焊接接头缺陷影像识别及成因分析

2021-01-27刘文东

设备管理与维修 2021年9期

刘文东

（湖南省特种设备检验检测研究院衡阳分院，湖南衡阳 421001）

0 引言

射线检测通过对底片的审查，判断出缺陷的成因，可以避免同类型的缺陷再次出现，在保障设备安全的同时，挽回不必要的经济损失。射线检测是承压类特种设备定期检验中的一种重要的埋藏缺陷检测方法，检测结果的可靠与否对于保障设备使用安全具有决定性作用。在实施射线检测时，对底片的评判是关键的一步，正确识别缺陷和伪缺陷可以防范化解风险和避免不必要的经济损失。对于缺陷影像，如果发生漏评，则会使设备长期“带病”运行，给人民生命财产带来巨大风险；如果“伪缺陷”被评成了缺陷，要求使用单位对设备进行维修，停工停产和维修材料等花费会给用户带来不必要的经济损失。因此，对于焊接接头缺陷影像识别及成因分析具有重要的意义。

1 气孔类缺陷

1.1 单个气孔（分散气孔）

（1）特征和分布状态。单个气孔缺陷在焊接内部多呈单一状态均匀分布，在焊缝上部，气孔体积不大，呈球状或椭圆形，表面光滑[1]。

（2）射线检测影像特征。单个气孔与射线底片上能清晰地显示气孔的球状、椭圆状轮廓，由于经常采用射线方向与焊缝纵向垂直的透照方法，在底片上看到的都是气孔的正投影图像。所以，在射线底片上都不能反映单个气孔缺陷在焊缝横向所处位置，即不能说明单个气孔是在焊缝的上部、中部和下部。

（3）形成原因。焊接前未将焊缝坡口处金属上的铁锈、油污和油漆等清理干净；电焊条潮湿，水分在电弧高温作用下分解成氢气和氧气等气体，溶解于液态金属中，此时若焊缝中液态金属凝固过快，熔解气体不能及时自焊缝中逸出；由于电弧加热母材温度不够高，焊接速度又过快等不合理工艺因素影响。

1.2 链式气孔缺陷

（1）特征与分布状态。链式气孔在焊缝中呈一直线分布，气孔边沿相互衔接，状如链条，链的中心与焊缝轴线平行。在埋弧焊中出现在母材与焊缝之间，在单面对接焊缝中常出现在焊接底部，链式气孔缺陷很容易和未焊透缺陷混淆。为了与未焊透缺陷区别，链状气孔又称细线气孔。在焊缝边沿的纵剖面上可以看到链状气孔，在母材与焊缝分界面上呈链环状影像。在焊缝横剖面上链状气孔是呈单个分布，并有一定距离。链状气孔呈此分布状态是由于母材与焊缝边界处冷却速度大，液态金属受母材激冷，首先在此处凝固；而氢气泡在固相表面上形成时，消耗的功又小，因此氢气在熔池中析出即在此处团集形成气泡，来不及逸出[2]。

（2）射线影像特征。链式气孔缺陷在射线底片上能清晰地显示出来，有的链环状分布，连续长度有30 mm 以上有的则呈断链状。一段一段分布在焊缝与母材边沿部位底片上呈暗色图像，在链的边沿可清楚看到气孔圆形轮廓。

（3）形成原因。主要由氢气引起，氢来源于潮湿的助熔剂和没有充分干燥的焊条涂料中的水分。焊条在电弧高温作用下，水被分解成氢和氧，氧与合金元素结合形成氧化物，同时降低了氢在金属液中的溶解度，因此在焊接过程中，熔池内的液态金属常有饱和氢气。当焊接熔池温度降低时，氧立即开始从熔池析出，由于焊缝冷却速度很大、氢气泡来不及逸出，成带状滞留于焊缝内。

1.3 密集气孔

（1）特征与分布状态。气孔呈群状密集分布在焊缝中心部位，其单个体积大小不一，常发生在焊缝的起点和电弧中断处。

（2）射线影像特征。由于焊缝内存在密集气孔缺陷部位比没有气孔缺陷的部位透过的射线强度大，致使底片呈现不同感光度。因此在底片上能够发现密集型气孔所形成套环状暗斑。

（3）形成原因。焊接过程中产生电弧的电流电压不稳定；电焊条内含碳量过高；焊药熔剂潮湿；电弧过长；改变焊接方式；气体保护焊，气体纯度不够；焊接速度过快；风带连接处漏。

1.4 柱状和斜状气孔缺陷

（1）特征与分布状态。焊缝内柱状和斜状气孔缺陷具有方向性，常分布在焊缝的中间部位，大多与焊缝的顶面垂直，有的还裸露在焊缝顶面，严重的能贯穿整个焊缝的纵断面。

（2）射线影像特征。焊缝内部的柱孔斜孔缺陷，能在X 射线底片上清晰地显示出来，在垂直焊缝中心透照时，底片上的柱孔针孔图像呈一多角形的暗色斑点，即图像显示黑色的尖角；而球状气孔在底片上的图像则呈圆形没有尖角，圆心黑度较深，向外逐渐减弱，以此可区别缺陷是球状气孔或柱状，针状气孔。

（3）形成原因。采用大电流强度的焊接过程中，由于高温作用大量氮气分子在电弧中分解成氮原子，使得氮原子在熔滴阶段就被液态金属吸收；熔滴与熔池之间因熔渣保护不良，致使熔池液态金属与空气的直接接触，从而使熔池内的金属吸收大量的氮气。当焊缝凝固时由于熔解度降低大量的氮气泡，气泡在金属不断析出气体的压力作用下强力向焊缝顶部排出，若此时焊缝已开始凝固并生成柱状品，氮气泡被拘束形成[3]。

1.5 深孔缺陷

（1）特征与分布状态。深孔缺陷黑度较大，气孔直径较小，填充层产生，往往在焊缝中间较多，盖面层产生在焊缝边沿位置上。

（2）射线影像特征。深孔缺陷在射线底片上呈球形轮廓显清晰可见，其黑度超过母材黑度。

2 夹杂类缺陷

2.1 金属夹杂物缺陷

（1）特征与分布状态。金属夹杂物的形状比较复杂，有多角形、球形、椭圆形和花瓣形，常存在于焊缝的底部和中间部位，有时亦出现在母材与焊缝的结合部位。手工电弧焊的金属夹杂物的直径一般在1～3 mm。

（2）射线影像特征。由金属飞溅液滴所形成的金属夹杂物表面只有一层薄薄的氧化膜，其内部金属基本上与焊缝金属相同，因此一般射线底片上不能显示出它的图像。采用大能量高灵敏度射线机，对其底片细微处理后，在底片上可显示暗环色的球状或多角形图像，环内亮度与焊缝本体的亮度相似。

（3）形成原因。焊接过程中产生的熔融金属飞溅液滴，在飞溅中表面被氧化并迅速冷凝成固体，当它再落入熔池或将要焊接的部位，熔池的温度又不足以将其熔化时形成。

2.2 非金属夹杂物缺陷

（1）特征与分布状态。焊缝内非金属夹杂物外形无一定规律，凹凸不平，常见有三角形、菱形、长条形，焊缝内非金属夹杂物的尺寸大小不一，大的3～5 mm 甚至10～20 mm。由于它比较轻，因此多在焊缝的上部和焊接金属与母材之间，在多层焊的焊缝中也出现在各层焊缝之间，呈不规则的团块状。

（2）射线影像特征。射线检测非金属夹杂物缺陷有较高灵敏度，这是由于焊缝内非金属夹杂物缺陷的成分大多是由密度小的焊药碎块及氧化物焊缝组成，而体积相对比较大，它对射线吸收量远低于金属本体的吸收量，所以在射线底片上有夹杂物的缺陷部位感光程度就比没有缺陷的焊缝其他部位大得多，因此一般射线底片上能够清晰显示缺陷的暗色图像。由于种种原因影响，其颜色和密度也不可能一致，因此在图像上各处的密度也不一样，一般说来缺陷密度小的部位图像颜色较暗，反之图像较亮。

（3）形成原因：焊接前没将焊接边沿的氧化皮及其污垢清理干净；点定位焊没有将焊渣及时充分清除；多层焊时未将上一层焊渣清除干净；焊接工艺和规范不正确；焊接技术不熟练。

3 未焊透（未熔合）缺陷

（1）特征与分布状态。在X 形对接焊缝中，未焊透缺陷常发生在坡口顶处和焊缝边缘部位；剖开后观察，缺陷一般呈条状或带状分布，表面不规则，坡口顶处未焊透缺陷内部有焊瘤和氧化夹杂物，边缘未焊透缺陷则单一的暗色条状或带状，无明显的焊瘤和氧化夹杂物。在V 形对接焊缝中，未焊透缺陷常发生在坡口边缘部位，缺陷处有一层淡淡的氧化膜。填角接头焊接、搭接焊缝、丁字接头焊缝等未焊透缺陷常发生在焊接部位顶角处，缺陷呈不规则的孔洞，内部有焊瘤和氧化夹杂物。不开坡口的焊缝在单面焊接中的未焊透缺陷常发生在焊接工件的底部边缘，缺陷呈槽状，表面凹凸不平。

（2）射线影像特征。母材与焊缝之间有一个充满金属氧化物和非金属氧化物形状不规则的缝隙或孔洞。射线在未焊透缺陷部位的通过量将大于焊透部位的通过量，因此在射线底片上将出现不同的感光度，感光度大的未焊透缺陷部位在射线底片上呈暗色图像。应该注意的是：由于未焊透的缝隙中的氧化物密度不同，缺陷图像的暗淡程度也会发生很大变化。若缝隙中充填着密度小的非金属氧化物或者无充填物，在底片上则显出颜色较深的缺陷图像。焊接生产中，未焊透缺陷种类很多，无损检测工艺中常把未焊透缺陷按它在焊缝内的分布状况进行分类，一般可分为：根部未焊透（单面焊根部未熔合）、坡口未焊透（坡口未熔合）、层间未焊透（层间未熔合）。未焊透与未熔合在焊接工艺中均属于一种焊接缺陷，而在无损检测分类为未焊透和未熔合两种评定缺陷标准。

（3）形成原因：焊接接头的坡口及被焊工件装配不正确，间距过小，钝边过大，两工件接合处坡口的钝边尺寸不一等，或者V 形、X 形的焊接边缘不齐；焊接电弧的电流和电压不足；焊接速度过大；母材金属未充分预热，而焊条过早熔化；焊接部位有铁锈、油污、熔渣、氧化铁皮等脏物，阻碍母材金属边缘很好地熔化；焊接过程中焊条倾斜角不正确，熔池偏离母材金属一边，致使另一边受热不均匀；磁性偏吹，焊接时产生电弧的电流所形成的磁场，反过来作用于电弧，并使电弧向焊道中磁场强度弱的部位偏离，这样偏离会使焊道加热不均匀。

4 热裂纹缺陷

（1）特征与分布状态。宏观热裂纹缺陷多呈纵向开裂且分布在焊缝中心部，即在焊缝两边生成的柱状晶体的对径线上，裂纹表面粗糙、没有光泽，有明显的氧化现象和粒状突出物存在。

（2）射线影像特征。应用普通射线透照底片上，只能显示焊缝宏观热裂纹缺陷，而不能显示焊缝内的显微热裂纹。焊缝宏观热裂纹在一般射线底片上的图像呈弯曲暗黑色线条状，线条两端黑度由里向外逐渐消失，在高能射线底片可以看到宏观热裂纹主干线附近有细微横向裂纹，主干线边缘部位有明显的粒状凸起物图像和柱状品前端排列的锯齿状图像。

（3）形成原因。焊缝中裂纹缺陷是由焊缝中的应力造成的，焊缝中应力起源于焊接时的加热和冷却过程，焊接是由于母材局部急剧加热，在母材和熔池之间以及熔池和已凝固的焊缝之间都会出现很大的温度差，这个温度差会使焊缝和母材之间焊缝不同部位之间产生巨大的热应力，当热应力超过焊缝在此温度下能承受的强度时，焊缝就会破裂。与此相似，焊缝在冷却过程中，由于母材传热速度快，也会产生很大的温度梯度，从而形成冷却应力，促使焊缝产生裂缝缺陷。在焊接时有熔铸收缩，焊缝金相组织转变对某些合金材料还会产生相变应力和收缩应力。