焊縫超聲波探傷中的一種假缺陷回波

                     焊縫超聲波探傷中的一種假缺陷回波
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（中國三峽總公司金結檢測中心） 翟保民 朱國綱
摘要：對接焊縫超聲波探傷時，探頭下擴散聲束在焊縫表面的反射回波，很容易被誤判為缺陷。通過采用不同角度探頭進行探傷試驗，明確了這種假缺陷回波產生的原因及特點。
關鍵詞：焊接； 超聲波探傷； 缺陷回波

1 問題的提出

　 　三峽工程引水壓力鋼管直徑為12.4m，由厚度為28～60mm鋼板卷制焊接而成。下平段鋼板材料為600MPa級調質鋼，焊接時嚴格控制熱輸入，均采用多層多道焊。

    在厚板環縫超聲波探傷(B級)時，常發現距背面3～8mm深度范圍內的熔合線附近有不同長度連續的超標反射回波，有時甚至于焊縫全長都有此反射波。以某一60mm厚管節為例，其焊縫結構形式如圖1所示，使用數字式探傷儀(增益型)其回波指示位置見表1，波幅均處在 區，也有個別點達到區。
表1　探傷儀回波指示位置 β=60° 回波編號 聲程指示 水平指標 深度指示 1 107 92.6 53.5 2 104 89.2 51.5 3 103.5 89.2 51.5
　注：β－探頭折射角；水平指示是從入射點算起。


圖1　焊縫結構形成

    對于這種反射波，按照常規的判斷很容易被評定為未熔合或母材中的缺陷，當拍打背面焊縫區時波幅變化不明顯，然而砂輪打磨背面焊縫時可見波幅逐漸降低直至消失，這說明該反射波是來自于背縫的焊縫表面。此種現象極易導至誤判，造成不應該的返修。為此，我們進行了一些試驗，分析此種反射波產生的原因。

2 試驗

    試驗1：選取與工件相同的鋼板（60mm）并經探傷確認該鋼板中無缺陷。在鋼板背面模仿實際焊縫余高進行堆焊（見圖2）。采用不同角度探頭進行探傷，發現了類似的回波，其回波指示位置見表2。從表2可見，用前三種折射角的探頭，儀器指示深度均小于60mm。按常規，應判為鋼板中有缺陷，但實際鋼板堆焊前經探傷并無缺陷 。

表2　試驗1回波指示位置 β 聲程指示 水平指示 深度指示 DAC（dB） 66° 126.6 115.1 51.25 +14 63° 124.7 111.1 56.6 +13.2 55.5° 101.0 83.2 55.21 +8 45° 有回波的地方深度指示≥60mm回波幅度多在I區（也有高者）


圖2　試驗1示意圖

    試驗2：由于試驗1的焊縫表面形狀有隨機性，所以又制作了準確形狀的對比試塊（見圖3），其下面約40 °斜面為刨床加工。測試結果見表 3。從表3中可以看出，用前三種???頭探測對比試塊同樣存在假缺陷波，即儀器指示深度均小于60mm，而且反射回波幅度更高。
表3　試驗2回波指示位置 β 聲程指示 水平指示 深度指示 DAC（dB） 66° 114.0 104.1 46.37 +1.4 63° 110.3 98.33 50.11 -3.4 55.5° 98.0 80.76 55.51 -9.3 45° 85.61 60.53 60.54 -8


圖3　試驗2示意圖
　　 上述兩個試驗可看出，用66 °、 63 °及 55.5 °探頭探傷時，圖 2下部焊縫表面及圖3的45 斜面均不利于軸線聲束反射，故看不到軸線聲束的反射波，看到的是擴散聲束的回波。所以雖然反射面深度大于 60mm，而儀器指示深度卻反而小于60mm。但當使用45 °探頭時，由于試驗 2的45 °斜面與軸線聲束接近垂直，所以有較強的軸線聲束反射波（ DAC－8dB），指示深度也大于60mm；而試驗1的焊縫表面反射條件不如45 °斜面，但仍能得到軸線聲束的反射回波，只是相對 45° 斜面其回波能量較低（多在區），儀器指示深度也是大于 60mm。

    試驗3：上述兩個試驗都是用一次波對厚板進行探傷的試驗，為了考察中厚板是否存在此假缺陷回波，又選擇了厚度為34mm的管節環縫進行了試驗（見圖4）。經測試，這種產生于焊縫趾部（如圖4A點附近）的假缺陷回波，用一、二次波掃查都能發現（圖4的探頭D和B位置），表4為二次波掃查時的指示位置。焊縫趾部附近經打磨后，該回波消失。



表4　34mm厚板二次波的指示位置 探頭k值 聲程指示 水平指示 深度指示 DAC（dB） 2 131.9 118.0 59.09 II區

圖4　試驗3示意圖
其中：①A′B相當于下擴散聲束的某部分至實際反射點的聲程。

　　 ②為A′B實際聲程轉換到聲束軸線上的聲程（C′B=A′B）。

　　通過試驗測試可見回波有如下特點：

　　①探傷儀的回波聲程指示是入射點到焊縫表面反射點的距離；

　　②探傷儀的回波指示位置在工件內部焊縫熔合線附近（ 45 °探頭除外）；

　　③探頭折射角越大，回波深度指示越小；

　　④45 °折射角探頭儀器的深度指示位置等于或大于板厚；

　　 ⑤回波幅度與反射面的反射條件有關；

　　 ⑥打磨余高回波幅度變小直到消失。

3 分析

　　 通過上述試驗證實了假回波的反射面在焊縫表面，但為什么深度指示會遠小于板厚而不是大于板厚？其原因是儀器的指示，均是根據軸線聲束的聲程計算而來，但聲束是會擴散的，若反射面只有利于擴散角內某部分聲束反射時，其所得回波再用軸線聲束計算，顯然會出現錯誤。我們可以借助于RB2對比試塊進一步說明。用三種探頭分別找到試塊中60 mm深橫通孔的反射*高波，然后向前移動和向后移動探頭，移動時波幅將逐漸降低，前移、后移到波幅降到一半時（DAC+6dB）進行討論，此時的儀器指示見表5。

表5　軸線聲束和擴散聲束反射回波的指示位置　 β 探頭位置 聲程指示 水平指示 深度指示 DAC（dB） 回波*高處 146.0 133.3 59.38 0 66° 前移 119.0 108.7 48.4 +6 后移 168.0 153.4 68.33 +6 回波*高處 131.1 116.8 59.56 0 63° 前移 113.5 101.1 51.53 +6 后移 152.7 136.1 69.36 +6 回波*高處 105.0 86.53 59.47 0 56.1° 前移 94.0 77.46 53.24 +6 后移 119.0 987.07 67.4 +6

　　現以63 °探頭前移為例進行分析，當入射點在 M時，探頭的軸線聲束（63 °）與反射面垂直，回波*高，儀器的指示位置見表 5和圖5，此時聲程為圖5中的BM=131.1mm，深度BF=59.56mm，水平距離FM=116.8mm。探頭前移到L時（波幅下降一半），軸線聲束移為CL，此時在φ3孔上已無反射面，所以此時的回波不是軸線聲束的反射，而是下擴散角內某聲束AL（與φ3孔反射面垂直）的反射回波。此時儀器的指示聲程是AL的真實聲程（113.5mm）。但其深度與水平距離則需要計算：AL的折射角β=arcCos60/（113.5+1.5）=58.55 °，實際深度 AE=Cos58.55 ° ×113.5=59.22mm，實際水平距離EL=sin58.55 ° ×113.5=96.83mm。上述計算結果顯然與儀器的指示深度和水平距離是不同的，儀器指示的數據是按已無反射條件的軸線聲束計算的，所以是錯誤的，其指示深度比A點的實際深度提高了7.7mm，水平距離前移了4.3mm。換言之，即是把A點的反射波誤指示為沒有反射的C點。


圖5　RB2對比度塊


圖6　60mm厚度焊縫探傷圖

　　 同樣道理，在圖6所示焊縫探傷時，若A點處焊縫表面不利于軸線聲束反射而只與下擴散角范圍內某部分聲束相垂直時，則得到較高的回波，其儀器提供的深度和水平距離卻錯誤地被指示為C點。

　　實際上無論探頭角度多大，這種擴散聲束在焊縫表面引起的假缺陷回波現象都有可能存在，主要決定于有效反射面的大小、方向、形狀和光潔度等。如為了和變形波加以區別，把該波稱為變角回波更為直觀。

4 結束語

　　 綜上所述，可得出如下結論：

    ①焊縫中的這種回波并非缺陷回波，是探頭下擴散角內的某一聲束在焊縫表面反射的回波 (變角回波)。

    ②焊縫探傷的變角回波無論斜探頭角度多大，都有可能存在，但究竟是否出現及其反射能量強弱主要決定于有效反射面的大小、方向、形狀和光潔度等。

    ③工件厚度越大、探頭角度越大，則變角回波的現象越明顯。較薄工件用直射波探傷時可能不明顯，但用二次以上的波（含二次波）探傷時也很明顯。

    ④ 凡遇到此類按常規定位方法定位于熔合線附近或母材內的回波，都應慎重對待，需要認真地觀察焊縫外形、更換探頭角度、雙面雙側檢測、**定位分析、必要時打磨焊縫等，以避免造成誤判