超声检测波形转换之“山形波”实战分析

一日晌午，我坐在工具房的试验台前，正专心地调校超声探伤仪器。此时，一位兄弟单位穿着连体服的小伙子，连体服许多部位沾上了红色的着色剂和黑黑的油渍，似乎从汽机房刚干完事回来。一手提着超声波探伤仪，另一手提着装有耦合剂的桶子，背上还背着工具包，风尘仆仆走到我跟前，向我说道：“哥们，向你请教个问题”，“请教不敢当，有什么事呢？”我回答道。

“刚才在做管道对接环焊缝的超声检测，管道厚度为60mm，扫查的时候发现在一次反射区域内存在深度为54mm的反射波，我觉得这应该是根部反射波，不是缺陷。”他继续说道：“但是在二次反射区域内也存在反射波，测量反射波深度大约在80mm，你说这是不是缺陷呢？”

超声检测山形波

我问他：“你有没有用直探头测量母材和热影响区的厚度？是不是母材厚度比热影响区和焊缝的厚度都大？”。

他说：“是的，母材厚度60mm，热影响区厚度大约52mm”

得到确切的回答后，心中有了初步的结论，然后继续回答他道：“80mm处的二次反射波很有可能不是缺陷，应该波形转换波。如果你用K1和K2的探头分别去扫查，会发现K1探头比K2探头扫查的回波更高，我暂且称它为“山形波”，因为他长得像“山”字，也像一座山。这种山形波在不等厚对接、错边、厚壁管道对接焊缝的超声检测中经常出现。”

正好跟前的试验台上有一块不等厚对接模拟试块，如下图，用尺子量了薄的一侧厚度为20mm，厚的一侧为25mm。

超声检测不等厚试块

为了让小伙子明白我的推论，并验证它是正确的。换上一个K1的探头，校准了声速、零偏和K值，节省时间未制作DAC曲线。在不等厚模拟试表面块滴上几滴机油，用食指在试块上轻轻的抹了抹，瞬间形成一道薄薄的油层。按了仪器的“波峰记忆”键后，前后推动着探头，找到最高波，此时固定探头不动，超声波探伤仪屏幕显示如下。

超声检测山形波

移动闸门框住最高波，此时深度读数为32.8mm。不等厚试块薄侧20mm，厚侧25mm，假设该反射波是缺陷波，那么缺陷应处于深度为17.2mm（25×2-32.8=17.2），但是实际模拟试块不存在缺陷。

这么高的反射波会是什么波呢？

既不是一次反射波，也不是表面的二次反射波，更不是缺陷波，而是探头某个扩散角的声束打到斜面上，入射横波发生波形转换，转换成反射纵波，纵波垂直反射到工件表面，然后按原路返回，这就是波形转换的原理，如下图，3是入射横波，2是波形转换后的纵波，1是反射横波。

最后再用K2的探头扫查了该斜面，发现也存在波形转换，但是波幅很低，几乎可以忽略不计。

说起这件事，让我回想起刚参加工作的时候，也遇到了和小伙子相似的问题。此时情不自禁的感叹时间由如白驹过隙，眨眼间的功夫，人将步入中年。

先停止感慨，将时钟的指针拨回到几年前，广东某电厂600MW超超临界锅炉定期检验，对分隔屏出口集箱封头对接环焊缝（类似管道对接环焊缝）进行超声检测。集箱规格为Ф356×60mm，材质SA-335P91，下图为封头示意图。

集箱超声检测示意图

超声检测发现一次反射中，除了根部反射波外，无异常波。而在二次反射区域内却发现异常波，深度为80mm，并且整圈断续的存在。情况和小伙子描述的非常相似。那个时参加工作没多长时间，缺乏现场经验，是不是缺陷拿捏不准。

为了验证是不是缺陷波，用直探头去扫查该“缺陷”位置，焊缝部位未发现任何反射波，哪怕将增益调到最大也无任何收获。再换个K2的探头试试，反射波同样存在，但波幅很低。当时和一位年长的同事分在一组做事，他说：“别纠结了，或许是波形转换吧，没什么问题，收拾仪器回去吧”。

这句话让我豁然开朗，突然有了柳暗花明又一村的感觉。时间仓促，将现场测量的数据记录下来，回到住的地方，打开电脑利用CAD绘图和三角函数计算，验证该“缺陷波”为波形转换波。果真如此，该“缺陷波”的确是横波波形转换后的纵波。

产生波形转换的关键因素——综合形坡口形式和一定角度的声束，根据《DL/T8692-2012 火电厂焊接技术规程》的要求，当壁厚大于60mm的汽水管道应开综合形坡口。火电厂也存在许多壁厚小于60mm的管道或集箱均采用了综合形坡口。

什么是综合形坡口？为什么要开综合形坡口？

综合形焊缝坡口

百度搜索相关内容，除了DL/T8692-2012和ASME 16.25有简单介绍，其它未发现任何关于综合形坡口的介绍。所以我也不知道开综合形坡口的优势。

什么是综合形坡口，按照我的理解，综合形坡口包括V形坡口和U形坡口。但这不是重点，重点是为什么在内壁要开一道槽？这道槽也就是所谓的内壁台阶，很遗憾，没能找到相关资料。

综合形焊缝坡口

我推测开槽的目的，内壁开坡口的目的是为了便于对口，保证焊缝焊接成型良好，此处等待大咖解答。

在检测内壁存在槽口、不等厚对接或错边的焊缝，即可看作为内壁台阶，当超声波入射到这个台阶，会发生波形转换，即横波转换成纵波。这样波形转换常见于厚壁管道、错边、不等厚对接超声检测，并且采用K1的探头比K2的探头更为明显。

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