Ultrageluidsonderzoek van duplex staalslassen: het bepalen van de ferriet-austeniet balans en mogelijke defecten

Ultrageluidsonderzoek van duplex staalslassen: het bepalen van de ferriet-austeniet balans en mogelijke defecten

Duplex roestvrijstalen zijn een hoeksteen van de moderne industrie en worden gewaardeerd om hun uitzonderlijke sterkte en corrosiebestendigheid. Hun complexe tweefasige microstructuur (austeniet en ferriet) brengt echter unieke uitdagingen met zich mee voor niet-destructief testen (NDT). Ultrasoon testen (UT) is een essentieel hulpmiddel om de integriteit van lasverbindingen van duplex staal te garanderen, maar vereist een diep inzicht in de manier waarop de materiaaleigenschappen de inspectie beïnvloeden. Deze gids biedt een praktisch kader voor het gebruik van UT om zowel de laskwaliteit als de microstructuur van duplex roestvrijstaal te beoordelen.

Waarom ultrasoon testen essentieel is voor duplex lassen

Het lassen van duplex roestvrijstaal is een delicaat evenwichtsspel. Het proces moet twee belangrijke doelen bereiken:

1. Een las zonder defecten: Vrij van scheuren, onvoldoende smelt, poriën en insluitingen.

2. Een gebalanceerde microstructuur: Behoud van een fasebalans van ongeveer 50% austeniet en 50% ferriet om de mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid te behouden.

UT is de primaire methode voor het valideren van het eerste doel. Het tweede doel heeft echter een directe invloed op de UT-inspectie zelf. Een ongebalanceerde microstructuur kan defecten maskeren of valse indicaties veroorzaken, waardoor een grondig begrip van beide essentieel is.

De uitdaging: akoestische anisotropie in duplex microstructuren

De primaire uitdaging bij het inspecteren van duplex staal is hun akoestische anisotropie . Dit betekent dat de snelheid van geluidsgolven verandert afhankelijk van de richting waarin zij zich voortbewegen door de kristallijne structuur van het materiaal.

• In isotrope materialen (zoals standaard austenitische of ferrietse stalen), reizen geluidsgolven met een constante snelheid in alle richtingen, waardoor interpretatie eenvoudig is.

• In anisotrope materialen (zoals duplex staal en lasnaden), kunnen de geluidsstralen verstrooien, afwijken en splitsen, wat leidt tot:

  • Stralingsbuiging: De geluidsstraal kan mogelijk niet in een rechte lijn bewegen, waardoor het moeilijk wordt om een defect nauwkeurig te lokaliseren.

  • Verzwakking: Verlies van signaalsterkte, waardoor de doordringbaarheid en het vermogen om kleine of diepe defecten te detecteren afneemt.

  • Hoge ruisniveaus: De complexe korrelstructuur veroorzaakt een hoog niveau aan achtergrond "gras" of ruis, wat echte defecten kan verhullen.

Deze anisotropiciteit is het meest uitgesproken in het lasmetaal zelf, waarbij de gerichte stollingsstructuur grove korrels heeft, en de ernst ervan hangt direct samen met het ferriet-austeniet-evenwicht.

UT-procedure: Belangrijke aandachtspunten voor duplexstaal

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, moet de UT-procedure zorgvuldig worden ontworpen en gekwalificeerd.

1. Selectie van apparatuur en transducer:

• Techniek:  Time-of-Flight Diffraction (TOFD) is zeer effectief voor duplex lasnaden, omdat het minder gevoelig is voor straalvervorming en uitstekende meetmogelijkheden biedt voor vlakke fouten. Fasengestuurde ultrasoononderzoek (PAUT) is ook superieur aan conventioneel ultrasoononderzoek vanwege de mogelijkheid om meerdere straalhoeken te genereren en gedetailleerde visuele kaarten te maken van het lasvolume.

• Hoeken: Gebruik lagere gebroken hoeken (bijvoorbeeld 45°) om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Standaard 60° of 70° sondes kunnen meer significante straalvervorming ondervinden.

• Frequentie: Een lagere frequentie (bijvoorbeeld 2 MHz) biedt betere doordringing maar minder resolutie. Een hogere frequentie (bijvoorbeeld 4-5 MHz) biedt betere resolutie, maar kan meer demping ondervinden. Er moet een balans worden gevonden op basis van de materiaaldikte.

2. Kalibratie en referentieblokken:

• Essentiële praktijk: Kalibratie moet worden uitgevoerd op een referentieblok vervaardigd uit hetzelfde duplex type en productvorm (bijvoorbeeld pijp, plaat) als het onderdeel dat wordt geïnspecteerd.

• Waarom het ertoe doet: Het gebruik van een referentieblok van koolstofstaal leidt tot grote onnauwkeurigheden, omdat de akoestische snelheid anders is. Het duplexblok houdt rekening met de daadwerkelijke geluidssnelheid en demping in het anisotrope materiaal.

3. Scannen en interpretatie van gegevens:

• Operators moeten zijn getraind om onderscheid te maken tussen:

  • Geometrische aanwijzingen: Reflecties vanaf laswortels, lasdaken of aanfreesgaten.

  • Microstructurele ruis: Het consistente, korrelige achtergrondpatroon veroorzaakt door de korrelstructuur.

  • Echte defecten: Scherpe, duidelijke aanwijzingen die duidelijk boven het ruisniveau uitstijgen en kunnen worden gevolgd over verschillende probeerhoeken.

Het identificeren van microstructurele onevenwichtigheid via ultrasoon testen

Hoewel kwantitatieve fasebalansmeting metallurgische laboratoriumtechnieken vereist (bijvoorbeeld punttellinganalyse), kan ultrasoononderzoek (UT) sterke kwalitatieve indicatoren bieden voor een probleem:

Belangrijke Opmerking: Indien UT een microstructurele anomalie suggereert, moet dit worden bevestigd door destructieve testen (bijv. het afknippen van een monster voor metallografische analyse). UT is een screeningmethode voor microstructuur, geen definitieve meting.

Algemene lasfouten en hun UT-kenmerken in duplexstaal

Beste praktijken voor betrouwbare inspectie

1. Procedures voor Kwalificatie: Valideer de UT-procedure op een mock-up die echte, representatieve defecten bevat (bijvoorbeeld zaagsneden, EDM-nokken) en gebieden met bekende microstructurele onevenwichtigheid.

2. Geschoold personeel: Gebruik uitsluitend UT-technici van niveau II en III met specifieke ervaring in het inspecteren van anisotrope materialen zoals duplex roestvrij staal en lassen.

3. Gegevensregistratie: Registreer alle A-scans en, bij PAUT/TOFD, volledige sectiescans. Dit maakt narekening en tweede opinies mogelijk bij moeilijk interpreteerbare aanduidingen.

4. Correlatie met andere NDT: Bij twijfel moet u de bevindingen van de ultrasoononderzoek correleren met andere methoden. Vloeistofdoordringend onderzoek (PT) is uitstekend voor oppervlaktebreukgebreken, terwijl radiografisch onderzoek (RT) een ander perspectief kan bieden op volumetrische gebreken.

Conclusie

Het ultrasoon testen van lasverbindingen van duplex roestvast staal vereist een afwijking van de standaardpraktijk. Het succes hangt af van het inzicht dat de microstructuur van het materiaal niet alleen een eigenschap is die moet worden gemeten, maar een fundamentele variabele die de inspectie zelf beïnvloedt. Door gebruik te maken van geavanceerde technieken zoals PAUT en TOFD, te kalibreren op representatieve referentieblokken en de akoestische kenmerken van zowel gebreken als microstructurele anomalieën te begrijpen, kunnen inspecteurs op betrouwbare wijze de integriteit en prestaties van kritische onderdelen van duplex roestvast staal waarborgen.