2024年5月13日发(作者：柯泰清)
技术与检测◎
奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测
张利伟
摘 要:文章对奥氏体不锈钢组织的特点进行了介绍ꎬ列举了奥氏体不锈钢焊缝的常见缺陷与产生部位ꎬ阐述检测条件、仪
器检测与调试ꎬ最后ꎬ总结了对比结果ꎮ
关键词:奥氏体不锈钢ꎻ超声波检测
一、奥氏体不锈钢组织特点
奥氏体不锈钢焊缝凝固时未发生相变ꎬ室温下仍以铸态
柱状奥氏体晶粒存在ꎬ这种柱状晶的晶粒粗大ꎬ组织不均匀ꎬ
具有明显的各向异性ꎬ给超声波检测带来许多困难ꎮ
奥氏体不锈钢焊缝柱状晶粒取向与冷却方向、温度梯度
有关ꎮ一般晶粒冷却方向生长取向基本垂直于熔化金属凝
固时的等温线ꎬ对接焊缝晶粒取向大致垂直于坡口面ꎮ如图
１所示:
图１ 奥氏体不锈钢焊缝柱状晶粒取向示意图
柱状晶粒的特点是同一晶粒从不同方向测定有不同的
尺寸ꎮ例如ꎬ某奥氏体柱状晶粒直径仅０.１~０.５ｍｍꎬ而长度
却达１０ｍｍ以上ꎮ对于这种晶粒ꎬ从不同方向探测引起的衰
减与信噪比不同ꎬ当波束与柱状晶夹角小时衰减较小ꎬ信噪
比较高ꎬ当波束垂直于柱状晶时ꎬ其衰减较大ꎬ信噪比较低ꎬ
这就是衰减与信噪比的各向异性ꎮ
多道焊成的奥氏体不锈钢焊缝ꎬ由于焊接工艺、规范存
在差异ꎬ致使焊缝中不同部位的组织不同ꎬ声速及声阻抗也
随之发生变化ꎬ从而使声束传播方向产生偏离ꎬ出现底波游
动现象ꎬ不同部位的底波幅度出现明显差异ꎬ给缺陷定位、定
量带来许多困难ꎮ
二、奥氏体不锈钢焊缝中常见的缺陷及其产生部位
(１)
(２)
气孔、夹杂等ꎬ焊缝表面或焊缝中ꎻ
(３)
未熔合
晶间腐蚀
ꎬ焊缝中或熔合线上
ꎬ热影响区、焊缝表面或熔合线上
ꎻ
(４)热裂纹ꎬ焊缝中ꎮ
ꎻ
三、检测条件的选择
(
在奥氏体不锈钢焊缝检测中
一)波型
ꎬ一般选用纵波检测ꎬ由于
同一介质中纵波波长约为横波波长的两倍ꎬ其信噪比高ꎬ衰
减小ꎬ分辨力和检测灵敏高ꎮ
(二)探头角度
由于奥氏体不锈钢焊缝柱状晶ꎬ不同方向探测信噪比和
衰减不同ꎬ一般主要采用折射角β
＝
４５°和β
＝
７０°的聚焦纵波
斜探头ꎬ信噪比、分辨力和检测灵敏较高ꎮ
(三)频率
由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大ꎬ若选用较高的频率ꎬ
将会引起严重衰减ꎬ示波屏上出现大量草状波ꎬ使信噪比明
显下降ꎬ超声波穿头能力显著降低ꎮ宜适用较低的探伤频
率ꎬ通常为２ＭＨｚꎮ
(四)探头种类
聚焦探头分为液浸聚焦和接触聚焦两大类ꎬ文章采用点
聚焦探头ꎮ聚焦探头具有声束细ꎬ能量集中ꎬ分辨力和灵敏
度高等优点ꎬ用聚焦探头测定大型缺陷的面积或指示长度的
测定和裂纹高度的测定等比常规探头精确ꎮ但其最大的缺
点是声束细ꎬ每次扫查范围小ꎬ探测效率低ꎬ每只探头仅适用
于探测某一深度范围内的缺陷ꎮ对于大厚度的奥氏体不锈
钢焊缝应采用不同焦距的聚焦探头分层检测ꎬ以确保产品的
质量ꎮ
１.双晶点聚焦斜探头(２Ｐ１０
×
１２Ｆ５Ｋ２.７)
检测深度为０~１０ｍｍꎮ
２.单晶点聚焦斜探头
１０~３０ｍｍꎮ
(１)单晶点聚焦斜探头(２ＰΦ２０Ｆ２０Ｋ１.０)检测深度为
３０~５０ｍｍꎮ
(２)单晶点聚焦斜探头(２ＰΦ２０Ｆ３０Ｋ１.０)检测深度为
(３)
(４)
双晶直探头
四、
单晶直探头
(２ＰΦ１４
仪器的调整与检测
(２Ｐ１４Ｄ)
Ｆ５)
检测深度为
检测深度为
１０~
０~
５０ｍｍꎮ
１０ｍｍꎮ
(一)时基线比例在对比试块上的调整
检测奥氏体不锈钢焊缝时ꎬ一般利用材质、几何形状、焊
接工艺与工件相同的自制的对比试块ꎮ
利用ＣＴＳ
－
１０１０超声仪分别测出奥氏体不锈钢焊缝和奥
—１５３—
氏体不锈钢焊缝对比试块的声速ꎬ测量出一系列波速后取平
均值ꎮ
试块焊缝 Ｃ
１
Ｌ
＝
５３１０ｍ/ｓ (参考值
参考值
)
试块母材 Ｃ
Ｌ
＝
５８２０ｍ/ｓ ()
由于工件声速的改变ꎬ探头Ｋ值将发生变化ꎬ若试块母
材中折射角为βꎬ试块焊缝中折射角为β
１
Ｋ
＝
ｔｇβ
＝
１.０ꎻβ
＝
４５°
ꎮ
ｓｉｎ
ｓｉｎ
β
β
１
＝
Ｃ
１
Ｃ
Ｌ
Ｌ
(１)
β
１
＝
ｓｉｎ
－
１
(
５３１０ｓｉｎ４５°
Ｋ
１
＝
ｔｇβ
１
＝
０.８４
５８２０
)
＝
４０.１８°
１∶ｎ
＝
１∶１
×
Ｃ
１
Ｃ
Ｌ
ｃｏｓβ
１
Ｌ
１∶ｎ
＝
１∶１
×
５３１０ｃｏｓ４０.１８°
ｃｏｓβ
５８２０ｃｏｓ４５°
＝
１∶０.９８
由于工件声速的改变ꎬ扫描速度也发生变化ꎬ工件中实
际扫描速度为:
图２ 不锈钢试块
(二)奥氏体不锈钢焊缝缺陷的定位
由于工件声速的改变ꎬ探头Ｋ值也将发生变化ꎬ给缺陷
定位带来十分不便ꎮ
１.外圆周向探测圆柱曲面时的缺陷定位
缺陷的位置由深度Ｈ和弧长Ｌ来确定ꎮ
Ｈ
＝
Ｒ
－
(Ｋｄ)
２
Ｒ
＋
(Ｒ
－
ｄ)
２
Ｌ
＝
１８０
πθ
＝
１８０
Ｒπ
ｔｇ
－
１
(
Ｒ
Ｋｄ
－
ｄ
)
式中:Ｒ———工件外半径ꎻ
ｄ———平板工件中缺陷深度ꎻ
Ｋ———探头折射角正切值ꎮ
由上式计算出探头外圆周向探测Φ５００
×
５０圆柱曲面时
—１５４—
的不同ｄ值所对应的Ｈ和Ｌ:
表１ 外圆周向探测定位修正
Ｋ值ｄ(ｍｍ)１０２０３０４０５０
工件(不修正)１.０
Ｌ(ｍｍ)１０２２３４４７６１
Ｈ(ｍｍ)１０１９２８３６４４
工件(修正)０.８４
Ｌ
实
Ｈ
８.７２８.５
实
(ｍｍ)
(ｍｍ)
９.８
１９.４
１８.２２８.６
３９.６
３７.３
５１.７
４５.６
２.外圆轴向探测圆柱曲面时的缺陷定位
只要调整好超声波仪器在工件中的实际扫描速度ꎬ缺陷
的位置由深度Ｈ和弧长Ｌ来确定ꎮ
Ｈ
＝
ｎτ
ｆ
Ｌ
＝
Ｋ
１
ｎτ
＝
０.９８τ
ｆ
(检测中在示波屏水平刻度值)
ｆ
＝
、对比实验
０.８４
×
０.９８τ
ｆ
＝
０.８２τ
ｆ
五
用超声波检测了自制的三块试板ꎬ按本工艺规程定位焊
缝缺陷ꎮ通过射线检测确定缺陷的长度、距焊缝中心距离、
距区边距离ꎬ以及现场解剖返修焊缝部位来确定缺陷的深
度ꎬ结论如下ꎮ
表２ 超声波检测结论
序号
焊缝距区边
编号
区号缺陷号
１
２
试１１
(ｍｍ)
距焊缝中心距检测面深度缺陷长度
３
试
１
１
－
２
２
５０
(ｍｍ)(ｍｍ)(ｍｍ)
４
试
１
试
１２
－
２
１
－
５２
＋
－
５
４
１３４５
５
１１０４
６３
＋
０
１３
４
１５
３５
１６
４
６
试
２１
－
３
试
２
３
２
－
２
２
－
－
３
３
１
１
－
１５２
７９
＋
０
３
１３
１９
１４
３２
２８
表３ 射线检测结论
序号
焊缝距区边
编号
区号缺陷号
１
(ｍｍ)
距焊缝中心缺陷解剖深度
２
试１
３
试
１１
２
５１
(ｍｍ)(ｍｍ)
缺陷长度
(ｍｍ)
５３
＋
－
６
５
１５４９
４
试
１１
－
２
５
试
１２
－
２
１
－
１
－
６１
３６
２
６
试
２
试
２
３
２
－
３
２１
－
１０６
＋
０
１４
５
１７
２
－
－
３
３
１
１１５０
７８
＋
０
１５
２
１４
１８
１３
３０
２５
试验证明超声波检测与射线检测的长度、距焊缝中心距
离、距区边距离结果基本相符ꎬ大多数误差在２~４ｍｍꎬ超声
波检测缺陷深度有时比实际缺陷深度大ꎬ有时比实际缺陷深
度小ꎬ大多数误差在１~３ｍｍꎮ
作者简介:
张利伟ꎬ大连市建筑工程质量检测中心有限公司ꎮ
2024年5月13日发(作者：柯泰清)
技术与检测◎
奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测
张利伟
摘 要:文章对奥氏体不锈钢组织的特点进行了介绍ꎬ列举了奥氏体不锈钢焊缝的常见缺陷与产生部位ꎬ阐述检测条件、仪
器检测与调试ꎬ最后ꎬ总结了对比结果ꎮ
关键词:奥氏体不锈钢ꎻ超声波检测
一、奥氏体不锈钢组织特点
奥氏体不锈钢焊缝凝固时未发生相变ꎬ室温下仍以铸态
柱状奥氏体晶粒存在ꎬ这种柱状晶的晶粒粗大ꎬ组织不均匀ꎬ
具有明显的各向异性ꎬ给超声波检测带来许多困难ꎮ
奥氏体不锈钢焊缝柱状晶粒取向与冷却方向、温度梯度
有关ꎮ一般晶粒冷却方向生长取向基本垂直于熔化金属凝
固时的等温线ꎬ对接焊缝晶粒取向大致垂直于坡口面ꎮ如图
１所示:
图１ 奥氏体不锈钢焊缝柱状晶粒取向示意图
柱状晶粒的特点是同一晶粒从不同方向测定有不同的
尺寸ꎮ例如ꎬ某奥氏体柱状晶粒直径仅０.１~０.５ｍｍꎬ而长度
却达１０ｍｍ以上ꎮ对于这种晶粒ꎬ从不同方向探测引起的衰
减与信噪比不同ꎬ当波束与柱状晶夹角小时衰减较小ꎬ信噪
比较高ꎬ当波束垂直于柱状晶时ꎬ其衰减较大ꎬ信噪比较低ꎬ
这就是衰减与信噪比的各向异性ꎮ
多道焊成的奥氏体不锈钢焊缝ꎬ由于焊接工艺、规范存
在差异ꎬ致使焊缝中不同部位的组织不同ꎬ声速及声阻抗也
随之发生变化ꎬ从而使声束传播方向产生偏离ꎬ出现底波游
动现象ꎬ不同部位的底波幅度出现明显差异ꎬ给缺陷定位、定
量带来许多困难ꎮ
二、奥氏体不锈钢焊缝中常见的缺陷及其产生部位
(１)
(２)
气孔、夹杂等ꎬ焊缝表面或焊缝中ꎻ
(３)
未熔合
晶间腐蚀
ꎬ焊缝中或熔合线上
ꎬ热影响区、焊缝表面或熔合线上
ꎻ
(４)热裂纹ꎬ焊缝中ꎮ
ꎻ
三、检测条件的选择
(
在奥氏体不锈钢焊缝检测中
一)波型
ꎬ一般选用纵波检测ꎬ由于
同一介质中纵波波长约为横波波长的两倍ꎬ其信噪比高ꎬ衰
减小ꎬ分辨力和检测灵敏高ꎮ
(二)探头角度
由于奥氏体不锈钢焊缝柱状晶ꎬ不同方向探测信噪比和
衰减不同ꎬ一般主要采用折射角β
＝
４５°和β
＝
７０°的聚焦纵波
斜探头ꎬ信噪比、分辨力和检测灵敏较高ꎮ
(三)频率
由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大ꎬ若选用较高的频率ꎬ
将会引起严重衰减ꎬ示波屏上出现大量草状波ꎬ使信噪比明
显下降ꎬ超声波穿头能力显著降低ꎮ宜适用较低的探伤频
率ꎬ通常为２ＭＨｚꎮ
(四)探头种类
聚焦探头分为液浸聚焦和接触聚焦两大类ꎬ文章采用点
聚焦探头ꎮ聚焦探头具有声束细ꎬ能量集中ꎬ分辨力和灵敏
度高等优点ꎬ用聚焦探头测定大型缺陷的面积或指示长度的
测定和裂纹高度的测定等比常规探头精确ꎮ但其最大的缺
点是声束细ꎬ每次扫查范围小ꎬ探测效率低ꎬ每只探头仅适用
于探测某一深度范围内的缺陷ꎮ对于大厚度的奥氏体不锈
钢焊缝应采用不同焦距的聚焦探头分层检测ꎬ以确保产品的
质量ꎮ
１.双晶点聚焦斜探头(２Ｐ１０
×
１２Ｆ５Ｋ２.７)
检测深度为０~１０ｍｍꎮ
２.单晶点聚焦斜探头
１０~３０ｍｍꎮ
(１)单晶点聚焦斜探头(２ＰΦ２０Ｆ２０Ｋ１.０)检测深度为
３０~５０ｍｍꎮ
(２)单晶点聚焦斜探头(２ＰΦ２０Ｆ３０Ｋ１.０)检测深度为
(３)
(４)
双晶直探头
四、
单晶直探头
(２ＰΦ１４
仪器的调整与检测
(２Ｐ１４Ｄ)
Ｆ５)
检测深度为
检测深度为
１０~
０~
５０ｍｍꎮ
１０ｍｍꎮ
(一)时基线比例在对比试块上的调整
检测奥氏体不锈钢焊缝时ꎬ一般利用材质、几何形状、焊
接工艺与工件相同的自制的对比试块ꎮ
利用ＣＴＳ
－
１０１０超声仪分别测出奥氏体不锈钢焊缝和奥
—１５３—
氏体不锈钢焊缝对比试块的声速ꎬ测量出一系列波速后取平
均值ꎮ
试块焊缝 Ｃ
１
Ｌ
＝
５３１０ｍ/ｓ (参考值
参考值
)
试块母材 Ｃ
Ｌ
＝
５８２０ｍ/ｓ ()
由于工件声速的改变ꎬ探头Ｋ值将发生变化ꎬ若试块母
材中折射角为βꎬ试块焊缝中折射角为β
１
Ｋ
＝
ｔｇβ
＝
１.０ꎻβ
＝
４５°
ꎮ
ｓｉｎ
ｓｉｎ
β
β
１
＝
Ｃ
１
Ｃ
Ｌ
Ｌ
(１)
β
１
＝
ｓｉｎ
－
１
(
５３１０ｓｉｎ４５°
Ｋ
１
＝
ｔｇβ
１
＝
０.８４
５８２０
)
＝
４０.１８°
１∶ｎ
＝
１∶１
×
Ｃ
１
Ｃ
Ｌ
ｃｏｓβ
１
Ｌ
１∶ｎ
＝
１∶１
×
５３１０ｃｏｓ４０.１８°
ｃｏｓβ
５８２０ｃｏｓ４５°
＝
１∶０.９８
由于工件声速的改变ꎬ扫描速度也发生变化ꎬ工件中实
际扫描速度为:
图２ 不锈钢试块
(二)奥氏体不锈钢焊缝缺陷的定位
由于工件声速的改变ꎬ探头Ｋ值也将发生变化ꎬ给缺陷
定位带来十分不便ꎮ
１.外圆周向探测圆柱曲面时的缺陷定位
缺陷的位置由深度Ｈ和弧长Ｌ来确定ꎮ
Ｈ
＝
Ｒ
－
(Ｋｄ)
２
Ｒ
＋
(Ｒ
－
ｄ)
２
Ｌ
＝
１８０
πθ
＝
１８０
Ｒπ
ｔｇ
－
１
(
Ｒ
Ｋｄ
－
ｄ
)
式中:Ｒ———工件外半径ꎻ
ｄ———平板工件中缺陷深度ꎻ
Ｋ———探头折射角正切值ꎮ
由上式计算出探头外圆周向探测Φ５００
×
５０圆柱曲面时
—１５４—
的不同ｄ值所对应的Ｈ和Ｌ:
表１ 外圆周向探测定位修正
Ｋ值ｄ(ｍｍ)１０２０３０４０５０
工件(不修正)１.０
Ｌ(ｍｍ)１０２２３４４７６１
Ｈ(ｍｍ)１０１９２８３６４４
工件(修正)０.８４
Ｌ
实
Ｈ
８.７２８.５
实
(ｍｍ)
(ｍｍ)
９.８
１９.４
１８.２２８.６
３９.６
３７.３
５１.７
４５.６
２.外圆轴向探测圆柱曲面时的缺陷定位
只要调整好超声波仪器在工件中的实际扫描速度ꎬ缺陷
的位置由深度Ｈ和弧长Ｌ来确定ꎮ
Ｈ
＝
ｎτ
ｆ
Ｌ
＝
Ｋ
１
ｎτ
＝
０.９８τ
ｆ
(检测中在示波屏水平刻度值)
ｆ
＝
、对比实验
０.８４
×
０.９８τ
ｆ
＝
０.８２τ
ｆ
五
用超声波检测了自制的三块试板ꎬ按本工艺规程定位焊
缝缺陷ꎮ通过射线检测确定缺陷的长度、距焊缝中心距离、
距区边距离ꎬ以及现场解剖返修焊缝部位来确定缺陷的深
度ꎬ结论如下ꎮ
表２ 超声波检测结论
序号
焊缝距区边
编号
区号缺陷号
１
２
试１１
(ｍｍ)
距焊缝中心距检测面深度缺陷长度
３
试
１
１
－
２
２
５０
(ｍｍ)(ｍｍ)(ｍｍ)
４
试
１
试
１２
－
２
１
－
５２
＋
－
５
４
１３４５
５
１１０４
６３
＋
０
１３
４
１５
３５
１６
４
６
试
２１
－
３
试
２
３
２
－
２
２
－
－
３
３
１
１
－
１５２
７９
＋
０
３
１３
１９
１４
３２
２８
表３ 射线检测结论
序号
焊缝距区边
编号
区号缺陷号
１
(ｍｍ)
距焊缝中心缺陷解剖深度
２
试１
３
试
１１
２
５１
(ｍｍ)(ｍｍ)
缺陷长度
(ｍｍ)
５３
＋
－
６
５
１５４９
４
试
１１
－
２
５
试
１２
－
２
１
－
１
－
６１
３６
２
６
试
２
试
２
３
２
－
３
２１
－
１０６
＋
０
１４
５
１７
２
－
－
３
３
１
１１５０
７８
＋
０
１５
２
１４
１８
１３
３０
２５
试验证明超声波检测与射线检测的长度、距焊缝中心距
离、距区边距离结果基本相符ꎬ大多数误差在２~４ｍｍꎬ超声
波检测缺陷深度有时比实际缺陷深度大ꎬ有时比实际缺陷深
度小ꎬ大多数误差在１~３ｍｍꎮ
作者简介:
张利伟ꎬ大连市建筑工程质量检测中心有限公司ꎮ