超声爬波技术检测薄壁焊缝的试验研究

张永杰，廉德良

（1.沈阳市特种设备检测研究院，沈阳 110035；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016）

1 横波技术检测薄壁焊缝的难点

1.1 横波技术检测难点

薄板（＜8mm）焊缝的超声波检测一般推荐采用横波斜探头，如标准JB 4730和GB 11345中规定采用K值为3.0～2.0的探头［1－2］。袁建国开展的薄板焊缝超声波探伤可靠性工作的研究结果如图1和2所示［3］。结果表明，薄板焊缝探伤可靠性除受K值影响外，还受缺陷分布的影响。当K＝2时，探伤最可靠，大于或小于此值都使可靠性下降；孔在板厚中部附近差不多都可探出，孔离表面越近，被探出的越少，离表面2～3mm 难以探出。焊缝表层附近区域，缺陷难以探出，探伤可靠性接近于零。

1.2 原因分析

（1）由于横波探头指向性的原因，即使选取了大角度、短前沿的探头，一次波主声束也不可能扫查到焊缝的表层区域。要检测表层的缺陷，需前后移动探头，利用二次和三次反射波扫查。声波随着传播距离的增大，声能会逐渐衰减，导致了检测灵敏度的下降。

（2）超高焊道波纹或者突出、回缩的根部，导致在裂纹部位出现形状回波，使超声波辨识困难。

2 爬波检测技术应用的可行性分析

从爬波探头的指向特性［4］可见（图3），爬波的主声束在折射角为85°的方向，而且在表面也有很大的分量，因此，可以满足薄壁焊缝，包括表面和近表面在内的，不同深度缺陷的检测要求。

图3 爬波探头的声场指向性

3 试验

3.1 模拟缺陷的制作

为试验爬波探头对薄板对接焊缝各个部位缺陷的检测效果，在8 mm薄板对接焊缝上的不同位置加工制作人工缺陷。现行的国家及行业标准，如GB 11345和JB 4730中，焊缝的检测均采用长横孔作为人工缺陷。笔者按照图4所示，选用了4块110mm×60mm×8mm 的焊接试板，加工位于焊缝中心和边缘的φ1 mm×20mm的横孔各4个，其距试板上表面分别为1，2，3，4mm。为测试探头对焊缝加强高处裂纹的检测能力，采用电火花的方法加工长度为5mm 的刻槽4条，刻槽深度分别为0.5，1，1.5，2mm。

图4 人工缺陷位置示意图

3.2 试验条件

仪器为USIP12型超声波探伤仪，检测方法为接触法，耦合剂为机油，采用探头紧贴焊缝边缘双面双侧平行扫查。所选探头为特制爬波探头，结构为双晶并列式，晶片尺寸为25 mm×7 mm，频率为2.5 MHz。

3.3 试验结果

（1）爬波探头双面双侧平行扫查可检出8mm薄板对接焊缝中整个焊缝宽度上不同埋深的φ1mm长横孔类缺陷，最低检测灵敏度可达到φ1mm－9dB，满足JB 4730中定量线规定的要求。其中，焊缝中心横孔缺陷的部分检测波形如图5所示，近探头端横孔缺陷的部分检测波形如图6所示，远探头端横孔缺陷的部分检测波形如图7所示。

（2）爬波探头单面单侧（与刻槽同面）扫查可检出焊缝加强高上1.0～2.0mm 深的刻槽类缺陷，不能检出中心正面0.5mm 深的刻槽。当爬波探头在相对的一侧扫查时，可以检出中心正面0.5mm 深的刻槽。可以从理论上解释这种现象：爬波的表面分量在近场的范围内平行于表面，只有当刻槽的深度大于加强高的高度时，才能有超声束作用在刻槽上，因此对于与探头同侧的深度为0.5mm 的刻槽，小于焊缝加强高的高度，爬波探头不能够检出。焊缝中心刻槽类缺陷的部分检测波形如图8和9。

4 结论

所用特制爬波探头在8mm 薄板对接焊缝人工缺陷试样上的检测结果表明，灵敏度满足不同深度缺陷的检出要求，并且对表面和近表面缺陷表现出良好的检出能力。

5 讨论

爬波探头对表层和近表层缺陷具有较好的检测能力，这是由爬波指向特性决定的。而其它部位缺陷的检测，与爬波探头的多波型特征有关。缺陷回波的波形特点可以解释这一说法，缺陷回波的波形是由几个单峰组成的，这几个单峰是不同波型波束与缺陷相互作用的结果。随探头位置的移动，缺陷回波的最高峰是变化的，说明不同波型的灵敏度高点是不一样的。爬波探头这种多波型特征不利于缺陷的定位与定量，建议将爬波探头与横波探头相结合以作综合的评定。

［1］ JB 4730—2005 承压设备无损检测［S］.

［2］ GB11345 钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级［S］.

［3］ 袁建国.薄板对接焊缝超声波探伤可靠性探讨［J］.无损检测，1995，17（2）：36－37.

［4］ 廉德良，魏天阳.超声爬波探头声场指向特性的实验研究［J］.无损检测，2005，27（9）：479－481.