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(jié)檢測中心） 翟保民 朱國綱
摘要：對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。通過采用不同角度探頭進(jìn)行探傷試驗(yàn)，明確了這種假缺陷回波產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)。
關(guān)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(diào)質(zhì)鋼，焊接時(shí)嚴(yán)格控制熱輸入，均采用多層多道焊。

    在厚板環(huán)縫超聲波探傷(B級)時(shí)，常發(fā)現(xiàn)距背面3～8mm深度范圍內(nèi)的熔合線附近有不同長度連續(xù)的超標(biāo)反射回波，有時(shí)甚至于焊縫全長都有此反射波。以某一60mm厚管節(jié)為例，其焊縫結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，使用數(shù)字式探傷儀(增益型)其回波指示位置見表1，波幅均處在 區(qū)，也有個(gè)別點(diǎn)達(dá)到區(qū)。
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(biāo) 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(diǎn)算起。


圖1　焊縫結(jié)構(gòu)形成

    對于這種反射波，按照常規(guī)的判斷很容易被評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，這說明該反射波是來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。為此，我們進(jìn)行了一些試驗(yàn)，分析此種反射波產(chǎn)生的原因。

2 試驗(yàn)

    試驗(yàn)1：選取與工件相同的鋼板（60mm）并經(jīng)探傷確認(rèn)該鋼板中無缺陷。在鋼板背面模仿實(shí)際焊縫余高進(jìn)行堆焊（見圖2）。采用不同角度探頭進(jìn)行探傷，發(fā)現(xiàn)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(guī)，應(yīng)判為鋼板中有缺陷，但實(shí)際鋼板堆焊前經(jīng)探傷并無缺陷 。

表2　試驗(yàn)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(qū)（也有高者）


圖2　試驗(yàn)1示意圖

    試驗(yàn)2：由于試驗(yàn)1的焊縫表面形狀有隨機(jī)性，所以又制作了準(zhǔn)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(jié)果見表 3。從表3中可以看出，用前三???探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(yàn)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(yàn)2示意圖
　　 上述兩個(gè)試驗(yàn)可看出，用66 °、 63 °及 55.5 °探頭探傷時(shí)，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(kuò)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(dāng)使用45 °探頭時(shí)，由于試驗(yàn) 2的45 °斜面與軸線聲束接近垂直，所以有較強(qiáng)的軸線聲束反射波（ DAC－8dB），指示深度也大于60mm；而試驗(yàn)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(qū)），儀器指示深度也是大于 60mm。

    試驗(yàn)3：上述兩個(gè)試驗(yàn)都是用一次波對厚板進(jìn)行探傷的試驗(yàn)，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(jié)環(huán)縫進(jìn)行了試驗(yàn)（見圖4）。經(jīng)測試，這種產(chǎn)生于焊縫趾部（如圖4A點(diǎn)附近）的假缺陷回波，用一、二次波掃查都能發(fā)現(xiàn)（圖4的探頭D和B位置），表4為二次波掃查時(shí)的指示位置。焊縫趾部附近經(jīng)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(qū)

圖4　試驗(yàn)3示意圖
其中：①A′B相當(dāng)于下擴(kuò)散聲束的某部分至實(shí)際反射點(diǎn)的聲程。

　　 ②為A′B實(shí)際聲程轉(zhuǎn)換到聲束軸線上的聲程（C′B=A′B）。

　　通過試驗(yàn)測試可見回波有如下特點(diǎn)：

　　①探傷儀的回波聲程指示是入射點(diǎn)到焊縫表面反射點(diǎn)的距離；

　　②探傷儀的回波指示位置在工件內(nèi)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(guān)；

　　 ⑥打磨余高回波幅度變小直到消失。

3 分析

　　 通過上述試驗(yàn)證實(shí)了假回波的反射面在焊縫表面，但為什么深度指示會遠(yuǎn)小于板厚而不是大于板厚？其原因是儀器的指示，均是根據(jù)軸線聲束的聲程計(jì)算而來，但聲束是會擴(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，顯然會出現(xiàn)錯(cuò)誤。我們可以借助于RB2對比試塊進(jìn)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(dòng)和向后移動(dòng)探頭，移動(dòng)時(shí)波幅將逐漸降低，前移、后移到波幅降到一半時(shí)（DAC+6dB）進(jìn)行討論，此時(shí)的儀器指示見表5。

表5　軸線聲束和擴(kuò)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(xiàn)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（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(shí)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(shí)（波幅下降一半），軸線聲束移為CL，此時(shí)在φ3孔上已無反射面，所以此時(shí)的回波不是軸線聲束的反射，而是下擴(kuò)散角內(nèi)某聲束AL（與φ3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(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。如為了和變形波加以區(qū)別，把該波稱為變角回波更為直觀。

4 結(jié)束語

　　 綜上所述，可得出如下結(jié)論：

    ①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 (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(xiàn)及其反射能量強(qiáng)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(xiàn)象越明顯。較薄工件用直射波探傷時(shí)可能不明顯，但用二次以上的波（含二次波）探傷時(shí)也很明顯。

    ④ 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，都應(yīng)慎重對待，需要認(rèn)真地觀察焊縫外形、更換探頭角度、雙面雙側(cè)檢測、**定位分析、必要時(shí)打磨焊縫等，以避免造成誤判