使用雙矩陣探頭對(duì)會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)噪聲的奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)
綜述
可以使用常規(guī)超聲發(fā)送接收縱波（TRL）探頭對(duì)異種金屬焊縫和其它會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)噪聲的材料進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過改進(jìn)的檢測(cè)方式使用奧林巴斯的雙矩陣（DMA）探頭和相控陣超聲技術(shù)，可以通過電子方式使聲束在材料內(nèi)偏轉(zhuǎn)、傾斜和聚焦。
挑戰(zhàn)
使用超聲技術(shù)很難對(duì)異種金屬和奧氏體材料的焊縫進(jìn)行檢測(cè)。如果只能從焊縫材料的一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，則會(huì)使檢測(cè)變得特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楹缚p材料的各向異性會(huì)使超聲聲束發(fā)生散射。
通常用于檢測(cè)這類材料的雙晶TRL探頭包含一個(gè)發(fā)射晶片和一個(gè)接收晶片，兩個(gè)晶片由聲學(xué)絕緣材料隔開。偏斜的屋頂角配置可使晶片發(fā)射的聲束在被測(cè)工件中的一個(gè)點(diǎn)上聚焦，產(chǎn)生準(zhǔn)聚焦現(xiàn)象。TRL探頭非常適用于檢測(cè)這類材料，因?yàn)檫@種探頭可以消除界面回波，不存在盲區(qū)（得益于楔塊回波），減少了向后散射的信號(hào)，還可以使用較高的增益。
不過，TRL探頭有一個(gè)缺點(diǎn)：因?yàn)槠湔凵浣嵌裙潭ú蛔円约皽?zhǔn)焦點(diǎn)的存在，檢測(cè)過程中可能會(huì)需要很多這類探頭才能覆蓋所要求的參數(shù)設(shè)置范圍。
解決方案
與OmniScan或FOCUS PX儀器配套使用的奧林巴斯雙矩陣（DMA）探頭，采用相控陣超聲技術(shù)，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，從而提高了對(duì)粗晶奧氏體和鉻鎳鐵合金材料和焊縫的評(píng)估質(zhì)量。雙矩陣探頭匯集了聚焦縱波S掃描和一發(fā)一收縱波檢測(cè)方式的多個(gè)優(yōu)勢(shì)特性。
這里為大家介紹的雙矩陣檢測(cè)方式需使用兩種標(biāo)準(zhǔn)探頭：2.25 MHz探頭和4 MHz探頭。在檢測(cè)大多數(shù)奧氏體材料和焊縫坡口的應(yīng)用中，如：對(duì)異種金屬焊縫和耐腐蝕合金（CRA）焊縫的檢測(cè)，這兩種探頭都可以提供標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)性能。
設(shè)備說明
奧林巴斯2.25 MHz，A17 DMA探頭的每個(gè)矩陣外殼中有一個(gè)4 × 7的大晶片配置，經(jīng)過優(yōu)化后，可以對(duì)較厚的、衰減性較強(qiáng)的聲學(xué)材料進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)矩陣的孔徑為12 × 19 mm。由于A17 DMA探頭在次軸上有4個(gè)晶片，因此只需使用一個(gè)平面楔塊（無需使用楔塊的機(jī)械屋頂角），就可以通過電子方式使聲束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
奧林巴斯的4 MHz，A27 DMA探頭的每個(gè)矩陣外殼中有一個(gè)2 × 16的小晶片配置，經(jīng)過優(yōu)化后，可以對(duì)較薄的、衰減性較弱的聲學(xué)材料進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)矩陣的孔徑為6 × 16 mm。由于A27 DMA探頭在次軸上僅有2個(gè)晶片，因此在檢測(cè)各種直徑的管材時(shí)，楔塊都需要使用機(jī)械屋頂角才可以使聲束聚焦。
由于TX和RCV晶片可以通過楔塊實(shí)現(xiàn)聲學(xué)絕緣，因此無需使用楔塊阻尼材料以及較大的相隔距離。基于以上原因，DMA楔塊的體積不大，而且可以擴(kuò)展聲束在材料中的有效聚焦深度和探頭的檢測(cè)范圍，從而可以在較大的聲程上提高信噪比（SNR）質(zhì)量。而大楔塊則不具備上述的優(yōu)勢(shì)特性，因?yàn)樾▔K較大，其衰減性也越大，因而會(huì)損失大量的能量，例如：使用一維線性陣列探頭進(jìn)行的脈沖回波縱波角度聲束的檢測(cè)。
檢測(cè)結(jié)果
體積檢測(cè)使用了一個(gè)A17 DMA探頭和一個(gè)DN55L楔塊。這個(gè)楔塊的額定聲束為一發(fā)一收55度的縱波。如下所述，A17探頭的2.25 MHz大晶片設(shè)計(jì)非常適用于檢測(cè)鉻鎳鐵合金和316不銹鋼材料制成的較厚的、衰減性較強(qiáng)的樣件。范圍約在30到75度的聚焦S掃描覆蓋了被檢樣件的焊縫體積和焊根區(qū)域。
在鉻鎳鐵合金樣件的檢測(cè)中，A17探頭用于透過堆焊層探測(cè)25毫米厚的鉻鎳鐵合金CRA焊縫中的一個(gè)2毫米的EDM刻槽。OmniScan探傷儀的光標(biāo)用于在C掃描中定量刻槽的長度，在A掃描和S掃描中定量刻槽的深度和高度。光標(biāo)的增量值和三角學(xué)數(shù)據(jù)顯示在OmniScan屏幕的上方，并被記錄在屏幕上方直接生成的缺陷指示報(bào)表中。
在檢測(cè)316不銹鋼樣件時(shí)，A17探頭用于探測(cè)50毫米厚的SS316容器校準(zhǔn)試塊中的一個(gè)3毫米長，25毫米深的SDH（橫通孔）。與焊縫旁邊的基底材料相比，聲束在焊縫區(qū)域的衰減性增加了12 dB。
A17探頭的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是可以生成偏離探頭軸向的聲束，因此還能獲得探頭前方區(qū)域以外的S掃描。只有A17探頭具有這種特性，因?yàn)槠浯屋S上有足夠的晶片數(shù)量（4個(gè)）（A27 DMA探頭不能生成偏離探頭軸向的聲束，因?yàn)槠浯屋S上只有兩個(gè)晶片）。
生成偏離探頭軸向的S掃描的主要目的是探測(cè)和定量奧氏體管材焊縫中的軸向和橫向IGSCC（晶間應(yīng)力腐蝕開裂）。聲束偏離探頭軸向的角度范圍取決于探頭次軸上的晶片數(shù)量，以及晶片的大小和頻率。盡管A17探頭在使用平面楔塊時(shí)可以生成至少45度的斜射聲束，但是在使用AOD楔塊時(shí)，或者在管材的軸向外徑降低時(shí)，對(duì)角度的限度則會(huì)降低。
A27 DMA探頭用于對(duì)其它鉻鎳鐵合金焊縫樣件進(jìn)行體積和表面兩種檢測(cè)（表面檢測(cè)的含義是探測(cè)、定量和定性焊縫淺層的缺陷，或延伸到焊縫外表面的缺陷）。A27探頭的4 MHz小晶片設(shè)計(jì)非常適用于檢測(cè)這類較薄的、衰減性較弱的樣件。在檢測(cè)時(shí)，可以使用一個(gè)DN55L或一個(gè)DNCR楔塊。在當(dāng)前的應(yīng)用中，我們沒有選擇DN55L楔塊，而是選擇了DNCR楔塊，因?yàn)楹笳呔哂懈鼜V泛的適用性，可以進(jìn)行體積和表面兩種檢測(cè)。當(dāng)焊縫坡口的厚度低于約25毫米時(shí)，DNCR楔塊的設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，可以進(jìn)行表面檢測(cè)。表面檢測(cè)是對(duì)體積檢測(cè)的一種補(bǔ)充，因此完成了兩種檢測(cè)就可以完整地覆蓋焊縫的坡口。
使用A27探頭和DNCR楔塊進(jìn)行體積檢測(cè)時(shí)，可以通過在30毫米聲程上聚焦的30度到80度的S掃描檢查CRA焊縫。在鉻鎳鐵合金625焊縫中的縱波聲速已知為5830 m/s，在碳鋼基底材料中的縱波聲速為5890 m/s。這種聲速差別導(dǎo)致了聲束角度在焊縫與基底材料的界面上出現(xiàn)細(xì)微的變化。缺陷深度和高度的繪制精度取決于是否可以精準(zhǔn)地確定基底材料和焊縫的聲速值。
A27探頭在探測(cè)遠(yuǎn)端的焊縫坡口缺陷時(shí)，表現(xiàn)出了較高的信噪比（SNR）。這個(gè)缺陷被正確繪制在視圖中，與其在焊縫中的已知深度和位置完全匹配。缺陷深度（DA）使用最高波幅的A掃描進(jìn)行測(cè)量。閘門三角學(xué)讀數(shù)，如：聲程（SA）、深度（DA）、探頭距離（PA）以及以步進(jìn)軸上的零位作為參考點(diǎn)的體積位置（VIA），也都被正確地繪制在視圖中。
在表面檢測(cè)中，A27探頭只局限于進(jìn)行角度較大的第一個(gè)半跨區(qū)域的檢測(cè)。A27探頭的配置使用了在淺層聚焦或短距離聚焦的約在70到85度之間的大角度S掃描。當(dāng)角度超出了約70到75度的范圍時(shí)，所有A掃描聲束都會(huì)以縱波聲速在平行于表面的方向上傳播。這樣就可以相似的方式探測(cè)到淺層的橫通孔（SDH）、刻槽或焊縫缺陷。表面檢測(cè)的結(jié)果不會(huì)因焊冠的形狀（齊平或非齊平）而發(fā)生變化。
在鉻鎳鐵合金625焊縫樣件中，A27探頭和DNCR楔塊探測(cè)到了一個(gè)距楔塊面20多毫米處的1毫米深，10毫米長的EDM表面刻槽。
在一個(gè)直徑為152毫米的鉻鎳鐵合金800焊縫樣件上，A27探頭和DNCR楔塊探測(cè)到了3個(gè)淺層缺陷和1個(gè)延伸到外壁的缺陷。
結(jié)語
標(biāo)準(zhǔn)的奧林巴斯雙矩陣探頭：現(xiàn)貨供應(yīng)的2.25 MHz（A17）和4 MHz（A27），在檢測(cè)奧氏體及鉻鎳鐵合金材料和焊縫的應(yīng)用中，可以增強(qiáng)OmniScan或Focus PX儀器的檢測(cè)性能。
A17探頭的4 × 7大晶片配置適合于檢測(cè)較厚的、衰減性較強(qiáng)的奧氏體材料。A27探頭的2 × 16小晶片配置適合于檢測(cè)較薄的、衰減性較弱的奧氏體材料。
與OmniScan兼容的DMA探頭是一款檢測(cè)新手和高級(jí)用戶都可以使用的附加相控陣檢測(cè)工具。
在鉻鎳鐵合金625焊縫樣件中，A27探頭和DNCR楔塊探測(cè)到了一個(gè)距楔塊面20多毫米處的1毫米深，10毫米長的EDM表面刻槽。