奥氏体不锈钢焊缝超声TOFD检测的关键技术研究

发布时间：2017-09-25 22:12

  本文关键词：奥氏体不锈钢焊缝超声TOFD检测的关键技术研究

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【摘要】：奥氏体不锈钢因其优良的耐腐蚀性及力学性能,广泛地应用于航空航天、机械制造、石油化工等重要的领域。不锈钢焊缝是完整构件的薄弱区域,并且一般服役在高温、高压、冲刷、腐蚀、放射性的恶劣环境。此外,由于焊接工艺参数波动的影响,焊缝中可能出现未熔合、未焊透、夹渣、气孔、形状缺陷以及裂纹等其他缺陷,严重影响焊缝的使用性能。因此,无论是生产过程还是服役过程,需要通过无损检测方法及早发现焊缝缺陷及服役损伤,先进无损检测技术是设备安全运行的重要保障。超声波检测技术是目前应用最为广泛的焊缝检测技术之一,具有穿透力强,检测范围广、效率高、便携、对环境无害等优势。然而,由于奥氏体不锈钢焊缝中各向异性粗大的柱状晶组织,超声波在焊缝中传播会出现衰减大,噪声强,声束扭曲等问题,导致检测信号信噪比降低,缺陷定量、定位困难。超声衍射时差法(TOFD,Time of Flight Diffraction)是利用缺陷端部产生的衍射波来检测和评价缺陷的方法,具有定量准、速度快、抗噪能力强、检测结果直观等优势。鉴于奥氏体不锈钢焊缝超声无损检测存在的问题,本研究提出将超声TOFD检测技术应用于奥氏体不锈钢焊缝的无损检测。本研究分析了超声波在焊缝中的传播特性及超声波与柱状晶相互作用机理,通过优化检测参数降低柱状晶组织超声散射对检测信号的不利影响。开发基于超声TOFD-D扫描的合成孔径聚焦算法,有效地进一步抑制了噪声信号,并改善了缺陷的超声TOFD-D扫描成像结果。具体研究内容如下:(1)柱状晶与超声波相互作用的机理研究。通过试验揭示了缺陷检测信号的信噪比和超声声束与柱状晶生长方向之间夹角的关系。在对奥氏体不锈钢焊缝进行TOFD检测中发现,缺陷衍射波信号的信噪比主要与焊缝中柱状晶的生长方向和声束方向的夹角有关。结合金相分析可知:缺陷检测信号的信噪比随超声声束与柱状晶生长方向之间夹角的增大而减小,当夹角较小时,检测信号的信噪比较高。(2)检测方法研究,优化了奥氏体不锈钢一次波检测的参数,提出了基于超声TOFD技术的二次波检测方法。当采用一次波对焊缝进行检测时,考虑到检测信号信噪比受检测声束方向与柱状晶生长方向夹角和缺陷端声压分布的影响,需要从焊缝根部侧布置探头,根据不锈钢焊缝的组织结构特征,调整探头斜楔角度及探头间距在保证检测声束与柱状晶生长方向成较小夹角的前提下,提高检测区域的声压能量分布。由于封闭管道或容器的焊缝根部位于内壁,有时无法在内壁布置探头进行检测,为了获得较小的声束与柱状晶夹角,可将探头布置在余高侧,采用二次波检测方法提取焊缝中缺陷的衍射波特征信号。通过试验可知,需对检测信号中各特征脉冲进行判别,其中,变型波一次底波会导致余高附近出现检测盲区。检测声波能量分布是影响二次波检测信号信噪比的重要因素,因此,为保证焊缝中具有较大的检测声波能量分布,检测过程中应尽量选用小角度探头,并设置较小的探头间距(PCS间距)开展检测工作。(3)设计了基于超声TOFD-D扫描的合成孔径聚焦成像(SAFT)算法,对幅度变迹窗进行分析和优化,从而提高检测信号的信噪比,增强TOFD-D扫描图像的分辨率。首先,通过合成孔径聚焦成像技术对不锈钢焊缝的TOFD-D扫描信号进行处理研究。其次,通过优化合成孔径算法的内部参数,对变迹窗进行研究。对比缺陷中部、端部位置的信噪比可知,高斯窗(a=4)能在兼顾缺陷端部位置信噪比的前提下提高缺陷中部的检测信号信噪比,处理效果优于矩形窗和高斯窗(a=1),加强了不锈钢焊缝超声TOFD-D扫描图像的缺陷显示能力。综上所述,通过对柱状晶与超声波相互作用的机理研究可知,柱状晶会造成超声波声束衰减以及噪声干扰,严重影响超声TOFD检测的定位精度和检测灵敏度。在检测声束与柱状晶生长方向之间夹角较小的情况下,能够有效降低柱状晶组织对声波造成的衰减及散射作用。基于此结论,当选择用一次波对焊缝进行检测时,探头应布置在焊缝的根部侧,在保证检测声束与柱状晶生长方向成较小夹角的前提下,提高检测区域的声压能量分布。当探头布置在焊缝的余高侧时,可利用二次波对不锈钢焊缝进行检测,为保证焊缝中具有较大的检测声波能量分布,检测过程中应尽量选用小角度探头,并设置较小的探头间距开展检测工作。在信号处理方面,合成孔径聚焦技术(SAFT)可以很好地与超声TOFD检测技术相结合,通过对变迹窗进行分析和改进可以优化处理效果,提高了不锈钢焊缝超声TOFD-D扫描图像的缺陷显示能力。
【关键词】：超声TOFD 不锈钢焊缝 二次波 合成孔径 信噪比
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG441.7
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题的背景和意义11-12
• 1.2 奥氏体不锈钢焊缝无损检测技术概述12-19
• 1.2.1 不锈钢焊缝组织结构特点12-14
• 1.2.2 奥氏体不锈钢焊缝的各种无损检测方法概述14-15
• 1.2.3 奥氏体不锈钢焊缝的超声检测技术及发展现状15-17
• 1.2.4 奥氏体不锈钢焊缝的超声检测技术存在的问题17-18
• 1.2.5 超声TOFD检测技术的优势18-19
• 1.3 研究内容及技术路线19-21
• 1.3.1 研究内容19-20
• 1.3.2 技术路线20-21
• 第二章 超声TOFD检测技术原理及其应用21-28
• 2.1 引言21
• 2.2 超声TOFD检测原理21-25
• 2.2.1 波的衍射现象21-22
• 2.2.2 TOFD技术检测的基本原理22-23
• 2.2.3 超声TOFD技术的扫查成像方式23-24
• 2.2.4 缺陷的定量方法24-25
• 2.3 超声TOFD技术的优点及局限性25-27
• 2.3.1 超声TOFD检测技术的优点25-26
• 2.3.2 TOFD技术在不锈钢焊缝检测中的局限性26
• 2.3.3 奥氏体不锈钢焊缝的超声TOFD检测研究现状26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 检测设备及试样制备28-33
• 3.1 超声TOFD检测设备28-30
• 3.1.1 超声检测系统28-29
• 3.1.2 超声TOFD探头及辅助计算软件29-30
• 3.2 试样制备30-31
• 3.3 金相分析31
• 3.4 本章小结31-33
• 第四章 奥氏体不锈钢焊缝中超声波传播特性分析33-38
• 4.1 引言33
• 4.2 试验方法33-34
• 4.3 焊缝中声波传播的各向异性特征分析34-36
• 4.3.1 检测面对焊缝检测信号的影响34
• 4.3.2 检测信号信噪比的各向异性特征34-36
• 4.4 本章小结36-38
• 第五章 不锈钢焊缝超声TOFD检测的检测参数优化38-45
• 5.1 引言38
• 5.2 一次波检测方法38-40
• 5.3 二次波检测40-43
• 5.3.1 试验方法40-41
• 5.3.2 二次波检测的特征脉冲分析41-42
• 5.3.3 检测参数优化42-43
• 5.4 本章小结43-45
• 第六章 基于超声合成孔径聚焦技术的不锈钢焊缝检测45-61
• 6.1 引言45
• 6.2 奥氏体不锈钢焊缝的超声TOFD-D扫描45-48
• 6.2.1 实验方法45-46
• 6.2.2 TOFD-D扫描成像及检测信号分析46-48
• 6.3 基于焊缝D-扫描数据的合成孔径聚焦原理48-50
• 6.4 合成孔径参数优化及处理效果50-60
• 6.5 本章小结60-61
• 第七章 结论61-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况66-67
• 致谢67-68

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本文编号：919844