焊縫余高對(duì)超聲波探傷的影響

徐生東，戴敬東，張鵬林

（1.中石油第二建設(shè)公司，蘭州 730060；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730030）

焊縫余高干擾波在超聲探傷中是比較常見的干擾信號(hào)，特別是在雙面自動(dòng)焊焊縫和表面經(jīng)過(guò)修磨處理過(guò)的手工焊焊縫中更為常見。探傷中余高干擾波出現(xiàn)在示波屏上一次波之后的二次波探傷區(qū)域內(nèi)，與缺陷的二次回波非常相似，如果不能正確識(shí)別，會(huì)造成誤檢或漏檢。事實(shí)上，余高干擾波規(guī)律性很強(qiáng)，并不難識(shí)別，其不僅不會(huì)對(duì)探傷工作帶來(lái)影響，相反還可以利用它來(lái)正確地識(shí)別缺陷信號(hào)，提高探傷準(zhǔn)確率。

1 余高干擾波產(chǎn)生原理

如圖1所示，當(dāng)聲波入射到焊縫下表面余高上時(shí)會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成反射橫波S′和反射縱波L′，也稱為變型橫波和變型縱波。沿余高表面從A～C之間的點(diǎn)，聲波的入射角各不相同，因此各點(diǎn)反射橫波和反射縱波的傳播方向也不同。反射橫波和反射縱波傳到上表面，又在上表面余高上反射，部分沿原路徑返回被探頭接收。

圖1 余高干擾波的產(chǎn)生示意圖

圖2為焊角波和干擾波示意圖，其中焊角波A、反射縱波L及反射橫波S有時(shí)同時(shí)出現(xiàn)，有時(shí)只出現(xiàn)A 波和S波，有時(shí)甚至只出現(xiàn)三個(gè)波中的一個(gè)，這完全取決于焊縫不同處的形狀。隨著探頭的前后移動(dòng)，A，L 和S波也隨之前后移動(dòng)。移動(dòng)過(guò)程中，視覺誤差范圍內(nèi)，三個(gè)波之間的間距保持不變，且幅度變化是一致的。焊縫局部還有可能出現(xiàn)橫波干擾波的多次反射波。下文將對(duì)不同形狀余高產(chǎn)生的干擾波逐一分析，并給出解決方法。

圖2 焊角波干擾波示意圖

2 余高干擾波分析

2.1 余高過(guò)高

焊縫余高過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)頂部盲區(qū)。采用斜探頭一次波進(jìn)行焊縫單面探傷時(shí)（圖3），克服頂部盲區(qū)的方法是采用小前沿、大K值的探頭。采用斜探頭一次反射波進(jìn)行焊縫單面探傷時(shí)（圖4），克服頂部盲區(qū)的辦法是減小探頭角度。

2.2 余高過(guò)寬

焊縫余高過(guò)寬時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊縫中部盲區(qū)，克服中部盲區(qū)的辦法是增大探頭角度和減小探頭前沿長(zhǎng)度（圖5）。

圖5 余高過(guò)寬斜探頭一次波焊縫雙面探傷

2.3 中厚板對(duì)接焊縫余高

中厚板對(duì)接焊縫超聲波探傷時(shí)，探頭下擴(kuò)散聲束在焊縫表面的反射回波，很容易被誤判為缺陷。如在厚板焊縫中（T＝50mm 左右），常發(fā)現(xiàn)距背面4～10mm 深度范圍內(nèi)的熔合線附近有不同長(zhǎng)度連續(xù)的超標(biāo)反射波（圖6）。

圖6 中厚板對(duì)接焊縫超聲波探傷

對(duì)于這種反射波，按照常規(guī)的判斷很容易被評(píng)定為未熔合或母材中的缺陷。當(dāng)拍打背面焊縫區(qū)時(shí)波幅變化不明顯，然而砂輪打磨背面焊縫時(shí)可見波幅逐漸降低直至消失，這說(shuō)明該反射波是來(lái)自于背縫的焊縫表面。此種現(xiàn)象極易導(dǎo)至誤判，造成不應(yīng)該的返修。

3 焊縫余高干擾回波的判斷

假回波的反射面在焊縫表面，深度指示遠(yuǎn)小于板厚，其原因是儀器的指示均根據(jù)軸線聲束的聲程計(jì)算而來(lái)，但聲束是會(huì)擴(kuò)散的，若反射面只有利于擴(kuò)散角內(nèi)某部分聲束反射時(shí)，其所得回波再用軸線聲束計(jì)算，顯然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

如圖7所示對(duì)比試塊，以63°探頭前移為例進(jìn)行分析。當(dāng)入射點(diǎn)在M時(shí)，探頭的軸線聲束與反射面垂直，回波最高，此時(shí)聲程為BM＝131.1mm，深度BF＝59.56mm，水平距離FM＝116.8mm。探頭前移到L時(shí)（波幅下降一半），軸線聲束移為CL，在φ3mm 孔上已無(wú)反射面，所以此時(shí)的回波不是軸線聲束反射，而是下擴(kuò)散角內(nèi)某聲束AL（與φ3 mm孔反射面垂直）的反射回波。此時(shí)儀器的指示聲程是AL的真實(shí)聲程（113.5mm），但其深度與水平距離則需要計(jì)算：AL的折射角β＝arccos60°／（113.5＋1.5）＝58.55°，實(shí)際深度AE＝cos58.55°×113.5＝59.22mm，實(shí) 際 水 平 距 離EL＝sin58.55°×113.5＝96.83mm。上述計(jì)算結(jié)果顯然與儀器的指示深度和水平距離是不同的，儀器指示的數(shù)據(jù)是按已無(wú)反射條件的軸線聲束計(jì)算的，所以是錯(cuò)誤的，其指示深度比A點(diǎn)的實(shí)際深度提高了7.7mm，水平距離前移了4.3mm。換言之，即是把A點(diǎn)的反射波誤指示為沒有反射的C點(diǎn)。

圖7 RB2對(duì)比試塊

同樣道理，在圖8 所示焊縫探傷時(shí)，若A點(diǎn)處焊縫表面不利于軸線聲束反射，而只與下擴(kuò)散角范圍內(nèi)某部分聲束相垂直時(shí)，則得到較高的回波，其儀器提供的深度和水平距離卻錯(cuò)誤地被指示為C點(diǎn)。

實(shí)際上無(wú)論探頭角度多大，這種擴(kuò)散聲束在焊縫表面引起的假缺陷回波現(xiàn)象都有可能存在，主要決定于有效反射面的大小、方向、形狀和光潔度等。如為了和變型波加以區(qū)別，把該波稱為變角回波更為直觀。焊縫中的這種回波并非缺陷回波，是探頭下擴(kuò)散角內(nèi)的某一聲束在焊縫表面反射的回波。

圖8 底部余高焊縫超聲探傷

4 小結(jié)

焊縫探傷的變角回波以及余高干擾波，無(wú)論斜探頭角度多大，都有可能存在，是否出現(xiàn)及其反射能量強(qiáng)弱主要取決于有效反射面的大小、方向、形狀和光潔度等。凡遇到此類按常規(guī)定位方法定位于熔合線附近或母材內(nèi)的回波，須認(rèn)真地觀察焊縫外形、更換探頭角度、雙面雙側(cè)檢測(cè)、精確定位分析，必要時(shí)打磨焊縫等，以避免造成誤判。