三次、四次反射波在薄板對接焊縫超聲檢測中的應用

劉衛中 李慶云 陳慧民

(惠州市水利水電工程質量檢測站 516001)

薄板焊縫探傷時由于超聲波近場區、儀器與探頭組合性能、焊縫寬度、探頭前沿和示波屏觀測范圍太小等原因，無法使底波和缺陷波分開，無法精確地檢測出4～8mm薄板焊縫中的缺陷。本文介紹一種采用三次、四次超聲反射波，選用大K值、高頻率、合適晶片尺寸、短前沿的探頭，用聲程2∶1的掃描比例來進行現場檢測的探傷方法。

1 檢測原理

目前薄板焊縫探傷時不采用超聲檢測的主要原因有兩個:?超聲波探頭的一次反射波在薄板下棱角反射時，由于探頭有一定的前沿，使探頭出到棱邊，檢測存在盲區，且主聲速處于近場區內;?當二次底波在上棱角反射時，焊縫自身有一定寬度，探頭移動時，掃查不到整個焊縫，且示波屏有效觀測范圍太小，反射信號雜亂，無法準確精確檢測缺陷位置和大小(見圖1)。

圖1 超聲波反射信號示意圖

當探頭移到三次底波的位置時，有效焊縫檢測區域和聲程也增大，這樣就可以有效規避近場區、焊縫寬度、探頭前沿較長等不利因素帶來的影響，相應的示波屏上有效觀測范圍也增大，此時用三次反射波可以進行探傷。但存在由于底波和缺陷波相連或缺陷方向對檢測不利而導致缺陷漏檢的可能性，且焊縫檢測存在掃查不到的死角，而四次反射波掃查作為補充可有效克服上述問題。

綜上所述，調節掃描時用大比例聲程調節法(如聲程2∶1)將一次和二次波移出示波屏，即二次波對準“零”位，這樣就可以直接用三次和四次反射波進行檢測(見圖2)，從而可以較為準確地檢測到焊縫缺陷。

圖2 大比例聲程調節法示意圖

2 檢測分析

2.1 K值選擇

薄板焊縫一般采用單面焊雙面成形焊接工藝，檢測中較為普遍采用K3探頭，由于此時的入射角為53.3°、折射角為71.56°，采用一次、二次反射波檢測時本身檢測設備示波屏上顯示的始脈沖就較寬，加上底面反射波、端角反射波和根部未焊透等缺陷的反射波集中在示波屏很小的觀測區內，給缺陷的估判帶來很大困難，影響探傷的準確性。

下面以5mm的薄板檢測為例(見圖3)具體闡述利用三次、四次反射波在實踐檢測中的優點。

圖3 薄板檢測示意圖

在三角形 OBA中 OB=T=5mm，∠AOB=β=71.56°，斜邊(即聲程)OA=OB/cosβ =5/cos71.56°=15.6mm，BA=sinβ，OA=sin71.56°×15.6=14.7mm。

采用一次、二次反射波檢測時，由于始脈沖和探傷頭噪聲和儀器組合性能的影響，探傷準確性降低;采用三次、四次波用聲程2∶1檢測時，OA達到31.2mm，這樣就可以增大示波屏的有效觀測范圍，從根本上避免了其不利影響。

2.2 探頭的選用對近場區和半擴散角的影響

a.選用5P13×13K3探頭時，由近場區公式N=［ab/(πλs2)］(cosβ/sina)計算得出進場區長度 N=43.3mm，四次波聲程OA=15.6×4=62.4mm＜3N=129mm(規程規定OA≥3N)，不擴散區長度1.64N=71mm。

此時四次波在不擴散區內，可不考慮半擴散角對檢測的影響。三次波處于進場區內，且四次波聲程遠小于3N，對缺陷檢測不利，不宜采用。

b.選用5P6×6K3探頭時，由近場區公式 N=［ab/(πλs2)］(cosβ/sina)計算得出進場區長度 N=9.2mm，四次波聲程OA=15.6×4=62.4mm＞3N=27.6mm，不擴散區長度=1.64N=15.2mm。

此時四次波聲程遠大于不擴散區長度，須考慮半擴散角對檢測的影響。經計算檢測聲程雖大于3N，但聲速指向性較差，且β2∝90°形成表面波，對缺陷檢測不利，不宜采用。

c.選用5P9×9K3探頭時，由近場區公式 N=［ab/(πλs2)］(cosβ/sina)計算得出進場區長度 N=20.76mm，四次波聲程OA=15.6×4=62.4mm＞3N=62.3mm，不擴散區長度=1.64N=34mm。

此時三次、四次波在不擴散區外，須考慮半擴散角對檢測的影響。

橫波聲場上下半擴散角不對稱，由半擴散角公式計算可知:

計算5P9×9K3半擴散角:

(以上公式中θ上為橫波的上半擴散角;θ下為橫波的下半擴散角;a為入射角;λ為波長;β為折射角;C為波速;f為頻率;CL為縱波波速;Cs為橫波波速。)

半擴散角對超聲波探傷的影響(見圖4)。由公式AB=20/cos63.3°=44.5，X1=tan8.26°× 44.5=6.5mm，BC=20/cos71.56°=63.2，X2=tan15°×63.2=16.9mm，得 X=X1+X2=23.4mm。

圖4 半擴散角對超聲波探傷的影響示意圖

由以上計算和圖4可知半擴散角在四次波時，最大寬度為23.4mm，探頭移動時示波屏上出現一個游動波，游動區域為七格，因為焊縫寬度10mm＜23.4mm，有兩道底面焊角反射波。超聲橫波在底面反射時，一次波因為入射角小于第二臨界角，不會產生表面波。而在二次、三次、四次波時，入射角大于第二臨界角，這時產生表面波。探傷時示波屏上底波前出現一道波。在三次波時影響不大，四次波時影響十分明顯。這時調節一下抑制旋鈕可有效減少表面波的影響(見表1)。

表1 一次、二次波和三次、四波檢測定位偏差對比分析

由對比試驗可以看出，四次波定位偏差最大1mm。薄板探傷中過分要求精確定位是毫無意義的，實際探傷時這個數值對薄板探傷定位的影響很小。

2.3 衰減

選用三次、四次波探傷，橫波在底面發生反射，產生衰減。此時底面反射為大平底面反射，由公式a=(20lgBm/Bn- δ)/2(m-n)，X=0.0875，B1=80%，B5=27%，衰減系數實測得(選用5P20D直探頭，儀器HS—400)

(以上式中:B1為第一次底波的高度;B5為第五次底波的高度;D為探頭直徑;Bm、Bn分別為第m、n次底波的高度;PB1、PB2、PB1、PB4分別為第一、二、三、四底波的聲壓;λ為波長。δ為系數;X為薄板的厚度。)

計算可知超聲波探傷選用三次、四次波探傷時，應充分考慮聲波的衰減，具體衰減值參見上述計算數值。實際檢測中，充分考慮衰減可以提高缺陷檢出率。

2.4 定位偏差

由于半擴散角的影響，用三次、四次波探傷定位時有一個定位偏差，但在實際中影響并不大(見表1)。

3 掃描調節

探5mm的焊縫時，選用5P9×9K3的探頭。調節掃描時將探頭置于試塊上(見圖5)，將一次波和二次波分別調到31.2mm和62.4mm，然后調節脈沖移位旋鈕將波向左平移，將二次波對準零位(見圖2)，此時三次波和四次波分別對準31.2mm和62.4mm，這時聲程為2∶1，掃描調節完畢。

4 靈敏度

將探頭放在加工好的試塊上，根據DL/T 820—2002規定做距離—波幅曲線圖，此時檢測靈敏度不低于DAC-10dB。

圖5 掃描調節示意圖

5 缺陷定位

平板對接焊縫定位采用聲程2∶1掃描調節。

三次波定位:Lf=ns+Cfsinβ/n，d1=Lfcosβ-2T。

四次波定位:Lf2=ns+Cfsinβ/n，d12=Lfcosβ -3T。

(以上式中n為比例數;s為一次波聲程;T為板厚;Lf、Lf2均為水平距離。)

6 實例分析

廣州歌劇院工程主梁采用鋼方通桁架結構型式，為了獲取構件在最不利荷載條件下的受力情況和構件破壞時的各項參數，須進行整品桁架的受力破壞性實驗。現場采用7∶1的比例制作了縮小模型。此工程對焊縫要求較高，施工難度大，縮小后的方通壁厚5mm，傳統檢測方法無法滿足要求。

6.1 采用三次、四次超聲波反射檢測

本次超聲波檢測采用的檢測儀器型號為CTS—26，探頭采用5P9×9K3，前沿為13mm，表面補償為2dB，檢測結果見表2。

表2 超聲波檢測結果一覽表

6.2 采用射線方法檢測

射線檢測采用的檢測儀器型號為XQ—1505，單壁單影，300×80膠片，焦距為600mm，曝光時間為30s，檢測結果見表3。

表3 射線檢測結果一覽表

6.3 現場剖開檢驗

a.S17和S29剖開檢驗與檢測結果一致。

b.S35剖開檢驗，其缺陷長度短1mm。

c.S102剖開檢驗，其條渣長度相同，缺陷深度為2.4mm，相差0.3mm。

通過射線方法復核檢測和現場剖開檢驗進行對比試驗，充分說明采用三次、四次超聲波反射檢測薄板焊縫是切實可行的。

7 結語

實踐證明:采用三次、四次超聲波反射檢測薄板焊縫探傷的方法是比較適用和切實可行的。在實際工作中，由于探頭聲速較寬，引起較多雜波，示波屏有一定盲區，所以在選用三次、四次波進行探傷檢測時，應選用大K值、合適晶片、短前沿、高頻率探頭，才能有效規避各種不利因素，保證缺陷有效檢出。■

1 金燕，朱方鳴.薄板焊縫超聲波探傷探頭的選擇［J］.化學工業與工程技術，2004(2).

2 袁建國.薄板對接焊縫超聲波探傷的可靠性探討［J］.無損檢測，1995(2).

3 張文學.天然氣小管徑對接焊縫超聲波探傷［J］.無損探傷，1995(2).