焊接质量检测与评价 PPT课件

1 焊接质量检测与评价WeldingQualityInspectionandEvaluation 教师 高秋志授课专业 材料成型及控制工程 2 课程任务 无损检测的基本知识 操作技能与技术要点 学会正确选择无损检测方法 相关仪器 设备 并能正确选定各种技术参数 初步了解缺陷识别 产品质量评定的相关标准 为今后从事材料或产品的无损检测工作 制定相应的无损检测工艺奠定理论和实践基础 无损检测 课程说明 3 课程特点 多科性 本课程学时虽然不多 可知识内涵却十分丰富 多科性是说 这门技术的理论基础是以近代物理学 化学 电子学 材料学为支撑的 从工程角度来说 它又是以全面质量管理科学与无损评定技术紧密结合的一个崭新领域 在具体检测方法和相关原理上 又涉及到磁 电 声 光 热 力等各个领域 在取得准确的检测结果方面 有时尚需多种检测方法的有机配合 运用获得的多种信息对材料 包括试样和产品 的物理性能和变异以及各类缺陷做出准确的评价 4 实践性 对材料 试样 产品的无损检测 主要是探测其中的缺陷 了解各类缺陷的性质 位置 尺寸 形状 分布规律等等 因此 对材料及工件内部缺陷的理解 分布规律和特点的认识 熟悉它们在每种检测方法中的显像规律并做出正确的评价等方面 均与检验人员的实践经验密切相关 5 实用性 无损检测技术具有较为广泛的应用领域 它不仅用于工业生产中 在医疗 生物技术 电子技术 地质科学等诸多领域均可得到有效的运用 尤其在金属材料制造领域 如锅炉压力容器 化工机械 造船 海洋构造 航空航天以及核反应堆等生产制造领域更是不可缺少的质量保证手段 6 教学要求 重点掌握各种无损检测方法的基本原理 适用范围和技术要点 能够正确选择探伤方法 仪器 设备 熟悉基本操作要领 初步掌握拟订检验工艺 缺陷识别 质量等级评定等相关技能 7 主要教学参考书 1 赵熹华主编 焊接检验 北京 机械工业出版社 1992 2 李喜孟主编 无损检测 北京 机械工业出版社 2001 8 1 1焊接检验的意义1 2焊接检验的分类1 3焊接检验的依据及特点1 4焊接检验过程 第1章绪论 9 1 1 1无损检测的概念无损检测 即指不损伤产品又能发现缺陷的检测方法或技术 亦称为无损探伤 属于非破坏性检测方法的范畴 它与某些破坏性检测方法 如力学性能检验 化学分析试验 金相检验等具有很强的互补性 尤其适合成品检验和在役运行产品的检验 无损检测的英文缩写为 NDT non destructivetest 1 1焊接检验的意义 10 1 1 2对实际工程材料的辨证认识材料力学对于材料的认识是基于 均匀性 连续性和小变形假设 来讨论问题的 而实际工程材料及产品在制造过程中 往往因冶金 结构 工艺因素的复杂性及操作人员技术水平的差异 即使按照同一工艺规程操作 也往往会产生各种各样的工艺缺陷 总之 实际工程材料和构件并不那麽理想 有缺陷是绝对的 没有缺陷则是相对的 11 铸件 可能有缩孔 疏松 冷隔 裂纹等 焊件 可能有气孔 夹杂 未熔合 未焊透以及焊接裂纹等 锻件 往往有裂纹 褶皱 夹层等 热处理件 也可能出现裂纹 偏析 组织粗大等等 工艺缺陷举例 12 1 1 3无损检测的意义 1 质量 安全保证 即控制产品质量 保证设备安全运行 生产高质量产品的需要生产高质量的产品 往往需要从原材料 试板 到零件 部件乃至最终产品 都进行较严格的质量把关 即实行全面质量管理 而无损探伤技术恰好是必不可少的技术手段 设备在役安全运行期间跟踪监测的需要设备运行期间也可能产生新的缺陷 如 应力腐蚀裂纹 延迟裂纹 疲劳裂纹等等 需要定期或不定期地进行质量跟踪 以保证其运行的安全性 如核反应堆中的压力容器 13 2 工艺 技术保证 即改进制造技术 优化制造工艺 在新产品研制 新工艺制定过程中 对于某些工艺参数 工艺措施的确定 有时需要进行严格的工艺评定 借助先进的无损检测技术可筛选出最佳规范 进而制定出新产品的工艺规程 最终制造出合格的产品或优质产品 14 3 效率 效益保证 及时发现缺陷 降低生产成本 在复杂产品的加工过程中往往经历 零件制备 部件组成 结构总成 等较长生产周期 在重点工序适时进行合理 适度的检验 可及时消除该工序产生的缺陷 防止同类缺陷的重复出现 这样做比在产品加工完成后再来消除缺陷更节省时间 材料和工时 从而降低了生产成本 而且 及时返修在操作上也较为容易 15 4 信誉 实力的见证 积累技术资料 促进技术进步成功的检测数据 配套的原始底片 合格的检验报告 标准的检测试板等等 都是宝贵的技术资料 既可用于技术交流 又可长期存档 依托精干的检测队伍 先进的检测设备以及严密的管理措施所建立起来的质量保证体系 不但能够提高材料的潜能 促进企业的技术进步 还能提高企业的信誉和产品的国际竞争力 特别是在出现产品质量纠纷时 上述检验资料的法律价值就会凸现出来 16 1 2焊接检验的分类 17 18 1 3 1无损检测的特点无损检测技术主要用于未知工艺缺陷的检验 它是对破坏性检验的补充和完善 其特点是 非破坏性 是指在获得检测结果的同时 除了剔除不合格品外 不损失零件 因此 检测规模不受零件多少的限制 既可抽样检验 又可在必要时采用普检 因而 更具有灵活性 普检 抽检均可 和可靠性 1 3无损检测的特点及检测依据 19 互容性 即指检验方法的互容性 即 同一零件可同时或依次采用不同的检验方法 而且又可重复地进行同一检验 这也是非破坏性带来的好处 动态性 这是说 无损探伤方法可对使用中的零件进行检验 而且能够适时考察产品运行期的累计影响 因而 可查明结构的失效机理 严格性 是指无损检测技术的严格性 首先无损检测需要专用仪器 设备 同时也需要专门训练的检验人员 按照严格的规程和标准进行操作 20 检验结果的分歧性 不同的检测人员对同一试件的检测结果可能有分歧 特别是在超声波检验时 同一检验项目要由两个检验人员来完成 需要 会诊 概括起来 无损检测的特点是 非破坏性 互容性 动态性 严格性以及检测结果的分歧性等 应注意扬长避短 科学利用 21 1 3 2实施焊接检验的依据施工图样图样是生产中使用的最基本的技术资料 也是加工 检验的依据 尤其在图样的技术要求中 往往规定了原材料 零件 产品的质量等级 具体要求以及是否需要作无损检验等等 技术标准生产企业往往要贯彻相关标准 如 企业标准 行业标准 国家标准 国际标准等等 这些都是产品加工的指导性文件 自然也是实施无损检测的指导性文件 在具体标准中 往往详细规定了检验对象 检验方法 检验规模等等 22 技术文件产品生产工艺部门下达的各种技术文件 如工艺规程 检验卡片 产品检验报告 返修单等等 有时还要追加或改变检验要求等等 订货合同某些产品的特殊检验要求 质量控制的条款 有时可能较详细的强调在订货合同中 应引起特别注意 23 焊前检验焊接过程检验焊后检验安装调试质量检验产品服役质量检验 1 4焊接检验过程 教材P5 24 1 无损检测的作用 在不损伤材料或产品的条件下 发现缺陷 改进工艺 控制质量 降低成本 维持和保证设备的安全运行 为企业和产品创建较为完备而可靠的技术档案并提供法律依据 2 无损检测技术的采用 应贯彻适时 适度的原则 应用时 要参考相关标准 3 无损检测的特点是 非破坏性 互容性 动态性 严格性以及检测结果的分歧性等 应注意扬长避短 科学利用 本章小结 25 本章思考题 1 无损检测有哪些实际意义 2 如何处理好适度检验问题 3 无损检测的基本特点有哪些 4 哪些检验属于破坏性检验 26 2 1概念及分类2 2特征及分布2 3产生因素2 4危害及影响2 5检测方法简介 第2章焊接缺陷 27 2 1 1焊接缺陷的概念概念 在材料加工成型过程中 经常会出现某种或某些不合乎质量要求的外观缺陷 性能缺陷 组织缺陷和更为严重的内部几何不连续型缺陷 如裂纹 孔洞 夹杂等 我们把这些 冶金因素 结构因素 工艺因素 导致的产品质量不符合相关标准要求的各类缺陷统称为工艺缺陷 2 1焊接缺陷的概念及分类 28 工艺缺陷的辨证分析 缺陷产生的绝对性 就是说 在实际生产中 要获得没有任何缺陷的产品 在技术上是相当困难的 要使成批生产的产品都没有任何缺陷 是不经济的 甚至是不可能的 缺陷评定标准的相对性 即 判废标准 的相对性 就是说 不同的产品或同一产品 往往因使用条件工况不同 对其质量要求也不同 因而 对工艺缺陷的容限 即 判废标准 也不尽相同 29 判废标准的制定原则 一般地说 产品质量等级越高 失效后危害性越大 对缺陷控制也越严格 因此 必须注意贯彻和参照有关标准 不能随意判废 即合于使用的原则 工艺缺陷的修复 轻微的缺陷 不影响使用 是可以容忍的 严重的缺陷 不符合使用要求 则必须给予处理 有些缺陷能够及时修复 而有些缺陷则可能无法修复 产品就得判废 30 比如 焊缝余高过大 属于焊缝形状不良 严重时可以修磨 必要时甚至可以磨平 再如 铸件的表面砂眼 可以通过焊补来修复 特别指出 考虑到焊接接头组织和性能的恶化 某些产品的焊接修复不允许超过2次 所以 应该注意制定严格的修复工艺 否则就会造成经济损失 举例说明 31 2 1 2工艺缺陷的分类工艺缺陷种类繁多 产生原因也相当复杂 为了便于分析和处理工艺缺陷 制定检验工艺 方便技术交流 有必要对其进行分类 1 按技术内涵大体分为 加工 装配缺陷 如焊件坡口角度 装配间隙不均匀 错边量过大等 形状 尺寸缺陷 如工件变形 焊缝宽窄不一致 焊缝余高过大 表面塌陷 满溢 焊瘤等等 32 几何不连续型缺陷 如焊件中的裂纹 孔洞 夹杂 未熔合 未焊透 铸件中的缩孔 疏松 裂纹等等 组织 性能缺陷 如机械性能不良 耐腐蚀性下降 过热组织 脆性组织 偏析等等 其它工艺缺陷 如飞溅 表面划伤 电弧擦伤 凿痕 磨痕等等 33 2 按工艺方法 工艺责任 分为 焊接缺陷 因实施焊接工艺而引起的缺陷 铸造缺陷 因实施铸造工艺而引起的缺陷 锻压缺陷 因实施锻造 冲压工艺而引起的缺陷 热处理缺陷 略 34 3 按缺陷性质不同分为 GB6417 86 裂纹 如冷裂纹 热裂纹 再热裂纹 层状撕裂 火口裂纹等 孔穴 如缩孔 气孔等 固体夹杂 如夹渣 夹钨等 未熔合 如坡口未熔合 层间未熔合 未焊透 如根部未焊透 中部未焊透 其它缺陷 未包含在以上5种缺陷中的缺陷 如咬边 烧穿 焊瘤 电弧划伤等 35 4 按缺陷的埋藏深度分为 表面缺陷 如表面气孔 表面裂纹 砂眼 咬边等 近表面缺陷 如皮下气孔 夹杂等 内部缺陷 如内部夹杂 气孔 缩孔 裂纹 未熔合 未焊透等 36 5 按缺陷的几何特征不同分为 体积型 如孔洞 夹杂等 面积型 如裂纹 未熔合 夹层等 37 6 按具体缺陷的位置特征又有不同的称谓 例如 裂纹可分为 HAZ裂纹 焊缝裂纹 火口裂纹 焊趾裂纹 焊根裂纹等 未熔合可分为 坡口未熔合 层间未熔合 根部未熔合 38 7 其它分类 按裂纹走向不同有 横向裂纹 纵向裂纹 人字形裂纹 辐射形裂纹等称谓 按裂纹尺寸不同又有 宏观裂纹 微裂纹等称谓 按具体缺陷产生机理又有不同的分类 例如 焊接接头中的裂纹因其产生机理不同有 热裂纹 冷裂纹 再热裂纹 层状撕裂等 焊件中的气孔又分为 氢气孔 氮气孔 CO气孔等等 39 焊接裂纹气孔固体夹杂未熔合和未焊透形状缺陷其他缺陷 2 2焊接缺陷的特征及分布 40 材料因素 元素含量高结构因素 结构设计不合理工艺因素 线能量过大 2 3主要因素 41 2 4 1工艺缺陷的危害性 定性分析 应该指出 处在同一位置上的不同性质的缺陷 或处在不同位置的同一性质的缺陷 其危害性是不尽相同的 1 对于同一性质的缺陷 即使数量 大小相同 有 2 4焊接缺陷的危害及其对质量的影响 42 表面缺陷比内部缺陷危害性大 位置特征 高应力区的缺陷比低应力区的缺陷危害性大 应力特征 与主应力垂直的片状缺陷比平行主应力时危害性大 走向特征 应力集中区的缺陷比非应力集中区的缺陷危害性大 缺口效应 对疲劳强度的影响比静载强度的影响大 载荷特征 未发现的缺陷比已发现的缺陷危害性大 掌控状态 43 2 不同性质的缺陷危害性排序 从大到小 裂纹未熔合 未焊透咬边夹杂 条状 夹杂 圆形 气孔 应该强调 任何一种缺陷达到相当严重的程度都会造成危害 不仅会造成结构的破坏 甚至会酿成灾难性事故 尤其对于裂纹类缺陷工艺上是不能容忍的 必须彻底铲除 44 2 4 2工艺缺陷产生危害的本质 1 使工件的有效承载截面F受到削弱 因而使实际平均应力增大 2 缺陷造成的几何不连续 导致局部应力集中 引起缺口尖端的局部三向拉应力 使材料性能变脆 即产生缺口效应 可能引起裂纹失稳扩展 造成低应力破坏 脆断 结构的应力集中点又容易引发疲劳裂纹 成为疲劳裂纹源 应力集中区也容易加剧引起应力腐蚀开裂 45 2 4 3工艺缺陷的产生原因这个问题十分复杂 需要具体问题具体分析 从总体上说 主要来自 冶金因素 如化学成分 碳当量 杂质含量 冷却速度等等 结构 力学 因素 如壁厚 应力集中 截面突变 拘束应力等等 工艺因素 预热条件 烘干温度 清理 环境湿度 规范参数等等 46 对于每种具体缺陷的产生原因 还要结 材料成型原理 课程的学习来深入理解 譬如 焊接冷裂纹的产生原因 三要素 接头中的淬硬组织M 接头中的较高拘束应力 R 扩散氢含量的影响 三因素相互促进 加剧焊缝在焊根或熔合线处的开裂倾向 47 2 5 1常用的无损探伤方法及探伤原理材料或工件未知工艺缺陷的检测中常用的无损探伤方法有 1 射线探伤 RT 是利用射线的穿透性和衰减性来发现缺陷 即射线能够穿透物质并且在物质中有衰减的物理特性来发现缺陷的 该法是工业生产中最常用的NDT方法 2 5无损检测方法的种类及其适用性 48 2 超声波探伤 UT 是利用超声波在物质中传播 反射和衰减等物理性质来发现缺陷的 该法与射线探伤法形成优势互补 3 磁力探伤 MT 是通过对铁磁材料进行磁化所产生的漏磁场来发现其表面及近表面缺陷的 在黑色金属的表面检测中应用广泛 49 4 渗透探伤 PT 是利用荧光染料或红色染料渗透剂的渗透作用显现工件表面开口型缺陷痕迹的 注意 不能用于多孔型材料 5 涡流探伤 ET 是利用涡流的集肤效应及其在缺陷处的畸变行为来发现和检测缺陷的 此外 还有液晶探伤 中子探伤 全息探伤 声发射探伤等等 50 2 3 2五种常用无损探伤法的适用性 射线探伤 适用于材料内部体积型缺陷 孔洞 夹杂 未焊透等 对于面积缺陷 如裂纹等 有选择性 即缺陷平面与射线透照方向平行或接近平行时非常适用 而当缺陷平面与射线透照方向垂直时极不敏感 易出现漏检 超声波探伤 适用于大多数缺陷的检测 但检出容易 定量难 不易发现细小裂纹 另外 由于检测系统存在盲区 故不适合薄板的检测 51 磁力探伤 适合铁磁性材料的表面缺陷及近表面缺陷的探伤 不适用于非铁磁性材料 如铜 铝 奥氏体钢等等 4 渗透探伤 适用于各种材料表面的开口型缺陷的检测 如裂纹 针孔等 但不适用多孔型材料 5 涡流探伤 适用于各种导电材料的表面及近表面缺陷的探测 不适于非导电材料的缺陷检测 52 本章从不同角度对缺陷分类 以便加强理解和记忆 对于缺陷的认识还没有完结 仍须通过其它课程的学习加以深化 在具体检测方法中 如何显现缺陷的形态 更要结合试验深入掌握 最后 对常用的无损检测方法的适用性作出简要的总结 后续课程将会深入理解这一点 本章小结 53 1 工艺缺陷是如何分类的 2 工艺缺陷产生危害的本质是什麽 3 不同性质的工艺缺陷的危害性是否相同 试说明之 4 同一种缺陷在不同条件下 危害性是否相同 试说明之 5 常用的无损检测方法的适用性如何 6 什么是咬边 未熔合 未焊透 夹杂 54 本章重点内容 1 射线的产生及性质 更好地利用它 2 射线检测的基本原理 更好地理解各种缺陷的显像状况 3 重点掌握射线照相法检测技术 学以致用 4 了解射线的防护知识 保护环境和注意人身安全 第3章射线探伤 55 射线检测的英文缩写 RT raytesting 基本原理 利用射线能穿透物质且在不同物质中的衰减情况有差异的特性来发现构件中的缺陷 依据显示缺陷的方法不同 分为以下几种具体的方法 电离法 荧光屏观察法 工业电视法 照相法 计算机断层扫描法CT 56 根据射线源不同 又分为 X射线检测 射线检测 高能射线检测 本章将以X射线照相法检测技术为核心 讲授射线检测技术 射线检测又称射线探伤 57 3 1 1射线的本质射线本身就是一种波长很短的电磁波 X 射线统称为光子 根据波谱图可查得 X射线的波长为 0 001 0 1nm 射线的波长为 0 0003 0 1nm 射线比X射线的波长还短 因此 其穿透能力更强 3 1射线介绍 58 电磁波普图 59 3 1 2射线的性质 1 不可见 直线传播 具有隐蔽性和指向性 2 不带电 因而不受电磁场影响 电中性 3 能穿透物质 但有衰减 具有穿透性和衰减性 4 能与某些物质产生光化作用 使荧光物质发光 可使胶片感光 可成像 5 能使某些气体电离 即产生电离辐射 6 与光波一样 有反射 折射 干涉现象 7 能产生生物效应 伤害和杀死生物细胞 对人体有害 60 3 1 3射线的产生射线的性质 有利 有弊 应该科学地加以利用和防范 射线学就是研究如何利用与防范射线的科学 下面介绍产生x射线的主要设备 1 x光管基本组成 阴极部件 灯丝 钨丝 发射电子 阴极罩 聚焦电子 阳极部件 阳极靶 接收电子 冷却介质 散热作用 真空管 玻璃或金属陶瓷制作的真空外罩 61 2 X射线管及其工作原理 62 3 X射线的产生过程表述首先 对灯丝通电预热 产生电子热发射 形成电子云 大约20分钟左右 然后 对阴极和阳极施加高压电 几百kv 形成高压电场 加速电子 并使其定向运动 被加速的电子最终撞击到阳极靶上 将其高速运动的动能转化为热能和X射线 63 高速运动电子的能量 绝大多数转换为热能 转化为X射线的能量比率仅占1 左右 因此阳极靶必须散热和冷却 这个问题应该由X射线管的设计人员解决 产生X射线的强度与管电流成正比 与管电压的平方成正比 与阳极靶材料的原子序数成正比 因此 恰当选择管电流 管电压和阳极靶材料至关重要 换言之 X射线的强度可由管电流和管电压灵活调节 4 几点说明 64 常用的阳极靶材料为钨 它具有高原子序数和高熔点 X射线的强度的分布规律 在垂直电子束的方向上最强 在平行电子束的方向上最弱 这就是说 X射线的强度在空间的分布是不均匀的 而且具有一定的扩散角 并不是平行光 了解这一点 对应用也很重要 65 射线是由放射性同位素的原子核衰变过程伴随产生的 常用于射线探伤的放射性同位素主要有 钴60 铱192 铯137 134等 射线的特点 强度高于X射线 穿透力强 适合厚板透视 强度无法直接调节 射线长期存在 防护更要注意 可实现周向辐射 透视效率高 3 1 4 射线的产生 66 3 1 5 射线的半衰期 67 3 2 1射线与物质的相互作用 3 2射线探伤基本原理 68 光电效应 射线与物质的相互作用 光电效应 69 光电效应在普朗克概念中每束射线都具有能量为E hv的光子 光子运动时保持着它的全部动能 光子能够撞击物质中原子轨道上的电子 若撞击时光子释放出全部能量 并将原子电离 则称为光电效应 光子的一部分能量把电子从原子中逐出去 剩余的能量则作为电子的动能被带走 于是该电子可能又在物质中引起新的电离 当光子的能量低于1MeV时 光电效应是极为重要的过程 另外 光电效应更容易在原子序数高的物质中产生 如在铅 Z 82 中产生光电效应的程度比在铜 Z 29 中大得多 70 康普顿效应 射线与物质的相互作用 康普顿效应 71 康普顿效应在康普顿效应中 一个光子撞击一个电子时只释放出它的一部分能量 结果光子的能量减弱并在和射线初始方向成 角的方向上散射 而电子则在和初始方向成 角的方向上散射 这一过程同样服从能量守恒定律 即电子所具有的动能为入射光子和散射光子的能量之差 最后电子在物质中因电离原子而损失其能量 在绝大多数的轻金属中 射线的能量大约在0 2 3MeV范围时 康普顿效应是极为重要的效应 康普顿效应随着射线能量的增加而减小 其大小也取决于物质中原子的电子数 在中等原子序数的物质中 射线的衰减主要是由康普顿效应引起 在射线防护时主要侧重于康普顿效应 72 电子对效应 X射线与物质的相互作用 电子对效应 73 电子对效应一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成具有同样能量的一个电子和一个正电子 这样的过程称为电子对的产生 产生电子对所需的最小能量为0 51MeV 所以光子能量hv必须大于等于1 02MeV 74 光子的能量一部分用于产生电子对 一部分传递给电子和正电子作为动能 另一部分能量传给原子核 在物质中电子和正电子都是通过原子的电离而损失动能 在消失过程中正电子和物质中的电子相作用成为能量各为0 51MeV的两个光子 它们在物质中又可以通过光电效应和康普顿效应进一步相互作用 由于产生电子对的能量条件要求不小于1 02MeV 所以电子对的产生只有在高能射线中才是重要的过程 该过程正比于吸收体的原子序数的平方 所以高原子序数的物质电子对的产生也是重要的过程 75 汤姆逊效应 X射线与物质的相互作用 汤姆逊效应 76 汤姆逊效应 射线与物质中带电粒子相互作用 产生与入射波长相同的散射线的现象叫做汤姆逊效应 这种散射线可以产生干涉 能量衰减十分微小 77 3 2 2射线在物质中的衰减定律和衰减曲线射线的衰减是由于射线光子与物体相互作用产生光电效应 康普顿效应 汤姆逊效应或电子对的产生 使射线被吸收和散射而引起的 由此可知 物质愈厚 则射线穿透时的衰减程度也愈大 射线衰减的程度不仅与透过物质的厚度有关 而且还与射线的性质 波长 物体的性质 密度和原子序数 有关 一般来讲 射线的波长愈小 衰减愈小 物质的密度及原子序数愈大 衰减也愈大 但它们之间的关系并不是简单的直线关系 而是成指数关系的衰减 78 射线的衰减曲线 射线在物质中的衰减曲线 79 3 2 2射线在物质中的衰减定律射线在穿透物质的同时也会发生衰减现象 其发生衰减的根本原因有两点 散射和吸收 其衰减规律成负指数规律 I I0 e 2 1 式中 I0 射线的初始强度 I 射线的透射强度 工件的厚度 线衰减系数 80 线衰减系数 入射光子在物质中穿行单位距离时 与物质发生相互作用的几率 不同材料具有不同的衰减系数 一般规律是 f z 且与三者成正比 其中 射线的波长 材料密度 z 原子序数 线衰减系数 81 射线检测主要是利用它的指向性 穿透性 衰减性等几个基本性质 具体分析 参考下图 1 无缺陷区的射线透射强度 I I0 e 衰减定律 3 2 3射线检测的基本原理 A B X I0 I x A X B X 缺陷厚度 A 缺陷上部厚度 B 缺陷下部厚度 Ix 82 2 有缺陷区的射线透射强度 Ix I0 e A e X e B I0 e A e B e X e X e X I0 e e X I e X 2 2 显然有 Ix I e X 2 3 83 当 I 比如 钢中的气孔 夹渣就属于这种 当 时 Ix I 比如 钢中的夹钨 夹铜就属于这种 当 或x很小时 Ix I 几乎差异 缺陷则得不到显示 射线检测的基本应用原理 讨论与结论 84 3 3 1x射线照相法检测原理依据射线检测的基本原理 将射线透射工件后的潜影以胶片形式接收 再经显影 定影后 就可从射线底片上得到了工件内在的质量信息 这就是x射线照相法检测原理 胶片 3 3X射线照相法探伤 85 X射线照相原理示意图 86 射线照相法是以胶片作为记录X射线透过被检工件后射线强度变化信息的器材的一种检测方法 同样的强度的射线穿过不同厚度材料 因衰减程度不同 到达胶片的射线强度也不同 经暗室处理的底片有不同的黑度差显示 根据底片上不同的黑度差显示情况判断缺的存在否 87 3 3 2X射线照相法检测技术 1 合格底片的评价指标 参考GB3323 87 象质等级的规定 A级 AB级 B级 B级为最高级 适用结构 A级 适用一般结构 AB级 适用压力容器 B级 适用极重要的结构 如核设施 88 与象质等级相关的两个重要技术指标 黑度 射线底片的黑化程度 定义式 D lg I0 I 式中 I0 原始入射光强 I 透射光强 D 底片黑度 最佳值D 2 0合格底片黑度范围 参考GB3323 87 A级 1 2 3 5AB级 1 2 3 5B级 1 5 3 5 89 灵敏度绝对灵敏度 射线底片上发现最小缺陷的能力 相对灵敏度 射线底片上发现的最小缺陷尺寸与工件的透照厚度之比 相对灵敏度表达式 K X 100 强调 K值越小 灵敏度越高 90 象质计 透度计 金属丝型象质计 GB5618 85 作用 人工缺陷 理解为 卧底 使用说明 将16根线径不同的金属丝 线径0 1 3 2 编成序号 1 16 分成三组 1 7 6 12 10 16象质指数Z 线号1 16象质指数Z值越高 灵敏度越高 相对灵敏度的具体运用 91 第一组象质计示例 金属丝型象质计 7 1 GB5618 85 一定厚度范围工件的底片 达到相应象质等级要求的最低的象质指数Z 即等于达到了相对灵敏度的要求 应用方法 92 射线源一侧的工件上表面 跨越焊缝 靠近边缘 胶片长度1 4处 选对组别 细丝在外 基本思想 就是使象质计处于较恶劣条件下透照 从而使获得的底片质量更有说服力 象质计在焊接接头的摆放要求 93 图例 象质计的摆放图示 L 2 L 4 1 7 焊接试板 象质计 94 2 透照参数选择 胶片选择 国产天津 型胶片 增感屏选择 增感屏种类 金属增感屏 荧光增感屏 金属荧光增感屏 钢制件 选择铅箔增感屏 增感屏的作用 滤波作用 增感作用 95 曝光条件的选择四个主要参数 管电压U 管电流I 曝光时间t 焦距f 它们均从不同角度影响x射线作用于胶片上的感光强度 进而得到不同的底片黑度 一个合成参数 曝光量 管电流I与曝光时间t的乘积 曝光曲线 选择曝光参数的工具 96 X射线机控制箱面板上的曝光曲线使用 曝光曲线的使用示意图 0 U kv 150 注意 不同材料的曝光曲线是不同的 制作依据 黑度达到相同标准 97 透照距离的选择最小透照距离Fmin的确定 首先分析 平面几何相似三角形原理 板厚 焦点直径d 几何不清晰度ug与最小透照距离Fmin的关系 综合考虑 F一般取400 700mm 基本规律 F ug 射线强度 下面分析几何关系 98 根据几何相似原理 有ug d h F h 所以 ug d h F h ugmax d F 显然 F ugmax 故有 Fmin d ugmax F与ug的关系分析 d 99 透照方式选择选择射线与工件的相对位置关系 因工件情况不同 发现缺陷种类不同而采用不同的透照方式 平板对接焊缝 垂直透照 倾斜透照 大直径筒节环缝 纵缝 内透法 外透法 管子对接环缝 双壁双影法 双壁单影法 100 散射线的屏蔽采用滤板 遮板 底部铅板等 目的是降低底片的灰雾度 射线源 101 补偿块的选择对于不规则的接头 如角接头 T形接头 可采用特殊形状的补偿块来调节射线的透射强度 从而调节底片黑度 102 3 4 1x射线探伤机 1 基本组成x射线管 核心 射线源高压发生器 提供50 500kv直流电源冷却装置 循环喷油冷却支撑机构 便于对位 调焦高压电缆 连接电源控制箱 设定参数 监控操作 3 4X射线探伤机及探伤程序 103 2 主要性能参数 以X2005型射线机为例 管压峰值kv 200kv管电流平均值mA 5mA焦点尺寸mm 2 5 2 5射线机重量kg 60kg最大透射厚度mm 钢件29mm便携式x射线机简化为三大部件 控制箱 x射线管 高压电缆 104 3 4 2X射线照相法探伤系统 105 标记带内容 定位标记 中心标记 搭接标记 识别标记 产品代号 批号 焊缝代号 透照日期 操作者代码等 B标记 评价背部散射线强度 关于标记带 007 2006 3 15 GL141 A B 106 为使用方便 可将长期不变的标记铅字或符号固定在暗袋的外表面 放在工件下面 但应注意贴在工件的下表面 而且不能与工件上表面的标记重影 标记带内容的处理 107 3 4 3射线探伤的基本操作程序总体上分为三个阶段 1 技术准备阶段 了解被检对象 包括材质 壁厚 加工工艺 工件表面状态等 设备选择 射线源类型 能量水平 可否移动等 选择曝光条件 包括胶片 增感方式 焦距 曝光量 管电压等 选择透照方式 定向 周向辐射 布片策略等 其它准备 如标记带布置 象质计布置 屏蔽散射线的方法等 108 2 实际透照 核对实物 布片贴标 屏蔽散射 对位调焦 设定参数 设备预热 检查现场 开机透照 3 技术处理 暗室处理 冲洗 干燥 底片评定 黑度 象质指数 伪缺陷等 确认合格底片 质量等级评定 根据缺陷类别 严重性 确定产品质量级别 签发检验报告 资料归档 保存5 8年 检验报告有统一格式 规定的内容 质检人员要签字 提出返修建议等 109 实例 P56 110 3 5 1射线CT原理结构 探测源 接收探测器 扫描器 扫描传动机构 数据采集系统 图像重建系统等 工业应用 CT二 三代装置 3 5射线计算机断层扫描技术 CT 111 第二代CT工作原理 112 数学原理 113 TOSCANER 3200 P65 114 3 6 1相关标准GB4792 84 放射卫生防护基本标准 要点 职业探伤人员 每天实际接受剂量不大于17 4mrem 每年最高允许剂量当量5rem 雷姆 终生累计照射剂量 不得超过250rem 3 6射线的防护 115 3 6 2防护措施屏蔽防护 如机体衬铅 射线发生器用遮光器 使用铅房等 探伤人员带铅围裙 铅眼镜等 距离防护 射线剂量率与距离的平方成反比 时间防护 探伤人员工作时间 t 17 4 p p为射线剂量率 实际工作中往往采用联合防护策略 116 1 射线的性质2 射线检测的基本原理3 射线底片的评定指标4 象质等级 黑度 相对灵敏度及其表征方法5 象质计的使用方法6 射线照相法检测的主要技术参数7 各种缺陷在射线底片中的基本特征8 射线防护的具体措施 117 本章提要 超声检测 UT 是利用其在物质中传播 界面反射 折射 产生波型转换 和衰减等物理性质来发现缺陷的一种无损检测方法 应用较为广泛 按其工作原理不同分为 共振法 穿透法 脉冲反射法超声检测 按显示缺陷方式不同分为 A型 B型 C型 3D型超声检测 按选用超声波波型不同分为 纵波法 横波法 表面波法超声检测 第4章超声波检测 118 按声耦和方式不同分为 直接接触法 液浸法超声检测 119 4 1 1超声波的物理本质它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为 即超声频率的机械波 一般地说 超声波频率越高 其能量越大 探伤灵敏度也越高 超声检测常用频率在0 5 10MHZ 4 1超声波探伤基本原理 120 4 1 2超声波的产生 发射 与接收 1 超声波的产生机理 利用了压电材料的压电效应 试验发现 某些晶体材料 如石英晶体 做成的晶体薄片 当其受到拉伸或压缩时 表面就会产生电荷 此现象称为正压电效应 反之 当对此晶片施加交变电场时 晶体内部的质点就会产生机械振动 此现象称为逆压电效应 具有压电效应的晶体材料就称为压电材料 121 压电效应图解 122 探头构成 压电晶片 压电材料制成 材料有单晶和多晶 表面敷有银层电极吸收块 浇铸在 极上 阻尼块 保护膜 匹配电感 压电陶瓷的探头 阻抗匹配 123 直探头 超声波探头 124 斜探头 入射点 125 2 超声波的发射与接收 发射 在压电晶片制成的探头中 对压电晶片施以超声频率的交变电压 由于逆压电效应 晶片中就会产生超声频率的机械振动 产生超声波 若此机械振动与被检测的工件较好地耦合 超声波就会传入工件 这就是超声波的发射 接收 若发射出去的超声波遇到界面被反射回来 又会对探头的压电晶片产生机械振动 由于正压电效应 在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号 将此电信号采集 检波 放大并显示出来 就完成了对超声波信号的接收 可见 探头是一种声电换能元件 是一种特殊的传感器 在探伤过程中发挥重要的作用 126 超声波分类 127 4 1 3超声波波型的分类按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为 1 纵波L 介质质点的振动方向与波的传播方向一致 2 横波S 介质质点的振动方向与波的传播方向垂直 3 表面波R 介质质点沿介质表面做椭圆运动 又称瑞利波 4 板波 板厚与波长相当的薄板中传播的超声波 板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动 板中间也有超声波传播 又称兰姆波 128 1 纵波介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波叫纵波 用L表示 见图4 4 介质质点在交变拉压应力的作用下 质点之间产生相应的伸缩变形 从而形成了纵波 纵波传播时 介质的质点疏密相间 所以纵波有时又称为压缩波或疏密波 129 图4 4纵波 130 2 横波介质中质点的振动方向垂直于波的传播方向的波叫横波 用S或T表示 见图4 5 横波的形成是由于介质质点受到交变切应力作用时 产生了切变形变 所以横波又叫做切变波 液体和气体介质不能承受切应力 只有固体介质能够承受切应力 因而横波只能在固体介质中传播 不能在液体和气体介质中传播 131 图4 5横波 132 图4 6表面波 3 表面波 瑞利波 当超声波在固体介质中传播时 对于有限介质而言 有一种沿介质表面传播的波即表面波 见图4 6 瑞利首先对这种波给予了理论上的说明 因此表面波又称为瑞利波 常用R表示 133 4 板波 兰姆波 在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波叫板波 或兰姆波 板波传播时声场遍及整个板的厚度 薄板两表面质点的振动为纵波和横波的组合 质点振动的轨迹为一椭圆 在薄板的中间也有超声波传播 见图4 7 板波按其传播方式又可分为对称型 S型 和非对称型 A型 两种 这是由质点相对于板的中间层作对称型还是非对称型运动来决定的 134 图4 7板波 a 对称型 b 非对称型 135 136 注意 液体和气体介质 不能传递切向力 中 只能传播纵波 同一介质中 声速的关系有 CL CS CR 同一介质中 声速 波长 频率之间的关系为 C f 常数 137 按超声波振动持续时间分为 1 连续波 在有效作用时间内声波不间断地发射 2 脉冲波 在有效作用时间内声波以脉冲方式间歇地发射 注意 超声波检测过程常采用脉冲波 138 超声波的波形 波阵面的形状 超声波由声源向周围传播的过程可用波阵面进行描述 如图4 8所示 在无限大且各向同性的介质中 振动向各方向传播 用波线表示传播的方向 将同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面称为波阵面 某一时刻振动传播到达距声源最远的各点所连成的面称为波前 在各向同性介质中波线垂直于波阵面 在任何时刻 波前总是距声源最远的一个波阵面 波前只有一个 而波阵面可以有任意多个 139 图4 8波线 波前与波阵面 a 平面波 b 柱面波 c 球面波 140 4 1 4超声波的性质 1 具有良好的指向性 直线传播 符合几何光学定律 象光波一样 方向性好 束射性 象手电筒的光束一样 能集中在超声场内定向辐射 声束的扩散角满足如下关系 arcsin1 22 D 3 1 可见 波长越短 扩散角 越小 声能越集中 141 圆盘声源非扩散区示意图 142 圆盘声源轴线上的声压分布 波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小的区域 称为超声场的近场区 由于波源各点至轴线上某点的距离不同 存在波程差 互相叠加时存在相位差而互相干涉 出现声压极大极小值的点 波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度 143 2 具有较强的穿透性 但有衰减 穿透性 来自于它的高能量 因为声强正比于频率的平方 所以 超声波的能量比普通声波大100万倍 可穿透金属达数米 衰减性 源于三个方面 扩散 散射和吸收 3 只能在弹性介质中传播 不能在真空 空气近似看成真空 中传播 强调 横波不能在气体 液体中传播 表面波看作是纵波与横波的合成 所以 也不能在气体 液体中传播 144 4 遇到界面将产生反射 折射和波型转换现象 145 5 对人体无害 优于射线的性质 146 超声场 充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质 4 2 1超声场的主要物理量 声压和声强声阻抗1 声压当介质中有超声波传播时 由于介质质点振动 使介质中压强交替变化 超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强P1与没有超声波存在时同一点的静态压强P0之差称为该点的声压 用P表示 即 4 5 4 2超声场的声参量简介 147 对于平面余弦波 其声压如下所示 4 6 式中 为介质的密度 c为介质中的声速 为介质质点的振幅 为介质质点振动的角频率 为质点振动速度的幅值 t为时间 x为质点距声源的距离 为声压极大值 由上式可知 超声场中某一点的声压极大值Pm与角频率成正比 也就与频率成正比 由于超声波的频率很高 远大于声波的频率 故超声波的声压一般也远大于声波的声压 148 2 声强单位时间内垂直通过单位面积的声能 称为声强 用I表示 对于平面纵波 其声强I为 4 7 由式 4 7 可知 超声场中 声强与角频率平方成正比 由于超声波的频率很高 故超声波的声强很大 这是超声波能用于探伤的重要依据 149 3 分贝 声强级的单位 的概念实际探伤中 将声强I1与I2之比取对数的10倍得到二者相差的数量级 这时单位为分贝 用dB表示 即 4 8 根据式 4 7 有 4 9 式中 Pm1 Pm2分别为声强I1 I2对应的声压幅值 150 4 2 2介质的声参量1 声速声速表示声波在介质中传播的速度 它与超声波的波型有关 但更依赖于传声介质自身的特性 与介质的弹性模量和密度有关 因此 声速又是一个表征介质声学特性的参量 了解受检材料的声速 对于缺陷的定位和定量分析都有重要的意义 声速的一般表达式为声速又可分为相速度和群速度 相速度是指声波传播到介质的某一选定相位点时在传播方向上的声速 群速度是指传播声波的包络上具有某种特征 如幅值最大 的点上沿传播方向上的声速 群速度是波群的能量传播速度 151 1 纵波 横波和表面波的声速 纵波 横波和表面波的声速主要是由介质的弹性性质 密度和泊松比决定的 而与频率无关 即它们各自的相速度和群速度相同 因此一般说到它们的声速都是指相速度 不同材料声速值有较大的差异 在给定的材料中 频率越高 波长越短 同一固体介质中 纵波声速c1大于横波声速cs 横波声速cs又大于瑞利波声速cr 对于钢材 c1 1 8cs cs 1 1cr 2 板波的声速 板波的声速与其他波型不同 其相速度随频率变化而变化 相速度随频率变化而变化的现象被称为频散 152 2 声阻抗介质中某一点的声压P与该处质点振动速度V之比 称为声阻抗 常用Z表示 它表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用 得 4 10 在同一声压下 声阻抗Z愈大 质点的振动速度就愈小 153 4 3 1超声波在金属中的衰减定律超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散 在液体中主要是吸收 研究表明 超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达 PX P0 e x 4 11 衰减系数 dB mx 声束传播的距离 即声程m 4 3超声波在介质中的传播 154 4 11 式表明 超声波的声压在其传播的路径上 呈负指数规律衰减 这里强调指出 衰减系数 为频率f4和晶粒尺寸d3的函数 所以 粗晶检测时 应适当降低超声波频率 弥补能量的不足 研究表明 声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系 p1 p2 h1 h2 4 12 实际探测时 超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况 155 这里 B1 B6代表超声波在工件底面的6次反射波 波高h依次递减 超声波探伤仪示波屏上波高h的衰减状况 T B1 B2 B6 156 超声波在异质界面处产生的各种现象 1 垂直入射异质界面时的透射 反射及绕射 透射与反射 反射系数K W反 W入 100 w入 157 常见材料之间的界面反射系数 158 反射现象的辩证分析反射现象 对发射超声波不利 对脉冲反射法接收有利 影响反射系数K的因素反射系数K值的大小 决定于相邻介质的声阻抗之差 Z Z2 Z1 Z越大 K值越大 而与何者为第一介质无关 159 声阻抗Z 表示声场中介质对质点振动的阻碍作用 指超声波在介质中传播时 任一点的声压p与该点速度振幅V之比 定义式声阻抗Z p V 4 13 数值表征Z CL 4 14 气体 液体 金属之间声阻抗之比约为 1 3000 8000 关于声阻抗 160 绕射现象当界面尺寸df 2时 声波能绕过缺陷界面而继续向前传播的现象 叫作绕射 因此 要想提高探伤灵敏度 必须提高频率f 以便发现更小的缺陷 超声波的绕射现象 161 2 倾斜入射异质界面的反射 折射和波型转换 参考图 o L 入射纵波 纵波入射角 L1 反射纵波 L 纵波L1反射角 S1 反射横波 横波S1反射角 L2 折射纵波 L 纵波L2折射角 S2 折射横波 横波S2折射角 162 斯涅耳定律 4 15 163 3 临界角的讨论及其应用意义因CL CL1 L 由 4 15 式可推知 4 16 4 17 临界角的讨论 当取有机玻璃为第一介质 钢为第二介质时 即有 CL1 CL2 CL1 CS2 CL2 必有 S L 且 S L 164 故当 L 90 时 第二介质中只有横波 此时对应的纵波入射角 叫作第一临界角 记为 1m 这时 1m 27 6 当 使 s 90 时 第二介质中只有表面波 此时对应的纵波入射角 叫作第二临界角 记为 2m 57 6 临界角的应用 斜探头设计时 应保证声波的入射角介于第一临界角 第二临界角之间 165 1 超声波垂直入射到平界面上的反射和透射如图所示 当超声波垂直入射到两种介质的界面时 一部分能量透过界面进入第二种介质 成为透射波 声强为It 波的传播方向不变 另一部分能量则被界面反射回来 沿与入射波相反的方向传播 成为反射波 声强为Ir 声波的这一性质是超声波检测缺陷的物理基础 166 超声波垂直入射于平界面的反射与透射 167 通常将反射波声压Pr与入射波声压P0的比值称为声压反射率r 将透射波声压Pt和P0的比值称为声压透射率t 可以证明 r和t的数学表达式为 4 18 4 19 式中 Z1为第一种介质的声阻抗 Z2为第二种介质的声阻抗 168 为了研究反射波和透射波的能量关系 引入声强反射率R和声强透射率T两个量 R为反射波声强 Ir 和入射波声强 I0 之比 T为透射波声强 It 和入射波声强 I0 之比 4 20 4 21 169 超声检测时 经常遇到耦合层和缺陷薄层等问题 这些都可归结为超声波在薄层界面的反射和透射问题 此时 超声波是由声阻抗为Z1的第一介质入射到Z1和Z2界面 然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面 最后进入声阻抗为Z3的第三介质 2 薄层界面的反射率与透射率 薄层界面反射透射示意图 170 超声波通过一定厚度的异质薄层时 反射和透射情况与单一的平界面不同 异质薄层很薄 进入薄层内的超声波会在薄层两侧