不锈钢堆焊层结构超声TOFD检测参数优化实验研究

摘要

奥氏体不锈钢堆焊层结构以其优良的耐热、耐蚀、耐磨等性能在核电、化工等行业得到广泛应用，由于其内部容易产生裂纹等缺陷，因此需要使用无损检测技术对其进行评价。超声衍射时差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）基于惠更斯原理，通过计算超声波在缺陷上下尖端发生衍射时声波传播时间差来对缺陷进行检测，此方法定量精度高，对线型和面积型缺陷较敏感，检测与缺陷取向无关。针对奥氏体不锈钢堆焊层结构超声TOFD检测过程中衰减系数较大、信噪比较低等特点，提出通过参数优化实现对堆焊层结构缺陷的准确定位及定量。研究对象为带有奥氏体不锈钢堆焊层的合金钢试块。其中，合金钢母材厚度范围55.0mm～60.0mm;堆焊层材料厚度范围10.0mm～15.0mm。主要采用实验方法，围绕探头频率、晶片尺寸、探头角度和探头中心间距等参数开展实验研究，主要研究内容如下:
　　(1)首先对堆焊层试样进行金相分析，并测量其声速、衰减系数等参数。结果表明，奥氏体不锈钢堆焊层组织晶粒尺寸范围为几十至几百微米。平均衰减系数0.17dB/mm～0.22dB/mm，平均声速5804m/s～5906m/s。
　　(2)探头频率主要影响检测分辨率，增大探头频率，发射脉冲宽度变窄，检测分辨率提高，但衰减增大。探头角度主要影响表面盲区，增大探头角度，声束覆盖范围增大，上表面盲区减小，但由于探头角度过大时，衍射波幅值较低，因此为减小上表面盲区，选择70°楔块较合适。晶片尺寸主要影响声束扩散角，初次扫查时，为获得较大的声束覆盖范围，应选择较小晶片尺寸。探头中心间距主要影响声束分辨力，增大探头中心间距，声束覆盖范围增大，声束分辨力降低。优化实验结果表明，通过使用频率为2.25MHz～5MHz，角度为45°～60°，晶片尺寸为3mm～10mm的探头，可以实现对堆焊层与母材界面和堆焊层内横通孔缺陷进行有效检测。
　　(3)在检测参数优化基础上，使用直接定量、频谱分析、-6dB等方法，分别对母材中深度3.0mm表面开口槽缺陷;母材中深度10.0mm、20.0mm、30.0mm、40.0mm及50.0mm横通孔缺陷;堆焊层中深度60.0mm和65.0mm横通孔缺陷进行定量研究。结果表明，深度定量绝对误差小于±1.0mm，相对误差小于4％;高度定量绝对误差小于±0.2mm，相对误差小于10％;长度定量绝对误差小于±1.0mm，相对误差小于5％。
　　(4)从参数设置和人员操作等方面对产生定量误差的原因进行了定量分析。

目录

声明

摘要

1 摘要

1．1 课题研究背景及意义

1．2 不锈钢堆焊层结构常规超声检测研究

1．2．1 检测方法

1．2．2 国内外应用及研究现状

1．3 超声TOFD检测技术

1．3．1 超声TOFD技术特点

1．3．2 国内外应用及研究现状

1．4 不锈钢堆焊层结构超声TOFD检测研究

1．4．1 国内外应用及研究现状

1．4．2 堆焊层结构检测难点分析

1．5 本文主要研究内容

2 超声TOFD技术基本理论

2．1 超声TOFD检测原理

2．1．1 超声波衍射原理

2．1．2 超声TOFD基本原理

2．2 缺陷定位模型

2．3 图像显示及扫查方式

2．3．1 超声TOFD图像显示

2．3．2 超声TOFD扫查方式

3 实验系统及试块

3．1 实验系统

3．1．1 实验仪器

3．1．2 探头及配件

3．2 对比试块设计与制作

3．2．1 试块设计加工原则

3．2．2 对比试块设计信息

4 不锈钢堆焊层结构试块分析

4．1 金相分析

4．2 声学参数测量

5 超声TOFD检测参数优化

5．1 探头频率

5．2 探头角度

5．3 晶片尺寸

5．4 探头中心间距

5．5 参数优化小结

6 堆焊层对比试块定量结果及误差分析

6．1 缺陷定量方法简介

6．1．1 缺陷高度定量方法

6．1．2 缺陷长度定量方法

6．2 定量结果及误差

6．2．1 轴向对比试块

6．2．2 周向对比试块

6．3 误差分析

6．3．1 探头中心间距大小

6．3．2 探头中心与缺陷相对位置

6．3．3 其它原因

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间已发表论文情况

致谢