自动焊对接焊缝超声波探伤中变形波的识别doc

1、自动焊对接焊缝超声波探伤中变形波的识别山东省无损检测学会学术交流年会论文目前工业探伤中所采用的A型扫描超声波探伤仪，是利用脉冲反射法进行探伤的，完全依靠观察、分析荧光屏上的反射波形来判断有无缺陷的。荧光屏上的反射波讯号，有的是缺陷反射讯号，有的则不是，因此，正确判别真假缺陷讯号，是正确判定焊缝质量，防止误判的重要环节。对接焊缝中假缺陷反射讯号种类很多，如：仪器和探头造成的假讯号、焊缝表面沟槽引起的假讯号、焊缝上下错位引起的假讯号、焊缝焊角反射引起的假讯号、表面波反射引起的假讯号等等。这些假缺陷讯号，在一些资料中已有精辟论述。在这里仅就我们在实践中遇到的一种特殊的假缺陷反射波“自动焊对接焊缝超声

2、波探伤中的变形波”的实例、产生的原因、规律及判别方法，谈谈个人的看法。一、变形波实例自动焊对接焊缝变形波，在探伤实践中我们发现了它，但很长一段时间没有能够认识和判别它，当时称其为“奇怪的反射讯号”。1977年4月在齐鲁一化新制造的转化废热锅炉探伤时，发现第四条环焊缝上有三处反射，如图1所示。图1 1977年制造的转化废热锅炉反射讯号示意图（当时推测的路径）根据一般的定位方法，推测反射面的位置应在焊缝热影响区边缘，缺陷应在钢板表面下1011mm处。二、综合探伤与试验这是一种什么缺陷呢，我们先后用K2、K3斜探头、20直探头，对以上三个反射波处，从两面、两侧进行了探测。两种斜探头探测结果基本一致，

3、都是从焊缝左侧探很强烈，从右侧探测没有任何反射。又采用X射线多方向透射，没有发现任何异常，无法证实此处有缺陷。后来对其中一处，用碳弧气刨刨开，作了磁粉探伤，也没有发现任何异常。补焊后再进行超声波探测，反射波同原先一样。将一处焊缝磨平后，此种反射波即消失，证明此处没有缺陷。最后只好打上钢印，记录下来备查。（此设备1982年1月8日换了下来，此处焊缝没有出现问题。）1977年4月8日，检测齐鲁一化浓氨水储槽时，又发现这种反射波。见图2。1979年10月5日，检测齐鲁一化水气车间锅炉气包时，又两次出现了这种反射波，尤其是1#锅炉下气包，所探全部焊缝都有这种反射波。见图3。图2 浓氨水储槽反射讯号示意

4、图 图3 1#锅炉下气包反射讯号示意图以上三次检测发现的反射波现象，都发生在自动焊对接焊缝区。1983年淄博客车厂，在探测液化石油气槽车自动焊对接焊缝时，也发现了这种变形波反射。据了解胜利炼油厂也曾多次发现这种变形波反射。三、变形波产生的原因经分析和研究，发现这种波形是焊缝表面形状引起的变形纵波反射。由超声波的性质可知，当超声波束倾斜传播，遇到异形界面时，在反射和折射过程中，都可能产生变形波。但是，为什么在焊缝探伤中，一般情况下荧光屏上不出现变形纵波反射讯号呢？这可从超声波在焊缝中传播的路径得到解释。由反射定律可求得：变形定律反射角：L=arc sin(CL/Cs×sins)（1）横

5、 波 入 射 角：s= arc sin(Cs/CL×sinL)（2）因为纵波声速约为横波的两倍，可知变形纵波反射角将大大地大于横波入射角。我们所用探头的角度，是在第一临界角和第二临界角之间，计算可知此时变形纵波，将沿工件表面传播或超出工件表面，所以一般情况下，荧光屏上不会出现变形纵波反射讯号。但在特殊情况下，尤其是在成形很有规律的自动焊对接焊缝中，有时就会出现变形纵波。观察自动焊焊缝表面成型，大致有以下几种形式。如图4所示。 <1> 平缓圆弧形（小区率） <2> 棱角形表面（如2M16二段冷却分析器）<3>突陡圆弧形（大曲率） <4>类

6、半圆形表面图4 自动焊焊缝表面的几种成型形式在这几种成型的焊缝中，都不会象在平板中那样，按原来的折射角进行传播，而要改变传播方向。到达焊缝弧面后，反射角度将变小，并随弧面曲率变化而变化，当反射角小到一定程度时，变形纵波将在焊缝或板材内传播，便有可能返回探头，显示到荧光屏上。让我们来分析一下图4中几种焊缝表面成形，找出超声波束在其中传播的规律。图中L表示纵波波束， S表示横波波束，s表示横波入射角，L表示变形纵波反射角。s表示横波反射角。首先，让我们来看看第<1>种焊缝成形，这种焊缝成形是比较理想的，由于焊缝表面平缓，超声波束入射后反射角改变很小，变形纵波不会出现在工件中，也就不会在

7、荧光屏上出现变形纵波反射讯号。第<2>种焊缝成形，表面呈棱角状，与入射波束有较好的垂直性，其中大部分能量被反射回探头。（这是一种特殊情形，其检测方法与判别将在另外的文章中讨论）。焊缝表面与工件表面呈一定的角度，横波声束到达其表面后，有可能产生变形纵波，但这种变形纵波只能在工件中向前传播，不能返回被探头接受，所以荧光屏上不会出现变形纵波反射讯号。第<3>种焊缝成形，表面余高很大，呈圆弧形。入射波位置不同，波束传播规律也不相同。图中表示的是两种极限位置的传播规律，其是探头推到最前沿的传播规律，其是一次波束能达到的最后位置。从图中分析可以看出，在这种焊缝中会出现变形纵波，但由

8、于圆弧形焊缝的反射规律，变形波不会被探头接受，所以荧光屏上也不会出现变形波讯号。最后，让我们来分析第<4>种焊缝成形，这种焊缝边缘陡直，表面又比较平缓，类似半个椭圆形，其断面外形很像压力容器碟形封头的剖面。焊缝与母材交界处呈一小圆弧形，当入射横波达到小圆弧面时，便有变形纵波产生，变形纵波可以到达焊缝上表面反射回来，被探头接受显示在荧光屏上。因为纵波声速约等于横波声速的两倍，在相同的时间里，纵波所走的路程也约等于横波所走路程的两倍。因为荧光屏水平扫描线的比例是按横波声束调节的，所以变形纵波的回波在荧光屏上显示的数字，不是它走的真实路程，而仅等于它的1/2。在这里所谓的纵波路程，仅指变

9、形纵波在焊缝中走的路程。返回探头是经焊缝下表面，再次变为横波而被接受的。若变形纵波所走路程以表示，工件厚度用表示，则，这段路程显示在荧光屏上仅为1/2。如果按原横波入射方向的三角关系推算（这是错误的！），就会误认为反射面所在的位置，是在焊缝热影响区之内（当时所推测的缺陷位置），如图24所示。四、产生变形纵波反射的临界条件通过以上分析可知，只有当焊缝剖面呈边缘陡直，表面较平缓的半椭圆形时，才可能出现变形纵波反射讯号。当变形纵波接近垂直于焊缝上表面时，反射回探头的能量较大，就出现变形纵波反射。参见图5。图5 纵波变形波反射条件示意图由反射定律可知：sinL:sinS=CL:CS<3>又

10、从图5中可知=L+S 则L=S从<3>式可知：sin（S）：sinS= CL:CS<4>根据三角函数的“和差公式”：sin（S）= sincosScossinS<5><4>式可为：（sincosScossinS）/sinS= CL/CS<6>又根据三角函数关系：ctgS= cosS/ sinS<7><6>式可为：sinctgScos= CL/CS <8>ctgS=（CL/CS+ cos）÷sinS=arc ctg(CL/CS+ cos) ÷sin <9>在中厚工件（=

11、1240mm）探伤中，常选用K的探头，K探头折射角。，代入<9>式计算可得S。即当选用K探头探伤时，如果能满足S。或稍大、稍小于。时，变形纵波便垂直于（或接近垂直于）焊缝表面，此时变形纵波产生强烈的反射，荧光屏上将出现变形纵波讯号。所以S。是产生这种变形纵波的临界角度。此时焊缝的焊角处表面小圆弧的圆心位置，可按以下方法求得。在中，OC。+S。Ltg（。+S）（）（）tg（。+S）<>式中E可近似地看作是焊缝宽度，可近似地看作是焊缝表面小圆弧的圆心到焊缝表面的距离。当选用K探头时，。此时小圆弧半径为：（。+S）。在中厚焊缝中，常采用型坡口，此时（工件厚度）。可以看出，当小圆弧的圆心处于焊缝中部附近，或略靠上、略靠下时，亦即小圆弧的半径在068076倍工件厚度时，就可能出现变形纵波反射。此值即产生这种变形纵波的临界半径。小结、从以上事例和分析不难看出，焊缝中此种变形纵波反射，常出现在自动焊缝中，其焊缝表面形状为表面较平缓，焊角处呈一小圆弧形。当自动焊中出现类似图中反射波时，要注意观察分析焊缝表面