赛鹏 张建磊 邓显余 赵晓华 李港
（哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司 河北 秦皇岛066006）
摘要：在对中厚板对接焊缝超声波探伤时，在焊缝厚度内（即底表面回波之前）会经常出现一个幅度在定量线上下，深度在0.8T左右，水平定位在探头一侧焊缝边缘左右的反射回波，这个回波很容易被误判为缺陷。通过不同的方法进行试验和理论计算，明确了产生这种回波的原因是小角度产生的波型转换，相应伴随产生“山”形波。同时阐明了这种小角度变型波的几种简易鉴别方法。
关键词：中厚焊缝； 超声波探伤；几何形状；波型转换；“山”形波；鉴别方法。
Analysis and Differentiation for a Special Signal Produced in Ultrasonic Inspection of Welds and the Production of the "Mountain" Shaped Echo
Deng xianyu, Sai peng, Wang zuosen, Deng shen, Li gang, Chen weidong
(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Company Limited, in Qinghuangdao, Heibei, 066206)
Abstract: when performing ultrasonic flaw detection to the butt weld of thicker steel plates, there will often be a reflection echo within the weld thickness (ie. before the back-wall echo), the amplitude of which is near to the sizing line, the depth is about 0.8T, and the horizontal location is on the probe side edge of the weld. And the echo can be mistaken for a defect easily. Though experiments with different methods and theoretical calculations, it is confirmed that the reason of the echo is the wave mode transformation with a small angle, and it also comes into the "mountain" shaped echo. Also, this article clarifies several normal differentiation methods for the wave mode transformation with a small angle
Key words: thicker welds, ultrasonic flaw detecting, geometry, wave mode transformation, "mountain" shaped echoes, differentiation method.
一、现象与分析
在对中厚板对接焊缝超声波探伤时，很多探伤人员会经常遇到这样的情况：仪器线性按深度1:1调节，在焊缝的一次底表面波之前或二次波检验时二次底表面波之前，常常会出现一个幅度在定量线上下，深度在0.8T（T-焊缝母材厚度）左右（如图1-1所示），水平定位在探头一侧焊缝边缘左右的反射回波（如图1-2所示）。如果按一般方法判断，这个回波会误判为缺陷反射回波，但很多有经验的探伤人员经过多种方法验证，都会确认是非缺陷反射。笔者曾阅读过多篇论述这种特殊信号的文章，多数文章都把这种特殊信号定性为：一次横波达到焊缝下曲底表面后发生波型转换，转换后的纵波达到焊缝的上曲底表面后，以纵波的形式返回下曲底表面后，再以纵波的形式被探头接收，如图1-3所示。他们的这个论点与超声波检测教科书中描述的波型转换和山形波相关联。
还有一种论点：这个信号是焊缝几何形状与超声波扩散声束的相互作用而产生的回波，结论为“变角波”。这些文章列举了大量的试验方法和试验数据及理论计算来证明他们论点的正确性。
对于上述两种论点，笔者并不认同，主要原因如下：
1）对于上述的第一种论点，该信号的显示深度(0.8T)与其传播距离对应的深度不一致。超声波检验时，只要仪器线性调节准确后，不管是数字机还是模拟机，显示参数都是以回波的传播时间为基准而得出的，显示的位置与声程成正比。在中厚焊缝超声波检验时，仪器线性大都是按深度1:1调节，检验定位相关的声程S、深度H和水平距离L符 合直角三角形的勾股定理，即：H2+L2=S2，如图1-4所示。以45°(K1)探头为例，H=L，S=
≈1.4H，H≈0.7S，钢中的横波声速约为纵波的0.55倍，当声束达到底面时，显示深度H=T，由于声束一去一回显示的深度为1T，所以图1-3所示声束所走的距离对应深度显示 H=去时横波+回时纵波+变型纵波达的一去一回，即H=0.5T+(0.5×0.55)T+(0.7×0.55)T=1.16T（如果再加上焊缝上下余高及变型波达上表面的斜线要大于T，那么总的显示深度约为1.2T），而不是第一种论点所述的0.8T。因此，笔者认为第一种论点描述有误。
2）① 不符合正常反射原理：单晶斜探头检测时，只有与声束轴线垂直或近似垂直的反射面的回波才能被探头接收到，当出现这个信号时，也就是底表面回波接近最大时，如图1-5所示。产生这种波的焊缝背部形状都是曲面的，最高底表面波出现时说明声束轴线中心已进入焊缝背部的曲表面，探头前后移动时，同一底表面的回波只会由浅到深的变化（不同角度的声束分别垂直底面而产生游动现象），而不会产生多个分立的几个回波，除非同时存在几个不同深度的反射面，因为任何探伤仪与探头组合的分辨率都不可能那么高。
② 显示深度与理论计算不符：以2.5MHz/13×13/45°探头为例，由声束在钢中的半扩散角计算公式可得声束在钢中的上半扩散角约等于8.2°，下半扩散角为7.7°。上半扩散角的折射角是变大的，声程会随之增加，传播时间也就加长了，信号显示深度、水平距离及声程也会随之变大。反之下半扩散角的折射角是变小的，声程会减小，传播时间也变短，信号显示深度、水平距离及声程也会随之变小。因线性固定、主声束角度固定，所以0.8T深度显示所对应的声程S2=0.8T×1/cos45°，主声束对应的声程S1=T/ cos45°。又因为我们已假定0.8T显示是变角声束在曲底面的回波，那么主声束和变角声束达到底表面的深度是一致的， cos45°=H/S1，cosθ=H/S2，因此 S1×cos45°= S2×cosθ，得θ=28°。由此可知扩散角不可能那么大。280的边角声束根本就没进入焊缝。如图1-6所示。
基于上述①、②两点可以得出：0.8T的显示绝不是扩散角引起的回波反射。
二、试验和计算分析
既然这个波不是变型纵波达到工件上表面又以纵波的形式被探头接收的，也不是扩散角引起的回波，那么这个波又是怎么来的呢？通过试验和理论计算分析，笔者认为这个0.8T回波是由小角度（横波在曲底面入射角≤2°）波型转换引起的：
1）实验1 笔者在《论超声波纵波垂直入射的波型转换及三角反射波的对错》一文中已充分论述了垂直入射纵波存在着波型转换，这里再次做简单的叙述，供有兴趣者实验：用一个探伤时常用的单晶直探头，任选一个比较大的工件，工件厚度大于2倍的近场长度，并且无缺陷波和迟到波出现。把探头放在工件上，调节线性，保证一次和二次底波同时出现在荧光屏上，再适当增大仪器增益直到显示屏上在一次和二次底波之间出现两个深度约是1.4T和1.8T的波即可，这两个波就是因波型转换而产生的。1.4T的波有一半声程是纵波，另一半声程是横波；1.8T的波全声程都是横波。既然垂直入射纵波能发生波型转换，依据波的波型转换与反射、折射定律可确定，横波垂直入射时必然也会发生波型转换。
2）实验2 大部分探伤者手中都有CSK-IA或ⅡW（笔者用的是CSK-ⅠA）、CSK-ⅢA试块及焊缝检验时常用45°和60°的探头（或K1、K1.5、K2的探头）。先用CSK-ⅢA试块调校仪器线性，模拟机按深度1:1调节线性，数字机调节到深度显示精准即可。先用45°的探头对准CSK-ⅠA试块的R50和R100半圆，前后移动探头，找到半圆曲面的最大回波，按住探头不动，再适当提高仪器的增益直到荧光屏上在深度35、54和70的位置上同时出现三个清晰回波，35为R50的半圆回波，70为R100的半圆回波，深度显示54的回波就是在全部扩散声束都完全垂直R100曲底面时发生的波型转换（为什么全部主、扩散声束都垂直曲底面时还发生波型转换呢？原理详见《论超声波纵波垂直入射的波型转换及“三角反射”波的对错》一文）。深度54的回波就是去时半声程为横波，回波半声程是纵波。同样方法60°探头的回波显示深度为25、39、50，深度39mm的回波就是波型转换的波。
3）理论计算：因为CSK-IA试块的R50、R100是半径，也是主声束的声程S，根据勾股定理可知：45°探头按深度1:1调节时，H=L，S=
≈1.4H，H≈0.7S。R50的深度显示是：0.7×50=35；R100的深度显示是：0.7×100=70。全声程是一去一回显示深度为1T的，所以H=去时横波+回时纵波。即：H=（0.5）T+（0.5×0.55）T=0.775T。（横、纵波声速比是0.55倍）。T=70，H=0.775×70=54.25。与显示完全吻合。
60°探头，深度1:1调节时，1.73H=L；S=2H；H=0.5S。R50的深度显示是：0.5×50=25；R100的深度显示是：0.5×100=50。T=50,H=0.775×50=38.75，与显示完全吻合。两种角度的深度计算结果都与仪器的显示结果相同，这就证明了小角度波型转换是完全成立的。要特别说明的是CSK-IA试块变型波的显示是H=0.775T，焊缝变型波的显示是H≈0.8T，差别是焊缝余高造成的。
三、“山”形波的产生及特点
在《超声检测》（NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材）一书6.5.3第4条“非缺陷的判定”中，关于“山”形波的论述比较简单，也不尽完善，对“山”形波的特点及其判别方法都没有介绍。这里我们就讨论焊缝探伤时可能出现的几种结构信号。
1）如图2-1所示，入射到底曲面斜射横波，发生波型转换，转换角度很小，转换后直接返回探头。幅度与同深度Ø1×6短横孔回波幅度相当，位置在0.8T左右。一般在光滑的曲底面焊缝时出现，焊缝附近有特殊结构时也会出现（上面介绍过的波）。
2）底波：斜射横波在底曲面垂直回波，幅度一般大于判废线，回波位置略大于母材厚度T。
3）如图2-2所示，一些偏离主声束的入射横波到底曲面以某些角度发生波型转换，转换后纵波达到工件上表面后，以很小的角度返回下表面，在以纵波的形式被探头接收（上面介绍过的波）。这个回波幅度与Ø1×6短横孔回波幅度相当，位置1.2T左右。 上面1）、2）、3）所述的0.8T、T、1.2T三个回波，焊缝探伤时会经常出现。如图2-8所示，深度为T的波幅很高，深度0.8T和1.2T的波幅在定量线上下，三个波间距几乎相等，组成非常形象的“山”形波。
1.4T、1.6T、1.8T三个波受焊缝上下几何形状影响很大，同时1.4T、1.6T发生两次波型转换，能量较低探伤时出现的几率不高，并且对探伤判别意义不大，看图很好理解，这里不做详细讨论。
四、0.8T变型波简易辨别方法
1）该变型回波一般只会出现在中厚焊缝，而且是在执行JB/T4730.3-2005标准时。这是因为中厚焊缝的背部声程都是远离近场区的，近场区内声束是由多个峰值组成的，存在着叠加和干涉现象，变型波会被削弱，剩余能量不足，难以在荧光屏上显示。再有就是仪器和探头组合后要有足够的增益（灵敏度），JB/T4730.3-2005（或灵敏度与之相当的标准）当工件厚度≤120mm时的反射体Ø1×6短横孔，扫查灵敏度较高，变型波的能量才会被显示。当厚度＞120mm时的反射体ØD×40长横孔，扫查灵敏度较低（与ASME标准相当），此时变型波很难被显示，即使能出现显示，脉冲幅度也是相当的低，易被检测者忽略。
2）产生变型波的焊缝背部形状或焊缝附近存在着一定的曲面或斜面结构。不管采用的探头折射角度大，只要是主声束与界面能形成垂直和比较小的倾斜夹角，变形回波能被探头接收的，才可能出现变型波显示。所以观察焊缝余高的形状或焊缝附近结构特别重要。
3）当有波出现后，找到最高点，前后移动探头，如果是变型波时，探头的前后移动范围和显示屏上脉冲信号前后游动都较小，如果和同深度的孔比较，连孔的0.5倍都不到。
4）以主声束反射回波T的水平定位，定位位置过焊缝中心线，如图1-2所示。
5）以0.8T变型回波做水平定位时，定位在焊缝探头侧的母材上。另一方向（探头旋转180°）定位在焊缝另一侧的母材上，两者不能重合，如图1-2所示。
6）当0.8T变型回波出现时，绝大部分会同时出现T波和1.2T回波，三者组成“山”形波。
7）当有0.8T变型回波显示时，一般都是整条焊缝都有此波。
8）如果以上7条还不能确定时，可用拍打内焊缝方法确认，必要时打磨平焊缝余高，加以判断。
五、结束语
上述所有的分析与结论都是以模拟机为参考的。数字机的是以把模拟信号经过模-数转换器转换为数字信号的，经过微处理器计算后再显示的，如果是扩散声束反射的回波，可能与模拟机显示结果略有差异，但差别不大，不会影响判断。但是要特别值得注意的是不管是数字机还是模拟机，线性调节的精准至关重要。
因笔者的理论水平有限，试验条件更有限，不能拿出更多的数据证明上述两种结论。同时在上述结论的阐述过程中也可能存在不足和错误，为了我国超声波检验技术的提高和健康发展在此笔者诚挚的欢迎行内专家对以上两种结论提出异议，指出论述中存在的不足和错误，在此提前说句.........谢谢！
参考文献：
[1]:《NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材》
[2]:《无损检测》人员资格考核统编教材
[3]:《无损探伤》备无损检测人员资格考核统编教材》