超声相控阵技术的简易腐蚀检测

含有异源焊接材料的奥氏体焊接和焊缝越来越多地用于各种行业。亚博网站下载这些焊缝可用于制造具有增强或定制的性能的组件。例如，部件可能在一个区域中可能需要良好的耐腐蚀性和另一个区域的高耐温性。其他结构可能在一个区域中需要高强度和另一个区域中的耐磨性或韧性的组合。

使用超声相控阵技术对于这些类型的焊缝的检查，由于材料的声学特性和密度（各向异性）的变化而存在困难。本文提供了一个简单的一步一步的总结，在进行超声波（UT）检查异种或奥氏体材料焊接时要考虑的要点。它还展示了奥林巴斯的全面探伤产品，如福克斯PX的使用™, OmniScan®仪器和相控阵探头亚博网站下载及楔块，以实现检查过程。

介绍

在工业部门，如发电和石油天然气行业，经常使用碳钢管覆有耐腐蚀合金（CRA）的管道；同样的合金甚至可以用作环形焊缝的填充材料（图1）。这些接口以及其他几种类型的异种材料焊缝可能会妨碍无损检测（NDT），通常通过射线照相进行检测。

然而，射线照相涉及较长的曝光时间和潜在的危险辐射。随着相控阵技术的发展，这些挑战使得超声波成为此类检查的杰出替代品。

图1。焊接焊接管道，包括不同的焊接材料（左）和用于加入两种不同材料（右）的焊接。亚博网站下载

UT检验的挑战

传统的UT是一种先进的碳钢焊缝检测方法。然而，在异种焊接材料的检测过程中，各个方面使得UT检测非常复杂。

金属-金属界面与晶粒尺寸

当UT光束通过由焊缝组成的部件时，UT波会被金属-金属界面以及焊缝的粗晶结构反射(背散射)和折射。结果，光束弯曲并衰减(图2)。

图2。包含类似焊接材料（左）和不同焊接材料（右）的焊缝中的能量分布。在界面处，当使用剪切波时，UT梁发生倾斜和衰减。

图3举例说明了焊缝铬镍铁合金和母材碳钢之间的高反射界面对UT扫描传播的影响。这导致在传统剪切波的帮助下无法检测为测试检测灵敏度而形成的侧钻孔，这表明有必要使用不同的传播波。

图3。剪切波UT扫描。在组件的图像顶部显示为5 MHz。未检测到侧钻孔（黑色箭头）。

衰减

不同材料焊接中包含的每种材料都有独特的衰减因子，可以是衰减的和不均匀的。这说明在不同的深度和不同的角度下，沿声道的衰减会有所不同。一个完美的灵敏度校准将提供相同的响应相似的指示位置在不同的位置和在不同的深度焊接体积。

在界面处，当使用横波时，UT光束发生衰减和偏斜。当使用不同的焊缝材料时，很难补偿可变衰减，也不可能在整亚博网站下载个焊缝及其热影响区达到完美一致的灵敏度。因此，有必要根据敏感性水平来评估尺寸。

通过考虑与传统的碳钢焊缝相同的变量，可以优化这些类型的焊缝的检查。然而，必须彻底评估以下步骤（A-D）以获得足够的指示检测。以下是最关键的步骤：

（a）扫描计划

• 纵波与横波的传播模式
• 收发纵向（TRL）技术
• 确保完全覆盖焊接
• 电子聚焦与探头选择
• 仪器能力

（B） 校准

• 选择校准块
• 楔形延迟的校准
• 灵敏度校准
• 检测电平调整

（C） 显示的尺寸和深度公差

（D） 耦合

以下章节将讨论这些参数中的每一个，并解释常见问题，并提供在检查具有挑战性的焊缝期间实现准确和快速结果的方法建议。

（A） 扫描规划

纵波与横波的传播模式

挑战性焊缝检验时需要考虑的主要因素之一是检验波形的选择。对焊缝进行扫描时，与横波相比，纵波能更好地透射UT束的能量。当模拟传播模式对UT光束的影响时(图4)，可以观察到，使用横波时，光束发生了更高程度的偏斜。因此，尽管反射的横波可能会造成干扰，但建议使用纵波来检查不同的焊接材料。亚博网站下载

图4。一个计算机模型不同的波类型- 2.25 MHz纵向波(上),1 MHz横波(左下),和2.25 MHz横波(右下角)回波脉冲配置显示材料对梁的质量更大的负面影响在使用横波(如图所示形状不规则的红色线)。

用发射-接收纵向(TRL)技术降低噪声

确定最佳检查框架的下一个因素是是否使用一个或两个传感器。焊缝检查可借助于两个单独的传感器进行发送和接收，或借助单个传感器进行。由于这些具有挑战性的部件会产生较高的噪声级，因此仅使用一个传感器（也称为脉冲回波技术）并不理想，建议使用TRL技术（包括使用两个传感器）。

TRL技术或俯仰捕捉技术涉及使用不同的发射器和接收器传感器，以确保收集的信号仅来自两个波束相互交叉的区域。此外，使用分离的脉冲发生器和接收器可减小楔形尺寸，因为不需要使用阻尼材料，探头可接近焊缝，确保更高的灵敏度。

当使用纵波执行这种双传感器方法时，与使用横波相比，低干扰与更好的穿透力相结合。这种组合可确保接收到噪声水平较低的信号（图5）。

图5。TRL技术。该技术使用单独的发射和接收探头来降低噪声。

传统UT传感器和相控阵探头可用于执行TRL技术。使用相控阵的优点是，可以使用扇形扫描，提供成像能力，实现轻松覆盖，而无需前后移动探头。

These capabilities, in conjunction with optimal control over the UT beam, simplify the inspection to ensure enhanced detection capabilities, although, in certain cases, multiple distances might be needed between the probe and the weld’s center line to ensure the best orientation of the beam against the indications to be detected.

奥林巴斯探伤解决方案例如，FOCUS PX和OmniScan MX2仪器在扫描过程中提供了更高的通用性，并允许TRL技术与相控阵技术结合使用。双矩阵阵列(DMA)探针包括两个探针，每个探针由多行和多列有源元素组成(图6)，可以用于执行这种类型的检查。

图6。装有DMA探针的楔子。探头由两个传感器组成，每个传感器包含28个相控阵元件。

DMA探头有不同的尺寸、频率和元件数量，适用于广泛的检查。元素的行和列排列允许带有DMA探头的相控阵技术提供各种关键功能：

• 部门扫描（图5）
• UT梁的倾斜（图7）
• 曲面检查期间的曲率校正（图8）

图7。TRL技术和DMA探针。使用带有DMA探头的TRL技术可以控制光束的倾斜角度。

图8。DMA探头和曲率。DMA探头（右）可以更好地补偿组件表面的曲率，较小的焦点可以提供更好的灵敏度。

当使用TRL技术时，能够获得足够能量的信号的体积会减小。图9展示了TRL技术在交叉点的后续能量区域。与脉冲回波技术相比，在光束交叉点之前的能量要低得多，并且远离交叉区域。

图9。脉冲回波与TRL技术。与TRL技术（右）和发射器和接收器梁的所得能量相比，脉冲回波换能器（左）的能量模型。

图9还说明了使用TRL框架时减少的景深。在光束交叉前的两个传感器的正下方和中间区域，不存在或存在低能量，这表明灵敏度差。

离该交叉区域越远，能量也会减少，因为它来自每个传感器的远场。每个传感器的光束扩展导致这些深度处的灵敏度迅速降低。然而，扫描所覆盖的区域仍然足够大。

总之，与脉冲回波技术相比，TRL可确保降低噪声水平。设置中的伪聚焦光束确保能量仅来自感兴趣的区域，在该区域，两个光束相互交叉。此外，楔块的低剖面也可以短距离接近焊缝，这有利于提高灵敏度。

检查表面并确保焊缝完全覆盖

使用TRL技术时，获得焊缝的完全覆盖至关重要。图9显示了TRL技术在纵波帮助下实现全面焊缝检查的潜力存在局限性。但是，确保覆盖整个焊缝体积至关重要。

使用纵波的一个缺点是横波同时产生(图10)。这表明，当纵波从组件的底部表面反弹时，速度的差异导致横波对到达焊缝和主要是其顶部区域的纵波检测的干扰。

图10。纵波和横波。产生纵波意味着也会产生剪切波。

纵向波从底表面反弹的电位也受到与主要成分不同的材料的内部包层的限制（图11）。

图11。内部包层影响波的反弹。当部件的底面涂有CRA时，该底面不能用于反射纵波。

为了克服使用纵波扇形扫描检查焊缝最上面部分的挑战，可以借助表面波覆盖焊缝的近表面体积(图12)。

图12。波传播路径。左侧，纵波（红色）和表面波（绿色）。右侧，表面波在焊帽表面传播（红色）。

根据材料、探头参数和焊缝的结构，表面波便于检测探头前方的前几毫米。如果这个距离被认为是足够的，就可以在不移除焊接帽的情况下进行检查。

如果需要，建议冲掉焊接帽，并在焊缝顶部进行第二次扫描，以确保完全覆盖到中心线。

电子聚焦与探针选择

在为特定类型的检查选择合适的相控阵探头时，需要考虑的最后一个方面是探头孔径，以及通过电子聚焦改变光斑尺寸的需要。

在需要良好的上浆能力和良好的灵敏度的情况下，超声相控阵技术提供了显著的优势，例如控制UT束的光斑尺寸。根据材料厚度，通过增加或减少光斑尺寸，可以在感兴趣的深度实现最大灵敏度。

每个相控阵探头都有一个自然聚焦深度（也称为近场距离，N₀).可采用机械聚焦（如图13，右图所示）和/或电子聚焦（图13，左图）来减小光斑尺寸并将能量集中在感兴趣的深度，从而将焦点移动到比N更靠近表面的位置₀．

图13。相控阵探头聚焦。电子（左）和机械（右）聚焦分阶段阵列探头的聚焦降低了光斑尺寸，并将焦平面靠近探头移动。

然而，对于较厚部件的检查，不能通过电子聚焦降低焦平面。在这种情况下，必须使用具有更大探头孔径的相控阵探头。探头孔径大小可以通过两种方式增加，可以单独使用，也可以结合使用；这两种技术如下：

• 增加用于执行扫描的元件数量：这使检查员能够在不影响光束控制能力和精度的情况下达到更大的深度。用于驱动元件的电子设备必须具有足够的能力来处理更多的元件。由16个元件组成的有源孔径可能不够。app亚博体育
• 增加各个元素的大小：此过程消除了需要更强大的设备来驱动元素的需求;app亚博体育然而，具有更大元素的探针具有引导光束的有限潜力。对于执行良好的扇形扫描并以最佳的方式进行良好的扇形扫描并覆盖焊接体积的最佳光束转向能力是强制性的。

仪器功能

为了从两侧检查焊接，相控阵仪器应在一个位置，同时同时驱动多个探针，以确保单通过检查。在这种情况下，通常需要128通道分阶段阵列仪器。

为了克服这些困难，奥林巴斯创造了一系列相控阵仪器和探头，以实现对复杂焊缝的检查，并确保耐用性和安全性。典型的DMA探头(频率为4mhz)可用于对厚度达25mm的部件进行检测。

对于更深入的检查，或在检查较大晶粒尺寸的焊缝时，很难实现足够的波传播。在这种情况下，建议使用更大的有源孔径和更低频率(1.5或2.25 MHz)的探头。FOCUS PX采集单元和OmniScan 32:128PR探伤仪(图14)可用于驱动所有类型的探针。

图14。奥林巴斯的FOCUS PX和OmniScan MX2仪器可以驱动DMA探头

（B） 校准

校准试块的选择

在选择相控阵设备的右组合之后，必须选择适当的校准过程。app亚博体育由于校准是UT检查的关键因素，因此第一个显着考虑是选择适当的校准块（图15）。

图15。超声波探伤用校准试块

在选择参考试块时，必须考虑两个主要参数；检查的重复性和校准的灵敏度：

• 重复性与使用相同检查程序雇佣两名检查员时生成相同报告有关。它还涉及为不同操作员持续复制选定校准试块的可能性。
• 灵敏度是指根据校准块中已确定的指示(通常是侧钻孔)设置参考电平，该指示与真实的指示相当。

对于校准试块，有两个主要选项：

• 一种由生产焊缝制成的参考块，类似于待检查的参考块。
• 仅由无焊缝的母材制成的参考试块。

尽管包括真实焊缝的参考试块更能代表实际检查，但其存在各种明显的缺点，主要是在重复性方面：

• 当钻探深度有所不同时，指示的探测灵敏度可能有所不同
• 不均匀焊缝材料可能会衰减UT能量，并在焊缝中的不同位置产生不同程度的散射
• 在不同角度产生的不同光束可能具有不同的速度
• 在不同角度产生的波线没有能够通过相同量的焊接材料行进的能力
• 如果需要使用两个相等的校准试块，由于制造过程中的差异，不同试块之间的衰减可能不同

这些问题导致缺乏可重复性的机会，这表明它不可能确保敏感度。如果仅由父材料制成的参考块，则可以容易地创建两个具有精确相同属性的两个块，例如速度和衰减。这也保证了声音路径相同，因此具有类似的衰减。

楔延迟校准

当使用楔块产生斜角光束时，有必要校准整个设置。楔形延迟校准可保持与标准脉冲回波检查类似；可以使用包含定义良好的反射器的参考试块。

灵敏度校准

在大多数情况下，要进行两种灵敏度校准:一种是覆盖焊缝上部(近表面)部分的表面波，另一种是覆盖主体的纵波。选择合适的校准块，确保校准的重复性后，就可以进行灵敏度校准。这可以通过应用固定增益或时间校正增益(TCG)来实现，这涉及在不同深度扫描侧钻孔。

对于碳钢焊缝，TCG校准可以直接执行。它有助于灵敏度校准，例如，通过扫描侧面钻孔（图16）。在衰减和不均匀材料的情况下，采用不同于脉冲回波技术的技术进行TCG可能具有挑战性。可以通过不同的声路、不同的衰减到达不同的侧面钻孔，这会导致差异过大，无法获得每个反射器所需的增益。亚博网站下载

图16。TCG校准。相控阵探头在带有侧钻孔的校准块上移动，以均衡扇形扫描的所有UT波束（a扫描）的振幅。

在不使用TCG的情况下，定位在焊接斜面上的反射器，例如 - 可以用作参考。然而，如果需要TCG并且由于使用TRL技术而降低了TCG的景深（能量充分高见到图17的区域的长度），则执行TCG可能具有挑战性。这是由于使得完全补偿整个UT光束所需的增益可能非常高。

应注意始终将TCG点数的数量限制为每个UT光束的有用区域和扇形扫描的角度。由于光束永远不会覆盖焊缝的这种更深的区域，因此不需要考虑非常深的TCG点。

图17。TCG可以应用的有限区域

表面波校准的设置更简单；使用外径上的槽口（外径槽口），并在探头和槽口之间的不同距离将其固定为80%振幅。

检测水平

在执行灵敏度校准（有或没有TCG）后，仍然需要调整表面波和纵波的增益水平，以提供参考值。这通常通过测量典型的已确定显示来实现，例如，真实显示或真实焊缝中的平底孔（图18）。

图18。根据已知指示进行检测水平调整

有必要调整增益，以确保噪声水平保持在最低水平，以便不同成像模式（如B扫描、S扫描和C扫描视图）提供最容易的检测（图19）。以尽可能最佳的信噪比进行扫描至关重要，因为这将确保图像更清晰，并简化分析过程。

图19。应调整增益水平，以确保图像清晰

(C)适应症的尺寸和深度公差

校准试块的选择

在选择相控阵设备的正确组合时，有必要选择适当的校准过程。app亚博体育由于校准是UT检查的重要组成部分，因此要考虑的第一个重要方面是选择适当的校准块（图15）。

此外，确定深度公差(相对于真实深度可进行的最大深度测量)是至关重要的，特别是当两种不同性质的材料在UT光束路径中存在时。亚博网站下载在这种情况下，能量会分散，会发生偏移，因此不能完全保证波束角值(图20)。因此，可能会影响深度测量，需要调整深度公差。对于操作人员来说，通常使用过大尺寸的指示比使用过小尺寸的指示更安全。然而，过大的尺寸可能导致不必要的高拒绝率，这表明投资于更好的尺寸验证将导致更少的拒绝率。尺寸验证的一种最佳技术是用人工反射镜扫描多个样品，这些反射镜代表待检测的真实迹象，然后可以对这些样品进行宏观切片，以确定尺寸。

图20。超声波束偏差计算机模拟，显示材料如何导致超声波束偏差

（D） 耦合

在确定检查协议时要考虑的最后一个方面是耦合的挑战。当使用TRL技术时，产生两个UT光束的两个探针被楔固定。这表明在楔形的不同区域有两个不同的出口点(图21)。因此，耦合挑战可能会影响检测。必须注意消除组件和两个探头之间的气泡。这可以在手动或电动水泵的帮助下实现。

图21。TRL技术和耦合。TRL技术有两个出口点（黑色箭头）需要良好耦合，而脉冲回波技术只有一个出口点。

结论

超声波技术可用于对最困难的焊缝进行详细、快速的检查。然而，必须考虑与设备、方法和校准相关的许多因素，以确保良好的检查程序。与任何检查技术一样，深入了解该技术的局限性并相应调整程序至关重要。本文总结了与检查异种材料焊缝特别具有挑战性的结构相关的困难和注意事项。app亚博体育

在过去，来自各个行业的检测专业人员已经显示出使用奥林巴斯集成的、现成的相控阵仪器(FOCUS PX, OmniScan MX2)、相控阵探头和软件的明显优势。在充分解决本文所述的潜在问题之后，TRL技术结合DMA探测可以确保一个精确和可靠的检查过程。

在使用粗颗粒材料的情况下，例如，液化天然气(LNG)储罐和包裹组件或亚博网站下载9%镍焊接，如发电行业使用的容器或管道，ut检查是一个显著的替代射线照相，通常需要长时间的暴露和高能辐射，造成安全问题，并产生废物。UT检查有能力提高生产力和消除有害辐射，同时也保持相当高的检测水平和特殊的尺寸能力。

这些信息是由Olympus Scientific Solutions Americas - Non-Destructive亚博网站下载 Testing提供的。

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