三次、四次反射波在薄板對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)中的應(yīng)用

劉衛(wèi)中 李慶云 陳慧民

(惠州市水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)站 516001)

薄板焊縫探傷時(shí)由于超聲波近場(chǎng)區(qū)、儀器與探頭組合性能、焊縫寬度、探頭前沿和示波屏觀測(cè)范圍太小等原因，無(wú)法使底波和缺陷波分開(kāi)，無(wú)法精確地檢測(cè)出4～8mm薄板焊縫中的缺陷。本文介紹一種采用三次、四次超聲反射波，選用大K值、高頻率、合適晶片尺寸、短前沿的探頭，用聲程2∶1的掃描比例來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的探傷方法。

1 檢測(cè)原理

目前薄板焊縫探傷時(shí)不采用超聲檢測(cè)的主要原因有兩個(gè):?超聲波探頭的一次反射波在薄板下棱角反射時(shí)，由于探頭有一定的前沿，使探頭出到棱邊，檢測(cè)存在盲區(qū)，且主聲速處于近場(chǎng)區(qū)內(nèi);?當(dāng)二次底波在上棱角反射時(shí)，焊縫自身有一定寬度，探頭移動(dòng)時(shí)，掃查不到整個(gè)焊縫，且示波屏有效觀測(cè)范圍太小，反射信號(hào)雜亂，無(wú)法準(zhǔn)確精確檢測(cè)缺陷位置和大小(見(jiàn)圖1)。

圖1 超聲波反射信號(hào)示意圖

當(dāng)探頭移到三次底波的位置時(shí)，有效焊縫檢測(cè)區(qū)域和聲程也增大，這樣就可以有效規(guī)避近場(chǎng)區(qū)、焊縫寬度、探頭前沿較長(zhǎng)等不利因素帶來(lái)的影響，相應(yīng)的示波屏上有效觀測(cè)范圍也增大，此時(shí)用三次反射波可以進(jìn)行探傷。但存在由于底波和缺陷波相連或缺陷方向?qū)z測(cè)不利而導(dǎo)致缺陷漏檢的可能性，且焊縫檢測(cè)存在掃查不到的死角，而四次反射波掃查作為補(bǔ)充可有效克服上述問(wèn)題。

綜上所述，調(diào)節(jié)掃描時(shí)用大比例聲程調(diào)節(jié)法(如聲程2∶1)將一次和二次波移出示波屏，即二次波對(duì)準(zhǔn)“零”位，這樣就可以直接用三次和四次反射波進(jìn)行檢測(cè)(見(jiàn)圖2)，從而可以較為準(zhǔn)確地檢測(cè)到焊縫缺陷。

圖2 大比例聲程調(diào)節(jié)法示意圖

2 檢測(cè)分析

2.1 K值選擇

薄板焊縫一般采用單面焊雙面成形焊接工藝，檢測(cè)中較為普遍采用K3探頭，由于此時(shí)的入射角為53.3°、折射角為71.56°，采用一次、二次反射波檢測(cè)時(shí)本身檢測(cè)設(shè)備示波屏上顯示的始脈沖就較寬，加上底面反射波、端角反射波和根部未焊透等缺陷的反射波集中在示波屏很小的觀測(cè)區(qū)內(nèi)，給缺陷的估判帶來(lái)很大困難，影響探傷的準(zhǔn)確性。

下面以5mm的薄板檢測(cè)為例(見(jiàn)圖3)具體闡述利用三次、四次反射波在實(shí)踐檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 薄板檢測(cè)示意圖

在三角形 OBA中 OB=T=5mm，∠AOB=β=71.56°，斜邊(即聲程)OA=OB/cosβ =5/cos71.56°=15.6mm，BA=sinβ，OA=sin71.56°×15.6=14.7mm。

采用一次、二次反射波檢測(cè)時(shí)，由于始脈沖和探傷頭噪聲和儀器組合性能的影響，探傷準(zhǔn)確性降低;采用三次、四次波用聲程2∶1檢測(cè)時(shí)，OA達(dá)到31.2mm，這樣就可以增大示波屏的有效觀測(cè)范圍，從根本上避免了其不利影響。

2.2 探頭的選用對(duì)近場(chǎng)區(qū)和半擴(kuò)散角的影響

a.選用5P13×13K3探頭時(shí)，由近場(chǎng)區(qū)公式N=［ab/(πλs2)］(cosβ/sina)計(jì)算得出進(jìn)場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度 N=43.3mm，四次波聲程O(píng)A=15.6×4=62.4mm＜3N=129mm(規(guī)程規(guī)定OA≥3N)，不擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度1.64N=71mm。

此時(shí)四次波在不擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，可不考慮半擴(kuò)散角對(duì)檢測(cè)的影響。三次波處于進(jìn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，且四次波聲程遠(yuǎn)小于3N，對(duì)缺陷檢測(cè)不利，不宜采用。

b.選用5P6×6K3探頭時(shí)，由近場(chǎng)區(qū)公式 N=［ab/(πλs2)］(cosβ/sina)計(jì)算得出進(jìn)場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度 N=9.2mm，四次波聲程O(píng)A=15.6×4=62.4mm＞3N=27.6mm，不擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度=1.64N=15.2mm。

此時(shí)四次波聲程遠(yuǎn)大于不擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度，須考慮半擴(kuò)散角對(duì)檢測(cè)的影響。經(jīng)計(jì)算檢測(cè)聲程雖大于3N，但聲速指向性較差，且β2∝90°形成表面波，對(duì)缺陷檢測(cè)不利，不宜采用。

c.選用5P9×9K3探頭時(shí)，由近場(chǎng)區(qū)公式 N=［ab/(πλs2)］(cosβ/sina)計(jì)算得出進(jìn)場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度 N=20.76mm，四次波聲程O(píng)A=15.6×4=62.4mm＞3N=62.3mm，不擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度=1.64N=34mm。

此時(shí)三次、四次波在不擴(kuò)散區(qū)外，須考慮半擴(kuò)散角對(duì)檢測(cè)的影響。

橫波聲場(chǎng)上下半擴(kuò)散角不對(duì)稱(chēng)，由半擴(kuò)散角公式計(jì)算可知:

計(jì)算5P9×9K3半擴(kuò)散角:

(以上公式中θ上為橫波的上半擴(kuò)散角;θ下為橫波的下半擴(kuò)散角;a為入射角;λ為波長(zhǎng);β為折射角;C為波速;f為頻率;CL為縱波波速;Cs為橫波波速。)

半擴(kuò)散角對(duì)超聲波探傷的影響(見(jiàn)圖4)。由公式AB=20/cos63.3°=44.5，X1=tan8.26°× 44.5=6.5mm，BC=20/cos71.56°=63.2，X2=tan15°×63.2=16.9mm，得 X=X1+X2=23.4mm。

圖4 半擴(kuò)散角對(duì)超聲波探傷的影響示意圖

由以上計(jì)算和圖4可知半擴(kuò)散角在四次波時(shí)，最大寬度為23.4mm，探頭移動(dòng)時(shí)示波屏上出現(xiàn)一個(gè)游動(dòng)波，游動(dòng)區(qū)域?yàn)槠吒?，因?yàn)楹缚p寬度10mm＜23.4mm，有兩道底面焊角反射波。超聲橫波在底面反射時(shí)，一次波因?yàn)槿肷浣切∮诘诙R界角，不會(huì)產(chǎn)生表面波。而在二次、三次、四次波時(shí)，入射角大于第二臨界角，這時(shí)產(chǎn)生表面波。探傷時(shí)示波屏上底波前出現(xiàn)一道波。在三次波時(shí)影響不大，四次波時(shí)影響十分明顯。這時(shí)調(diào)節(jié)一下抑制旋鈕可有效減少表面波的影響(見(jiàn)表1)。

表1 一次、二次波和三次、四波檢測(cè)定位偏差對(duì)比分析

由對(duì)比試驗(yàn)可以看出，四次波定位偏差最大1mm。薄板探傷中過(guò)分要求精確定位是毫無(wú)意義的，實(shí)際探傷時(shí)這個(gè)數(shù)值對(duì)薄板探傷定位的影響很小。

2.3 衰減

選用三次、四次波探傷，橫波在底面發(fā)生反射，產(chǎn)生衰減。此時(shí)底面反射為大平底面反射，由公式a=(20lgBm/Bn- δ)/2(m-n)，X=0.0875，B1=80%，B5=27%，衰減系數(shù)實(shí)測(cè)得(選用5P20D直探頭，儀器HS—400)

(以上式中:B1為第一次底波的高度;B5為第五次底波的高度;D為探頭直徑;Bm、Bn分別為第m、n次底波的高度;PB1、PB2、PB1、PB4分別為第一、二、三、四底波的聲壓;λ為波長(zhǎng)。δ為系數(shù);X為薄板的厚度。)

計(jì)算可知超聲波探傷選用三次、四次波探傷時(shí)，應(yīng)充分考慮聲波的衰減，具體衰減值參見(jiàn)上述計(jì)算數(shù)值。實(shí)際檢測(cè)中，充分考慮衰減可以提高缺陷檢出率。

2.4 定位偏差

由于半擴(kuò)散角的影響，用三次、四次波探傷定位時(shí)有一個(gè)定位偏差，但在實(shí)際中影響并不大(見(jiàn)表1)。

3 掃描調(diào)節(jié)

探5mm的焊縫時(shí)，選用5P9×9K3的探頭。調(diào)節(jié)掃描時(shí)將探頭置于試塊上(見(jiàn)圖5)，將一次波和二次波分別調(diào)到31.2mm和62.4mm，然后調(diào)節(jié)脈沖移位旋鈕將波向左平移，將二次波對(duì)準(zhǔn)零位(見(jiàn)圖2)，此時(shí)三次波和四次波分別對(duì)準(zhǔn)31.2mm和62.4mm，這時(shí)聲程為2∶1，掃描調(diào)節(jié)完畢。

4 靈敏度

將探頭放在加工好的試塊上，根據(jù)DL/T 820—2002規(guī)定做距離—波幅曲線(xiàn)圖，此時(shí)檢測(cè)靈敏度不低于DAC-10dB。

圖5 掃描調(diào)節(jié)示意圖

5 缺陷定位

平板對(duì)接焊縫定位采用聲程2∶1掃描調(diào)節(jié)。

三次波定位:Lf=ns+Cfsinβ/n，d1=Lfcosβ-2T。

四次波定位:Lf2=ns+Cfsinβ/n，d12=Lfcosβ -3T。

(以上式中n為比例數(shù);s為一次波聲程;T為板厚;Lf、Lf2均為水平距離。)

6 實(shí)例分析

廣州歌劇院工程主梁采用鋼方通桁架結(jié)構(gòu)型式，為了獲取構(gòu)件在最不利荷載條件下的受力情況和構(gòu)件破壞時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，須進(jìn)行整品桁架的受力破壞性實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)采用7∶1的比例制作了縮小模型。此工程對(duì)焊縫要求較高，施工難度大，縮小后的方通壁厚5mm，傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法滿(mǎn)足要求。

6.1 采用三次、四次超聲波反射檢測(cè)

本次超聲波檢測(cè)采用的檢測(cè)儀器型號(hào)為CTS—26，探頭采用5P9×9K3，前沿為13mm，表面補(bǔ)償為2dB，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 超聲波檢測(cè)結(jié)果一覽表

6.2 采用射線(xiàn)方法檢測(cè)

射線(xiàn)檢測(cè)采用的檢測(cè)儀器型號(hào)為XQ—1505，單壁單影，300×80膠片，焦距為600mm，曝光時(shí)間為30s，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果一覽表

6.3 現(xiàn)場(chǎng)剖開(kāi)檢驗(yàn)

a.S17和S29剖開(kāi)檢驗(yàn)與檢測(cè)結(jié)果一致。

b.S35剖開(kāi)檢驗(yàn)，其缺陷長(zhǎng)度短1mm。

c.S102剖開(kāi)檢驗(yàn)，其條渣長(zhǎng)度相同，缺陷深度為2.4mm，相差0.3mm。

通過(guò)射線(xiàn)方法復(fù)核檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)剖開(kāi)檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，充分說(shuō)明采用三次、四次超聲波反射檢測(cè)薄板焊縫是切實(shí)可行的。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明:采用三次、四次超聲波反射檢測(cè)薄板焊縫探傷的方法是比較適用和切實(shí)可行的。在實(shí)際工作中，由于探頭聲速較寬，引起較多雜波，示波屏有一定盲區(qū)，所以在選用三次、四次波進(jìn)行探傷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選用大K值、合適晶片、短前沿、高頻率探頭，才能有效規(guī)避各種不利因素，保證缺陷有效檢出?！?/p>

1 金燕，朱方鳴.薄板焊縫超聲波探傷探頭的選擇［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2004(2).

2 袁建國(guó).薄板對(duì)接焊縫超聲波探傷的可靠性探討［J］.無(wú)損檢測(cè)，1995(2).

3 張文學(xué).天然氣小管徑對(duì)接焊縫超聲波探傷［J］.無(wú)損探傷，1995(2).