小径管手工氩弧焊气孔和氧化皮射线图像特征

2024-03-15李加雷郑学良

化工装备技术 2024年1期

李加雷* 郑学良

（东方菱日锅炉有限公司）

0 引言

小直径管常通过焊接连接。目前,互相连接的小直径管对接焊缝的质量检测多采用射线检测技术。气孔缺陷在底片上的识别与定性是相对比较简单的。对于氧化皮（渣皮）在底片上的识别与定性相对比较含糊，难以分辨。对于气孔和氧化皮（渣皮）进行分析，从中可以得到更多的信息。有助于射线检测和焊接工作进一步提升。

1 气孔产生的原因和机理

根据NB/T 47013.1—2015《承压设备无损检测第1 部分：通用要求》一般要求术语和定义，气孔熔池的金属在凝固时，其中的气体未能逸出而残留下来所形成的空穴。其气体可能是熔池从外界吸收的，也可能是焊接冶金过程中反应生产的。

1.1 气孔的分类

气孔根据形状可分为圆形、椭圆形和条形等；根据深度可分为内部气孔和表面气孔；根据分布情况（或数量），可分为单一气孔、密集气孔和分散气孔等。

1.2 气孔射线成像的特点

气孔部分充满气体，通过气孔的射线几乎不会形成材料衰减。在射线图像中，大多数为圆形或椭圆形黑斑，外形较规则，中心黑度大，边界黑度小，轮廓清晰可见。单个气孔边缘较浅而平滑地过渡，轮廓规则清晰，如图1 a）所示。密集气孔的形状类似于单个气孔，其分布集中呈现簇装，又叫簇状气孔，如图1 b）所示。在图像上，密集气孔分布在一小段焊缝区域内，大多是球形的，也有其他形状，气体的形状与焊接条件密切相关。

图1 气孔成像

1.3 数字射线气孔成像的特点

在数字射线中，操作人员可以使用图像处理软件，通过灰度值进行判断和分析等，以多个角度来分析缺陷。而数字射线图像有正片观察和负片观察，图像的合格标准主要包括灰度值、对比度和信噪比。在评定图像时，可以调整图像的窗宽和窗位，调整到容易观察的灰度值范围，确保气孔可以被正确评定。

同时，在数字射线中，测量气孔缺陷的大小时，必须要对评定软件进行坏点校正，几何校正及系统校正，才能准确的评定气孔的大小。在气孔评定中，依据NB/T 47013.2—2015 标准进行评定评级。

在图像处理软件中观察焊接焊缝的无气孔部位灰度曲线（如图2 所示），其为平滑且向下凹的曲线，因焊接焊缝高于母材灰度曲线就往下，灰度值较小，反之就高。同时，评定图像上的影像是黑色圆点，轮廓比较圆滑。

图2 无气孔部位及其灰度曲线

在有气孔的焊接焊缝中，灰度曲线发生了明显变化，不如无气孔部位趋势，使原来平滑的向下凹的曲线上出现向的凸起，如图3 箭头处所示。

图3 气孔部位及其灰度曲线

根据图4 可知，测定的焊接焊缝基准灰度值曲线是比较平滑，向下凹的曲线。

图4 气孔部位及其灰度曲线

由图5 可知，测定的气孔灰度曲线中有多个山峰状的凸起，峰顶和峰底的灰度相差比较大，说明气孔的黑度值比较大，比母材高，链状气孔贯穿所测定的部位。

图5 气孔部位及其灰度曲线

根据图6 可知，测定的焊接焊缝基准灰度值曲线是比较平滑，向下凹的曲线。

图6 无气孔部位及其灰度曲线

从图7 可以看出，测定的气孔灰度曲线有向上的凸起在峰底的起伏比较平缓，单一气孔的灰度相差不大。灰度曲线上的平滑过渡表明气孔相对均匀。从灰度曲线可以看出，其位于焊接焊缝中间。

图7 气孔部位及其灰度曲线

2 氧化皮产生原因

手工氩弧焊表面的氧化皮是金属在高温水气中发生氧化后形成的。在570 ℃以下，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4组成，氧化皮质脆，且无延伸性。金属的化学性质越活泼，温度越高，金属的氧化速率越快。随着氧化时间延长，形成的氧化铁皮厚度变大。

2.1 氧化皮射线成像的特点

在手工氩弧焊焊接接头中，大部分氧化皮都在焊道附近形成，一般为凸起的圆点且表面比较光滑的金属。氧化皮缺陷在图像上显示为中间淡黑色，周边为白色的圆形图像。

穿过氧化皮的射线几乎不会形成材料衰减。在射线图像上，大部分为圆形或椭圆形暗色斑点，中心黑度大，边界显示明暗环色的圆球，明暗环色的圆球的亮度基本上与焊缝本体相似；氧化皮大部分情况是在小焊道上形成，大部分为凸起但表面光滑的圆点状金属物。在评定氧化皮时，应观察氧化皮的边界和中间区域的灰度。观察氧化皮的边界和中间区域的灰度，当氧化皮的中间区域的灰度比母材区域的灰度要高(薄)的情况下，可按圆形缺陷进行评定；当氧化皮中间区域的灰度比母材区域灰度低（高）的情况下，可以认定为合格（如图8 所示）。

图8 氧化皮底片图像显示

2.2 数字射线氧化皮成像的特点

从图9 可以看出，测量焊接焊缝基准灰度值曲线是比较平滑，向下凹的曲线。

图9 无氧化皮部位及其灰度曲线

由图10 可知，所测定的氧化皮灰度曲线为波浪的锯齿形状，且峰底的起伏比较平缓，单一氧化皮的灰度相差不大。灰度曲线上平滑过渡，可见氧化皮是比较均匀的。从灰度曲线可以看出，其位于焊接焊缝中间，与焊接焊缝的灰度值基本一致。

图10 氧化皮部位及其灰度曲线

从图11 可知，测定焊接焊缝基准灰度值的曲线是比较平滑，向下凹的曲线。

图11 无氧化皮部位及其灰度曲线

从图12 可以看出，测定的氧皮灰度曲线无波浪的锯齿形状，在峰底起伏基本一致，多个氧化皮的灰度相差不大。灰度曲线上平滑过渡，可以看到氧化皮是比较均匀的。从灰度曲线可以看出，其位于焊接焊缝的中间，与焊接焊缝的灰度值基本一致。

图12 氧化皮部位及其灰度曲线

从图13 可知，测定焊接焊缝基准灰度值曲线是比较平滑，向下凹的曲线。

图13 氧化皮部位及其灰度曲线

从图14 可以看出，所测定的氧化皮灰度曲线在起点处有明显的凸起，以下仍然是平滑的曲线。说明气孔黑度值比较大，比母材高。当中间区域的灰度显示比母材区域相比灰度要高（薄）情况下，可以根据氧化皮的尺寸，按圆形缺陷进行评定。

图14 氧化皮部位及其灰度曲线

3 分析

通过系统了解，对于分析气孔和氧化皮(渣皮)有了新的认识，从而能更好地从图像中分析并评定气孔和氧化皮，避免误判，提高工作效率。

在底片的评定过程中，一般都是以底片的黑度来区分。气孔在底片上的影像是黑色圆点，有时是黑线(线性气孔)或其他不规则的形状，其轮廓通常比较圆滑清晰。氧化皮在底片上的影像显示为中间淡黑色，周边为白色的。在底片评定中一般都是根据底片黑度和经验值来判别，特别是在评定氧化皮时会按照气孔来评定。

在数字图像中评定气孔和氧化皮（渣皮）时，可以借助灰度值和灰度曲线。从气孔的灰度值和曲线上可以看到数值变化比较大，曲线上会出现一个或多个峰值波峰。氧化皮(渣皮)的灰度值和曲线上的数值没有什么变化，曲线也比较光滑。氧化皮的灰度值超过母材时，可按照圆形缺陷来处理；未超过母材灰度值的氧化皮，材质、工艺等无特殊要求的，可以按合格处理。