焊縫超聲波探傷中的一種假缺陷回波摘要：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(chǎn)生的原因及特點。
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600MP調(diào)質(zhì)鋼，焊接時嚴格控制熱輸入，均采用多層多道焊。
在厚板環(huán)縫超聲波探傷(B級)時，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(jié)為例，其焊縫結構形式如圖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)，也有個別點達到區(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 | 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。 |
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圖1 焊縫結構形成
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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，當拍打背面焊縫區(qū)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(xiàn)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(chǎn)生的原因。
2 試驗
試驗1：選取與工件相同的鋼板（60mm）并經(jīng)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(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)，應判為鋼板中有缺陷，但實際鋼板堆焊前經(jīng)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(qū)（也有高者） |
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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 |
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圖3 試驗2示意圖
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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(qū)），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(jié)環(huán)縫進行了試驗（見圖4）。經(jīng)測試，這種產(chǎn)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(fā)現(xiàn)（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(jīng)打磨后，該回波消失。
表4 34mm厚板二次波的指示位置
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| 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) |
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圖4 試驗3示意圖
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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(zhuǎn)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：
?、偬絺麅x的回波聲程指示是入射點到焊縫表面反射點的距離；
?、谔絺麅x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）；
?、厶筋^折射角越大，回波深度指示越??；
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；
?、薮蚰ビ喔呋夭ǚ茸冃≈钡较?。
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(jù)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(nèi)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(xiàn)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60mm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 |
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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(nèi)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(shù)據(jù)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
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圖6 60mm厚度焊縫探傷圖
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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(nèi)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(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(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(guī)定位方法定位于熔合線附近或母材內(nèi)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(cè)檢測、**定位分析、必要時打磨焊縫等，以避免造成誤判
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(chǎn)生的原因及特點。
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600MP調(diào)質(zhì)鋼，焊接時嚴格控制熱輸入，均采用多層多道焊。
在厚板環(huán)縫超聲波探傷(B級)時，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(jié)為例，其焊縫結構形式如圖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)，也有個別點達到區(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 | 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。 |
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圖1 焊縫結構形成
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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，當拍打背面焊縫區(qū)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(xiàn)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(chǎn)生的原因。
2 試驗
試驗1：選取與工件相同的鋼板（60mm）并經(jīng)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(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)，應判為鋼板中有缺陷，但實際鋼板堆焊前經(jīng)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(qū)（也有高者） |
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圖2 試驗1示意圖
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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 |
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圖3 試驗2示意圖
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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(qū)），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(jié)環(huán)縫進行了試驗（見圖4）。經(jīng)測試，這種產(chǎn)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(fā)現(xiàn)（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(jīng)打磨后，該回波消失。
表4 34mm厚板二次波的指示位置
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| 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) |
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圖4 試驗3示意圖
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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。
?、跒锳′B實際聲程轉(zhuǎn)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；
?、谔絺麅x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）；
?、厶筋^折射角越大，回波深度指示越??；
?、?5°折射角探頭儀器的深度指示位置等于或大于板厚；
?、莼夭ǚ扰c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(jù)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(nèi)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(xiàn)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60mm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 |
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β | 探頭位置 | 聲程指示 | 水平指示 | 深度指示 | DAC（dB） |
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| 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 |
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現(xiàn)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(nèi)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(shù)據(jù)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
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圖6 60mm厚度焊縫探傷圖
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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(nèi)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(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(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(guī)定位方法定位于熔合線附近或母材內(nèi)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(cè)檢測、**定位分析、必要時打磨焊縫等，以避免造成誤判。
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