焊縫超聲波檢測中雙峰信號辨識研究

凌禮恭，魏鵬

(1 環境保護部核與輻射安全中心，北京100088;2 核工業工程研究設計有限公司，北京101300)

在焊縫超聲波檢測過程中，經常會遇到各種與教科書上典型缺陷信號不同的信號顯示，例如雙峰顯示。甚至在用標準試塊進行系統標定的過程中也會出現雙峰信號的現象。由于經驗的缺乏，以及對雙峰顯示產生原因認識不足，往往給檢測人員帶來困惑甚至誤判，帶來不必要的損失。本文通過經驗總結和理論分析相結合的方法對焊縫超聲波檢測中較常見且容易給判斷帶來疑惑的雙峰顯示信號進行探討，有利于在探傷過程中正確識別缺陷，提高探傷的可靠性和精準度。

1 波型轉換與雙峰信號的辨識

當斜探頭靜止在某個掃查位置時，超聲波檢測儀屏幕上出現兩個明顯間隔開的波峰，此類型信號產生原因多為界面處波型轉換產生不同傳播速度的波，導致聲波傳播時間產生差異形成的。焊縫探傷一般采用橫波或者縱波斜探頭，超聲波在工件入射點和工件中反射面(聲束與反射面非垂直)上都會發生波型轉換。

1.1 縱波斜探頭波形轉換形成雙峰

縱波斜探頭發出的縱波到達工件表面入射點時，發生波型轉換，透過界面進入工件的既有縱波也有橫波。使用該探頭探測半徑為r 的鋼制試塊弧面，移動探頭調整波幅達到最高時，超聲檢測儀屏幕上會出現間隔雙峰，該雙峰中水平刻度值較小的為縱波L1 產生的信號，水平刻度值較大的為橫波S1 產生的信號，且水平刻度比值約為1 ∶1.83，如圖1所示。當縱波探頭探測鋼制工件焊縫時，在工件中反射面(聲束與反射面非垂直)處還會再次發生波形轉換，L1 可能會轉換成L2 和S2，S1 會轉換成S3 或者L3 和S3。由于L1 與S1 角度相差較大，一般S1、L1 不會同時打到同一個反射體(當反射體很大時例外，此時最多可能出現四個峰)。因此當出現雙峰時屏幕上顯示的雙峰往往是L2 和S2 或者L3 和S3 產生的，但其水平刻度比值不同，分別為1 ∶1.4，1 ∶1.3。

圖1 縱波斜探頭入射圓弧面時形成的雙峰顯示

1.2 橫波斜探頭波形轉換形成雙峰

橫波探頭斜鍥角度一般處在第一臨界角和第二臨界角之間，因此橫波斜探頭發出的縱波到達工件表面入射點時，發生波型轉換，透過界面進入工件的只有橫波S1。橫波探頭入射半徑為r 的弧面不會形成雙峰。但當橫波探頭探測鋼制工件焊縫時，在工件中反射面(聲束與反射面非垂直)處會發生波形轉換，由S1 轉換成L2 和S2，因此當出現雙峰時屏幕上顯示的雙峰往往是L2 和S2 產生的，水平刻度比值約為1 ∶1.3。

1.3 特例

當雙峰由端角反射回波產生時，1.1，1.2 節有關反射面處的波形轉換分析不適用。此時應按端角反射的波形轉換進行分析。

2 反射體空間形態及位置與雙峰信號的辨識

下文中焊接工件厚度為a，寬度為b，長度為c;三維坐標系Z 軸方向為厚度方向，Y 軸方向為寬度方向，X 軸方向為長度方向;斜探頭參數為K。

2.1 X 向相鄰Y，Z 向相同雙峰信號辨識

探頭置于相鄰X 向位置(或者平行于X 軸方向移動探頭時)時在屏幕同一水平刻度出現兩次峰值，在相鄰位置之間同一水平刻度處幅度較低。這時需記下出現雙峰之間的這一段位置處每一點的幅值，作出如圖2所示的幅值包絡線，若包絡線波谷的幅值(建議取平均值)遠大于噪聲水平(或者大于峰值的一半)，則雙峰對應的反射體為沿X 向同一連續反射體的可能性較大，如圖2所示。原因是:該雙峰及其之間的反射體雖然處在同一深度和Y 向位置，但是由于反射體相對于聲束方向取向不同、界面反射條件不同(阻抗差異、表面粗糙度差異等)，因此反射聲壓不同，造成信號似乎中斷的假象。由于缺陷的存在，即使雙峰間對應反射體處在不利的反射條件下，依然產生了對應的回波。

如果雙峰間的波谷幅值(建議取均值)與噪聲水平相當或者相差不大，則此雙峰對應的反射體為兩個獨立反射體的可能性較大。

圖2 X 向相鄰Y，Z 向相同雙峰信號包絡線及反射體X 向分布

2.2 X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號辨識

在焊縫的掃查過程中我們經常會遇到如圖3所示雙峰的情況，即在同一探頭位置出現了兩個較高的波峰信號。經過簡單的分析我們可以得知該雙峰對應反射體X 向位置相同，Y 向、Z 向相鄰。此時可以通過調節增益(增益型儀器)或者衰減(衰減型儀器)，增加雙峰的幅值直到能看見雙峰間的波谷，如圖4所示。若雙峰間的波谷幅值遠大于噪聲水平(或者大于峰值的一半)，則此雙峰對應的反射體為類似于如圖5的同一連續反射體可能性較大;如果雙峰間的波谷幅值(建議取均值)與噪聲水平相當或者相差不大，則此雙峰對應的反射體為兩個獨立反射體的可能性較大。

圖3 X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號及聲束路徑

2.3 X 向、Y 向、Z 向均相鄰雙峰信號辨識

對于某些經過簡單計算發現雙峰對應的反射體在X 向、Y 向、Z 向均相鄰的情況。首先應標記好出現雙峰時探頭的位置W1，W2。然后按照如圖6所示掃查方式1 或2 再次進行掃查。

圖4 X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號間波谷

圖5 能產生X 向相同Y，Z 向相鄰雙峰信號的單一連續反射體

當按方式1 進行掃查時，同一X 向位置只需記錄最大值幅值，做各點幅值的包絡曲線，按4.1 中所述方法測量兩波峰之間的波谷包絡線幅值。如果包絡線波谷的幅值(建議取平均值)遠大于噪聲水平(或者大于峰值的一半)，則雙峰對應的反射體為三維空間延伸的同一連續反射體的可能性較大。原因是:該雙峰及其之間的反射體處在不同空間位置，導致三維坐標不同，由于各處反射體相對于聲束方向取向不同、界面反射條件不同(阻抗差異、表面粗糙度差異等)，因此反射聲壓差異較大，造成信號似乎中斷的假象。由于缺陷的的存在，雖然雙峰間的對應反射體處在不利的反射條件下，依然產生了對應的回波顯示。如果雙峰間的波谷幅值(建議取均值)與噪聲水平相當或者相差不大，則此雙峰對應的反射體為兩個獨立反射體的可能性較大。

當按方式2 進行掃查時，記錄方格中各點對應反射體的(X，Y，Z)坐標以及反射聲壓幅值。處理方法有兩種:方法一、利用matalab，orange 等數值處理軟件做出三維坐標以及反射聲壓的四維圖形，以峰值一半的反射聲壓或者遠大于噪聲水平的聲壓最為聲壓顯示閾值。通過觀察遠大于本底噪聲的幅值點在空間上是否連續來判斷是否為同一缺陷。方法二、對不同方格進行編碼，然后利用能生成B，C，D 視圖的分析軟件對反射體所在空間的切片圖逐張進行觀察，以此判斷反射體是否連續，當然如果用能生成B、C、D 視圖的自動掃查系統直接復檢則更為簡便，分析判斷方法相同。

總體而言，按方式1 進行掃查和分析工作量相對較小，但可信度較方式2 稍差些。因此方式1 適合現場條件有限的純手工操作和計算分析;方式2 適合于自動掃查結合計算機軟件分析。

圖6 X 向、Y 向、Z 向均相鄰反射體分布及掃查方式

2.4 特例

上述用包絡線判斷的方法存在一個不足就是，存在由于反射條件極差而導致的包絡線波谷很低的情況，此時會將一個反射體誤判為兩個。一般對于判斷為一個反射體的情況，還應該結合雙峰之間的相鄰位置的遠近來考慮，較近的趨向于判為一個反射體。

有些超聲檢查系統由于探頭與超聲儀的組合性能較差，在對規則反射體例如長橫孔進行掃查時，就會出現波形尖端分叉即雙峰的現象。首先，這種情況可以在探頭及儀器校核或者系統標定過程中及時發現。其次，這種情況雙峰間的波谷較窄，并且幅度較大。最重要的是:這種情況下探頭的移動對雙峰的出現一般沒有影響，探頭位置無論如何移動，雙峰同時出現或者同時消失。因此超聲檢查系統本身造成的雙峰是比較好判斷的。此種系統嚴格意義上不適合于進行工業探傷。

3 界面位置雙峰信號辨識

如果雙峰中有一個剛好在水平刻度Ka，2Ka 附近，則該峰值信號可能是由界面缺欠、不規整等情況引起的，可先判斷其是否為界面偽缺陷，如果是則雙峰問題變成單峰問題;如果不是則按上述1，2 節方法進行分析。

4 總結

以上第1，2，3 節辨識方法，為焊縫超聲波檢測中可能出現的不同種類雙峰信號的判定提供了思路和推論。如需完全確認缺陷的真偽建議結合其它無損檢測手段(例如射線檢測)進行分析或者采取破壞性檢驗方法直接觀察。

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2008.