焊縫余高引起的一種超聲檢測(cè)回波信號(hào)的正確辨識(shí)

藍(lán)冬梅, 李功開, 王攀濤, 張志剛

(帕博檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司, 珠海 519050)

焊接接頭超聲檢測(cè)常用橫波脈沖反射法檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)工件中存在缺陷時(shí)，缺陷與工件基體之間存在聲學(xué)性能差異，當(dāng)超聲波傳播到該界面時(shí)，可形成反射回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)反射回波信號(hào)的處理和分析從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)。但在檢測(cè)儀的示波屏上不僅僅會(huì)出現(xiàn)缺陷的反射回波信號(hào)，還會(huì)存在變形波、結(jié)構(gòu)反射波等非缺陷的回波信號(hào)。應(yīng)對(duì)檢測(cè)儀示波屏上有效檢測(cè)范圍內(nèi)的回波信號(hào)加以正確辨識(shí)，才能得出正確的檢測(cè)結(jié)論。通常情況下，結(jié)構(gòu)反射波如變形波、焊縫余高等非缺陷回波信號(hào)出現(xiàn)在一次波的聲程以外，此時(shí)易于正確辨識(shí)；而若非缺陷回波信號(hào)出現(xiàn)在直射波的聲程(一次波)以內(nèi)，則相對(duì)難以正確辨識(shí)。在焊縫超聲檢測(cè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一種回波，其超聲定位在焊縫邊緣上,超聲一次波發(fā)現(xiàn),有些檢測(cè)人員將這類回波信號(hào)作為判斷缺陷信號(hào),可能會(huì)引起誤判。筆者以實(shí)際工作中遇到的此情況為例，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)對(duì)該類回波信號(hào)的正確辨識(shí)。

1 試驗(yàn)材料

被檢工件為鋼管對(duì)接環(huán)焊縫，牌號(hào)為Q390-Z15,鋼管規(guī)格為φ1 500 mm×38.5 mm。因鋼管壁厚較大、鋼級(jí)較高，為確保焊接接頭力學(xué)性能良好，焊接工藝采用多層多道雙面埋弧焊，焊接坡口為內(nèi)外對(duì)稱的X形坡口，坡口形狀及尺寸如圖1所示。

圖1 焊接坡口形狀及尺寸示意圖Fig.1 Diagram of shape and size of welding groove

因?qū)嶋H采用的焊接參數(shù)欠佳，焊后焊縫表面過(guò)渡不圓滑，且焊趾處夾角θ較大，如圖2所示。

圖2 焊縫示意圖Fig.2 Diagram of weld seam

2 超聲檢測(cè)結(jié)果

超聲檢測(cè)使用折射角為60°的橫波斜探頭對(duì)焊縫進(jìn)行單面雙側(cè)掃查。超聲檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)一反射回波信號(hào)(如圖3所示)，該反射回波信號(hào)幾乎存在于整條焊縫中，回波信號(hào)為一次波發(fā)現(xiàn)。僅當(dāng)探頭放置在焊縫對(duì)側(cè)掃查時(shí)可發(fā)現(xiàn)該反射回波信號(hào)，探頭放置在焊縫同側(cè)掃查時(shí)無(wú)該反射回波信號(hào)。該反射回波信號(hào)深度顯示為34.9 mm；簡(jiǎn)化水平位置(已減去前沿長(zhǎng)度13 mm)顯示為47.5 mm，定位后實(shí)際位置在距焊縫邊緣約5 mm處(在母材上)；聲程顯示約為69.9 mm。

圖3 可疑的反射回波信號(hào)示意圖Fig.3 Diagram of suspicious reflected echo signal

3 可疑的反射回波信號(hào)產(chǎn)生原因及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 產(chǎn)生原因的理論分析與推斷

焊縫超聲檢測(cè)通常使用橫波斜探頭的脈沖反射法，超聲聲束斜入射至焊縫，遇到不連續(xù)異質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射[1]。超聲檢測(cè)儀接收超聲回波信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后，在顯示屏上顯示出來(lái)。在橫波斜探頭的超聲場(chǎng)中能量主要集中在主聲束(如圖4所示)，所以超聲檢測(cè)利用主聲束進(jìn)行檢測(cè)。通常人為統(tǒng)一規(guī)定采用主聲束軸線對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行定位，即當(dāng)回波信號(hào)達(dá)到最高時(shí)，視為反射點(diǎn)處于主聲束軸線上。檢測(cè)人員可從超聲檢測(cè)儀上直接得到回波信號(hào)的聲程，超聲檢測(cè)儀根據(jù)預(yù)先設(shè)定的探頭角度、聲速和接受回波的聲程計(jì)算回波信號(hào)的水平、深度，從而推斷信號(hào)回波位置。

圖4 橫波斜探頭的聲場(chǎng)模擬示意圖Fig.4 Diagram of sound field simulation oftransverse wave oblique probe

圖5 主聲束上聲程均為R的點(diǎn)示意圖Fig.5 Diagram of the points on main sound beam where thesound range is all R

初步推斷該可疑的反射回波信號(hào)因環(huán)焊縫的內(nèi)焊趾處夾角θ較大，且主聲束中非軸線上的點(diǎn)與該處內(nèi)焊趾附近的余高面更為垂直而產(chǎn)生了該回波信號(hào)。采用計(jì)算機(jī)輔助制圖軟件(CAD)以1…1比例繪制聲路圖，并進(jìn)行分析，聲路分析圖如圖6所示。圖6中A點(diǎn)即為以主聲束軸線對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行定位的定位點(diǎn)。設(shè)定內(nèi)焊趾為反射點(diǎn)，連接入射點(diǎn)和內(nèi)焊趾，此時(shí)折射角為56.3°，聲程為69.3 mm。該聲程數(shù)值接近于回波信號(hào)的聲程69.9 mm。其偏差產(chǎn)生的原因應(yīng)為主聲束軸線與實(shí)際聲束線之間入射點(diǎn)的偏差以及在斜楔內(nèi)聲程的偏差?？梢猿醪脚袛嘣摽梢傻姆瓷浠夭ㄐ盘?hào)為內(nèi)焊縫焊趾附近余高面的反射回波。

圖6 聲路分析圖Fig.6 Sound path analysis diagram

3.2 相控陣超聲檢測(cè)進(jìn)一步分析

為進(jìn)一步確定回波位置，對(duì)有類似回波信號(hào)的焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)。在超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)中，針對(duì)超聲相控陣探頭中的各壓電晶片陣元施加具有不同延時(shí)的激勵(lì)脈沖，可使各陣元發(fā)出的聲波在空間某處疊加合成、聚焦、偏轉(zhuǎn)[2]。掃描聲束是聚焦的[3]，聚焦聲束有較高信噪比和能進(jìn)行更精確的缺陷定位。GB/T 32563-2016《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》中對(duì)聚焦設(shè)置的要求為在對(duì)缺陷進(jìn)行精確的定量時(shí)，或?qū)μ囟▍^(qū)域檢測(cè)需要更高的靈敏度和分辨力時(shí)，可將焦點(diǎn)設(shè)置在該區(qū)域。根據(jù)該文3.1節(jié)的理論分析和推斷，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的要求，在相控陣檢測(cè)時(shí)，將焦點(diǎn)設(shè)置在距檢測(cè)面深度38.5 mm處。因回波信號(hào)為一次波發(fā)現(xiàn)，為避免圖像分析時(shí)產(chǎn)生偏差，將內(nèi)焊縫余高設(shè)置為0 mm。采用手動(dòng)掃查，找到A掃回波最高點(diǎn)，對(duì)應(yīng)A掃仿真圖如圖7所示，可見反射回波最強(qiáng)位置在內(nèi)焊縫焊趾部位。利用相控陣分析軟件，在信號(hào)幅度最大的位置測(cè)量出A掃線的角度為56°，與前文理論分析和推斷的超聲檢測(cè)分析得出的56.3°基本一致。進(jìn)一步驗(yàn)證了該可疑的反射回波信號(hào)為內(nèi)焊縫焊趾附近余高面的反射回波。

圖7 相控陣檢測(cè)的A掃圖Fig.7 A-sweep diagram for phased array detection

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證分析的結(jié)論，對(duì)可疑的反射回波信號(hào)反射部位所對(duì)應(yīng)內(nèi)焊縫余高進(jìn)行局部修磨，修磨初，超聲檢測(cè)回波幅度變化并不明顯，當(dāng)修磨接近焊趾時(shí)，回波幅度變化較大，當(dāng)修磨焊縫余高與母材平齊且光滑過(guò)渡時(shí)(如圖8所示)，回波信號(hào)消失。圖9為修磨后焊趾處夾角θ與對(duì)應(yīng)的超聲檢測(cè)回波幅度示意圖，表明上述推斷和驗(yàn)證結(jié)論正確。

圖8 修磨后的焊縫圖Fig.8 Weld seam diagram after grinding

圖9 修磨后的A 掃回波幅度Fig.9 Echo amplitude of A-sweep after resharpening

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析及驗(yàn)證，確定了該反射回波為非主聲束軸線入射到內(nèi)焊縫焊角上的反射回波，而非缺陷回波。目前，使用A型脈沖超聲檢測(cè)儀只能提供缺陷的時(shí)間和幅度兩方面信息。在檢測(cè)過(guò)程判定缺陷信息量少的情況下，發(fā)現(xiàn)可疑缺陷后，應(yīng)首先對(duì)回波信息進(jìn)行正確定位，不能確認(rèn)是焊縫缺陷的情況下，可利用CAD等作圖軟件，對(duì)超聲檢測(cè)的聲束路徑進(jìn)行分析，辨別超聲檢測(cè)回波信號(hào)的真正反射面，從而對(duì)超聲檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。在焊縫超聲檢測(cè)中，不但要求探傷人員具備熟練的超聲波探傷技術(shù)，還要求探傷人員了解有關(guān)的焊接基本知識(shí)，如焊接接頭形式、焊縫坡口形式、焊接方法和焊接缺陷等。在日常的檢測(cè)過(guò)程還應(yīng)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，如遇到難以辨識(shí)的回波類型，應(yīng)使用CAD等軟件作圖輔助分析，或結(jié)合其他檢測(cè)方法來(lái)對(duì)回波信號(hào)正確辨識(shí)，進(jìn)而確保檢測(cè)結(jié)論的正確性。