焊缝超声波检测中非缺陷回波的识别

魏 宁

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

1 非缺陷回波的概念

在焊缝超声波检测中，超声波探伤仪屏幕上除了出现缺陷反射回波以外，还会出现一些其他的反射回波（即非缺陷反射回波）。所谓非缺陷反射回波是指超声波探伤仪屏幕上出现的并非焊缝中的缺陷所造成的反射信号。

2 非缺陷回波的分类及形成原因

焊缝超声检测中的非缺陷发射回波的种类有很多，典型的非缺陷发射回波有焊角反射回波、扩散角回波、结构反射回波以及来自仪器、探头、耦合剂的回波。

2.1 焊角反射回波

在超声波检测中，探头发射的超声波倾斜入射到焊缝根部，由焊缝根部引起的反射回波称为焊角反射回波。焊角反射回波产生的原因是焊角处轮廓法线方向与探头发射超声波主声束方向相同或相近，其中部分声束反射回来被探头接收，在超声波探伤仪屏幕上显示出波形。

在超声波检测中，通常选择的探头类型为横波斜探头，即在探头中的入射角为第Ⅰ临界角与第Ⅱ临界角之间，因为这样才能在工件中产生纯横波。焊角反射波型转换如图1所示。折射的超声横波S在工件中传播，遇到障碍物或反射体时，又可以看成一个新的入射波，当超声横波主声束与焊角轮廓法线方向夹角α小于第Ⅲ临界角时，由于波型转换的原因，在焊角处会存在两种反射波型，一种反射横波S1，一种变型纵波L，分别反射至焊缝上表面的a、b两处位置，由于焊缝上表面的不规则特征，到达a、b两位置的超声波又沿原路径返回到焊缝根部，再次发生波型转换，这样使得两束超声波沿同一角度反射回探头被接收，由于两束超声波的传播速度不同，故导致传输到探头的时间不同，因此会在超声波探伤仪屏幕上显示出两个波峰，因为纵波的传播速度大于横波的传播速度，所以来自纵波分量的反射回波先被探头接收，在超声波探伤仪屏幕上呈现为回波L，横波分量的反射回波后被探头接收，在超声波探伤仪屏幕上呈现为回波S1。

图1 焊角波型换示意图

另外，由于入射波S与焊角轮廓法线所成的夹角α较小，部分声束会直接经焊角处反射回探头并被接收，形成回波S，这样一来，在超声波探伤仪屏幕上出现了S、L、S1三个独立的回波，三个回波构成了一个像“山”字一样的波群，故我们称其为“山形波”。山形波波形图如图2所示。

图2 山形波波形图

2.2 扩散角回波

在研究超声波探伤时会用主声束线对缺陷进行判定，但是超声波并不是一条线，而是具有一定角度的声束，超声波声束模拟图颜色较亮的区域是超声波的主声束区，只有当缺陷位于主声束范围内，才容易被发现。超声波声束模拟图中还可以看到主声束两侧存在一些副瓣声束，但由于副瓣声束能量很低以及介质对超声波的衰减作用，从波源附近开始传播后衰减很快，一般不考虑副瓣波束，因此对于主声束内的缺陷定位一定要格外注意。当存在工件形状及尺寸限制时，主声束线可能无法入射到缺陷上，只是主声束内的其中一条线与缺陷接触，从而反射回探头被接收，导致出现错误的定位及定性。

2.3 结构反射回波

工件的外形结构及几何尺寸也会造成非缺陷回波。在采用横焊位置施焊时，在焊缝表面上常会形成一道道沟槽，当超声波扫查到沟槽时会引起沟槽反射。沟槽反射回波如图3所示。

图3 沟槽反射回波

沟槽反射回波的位置一般出现在一次波和二次波在底面或表面反射点对应声程处或稍后的位置，这种反射回波不是很强烈。自动焊的沟槽大小和深浅比较规则、均匀，因此，自动焊沟槽产生的反射回波容易识别。手工焊的沟槽大小和深浅不规则、不均匀，因此手工焊沟槽产生的反射回波容易和焊缝下半部分的缺陷回波相混淆，难以识别。当焊缝上下错位时也会引起反射回波。板材在坡口加工时上下坡口不对称，或施焊时焊偏等原因，都会造成上下焊缝错位，错位反射回波如图4所示。由于焊缝上下错位，在A侧进行检测时，焊角反射波很像焊缝内的缺陷。当探头从B侧检测时，在一次波前没有反射回波或所测信号的水平位置在焊缝的母材上。

图4 错位反射回波

3 非缺陷回波的识别与验证

3.1 焊角回波的识别

采用K2横波斜探头检测工件厚度T=24 mm的焊缝，所测探头前沿值为L=12 mm，得到深度分别为HS=23.5 mm、HL=31.3 mm、HS1=37.1 mm的山形回波，山形波探伤实例如图5所示。

图5 山波形探伤实例

为了辨别其是否为缺陷波，可以通过计算进行验证，计算过程如下：已知探头角度K=2，超声波到达焊角处之前在工件中的声程为a，波型转换的纵波L和横波S1在工件中传播的声程分别为b和c，焊缝上下余高均为σ=2 mm，纵波声速CL=5900 m/s，横波声速CS=3240 m/s。

焊缝最大厚度：δ=T+σ×2=24+2×2=28 mm,b≈c≈δ

探头折射角度：β=arctanK=arctan2=63.4°

S波理论计算深度值：HS′=a×cos63.4°≈T=24 mm

L波理论计算深度值：HL′=a×cos63.4°+b×（CS/CL）×cos63.4°≈30.8 mm

S1波理论计算深度值：HS1′=a×cos63.4°+c×cos63.4°≈36.5 mm

通过以上计算，由于焊缝余高的不规则性，可以认为理论计算值与实际测量值是符合的，所以对该反射回波可以清楚地判定为非缺陷波。但需要说明的是，因为焊缝余高等因素不同，导致反射回波能量及反射方向有所不同，因此山形波并不总是三个波峰同时出现，有时只会出现其中任意的两个或一个，这取决于焊缝不同位置的曲率。同时各波幅高度也是不断变化的。在探头的前后移动过程中，山形回波也随之移动，但三个回波之间的距离几乎保持不变。

焊角反射回波是超声横波直接入射到根部产生的，可以用手指沾油拍打焊缝表面进行验证，当手指正好按住超声波与工件的反射点时，部分声波在焊缝根部发生了折射，造成能量降低，导致反射声压降低，从而导致超声波探伤仪屏幕上的波幅高度随之降低，因而在屏幕上会看到回波明显的“跳动”现象。也可以在焊缝另一侧进行验证，焊角回波只能在与探头相对一侧才能被检测到，所以我们在交换检测面的时候会发现产生回波的反射位置也随之改变了方向，因此可以清楚地分辨出是缺陷波还是焊角反射回波。由于山形波产生条件的特殊性，如果焊缝中存在缺陷会阻碍超声波传输到焊缝根部，不会产生完好的山形波，由此还可以大致认为当出现山形波时，焊缝成型良好，内部不存在缺陷。

3.2 扩散角回波的识别

工件厚度为T=20 mm，焊缝宽度为W=20 mm，K2探头前沿长度为L0=11 mm。已知OB为主声束线，折射角度为63.4°，我们假设OA与主声束线 OB夹角为5°，探头恰好顶在焊缝根部，无法再向前移动，此时OA入射到焊缝内正中心某一深度处的一反射体，经反射被探头接收，通过仪器计算将缺陷位置显示到超声波探伤仪屏幕上。但是可以清晰地看到，在一次波声程内，主声束线是无法入射到反射体的，所以仪器计算出来的数据是不准确的，存在一定的偏差，而在实际工作中，就很可能因为该偏差导致对缺陷的误判，造成严重后果。扩散声束反射回波如图6所示。

图6 扩散声束反射回波示意图

通过几何关系计算出反射体的真实位置A和仪器上的显示位置B，反射体距离探头入射点的水平距离为LA=L0+W/2=11+10=21 mm，OA线与工件表面所成角度为 90°-63.4°-5°=21.6°。所以反射体深度HA=LA×tan21.6°=21×0.396=8.3 mm，然而仪器由于已经被校准，默认是折射角度为63.4°的主声束线反射回来被接收的，由于传输时间相同的原则。

OB=OA=HA/sin21.6°=8.3/0.368=22.55 mm

HB=OB×cos63.4°=22.55×0.448=10.1 mm

LB=OB×sin63.4°=22.55×0.894=20 mm

通过计算我们看到，当与主声束线夹角仅有5°时，缺陷的水平位置偏离1 mm，深度位置偏离2 mm，然而当工件厚度、探头前沿长度、探头折射角度等变大时，显示位置与真实位置的偏离程度会更大，因此在遇到这种情况时不能完全通过仪器的读数对缺陷进行判断。

3.3 结构反射回波的识别

结构反射回波的反射体来自结构本身，而非焊缝内部的缺陷，所以也可以像识别焊角反射回波那样，用沾油的手指在沟槽处或焊缝与母材过渡位置轻轻敲击，观察回波变化，若回波发生上下跳动，说明该反射回波是来结构于表面。根据回波在超声波探伤仪屏幕上的位置计算出水平距离和垂直距离，那么计算出的位置会和工件焊缝上的沟槽位置相同，长度也相同。另外，还可以用更换探头角度的方法进行验证，山形波和扩散角波都会随探头角度的变化而变化。或是记录检测数据，通过1∶1作图方法进一步验证。

4 结束语

为适应生产发展的需求，当前的科学技术越来越强调断裂力学的重要性，无损检测技术已经在向无损评价以及安全评估的方向发展，因此超声波检测技术对缺陷定性评定方法的可行性与可靠性研究，已经越来越受到人们的关注。因此识别真伪缺陷波是完成对缺陷定性的前提条件，是不容忽视的关键性问题。

[1]郑辉,林树青.超声检测 (第二版)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008.

[2]夏纪真.超声波无损检测技术[M].广州:广东科技出版社,2009.

[3]徐生东,戴敬东,张鹏林.焊缝余高对超声波探伤的影响[J].无损检测,2010(8):649-650+654.

[4]马小峰.焊缝余高对超声波探伤的影响[J].青海电力,2009(3):20-21.