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焊缝超声波探伤中的一种假缺陷回波
作者：2009/12/26 4:05:25
摘要：对接焊缝超声波探伤时，探头下扩散声束在焊缝表面的反射回波，很容易被误判为缺陷。通过采用不同角度探头进行探伤试验，明确了这种假缺陷回波产生的原因及特点。

1 问题的提出

　　三峡工程引水压力钢管直径为12.4m，由厚度为28～60mm钢板卷制焊接而成。下平段钢板材料为600MPa级调质钢，焊接时严格控制热输入，均采用多层多道焊。

   在厚板环缝超声波探伤(B级)时，常发现距背面3～8mm深度范围内的熔合线附近有不同长度连续的超标反射回波，有时甚至于焊缝全长都有此反射波。以某一60mm厚管节为例，其焊缝结构形式如图1所示，使用数字式探伤仪(增益型)其回波指示位置见表1，波幅均处在区，也有个别点达到区。

表1　探伤仪回波指示位置
 
 
β=60°
 
回波编号
声程指示
水平指标
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－探头折射角；水平指示是从入射点算起。


图1　焊缝结构形成


    对于这种反射波，按照常规的判断很容易被评定为未熔合或母材中的缺陷，当拍打背面焊缝区时波幅变化不明显，然而砂轮打磨背面焊缝时可见波幅逐渐降低直至消失，这说明该反射波是来自于背缝的焊缝表面。此种现象极易导至误判，造成不应该的返修。为此，我们进行了一些试验，分析此种反射波产生的原因。

2 试验

    试验1：选取与工件相同的钢板（60mm）并经探伤确认该钢板中无缺陷。在钢板背面模仿实际焊缝余高进行堆焊（见图2）。采用不同角度探头进行探伤，发现了类似的回波，其回波指示位置见表2。从表2可见，用前三种折射角的探头，仪器指示深度均小于60mm。按常规，应判为钢板中有缺陷，但实际钢板堆焊前经探伤并无缺陷。

表2　试验1回波指示位置
 
β
声程指示
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区（也有高者）
 


图2　试验1示意图


    试验2：由于试验1的焊缝表面形状有随机性，所以又制作了准确形状的对比试块（见图3），其下面约40°斜面为刨床加工。测试结果见表3。从表3中可以看出，用前三种探头探测对比试块同样存在假缺陷波，即仪器指示深度均小于60mm，而且反射回波幅度更高。

表3　试验2回波指示位置
 
β
声程指示
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
 


图3　试验2示意图

　　上述两个试验可看出，用66°、63°及55.5°探头探伤时，图2下部焊缝表面及图3的45斜面均不利于轴线声束反射，故看不到轴线声束的反射波，看到的是扩散声束的回波。所以虽然反射面深度大于60mm，而仪器指示深度却反而小于60mm。但当使用45°探头时，由于试验2的45°斜面与轴线声束接近垂直，所以有较强的轴线声束反射波（DAC－8dB），指示深度也大于60mm；而试验1的焊缝表面反射条件不如45°斜面，但仍能得到轴线声束的反射回波，只是相对45°斜面其回波能量较低（多在区），仪器指示深度也是大于60mm。

   试验3：上述两个试验都是用一次波对厚板进行探伤的试验，为了考察中厚板是否存在此假缺陷回波，又选择了厚度为34mm的管节环缝进行了试验（见图4）。经测试，这种产生于焊缝趾部（如图4A点附近）的假缺陷回波，用一、二次波扫查都能发现（图4的探头D和B位置），表4为二次波扫查时的指示位置。焊缝趾部附近经打磨后，该回波消失。



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

图4　试验3示意图

其中：①A′B相当于下扩散声束的某部分至实际反射点的声程。

　　②为A′B实际声程转换到声束轴线上的声程（C′B=A′B）。

　　通过试验测试可见回波有如下特点：

　　①探伤仪的回波声程指示是入射点到焊缝表面反射点的距离；

　　②探伤仪的回波指示位置在工件内部焊缝熔合线附近（45°探头除外）；

　　③探头折射角越大，回波深度指示越小；

　　④45°折射角探头仪器的深度指示位置等于或大于板厚；

　　⑤回波幅度与反射面的反射条件有关；

　　⑥打磨余高回波幅度变小直到消失。

3 分析

　　通过上述试验证实了假回波的反射面在焊缝表面，但为什么深度指示会远小于板厚而不是大于板厚？其原因是仪器的指示，均是根据轴线声束的声程计算而来，但声束是会扩散的，若反射面只有利于扩散角内某部分声束反射时，其所得回波再用轴线声束计算，显然会出现错误。我们可以借助于RB2对比试块进一步说明。用三种探头分别找到试块中60mm深横通孔的反射最高波，然后向前移动和向后移动探头，移动时波幅将逐渐降低，前移、后移到波幅降到一半时（DAC+6dB）进行讨论，此时的仪器指示见表5。
表5　轴线声束和扩散声束反射回波的指示位置　
 
β
探头位置
声程指示
水平指示
深度指示
DAC（dB）
 
 
回波最高处
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
 
回波最高处
131.1
116.8
59.56
0
63°
前移
113.5
101.1
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