焊縫超聲波檢測中非缺陷回波的識別

魏 寧

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧興城125105）

1 非缺陷回波的概念

在焊縫超聲波檢測中，超聲波探傷儀屏幕上除了出現(xiàn)缺陷反射回波以外，還會出現(xiàn)一些其他的反射回波（即非缺陷反射回波）。所謂非缺陷反射回波是指超聲波探傷儀屏幕上出現(xiàn)的并非焊縫中的缺陷所造成的反射信號。

2 非缺陷回波的分類及形成原因

焊縫超聲檢測中的非缺陷發(fā)射回波的種類有很多，典型的非缺陷發(fā)射回波有焊角反射回波、擴散角回波、結構反射回波以及來自儀器、探頭、耦合劑的回波。

2.1 焊角反射回波

在超聲波檢測中，探頭發(fā)射的超聲波傾斜入射到焊縫根部，由焊縫根部引起的反射回波稱為焊角反射回波。焊角反射回波產(chǎn)生的原因是焊角處輪廓法線方向與探頭發(fā)射超聲波主聲束方向相同或相近，其中部分聲束反射回來被探頭接收，在超聲波探傷儀屏幕上顯示出波形。

在超聲波檢測中，通常選擇的探頭類型為橫波斜探頭，即在探頭中的入射角為第Ⅰ臨界角與第Ⅱ臨界角之間，因為這樣才能在工件中產(chǎn)生純橫波。焊角反射波型轉換如圖1所示。折射的超聲橫波S在工件中傳播，遇到障礙物或反射體時，又可以看成一個新的入射波，當超聲橫波主聲束與焊角輪廓法線方向夾角α小于第Ⅲ臨界角時，由于波型轉換的原因，在焊角處會存在兩種反射波型，一種反射橫波S1，一種變型縱波L，分別反射至焊縫上表面的a、b兩處位置，由于焊縫上表面的不規(guī)則特征，到達a、b兩位置的超聲波又沿原路徑返回到焊縫根部，再次發(fā)生波型轉換，這樣使得兩束超聲波沿同一角度反射回探頭被接收，由于兩束超聲波的傳播速度不同，故導致傳輸?shù)教筋^的時間不同，因此會在超聲波探傷儀屏幕上顯示出兩個波峰，因為縱波的傳播速度大于橫波的傳播速度，所以來自縱波分量的反射回波先被探頭接收，在超聲波探傷儀屏幕上呈現(xiàn)為回波L，橫波分量的反射回波后被探頭接收，在超聲波探傷儀屏幕上呈現(xiàn)為回波S1。

圖1 焊角波型換示意圖

另外，由于入射波S與焊角輪廓法線所成的夾角α較小，部分聲束會直接經(jīng)焊角處反射回探頭并被接收，形成回波S，這樣一來，在超聲波探傷儀屏幕上出現(xiàn)了S、L、S1三個獨立的回波，三個回波構成了一個像“山”字一樣的波群，故我們稱其為“山形波”。山形波波形圖如圖2所示。

圖2 山形波波形圖

2.2 擴散角回波

在研究超聲波探傷時會用主聲束線對缺陷進行判定，但是超聲波并不是一條線，而是具有一定角度的聲束，超聲波聲束模擬圖顏色較亮的區(qū)域是超聲波的主聲束區(qū)，只有當缺陷位于主聲束范圍內，才容易被發(fā)現(xiàn)。超聲波聲束模擬圖中還可以看到主聲束兩側存在一些副瓣聲束，但由于副瓣聲束能量很低以及介質對超聲波的衰減作用，從波源附近開始傳播后衰減很快，一般不考慮副瓣波束，因此對于主聲束內的缺陷定位一定要格外注意。當存在工件形狀及尺寸限制時，主聲束線可能無法入射到缺陷上，只是主聲束內的其中一條線與缺陷接觸，從而反射回探頭被接收，導致出現(xiàn)錯誤的定位及定性。

2.3 結構反射回波

工件的外形結構及幾何尺寸也會造成非缺陷回波。在采用橫焊位置施焊時，在焊縫表面上常會形成一道道溝槽，當超聲波掃查到溝槽時會引起溝槽反射。溝槽反射回波如圖3所示。

圖3 溝槽反射回波

溝槽反射回波的位置一般出現(xiàn)在一次波和二次波在底面或表面反射點對應聲程處或稍后的位置，這種反射回波不是很強烈。自動焊的溝槽大小和深淺比較規(guī)則、均勻，因此，自動焊溝槽產(chǎn)生的反射回波容易識別。手工焊的溝槽大小和深淺不規(guī)則、不均勻，因此手工焊溝槽產(chǎn)生的反射回波容易和焊縫下半部分的缺陷回波相混淆，難以識別。當焊縫上下錯位時也會引起反射回波。板材在坡口加工時上下坡口不對稱，或施焊時焊偏等原因，都會造成上下焊縫錯位，錯位反射回波如圖4所示。由于焊縫上下錯位，在A側進行檢測時，焊角反射波很像焊縫內的缺陷。當探頭從B側檢測時，在一次波前沒有反射回波或所測信號的水平位置在焊縫的母材上。

圖4 錯位反射回波

3 非缺陷回波的識別與驗證

3.1 焊角回波的識別

采用K2橫波斜探頭檢測工件厚度T=24 mm的焊縫，所測探頭前沿值為L=12 mm，得到深度分別為HS=23.5 mm、HL=31.3 mm、HS1=37.1 mm的山形回波，山形波探傷實例如圖5所示。

圖5 山波形探傷實例

為了辨別其是否為缺陷波，可以通過計算進行驗證，計算過程如下：已知探頭角度K=2，超聲波到達焊角處之前在工件中的聲程為a，波型轉換的縱波L和橫波S1在工件中傳播的聲程分別為b和c，焊縫上下余高均為σ=2 mm，縱波聲速CL=5900 m/s，橫波聲速CS=3240 m/s。

焊縫最大厚度：δ=T+σ×2=24+2×2=28 mm,b≈c≈δ

探頭折射角度：β=arctanK=arctan2=63.4°

S波理論計算深度值：HS′=a×cos63.4°≈T=24 mm

L波理論計算深度值：HL′=a×cos63.4°+b×（CS/CL）×cos63.4°≈30.8 mm

S1波理論計算深度值：HS1′=a×cos63.4°+c×cos63.4°≈36.5 mm

通過以上計算，由于焊縫余高的不規(guī)則性，可以認為理論計算值與實際測量值是符合的，所以對該反射回波可以清楚地判定為非缺陷波。但需要說明的是，因為焊縫余高等因素不同，導致反射回波能量及反射方向有所不同，因此山形波并不總是三個波峰同時出現(xiàn)，有時只會出現(xiàn)其中任意的兩個或一個，這取決于焊縫不同位置的曲率。同時各波幅高度也是不斷變化的。在探頭的前后移動過程中，山形回波也隨之移動，但三個回波之間的距離幾乎保持不變。

焊角反射回波是超聲橫波直接入射到根部產(chǎn)生的，可以用手指沾油拍打焊縫表面進行驗證，當手指正好按住超聲波與工件的反射點時，部分聲波在焊縫根部發(fā)生了折射，造成能量降低，導致反射聲壓降低，從而導致超聲波探傷儀屏幕上的波幅高度隨之降低，因而在屏幕上會看到回波明顯的“跳動”現(xiàn)象。也可以在焊縫另一側進行驗證，焊角回波只能在與探頭相對一側才能被檢測到，所以我們在交換檢測面的時候會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生回波的反射位置也隨之改變了方向，因此可以清楚地分辨出是缺陷波還是焊角反射回波。由于山形波產(chǎn)生條件的特殊性，如果焊縫中存在缺陷會阻礙超聲波傳輸?shù)胶缚p根部，不會產(chǎn)生完好的山形波，由此還可以大致認為當出現(xiàn)山形波時，焊縫成型良好，內部不存在缺陷。

3.2 擴散角回波的識別

工件厚度為T=20 mm，焊縫寬度為W=20 mm，K2探頭前沿長度為L0=11 mm。已知OB為主聲束線，折射角度為63.4°，我們假設OA與主聲束線 OB夾角為5°，探頭恰好頂在焊縫根部，無法再向前移動，此時OA入射到焊縫內正中心某一深度處的一反射體，經(jīng)反射被探頭接收，通過儀器計算將缺陷位置顯示到超聲波探傷儀屏幕上。但是可以清晰地看到，在一次波聲程內，主聲束線是無法入射到反射體的，所以儀器計算出來的數(shù)據(jù)是不準確的，存在一定的偏差，而在實際工作中，就很可能因為該偏差導致對缺陷的誤判，造成嚴重后果。擴散聲束反射回波如圖6所示。

圖6 擴散聲束反射回波示意圖

通過幾何關系計算出反射體的真實位置A和儀器上的顯示位置B，反射體距離探頭入射點的水平距離為LA=L0+W/2=11+10=21 mm，OA線與工件表面所成角度為 90°-63.4°-5°=21.6°。所以反射體深度HA=LA×tan21.6°=21×0.396=8.3 mm，然而儀器由于已經(jīng)被校準，默認是折射角度為63.4°的主聲束線反射回來被接收的，由于傳輸時間相同的原則。

OB=OA=HA/sin21.6°=8.3/0.368=22.55 mm

HB=OB×cos63.4°=22.55×0.448=10.1 mm

LB=OB×sin63.4°=22.55×0.894=20 mm

通過計算我們看到，當與主聲束線夾角僅有5°時，缺陷的水平位置偏離1 mm，深度位置偏離2 mm，然而當工件厚度、探頭前沿長度、探頭折射角度等變大時，顯示位置與真實位置的偏離程度會更大，因此在遇到這種情況時不能完全通過儀器的讀數(shù)對缺陷進行判斷。

3.3 結構反射回波的識別

結構反射回波的反射體來自結構本身，而非焊縫內部的缺陷，所以也可以像識別焊角反射回波那樣，用沾油的手指在溝槽處或焊縫與母材過渡位置輕輕敲擊，觀察回波變化，若回波發(fā)生上下跳動，說明該反射回波是來結構于表面。根據(jù)回波在超聲波探傷儀屏幕上的位置計算出水平距離和垂直距離，那么計算出的位置會和工件焊縫上的溝槽位置相同，長度也相同。另外，還可以用更換探頭角度的方法進行驗證，山形波和擴散角波都會隨探頭角度的變化而變化。或是記錄檢測數(shù)據(jù)，通過1∶1作圖方法進一步驗證。

4 結束語

為適應生產(chǎn)發(fā)展的需求，當前的科學技術越來越強調斷裂力學的重要性，無損檢測技術已經(jīng)在向無損評價以及安全評估的方向發(fā)展，因此超聲波檢測技術對缺陷定性評定方法的可行性與可靠性研究，已經(jīng)越來越受到人們的關注。因此識別真?zhèn)稳毕莶ㄊ峭瓿蓪θ毕荻ㄐ缘那疤釛l件，是不容忽視的關鍵性問題。

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