赛　鹏，王佐森，张建磊，邓显余，夏　珊,赵晓华

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司， 秦皇岛 066206)



焊缝根部及近根部垂直面积型缺陷的超声检测

赛鹏，王佐森，张建磊，邓显余，夏珊,赵晓华

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司， 秦皇岛 066206)

超声波检测对接焊缝时，根部缺陷的检出比较困难，而与被检焊缝表面垂直的根部与近根部的面积型缺陷的检出更加困难。依据超声波检测基础理论，并结合多年实践经验，总结出一套根部与近根部的面积型缺陷的评定方法，供业内同行借鉴与参考。

超声波检测；焊缝；面积型缺陷；鉴定方法

随着窄间隙坡口焊缝的增多，与超声检测表面相垂直的面积型缺陷也越来越常见。

而此类面积型缺陷的危害是比较严重的。对其采用射线和超声检测时，缺陷的检出率都不高[1]。能有效检出这种缺陷的超声波TOFD法又易受底波的干扰，焊缝根部及近根部的缺陷检出率也不高[2]。而最有效的串列式检测法受两探头尺寸的限制，因此根部和近根部也是易漏检区[3]。

笔者利用超声A扫的衍射和端角反射原理,总结出一套检出焊缝根部与近根部的垂直面积型缺陷的方法，以供同行参考。

1　标准、仪器、探头的选择

检测标准：NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》、中国能源行业标准，或与此标准接近的中国国家标准、ASME(美国机械工程师工程协会标准)、RCC-M(法国核电标准)等标准均可实行此方法。

仪器：选用满足检测标准规定内容的A型脉冲反射式数字探伤仪。

探头：45°横波斜探头、频率不小于2.5 MHz；探头的灵敏度、分辨率、信噪比参数稳定。

晶片尺寸：依据工件厚度选择13 mm×13 mm，14 mm×16 mm，18 mm×18 mm，20 mm×20 mm等尺寸。

2　仪器线性和检测灵敏度的校准要求

(1) 超声检测焊缝根部时，区分几何信号和缺陷信号的方法主要有两种：深度定位法和水平定位法。仪器的水平线性精准与否对焊缝根部的缺陷判别至关重要[4]，要求仪器调校好后的水平线性偏差要小于最大检测深度的1%。

(2) 超声检测焊缝根部和近根部面积型缺陷时，需要衍射回波能量，所以要求较高的检测灵敏度。采用CSK-ⅢA试块，φ1 mm×6 mm短横孔时，按NB/T 47013.3-2015标准评定灵敏度，即可发现长度5 mm左右的垂直面积型缺陷；采用CSK-ⅡA试块，φ2 mm×40 mm长横孔时，在按NB/T 47013.3-2015标准评定灵敏度的基础上，增益再提高6～10 dB即可。因为两种孔在同深度上，回波幅值相差几dB到十几dB。这是不同探头和不同孔深造成的差异，深度越大差异越大。

3　检测原理和检测结果

焊缝根部存在余高和余高磨平之分。焊缝底部存在余高时，缺陷判别比较复杂。笔者以磨平焊缝为例，介绍四种不同位置缺陷的检测情况。其位置示意及超声波反射路径示意如图1所示。

图1　缺陷位置及各缺陷超声波反射路径示意

图2　各类缺陷模拟波形

(1) 1#缺陷

1#缺陷位于焊缝内表面，为表面开口缺陷，缺陷方向与检测表面垂直，缺陷和底界面上构成直角，形成良好的端角反射条件。

回波显示缺陷位于工件厚度T或略小于厚度T上。回波幅度由缺陷自身大小决定。如图2(a)所示，焊缝两侧回波幅值相差较小，水平定位在同一点，当缺陷自身深度小于4 mm时，如果仪器和探头组合后分辨率不足，缺陷上端点衍射回波与端角回波无法分开；当缺陷自身深度大于或等于4 mm时，端角回波前会有一个微弱的缺陷上端点衍射回波信号，工件厚度T减去缺陷上端点显示深度，就是缺陷自身深度。1#缺陷超声波路径如图1(b)所示。

(2) 2#缺陷

2#缺陷位于焊缝内部，与工件表面有一定距离，缺陷方向与检测表面垂直。但是，探头的晶片具有一定宽度，工件中的声波还具有扩散性，声束在缺陷表面上产生与入射角度相同的波反射到工件底面上，再在底面上以相同的角度反射到检测表面，被接收探头接收，从而形成和端角反射同样效果的反射。2#缺陷超声波路径如图1(c)所示。

如图2(b)所示,焊缝两侧回波幅值相差较小，水平定位在同一点。与1#缺陷表现形式相似，但当衍射回波能与端角回波分开时，衍射回波与端角回波的距离比1#缺陷大。如果缺陷深度距内表面很近，同时缺陷自身高度也较小时，缺陷上端点衍射回波与底面反射无法分开。缺陷深度距内表面较远时，缺陷上端点衍射回波与底面反射完全分开，缺陷上端点的显示深度，就是缺陷埋藏深度，缺陷下端点显示深度减去缺陷上端点显示深度的值就是缺陷自身高度。

特别值得说明的有三点：① 缺陷方向与检测表面并不垂直，但倾斜角度不大时，由于波存在叠加性、干扰性、扩散性的特点，缺陷略微倾斜和垂直所形成的端角效应差别不大；② 此法可发现缺陷下端点距焊缝内表面深度略大于探头晶片高度，不能得出精确数据。测出缺陷深度后，缺陷端点回波与底面反射回波的水平位置并不一致，如果缺陷距焊缝内表面越远，水平距离偏差越大；③ 根部和近根部缺陷所在区域正是串列式检测的漏检区。

(3) 3#缺陷

3#缺陷位于焊缝内表面，为表面开口缺陷，缺陷方向与检测表面倾斜并且有一定角度。

如图2(c)所示，声束在焊缝一侧与缺陷近乎垂直，回波幅值由缺陷自身大小决定；在焊缝另一侧，声波方向与缺陷方向平行，回波幅值较小，两侧回波幅值相差6 dB以上。两侧回波显示深度位于工件厚度T或略小于T上，水平定位在同一点，缺陷上端点衍射回波与端角回波是否分开，由缺陷大小决定，如图1(d)所示。

(4) 4#缺陷

4#缺陷距焊缝内表面有一定距离，缺陷方向与检测表面倾斜，并且有一定角度。

如图2(d)所示,声束在焊缝一侧与缺陷近于垂直，反射回波幅值较大，衍射回波被掩盖在反射回波内，显示深度小于工件厚度。在焊缝另一侧，声波方向与缺陷方向近于平行，回波幅值较小，甚至只有端点衍射回波，两侧回波幅值相差大于6 dB。如果探头向后拉，声波经工件底面反射回缺陷，形成一次垂直反射，回波幅值较大，此时回波显示深度大于工件厚度。两侧水平定位在同一点，如图1(e)所示。

4　检测实例

(1) 实例一

某焊接工艺评定试件，材料508Ⅲ钢，规格为(长×宽×厚)1 000 mm×500 mm×140 mm;焊缝厚度140 mm，双U型窄间隙坡口，埋弧自动焊接；检测标准为ASME；采用GE60数字脉冲反射式超声检测仪。探头频率2.25 MHz,晶片尺寸20 mm×20 mm，角度45°，检测灵敏度φ3 mm×40 mm+14 dB。

扫查时发现两处显示：① 深度140 mm，回波幅值一侧50% DAC+4 dB,另一侧50% DAC+3 dB，两侧水平定位在焊缝一侧的边缘上；② 深度140 mm，回波幅值一侧100% DAC+2 dB,另一侧100% DAC+3 dB，两侧水平定位在焊缝一侧的边缘。

此焊缝射线(直线加速器)底片无影像。

借助磁粉和放大镜检测，发现①显示缺陷长6 mm，②显示缺陷长10 mm,属于轻微的磁痕。

仪器增益再提高10 dB，即φ3 mm×40 mm+24 dB，①和②显示才出现如图2(b)所示的回波，①显示缺陷深度134 mm，②显示缺陷深度133 mm。砂轮打磨解剖缺陷与检测结果相符。

(2) 实例二

某焊接工艺评定试件，材料16MND5钢。规格(长×宽×厚)为1 000 mm×450 mm×120 mm；焊缝厚度120 mm，双U型窄间隙坡口，埋弧自动焊接；检验标准ASME。采用GE60数字脉冲反射式超声检测仪。探头2.25 MHz,晶片尺寸18 mm×18 mm，角度45°，检测灵敏度φ3 mm×40 mm+14 dB。

扫查时发现一处缺陷显示，深度100 mm，回波幅值一侧50% DAC+2 dB,另一侧20% DAC，用一次反射法检测回波幅值50% DAC-2 dB。两侧水平定位在焊缝中。

此焊缝射线(直线加速器)底片无影像。

锯割破坏解剖，磁粉检测发现截面长度5 mm，倾斜45°角未熔合缺陷，焊缝延长方向长度不详。

(3) 实例三

某容器中一环焊缝，材料508Ⅲ钢，焊缝厚度120 mm， U+(U+V)窄间隙坡口，(U+V)面手工焊接，U面埋弧自动焊接；检测标准ASME。采用GE60数字脉冲反射式超声检测仪。探头2.5 MHz,晶片尺寸为18 mm×18 mm，角度45°，检测灵敏度φ3 mm×40 mm+24 dB。

扫查时发现多处显示，情况基本相同，以一处显示介绍：显示深度端角回波118 mm，衍射回波深度110 mm。衍射波幅值是满屏的30%左右，端角回波20% DAC(φ3 mm×40 mm+14 dB)，两侧回波幅值基本相同。两侧水平定位在焊缝一侧的边缘上。

此焊缝射线(钴60)底片无影像。

砂轮打磨解剖缺陷时，借助磁粉和放大镜检测，修磨8 mm深时，出现缺陷，缺陷长度6 mm，自身深度3 mm左右。

(4) 实例四

制作人工缺陷试件，材料508Ⅲ钢，规格(长×宽×厚)为500 mm×40 mm×120 mm。厚度120 mm，用0.2 mm线径线切割一个25 mm深，宽40 mm,模仿窄间隙焊坡口，与上下表面不垂直，倾斜2.50°。再机加工开坡口,用手工氩弧焊焊接成一个深度95～100 mm，长度20 mm的人工未熔合缺陷，缺陷方向与检测表面近于垂直，检测标准NB/T 47013.3-2015。采用GE60数字脉冲反射式超声检测仪。探头2.5 MHz,晶片尺寸13 mm×13 mm，角度45°，检测灵敏度φ1 mm×6 mm+6 dB。

扫查时发现两处显示，① 深度95～100 mm，为上下端点显示，回波幅值一侧φ1 mm×6 mm+0 dB,另一侧φ1 mm×6 mm+1 dB，两侧水平定位在人工缺陷上；② 深度118 mm，回波幅度一侧φ1 mm×6 mm+4 dB,另一侧φ1 mm×6 mm+3 dB，两侧水平定位在人工缺陷上，此显示为端角式回波，因探头晶片尺寸小，缺陷深度又大，端角式回波并不高。

5　结论

(1) 超声波脉冲反射法检测焊缝根部和近根部时，判断缺陷的方法是深度法和水平定位法。

深度定位法的判定原则是：① 回波深度最高点显示小于工件厚度的基本都是缺陷；只有一种情况除外，就是工件内部结构特殊，能使横波在内部几何面上以很小的角度发生波型转换，并以纵波的形式被探头接收；② 深度最高点显示等于工件厚度的有可能是缺陷，也有可能不是缺陷，要用水平法进一步验证；③ 深度最高点显示大于工件厚度的有可能是缺陷，也有可能不是缺陷，要用水平法进一步验证。

水平定位法的判定原则是：① 焊缝两侧水平定位在同一点的是缺陷；② 深度显示等于工件厚度时，焊缝两侧水平定位在同一点的是缺陷，否则是几何信号；③ 深度最高点显示大于工件厚度时，水平定位在焊缝上的是缺陷，焊缝的另一侧也会有相应的信号，水平定位过焊缝的不是缺陷。

从上述情况可以看出，仪器线性的准确性是正确判断根部和近根部缺陷的关键，当检测者无法了解焊缝内部情况的时候更为关键。

(2) 焊缝内部磨平的时候，有几何回波存在。因焊缝错边、结构特殊、砂轮修磨时产生的高低不平、过深的砂粒划槽等，都可能产生回波。

(3) 检测时遇到根部回波信号很强、底波很强且前面伴随一个微弱小信号，一侧回波强、另一侧回波弱的情况时，检测者都要特别注意，此时根部和近根部焊缝中都可能存在有危害较大的面积型缺陷。

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

[2]NB/T 47013.10-2010承压设备无损检测第10部分 衍射时差法超声检测[S].

[3]王森，吴凤锦，丁杰，等. TL串列式超声检测法在窄间隙焊缝检测中的应用[J].无损检测，2015,37(3):44-46.

[4]张辉宇，史小东，韩相勇.06Ni9DR钢焊接对接接头的超声检测[J].无损检测，2015,37(7):63-66.

Ultrasonic Examination for Planar Defects Perpendicular to Examination Surface at or near the Weld Root

SAI Peng, WANG Zuo-sen, ZHANG Jian-lei, DENG Xian-yu, XIA Shan, ZHAO Xiao-hua

(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Company Limited, Qinhuangdao 066206, China)

When a butt weld is examined by ultrasonic test, it is difficult to detect the defects near weld root, and even more difficult to detect the planar defects which are perpendicular to the examination surface at or near weld root. According to ultrasonic basic principle and the many years′ experience, the authors conclude a method for effectively judging the planar defects at weld root and near weld root. The paper provides a reference for people working in the same field.

Ultrasonic testing; Weld; Planar defect; Identification method

2016-04-05

赛鹏(1971-)，男，高级工程师，主要从事质量管理和无损检测工作。

夏珊， E-mail: xiashanok@163.com。

10.11973/wsjc201609014

TG115.28

B

1000-6656(2016)09-0053-04