Page 11 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 邓江勇等： 核级阀门唇焊焊缝熔深的超声检测方法 1121

图 9 显示 6 个检测位置 F 3 脉冲与 F 2 脉冲峰值 2.4
᧛ᄱ฾᧚ϙ
时间差及各位置焊缝熔深的金相测量值，可知峰值 2.3 ᡔܦ฾᧚ϙ
时间差随测量位置的变化趋势与金相测量的焊缝 2.2
ཝᎋཽງ/mm
熔深随测量位置的变化趋势一致，即：基于 F 3 脉冲 2.1
与F 2 脉冲峰值时差能够测量焊缝熔深。 2.0

1.00 2.6 1.9
F 3ᑢфˁF 2ᑢф࢏ϙ௑ࣀ
ཝᎋԒएᄊ᧛ᄱ฾᧚ϙ 1.8
0.95 2.4 1.7 1 2 3 4 5 6
F 3-F 2 ᑢф࢏ϙ௑ࣀ/µs 0.90 2.2 ཝᎋཽງ/mm 0.30 (a) ᡔܦ฾᧚ϙˁ᧛ᄱ฾᧚ϙ
ೝ฾ͯᎶ
0.85

2.0
0.80
0.20
0.75 0.25
1.8 0.15
ፐࠫឨࣀ/mm 0
0.70 0.10 0.06
0 1 2 3 4 5 6 7 0.05
ೝ฾ͯᎶ -0.05
图 9 超声时差测量值与金相熔深测量值对比图 -0.10
-0.15
Fig. 9 Comparison of ultrasonic time difference -0.20
measurement value and metallographic penetra- -0.25
-0.30
tion measurement value 1 2 3 4 5 6
ೝ฾ͯᎶ
由焊缝熔深的金相测量值及余高面 -狭缝端的 (b) ፐࠫឨࣀѬౢ
时间间隔可求出各位置焊缝的纵波声速，如表 3 所 图 10 超声熔深测量与金相测量对比分析
示。表 3 显示：各测量位置焊缝声速并不相同，焊 Fig. 10 Comparative analysis of ultrasonic weld
缝表面形状及不均匀组织结构导致各位置的声速 penetration measurement and metallographic
差异。采用各位置声速的平均值作为焊缝中纵波 thickness measurement
声束的修正值用于熔深测量，纵波声速修正值为
4 结论
5150 m/s。

表 3 余高面 -狭缝端的纵波声速 (1) 建立的有限元模型可反映焊缝环形余高曲
Table 3 Ultrasonic longitudinal wave ve- 面对聚焦声场的影响，声场聚焦能力随着曲率半径
locity 的减小而变差，即：聚焦深度和焦区尺寸随曲率半径
的减小而增大；尽管如此，其焦区最大声压降低水平
位置编号 1 2 3 4 5 6 均值
较小，通过调整水距可以在具有环形唇焊余高表面
声速/(m·s −1 ) 5220 5095 5095 5123 5168 5201 5150
的焊缝中形成高声压聚焦声场。
根据焊缝纵波声速修正值5150 m/s、F 3 脉冲与 (2) 为适应核电阀体唇焊焊缝熔深的现场测量，
F 2 脉冲峰值时差以及式 (1)可得到焊缝熔深的超声 设计了专用水套安装于水浸超声聚焦探头上，可实
测量值 (图 10(a))。定义绝对误差为超声熔深测量 现与水浸法相同的超声波聚焦检测能力，能够有效
值与金相测量值差值的绝对值，则有：最大绝对误差 提取焊缝狭缝端的反射回波。
出现在位置1和位置3为0.06 mm，平均绝对误差为 (3) 结合金相方法对焊缝声速进行修正，基于
0.05 mm(图 10(b))。考虑到组织结构、焊缝表面状 修正后的声速和反射波脉冲峰值时差可测得焊缝
态的影响，以及金相切割引入的误差，同时考虑唇焊 熔深；与金相结果相比，焊缝熔深超声测量值的最大
焊缝熔深测量需求，最大 0.06 mm 的绝对误差在工 绝对误差不大于 0.06 mm，符合核电阀体唇焊焊缝
程实践中是可以接受的。 熔深的测量需求。