缺陷自身高度的测量非常重要。对在制及在役零部件进行无损检测时，准确识别缺陷信号，并做好缺陷的定性、定量（包括自身高度测量）及定位，是无损检测工作的重点和难点。
为此，山东瑞祥模具有限公司的技术人员提出了一种适用于焊缝内部特定缺陷自身高度测量的超声检测方法，可用于平板对接焊缝的检测。
检测原理
这种方法是基于端点衍射法对焊缝内部特定缺陷自身高度进行测量。超声波的衍射是以散射为基础的，超声波在缺陷处产生的反射和衍射如图1所示。衍射波的强度由入射角度、缺陷端部的形状与尺寸决定。当声束对准缺陷时，会得到不同方向的散射（反射）信号，同时在缺陷上下端部得到具有对称性的柱面衍射波。
图1 超声波在缺陷处产生的反射和衍射示意
利用端点衍射法可以测量缺陷高度，即当超声波能量传播到缺陷端部时，其中所产生的散射（反射）波会和其端点衍射波一同被探头接收；在显示屏上可以通过反射波来确定衍射波的位置，即位于反射波前的第一个小波为上端点衍射波，位于反射波后的第一个小波为下端点衍射波；通过测量两者之间的延迟时间差值，即可计算得出缺陷的自身高度。
当声束与缺陷反射面垂直时，散射信号和衍射信号均能被探头接收，但衍射信号会被覆盖，如图2所示；当声束与缺陷反射面成一定角度时，散射信号和衍射信号同样能被探头接收，但是散射信号强度相对于声束垂直于反射面时会下降很多，衍射信号未被覆盖情况如图3所示。检测时需要调整入射角度以得到最佳分辨效果。
图2 衍射信号被覆盖情况示意
图3 衍射信号未被覆盖情况示意
测量方法
楔块制作与检测设备连接
楔块采用有机玻璃制作，结构型式为两探头并列式，其结构示意如图4所示。
图4 楔块结构示意
楔块中探头安装的角度根据检测工件的厚度确定，取为45°～70°，检测工件厚度较大时选择角度较小楔块，检测工件厚度较小时选择大角度楔块。
两个并列探头之间设有吸声材料，避免声波在楔块内形成回波。将普通直探头安装在楔块上，楔块装配示意如图5所示。两个探头分别用信号线连接至A型超声波检测仪的发射（T）和接收（R）端口上。
图5 楔块装配示意
超声检测仪设置及深度测量校准
首先，将A型超声检测仪的工作方式选择为一发一收模式，频带宽度选择为窄带，检波方式选择为射频模式，探头选择为纵波斜探头模式。
采用标准NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》中的CSK-IA试块前端R50和R100圆弧位置测定探头入射点及声速。在CSK-IA试块后端50 mm圆孔位置测定探头折射角度。将超声检测仪设定为深度显示，设备延时设定为两倍探头入射点至焊缝中心线距离/材料声速，检测范围设定为工件全厚度检测时间减去延时时间。
检测灵敏度的设定
采用标准NB/T 47013.3-2015中的CSK-IIA系列试块进行检测灵敏度设定，根据被检工件的厚度选择相应的试块。根据焊缝内缺陷的深度选择CSK-IIA系列试块中与缺陷深度最接近的横孔，找到横孔的最高反射回波，调整设备使横孔的最高反射回波达到满屏高度的80%，增益6～10 dB。实际检测时需根据缺陷回波幅度做适当调整，调整依据为可分辨缺陷上下端衍射信号。
缺陷回波信号的识别
一般缺陷回波由3种信号波组成，即缺陷上沿衍射信号、缺陷反射（散射）回波、缺陷下沿衍射回波。一般缺陷回波的3种信号叠加形式如图6所示，上沿衍射信号的前端和下沿衍射信号的末端会占据整个缺陷回波的前沿和后沿。
图6 一般缺陷回波的3种信号叠加形式示意
若缺陷高度方向与声束垂直或近似垂直，则3种信号中的反射回波会很强，甚至有可能掩盖缺陷下端衍射信号，但无论如何缺陷下端衍射信号都应该在信号末端出现，此时可将末端信号视为缺陷下端衍射信号。
若缺陷（反射面）与检测面（试件表面）垂直或近似垂直，则3种信号中的反射回波会很低或消失，缺陷上、下端的衍射信号则不受影响。
在缺陷回波信号中找到前沿信号的波峰位置，则可以确定缺陷上沿的衍射信号；找到缺陷回波信号中后沿信号的波谷位置，则可以确定缺陷下沿的衍射信号。
缺陷高度的确定
因为A型超声检测仪设定为深度显示，所以可直接读出缺陷上沿衍射信号的波前深度m、缺陷上沿衍射信号第一个波峰的深度n、缺陷下沿衍射信号末端第一个波峰深度p。
因缺陷上下沿为同种正弦波，其波长相等，波长为测得的上沿衍射信号波前深度和上沿衍射信号第一个波峰深度之差的4倍，即波长=4×|m-n|，故由TOFD原理可知缺陷上下沿两衍射信号之间的深度差即为缺陷自身高度h。
深度与缺陷下沿衍射信号末端第一个波峰深度之差即为缺陷自身高度加上半个波长值，即|n-p|=h+波长/2。
因此，该方法测得缺陷自身高度为：
h=|n-p|-2×|m-n|
检测结果与实际值的比较
验证试块采用平板对接焊缝，焊缝分区如图7所示，在焊缝不同深度位置如根部、填充区、热焊区设置了不同缺陷，缺陷采用焊接方式制作，验证试块端面解剖结果如图8所示，不同位置缺陷测量结果与解剖结果对比如表1所示。
图7 焊缝分区示意
图8 验证试块端面解剖结果
表1 不同位置缺陷测量结果与解剖结果对比
由表1可知，所提方法检测结果与缺陷实际尺寸比较，最大负偏差为-0.7 mm，最大正偏差为0.7 mm，检测结果与解剖结果具有很好的一致性，误差在±1 mm以内。
结语
(1) 缺陷上下沿衍射信号的识别，和缺陷大小、类型及所选探头的频率有一定关系，缺陷越小衍射信号越难识别。
(2) 探头频率的增大，有利于缺陷上下沿衍射信号的识别。
(3) 上下沿的衍射信号，总会出现在缺陷信号的头部和尾部。
(4) 所提方法检测效果良好，检测精度误差在1 mm以内。
作者：魏玉龙，陈广锋，齐鲁，张小锋，孟倩倩
工作单位：山东瑞祥模具有限公司
第一作者简介：魏玉龙，硕士，主要研究方向为无损检测工艺方法及试块设计制作。
来源：《无损检测》2023年6期
