Page 9 - 《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 1119

12.2 焦声场，超声波遇到狭缝端形成反射回波。图 6(b)
12.0 显示水 -焊缝余高界面反射回波脉冲 F 2 的峰值时
11.8
间为 17.4 µs，狭缝端反射波脉冲 F 3 的峰值时间为
11.6
ೝ฾ඵᡰ/mm 11.4 18.1 µs，透镜 -水界面反射的二次波峰值时间为
18.8 µs。设焊缝中纵波声速 5800 m/s，则据式 (1)
11.2
可知：焊缝熔深 (狭缝端深度) 为 2.03 mm。仿真结
11.0
10.8 果显示：采用水浸聚焦检测技术可接收到曲率半径
10.6 ࣱ᭧ 28.5 mm 唇焊焊缝中宽度 0.2 mm 的狭缝端反射回
10.4
波，基于该反射回波可测量焊缝熔深。
0 1/52 1/37.5 1/28.5
జဋ ↼⊳r↽ 3.5
3.18
图 4 水距随曲率的变化趋势 3.0
Fig. 4 Variation trend of water distance with curvature 2.5 -6 dB

表2显示平面、各类曲率半径下唇焊深度2 mm ܦԍ/Pa 2.0 1.59
处的焦区尺寸及其相对增幅，以及焦区声压最大值 1.5
3.58
及其相对增幅。相对增幅r 定义为 1.0
v w − v 0 11.57 13.02 15.15
r = , (5) 0.5
v 0
10 12 14 16 18 20 22 24 26
式(5)中，v w 表示从焊缝曲面入射的焦区特征，v 0 表 ᣉՔ/mm
示从平面入射的焦区特征；其中，焦区特征包括焦区 (a) ᣉՔܦԍѬ࣋(ࣱ᭧)
高度、焦区直径、焦区声压幅度。 3.5
随着曲率半径的减小 (曲率增大)，焦区尺寸增 3.0 3.18

大，即：聚焦能力随着曲率的增大而下降。以本文涉 2.5 -6 dB
及的曲率最大的唇焊焊缝为例，半径 28.5 mm 环焊 2.0
缝焦区直径增大 23.8%，焦区高度增大 52.2%，而最 ܦԍ/Pa 1.5 1.59
大幅度仅减小 11%。因此，尽管环焊缝曲面虽对焦 1.0 0.42
区尺寸有较大影响，但焦区幅度下降较小，能够通过 0.5
修正水距在预定深度的焊缝狭缝端形成有效的聚 0
3.79 4.21
焦声场。 -0.5
1 2 3 4 5 6 7
进一步的，建立焊缝熔深测量方法的有限元模 ੕Ք/mm
型，距余高表面 (r = 28.5 mm) 2.03 mm 深增加一 (b) ഷՔܦԍѬ࣋(ࣱ᭧)
宽度0.2 mm窄槽以模拟唇焊焊缝狭缝端，如图 6(a) 图 5 焦区声压分布
所示。调整水距在焊缝中 2 mm 深狭缝端形成聚 Fig. 5 Sound pressure distribution in focal area

表 2 焦区尺寸随焊缝曲率半径的变化
Table 2 Focus size and amplitude varied with the radius of weld curvature

曲率半径/mm 焦区高度/mm 相对增幅/% 焦区直径/mm 相对增幅/% 焦区幅度/Pa 相对增幅/%
平面 3.58 0 0.42 0 3.18 0
52 4.63 29.3 0.46 9.5 2.98 −6.3
37.5 5.09 42.2 0.48 14.3 2.90 −8.8
28.5 5.45 52.2 0.52 23.8 2.83 −11.0