Ultrazvukové zkoušení svarů duplexní oceli: Identifikace poměru feritu a austenitu a potenciálních vad

Ultrazvukové zkoušení svarů duplexní oceli: Identifikace poměru feritu a austenitu a potenciálních vad

Duplexní nerezové oceli jsou základním kamenem moderního průmyslu, ceněny pro svou výjimečnou pevnost a odolnost proti korozi. Jejich složitá dvoufázová mikrostruktura (austenit a ferit) však představuje pro nerozrušující zkoušení (NDT) specifické výzvy. Ultrazvukové zkoušení (UT) je klíčovou metodou pro zajištění integrity svarů duplexních ocelí, vyžaduje však hluboké porozumění tomu, jak vlastnosti materiálu ovlivňují inspekci. Tato příručka poskytuje praktický rámec pro použití UT při hodnocení jak kvality svarů, tak mikrostruktury duplexních nerezových ocelí.

Proč je ultrazvukové zkoušení klíčové pro duplexní svařování

Svařování duplexních nerezových ocelí je jemnou rovnováhou. Proces musí splnit dvě hlavní cíle:

1. Svar bez vad: Bez trhlin, nedotavení, pórovitosti a vměstků.

2. Vyvážená mikrostruktura: Udržení fázové rovnováhy přibližně 50 % austenitu a 50 % feritu, aby se zachovaly mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi.

UT je primární metodou pro ověření prvního cíle. Druhý cíl však přímo ovlivňuje samotnou UT kontrolu. Nevyvážená mikrostruktura může zakrýt defekty nebo vytvářet falešné indikace, a proto je nezbytné důkladně porozumět oběma z nich.

Výzva: Akustická anizotropie v duplexních mikrostrukturách

Hlavní výzvou při kontrole duplexních ocelí je jejich akustická anizotropie . To znamená, že rychlost zvukových vln se mění v závislosti na směru, ve kterém se pohybují skrze krystalickou strukturu materiálu.

• U izotropních materiálů (jako jsou běžné austenitické nebo feritické oceli) se zvukové vlny pohybují stejnou rychlostí ve všech směrech, což usnadňuje interpretaci výsledků.

• U anizotropních materiálů (jako jsou duplexní oceli a svařence) může zvukový paprsek rozptylovat, zkreslovat se a dělit, což vede k následujícím jevům:

  • Zakřivení paprsku: Zvukový paprsek nemusí cestovat přímočaře, což ztěžuje přesné lokalizování vad.

  • Útlum: Ztráta síly signálu, což snižuje pronikavost a schopnost nalézt malé nebo hluboké vady.

  • Vysoká úroveň šumu: Složitá zrnitá struktura vytváří vysokou úroveň pozadí ve formě „trávy“ nebo šumu, který může zakrýt skutečné vady.

Tato anizotropie je nejvýraznější přímo v kovu svaru, kde má směrově krystalizovaná struktura hrubé zrno a její závažnost je přímo spojena s poměrem feritu a austenitu.

UT Postup: Klíčové aspekty pro duplexní oceli

Aby bylo možné překonat tyto výzvy, musí být postup UT pečlivě navržen a ověřen.

1. Výběr zařízení a převodníků:

• Technika:  Time-of-Flight Diffraction (TOFD) je vysoce účinná pro duplexní svařování, protože je méně náchylná k zkreslení paprsku a poskytuje vynikající možnosti měření rovinných vad. Fázovaná ultrazvuková kontrola (PAUT) je také lepší než konvenční ultrazvuk díky schopnosti generovat více úhlů paprsku a poskytovat detailní vizuální mapy objemu svaru.

• Úhly: Použijte nižší lomené úhly (např. 45°) pro zlepšení poměru signálu k šumu. Standardní sondy s úhly 60° nebo 70° mohou vykazovat výraznější zkreslení paprsku.

• Frekvence: Nižší frekvence (např. 2 MHz) nabízí lepší průnik, ale nižší rozlišení. Vyšší frekvence (např. 4–5 MHz) nabízí lepší rozlišení, ale může trpět vyšším útlumem. Rovnováha musí být nalezena na základě tloušťky materiálu.

2. Kalibrace a referenční bloky:

• Základní postup: Kalibrace musí být provedena na referenčním bloku vyrobeném z téhož duplexního materiálu a výrobní formy (např. trubka, plech) jako u kontrolované součásti.

• Proč to má znamení: Použití referenčního bloku z uhlíkové oceli způsobí významné nepřesnosti, protože akustická rychlost je odlišná. Duplexní blok zohledňuje skutečnou rychlost zvuku a útlum v anizotropním materiálu.

3. Skenování a interpretace dat:

• Operátoři musí být vyškoleni k rozlišování mezi:

  • Geometrickými indikacemi: Odrazy od kořene svaru, krytu nebo zahloubení.

  • Mikrostrukturním šumem: Konzistentním, mračněním pozadí způsobeným zrnitou strukturou.

  • Skutečnými vadami: Ostrými, zřetelnými indikacemi, které se jasně zvedají nad úroveň šumu a lze je sledovat při různých úhlech sondy.

Identifikace mikrostrukturní nerovnováhy pomocí USG

Zatímco kvantitativní měření fázové rovnováhy vyžaduje metalografické laboratorní techniky (např. analýzu bodových počtů), ultrazvuková kontrola může poskytnout silné kvalitativní indikátory problému:

Důležitá poznámka: Pokud UT naznačuje mikrostrukturální anomálii, musí být potvrzena destruktivním testováním (např. řezáním kupónu pro metallografickou analýzu). UT je screeningový nástroj pro mikroskopické struktury, ne konečné měření.

Časté vady svařování a jejich UT podpisy v duplexní oceli

Doporučené postupy pro spolehlivou kontrolu

1. Kvalifikace postupu: Zkvalitněte postup UT na maketě obsahující skutečné, reprezentativní vady (např. řezy pilou, drážky EDM) a oblasti s doloženou nerovnováhou mikrostruktury.

2. Zkvalifikovaný personál: Používejte pouze techniky UT na úrovni II a III s konkrétní zkušeností s kontrolou anizotropních materiálů, jako je duplexní nerezová ocel a svary.

3. Záznam dat: Zaznamenejte všechny A-skeny a u PAUT/TOFD i kompletní sektorové skeny. To umožňuje následnou analýzu a druhé posouzení obtížně interpretovatelných indikací.

4. Korelace s jinými NDT: V případě pochybností korelujte výsledky UT s jinými metodami. Kapilární zkoušení (PT) je vynikající pro detekci povrchových vad, zatímco rentgenové zkoušení (RT) může poskytnout jiný pohled na objemové vady.

Závěr

Ultrazvukové zkoušení svarů z duplexní nerezové oceli vyžaduje odchýlení od běžné praxe. Úspěch závisí na poznání, že mikrostruktura materiálu není pouze vlastností, kterou je třeba změřit, ale základní proměnnou, která ovlivňuje samotnou kontrolu. Použitím pokročilých technik, jako je PAUT a TOFD, kalibrací na reprezentativních referenčních blocích a pochopením akustických signatur vad i mikrostrukturálních odchylek mohou inspektoři spolehlivě zajistit integritu a funkčnost kritických komponent z duplexní nerezové oceli.