焊縫余高引起的一種超聲檢測回波信號的正確辨識

藍冬梅, 李功開, 王攀濤, 張志剛

(帕博檢測技術(shù)服務有限公司, 珠海 519050)

焊接接頭超聲檢測常用橫波脈沖反射法檢測技術(shù)。當工件中存在缺陷時，缺陷與工件基體之間存在聲學性能差異，當超聲波傳播到該界面時，可形成反射回波信號，通過對反射回波信號的處理和分析從而實現(xiàn)對缺陷的檢測。但在檢測儀的示波屏上不僅僅會出現(xiàn)缺陷的反射回波信號，還會存在變形波、結(jié)構(gòu)反射波等非缺陷的回波信號。應對檢測儀示波屏上有效檢測范圍內(nèi)的回波信號加以正確辨識，才能得出正確的檢測結(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出現(xiàn)在一次波的聲程以外，此時易于正確辨識；而若非缺陷回波信號出現(xiàn)在直射波的聲程(一次波)以內(nèi)，則相對難以正確辨識。在焊縫超聲檢測過程中經(jīng)常會發(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),有些檢測人員將這類回波信號作為判斷缺陷信號,可能會引起誤判。筆者以實際工作中遇到的此情況為例，通過理論分析和試驗驗證實現(xiàn)對該類回波信號的正確辨識。

1 試驗材料

被檢工件為鋼管對接環(huán)焊縫，牌號為Q390-Z15,鋼管規(guī)格為φ1 500 mm×38.5 mm。因鋼管壁厚較大、鋼級較高，為確保焊接接頭力學性能良好，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 超聲檢測結(jié)果

超聲檢測使用折射角為60°的橫波斜探頭對焊縫進行單面雙側(cè)掃查。超聲檢測時發(fā)現(xiàn)一反射回波信號(如圖3所示)，該反射回波信號幾乎存在于整條焊縫中，回波信號為一次波發(fā)現(xiàn)。僅當探頭放置在焊縫對側(cè)掃查時可發(fā)現(xiàn)該反射回波信號，探頭放置在焊縫同側(cè)掃查時無該反射回波信號。該反射回波信號深度顯示為34.9 mm；簡化水平位置(已減去前沿長度13 mm)顯示為47.5 mm，定位后實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示意圖Fig.3 Diagram of suspicious reflected echo signal

3 可疑的反射回波信號產(chǎn)生原因及試驗驗證

3.1 產(chǎn)生原因的理論分析與推斷

焊縫超聲檢測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)界面時產(chǎn)生反射[1]。超聲檢測儀接收超聲回波信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后，在顯示屏上顯示出來。在橫波斜探頭的超聲場中能量主要集中在主聲束(如圖4所示)，所以超聲檢測利用主聲束進行檢測。通常人為統(tǒng)一規(guī)定采用主聲束軸線對回波信號進行定位，即當回波信號達到最高時，視為反射點處于主聲束軸線上。檢測人員可從超聲檢測儀上直接得到回波信號的聲程，超聲檢測儀根據(jù)預先設(shè)定的探頭角度、聲速和接受回波的聲程計算回波信號的水平、深度，從而推斷信號回波位置。

圖4 橫波斜探頭的聲場模擬示意圖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。采用計算機輔助制圖軟件(CAD)以1…1比例繪制聲路圖，并進行分析，聲路分析圖如圖6所示。圖6中A點即為以主聲束軸線對回波信號進行定位的定位點。設(shè)定內(nèi)焊趾為反射點，連接入射點和內(nèi)焊趾，此時折射角為56.3°，聲程為69.3 mm。該聲程數(shù)值接近于回波信號的聲程69.9 mm。其偏差產(chǎn)生的原因應為主聲束軸線與實際聲束線之間入射點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盘枮閮?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 相控陣超聲檢測進一步分析

為進一步確定回波位置，對有類似回波信號的焊縫進行相控陣超聲檢測。在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中，針對超聲相控陣探頭中的各壓電晶片陣元施加具有不同延時的激勵脈沖，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行更精確的缺陷定位。GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》中對聚焦設(shè)置的要求為在對缺陷進行精確的定量時，或?qū)μ囟▍^(qū)域檢測需要更高的靈敏度和分辨力時，可將焦點設(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)合標準的要求，在相控陣檢測時，將焦點設(shè)置在距檢測面深度38.5 mm處。因回波信號為一次波發(fā)現(xiàn)，為避免圖像分析時產(chǎn)生偏差，將內(nèi)焊縫余高設(shè)置為0 mm。采用手動掃查，找到A掃回波最高點，對應A掃仿真圖如圖7所示，可見反射回波最強位置在內(nèi)焊縫焊趾部位。利用相控陣分析軟件，在信號幅度最大的位置測量出A掃線的角度為56°，與前文理論分析和推斷的超聲檢測分析得出的56.3°基本一致。進一步驗證了該可疑的反射回波信號為內(nèi)焊縫焊趾附近余高面的反射回波。

圖7 相控陣檢測的A掃圖Fig.7 A-sweep diagram for phased array detection

3.3 驗證試驗

為驗證分析的結(jié)論，對可疑的反射回波信號反射部位所對應內(nèi)焊縫余高進行局部修磨，修磨初，超聲檢測回波幅度變化并不明顯，當修磨接近焊趾時，回波幅度變化較大，當修磨焊縫余高與母材平齊且光滑過渡時(如圖8所示)，回波信號消失。圖9為修磨后焊趾處夾角θ與對應的超聲檢測回波幅度示意圖，表明上述推斷和驗證結(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型脈沖超聲檢測儀只能提供缺陷的時間和幅度兩方面信息。在檢測過程判定缺陷信息量少的情況下，發(fā)現(xiàn)可疑缺陷后，應首先對回波信息進行正確定位，不能確認是焊縫缺陷的情況下，可利用CAD等作圖軟件，對超聲檢測的聲束路徑進行分析，辨別超聲檢測回波信號的真正反射面，從而對超聲檢測回波信號進行準確判斷。在焊縫超聲檢測中，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，如焊接接頭形式、焊縫坡口形式、焊接方法和焊接缺陷等。在日常的檢測過程還應不斷積累經(jīng)驗，如遇到難以辨識的回波類型，應使用CAD等軟件作圖輔助分析，或結(jié)合其他檢測方法來對回波信號正確辨識，進而確保檢測結(jié)論的正確性。