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。