非破坏性检验技术简介

某一种或几种非破坏性检验，除在焊件制造过程（包括焊后热处理）结束后进行外，有些检验项目也在制造过程中的某些工序之间，甚至在多层焊的某些焊层之间进行。

1.外观检查

外观检查是简单而应用广泛的检验方法。焊缝表面的焊渣和污物清理以后，用肉眼或低倍放大镜检查焊缝上有无外表可见的缺陷，并检查焊缝的外形尺寸。

2.水压试验

水压试验用来检验焊缝的致密性和强度。水压试验是用5～40℃的水充满阀门或容器，排除其体内的空气，然后用盲板封住阀门或容器的进口和出口端，加压到壳体材料额定压力的1.5倍，在该压力下保持一段时间，焊缝及壳体任何部位不得有渗漏现象。

水压试验时必须注意：

1）被试阀门和容器内的空气应先排除。

2）试验设备上的压力表应在校验周期范围内。

3）试验场地的温度一般不得低于5℃。

4）试验压力应按规定逐级上升，中间应作短暂停压，不得一次升到试验压力；试验场地应有防护设施；升压及保持压力的过程中，试验人员应尽量不接近受试阀门或容器，防止由于非正常爆破造成人身事故。

5）低合金高强度钢焊接结构试压水温应按相应技术规程选用，以防止结构发生脆性破坏。

6）奥氏体不锈钢或奥氏体-铁素体双相不锈钢的阀门或容器试验用水的氯化物含量应小于30μg/g。

3.致密性试验

用于检验不受压或受压很低的容器、管道、阀门焊缝的穿透性缺陷。常用的方法如下：

（1）气密性试验

常用于受压容器或阀门接管加强板焊缝。试验气体为0.4～0.7MPa的压缩空气或氮气，焊接处常用涂肥皂水的方法来检验渗漏。

（2）氨气试验

对被试容器或阀门通以氨气，在焊缝上贴一条比焊缝略宽的浸过硝酸汞溶液的试纸，若焊缝及热影响区有泄漏，则试纸的相应部位上将呈现黑色斑纹。

（3）煤油试验

用于不受压的焊缝。试验时在焊缝的一面涂抹上白垩粉水溶液，待干燥后再于焊缝的另一面涂煤油。由于煤油表面张力小，具有透过极小的孔隙的能力，当焊缝有穿透性缺陷时，煤油能透进去，并在有干燥白垩粉的一面形成明显的油斑。为准确地确定缺陷的大小和位置，应在涂煤油后立即观察。应仔细注意首先出现的煤油斑点或带条，及时标出缺陷区。检查时间为15～30min，若在规定的时间内不出现油斑和带条，则可认为焊缝是合格的。修补所发现的缺陷时，要注意防止煤油受热起火。

4.无损检测

无损检测的方法有磁粉检测、着色检测、超声波检测及射线检测等。选用原则主要取决于被检焊件的材料性质（磁性或非磁性）、厚度、形状大小和缺陷的位置及特点等。几种无损检测方法的比较见表13-3。不同能量射线的实用检测厚度见表13-4。

表13-3 几种无损检测方法的比较

（续）

表13-4 不同能量射线的实用检测厚度

图13-9 用γ射线检测焊缝简图

1—铅套 2—放射性元素 3—工件 4—胶片盒 5—胶片

（1）γ射线无损检测

γ射线无损检测时，检测金属用的γ射线是在天然和人工的放射性元素的原子蜕变时放射出来的一种波长比X射线更短的射线，所以能够透过更厚的金属（检验钢板厚度可达300mm）。近年来用于金属无损检测的放射性元素有⁶⁰Co（钴-60，左上角数字表示相对原子质量），其半衰期（放射性元素的原子核有半数发生衰变时所经历的时间）为5～8年。²²⁶Ra（镭-226，半衰期为1590年），¹⁹²Ir（铱-192）等。对于一定的放射性元素，它的射线硬度是固定不变的（不像获得X射线时改变管电压就可以得到硬度不同的X射线），故不同元素适合检测的钢材厚度也不同，如⁶⁰Co适合检测的钢材厚度为40～200mm，¹⁹²Ir适合检测的厚度为20～100mm。γ射线的强度与放射性物质的数量和该放射性物质的放射性（由放射性元素本质决定）有关。用γ射线检测焊缝的简图如图13-9所示。其拍摄照片的原理和技术与X射线检测基本相同。

γ射线检测与X射线检测相比，设备简单，不需电源，操作方便。由于γ射线强度在任何方向上都相同，因此一次曝光能检测大量零件，并能一次曝光检测一条环缝，如图13-10和图13-11所示。

图13-10 同时检测大量工件

1—胶片 2—放射性元素

图13-11 环形焊缝的无损检测

1—胶片夹 2—焊缝 3—放射性元素

γ射线可以在很长时间内连续使用（半衰期内都可使用），穿透力强（能穿透很厚的金属），但在检测薄板（厚度小于50mm）时显示缺陷的灵敏度比X射线检测差，而且检测曝光时间也要长一些（有的长达几小时）。

（2）超声波检测

人们听到的声音来源于物体的振动，但物体振动所发生的声波人们并不一定都能听得到，一般人只能听到频率为16～16000Hz之间的振动波，超过或低于这一范围的振动波都听不到。为了区别起见，通常将频率在20000Hz以上的声波叫做超声波，而将频率低于16Hz的声波称为次声波。由此可见，超声波与声波的不同之处仅在于其频率极高而已。

图13-12 压电效应示意图

a）拉伸 b）压缩

1）超声波的发生与性质。工业检测中所采用的超声波发生器是压电式的，即沿一定方向对某些晶体施加机械力（拉伸、压缩），使其发生弹性变形，则在晶体受力方向的两个面上就会出现符号相反的电荷（图13-12），这种现象就叫做压电效应，而这种晶体就叫做压电晶体。同样，对该晶体在一定方向上施加一交变的电压，在此电压的作用下，在相应的方向上晶体会发生交变的拉伸与压缩变形，亦即产生了振动，其振动频率与所加的交变电压频率相同。若所加电压频率在超声波的频率范围内，则产生超声振动。这种振动在与振源（即压电晶体）相邻的介质（如钢）内传播时则形成了超声波。钛酸钡（BaTiO₃）以前主要是金属无损检测中常用的压电晶体，现在已被效率更高的锆钛酸铅所取代。

超声波的某些性质与可见光相似，如超声波在同一均匀介质中是沿直线进行传播的，当它从一种介质传播到另一种介质时，在两个介质的界面上就会发生反射和折射现象（图13-13），即其中一部分能量从界面上仍反射至原介质内（称为反射波），另一部分能量则穿过界面，在另一介质内继续传播（称为折射波。）其反射角和折射角可以用光学中的反射和折射定律来确定。此外，超声波在同一介质中传播时也有干涉和绕射现象。

超声波的能量与声波振幅平方成正比。当超声波在介质内部传播时，其振幅会逐渐衰减，即其能量会逐渐被介质吸收。

图13-13 波的反射、折射

2）超声波无损检测原理。金属的无损检测多用脉冲反射法原理制成的超声波无损检测仪进行检测，如图13-14所示。

图13-14 超声波无损检测仪（单探头）的工作原理

1—第一脉冲信号 2—缺陷反射信号 3—工件底部反射信号 4—高频脉冲发生器 5—接收放大器 6—指示器 7—直探头 8—缺陷 9—工件

超声波无损检测仪主要由下列四部分组成：

①高频脉冲发生器：产生高频脉冲电压。

②换能器（探头）：发生和接收超声波。

③接收放大器：放大接收到的信号。

④指示器：将放大器的信号显示出来。

其作用过程是这样的：高频脉冲发生器产生高频脉冲电压，同时作用在探头和接收放大器上；探头（压电晶体）把这高频脉冲电压变成超声振动，即发射超声波，同时高频脉冲电压作用在接收放大器上，经过放大再加在指示器上，在荧光屏上形成第一脉冲信号，即此时已向工件内部发射超声波；进入工件内部的超声波在其传播方向上如果遇到缺陷，则超声波在缺陷表面将发生反射，同样传到工件底面的超声波在工件底部也将发生反射波；探头接收到这些反射波后（在脉冲间隙时），将声波振动转换成电压变化，由接收器接收后放大，显示在指示器荧光屏上，因此可以看到反射波信号。由于发生反射时间上的先后，所以先收到缺陷反射的信号，然后收到工件底面反射的信号，这样根据在荧光屏上缺陷反射信号与第一脉冲信号的距离和反射波的高低，就可以判断缺陷的潜在深度和大小。如果工件内部无缺陷，则第一反射信号和底面信号之间无缺陷反射信号。

3）焊缝无损检测技术。前面所述是利用直探头对工件进行无损检测，即探头必须放在工件需检测的部位上面。但焊缝表面凹凸不平，直探头不能直接放在上面进行检测。另外，焊缝中的缺陷（如裂纹）都垂直于焊缝表面并沿焊缝纵向扩展，而超声波的反射条件很差，因此缺陷不易显露。超声波传播的方向若能垂直于缺陷表面，则超声波的反射条件最好，即缺陷最易显露，如图13-15所示。所以，焊缝无损检测多采用斜探头，利用超声波的一次或多次反射进行检测，如图13-16所示。一般超声波无损检测仪带有30°、40°、50°的斜探头。

进行焊缝检测时，对于工件的表面粗糙度有一定要求，以便使探头与工件表面能很好地接触，并能使探头在工件表面前后左右移动。另外，若探头与工件间有空气间隙存在，则超声波会被100%反射而不能进入工件。为使超声波能很好地进入工件，在探头与工件接触表面需涂上一层油膜（又叫做耦合剂）。耦合剂一般采用机油和变压器油。探头沿焊缝移动方法如图13-17所示。

图13-15 缺陷的显露难易示意图

a）缺陷最易显露 b）缺陷不易显露

1—直探头 2—工件 3—缺陷

图13-16 用斜探头进行焊缝检测

1—斜探头 2—焊缝

图13-17 探头沿焊缝移动方法

a）上下移动 b）左右呈矩形移动 c）左右呈S形移动

1—工件 2—焊缝 3—探头移动方法

无损检测时所采用的工作频率对检测结果有很大影响。超声波在工件内部传播时其能量会逐渐衰减，随工作频率的增高（即波长短）、金属晶粒长大及组织不均匀性的增大，超声波的能量损失也增加，导致穿透深度显著降低。但是降低工作频率（即波长增大），虽然能增加穿透深度，但发现最小缺陷的能力减弱，即灵敏度降低。所以，选择工作频率时不宜太高，也不宜过低，应根据工件的具体情况（如工件厚度、铸件、锻件）来进行选择。检测钢板拼焊的焊缝，一般频率在1.2～2.5MHz内选用。

超声波无损检测的优点是检测深度大，可以用于大厚度工件的检测（可检测钢板厚度为5～12000mm），并可以在设备运行时检测，且为单侧检测，设备小，运用灵活，检测快速，发现缺陷的灵敏度较高等。但目前超声波检测也有不足之处，主要缺点是发现缺陷，尤其是在确定缺陷的种类时，有时对其波形信号的解释在很大程度上依靠检测者的实际经验和技巧，因此对缺陷的种类和质量的评定就可能带有一定程度的主观性。

人们有时采用超声波无损检测与射线检测相互配合来进行质量评定，即先用超声波进行普查，再对有问题的地方应用射线检测来确定缺陷的性质。

（3）磁粉检测

磁粉无损检测就是利用磁现象来检测铁磁材料工件表面及近表面的缺陷。

磁力线通过铁磁材料工件时，如果其内部没有缺陷，则磁力线在工件截面内均匀流通，如图13-18所示。但当工件内部存在缺陷时，由于缺陷的磁导率比金属低得多，磁力线就会绕过缺陷而在坚实的金属中流通，因此在缺陷附近造成磁力线密集现象。如果缺陷的位置靠近工件表面，则磁力线就会在工件表面的空气中形成局部磁场，即漏磁场。根据测量漏磁的不同方法，磁力无损检测可分为磁粉法、磁感应法等数种。目前常用的方法之一是磁粉法，即在磁化的工件表面撒上磁导率很高的磁粉（常用的是磁性氧化铁Fe₃ O₄粉）或浇上煤油与Fe₃ O₄粉末混合的液体。如果工件被磁化，则漏磁处就会吸附施加在工件表面的磁粉，形成目视可见的磁痕。因此，可根据工件上磁粉的吸附情况，判断工件缺陷的存在。

图13-18 金属中磁力线流通情况

1—工件 2—磁力线 3—缺陷

由此可看出，漏磁的大小与缺陷离工件表面的距离有关。缺陷离表面的距离越大，漏磁越小，而当此距离大到一定值后，就检测不到漏磁了。因此，磁粉无损检测只能检测工件表面或近表面的缺陷。

另外，当缺陷的方向与磁力线方向垂直时，漏磁最大；当缺陷的方向与磁力线方向平行时，漏磁最小。因此，磁粉无损检测也不适用于缺陷的方向与磁力线方向夹角过小的缺陷。

按磁化时磁力线在工件中分布的方向，工件的磁化可分为纵向磁化、周向磁化和联合磁化三种。

纵向磁化是指磁力线在工件中的方向与工件的纵轴相平行，如图13-19所示。纵向磁化用以检测与磁力线方向相垂直的横向缺陷。

周向磁化是指磁力线在零件上的分布是环绕工件纵轴线的很多同心圆，如图13-20所示。周向磁化用来检测工件中与纵轴相平行的缺陷。

图13-19 纵向磁化法(www.xing528.com)

1—工件 2—线圈

图13-20 周向磁化

1—缺陷 2—工件 3—线圈

图13-21 联合磁化法

1—线圈 2—工件

联合磁化是指对工件两相互垂直方向上进行纵向和周向磁化，如图13-21所示。联合磁化用以检测与工件轴线成一定角度的缺陷。

磁化工件用的电源都是低电压大电流的交流或直流电，这样不但能获得强大的磁场，而且也不会发生触电事故。交流电由于趋肤效应，只能显示较浅的缺陷，而直流电能显示较深的缺陷。另外，磁化电流越大，显示缺陷的深度也越深。

工件在进行磁力检测后，尤其是采用直流电磁化的，在去掉外磁场后会使零件仍带有磁性（称为剩磁），这在很多情况下是不允许的，如发动机曲轴若带有磁性，则工作时会吸引铁屑而增加轴表面的磨损；又如圆盘式蒸汽疏水阀的阀片若带有磁性会影响其动作。因此，这类工件在磁粉检测后必须进行退磁。退磁的方法很多，一般采用通交流电的螺管线圈来退磁。退磁时慢慢地把工件通过螺旋线圈，或逐渐减少螺旋线圈内的电流到零。交流电只能使工件表面退磁，直流电磁化的工件也必须采用直流电退磁。

磁力检测是一种对工件表面的微小裂纹或距表面不深区域缺陷的检测方法，不适宜检测埋藏较深的缺陷，同时这种方法只限于对铁磁性材料的检测（如铁、镍、钴及其合金），对非铁磁性材料（如铜、铝）就不能用磁粉检测，所以检测范围有很大的局限性。

（4）液体渗透无损检测

对于铁磁材料的表面无损检测可用磁粉检测，但磁粉检测不适用于检测非铁磁材料（如奥氏体不锈钢等），对于非铁磁材料的表面无损检测可采用液体渗透检测方法。

1）渗透检测设备：

①现场检测设备。用于现场检测的设备，应充分满足GB/T 18851.1～18851.3的要求。根据不同的操作，可选用的检测设备有：便携式喷射设备、布（无绒毛的）、刷子、人员防护设备、白光源、UV（A）源。

②固定设备：

a.一般要求。用于制造固定式渗透检测设备的各种材料（如液槽、进排液管道和搬送装置等），均应采用在整个操作过程中能承受被检工件冲击的材料。此外，这些材料不应导致渗透系统的工作性能发生任何变化。

渗透检测设备应安置在没有外来污染源的位置，渗透材料液槽宜配有适当的盖，设备不用时应盖好。

设备中若配备有废液处理或水循环系统，其设计应确保所排放的水符合地方污水排放要求。此外，用于冲洗的循环水的质量应适合被检工件。

与喷射施加渗透剂相配套的回收系统，其设计应充分满足地方有关安全生产和气体排放法规等卫生和安全要求。

用于渗透检测的各种化学品，均应储存在密封的容器里，且应满足有关的卫生和安全要求。

b.准备和预清洗区。准备和预清洗所用的设备，应适宜于按GB/T 18851.1—2012要求实施操作。

c.渗透剂施加区。渗透剂施加区应有可用气动、非气动和（或）静电喷射、喷雾、刷、飘拂或在渗透剂液槽中浸没等方法施加渗透剂的装置。

用于盛放各种化学品的槽应装配有专用的托架。若是用手动喷射设备施加荧光渗透剂，宜提供用于检查被检表面渗透剂覆盖情况的UV-A源。使用喷射施加，应提供适宜的回收装置。

d.渗透剂滴沥区。渗透剂滴沥工位应有一个底部倾斜的托盘，以便将收集到的渗透剂集中流入盛放渗透剂的单独容器中。

e.多余渗透剂去除区：

（a）浸洗槽。浸洗槽应包含可搅动水的或使被检工件运动的装置。此槽可配备一个用于溢出部分已被污染的水的槽。此槽应配备用于控制水溢的装置。

（b）喷洗区。喷洗工位应包含手动的或自动的喷射设备。

手动喷射设备应配备可在较低压强和不超过50℃温度情况下顺利喷射的喷水枪或喷雾枪。压力的测定应尽量靠近喷嘴，并且喷嘴与压力表间不能有阀门。不论在何处使用手动喷射设备，均应提供适当的照明源（着色渗透时为白光源、荧光渗透时为UV-A源），以控制多余渗透剂的去除。

自动喷射设备应满足手动设备的要求。此外，喷嘴的数量、结构和位置应满足均匀冲洗所有被检工件表面的要求。若使用自动喷射设备，应提供适当的滴沥。应使用适当的方法去除凹陷处残存的水。

（c）乳化区。用浸渍技术施加亲水性乳化剂，此工位应包含一个适宜的能使被检工件在设定的时间内完全浸没溶液的槽。施加亲水性乳化剂，也可以用泡沫技术等适宜的设备。

施加亲油性乳化剂只应使用浸渍技术。此工位应包含一个能使被检工件在设定的时间内完全浸没于溶液的槽，且在其下部应有排放装置。

f.干燥区。欲除去凹陷中的水，应使用诸如空吸系统或工件传动装置等适宜设备。

去除表面的水，则应使用诸如循环热空气（最高80℃）烘箱等适宜设备。

为避免金属冷凝或氧化，确保被检工件彻底干燥，应使用压力空气烘箱，以确保分布于强气流上的温度可控制一致。

g.显像剂施加区：

（a）干粉显像剂。此工位应包含下述任一种用于施加显像剂的设备：尘暴舱、静电喷射枪、聚束枪、滚筒、吹粉器、流化床。

此设备应能在所有初检表面上形成一层薄而均匀的显像剂粉层。

所使用的舱应足够大，以适应对各种工件的检测——无论是单个工件还是多个放置在筐中的工件。它应有一个装有铰链的密封盖，并配备有适宜的加热器以防止干粉受潮污染。若是用静电喷射或聚束枪，应提供适宜的回收装置。

（b）水悬浮显像剂。此工位应包含一个配备有盖的尺寸大到足以完全浸没全部被试工件的槽。它应有可用清洁空气或机械方法连续搅动显像剂的装置，并具有保持显像剂温度处于制造商推荐值的能力，以及包括一个可将多余显像剂滴沥和自由返回槽内的系统。

（c）溶剂型显像剂。此工位应包含一个用于喷射施加舱中显像剂的设备。可用气动、非气动和（或）静电喷射等方法施加显像剂。此设备应配备有适宜的机械搅拌器，以使显像剂保持悬浮状。实际使用的喷枪应采用干燥、清洁的过滤空气驱动。可以用气雾容器或气雾罐来喷射此类显像剂。所造的舱应能确保喷射到被检工件的任何部位。

（d）水溶性显像剂。此工位应包含一个配备有盖和尺寸大到足以完全浸没全部被试工件的槽。它应有保持显像剂温度处于制造商推荐值的能力，以及包括一个可将多余显像剂滴沥和自由返回槽内的系统。

h.检测压。检测工位应足够大，以容许检测人员和被检工件方便地移动。如有必要，应配置一个表面不反光的工作台。

若是用于荧光检测的，应提供适宜的UV-A灯，以满足GB/T 5097—2005《无损检测 渗透检测和磁粉检测 观察条件》的要求。紫外线灯应提供UV-A照明背景。所分隔的暗室，其环境中的可见光水平应不大于20lx（见GB/T 5097—2005）。

若是用于着色渗透检验的，白光源应在被检工件表面上得到不小于500lx的照明水平。

2）渗透检测材料。所适用的渗透检测材料应按如下进行分类：

①检测产品：检测产品按表13-5进行分类。

表13-5 检测产品

②灵敏度等级：

a.荧光产品族：1/2级灵敏度（超低）、1级灵敏度（低）、2级灵敏度（中）、3级灵敏度（高）、4级灵敏度（超高）。

b.着色产品族：1级灵敏度（普通）、2级灵敏度（高）。

c.两用产品族：两用渗透剂未规定灵敏度等级，可按着色产品族进行分类。

3）铸钢件焊缝渗透检测方法：

①操作方法：

a.渗透检测总则和验证方法分别按GB/T 18851.1—2012。

b.特殊要求：

（a）所用产品的卤族元素和硫的含量应小于1%（质量分数）。

（b）渗透时间不应少于渗透剂制造商推荐的时间。

（c）操作温度应为10～50℃。

（d）水的冲洗压力应低于0.2MPa，水温应低于40℃。

（e）干燥应采用压力低于0.2MPa，温度低于20℃的清洁干燥的空气。

（f）显像时间一般为15～30min。

②人员资格。应由技术上能胜任的检测人员来操作和评定结果。其资格在询价或订货时应被双方认可。

③表面状况：

a.被测表面应清洁、无油、脂、砂、锈斑及其他任何会影响对渗透显示正确评定的物质。经喷砂、喷丸、磨削、机械加工处理，被检表面应与所要求的质量等级相对应。铸钢件焊缝经喷砂和喷丸后，渗透前必须进行酸处理。

b.铸钢件焊缝被检区域的表面要求，应在询价或订货时通过协议规定。

④观察条件。显示观察应在目视或放大不超过3倍的条件下进行，见表13-6。

表13-6 渗透检测的质量等级

注：本表规定了A6-105mm×148mm评定框内允许的数量和最大尺寸、直径或长度（mm）。

①允许采用带目镜测微尺的放大仪。

②非线状显示（SR）：L＜3b，式中L是显示的长度，b是显示的宽度。

③线状显示（LR）：L≥3b。

④点状显示（AR）：至少含有3个最大间隙为2mm的线状显示或非线状显示。

⑤验收：

a.不连续显示：

（a）渗透检测仅适用于检测表面开口的不连续显示。渗透检测不能精确反映显示不连续的性质、形状和尺寸，不连续显示分为线状、点线状、非线状。

（b）不连续显示的尺寸不能直接代表不连续的实际尺寸。表13-6列出了不同类型的渗透显示。

b.质量等级：

（a）根据表13-6，质量等级分为7级。被检表面状况应符合相应的质量等级要求。

精密：表面粗糙度值Ra1.6、Ra3.2、Ra6.3。

光滑：表面粗糙度值Ra12.5、Ra25。

粗糙：表面粗糙度值>Ra25。

（b）线状或点状显示的最大允许长度随铸钢件焊缝断面厚度δ而变化，规定了3个厚度级别：

δ≤16mm；

16mm＜δ≤50mm；

δ＞50mm。