大板梁超声检测中异常波形的分析研究

杜晓刚，黄纯德，高义斌

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

大板梁超声检测中异常波形的分析研究

杜晓刚，黄纯德，高义斌

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

针对某钢结构制造厂的大板梁在超声波检测时，有3个波峰同时出现，与山形波类似但又有所不同的问题，分析了引起此波形异常的原因，得出了通过改变探头K值，可以使变形纵波的幅值改变的结论，为今后超声检测中相似波形的辨识提供了理论依据。

大板梁；横波入射角；变形纵波

0 引言

山形波是焊缝超声检测中较常见的一种非缺陷回波，由于在显示屏上往往会同时出现3个波形，且中间高两边低，类似于山的形状，故此命名为山形波，山形波往往是由入射的横波在焊缝与空气界面处产生的变形波和反射回波所组成，产生的变形波有的为纵波反射波[1]，有的则是表面波[2]，且常在“X”或“U”形坡口中出现。在板材、压力管道的焊接工艺中，当其母材厚度较厚时，为了保证能将其焊透，坡口往往会制成“X”或“U”形，因此在板材、压力管道的焊缝检测中往往能检测到山形波。到某钢结构制造厂进行大板梁检验，在对其腹板的超声检测中发现，显示屏上常常会同时出现3个波，与山形波不同的是，3个波的波峰强度依次递减，并不是中间高两头低，且在对接焊缝的检测中连续出现。鉴于与以往常见的山形波有所不同，为了能对其产生的原因有深入的理解，在今后的检测中更好地对此波形进行辨别，因此有必要专门对其进行深入的研究。

1 检测准备工作

1.1 仪器设备

检测仪器：所用的超声设备为中科汉威HS611e形、水平性和垂直性较好的可记录A形数字超声仪。所用探头为汕头超声电子有限公司生产的单晶横波斜探头，频率为2.5 MHz,晶片尺寸为8×12mm，K值为2，透声楔块耦合面为平面。检测所用耦合剂为超声波专用耦合剂，所用试块为CSK-IA、CSK-ⅢA型，检测灵敏度为Ф1×6-9 dB。

1.2 焊缝结构形式

根据厂家所提供的技术资料，所检大板梁的腹板厚度为30 mm，材质为Q345R，其拼接缝采用埋弧自动焊双面焊接。焊丝：H10Mn2、直径为5.0 mm、焊剂HJ350。焊缝处所开坡口形式为X形。图1为该对接焊缝的结构示意图。

图1 腹板对接焊缝结构示意图

2 波峰研究分析

2.1 波形静态特征分析

当探头沿锯齿状路线对拼接焊缝进行扫查时，可以在显示屏上看到类似山形波的波形出现，其静态波形示意图如图2所示。可以看到显示屏上同时有3个波峰，依次为波峰1、波峰2、波峰3，且3个波峰的峰值强度依次减弱，可以看出波峰1的波高明显大于波峰2和波峰3，其幅值在定量线以上；波峰2的波高大于波峰3，其幅值接近于定量线；波峰3的波高最低，幅值在定量线之下。此外，根据现场数字超声仪记录的数据，波峰1的声程距离为70.1 mm、水平距离为46.7 mm、垂直深度为31.3 mm。

图2 腹板对接焊缝超声检测静态波形示意图

2.2 波峰分析

首先对波峰1进行分析，波峰1的幅值最高，且垂直深度为31.3 mm，与腹板的厚度(30 mm)非常接近，由于焊缝余高的存在，超声仪显示的深度距离往往与母材实际厚度会有1～2 mm的偏差，综合考虑幅值与深度距离，可以确认波峰1为焊缝处的底面反射波。

波峰2有多种可能性，既可能是焊缝处的沟槽回波，也可能是缺陷反射波，还可能是变形波，这需要逐一进行排除。自动焊的多道焊常常在焊缝表面形成一道道沟槽，当超声波扫到沟槽时，就会产生沟槽回波。沟槽回波往往在焊缝一边的回波较高，在另一边则回波很低或没有，此次现场检测中，在焊缝的两侧都可以发现波峰2，且幅值大致相当，这与沟槽回波的特点不符，因此基本可以排除沟槽回波的可能。此外，当用蘸油的手指在焊缝表面轻轻敲击时，发现波峰2的幅值会随之变化，因此可以确定波峰2也不是缺陷反射波。综上分析，基本可以确定波峰2为变形波，由于波峰2的位置在波峰1与波峰3之间，因此初步判断波峰2为变形纵波回波。其形成原理如图3所示，当横波S入射到焊缝下表面的钢/空气界面时，如果α0＜33.2°(即第三临界角)时，则横波S在钢/空气界面处的反射波不仅有横波S′，还会有纵波L′。通常横波S′、纵波L′不会被探头所接受到，但如果横波S′、纵波L′恰好垂直入射到焊缝上表面的某些部位时，其反射波则会沿原路径返回，从而被探头所接收到，因此波峰2即是变形纵波L′的反射横波回波。

图3 横波斜入射到焊缝下表面处产生变形波示意图

值得注意的是，波峰2的幅值并不是最高的，而是比波峰1低，这与以前报道的山形波有所不同[2]。在超声检测中，显示屏上的波高与声压成正比，当横波倾斜入射到钢/空气界面时，横波声压反射率与纵波声压反射率会随横波入射角α0的变化而变化[3]，其关系曲线如图4所示。在图4中，可以看出当α0＜20°时，rSS较高，rSl则较低，这与波峰1和波峰2的波高比例正好对应。而当α0＞20°时，rSS较低，rSl则较高，这又正好与常见的山形波所对应。当α0＞33.2°时，横波在钢中发生全反射，此时无变形纵波产生。因此可以认为，与以往常见的山形波不同，波峰2的幅值较低的原因就在于横波入射角α0发生了变化，而且是变小了。对比以往报道的检测条件，可以发现其检测厚度一般在40 mm以上，因此选用的探头K值一般为K1，而此次大板梁检测，由于钢板厚度为30mm，根据NB/T 47013.3—2015[4]的要求，宜选用K2的探头。由于在此次检测中探头K值增大，使得横波入射角α0变小，从而导致rSS、rSl也随之相应变化，因此出现了与以往的山形波有所不同的波形。

波峰3的幅值最低，传播时间最长，由于纵波的传播速度要远远大于横波，可以确定波峰3为反射横波S′的回波。由于横波S′正好垂直入射到焊缝上表面，导致其回波可以沿原路径返回被探头接受。

图4 声压反射率随横波入射角α0变化曲线

3 结论

a)大板梁超声检测中连续出现的3个波峰分别是底面反射回波、变形纵波和横波反射波回波。

b)探头K值的变化会引起横波入射角α0的变化，进而会影响横波声压反射率和纵波声压反射率。当K值增大时，横波入射角α0会变小，横波声压反射率会随之提高，而纵波声压反射率会随之降低。

[1]张志超.焊缝超声检测中变形波的产生机理及其识别[J].无损检测，2002（2）：83-85.

[2]孟永乐，高磊，张红军.关于蒸汽管道对接焊缝超声检测产生“山字波”的研究：金属材料专委会第一届学术年会[C].太原:中国电机工程学会，2015：524-530.

[3]郑晖，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008：134-150.

[4]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.承压设备无损检测：NB/T 47013—2015[S].北京：新华出版社，2015：124-125.

The Analysis of Abnormal Waveform in Large-plate Girder Ultrasonic Inspection

DU Xiaogang,HUANG Chunde,GAO Yibin
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China）

When inspecting a large-plate girder with ultrasonic wave,three peaks appeared simultaneously,which are similar to but different from mountain-type waves.The main reason for the abnormal waves is studied,and it is concluded that changing the sensor's K value could change the amplitude of deformed longitudinal wave,which provides theoretical bases for the recognition of the similar waves in the ultrasonic inspection.

large-plate girder;shear incidence angle;deformed longitudinal wave

TG457.1

A

1671-0320（2017）01-0046-03

2016-07-13，

2016-09-12

杜晓刚（1987），男，山西平遥人，2014年毕业于太原理工大学材料工程专业，工程师，从事金属检测工作；黄纯德（1979），男，天津人，2002年毕业于武汉大学材料科学专业，高级工程师，从事金属检测工作；高义斌（1979），男，山西襄垣人，2005年毕业于太原理工大学材料加工专业，高级工程师，从事金属检测工作。