超声相控阵技术的简易腐蚀检测

奥氏体焊接和含有异质焊接材料的焊接越来越多地应用于各个行业。欧洲杯足球竞彩这些焊缝可用于制造具有增强性能或定制设计性能的部件。例如，一个零件可能需要在一个区域有良好的耐腐蚀性能，在另一个区域有良好的耐高温性能。其他结构可能需要在一个区域有高强度，在另一个区域有耐磨或韧性的组合。

使用超声波相控阵技术由于材料的声学特性和密度(各向异性)的变化，对这些类型焊缝的检查存在困难。欧洲杯足球竞彩本文对异种或奥氏体材料焊缝进行超声(UT)检查时应考虑的要点进行了简单的逐步总结。它还演示了奥林巴斯全面的缺陷检测产品系列的使用，如FOCUS PX™，OmniScan®仪器和相控阵探头和楔子，以实现检测过程。

介绍

在工业部门，如发电和石油和天然气行业，通常经常使用其中碳钢管用耐腐蚀合金（CRA）的管道;相同的合金甚至可以用作周长焊缝的填充材料（图1）。这些界面和其他几种类型的不同材料焊缝可以妨碍非破坏性测试（NDT），并且在射线照相的帮助下通常测试。

然而，射线照相涉及长时间的暴露和潜在的危险辐射。这些挑战以及相控阵技术的进步，使超声成为这些类型检查的杰出替代品。

图1所示。焊接包含不同焊接材料的复合管(左)和用于连接两种不同材料的焊接(右)。欧洲杯足球竞彩

UT检验的挑战

传统的超声检测方法是一种优势的、成熟的碳钢焊缝检测方法。然而，在不同焊缝材料的检测过程中，各个方面的问题使得UT检测非常复杂。

金属-金属界面和晶粒尺寸

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。在含有类似焊缝材料(左)和不同焊缝材料(右)的焊缝中能量的分布。在界面处，当使用横波时，UT光束发生倾斜和衰减。

图3举例说明了焊缝铬镍铁合金与母材碳钢之间的高反射界面对UT扫描传播的影响。这导致了在传统横波的帮助下，无法检测为测试检测灵敏度而形成的侧钻孔的情况，这意味着需要使用不同的传播波。

图3。横波UT扫描。以5兆赫扫描显示在组件的图像顶部。侧钻孔(黑色箭头)未检测到。

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，也不可能在整欧洲杯足球竞彩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。

这些类型的焊缝可以通过考虑与传统碳钢焊缝相同的变量来优化。然而，必须彻底评估以下步骤(A-D)，以获得充分的检测适应症。以下是最关键的步骤:

(一)扫描计划

• 传播模式-纵波与横波
• 收发纵向(TRL)技术
• 确保焊缝完全覆盖
• 电子聚焦和探针选择
• 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)适应症的尺寸和深度公差

(D)耦合

这些参数将在以下部分进行讨论，并解释常见问题，并就如何在挑战性焊缝的检测中实现准确和快速的结果提出建议。

(一)扫描计划

传播模式 - 纵向与剪切波

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。欧洲杯足球竞彩

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

决定开发最佳检查框架的下一个因素是是否使用一个或两个换能器。可以在两个单独的换能器的帮助下进行焊接检查，用于传输和接收，或用单个换能器进行。由于在这些具有挑战性的组件中产生了更高的噪声水平，因此仅使用一个换能器（也称为脉冲回波技术）是不理想的，并且建议使用TRL技术（使用两个换能器）。

TRL技术或间距捕获技术涉及使用不同的发射器和接收器换能器，以确保收集的信号仅源自两个光束彼此交叉的区域。另外，使用分离的脉冲分子和接收器减少了楔形尺寸 - 随着使用润湿材料的需要消除，探针可以靠近焊接，确保更高的灵敏度。

当使用纵波来执行这种双换能器方法时，与使用横波相比，低干扰和更好的穿透性结合在一起。这种组合确保接收到的信号噪声水平较低(图5)。

图5。实验室技术。这种技术使用分开的发射和接收探头来减少噪声。

传统的UT传感器和分阶段阵列探头可用于执行TRL技术。使用分阶段阵列的优点是可以使用扇区扫描，提供成像能力并使能够轻松覆盖，而无需向后和向前移动探针。

这些功能，结合UT光束的最佳控制，简化了检查，以确保增强的检测能力，尽管在某些情况下，探头和焊缝中心线之间可能需要多个距离，以确保波束的最佳方向与检测指示。

奥林巴斯的缺陷探测解决方案例如，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。持有DMA探针的楔子。该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探头以不同的尺寸，频率和元素数量，适用于各种检查。元素的行和列布置允许使用DMA探针进行分阶段阵列技术，以提供各种关键功能：

• 扇形扫描(图5)
• UT光束偏斜(图7)
• 曲面检查时曲率的修正(图8)

图7。TRL技术和DMA探测。在DMA探针中使用TRL技术可以控制光束的倾斜角度。

图8。DMA探针和曲率。DMA探针(右)能更好地补偿组件表面的曲率——更小的焦点提供更好的灵敏度。

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。脉冲回波和TRL技术。脉冲回波换能器的能量模型(左)与TRL技术的能量模型(右)以及发射机和接收波束产生的能量模型。

图9还示出了使用TRL框架时的景深降低。在下面的区域和在两个换能器之间 - 在梁交叉或低能量之前的区域之间，这表明敏感性差。

远离这个交叉区域，能量也会减少，因为它来自每个换能器的远场。每个传感器的波束扩展导致在这些深度的灵敏度迅速下降。然而，扫描覆盖的区域仍然足够大。

为了得出结论，与脉冲回波技术相比，TRL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，其中两个光束彼此交叉。此外，楔形件的低轮廓也使得能够焊接短的方法，这是有利于灵敏度的有利。

检查表面并确保焊缝完全覆盖

当使用TRL技术时，获得焊缝的全覆盖是至关重要的。从图9可以看出，TRL技术在利用纵波实现全面焊缝检测方面存在局限性。然而，确保覆盖整个焊缝体积是至关重要的。

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横波。

纵波从底面反弹的可能性也受到一种不同于主要成分的材料的内部包层的限制(图11)。

图11。内部包层会影响波波反弹。当该表面涂覆有CRA时，部件的底表面不能用于在涂覆纵向波时弹跳纵向波。

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。左边，纵波(红色)和面波(绿色)。右，表面波在焊帽表面的传播(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，可取的做法是冲洗掉焊接帽，并在焊接本身的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

在为特定类型的检测选择合适的相控阵探头时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大小的需要。

在需要良好的上浆能力和良好的灵敏度的情况下，超声波相控阵技术具有明显的优点，如控制UT光束的光斑大小。根据材料的厚度，通过增加或减少光斑尺寸可以在感兴趣的深度达到最大灵敏度。

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）.可以采用机械聚焦(如图13，右)和/或电子聚焦(图13，左)来减小光斑大小，将能量集中在感兴趣的深度，从而使焦点相对于N更靠近表面₀．

图13。相控阵探头聚焦。相控阵探头的电子(左)和机械(右)聚焦减小了光斑大小，并使焦平面更靠近探头。

然而，对于较厚的部件的检测，焦平面不能通过电子聚焦降低。在这种情况下，必须使用具有较高探头孔径的相控阵探头。探头孔径可通过两种方式增加，可单独使用或联合使用;这两种方法如下:

• 增加用于执行扫描的元件数量:这使得检测器能够在不影响波束控制能力和精度的情况下达到更大的深度。驱动元件的电子设备必须有足够的能力来处理更多的元件——由16个元件组成2020欧洲杯下注官网的有源孔径可能不够。
• 增加单个元件的尺寸:这一过程无需更强大的设备来驱动元件;2020欧洲杯下注官网然而，具有较大元件的探头控制光束的潜力有限。为了进行良好的扇形扫描并尽可能以最佳方式覆盖焊缝体积，必须具有最佳的波束导向能力。

仪器功能

为了从焊缝两侧进行检测，相控阵仪器应能同时驱动多个探头，以确保单道检测。在这种情况下，通常需要128通道相控阵仪器。

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探针

(B)校准

选择校准块

在选择正确的相控阵设备组合后，必须选择合适的校准过程。2020欧洲杯下注官网由于校准是UT检测的关键因素，首先要考虑的是选择合适的校准块(图15)。

图15。用于UT检测的校准块

选择参考块时，必须考虑两个主要参数;检查的可重复性和校准的灵敏度：

• 可重复性是指在使用同一检验程序的同时，使用两名检验员制作同一份报告。它还涉及到为不同的操作人员一致地重复选定的校准块的可能性。
• 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。
• 仅由母材制成的没有焊缝的参考块。

尽管包括实际检查的参考块更具代表性的实际检查，但它具有各种显着的缺点，主要是与重复性有关：

• 当钻探深度有所不同时，指示的探测灵敏度可能有所不同
• 非均匀焊缝材料可能会衰减UT能量，并在焊缝的不同位置产生不同水平的散射
• 不同角度产生的不同光束可能有不同的速度
• 不同角度产生的波不能通过相同数量的焊接材料
• 如果需要使用两个相等的校准块，因此由于制造过程的差异，衰减可能因一个块而变化到另一个块

这些问题可能导致缺乏可重复性，这表明不可能确保灵敏度级别。如果一个参考块只由母体材料组成，那么两个具有完全相同属性的块(如速度和衰减)就可以很容易地创建出来。这也保证了声音路径是相同的，因此具有相似的衰减。

楔形延迟校准

当用楔形材料制作成有角度的梁时，必须对整个装置进行校准。楔形延迟校准可以保持类似于标准的脉冲回波检测;可以使用包含定义良好的反射器的参考块。

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。

在碳钢焊接的情况下，TCG校准可以直接执行。它有助于灵敏度校准，例如，通过扫描侧钻孔(图16)。在衰减和不均匀材料的情况下，使用不同于脉冲回波技术的技术来执行TCG可能是具有挑战性的。欧洲杯足球竞彩有可能到达不同的侧钻孔与不同的声音路径，不同的衰减，这导致差异太大，为每个反射器所需的增益。

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

在不使用TCG的情况下，一个反射器——例如，位于焊缝斜角上——可以用作参考。然而，如果有必要进行TCG，并且由于使用TRL技术而降低了景深(如图17所示，能量足够高的区域长度)，那么进行TCG可能会具有挑战性。这是由于完全补偿整个UT光束所需的增益可能非常高。

应注意总是将TCG点的数量限制在每个UT光束的有用区域和扇形扫描的角度。对于高角度的非常深的TCG点不需要考虑，因为梁永远不会覆盖这样深的焊缝区域。

图17。TCG可以应用的有限区域

表面波校准的设置更简单;采用外径槽口(OD-notch)，探头与槽口之间的距离不同，其振幅固定在80%。

检测水平

在进行灵敏度校准(有无TCG)后，仍需调整面波和纵波的增益水平，以提供参考值。这通常是通过测量典型的已确定的指示来实现的，例如，真实指示或真实焊缝中的平底孔(图18)。

图18。检测电平调整在一个众所周知的指示

有必要调整增益，以保证噪声水平保持在最小，以便不同的成像模式(如b扫描、s扫描和c扫描视图)提供最容易的检测(图19)。用最好的信噪比执行扫描是至关重要的，因为这将确保更清晰的图像和简化分析过程。

图19所示。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

选择校准块

在选择合适的相控阵设备组合后，需要选择合适的校准工艺。2020欧洲杯下注官网由于校准是UT检测的重要部分，需要考虑的第一个重要方面是选择合适的校准块(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。欧洲杯足球竞彩在这种情况下，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。计算机模拟了一种材料是如何引起UT光束偏斜的

(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技术及其耦合。使用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

超声波技术可以用于详细和快速的检查，即使是最困难的焊缝。然而，为了保证良好的检验程序，必须考虑到与设备、方法和校准有关的许多因素。2020欧洲杯下注官网就像任何检查技术一样，了解技术的局限性并相应地调整程序是至关重要的。本文对一种特别具有挑战性的结构——异种材料焊接——的难点和注意事项进行了总结。

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)储罐和包裹组件或欧洲杯足球竞彩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欧洲杯足球竞彩 Testing提供的。

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