侯怀书1,李金好1,陆 顶1,夏帅军1,辛健龙2

(1.上海应用技术大学机械工程学院,上海 201418;2.中国建筑第八工程局有限公司,上海 200112)

摘 要:基于试验统计经不同温度(800~1350 ℃)固溶处理后薄壁304L奥氏体不锈钢焊管母 材与焊缝的晶粒尺寸,利用基于连续小波变换的超声衰减法对母材和焊缝超声信号进行三层小波 分解后提取特征能量,研究超声衰减法评估焊管晶粒尺寸的可行性。结果表明:随着固溶温度的升 高,母材晶粒尺寸与对应的特征能量均呈减小趋势,实际检测中可设置超声信号的相对特征能量阈 值在600~1000之间,此时晶粒度在7~8.5之间,晶粒尺寸合格;随着固溶温度的升高,焊缝的晶 粒尺寸增大,特征能量先升高后降低再升高,并在1050 ℃附近达到最大值,实际检测中可设置超 声信号的相对特征能量阈值在140~180之间,此时晶粒度为8.5~9,晶粒尺寸合格。超声衰减法 可实现薄壁304L奥氏体不锈钢焊管晶粒尺寸的快速无损评估。

关键词:薄壁不锈钢焊管;超声衰减法;连续小波变换;特征能量;晶粒尺寸 中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0046-07

0 引 言

304L奥氏体不锈钢焊管具有耐腐蚀性好、抗高 温蠕变能力强、生产效率高等特点,在航天、汽车、石 46 侯怀书,等:基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸 油化工等领域得到广泛应用[1]。研究[2]表明,奥氏 体不锈钢平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布是影响钢管 力学性能的2个重要因素。为获得良好的韧性和塑 性,同时改善不锈钢焊管的耐腐蚀性、高温持久性和 抗蠕变性能等,薄壁奥氏体不锈钢焊管一般要经过 固溶热处理,而固溶热处理的质量会直接影响不锈 钢焊管的性能。研究[2-4]发现,当固溶热处理温度过 高时,会导致奥氏体晶粒异常长大、变形,从而影响 焊管的整体强度与塑性。异常长大的奥氏体晶粒与 表面裂纹的产生有很大关联[5-8]。为保证奥氏体不 锈钢焊管的强度和焊接质量,对固溶热处理后的焊 管母材与焊缝晶粒尺寸进行检测非常重要。 目前,奥氏 体 不 锈 钢 焊 管 晶 粒 尺 寸 主 要 检 测 方法为金相法,但该方法属于破坏性检测,且检测 效率低,难 以 适 应 大 批 量 在 线 检 测 需 求。超 声 波 检测作为 一 种 非 破 坏 性 方 法,具 有 快 速、直 接、适 用性广等特点。研究人员尝试用声速法和衰减法 对奥氏体钢 晶 粒 尺 寸 进 行 测 试,虽 取 得 了 一 定 的 成果,但检测结果不够直观准确。衰减法检测时, 声波在奥氏体中传播时常受到晶界、相界、位错等 的影响,导致超声参量发生衰减,同时零件形状以 及探头与钢管之间的耦合状态等也会影响声波的 衰减[2]。声速法通过测量超声穿过奥氏体不锈钢 组织 时 的 声 衰 减 和 声 速 来 间 接 评 价 晶 粒 的 尺 寸[9-11],由于超声声速受温度以及声程测量误差的 影响较大,检测精度也较低。 小波变换的主要特点是在高频部分具有较高的 时间分辨率和较低的频率分辨率,而在低频部分具 有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,很适合 于分析非平稳的信号和提取信 号 的 局 部 特 征[12]。 超声波在金属材料中传播时,能量的衰减一般用连 续回波幅度的变化来获得[13],但因薄壁焊管声程较 小,导致超声信号叠加在一起,难以分辨,因此简单 的时域分析不能满足要求。小波变换的另一特点是 通过信号变换,用一个局部紧支撑基本小波函数,通 过不同尺度的平移和伸缩构成小波函数系去表示或 逼近一个信号。利用连续小波变换提取奥氏体不锈 钢焊管超声信号的特征能量,可有效排除其他因素 对晶粒尺寸检测的影响。基于此,作者根据试验结 果,统计经不同温度(800~1350 ℃)固溶处理后的 薄壁304L奥氏体不锈钢焊管母材与焊缝的晶粒尺 寸,利用连续小波变换技术分析超声衰减的变化来 评估焊缝和母材的晶粒尺寸,研究超声衰减法评估 奥氏体不锈钢焊管奥氏体晶粒尺寸的可行性。

试验材料为厚度1mm 的304L奥氏体不锈钢 钢带,化学成分见表1。钢带经过冷弯成型,非熔化 极气体 保 护 焊 焊 接,焊 缝 内 外 整 平 后 得 到 外 径 27mm、壁厚1 mm 的不锈钢焊管。截取长0.5 m 的焊管试样11个。采用中频感应加热技术对焊管 进行光亮 固 溶 热 处 理,固 溶 温 度 分 别 为 800,850, 900,950,1000,1050,1100,1150,1200,1250, 1350℃,保温时间为1 min,随后空冷至室温。将 冷却后的试样沿轴向切开,经研磨、抛光,采用饱和 苦味酸溶液加缓蚀剂和2~3滴 HF溶液在60℃水 浴中热腐蚀后,采用 AxioImager2型光学显微镜 观察奥氏体晶粒形貌,同时借助Image-Pro专业图 像分析软件,按照 GB/T6394—2017采用截点法测 定奥氏体平均晶粒尺寸,并对其晶粒度进行评级。 表1 304L奥氏体不锈钢带的化学成分 Table1 Chemicalcompositionof304Laustenitic stainlesssteelstrip % 元素 C Si Mn P S Ni Cr N 质量分数 0.023 0.41 0.97 0.032 0.005 8.22 18.17 0.056 超声检测装置主要包括中心频率为5 MHz的 超声纵波 探 头、5072PR 型 超 声 信 号 发 射 接 收 仪、 AC6111型高速 A/D采集卡、计算机。设置 A/D高 速采集卡的采样频率为125MHz,采用超声 A 扫描 方式,将焊管水平放置在 V 型轨道上,超声探头垂 直焊管置于支架上,利用机油耦合实现纵波垂直入 射,信号采集位置如图1所示,位置1和位置2分别 采集焊缝和母材晶粒的纵波回波信号。 图1 焊管超声信号采集位置示意 Fig.1 Ultrasonicsignalacquisitionpositiondiagramofweldedtube 连续小波变换可以看作是基波作位移后,在不 同尺度因子下与待分析信号x(t)作内积,即 Wx(α,τ)= 1 α∫ +∞ -∞ x(t)φ * t-τ α dt (1) 式中:Wx (α,τ)为小波变换系数;α 为尺度因子,大 于0,其作用是对基波φ * (t)函数作伸缩,上标*表 47 侯怀书,等:基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸 示复共轭;τ为位移;t为时间。 式(1)等效频域的表示方法为 Wx(α,τ)= α 2π∫ +∞ -∞ X(w)Ψ * (α w )ejwτdw (2) 式中:X(w),Ψ 分别为x(t),φ(t)的傅里叶变换;ω 为角频率;j为复数。 连续小波变换[14]定义为 f(α,b)≤x(t) (3) Ψα,b(t)≥∫R x(t)Ψα,b(t)dt= ∫R x(t)α 1/2Ψ t-b α dt (4) 式中:f(α,b)为连续小波变换系数;Ψα,b(t)为连续 小波的基函数或者母小波;b 为平移因子;R 为尺度 空间。 根据α,b 的不同,可以得到连续小波变换下不 同时、频宽度的信息,实现对信号的局部化分析。在 连续小波变换中能量和信号的幅值平方成正比。由 于输入和输出信号都是非平稳瞬态信号,设11个试 样的1~11组信号Si(i=1,2,…,11)对应的能量 为Ei(i=1,2,…,11),则有: Ei =∫Si(t)2dt=∑ n k=1 xik 2 (5) 式中:xik(i=1,2,…,11,k=1,2,…,n)为重构信 号Si 的离散点幅值;i为信号的第i组;k为第i组信 号的k 处。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图2、图3和表2可以看出:800~1000 ℃固 溶处理后,焊管焊缝区域奥氏体晶粒呈典型的树枝 状分布,晶粒较细,晶粒度在10~13级之间;当固溶 温度提高至 1000~1250 ℃ 时,焊缝晶粒尺寸变 大,晶粒度在6~10级之间,晶粒尺寸差异严重。母 材区奥氏体晶粒尺寸随固溶温度的升高而增大,平 均尺寸由10μm 逐渐增大至40.1μm。当固溶温度 达到1250℃时焊缝已经出现大量的黑色氧化物和 魏氏组织。当固溶温度达到1350 ℃时,焊缝和母 材奥氏体晶界出现了魏氏组织与黑色氧化物。魏氏 组织的出现不仅使晶粒粗化,而且由于大量铁素体 针片的形成使金属的韧性急速降低[15],奥氏体不锈 钢变脆而易出现疲劳裂纹。 图2 不同温度固溶处理后焊管焊缝的显微组织 Fig.2 Microstructuresofweldofweldedtubeaftersolutiontreatmentatdifferenttemperatures

2.2 超声信号的连续小波变换处理

在检测过程中由于不同晶粒度焊管的声抗特征 参数及超声回波信号的散射程度不同,其超声反射 回波高度均不同。由图4可以看出,不同温度固溶 处理后焊缝与母材回波信号的相对幅值均具有较大 的差别。焊缝晶粒尺寸较母材差异大,导致焊缝的 48 侯怀书,等:基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸 图3 不同温度固溶处理后焊管母材的显微组织 Fig.3 Microstructuresofbasemetalofweldedtubeaftersolutiontreatmentatdifferenttemperatures 表2 不同温度固溶处理后焊管母材和焊缝的平均晶粒 尺寸及晶粒度 Table2 Averagegrainsizeandgrainsizeofbasemetaland weldofweldedtubeaftersolidsolutiontreatmentat differenttemperatures 固溶温 度/℃ 焊缝 母材 平均晶粒尺寸/μm 晶粒度 平均晶粒尺寸/μm 晶粒度 800 4.90 12~12.5 10.42 10~10.5 850 5.56 12~12.5 12.19 9.5~10 900 7.51 11~11.5 16.71 8.5~9 950 9.39 10.5~11 17.42 8.5~9 1000 12.90 9.5~10 18.46 8.5~9 1050 16.52 8.5~9 22.60 7.5~8 1100 19.30 7.5~8 26.92 7~7.5 1150 27.24 7~7.5 34.56 6.5~7 1200 33.03 6.5~7 40.10 6~6.5 1250 38.50 6~6.5 45.42 5.5~6 1350 45.81 5.5~6 53.31 5~5.5 声阻抗和母材不同,因此焊缝的回波信号相对幅值 与母材之间的差异较大,且随固溶温度的升高,相对 幅值呈减小的趋势。由于采样中不可避免地存在各 种噪声信号,采用连续小波变换技术可以较好地滤除 高频噪声,从而提取超声回波信号中奥氏体不锈钢焊 管晶粒的特征能量。 利用小波变换对回波信号进行多尺度空间能量 特征提取。参 考 文 献 [16]选 用 db3 小 波 基,采 用 rigrsure规则选择阈值,对超声 A 扫描信号进行三 层小波包分解,小波包分解树如图5所示。第一层 d1 为波形主频率范围70~125 MHz的高频噪声; 第二层d2 为波形主频率范围40~70 MHz的中高 频噪声;第三层d3 为波形主频率范围20~40 MHz 的中低频噪声。经分解重构后,提取低频带范围的 信号,信号a3 的波形主频率范围在3~6MHz。 由图6可以看出:选取的部分回波信号通过连 续小波降噪重构后,几乎保持了原始信号的基本特 征,将高频干扰噪声去除后可以更清楚地显示出信 号轮廓。将1050 ℃固溶处理后焊管超声波反射回 波信号三层小波分解后,对得到的信号进行傅里叶 能量变换,并提取a1,a2,a3 中的特征能量。由图7 可以 看 出:第 一 层 分 解 后 的 波 形 主 频 率 在 18~ 20MHz,特征能量最大,其中包含大部分的噪声能 量;第二层分解后的波形主频率在8~12 MHz,特 征能量中也掺杂部分噪声能量;第三层分解后的波 形主频率在3~7MHz,特征能量最小,且频率接近 超声探头的中心频率。 将超声波回波信号分解变换后,提取不同温度 固 溶处理后焊管的信号相对能量值,经多项式拟合 49 侯怀书,等:基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸 由图8可以看出,焊管母材的相对特征能量随 固溶温度的升高而逐渐减小,其原因是固溶温度的 升高会引起晶粒度减小,使母材声阻抗升高,造成超 声回波能量降低,并且晶粒尺寸越大,能量降低程 50 侯怀书,等:基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸。基于此,在对304L 奥氏体不锈钢焊管母 材晶粒尺寸的实际检测中可以设置2个相对特征能 量阈值,即600与1000。当相对特征能量小于600 时,晶粒度在5.5~7之间;当相对特征能量介于600 与1000之间时,晶粒度在7~8.5之间,在实l 由图9可以看出:焊缝的相对特征能量随着固 溶温度的升高先上升后下降再升高。结合显微组织 可以发现:在固溶温度为800~1050 ℃时,焊缝晶 粒分布较规律,晶粒长大现象不明显,此时焊缝相对 特征能量升高,并在1050 ℃附近相对特征能量达 到最大;随着固溶温度的进一步提高,焊缝晶粒呈现 出无序的不规则快速长大现象,且温度越高,长大现 象越明显,此时焊缝相对特征能量逐渐降低至40左 右;但是在固溶温度高于1200 ℃时,由于奥氏体晶 粒出现杂乱无序状态,声阻抗小幅度减小,因此焊缝 特征能量出现小范围增大。基于此,在对焊缝晶粒 尺寸的实际检测中可设置超声信号的相对特征能量 阈值在140~180之间,当检测得到的相对特征能量 在此范围,说明此时焊缝的晶粒度为8.5~9,焊缝 晶粒尺寸合格;当焊缝超声信号相对特征能量不在 此范围时,判定焊缝晶粒尺寸不合格,说明生产过程 中出现了固溶处理温度不稳定的情况。受试验条件 限制,目前尚无法建立晶粒尺寸、声阻抗与超声信号 能量分布之间的准确关系,有待进一步研究。该检 测方法可以为薄壁304L 奥氏体不锈钢焊管的超声 检测提供有益借鉴。

3 结 论

(1)不同温度固溶处理后薄壁304L 奥氏体不 锈钢焊管母材与焊缝晶粒尺寸发生改变,引起奥氏 体不锈钢焊管的声阻抗变化,进而导致超声回波信 号特征能量的变化。 (2)随着固溶温度的升高,焊管母材晶粒尺寸 与对应的特征能量均呈减小趋势,实际检测中可设 置超声信号的相对特征能量阈值在600~1000之 间,当检测时获得的相对特征能量在此范围,说明此 时晶粒度在7~8.5之间,晶粒尺寸合格。 51 侯怀书,等:基于连续小波变换的超声衰减法评估薄壁304L钢焊管晶粒尺寸 (3)随着固溶温度的升高,焊管焊缝的晶粒尺 寸增大,相对特征能量先升高后降低再升高,并在 1050 ℃附近达到最大,实际检测中可设置超声信 号的相对特征能量阈值在140~180之间,当检测得 到相对 特 征 能 量 在 此 范 围,说 明 此 时 晶 粒 度 为 8.5~9,焊缝晶粒尺寸合格。

来源：材料与测试网