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[摘要]：本文概述奥氏体不锈钢焊缝的组织结构及其对超声检测波形的影响，列举国内外当前对奥氏体不锈钢超声检测的研究成果以及结构噪声的信号处理等。
[关键词]：奥氏体不锈钢 粗晶 超声检测 结构噪声 信号处理
中图分类号：O426 文献标识码：O 文章编号：1009-914X（2012）20- 0027 -01
奥氏体不锈钢，是指常温下具有奥氏体组织的不锈钢。其生产工艺良好，有优良的抗腐蚀性、抗氧化性及低温韧性，因而被广泛应用于石油化工、机械制造和核电等行业的重要部位，使用条件较恶劣[1-2]。为保证设备的安全运行，完备的检测必不可少。超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点，已成为保证产品质量、确定设备安全运行的一种重要手段。由于超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射、衰减和波形转换等物理特性来发现缺陷的一种无损探伤方法，而奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大，超声检测时易发生散射及吸收衰减，形成草状回波即结构噪声，干扰缺陷信号，降低信噪比。为此，分析奥氏体不锈钢焊缝的组织结构和回波的信号处理对奥氏体不锈钢焊缝的超声检测至关重要。
1.奥氏体不锈钢焊缝的组织结构及形成机理
由熔焊金属的凝固过程可知，焊接的凝固过程发生在熔池中，熔池中热量主要是通过熔合线向母材传递。因为焊缝的宏观组织与连铸坯相似。在熔合线附近母材的等轴晶基础上，晶体向熔池中心方向生长，产生择优长大过程，形成柱状晶。柱状晶不断长大，之互相接触。随着焊缝热源向前推移，熔池的形成及其结晶过程也不断向前推移。中部为枝状晶，后凝区可能是等轴晶。因此在焊缝焊道底部出现柱状晶，在焊道中部出现树枝晶。在固液界面前方液相中温度梯度小，晶粒优先形成胞状树枝晶，且晶粒为柱状结构。特别是在焊接厚板是，在熔池底部会有更高的冷却速度，这会促进柱状晶的生长。由于奥氏体钢的热膨胀系数小，导热性差，焊缝熔池中金属冷却速度慢、温度梯度小、散热慢、晶粒长大速度快，从而导致了粗的柱状晶的形成。当奥氏体不锈钢焊缝金属一次结晶之后，不再发生相变，主要形成的枝晶组织在进一步冷却过程中，会立即发生再结晶，形成新的晶界，新形成的晶粒在每一层上生长，残留 铁素体有强烈的形核效果，奥氏体焊缝金属中存在 铁素体。再结晶后形成粗大柱状晶，因此厚板奥氏体不锈钢焊缝的最终形态是粗大等轴的柱状晶奥氏体+沿柱状晶分布的 铁素体[3]。
2.焊缝组织对超声波的影响
由于奥氏体不锈钢结晶的有序性和晶粒粗大，对其焊缝超声检测与碳素钢焊缝有所不同。碳素钢焊缝为等轴晶，晶粒组织为100 级，对于一般用于检测的超声波来说是均匀的，各向同性的，且经历对声波散射很低，超声检测结果很好；而奥氏体不锈钢焊缝组织对于超声波来说是非均匀的、各项异性的，晶粒尺寸大于超声波波长。从散射角度来讲，波的散射取决于波长与散射体大小的比值及散射体对于声波的各向异性。一般来说，当材料晶粒接近波长的十分之一，弹性非均质材料由明显散射；当材料晶粒接近波长的五分之一，弹性非均质材料有很强散射；当材料晶粒接近波长的二分之一，对声波的散射剧增，以至小缺陷信号完全埋没在噪声信号中，无法进行小缺陷的超声检测。
3.奥氏体不锈钢焊缝超声检测
针对奥氏体不锈钢焊缝超声检测的问题，国内外研究者开展了广泛的研究，解决奥氏体焊缝超声检测主要从两个方面入手：一是研制高灵敏度的低频窄脉冲超声探头，减少材料的散射；二是采用信号处理技术，将缺陷信号从材料噪声中分离出来。解决奥氏体不锈钢焊缝超声检测问题需要从这两个方面同时入手，研制性能优良的超声换能器和研究合理有效的信号处理方法。
3.1超声检测
焊缝中常见的缺陷类型为气孔、柱孔、夹渣、纵向裂纹、横向裂纹、未焊透和未熔合等，而危險性的缺陷大多与探测面成一定角度，为了有效地检出焊缝中这种危险性缺陷，一般采用纵波斜探头探伤。由于奥氏体不锈钢焊缝为柱状晶，不同方向探测信噪比和衰减不同，因此纵波斜探头的折射角度选择要合理。探伤奥氏体不锈钢焊缝是频率对衰减的影响很大，频率愈高，衰减愈大，穿透力愈低，奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大，宜选用较低的探伤频率，通常为0.5-2.5MHZ。聚焦探头通常在径向缩小结构噪声激发区域。焦距、焦柱长度等都与晶片直径有关。为检测厚度较大的弓箭必须使用大直径探头，而晶片、聚焦透镜、透镜与晶片的结合等的工艺难度都随晶片直径的增大而迅速增大，因而，聚焦探头的直径增大也是有限的。
3.2信号处理方法
信号处理方法主要有信号平均技术、时频分析法[4]等。
信号平均技术主要包括空间平均、时间平均、频率平均、角平均等，即适当改变探伤参数，使散射信号随即变化，而缺陷信号基本不变；这样将多个信号相加取平均值，就可提高信噪比。信号个数越多，提高信噪比效果越好，但可能会引起信号失真。另一不足则是对缺陷定量不太精确。
时频分析法则是对超声信号进行时域（如相关、时域平均、匹配滤波等）或频域（如傅里叶变换、维纳滤波等）分析，近几年研究较多的则是裂谱和小波变换，小波分析等方法。
4.结语
由于奥氏体不锈钢焊缝是粗大的柱状晶组织，对超声波检测散射及衰减严重，因而在检测是采用聚焦的纵波斜探头，减少散射，信号处理方面采取信号平均技术和是时频分析，有效抑制结构噪声和仪器电噪声，提高信噪比，提高缺陷的检出率。
参考文献：
[1] 徐增华.金属耐蚀材料[J].腐蚀与防护，2001，22（6）：275-278.
[2] 栗卓新，李国东南，魏棋，等.不锈钢焊接冶金的研究进展[J].中国机械工程，2005，16（2）：184-187.
[3]孙晓娜，雷毅，张鹰.厚板奥氏体不锈钢焊缝纤维组织分析[J].金属热处理，2006，31（10）：21-23.
[4]陈建忠，史耀武.粗晶材料超声检测信号处理[J].中国机械工程，1999，16（2）：75-80.
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置砂轮参数文件“WHL”，毛坯轮廓文件“CUR”后，便可在其Accessories窗口观察三维动态模拟的加工过程，在Program窗口查验相应的NC程序段，最终在Main窗口自由移动和旋转检查三维的模拟刀具。
6.结论与展望
本项目的主要技术特点如下：
1.采用面向对象的程序设计方法，建立了高精度数控刀具CAD/CAM集成系统的总体框架；
2.采用Pro/Toolokit二次开发技术，建立了轴向数控刀具基于工艺设计流程的三维参数化设计模型，实现了轴向数控刀具的参数化设计。
3.采用Pro/Mechanica有限元分析方法，通过静态分析及灵敏度分析，对数控刀具的三维结构模型进行了有限元分析，实现了数控刀具结构的优化设计。
4.针对数控刀具的通用结构，采用面向对象的程序设计方法，建立了外圆、方平台等结构的模块化编程界面，生成NC程序，实现数控刀具通用结构加工模块的开发。
5. 针对数控刀具的特性结构，采用面向对象的程序设计方法，建立了磨沟槽、磨沟底角等特性结构的模块化编程界面，生成相应的加工文件，实现数控刀具特性结构加工模块的开发。
6.构建了给定约束条件下的刀具数控加工仿真模型，通过专用三维模拟软件，来检验NC程序的正确性，并直观查验刀具的合理性；
7.构建了完整的高精度数控刀具CAD/CAM集成系统，引进六轴联动的磨削中心，建立数控刀具柔性加工单元，实现了平头、球头立铣刀的快速精确制造。
该项目的完成大大改善了高精度数控刀具的设计方法，缩短了刀具的设计和制造周期，从而快速响应市场的需求，为企业带来明显的社会效益和经济效益。通过该项目的实施，使企业信息化水平得到很大提高，成为行业/区域示范企业。该项目相关技术不仅可以应用于高精度数控刀具的设计、分析和制造中，而且可应用于同类行业及相关行业的产品的设计制造中，具有很强的推广价值及广泛的应用前景。
[关键词]：奥氏体不锈钢 粗晶 超声检测 结构噪声 信号处理
中图分类号：O426 文献标识码：O 文章编号：1009-914X（2012）20- 0027 -01
奥氏体不锈钢，是指常温下具有奥氏体组织的不锈钢。其生产工艺良好，有优良的抗腐蚀性、抗氧化性及低温韧性，因而被广泛应用于石油化工、机械制造和核电等行业的重要部位，使用条件较恶劣[1-2]。为保证设备的安全运行，完备的检测必不可少。超声波检测具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点，已成为保证产品质量、确定设备安全运行的一种重要手段。由于超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射、衰减和波形转换等物理特性来发现缺陷的一种无损探伤方法，而奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大，超声检测时易发生散射及吸收衰减，形成草状回波即结构噪声，干扰缺陷信号，降低信噪比。为此，分析奥氏体不锈钢焊缝的组织结构和回波的信号处理对奥氏体不锈钢焊缝的超声检测至关重要。
1.奥氏体不锈钢焊缝的组织结构及形成机理
由熔焊金属的凝固过程可知，焊接的凝固过程发生在熔池中，熔池中热量主要是通过熔合线向母材传递。因为焊缝的宏观组织与连铸坯相似。在熔合线附近母材的等轴晶基础上，晶体向熔池中心方向生长，产生择优长大过程，形成柱状晶。柱状晶不断长大，之互相接触。随着焊缝热源向前推移，熔池的形成及其结晶过程也不断向前推移。中部为枝状晶，后凝区可能是等轴晶。因此在焊缝焊道底部出现柱状晶，在焊道中部出现树枝晶。在固液界面前方液相中温度梯度小，晶粒优先形成胞状树枝晶，且晶粒为柱状结构。特别是在焊接厚板是，在熔池底部会有更高的冷却速度，这会促进柱状晶的生长。由于奥氏体钢的热膨胀系数小，导热性差，焊缝熔池中金属冷却速度慢、温度梯度小、散热慢、晶粒长大速度快，从而导致了粗的柱状晶的形成。当奥氏体不锈钢焊缝金属一次结晶之后，不再发生相变，主要形成的枝晶组织在进一步冷却过程中，会立即发生再结晶，形成新的晶界，新形成的晶粒在每一层上生长，残留 铁素体有强烈的形核效果，奥氏体焊缝金属中存在 铁素体。再结晶后形成粗大柱状晶，因此厚板奥氏体不锈钢焊缝的最终形态是粗大等轴的柱状晶奥氏体+沿柱状晶分布的 铁素体[3]。
2.焊缝组织对超声波的影响
由于奥氏体不锈钢结晶的有序性和晶粒粗大，对其焊缝超声检测与碳素钢焊缝有所不同。碳素钢焊缝为等轴晶，晶粒组织为100 级，对于一般用于检测的超声波来说是均匀的，各向同性的，且经历对声波散射很低，超声检测结果很好；而奥氏体不锈钢焊缝组织对于超声波来说是非均匀的、各项异性的，晶粒尺寸大于超声波波长。从散射角度来讲，波的散射取决于波长与散射体大小的比值及散射体对于声波的各向异性。一般来说，当材料晶粒接近波长的十分之一，弹性非均质材料由明显散射；当材料晶粒接近波长的五分之一，弹性非均质材料有很强散射；当材料晶粒接近波长的二分之一，对声波的散射剧增，以至小缺陷信号完全埋没在噪声信号中，无法进行小缺陷的超声检测。
3.奥氏体不锈钢焊缝超声检测
针对奥氏体不锈钢焊缝超声检测的问题，国内外研究者开展了广泛的研究，解决奥氏体焊缝超声检测主要从两个方面入手：一是研制高灵敏度的低频窄脉冲超声探头，减少材料的散射；二是采用信号处理技术，将缺陷信号从材料噪声中分离出来。解决奥氏体不锈钢焊缝超声检测问题需要从这两个方面同时入手，研制性能优良的超声换能器和研究合理有效的信号处理方法。
3.1超声检测
焊缝中常见的缺陷类型为气孔、柱孔、夹渣、纵向裂纹、横向裂纹、未焊透和未熔合等，而危險性的缺陷大多与探测面成一定角度，为了有效地检出焊缝中这种危险性缺陷，一般采用纵波斜探头探伤。由于奥氏体不锈钢焊缝为柱状晶，不同方向探测信噪比和衰减不同，因此纵波斜探头的折射角度选择要合理。探伤奥氏体不锈钢焊缝是频率对衰减的影响很大，频率愈高，衰减愈大，穿透力愈低，奥氏体不锈钢焊缝晶粒粗大，宜选用较低的探伤频率，通常为0.5-2.5MHZ。聚焦探头通常在径向缩小结构噪声激发区域。焦距、焦柱长度等都与晶片直径有关。为检测厚度较大的弓箭必须使用大直径探头，而晶片、聚焦透镜、透镜与晶片的结合等的工艺难度都随晶片直径的增大而迅速增大，因而，聚焦探头的直径增大也是有限的。
3.2信号处理方法
信号处理方法主要有信号平均技术、时频分析法[4]等。
信号平均技术主要包括空间平均、时间平均、频率平均、角平均等，即适当改变探伤参数，使散射信号随即变化，而缺陷信号基本不变；这样将多个信号相加取平均值，就可提高信噪比。信号个数越多，提高信噪比效果越好，但可能会引起信号失真。另一不足则是对缺陷定量不太精确。
时频分析法则是对超声信号进行时域（如相关、时域平均、匹配滤波等）或频域（如傅里叶变换、维纳滤波等）分析，近几年研究较多的则是裂谱和小波变换，小波分析等方法。
4.结语
由于奥氏体不锈钢焊缝是粗大的柱状晶组织，对超声波检测散射及衰减严重，因而在检测是采用聚焦的纵波斜探头，减少散射，信号处理方面采取信号平均技术和是时频分析，有效抑制结构噪声和仪器电噪声，提高信噪比，提高缺陷的检出率。
参考文献：
[1] 徐增华.金属耐蚀材料[J].腐蚀与防护，2001，22（6）：275-278.
[2] 栗卓新，李国东南，魏棋，等.不锈钢焊接冶金的研究进展[J].中国机械工程，2005，16（2）：184-187.
[3]孙晓娜，雷毅，张鹰.厚板奥氏体不锈钢焊缝纤维组织分析[J].金属热处理，2006，31（10）：21-23.
[4]陈建忠，史耀武.粗晶材料超声检测信号处理[J].中国机械工程，1999，16（2）：75-80.
上接第31页
置砂轮参数文件“WHL”，毛坯轮廓文件“CUR”后，便可在其Accessories窗口观察三维动态模拟的加工过程，在Program窗口查验相应的NC程序段，最终在Main窗口自由移动和旋转检查三维的模拟刀具。
6.结论与展望
本项目的主要技术特点如下：
1.采用面向对象的程序设计方法，建立了高精度数控刀具CAD/CAM集成系统的总体框架；
2.采用Pro/Toolokit二次开发技术，建立了轴向数控刀具基于工艺设计流程的三维参数化设计模型，实现了轴向数控刀具的参数化设计。
3.采用Pro/Mechanica有限元分析方法，通过静态分析及灵敏度分析，对数控刀具的三维结构模型进行了有限元分析，实现了数控刀具结构的优化设计。
4.针对数控刀具的通用结构，采用面向对象的程序设计方法，建立了外圆、方平台等结构的模块化编程界面，生成NC程序，实现数控刀具通用结构加工模块的开发。
5. 针对数控刀具的特性结构，采用面向对象的程序设计方法，建立了磨沟槽、磨沟底角等特性结构的模块化编程界面，生成相应的加工文件，实现数控刀具特性结构加工模块的开发。
6.构建了给定约束条件下的刀具数控加工仿真模型，通过专用三维模拟软件，来检验NC程序的正确性，并直观查验刀具的合理性；
7.构建了完整的高精度数控刀具CAD/CAM集成系统，引进六轴联动的磨削中心，建立数控刀具柔性加工单元，实现了平头、球头立铣刀的快速精确制造。
该项目的完成大大改善了高精度数控刀具的设计方法，缩短了刀具的设计和制造周期，从而快速响应市场的需求，为企业带来明显的社会效益和经济效益。通过该项目的实施，使企业信息化水平得到很大提高，成为行业/区域示范企业。该项目相关技术不仅可以应用于高精度数控刀具的设计、分析和制造中，而且可应用于同类行业及相关行业的产品的设计制造中，具有很强的推广价值及广泛的应用前景。