈钢焊缝超声检测信噪比低以及缺陷定位定量困难，成为超声检测的一大难题，本文详细介绍了国内无损检测人员针对其检测难点开展的研究和试验工作以及提出的相应解决方案，然而在实际应用过程中，经济性和检测的难易程度成为其推广应用的障碍，一种检测简单并且经济可行的超声检测方法有待进一步的研究。

关键词：奥氏体不锈钢；焊缝；超声波检测

奥氏体不锈钢由于具有抗腐蚀性、抗氧化性以及屈服强度高等优良性能而被广泛的应用在石油化工，机械制造和压力容器等行业，在奥氏体不锈钢压力容器生产制造中，难免遇到纵、环焊缝不能采用射线检测的情况，但是根据设计文件或相关标准规定，压力容器此类焊缝应当采用射线或者超声波检测，因此对奥氏体不锈钢焊缝进行超声波检测势在必行，然而，奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测技术一直是制约其发展的一大瓶颈，这与其内部组织结构密切相关[ 1-2 ]。

1 奥氏体不锈钢焊缝组织结构特点

奥氏体不锈钢相对碳钢具有较小的热导率，并且奥氏体不锈钢焊缝凝固时未发生组织相变，室温下以铸态柱状奥氏体晶粒存在，这种柱状晶晶粒粗大，组织不均匀，具有明显的各向异性；柱状晶与母材存在明显的异质界面；奥氏体不锈钢焊缝组织对超声检测而言是一种弹性非匀质材料，对超声检测的主要影响主要体现在以下几个方面：

1.1 粗大晶粒的影响

超声波声能衰减大小和晶粒直径与超声波长的比值相关，当晶粒直径接近超声波波长的1/10时，就会有明显的声散射，当晶粒直径达到半个波长时，声散射剧增，奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大，声散射严重，散射回波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上显示杂乱的草状回波，导致检测信噪比严重下降。

1.2 各向异性的影响

超声波在各向异性介质中传播时，声衰减值和声速大小都受波束方向和晶轴之间夹角的影响，并且超声能量的传输方向并不与波前相垂直，造成超声波声束被扭曲，给缺陷定位定量造成困难。

1.3 异质界面的影响

奥氏体不锈钢焊缝熔合面与基体组织差异显著，超声波束入射到该熔合面会发生反射、折射和波形转换，产生假信号，另外焊缝晶粒间的界面反射回波叠加累积也会产生假信号，给缺陷的识别带来困难。

2 奥氏体不锈钢焊缝超声检测研究

根据奥氏体不锈钢焊缝组织结构特点可知，要实现奥氏体不锈钢焊缝的超声检测，必须解决的问题为：

①提高奥氏体不锈钢焊缝的检测信噪比；

②提高缺陷定位定量精确度。

自上世纪以来，许多无损检测研究学者和工程技术人员从以上两个方面对奥氏体不锈钢焊缝的超声检测技术进行了大量的理论研究和试验工作。

2.1 提高奥氏体不锈钢焊缝的检测信噪比

奥氏体不锈钢晶粒粗大，声衰减严重，致使缺陷信号混杂于草状回波之中，示波屏上难以识别缺陷，因此严重影响缺陷的检出率。声衰减程度取决于超声波长与晶粒大小的比值和频率的高低，在检测波形选择上，纵波波长比横波大，对声能的衰减较小，另外频率越低，声衰减越小，因此理论上认为采用低频纵波检测可能会提高不锈钢焊缝的检测信噪比，不少研究学者以此为突破口，对其展开一系列的研究工作。

陈明[ 3 ]等分别采用频率为2.5MHz的K2横波斜探头和纵波斜探头对5.5mm和10mm的奥氏体不锈钢对接焊缝工件进行超声检测试验研究，检测之前进行奥氏体不锈钢焊缝和碳钢焊缝衰减系数的测定，结果表明：奥氏体不锈钢焊缝和碳钢焊缝的衰减系数分别为0.132dB/mm和0.062dB/mm，奥氏体不锈钢焊缝对超声波存在严重的衰减；纵波的检测能力优于横波，纵波斜探头检测奥氏体不锈钢焊缝的信噪比高于横波斜探头，信噪比能达到12dB；然而，纵波斜探头也存在一些缺陷：①缺陷反射波较宽及信号游动范围大，使得信号间相互干扰，不利于缺陷的准确判断；②纵波斜探头中伴有横波会影响检测结果的准确性；③与同频率横波相比纵波的指向性差，分辨率较低。

崔建英[ 4 ]等从电端口和力阻抗端口采取措施，首先在背衬端口加以改进，然后与仪器匹配时再在探头的电端口采取一定措施，得到了脉冲较窄、灵敏度较高的探头，并自制60mm厚奥氏体不锈钢焊缝试块，对比研究普通探头、美国EPOCH-2002上的V403窄脉冲探头和自制窄脉冲探头对焊缝缺陷的检测能力，试验发现：普通探头难以检测60mm厚的奥氏体不锈钢焊缝，自制窄脉冲纵波斜探头检测灵敏度高、信噪比大，对60mm厚的不锈钢焊缝具有很好的检测能力。

郑中興[ 5 ]设计了一种双晶纵波斜探头，采用一发一收的T-R方式，增长了传播路径，消除了近场范围的噪声，并配以低频和大尺寸晶片，使得声能衰减明显减小，在随后的三峡水电站奥氏体不锈钢焊缝超声检测中取得了良好的效果。

2.2 提高缺陷定位定量精确度

缺陷的准确定位定量对于焊缝的返修至关重要，由于奥氏体不锈钢焊缝造成声束的扭曲，致使缺陷反射回波声程实际值和理论值不符，使得检测人员对缺陷难以准确定位定量，和世海[ 6 ]等将奥氏体不锈钢焊缝超声检测得到的缺陷指示长度与射线影像进行对比，发现实际检测缺陷尺寸与缺陷的真实尺寸之间的测量误差近似为±6mm，张鹰[ 7 ]等自制带有人工反射体的试块，经超声检测发现焊缝中人工发射体的深度偏差最大可达到2.3mm，因此一种精确定位定量方法的问世一直激励着众多超声检测人员。

张富生[ 8 ]等采用双晶纵波斜探头并自制对比试块研究奥氏体不锈钢焊缝的缺陷定位方法，发现随着焊缝厚度的不断增加，其可探性下降，效果并不理想。

张鹰[ 7 ]等制作与实际焊缝尺寸一致的试块，在其上制作一定数量的同深度、不同水平位置的人工反射体，并测定每个反射体的反射强度，将焊缝划分多个区域，利用插值法获得焊缝各个区域的反射强度，制成二维距离波幅表，以此作为评定的基准，采用60mm厚的不锈钢焊缝进行验证，发现检测结果与射线检测结果偏差为±4mm，在一定程度上可提高缺陷定位定量的准确度。

经过大量的研究和试验工作，无损检测人员对奥氏体不锈钢焊缝的超声检测难点已有一定程度的认知和解决方法，为了将其应用于实际的压力容器制造中，国内初步形成了关于奥氏体不锈钢焊缝的推荐性标准JB/T4730.3-2005附录N（以及随后的NB/T47013.3-2015附录I）。

张延奎[ 9 ]依据标准对奥氏体不锈钢焊缝进行现场检测工作，结果发现虽然依据标准能顺利进行距离-波幅曲线的制作，然而在实际检测过程中依然存在诸多问题：

①超声波检测厚度大于30mm的焊缝时，衰减严重，信噪比低；

②探头价格昂贵；

③焊缝只能从单面双侧或单面单侧进行扫查时，由于焊缝余高需要去除至与基体齐平难度较大，无形中给检测加大了难度。

3 结语

针对奥氏体不锈钢焊缝超声检测两大难点，国内无损检测人员做了大量的研究和试验工作，并提出了相对应的可行性解决方案，然而在实际应用过程中，经济性和检测的难易程度成为其推广应用的障碍，一种检测简单并且经济可行的超声检测方法有待进一步的研究。

参考文献：

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

[2] 孙晓娜，郑茂尧，佘玥霞，赵江达，李丰亭.厚板奥氏体不锈钢焊接技术及焊缝超声波检测的研究进展.2008，49（S2）：119-127.

[3] 陈明，安大为，闫留青，唐超.探讨奥氏体不锈钢焊缝超声检测方法.中国机械.

[4] 崔建英，赵中龄，徐贺，李明.奥氏体不锈钢焊缝超声波探头的研制.北方交通大学学报.1997，21（4）：472-475.

[5] 郑中兴.大厚度奥氏体钢焊缝超声检测用纵波斜射双晶探头研制.北方交通大学学报，1999，23（3）：115-119.

[6] 和世海，辛宇.奥氏体不锈钢焊缝超声波探伤.中國科技投资，2013：178.

[7] 张鹰，张延丰，雷毅.奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测方法研究.无损检测，2006，28（3）：119-122.

[8] 王发民，张富生.奥氏体不锈钢焊缝中缺陷的超声波定位方法.压力容器.2006，23（9）：47-49.

[9] 张彦奎.奥氏体不锈钢焊缝超声检测实际应用.现代工业经济和信息化，2015，5（4）：52-54.

作者简介：

宋鹏（1986-），男，汉族，河南上蔡县人，硕士，助理工程师，主要工作方向为压力容器制造和检验。