奥氏体不锈钢焊缝超声衍射时差法检测的有限元仿真及应用

(1.宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048；2.南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室，南昌 330063)

奥氏体不锈钢焊缝结构广泛应用于石油、化工、核电、航空航天等工业领域。由于焊缝接头常年服役于高温高压、腐蚀、冲刷、放射性的恶劣环境中，是完整构件的薄弱区域，为了保障构件的安全运行，需对该区域实施无损检测[1]。由于焊缝组织较为粗大且各向异性，通常采用低频横波脉冲反射法进行无损检测。然而，常规超声检测技术存在定位不准、信噪比低、穿透性差、定量难的问题。特别是常规超声检测技术是基于幅度定位的，其幅度衰减及噪声干扰容易造成定量误差大。超声衍射时差法(TOFD)是焊缝无损检测最有效的方法之一，具有检测信息丰富、抗噪声强、效率高、定位定量准确等优势[2-3]。TOFD检测技术通过衍射波时差代替脉冲幅度定量缺陷，可避免常规方法中缺陷反射波幅度较低及噪声干扰对检测结果的影响。尽管如此，将超声TOFD检测技术应用于不锈钢检测同样存在检测信号衰减过大、信噪比低的问题。目前，超声TOFD检测方法主要应用于普通钢焊缝的检测中，研究领域包括：检测信号处理、检测盲区、检测图像分析、缺陷自动识别等[4-6]。超声波在奥氏体不锈钢焊缝中传播的机理研究是提高焊缝超声TOFD检测效力的重要基础，对于优化检测参数、革新检测方法、解释检测结果具有重要作用。

笔者充分考虑焊缝组织结构的各向异性特征对超声波束的影响，基于有限元方法建立了奥氏体不锈钢焊缝的超声TOFD检测仿真模型；基于该模型分析了焊缝中超声波传播特性，并应用于实际检测试验中，提出了检测探头的优化布置方法。研究结果显示：有限元模型可反映超声波在焊缝中传播的各向异性特征，包括散射衰减、声速变化以及声场扭曲；检测面的选取对超声波衰减及散射具有显著影响，将检测探头布置于V型焊缝的根部侧可获得较高的信噪比。

1 焊缝组织结构特征及有限元仿真

1.1 检测试样及检测原理

检测试样为0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊缝，焊接方法为埋弧焊,坡口型式为V型,坡口角为90°，尺寸为300 mm×70 mm×35 mm(长×宽×高)，焊缝试样的几何结构示意及其金相检测结果如图1所示，从金相图上可清晰观察到焊缝粗大的柱状晶垂直于坡口斜面生长，穿过多道焊道后，其生长方向趋于垂直于焊缝表面，其金相检测结果体现了典型的奥氏体不锈钢组织的结构特征。

图1 焊缝试样的几何结构示意及其焊缝组织金相检测结果

超声TOFD检测信号的时域特征包括直通波、底波、缺陷衍射波等信号特征，可按式(1)分析各特征信号在时域上的起波位置。

(1)

式中：t为特征信号的到达时间(起波位置)；2S为探头间距；d为目标缺陷深度；c为纵波声束；t0为探头延迟时间。

d=0时，t(0,S)为直通波起波位置；d与试样厚度h相等时，t(h,S)为底波起波位置；0

1.2 有限元建模

奥氏体不锈钢焊缝中粗大的柱状晶组织与超声波束的相互作用非常复杂，通过解析方法很难计算焊缝中的检测声场，有限元方法是复杂结构中声波传播分析的有效工具。因此，研究基于有限元方法直观分析了焊缝超声TOFD检测中的声波传播特性，揭示了焊缝组织结构与超声检测声场的相互作用机理。

通过深入观察焊缝的金相组织结构可知，柱状晶在焊缝截面的较大区域内几乎保持同样的方向；而在焊缝延伸方向上，柱状晶方向不发生倾斜，焊缝组织在焊缝延伸方向有很好的重复性。因此，尽管奥氏体不锈钢焊缝为非均匀正交各向异性介质，可将焊缝模型简化为区域(而非晶粒)各向异性的二维模型，并设置焊缝中各区域的弹性常数。焊缝TOFD检测的有限元模型及位移激励信号如图2所示，奥氏体不锈钢焊缝的有限元模型采用二维建模方式，焊缝厚度为35 mm，开90°V型坡口，焊缝中心模拟缺陷为直径1 mm的横孔。焊缝各向异性结构由各向同性区域组成，各区域由以根部为交点的直线隔开，晶粒取向为-60°～ 60°，每隔10°渐变，共14个各向同性区域。为了分析检测面及超声声束入射方向对超声传播特性的影响，探头共采用两种布置方式：方式1为两探头布置于焊缝余高侧[见图2(a)]，方式2为两探头布置于焊缝根部侧[见图2(b)]。为了简化探头发射超声波模拟方式，在有限元模型中并未建立压电晶片的实体模型，而通过直接在楔块上施加1周期、5 MHz的交变位移来模拟中心频率为5 MHz的晶片振动，交变位移在楔块上的作用长度为6 mm，该交变位移为1周期、5 MHz 的加汉宁窗时域信号。对探头楔块建模，使其能以折射角60°入射至模拟横孔； 为了使得主声束覆盖横孔，设置探头间距PCS(发射探头入射点到接收点的距离)为60 mm；模型网格的尺寸设置为波长的1/10。

图2 焊缝TOFD检测的有限元模型及位移激励信号

上述有限元模型将焊缝结构划分成了多个均匀的各向异性区域，每个区域只有晶粒取向的不同。各区域介质在正常晶体坐标系下的弹性常数都是相同的，但在各向异性焊缝结构建模时，由于有限元实际建模时对整个焊缝采用了统一的坐标系，该坐标系与各区域正常晶体坐标系并不相同，相当于正常晶体坐标系绕原点转了一定角度，不同的各向同性区域具有不同的角度，即形成了焊缝的各向异性特征。对于各区域而言，新坐标系相当于正常晶体坐标系绕x轴旋转了φ角，φ表示区域晶粒方向与竖直方向的夹角。晶粒旋转后的弹性常数矩阵C′可表示为

C′=MCMT

(2)

(3)

式中:M为各向异性介质的弹性常数转换矩阵;C为奥氏体不锈钢焊缝(正交各向异性介质)的弹性常数矩阵，m=cosφ，n=sinφ。

根据式(2)(3)及各向异性区域的φ角，可求出任意各向异性区域的弹性常数矩阵，在有限元模型中可设置各区域弹性常数矩阵。

2 模拟结果及试验过程

2.1 模拟结果

TOFD检测的仿真声场及信号如图3所示，图3(a)，3(b)为探头置于余高侧时在焊缝中形成的仿真声场，图3(c)，3(d)为探头置于根部时在焊缝中形成的仿真声场。如图3(a)所示，探头从余高侧发出的超声纵波在11.24 μs时传播至横孔附近，此过程中出现严重的超声波散射，且波前发生扭曲；相较而言，从根部侧发出的超声纵波在11.24 μs时也传播至横孔附近，但散射较弱且波前未发生明显扭曲。图3(b)显示余高侧发出的纵波在12.58 μs时穿过横孔，并在横孔周围形成衍射波，衍射波以横孔为中心向外辐射，且向余高侧辐射时受到的晶粒散射更为严重；从根部侧发出的纵波同样在12.58 μs时穿过横孔，并在横孔周围形成衍射波，衍射波由横孔向外辐射，且在向余高侧辐射时受到的晶粒散射更为严重；整体上看探头布置于根部侧的衍射波幅度较从余高侧入射时的更大。为了进一步分析焊缝中超声波传播的各向异性特征，分别提取了两种探头布置方式下焊缝中主声束方向上(与法线方向的夹角为60°的声波传播方向)相等声程的超声波仿真信号；探头布置在根部侧时提取A点和B点信号，探头布置在焊缝余高侧时分别提取C点和A点信号，如图3(c)所示。由图3(e)和3(f)可知：探头布置于焊缝根部侧时，A点信号降低至B点信号的27%；当探头布置于焊缝余高侧时，A点信号降低至B点信号的49%。因此，各向异性焊缝对于不同入射方向的检测声束的散射和衰减特性是不同的，当检测声束从余高侧入射时，晶粒散射非常严重、衰减很大、声束扭曲；而当检测声束从根部侧入射时，晶粒散射几乎观察不到、衰减较小。结合焊缝金相图可知，当检测声束与柱状晶生长方向成较小夹角时，声束的散射、衰减、扭曲较小。此外，需要注意的是：从余高侧检测时，声波几乎全部在焊缝中传播，超声波散射衰减更为严重；而当探头布置于根部侧时，超声波只在较小范围内的焊缝中传播，所受到的焊缝散射及衰减影响更小。

从有限元模型中分别提取余高侧和根部侧检测的超声TOFD检测信号,仿真信号如图4所示。由图4(a)可知，从根部侧提取的信号可分辨明显的缺陷衍射波信号，根据式(2)(3)可知，17.25 μs处的检测脉冲为17.5 mm的横孔的衍射波，直通波和底波分别位于15.44 μs和20.63 μs；而由图4(b)可知，从余高处提取的信号中无法分辨衍射波信号，可分辨直通波信号,但其幅度较低，在直通波和底波之前存在散射波信号。进一步观察可知，根部侧检测的直通波与底波时差小于余高侧检测的，说明在焊缝介质中从根部入射的超声波声速大于从余高侧入射的超声波声速。

图3 TOFD检测的仿真声场及信号

图4 余高侧和根部侧TOFD检测仿真信号

2.2 试验过程

图5 探头布置方法示意

按上述有限元模型布置探头开展试验，探头布置方法示意如图5所示。由图5可知，两探头相对于焊缝中心线对称布置，探头中心频率为5 MHz，晶片直径为6 mm，楔块与不锈钢界面的超声波折射角为60°，探头前沿实测值为8 mm，探头PCS设置为60 mm。两探头分别布置于焊缝根部侧和余高侧，检测参数与有限元模型一致，并提取检测信号。

与有限元模拟一致，设置PCS=60 mm，实测探头延时2t0=5.2 μs,纵波声速c=5 850 m·s-1。从焊缝根部侧和余高侧提取的检测信号如图6所示。由式(1)可知,直通波位于15.45 μs(实测值为15.43 μs，模拟值为15.44 μs),缺陷波位于17.34 μs(实测值为17.53 μs，模拟值为17.25 μs),底波位于 20.96 μs(实测值为21.24 μs，模拟值为20.63 μs)。计算值、实测值与模拟值基本一致，有限元模拟结果更接近于式(1)的计算值，如图6(a)所示。然而，在余高侧提取的检测信号中只能分辨出直通波信号和底波信号，如图6(b)所示。综上所述，有限元模拟的时域信号特征与试验结果相同，仿真模型所反映的超声波在焊缝中传播的各向异性特征与检测试验结果一致，均表现为：TOFD检测声束从焊缝根部侧入射时具有较小的散射和衰减；从焊缝根部侧入射和提取的TOFD检测信号中可分辨缺陷衍射波特征信号，而余高侧检测则无法观察到缺陷的衍射波特征信号；此外，有限元模型和检测试验均显示检测声束从焊缝根部入射具有较高的声速。

图6 从焊缝根部侧和余高侧提取的检测信号

3 结语

(1) 建立了奥氏体不锈钢焊缝的超声TOFD检测模型，该模型可反映超声波在各向异性材料中的散射、衰减、声场扭曲等各向异性特征。

(2) 通过试验方法，进一步证明了有限元模型的实用性，该模型可成为检测方案制定、试验结果分析的依据。

(3) 在对奥氏体不锈钢V型焊缝进行超声TOFD检测时，应优先考虑将探头布置于焊缝根部，此时超声波穿过的焊缝组区域较小，在焊缝中传播的散射衰减、声场扭曲较小，可提取到有效的焊缝缺陷衍射波信号。