外文翻译-奥氏体不锈钢焊缝各向异性的研究

XX大学毕业设计文献翻译与原文 题 目：奥氏体不锈钢焊缝各向异性的研究专 业 名 称： 测控技术与仪器 班 级 学 号： 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 二Oxx 年 四 月奥氏体不锈钢焊缝各向异性的研究摘要：对核工业来讲，主冷却管道系统奥氏体不锈钢焊缝的无损检测是一个值得注意的问题。超声检测对潜在缺陷的探测、定位以及尺寸大小将会非常有帮助。遗憾的是，奥氏体焊缝纹理粗糙，非均匀而且各向异性。这些都会导致超声波波速偏离和散射。在本文中，我们提出了两种具有高各向异性特性的奥氏体焊缝超声检测多个实验结果。为了解释所观察到显示波的传播现象，比如波束的偏离，我们使用了有限元实体模型。实体模型与被检焊缝的所有特性描述要相关。焊缝的两个基本特征确定如下：焊缝的平均弹性系数和晶粒取向。用不同的测试配置来说明实物模型的性能。与此结构特性和实体模型相关的工作表明，一个良好的超声波传播现象的理解应该容许进一步提升这些焊缝的工业检测的解说和可靠性。关键词：焊缝 超声波 无损检测 核技术 各向异性 实物模型 衰减1.简介 为了保证核压水反应堆的结构完整性，无损检测（NDT）技术必须检测到奥氏体不锈钢管与主冷却剂管道系统焊缝的潜在缺陷。特别是制造缺陷（夹杂物，空隙或未融合），或者在役缺陷（裂纹）都可能存在于焊接接头。在法国核电技术中,奥氏体焊缝的在役检查主要是运用无线电基础图形技术。由于他们受到粗粒度测试，非均质，各向异性材料所有问题的限制，所以超声检测是很少使用的。然而，超声检测有助于完善X射线所提供的信息，有效地检测出缺陷，但对缺陷的位置和尺寸有一定的局限性。在某些情况下，奥氏体不锈钢组成的缺陷会呈现强烈的各向异性连续性变化，从一个区域到另一个区域，从而使得整个焊缝都呈现非均匀各向异性1-3。超声波传播方向上各向异性的影响使得声速依赖于不同的方向，并且使得群速度在幅度和方向上都不同于相速度 4。 此外，焊接材料中的超声波束的偏差可能会导致缺陷定位困难。超声波能量的散射会引起信噪比差的传播方向。为了了解超声波检测试验记录波振幅的各向异性，在这些介质中波传播的复杂性也会被考虑进去。为了研究这些现象，建模是非常有帮助的。事实上，建模可以揭示一定（缺陷）定量的特征，从而有助于传统超声波无损检测技术的最优化以及新技术的发展。使用适当模型的超声检测模拟使得我们能够执行，例如，参数研究，获得定量的模拟结果。波传播的各向异性和均匀介质的理论已经得到了光束偏移和散射影响5-7的预测。当考虑非均质各向异性结构更复杂的情况时，建模研究就需要实际的描述，从机械和工艺焊接结构的各种观点作为一点，尤其是在各向异性强的焊缝中。对于超声检测应用的波传播，过去几年的很多研究都被用于评估奥氏体不锈钢金相组织的影响。然而，为了有效的比较实验结果和模型，焊接性能应考虑冶金和机械两个方面，可是，这个却很少去完成8-10。在本文中，我们提出了两种奥氏体焊缝超声检测的多个实的结果。为了解释在强烈各向异性情况下所观察到波传播的现象，我们使用了有限元建模。该模型与检测裂纹的所有特征紧密相连。本文的第一部分，我们描述了检测模型的特征。本文的第二部分，我们提出了通过金相和晶体学来分析焊接结构的表征结果。本文的第三部分，我们确定了使用超声方法检测焊缝的各向异性弹性性能。然后，本文的最后一部分，我们比较了不同测试配置在脉冲回波模式的实验以及模拟结果（不同的探头和缺陷定位）。 2.实物模型特征及其重要的特征描述多通道奥氏体焊缝中的大量柱状晶粒结构与在铁素体中的有着很大区别。在奥氏体焊缝中，连续性焊缝珠粒沉积物不会破坏先前珠粒的晶粒结构。此外，晶粒增长平行于热量流动的方向，并且受外延工艺支配11。然后，柱状晶粒沿珠粒边界增长。因此，产生大量长度和具有特定晶体取向的晶粒。长枝晶轴几乎是垂直于焊缝中心和近似垂直于熔合线（和焊缝上的边界）。本研究采用AISI 316L钢两平行位置焊接模具（奥氏体不锈钢），和焊缝的自动电弧焊接方法，该方法使用涂层电极制造。这两焊缝之间的差异来自电极扫描。焊缝B，织造率等于130振荡/分钟，它会引起约20毫米宽的运行。焊缝A，串珠状的宽度为10毫米。两种焊缝都有35%的重叠。模型的尺寸如图1所示。图1 实体模型的外形尺寸金相组织横截面观察结果如图2和3所示，分别代表焊缝A和焊缝B。对于每一种焊缝，第一次观察是在垂直于焊接方向的平面（YZ）平面）和第二次观察是平行于焊接方向的平面（平面（XZ）。这些照片清楚地揭示了平行于热量流动方向的树枝型生长。在足够低焊接能量的情况下，这种情况会导致晶粒拉长以及定向，它可以通过外延工艺增长几毫米。在每个焊缝（中心区域）相对均匀的区域进行3毫米厚度的样品X射线衍射分析。焊缝A的200面极图见图4。它清楚地说明了材料的各向异性。在第一种方法中，为了简单起见，这些材料可以被视为横观各向同性与对称轴平行于 1 0 0 轴。几位作者选择了这些材料的对称性来描述奥氏体不锈钢焊缝12-14。然而，取向分布函数（ODF）的分析表明，在严格的方式下，这些材料必须被视为正交各向异性材料。图2和3给出了对称轴的取向，该取向由X-射线衍射分析确定以及由和的角度定义。我们认为，对称轴是非常接近晶粒伸长轴的。对于焊缝A，其中间区域的柱状结构是相对比较均匀的，具有在横截面上大约20角度晶粒伸长轴的倾斜。靠近焊缝的凹槽，结构变得更加均匀。在（XZ）平面，晶粒几乎是垂直的（= 3）。这个平面上的倾斜度直接关系到焊接的速度。对于垂直焊缝，发现了大约20的倾斜度 1 ，该焊缝是以较低的焊接速度制造的。对于焊缝B而言，由于大电极扫描导致较平坦的焊道（织造率等于130振荡/分钟，它会引起约20毫米的运行宽度），其横截面的倾斜度较弱（大约3）。这种扫描也会导致比焊缝A具有更发达的晶粒生长和更均匀的结构。在平面（XZ）上，我们很清楚地观察到一个很小的坡度（=9）。这一个坡度是由于再次运行的平面形状而形成的。boucheet提出了316L不锈钢焊缝金属矿床的通用换算分析（中子衍射，电子背散射衍射和透射电子显微镜），他还发现了一个纤维状1 0 0纹理增援（正交各向异性对称）。它们的焊缝是一种具有（YZ）平面（20）以及在平面（XZ）（10）晶粒斜坡的中间壳体情况。图2 焊缝A的宏观结构图（a）垂直于焊缝的平面（b）平行于焊缝的平面图3 焊缝B的宏观结构图（a）垂直于焊缝的平面（b）平行于焊缝的平面图4焊缝A的200面极图3 超声法测定弹性性能在完全弹性各向异性固体中特定方向传播的平面波的偏振和速度可以由Christoffel方程【14】确定： （i，j，k，l = 1，2，3），其中是密度，n是波传播方向的单位矢量，V是在介质中超声波的相速度，Cijkl是各向异性介质的弹性常数，it是克罗内克符号。弹性常数可以用更简单的矩阵形式Cmn来表达，并且具有适当的指数变化。 Christoffel方程认为，三个特征值对应三个波形的相位速度可以传播。三个特征向量是每个波形的极化。了解材料的弹性系数，通过求解方程（1）计算任何一个给定方向的速度都是有可能的。逆问题主要是存在于测得速度实验值的恢复弹性系数中。这种测量是在传输模式的设置上进行的，该设置是：一个均匀的样品浸在水中，以及通过不同的入射角传播到达各个平面来获得声速。实际当中，未知材料的性能，同时通过最小化实验和计算速度之间的偏差的平方和来确定15。对于正交各向异性介质，当材料对称性的坐标系与样品的几何轴线一致时，未知材料的性能就是这九个独立的弹性系数。在我们的研究中，材料的对称轴是未知的。然后，相对于该几何样品坐标轴的晶粒定向障碍导致了三个额外的未知数，所述的欧拉角（1，2），该欧拉角也由优化过程确定。该样品几何轴和材料的对称轴如图5所示。通过图中的数据，我们还可以看到超声波声速测量的部分平面图。通过这种方法，我们确定了焊缝的九个弹性系数值，该值见列表1。当超声波声速自己以非常好的精确度测量时，就像材料15测量的情况时，这些材料的弹性系数也具有非常准确度的精确度。1、2、3这三个轴表示材料的对称性，3轴对应于的纤维轴。如果我们比较图6（23）平面计算出来的相速度，我们能够注意到，焊缝B呈现更明显的各向异性（以更高的速度变化）。这是关于章节1的结论。我们发现了样品的中间值，该样品是在核电站喘振线对接焊缝的焊接代表上进行的。这张列表也间接表示了与欧拉角值相关的和值（在纤维轴的取向上）。该结果与由射线衍射分析所得的结果相近。 表1 弹性系数的计算以及超声检测得来的a和g角度值图5 样品几何图和材料的对称轴图6 23平面传播角度对应的波速变化（a）纵波（b）横波图7 实体模型的超声检测表2 探头性能4 脉冲回波的超声检测4.1检测配置由实物模型加工成的直径长2mm的两个侧面钻孔，如图7所示。它们的加工深度分别是20mm和40mm。呈现各向异性结构的锻造奥氏体不锈钢的参考模型也被加工成同样的缺陷。然后，该模型由具有四个接触检测探头的脉冲回波进行检测，此探头的性能如列表2所示。探头通过有机玻璃边缘折射回来接受信号。它们中的三个探头用来产生纵波，另一个产生横波，形成垂直偏振。这些探头的特性（探头尺寸、中心频率和带宽）与在役检测使用的探头的特性非常接近。尤其是，探头的中心频率非常接近2MHz，推荐用这个值来检测这个类型的焊缝。此外，提高传输脉冲指示的阻尼可以获得良好的回波分辨率。横波只用来检测焊缝B。在y方向上用信号登记每0.5mm一格进行自动和冰并行浸没扫描，如图6所示。这使得接触探头和实体模型之间进行完美耦合。在本文中，我们将进一步研究入射平面（yz）光的偏移和衰减。我们将通过比较实物模型的结果和实验的结果来证明建模关联性的目的是为了重现超声检测所得现象。实际上大多数焊缝的非均质性是已知的不良信噪比的起源，这使得无损检测更加复杂。我们已经考虑到了详细研究中的关键问题所在。此处实验所得的两种焊缝不能代表真实的焊缝，因为它们的大体积会引起更加均匀的各向异性结构。对于这种焊缝，其在多个方向上的传播的信噪比是比较高的，以及超声检测的问题大多与材料的各向异性特性有关，从而导致光束的分离和偏移并使得光在衰减方向上有依赖性。在这项研究中，我们着眼于这样一个问题，我们认为这些特殊的焊缝表现出很强的各向异性。这些现象都没有明确地诠释这些焊缝表现出低信噪比而强非均匀性的特性的原因16-18。4.2 建模在这项研究中，我们使用了一种由EDF RD和法国国立研究计算机科学与控制开发的名为ATHENA的二维码。这种代码可以求解出应力弹性动力学方程和由有限元方法表示的位移速度方程。代码的收敛表现在先前的工作上。该元素是具有第十五个波长尺寸大小的方块，该波长长度是一个很精确的解是众所周知的。ATHENA模拟各向异性和异质复合介质中超声波的传播，其前提条件是，这种介质可以用各向异性和均匀区域的有限数目来描述。在这项研究中，由于我们限制了平面垂直于焊接方向超声波传播的分析，所以2D估计是非常有帮助的。X射线衍射分析表明，该平面可以被假定为正交各向异性材料的对称平面。所以对于大部分的配置讲，偏移了这个平面的光束将会非常弱。对于比较疲劳的晶粒，因为这种偏移在先前研究传输模式19中比较明显,所以这种在焊接方向上的偏移只对垂直入射方向比较敏感。然而，即使是在这种情况下，它也不会影响横向方向上的偏移值，我们将在第4.5.1节演示这种。ATHENA模拟还考虑到了有缺陷的光束的相互作用。这些缺陷使用虚拟区域的方法，由自由边界条件（sn=0)来进行模拟，该方法允许对复杂几何形状的缺陷进行建模。此外，模拟接触或浸没探头都是有可能的。换能器通过Stepanishens准则作为活塞源建模，来描述换能器和试块20之间的传播。浸没探头和接触探头之间的唯一不同之处来自于水和楔形有机玻璃中不同的超声波波速。最后，工作仍在进行中，考虑到了与粗晶粒结构相关的超声波散射ATHENA模拟。这样做的目的是为了获得更好衰减和反向散射现象的模型。4.3 焊接建模说明 我们已经看到，一个合适的金相分析可以提供一些关于晶体取向的信息。因此，我们可以使用图像处理分析来获得每一个焊缝（yz）横截面晶粒取向的绘图。在5mm端面的平方区域内测量晶粒的取向。由于考虑到晶粒的尺寸，每个区域都包含了多个晶粒，这证明了宏观弹性对称性（横向各向同性或正交异性）的假设。最后，我们获得了具有各向异性和均匀区域的有限数目的描述，如图8所示（焊接B部分）。注意：晶粒取向可能在缺陷定位的两个区域之间略有不同。第3节中所确定的弹性常数值与每个区域内晶粒取向相关。该材料的对称性是否是各向异性或横向各向同性，建模是与二维代码同时进行的，只有四个弹性常数是必要的，用来描述该超声波的传播（C22，C33，C44和C23）。此外，注意到这种建模方法可以应用于工业焊缝，该焊缝表现出比此处认为更非均匀的结构，这是很重要的。 锻造奥氏体不锈钢中的参考实体模型将由各向同性区域来进行描述，其超声波速度是5740和3080米/秒，分别代表纵向和横波的波速。4.4 结果我们比较每个焊缝模拟仿真的实验结果。我们分析以下每个探头的参数： y（mm）：探头位置之间的不同与焊缝中反射波的最大振幅和参考实体模型相同的反射波相关，正值代表焊缝中正y方向上传播探头的位移; A（dB）：定义为在20和40mm深度由缺陷反射的回波的最大振幅之间的差。正值表示40mm深的缺陷振幅的下降值。对于在焊缝中和在各向同性钢中的传输量两者之间飞行时间差异的结果也可能被提出。事实上，这表明了，此参数结果对于y参数来讲具有是全局性。 事实上，由于探头的移动导致飞行时间的变化比由于超声波波速变化导致的变化的影响更大，如图6所示。该结果可用直方图的形式来表示，如图9-12所示。图9和10分别表示了焊缝A和焊缝B纵波波长y的值。图11表示了45横波波长的值y与45纵波波长值y的比较。至于所提到的A值，如图12所示。图8 图像处理确定的焊缝B部分晶粒取向的制作图图9 纵波和焊缝A的y值4.5 讨论在本节中，我们将会分别讨论光束偏移和衰减的结果。4.5.1 偏移首先，我们注意到建模能很好地重现实验的偏移。结果验证了焊缝假设描述的实体模型。此外，声波在对称平面上（2D情况下）传播的假设不会引起显著的差异。我们还观察到，纵波光束的偏移更加严重，对于某些结构纵波的y值达到了+15mm。这是材料各向异性的原因造成的，这个原因还导致了波能量方向和波矢量方向的偏移。为了讨论这些偏移量，我们需要假设一个简化了的理论分析，该分析包括绘制具有均匀各向异性介质假设的纵波延迟表面图，（如图13所示）。即使该结构严重不均匀，但因为这两种焊缝的特殊尺寸引起了较大的全局均匀区域，使得这种假设也被证明了。我们评定超声波经过的所有区域的每个焊缝、每个探头和平均晶粒取向的每个缺陷。 Snell定律的应用允许确定在各向异性介质中波矢量的方向，然后沿垂直于迟缓表面给出了群速度（或能量的方向）的方向。我们可以研究与各向同性的情况比较下的光束能量的偏移情况，（1角是和1之间的差值，如图13所示），但是，通常偏移量是由2角表示，该角定义为正交波和该波能量流动方向之间的夹角，（和2之间的差值，如图13所示）。注意，对于L0波，1、2和1、2的结果是一致的。图14所示，2值定义为晶粒取向和正交波之间的夹角。这些值可以由列表1给出的对应于每个焊缝的弹性系数值来确定。由于焊缝A的各向异性具有较明显的差别，所以焊缝A的2相对比较低，如章节3所介绍。对于L0探头，有趣的是，虽然两种焊缝的晶粒取向有所不同，但是偏移确实相似的。事实上，对于这种探头，如图14所示，我们分别看到了焊缝A和焊缝B的15和5的光束和晶粒值，给出了两者之间近似相同的2差值（15）。此外，探头L0波长的情况非常好地说明了，考虑到正确的晶粒取向是很重要的。事实上，对于焊缝B，纵向晶粒的简单描述会导致建模，从而使得L0的波长不会偏移。其他的研究表明，过于简单化的描述会导致错误的预测8,9.对于L45波，埋深40mm的缺陷下的偏移，焊缝A会比焊缝B更深。实际上，对于焊缝B来讲，因为中间区域晶粒的取向几乎是垂直的，所以2的角度接近0，如图14所示。对于L60波，超声波经过的地方的偏移会比较弱。因此，它们的角度偏差小宇5。然而，这种干扰会根据所研究的缺陷或焊缝不同而有所不同。例如，焊缝A中埋深20mm的缺陷的y值比较高，并且焊缝B两个缺陷之间的偏移方向也有所不同。为了解说这些观察结果，1角度（前面已定义）值如列表3所图10 纵波和焊缝B的y值图11 45纵波和45横波y值得比较示。表中所有数值与y的测量值都一致，并且说明了每个结构的细微差别。最重要的是，这些分析证实，即使这些焊缝模型看起来大体均匀，但是了解超声波波束经过的每个区域的晶粒取向的合适精确度是非常重要的，这样做的目的是为了获得具有权威性的实体模型结果。对于所提到的45横波，它们比纵波更容易受到干扰，对于波的偏离，有很明显的实验值，并且仍旧和理论值一致。事实上，光束的能量以接近0角度进行传播的，该角度是与垂直方向比较的，而不是与各向同性介质中所预期的45角比较的。结果是传播时间比预期的要短很多。因此，在45横波焊缝这种类型检测中出现位移显著的偏差是在预料之中的。此外，当通过焊缝的超声波传播路径过大时，横波会被阻挡。例如，对很多均匀焊缝进行检查时，会有部分缺陷检测不出来。4.5.2 衰减 关于衰减，我们要注意到实体模型系统会低估了它的真实值。事实上，这两者现象都有助于衰减。第一个现象是相对于探头的散度来讲。因为探头的真实性能只在一个二维空间模拟的，所以ATHENA只起到了部分作用。第二个现象的原因是焊缝粗晶粒结构的晶粒散射。这个参数在我们的预算当中没有进行模拟。工作仍旧在进行中，目的是为了介绍实体模型中散射的衰减系数。对于纵波来讲，其晶粒取向和波传播方向两者之间的与角度相对的系数实验评估值在文献中有提到21-23。这些研究重点研究奥氏体焊缝中散射衰减的各向异性特征，该研究具有从0到90角传播参数的规律。这是由艾哈迈德和汤普森通过理论分析得到证实的。尤其是，纵波在2MHz频率的衰减系数估计为0.1分贝/毫米，该值为60的光束/晶粒取向，然而，对于各向异性的母材来讲，其衰减系数大约为0.01分贝/毫米。在我们的研究中，对于60的传播角度，焊缝中横孔之间振幅的实验变化与母材（8分贝）接近。实际上，由于它结构的各向异性，使得它比各向同性的母材更严重的晶粒散射影响能够通过光束的显著聚焦得以补偿。例如，焊缝B的每个缺陷无论是在实验还是在实体模型当中，其6分贝波速宽度大约都为5毫米，然而，对于各向同性的钢，埋深为20和40毫米的缺陷它们的波束宽度分别为8和17毫米。所以，尤其是这个原因，实验和实体模型之间在衰减方面会有显著的不同，那就是焊缝中晶粒散射被忽略了。通过将由两缺陷之间声速路径行进距离差值的散射衰减系数（0.1分贝/毫米）乘积值相加的简单方法，这8个分贝值就被回收了。图12 A值图13 来自具有各向异性均匀介质假设的纵波延迟面传播方向的判定 图14 与光束/晶粒对应的（2角）能量的偏移以及LO波检测和每个焊缝A2值的评估5. 结论在这两种奥氏体不锈钢进行的涂层电极自动电弧焊接方法超声检测的研究强调了该检测光束偏移的重要性。这些影响都与材料的各向异性和粗晶粒的结构有关。我们还证实了横波波束比纵波波束更容易失真。这项研究还表明，每个多通道焊缝都是一个特定的情况，这取决于其焊接的 表3 各向同性母材传播中能量角偏差的60纵波的评估特点（凹槽的几何形状，焊接过程和位置，运行顺序的排列，电极扫描）。因此，不同奥氏体焊缝的研究会造成不同的超声波干扰。然后，实体模型代码，例如ATHENA，是一种非常有用的工具，可以用来解释和预测波传播的现象。然而，描述焊接结构的精确度是很有必要的。这些描述都可以通过各具特点的方法来提供：晶体结构分析的射线衍射法、超声波波速的测量，以确定宏观缺陷的弹性性能和图像处理，以评估焊缝的非均匀性【24-25】。为了避免不良分析，使用焊接工艺（如MINA）的实体模型来预测材料的各向异性是有可能。此外，有人证明了，雅典娜代码版本的实体模型中的超声波衰减被低估了。该代码没有把超声波散射纳入考虑范围之内。最后，这项工作表明，一个良好的超声波传播现象的理解应该容许进一步提升这些焊缝的工业检测的解说和可靠性。参考文献 1 贝凯BL,瓦格AR,惠特尔MJ. 奥氏体焊接的超声检测J. 溴核酸研究能源应力光学系数 1976,15(3):5761.2纽曼E. 奥氏体焊缝超声检测技术的现状J. 国际工程虚拟压力管道系统1989,39:2746.3克姆尼茨P,里希特U,克鲁勃H. 奥氏体焊缝声场的测量J. 核酸研究电子新闻数据出版社,1997,(174)5972.4Lhemery A,卡尔蒙P,勒克尔-塔伊比,Raillon R,帕拉迪斯L. 焊缝超声检测的实体模型工具M. 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