Ultraljudstestning av duplexstålssvetsar: Identifiering av ferrit-austenit-balans och potentiella defekter

Ultraljudstestning av duplexstålssvetsar: Identifiering av ferrit-austenit-balans och potentiella defekter

Duplex rostfria stål är en grundpelare inom modern industri, uppskattade för sin exceptionella hållfasthet och korrosionsbeständighet. Deras komplexa mikrostruktur med två faser (austenit och ferrit) innebär dock unika utmaningar för provning utan förstörande (NDT). Ultraljudsprovning (UT) är ett avgörande verktyg för att säkerställa integriteten hos svetsar i duplexstål, men kräver en djup förståelse av hur materialets egenskaper påverkar inspektionen. Denna guide erbjuder en praktisk ram för att använda UT för att utvärdera både svetskvalitet och mikrostruktur i duplex rostfria stål.

Varför ultraljudsprovning är avgörande för duplexsvetsar

Svetsning av duplex rostfritt stål är en komplicerad balansakt. Processen måste uppnå två centrala mål:

1. En felfri svets: Fri från sprickor, ofullständig sammanfogning, porer och inneslutningar.

2. En balanserad mikrostruktur: Att upprätthålla en fasbalans om cirka 50 % austenit och 50 % ferrit för att bevara mekaniska egenskaper och korrosionsbeständighet.

UT är den primära metoden för att verifiera det första målet. Det andra målet påverkar dock själva UT-inspektionen direkt. En obalanserad mikrostruktur kan dölja defekter eller skapa falska indikationer, vilket gör en grundlig förståelse av båda avgörande.

Utmaningen: Akustisk anisotropi i duplexmikrostrukturer

Den primära utmaningen vid inspektion av duplexstål är deras akustiska anisotropi . Det innebär att ljudvågornas hastighet förändras beroende på den riktning de färdas i genom materialets kristallina struktur.

• I isotropa material (som standardaustenitiska eller ferritiska stål) färdas ljudvågorna med en konstant hastighet i alla riktningar, vilket gör tolkningen enkel.

• I anisotropa material (som duplexstål och svetsar) kan ljudstrålen spridas, vridas och delas, vilket leder till:

  • Strålböjning: Ljudstrålen kan röra sig i en krökt bana, vilket gör det svårt att exakt lokalisera en defekt.

  • Nedsättning: Förlust av signalstyrka, vilket minskar penetrationen och möjligheten att hitta små eller djupa defekter.

  • Hög brusnivå: Den komplexa kornstrukturen skapar en hög nivå av bakgrundsnivå ("gräs") eller brus, vilket kan dölja verkliga defekter.

Denna anisotropi är mest uttalad i svetsmetallen själv, där den riktad härdade strukturen har grova korn, och dess allvarlighet hänger direkt samman med ferrit-austenit-balansen.

UT-procedur: Viktiga överväganden för duplexstål

För att överkomma dessa utmaningar måste UT-proceduren utformas och kvalificeras med största noggrannhet.

1. Utvärdering och transduktorval:

• Teknik:  Time-of-Flight Diffraction (TOFD) är mycket effektiv för duplex-svetsar eftersom den är mindre känslig för strålförskjutning och erbjuder utmärkta möjligheter att mäta plana defekter. Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT) är också överlägsen konventionell ultraljudsprovning (UT) på grund av sin förmåga att generera flera strålvinklar och ge detaljerade visuella kartor över svetsvolymen.

• Vinklar: Använd lägre refraktionsvinklar (t.ex. 45°) för att förbättra signal-brus-förhållandet. Standardprober med 60° eller 70° kan uppleva större strålförvrängning.

• Frekvens: En lägre frekvens (t.ex. 2 MHz) erbjuder bättre penetration men lägre upplösning. En högre frekvens (t.ex. 4-5 MHz) erbjuder bättre upplösning men kan lida av högre dämpning. En balans måste upprättas beroende på materialtjocklek.

2. Kalibrering och referensblock:

• Viktig praktik: Kalibrering måste utföras på ett referensblock tillverkat av samma duplex-godskvalitet och produktform (t.ex. rör, plåt) som komponenten som ska inspekteras.

• Varför det är viktigt: Användning av en referensblock i kolstål kommer att leda till betydande fel eftersom den akustiska hastigheten är olika. Duplexblocket tar hänsyn till den faktiska ljudhastigheten och dämpningen i det anisotropa materialet.

3. Genomlysning och tolkning av data:

• Operatörer måste utbildas för att kunna skilja mellan:

  • Geometriska indikationer: Reflektioner från svetsrötter, lock eller förborrningar.

  • Mikrostruktursoroll: Den konstanta, fläckiga bakgrundsstrukturen som orsakas av kornstrukturen.

  • Reella defekter: Skarpa, tydliga indikationer som tydligt sticker ut över brusnivån och kan spåras över olika vinklar på proben.

Identifiering av mikrostrukturimbalance via ultraljudsteknik

Medan kvantitativ fasbalansmätning kräver metallografiska labbtekniker (t.ex. punkträkning), kan ultraljudsprövning (UT) ge starka kvalitativa indikatorer på ett problem:

Viktigt noterat: Om UP visar en mikrostrukturanomali måste detta bekräftas genom destruktiv provning (t.ex. att skära ut en provkropp för metallografisk analys). UP är ett screeningsverktyg för mikrostruktur, inte en definitiv mätning.

Vanliga svetsdefekter och deras UP-signaturer i duplexstål

Bästa metoder för tillförlitlig inspektion

1. Metodvalidering: Validera UT-metoden på en modell som innehåller riktiga, representativa defekter (t.ex. sågade skär, EDM-notkar) och områden med känd mikrostruktur-ojämvikt.

2. Utbildad personal: Använd endast nivå II och nivå III UT-tekniker med särskild erfarenhet av att inspektera anisotropa material som duplex rostfritt stål och svetsar.

3. Datainspelning: Spela in alla A-skannar och, för PAUT/TOFD, fulla sektorskannar. Detta gör det möjligt att analysera data i efterhand och få andra åsikter om svårtolkade indikeringar.

4. Korrelation med andra NDT: När tvivel föreligger bör samband göras mellan UT-resultat och andra metoder. Genomträngningsprovning (PT) är utmärkt för ytsprickor, medan radiografisk provning (RT) kan ge en annan syn på volymsprickor.

Slutsats

Ultraljudsprovning av dubbelstenssyrafaststålssvetsar kräver en avvikelse från standardpraxis. Framgången hänger på att inse att materialets mikrostruktur inte bara är en egenskap som ska mätas utan en grundläggande variabel som påverkar inspektionen själv. Genom att använda avancerade tekniker som PAUT och TOFD, kalibrera på representativa referensblock och förstå de akustiska signaturerna hos både defekter och mikrostrukturanomalier kan inspektörer tillförlitligt säkerställa integriteten och prestandan hos kritiska komponenter i duplexrostfritt stål.