横波探伤在焊缝检测中的应用
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一、前言
超声波探伤是无损探伤的主要方法之一，在实际探伤中得到广泛的应用。而在焊缝探伤中，应用最广泛的是横波探伤。横波横波又称为切变波，只能在固体中传播。横波的波长比纵波短，在其他条件相同时，横波声束的指向性比纵波好，横波能量更集中一些。目前常用的横波探头是使纵波斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波探伤的。当纵波入射角介于第一临界角和第二临界角之间时，纵波全反射，第二介质中只有折射横波。
目前常用的是A型脉冲波探伤仪，每次横波探伤前，都应该利用试块对仪器和探头进行调校，常用试块为CSK-ⅠA，CSK-ⅢA。利用CSK-ⅠA试块测定探头的入射点、探头K值以及仪器的水平、垂直线性和动态范围。利用CSK-ⅢA绘制距离-波幅曲线，用来计算缺陷的大小和长度，以及对缺陷进行定位。另外，在实际检测中，要根据焊缝的材质、厚度来选择仪器和探头、根据实际条件选择耦合剂和补偿。首先粗扫焊缝一遍，在有缺陷回波的地方做好标记，然后在缺陷周围细扫，以便测定缺陷的位置、大小、长度等。对缺陷定性时，应在不同的方向对该缺陷进行探测，根据缺陷波形状和高度的变化，结合缺陷的位置和焊接工艺，做出综合判断。
二、超声波基础知识
1.探伤原理
超声波是一种超出人听觉的高频率机械振动波。分为纵波、横波、表面波等多种波形。当介质中质点的位移与传播的方向一致时为纵波；质点的位移与波传播的方向垂直时为横波；表面波只能在工件表面传播。在固体中，各类声波都可以传播，在液体和气体中，只有纵波才可以传播。超声波在同一均匀介质中传播时速度不变，传播方向也不变，如果传播过程中遇到另一种介质，就会发生反射，折射或绕射的现象。制造容器使用的钢材可视为均匀介质，如果内部存在缺陷，则缺陷会使超声波产生反射现象，根据反射波幅的大小、方位、就能判定和测定缺陷的存在。超声波探伤中主要利用石英、钛酸钡等晶体的压电效应获得超声波。
2.相关参数
空气中声速为340米/秒，水中声速为1500米/秒。钢中的纵波声速为5900米/秒，横波声速为3230米 /秒。声速C，波长λ与频率f之间有如下关系：C=λf。
3.界面入射时的反射和穿透
垂直入射时的反射和穿透：当超声波垂直入射到两种介质的界面时，一部分超声波被反射，剩余的部分就穿透过去。这两部分的比率决定于这两种相接介质的密度和其中的声速。
斜入射的反射和穿透：当超声波倾斜入射到界面上时，在界面上会产生方向不同，波型亦不同的反射波和折射波。探伤用的横波斜探头，为了得到横波，纵波入射角必须选在第一临界角和第二临界角之间。当纵波入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波也无折射横波，但在第二介质表面形成表面波，这是表面波探头的设计原理和依据。
4.脉冲反射式超声波探伤法
脉冲反射法是目前探伤中用的最多的一种方法。该方法在垂直探伤时用纵波，在斜探伤时用横波。把超声波射入被检工件的一面，然后接收从缺陷反射回来的回波，根据回波的波形、强弱、产生回波的区域等信息来判断缺陷的情况。脉冲反射可分为垂直探伤法和斜射探伤法。这里重点阐述斜探伤方法。
由斜探头进行探伤时，从晶片发出的纵波倾斜射入探伤面。如果折射波同时存在纵波和横波时，两种波会互相干扰，对判断结果会发生困难。一般采用调节探头入射角，使入射角的角度大于纵波临界角（第一临界角），只让横波进入工件，通常斜探头折射角为35～80°。定义斜探头的正切值为K值。斜射探伤时，因为超声波是斜向射向底面，因此不会出现底面回波，为了知道缺陷的位置和大小，通常采用在标准试块上加工出人工缺陷，再根据仪器上的相关参数来确定缺陷的位置（水平，垂直参数）。
5.焊缝探伤的重要性及常见缺陷
在压力容器构件的内部，常常存在着不易发现的缺陷，如焊缝中的未熔合、未焊透、夹渣、气孔、裂纹等。要想知道这些缺陷的位置、大小、性质，对每一台容器进行破坏性检查是不可能的，因此出现了无损探伤法，它是在不损伤被检工件的情况下，利用材料和材料中缺陷所具有的物理特性探查其内部是否存在缺陷的方法。超声波探伤主要用于检测焊缝内部缺陷，对于比较厚的工件，超声波探伤具有其它探伤方法无可比拟的优势。
三、非缺陷回波的识别
容器筒体纵、环缝探伤时，常见干扰回波的识别在超声波探伤中，屏显上除了出现各种缺陷回波外，通常还会出现各种非缺陷干扰信号。这些非缺陷回波与缺陷回波的特征十分接近，极易造成检测人员的误判。因此，分析掌握非缺陷回波的特征和规律，正确识别非缺陷回波，避免其危害作用，防止缺陷漏检，具有非常重要的意义。在自动焊焊缝探伤实践中，除了探头杂波、耦合剂反射波以外，常见的非缺陷回波主要是焊角回波。一般情况下，由于焊缝余高的存在，焊角回波是无法避免的。为了将热影响区裂纹、焊趾裂纹、咬边等表面和近表面缺陷与焊角回波有效区分开来，防止危害性缺陷的漏检，研究和掌握焊角回波的规律性，是超声波探伤中必须解决的重要问题。理论和实践证明，近探头一侧的上、下焊角对超声波没有会聚作用，因而绝不会产生焊角干扰回波，所以由焊角引起的回波通常有以下四种情况：
1.正常焊角回波
如图五所示，在焊缝余高较高的情况下，远离探头一侧的上、下焊角对超声波会聚作用，因而在屏显上半波程或全波程的位置会出现焊角干扰回波，当焊缝余高很高时，其最高振幅的位置会稍微向后移动一些距离，即在（T+T）以及（2T+T）的位置出现（T―母材厚度，T―余高高度）
2.焊缝上、下错位引起的焊角回波
如图（六）所示，由于板材坡口在加工时，上、下刨的不对称或焊接时焊偏造成上、下层焊缝错位，在A侧探伤时，焊角反射波很象焊缝内的缺陷，当探头移到B侧时，在一次波前没有反射波或测得的水平距离在焊缝附近的母材上，这说明焊偏。
3.焊缝两侧母材错边引起的焊角回波
如图（七）所示，当两筒节卷制不圆时，对接后焊缝两侧的母材不在同一平面内，当从A侧探伤时，焊角回波出现在一次波之后（T+T）的位置，当从B侧探伤时，焊角回波出现在一次波之前（T-T）的位置。而二者的水平位置均在探头对侧的焊缝边缘上，很容易与热影响区的缺陷混淆，区分的方法有两个：一是使探头沿焊缝左右移动，反射波持续出现。二是采用二次波探伤，若在（2T-T）或（2T+T）位置出现回波，且用手沾油触摸探头对侧焊角，回波有跳动现象，即可判定为母材错边引起的焊角回波。
4.由焊角引起的波型转换产生的“山”型波
如图八所示，当超声波主声束方向与焊角处轮廓线法线方向夹角
四、如何防止丁字接头焊缝处缺陷漏检
众所周知，筒体丁字接头焊缝处容易产生缺陷。特别是由于焊接时强行组对的原因，焊接时容易产生裂纹。如图九所示，由于环缝余高的阻挡，这种丁字接头裂纹、斜探头中心声束无法直接扫查到，相对焊缝倾斜扫查或靠声能较小的扩散声束扫查时，反射波幅不高，容易当成气孔、点渣之类缺陷而放过，这就造成了严重漏检，为了解决这个问题，可采取以下对策：
（1）要求作局部射线探伤的焊缝，其丁字接头必须拍片
（2）对丁字接头处的缺陷反射波，认真观察，从严处理。当没有其它手段证明它是可放过的缺陷时，一般要返修处理。
（3）必要时，磨平丁字口环缝余高后再作超声波探伤。
五、超声波探伤（HS610）应用举例（球罐）
某炼油厂400m3液化石油气球罐材质为15MnV，介质为液态烃，H2S（1%），百分百超声探伤。
按照HS610操作规程校准探头，测量K值，曲线制作完成后进入焊缝探伤工作，依据JB4730-2005标准按不同的工件厚度输入曲线的标准，（ 当 T
球罐的超声波检测要点为：
（1）可用数字式或模拟式效验合格的超声波探伤仪。
（2）以单斜探头接触法为主进行检测，常用探头的频率为2.5MHz、K=2、晶片尺寸约为13mmxl3mm、探头前沿≤12mm。
（3）耦合剂常用机油或化学浆糊。
（4）采用CSK-IIA或CSl0一IIIA试块制作距离一波幅曲线，确定灵敏度（考虑补偿）。
（5）采用锯齿形扫查，发现缺陷后可用前后、左右、转角和环绕等方式扫查，至于具体是采用全面还是局部扫查，依据设计文件规定（GB 12337―1998）。
（6）必须考虑横向缺陷的检测。
（7）记录缺陷并评级。
（8）经局部检测的焊接接头，射线检测或超声检测复检的焊接接头，如被发现有不允许的缺陷，应在焊接接头缺陷两端的两倍延伸部位进行抽检，如仍发现有不允许的缺陷，应对该焊工所焊的所有焊接接头进行100%检测。
（9）返修后的部位仍按原条件进行检测。
（10）100%超声检测的焊缝，按JB/T4730_2005《压力容器无损检测》标准，I级为合格；局部检测的对接接头，以不低于II级为合格。
经检测，内表面发现横裂127条，纵裂81条，裂纹长度14～1300mm不等，裂纹深度经超声测高后定为4～17mm。对大面积出现氢鼓包的区域，用超声直探头找出鼓包范围的最小壁厚及其分布比例，校核允许的使用应力。对单个大尺寸氢鼓包可用超声方法检出鼓包分层的范围，然后在较薄一侧铲除鼓包金属。铲除鼓包金属后形成凹坑的深度如果在壁厚余量范围内，则该凹坑允许存在，否则将凹坑按其外接矩形规则化为长轴长度、短轴长度及深度为2A（mm）、2B（mm）及C（mm）的半椭球形凹坑，计算无量纲参数Go，如果Go0.10，则该凹坑需要进行补焊。补焊后，将表面打磨平整，消除局部应力，待表面硬度HB>200后方可投入使用。
六、总结与展望
随着我国工业的发展，无损检测技术已经应用到工业的各个方面，而超声波检测技术相对于其它无损检测方法有无可比拟的优势。特别是对较厚焊缝的检测，横波探伤仪器质量轻，检测方便，无污染，对检测人员没有伤害。通过以上的横波探伤举例，我们发现超声波探伤灵敏度高，缺陷检出率较高，在特种设备检验中具有举足轻重的地位。但是也有些不足之处，比如发现缺陷时不能作为永久记录保存下来，缺陷的定性没有射线检测那样直观等。我认为，随着技术的发展，超声波检测技术必将克服以上缺点，更好的为特种设备检验事业服务。
参考文献：
[1]李家鳌、沈钢等，超声波探伤技术，中国锅炉压力容器安全杂志社，1995-03.
[2]中国机械工程学会无损检测学会，超声波探伤，机械工业出版社，1989.
[3]中国机械工程学会无损检测学会，超声波检测，化学工业出版社，2010-07.
[4]JB/T4730-2005，承压设备无损检测，国家发展与改革委员会，2005-05.