奥氏体不锈钢焊缝超声波探头的研制

    奥氏体不锈钢由于其高温抗断裂韧性好、耐腐蚀性强、抗蠕变性能好、屈服强度高等优良性能,在石油、化工、核能等部门的高温、高压容器上的应用越来越广泛.但由于奥氏体不锈钢焊缝中粗大的柱状晶组织会使超声波的衰减大大增加,草状回波多,信噪比低,以及由于柱状晶各向性引起的假信号和声束偏转,使缺陷的探测、判别及定位非常困难,因此用一般超声方法难以探测.

    目前,国外在奥氏体不锈钢焊缝的检测方面已作了不少工作,主要措施是采用纵波窄脉冲斜探头.本文对纵波窄脉冲斜探头进行了研究,并在奥氏体不锈钢焊缝的检测中取得了结果.

    1 窄脉冲探头的研制

    根据纵波压电振子的等效电路可知,要获得宽带窄脉冲的超声波探头,可以从电端口或力阻抗端口采取措施.首先在背衬端口加以改进,然后与仪器匹配时再在探头的电端口采取一定措施,得到了脉冲较窄、灵敏度较高的探头.

    由于奥氏体不锈钢焊缝晶粒较粗大,探头频率不宜过高,但频率过低对提高分辨率不利,因此要选择一个适中的频率.经试验,频率在2~215MHz之间较为合适.

    1.1 压电晶片的选择

    制作窄脉冲探头,一般采用偏铌酸铅压电材料,这是因为它的机械品质因数Qm值和电气品质因数Qe值低,声阻抗小,易于阻尼匹配,其径向振动很弱,厚度振动单纯,容易获得窄脉冲.但是,这种材料的厚度模机电耦合系数Kt值小,灵敏度不高,无法用于焊缝的探伤.而锆钛酸铅(PZT)因为Qm、Qe值高,声阻抗大,不易阻尼匹配,加上较大的径向振动,难于制作窄脉冲探头,但其Kt值大,灵敏度高,价格便宜,材料来源广,所以选用PZT材料研制窄脉冲探头.

    一般晶片尺寸越小,越容易制备窄脉冲探头.但对于奥氏体粗晶材料的探伤要求探头有足够的灵敏度和指向性,即晶片尺寸要足够大.根据目前广泛使用的晶片尺寸大小,选520mm的晶片.

    1.2 背衬及粘接工艺

    从理论上讲,要获得/单极0脉冲,探头的晶片与背衬要完全匹配,实际上要做到这点非常困难.但当背衬和晶片接近匹配(如背衬声阻抗约等于晶片声阻抗的60%)时,探头即可得到较好的阻尼和较窄的脉冲波形.常用的PZT材料的声阻抗为32Mkg/m2s,而一般采用的钨粉-环氧树指调配法所能达到的声阻抗约为10Mkg/m2s左右,很难达到阻抗匹配.

    采用负压抽吸法制成的钨棒背衬,其声阻抗可达20Mkg/m2s左右,约为PZT声阻抗的65%.用此背衬制作探头,探头脉冲波数由8周减至215周.可见,加符合要求的钨棒背衬后,探头得到了相当好的阻尼效果.