底片影像分析及识别中的小径管环焊缝

【学习目标】

1.了解评片的基本知识。

2.熟悉焊接的基本知识。

3.能识别焊接缺陷的影像，对缺陷进行定性。

【任务描述】

规格为ϕ51mm×3.5mm的管线，按JB/T4730.2—2005中的AB级像质要求进行射线检测，抽查比例为50%，Ⅱ级合格。有现场监理，检测焊道由现场监理指定。经检测共得到底片60张。本任务的要求是对小径管环焊缝的底片影像进行分析和识别。

【相关知识】

底片上的影像千变万化，形态各异，影像分析和识别是评片工作的重要环节，也是评片人员的基本技能。焊接缺陷的影像特征基本取决于焊缝中缺陷的形态、分布、走向和位置，由射线透照角变化而造成的影像畸变或影像模糊也应予以充分考虑。对缺陷特性和成因的充分了解和经验，有助于缺陷的正确判断。必要时，应改变射线检测方案重新拍片，也可对可疑影像进行解剖分析，这样可以减少误判和漏判。

一、观片的基本操作

观察底片的操作可分为两个阶段，即通览底片和影像细节观察。

1.通览底片

通览底片的目的是获得焊接接头质量总体印象，找出需要分析研究的可疑影像。通览底片时必须注意，评定区域不仅仅是焊缝，还包括焊缝两侧的热影响区，对这两部分区域，都应仔细观察。由于余高的影响，焊缝和热影响区的黑度差异往往较大，有时需要调节观片灯亮度，在不同的光强下分别观察。

2.影像细节观察

影像细节观察是为了作出正确的分析判断。因细节的尺寸和对比度极小，识别和分辨是比较困难的，为尽可能看清细节，常采用下列方法：

1）调节观片灯亮度，寻找最适合观察的透过光强。

2）用纸框等物体遮挡住细节部位邻近区域的透过光线。

3）使用放大镜进行观察。

4）移动底片，不断改变观察距离和角度。

二、焊接基本知识

1.焊接接头

焊接从微观上看是材料通过原子或分子间的结合和扩散形成永久性连接的工艺过程。熔化焊是金属材料焊接的主要方法。熔化焊过程是被焊接金属在热源作用下被加热，母材金属局部被熔化，熔化的金属、熔渣、气相之间进行一系列化学冶金反应，伴随着热源移开，熔化的金属开始结晶，从液态转变为固态，形成焊缝，实现焊接。由熔化的母材金属（和焊条金属）在母材金属上形成的具有一定形状的液态金属称为熔池。熔池的形状、体积、存在的时间、温度等不仅影响焊缝的成形，而且也直接关系到焊接缺陷的产生。

结构间通过焊接连接的部分称为焊接接头。焊接接头分为三个部分：焊缝区、熔合线、热影响区。图6-1所示为熔化焊焊接接头的基本结构。焊缝区是由焊条金属和母材金属熔化、发生化学反应后形成的焊缝金属。熔合线是焊缝区外侧至母材部分熔化的区域。热影响区是母材部分熔化区和母材发生固相组织变化的区域。检验时这三个区都是被检区域。

常用的焊接接头形式主要是对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头。焊接处一般要加工成一定形状，称为坡口。焊接接头常用的坡口类型，按坡口的形状分为V形坡口、U形坡口、X形坡口、双U形坡口，对于薄板焊接接头，也常不加工出坡口，或者称为Ⅰ形坡口。坡口角度（双面）常为60°左右。坡口根部一般有直角钝边，即一定高度的直边区。图6-2所示为V形坡口结构示意图，可按此图理解其他类型坡口。图6-3所示为部分接头的结构示意图。

图6-1 熔化焊焊接接头的基本结构

1—母材 2—热影响区 3—焊缝 4—熔合线

图6-2 V形坡口结构示意图

图6-3 部分接头的结构示意图

a）对接接头 b）T形接头 c）角接接头 d）搭接接头

2.焊接缺陷分类

（1）气孔 焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴。气孔可分为条虫状气孔、针孔、柱孔，按分布可分为密集气孔、链孔等。气孔的生成有工艺因素，也有冶金因素。工艺因素主要是焊接规范、电流种类、电弧长短和操作技巧。冶金因素是由在凝固界面上排出的氮、氢、氧、一氧化碳和水蒸气等所造成的。

（2）夹渣 焊后残留在焊缝中的溶渣，有点状和条状之分。产生原因是熔池中熔化金属的凝固速度大于熔渣的流动速度，当熔化金属凝固时，熔渣未能及时浮出熔池而形成夹渣。它主要存于焊道之间和焊道与母材之间。

（3）未熔合 熔化焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分；定位焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分。

未熔合可分为坡口未熔合、焊道之间未熔合（包括层间未熔合）、焊缝根部未熔合。按其间成分不同，可分为白色未熔合（纯气隙，不含夹渣）、黑色未熔合（含夹渣）。

未熔合产生的原因如下：

1）电流太小或焊速过快（线能量不够）。

2）电流太大，使焊条大半根发红而熔化太快。

3）母材还未到熔化温度便覆盖上去。

4）坡口有油污、锈蚀。

5）焊件散热速度太快，或起焊处温度低。

6）操作不当或磁偏吹，焊条偏弧等。

（4）未焊透 焊接时接头根部未完全熔透的现象，也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下的间隙，或是母材金属之间没有熔化，焊缝熔敷金属没有进入接头的根部造成的缺陷。

未焊透产生的原因：焊接电流太小，速度过快，坡口角度太小，根部钝边尺寸太大，间隙太小，焊接时焊条摆动角度不当，电弧太长或偏吹（偏弧）。

（5）裂纹 在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙，称为焊接裂纹。它具有尖锐的缺口和大的长宽比特征。按其方向可分为纵向裂纹、横向裂纹，辐射状（星状）裂纹。按发生的部位可分为根部裂纹、弧坑裂纹、熔合区裂纹、焊趾裂纹及热影响区裂纹。按产生的温度可分为热裂纹（如结晶裂纹、液化裂纹等）、冷裂纹（如氢致裂纹、层状撕裂等）以及再热裂纹。

产生机理：一是冶金因素，二是力学因素。冶金因素是指由于焊缝存在不同程度的物理与化学状态的不均匀，如低熔点共晶组成元素S、P、Si等的偏析、富集，导致产生热裂纹。此外，在热影响区金属中，快速加热和冷却使金属中的空位浓度增加，同时材料的淬硬倾向降低了材料的抗裂性能，在一定的力学因素下，这些都是生成裂纹的冶金因素。力学因素是指由于快热快冷产生了不均匀的组织区域，由于热应变不均匀而导致不同区域产生不同的应力联系，造成焊接接头金属处于复杂的应力-应变状态。内在的热应力、组织应力和外加应力以及应力集中相叠加构成了导致接头金属开裂的力学条件。

（6）形状缺陷 焊缝的形状缺陷是指焊缝表面形状可以反映出来的不良状态，如咬边、焊瘤、烧穿、凹坑（内凹）、未焊满、塌漏等。

产生原因主要有：焊接参数选择不当，操作工艺不正确，焊接技能差。

3.焊接缺陷对焊接接头力学性能的影响

（1）气孔 气孔减小焊缝的有效工作面积，破坏了焊缝金属的致密性和结构的连续性，它使焊缝的塑性降低40%～50%，并显著降低焊缝弯曲和冲击韧性以及疲劳强度，接头力学性能明显不良。

（2）夹渣 呈棱角（夹渣的主要特征）的不规则夹渣，容易引起应力集中，是脆性断裂扩展的疲劳源，它同样也减小焊缝工作面积，破坏焊缝金属结构的连续性，明显降低接头的力学性能。焊缝中存在夹渣是十分有害的，它不仅降低焊缝金属的塑性，增大低温脆性，同时也增大了产生裂纹和厚板结构层状撕裂的倾向。焊缝中的金属夹渣（夹钨等）如同气孔一样，也会降低焊缝的力学性能。

（3）未焊透 在焊缝中，未焊透会导致焊缝的强度大大降低，易延伸为裂纹缺陷，导致构件破坏，尤其连续未焊透更是一种危险缺陷。

（4）未熔合 一种类似于裂纹的极其危险的缺陷。未熔合本身就是一种虚焊，在交变载荷工作状态下，应力集中，极易开裂，是最危险的缺陷之一。

（5）裂纹 焊缝中最危险的缺陷之一，大部分焊接构件的破坏由此产生。

（6）形状缺陷 主要造成焊缝表面的不连续性，有的会造成应力集中，产生裂纹（如咬边）；有的致使焊缝截面面积减小（如凹坑等）；有的缺陷是不允许的（如烧穿），因为烧穿能导致焊缝接头完全破坏，强度下降。

三、底片影像分析

底片影像分析是评片人员的基本功。评片时首先要认定所评定底片是单面焊还是双面焊，是自动焊还是手工焊，是平焊、立焊还是横焊、仰焊。根据焊接接头的特征才能区别情况，确定缺陷的位置和形貌，区分焊接形状缺陷和伪缺陷，达到准确评片的目的。为此，以图片的形式重点介绍不同施焊位置、焊接形式、焊接方法在底片上的焊缝影像特征和各种焊接缺陷的特征。

1.施焊位置的影像分析

（1）平焊底片的影像特征 试件或工件的对接接头处于平面位置施焊，如手工焊，一般焊缝成形较好，焊缝余高不大，焊缝宽度较均匀。在底片上的特征是：焊缝影像清晰，黑白明显，焊缝余高影像有明显过渡的特点，焊缝焊波分布均匀。管子手工平焊根部易产生焊瘤、烧穿等缺陷。自动焊绝大多数为平焊，成形规整，表面光滑，无焊波或大的尖形焊波，平焊影像如图6-4所示。

图6-4 平焊影像

（2）横焊底片的影像特征 试件或工件的对接接头处于横向的位置施焊，一般由坡口的下边一层接一层地向上焊接。焊缝熔化过程熔池向下流动，堆积后才结晶，形成乳头形状的叠加。焊缝表面似多条小焊缝平行排列。横焊都为手工焊。

在底片上的特征：焊缝影像似乳头状，焊缝下部较白，上部略黑。每一层的轮廓清晰，层与层黑白相间，不易看出起弧、熄弧的位置特征。横焊易产生平行于焊缝的条渣、未熔合等缺陷，横焊影像如图6-5所示。

图6-5 横焊影像

（3）立焊底片的影像特征 试件或工件的对接接头处于直立的位置施焊，一般采用“向上焊”，焊缝表面成形粗糙，焊波呈鱼鳞状。焊缝纹理不太明显，整条焊缝余高偏大。

在底片上的特征：焊波呈鱼鳞状，余高成黑白交替，成形较规整，立焊影像如图6-6所示。

图6-6 立焊影像

（4）仰焊底片的影像特征 试件或工件的对接接头处于仰脸的位置施焊。焊缝熔化过程中熔池朝下，焊缝成形较差，余高不易控制，焊波不明显。

在底片上的特征：焊波不规则，黑度不均匀。单面焊时往往有内凹存在，如同多个圆饼组合而成，仰焊影像如图6-7所示。

图6-7 仰焊影像

2.焊接形式的影像分析

（1）单面焊底片的影像特征 单面焊对接接头的焊接一般采用手工焊，它的施焊位置平、横、立、仰都可采用。它在底片上的影像特征为：除可以分辨出平、横、立、仰的焊接位置外，最明显的区别就是在焊缝的根部成形较好，根焊道呈现一条较窄的白色影像。成形不好的易产生缺陷，如内凹、根部未熔合、根部未焊透和根部圆滑的线状气孔等，单面焊影像如图6-8所示。

图6-8 单面焊影像

（2）双面焊底片的影像特征 双面焊对接接头的焊接方法有手工焊、自动焊。它在底片上的影像特征为：能较明显地看出两条焊缝叠加的影像。双面焊一般为X形坡口，缺陷多出现在焊缝中心线的钝边处，如未焊透、链状气孔和条渣等，双面焊影像如图6-9所示。

图6-9 双面焊影像(www.xing528.com)

3.焊接方法的影像分析

（1）手工焊底片的影像特征 手工焊在底片上的影像与自动焊相比，一般焊缝表面较粗糙，焊波较细密，多呈半弧形，有明显的平、横、立、仰的影像特征，手工焊影像如图6-10所示。

图6-10 手工焊影像

（2）自动焊底片的影像特征 自动焊的施焊位置一般为平焊，它的影像成形规整，表面光滑，无焊条电弧焊运条产生的焊波，自动焊影像如图6-11所示。

（3）手工钨极氩弧焊底片的影像特征 手工钨极氩弧焊又称为非熔化极氩弧焊，采用光丝焊，焊丝摆动速度低于焊条电弧焊，表面成形光滑，运条纹理明显少于焊条电弧焊，钨极氩弧焊影像如图6-12所示。手工钨极氩弧焊易产生夹钨缺陷。

图6-11 自动焊影像

图6-12 钨极氩弧焊影像

4.缺陷定性时的影像分析要点

观察影像时，一般首先注意的是影像形状、尺寸、黑度，除此以外，还应进行下列观察与分析：

（1）影像位置 根据影像在底片上的位置以及影像特征，结合投影关系，推测其在焊缝中的位置是在根部、坡口还是表面，是在焊缝还是在热影响区。

（2）影像的延伸方向 影像的延伸方向有一定的规律性，例如，未熔合、未焊透等沿焊缝纵向，热裂纹、虫状气孔与焊缝结晶方向有关，咬边、弧坑的轮廓与焊缝表面波纹相吻合。

（3）影像轮廓的清晰程度 除了照相工艺条件影响清晰程度外，还应注意影响轮廓清晰程度的其他因素，并据此分析厚板与薄板中影像清晰程度的差异、缺陷和某些伪缺陷清晰程度的差异、内部缺陷和表面缺陷轮廓清晰度的差异等。

（4）影像的细节特征 注意寻找细节特征，如裂纹的尖端、锯齿，未焊透的直边等。

四、焊接缺陷影像分析

1.裂纹

底片上裂纹的典型影像是轮廓分明的黑线或黑丝。其细节特征包括：黑线或黑丝上有微小的锯齿，有分叉，粗细和黑度有时有变化，有些裂纹影像呈较粗的黑线与较细的黑丝相互缠绕状，线的端部尖细，端头前方有时有丝状阴影延伸。

裂纹按延伸方向分为纵向裂纹、横向裂纹和弧坑裂纹。纵向裂纹平行于焊缝轴线，有时出现在焊缝中心，有时出现在焊缝边缘（焊趾线上），其在底片上的影像多为中间稍宽、两端尖细的直线，有时略带弯曲，如图6-13所示。有些应力裂纹，常出现被撕开仍有丝缕牵连的丝形影像。对于旋压封头，强力冲击时有时会出现两端尖细、长度很短（5～15mm）的细小裂纹，轮廓清晰，黑度较大，很像两端磨细的大头针。

横向裂纹垂直于焊缝轴线方向，呈微细黑色线纹，它两端尖细，略有弯曲，有分枝，一般不太长，很少穿过焊缝，如图6-14所示。

弧坑裂纹是在焊缝最后的收弧弧坑内产生的星形（少数为“一”形）裂纹影像，黑度较淡，轮廓清晰，多有弯曲，由于与弧坑影像同时存在，比较容易判断，如图6-15所示。

图6-13 纵向裂纹影像

图6-14 横向裂纹焊影像

图6-15 弧坑裂纹影像

各种裂纹影像的差异和变化较大，因为裂纹影像不仅与裂纹自身的形态有关，而且与射线能量、工件厚度、透照角度、底片质量等许多因素有关。例如，透照时射线束方向与裂纹深度方向平行，得到的裂纹影像是一条黑线，随着透照角度逐渐增大，黑线将变宽，同时黑度变小，透照角度更大时，可能只出现一条模糊的宽带阴影，完全失去了裂纹影像特征。

2.未熔合

根部未熔合的典型影像是一条细直黑线，线的一侧轮廓整齐且黑度较大，为坡口钝边痕迹，另一侧轮廓可能较规则也可能不规则。根部未熔合在底片上的位置应是焊缝根部的投影位置，一般在焊缝中间，因坡口形状或投影角度等原因也可能偏向一边，如图6-16所示。

坡口未熔合的典型影像是连续或断续的黑线，宽度不一，黑度不均匀，一侧轮廓较齐，黑度较大，另一侧轮廓不规则，黑度较小，在底片上的位置一般在焊缝中心至边缘的1/2处，沿焊缝纵向延伸，如图6-17所示。

层间未熔合的典型影像是黑度不均匀的块状阴影，形状不规则，伴有夹渣时，夹渣部位的黑度较大，如图6-18所示。

图6-16 根部未熔合影像

图6-17 坡口未熔合影像

图6-18 层间未熔合影像

3.未焊透

未焊透的典型影像是细直黑线，两侧轮廓都很整齐，为坡口钝边痕迹。宽度恰好为钝边间隙宽度。有时坡口钝边有部分熔化，影像轮廓就变得不很整齐，线宽度和黑度局部发生变化，但只要能判断是处于焊缝根部的线性缺陷，则仍判定为未焊透。未焊透在底片上处于焊缝根部的投影位置，一般在焊缝中部，因透照偏、焊偏等原因也可能偏向一侧。未焊透呈断续或连续分布，有时能贯穿整张底片。如图6-19所示。

4.夹渣

非金属夹渣在底片上的影像是黑点、黑条或黑块，形状不规则，黑度变化无规律，轮廓不圆滑，有的带棱角。非金属夹渣可能发生在焊缝中的任何位置，条状夹渣的延伸方向多与焊缝平行，如图6-20所示。

图6-19 未焊透影像

夹钨在底片上的影像是一个白点，由于钨对射线的吸收系数很大，因此白点的黑度极小（极亮），据此可将其与飞溅影像相区别，夹钨只产生在非熔化极氩弧焊焊缝中，该焊接方法多用于不锈钢薄板焊接和管子对接环焊缝的打底焊接。夹钨尺寸一般不大，形状不规则。大多数情况以单个形式出现，少数情况以弥散状态出现，如图6-21所示。

图6-20 夹渣影像

图6-21 夹钨影像

5.气孔

气孔在底片上的影像是黑色圆点，也有呈黑线（线状气孔）或其他不规则形状的，气孔的轮廓比较圆滑，其黑度中心较大，至边缘稍减小。

气孔可以发生在焊缝中的任何部位，手工单面焊根部线状气孔、双面焊根部链状气孔、焊缝中心线两侧的虫状气孔是发生部位与气孔形状有对应规律的例子。针孔直径较小，但影像黑度很大，一般发生在焊缝中心。夹珠是另一类特殊的气孔缺陷，它是前一道焊缝生成的气孔被后一道焊缝熔穿，铁液流进气孔的空间而形成的，在底片上的影像为黑色气孔中间包含着一个白色圆珠。气孔影像如图6-22所示。

图6-22 气孔影像

图6-22 气孔影像（续）

【任务实施】

一、小径管环焊缝双壁双影照相特点

1）透照厚度变化大，对ϕ51mm×3.5mm的管子照相，最大透照厚度为最小透照厚度的3.7倍，因此，底片上不同部位的黑度和灵敏度差异较大。

2）上、下焊缝的几何不清晰度存在较大差异，对于ϕ51mm×3.5mm的管子，上焊缝U_g约为下焊缝的10倍。

3）边蚀效应较严重，散射比较大，因此成像质量不高。

二、通览底片时的影像分析

1.辨认焊接方法

小径管多采用手工焊，由根部成形情况判断是否用氩弧焊打底。

2.辨认焊接位置

根据焊缝波纹判断水平固定、垂直固定或是滚动焊；如果是水平固定，找出起弧的仰焊位置和收弧的平焊位置。

3.确定有效评定范围

根据黑度和灵敏度情况判断检出范围是否达到90%。

4.辨明投影位置

焊缝根部投影位于椭圆影像的内侧，根据影像放大或畸变情况以及清晰程度有时可分辨出上焊缝和下焊缝。

三、缺陷定性时的影像分析

1.常见缺陷

裂纹、根部未熔合、未焊透、夹渣、气孔、烧穿、内凹、内咬边。

2.常见形状缺陷

焊瘤、弧坑、咬边。

3.影像的位置

一般规律是：根部裂纹、未熔合、未焊透、线状气孔、内凹、内咬边、烧穿都发生在焊缝根部，底片上的位置处于椭圆内侧；内凹一般在仰焊位置；根部焊瘤、焊漏、弧坑在平焊位置。

4.观察影像的主要特征和细节特征

注意未焊透与内凹的区别，烧穿、弧坑与气孔的区别，线状气孔与裂纹的区别。