從20世紀70年代起,國內外研究人員對奧氏體316L不銹鋼管焊縫的超聲波檢測都作了大量試驗研究,雖有一定成效,但檢測方法較復雜,與鐵素體鋼檢測相比,其適用范圍仍受到一定限制,其發展歷程如下:


 1977年,SV剪切波假信號識別的初步試驗,認清了用一般SV剪切波斜探頭探傷時,由奧氏體柱狀晶反射和散射引起的各種假信號。

    

 1979年,縱波斜探頭探傷,嘗試了用不同頻率和多種角度的縱波斜探頭檢測奧氏體316L不銹鋼管焊縫,找到了壁厚60mm以下SUS焊縫的UT方法。

   

 上世紀80年代初,國際焊接學會為了適應工業生產的發展需要,建立了奧氏體焊縫超聲波檢測工作組,積極開展國際合作,1985年,奧氏體焊縫的超聲檢測標準雛型問世,由實驗應用歸納總結,推出了《奧氏體316L不銹鋼管焊縫超聲檢測方法指南》  (IIW),這是專用標準的雛型:1986年劇際焊接學會出版了第一本《奧氏體焊縫超聲檢測手冊》,為奧氏體316L不銹鋼管焊縫超聲檢測的實際應用提供了必要的指導。

   

 1987年,SH剪切波斜探頭探傷報告,對應刖于柱狀晶組織中聲速各向異性較小的SH剪切波刺探頭對SUS304焊縫進行探傷的新技術進行了報道,并測試了其信噪比。

   

 1991年,大厚壁焊縫施探,發表了對壁厚400mm的SUS304大鍛件焊縫作探傷檢測,及通過空問平均處理提高缺陷檢出率的實驗成果。

   

 1994~2000年,焊接工藝配合UT,通過磁攪拌焊接改進組織,提高了超聲波聲透射性能,并借助予特制的可視化裝置,觀測了超聲波的傳播特性。

   

 2004年,最新標準閃亮登場,國際標準化組織和F1本在同一年發布了有關奧氏體鋼和鎳基合金焊縫超聲檢測方法的最新標準。

   

 有關奧氏體316L不銹鋼管焊縫的最新UT標準主要有:ISO/DIS 22825:2004《奧氏體鋼和鎳基合金焊縫超聲檢測》和HNDIS2424: 2004《奧氏體316L不銹鋼管焊縫超聲檢測方泫》,兩個標準都是在20世紀80年代有關奧氏體316L不銹鋼管焊縫UT導則的基礎上,結合近20年的工業應用經驗制定的,是最新技術的升華。

   

 目前對奧氏體316L不銹鋼管焊縫超聲柃測的研究主要包括探頭的研制、信號處理技術的應用和計算機模擬和仿真幾個方面。


  1. 專用探頭的研制

   

  在超聲檢測探頭的研究方面主要足從探頭工藝參數的選擇(包括超聲波形、檢測頻率和入射角度等)和探頭結構的選擇(包括雙晶探頭、聚焦探頭和窄脈沖探頭等)兩方面進行的??导o黔和李家鰲在IIW《奧氏體焊縫超聲檢測手冊》的基礎上編制了《奧氏體316L不銹鋼管焊縫超聲波檢驗規程》。規程推薦使用高阻尼窄脈沖縱波單斜探頭,2.5MHz或1.25MHz探測頻率和45°探測角度等。該規程在大慶石化總廠及燕山石化總廠五臺9%Ni鋼球罐檢驗中試用,取得了良好效果。孫曉娜檢測厚板奧氏體316L不銹鋼管焊縫,通常采用雙品探頭、聚束探頭、大直徑探頭和寬頻帶窄脈沖探頭。探傷所使用的探頭,根據檢測對象的部位(焊縫或母材)、探傷部位的厚度、坡口的形狀而選定。崔建英研究了窄脈、巾探頭的設計與制造工藝、探頭與探傷儀的匹配以及斜楔形狀和尺寸的設計,從而狹得一種靈敏度高、分辨率好、信噪比高和定位比較準確的窄脈沖縱波斜探頭,適用于較厚的奧氏體316L不銹鋼管焊縫的超聲波檢測。工偉波自行研制了適合于奧氏體焊縫檢測的窄脈沖探頭,使用高阻抗背襯和電路匹配,使脈沖寬度明顯減少,接近圍外同類探頭的水平。在對人工缺陷的檢測中發現,該探頭可顯著提高靈敏度,增加信噪比。結合聚焦技術可以獲得更好效果。


 2. 信號處理技術的應用

   

   近年來,信號處理技術飛速發展,包括小波分析和分離譜技術等新的研究成果層出不窮。在粗晶材料超聲檢測領域,信號處理技術憑借其強大的信息挖掘能力,成為一個重要的研究方向。孫曉娜應用小波理論對厚板奧氏體316L不銹鋼管焊縫的超聲波檢測信號進行去噪。使用不同的小波去噪方法,對焊縫中的人工孔缺陷的回波信號進行處理。與去噪前相比,各類型探頭信號信噪比分別提高了4~6dB。劉鎮清和李成林等使用分離譜技術對粗品材料的超聲檢測信號進行了增強,以提高信噪比。在對核電站厚壁材料75mm處的直徑1.5mm人工橫孔探傷信號處理后,其信噪比增強達兩倍以上。張帥研究了奧氏體316L不銹鋼管結構TOFD檢測葉一的聲學特性以及去噪的可行性,通過理論和實驗確定了檢測工藝參數,并對碳鋼母材和焊縫以及奧氏體316L不銹鋼管母材和焊縫進行了檢測,研究了材料組織結構對TOFD檢測中聲信號的影響。M.A. Malik對超聲信號的時頻分析技術進行了研究。研究了超聲信號的的Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布、Gabor變換和小波變換等多種時頻分布表達形式。他還提出了基于時頻集中函數的超聲信號Gabor變換時頻表達的參數優化方案,并通過對超聲信號多種時頻分布效果的對比指出,小波分析是適合于超聲信號視頻表達的最佳時頻分析方法。


 3. 超聲檢測的計算機模擬


    隨著計算機軟件和硬件技術的不斷進步,高速大容量計算機的廣泛普及,超聲檢測過程的模擬也得到了發展。采用模擬和可視化方法不僅可以提高對超聲波產生和傳播機理的理解,而且能夠提前對檢測工藝的可行性、可靠性進行分析,優化參數,降低檢測成本,提高效率。

    

     超聲檢測過程的計算機模擬分為解析方法和數值方法。數值方法包括有限元法(FEM),有限差分法(FDM)和邊界元法(BEM)等,數值方法的計算結果較精確,適用范圍廣,但同時也存在計算時間長,網格定義復雜等缺點。解析方法包括聲線模型、高斯聲束模型和衍射理論模型等,這些模型普遍使用物理參數,便于處理且計算速度較快,缺點是對于復雜結構不適用。

   

      a. 超聲換能器聲場的模擬

   

        超聲換能器聲場的模擬和可視化是超聲檢測過程模擬的一部分,它通過計算換能器輻射的超聲在各點的聲壓強度或是振動速度幅值,來定量地獲得介質中的聲場分布,并將結果以具體的圖形或圖像的方式顯示。

   

      b. 奧氏體焊縫超聲檢測過程模擬


      除了對超聲聲場進行模擬外,針對奧氏體316L不銹鋼管焊縫的不均勻性和備向異性特性,國內外的研究人員在奧氏體316L不銹鋼管焊縫超聲檢測過程模擬方面也做了大量工作。


  4. 當前研究中存在的問題


    雖然近年來隨著儀器和探頭性能的提高及信號處理理論的發展,促使奧氏體316L不銹鋼管焊縫的超聲波檢測技術有了長足的進步,但目前仍不成熟,主要存在一下問題。


     a. 對奧氏體316L不銹鋼管管焊縫進行超聲波檢測,可靠性的干擾因素較一般結構鋼多,如其粗大晶粒組織及枝狀晶體結構對超聲波的傳播影響很大,高衰減伴隨著強烈的晶界散射使得普通超聲波法檢驗這種材料時信噪比很低。


     b. 由于奧氏體鋼焊縫與超聲波的復雜作用,易產生偽顯示,這將給超聲波檢測的可靠性產生負面影響,帶來不必要的返修,增加了成本。在焊接金屬與母材界面上的折射和波型轉換,焊縫金屬組織內樹枝晶的存在都會使超聲傳播路徑發生變化,因此,可能影響反射源的定位精度。

 

     c. 由于扭曲作用和強烈衰減作用,導致奧氏體鋼焊縫中同深度缺陷反射當量的誤差大,存在定量不準確的問題。


    國內在該方面的研究工作不多,特別是在小口徑薄壁奧氏體316L不銹鋼管對接焊縫超聲波檢測技術研究工作更少。直接影響了我國在該方面的技術水平,雖然有檢測方法的應用報道,但應用起來困難很大,不同操作人員的檢測結果一致性和重復性差,實用性不強。為此奧氏體316L不銹鋼管對接焊縫超聲波檢測的研究非常必要。