由于奧氏體鋼焊縫的晶粒結(jié)構(gòu)較大，因此在對(duì)這種焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些主要問題。在這種檢測(cè)應(yīng)用中，使用射線成像技術(shù)的效果不是很好，因此超聲技術(shù)就成為檢測(cè)奧氏體鋼焊縫、液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐的焊縫、堆焊層和離心鑄造不銹鋼管的首選方式。使用超聲技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，較大的奧氏體鋼晶粒會(huì)引起聲束的偏轉(zhuǎn)、散射和衰減。本文將對(duì)在奧氏體鋼材料檢測(cè)方面的研發(fā)成果進(jìn)行回顧，奧氏體鋼材料包括不銹鋼焊縫、堆焊層、異種金屬焊縫、含9%鎳的液化天然氣儲(chǔ)罐的焊縫，以及離心鑄造不銹鋼管。研究結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都表明較大的奧氏體鋼晶粒對(duì)縱波的影響明顯小于橫波，因此一般來說要使用縱波對(duì)奧氏體鋼材料進(jìn)行檢測(cè)。不過，超聲檢測(cè)會(huì)因聲波在反射表面上出現(xiàn)的波型轉(zhuǎn)換（縱波變?yōu)闄M波）而變得更加復(fù)雜，因此較為實(shí)用的方法是只使用聲波的半個(gè)聲程進(jìn)行檢測(cè)。我們可以使用一套包含不同檢測(cè)級(jí)別的方法，為具體應(yīng)用開發(fā)檢測(cè)技術(shù)，這套方法的最初檢測(cè)步驟使用橫波，最后要用到雙晶矩陣相控陣探頭。相控陣方式是檢測(cè)過程的高端階段，而且如今從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度看，也是頗具競(jìng)爭(zhēng)力的一種檢測(cè)方式。這種技術(shù)典型的操作方式是使用相控陣S掃描完成多次覆蓋，而多次覆蓋通常要通過多次掃查來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際檢測(cè)的方式取決于材料的厚度、焊縫/堆焊層材料的數(shù)量、要檢測(cè)的缺陷、結(jié)構(gòu)上的要求、可忽略的缺陷大小、可用的時(shí)間、預(yù)算等等，但是最重要的是，要取決于焊縫或堆焊層的晶粒大小。本文將針對(duì)奧氏體鋼材料的超聲檢測(cè)策略為讀者提供一些具體明確的建議。此外，文章還提供了有關(guān)提高材料可測(cè)性的建議。

在以超聲方式檢測(cè)堆焊層、異質(zhì)金屬焊縫、奧氏體鋼材料時(shí)，由于聲束會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、離散、折射和吸收，都會(huì)出現(xiàn)相似的超聲檢測(cè)問題。如人們所料，大多數(shù)已經(jīng)發(fā)表的超聲檢測(cè)操作是在核工業(yè)中完成。核工業(yè)是為鑄造不銹鋼管的檢測(cè)建立問題源的第一個(gè)行業(yè)（特別是發(fā)現(xiàn)了較大的取向晶粒是造成檢測(cè)困難的關(guān)鍵性原因），也是第一個(gè)對(duì)這些問題進(jìn)行建模和分析的行業(yè)。一般來說，分析所得出的結(jié)果如下：

核工業(yè)的檢測(cè)應(yīng)用主要是對(duì)晶粒粗大的鑄造不銹鋼材料進(jìn)行檢測(cè)。以往對(duì)這類產(chǎn)品進(jìn)行的試驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)表明可以探測(cè)出缺陷的幾率非常低。在很大程度上，在檢測(cè)鉻鎳鐵合金材料及焊縫時(shí)（堆焊層和異質(zhì)金屬焊縫），也會(huì)得到同樣令人失望的結(jié)果，因?yàn)檫@類材料也存在著同樣的問題：奧氏體鋼較大的取向晶粒會(huì)折射、吸收和反射超聲波。與超聲檢測(cè)一樣，射線成像技術(shù)也會(huì)遇到相似的問題：較大的晶粒會(huì)使圖像變得模糊不清，從而使缺陷探測(cè)變得非常困難。 

石化行業(yè)也是耐腐蝕合金材料（CRA）的主要用戶。不過，在石化行業(yè)進(jìn)行的檢測(cè)應(yīng)用存在著不同的問題。針對(duì)這個(gè)行業(yè)中的管線堆焊層和異質(zhì)金屬焊縫的檢測(cè)幾乎沒有什么發(fā)表的文章，這也并不奇怪，因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)中的任何信息一般都被認(rèn)為是商業(yè)或獨(dú)家擁有的機(jī)密。 

可以將出現(xiàn)的問題總結(jié)如下：鐵素體材料在冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生晶相變化，從而會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)隨機(jī)體心立方結(jié)構(gòu)。另一方面，奧氏體鋼焊縫不會(huì)變形，而且奧氏體鋼的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

-γ-Fe（面心立方），非磁性 
-粗晶結(jié)構(gòu)（粗達(dá)幾毫米） 
-各向異性：材料的物理特性（聲速、衰減性、聲束偏斜）取決于晶粒的方向。

實(shí)際上，奧氏體材料微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以表明材料的可測(cè)性。

核工業(yè)的檢測(cè)應(yīng)用：有關(guān)人員已經(jīng)對(duì)核工業(yè)中奧氏體鋼材料的檢測(cè)進(jìn)行了大量的研發(fā)工作，其中包括廣泛的建模（1）；建模過程中出現(xiàn)的問題是材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，因此這類材料的檢測(cè)應(yīng)用具有明顯的局限性。核工業(yè)檢測(cè)的主要目標(biāo)是離心鑄造不銹鋼（CCSS）材料。典型的檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，雖然具體應(yīng)用的實(shí)際結(jié)果（這里再次強(qiáng)調(diào)）在很大程度上取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)。鑄造不銹鋼的晶粒一般會(huì)比其它奧氏體鋼材料的晶粒大很多，因此會(huì)產(chǎn)生一些與此相關(guān)的檢測(cè)問題。離心鑄造不銹鋼（CCSS）材料的另一個(gè)問題是其晶粒大小會(huì)隨著冷卻速度、處于管材的位置、操作程序等因素而變化，這點(diǎn)與管控更完善的焊接過程不同。

圖1：在奧氏體鋼焊縫中采集到的不同聲波模式下的模型聲束的傳播情況

核工業(yè)中采用的檢測(cè)技術(shù)一般使用低頻縱波探頭（或陣列），如：使用1 MHz頻率的探頭檢測(cè)壁厚最多為50毫米（2和3）或者更薄的材料。這種情況會(huì)降低靈敏度。早些時(shí)候，人們根據(jù)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）的要求，使用固定的角度對(duì)材料進(jìn)行縱波光柵檢測(cè)。常規(guī)探頭存在著聚焦區(qū)域有限和角度固定的局限性。最近，核工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的關(guān)注焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到相控陣S掃描，而且已經(jīng)采用了多個(gè)S掃描方式進(jìn)行檢測(cè)（參見圖2）。

圖2：在焊縫上進(jìn)行多次掃查的示意圖

最近，隨著相控陣技術(shù)的出現(xiàn)，發(fā)射接收縱波（TRL）陣列技術(shù)已經(jīng)被研發(fā)出來（4和5）。發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭使用一個(gè)有限矩陣，使某些聲束起到聚焦作用，使另一些直通波聲束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)聚焦深度。這類探頭一般會(huì)裝有一個(gè)雙晶陣列，即每側(cè)各有兩行，每行的長(zhǎng)度由晶片的數(shù)量確定。典型的發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭可以包含4x15個(gè)晶片，成對(duì)排成4行，如圖3所示。

圖3：表明雙晶陣列和角度聲束的發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭的示意圖

發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭與單晶探頭相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭，可以使用多個(gè)S掃描，獲得比常規(guī)UT或單晶線性陣列探頭更精確的探測(cè)結(jié)果（參見圖4）。發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭，因?yàn)榭梢钥刂坡暿男螤睿€具有極佳的定量側(cè)邊的功能。但是，相對(duì)于線性陣列探頭來說，發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭不太容易校準(zhǔn)和使用，而且要根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行定制。

圖4：發(fā)射接收縱波（TRL）相控陣探頭檢測(cè)鑄造不銹鋼中5毫米橫通孔的結(jié)果

與此相反，衍射時(shí)差技術(shù)則不能發(fā)揮優(yōu)質(zhì)的檢測(cè)性能，因?yàn)椴牧暇Я５某叽缣蠖荒塬@得令人滿意的缺陷探測(cè)結(jié)果（6）。 

石化工業(yè)的檢測(cè)應(yīng)用：石化工業(yè)中的檢測(cè)應(yīng)用包括對(duì)堆焊層、管線、液化天然氣儲(chǔ)罐和異質(zhì)金屬焊縫的檢測(cè)。大體上說，這些都是近來才出現(xiàn)的檢測(cè)應(yīng)用，而被檢材料都傾向于使用自動(dòng)焊接程序，從而可更嚴(yán)格地控制材料的晶粒大小。因此，與鑄件檢測(cè)相比，對(duì)這類材料的檢測(cè)相對(duì)來說更為簡(jiǎn)單。石化工業(yè)中的所有檢測(cè)應(yīng)用幾乎都是“獨(dú)家擁有”，盡管檢測(cè)中所遵循的基本物理原理已經(jīng)有了明確的定義。 

圖5說明的是一個(gè)異質(zhì)金屬焊接檢測(cè)的示例，檢測(cè)中采用了一種獨(dú)家擁有的相控陣校準(zhǔn)技術(shù)，校準(zhǔn)中使用的是穿過焊縫材料的反射體。這個(gè)檢測(cè)程序?qū)M波和縱波結(jié)合在一起使用。來自堆焊層表面的反射信號(hào)在圖5中清晰可見（7）。

圖5：使用相控陣S掃描進(jìn)行DSM焊縫檢測(cè) 
堆焊層上方的凹槽清晰可見（箭頭所示）。

堆焊層的檢測(cè)存在類似的問題，因?yàn)槁暿捎谀Ｊ睫D(zhuǎn)換而不能得到反射。我們?cè)俅谓ㄗh將橫波或縱波生成的S掃描結(jié)合起來使用。圖6顯示的是一個(gè)帶有作為參考反射體的內(nèi)嵌凹槽的堆焊層板。在低噪聲水平下，凹槽清晰可見。

圖6：在0.5毫米、1毫米和1.5毫米深度上帶有凹槽的堆焊層板

能夠?qū)φ麄€(gè)焊縫進(jìn)行檢測(cè)是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，雖然一般來說檢測(cè)時(shí)需要將焊冠去掉。 

液化天然氣儲(chǔ)罐由含9%鎳的奧氏體鋼制成，以獲得優(yōu)質(zhì)的低溫韌性。再次重申一次曾經(jīng)提到的物理原理：縱波比橫波的檢測(cè)效果更好。圖7顯示的是使用（已獲得專利權(quán)）的分區(qū)設(shè)置方式對(duì)液化天然氣儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)的示例，這種檢測(cè)與管線檢測(cè)方式相似（8）。

圖7：用于液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐檢測(cè)的帶狀圖技術(shù)（圖片由CB&I提供 ）

其它公司也開發(fā)了一些獨(dú)特的檢測(cè)技術(shù)。Applus RTD公司使用與圖7相似的分區(qū)設(shè)置方式（9）。AIT公司則使用一種E掃描方式，通過焊縫覆蓋進(jìn)行定位，如圖8所示。

圖8：表現(xiàn)液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐焊縫中側(cè)壁未熔合缺陷的E掃描和A掃描（左圖）；圖片由AIT提供（7） 。

使用分區(qū)設(shè)置方式可以更快地完成檢測(cè)，但是圖像卻不太清晰。更高級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的新添功能，可以使操作人員在通常要求極為嚴(yán)格的在役條件下，對(duì)管線的焊縫進(jìn)行日常檢測(cè)（10）。新版PipeWIZARD v4可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙晶矩陣探頭（如：TRL-PA）。 

在EWI進(jìn)行的超級(jí)奧氏體鋼焊縫的檢測(cè)，所獲得的在可測(cè)性方面的結(jié)論與前面所述檢測(cè)相同（11）。

我們希望本文清楚地表述了以下觀點(diǎn)：可以使用幾種技術(shù)對(duì)奧氏體鋼材料進(jìn)行檢測(cè)，而且這些技術(shù)眾所周知。檢測(cè)中具有決定性的特性是晶粒大??；較大的晶粒會(huì)產(chǎn)生聲束偏斜、離散和衰減的問題。從這個(gè)角度來看，最近在石化工業(yè)中進(jìn)行的應(yīng)用，與更早的核工業(yè)中對(duì)CCSS管道的檢測(cè)相比，具有更高的可測(cè)性。

任何有能力進(jìn)行自動(dòng)超聲檢測(cè)的公司，都可以將下述簡(jiǎn)單的操作方式作為一種檢測(cè)策略，完成檢測(cè)。

注意如果材料的晶粒尺寸很小，則無需使用這種較為復(fù)雜的檢測(cè)方式。例如：圖9表明來自一個(gè)以自體焊接方式接合的薄壁奧氏體鋼管的相控陣S掃描。當(dāng)時(shí)的冷卻速度很高，所以晶粒較小，因此使用傳統(tǒng)的橫波檢測(cè)方式足以完成檢測(cè)。

圖9：對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行S掃描橫波檢測(cè)（11）

減小材料的晶粒尺寸顯然是提高奧氏體鋼材料可測(cè)性的關(guān)鍵。不過，下述建議使用的所有技術(shù)都有可能增加成本，而且可能會(huì)增加產(chǎn)生缺陷的幾率，如：未熔合缺陷（LOF）（11）。

1.降低熱量輸入：控制熱量輸入的主要因素是電流和傳播速度。電壓只會(huì)產(chǎn)生較小的影響。晶粒尺寸取決于冷卻速度。對(duì)冷卻速度產(chǎn)生較大影響的因素是熱量輸入、板材的厚度和預(yù)熱情況。總的來說，預(yù)熱不是控制奧氏體鋼晶粒尺寸的實(shí)質(zhì)問題。如果降低晶粒尺寸是所要達(dá)到的目的，則熱量輸入，特別是電流和傳播速度，似乎是最應(yīng)該控制的參數(shù)。

2. 直徑較小的焊絲：直徑較小的焊絲提供的熱量輸入較低，從而也可產(chǎn)生較小的晶粒。使用直徑較小的焊絲可使材料具有更好的斷裂韌度，但是卻需要更長(zhǎng)的焊接時(shí)間。如果時(shí)間是關(guān)鍵性的因素，則使用直徑較小的焊絲會(huì)影響檢測(cè)的進(jìn)度。

3. 更改焊接程序：顯而易見，某些焊接程序，相比其它程序，會(huì)使焊縫產(chǎn)生更小的晶粒。PGMAW（脈沖熔化極氣體保護(hù)焊）使用脈沖發(fā)射方式，降低熱量輸入，同時(shí)還可以保持優(yōu)質(zhì)的熔合特性。任何較高強(qiáng)度的程序，如：等離子焊或PGMAW（脈沖熔化極氣體保護(hù)焊），都要比TIG（非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊）好。

4. 改變焊縫金屬的組成成份：鐵素體越多，所生成晶粒的尺寸越小。使用鐵素體如果不影響材料的強(qiáng)度，也一定會(huì)影響材料的耐腐蝕性能。如果首先選擇了奧氏體鋼，人們不禁會(huì)產(chǎn)生疑問：鐵素體材料是否可以作為適當(dāng)?shù)奶娲牧希?/div>

總結(jié)

1. 針對(duì)奧氏體鋼、堆焊層和異質(zhì)金屬焊縫的檢測(cè)，似乎不存在一個(gè)“完美”的解決方案，而且可能永遠(yuǎn)也不會(huì)有。
2. 材料可測(cè)性的關(guān)鍵因素是焊縫的微觀結(jié)構(gòu)；如果晶粒很大且有取向性，則會(huì)影響檢測(cè)的性能。
3. 當(dāng)前的解決方案嘗試在不同的步驟中使用幾種不同的技術(shù)，并選出最適當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)行檢測(cè)。