變形波在焊縫超聲波檢測(cè)中的實(shí)例解析

許 嘯

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

目前工業(yè)超聲波無損檢測(cè)多依據(jù)脈沖反射原理，它依靠接收反射信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在儀器屏幕進(jìn)行顯示。根據(jù)屏幕顯示的位置、波幅高度、波形形狀等，可以對(duì)工件是否存在缺陷和缺陷性質(zhì)進(jìn)行判斷和評(píng)定。由于反射信號(hào)可以是來自于缺陷反射，也可以是來自檢測(cè)對(duì)象的表面反射，還有一些則是由于波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的變形波反射信號(hào)[1]，因此無損檢測(cè)人員應(yīng)正確識(shí)別缺陷回波、正常結(jié)構(gòu)回波和變形反射回波，對(duì)儀器顯示波形做出準(zhǔn)確的判斷。本文就焊縫超聲波檢測(cè)中變形反射回波的一個(gè)真實(shí)案例進(jìn)行詳細(xì)解析。

1 實(shí)際案例情況

在某環(huán)形軌道吊車項(xiàng)目的無損檢測(cè)中，對(duì)一卷筒環(huán)形對(duì)接“A”類焊縫實(shí)施超聲波檢測(cè)。卷筒規(guī)格為壁厚52 mm、內(nèi)徑Φ1 184 mm、筒長(zhǎng)3 200 mm，材質(zhì)Q355D，母材開U+V雙坡口，采用筒體自轉(zhuǎn)的自動(dòng)焊焊接成形，焊縫成形外焊縫寬約50 mm、余高2 mm,下焊縫寬約15 mm、余高5 mm，具體如圖1所示。

檢測(cè)時(shí)，首先對(duì)焊縫兩側(cè)斜探頭掃查經(jīng)過的母材區(qū)域采用2.5PΦ20直探頭進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何記錄及超標(biāo)缺陷顯示，即母材區(qū)域無影響斜探頭檢測(cè)結(jié)果的分層或其他缺陷。采用2.5P13×13/60°斜探頭在卷筒外圓面焊縫兩側(cè)進(jìn)行鋸齒掃查，在設(shè)備屏幕上除了始波和根部正常底面回波，未發(fā)現(xiàn)其他異常反射信號(hào)。采用2.5P13×13/45°斜探頭在卷筒外圓面兩側(cè)鋸齒掃查時(shí)，發(fā)現(xiàn)儀器在一倍板厚和兩倍板厚區(qū)間出現(xiàn)疑似缺陷的波形顯示，波高明顯，波形穩(wěn)定，如圖2和圖3所示。

圖2 儀器顯示截屏圖 圖3 屏幕顯示示意圖

通過超聲探傷儀器的顯示數(shù)據(jù)，分別對(duì)圖3的1#、2#、3#顯示回波的深度和水平位置進(jìn)行記錄和測(cè)量。以下是在最高波幅顯示位置的記錄結(jié)果：

(1) 1#顯示的回波深度為52 mm，水平位置在焊縫中心偏上8 mm。

(2) 2#顯示的回波深度為23.5 mm(發(fā)生一次反射，聲束直射深度為80.5 mm)，水平位置在探頭對(duì)側(cè)焊縫熔合線外8 mm～9 mm(焊縫中心線以外33 mm～34 mm)。

(3) 3#顯示的回波深度為0 mm(直射深度為104 mm)，水平位置在探頭對(duì)側(cè)焊縫熔合線處。

根據(jù)記錄的位置數(shù)據(jù)，初步畫出三個(gè)儀器顯示的反射位置在焊縫檢測(cè)區(qū)域的具體位置示意圖，如圖4所示。

2 案例分析

對(duì)于發(fā)現(xiàn)的1#～3#顯示回波位置是否與圖4所示位置相符需進(jìn)行以下分析。

2.1 1#回波顯示是否是根部一次反射回波

根據(jù)以往超聲波檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和1#回波在儀器所示位置，很容易判斷1#回波顯示是根部一次反射回波，驗(yàn)證方法可以采用在焊趾縫邊位置用蘸油的毛刷拍打，看1#回波是否波動(dòng)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛刷拍打焊趾縫邊位置時(shí)，1#回波確實(shí)發(fā)生上下波動(dòng)，說明1#回波確實(shí)是焊趾縫邊位置的一次反射回波，不屬于缺陷回波顯示。

2.2 3#回波顯示是否是表面焊縫熔合線處二次反射回波

根據(jù)顯示位置和探頭移動(dòng)距離可以認(rèn)定3#回波顯示是焊道縫邊二次反射回波，驗(yàn)證方法可以采用在焊道縫邊位置用蘸油的毛刷拍打，看3#回波是否波動(dòng)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛刷拍打縫邊位置時(shí)，3#回波確實(shí)發(fā)生上下波動(dòng)，說明3#回波確實(shí)是表面焊縫熔合線處的二次反射回波，不屬于缺陷回波顯示。

2.3 2#回波是否是內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的回波

首先根據(jù)圖4的示意位置，2#回波所在位置已經(jīng)超出焊縫和熔合區(qū)，屬于熱影響區(qū)范圍。對(duì)于焊縫熱影響區(qū)，如果該部位出現(xiàn)缺陷一般應(yīng)是由于焊接工藝不當(dāng)引起的母材撕裂或母材在軋制過程中引起的分層或夾雜。但卷筒材質(zhì)為Q355D，這種材料作為一種常用低合金鋼，裂紋敏感性不大，焊接過程中引起材質(zhì)撕裂的可能性不大。另外在使用直探頭掃查斜探頭移動(dòng)的母材區(qū)域時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)明顯異常反射顯示，說明該區(qū)域母材完好，不存在影響斜探頭檢測(cè)的母材缺陷。并且在采用斜探頭對(duì)焊縫整圈掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)，2#回波出現(xiàn)位置相對(duì)固定，并結(jié)合靜態(tài)波型、動(dòng)態(tài)波型分析其不具備明顯的缺陷特征，可以判斷2#回波并不是由于缺陷引起的。

圖4 反射波位置示意圖

綜上所述，可得出結(jié)論：2#回波可能是由焊縫結(jié)構(gòu)原因引起的非缺陷回波顯示。現(xiàn)在分析其可能是由哪個(gè)位置的結(jié)構(gòu)引起的反射回波。通過觀察背面焊縫，可以發(fā)現(xiàn)焊縫焊趾余高較高而寬度較小，超聲波很可能在焊趾位置發(fā)生波形轉(zhuǎn)化從而改變聲束的傳播方向，所以提出以下猜想：

由于焊趾的存在，使焊縫根部反射面不再平整，當(dāng)入射橫波打到焊趾表面時(shí)，界面處的實(shí)際入射角會(huì)小于探頭的標(biāo)稱入射角，當(dāng)入射角小于第三臨界角(鋼中第三臨界角為33.2°)時(shí)，在入射位置就會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生反射變形縱波[2]。由于反射縱波的聲速大于反射橫波，在某一角度反射縱波聲束與焊縫外表面某個(gè)位置垂直使探頭接收到反射信號(hào)時(shí)，就會(huì)在一次底面回波和二次表面回波的聲程之間產(chǎn)生一個(gè)波形顯示。

下面對(duì)猜想進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證：

檢測(cè)產(chǎn)生2#反射回波結(jié)果時(shí)，采用的探頭型號(hào)為2.5P13×13/45°，探頭實(shí)測(cè)角度為45°，探頭前沿距離為12 mm，探頭端部距同側(cè)焊縫縫邊10 mm，Q355D鋼材中縱波聲速為5 900 m/s，橫波聲速為3 230 m/s，對(duì)焊縫根部產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換和變形縱波反射情況進(jìn)行模擬，如圖5所示。圖5中，S為橫波路徑，L為縱波路徑。

圖5 根部波形轉(zhuǎn)換及反射

斜探頭發(fā)出的橫波入射到位置②時(shí)，由于入射角小于第三臨界角，就會(huì)產(chǎn)生變形縱波，變形縱波打到焊縫表面位置③時(shí)，變形縱波聲束與界面垂直，聲束沿③②路徑返回到位置②，并在位置②再次進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，最終回波信號(hào)被斜探頭接收，在儀器上形成波形顯示。由于圖5結(jié)構(gòu)不規(guī)則，對(duì)于波形轉(zhuǎn)換位置和變形縱波反射位置都不好確定，為了進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算驗(yàn)證猜想，可以對(duì)圖5進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，如圖6所示。

圖6 波形轉(zhuǎn)換及反射模型簡(jiǎn)化

可將焊縫上表面簡(jiǎn)化為平面，焊趾視為半徑r=8.125 mm的圓弧，工件厚度變?yōu)?4 mm，這樣位置②和位置③便固定了。由根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系與波形轉(zhuǎn)化反射定律可進(jìn)行以下計(jì)算：

(1) 位置②橫波入射角αS和變形縱波反射角αL滿足反射定律[3]：

其中：cS為鋼中橫波聲速,cS=3 230 m/s;cL為鋼中縱波聲速,cL=5 900 m/s。

由三角關(guān)系αS+αL=45°，可得出αS=15.593°，αL=29.407°。

(2) 位置②距筒體內(nèi)表面的垂直距離為:

5-(r-r×cosαL)=
5-(8.125-8.125×cos29.407°)=3.953 mm.

所以最終可得到橫波聲束穿過①②路徑所走的距離L1:

(3) 變形縱波聲束穿過②③路徑所走的距離L2為:

L2=54+3.953=57.953 mm.

(4) 理論上，當(dāng)變形縱波在位置③垂直反射，沿③②①路徑被探頭接收時(shí)，在儀器上顯示的反射點(diǎn)③的深度H則為:

(5) 反射點(diǎn)③與探頭入射點(diǎn)①的水平距離L為:

即距離探頭對(duì)側(cè)焊縫表面熔合線的距離為L(zhǎng)′為:

L′=L-10-12-50=8.387 mm.

經(jīng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，猜想得出的理論結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)正好相符，說明儀器上的2#回波應(yīng)該就是圖6模型中變形縱波在位置③反射產(chǎn)生的。

操作驗(yàn)證：可以采用在焊縫表面對(duì)應(yīng)位置用蘸油的毛刷拍打，看2#回波是否波動(dòng)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛刷拍打焊縫表面時(shí)，2#回波確實(shí)上下波動(dòng)，說明對(duì)2#回波的判斷屬實(shí)，在后續(xù)工件加工處理中，焊縫根部被磨平，此時(shí)再用儀器進(jìn)行超聲波檢測(cè)，2#回波徹底消失。

3 總結(jié)

焊縫根部變形波產(chǎn)生的回波顯示是無損檢測(cè)中一種典型的非缺陷回波，其形狀特殊、位置固定，極易與缺陷混淆，在超聲波檢測(cè)中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)。對(duì)焊縫超聲波檢測(cè)時(shí)，如果根部存在焊趾余高較大、咬邊、錯(cuò)邊、薄厚對(duì)接等情況時(shí)，出現(xiàn)變形波的可能性會(huì)很大，無損檢測(cè)人員應(yīng)快速且準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。本文從波形特征、理論計(jì)算和操作驗(yàn)證等角度，對(duì)焊縫根部變形波產(chǎn)生的回波顯示進(jìn)行了實(shí)例解析，提出了切實(shí)有效的判別辦法，對(duì)無損檢測(cè)結(jié)果分析具有重要意義。