《无损检测概论》课件-第4章射线检测

第四章射线检测天津海运职业学院胡春亮机械工业出版社2020版无损检测概论1Copyright©2020/射线检测物理基础射线的产生，射线衰减规律01射线照相检测系统射线机、射线胶片、像质计、增感屏、辅助器材等。02射线照相检测方法缺陷部位和完好部位的出现黑度差异。03射线检测技术应用焊接件缺陷影像特征04目录2Copyright©2020/射线检测是利用其在穿透物体时，会发生强度不同的衰减。影响衰减程度的因素除了射线的能量高低外，还包括被穿过物体的性质、密度和厚度等因素。从而在感光材料上获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，进而评价出物体内部缺陷的种类、大小和分布状况。3Copyright©2020/超声检测含义原子与原子结构元素与原子原子核结构放射性衰变模式α衰变：放出带两个正电荷的氦核，衰变后形成的子核，核电荷数较母核减2，即在周期表上前移两位，而质量数较母核减少4。β-衰变：放出电子。衰变后子核的质量数不变，而核电荷数增加1，即在周期表上后移一位。γ衰变：放出波长很短的电磁幅射。衰变前后核的质量数和电荷数均不发生改变。4.1射线检测物理基础4Copyright©2020/原子与原子结构波长较短的电磁波叫射线，那些速度高、能量大的粒子流也叫射线。射线由射线源向周围发射的过程称为辐射，辐射一般分为电离辐射和非电离辐射两大类。非电离辐射是指能量很低，因而不足以引起物质发生电离的射线，如微波辐射、红外线等；电离辐射是指能够直接或间接引起物质电离的辐射，电离辐射一般分为直接电离辐射和间接电离辐射。直接电离辐射通常是那些带电粒子，如阴极射线、α射线、β射线和质子射线等间接电离辐射是不带电的粒子，如X射线、γ射线及中子射线等。其中X射线、γ射线属于电磁波，中子射线属于粒子流，由于它们属于电中性，不会受到库伦场的影响而发生偏转，且穿透物质的能力较强，故广泛用于无损检测。5Copyright©2020/射线种类及其性质射线种类电磁波的波长λ和频率ν以及波速(光速)c的关系式为：λ＝c/ν

6Copyright©2020/电磁波谱射线种类及其性质X射线和γ射线具有以下性质：1）在真空中以光速直线传播。2）本身不带电，不受电场和磁场的影响。3）在媒质界面可以发生反射和折射，但X射线和γ射线只能发生漫反射，而不能象可见光那样产生镜面反射。X射线和γ射线的折射系数非常接近于1，所以折射的方向改变不明显。

4）可以发生干涉和衍射现象，但只能在非常小的光栅中（例如晶体组成的光栅），才能发生这种现象。5）不可见，能够穿透可见光不能穿透的物质。6）在穿透物质过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用，例如电离作用、荧光作用、热作用和光化学作用等。7）具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。7Copyright©2020/射线种类及其性质射线性质X射线是通过X射线机产生的，X射线机核心部件为X射线管。X射线管是一个具有阴极和阳极的真空管，阴极是钨丝，阳极是金属制成的靶。在阴阳两极之间加有很高的直流电压（管电压），当阴极加热到白炽状态时释放出大量电子，这些电子在高压电场的作用下，加速由阴极飞向阳极（管电流），最终以很高的速度撞击在金属靶面上，电子失去的动能大部分转换为热能，另外极少部分转换为X射线向四周辐射。4.1射线检测物理基础8Copyright©2020/X射线的产生及其特点X射线谱由两部分组成，一是波长连续变化的部分，称为连续谱，它的最小波长只与外加电压有关，另一部分具有特定波长的谱线，这部分谱线要么不出现，一旦出现其所对应的波长位置完全取决于靶材料本身，这部分谱线称为标识谱，又称特征谱。连续谱存在一个最短波长λmin，其数值只依赖于外加电压V而与靶材料无关。X射线的总强度IT与管电流i（Ma），管电压V(kv)、靶材料原子序数Z有以下关系：9Copyright©2020/X射线的产生及其特点管电流越大，表明单位时间撞击靶的电子数越多；管电压增加时，虽然电子数目未变，但每个电子所获得的能量增大，因而短波成份射线增加。连续谱和标识谱X射线的产生效率η等于连续X射线的总强度IT与管电压V和管电流i的乘积之比在其他条件相同的情况下，管电压越高，X射线产生效率越高；管电压的高压波形越接近恒压，X射线产生效率也越高。标识谱的产生机理是：如果X射线管的管电压超过Vκ，阴极发射的电子可以获得足够的能量，它与阳极靶相撞时，可以把靶原子的内层电子逐出壳层之外，使该原子处于激发态。标识X射线强度只占X射线总强度极少一部分，能量也很低，所以在工业射线探伤中，标识谱不起什么作用。10Copyright©2020/X射线的产生及其特点连续谱和标识谱γ射线是放射性同位素经过α衰变或β衰变后，从激发态向稳定态过渡的过程中，从原子核内发出的，这一过程称作γ衰变，又称γ跃迁。放射性同位素衰变掉原有核数一半所需时间，称为半衰期，用T1/2表示。4.1射线检测物理基础11Copyright©2020/γ射线的产生及特点射线通过物质时，会与物质发生相互作用而使强度减弱。导致强度减弱的原因可分为两种，即吸收与散射。在X射线和γ射线与物质的作用的主要形式有：光电效应、康普顿效应、电子对效应、相干散射。4.1射线检测物理基础12Copyright©2020/射线与物质的相互作用射线光子透过物质时，与原子壳层电子作用，将所有能量传给电子，使其脱离原子而成为自由电子，但光子本身消失。这种现象称为光电效应，电子被称为光电子。当射线光子能量小时，只和原子外层电子作用；当射线光子能量大、加之与被检物质内层电子的相互作用，除产生上述光电效应外，并伴随次级标识X射线的产生。13Copyright©2020/光电效应射线与物质的相互作用光子与原子一个壳层电子发生碰撞，光子只将部分能量传递给电子，使该电子脱离原子核的束缚，该电子称为康普顿电子。光子本身能量减少并改变传播方向，成为散射光子。这种现象称为康普顿效应。14Copyright©2020/康普顿效应射线与物质的相互作用当入射光子的能量大于1.02MeV时，在原子核的库仑场作用下，光子转变成一对正负电子，而光子则完全消失。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量（1.02MeV），其余就作为它们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；正电子在损失能量之后，将与物质中的负电子相结合而变成γ射线，即湮没（annihilation）。15Copyright©2020/电子对效应射线与物质的相互作用对低能光子（能量远小于电子静止能量）来说，内层电子受原子核束缚较紧不能视为自由电子。如果光子和这种束缚电子碰撞，相当于和整个原子相碰，碰撞中光子传给原子的能量很小，几乎保持自己的能量不变。这样散射光中就保留了原波长。称为汤姆逊散射(Thomsonscattering）或瑞利散射（Rayleighscattering）或相干散射（coherentscattering）。16Copyright©2020/相干散射射线与物质的相互作用4.1射线检测物理基础17Copyright©2020/射线的衰减定律剂量射线防护方法屏蔽防护法距离防护法剂量率和距离的平方成反比。若距离放射源的距离为R1处的剂量率为P1，在另一径向距离为R2处的剂量率为P2，则有：时间防护法4.1射线检测物理基础18Copyright©2020/射线防护射线照相检测系统主要包括射线机、射线胶片（底片）、像质计（透度计）、增感屏、辅助器材等。19Copyright©2020/4.2射线照相检测系统射线机X射线机X射线机的高压部分包括X射线管、高压发生器（高压变压器、灯丝变压器、高压整流管、高压电容）及高压电缆等。X射线管是X射线机的核心部件，其作用是直接激光产生X射线。通常X射线机由四部分组成：高压部分、冷却部分、保护部分和控制部分。20Copyright©2020/射线机γ射线机γ射线探伤机结构大体可分为为五个部分：源组件、探伤机机体、驱动机构、输源管和附件。21Copyright©2020/射线照相胶片片基：乳剂的支持体，赛璐珞（硝酸纤维（不安全胶片），醋酸纤维（安全胶片）），涤纶；感光乳剂：明胶、银和卤族元素的化合物颗粒（溴化银和微量碘化银），在射线作用下会发生光化反应；保护膜：明胶，保护乳剂层不受损害，增感；树脂：使乳剂层牢固地粘附在片基上。4.2射线照相检测系统22Copyright©2020/照相法的灵敏度及透度计4.2射线照相检测系统灵敏度X射线检测的灵敏度是指发现最小缺陷的能力，即所能发现的缺陷越小，则检测的灵敏度越高。它是检测质量的标志。有两种形式：绝对灵敏度射线底片上能发现的，被检工件中与射线方向平行的最小缺陷尺寸。相对灵敏度射线底片上能发现的被检测工件中与射线方向平行的最小缺陷尺寸与试件厚度的百分比。23Copyright©2020/照相法的灵敏度及透度计像质计像质计也称透度计，通常用与被检工件材质相同或衰减性能相似的材料制作。像质计主要有两种：槽式像质计和金属丝像质计。槽式像质计金属丝像质计24Copyright©2020/射线照相胶片片基：乳剂的支持体，赛璐珞（硝酸纤维（不安全胶片），醋酸纤维（安全胶片）），涤纶；感光乳剂：明胶、银和卤族元素的化合物颗粒（溴化银和微量碘化银），在射线作用下会发生光化反应；保护膜：明胶，保护乳剂层不受损害，增感；树脂：使乳剂层牢固地粘附在片基上。4.2射线照相检测系统25Copyright©2020/增感屏根据材质及增感机理不同，可分为荧光增感屏、金属增感屏和金属荧光增感屏。荧光增感屏金属增感屏金属荧光增感屏4.2射线照相检测系统26Copyright©2020/观片灯和黑度计观片灯主要性能应符合GB/T19802-2005的有关规定，最大亮度（Cd/m2）应能满足评片的要求，主要性能指标还包括：可观测的黑度、均匀度、观察屏大小、观察屏光衰周期、噪音、净重量等。黑度计(光学密度计)4.2射线照相检测系统27Copyright©2020/28Copyright©2020/4.3射线照相检测方法射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被透照物体(试件)的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于试件，该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当位置使其在透过射线的作用下感光，经暗室处理后得到底片。底片上各点的黑化程度取决于射线照射量（射线强度•照射时间），由于缺陷部位和完好部位的透射射线强度不同，底片上相应部位就会出现黑度差异。底片上相邻区域的黑度差定义为“对比度”。把底片放在观片灯光屏上借助透过光线观察，可以看到由对比度构成的不同形状的影像，评片人员据此判断缺陷情况并评价试件质量。射线照相法的原理29Copyright©2020/4.3射线照相检测方法射线照相法用底片作为记录介质，可以直接得到缺陷的直观图像，并可以长期保存。通过观察底片，能够比较准确地判断出缺陷的性质、数量、尺寸和位置。射线照相法容易检出那些形成局部厚度差的缺陷。对气孔和夹渣之类缺陷有很高的检出率，对裂纹类缺陷的检出率则受透照角度的影响。它不能检出垂直照射方向的薄层缺陷，例如钢板的分层。射线照相所能检出的缺陷高度尺寸与透照厚度有关，可以达到透照厚度的1%，甚至更小。所能检出的长度和宽度尺寸分别为毫米数量级和亚毫米数量级，甚至更小。射线照相法检测薄工件没有困难，几乎不存在检测厚度下限，但检测厚度上限受射线穿透能力的限制。而穿透能力取决于射线光子能量。420KV的X射线机能穿透的钢厚度约80mm，Co60γ射线穿透的钢厚度约150mm。更大厚度的试件则需要使用特殊的设备——加速器，其最大穿透厚度可达到500mm。射线照相法适用于几乎所有材料，在钢、钛、铜、铝等金属材料上使用均能得到良好的效果，它对试件的形状、表面粗糙度没有严格要求，材料晶粒度对其不产生影响。射线照相法检测成本较高，检测速度不快。射线对人体有伤害，需要采取防护措施。射线照相法的特点30Copyright©2020/4.3射线照相检测方法以NB/T47013.3-2015为例，射线检测技术分为三级。A级低灵敏度技术；AB级中灵敏度技术；B级高灵敏度技术。射线检测技术等级31Copyright©2020/4.4射线检测技术应用射线照相检测的一般过程包括检测准备、射线透照操作、暗室处理、评片和出具报告等。应根据工件特点和技术条件的要求选择适宜的透照方式。32Copyright©2020/4.4射线检测技术应用纵向焊接接头单壁透照方式透照方式33Copyright©2020/4.4射线检测技术应用透照方式环向焊接接头源在外单壁透照方式34Copyright©2020/4.4射线检测技术应用环向焊接接头源在内单壁透照方式透照方式35Copyright©2020/4.4射线检测技术应用环向焊接接头源在中心周向透照方式透照方式36Copyright©2020/4.4射线检测技术应用环向焊接接头源在外双壁单影透照方式透照方式37Copyright©2020/4.4射线检测技术应用环向焊接接头源在外双壁单影透照方式透照方式38Copyright©2020/4.4射线检测技术应用纵向焊接接头源在外双壁单影透照方式透照方式39Copyright©2020/4.4射线检测技术应用小径管环向对接焊接接头倾斜透照方式（椭圆成像）透照方式40Copyright©2020/4.4射线检测技术应用小径管环向对接焊接接头垂直透照方式（重叠成像）透照方式41Copyright©2020/4.4射线检测技术应用插入式管座焊缝单壁中心内部透照透照方式42Copyright©2020/4.4射线检测技术应用角焊缝透照透照方式43Copyright©2020/4.4射线检测技术应用厚度变化工件的多胶片透照透照方式44Copyright©2020/4.4射线检测技术应用x射线照相应尽量选用较低的管电压。在采用较高管电压时，应保证适当的曝光量。图规定了不同材料、不同透照厚度允许采用的最高x射线管电压。注:1—铜及铜合金；2—钢；3—钛及钛合金；4—铝及铝合金。射线能量45Copyright©2020/4.4射线检测技术应用一般情况下，γ射线源和高能x射线透照厚度范围射线能量射线源透照厚度w/mmA级，AB级B级Se-75≥10～40≥14～40Ir-192≥20～100≥20—90Co-60≥40～200≥60～150x射线(IMeV～4MeV)≥30～200≥50～180x射线(>4MeV～12MeV)≥50≥80x射线(>12MeV)≥80≥10046Copyright©2020/4.4射线检测技术应用A级射线检测技术等级:式中，f——射线源至工件的最小距离；d——射线源的尺寸，单位为mm；b——工件至胶片的距离。AB级射线检测技术等级:B级射线检测技术等级:射线源至工件表面的最小距离公式法47Copyright©2020/4.4射线检测技术应用根据诺模图确定射线源至工件表面的最小距离。有效焦点尺寸d按规范计算。A级和B级射线检测技术确定焦点至工件表面距离的诺模图射线源至工件表面的最小距离诺模图冷隔是熔敷金属未与母材或已熔敷金属熔化焊接上的缺陷。往往是因为电弧熔化母材不足所致。底片上显示出焊缝影像的不连续。气孔是熔化金属凝固时气体未来得及排出而形成。底片上显示黑色的圆形或不规则圆形。往往是有拖尾和呈现细长形，有时偶然出现“丛生”或“一列”现象。4.4射线检测技术应用常见缺陷及其在底片上的影像特征焊件中的常见缺陷48Copyright©2020/密集气孔往往在焊条潮湿的情况下发生。在底片上显示黑色斑点的密集排布。夹渣是非金属进入焊缝或焊缝和母材之间以及焊道之间。底片上显示黑色，边缘呈现不规则的锯齿形。4.4射线检测技术应用常见缺陷及其在底片上的影像特征焊件中的常见缺陷49Copyright©2020/未焊透是非常危险的缺陷，容易导致开裂。一般时焊接规范不合适所致。底片上表现为中心处一直黑线。未熔合表现为熔敷金属未与母材金属很好熔合。底片上往往表现为黑色线沿着坡口的边缘。4.4射线检测技术应用常见缺陷及其在底片上的影像特征焊件中的常见缺陷50Copyright©2020/凹陷是由于焊缝金属不均匀收缩所致。底片上看起来与未焊透相似。但是，其为非直线，并在焊缝中心处有一定的宽度。咬边是一种母材金属侵入焊缝金属的一种缺陷，往往造成应力集中。内部或根部咬边在底片上表现为偏离焊缝中心线的不规则黑色线4.