王安静

(洛阳欣隆工程检测有限公司 ，河南 洛阳 471012)

随着机械行业的不断发展与进步，无损检测得到了越来越广泛的应用。但焊接时产生的余高会对无损检测结果造成干扰。因此对余高波进行研究，发现其规律、特性，以保证焊接质量。

1 超声检测的介绍

1.1 超声检测基本原理

超声检测(UT)的原理：晶片受到电脉冲的冲击，产生超声波，将探头对准被检试板的焊缝。如果材料的内部结构均匀，那么声波将产生正常的回波。如果试板内部存在缺陷，那么声波就会产生缺陷波，从而探测出试板内部的缺陷，以及缺陷的大小和位置等。其回波的大小与介质的声阻抗(Z)关系密切。如空气和金属的声阻抗差距巨大。所以当声波穿过空气和金属介质时几乎会全部被反射。由于穿透法是通过物体传输声能量，探头在传输和接受时，需要工件与探头位置处于一定的相对位置，并且一直保持其相对位置到检测结束，灵敏度也较低，应用范围非常有限[1]。

1.2 超声检测中常见缺陷

超声检测一般用于焊缝检测，焊缝中常见的缺陷有气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。造成这些缺陷的原因是：当焊接电流小且焊接速度快时，焊接渣不足以浮起。焊缝的边缘和焊缝未清理干净。工件和焊接材料的化学成分含有较多的S和P[2]。当前技术条件下，超声检测可以对缺陷进行定量但难以定性。

1.3 焊缝余高波

1.3.1产生的原理

在实际生产生活中焊缝余高十分常见，是由焊接过程中焊条和药皮熔化所形成的高于母材的凸起。它可以保护焊缝和减少焊接时产生的应力。但也改变了焊接接口的局部应力。

在超声检测的过程中焊接余高波的产生过程见图1，当声波入射到焊缝下表面时由于母材和焊材的组织结构不同将产生波型转换，转换成反射横波(横波)和反射纵波(变型纵波)。由于声波在A点到C点的不同位置上的反射不同，因此每个点上的反射横波和反射纵波的传播方向不同。这些点上的反射横波和反射纵波沿着原路返回后被探头接收。

图1 余高波产出原理

1.3.2余高波的理论计算

在了解了余高波产生的原理，就可以进一步计算出它的声程及检测时在仪器示波屏水平扫描线上出现的位置，为更好地利用余高波打下基础。图1中，T为母材的高，δ1为上表面余高高度，δ2为下表面余高高度，TL为下表面余高宽度。当焊角波为最高时，横波干扰波声程SS与纵波干扰波的声程SL近似相等，可由(1)式给出：

SL≈SS=FC+CD≈FC+CE

(1)

根据上面公式得出的结论如下：余高所产生的声程增加到余高高度的1/2时 ，由于余高的高度相对于母材厚度而言较小，又因为荧光屏上的读数不能十分精准地读出，所以这种近似计算误差是被允许的。在仪器上按水平定位 ，当检测时的焊角波达到最高波时，理论计算横波、干扰波。在示波屏水平刻度上读数的计算公式为：

LS=(FC+CD)×sinβ

(2)

纵波干扰波L在示波屏水平刻度上的读数的计算公式为：

(3)

当仪器深度校准，当焊接角波达到最高水平时，纵波干涉波L和横波S在示波器屏幕水平尺度上的理论计算公式为：

HS=LS/K

(4)

HL=LL/K

(5)

通过上面公式的计算：余高波的位置，或余高波和焊接角波在示波器屏幕上的相对位置，主要取决于母材T(母材的高)和探头的K值。

1.3.3余高波的特点

①焊缝的形状决定了示波屏上出现波的数量。有时可以出现其中的2个波，有时甚至只出现3个波中的一个。②波随着探头的移动在示波屏上也会来回的移动。在运动过程中，3波之间的是相对静止的关系。③缺陷的二次回波与余高波在探头前后移动过程中，幅度的变化是相反的。

2 实验

2.1 实验设备及材料

①仪器：汉威HS600型。②探头：2.5MHz K2。③试块：CSK -ⅠA，CSK -ⅡA-1等。④耦合剂：机油。⑤其他：刻度尺、标记笔、坐标纸等。

2.2 实验步骤

2.2.1实验前准备

①表面清理：清除疏松的氧化皮、毛刺、油污、锈蚀。探头使用0.5～2.5 MHz的较低频率。②探头选择：斜探头发出的声束应该能够满足被检部分。斜探头的中心线应尽可能垂直于焊缝中可能存在的危险缺陷。尝试使用一个波来识别缺陷，这样不仅可以减少缺陷的误判还能确保足够的检测灵敏度。具体见表1。③耦合剂的选择：本实验采用油作为耦合剂。④标准试块：本试验所用的标准试块为20号优质碳素结构钢，见表2。

表1 推荐采用的斜探头K值(角度)

表2 CSK -ⅡA试块

文中试块厚度误差≤0.02 mm，试块其他尺寸误差例如长度、横孔等≤0.05 mm；测试块长度由使用的声程确定；如果声学特性相同或相似，则测试块也可以用厚代替薄；可以增加测试块的全厚度范围内的交叉孔数量；也可以使用其他直径的横孔，灵敏度与此相当；开孔垂直度偏差≤0.1°。

2.2.2实验过程

①调试设备：制作DAC曲线。②焊缝检测；对焊缝的单面单侧进行锯齿形扫查，探头移动区应≥2KT，以免发生漏检情况。在扫查时发现缺陷，应尽量发现缺陷最高回波，读出此时回波波高读数SL(定量线)的ΔdB和波峰所在区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)。并记录缺陷深度和位置及长度信息。③余高波的记录；在本次实验中缺陷为未焊透。其余高波的第二次回波易于实际的缺陷波混淆。

通过多次对余高波产生时数据的对比和计算发现以下规律：①若工件较厚焊接方法为双面自动焊时易造成工件的根部未焊透。由于焊缝余高波的波型与这种缺陷相似。应先对工件内的缺陷进行定位，再计算出超声波在工件中的第一次反射波在工件底端的反射点，如果计算出的数值大于或接近在工件的厚度。说明干扰波在被检工件表面，表明这个回波是余高干扰波；如果计算出的数值接近工件厚度的一半，说明缺陷是在焊缝中；在探头与缺陷所在前的区域涂抹耦合剂，观察波形是否发生变化，若有波动可能说明是余高干扰波的影响。这时就应将检测仪上的厚度设为大于或等于二倍的工件板厚，观察回波深度值是否等于余高高度与工件厚度之和。如果结果符合这个假想则是余高干扰波的可能性较大。如果是对工件要求严格则应该对工件表面用打磨机或磨砂机进行打磨以消除余高。如果在余高消除后再次用手触碰焊缝示波器上没有回波波动。则说明第一次出现的回波为焊缝余高产生的干扰波。②如果余高的高度明显比正常时的高度高，通过实际的生产经验我们需要采用倾斜探头，对工件进行单侧波的单侧检测。从仪器上考虑我们还可以选择较小的前值L0，用较大的K值探头。后用斜探头对被检工件采用一次回波的方法进行单面检测，来减少余高过高对检测时带来的困难。③若焊缝余高的宽度大于正常时的焊缝宽度值。通过实际的生产经验需要采用斜探头，运用一次波对工件进行双面检测，从仪器上考虑还可以选择大的斜探头角度和减少前沿值L0来减少余高过宽带来的干扰。④若甲方对焊缝要求严格。如航空飞船的工件，则第一步也要运用前面说到的手碰法观察，判断是否存在干扰。若不存在干扰，还要运用一些计算辅助判断，并与仪器的参考数据进行综合的考虑比较。

2.2.3实验数据及报告

如缺陷高出屏幕，需要连同DAC曲线及缺陷波同时降到屏幕内，否则读出的SL+ΔdB不准确。探伤过程中，假如发现一次波和二次波都能发现缺陷，要以哪一个波发现的S3最高的为准。

试件(UT)检测报告如下：材质，Q345R，规格300×300×δ14；坡口形状，X，焊态；焊接方法，手工焊；检测时机，焊后；缺陷性质，未焊透。检验工艺：执行标准，NB/T47013.3-2015；仪器型号HS-600；探头规格2.5P×13K2，试块型号CSK-ⅠA、CSK-ⅡA-1；耦合剂，机油；表面补偿4 dB；评定灵敏度Φ2×40-18 dB；检测面，单面双侧；扫查方法，锯齿形扫查；检测技术等级，B级。

试件检测结果见表3。

表3 试件检测结果 mm

2.3 超声检测的判废标准

超声检测中，一般运用距离-波幅(DAC)曲线来对焊接接头进行等级判定。根据在标准试块上使用的探头和仪器的测量数据绘制DAC曲线。该曲线由评定线(EL)、定量线(SL)和判废线(RL)组成。在评价线和定量线(包括评价线)之间是Ⅰ，在定量线和废弃线之间(包括定量线)作为区Ⅱ，废弃的线和上述区域是区Ⅲ，如图2所示。如果在显示屏幕上绘制距离-波振幅曲线，则在检测范围内曲线任一点的高度都不应该低于显示屏满刻度的20%。

3 结论

本文简单地分析了不同形状和状态下的余高波和判别方法。虽然这些方法在一些焊缝的超声检测中可以起到很好的作用，但任何一种检测方法都不可能到达百分百的准确度，所以在实际生活中，除了应用本文所描述的识别余高波的方法外，还应该结合其他一些方法来提高检测的准确性。

图2 距离-波幅曲线示意图