1、第三章 射线探伤 教学目标：一、 了解射线的的产生、性质及其衰减，了解各种射线检测方法的基本原理；二、 熟悉常见射线探伤设备及器材，能正确选择 X 射线照相法设备参数；三、 掌握 X 射线照相法检测工艺，熟悉底片评定的方法，并能根据相关标准对焊缝质量进行评级；四、 了解射线探伤防护常识。一、 任务导入：射线探伤是利用射线可以穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现其中缺陷的一种无损探伤方法。它可以检查金属和非金属材料及其制品的内部缺陷，如焊缝中的气孔、夹渣、未焊透等体积性缺陷。这种无损探伤方法有独特的优越性，即检验缺陷的直观性、准确性和可靠性，而且，得到的射线底片可用于缺陷的分析和作为质量凭证存档
2、。但此法也存在着设备较复杂、成本较高的缺点，并需要对射线进行防护。二、 相关知识知识点一：射线的产生、性质及其衰减 1X 射线的产生 用来产生 X 射线的装置是 X 射线管。它由阴极、阳极和真空玻璃（或金属陶瓷）外壳组成，其简单结构和工作原理如图 3-1 所示。阴极通以电流加热至白炽状态时，其阳极周围形成电子云，当在阳极与阴极间施加高压时，电子加速穿过真空空间，高速运动的电子束集中轰击阳极靶子的一个面积（几平方毫米左右、称实际焦点） ，电子被阻挡减速和吸收，其部分动能（约 1%）转换为X 射线, 其余 99%以上的能量变成热能。图 3-1 X 射线的产生示意图2X 射线的主要性质 （1）不可见
3、，以光速直线传播。 （2）具有可穿透可见光不能穿透的物质如骨骼、金属等的能力，并且在物质中有衰减的特性。 （3）可以使物质电离，能使胶片感光，亦能使某些物质产生荧光。 3. 射线的产生及性质 射线是由放射性物质（ 60Co、 192Ir 等）内部原子核的衰变过程产生的。 射线的性质与 X 射线相似，由于其波长比 X 射线短，因而射线能量高，具有更大的穿透力。例如，目前广泛使用的 射线源 60Co，它可以检查 250mm厚的铜质工件、350mm 厚的铝制工件和 300mm 厚的钢制工件。 4.射线当射线穿透物质时，由于物质对射线有吸收和散射作用，从而引起射线能量的衰减。 射线在物质中的衰减是按照
4、射线强度的衰减是呈负指数规律变化的,以强度为 I0的一束平行射线束穿过厚度为 的物质为例，穿过物质后的射线强度为：I=I0e 式中 I射线透过厚度 的物质的射线强度； I0射线的初始强度； e自然对数的底； 透过物质的厚度； 衰减系数（ -1） 。 知识点二、射线探伤的方法及其原理 （一）射线照相法 射线照相法是根据被检工件与其内部缺陷介质对射线能量衰减程度的不同，使得射线透过工件后的强度不同，使缺陷能在射线底片上显示出来的方法。如图 3-2 所示，从 X 射线机发射出来的 X 射线透过工件时，由于缺陷内部介质对射线的吸收能力和周围完好部位不一样，因而透过缺陷部位的射线强度不同于周围完好部位。
5、把胶片放在工件适当位置，在感光胶片上，有缺陷部位和无缺陷部位将接受不同的射线曝光。再经过暗室处理后，得到底片。然后把底片放在观片灯上就可以明显观察到缺陷处和无缺陷处具有不同的黑度。评片人员据此就可以判断缺陷的情况。图 3-2 射线照相法原理（二）射线荧光屏观察法荧光屏观察法是将透过被检物体后的不同强度的射线，再投射在涂有荧光物质的荧光屏上，激发出不同强度的荧光而得到物体内部的影象的方法。此法所用设备主要由 X 射线发生器及其控制设备荧光屏观察和记录用的辅助设备防护及传送工件的装置等几部分组成。检验时，把工件送至观察箱上，X 射线管发出的射线透过被检工件，落到与之紧挨着的荧光屏上，显示的缺陷影象
6、经平面镜反射后，通过平行于镜子的铅玻璃观察。荧光屏观察法只能检查较薄且结构简单的工件，同时灵敏度较差，最高灵敏度在 2% 3%，大量检验时，灵敏度最高只达 4%7%，对于微小裂纹是无法发现的。（三）射线实时成象检验射线实时成象检验是工业射线探伤很有发展前途的一种新技术，与传统的射线照相法相比具有实时，高效、不用射线胶片、可记录和劳动条件好等显著优点。由于它采用 X 射线源，常称为 X 射线实时成象检验。国内外将它主要用于钢管、压力容器壳体焊缝检查；微电子器件和集成电路检查；食品包装夹杂物检查及海关安全检查等。这种方法是利用小焦点或微焦点 X 射线源透照工件，利用一定的器件将 X射线图象转换为可
7、见光图象，再通过电视摄象机摄象后，将图象直接或通过计算机处理后再显示在电视监视屏上，以此来评定工件内部的质量。通常所说的工业 X 射线电视探伤，是指 X 光图象增强电视成象法，该法在国内外应用最为广泛，是当今射线实时成象检验的主流设备，其探伤灵敏度已高于 2%，并可与射线照相法相媲美。该法探伤系统基本组成如图 3-3 所示。图 3-3 X 光电增强电视成法探伤系统1 射线源 2、5电动光阑 3X 射线束 4工件 6图象增强器 7耦合透镜组8-电视摄象机 9控制器 10-图象处理器 11监视器 12防护设施（四）射线计算机断层扫描技术计算机断层扫描技术，简称 CT（Computertomogra
8、phy） 。它是根据物体横断面的一组投影数据，经计算机处理后，得到物体横断面的图象。其装置结构如图 3-4 所示。图 3-4 射线工业 CT 系统组成框图1-射线源 2工件 3检测器 4数据采集部 5高速运算器 6计算机 CPU 7控制器8显示器 9摄影单元 10磁盘 11防护设施 12 机械控制单元 13射线控制单元14应用软件 15图象处理器射线源发出扇形束射线，被工件衰减后的射线强度投影数据经接收检测器（300 个左右，能覆盖整个扇形扫描区域）被数据采集部采集，并进行从模拟量到数字量的高速 A/D 转换，形成数字信息。在一次扫描结束后，工作转动一个角度再进行下一次扫描，如此反复下去，即可
9、采集到若干组数据。这些数字信息在高速运算器中进行修正图象重建处理和暂存，在计算机 CPU 的统一管理及应用软件支持下，便可获得被检物体某一断面的真实图象，显示于监视器上。知识点三：射线探伤设备简介 射线探伤常用的设备主要有 X 射线机、 射线机等，它们的结构区别较大。一、X 射线机1X 射线机的分类和用途X 射线机即 X 射线探伤机，按其结构形式分为携带式、移动式和固定式三种。携带式 X 射线机多采用组合式 X 射线发生器，体积小，重量轻，适用于施工现场和野外作业的工件探伤；移动式 X 射线机能在车间或实验室移动，适用于中、厚焊件的探伤；固定式 X 射线机则固定在确定的工作环境中靠移动焊件来完
10、成探伤工作。2X 射线管X 射线管是 X 射线机的核心部件，是由阴极、阳极和管套组成的真空电子器件，其结构如图 3-5 所示。图 3-5 射线管结构示意图1阴极 2聚焦罩 3灯丝 4阳极罩 5阳极靶 6管套(1)管套 它是 X 射线管的外壳。为了使高速电子在 X 射线管内运动时阻力减小，管内要求有较高的真空度。(2)阴极 X 射线管的阴极起着发射电子和聚集电子的作用。它主要由发射电子的钨丝和聚焦电子的聚集罩（纯铁或纯镍制成的凹面形）组成。(3)阳极 X 射线是从射线管的阳极发出的。整个阳极构造包括阳极靶（钨等） 、阳极体和阳极罩（铜，导电和散热）三部分。由于 X 射线管能量转换率很低，阳极靶接
11、受电子轰击的动能绝大部分转换为热能而被阳极吸收，因此阳极的冷却至关重要。目前采用的冷却方式主要有辐射散热及油、水冷却等。(1)焦点 X 射线管的焦点是决定 X 射线管光学性能好坏的重要标志，焦点大小直接影响探伤灵敏度。技术指标中给出的焦点尺寸通常是有效焦点。因为影响透照清晰度和灵敏度的主要是有效焦点的大小。由于阳极靶块与射线束轴线一般成200倾斜角，所以有效焦点大约是实际焦点的 1/3。3X 射线机的组成X 射线机通常由 X 射线管、高压发生器、控制装置、冷却器、机械装置和高压电缆等部件组成。携带式 X 射线机是将 X 射线管和高压发生器直接相连构成组合式 X 射线发生器，省去了高压电缆，并和
12、冷却器一起组装成射线柜，为了携带方便一般也没有为支撑机器而设计的机械装置。4X 射线机选择（1）根据工作条件选择 X 射线机按其可搬动性分为携带式和移动式两大类。携带式轻便，易于搬动。移动式 X 射线机比较重，组件多，但管电压管电流可以制作得较大，其线路结构和安全可靠性也较好。因此对于零件较小，可以集中在地面工作的，宜选用移动式 X 射线机。对于零件较大需在高空或地下工作的，宜选用携带式 X 射线机(2)根据被透物体的结构和厚度选择 X 射线机是利用射线机透过被检验物质来发现其中是否有缺陷的。所以，首先关心的是 X 射线机能否穿透欲检验物质的材料或焊缝。X 射线穿透能力取决于 X 射线的能量和
13、波长。X 射线管的管电压愈高，发射的 X 射线波长愈短，能量愈大，透过物质的能力愈强。因此，选择管电压高的 X 射线机可以得到高的穿透能力。另外，X 射线穿透过不同的物质时，物质对射线的衰减能力不同。一般来说，被透照物质原子序数愈大密度愈大则对射线衰减的能力愈大。因此，透照轻金属或厚度较薄的工件时，宜选用管电压低的 X 射线机，透照重金属或厚度较大的工件时，宜选用管电压高的 X 射线机。二、 射线机 射线机按其结构形式分为携带式移动式和爬行式三种。携带式 射线机多采用 60Co 作射线源，用于较厚工件的探伤。爬行式 射线机主要用于野外焊接管线的探伤。 射线机具有以下优点：穿透力强，最厚可透照
14、300mm 钢材；透照过程中不用水和电，因而可在野外、对带电高压电器设备、高空、高温及水下等多种场合下工作，可在 X 射线机和加速器无法达到的狭小部位工作。主要缺点是：半衰期短的 源更换频繁；要求有严格的射线防护措施；探伤灵敏度略低于 X 射线机。三、加速器加速器是一种利用电磁场使带电粒子（如电子、质子、氘核、氦核及其他重离子）获得能量的装置。用于产生高能 X 射线的加速器主要有电子感应式、电子直线式和电子回旋式三种。目前应用最广大的电子直线加速器。由于加速器能量高，射线焦点尺寸小，探伤灵敏度高，且其射线束能量、强度与方向均可精确控制，其应用已日益广泛。知识点四：焊缝射线照相法探伤射线照相法具
15、有灵敏度较高所得射线底片能长期保存等优点，目前在国内外射线探伤中，应用最为广泛。射线照相法探伤法是通过底片上缺陷影象，对照有关标准来评定工件内部质量的。对于焊接射线探伤而言，我国已经制订了国家标准。以下介绍射线照相中的各项主要技术。一、象质等级的确定象质等级就是射线照相质量等级，是对射线探伤技术本身的质量要求。我国将其划分为三个级别：A 级成象质量一般，适用于承受负载较小的产品和部件。AB 级成象质量较高，适用于锅炉和压力容器产品及部件。B 级成象质量最高，适用于航天和核设备等极为重要的产品和部件不同的象质等级对射线底片的黑度灵敏度均有不同的规定。为达到其要求，需从探伤器材方法条件和程序等方面
16、预先进行正确选择和全面合理布置，对给定工件进行射线照相法探伤时，应根据有关规定和标准要求选择适当的象质等级。二、探伤位置的确定及其标记在探伤工件中，应按产品制造标准的具体要求对产品的工作焊缝进行全检即 100%检查或抽检。抽检面有 5%10%20%40%等几种，采用何种抽检面应依据有关标准及产品技术条件而定。对允许抽检的产品，抽检位置一般选在：可能或常出现缺陷的位置；危险断面或受力最大的焊缝部位；应力集中部位；外观检查感到可疑的部位。1探伤位置的确定 根据压力容器安全监察规程 ，可对探伤位置确定如下：（1）筒体与封头连接部位，因此 153145 二条环焊缝应 100%探伤，共拍片 30 张。（
17、2）筒节纵环逢交叉部位，因此中间环焊缝 16172324 二区段必须探伤。另外，根据规定，除 16172324 二个区段外，尚需再自行增加一个探伤区段。（3）筒体纵缝 X321 上的 0167 二区段占焊缝长度的 28%；X322的 0178 二区段已占焊缝长度 25%，均大于 20%的要求。2标记对于选定的焊缝探伤位置必须进行标记，使每张射线底片与工件被检部位能始终对照，易于找出返修位置。标记内容主要有：1）定位标记 包括中心标记搭接标记。2）识别标记 包括工件编号焊缝编号部位编号返修标记等。3）B 标记 该标记应贴附在暗盒背面，用以检查背面散射线防护效果。若在较黑背景上出现“B”的较淡影象
18、，应予重照。另外，工件也可以采用永久性标记（如钢印）或详细的透照部位草图标记。标记的安放位置如图 3-6 所示。图 3-6 各种标记相互位置（标记系）A-定位及分编号（搭接标记） B制造厂代号 C产品令号（合同号） D工件编号 E焊接类别（纵、环缝） F返修次数 G检验日期 H中心定位标记 I象质计 JB 标记 K操作者代号三、射线能量的选择射线能量的选择实际上是对射线源的 kVMeV 值或 源的种类的选择。射线能量愈大，其穿透能力愈强，可透照的工件厚度愈大。但同时也带来了由于衰减系数的降低而导致成象质量下降。所以在保证穿透的前提下，应根据材质和成象质量要求，尽量选择较低的射线能量。四、胶片与
19、增感屏的选取1胶片的选取射线胶片不同于普通照相胶卷之处是在片基的两面均涂有乳剂，以增加射线敏感的卤化银含量，通常依卤化银颗粒粗细和感光速度快慢，将射线胶片予以分类。探伤时可按检验的质量和象质等级要求来选用，检验质量和象质等级要求高的应选用颗粒小、感光速度慢的胶片。反之则可选用颗粒较小、感光速度较快的胶片。2增感屏的选取射线照相中使用的金属增感屏，是由金属箔（常用铅钢或铜等）粘合在纸基或胶片片基上制成。其作用主要是通过增感屏被射线投射时产生的二次电子和二次射线，增强对胶片的感光作用，从而增加胶片的感光速度。同时，金属增感屏对波长较长的散射线有吸收作用。这样，由于金属增感屏的存在，提高了胶片的感光
20、速度和底片的成象质量。金属增感屏有前后屏之分。前屏（覆盖胶片靠近射线源的一面）较薄，后屏（覆盖胶片背面）较厚。其厚度应根据射线能量进行适当的选择。五、灵敏度的确定及象质计的选用灵敏度是评价射线照相质量的最重要的指标，它标志着射线探伤中发现缺陷的能力。灵敏度分绝对灵敏度和相对灵敏度。绝对灵敏度是指在射线底片上所能发现的沿射线穿透方上的最小缺陷尺寸。相对灵敏度则用所能发现的最小缺陷尺寸在透照工件厚度上所占的百分比来表示。由于预先无法了解沿射线穿透方向上的最小缺陷尺寸，为此必须采用已知尺寸的人工“缺陷”象质计来度量。象质计有线型孔型和槽型三种，探伤时，所采用的象质计必须与被检工件材质相同，其放置方式
21、应符合图 3-7 所示要求，即安放在焊缝被检区长度1/4 处，钢丝横跨焊缝并与焊缝轴线垂直，且细丝朝外。图 3-7 象质计的正确安放在透照灵敏度相同情况下，由于缺陷性质取向内含物的不同，所能发现的实际尺寸不同。所以在达到某一灵敏度时，并不能断定能够发现缺陷的实际尺寸究竟有多大。但是象质计得到的灵敏度反映了对于某些人工“缺陷” （金属丝等）发现的难易程度，因此它完全可以对影象质量作出客观的评价。六、透照几何参数的选择1射线焦点大小的影响射线焦点的大小对探伤取得的底片图像细节的清晰程度影响很大，因而影响探伤灵敏度。焦点为点状时，得到的缺陷影像最为清晰，底片上的黑度由 D2急剧过度到 D1。而当焦点
22、为直径 d 的圆截面时，缺陷在底片上的影像将存在黑度逐渐变化的区域 Ug，称为半影。它使得缺陷的边缘线影像变得模糊而降低射线照相的清晰度。且焦点尺寸愈大，半影也愈大，成象就愈不清晰。所以，探伤时应当尽量减小焦点尺寸。2透照距离的选择焦点至胶片的距离称为透照距离，又称焦距。在射线源选定后，增大透照距离可提高底片清晰度，也增大每次透照面积。但同时也大大削弱单位面积的射线强度，从而使得曝光时间过长。因此，不能为了提高清晰度而无限地加大透照距离。探伤通常采用的透照距离为 400700mm。七、常见焊缝透照方法进行射线探伤时，为了彻底地反映工件接头内部缺陷的存在情况，应根据焊接接头形式和工件的几何形状合理布置透照方法。按照射线源、工件和胶片
