焊缝余高对超声波探伤的影响

徐生东，戴敬东，张鹏林

（1.中石油第二建设公司，兰州 730060；2.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730030）

焊缝余高干扰波在超声探伤中是比较常见的干扰信号，特别是在双面自动焊焊缝和表面经过修磨处理过的手工焊焊缝中更为常见。探伤中余高干扰波出现在示波屏上一次波之后的二次波探伤区域内，与缺陷的二次回波非常相似，如果不能正确识别，会造成误检或漏检。事实上，余高干扰波规律性很强，并不难识别，其不仅不会对探伤工作带来影响，相反还可以利用它来正确地识别缺陷信号，提高探伤准确率。

1 余高干扰波产生原理

如图1所示，当声波入射到焊缝下表面余高上时会产生波型转换，转换成反射横波S′和反射纵波L′，也称为变型横波和变型纵波。沿余高表面从A～C之间的点，声波的入射角各不相同，因此各点反射横波和反射纵波的传播方向也不同。反射横波和反射纵波传到上表面，又在上表面余高上反射，部分沿原路径返回被探头接收。

图1 余高干扰波的产生示意图

图2为焊角波和干扰波示意图，其中焊角波A、反射纵波L及反射横波S有时同时出现，有时只出现A 波和S波，有时甚至只出现三个波中的一个，这完全取决于焊缝不同处的形状。随着探头的前后移动，A，L 和S波也随之前后移动。移动过程中，视觉误差范围内，三个波之间的间距保持不变，且幅度变化是一致的。焊缝局部还有可能出现横波干扰波的多次反射波。下文将对不同形状余高产生的干扰波逐一分析，并给出解决方法。

图2 焊角波干扰波示意图

2 余高干扰波分析

2.1 余高过高

焊缝余高过高时会出现顶部盲区。采用斜探头一次波进行焊缝单面探伤时（图3），克服顶部盲区的方法是采用小前沿、大K值的探头。采用斜探头一次反射波进行焊缝单面探伤时（图4），克服顶部盲区的办法是减小探头角度。

2.2 余高过宽

焊缝余高过宽时会出现焊缝中部盲区，克服中部盲区的办法是增大探头角度和减小探头前沿长度（图5）。

图5 余高过宽斜探头一次波焊缝双面探伤

2.3 中厚板对接焊缝余高

中厚板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。如在厚板焊缝中（T＝50mm 左右），常发现距背面4～10mm 深度范围内的熔合线附近有不同长度连续的超标反射波（图6）。

图6 中厚板对接焊缝超声波探伤

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。

3 焊缝余高干扰回波的判断

假回波的反射面在焊缝表面，深度指示远小于板厚，其原因是仪器的指示均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。

如图7所示对比试块，以63°探头前移为例进行分析。当入射点在M时，探头的轴线声束与反射面垂直，回波最高，此时声程为BM＝131.1mm，深度BF＝59.56mm，水平距离FM＝116.8mm。探头前移到L时（波幅下降一半），轴线声束移为CL，在φ3mm 孔上已无反射面，所以此时的回波不是轴线声束反射，而是下扩散角内某声束AL（与φ3 mm孔反射面垂直）的反射回波。此时仪器的指示声程是AL的真实声程（113.5mm），但其深度与水平距离则需要计算：AL的折射角β＝arccos60°／（113.5＋1.5）＝58.55°，实际深度AE＝cos58.55°×113.5＝59.22mm，实 际 水 平 距 离EL＝sin58.55°×113.5＝96.83mm。上述计算结果显然与仪器的指示深度和水平距离是不同的，仪器指示的数据是按已无反射条件的轴线声束计算的，所以是错误的，其指示深度比A点的实际深度提高了7.7mm，水平距离前移了4.3mm。换言之，即是把A点的反射波误指示为没有反射的C点。

图7 RB2对比试块

同样道理，在图8 所示焊缝探伤时，若A点处焊缝表面不利于轴线声束反射，而只与下扩散角范围内某部分声束相垂直时，则得到较高的回波，其仪器提供的深度和水平距离却错误地被指示为C点。

实际上无论探头角度多大，这种扩散声束在焊缝表面引起的假缺陷回波现象都有可能存在，主要决定于有效反射面的大小、方向、形状和光洁度等。如为了和变型波加以区别，把该波称为变角回波更为直观。焊缝中的这种回波并非缺陷回波，是探头下扩散角内的某一声束在焊缝表面反射的回波。

图8 底部余高焊缝超声探伤

4 小结

焊缝探伤的变角回波以及余高干扰波，无论斜探头角度多大，都有可能存在，是否出现及其反射能量强弱主要取决于有效反射面的大小、方向、形状和光洁度等。凡遇到此类按常规定位方法定位于熔合线附近或母材内的回波，须认真地观察焊缝外形、更换探头角度、双面双侧检测、精确定位分析，必要时打磨焊缝等，以避免造成误判。