焊縫超聲波檢測(cè)中雙峰信號(hào)辨識(shí)研究

凌禮恭，魏鵬

(1 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100088;2 核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京101300)

在焊縫超聲波檢測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到各種與教科書(shū)上典型缺陷信號(hào)不同的信號(hào)顯示，例如雙峰顯示。甚至在用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)雙峰信號(hào)的現(xiàn)象。由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏，以及對(duì)雙峰顯示產(chǎn)生原因認(rèn)識(shí)不足，往往給檢測(cè)人員帶來(lái)困惑甚至誤判，帶來(lái)不必要的損失。本文通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)焊縫超聲波檢測(cè)中較常見(jiàn)且容易給判斷帶來(lái)疑惑的雙峰顯示信號(hào)進(jìn)行探討，有利于在探傷過(guò)程中正確識(shí)別缺陷，提高探傷的可靠性和精準(zhǔn)度。

1 波型轉(zhuǎn)換與雙峰信號(hào)的辨識(shí)

當(dāng)斜探頭靜止在某個(gè)掃查位置時(shí)，超聲波檢測(cè)儀屏幕上出現(xiàn)兩個(gè)明顯間隔開(kāi)的波峰，此類(lèi)型信號(hào)產(chǎn)生原因多為界面處波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生不同傳播速度的波，導(dǎo)致聲波傳播時(shí)間產(chǎn)生差異形成的。焊縫探傷一般采用橫波或者縱波斜探頭，超聲波在工件入射點(diǎn)和工件中反射面(聲束與反射面非垂直)上都會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。

1.1 縱波斜探頭波形轉(zhuǎn)換形成雙峰

縱波斜探頭發(fā)出的縱波到達(dá)工件表面入射點(diǎn)時(shí)，發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，透過(guò)界面進(jìn)入工件的既有縱波也有橫波。使用該探頭探測(cè)半徑為r 的鋼制試塊弧面，移動(dòng)探頭調(diào)整波幅達(dá)到最高時(shí)，超聲檢測(cè)儀屏幕上會(huì)出現(xiàn)間隔雙峰，該雙峰中水平刻度值較小的為縱波L1 產(chǎn)生的信號(hào)，水平刻度值較大的為橫波S1 產(chǎn)生的信號(hào)，且水平刻度比值約為1 ∶1.83，如圖1所示。當(dāng)縱波探頭探測(cè)鋼制工件焊縫時(shí)，在工件中反射面(聲束與反射面非垂直)處還會(huì)再次發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，L1 可能會(huì)轉(zhuǎn)換成L2 和S2，S1 會(huì)轉(zhuǎn)換成S3 或者L3 和S3。由于L1 與S1 角度相差較大，一般S1、L1 不會(huì)同時(shí)打到同一個(gè)反射體(當(dāng)反射體很大時(shí)例外，此時(shí)最多可能出現(xiàn)四個(gè)峰)。因此當(dāng)出現(xiàn)雙峰時(shí)屏幕上顯示的雙峰往往是L2 和S2 或者L3 和S3 產(chǎn)生的，但其水平刻度比值不同，分別為1 ∶1.4，1 ∶1.3。

圖1 縱波斜探頭入射圓弧面時(shí)形成的雙峰顯示

1.2 橫波斜探頭波形轉(zhuǎn)換形成雙峰

橫波探頭斜鍥角度一般處在第一臨界角和第二臨界角之間，因此橫波斜探頭發(fā)出的縱波到達(dá)工件表面入射點(diǎn)時(shí)，發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，透過(guò)界面進(jìn)入工件的只有橫波S1。橫波探頭入射半徑為r 的弧面不會(huì)形成雙峰。但當(dāng)橫波探頭探測(cè)鋼制工件焊縫時(shí)，在工件中反射面(聲束與反射面非垂直)處會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，由S1 轉(zhuǎn)換成L2 和S2，因此當(dāng)出現(xiàn)雙峰時(shí)屏幕上顯示的雙峰往往是L2 和S2 產(chǎn)生的，水平刻度比值約為1 ∶1.3。

1.3 特例

當(dāng)雙峰由端角反射回波產(chǎn)生時(shí)，1.1，1.2 節(jié)有關(guān)反射面處的波形轉(zhuǎn)換分析不適用。此時(shí)應(yīng)按端角反射的波形轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析。

2 反射體空間形態(tài)及位置與雙峰信號(hào)的辨識(shí)

下文中焊接工件厚度為a，寬度為b，長(zhǎng)度為c;三維坐標(biāo)系Z 軸方向?yàn)楹穸确较?，Y 軸方向?yàn)閷挾确较颍琗 軸方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向;斜探頭參數(shù)為K。

2.1 X 向相鄰Y，Z 向相同雙峰信號(hào)辨識(shí)

探頭置于相鄰X 向位置(或者平行于X 軸方向移動(dòng)探頭時(shí))時(shí)在屏幕同一水平刻度出現(xiàn)兩次峰值，在相鄰位置之間同一水平刻度處幅度較低。這時(shí)需記下出現(xiàn)雙峰之間的這一段位置處每一點(diǎn)的幅值，作出如圖2所示的幅值包絡(luò)線，若包絡(luò)線波谷的幅值(建議取平均值)遠(yuǎn)大于噪聲水平(或者大于峰值的一半)，則雙峰對(duì)應(yīng)的反射體為沿X 向同一連續(xù)反射體的可能性較大，如圖2所示。原因是:該雙峰及其之間的反射體雖然處在同一深度和Y 向位置，但是由于反射體相對(duì)于聲束方向取向不同、界面反射條件不同(阻抗差異、表面粗糙度差異等)，因此反射聲壓不同，造成信號(hào)似乎中斷的假象。由于缺陷的存在，即使雙峰間對(duì)應(yīng)反射體處在不利的反射條件下，依然產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的回波。

如果雙峰間的波谷幅值(建議取均值)與噪聲水平相當(dāng)或者相差不大，則此雙峰對(duì)應(yīng)的反射體為兩個(gè)獨(dú)立反射體的可能性較大。

圖2 X 向相鄰Y，Z 向相同雙峰信號(hào)包絡(luò)線及反射體X 向分布

2.2 X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號(hào)辨識(shí)

在焊縫的掃查過(guò)程中我們經(jīng)常會(huì)遇到如圖3所示雙峰的情況，即在同一探頭位置出現(xiàn)了兩個(gè)較高的波峰信號(hào)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的分析我們可以得知該雙峰對(duì)應(yīng)反射體X 向位置相同，Y 向、Z 向相鄰。此時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)增益(增益型儀器)或者衰減(衰減型儀器)，增加雙峰的幅值直到能看見(jiàn)雙峰間的波谷，如圖4所示。若雙峰間的波谷幅值遠(yuǎn)大于噪聲水平(或者大于峰值的一半)，則此雙峰對(duì)應(yīng)的反射體為類(lèi)似于如圖5的同一連續(xù)反射體可能性較大;如果雙峰間的波谷幅值(建議取均值)與噪聲水平相當(dāng)或者相差不大，則此雙峰對(duì)應(yīng)的反射體為兩個(gè)獨(dú)立反射體的可能性較大。

圖3 X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號(hào)及聲束路徑

2.3 X 向、Y 向、Z 向均相鄰雙峰信號(hào)辨識(shí)

對(duì)于某些經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算發(fā)現(xiàn)雙峰對(duì)應(yīng)的反射體在X 向、Y 向、Z 向均相鄰的情況。首先應(yīng)標(biāo)記好出現(xiàn)雙峰時(shí)探頭的位置W1，W2。然后按照如圖6所示掃查方式1 或2 再次進(jìn)行掃查。

圖4 X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號(hào)間波谷

圖5 能產(chǎn)生X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號(hào)的單一連續(xù)反射體

當(dāng)按方式1 進(jìn)行掃查時(shí)，同一X 向位置只需記錄最大值幅值，做各點(diǎn)幅值的包絡(luò)曲線，按4.1 中所述方法測(cè)量?jī)刹ǚ逯g的波谷包絡(luò)線幅值。如果包絡(luò)線波谷的幅值(建議取平均值)遠(yuǎn)大于噪聲水平(或者大于峰值的一半)，則雙峰對(duì)應(yīng)的反射體為三維空間延伸的同一連續(xù)反射體的可能性較大。原因是:該雙峰及其之間的反射體處在不同空間位置，導(dǎo)致三維坐標(biāo)不同，由于各處反射體相對(duì)于聲束方向取向不同、界面反射條件不同(阻抗差異、表面粗糙度差異等)，因此反射聲壓差異較大，造成信號(hào)似乎中斷的假象。由于缺陷的的存在，雖然雙峰間的對(duì)應(yīng)反射體處在不利的反射條件下，依然產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的回波顯示。如果雙峰間的波谷幅值(建議取均值)與噪聲水平相當(dāng)或者相差不大，則此雙峰對(duì)應(yīng)的反射體為兩個(gè)獨(dú)立反射體的可能性較大。

當(dāng)按方式2 進(jìn)行掃查時(shí)，記錄方格中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)反射體的(X，Y，Z)坐標(biāo)以及反射聲壓幅值。處理方法有兩種:方法一、利用matalab，orange 等數(shù)值處理軟件做出三維坐標(biāo)以及反射聲壓的四維圖形，以峰值一半的反射聲壓或者遠(yuǎn)大于噪聲水平的聲壓最為聲壓顯示閾值。通過(guò)觀察遠(yuǎn)大于本底噪聲的幅值點(diǎn)在空間上是否連續(xù)來(lái)判斷是否為同一缺陷。方法二、對(duì)不同方格進(jìn)行編碼，然后利用能生成B，C，D 視圖的分析軟件對(duì)反射體所在空間的切片圖逐張進(jìn)行觀察，以此判斷反射體是否連續(xù)，當(dāng)然如果用能生成B、C、D 視圖的自動(dòng)掃查系統(tǒng)直接復(fù)檢則更為簡(jiǎn)便，分析判斷方法相同。

總體而言，按方式1 進(jìn)行掃查和分析工作量相對(duì)較小，但可信度較方式2 稍差些。因此方式1 適合現(xiàn)場(chǎng)條件有限的純手工操作和計(jì)算分析;方式2 適合于自動(dòng)掃查結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件分析。

圖6 X 向、Y 向、Z 向均相鄰反射體分布及掃查方式

2.4 特例

上述用包絡(luò)線判斷的方法存在一個(gè)不足就是，存在由于反射條件極差而導(dǎo)致的包絡(luò)線波谷很低的情況，此時(shí)會(huì)將一個(gè)反射體誤判為兩個(gè)。一般對(duì)于判斷為一個(gè)反射體的情況，還應(yīng)該結(jié)合雙峰之間的相鄰位置的遠(yuǎn)近來(lái)考慮，較近的趨向于判為一個(gè)反射體。

有些超聲檢查系統(tǒng)由于探頭與超聲儀的組合性能較差，在對(duì)規(guī)則反射體例如長(zhǎng)橫孔進(jìn)行掃查時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)波形尖端分叉即雙峰的現(xiàn)象。首先，這種情況可以在探頭及儀器校核或者系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)。其次，這種情況雙峰間的波谷較窄，并且幅度較大。最重要的是:這種情況下探頭的移動(dòng)對(duì)雙峰的出現(xiàn)一般沒(méi)有影響，探頭位置無(wú)論如何移動(dòng)，雙峰同時(shí)出現(xiàn)或者同時(shí)消失。因此超聲檢查系統(tǒng)本身造成的雙峰是比較好判斷的。此種系統(tǒng)嚴(yán)格意義上不適合于進(jìn)行工業(yè)探傷。

3 界面位置雙峰信號(hào)辨識(shí)

如果雙峰中有一個(gè)剛好在水平刻度Ka，2Ka 附近，則該峰值信號(hào)可能是由界面缺欠、不規(guī)整等情況引起的，可先判斷其是否為界面?zhèn)稳毕荩绻莿t雙峰問(wèn)題變成單峰問(wèn)題;如果不是則按上述1，2 節(jié)方法進(jìn)行分析。

4 總結(jié)

以上第1，2，3 節(jié)辨識(shí)方法，為焊縫超聲波檢測(cè)中可能出現(xiàn)的不同種類(lèi)雙峰信號(hào)的判定提供了思路和推論。如需完全確認(rèn)缺陷的真?zhèn)谓ㄗh結(jié)合其它無(wú)損檢測(cè)手段(例如射線檢測(cè))進(jìn)行分析或者采取破壞性檢驗(yàn)方法直接觀察。

［1］鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)［M］.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.