焊缝的射线检测无损检测大作业射线检测应用.docx

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焊缝的射线检测无损检测大作业射线检测应用

焊缝的射线检测

0应用背景

射线检测应用最多的是焊接接头的缺陷检测。

1检测原理

1.1平板焊缝[1]

平板焊缝多数都是直焊缝，检测工艺比较简单。

在透照中，要注意射线的实际穿透厚度和入射方向。

由于焊缝有加强高，有的还有垫板，所以射线实际的穿透厚度大于母材的厚度。

图1.1和表1-1是平板焊缝透照时的实际穿透厚度的计算方法，图表中的T、T1、T2为母材厚度，TA为实际穿透厚度，T'为垫板厚度。

第一、二类焊缝是母材等厚的单面和双面对接焊缝，穿透厚度只加上加强高的厚度。

加强高的厚度一般规定一面为2mm。

通常入射方向应与焊缝所在平面垂直（实线箭头所示方向），亦可与焊缝平面旱一定的夹角〔虚线箭头所示方向）。

为保证焊缝内与板面方向垂直的裂纹等缺陷能够检出，夹角大小应控制在15̊以内。

第三类焊缝是母材不等厚的对接焊缝，穿透厚度按薄材计算。

第四类是对接焊缝，单面焊，母材等厚，加垫板。

第五类是T形接头，射线倾斜人射，夹角为25̊~30̊。

第六类焊缝是搭接接头，通常采用厚度补偿法透照时相当于第一类焊缝，如果不采用厚度补偿，则要根据T1、T2的实际厚度止确选择管电压，在可能的情况下应提高宽容度，或者参照T形接头透照。

图1.1平板焊缝穿透厚度与人射方向

表1-1平板焊缝射线穿透厚度

1.2环焊缝

环焊缝，即管件、筒件和容器等的圆周焊缝，按照工件直径、壁厚的不同和结构的特点，可以采用不同的检测方法进行检测。

概括起来可分为下三种：

源在外单壁检测方法；源在外双壁检测方法；源在内.单壁检测方法，包括周向检、偏心检测。

X射线扫描检测技术是射线照相检测技术的延伸，主要应用于可将胶片放置于环焊缝内部的中小直径管的大批量的射线检测，是一种非常行之有效的、较为特殊的X射线检测方法。

（1）源在外单壁检侧方法[1]

源在外单壁检测方法的透照布置如图1.2所示。

射线源置于焊缝的中心线上，中心射线束垂直于被透照焊缝。

在这种透照布置中，胶片暗盒背面必须放置铅板。

以屏蔽来自工件内壁其他部分的散射线，否则，射线照片的质量将严重下降，铅板的厚度一般可取为3~4mm。

图1.2源在外单壁检测布置

1—射线源；2—焊缝；3一胶片；4—背铅板

（2）源在外双壁检侧方法[1]

如果胶片无法放在工件内部或射线源也不能放置在工件内部时，将采用源在外双壁检测方法。

源在外双壁检测方法的检测布置如图1.3所示。

在这种检测布置中，射线源应偏离焊缝中心线一段距离，以保证源侧焊缝的影像不与检测焊缝的影像重叠，并具有适当的间距。

一般偏移的距离应控制在源侧焊缝的影像刚刚移出被检测焊缝热影响区影像的边缘。

图1.3源在外双壁检测布置

1一射线源；2—焊缝；3一胶片；4—背铅板

在这种检测布置中，如果像质计不能放置在焊缝工件内侧表面上，允许放置在工件胶片侧表面，这时应在标记中加上说明性标记，并且事先应进行灵敏度对比试验，确定与放置在焊缝工件内侧表面灵敏度相等的灵敏度数据。

源在外双壁检测的有效检侧长度（需检测的次数）的相关因素与源在外单壁检测时相同，但焦距的关系不同于源在外单壁检测方法。

源在外单壁检测时焦距越大，有效检测长度也越大，但源在外双壁检测却相反，焦距越大有效检测长度越小，在焦距等于工件的直径时将得到最大的有效检测长度。

（3）源在内单壁检刚方法[1]

源在内单壁检测方法，即射线源放置在管件、筒件、容器等工件内部对环焊缝进行检测的方法，按照射线源放置的位置可分为二种情况:

周向检测射线源放置在环焊缝的中心；

偏心检测射线源不放置在环焊缝的中心。

图1.4源在外双壁检测布置图图1.5环焊缝的周向检测布置

1—射线源；2—焊缝；3—胶片；4—背铅板l一射线源；2一焊缝；3一胶片；4-背铅板

它们的检测布置如图1.4和图1.5所示。

周向检测布置时，显然，检测厚度在一周焊缝上都是相同的，检测厚度比在各点都是1，因此可以一次对整圈焊缝完成检测，即可以进行周向曝光，所以称为周向检测。

通常采用周向辐射的X射线机或、射线源进行检测。

如果采用定向辐射的x射线机，一次有效检测范围决定于X射线机的辐射角和辐射强度的均匀性，即必须考虑侧倾效应产生的曝光量不均匀性的影响。

对于一些小的管件焊缝，可采用小焦点、伸出阳极靶X射线机进行周向检测。

只要可能，对环焊缝应尽量采用这种检测布置。

（4）扫描环焊缝射线检测方法[2]

利用扫描检测检测技术可检测的环焊缝是一种非常行之有效的方法，它只通过一次透照便能完成整个环焊缝的透照，在很大程度上解决了常规检测中检测效率低、检测周期长的间题，同时也能大大降低检测成本。

由于扫描检测方法与常规的X射线照相检测方法在其成像机理上存在着一定的差异，故其检测参数的确定也有所不同，而检测参数的选择，直接影响着检测的灵敏度，因此，为保证射线检测灵敏度，应尽可能的减小射线束对工件的扫描速度，同时采用大曝光量的设备以及合适的窗口宽度等方法。

其检测原理如图1所示，将胶片紧贴在焊缝内壁上，然后在胶片背面用铅板屏蔽，在射线源与工件之间放置铅板，铅板上有一宽度为w的窗口，这样射线通过窗口刘工件进行透照，同时，工件表面相对于射线源以角速度。

匀速转动，这样就只通过一次透照便实现了对焊缝的整体透照，避免了多次透照，在很大程度上提高了检测效率，缩短了检测周期。

此外，辐射场中窗口以外的射线均被前铅板挡住，在一定程度上减少了散射线，对底片质量的提高也是非常有利。

图1.6射线扫描检测原理

2检测设备[3]

2.1胶片方式射线检测

（1）射线的产生

真空管型X射线发生器

阴极发射的电子流经高电位梯度电场聚焦与加速后，撞击阳极靶，把电子的部分动能转化为X射线的辐射能。

由于采用的阳极靶结构不同，可产生定向辐射与周向辐射X射线，适合于各类容器、管道与船壳等焊缝检验的要求。

直线加速器

常规射线发生器所产生的射线能量较低，其电子加速电压一般不超过400kV，检验最大工件厚度达100mm。

为了提高X射线能量，采用直线加速器来增加电子的能量，目前已经可产生1～25MeV范围的高能X射线。

如图2.1电子从含灯丝的电子枪发射后进入直线加速的波导管中，由磁控管或调速管产生的射频电压加到不同距离的多级漂移加速管上，使漂移管间电子的飞行速度与其电压相位变化周期同步，以保持正波相位驻波加速。

加速并聚焦后的脉冲电子流撞击到末端靶上产生X射线辐射。

图2.1直线加速器图2.2便携式电子回旋加速器

便携式高能X射线发生器

为了适应大厚度部件的现场检验要求，除直线加速器外目前已研制出小型电子回旋加速器。

经过磁铁设计的改进与高集成电子线路的发展，回旋加速器的尺寸与质量减小很多。

例如采用单相电源的6MeV便携式电子回旋加速器PXB6，总质量只有190kg，机头质量仅90kg。

工作在高负荷下的钽靶生热很低，不用水冷却。

其原理见图2.2，电子流由高压枪注入真空盒内，受线圈与磁铁产生的均匀磁场在环形轨道上加速，然后再同步与定时地控制磁场使电子流偏离环形轨道撞击在钽靶上，于是就可产生角度为θ的X射线辐射。

与直线加速器相比，电子回旋加速器具有焦点小与输出剂量低的特点，在中厚焊缝的射线检测上应用的效果较好。

（2）胶片

射线穿透工件后形成的缺陷潜影是肉眼所观察不到的，利用胶片表面乳胶膜的感光特性可以把射线强度潜影转化成可见影像。

乳胶膜是由能够感光的银盐颗粒和明胶构成，银盐颗粒越细，越容易看出缺陷影像的细节。

射线束中的射线量子射到胶片银盐颗粒上以后，除了使其感光外，量子的剩余能量会使银盐颗粒释放出自由电子，并使其周围颗粒再次感光，形成一个感光圆而不是一个感光点，因而促使影像不清晰。

胶片不清晰度影响对缺陷影像的分辨能力，已发现在不清晰度与分辨能力之间存在如下的经验关系：

URp＝2.9（2-1）

式中：

U——不清晰度（mm）；Rp——每mm距离可分辨线对的数值。

（3）射线检测实时显示技术

虽然胶片射线检测方式具有较好的分辨率和较高的对比度以及底片黑度动态范围大等特点，但胶片感光时，胶片吸收射线的效率很低，从而曝光时间增加；此外，感光的胶片还需后续的显影、定影与干燥处理等，这些因素都使得从照相到底征可观察的时间变得很长，成本也因而增高。

另外，胶片射线检测方式难以实现检测过程的自动化，因而其应用范围受到一定的限制。

在替代胶片的射线检测技术中，目前能实现缺陷影像实时显示的技术主要有三类，并已达到实用阶段。

荧光屏显示

可感光的荧光屏摆放在待检工件的后面，并不密封，为克服人眼对荧光屏上缺陷影像反差不敏感的特点，采用镜面反射原理，把影像投射到超高灵敏度摄像机，构成一个闭路电视的摄影与显示系统，通过电子线路的放大与转换达到缺陷影像可观察的水平。

X射线图像增强器

采用一种可以把X射线转化为光线的图像转换增强器放在待检工件后面，缺陷影像经过增强后亮度很高，增强系数达100～1000掊，但尺寸缩小近10倍。

缺陷的光学影像再经过大广角透镜组投射到摄像机上，如图9所示。

由于亮度高，因此不需要高灵敏度摄像机即可以满足显示的要求。

图2.3射线检测实时图像增强系统图2.4线性排列的光敏二极管X设下图像转换系统

（3）二极管阵列X射线图像转换器

图2.4所示为线性排列的光敏二极管X射线图像转换系统。

它由很多小型X射线灵敏元件组成，数量达512～1024个，甚至更多。

当工件运动或线性二极管阵自身扫查时，各元件会测得X射线潜影强度的变化，经光导耦合与信号处理，从而形成缺陷的二维图像。

然而如若获得较高分辨率，则会花费很长的测量时间。

目前这种方法还仅限于加速电压在150kV以下产生的射线能量才可用。

（4）数字图像处理软件基础

射线检测实时显示系统中的数字图像处理包括降低噪声、提高影像对比度、影像锐化、边缘增强、伪像标识和缺陷识别等内容。

3技术特点[3]

1.5高能X射线检测的特点

高能X射线设备的射源尺寸较小，X射线输出的剂量较大。

与低能射线相比其散射强度低，产生缺陷影像的射线强度比例高。

例如，以透照50mm的钢焊缝为例，表6给出了不同能量射线的散射强度（Is）与形成影像的有效强度（Id）之比。

从中可以看到，散射强度随着射线能量的提高而降低。

因此，采用高能射线照相时虽然工件与缺陷间的吸收系数差变小了，但是由于散射线少，其影像的对比度还是能保持与低能射线检测相同。

不过高能射线会使底片的不清晰度上升（Uƒ从0.2MeV的0.1mm提高到8MeV的0.6mm），从而降低了裂纹的检出率。

表6缺陷影像处不同能量射线的散射强度与形成影像的有效强度之比

射线能量

0.4MeV

5MeV

15MeV

Is/Id

5.5

2.0

0.5

4质量控制[1]

（1）射线检测灵敏度的控制

射线检测灵敏度是评价射线检测影像质量的重要指标。

所谓射线检测灵敏度，从定量方面来说，是指在射线底片卜可以观察到的}.}!

}1缺陷尺寸，从定性方面来说，是指发现和识别细小影像的难易程度。

在射线检测底片上所能发现的沿射线穿透方向上的最小缺陷尺一寸称为绝对灵敏度；最小缺陷尺寸与射线透照度的百分比称为相对灵敏度。

在实际应用中，用自然缺陷来评价射线检测灵敏度显然是不现实的，为便于定量评价射线检测灵敏度。

常用与被检工件的厚度有一定百分比关系的像质计作为底片影像质量的检测工具，由此得到的灵敏度称为像质计灵敏度。

标准规范中规定的射线检测灵敏度都是像质计灵敏度。

需要注意的是，底片上显示的像质计灵敏度并不等于自然缺陷灵敏度。

像质计灵敏度的提高，表示底片像质水平也相应提高，因而也能间接地反映出射线检测对最小自然缺陷检出能力的提高。

（2）射线检测对比度的影响

如果.1几件x#t存在厚度差，那么射线穿透_「件到达胶片时就产生强度差，经暗室处理的底

片仁就会产生黑度差，把底片上相邻区域的黑度差称为底片对比度，义叫底片反差。

显然，

底片对比度越大，小的缺陷就越容易识别。

因此，必须设法提高底片对比度。

但在提高对比

度的同时，底片的宽容度减小。

（3）射线检测清晰度的影响

J月一束射线垂直透照‘个金属阶梯试块，如图6一13所示。

黑度区域组成

‘部分是试件AO部分形成的高黑度均匀区，另

理想的射线底片将由两部分

一部分是试件OB形成的低

黑度均匀区，两部分交界处的黑度差是突变的，不连续的，如图中（a）所示。

但实际底片上

的黑度变化并不是突变的，试件的“阶边”影像是模糊的，影像的黑度变化如图中（h）或（。

）

所示，存在着一个黑度过渡区。

黑度变化的区域越大，影像的轮廓就越模糊，即影像越不清

晰。

用来定量描述清晰度的量是“不清晰度”。

把黑度变化区域分界线的宽度称为射线检测

不清晰度，用U表示。

构成射线检测不清晰度主要是两方面原因，即:

由于射源有一定尺

寸而引起的几何不清晰度U;以及由于电子在胶片乳剂中散射而引起的固有不清晰度V7.n射

线检测不清晰度U是几何不清晰度},T，和固有不清晰度Uj的综合结果，其关系为

4卜射线检测颗杜度的影响

颗粒度是指射线底片土叠加在_!

:

件影像上的黑度随机涨落，即影像黑度的不均匀程度:

颗粒性是指均匀曝光的射线底片卜影像黑度分布不均匀的视觉印象。

实际卜颗粒的视觉印象

是由许多银粒交一}I.重叠组成的颗粒团产生的，而颗粒团的黑度则是山这些单个银粒的随机分

布造成的:

:

胶片乳I}中，每吸收一个x射线或丫射线光量子，会使乳剂中·个以}几的澳化

银晶体感光。

这‘现象是随机存在的，被感光的颗粒是随机分布的，即从‘个!

攻域到另一个

区域，曝光的颗粒数有统计变化。

影响射线检测颗粒度的因索有:

（1胶片的银盐粒度和感光速度慢速胶片的澳化银‘扣的品体小，曝光、显影后产生的

光吸收银也较少.因此，要产生一定黑度，慢速胶片中吸收光子数要比快速胶片多，射线检

测的影像颗粒性就不明显，故胶片颗粒性较弱。

叮2）射线的能量在低能量卜，吸收一个光子只使·个或儿个l化银颗粒感光，而在高

能量下，一个光子能使许多个颗粒感光，这样就使随机分布的黑度起伏变大，}s}.示出颗粒度

增大的倾向。

〔3）曝光量和底片黑度曝光量和底片黑度增大都使得更多的光子到达胶片，大瞬光子

的叠加作用将使黑度的随机性起伏降低，所以减小了颗粒度。

一般说来，颗粒度随胶片的感光度和射线能量的增大而增大，随曝光量和底片黑度增大

而减小，另外也一‘ax条件（配方、活度、温度）等因素有关。

1最小可见对一比度△D.njrl

在底片上能够识别的某一尺寸影像的最小黑度差称可见对比度，又称识别界限对比度‘〕

射线检测对比度AD与最小可见对比度川）.，。

是两个不同的概念，}}）是底片上客观存在的.量

吹，而八刀min反映的是在一定条件下，人眼对底片影像黑度差的辨别能力，即识别灵敏度。

入几,;}的数值越小，意味着人眼对底片影像的辨别能力越强，对缺陷影像识别灵敏度越高。

射线检测对比度么D.与最小叮见对比度△D丽。

的关系为:

‘场么力）△}}mf。

时，影像能够识别;

反之，则不能识别。

A氏io在很大程度.L取决于观片灯的亮度，在合适的观片条件下，}}}mi。

数值较小，而观

片条件较差时，则△Dm}n数值变大。

2）么Dmio与底片黑度、颗粒度、金属丝影像宽度的关系