大板梁超聲檢測(cè)中異常波形的分析研究

杜曉剛，黃純德，高義斌

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

大板梁超聲檢測(cè)中異常波形的分析研究

杜曉剛，黃純德，高義斌

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

針對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)制造廠的大板梁在超聲波檢測(cè)時(shí)，有3個(gè)波峰同時(shí)出現(xiàn)，與山形波類似但又有所不同的問題，分析了引起此波形異常的原因，得出了通過改變探頭K值，可以使變形縱波的幅值改變的結(jié)論，為今后超聲檢測(cè)中相似波形的辨識(shí)提供了理論依據(jù)。

大板梁；橫波入射角；變形縱波

0 引言

山形波是焊縫超聲檢測(cè)中較常見的一種非缺陷回波，由于在顯示屏上往往會(huì)同時(shí)出現(xiàn)3個(gè)波形，且中間高兩邊低，類似于山的形狀，故此命名為山形波，山形波往往是由入射的橫波在焊縫與空氣界面處產(chǎn)生的變形波和反射回波所組成，產(chǎn)生的變形波有的為縱波反射波[1]，有的則是表面波[2]，且常在“X”或“U”形坡口中出現(xiàn)。在板材、壓力管道的焊接工藝中，當(dāng)其母材厚度較厚時(shí)，為了保證能將其焊透，坡口往往會(huì)制成“X”或“U”形，因此在板材、壓力管道的焊縫檢測(cè)中往往能檢測(cè)到山形波。到某鋼結(jié)構(gòu)制造廠進(jìn)行大板梁檢驗(yàn)，在對(duì)其腹板的超聲檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，顯示屏上常常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)3個(gè)波，與山形波不同的是，3個(gè)波的波峰強(qiáng)度依次遞減，并不是中間高兩頭低，且在對(duì)接焊縫的檢測(cè)中連續(xù)出現(xiàn)。鑒于與以往常見的山形波有所不同，為了能對(duì)其產(chǎn)生的原因有深入的理解，在今后的檢測(cè)中更好地對(duì)此波形進(jìn)行辨別，因此有必要專門對(duì)其進(jìn)行深入的研究。

1 檢測(cè)準(zhǔn)備工作

1.1 儀器設(shè)備

檢測(cè)儀器：所用的超聲設(shè)備為中科漢威HS611e形、水平性和垂直性較好的可記錄A形數(shù)字超聲儀。所用探頭為汕頭超聲電子有限公司生產(chǎn)的單晶橫波斜探頭，頻率為2.5 MHz,晶片尺寸為8×12mm，K值為2，透聲楔塊耦合面為平面。檢測(cè)所用耦合劑為超聲波專用耦合劑，所用試塊為CSK-IA、CSK-ⅢA型，檢測(cè)靈敏度為Ф1×6-9 dB。

1.2 焊縫結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)廠家所提供的技術(shù)資料，所檢大板梁的腹板厚度為30 mm，材質(zhì)為Q345R，其拼接縫采用埋弧自動(dòng)焊雙面焊接。焊絲：H10Mn2、直徑為5.0 mm、焊劑HJ350。焊縫處所開坡口形式為X形。圖1為該對(duì)接焊縫的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 腹板對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

2 波峰研究分析

2.1 波形靜態(tài)特征分析

當(dāng)探頭沿鋸齒狀路線對(duì)拼接焊縫進(jìn)行掃查時(shí)，可以在顯示屏上看到類似山形波的波形出現(xiàn)，其靜態(tài)波形示意圖如圖2所示。可以看到顯示屏上同時(shí)有3個(gè)波峰，依次為波峰1、波峰2、波峰3，且3個(gè)波峰的峰值強(qiáng)度依次減弱，可以看出波峰1的波高明顯大于波峰2和波峰3，其幅值在定量線以上；波峰2的波高大于波峰3，其幅值接近于定量線；波峰3的波高最低，幅值在定量線之下。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字超聲儀記錄的數(shù)據(jù)，波峰1的聲程距離為70.1 mm、水平距離為46.7 mm、垂直深度為31.3 mm。

圖2 腹板對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)靜態(tài)波形示意圖

2.2 波峰分析

首先對(duì)波峰1進(jìn)行分析，波峰1的幅值最高，且垂直深度為31.3 mm，與腹板的厚度(30 mm)非常接近，由于焊縫余高的存在，超聲儀顯示的深度距離往往與母材實(shí)際厚度會(huì)有1～2 mm的偏差，綜合考慮幅值與深度距離，可以確認(rèn)波峰1為焊縫處的底面反射波。

波峰2有多種可能性，既可能是焊縫處的溝槽回波，也可能是缺陷反射波，還可能是變形波，這需要逐一進(jìn)行排除。自動(dòng)焊的多道焊常常在焊縫表面形成一道道溝槽，當(dāng)超聲波掃到溝槽時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溝槽回波。溝槽回波往往在焊縫一邊的回波較高，在另一邊則回波很低或沒有，此次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，在焊縫的兩側(cè)都可以發(fā)現(xiàn)波峰2，且幅值大致相當(dāng)，這與溝槽回波的特點(diǎn)不符，因此基本可以排除溝槽回波的可能。此外，當(dāng)用蘸油的手指在焊縫表面輕輕敲擊時(shí)，發(fā)現(xiàn)波峰2的幅值會(huì)隨之變化，因此可以確定波峰2也不是缺陷反射波。綜上分析，基本可以確定波峰2為變形波，由于波峰2的位置在波峰1與波峰3之間，因此初步判斷波峰2為變形縱波回波。其形成原理如圖3所示，當(dāng)橫波S入射到焊縫下表面的鋼/空氣界面時(shí)，如果α0＜33.2°(即第三臨界角)時(shí)，則橫波S在鋼/空氣界面處的反射波不僅有橫波S′，還會(huì)有縱波L′。通常橫波S′、縱波L′不會(huì)被探頭所接受到，但如果橫波S′、縱波L′恰好垂直入射到焊縫上表面的某些部位時(shí)，其反射波則會(huì)沿原路徑返回，從而被探頭所接收到，因此波峰2即是變形縱波L′的反射橫波回波。

圖3 橫波斜入射到焊縫下表面處產(chǎn)生變形波示意圖

值得注意的是，波峰2的幅值并不是最高的，而是比波峰1低，這與以前報(bào)道的山形波有所不同[2]。在超聲檢測(cè)中，顯示屏上的波高與聲壓成正比，當(dāng)橫波傾斜入射到鋼/空氣界面時(shí)，橫波聲壓反射率與縱波聲壓反射率會(huì)隨橫波入射角α0的變化而變化[3]，其關(guān)系曲線如圖4所示。在圖4中，可以看出當(dāng)α0＜20°時(shí)，rSS較高，rSl則較低，這與波峰1和波峰2的波高比例正好對(duì)應(yīng)。而當(dāng)α0＞20°時(shí)，rSS較低，rSl則較高，這又正好與常見的山形波所對(duì)應(yīng)。當(dāng)α0＞33.2°時(shí)，橫波在鋼中發(fā)生全反射，此時(shí)無變形縱波產(chǎn)生。因此可以認(rèn)為，與以往常見的山形波不同，波峰2的幅值較低的原因就在于橫波入射角α0發(fā)生了變化，而且是變小了。對(duì)比以往報(bào)道的檢測(cè)條件，可以發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)厚度一般在40 mm以上，因此選用的探頭K值一般為K1，而此次大板梁檢測(cè)，由于鋼板厚度為30mm，根據(jù)NB/T 47013.3—2015[4]的要求，宜選用K2的探頭。由于在此次檢測(cè)中探頭K值增大，使得橫波入射角α0變小，從而導(dǎo)致rSS、rSl也隨之相應(yīng)變化，因此出現(xiàn)了與以往的山形波有所不同的波形。

波峰3的幅值最低，傳播時(shí)間最長(zhǎng)，由于縱波的傳播速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫波，可以確定波峰3為反射橫波S′的回波。由于橫波S′正好垂直入射到焊縫上表面，導(dǎo)致其回波可以沿原路徑返回被探頭接受。

圖4 聲壓反射率隨橫波入射角α0變化曲線

3 結(jié)論

a)大板梁超聲檢測(cè)中連續(xù)出現(xiàn)的3個(gè)波峰分別是底面反射回波、變形縱波和橫波反射波回波。

b)探頭K值的變化會(huì)引起橫波入射角α0的變化，進(jìn)而會(huì)影響橫波聲壓反射率和縱波聲壓反射率。當(dāng)K值增大時(shí)，橫波入射角α0會(huì)變小，橫波聲壓反射率會(huì)隨之提高，而縱波聲壓反射率會(huì)隨之降低。

[1]張志超.焊縫超聲檢測(cè)中變形波的產(chǎn)生機(jī)理及其識(shí)別[J].無損檢測(cè)，2002（2）：83-85.

[2]孟永樂，高磊，張紅軍.關(guān)于蒸汽管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)產(chǎn)生“山字波”的研究：金屬材料專委會(huì)第一屆學(xué)術(shù)年會(huì)[C].太原:中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2015：524-530.

[3]鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：134-150.

[4]全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).承壓設(shè)備無損檢測(cè)：NB/T 47013—2015[S].北京：新華出版社，2015：124-125.

The Analysis of Abnormal Waveform in Large-plate Girder Ultrasonic Inspection

DU Xiaogang,HUANG Chunde,GAO Yibin
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China）

When inspecting a large-plate girder with ultrasonic wave,three peaks appeared simultaneously,which are similar to but different from mountain-type waves.The main reason for the abnormal waves is studied,and it is concluded that changing the sensor's K value could change the amplitude of deformed longitudinal wave,which provides theoretical bases for the recognition of the similar waves in the ultrasonic inspection.

large-plate girder;shear incidence angle;deformed longitudinal wave

TG457.1

A

1671-0320（2017）01-0046-03

2016-07-13，

2016-09-12

杜曉剛（1987），男，山西平遙人，2014年畢業(yè)于太原理工大學(xué)材料工程專業(yè)，工程師，從事金屬檢測(cè)工作；黃純德（1979），男，天津人，2002年畢業(yè)于武漢大學(xué)材料科學(xué)專業(yè)，高級(jí)工程師，從事金屬檢測(cè)工作；高義斌（1979），男，山西襄垣人，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)材料加工專業(yè)，高級(jí)工程師，從事金屬檢測(cè)工作。