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(茂名市锅炉压才容器与特种设备检验所广东 525000)
1 前 言
超声波检测焊缝过程中，由于焊缝结构形式、表面状况等因素影响，往往会产生变型波，在荧光屏上除了出现缺陷回波以外，还会出现非缺陷引起的反射信号，易与缺陷波相混淆，引起误判。下面对变型波的产生机理和识别方法作一探讨。
2 波型转换与反射、折射定律
2.1 纵波倾抖入射到固体/固体界面
当纵波L倾斜人射到固体/固体界面时，除产生反射纵波L'和折射纵波L"尸外，还会产生反射横波S'，和折射横波S"(见图1)，这种现象称为波型转换，符合反射和折射定律。
当aI<aL<aⅡ。时(aI是第一临界角，aⅡ是第二临界角)，第二种介质只有折射横波，这就是通常所说的纯横波探伤(见图2)。
2.2 横波倾料入射到钢/空气界面
当横波S顷斜人射到钢/空气界面时，在钢中有反射横波S'和反射纵波L'，满足反射定律(见图3)。
钢/空气界面的第三临界角aⅢ=33.2°，当aa>am时，钢中只有反射横波;当an<aⅢ时，钢中既有反射横波，也有反射纵波。
2.3 纵波倾斜入射到钢/空气界面
当纵波工入射到钢/空气界面时，在钢中有反射横波S'和反射纵波L'，满足反射定律(见图4)。
3 实际探测时的几种情况
3.1 探测焊缝下表面没有余高时
当焊缝下表面余高磨平时，钢中折射横波人射焊缝下表面，由于常用探头的横波人射角(K1时as=45°,K2 时as=60°)均大于第三临界角，因此焊缝中只有反射横波，无反射纵波(见图5)。
3.2 声束入射到探头侧焊缝下表面
横波人射角as>aⅢ时，焊缝中只有反射横波，无反射纵波(见图6)。
3.3 声束入射到探头对侧焊缝下表面
当焊缝下表面的形状使as<aⅢ时，焊缝中既有反射横波，也有反射纵波(见图7)。
3.4 变型波的产生
焊缝中产生变型反射纵波后，不一定能在示波屏上显示出来，只有当变型纵波垂直人射至焊缝上表面某些特殊位置(如打磨圆滑的熔合线处、自动焊余高两边曲率****处或近焊缝母材上的焊疤处等时，再垂直反射，沿原路径返回倾斜人射至下表面，再进行一次波型转换，产生反射纵波和变型反射横波，其中变型反射横波沿原路径返回探头，被探头接收，在示波屏上显示，这就是通常所说的焊缝探测中的变型波(见图8)。
3.5 自动焊中的山形波
如图8所示，当L'垂直人射至焊缝上表面，其回波被探头接收;同时，反射横波S'也垂直人射到焊缝上表面的某些部位，其回波也同时被探头接收，在示波屏上同时出现三个波，形状像“山”字，俗称山形波(见图9)。示波屏上一次底波B1位置为T;变型纵波L'为T+T·cosβs·Cs/CL;反射横波S'为T+T·L'/L(L 为一次波的声程，L'为此时反射横波的声程)。
可见，在示波屏上，L'和S'在一次底波之后、二次底波之前，L'靠近一次底波，S'靠近二次底波。
4 产生变型纵波的条件
以下几种情况综合在一起，可能产生变型波:
1) 焊缝 上 下表面形状比较特殊，横波声束人射焊缝下表面后，当as<aⅢ时，产生变型纵波，焊缝上表面有与此变型纵波相垂直的界面，使变型纵波垂直反射后沿原路径返回探头。
2) 探头K值小、焊缝厚度大，易产生变型波，因为这种情况较容易满足as<aⅢ
3)探头位置使其声束入射到探头对侧的焊缝下表面。
5 变型纵波在示波屏上出现的位置
从上述分析可以看出，变型纵波不是缺陷回波，而是焊缝上表面的回波，它位于示波屏上一次底波之后、二次底波之前，具体出现的位置由工件厚度、探头K值和定标方法决定。
假设工件厚度为T，探头横波折射角为βs，钢中横波声速Cs=3230m/s，纵波声速CL=5900m/s，深度1:1定标，变型波在示波屏上出现的具体位置(深度)Tb为:
6 变型波的识别方法
假设焊缝形状有可能产生变型波，且探头的位置使主声束人射到探头对侧的焊缝下表面，在一次波后二次波前有一波型显示，可通过以下方法判断该波是否是变型波:
1)公式计算。利用上述公式，先计算出变型波在示波屏上的位置，位置相同或相近，有可能是变型波;位置相差较远，应为缺陷波。
2)波高当量。变型波当量高，在Ⅱ区以上，一般在Ⅲ区。
3) 通过观察。变型波是上表面的回波，用手沾油拍打焊缝上表面有可能反射波的部位，看此波的波峰是否跳动，若波峰跳动，可判断为变型波。
4)使用不同K值探头。当用某K值的探头探测时，怀疑某波是变型波，可换另一种K值探头扫查，若此波在相同的位置还出现，可认为是缺陷波;若此波消失且在我们计算出的变型波的位置，一般可认为是变型波。
5)消除焊缝余高。当怀疑某波是变型波时，可将焊缝余高磨平，若此波消失，可判断为变型波，若此波仍然存在，可判断为缺陷波。
7 总 结
在实际探伤过程中，掌握超声波反射、折射和波型转换理论，结合焊缝结构形式、表面状况，应用上述方法综合判断，可正确推断示波屏上一、二次底波之间的某波是否为变型波，从而避免错判，达到正确探伤的目的。 |
