焊缝超声波探伤中的一种假缺陷回波
摘要：对接焊缝超声波探伤时，探头下扩散声束在焊缝表面的反射回波，很容易被误判为缺陷。通过采用不同角度探头进行探伤试验，明确了这种假缺陷回波产生的原因及特点。
1 问题的提出
三峡工程引水压力钢管直径为12.4m，由厚度为28～60mm钢板卷制焊接而成。下平段钢板材料为600MPa级调质钢，焊接时严格控制热输入，均采用多层多道焊。
在厚板环缝超声波探伤(B级)时，常发现距背面3～8mm深度范围内的熔合线附近有不同长度连续的超标反射回波，有时甚至于焊缝全长都有此反射波。以某一60mm厚管节为例，其焊缝结构形式如图1所示，使用数字式探伤仪(增益型)其回波指示位置见表1，波幅均处在区，也有个别点达到区。
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表1 探伤仪回波指示位置
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β=60°
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回波编号
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声程指示
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水平指标
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深度指示
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1
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107
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92.6
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53.5
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2
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104
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89.2
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51.5
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3
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103.5
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89.2
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51.5
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注：β－探头折射角；水平指示是从入射点算起。 |
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图1 焊缝结构形成
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对于这种反射波，按照常规的判断很容易被评定为未熔合或母材中的缺陷，当拍打背面焊缝区时波幅变化不明显，然而砂轮打磨背面焊缝时可见波幅逐渐降低直至消失，这说明该反射波是来自于背缝的焊缝表面。此种现象极易导至误判，造成不应该的返修。为此，我们进行了一些试验，分析此种反射波产生的原因。
2 试验
试验1：选取与工件相同的钢板（60mm）并经探伤确认该钢板中无缺陷。在钢板背面模仿实际焊缝余高进行堆焊（见图2）。采用不同角度探头进行探伤，发现了类似的回波，其回波指示位置见表2。从表2可见，用前三种折射角的探头，仪器指示深度均小于60mm。按常规，应判为钢板中有缺陷，但实际钢板堆焊前经探伤并无缺陷。
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表2 试验1回波指示位置
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β
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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66°
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126.6
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115.1
|
51.25
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+14
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63°
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124.7
|
111.1
|
56.6
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+13.2
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55.5°
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101.0
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83.2
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55.21
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+8
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45°
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有回波的地方深度指示≥60mm回波幅度多在I区（也有高者）
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图2 试验1示意图
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试验2：由于试验1的焊缝表面形状有随机性，所以又制作了准确形状的对比试块（见图3），其下面约40°斜面为刨床加工。测试结果见表3。从表3中可以看出，用前三种探头探测对比试块同样存在假缺陷波，即仪器指示深度均小于60mm，而且反射回波幅度更高。
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表3 试验2回波指示位置
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β
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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66°
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114.0
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104.1
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46.37
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+1.4
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63°
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110.3
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98.33
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50.11
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-3.4
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55.5°
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98.0
|
80.76
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55.51
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-9.3
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45°
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85.61
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60.53
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60.54
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-8
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图3 试验2示意图
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上述两个试验可看出，用66°、63°及55.5°探头探伤时，图2下部焊缝表面及图3的45斜面均不利于轴线声束反射，故看不到轴线声束的反射波，看到的是扩散声束的回波。所以虽然反射面深度大于60mm，而仪器指示深度却反而小于60mm。但当使用45°探头时，由于试验2的45°斜面与轴线声束接近垂直，所以有较强的轴线声束反射波（DAC－8dB），指示深度也大于60mm；而试验1的焊缝表面反射条件不如45°斜面，但仍能得到轴线声束的反射回波，只是相对45°斜面其回波能量较低（多在区），仪器指示深度也是大于60mm。
试验3：上述两个试验都是用一次波对厚板进行探伤的试验，为了考察中厚板是否存在此假缺陷回波，又选择了厚度为34mm的管节环缝进行了试验（见图4）。经测试，这种产生于焊缝趾部（如图4A点附近）的假缺陷回波，用一、二次波扫查都能发现（图4的探头D和B位置），表4为二次波扫查时的指示位置。焊缝趾部附近经打磨后，该回波消失。
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表4 34mm厚板二次波的指示位置
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探头k值
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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2
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131.9
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118.0
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59.09
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II区
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图4 试验3示意图
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其中：①A′B相当于下扩散声束的某部分至实际反射点的声程。
②为A′B实际声程转换到声束轴线上的声程（C′B=A′B）。
通过试验测试可见回波有如下特点：
①探伤仪的回波声程指示是入射点到焊缝表面反射点的距离；
②探伤仪的回波指示位置在工件内部焊缝熔合线附近（45°探头除外）；
③探头折射角越大，回波深度指示越小；
④45°折射角探头仪器的深度指示位置等于或大于板厚；
⑤回波幅度与反射面的反射条件有关；
⑥打磨余高回波幅度变小直到消失。
3 分析
通过上述试验证实了假回波的反射面在焊缝表面，但为什么深度指示会远小于板厚而不是大于板厚？其原因是仪器的指示，均是根据轴线声束的声程计算而来，但声束是会扩散的，若反射面只有利于扩散角内某部分声束反射时，其所得回波再用轴线声束计算，显然会出现错误。我们可以借助于RB2对比试块进一步说明。用三种探头分别找到试块中60mm深横通孔的反射最高波，然后向前移动和向后移动探头，移动时波幅将逐渐降低，前移、后移到波幅降到一半时（DAC+6dB）进行讨论，此时的仪器指示见表5。
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表5 轴线声束和扩散声束反射回波的指示位置
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β
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探头位置
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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回波最高处
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146.0
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133.3
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59.38
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0
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66°
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前移
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119.0
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108.7
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48.4
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+6
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后移
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168.0
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153.4
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68.33
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+6
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回波最高处
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131.1
|
116.8
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59.56
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0
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63°
|
前移
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113.5
|
101.1
|
51.53
|
+6
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|
|
后移
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152.7
|
136.1
|
69.36
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+6
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回波最高处
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105.0
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86.53
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59.47
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0
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56.1°
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前移
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94.0
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77.46
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53.24
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+6
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后移
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119.0
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987.07
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67.4
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+6
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现以63°探头前移为例进行分析，当入射点在M时，探头的轴线声束（63°）与反射面垂直，回波最高，仪器的指示位置见表5和图5，此时声程为图5中的BM=131.1mm，深度BF=59.56mm，水平距离FM=116.8mm。探头前移到L时（波幅下降一半），轴线声束移为CL，此时在φ3孔上已无反射面，所以此时的回波不是轴线声束的反射，而是下扩散角内某声束AL（与φ3孔反射面垂直）的反射回波。此时仪器的指示声程是AL的真实声程（113.5mm）。但其深度与水平距离则需要计算：AL的折射角β=arcCos60/（113.5+1.5）=58.55°，实际深度AE=Cos58.55°×113.5=59.22mm，实际水平距离EL=sin58.55°×113.5=96.83mm。上述计算结果显然与仪器的指示深度和水平距离是不同的，仪器指示的数据是按已无反射条件的轴线声束计算的，所以是错误的，其指示深度比A点的实际深度提高了7.7mm，水平距离前移了4.3mm。换言之，即是把A点的反射波误指示为没有反射的C点。
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图5 RB2对比度块
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图6 60mm厚度焊缝探伤图
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同样道理，在图
6所示焊缝探伤时，若A点处焊缝表面不利于轴线声束反射而只与下扩散角范围内某部分声束相垂直时，则得到较高的回波，其仪器提供的深度和水平距离却错误地被指示为C点。
实际上无论探头角度多大，这种扩散声束在焊缝表面引起的假缺陷回波现象都有可能存在，主要决定于有效反射面的大小、方向、形状和光洁度等。如为了和变形波加以区别，把该波称为变角回波更为直观。
4 结束语 综上所述，可得出如下结论：
①焊缝中的这种回波并非缺陷回波，是探头下扩散角内的某一声束在焊缝表面反射的回波
(变角回波)。
②焊缝探伤的变角回波无论斜探头角度多大，都有可能存在，但究竟是否出现及其反射能量强弱主要决定于有效反射面的大小、方向、形状和光洁度等。
③工件厚度越大、探头角度越大，则变角回波的现象越明显。较薄工件用直射波探伤时可能不明显，但用二次以上的波（含二次波）探伤时也很明显。
④凡遇到此类按常规定位方法定位于熔合线附近或母材内的回波，都应慎重对待，需要认真地观察焊缝外形、更换探头角度、双面双侧检测、精确定位分析、必要时打磨焊缝等，以避免造成误判
摘要：对接焊缝超声波探伤时，探头下扩散声束在焊缝表面的反射回波，很容易被误判为缺陷。通过采用不同角度探头进行探伤试验，明确了这种假缺陷回波产生的原因及特点。
1 问题的提出
三峡工程引水压力钢管直径为12.4m，由厚度为28～60mm钢板卷制焊接而成。下平段钢板材料为600MPa级调质钢，焊接时严格控制热输入，均采用多层多道焊。
在厚板环缝超声波探伤(B级)时，常发现距背面3～8mm深度范围内的熔合线附近有不同长度连续的超标反射回波，有时甚至于焊缝全长都有此反射波。以某一60mm厚管节为例，其焊缝结构形式如图1所示，使用数字式探伤仪(增益型)其回波指示位置见表1，波幅均处在区，也有个别点达到区。
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表1 探伤仪回波指示位置
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β=60°
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回波编号
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声程指示
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水平指标
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深度指示
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1
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107
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92.6
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53.5
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2
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104
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89.2
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51.5
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3
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103.5
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89.2
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51.5
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注：β－探头折射角；水平指示是从入射点算起。 |
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图1 焊缝结构形成
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对于这种反射波，按照常规的判断很容易被评定为未熔合或母材中的缺陷，当拍打背面焊缝区时波幅变化不明显，然而砂轮打磨背面焊缝时可见波幅逐渐降低直至消失，这说明该反射波是来自于背缝的焊缝表面。此种现象极易导至误判，造成不应该的返修。为此，我们进行了一些试验，分析此种反射波产生的原因。
2 试验
试验1：选取与工件相同的钢板（60mm）并经探伤确认该钢板中无缺陷。在钢板背面模仿实际焊缝余高进行堆焊（见图2）。采用不同角度探头进行探伤，发现了类似的回波，其回波指示位置见表2。从表2可见，用前三种折射角的探头，仪器指示深度均小于60mm。按常规，应判为钢板中有缺陷，但实际钢板堆焊前经探伤并无缺陷。
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表2 试验1回波指示位置
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β
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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66°
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126.6
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115.1
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51.25
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+14
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63°
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124.7
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111.1
|
56.6
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+13.2
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55.5°
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101.0
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83.2
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55.21
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+8
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45°
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有回波的地方深度指示≥60mm回波幅度多在I区（也有高者）
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图2 试验1示意图
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试验2：由于试验1的焊缝表面形状有随机性，所以又制作了准确形状的对比试块（见图3），其下面约40°斜面为刨床加工。测试结果见表3。从表3中可以看出，用前三种探头探测对比试块同样存在假缺陷波，即仪器指示深度均小于60mm，而且反射回波幅度更高。
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表3 试验2回波指示位置
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β
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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66°
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114.0
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104.1
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46.37
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+1.4
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63°
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110.3
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98.33
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50.11
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-3.4
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55.5°
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98.0
|
80.76
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55.51
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-9.3
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45°
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85.61
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60.53
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60.54
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-8
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图3 试验2示意图
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上述两个试验可看出，用66°、63°及55.5°探头探伤时，图2下部焊缝表面及图3的45斜面均不利于轴线声束反射，故看不到轴线声束的反射波，看到的是扩散声束的回波。所以虽然反射面深度大于60mm，而仪器指示深度却反而小于60mm。但当使用45°探头时，由于试验2的45°斜面与轴线声束接近垂直，所以有较强的轴线声束反射波（DAC－8dB），指示深度也大于60mm；而试验1的焊缝表面反射条件不如45°斜面，但仍能得到轴线声束的反射回波，只是相对45°斜面其回波能量较低（多在区），仪器指示深度也是大于60mm。
试验3：上述两个试验都是用一次波对厚板进行探伤的试验，为了考察中厚板是否存在此假缺陷回波，又选择了厚度为34mm的管节环缝进行了试验（见图4）。经测试，这种产生于焊缝趾部（如图4A点附近）的假缺陷回波，用一、二次波扫查都能发现（图4的探头D和B位置），表4为二次波扫查时的指示位置。焊缝趾部附近经打磨后，该回波消失。
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表4 34mm厚板二次波的指示位置
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探头k值
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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2
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131.9
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118.0
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59.09
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II区
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图4 试验3示意图
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其中：①A′B相当于下扩散声束的某部分至实际反射点的声程。
②为A′B实际声程转换到声束轴线上的声程（C′B=A′B）。
通过试验测试可见回波有如下特点：
①探伤仪的回波声程指示是入射点到焊缝表面反射点的距离；
②探伤仪的回波指示位置在工件内部焊缝熔合线附近（45°探头除外）；
③探头折射角越大，回波深度指示越小；
④45°折射角探头仪器的深度指示位置等于或大于板厚；
⑤回波幅度与反射面的反射条件有关；
⑥打磨余高回波幅度变小直到消失。
3 分析
通过上述试验证实了假回波的反射面在焊缝表面，但为什么深度指示会远小于板厚而不是大于板厚？其原因是仪器的指示，均是根据轴线声束的声程计算而来，但声束是会扩散的，若反射面只有利于扩散角内某部分声束反射时，其所得回波再用轴线声束计算，显然会出现错误。我们可以借助于RB2对比试块进一步说明。用三种探头分别找到试块中60mm深横通孔的反射最高波，然后向前移动和向后移动探头，移动时波幅将逐渐降低，前移、后移到波幅降到一半时（DAC+6dB）进行讨论，此时的仪器指示见表5。
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表5 轴线声束和扩散声束反射回波的指示位置
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β
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探头位置
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声程指示
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水平指示
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深度指示
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DAC（dB）
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回波最高处
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146.0
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133.3
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59.38
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0
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66°
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前移
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119.0
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108.7
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48.4
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+6
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后移
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168.0
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153.4
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68.33
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+6
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回波最高处
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131.1
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116.8
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59.56
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0
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63°
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前移
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113.5
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101.1
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51.53
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+6
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后移
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152.7
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136.1
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69.36
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+6
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回波最高处
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105.0
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86.53
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59.47
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0
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56.1°
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前移
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94.0
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77.46
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53.24
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+6
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后移
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119.0
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987.07
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67.4
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+6
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现以63°探头前移为例进行分析，当入射点在M时，探头的轴线声束（63°）与反射面垂直，回波最高，仪器的指示位置见表5和图5，此时声程为图5中的BM=131.1mm，深度BF=59.56mm，水平距离FM=116.8mm。探头前移到L时（波幅下降一半），轴线声束移为CL，此时在φ3孔上已无反射面，所以此时的回波不是轴线声束的反射，而是下扩散角内某声束AL（与φ3孔反射面垂直）的反射回波。此时仪器的指示声程是AL的真实声程（113.5mm）。但其深度与水平距离则需要计算：AL的折射角β=arcCos60/（113.5+1.5）=58.55°，实际深度AE=Cos58.55°×113.5=59.22mm，实际水平距离EL=sin58.55°×113.5=96.83mm。上述计算结果显然与仪器的指示深度和水平距离是不同的，仪器指示的数据是按已无反射条件的轴线声束计算的，所以是错误的，其指示深度比A点的实际深度提高了7.7mm，水平距离前移了4.3mm。换言之，即是把A点的反射波误指示为没有反射的C点。
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图5 RB2对比度块
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图6 60mm厚度焊缝探伤图
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同样道理，在图
6所示焊缝探伤时，若A点处焊缝表面不利于轴线声束反射而只与下扩散角范围内某部分声束相垂直时，则得到较高的回波，其仪器提供的深度和水平距离却错误地被指示为C点。
实际上无论探头角度多大，这种扩散声束在焊缝表面引起的假缺陷回波现象都有可能存在，主要决定于有效反射面的大小、方向、形状和光洁度等。如为了和变形波加以区别，把该波称为变角回波更为直观。
4 结束语 综上所述，可得出如下结论：
①焊缝中的这种回波并非缺陷回波，是探头下扩散角内的某一声束在焊缝表面反射的回波
(变角回波)。
②焊缝探伤的变角回波无论斜探头角度多大，都有可能存在，但究竟是否出现及其反射能量强弱主要决定于有效反射面的大小、方向、形状和光洁度等。
③工件厚度越大、探头角度越大，则变角回波的现象越明显。较薄工件用直射波探伤时可能不明显，但用二次以上的波（含二次波）探伤时也很明显。
④凡遇到此类按常规定位方法定位于熔合线附近或母材内的回波，都应慎重对待，需要认真地观察焊缝外形、更换探头角度、双面双侧检测、精确定位分析、必要时打磨焊缝等，以避免造成误判。
