焊接接头超声波检测信号特征分析与缺陷识别研究

引言：

随着现代焊接技术向高参数、大型化方向发展，焊接接头内部缺陷的检测要求日益严格，超声波检测因其穿透能力强、灵敏度高等优势，成为焊接质量评估的主要方法，在实际检测过程中，复杂工件结构导致的信号噪声干扰、不同类型缺陷回波特性的相似性等问题，仍制约着检测结果的准确性与可靠性，数字信号处理技术与人工智能算法的快速发展为超声波检测信号分析提供了新的解决思路，深入研究焊接接头超声检测信号的特征规律，开发智能化的缺陷识别算法，对提高检测效率、降低人为误判风险具有重要意义。

1.焊接接头超声波检测信号特征

1.1 焊缝根部未焊透缺陷的反射波幅

在焊接接头超声波检测中，焊缝根部未焊透缺陷产生的反射波幅具有典型的信号特征，其波幅高度与缺陷尺寸呈现明显的正相关性，当采用5MHz 斜探头进行检测时，未焊透缺陷在时基线上的反射波位置通常出现在一次底波与二次底波之间，其波幅高度可达基准波高的百分之八十以上，对于厚度为 20mm 的 Q345R 钢板对接焊缝，当根部未焊透长度超过 3mm 时，反射波幅会显著升高，且伴随着明显的波形变宽现象，其波包宽度可达正常焊缝区域反射波的两倍左右，检测过程中发现，随着未焊透缺陷深度的增加，反射波中心频率会产生约 1MHz 的偏移，同时伴随着明显的频谱能量衰减。在检测灵敏度设置为 Φ2 横孔当量的条件下，未焊透缺陷的反射波动态范围通常维持在16dB 至24dB 之间，当探头沿焊缝长度方向移动时，未焊透缺陷的反射波幅呈现持续性高波幅特征，这与气孔等点状缺陷的间断性反射特征形成明显区别，分析反射波的上升沿时间发现，未焊透缺陷的上升沿时间普遍大于 0.8μs ，这与其较大的几何尺寸特征相符，在实际检测中，当发现反射波幅超过评定线且伴有明显的波形畸变时，应高度怀疑存在未焊透缺陷，需结合其他检测方法进行验证。

1.2 熔合区气孔缺陷的多次回波衰减

当超声波遇到气孔缺陷时，由于气-固界面显著的声阻抗差异，会在缺陷界面产生强烈的反射回波，同时伴随着明显的声能散射现象，气孔缺陷的典型特征表现为在时基线上出现等间距排列的多次回波序列，随着回波次数的增加，波幅呈现指数级衰减趋势，与未熔合等面状缺陷不同，气孔缺陷的多次回波衰减速率更快，且波形更为尖锐，这与气孔的三维球状几何特征密切相关，检测过程中可观察到，气孔缺陷的首次回波通常具有较高的波幅，但二次回波和三次回波的相对幅度会急剧下降，快速衰减模式与材料内部其他类型的缺陷形成明显区别[1]。当探头在气孔缺陷上方做扫查移动时，回波信号会呈现突然出现又迅速消失的特点，反映出气孔缺陷的孤立性和局部性特征，密集气孔群的回波信号会相互叠加，形成特殊的"闪烁"效应，在时基线上表现为多个不连续的波峰群，分析回波的相位特征可以发现，气孔缺陷的回波往往伴随着明显的相位反转现象，这为区分气孔与其他类型的缺陷提供了重要判据，正确识别气孔缺陷的这种独特衰减特征，对于准确评估焊接质量具有重要意义。

1.3 热影响区裂纹缺陷的波形畸变现象

由于热影响区组织存在明显的晶粒粗化和残余应力分布，当超声波传播路径上存在微裂纹时，会产生独特的信号特征变化，检测时采用频率为 5MHz 的斜探头，调整入射角使声束轴线与预测裂纹走向形成45 度夹角，以获取最佳的缺陷回波信号，在波形分析中，热影响区裂纹主要表现出三种典型畸变特征：回波包络线的展宽现象，这是由于裂纹面不规则造成的声波散射；出现特征性的"兔耳"状旁瓣，源于裂纹尖端衍射波的干涉；声时位置的异常漂移，反映了裂纹导致的声速变化[2]。为准确捕捉这些特征，检测过程中需设置采样频率不低于 100MHz 的数字化采集系统，并采用小波变换算法对原始信号进行时频分析，针对粗晶材料特有的草状回波干扰，开发了基于形态学滤波的噪声抑制技术，通过结构元素匹配提取裂纹特征信号，同时建立裂纹取向与回波幅值的对应关系模型，利用偏振探头测量回波信号的偏振特性变化来判定裂纹走向，对于多层多道焊的热影响区，采用全矩阵捕获技术获取完整的声场数据，合成孔径聚焦算法重建裂纹三维形貌，检测结果需结合焊接工艺参数进行综合分析，特别注意回火区与未回火区的组织差异对波形畸变程度的影响，最终形成包含裂纹位置、尺寸和取向的完整评价报告。

2.焊接接头超声波检测缺陷识别技术

2.1 基于时域分析的焊缝气孔缺陷脉冲回波识别

检测人员需采用中心频率 5MHz 的斜探头，配合超声波探伤仪的射频显示模式，重点观察时基线上出现的孤立性回波信号，对于厚度 20mm 的 Q235B 钢板对接焊缝，当发现脉冲回波上升时间小于 0.5μs 且波包持续时间短于 1.2μs 的瞬态信号时，应高度怀疑存在气孔缺陷，检测时需设置合适的检测灵敏度，通常以 Φ2 横孔作为基准反射体，对比缺陷回波与基准波高的差异评估气孔尺寸，在扫查过程中，探头应以不超过150mm/s 的速度匀速移动，当发现符合气孔特征的脉冲回波时，立即进行十字定位扫查，确认缺陷在焊缝长度和宽度方向上的具体位置[3]。信号分析阶段需重点关注回波的幅值衰减特性，气孔缺陷的二次回波幅值通常较一次回波下降超过 6dB，这与未熔合等面状缺陷的衰减特性形成明显区别，观察回波信号的相位特性，气孔缺陷往往呈现180°相位反转特征，为提高识别准确率，应采用数字式超声波探伤仪的A 扫描信号存储功能，对可疑信号进行多次采集和平均处理，消除随机噪声干扰，对于密集气孔区，还需采用时域信号相关分析技术，区分相邻气孔产生的重叠回波。

2.2 采用声束偏转技术的层间未熔合缺陷定位

动态调整探头声束入射角度实现对缺陷三维空间位置的精确测定，检测人员需选用具有电子偏转功能的相控阵探头，设置声束偏转角度范围为 35°至70°，扇形扫描模式获取不同折射角下的缺陷回波信号，对于厚度 30mm 的 16MnDR 钢多层焊接接头，当发现特定角度下出现的持续性高幅回波且伴随明显的声影效应时，可判定存在层间未熔合缺陷，检测过程中需建立声束入射角度与缺陷埋藏深度的对应关系模型，利用声程计算法确定缺陷在焊缝厚度方向上的准确位置[4]。信号分析阶段重点观察不同偏转角度下缺陷回波的幅值变化曲线，层间未熔合缺陷通常在45°至 55^∘ 偏转角度区间呈现最大回波幅值，这与缺陷面的空间取向特性直接相关，定位计算时需考虑材料声速的各向异性影响，采用基于Snell 定律的声路修正算法对检测结果进行补偿，为提高定位精度，应采用全矩阵捕获技术获取完整的声场数据，合成孔径聚焦算法重建缺陷的三维形貌，对于倾斜状的层间未熔合缺陷，还需结合声束偏转扫描和 TOFD 技术进行复合检测，通过衍射波时差分析确定缺陷端部的精确位置。

2.3 利用频谱分析的母材夹渣物特征频率匹配

利用频谱分析的母材夹渣物特征频率匹配技术为超声波检测提供了新的缺陷识别维度，该方法解析回波信号的频域特征建立与典型夹渣物类型的对应关系，在实施过程中需采用宽频带超声波探头配合快速傅里叶变换算法，对采集的A 扫信号进行频谱分解，重点分析 2MHz 至 8MHz 频段内的能量分布特征，检测人员通过比对实测频谱与典型夹渣物特征频率数据库，当发现信号在 3.5MHz 附近出现显著的能量峰值且伴随高频成分异常衰减时，可判定为氧化铝类夹渣物，对于硫化物夹渣则表现为在2.8MHz 和 5.2MHz 双峰特征，而硅酸盐夹渣往往引起 4MHz 频段的宽带响应[5]。实际操作中需建立标准化的频谱采集流程，控制探头施加压力在5N 至8N 范围内以保证耦合稳定性，采用汉宁窗函数处理时域信号减少频谱泄漏，信号处理阶段应用小波包分解技术提取不同尺度下的频带能量特征，通过主成分分析法降维处理构建缺陷分类的特征向量，针对密集分布的微小夹渣群，需采用时频联合分析方法区分重叠信号的各组成分量，通过 Wigner-Ville 分布识别非平稳信号中的特征频率成分，为提高匹配准确度，应结合材料冶金图谱对频谱特征进行物理解释，建立考虑晶粒散射影响的修正模型。

2.4 基于声速差异的热影响区裂纹缺陷深度测算

分析超声波在裂纹尖端衍射过程中产生的声速异常现象来反演缺陷的纵深尺寸，在具体操作中，检测人员需采用双晶探头配合脉冲回波时差测量技术，精确捕捉纵波和横波在裂纹区域的传播时间差异，当检测到超声波在热影响区传播速度较母材区域下降超过 5%时，可判定存在微观裂纹损伤，对于厚度 25mm 的 Q345qD 桥梁钢焊接接头，建立声速梯度与裂纹深度的对应关系模型，采用声线追踪算法重构缺陷剖面形貌。检测过程中需重点监测裂纹尖端衍射波与直接反射波的相位干涉现象，利用声波在裂纹不同深度处的模态转换特征计算缺陷延伸尺寸，信号处理阶段应用全波形反演技术，迭代优化算法求解波动方程，重建裂纹区域的声学参数分布，针对倾斜状裂纹，需采用偏振敏感检测技术区分不同振动模式的声波分量，结合群速度频散特性分析裂纹深度方向的不连续性，为提高测算精度，应建立考虑材料织构影响的声速各向异性修正模型，通过多探头阵列检测获取空间声场数据。

结语：

本研究通过对焊接接头超声波检测信号的系统分析，揭示了典型缺陷的回波特征规律，为缺陷的智能化识别奠定了理论基础，研究成果不仅有助于提升焊接质量检测的精度和效率，也为无损检测技术的数字化、智能化发展提供了新的研究方向，随着深度学习算法的优化和检测设备的升级，超声波检测在焊接质量控制中的应用将更加精准可靠，为工程结构的安全运行提供更有力的技术保障。

参考文献：

[1]李双.焊接接头超声波检测中变形波分析[J].机电信息, 2025(4):63-65.

[2]孟凡健.基于聚合物芯片的超声波自止式焊接接头设计制作[J].轻工科技, 2024,40(4):64-66.

[3]王艳,张婷婷,许振波,等.叠层不锈钢/铜箔超声波焊接接头的组织和性能[J].热加工工艺, 2025, 54(1):39-44.

[4]邢祥壮,赵守胜,刘升.钢腹板焊接残余应力的超声法检测研究[J].中国金属通报,2023(22):246-248.

[5]张静锋,宋锋锋.钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波分析[J].科学与信息化,2023(11):160-162.